JPH09125901A - 耐熱構造複合材料の小径タービンおよびその製造方法 - Google Patents
耐熱構造複合材料の小径タービンおよびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 耐熱構造複合材料で製作するのに適したター
ビン構造を提供して、そのような材料の特徴を生かし、
製造コストをできる限り抑える。 【解決手段】 2つの端板(24、30)の間に配置さ
れ、内部リング(17)および外部リング(19)の間
で流路を形成する複数のブレードを含むタービン(1
0)。上記タービンは、第1および第2の部材から形成
され、各部材は、耐熱構造複合材料から単一の一体部材
として形成され、第1の部材(20)は、第1の端板
(24)とブレード(22)を形成する一方、第2の部
材は、第1の部材のブレード(22)に取り付けられる
第2の端板(30)を形成し、それらの部材は、中央部
分で互いに締め付けることにより一体に組み立てられる
ことが好ましい。
ビン構造を提供して、そのような材料の特徴を生かし、
製造コストをできる限り抑える。 【解決手段】 2つの端板(24、30)の間に配置さ
れ、内部リング(17)および外部リング(19)の間
で流路を形成する複数のブレードを含むタービン(1
0)。上記タービンは、第1および第2の部材から形成
され、各部材は、耐熱構造複合材料から単一の一体部材
として形成され、第1の部材(20)は、第1の端板
(24)とブレード(22)を形成する一方、第2の部
材は、第1の部材のブレード(22)に取り付けられる
第2の端板(30)を形成し、それらの部材は、中央部
分で互いに締め付けることにより一体に組み立てられる
ことが好ましい。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、タービンに関し、
特に、典型的には1000℃以上の高温で用いるために
設計されたタービンに関する。
特に、典型的には1000℃以上の高温で用いるために
設計されたタービンに関する。
【0002】
【従来の技術】本タービンの1つの応用分野は、高温で
の物理化学処理を行うのに用いるオーブンやそれに似た
設備での気体の混合や換気であり、周囲媒体は、例え
ば、不活性ガスや非反応性ガスから構成される。通常、
そのようなタービンは金属より形成され、一般に、溶接
により一緒に組み立てられた複数の部材により作られ
る。金属の使用には、多くの欠点がある。即ち、回転部
分の質量が大きいので、大きな軸ラインや非常に強力な
モーターを必要とし、いずれにしても、回転速度が制限
される。また、金属クリープの危険故に、温度にも限界
がある。加えて、熱衝撃に対する感度は、クラックの形
成または歪みを引き起こす。このことは、回転質量を不
均衡にし、タービンおよびその駆動モータの寿命を減少
させる。あいにく、上述の応用では、特に、処理サイク
ルの期間を減少させることを目的として、多量の冷気を
注入して、オーブン内部の温度を急激に下げると、多く
の熱衝撃が発生する。
の物理化学処理を行うのに用いるオーブンやそれに似た
設備での気体の混合や換気であり、周囲媒体は、例え
ば、不活性ガスや非反応性ガスから構成される。通常、
そのようなタービンは金属より形成され、一般に、溶接
により一緒に組み立てられた複数の部材により作られ
る。金属の使用には、多くの欠点がある。即ち、回転部
分の質量が大きいので、大きな軸ラインや非常に強力な
モーターを必要とし、いずれにしても、回転速度が制限
される。また、金属クリープの危険故に、温度にも限界
がある。加えて、熱衝撃に対する感度は、クラックの形
成または歪みを引き起こす。このことは、回転質量を不
均衡にし、タービンおよびその駆動モータの寿命を減少
させる。あいにく、上述の応用では、特に、処理サイク
ルの期間を減少させることを目的として、多量の冷気を
注入して、オーブン内部の温度を急激に下げると、多く
の熱衝撃が発生する。
【0003】そこで、金属のこの問題を避けるために、
他の材料、特に耐熱構造複合材料、が既にタービンを作
るために提案されている。それらの材料は、一般に、マ
トリックスによって高密度化される繊維強化組織また
は”プレフォーム(preform)”により構成さ
れ、構造的要素を構成するのに適した機械的性質と、高
温までそのような性質を維持する能力に特徴がある。例
えば、普通の耐熱構造複合材料は、炭素繊維強化材およ
び炭素マトリックスにより構成された炭素−炭素(C−
C)複合材料であり、炭素またはセラミック繊維強化
材、およびセラミックマトリックスにより構成されたセ
ラミックマトリックス複合物(CMC)である。
他の材料、特に耐熱構造複合材料、が既にタービンを作
るために提案されている。それらの材料は、一般に、マ
トリックスによって高密度化される繊維強化組織また
は”プレフォーム(preform)”により構成さ
れ、構造的要素を構成するのに適した機械的性質と、高
温までそのような性質を維持する能力に特徴がある。例
えば、普通の耐熱構造複合材料は、炭素繊維強化材およ
び炭素マトリックスにより構成された炭素−炭素(C−
C)複合材料であり、炭素またはセラミック繊維強化
