WO2014109246A1

WO2014109246A1 - 繊維強化されたタービン部品

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Publication number: WO2014109246A1
Application number: PCT/JP2013/084882
Authority: WO
Inventors: 謙河西; 中村　武志; 文章渡邉
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-07-17
Also published as: JP2014134159A; CN104903546B; EP2944766A4; US20150292340A1; JP6003660B2; EP2944766A1; CN104903546A; EP2944766B1

Abstract

　タービン部品は、長手方向に延びた翼部と、前記翼部の一端に連続し、前記長手方向と交差する幅方向に前記翼部より膨出したダブテール部と、前記翼部から前記ダブテール部まで連続して走行する複数の第１の強化繊維と、前記翼部において少なくとも部分的に前記幅方向に走行する第２の強化繊維と、前記複数の第１の強化繊維と前記第２の強化繊維との全体を結び付けるマトリックスと、を備え、前記翼部において前記第２の強化繊維は前記複数の第１の強化繊維の間に織り込まれて３次元織物を構成し、前記ダブテール部において、前記複数の第１の強化繊維は、織り込まれた他の繊維によって前記幅方向に集約されることなく、前記幅方向に展開している。

Description

繊維強化されたタービン部品

　本発明は繊維強化されたタービン部品に関し、特に、強化繊維を含むセラミックス基複合材料よりなるタービン動翼に関する。

　航空機用ターボファンエンジンは、図８Ａに例示されるように、燃焼ガスからエネルギを取り出すべく複数段のタービンを備え、各段のタービンは、タービンディスクの周囲に配列された複数のタービン動翼よりなる。各タービン動翼１００は、図８Ｂに例示されるように、概略、翼部１０２と、外側を囲むチップシュラウド部１０４と、内側を囲むプラットフォーム部１０８と、タービンディスクと結合するためのダブテール部１０６と、よりなる。チップシュラウド部１０４とプラットフォーム部１０８とにより囲まれた空間を燃焼ガスが流れ、翼部１０２がこれを受けてそのエネルギを回転エネルギに変換し、タービンディスクに伝える。回転に伴い、各タービン動翼１００は遠心力ＣＦを受ける。

　タービン動翼は燃焼ガスによる高温に曝されるので、高温において十分な強度を有する素材が選択され、これは従来においては例えばＮｉ基合金であった。近年、航空機の燃費向上への要請から、より高温に耐えることができ、且つより軽量な、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）を利用することが検討されている。ＣＭＣは、セラミックスよりなる強化繊維が、同種のまたは異種のセラミックスのマトリックスに埋め込まれたものである。ＣＭＣよりなる部材の製造は、例えば、強化繊維を織成して織物とし、含浸法ないし気相法によりその繊維間にマトリックスを充填することよりなる。特許文献１，２は関連する技術を開示する。

米国特許第７５１０３７９号公報米国特許出願公開２００９／０１６５９２４号公報

　織物は薄いので、薄い板状のＣＭＣ部材を製造するのは容易である。ある程度の厚さを有するＣＭＣ部材は、強化繊維織物を重ね合わせることにより製造することができる。しかしながら、強化繊維織物を重ね合わせた面間は、強化繊維によって連絡されていない。ＣＭＣの高強度は強化繊維に負うところが大きいので、かかる部位は著しく強度に劣り、剥離ないし剪断的破壊に対して脆弱である。

　タービン動翼のごとく、単純な板状ではない複雑形状の部材においては、上述の問題に特別な注意を要する。例えば翼部は単純な板状に近い形状であるから、繊維を長手方向に向け、それと直交する幅方向に強化繊維織物を重ね合わせることにより、形成することができる。長手方向に向けられた繊維は遠心力の方向に沿うので、これに抗する十分な強度を提供する。一方、ダブテール部は翼部よりも幅方向に膨出してタービンディスクと係合する必要がある。膨出した構造は、該当部位に追加的に強化繊維織物を重ねることによって形成しうる。しかし、そのような構造では、遠心力は重ね合わされた面を剪断するようにダブテール部に作用するので、剪断的破壊が起こる懸念がある。

