JP5163560B2 - タービン翼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス基複合材料からなるタービン翼の製造方法に関するものである。

従来から、タービン翼をセラミックス基複合材料によって形成することが提案されている。タービン翼をセラミックス基複合材料によって形成する場合には、セラミック繊維からなるタービン翼形状の３次元織物を形成し、当該３次元織物に含浸処理を用いてセラミックスマトリックスを付着形成する方法が用いられる。

一方で、タービン翼は、一般的に高温雰囲気に晒される。このことから、熱疲労等による破損等を抑制して耐久性を高めるために、タービン翼の冷却が行われている。
具体的には、タービン翼の内部を中空にし、その内部に冷却ガスを供給することによってタービン翼の冷却を行っている。

そして、非特許文献１に記載されているように、セラミックス基複合材料からなるタービン翼においても、内部を中空にしてタービン翼を冷却することが提案されている。

Michael Verrilli and Anthony Calomino, R.Craig Robinson, David J. Thomas, CERAMIC MATRIX COMPOSITE VANE SUBELEMNT TESTIOG IN A GAS TURBINE ENVIRONMENT, Proceedings of ASME Turbo Expo 2004, Power for Land, Sea, and Air, June 14-17, 2004, Vienna, Austria,GT2004-53970

ところで、従来の金属からなるタービン翼は、鋳造や鍛造等によって製造され、さらに機械加工が容易なため、複雑な加工を比較的容易に行うことができた。このため、特に十分な冷却を必要となるタービン翼の後縁部をカットバックしてスロット部を形成し、これによってタービン翼内部の冷却ガスを後縁部に吹き付け、効率的に後縁部を冷却することができた。
しかしながら、セラミックス基複合材料は、周知のように織物構造であるため形状自由度が大きくなく、また極めて硬い材料であり成型後にスロット構造を作りこむ等の加工を行うことが困難である。
このように、セラミックス基複合材料からなるタービン翼においては、複雑な構造を作り込むことが困難であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基複合材料からなるタービン翼に複雑な構造を作り込むことを可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、セラミックス基複合材料からなると共に中空のタービン翼の製造方法であって、マンドレル周りにセラミックス繊維からなる織物を形成する織物形成工程と、前記マンドレル周りの前記織物の一部を押圧しながら前記織物に対して含浸処理を施すことによってセラミックスマトリックスを形成する含浸工程とを有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記含浸工程において押圧される上記織物の一部が上記タービン翼の後縁部に凹んで形成されるスロット部であり、上記含浸工程後に、上記スロット部から上記タービン翼の内部に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成工程を有するという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、前記含浸工程時に、前記織物の形が保持できる状態で前記マンドレルを外すという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記含浸工程時における熱によって上記マンドレルを焼却して消失させるという構成を採用する。

本発明によれば、織物形成工程においてマンドレル周りにセラミックス繊維からなる織物が形成され、含浸工程において織物の一部を押圧しながら含浸処理が行われる。
そして、マンドレルが含浸処理の際に消失されるため、マンドレルの消失に伴って織物の一部が押圧されて形状変化し、当該形状変化が反映された形状のタービン翼が製造される。
このように、本発明によれば、含浸処理の際の押圧条件を変化させることによって、成型後に機械加工を施すことなく、任意の構造を有するタービン翼を製造することができる。
したがって、本発明によれば、セラミックス基複合材料からなるタービン翼に複雑な構造を作り込むことが可能となる。

本発明の一実施形態におけるタービン翼の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の製造方法の変形例にて用いるマンドレルを示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のタービン翼の製造方法によって製造されるタービン翼の概略構成を示す断面図である。また、図２は、本実施形態のタービン翼の製造方法によって製造されるタービン翼の斜視図である。
本実施形態のタービン翼の製造方法によって製造されるタービン翼１００は、セラミックス基複合材料からなるタービン翼であり、図１に示すように内部が中空とされている。
そして、タービン翼１００の後縁部１には、図２に示すように、腹側にスロット部２がタービン翼１００の幅方向に離散的に複数形成されている。
スロット部２は、後縁部１の一部が凹むことによって形成されている。このため、後縁部１のスロット部２が形成される箇所は、後縁部１の他の箇所と比較して薄型化されている。