材、およびセラミックマトリックスにより構成されたセ
ラミックマトリックス複合物(CMC)である。
【0004】金属と比較して、耐熱構造複合材料は、か
なり低い密度、かなり大きい高温安定性といった本質的
な長所を有する。質量の減少およびクリープの危険性の
除去は、高速回転での操作を可能にし、これにより、直
径の大きな駆動部材を必要とすることなく大変高い換気
速度での操作を可能とする。加えて、耐熱構造複合材料
は、大変高い耐熱衝撃性を有する。
なり低い密度、かなり大きい高温安定性といった本質的
な長所を有する。質量の減少およびクリープの危険性の
除去は、高速回転での操作を可能にし、これにより、直
径の大きな駆動部材を必要とすることなく大変高い換気
速度での操作を可能とする。加えて、耐熱構造複合材料
は、大変高い耐熱衝撃性を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従って、耐熱構造複合
材料は、性能の点ではかなりの長所を有しているが、そ
の高いコストゆえに、その使用が限定される。かかるコ
ストは、用いられた材料のコスト以外にも、本質的に、
高密度化サイクルの期間、および繊維プレフォームの形
成に伴う困難性、特に、タービンの場合のような、組み
立てられる部材が複雑な形状である場合、から生じる。
そこで、本発明の目的は、耐熱構造複合材料で製作する
のに適したタービン構造を提供して、そのような材料の
特徴を生かし、製造コストをできる限り抑えることにあ
る。
材料は、性能の点ではかなりの長所を有しているが、そ
の高いコストゆえに、その使用が限定される。かかるコ
ストは、用いられた材料のコスト以外にも、本質的に、
高密度化サイクルの期間、および繊維プレフォームの形
成に伴う困難性、特に、タービンの場合のような、組み
立てられる部材が複雑な形状である場合、から生じる。
そこで、本発明の目的は、耐熱構造複合材料で製作する
のに適したタービン構造を提供して、そのような材料の
特徴を生かし、製造コストをできる限り抑えることにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】1つの見地では、本発明
は、2つの端板の間に配置された複数のブレードを有
し、内部リングと外部リングの間に流路を形成するター
ビンの製造方法であって、上記ブレードおよび上記端板
が耐熱構造複合材料から形成され、上記方法が、(a)
第1の繊維プレフォームを、第1の部材の外部寸法の関
数として選択された外部寸法を有するプレートの形状に
製造し、第1の繊維プレフォームを、少なくとも部分的
にマトリックスにより高密度化することにより、プレフ
ォームが少なくとも強化し、少なくとも部分的に高密度
化された第1の繊維プレフォームを機械加工して、第1
の部材の形状とすることにより、第1の部材を、耐熱構
造複合材料から単体の部材として形成して、第1の端板
とブレードとを構成する工程と、(b)第2の繊維プレ
フォームを形成し、マトリックスで第2の繊維プレフォ
ームを高密度化し、機械加工することにより第2の端板
を形成し、該第2の端板を形成する第2の部材を、単体
の部材として、耐熱構造複合材料から形成する工程と、
(c)第2の部材を、第1の部材のブレードに取り付け
ることにより、タービンを組み立てる工程とを含むこと
を特徴とするタービンの製造方法である。このように、
タービンは、本質的に、2つの部材から形成され、簡単
に組み立てられ、各部材は単純な形状の繊維プレフォー
ムから形成される。これは、単に端板を形成するに過ぎ
ない第2の部材にも適用され、第2の繊維プレフォーム
は、単に板により構成することができる。第1の部材
は、プレートにより構成される第1のプレフォームを機
械加工することにより形成され、それは通常、大変厚
い。第1の繊維プレフォームは、部分的に高密度化され
た強化状態で機械加工されるのが好ましく、マトリック
スによる高密度化は、機械加工の後も続けられる。第1
の部材の機械加工は、材料の実質的な浪費を生じるた
め、本発明は、排他的ではないが、特に小さな直径のタ
ービンに適している。この”小さな直径のタービン”と
いう用語は、ここでは、外部リングの直径が、約500
mmを越えないタービンの意味に用いられる。
は、2つの端板の間に配置された複数のブレードを有
し、内部リングと外部リングの間に流路を形成するター
ビンの製造方法であって、上記ブレードおよび上記端板
が耐熱構造複合材料から形成され、上記方法が、(a)
第1の繊維プレフォームを、第1の部材の外部寸法の関
数として選択された外部寸法を有するプレートの形状に
製造し、第1の繊維プレフォームを、少なくとも部分的
にマトリックスにより高密度化することにより、プレフ
ォームが少なくとも強化し、少なくとも部分的に高密度
化された第1の繊維プレフォームを機械加工して、第1
の部材の形状とすることにより、第1の部材を、耐熱構
造複合材料から単体の部材として形成して、第1の端板
とブレードとを構成する工程と、(b)第2の繊維プレ
フォームを形成し、マトリックスで第2の繊維プレフォ
ームを高密度化し、機械加工することにより第2の端板
を形成し、該第2の端板を形成する第2の部材を、単体
の部材として、耐熱構造複合材料から形成する工程と、