　本発明者らは、上述の通り、問題の根源が強化繊維織物を重ね合わせることに所在することを見出し、その解決を図る構造に想到することにより、本発明を為すに至った。

　本発明の一局面によれば、タービン部品は、長手方向に延びた翼部と、前記翼部の一端に連続し、前記長手方向と交差する幅方向に前記翼部より膨出したダブテール部と、前記翼部から前記ダブテール部まで連続して走行する複数の第１の強化繊維と、前記翼部において少なくとも部分的に前記幅方向に走行する第２の強化繊維と、前記複数の第１の強化繊維と前記第２の強化繊維との全体を結び付けるマトリックスと、を備え、前記翼部において前記第２の強化繊維は前記複数の第１の強化繊維の間に織り込まれて３次元織物を構成し、前記ダブテール部において、前記複数の第１の強化繊維は、織り込まれた他の繊維によって前記幅方向に集約されることなく、前記幅方向に展開している。

　セラミックス基複合材料よりなるタービン部品は、ダブテール部においても十分な強度を確保しうる。

図１は、本発明の一実施形態によるタービン動翼とタービンディスクとの斜視図である。図２は、模式的なタービン動翼の断面図であって、翼部の内側端およびダブテール部における強化繊維織物の走行を例示している。図３は、他の例による模式的なタービン動翼の断面図である。図４は、さらに他の例による模式的なタービン動翼の断面図である。図５は、本実施形態に利用される強化繊維よりなる３次元織物の模式的な斜視図である。図６Ａは、タービン動翼の模式的な斜視図であって、追加的な強化繊維織物を含むものを例示している。図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ－ＶＩＢ線より取られたタービン動翼の模式的な断面図である。図７Ａは、図６Ａのものとは異なる例によるタービン動翼の模式的な斜視図である。図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線より取られたタービン動翼の模式的な断面図である。図８Ａは、部分的に切断して内部構造を見せた航空機用ターボファンエンジンの斜視図である。図８Ｂは、一般的なタービン動翼の斜視図である。

　添付の図面を参照して以下に本発明の幾つかの例示的な実施形態を説明する。

　本実施形態は、タービン動翼のごとき複雑形状のタービン部品に適用しうるが、高温強度を必要とする他の多くの機械部品に適用しうる。以下において、図１に例示されるタービン動翼１を例にとって本実施形態を説明する。

　本明細書および添付された請求の範囲において、タービンの径方向はタービン動翼の長手方向と一致しており、これを長手方向と呼称する。同様にタービンの軸方向を奥行き方向と呼称し、タービンの回転の接線方向を幅方向と呼称する。図面および以下の説明において、長手方向、奥行き方向、および幅方向を、それぞれＸ，Ｙ，Ｚと表示する。各図の例においてはこれらの方向は相互に直交しているが、本実施形態において直交は必須ではなく、これらは相互に斜めに交差していてもよい。

　図１を参照するに、タービン動翼１は、長手方向Ｘに延びた翼部２と、翼部２の外側端から幅方向Ｚに張り出したチップシュラウド部４と、翼部２の内側端から幅方向Ｚに張り出したプラットフォーム部８と、プラットフォーム部８よりさらに内周方向に突出したダブテール部６と、を備える。ダブテール部６は、翼部２の下端に連続し、翼部２よりも幅方向Ｚに膨出しており、これと相補的な形状を有するタービンディスク９と係合する。複数のタービン動翼１が燃焼ガス流を受けて、タービンディスク９と一体的に回転運動Ｒをする。回転運動Ｒによりタービン動翼１に遠心力ＣＦが作用する。

　タービン動翼１は、部分的にあるいは全体的に、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）よりなる。その全体が一体であってもよく、少なくとも翼部２およびダブテール部６はＣＭＣにより一体的に形成される。

　その強化繊維は、少なくとも部分的には、３次元的に織成されて図５に例示するごとく３次元織物を構成する。長手方向Ｘに走行する複数の第１の強化繊維１０が、奥行き方向Ｙおよび幅方向Ｚに間隔を置いて平行に並べられ、一以上の第２の強化繊維がそれらの間に織り込まれることにより３次元織物を構成する。第２の強化繊維は、少なくとも部分的には幅方向Ｚに走行し、また奥行き方向Ｙにも走行しているので、かかる３次元織物を含むＣＭＣは、全ての方向に十分な強度を有する。

