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JPH11350904A - ガスタ―ビンの静翼構造体及びそのユニット - Google Patents

ガスタ―ビンの静翼構造体及びそのユニット

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Publication number
JPH11350904A
JPH11350904A JP11083657A JP8365799A JPH11350904A JP H11350904 A JPH11350904 A JP H11350904A JP 11083657 A JP11083657 A JP 11083657A JP 8365799 A JP8365799 A JP 8365799A JP H11350904 A JPH11350904 A JP H11350904A
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Japan
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gas turbine
unit
platform
core portion
stationary blade
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JP11083657A
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Keizo Matsumoto
敬三 松本
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 接着剤、ボルト等を用いずにベーンとプラッ
トフォームとを一体化し得るガスタービン静翼構造体用
ユニット及びそれからなるガスタービン静翼構造体を提
供する。 【解決手段】 複数のベーンと、外側及び内側プラット
フォームとからなるガスタービン静翼構造体は、１枚の
ベーン13と、外側プラットフォーム片21と、内側プラッ
トフォーム片22とを有するユニット２を円環状に組合
せ、外側プラットフォーム21の外周面及び内側プラット
フォーム22の内周面にそれぞれ強化繊維プリプレグ材テ
ープ10が巻回・溶着することにより製造される。各ユニ
ット２は、複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してな
るとともに、ベーン13を構成するウェブ部と、外側及び
内側プラットフォーム片21，22を構成するようにウェブ
部の両端に一体的に連結したフランジ部とからなるコア
部と、コア部と一体成形されたスキン部とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一体的に成形された
繊維強化樹脂製ユニット及びそれを組合せてなるガスタ
ービン静翼構造体に関し、特に繊維強化コア部と一体成
形樹脂スキン部とからなるＩ型、Ｃ型等のユニット及び
それを円環状に接合してなるガスタービン静翼構造体に
関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ガスタ
ービンエンジンは大きな出力が得られるのみならず効率
が非常に良好であるので、航空機や発電機等に広く使用
されている。例えば航空機用ガスタービンエンジンには
吸入した空気を動翼に導くとともに、バイパス流を整流
する出口案内翼として働く静翼が設けられている。静翼
は一般にチタン合金、アルミニウム合金、ステンレス等
の金属材料により形成されている。金属製静翼の場合に
は、まず鋳造、鍛造、プレス等によりベーンを成形し、
次いで各ベーンをプラットフォームと呼ばれるケースに
溶接又はろう付け等により接合することにより製造され
ている。
【０００３】しかしながら、上記のような従来の製造方
法では、ベーンの成形後、機械加工、仕上げ加工および
コーティング加工等を行う必要があり、加工工程が多い
だけでなく、細部の複雑な加工が困難であり、その上金
属材料の使用により重くかつ高価であるという問題点が
ある。
【０００４】そこで、最近では樹脂あるいは樹脂複合材
料により、静翼を製造する方法が注目されるようにな
り、幾つかの提案がなされている。例えば特開平5-2780
63号は、プリプレグ材を積層して所望の翼形状より小寸
法の翼本体を形成し、この翼本体を所望の翼形状を得る
ためのモールドに挿入し、翼本体とモールドとの間に形
成される隙間に熱可塑性樹脂を圧入、充填した状態で、
圧縮成形を行ない、翼部品を製造する方法を開示してい
る。静翼を樹脂製にすることにより、製作期間の短縮
化、作業の簡易化、形状精度の向上、コストダウン、お
よび軽量化等の利点がある。しかし、樹脂製の翼部品は
接着剤又はボルト等でプラットフォームに取り付けて静
翼とするため、静翼の構成要素が多くなり、その分製造
工程数が増えるという問題がある。
【０００５】従って本発明の目的は、接着剤、ボルト等
を用いずにベーンとプラットフォームとを一体化し得る
ガスタービン静翼構造体用ユニット及びそのユニットを
組合せてなるガスタービン静翼構造体を提供することで