(c)第2の部材を、第1の部材のブレードに取り付け
ることにより、タービンを組み立てる工程とを含むこと
を特徴とするタービンの製造方法である。このように、
タービンは、本質的に、2つの部材から形成され、簡単
に組み立てられ、各部材は単純な形状の繊維プレフォー
ムから形成される。これは、単に端板を形成するに過ぎ
ない第2の部材にも適用され、第2の繊維プレフォーム
は、単に板により構成することができる。第1の部材
は、プレートにより構成される第1のプレフォームを機
械加工することにより形成され、それは通常、大変厚
い。第1の繊維プレフォームは、部分的に高密度化され
た強化状態で機械加工されるのが好ましく、マトリック
スによる高密度化は、機械加工の後も続けられる。第1
の部材の機械加工は、材料の実質的な浪費を生じるた
め、本発明は、排他的ではないが、特に小さな直径のタ
ービンに適している。この”小さな直径のタービン”と
いう用語は、ここでは、外部リングの直径が、約500
mmを越えないタービンの意味に用いられる。
【0007】本発明の方法の有利な特徴によれば、ター
ビンは、第1および第2の部材の中央部を固定すること
により組み立てられる。複合材料の剛性により、この1
つの固定のみで、すべての操作状態下で、互いに組み立
てられたままの状態におかれる。このことは、より小径
のタービンの場合に、特に真実である。それゆえに、2
つの部材を貫通するねじ型の留め金具の使用は必要とさ
れない。このことは、重要な長所である。そうでなけれ
ば、使用される留め金具は、高温に耐え、組み立て部材
と同じ熱膨張係数を有するようにするために、複合材料
から形成しなければならず、このことは十分にコストを
上昇させるからである。
ビンは、第1および第2の部材の中央部を固定すること
により組み立てられる。複合材料の剛性により、この1
つの固定のみで、すべての操作状態下で、互いに組み立
てられたままの状態におかれる。このことは、より小径
のタービンの場合に、特に真実である。それゆえに、2
つの部材を貫通するねじ型の留め金具の使用は必要とさ
れない。このことは、重要な長所である。そうでなけれ
ば、使用される留め金具は、高温に耐え、組み立て部材
と同じ熱膨張係数を有するようにするために、複合材料
から形成しなければならず、このことは十分にコストを
上昇させるからである。
【0008】繊維プレフォームは、公知の技術を用いて
作られる。即ち、第1の繊維プレフォーム、および同様
に第2のプレフォームは、2次元の繊維織物の層の積み
重ねとして製作され、各層は、縫製により互いに連結さ
れる。変形例として、第1の繊維プレフォームは、厚い
ことが必要なので、2次元の繊維織物のストリップを圧
延するとともに、各層を縫製により互いに連結して形成
してもよい。
作られる。即ち、第1の繊維プレフォーム、および同様
に第2のプレフォームは、2次元の繊維織物の層の積み
重ねとして製作され、各層は、縫製により互いに連結さ
れる。変形例として、第1の繊維プレフォームは、厚い
ことが必要なので、2次元の繊維織物のストリップを圧
延するとともに、各層を縫製により互いに連結して形成
してもよい。
【0009】他の見地では、本発明は、2つの端板の間
に設けられた複数のブレードを含み、内部リングと外部
リングの間に流路を形成するタービンであって、上記ブ
レードおよび端板が、耐熱構造複合材料から形成され、
上記タービンが、第1の部材と第2の部材を含み、各部
材が耐熱構造複合材料から単一の一体部材として形成さ
れ、第1の部材が上記第1の端板およびブレードを形成
する一方、第2の部材が第1の部材のブレードに取り付
けられる第2の端板を形成することを特徴とするタービ
ンを提供するものである。上記第1の部材および第2の
部材は、単にそれらの中央部を固定することにより、互
いに組み立てることができる。本発明の、他の特徴およ
び長所は、表示に限定されない方法で、添付された図を
参照に、以下の記述より明らかになる。
に設けられた複数のブレードを含み、内部リングと外部
リングの間に流路を形成するタービンであって、上記ブ
レードおよび端板が、耐熱構造複合材料から形成され、
上記タービンが、第1の部材と第2の部材を含み、各部
材が耐熱構造複合材料から単一の一体部材として形成さ
れ、第1の部材が上記第1の端板およびブレードを形成
する一方、第2の部材が第1の部材のブレードに取り付
けられる第2の端板を形成することを特徴とするタービ
ンを提供するものである。上記第1の部材および第2の
部材は、単にそれらの中央部を固定することにより、互
いに組み立てることができる。本発明の、他の特徴およ
び長所は、表示に限定されない方法で、添付された図を
参照に、以下の記述より明らかになる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図1は、耐熱構造複
合材料の2つの一体部材20、30からなるタービン1
0の断面図であり、部材20、30は軸12上に一体的
に挾持されることにより互いに組み立てられる。部材2
0、30の材料は、例えば、炭素−炭素(C−C)複合
材料や、C−SiC(炭素強化繊維および炭化ケイ素マ
トリックス)複合材料のようなセラミックス複合材料で
