特開 2022-175650 複合翼およびターボ機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022175650

(43)【公開日】2022-11-25

(54)【発明の名称】複合翼およびターボ機械

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/28 20060101AFI20221117BHJP

   F04D 29/32 20060101ALI20221117BHJP

   F01D 5/30 20060101ALI20221117BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20221117BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20221117BHJP

   B29C 70/16 20060101ALI20221117BHJP

   B29C 70/34 20060101ALI20221117BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20221117BHJP

   B29L 31/08 20060101ALN20221117BHJP

【ＦＩ】

F01D5/28

F04D29/32 A

F01D5/30

F01D25/00 L

F02C7/00 C

B29C70/16

B29C70/34

B29K105:08

B29L31:08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021082261

(22)【出願日】2021-05-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】澤 史雄

(72)【発明者】

【氏名】山崎 顕一

(72)【発明者】

【氏名】宮下 妃菜子

【テーマコード（参考）】

3G202

3H130

4F205

【Ｆターム（参考）】

3G202EA09

3G202FA03

3G202FA11

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB52

3H130AC17

3H130BA22C

3H130BA23C

3H130CB11

3H130EB01C

3H130EC05C

3H130EC17C

4F205AC03

4F205AD16

4F205AG03

4F205AH04

4F205AH31

4F205HA08

4F205HA14

4F205HA22

4F205HA37

4F205HA45

4F205HB01

4F205HB11

4F205HF05

4F205HK03

4F205HK04

(57)【要約】

【課題】複合翼の底部において、せん断力に対する荷重を保持し、強度の高い信頼性を得る。
【解決手段】実施形態における複合翼は、ターボ機械のロータに用いられる複合翼であって、一端が前記ロータに取り付け可能で、繊維に樹脂が含有されてなる複数の複合材料層が積層されて一体的に成形されてなる根元部と、前記根元部の他端から延在する翼部と、を備え、前記複合材料層が、前記根元部を補強する部材であってスリットが形成される補強部材の前記スリットに編み込まれることで、前記補強部材が前記根元部の一部を成す。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターボ機械のロータに用いられる複合翼であって、
一端が前記ロータに取り付け可能で、繊維に樹脂が含有されてなる複数の複合材料層が積層されて一体的に成形されてなる根元部と、
前記根元部の他端から延在する翼部と、
を備え、
前記複合材料層が、前記根元部を補強する部材であってスリットが形成される補強部材の前記スリットに編み込まれることで、前記補強部材が前記根元部の一部を成す、
複合翼。

【請求項2】

前記補強部材が取り付けられた前記積層された複合材料層のうち前記積層の方向に隣接する複合材料層は、前記積層の方向に互い違いに配置される、
請求項１に記載の複合翼。

【請求項3】

前記補強部材が取り付けられた前記複合材料層は、
前記積層の方向の列を一列とする複数の列の各々において積層されてなる、
請求項１または２に記載の複合翼。

【請求項4】

前記根元部の最外層には、絶縁物により分割された金属製のシースが取り付けられ、
前記シースには、前記根元部が成形されるときの前記複合材料層に含まれる樹脂の硬化乃至固化の過程をモニタリングする機器の電極が電気的に接続可能である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合翼。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか１項に記載の複合翼を備えるターボ機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、複合翼およびターボ機械に関する。

【背景技術】

【0002】

一部のターボ機械（turbomachinery）の回転翼においては、軽量化の為に複合材料翼である複合翼が用いられることが知られている。例えば、カーボンファイバー（carbon fiber（炭素繊維））などの繊維と、当該繊維を接着する樹脂とからなる一体成形物が複合翼として回転翼に用いられることがある（例えば特許文献１または２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－１１２１３２号公報

【特許文献2】特開２０１３－７８９５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の特許文献１または特許文献２の開示内容においては、複合翼が回転するときに生じる遠心力によって、翼底部に応力が生じた際に基材にかかるせん断力に対する荷重が保持されない可能性がある。

