JPH09217601A - 繊維強化複合材製翼車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強化繊維を機能的に配列し、軽量で且つ強度
的に優れた繊維強化複合材製翼車を提供する。 【解決手段】 径方向の強化繊維９とドーナツ板形状の
ボス形成部材によりボス４を形成する。ボス４の外周方
部に、強化繊維９によるリング５を同心状に配置する。
リング５とボス４との間に、ボス４の径方向の強化繊維
９と連続する強化繊維９によりスポーク状に形成したデ
ィスク本体６を設ける。ボス４とリング５とディスク本
体６によりディスク２を構成する。ディスク２の外側
に、ディスク本体６から強化繊維９を延長させた翼主体
７を形成し、翼主体７の表面部にコード方向強化部材８
を配置して翼３を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は繊維強化複合材製と
したタービン翼車やコンプレッサ翼車、スクリュー、フ
ァンの如き翼車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化複合材は、軽量で且つ比強度
（強度／密度）が大きく、破壊じん性に優れ、しかも温
度の高低差が大きい場合にも耐えられるという特性があ
るため、各種の構造材料等に広く用いられている。

【０００３】たとえば、タービン翼車の如き翼部付ディ
スク部品としての翼車を繊維強化複合材にて製作する場
合、従来では、強化繊維をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に通し
て円盤状の多軸繊維構造体を作り、これにマトリックス
を含浸させて繊維強化複合材円盤を形成し、更に、この
繊維強化複合材円盤を機械加工して翼とディスクとが一
体物である翼車とするようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、繊維強化複
合材円盤を機械加工するようにして製作した従来の翼車
の場合、 ディスクが中実構造となるため、重量が大となり、
又、周方向応力が発生するため、それに対応する繊維配
列が必要となって構造が複雑になること、 翼に対しコード方向（翼弦方向：翼面に沿った流体の
流れの方向）の強化繊維の配列が自由にできないこと、 ディスクと翼との接合部分での繊維連続性が得られに
くいため、翼のねじり力、剪断力、振動等に対する強度
が確保しにくいこと、 径方向繊維の密度がディスクの外周部に近くなるほど
粗になるため、ディスク外周部の強度が低下すること、 等の理由により実用化されておらず、現時点では試作品
の域を出ていないのが実情である。

【０００５】そこで、本発明は、強化繊維を機能的に配
列構成することにより、上述した如き問題点のない繊維
強化複合材製翼車を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、径方向の強化繊維とボス形成部材を積層
してなるボスと該ボスの外周方部に強化繊維を円周方向
に配置してなるリングとの間に、ボスの径方向の強化繊
維と連続する強化繊維をスポーク状に配列しながら軸方
向に積層してなるディスク本体を設けて、中空状のディ
スクを形成し、且つ該ディスクのスポーク状に配列した
強化繊維を放射方向に延長して積層してなる翼主体を設
け、更に、該翼主体の表面部に、強化繊維による板状の
コード方向強化部材を沿設して、翼を形成した構成とす
る。

【０００７】ディスクがスポーク状のディスク本体の存
在により中空に近い構造となるため、軽量であり、且つ
周方向応力が発生しにくくなり、又、コード方向強化部
材の選定により翼の強化繊維配列の自由度が高められ
る。更に、ボスとディスク本体と翼の強化繊維が連続し
ているため、繊維強度を有効に利用でき、又、ディスク
の外周部にリングが存在するため翼のねじり力等に対す
る強度が確保される。

【０００８】又、ボス形成部材をドーナツ板形状とした
構成とすることにより、ボスの形成が容易となり、且つ
強化繊維密度を容易に高くすることができる。

【０００９】更に、ディスクの外周リングを、円周方向
に巻いた強化繊維の層を径方向に複数として任意の層の
強化繊維を、単純周方向巻きに対して軸方向へ蛇行させ
るようにして形成した構成とすると、リングの強度を更
に高くすることができるようになる。

【００１０】更に又、コード方向強化部材を、翼主体の
内側に介在させるように配置した構成とすると、翼の強
度を更に高くすることができるようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１２】図１は本発明の実施の一形態を示すもの
で、翼車形状に積層した繊維構造体をマトリックス樹脂
に含浸させた後、加熱硬化成形してなる構成とする。