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者等は、ガスタービン静翼構造体を多分
割したＩ型、Ｃ型等のユニットを繊維強化プリプレグ材
の積層体からなるコア部の周囲に樹脂層を一体成形する
ことにより形成し、その際各ユニットのプラットフォー
ム片の内外周面の少なくとも一部にコア部を露出させた
構造にし、かつユニットを組み立てた後で繊維強化プリ
プレグ材テープを溶着することにより、高強度のガスタ
ービン静翼構造体を簡単に製造することができることを
発見し、本発明を完成した。
【０００７】すなわち、複数のベーンと、外側プラット
フォームと、内側プラットフォームとからなるガスター
ビン静翼構造体を構成するための本発明のガスタービン
静翼構造体用ユニットは、１枚のベーンと、外側プラッ
トフォーム片と、内側プラットフォーム片とを有し、
(a) 複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなるとと
もに、前記ベーンを構成するウェブ部と、前記外側プラ
ットフォーム片及び前記内側プラットフォーム片を構成
するように前記ウェブ部の両端に一体的に連結したフラ
ンジ部とからなるコア部と、(b) 前記コア部と一体成形
されたスキン部とからなり、前記外側プラットフォーム
片の外周面及び前記内側プラットフォーム片の内周面の
少なくとも一部に前記コア部が露出していることを特徴
とする。
【０００８】コア部は炭素繊維強化ポリエーテルエーテ
ルケトンにより形成するのが好ましい。また外側プラッ
トフォーム片及び内側プラットフォーム片の両端に接合
用の段部を設け、隣接するユニットの段部の形状を相補
的にするのが好ましい。さらに、コア部のフランジ部は
繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を折り曲げてな
る。
【０００９】本発明の第一の実施例では、コア部のフラ
ンジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を２つ
に分けてＴ字状に折り曲げられてなり、もってコア部は
実質的にＩ型である。また本発明の第二の実施例では、
コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の
両端部を同一方向に折り曲げられてなり、もってコア部
は実質的にＣ型である。
【００１０】ユニットは円環状に接合し、外側プラット
フォームの外周面及び内側プラットフォームの内周面に
それぞれ強化繊維プリプレグ材テープを巻回・溶着する
のが好ましい。また必要に応じて、前記外側プラットフ
ォームの外周面及び内側プラットフォームの内周面をそ
れぞれ円環状支持体により固定しても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。本
発明のガスタービン静翼構造体用ユニットは、１枚のベ
ーンと、外側プラットフォーム片と、内側プラットフォ
ーム片とからなる基本構造を有し、ベーンを構成するウ
ェブ部の両端に一体的に連結したフランジ部の形状によ
り、Ｉ型、Ｃ型等に分類できる。以下、Ｉ型及びＣ型の
ユニット、並びにそれらからなるガスタービン静翼構造
体について詳細に説明する。
【００１２】[1] Ｉ型ユニット 図１に示すように、本発明のＩ型ユニットからなるガス
タービン静翼構造体１は外側プラットフォーム11と、内
側プラットフォーム12と、両プラットフォーム11、12に
等間隔に固定されている複数枚のベーン13とからなり、
それを構成するＩ型ユニット２はガスタービン静翼構造
体１をベーンの枚数だけ分割した形状を有する。図２に
示すように、各ユニット２は、１枚のベーン13と、外側
プラットフォーム片21と、内側プラットフォーム片22と
を有し、全体が実質的にＩ型の一体成形体となってい
る。なお図２では簡単化のために両プラットフォーム片
21、22とも平坦に描かれているが、実際は円弧状であ
る。
【００１３】外側プラットフォーム片21の両端部には段
部23、23' が設けられており、また内側プラットフォー
ム片22の両端部には段部24、24' が設けられている。隣
接するＩ型ユニット２のプラットフォーム片21、22の段
部23、23' 及び24、24' の形状は相補的であるので、各
Ｉ型ユニット２は図１に示すように、ぴったり接合する
ことができる。
【００１４】図３に示すように、各Ｉ型ユニット２は複
数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなる実質的にＩ
型のコア部３と、コア部３と一体成形されたスキン部４
とからなる。コア部３は外側プラットフォーム片21の外
周面21ａ及び内側プラットフォーム片22の内周面22ａの
少なくとも一部に露出している。本実施例ではコア部３
の露出形状は一対の長方形であるが、それに限定され
ず、１つの長方形でもその他の形状でも良い。
【００１５】コア部３を構成する繊維強化プリプレグ材
は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維