ある。部材20(図1及至図3)は、ディスク状の環状
端板24の内面24aに設けられた複数のブレード22
を備えている。ブレード22は、端板24の外周および
内周の間に延在するとともに、端板24に略垂直に延在
している。ブレード22の根元22aはハブを形成して
いる中心部26に連結されており、中心部26の内径
は、端板24の内径よりかなり小さい。また、ハブ26
の肉厚はブレード22の幅より小さく、タービンの軸A
に沿って端板24から離間しており、端板24の外面2
4bとハブの内面26bはブレードの縦方向端縁22b
とともに部材20の両面を構成している。部材30はデ
ィスク状の環状端板を構成しており、その外径は端板2
4の外径に等しく、その内径はハブ26の内径に等し
い。部材30は、ハブ26の外面26bブレード22の
縦方向端縁22bに当接している。部材20および30
は、軸12の肩部12aとナット15により固定された
ワッシャ15との間に保持されることにより一体的に狭
持されている。タービンの吸込口は、端板24およびハ
ブ26の間に設けられた空間16に形成され、ブレード
22の根元で、タービンの内部リング17により囲繞さ
れている。吸い込まれた流れは、部材30のブレード2
2と端板24の間の通路18に沿って流れた後、ブレー
ド22の端部でタービンの外部リング19を通って排出
される。耐熱構造複合材料の剛性により、タービンが動
作中においても、部材20、30の中央部分にかかる締
付力が、互いに組み立てられた部材を保持するのに十分
なものとなり、既に述べたように、本発明は、好ましく
は、外径が約500mmを越えない小径タービンに関す
るものなので、これは特に真実である。
て、図面を参照しながら説明する。図1は、耐熱構造複
合材料の2つの一体部材20、30からなるタービン1
0の断面図であり、部材20、30は軸12上に一体的
に挾持されることにより互いに組み立てられる。部材2
0、30の材料は、例えば、炭素−炭素(C−C)複合
材料や、C−SiC(炭素強化繊維および炭化ケイ素マ
トリックス)複合材料のようなセラミックス複合材料で
ある。部材20(図1及至図3)は、ディスク状の環状
端板24の内面24aに設けられた複数のブレード22
を備えている。ブレード22は、端板24の外周および
内周の間に延在するとともに、端板24に略垂直に延在
している。ブレード22の根元22aはハブを形成して
いる中心部26に連結されており、中心部26の内径
は、端板24の内径よりかなり小さい。また、ハブ26
の肉厚はブレード22の幅より小さく、タービンの軸A
に沿って端板24から離間しており、端板24の外面2
4bとハブの内面26bはブレードの縦方向端縁22b
とともに部材20の両面を構成している。部材30はデ
ィスク状の環状端板を構成しており、その外径は端板2
4の外径に等しく、その内径はハブ26の内径に等し
い。部材30は、ハブ26の外面26bブレード22の
縦方向端縁22bに当接している。部材20および30
は、軸12の肩部12aとナット15により固定された
ワッシャ15との間に保持されることにより一体的に狭
持されている。タービンの吸込口は、端板24およびハ
ブ26の間に設けられた空間16に形成され、ブレード
22の根元で、タービンの内部リング17により囲繞さ
れている。吸い込まれた流れは、部材30のブレード2
2と端板24の間の通路18に沿って流れた後、ブレー
ド22の端部でタービンの外部リング19を通って排出
される。耐熱構造複合材料の剛性により、タービンが動
作中においても、部材20、30の中央部分にかかる締
付力が、互いに組み立てられた部材を保持するのに十分
なものとなり、既に述べたように、本発明は、好ましく
は、外径が約500mmを越えない小径タービンに関す
るものなので、これは特に真実である。
【0011】図1に示すように、肩部12およびワッシ
ャ14は、ハブ26および端板30と当接し、当接面は
截頭円錐状を呈している。この截頭円錐状の当接面の頂
点は、タービンの軸Aと実質的に一致する。その結果、
軸12およびワッシャ14に対する部材20、30間の
熱膨張の違いにより、いかなる破壊的な影響もなくすべ
りが発生する。
ャ14は、ハブ26および端板30と当接し、当接面は
截頭円錐状を呈している。この截頭円錐状の当接面の頂
点は、タービンの軸Aと実質的に一致する。その結果、
軸12およびワッシャ14に対する部材20、30間の
熱膨張の違いにより、いかなる破壊的な影響もなくすべ
りが発生する。
【0012】部材20の製造方法の連続工程を図4に示
す。部材20は、板200の形状の繊維構造から形成さ
れる(ステップ41)。そのような構造は、例えば、糸
やケーブルでできたシートや織布のような、2次元の繊
維織物の平坦層を重ね合わせることにより製作し、各層
は縫製により互いに連結される。このタイプの繊維構造
の製造方法は、FR−A−2 584 106号公報に
記載されている。環状の第1のプレフォーム201はプ
レート200から切り出され、該プレフォームの寸法
は、形成される部材20の寸法の関数として選択される
(ステップ42)。プレフォーム201は、形成される
耐熱構造複合材料のマトリックスにより高密度化される