　第１の強化繊維１０および第２の強化繊維は、例えば炭化珪素ファイバ、カーボンファイバ、窒化珪素ファイバ、アルミナファイバ、窒化ホウ素ファイバの何れかであるが、他の適宜のセラミックスでもよく、またこれらの２以上の混合物であってもよい。また第１の強化繊維１０と第２の強化繊維とは同一の素材であってもよく、別種であってもよい。

　第１の強化繊維１０および第２の強化繊維は、マトリックスにより相互に結び付けられる。マトリックスには何れのセラミックスを適用することもでき、例えば第１，第２の強化繊維と同種のセラミックスを適用することができる。組み合わせの一例は、窒化珪素ファイバの強化繊維と窒化珪素よりなるマトリックスとの組み合わせであり、これは高温強度および軽量性の点で優れている。

　図２を参照するに、第１の強化繊維１０は翼部２からダブテール部６まで連続して走行する。翼部２において、第２の強化繊維は第１の強化繊維１０の間に織り込まれて３次元織物を構成する。第１の強化繊維１０は第２の強化繊維により集約されるので、幅方向Ｚに比較的に薄い。

　上述のごとく第１の強化繊維１０は、ダブテール部６に連続して達しているが、ここでは３次元織物を構成しない。すなわち、ダブテール部６において、第１の強化繊維１０は、その間に織り込まれた他の繊維によって幅方向Ｚに集約されることなく、幅方向Ｚに展開している。本明細書および添付された請求の範囲において、「展開する」の語は、解れ、繊維間の間隔を広げ、横方向に拡大し、分散することを意味する。以ってダブテール部６は翼部２よりも幅方向Ｚに膨出する。

　なおダブテール部６において第１の強化繊維１０は相互に独立であってもよく、あるいは、複数の２次元織物を構成していてもよい。すなわち、ダブテール部６において、第１の強化繊維１０は複数の層をなし、各層において第１の強化繊維１０間に奥行き方向Ｙに走行する他の強化繊維が織り込まれ、以って各層が奥行き方向Ｙに結束された２次元織物を構成していてもよい。２次元織物を構成することは、第１の強化繊維１０のハンドリングを容易にする。

　第１の強化繊維１０は、翼部２とダブテール部６との両方において、その中心Ｃから表面まで、幅方向Ｚに等間隔であってもよい。例えば図２において補助線Ｌａに対する交点Ｐａ１，Ｐａ２，・・・Ｐａｎは等間隔であり、補助線Ｌｂ上においても交点Ｐｂ１，Ｐｂ２，・・・Ｐｂｎは等間隔である。第１の強化繊維１０は、中心Ｃにおいて長手方向Ｘに略平行に走行し、ダブテール部６の表面に近づくにつれて表面に漸近する方向に走行する。

　上述の例によれば、最表面のものを除き、何れの第１の強化繊維１０も表面と平行ではないが、表面付近において表面と平行に走行せしめてもよい。図３に示す例では、第１の強化繊維１０’は、ダブテール部６の表面付近Ｐにおいて（ｋ番目からｎ番目まで）表面と平行に走行するが、中心Ｃに近い部位Ｅにおいて（１番目からｋ－１番目まで）表面と非平行である。必然的に第１の強化繊維１０’は不等間隔である。例えば、補助線Ｌｃに対する交点Ｐｃ１，Ｐｃ２，・・・Ｐｃｎにおいて、交点Ｐｃｋ，・・Ｐｃｎは相互に等間隔であり、交点Ｐｃ１，Ｐｃ２，・・・も相互に等間隔だが、交点Ｐｃ１，Ｐｃ２，・・・の間隔と交点Ｐｃｋ，・・Ｐｃｎの間隔とは等しくない。図示の例ではＰｃｋ，・・Ｐｃｎの間隔のほうがより狭いが、より広くてもよい。同様に補助線Ｌｄに対する交点Ｐｄ１，Ｐｄ２，・・・Ｐｄｎも不等間隔である。