等の強化繊維に熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂
を含浸させたものである。強化繊維の平均直径は３〜20
0 μｍ程度であるのが好ましい。また熱可塑性樹脂とし
ては、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ナイロン
等のポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレ
ートやポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、
ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエ
ーテルケトン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。特に機械
的強度及び耐熱性の観点から、炭素繊維とPEEKとの組合
せが好ましい。炭素繊維強化PEEKの市販品としてAPC-2
（CYTEC FIBERITE社製）等がある。
【００１６】図４に示すように、コア部３はベーン13を
構成するウェブ部31と、外側プラットフォーム片21を構
成するフランジ部32と、内側プラットフォーム片22を構
成するフランジ部33とからなる。ウェブ部31及びフラン
ジ部32、33は一体的であり、フランジ部32、33は積層し
た繊維強化プリプレグ材の両端部を半分に割り、両側に
折り曲げた状態になっている。
【００１７】図５に示すように、外側プラットフォーム
片21の外周面21ａ及び内側プラットフォーム片22の内周
面22ａの少なくとも一部にコア部３を露出させた。
【００１８】[2] Ｃ型ユニット 図６の（ａ）はＣ型ユニットを示し、（ｂ）はその部分
Ｘを示す。各Ｃ型ユニット６は複数枚の繊維強化プリプ
レグ材を積層してなる実質的にＣ型のコア部７と、コア
部７と一体成形されたスキン部８とからなる。図７に示
すように、Ｃ型コア部７はベーンを構成するウェブ部71
と、外側プラットフォーム片61を構成するフランジ部72
と、内側プラットフォーム片62を構成するフランジ部73
とからなる。ウェブ部71及びフランジ部72、73は一体的
であり、フランジ部72、73は積層した繊維強化プリプレ
グ材の両端部を同じ側に折り曲げた状態になっている。
【００１９】図６に示すように、外側プラットフォーム
片61の外周面61ａ及び内側プラットフォーム片62の内周
面62ａの少なくとも一部にコア部７が露出している。本
実施例ではスキン部８からＣ型コア部７が露出する部分
の形状が長方形状であるが、それに限定されず他の形状
でも良い。
【００２０】Ｉ型ユニットと同様に、Ｃ型ユニット６の
外側プラットフォーム片61の両端部には段部63、63' が
設けられており、また内側プラットフォーム片62の両端
部には段部64、64' が設けられている。隣接するＣ型ユ
ニット６のプラットフォーム片61、62の段部63、63' 及
び64、64' の形状は相補的であるので、図８に示すよう
に、Ｃ型ユニット６は相互にぴったり接合することがで
きる。Ｃ型ユニットからなるガスタービン静翼構造体
は、図８のようにＣ型ユニットを円環状に組み合わせて
なる。
【００２１】Ｃ型コア部７を構成する繊維強化プリプレ
グ材及びスキン部を形成する樹脂はいずれもＩ型ユニッ
トのものと同じで良い。
【００２２】[3] 製造方法 ユニットの製造方法は基本的にＩ型でもＣ型でも同じで
あるので、ここではＩ型ユニットについて説明する。
【００２３】繊維強化プリプレグ材として、一方向に配
列された炭素繊維にPEEKを含浸してなる炭素繊維強化PE
EKを例にとって説明する。ベーン13の長手方向（ガスタ
ービン静翼構造体の半径方向）が炭素繊維の配列方向と
一致するように、複数枚の炭素繊維強化PEEKシートを積
層し、Ｉ型のコア部用金型内にセットし、熱プレス成形
する。コア部用金型のキャビティーはベーン13のサイズ
より0.1 〜２mm程度小さく、かつベーン13の形状に近似
の形状を有する。このコア部用金型の加熱温度はPEEKを
溶融流動化させる温度であり、400 ℃前後が好ましい。
また成形圧力は３〜25kgf/cm2 であるのが好ましく、15
kgf/cm2 前後が特に好ましい。
【００２４】成形されたコア部３を射出成形用金型内に
載置する。コア部３と射出成形用金型との隙間にコア部
３のマトリックス樹脂と同じ樹脂（PEEK）を注入し、い
わゆるインサート成形を行う。射出成形用金型のキャビ
ティーはベーンの最終形状と同じ形状を有する。コア部
３のフランジ部32、33の外面が射出成形用金型のキャビ
ティーの内面に完全に接するように設定することによ
り、射出成形されたＩ型ユニット２のプラットフォーム
片21、22の外周面21ａ及び内周面22ａにコア部３が露出
した状態になる。
【００２５】PEEKの場合の射出成形条件としては、射出
樹脂温度が360 〜420 ℃、例えば約390 ℃、成形機ノズ
ル部での射出圧力が500 〜2000kgf/cm2 、例えば約1800
kgf/cm2 が好ましい。これにより、コア部３の周囲に厚
さ0.1 〜２mm程度の熱可塑性樹脂からなるスキン部４が
形成される。