第1の工程に置かれる(ステップ43)。この高密度化
は、プレフォームを強化して行なわれ、即ち、プレフォ
ームの繊維を互いに十分強く接続し、強化されたプレフ
ォームの処理および機械加工を可能にする。高密度化
は、化学的気相浸透により、または液体を用いて公知の
方法により行なわれる。即ち、液相マトリックスを、前
駆体に含浸させた後、転移させることにより行なわれ
る。
す。部材20は、板200の形状の繊維構造から形成さ
れる(ステップ41)。そのような構造は、例えば、糸
やケーブルでできたシートや織布のような、2次元の繊
維織物の平坦層を重ね合わせることにより製作し、各層
は縫製により互いに連結される。このタイプの繊維構造
の製造方法は、FR−A−2 584 106号公報に
記載されている。環状の第1のプレフォーム201はプ
レート200から切り出され、該プレフォームの寸法
は、形成される部材20の寸法の関数として選択される
(ステップ42)。プレフォーム201は、形成される
耐熱構造複合材料のマトリックスにより高密度化される
第1の工程に置かれる(ステップ43)。この高密度化
は、プレフォームを強化して行なわれ、即ち、プレフォ
ームの繊維を互いに十分強く接続し、強化されたプレフ
ォームの処理および機械加工を可能にする。高密度化
は、化学的気相浸透により、または液体を用いて公知の
方法により行なわれる。即ち、液相マトリックスを、前
駆体に含浸させた後、転移させることにより行なわれ
る。
【0013】強化されたプレフォームは、第1の機械加
工ステップに移され、そこでは、ブレードがプレフォー
ムの1つの面に形成され(ステップ44)、それから第
2の機械加工工程に移され、そこでは、プレフォームの
中央が、反対面から穿孔され、吸込領域が形成される一
方、ハブが所定位置に形成される(ステップ45)。強
化され、機械加工されたプレフォーム202は、所望の
マトリックス密度まで、複数の高密度化サイクルが施さ
れる(ステップ46)。この方法で最終的に高密度化さ
れたプレフォームは、最後の機械加工が行なわれ、部材
20を、正確にその設計寸法に合致させる(ステップ4
7)。上記説明は、強化後、完全に高密度化される前に
行なわれるプレフォームの機械加工について述べたが、
厚い繊維構造では、均一な高密度化を行うことがより困
難であるので、これにより、最終の高密度化が容易とな
る。それにもかかわらず、機械加工は、完全に高密度化
が完了した後に行なうこともできる。
工ステップに移され、そこでは、ブレードがプレフォー
ムの1つの面に形成され(ステップ44)、それから第
2の機械加工工程に移され、そこでは、プレフォームの
中央が、反対面から穿孔され、吸込領域が形成される一
方、ハブが所定位置に形成される(ステップ45)。強
化され、機械加工されたプレフォーム202は、所望の
マトリックス密度まで、複数の高密度化サイクルが施さ
れる(ステップ46)。この方法で最終的に高密度化さ
れたプレフォームは、最後の機械加工が行なわれ、部材
20を、正確にその設計寸法に合致させる(ステップ4
7)。上記説明は、強化後、完全に高密度化される前に
行なわれるプレフォームの機械加工について述べたが、
厚い繊維構造では、均一な高密度化を行うことがより困
難であるので、これにより、最終の高密度化が容易とな
る。それにもかかわらず、機械加工は、完全に高密度化
が完了した後に行なうこともできる。
【0014】別の変形例では(図5)、部材20用プレ
フォームは、2次元繊維組織のストリップを、心棒の周
囲に巻回して積層するとともに、各層を縫製して互いに
つなげることにより形成された、円筒形の繊維組織20
0’から形成される(ステップ51)。繊維構造を形成
するこのタイプの方法は、FR−A−2 584 10
7号公報に述べられている。環状のプレフォーム20
1’は、円筒形の構造200’から半径方向に切り出さ
れる(ステップ52)。各プレフォーム201’は、図
4のプレフォーム201と同じ方法で処理される。
フォームは、2次元繊維組織のストリップを、心棒の周
囲に巻回して積層するとともに、各層を縫製して互いに
つなげることにより形成された、円筒形の繊維組織20
0’から形成される(ステップ51)。繊維構造を形成
するこのタイプの方法は、FR−A−2 584 10
7号公報に述べられている。環状のプレフォーム20
1’は、円筒形の構造200’から半径方向に切り出さ
れる(ステップ52)。各プレフォーム201’は、図
4のプレフォーム201と同じ方法で処理される。
【0015】図6に示すように、部材30は、プレート
状の繊維組織300から形成される。この構造は、例え
ば、2次元の繊維織物の平坦層を重ね合わせることによ
り製作し、各層は縫製により互いに連結される(ステッ
プ61)。環状のプレフォーム301は、プレート30
0から切り出され、プレフォームの寸法は、形成される
部材30の寸法の関数として選択される(ステップ6
2)。プレフォーム301は、マトリックスにより高密
度化され、該高密度化は、化学的気相浸透または液体に
より行なわれる(ステップ63)。高密度化されたプレ
フォームは、部材30の設計された寸法にするために、
最終機械加工にかけられる(ステップ64)。