【００１３】詳述すると、径方向の強化繊維９とボス形
成部材を積層して軸への取付部となるようにするボス４
と、強化繊維９を周方向に配して径方向に積層して上記
ボス４の外周方部に同心状に配置したリング５との間
に、ボス４の径方向の強化繊維９と連続して周方向にジ
グザグ形状のスポーク状に配列して軸方向に積層してな
る強化繊維によるディスク本体６を設けて、上記ボス４
とリング５とディスク本体６とにより中空状のディスク
２を形成し、且つ該ディスク２の外周面部に、上記ディ
スク本体６からリング５を通して強化繊維９を放射方向
へ延長してなる翼主体７を設け、更に、該翼主体７の表
面部及び内側に、強化繊維による板状のコード方向強化
部材８を配置して、翼主体７とコード方向強化部材８と
により翼３を形成し、ディスク２の外周に所要数の翼３
を設けた繊維強化複合材製翼車１とする。

【００１４】上記構成とした繊維強化複合材製翼車１の
具体的な製作手順の一例を図２乃至図１０に基づいて説
明する。

【００１５】先ず、図２に示す如く、ディスク成形用の
内部空間１１を有するように薄肉円筒状としたディスク
成形型１２と、該ディスク成形型１２を上面にセットで
きるようにした円形の基盤１３とを用意する。上記ディ
スク成形型１２には、所要の食い違い角を有して上端か
ら下端付近まで延びるようにした所要数（図では１２個
所）のスリット１４が、周方向等間隔位置に形成してあ
る。又、上記基盤１３上には、中心部に、軸孔形成部と
しての軸体１５を立設し、且つ該軸体１５の付根部外周
位置に、ディスク成形型１２を嵌め込んでセットするた
めの凹部１６を形成し、更に、軸体１５を中心とする同
心円上の外周部等間隔位置に、ディスク成形型１２のス
リット１４と対応する繊維掛けピン１７が所要の傾斜角
で立設してある。

【００１６】基盤１３上の凹部１６にディスク成形型１
２を嵌め込み、スリット１４と繊維掛けピン１７の位置
を対応させるようにしてセットした状態において、図３
に示す如く、糸状の強化繊維９を、任意の繊維掛けピン
１７の根本に結着した後、その繊維掛けピン１７と対応
するディスク成形型１２のスリット１４を通して内部空
間１１に導入し、続いて、該強化繊維９を、３つ置き又
は４つ置きのスリット１４の如く任意の別のスリット１
４を通してそのスリット１４と対応する繊維掛けピン１
７に掛け回した後、再び同じスリット１４を通して内部
空間１１に導入し、次いで、該強化繊維９を、同様にし
て、数個置きの別のスリット１４を通してそのスリット
１４と対応する繊維掛けピン１７に掛け回すという工程
を繰り返し実施して、各繊維掛けピン１７に強化繊維９
を掛け回すことにより１層目を形成する。なお、図３に
おいては、便宜上、各繊維掛けピン１７に、添字1 〜12
が付してあり、強化繊維９を、繊維掛けピン１７-1、１
７-6、１７-11 、１７-14、１７-9、１７-2、１７-7、
１７-12 、１７-5、１７-10 、１７-3、１７-8、１７-1
の順番で掛け回した状態を示している。

【００１７】上述したように、各繊維掛けピン１７及び
ディスク成形型１２の各スリット１４への１層目の強化
繊維９の掛け回しが終了すると、軸体１５の直径と対応
する内径とし且つ所要の外径としたドーナツ円板状のボ
ス形成部材１０を、軸体１５の外周位置に落し込むよう
にする。なお、ボス形成部材１０としては、強化繊維製
の不織布、又は、織布、あるいは、周巻き円盤などを採
用する。

【００１８】このように、強化繊維９の掛け回し作業と
ボス形成部材１０の落し込み作業を交互に行うことによ
り、図４に示す如く、径方向の強化繊維９とボス形成部
材１０を軸方向に密に積層して所要の厚みとする。これ
により、ディスク成形型１２の内部空間１１に、ボス４
となるボス形成部４′及びディスク本体６となるディス
ク本体形成部６′が形成され、且つディスク成形型１２
と各繊維掛けピン１７との間に一連の強化繊維９により
翼主体７となる翼主体形成部７′が形成される。

【００１９】次に、図５に示す如く、針状の挿入具１８
を用いて、ディスク成形型１２の外周面に、強化繊維９
を単純周方向巻きして軸方向に積層する工程と、図６に
示す如く、単純周方向巻きに対して強化繊維９を軸方向
へ適宜蛇行させながら積層する工程とを適宜繰り返す
（たとえば、径方向に３〜４層巻き重ねる）。これによ
り、リング５となるリング形成部５′が形成され、更
に、該リング形成部５′と上記ボス形成部４′及びディ
スク本体形成部６′とによってディスク２となる部分が
形成される。なお、上記リング形成部５′を形成する
際、周方向に巻く強化繊維９は、ディスク成形型１２の
各スリット１４から放射状に延出して軸方向に並んでい
る翼主体形成部７′の各強化繊維９間を通すように導い
て配列する。