【００２６】[4] ガスタービン静翼構造体 ガスタービン静翼構造体の構造及び製造方法は基本的に
Ｉ型でもＣ型でも同じであるので、まずＩ型ユニットに
ついて説明する。
【００２７】複数のＩ型ユニット２を円環状に組み立て
て、図１に示すような円環状の形状にし、治具で固定す
る。このとき、隣接するＩ型ユニット２のプラットフォ
ーム片21、22の段部23、23' 及び24、24' 同士を接着剤
又は超音波溶接等の方法で固着するのが好ましい。図９
に典型的な例として示す２つのＩ型ユニット２、２の接
合をガスタービン静翼構造体の全周にわたって行う。な
お図９の場合も簡単化のためにプラットフォームを平坦
に描いているが、実際は円弧状である。
【００２８】図９に示すように、外側プラットフォーム
片21、21・・・が組合されてなる外側プラットフォーム
11の外周面、及び内側プラットフォーム片22、22・・・
が組合されてなる内側プラットフォーム12の内周面に、
Ｉ型ユニット２のコア部３と同じ繊維強化樹脂、例えば
炭素繊維強化PEEKのテープ10を巻きつけながら溶着す
る。溶着された炭素繊維強化PEEKテープ10は被覆層９を
形成する。テープ10の溶着温度は350 〜450 ℃程度で良
く、また溶着手段はトーチ20、アイロン等で良い。また
被覆層９の厚さは0.5 〜４mm程度で良い。被覆層９はＩ
型コア部３と同じ材質で構成されるとともに、コア部３
の露出部と、プラットフォーム片21、22と、テープ10の
被覆層９とが直接溶着されているので、各Ｉ型ユニット
２の接合は非常に強固であり、一体的に形成されたガス
タービン静翼構造体は良好な機械的強度を有する。
【００２９】図10に示すように、Ｃ型ユニット６の場合
も同様に、円環状に組み立てて治具で固定した上、接着
剤又は超音波溶接等の方法で固着し、繊維強化樹脂のテ
ープ10を巻きつけながら溶着し、被覆層９を形成する。
Ｉ型ユニットと比較して、Ｃ型ユニットは繊維強化プリ
プレグ材テープと接触するコア部の接触有効面積が大き
いため、各ユニット間の接合がより強固であり、小型の
静翼構造体に対して特に有用である。
【００３０】Ｉ型ユニット又はＣ型ユニットのいずれの
場合でも、ガスタービン静翼構造体の外側プラットフォ
ームの外周面及び内側プラットフォームの内周面をそれ
ぞれ円環状支持体により固定しても良い。円環状支持体
は一体的形状をしていれば金属製でもプラスチック製で
も良い。円環状支持体により固定した場合には、各ユニ
ットを補修のために交換するのが容易である。
【００３１】本発明を以上の具体例により説明したが、
本発明はそれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しな
い限り、ユニットの形状、材質、成形条件等を変更して
も良い。
【００３２】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、繊維強化
プリプレグ材からなるコア部とその周囲に射出成形によ
り一体的に成形されたスキン部とからなるＩ型、Ｃ型等
のユニットを作製するので、ベーンとプラットフォーム
との固定が著しく強固である。またかかるユニットを円
環状に接合してガスタービン静翼構造体にするととも
に、各ユニットの内外周面にスキン部（プラットフォー
ム）と同じ樹脂材料で、コア部と同じ繊維強化プリプレ
グ材からなるテープを巻回・溶着して全体を一体化する
ので、各部の接合状態は良好であり、得られるガスター
ビン静翼構造体は非常に強固である。
【００３３】本発明ではガスタービン静翼構造体を簡単
な構造のユニットによりボルト等を用いることなく形成
するので、全体の加工工数が低減でき、製造コストを低
減できる。その上、射出成形により正確な形状に一体成
形したユニットを接合してなるので、本発明のガスター
ビン静翼構造体の寸法精度は良好である。また本発明の
ユニットを繊維強化樹脂からなるコア部と熱可塑性樹脂
からなるスキン部により形成するので、ガスタービン静
翼構造体を非常に軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｉ型ユニットからなる本発明のガスタービン
静翼構造体の一例を示す正面図である。
【図２】 本発明のガスタービン静翼構造体を構成する
Ｉ型ユニットの一例を示す概略斜視図である。
【図３】 本発明のＩ型ユニットの構造を示す部分破断
斜視図である。
【図４】 本発明のＩ型ユニットのコア部の一例を示す
斜視図である。
【図５】 図３に示すＩ型ユニットのＡ−Ａ断面図であ
る。
【図６】 本発明のＣ型ユニットの一例を示し、(a) は
その斜視図であり、(b) は(a) の部分Ｘの拡大図であ
る。
【図７】 本発明のＣ型ユニットのコア部の一例を示す
斜視図である。
【図８】 複数のＣ型ユニットを組み合わせた状態を示
す斜視図である。
【図９】 複数のＩ型ユニットを組み立ててガスタービ
ン静翼構造体を製造する様子を示す斜視図である。
【図１０】 複数のＣ型ユニットを組み立ててガスター
