JPS6014884B2 - 耐衝撃性動翼とその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は流体流機械に使う複合動翼、更に具体的に云
えば、異物の衝撃に対するその許容範囲を増大すること
に関する。

何年もの間、ガスタービン機関の圧縮機の様な流体流機
械の比較的重くて、均質な金属の勤翼並びに静翼を一層
軽量の複合材料で置き換える試みが行なわれて来た。

この方法の努力は、主に軽量の題材の中に強度が強い細
長いフィラメントを複合して使うことに向けられて来た
。初期の研究では硝子繊維が用いられていたが、更に最
近になると、棚素、黒鉛及びその他の合金フィラメント
を利用する方向に努力が払われている。こういう最近の
材料は強さが極めて高いと共に弾性率が大きく、それが
圧縮機の勤翼並びに静翼の所要のスチフネスに寄与する
。こういうフィラメントを利用しようとする努力は、特
にその一方向性の強さを多方向性の応力の場に適応させ
る際に、多くの問題に当面した。これらの問題は大部分
解決され、多くの分野で、予想通りのかなりの重量軽減
の他に、均質な金属の場合に優るとも劣らない性能特性
を持つ複合動翼が得られた。然し、ガスタービン機関の
用途に複合材料の潜在能力を一杯に活用する上で１つの
大きな障害は、異物を吸込んだことによる衝撃又は異物
損傷（ＦＯＤ），に対するその許容範囲が比較的４・さ
し、ことであった。

典型的には、複合勤翼は、複数個の略平行なフィラメン
ト積層体を結合することによって作られる。各々の積層
体が、軽量の母材中に固定した全体的に細長いフィラメ
ントの単一層で構成される。例えば母材がアルミニウム
でフィラメントが棚素である場合、アルミニウム箔のシ
ートを棚素フィラメント層の両側に配置し、公知の拡散
結合法又は蓮続ロ−ル結合法によって一緒に結合する。
複合勤翼を製造する際の或る処理条件によっては、結合
の規模が著しくなり、その結果強い衝撃荷重を許容し得
ない様な堅固な構造になることがある。

母材材料は変形によってあまりェネルギを吸収すること
が出来ず、積層体が大規模に結合されているので、略全
部の荷重が比較的硬くて脆いフィラメントによって支え
られる。一般にフィラメントが破砕すると動翼が破砕す
る。他方、耐衝撃強さの大きい母材は、延性の大きい材
料の様な結合性を持たない。フィラメント積層体の間の
結合が実質的に不完全であると、灘断荷重を受けた時、
積上げたカードの様に、積層体が互いに糟動する傾向を
持つ。この摺動が過度になると、衝撃ェネルギを吸収す
る能力は著しく低下する。結合圧力及び温度を高めるこ
とは、結合を強めるのには有効ではあるが、フィラメン
トの破砕や、種々の構成要素の膨張係数が異なることに
よる大きな残留熱応力を発生する懐れがある。このいづ
れの面も、耐衝撃性を低下させ、こうして異物の衝撃に
よる損傷に対する許容範囲を小さくする様に作用する。
従って、流体流機械に使う複合動翼として、強さの強い
材料を用い且つ結合力を改善した複合動翼を開発するこ
とが望ましい。

従って、この発明の主な目的は、異物に衝撃に対する許
容範囲を改善した複合動翼を提供することである。

この発明の別の目的は、その選ばれた部分の、異物の衝
撃に対する許容範囲を改善し得る様な勤翼を提供するこ
とである。

この発明の別の目的は、衝撃に対する許容範囲を改善し
た、複合製品に使う様なフィラメント入り複合積層体を
作る方法を提供することである。

上記並びにその他の目的及び利点は、以下図面について
詳しく説明する所から、更に明らかになろう。図面に示
す例は、この発明の典型的なものではあるが、その範囲
を制約するものではない。簡単に云うと、強さが強く弾
性率が大きい細長い連続的なフィラメントを軽量の母村
中に複合して用いて形成される勤翼により、前述の目的
が達成される。この様な複数個のフィラメント積層体が
略平行に互いに結合され、動翼の主要な複合構造を形成
する。この動翼を作る際、勤翼の先端の衝撃に対する許
容範囲を改善することが望ましい。この発明では、連続
的なフィラメントを２種類の異なる母材中に埋設する。
これらの母材は相対的に異なる耐衝撃強さを持つことを
特徴としており、先端側の母材の強さの方が一般にハブ
側より大きい。１実施例では、先端側の母材は性質が異
なる２種類の材料で構成されていて、連続的で平行なフ
ィラメントを挟み込み、勤翼の吸込み面側に配置された
材料は動翼の加圧面側に設けられた材料よりも耐衝撃強
さが強いことを特徴とする。

