JPH0925832A - ガスタービンの圧縮機可変案内翼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐衝撃性を確保しつつ軽量化を図ることがで
きるガスタービンの圧縮機可変案内翼を提供すること。 【解決手段】 ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼
１０の可変機構への取付部となる半径方向両端部のスピ
ンドル部１２とこれらを連続する補強用芯部１３とを金
属で一体に形成して支持補強材１１とし、この金属製の
支持補強材１１の外側を囲むように繊維強化プラスチッ
ク（ＦＲＰ）を積層したＦＲＰ積層部１４で複合化する
ようにしている。これにより、金属とＦＲＰの複合化に
より軽量化を図ると同時に、耐衝撃性を向上させたガス
タービンの圧縮機入り口可変案内翼を得ることができる
ようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービンの
先端部または中間部に配置される圧縮機の可変案内翼お
よびその製造方法に関し、繊維強化プラスチック製とし
たもので、特にガスタービンの先端部に配置される圧縮
機の入り口可変案内翼において鳥などの吸い込みよる衝
撃力が加わる場合にも支障なく使用することができる耐
衝撃性を確保しつつ、軽量化を図ることができるように
したものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン、特に航空用エンジンにお
いては、軽量化やコスト低減のため従来の金属材料に代
えて部品を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で作ること
が有効とされ、ダクトなどの一部に実用化されている。

【０００３】航空用エンジン（ガスタービン）で軽量化
が検討されている部品の一つに圧縮機入り口可変案内翼
があり、エンジンの形式によってエンジンの中間部に配
置される低圧圧縮機および高圧圧縮機のそれぞれの入り
口に可変案内翼を設ける場合とエンジンの先端部に入り
口案内翼を設ける場合がある。

【０００４】このような圧縮機入り口可変案内翼は、エ
ンジンに対する圧縮機の配置にかかわらず、半径方向の
長さが比較的長く、枚数も多いことからいずれの場合に
もガスタービンの軽量化およびコスト低減のためにＦＲ
Ｐ化することが有効と考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
圧縮機入り口可変案内翼のうちエンジンの中間部に配置
される場合には、鳥などの異物の吸い込みによる衝撃力
が加わる恐れは比較的少ないもののダクトなどに比べ、
かなりの耐衝撃性などが要求され、例えば、図４に示す
ような航空機用のガスタービン１の圧縮機２の入り口可
変案内翼３にあっては、ガスタービン１の先端のストラ
ット４の後方で圧縮機２の動翼の前方に配置され、しか
もスピンドル部５で支持されて図示しない可変機構で必
要流入空気量に応じて動かされることから、鳥などの異
物吸引による損傷が問題となり、一層大きな耐衝撃性が
要求され、従来から使用されているチタン（Ｔｉ）やア
ルミニウム合金（Ａｌ合金）などの金属に代えて耐衝撃
性に劣るＦＲＰ素材のみで作ることは困難であった。

【０００６】この発明は、かかる従来技術の問題点に鑑
みてなされたもので、耐衝撃性を確保しつつ軽量化を図
ることができるガスタービンの圧縮機可変案内翼および
その製造方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記従来技術が有する課
題を解決するため、この発明の請求項１記載のガスター
ビンの圧縮機可変案内翼は、ガスタービンの圧縮機入り
口部に設けられ半径方向両端部のスピンドル部を介して
回動可能に取付けられる入り口可変案内翼であって、前
記半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補
強用芯部とを金属で一体に形成して支持補強材とすると
ともに、この支持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化
プラスチックを積層した繊維強化プラスチック積層部を
形成してなることを特徴とするものである。

【０００８】すなわち、ガスタービンの圧縮機入り口可
変案内翼の可変機構への取付部となる半径方向両端部の
スピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で
一体に形成して支持補強材とするようにし、この金属製
の支持補強材の外側を囲むように繊維強化プラスチック
（ＦＲＰ）を積層して複合化するようにしており、金属
とＦＲＰの複合構造とすることにより軽量化を図ると同
時に、耐衝撃性を向上させてガスタービンの圧縮機入り
口可変案内翼への適用を可能としている。

【０００９】ここで、支持補強材を構成する金属として
は、金属製の入り口可変案内翼の素材として使用されて
いるチタン合金（Ｔｉ合金）やアルミニウム合金（Ａｌ
合金）などを用いることができる。

【００１０】また、金属製の支持補強材とこの外側に積
層されるＦＲＰとの比率は、ガスタービンの圧縮機入り
口可変案内翼として必要とされる耐衝撃性によって定め
れば良く、金属製の支持補強材の比率を高めることで耐
衝撃性は向上するが、一方で重量が金属のみのものに近
づくことになるが、僅かでも軽量化を図ることができ、
試作・実験によれば重量を５０％程度に軽量化しても耐
衝撃性に問題のないものを得ることができた。