【００２０】次いで、図７に示す如く、シリコン又はカ
ーボン等からなり且つ上記ディスク成形型１２のスリッ
ト１４に対応する数の型セグメント１９を有すると共に
環状に組み合わせることにより隣接する型セグメント１
９間に所要の隙間が形成されるようにしてある周方向多
分割構造の翼成形型２０を、基盤１３上に固定する。こ
の場合、たとえば、各型セグメント１９に、予め上下方
向に貫通する貫通孔１９ａを穿設しておくと共に、基盤
１３の対応個所に固定用孔を穿設しておいて、各型セグ
メント１９を、周方向で並ぶ翼主体形成部７′の間に挿
入してディスク成形型１２の外周面部に配置した後、固
定用ボルト２３を型セグメント１９の貫通孔１９ａを通
して基盤１３の固定用孔にねじ込むようにする。なお、
上記各型セグメント１９は、翼の食い違い角に対応して
ねじれた形状としてあるため、翼のピッチによっては固
定用ボルト２３を鉛直に通すことができないことがある
が、このような場合は、基盤１３の下側から長さの短い
固定用ボルトをねじ込んだり、固定用ピンを差し込むよ
うにする。

【００２１】又、上記型セグメント１９の取り付け時
に、強化繊維布、あるいは、強化繊維を一方向に配列し
たものを適宜角度ずらして積層して樹脂等で繊維配列を
仮り止めしてなる板状のコード方向強化部材８を、型セ
グメント１９と翼主体形成部７′との間、すなわち、翼
主体形成部７′の表面部と、翼主体形成部７′を形成す
る強化繊維９間、すなわち、翼主体形成部７′の内側
に、サンドイッチ状に介在配置させるようにして、翼主
体形成部７′とコード方向強化部材８とによって翼３と
なる部分を形成するようにする。

【００２２】以上のようにして、図８に示す如く、基盤
１３上に、強化繊維からなる繊維構造体１′が作られる
と、図９に示す如く、マトリックス樹脂２１が収容され
ている樹脂槽２２内に、基盤１３、ディスク成形型１
２、翼成形型２０と共に上記繊維構造体１′を入れて、
繊維構造体１′にマトリックス樹脂２１を含浸させるよ
うにする。更に、含浸処理後の繊維構造体１′を、上記
基盤１３等と一緒に加熱炉に入れ、加熱して硬化させる
ようにする。

【００２３】しかる後、図１０に示す如く、翼成形型２
０の外周から突出している翼主体形成部７′の余分な強
化繊維９の部分を切断した後、脱型させるようにする。
これにより、図１に示す如き、ボス４及びリング５、デ
ィスク本体６からなるディスク２と、翼主体７及びコー
ド方向強化部材８からなる翼３とが一体に成形された翼
車１が成形品として得られる。

【００２４】なお、上記各基盤１３、ディスク成形型１
２、翼成形型２０等の表面には、予め離型剤が塗布して
ある。

【００２５】上述の如き手順で製作された本発明の繊維
強化複合材製翼車１の場合、ディスク２がスポーク状の
ディスク本体６により中空に近い構造となっているた
め、軽量であり、しかもディスク本体６がスポーク状に
なっていることから、周方向応力が発生しにくく、又、
翼３の表面部にはコード方向強化部材８が沿設される
が、このコード方向強化部材８は任意に選定することが
できるので、翼３のコード方向強化繊維配列を自由に行
うことができ、更に、ディスク２と翼３とは強化繊維９
が連続しているため、翼３のねじり力や、剪断力、振動
等に対する強度を確保することができ、更に又、ディス
ク２の最外周部はリング５によって補強されているた
め、ディスク２の外周部の強度が低下するようなことも
ない。

【００２６】又、上記において、軸への取付部となるボ
ス４は、ドーナツ板状のボス形成部材１０の積層構造と
してあることから、強化繊維が密の状態となって強度的
に有利であり、更に、リング５は、強化繊維９による単
純周方向巻きの層のみならず、軸方向へ蛇行させるよう
に巻いた層を有するため、径方向の厚さが薄くても翼３
の発生する剪断力、ねじり力等に対する強度を確保する
ことができ、一方、コード方向強化部材８は翼主体７の
内側にも介在させてあることから翼３のコード方向の強
度を極めて高いものとすることができる。