【0005】

例えば、特許文献２には、複合材料製ファンブレード（fan blade）の曲面に応じて複数枚のプリプレグ（prepreg）が積層される構成が開示されている。このブレードの根元部（楔部）においては、ロータ（rotor）に対してブレードが固定される為に、楔の形状を模した構成として複数枚のシート（sheet）が積層されることが考えられる。

【0006】

しかしながら上記の根元部では、ブレードの回転による遠心力に耐える為の強固な構造が求められる。このような根元部における強固な構造が実現される為には、ブレードにおける積層されるシート同士の一体化が必要であるとともに、最低限の積層されるシートが不連続にならないように配慮される必要がある。

【0007】

しかしながら、上記構成では、楔の形状に起因して、不連続な構造を介在することは避けられず、何らかの補強材を含む構造とすることが必要となる。
その理由は、上記不連続の構造において応力が集中する場合があること、および上記不連続の構造における強度が連続部に比較して低下することである。
よって、補強材とプリプレグとが不連続である部分においては、強度を向上させ、かつ応力が集中しないようにする必要がある。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、底部において、せん断力に対する荷重を保持し、強度の高い信頼性を得ることが可能な複合翼およびターボ機械を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態における複合翼は、ターボ機械のロータに用いられる複合翼であって、一端が前記ロータに取り付け可能で、繊維に樹脂が含有されてなる複数の複合材料層が積層されて一体的に成形されてなる根元部と、前記根元部の他端から延在する翼部と、を備え、前記複合材料層が、前記根元部を補強する部材であってスリットが形成される補強部材の前記スリットに編み込まれることで、前記補強部材が前記根元部の一部を成す。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、複合翼の底部において、せん断力に対する荷重を保持し、強度の高い信頼性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係るターボ機械の複合翼の一例を示す断面図。

【図2】実施形態に係るターボ機械の複合翼の根元部の補強部材とプリプレグとの組み合わせの構造の一例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図。

【図3】実施形態に係るターボ機械の複合翼の根元部の複数のプリプレグおよび補強部材の配置の一例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図。

【図4】実施形態に係るターボ機械の複合翼の根元部の複数のプリプレグおよび補強部材の配置の一例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図。

【図5】実施形態に係るターボ機械の複合翼およびシース（sheath）の一例を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、実施形態に係るターボ機械の複合翼の一例を示す断面図である。
図１に示された例では、ターボ機械に備えられる複合翼１０は、先端１０ａから基端１０ｂまで延在する。複合翼１０は、基端１０ｂ側において図示しないロータ、例えばタービンロータの外周部に取付け可能である。ここで、図１に示される方向Ｚは、複合翼１０が延在する方向、すなわち先端１０ａから基端１０ｂまでに沿った方向である。

【0013】

この方向Ｚは、複合翼１０の長手方向であり、ロータの径方向（放射方向）に相当する。図１に示される方向Ｙは、方向Ｚに直交する方向であって、ロータの軸方向に沿った方向である。図１に示される方向Ｘは、方向Ｙ及び方向Ｚに直交する方向であり、ロータの周方向接線に沿った方向である。

【0014】

複合翼１０は、翼部（翼形部）１１と根元部（翼根部）１２とを有する。翼部１１は、複合翼１０がロータに取り付けられた状態で、ロータの回転に伴ってターボ機械内の流体を圧縮する翼である。翼部１１は、先端１０ａから翼端部（翼形端部）１１ａまで複合翼１０の方向Ｚ（長手方向）に沿って延びる。根元部１２は、翼部１１の末端である翼端部１１ａに設けられる。言い換えると、翼部１１は、根元部１２からみた先端１０ａ側から方向Ｚに沿って翼端部１１ａまで延在する。

【0015】

この複合翼１０の翼部１１および根元部１２は、強化繊維および熱硬化性の樹脂を含むシート状の複数の複合材料層であるプリプレグ層（以下、プリプレグと称することがある）１４がＸ方向に沿って積層されて平板形状に成形された後で、例えば加熱および加圧されることで、積層されたプリプレグ１４同士が固着して一体に成形されてなる。