この様な勤翼は、公知の様に平行なフィラメントを特定
の金属材料の２枚のシートの間に結合して積層体を形成
することによって作ることが出釆る。改善しようとする
領域にある一方のシートの一部分を剥取り、第２の材料
に置き換える。この材料は初めに適用された材料より耐
衝撃強さが強いことを特徴とする。次に積層体を再び結
合して構造を一体化する。衝撃試験によると、この様な
モノテープ（ｍｏｍｔａｐｅ）又は積層体で作られた動
翼は異万性の挙動を持つことが判った。勤翼の加圧面に
衝撃が加えられると、積層体は動翼の吸込み面に衝撃が
加えられた場合の略２倍の耐衝撃強さを示す。この発明
の要旨は特許請求の範囲に具体的に且つ明確に記載した
あるが、この発明は以下図面について実施例を説明する
所から更によく理解されよう。

図面全体にわたって、同様な部分には同じ参照数字を用
いている。

最初に第１図について説明すると、この発明に従って構
成された、流体流機械に使う複合動翼１０が示されてい
る。この勤翼１０は、ガスターピン機関の軸流圧縮機及
びファンに使うのに適しているが、その場合に制約され
ない。当業者であれば、この発明が多くの羽根つき構造
の改良をもたらすものであって、動翼１０はこの様な用
途の１例にすぎないことが理解されよう。勤翼１０が、
全体的に半径方向に可変のキャンバー及び食い違いを持
つ翼部１２と、勤翼を回転円板又はハブに普通の様に装
着してそれに保持させることが出来る様にするばち形刀
根部１４とを持つことが示されている。図に示してない
が、流路を限定する典型的な台部を動翼の翼部１２及び
ばち形刀線部１４の間に取付けることが出来る。動翼の
主な部分又は主要構造は、強さが強く且つ弾性率が大き
い細長い連続的なフィラメントを′軽量の母材中に埋設
して成る積層体で構成される。

フィラメント積層体が互いに略平行に配置され且つ一緒
に結合され、動翼１０の翼部１２を形成する。主に金属
材料を用いる１実施例では、動翼はアルミニウム母材中
の棚素フィラメントの積層体を結合して構成される。然
し、この構造を黒鉛フィラメント及びェポキシ樹脂を含
めて、任意の非金属系で構成し得ることは当然である。
更に、この発明はその構造に、有機樹脂の様な任意の結
合剤中に埋設した任意の繊維を使うことを考えているこ
とも承知されたい。次に複合体の１個のフィラメント層
即ち積層体について説明する為、第２図の断面図を参照
する。

この図で、平行にした細長い棚素フィラメント１６の単
一層が、後で説明する金属／合金のアルミニウム箔１８
ａ，１８ｂの２層の間に挟み込まれる。これらの構成要
素を公知の方法で拡散結合し、図示の様な一体の層２０
を形成する。例として棚素／アルミニウム複合系を説明
するが、この発明がその場合に制約されないことは後で
明らかになる。勤翼又はその他の衝撃を受ける製品の級
性、即ち衝撃荷重に対するその許容範囲は、少なくとも
５種類の衝撃ェネルギ吸収機構を働かせることによって
発生されることが判った。

これを第２図について云うと、１ アルミニウム箔１８
ａ，１８ｂで構成される母材の変形。

２ 引張り荷重によるフィラメント１６の破砕。

３ 隣合った層の間の界面２２に於ける母材間の剥離。

４ （フィラメント１６と母材１８ａ又は１８ｂとの間
の）フィラメント／母材間の剥離。５ 引張り荷重によ
るフィラメント１６の層２０からの抜出し。

このェネルギ吸収性を解析的に表わせば次の通りになる
。

２１＝ｌｍｄ十ｌｆｆ＋ｌｍｍ十ｌｆｍ＋ｌｐｏこ）で
１は衝撃ェネルギの吸収、ｍｄは母材の変形、ｆｆはフ
ィラメントの破砕、ｍｍは母村間の剥離、ｆｍはフィラ
メント／母材間の剥離、ｐｏは抜出しである。