また、タービン翼１００は、スロット部２から内部の中空領域Ｒ１に貫通する貫通孔３を備えている。なお、貫通孔３は、一つのスロット部２においてタービン翼１００の幅方向に複数形成されている。

このような構成を有するタービン翼１００によれば、後縁部１のスロット部２が形成された箇所が薄型化され、さらに冷却ガスがスロット部２に流れ込む。このため、後縁部１を冷却することが可能となる。

続いて、本実施形態のタービン翼の製造方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
図３に示すように、本実施形態のタービン翼の製造方法は、織物形成工程Ｓ１と、含浸工程Ｓ２と、貫通孔形成工程Ｓ３とを有している。

織物形成工程Ｓ１は、図４に示すように、タービン翼１００の中空領域Ｒ１に対応した形状のマンドレル１０周りにセラミックス繊維からなる３次元織物２０（織物）を形成する工程である。なお、マンドレル１０は、例えば炭素によって形成されており、後に行われる含浸工程Ｓ２における温度環境に晒されることによって消失するように形成されている。

なお、織物形成工程Ｓ１においては、タービン翼１００の後縁部１に相当する領域において繊維密度が低くなるように３次元織物２０を形成することが好ましい。これによって、後縁部１に相当する部分を押圧した際の３次元織物２０の変形を容易とすることができる。
具体的には、例えば、ブレイディング法によって３次元織物２０を形成する場合には、タービン翼１０の後縁部１に相当する領域に配置される中央糸の本数を減少させることによって繊維密度を低くすることが可能となる。

含浸工程Ｓ２は、織物形成工程Ｓ１にて形成された３次元織物２０に対して含浸処理を施すことによって、セラミックスを３次元織物２０を構成するセラミックス繊維に対して付着させ、これによってセラミックスマトリックスを形成する工程である。
なお、含浸工程Ｓ２は、上述のようにマンドレル１０が消失する温度環境にて行われる。このため本含浸工程Ｓ２を行うことによって、タービン翼１００の内部に中空領域Ｒ１を形成することができる。
具体的には、液相含浸法あるいは固相含浸法を用いてセラミックスマトリックスを形成する場合には、原料液あるいは原料粉末を３次元織物２０に含浸させた後に行われる焼成工程における熱によってマンドレル１０を焼却することによって消失させる。また、気相含浸法を用いてセラミックスマトリックスを形成する場合には、原料ガスが供給される真空炉内部の熱によってマンドレル１０を焼却することによって消失させる。
このように、本実施形態において含浸工程は、必ず３次元織物２０に対して熱を加えるものである。

また、含浸工程Ｓ２では、スロット部２を形成するための型４が、３次元織物２０の後縁部１となる領域に押圧されている。つまり、マンドレル１０周りの３次元織物２０の一部が押圧されながら含浸工程Ｓ２が施される。
このように含浸工程Ｓ２の際に、型４を３次元織物２０に対して押圧することによって、３次元織物２０が型４の形状（すなわちスロット部２の形状）に応じて部分的に変形し、図５に示すように、タービン翼１００にスロット部２を形成することができる。
なお、例えば、型４を３次元織物２０に対して位置決めするための位置決め部材等を別途用いて、型４が３次元織物２０の所望の位置を押圧するようにしても良い。
また、上述のようにスロット部２は、タービン翼１００の幅方向に離散的に複数形成されるため、当然型４も図５の紙面奥行き方向に複数配列されることとなる。このため、各型４を単一の支持部材に固定し、型４同士の位置関係を固定することが好ましい。これによって、後縁部１の所望の位置にスロット部２を形成することが可能となる。

貫通孔形成工程Ｓ３は、含浸工程Ｓ２の後に、スロット部２からタービン翼１００の内部である中空領域Ｒ１に貫通する貫通孔３を形成する工程である。
具体的には、貫通孔３を形成する箇所にレーザ光を照射し、当該レーザ光を、タービン翼１００を貫通させることによって貫通孔３を形成する。なお、貫通孔を形成する程度の機械加工であれば、セラミックス基複合材料からなる部材に対しても、短時間でかつ安価に加工を施すことができる。