【0016】

上記プリプレグは、強化繊維を含み、さらに熱硬化性の樹脂を含む。このプリプレグは、例えば、ガラスまたはカーボンなどの織布に樹脂が含浸されて、半硬化させた耐熱、高強度、かつ軽量な複合素材である。
図１では、シート状の複数のプリプレグ１４が上記積層されて上記一体に根元部１２が成形されてなる例が示される。

【0017】

また、上記のように加熱および加圧されることで、上記一体に成形された部材同士から所定の接着力が生じる部材であれば、上記の熱硬化性の樹脂を含むプリプレグに代えて、熱可塑性の樹脂がマトリックス（matrix）化されるシートから成形される部材が用いられても良い。

【0018】

図１に示された例では、上記積層される複数のプリプレグ１４のうち一部のプリプレグ１４に補強部材１３が取り付けられる。この補強部材１３は、プリプレグ１４のシートが、根元部１２において、この根元部１２の形状にあわせて一体に成形されながら強度を保持する為に設けられる部材である。この補強部材１３は、当該補強部材１３にプリプレグ１４が取り付けられることで根元部１２の一部を構成する。

【0019】

図１に示された例では、積層されたプリプレグ１４は、補強部材１３が取り付けられるプリプレグ１４と、補強部材１３が取り付けられないプリプレグ１４とが、積層の方向に沿って交互に配置される。

【0020】

図２は、実施形態に係るターボ機械の複合翼の根元部の補強部材とプリプレグとの組み合わせの構造の一例を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は正面図である。この図２では、図１に示された積層されるプリプレグ１４のうち補強部材１３が設けられた１つのプリプレグ１４が示される。図２（ａ）の紙面横方向はＸ方向であって、図２（ｂ）の紙面横方向は、Ｘ方向から９０度傾いたＹ方向である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、補強部材１３には、対応するプリプレグ１４が編み込まれることが可能な、スリット（slit）状の少なくとも１箇所の孔が形成される。
補強部材１３の長手部分とプリプレグ１４の長手部分とが揃えられた状態で、補強部材１３の孔にプリプレグ１４が挿入されて編み込まれることで、補強部材１３がプリプレグ１４に固定され得る。このように、補強部材１３がプリプレグ１４に固定されたときは、根元部１２にかかるせん断力に対して好適な特性が得られ、根元部１２の強度を増加させることができる。

【0021】

また、補強部材１３に形成される孔は、プリプレグ１４が編み込まれることが可能な、長手方向、すなわちＺ方向に沿った複数箇所の孔であってもよい。このように、補強部材１３に形成される孔が複数箇所の孔であるときは、この補強部材１３がプリプレグ１４に固定されたときの応力が効果的に分散され、根元部１２の良好な強度が得られる。

【0022】

補強部材１３は、根元部１２に生じる応力を有効に伝達し、かつプリプレグ１４との接着が容易なものであれば良く、その目的に合致するものであれば、例えば樹脂、セラミックス（ceramics）、金属、あるいはその複合材料でも良い。

【0023】

図３および図４は、実施形態に係るターボ機械の複合翼の根元部の複数のプリプレグおよび補強部材の配置の一例を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は正面図である。これら図３および図４では、図１に示された積層されるプリプレグ１４のうち補強部材１３が設けられるプリプレグ１４の各々が抜き出されて示される。
これら示されるプリプレグ１４は、補強部材１３が設けられないプリプレグ１４を挟んだ複数のプリプレグ１４である。図３（ａ）および図４（ａ）の紙面横方向はＸ方向であって、図３（ｂ）および図４（ｂ）の紙面横方向は、Ｘ方向から９０度傾いたＹ方向である。

【0024】

図３（ａ）および図３（ｂ）に示された例では、根元部１２の複数のプリプレグ１４は、図１に示される複数のプリプレグであることに加え、プリプレグ１４の各々が、積層の方向であるＸ方向に互い違いに配置され、これらのプリプレグ１４の各々に補強部材１３が取り付けられる。

【0025】

すなわち、図３（ａ）および図３（ｂ）に示された例では、１つのプリプレグを挟んで隣接するプリプレグ同士がＸ方向に揃えられて配置される。図３（ａ）および図３（ｂ）に示された例では、図１に示された例との間でプリプレグ１４の数が同じで、かつ、各々のプリプレグ１４が積層の方向に沿って所謂ジグザグ状に配置される。