状の繊維組織300から形成される。この構造は、例え
ば、2次元の繊維織物の平坦層を重ね合わせることによ
り製作し、各層は縫製により互いに連結される(ステッ
プ61)。環状のプレフォーム301は、プレート30
0から切り出され、プレフォームの寸法は、形成される
部材30の寸法の関数として選択される(ステップ6
2)。プレフォーム301は、マトリックスにより高密
度化され、該高密度化は、化学的気相浸透または液体に
より行なわれる(ステップ63)。高密度化されたプレ
フォームは、部材30の設計された寸法にするために、
最終機械加工にかけられる(ステップ64)。
【0016】ブレードおよびハブとともに2つの端板を
形成する、耐熱構造複合材料の2つの一体部材を用いた
タービンの他の具体例を採用することも可能である。
形成する、耐熱構造複合材料の2つの一体部材を用いた
タービンの他の具体例を採用することも可能である。
【0017】図7のタービン110は、本質的に、耐熱
構造複合材料からなる2つの部材120、130から形
成される。それは図1のタービンと、部材120におい
て、ブレード122の高さがタービンの内部リング11
7から外部リング119に向かってテーパー状になって
いる点において異なる。このテーパー状の高さは、ブレ
ード122の間の通路118の幅が内部リングおよび外
部リングの間で増加している点を補償し、このテーパー
が、通路118の入口断面と出口断面を実質的に等しく
している。部材120に押し付けられた端板130は、
このように、その中央部分130aが、ハブ126に押
し付けられるディスクの形状であり、周辺部分は、ブレ
ード122に押し付けられる截頭円錐形状である。端板
130を形成するために、ディスク型の環状の繊維プレ
フォームから開始することが可能で、成形工具により所
望の形状にするとともに、工具で保持されている時に部
分的高密度化により、プレフォームが強化される。強化
された後、プレフォームは、更なる高密度化のために工
具から取りはずされる。
構造複合材料からなる2つの部材120、130から形
成される。それは図1のタービンと、部材120におい
て、ブレード122の高さがタービンの内部リング11
7から外部リング119に向かってテーパー状になって
いる点において異なる。このテーパー状の高さは、ブレ
ード122の間の通路118の幅が内部リングおよび外
部リングの間で増加している点を補償し、このテーパー
が、通路118の入口断面と出口断面を実質的に等しく
している。部材120に押し付けられた端板130は、
このように、その中央部分130aが、ハブ126に押
し付けられるディスクの形状であり、周辺部分は、ブレ
ード122に押し付けられる截頭円錐形状である。端板
130を形成するために、ディスク型の環状の繊維プレ
フォームから開始することが可能で、成形工具により所
望の形状にするとともに、工具で保持されている時に部
分的高密度化により、プレフォームが強化される。強化
された後、プレフォームは、更なる高密度化のために工
具から取りはずされる。
【0018】既に述べたように、本発明は、特に比較的
小径のタービンに適用される。タービンの流速は、与え
られた直径に対して、通路の高さ、即ちタービンの肉厚
を増加、減少させることにより、増加、減少させること
が可能である。ブレードの機械加工中に失われる材料の
量は、ブレードの高さにより増加するため、コストの理
由より、タービンの肉厚は、約100mmを越えないよ
うに制限することが好ましい。
小径のタービンに適用される。タービンの流速は、与え
られた直径に対して、通路の高さ、即ちタービンの肉厚
を増加、減少させることにより、増加、減少させること
が可能である。ブレードの機械加工中に失われる材料の
量は、ブレードの高さにより増加するため、コストの理
由より、タービンの肉厚は、約100mmを越えないよ
うに制限することが好ましい。
【0019】流速を増加させる1つの方法は、図8に示
すように、共通の軸に2つのタービン10’、10”を
互いに組み合わせることからなる。各タービン10’お
よび10”は、2つの耐熱構造複合材料の一体部材から
なる。第1の部材20’、20”は、ブレード22’、
22”、端板24’、24”、ハブ26’、26”を同
時に形成し、第2の部材30’、30”は、端板を形成
する。タービン10’は、図1のタービン10に似てお
り、タービン10”は、そのブレードが配置される方法
において、それとは異なっている。部材20”上のブレ
ード22”の配置は、部材20’上のブレード22’の
配置と半径方向の面に対して対象である。結果として、
タービン10’、10”が、端板24’、24”の外側
の面を介して相互に接触するように配置されると、ブレ
ード22’、22”は、タービンの共通軸の周囲に同様
に方向づけられる流路を形成する。部材20’、3
0’、30”、20”は、ナット15’により、肩部1
2’aとワッシャ14’の間で、共通の軸12’上に狭
持されることにより、互いに組み立てられる。肩部1
2’およびワッシャ14’が当接するハブ26’、2
6”の表面は、截頭円錐形状であり、肩部12’aおよ
びワッシャ14’の対応する面も同様である。断面が三