母材の変形及びフィラメントの破砕ェネルギは、相乗効
果は起り得るが、所定の一組の材料に対しては本質的に
一定であると考えることが出来る。残りのパラメータを
最適にすることにより、製品の合計衝撃ェネルギ吸収を
最大にする。この衝撃の吸収にとって重要な１つの面は
、これらのヱネルギが放出される順序である。例えば、
フィラメントの破砕が衝撃サイクル中の早期に起ると、
これはフィラメントの抜出し‘こよって吸収されるェネ
ルギを制限する。更に、所定の一組の材料に対して、結
合の規模が大きくなると、本質的に一定ではないェネル
ギ吸収機構（ｌｍｍ，ｌｆｍ，ｌｐｏ）のェネルギ吸収
能力が臨界的な段階に達するまで増加する。

結合の規模が更に大きくなると、ェネルギ吸収機構は脆
い破砕が起るまで減少する。この様な全体的な挙動の１
例が第３図に概略的に示されている。この図で、前に述
べた様にして結合された複合製品の合計衝撃ヱネルギ吸
収を魂断強さ（結合の規模の目安）の関数として描いて
ある。第３図の曲線は、任意の特定の一組の材料に対す
る衝撃ェネルギ吸収対喫断強さを表わす点の軌跡であり
、他のフィラメント複合材料の組合せに対して同様な１
群の曲線が得られることは勿論である。第３図で奥断強
さの小さい側（即ち点Ａの正の勾配）の所では、フィラ
メント及び個々の積層体が積上げたカードの様に自由に
動き回れるので、大量のヱネルギを吸収することが出来
ない。

結合（磯断強さ）が増加すると、一層多くのェネルギ吸
収機構が働いて来て、複合製品は耐衝撃強さが一層大き
くなる（点Ｂ）。更に結合が強くなると（実際には過剰
結合）、剥離（ｌｍｍ及びｌｍｆ）並びにフィラメント
の抜出し（ｌｐｏ）の吸収機構が低下し、フィラメント
は変形サイクル中の早期に破砕する様になり、こうして
限られた量の衝撃ェネルギしか吸収せず、脆い材料とし
て振舞う（点Ｃ）。この挙動が更に第４図に例示されて
いる。

この図には敷断応力を鱗断歪みの関数として描いてある
。線２６は、細長いモノフィラメント１６（第２図）の
、破砕点（極限降伏点）２８までの略直線的な応力−歪
み関係を表わす。曲線３川ま第３図の点Ａによって典型
的に表わされる様な結合不良の、奥断強さの小さい状態
を表わす。この様な結合強さの小さい材料に応力が加え
えられると、早期の剥離により、意義がある程の衝撃ェ
ネルギの吸収が出来なくなる。フィラメントの極限降伏
点に達するよりもずっと前に剥離が起る。第４図の曲線
３２では、フィラメント／母材間の剥離（ｌｆｍ及びｌ
ｐｏ）が開始した後、フィラメントの破砕が起る直前に
、積層体の間の剥離（ｌｍｍ）が始まる程度に母村が結
合されている。この場合は第２図の点Ｂで表わされるが
、全ての衝撃ヱネルギ吸収機構が働くので、吸収される
ェネルギが最大になる。この為、これが利用する所定の
一組の材料に対して最強の製品になる。曲線３４は第２
図の点Ｃに相当する結合の強い製品を例示しており、こ
の場合、剥離（ｌｆｍ及びｌｐｏ）が始まる前に複合フ
ィラメントの破砕が生じ、この結果脆い複合体になる。
従って、第３図の点Ｂ並びに第４図の曲線３２で表わさ
れる様な最適の衝撃ェネルギ吸収能力を持つ様にガスタ
ービンの動翼の様な製品を作るのが有利であることは明
らかである。