【0026】

また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示された例では、根元部１２のプリプレグ１４は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示される互い違いの配置を成すことに加え、Ｘ方向の２つの列の各々に複数の積層したプリプレグ１４が設けられる、いわゆる２並列構造を成す。これらのプリプレグの各々に補強部材１３が取り付けられることで、補強部材１３は、上記互い違いの配置かつ上記２並列構造を成す。

【0027】

図４（ａ）および図４（ｂ）に示された例では、図１、図３（ａ）および図３（ｂ）に示された例と比較して、プリプレグ１４の数が２倍であって、かつ、２列分のプリプレグ１４が積層の方向に沿ってジグザグ状に配置される。つまり、図４（ａ）および図４（ｂ）に示された例では、補強部材１３が取り付けられたプリプレグ１４は、当該プリプレグ１４の積層の方向の列を一列とする複数の列の各々において積層されてなる。
なお、上記複数のプリプレグ１４は、上記互い違いの配置でなく、単にＸ方向の２つの列の各々に複数の積層したプリプレグ１４が設けられる２並列構造を成してもよい。

【0028】

図５は、実施形態に係るターボ機械の複合翼およびシースの一例を示す断面図である。
図１などに示された、補強部材１３が配置される根元部１２の最外層には、図５に示されるように金属製のシース２１ａ，２１ｂが取り付けられても良い。

【0029】

図５に示された例では、根元部１２の最外層における、Ｘ方向に並んだプリプレグ１４および当該プリプレグ１４に編み込まれる補強部材１３のうち、Ｙ方向からみた一方の側における基端１０ｂ付近以外の部分が、Ｘ方向を平板方向とするシース２１ａで覆われ、根元部１２の最外層におけるＸ方向に並んだプリプレグ１４および補強部材１３のうち、Ｙ方向からみた他方の側における基端１０ｂ付近以外の部分が、Ｘ方向を平板方向とするシース２１ｂで覆われる。

【0030】

この図５に示された例では、シース２１ａは、絶縁物２２によりＸ方向からみた一端側と他端側とに隔てられた２分割構造を成す。この分割されたシース２１ａの一方および他方には、計測装置３１のプローブが電気的に接続可能である。

【0031】

シース２１ａに上記プローブが電気的に接続された状態で、計測装置３１は、例えば電極に電圧を印加して、電流値を計測し、この電流値の変化に基づいて、プリプレグ１４の成形樹脂の硬化ないし固化の過程をモニタリングすることができる。

【0032】

同様に、上記他方の側のシース２１ｂは、シース２１ｂ用の絶縁物によりＸ方向からみた一端側と他端側とに隔てられた２分割構造を成し、この分割されたシース２１ｂの一方および他方に計測装置３１のプローブが電気的に接続された状態で、上記モニタリングが実施され得る。

【0033】

以上説明したように、実施形態に係るターボ機械の複合翼においては、根元部１２のプリプレグ１４が補強部材１３のスリットに対して編み込まれる構造が保持され得る為、根元部１２のプリプレグ１４と補強部材１３との間に生じるせん断力に対して好適な特性を発揮することができ、根元部１２の強度を増大させることが可能である。

【0034】

また、補強部材１３が、スリット状の複数の孔が形成される構造を有し、この補強部材１３が、積層される複数のプリプレグ１４の各々に対応して配置されることで、根元部１２における応力を効果的に分散し、根元部１２の良好な強度を発揮することが可能となる。

【0035】

さらに、補強部材１３が取り付けられたプリプレグ１４が積層の方向に互い違いに配置されることで、プリプレグ１４の繊維と補強部材１３とが密に配置されることになる為、根元部１２の強度を効果的に高めることが可能である。

【0036】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0037】

１０…複合翼、１１…翼部、１２…根元部、１３…補強部材、１４…プリプレグ層、２１ａ，２１ｂ…シース、２２…絶縁物、３１…計測装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】