ビン静翼構造体を製造する様子を示す斜視図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・Ｉ型ユニットからなるガスタービン静翼構造体 11・・・外側プラットフォーム 12・・・内側プラットフォーム 13・・・ベーン ２・・・Ｉ型ユニット 21・・・外側プラットフォーム片 22・・・内側プラットフォーム片 ３・・・Ｉ型コア部 31・・・ウェブ部 32、33・・・フランジ部 ４・・・Ｉ型スキン部 ５・・・複数のＣ型ユニットを組み合わせた状態 51・・・外側プラットフォーム 52・・・内側プラットフォーム 53・・・ベーン ６・・・Ｃ型ユニット 61・・・外側プラットフォーム片 62・・・内側プラットフォーム片 ７・・・Ｃ型コア部 71・・・ウェブ部 72、73・・・フランジ部 ８・・・Ｃ型スキン部 ９・・・被覆層 10・・・繊維強化プリプレグ材テープ 20・・・トーチ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のベーンと、外側プラットフォーム
    と、内側プラットフォームとからなるガスタービン静翼
    構造体を構成するために、１枚のベーンと、外側プラッ
    トフォーム片と、内側プラットフォーム片とを有するユ
    ニットにおいて、(a) 複数枚の繊維強化プリプレグ材を
    積層してなるとともに、前記ベーンを構成するウェブ部
    と、前記外側プラットフォーム片及び前記内側プラット
    フォーム片を構成するように前記ウェブ部の両端に一体
    的に連結したフランジ部とからなるコア部と、(b) 前記
    コア部と一体成形されたスキン部とからなり、前記外側
    プラットフォーム片の外周面及び前記内側プラットフォ
    ーム片の内周面の少なくとも一部に前記コア部が露出し
    ていることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニ
    ット。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のガスタービン静翼構造
    体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維
    強化プリプレグ材の積層体の両端部を折り曲げてなるこ
    とを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のガスタービン静翼構造
    体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維
    強化プリプレグ材の積層体の両端部を２つに分けてＴ字
    状に折り曲げられており、もって前記コア部は実質的に
    Ｉ型であることを特徴とするガスタービン静翼構造体用
    ユニット。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載のガスタービン静翼構造
    体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維
    強化プリプレグ材の積層体の両端部を同一方向に折り曲
    げられており、もって前記コア部は実質的にＣ型である
    ことを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載のガスタ
    ービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記コア部は炭
    素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンからなることを
    特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載のガスタ
    ービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記外側プラッ
    トフォーム片及び前記内側プラットフォーム片はそれぞ
    れ両端に接合用の段部を有し、隣接するユニットの前記
    段部の形状は相補的であることを特徴とするガスタービ
    ン静翼構造体用ユニット。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載のユニッ
    トを円環状に接合してなるガスタービン静翼構造体にお
    いて、前記外側プラットフォームの外周面及び前記内側
    プラットフォームの内周面にそれぞれ強化繊維プリプレ
    グ材テープが巻回・溶着されていることを特徴とするガ
    スタービン静翼構造体。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のガスタービン静翼構造
    体において、前記ユニットの接合部が溶接又は接着され
    ていることを特徴とするガスタービン静翼構造体。
  9. 【請求項９】 請求項７又は８に記載のガスタービン静
    翼構造体において、前記外側プラットフォームの外周面
    及び前記内側プラットフォームの内周面がそれぞれ円環
    状支持体により固定されていることを特徴とするガスタ
    ービン静翼構造体。
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