以上の工程にて、後縁部１のスロット部２が形成された箇所が薄型化され、さらに冷却ガスがスロット部２に流れ込むタービン翼１００が製造される。
つまり、本実施形態のタービン翼の製造方法によれば、後縁部１を冷却することが可能なタービン翼１００を容易に製造することが可能となる。

以上のような本実施形態のタービン翼の製造方法によれば、織物形成工程Ｓ１においてマンドレル１０周りにセラミックス繊維からなる３次元織物２０が形成され、含浸工程Ｓ２において３次元織物２０の後縁部１をスロット部２の形状を有する型４で押圧しながら含浸処理が行われる。
そして、３次元織物の後縁部１が押圧されて形状変化し、当該形状変化が反映された形状のタービン翼、すなわちスロット部２を有するタービン翼１００が製造される。
このように、本実施形態のタービン翼の製造方法によれば、成型後に複雑な機械加工を施すことなく、スロット部２を有するタービン翼１００を製造することが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼の製造方法によれば、スロット部２からタービン翼１００の内部である中空領域Ｒ１に貫通する貫通孔３が貫通孔形成工程Ｓ３において形成される。
このため、タービン翼１００の内部に供給される冷却ガスを貫通孔３を介してスロット部２に供給し、当該冷却ガスが後縁部１に吹き付けられることによって後縁部１が冷却される。
つまり、本実施形態のタービン翼の製造方法によれば、後縁部１を冷却することが可能なタービン翼１００を容易に製造することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るタービン翼の製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明のタービン翼の製造方法を、スロット部２を備えるタービン翼１００の製造方法に適用する場合について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、スロット部２ではない他の構造を有するタービン翼の製造方法に適用することもできる。
つまり、本発明のタービン翼の製造方法によれば、含浸処理の際の押圧条件を変化させることによって、成型後に機械加工を施すことなく、任意の構造を有するタービン翼を製造することができる。
したがって、本発明によれば、セラミックス基複合材料からなるタービン翼に複雑な構造を作り込むことが可能となる。

また、上記実施形態においては、含浸工程の際の熱によってマンドレルを消失させる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、含浸工程の際に、織物の形状が保持されるようにマンドレルを外すことによって消失させるようにしても良い。具体的には、含浸工程の初期段階でマンドレルを外すことによって織物の形状を保持しながら容易にマンドレルを外すことが可能となる。
また、含浸工程においてマンドレルの全ての部位が消失される必要はなく、含浸工程において例えばスロット部近傍の部位が残るようにマンドレルを消失させ、含浸工程後に大気炉等で残った部位を消失させても良い。

また、上記実施形態においては、後縁部１にスロット部２が形成されたタービン翼１００の製造方法について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、後縁部１以外の箇所にスロット部２あるいは他の構造を有するタービン翼の製造方法に適用することもできる。

また、例えば、図６に示すように、スロット部２に応じた凹部１０ａを有するマンドレル１０を用いて、タービン翼を製造することも可能である。
このような場合には、型４をマンドレル１０の凹部１０ａに対応させて配置し、３次元織物２０を型４とマンドレル１０の凹部１０ａとで挟み込み、この状態を維持したまま含浸工程Ｓ２を行うことによって、後縁部１の所望の位置にスロット部２を形成することができる。

１００……タービン翼、１……後縁部、２……スロット部、３……貫通孔、１０……マンドレル、２０……３次元織物（織物）

Claims (4)

1. セラミックス基複合材料からなると共に中空のタービン翼の製造方法であって、
   マンドレル周りにセラミックス繊維からなる織物を形成する織物形成工程と、
   前記マンドレル周りの前記織物の一部を押圧しながら前記織物に対して含浸処理を施すことによってセラミックスマトリックスを形成する含浸工程と
   を有することを特徴とするタービン翼の製造方法。
2. 前記含浸工程において押圧される前記織物の一部が前記タービン翼の後縁部に凹んで形成されるスロット部であり、
   前記含浸工程後に、前記スロット部から前記タービン翼の内部に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成工程を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のタービン翼の製造方法。
3. 前記含浸工程時に、前記織物の形が保持できる状態で前記マンドレルを外すことを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼の製造方法。
4. 前記含浸工程時における熱によって前記マンドレルを焼却して消失させることを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼の製造方法。

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