【００１１】さらに、積層して使用する繊維強化プラス
チック（ＦＲＰ）としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹
脂などいずれでも良い。

【００１２】また、この発明の請求項２記載のガスター
ビンの圧縮機可変案内翼は、請求項１記載の構成に加
え、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）として繊維強化熱
可塑性プラスチックを用いるようにしている。

【００１３】これにより、熱硬化性樹脂に比べ、耐衝撃
性が高く、一層耐衝撃性に優れたガスタービンの圧縮機
可変案内翼を得ることができる。

【００１４】この繊維強化熱可塑性プラスチックとして
は、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥ
Ｋ）や熱可塑性ポリイミド樹脂（ＰＩＸ）等の熱可塑性
樹脂をマトリックスとするＦＲＰを使用することができ
る。

【００１５】そして、これらのガスタービンの圧縮機可
変案内翼に用いられる強化繊維としても通常ＦＲＰに使
用される強化用の繊維を用いることができるが、強度な
どを考慮して炭素繊維を用いることが好ましい。また、
このＦＲＰの積層数についても圧縮機入り口可変案内翼
の大きさや強化繊維などの厚さなどによって適宜定めら
れる。

【００１６】さらに、この発明の請求項３記載のガスタ
ービンの圧縮機可変案内翼の製造方法は、ガスタービン
の圧縮機入り口部に設けられ半径方向両端部のスピンド
ル部を介して回動可能に取付けられる入り口可変案内翼
を成形するに際し、前記半径方向両端部のスピンドル部
とこれらを連続する補強用芯部とでなる支持補強材を金
属で一体に形成し、この支持補強材の補強用芯部を囲ん
で繊維強化熱可塑性プラスチックのプリプレグを積層し
た繊維強化プラスチック積層部を形成したのち、ホット
プレス法で成形することを特徴とするものである。

【００１７】すなわち、ガスタービンの圧縮機入り口可
変案内翼を繊維強化熱可塑性プラスチックで製造しよう
とすると、従来のレジントランスファモールディグ法に
より成形することが樹脂の流動性の点で難しいが、予め
強化繊維と熱可塑性樹脂とでプリプレグを作り、これを
積層したのち、金型内に入れてホットプレスで成形する
ことで、寸法精度の高い製品を得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の内容について図
面に基づき詳細に説明する。図１はこの発明のガスター
ビンの圧縮機可変案内翼の一実施の形態にかかり、支持
補強材のみの正面図、全体の正面図、全体の横断面図で
ある。

【００１９】このガスタービンの圧縮機可変案内翼は、
既に説明した図４の金属製のガスタービンの圧縮機入り
口可変案内翼３に代えて使用されるものであり、繊維強
化プラスチック（以下、単にＦＲＰとする。）と金属の
複合構造で構成してある。

【００２０】このガスタービンの圧縮機入り口可変案内
翼１０は、金属製の支持補強材１１を備えており、図１
（ａ）に示すように、圧縮機への取付部となる半径方向
両端部に円柱状のスピンドル部１２が形成されるととも
に、これら２つの円柱状のスピンドル部１２の間に補強
用芯部１３が配置されて一体の金属で作られている。

【００２１】この補強用芯部１３は、その横断面形状が
ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０の翼形の横
断面形状をほぼ相似的に縮小した形状とされ、この補強
用芯部１３の上下端面にスピンドル部１２が一体とさ
れ、スピンドル部１２の直径が補強用芯部１３の翼断面
の厚さより厚いことから傾斜面で連続するようにしてあ
る。 そして、このような支持補強材１１は、その翼部
分の長さを長くすれば、ガスタービンの圧縮機入り口可
変案内翼１０に占める金属部分が多くなって重量低減効
果が減少する一方で耐衝撃性が向上することから、製品
として必要な耐衝撃性を考慮してスピンドル部１２から
横に突き出す翼部分の長さが決定され、例えば、チタン
のみで作られた金属製のタービンの圧縮機入り口案内翼
の代わりに用いる場合では、製品の案内翼の長さの１／
３程度の支持補強材１１で必要な耐衝撃性を得ることが
できた。