角形である追加のワッシャ14”は、端板30’、3
0”の間に挟持され、ワッシャ14”と当接する面は、
截頭円錐形状である。端板30’とワッシャ14”の
間、およびハブ26’と肩部12’aの間の截頭円錐の
支持表面は、実質的にタービンの軸上で一致する頂点を
有し、端板30”とワッシャ14”の間、およびハブ2
6”と肩部12’aの間でも同様である。結果として、
タービンを形成する部材と、肩部および狭持用ワッシャ
との間の温度による寸法変化は、図1のタービン10と
同様の方法で、截頭円錐の支持表面に平行に滑らすこと
により補うことができる。
すように、共通の軸に2つのタービン10’、10”を
互いに組み合わせることからなる。各タービン10’お
よび10”は、2つの耐熱構造複合材料の一体部材から
なる。第1の部材20’、20”は、ブレード22’、
22”、端板24’、24”、ハブ26’、26”を同
時に形成し、第2の部材30’、30”は、端板を形成
する。タービン10’は、図1のタービン10に似てお
り、タービン10”は、そのブレードが配置される方法
において、それとは異なっている。部材20”上のブレ
ード22”の配置は、部材20’上のブレード22’の
配置と半径方向の面に対して対象である。結果として、
タービン10’、10”が、端板24’、24”の外側
の面を介して相互に接触するように配置されると、ブレ
ード22’、22”は、タービンの共通軸の周囲に同様
に方向づけられる流路を形成する。部材20’、3
0’、30”、20”は、ナット15’により、肩部1
2’aとワッシャ14’の間で、共通の軸12’上に狭
持されることにより、互いに組み立てられる。肩部1
2’およびワッシャ14’が当接するハブ26’、2
6”の表面は、截頭円錐形状であり、肩部12’aおよ
びワッシャ14’の対応する面も同様である。断面が三
角形である追加のワッシャ14”は、端板30’、3
0”の間に挟持され、ワッシャ14”と当接する面は、
截頭円錐形状である。端板30’とワッシャ14”の
間、およびハブ26’と肩部12’aの間の截頭円錐の
支持表面は、実質的にタービンの軸上で一致する頂点を
有し、端板30”とワッシャ14”の間、およびハブ2
6”と肩部12’aの間でも同様である。結果として、
タービンを形成する部材と、肩部および狭持用ワッシャ
との間の温度による寸法変化は、図1のタービン10と
同様の方法で、截頭円錐の支持表面に平行に滑らすこと
により補うことができる。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、耐熱構造複合材料から製作されたタービン
が、第1および第2の部材の中央部を固定することによ
り組み立てられ、上記複合材料の剛性により、この1つ
の固定のみで、すべての操作状態下で組み立てられたま
まの状態を維持できるため、製造コストをできる限り抑
えたタービンの製造が可能となる。
によれば、耐熱構造複合材料から製作されたタービン
が、第1および第2の部材の中央部を固定することによ
り組み立てられ、上記複合材料の剛性により、この1つ
の固定のみで、すべての操作状態下で組み立てられたま
まの状態を維持できるため、製造コストをできる限り抑
えたタービンの製造が可能となる。
【図1】 軸に搭載した本発明のタービンの断面図であ
る。
る。
【図2】 図1のタービンの第1の構成部材の斜視図で
ある。
ある。
【図3】 図2のIII−III面の断面図である。
【図4】 図1のタービンの第1の構成部材を形成する
連続工程を示すブロック図である。
連続工程を示すブロック図である。
【図5】 図1のタービンの第1の構成部材を形成する
ためのプレフォームを形成する異なった方法に関連する
連続工程を示すブロック図である。
ためのプレフォームを形成する異なった方法に関連する
連続工程を示すブロック図である。
【図6】 図1のタービンの第2の構成部材を形成する
連続工程を示すブロック図である。
連続工程を示すブロック図である。
【図7】 本発明のタービンの異なった具体例の断面図
である。
である。
【図8】 本発明のタービンの他の異なった具体例の断
面図である。
面図である。
10 タービン、17 内部リング、19 外部リン
グ、20 第1の部材、22 ブレード、24 端板、
26 ハブ、30 第2の部材。
グ、20 第1の部材、22 ブレード、24 端板、
26 ハブ、30 第2の部材。
Claims (16)
- 【請求項1】 2つの端板の間に配置された複数のブレ
ードを有するタービンの製造方法であって、上記ブレー
ドと上記端板が耐熱構造複合材料から形成され、上記方
法が、 (a)第1の繊維プレフォームを、第1の部材の外部寸
法の関数として選択された外部寸法を有するプレートの
形状に製造し、第1の繊維プレフォームを、少なくとも
部分的にマトリックスにより高密度化することにより、
プレフォームが少なくとも強化し、少なくとも部分的に
高密度化された第1の繊維プレフォームを機械加工し
て、第1の部材の形状とすることにより、第1の部材
を、耐熱構造複合材料から単体の部材として形成して、
第1の端板とブレードとを構成する工程と、 (b)第2の繊維プレフォームを形成し、マトリックス
で第2の繊維プレフォームを高密度化し、機械加工する