この目的の為、製品に使おうとする材料で構成されてい
るが、鯛断強さが異なる（即ち結合の規模が異なる）結
合フィラメント積層体の見本を調製した。次に、シャル
ピー衝撃試験の様な公知の試験により、第３図に示す様
な衝撃ェネルギ吸収／駒断強さのグラフを得ることが出
来る。そこで、製造しようとする最終的な製品に対し、
所望の衝撃ェネルギの吸収に必要な結合の程度即ち期断
強さを確実に選ぶことが出来る。金属製の複合製品、特
にガスタービン機関の動翼の場合の１実施例では、モノ
テープの積層体を配置し互いに結合して製品を形成する
。

・前に述べた様に、各層即ち各々の積層体は第２図に示
す様に、棚秦層１６の両側に箔のシートを配置してそれ
らを一緒に結合することによって形成される。従来、上
側及び下側の箔のシート（夫々１８ａ，１８ｂ）は同じ
金属又は合金であった。然し、１層の中に異なる合金の
組合せを用いて、各層の間の結合力を強めると共に、予
期しない耐衝撃特性を作り出すことが出来ることが判っ
た。例えば１１０山り（本質的に非合金アルミニウム）
は、２０２４Ｎ（公称は銅４重量％、銭量アルミニウム
合金）が２０２４りに結合する程には、１１００ＡＩと
結合しない。本質的に非合金アルミニウムである１１０
０Ｎは耐衝撃強さが大きく、その理由で、ガスタービン
機関の用途にとって魅力的である。然し、早期の剥離を
防止するのに必要な強い結合圧力並びに温度により、脆
い動翼になる（又は平行なフィラメントを破砕する）漠
れがある。２０２４Ｎ型の合金は耐疲労性は良好である
が、、剰結合をする傾向並びに延性が小さい点で、それ
程望ましくない。

例として公称値が銅４重量％で残量がアルミニウム合金
（２０２４Ｎ）を選んだが、銅１乃至４重量％又はマグ
ネシウム２乃至１０重量％を持つその他のアルミニウム
合金を利用することも出来ることは勿論である。結合力
を高める為、１１００ＡＩを２０２４山合金と結合した
。平行な棚素フィラメントの周りに１１００Ｎノ２０２
４ＡＩを挟みつける様にしたこの構造は、２０２４Ｎ側
から衝撃を加えた時、１１０船１側から衝撃を加えた時
の略２倍、そして全部２０２４ＡＩで構成した勤翼の場
合の４倍を越える耐衝撃強さを持つ点で、予想外の異万
性耐衝撃性を示した。

勤翼の片側に衝撃を加えた時、一層強い引張りを受ける
のは反対側であることに注意されたい。走査形電子顕微
鏡によって全相学的に観察したところ、この挙動の原因
は、棚素フィラメントが１１０山りから剥離し易いこと
であることが判った。更に、この構造の軸方向耐疲労性
は、全部２０２４山で構成した複合系に相当するもので
あった。この為、構造の結合の程度並びに母材の延性（
塑性）が最終的な耐衝撃性を決定する。この為、異物の
衝撃の影響を最も受け易いのは各々の動翼の加圧側であ
るから、各々の積層体の２０２４り側を勤翼の加圧側に
向け、各々の積層体の１１００ＡＩ側を勤翼の吸込み側
に向ければ、上に述べた様な種類の複数個の略平行なフ
ィラメント積層体を結合することによって形成された複
合動翼は、衝撃に対する許容範囲が最善になる。

１実施例では、動翼の先端部分だけをこの発明に従って
作った。

例えばガスタービン機関では、衝撃によって損傷を最も
受け易いのは動翼の先端であり、この為、耐衝撃性の強
い材料を先端に用いれば、動翼の持ちが著しく高められ
る。逆に、動翼の根元並びにばち形部分は、特に動翼が
第１図に示す様な片持ち形である場合、耐疲労強度が大
きくなる様にすべきであるが、それでも一層小さいなが
ら耐衝撃性を持つことが出来る。この為、第５図に分解
図で示す複数個の略平行なフィラメント積層体３６を結
合して動翼が作られる。

前に述べた様に、各々の積層体は複数個の連続的で平行
なフィラメント３８を母材に埋設して構成される（図を
見易くする為、１つの積層体のフィラメントしか示して
ない）。この実施例では、積層体の根元４０１ま、先端
部分４２に較べて疲労強さが比較的大きい母材で形成さ
れるが、先端側の母材は衝撃に対する許容範囲が一層大
きい。第２図の積層体の様に、箔の層１８ａ，１８ｂが
初めはアルミニウム合金（例えば２０２４ＡＩ）の様な
同じ材料で構成されている場合を考える。