【００２２】この支持補強材１１に使用される金属とし
ては、従来の金属製のガスタービンの圧縮機入り口可変
案内翼の場合と同様にチタン合金やアルミニウム合金等
を用いる。そして、支持補強材１１の製作は、例えば機
械加工によってスピンドル部１２と補強用芯部１３とを
一体に削り出すことなどで行われ、次工程でのＦＲＰの
積層の際の接合性の向上のため、必要に応じて支持補強
材１１の補強用芯部１３の表面にサンドブラスト処理な
どを施す。

【００２３】このような支持補強材１１の補強用芯部１
３の外側には、ＦＲＰが積層されてＦＲＰ積層部１４が
一体に形成されて所定寸法のガスタービンの圧縮機入り
口可変案内翼１０とされる。なお、支持補強材１１の補
強用芯部１３の大きさによってはさらにコアを入れるよ
うにしても良く、例えばＵＤ材コアが使用される。

【００２４】このＦＲＰ積層部１４としては、熱硬化性
樹脂や熱可塑性樹脂のいずれでも使用することができ、
熱硬化性樹脂を用いる場合には、たとえばその流動性を
利用して強化用繊維のみを支持補強材１１の外側に配置
して製品形状に金型でプレス成形した後、金型内で熱硬
化性樹脂を含浸させるレジン・トランスファモールディ
ングで成形できる。

【００２５】一方、熱可塑性樹脂を用いる場合には、熱
硬化性樹脂に比べて耐衝撃性が高いことからガスタービ
ンの圧縮機入り口可変案内翼１０としての性能（耐衝撃
性）確保の点で有利であるが、加熱状態でも熱可塑性樹
脂の流動性が低いことから成形が難しい。

【００２６】そこで、この発明のガスタービンの圧縮機
可変案内翼の製造方法の一形態を示す、例えば図２の製
造工程のように、強化用繊維と熱可塑性樹脂とで予めシ
ート状のプリプレグ１５を作り、これを支持補強材１１
の補強用芯部１３の外側を包むように積層したのち、金
型に入れてプレス成形をおこなって所定寸法に仕上げる
ことで金属製の支持補強材１１を有するガスタービンの
圧縮機案内翼１０を作ることができる。

【００２７】このプリプレグ１５の積層に当たっては、
たとえば補強用芯部１３の内側に配置されるものほど長
さを短くし、外側に配置されるプリプレグ１５で全体を
包むことができるようにするため、予めプリプレグ１５
の切断を行った後、空気の流入方向前端縁が連続し、流
入方向後端縁で両端部を合わせるように曲げ加工を行な
って積層する。

【００２８】また、プリプレグ１５の積層は長いものと
短いものを交互にしたりすることもでき、種々の配置が
選択できるとともに、耐衝撃性を考慮してインターリー
フを挿入するようにしても良い。

【００２９】このように金属製の支持補強材１１に可変
機構への取付部となるスピンドル部１２を形成するとと
もに、ＦＲＰに埋め込まれる補強用芯部１３を一体に形
成し、この支持補強材１１の補強用芯部１３を包むよう
にＦＲＰを積層してガスタービンの圧縮機入り口可変案
内翼１０とするようにしたので、従来のガスタービンの
圧縮機入り口可変案内翼全体を金属で作る場合に比べて
重量の軽減を図ることができるとともに、従来のガスタ
ービンの圧縮機入り口可変案内翼全体をＦＲＰで作る場
合に比べて耐衝撃性を向上することができ、圧縮機のエ
ンジンに対する配置が先端部の場合や中間部のいずれの
場合にもガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０と
して十分使用することが可能となった。

【００３０】

【実施例】支持補強材としてチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ
−４Ｖ）を用い、ＦＲＰ積層部として炭素繊維強化プラ
スチック材料（ＣＦＲＰ）である炭素繊維（ＵＴ５０
０）とＰＥＥＫ樹脂をマトリックスとして用いたプレプ
レグを使用した。

【００３１】そして、支持補強材は機械加工後、ＣＦＲ
Ｐの接合面にサンドブラスト処理を行い、プリプレグは
積層位置に応じた長さに切断した後、空気の流入側前端
縁の曲率に合わせて曲げ加工を行った。

【００３２】次いで、支持補強材の補強用芯部の外側に
プリプレグを積層した状態で金型にセットし、ホットプ
レス成形を行った。

【００３３】また、比較のため同一形状のガスタービン
の圧縮機入り口可変案内翼をチタン合金とアルミニウム
合金を用いてそれぞれ製作した。

【００３４】こうして得られたこの発明の金属製の支持
補強材を有するガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼
は、その重量が同一形状の全チタン製の翼に比べて約５
０％であり、大幅な重量低減効果が得られることが確認
できた。