ことにより第2の端板を形成し、該第2の端板を形成す
る第2の部材を、単体の部材として、耐熱構造複合材料
から形成する工程と、 (c)第2の部材を、第1の部材のブレードに取り付け
ることにより、タービンを組み立てる工程とを含むこと
を特徴とするタービンの製造方法。 - 【請求項2】 第1の繊維プレフォームが、部分的に高
密度化されて強化された状態で機械加工され、マトリッ
クスの高密度化が、機械加工後も継続していることを特
徴とする請求項1に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項3】 少なくとも部分的に高密度化されたディ
スク形状の第1の繊維プレフォームの機械加工が、 上記プレートの1つの面から機械加工によりブレードを
形成する工程と、そのプレートの反対面から上記プレー
トの中央部分を穿孔することにより吸込領域を形成する
とともに、中央ハブを残す工程とを含むことを特徴とす
る請求項1または2に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項4】 上記第1の繊維プレフォームが、2次元
の繊維織物の平坦な積層から製作され、各層が縫製によ
り互いに連結されていることを特徴とする請求項1から
3のいずれか1項に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項5】 上記第1の繊維プレフォームが、2次元
の繊維織物のストリップを圧延により積層することによ
り製作され、各層が縫製により互いに連結されているこ
とを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の
タービンの製造方法。 - 【請求項6】 上記第2の繊維プレフォームが、2次元
の繊維織物の平坦な積層から製作され、各層が縫製によ
り互いに連結されていることを特徴とする請求項1から
5のいずれか1項に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項7】 上記タービンが、第1の部材および第2
の部材をその中央部分で固定することにより組み立てら
れることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に
記載のタービンの製造方法。 - 【請求項8】 2つの端板(24、30)の間に設けら
れ、内部リング(17)と外部リング(19)の間に流
路を形成する複数のブレード(22)を含み、上記ブレ
ードおよび端板が、耐熱構造複合材料から形成されたタ
ービンであって、 第1の部材と第2の部材を含み、各部材が耐熱構造複合
材料から単一の一体品として形成され、上記第1の部材
(20)が、第1の端板(24)および上記ブレード
(22)を形成する一方、上記第2の部材が、第1の部
材のブレード(22)に取り付けられる第2の端板(3
0)を形成することを特徴とするタービン。 - 【請求項9】 上記第1の部材(20)および第2に部
材(30)が、その中央部分を固定することにより、互
いに組み立てられることを特徴とする請求項8に記載の
タービン。 - 【請求項10】 上記第1の部材において、上記ブレー
ド(22)が、第1の端板(24)を形成するディスク
形状の環状部材の1側で、外周および内周の間に延び、
その根元においてハブを形成する中央部分(26)に接
続されていることを特徴とする請求項8または9に記載
のタービン。 - 【請求項11】 上記ハブを形成する中央部分(26)
の厚さが、上記ブレード(22)の幅より小さいことを
特徴とする請求項10に記載のタービン。 - 【請求項12】 上記第1の部材において、環状の端板
(24)を形成する部分およびハブ(26)を形成する
部分が、上記部材の2つ反対面を占有することを特徴と
する請求項10または11に記載のタービン。 - 【請求項13】 上記第1の部材において、上記中央ハ
ブ(26)を形成する部分が、上記端板(24)を形成
する環状部分の内径より小さな内径を有することを特徴
とする請求項10から12のいずれか1項に記載のター
ビン。 - 【請求項14】 上記第1および第2の部材(20、3
0)が、それらの中央部分に配置された、それぞれ上記
第1の部材および第2の部材に属する当接面に向かって
締め付けることにより互いに組み立てられ、上記当接面
が截頭円錐状を呈し、タービンの軸と実質的に一致して
設けられた頂点を有することを特徴とする請求項8から
13のいずれか1項に記載のタービン。 - 【請求項15】 上記ブレード(22)の高さが、上記
内部リングから上記外部リングに向かってテーパー状に
傾斜し、入口断面に実質的に等しい出口断面を有する通
路を形成したことを特徴とする請求項8から14のいず
れか1項に記載のタービン。 - 【請求項16】 複数の同軸上の組立体を有し、各組立
体は中央部分で互いに締め付けることにより組み立てら
れる第1の部材(20’、20”)および第2の部材
(30’、30”)を夫々含むことを特徴とする請求項
8から15のいずれか1項に記載のタービン。
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