　ダブテール部６において表面付近は、表面に平行な向きの、比較的に大きな応力に曝される。それゆえ第１の強化繊維が表面に平行して走行すること、および第１の強化繊維が表面付近において狭間隔であることは、強度の向上に有利である。すなわちこれらの実施態様において、表面に平行な第１の強化繊維（表面層）の割合は、より大きいほうが強度の観点から有利である。ただし、かかる割合が過大であればダブテール部６の構造を維持するに不利である。そこで、全層数（ｎ×２－１）に対し、表面層の数（（ｎ－ｋ＋１）×２）の比（（ｎ－ｋ＋１）×２）／（ｎ×２－１）は、好ましくは２０～５０％である。

　上述の例では、中心Ｃに近い部位においては強化繊維は等間隔であったが、かかる部位においても不等間隔であってもよい。図４に示す例では、図３の例と同様に、第１の強化繊維１０’’は、ダブテール部６の表面付近Ｐにおいて（ｋ番目からｎ番目まで）表面と平行に走行し、補助線Ｌｅ，Ｌｆに対する交点Ｐｅｋ，・・ＰｅｎおよびＰｆｋ，・・Ｐｆｎはそれぞれ等間隔である。一方、第１の強化繊維１０’’は、中心Ｃにより近い部位において（１番目からｋ－１番目まで）表面と非平行であり、中心Ｃに近いほど間隔が狭くなっている。すなわち、補助線Ｌｅ，Ｌｆに対する交点Ｐｅ１，Ｐｅ２，・・およびＰｆ１，Ｐｆ２，・・はそれぞれ不等間隔である。また表面付近においても、第１の強化繊維１０’’は不等間隔であってもよい。中心Ｃ付近は比較的に大きな圧縮応力に曝されるので、強化繊維の間隔が狭いことはこの圧縮応力に抗するに有利である。

　図６Ａ，６Ｂを参照するに、ダブテール部６において、第１の強化繊維１０の各層の間に複数の第３の強化繊維２０が介在していてもよい。第３の強化繊維２０は、第１，第２の強化繊維と同一の素材でもよく、図示の通り平板状の織物または不織繊維束とすることができる。かかる織物または不織繊維束は、奥行き方向Ｙに延びる方向に向けられ、第１の強化繊維１０の各層の間に挟まれ、以って幅方向Ｚに膨出した構造を維持するのに役立つ。またかかる織物または不織繊維束の長手方向Ｘにおける長さは同一でなくてもよい。例えば図示のごとく部位６１において長さの異なる織物または不織繊維束を並べて階段状の構造を形成することができる。これは、当該部位６１において、下方に向かって次第に拡幅する構造を維持するに有利である。同様に、下端付近の部位６２においても階段状の構造を形成していてもよい。

　図７Ａ，７Ｂを参照するに、第１の強化繊維１０の各層の間に介在する第３の強化繊維は、織物または不織繊維束ではなく独立した複数の繊維３０であってもよい。複数の繊維３０は、例えば奥行き方向Ｙに向けられ、第１の強化繊維１０の各層の間に挟まれる。また複数の第３の強化繊維３０は、幅方向Ｚに平行に並ぶ。幅方向Ｚに並ぶ第３の強化繊維３０の数は一定ではなく、ダブテール部６の上部６１と下端６２とで相違があってもよい。

　第１の強化繊維１０に対する第３の強化繊維３０の比は、大きいほうが、膨出したダブテール部６の形状を維持するのに有利だが、過大であれば強度の点で不利である。そこで第１の強化繊維１０と第３の強化繊維の体積比は、好ましくは１：２から３：１であり、より好ましくは１：１から２：１である。さらにダブテール部６の下端６２（長手方向Ｘにおいて、ダブテール部６の長さの１０％の部分）において、第１の強化繊維１０と第３の強化繊維の体積比は、好ましくは１：５から１：０である。