【００３５】また、耐衝撃性を調べるため、各ガスター
ビンの圧縮機入り口可変案内翼の半径方向両端部のスピ
ンドル部を固定台の穴に差し込むとともに、回転をアー
ムで拘束した状態とし、鳥の吸い込みに相当する衝撃エ
ネルギをゼラチンの速度と重量で調整して打ち込んで試
験を行い、その結果を図３に示した。なお、図中の縦軸
は目視による観察結果であり、横軸は衝撃エネルギであ
る。

【００３６】同図から明らかなように、小型の鳥の吸い
込みに相当する１０００Ｊ以下の衝撃エネルギでは、本
発明のＦＲＰ製の翼も図示しない比較用のアルミニウム
製の翼も外観上の損傷は見られない。

【００３７】しかし、これ以上の衝撃エネルギでは、比
較用のチタン製やアルミニウム製の全金属製の翼では、
いずれもスピンドル部分の破断が生じてしまうのに対
し、本発明のＦＲＰ製の翼では、ＦＲＰ部分の剥離が大
きくなってついには分割されるがスピンドル分の破断は
起こらず、金属製の支持補強材が可変機構に支持された
状態で保持される。

【００３８】これにより、全金属製の翼では、破損した
翼全体の吸い込みにより圧縮機の回転部分に大きな損傷
が加わるが、本発明のＦＲＰ製の翼では、ＦＲＰ部分の
みが分割されて吸い込まれることになって圧縮機の回転
部分の損傷が極力防止され、耐衝撃性においても全金属
製の翼に何等劣るものでないことを確認した。

【００３９】

【発明の効果】以上、実施の形態とともに具体的に説明
したようにこの発明の請求項１記載のガスタービンの圧
縮機可変案内翼によれば、ガスタービンの圧縮機可変案
内翼の可変機構への取付部となる半径方向両端部のスピ
ンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で一体
に形成して支持補強材とするようにし、この金属製の支
持補強材の外側を囲むように繊維強化プラスチック（Ｆ
ＲＰ）を積層して複合化するようにしたので、金属とＦ
ＲＰの複合化により軽量化を図ると同時に、耐衝撃性を
向上させてガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼への
適用が可能となった。

【００４０】また、この発明の請求項２記載のガスター
ビンの圧縮機可変案内翼によれば、請求項１記載の構成
に加え、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）として繊維強
化熱可塑性プラスチックを用いるようにしたので、熱硬
化性樹脂に比べ、一層耐衝撃性に優れたガスタービンの
圧縮機入り口可変案内翼を得ることができた。

【００４１】さらに、この発明の請求項３記載のガスタ
ービンの圧縮機可変案内翼の製造方法によれば、繊維強
化熱可塑性プラスチックで製造しようとすると、従来の
レジントランスファモールディグ法により成形すること
が樹脂の流動性の点から難しいが、予め強化繊維と熱可
塑性樹脂とでプリプレグを作り、これを積層したのち、
金型内に入れてホットプレスで成形するようにしたの
で、寸法精度の高い製品を簡単に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の
一実施の形態にかかり、支持補強材のみの正面図、全体
の正面図、全体の横断面図である。

【図２】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の
製造方法の一実施の形態にかかる製造工程図である。

【図３】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼と
金属製案内翼の衝撃試験結果の説明図である。

【図４】この発明のガスタービンの圧縮機入り口可変案
内翼の概略構造を示す縦断面図である。

【符号の説明】 １ ガスタービン ２ 圧縮機 ３ 入り口可変案内翼 ４ ストラット ５ スピンドル部 １０ ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼 １１ 支持補強材 １２ スピンドル部 １３ 補強用芯部 １４ ＦＲＰ積層部（繊維強化プラスチック積層部） １５ プリプレグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夏村 匡 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 正木 彰樹 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石川 島播磨重工業株式会社田無工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ
   半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付
   けられる入り口可変案内翼であって、前記半径方向両端
   部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金
   属で一体に形成して支持補強材とするとともに、この支
   持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化プラスチックを
   積層した繊維強化プラスチック積層部を形成してなるこ
   とを特徴とするガスタービンの圧縮機可変案内翼。
2. 【請求項２】前記繊維強化プラスチックを繊維強化熱可
   塑性プラスチックとしたことを特徴とする請求項１記載
   のガスタービンの圧縮機可変案内翼。
3. 【請求項３】ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ
   半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付
   けられる入り口可変案内翼を成形するに際し、前記半径
   方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯
   部とでなる支持補強材を金属で一体に形成し、この支持
   補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化熱可塑性プラスチ
   ックのプリプレグを積層した繊維強化プラスチック積層
   部を形成したのち、ホットプレス法で成形することを特
   徴とするガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法。