【００２７】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されるものではなく、スポーク状とするディスク本体６
の形状は任意に選定し得ること、又、翼３の数は任意に
選定し得ること、更に、実施の形態では、製作時に、デ
ィスク成形型１２の１つのスリット１４に対して１本の
繊維掛けピン１７を対応させるようにした場合を示した
が、たとえば、図１１に示す如く、１つのスリット１４
に対し複数本（図では２本）の繊維掛けピン１７を立て
て、複数本の繊維掛けピン１７にそれぞれ強化繊維９を
掛けるようにすることによって、翼３の繊維構成を複雑
化できると同時に厚みを任意に厚くできること、更に
又、マトリックスとして樹脂以外のセラミックス、カー
ボン等を使用するようにしてもよいこと、その他本発明
の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得る
ことは勿論である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の繊維強化複合
材製翼車によれば、次の如き優れた効果を発揮する。 (1) 径方向の強化繊維とボス形成部材を積層してなるボ
スと該ボスの外周方部に強化繊維を円周方向に配置して
なるリングとの間に、ボスの径方向の強化繊維と連続す
る強化繊維をスポーク状に配列しながら軸方向に積層し
てなるディスク本体を設けて、中空状のディスクを形成
し、且つ該ディスクのスポーク状に配列した強化繊維を
放射方向に延長して積層してなる翼主体を設け、更に、
該翼主体の表面部に、強化繊維による板状のコード方向
強化部材を沿設して、翼を形成した構成としてあるの
で、ディスクが中空に近い構造となることにより、軽量
化を達成することができ、しかも周方向応力が発生しに
くい構造とすることができ、又、翼、ディスク本体、ボ
ス、ディスク本体、翼と強化繊維が連続して繊維強度を
有効に利用することができ、更に、翼部のコード方向に
強化部材を配列したことにより翼のねじり力、剪断力に
対応できると共に強化部材を選定することにより繊維方
向の自由度を高めることができ、更に又、ディスクの外
周部はリングによって補強してあることにより翼のねじ
り力や剪断力、振動等に対する強度を確保することがで
きる。 (2) ボス形成部材をドーナツ板形状とした構成とするこ
とにより、軸への取付部となるボスの強化繊維密度を容
易に高くすることができる。 (3) ディスクの外周リングを、円周方向に巻いた強化繊
維の層を径方向に複数として任意の層の強化繊維を、単
純周方向巻きに対して軸方向へ蛇行させるようにして形
成した構成とすることにより、リングの強度をより確実
なものとすることができる。 (4) コード方向強化部材を、翼主体の内側に介在させる
ように配置した構成とすることにより、翼の強度を更に
高めることができる。 (5) 以上により、高速回転に耐え得る翼車を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の繊維強化複合材製翼車の実施の一形態
を示す概要図である。

【図２】製作手順の一例を示すもので、基板上にディス
ク成形型をセットした状態の概要図である。

【図３】図２の状態から強化繊維を平面的に１層掛け回
した状態を示す概要図である。

【図４】図３の状態から強化繊維を軸方向に積層した状
態を示す概要図である。

【図５】図４の状態からディスク成形型の外周面に強化
繊維を周方向に巻き付けている状態を示す概要図であ
る。

【図６】図５の状態から強化繊維を蛇行させて巻き重ね
ている状態を示す概要図である。

【図７】翼成形型をセットしている状態を示す概要図で
ある。

【図８】基盤上に繊維構造体が形成された状態を示す概
要図である。

【図９】繊維構造体を含浸処理している状態を示す概要
図である。

【図１０】成形後に脱型している状態を示す概要図であ
る。

【図１１】翼の厚みを厚くする場合の強化繊維の掛け回
し方の一例を示す概略図である。

【符号の説明】

１ 翼車 ２ ディスク ３ 翼 ４ ボス ５ リング ６ ディスク本体 ７ 翼主体 ８ コード方向強化部材 ９ 強化繊維 １０ ボス形成部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 径方向の強化繊維とボス形成部材を積層
   してなるボスと該ボスの外周方部に強化繊維を円周方向
   に配置してなるリングとの間に、ボスの径方向の強化繊
   維と連続する強化繊維をスポーク状に配列しながら軸方
   向に積層してなるディスク本体を設けて、中空状のディ
   スクを形成し、且つ該ディスクのスポーク状に配列した
   強化繊維を放射方向に延長して積層してなる翼主体を設
   け、更に、該翼主体の表面部に、強化繊維による板状の
   コード方向強化部材を沿設して、翼を形成した構成を有
   することを特徴とする繊維強化複合材製翼車。
2. 【請求項２】 ボス形成部材をドーナツ板形状とした請
   求項１記載の繊維強化複合材製翼車。
3. 【請求項３】 ディスクの外周リングを、円周方向に巻
   いた強化繊維の層を径方向に複数として任意の層の強化
   繊維を、単純周方向巻きに対して軸方向へ蛇行させるよ
   うにして形成した請求項１又は２記載の繊維強化複合材
   製翼車。
4. 【請求項４】 コード方向強化部材を、翼主体の内側に
   介在させるように配置した請求項１、２又は３記載の繊
   維強化複合材製翼車。