　ダブテール部６は、さらに、第１の強化繊維１０に織り込まれない追加の強化繊維を含んでもよい。例えば、製造プロセスにおいて第１の強化繊維１０のハンドリングを容易にする目的、あるいは第３の強化繊維３０の脱落を防止する目的で、これらを結束する強化繊維が幅方向Ｚに走行してもよく、これはマトリックスに埋め込まれた後に残されていてもよい。

　本実施形態によるタービン動翼１は、概略、次のようにして製造できる。

　強化繊維よりなる３次元織物は、公知の方法により織成することができる。例えば、それぞれポリカルボシランよりなる経糸および緯糸よりなる複数の層を重ね、かかる積層を貫くようにポリカルボシランよりなるバイアス糸を織り込む。かかる３次元織物の一端において、一定の長さだけ、バイアス糸を織り込まずに、経糸を展開させる。３次元織物を構成する部分は翼部２になる部分であり、バイアス糸が織り込まれない部分はダブテール部６になる部分である。織物の一部を分岐して、チップシュラウド部４およびプラットフォーム部８になる部分を形成してもよい。

　かかる一端が展開した３次元織物を、焼成することにより、ポリカルボシランが窒化珪素に変化し、強化繊維３次元織物が得られる。あるいは予めセラミックスファイバにされた繊維を３次元織物に織成してもよい。得られた強化繊維３次元織物に、第３の強化繊維を介在せしめてもよい。

　これらを一体に、タービン動翼１の形状に応じた型に嵌め込み、加圧して成形する。さらに、スラリー状のマトリックスプリカーサを型に充填することにより、プリカーサを強化繊維に含浸せしめる。好ましくはこれらを型に封入したまま、加熱することによりプリカーサを焼結する。焼結によりプリカーサよりセラミックスが生成し、これは強化繊維を結合するマトリックスとなる。

　上述は含浸法による製造であるが、これに代えて気相法やその他の方法を適用してもよい。

　本実施形態によれば、翼部からダブテール部まで、長手方向に連続して走行した繊維によって強化されたタービン部品が得られる。翼部とダブテール部との間で繊維が途切れていないので、タービン部品は長手方向に印加される遠心力に対して十分な強度を有する。またダブテール部は剥離ないし剪断的破壊に対して脆弱な面を持たないので、タービンディスクと係合して遠心力を受けても、十分な強度を発揮しうる。さらに、仮にダブテール部において剥離ないし剪断的破壊により亀裂が生じても、翼部においては幅方向にも強化繊維が走行しており、この強化繊維は亀裂が翼部に進展することに抵抗する。従って本実施形態によるタービン部品は、致命的な破損を起こしにくい。

　好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

　ダブテール部においても十分な強度を確保しうるセラミックス基複合材料よりなるタービン部品が提供される。

Claims

　長手方向に延びた翼部と、
　前記翼部の一端に連続し、前記長手方向と交差する幅方向に前記翼部より膨出したダブテール部と、
　前記翼部から前記ダブテール部まで連続して走行する複数の第１の強化繊維と、
　前記翼部において少なくとも部分的に前記幅方向に走行する第２の強化繊維と、
　前記複数の第１の強化繊維と前記第２の強化繊維との全体を結び付けるマトリックスと、を備えたタービン部品であって、
　前記翼部において前記第２の強化繊維は前記複数の第１の強化繊維の間に織り込まれて３次元織物を構成し、
　前記ダブテール部において、前記複数の第１の強化繊維は、織り込まれた他の繊維によって前記幅方向に集約されることなく、前記幅方向に展開している、タービン部品。
　請求項１のタービン部品であって、前記複数の第１の強化繊維は、炭化珪素ファイバ、カーボンファイバ、窒化珪素ファイバ、アルミナファイバ、窒化ホウ素ファイバよりなる群より選択された一以上の繊維よりなる、タービン部品。
　請求項１のタービン部品であって、前記マトリックスは何れかのセラミックスよりなる、タービン部品。
　請求項１のタービン部品であって、前記ダブテール部において前記長手方向と前記幅方向との両方に交差した奥行き方向に、前記複数の第１の強化繊維の間を走行する、複数の第３の強化繊維を含む、タービン部品。
　請求項４のタービン部品であって、前記複数の第３の強化繊維は、織物または不織繊維束を構成する、タービン部品。