この積層体で形成された動翼の耐衝撃特性を改善する為
、先端側で平行なフィラメントの片側にある箔を剥がし
（剥離し）、フィラメント３８をきずつけずに、４４に
示す長さ方向の位置まで取去る。その代りに、（１１０
０ＡＩの様な）耐衝撃性が一層強い材料の箔をフィラメ
ント並びに残っている箔の母材に再び結合する。この材
料の取替えが各々の積層体の動翼の吸込み面側で行なわ
れると、こうして得られた動翼の先端の衝撃に対する許
容範囲が、前に述べた様に、著しく（２０２４ＡＩを１
１０帆１で置換した場合には４倍まで）改善される。根
元部分及び先端部分の間の移行領域４４は、勤翼の先端
からその長さの４０乃至９５％であってよ〈、第５図に
示す様に山形であってもよいし、斜めに切る等してもよ
い。

この移行領域は、局部的に弱い領域が出来るのを避ける
為、隣合った要素で互い違いにしてもよい。第５図では
、山形が隣合った層で逆向きになっており、その位置を
勤翼の半径方向に徐々にずらして、この様な移行領域に
伴って固有の弱い部分が出来るのを最小限に抑えている
ことに注意されたい。これらの積層体を重ね合せると、
第６図に示す様になる。どの１層でもフィラメントは連
続的なま）であり、置換の母材が初めの母材に対して良
好な結合性を持つ群から選ばれているから、こうして得
られた勤翼は、積層体をまとめて結合した後は、母材の
界面４４の所で、移行部の徴候を、持つとしても、殆ん
どないと云ってよい。同様に、あらゆる勤翼を個々に調
節し且つ補強して、予想される環境条件を充たす様にす
ることが出来る。

例えば、今説明した２種類の材料から成る母材が、全部
が耐衝撃性の強い母材（例えば１１００山）で構成され
た先端を持つ動翼の根元部分を構成してもよい。或いは
根元を全部疲労強度の強い母材（例えば２０２４ＡＩ）
で構成し、先端を全部１１００ＡＩ母材で構成してもよ
い。材料並びに合金を変えれば、その組合せは数多くあ
る。当業者には、この発明の範囲内で、上に述べた実施
例に種々の変更を加えることが出来ることは明らかであ
ろう。例えば、多重合金層の考えはアルミニウム以外の
母材にも適用することが出来、片側が耐衝撃強さの強い
ものにし、反対側が耐疲労性／結合性が一層よいものに
してもよい。樹脂を母村とする複合体にも同じやり方を
用いることが出来る。特許請求の範囲の記載は、この発
明の範囲内に含まれるこの様な全ての変更を包括するも
のと承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施したガスタービン機関の圧縮機
の複合勤翼の斜視図、第２図は１個の複合積層体の断面
図、第３図は複合製品の衝撃ェネルギ吸収をその数断強
さの関数として示すグラフ、第４図は複合製品の鯛断応
力を鞠断歪みの関数として示すグラフ、第５図はこの発
明に従って作られた数個の動翼積層体の分解図、第６図
は第５図の積層体を重ね合せた状態を示す図である。 主な符号の説明、１２：翼部、１４：ばち形刀根部、１
６：側素フィラメント、１８ａ，１８ｂ…・・・アルミ
ニウム箔、２０：積層体、４４：界面。ｔ三百・ 五百２ Ｅ亘コ 口百４ モ章亘５ モ；亘日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個のフイラメント積層体を結合して作られた先
   端部分並びに根元部分を持つ流体流機械に使う動翼に於
   て、前記積層体は複数個の連続的で平行なフイラメント
   を動翼の根元側では第１の母材の中に且つ動翼の先端側
   では第２の母材の中に埋設してあり、第１及び第２の母
   材は共通の界面で結合され、第２の母材は前記フイラメ
   ントを挾み込む２種類の材料で構成されていて耐衝撃強
   さが第１の母材より大きく、前記材料の内の一方は自身
   並びに前記フイラメントに対する結合力が他方の材料に
   比べて大きいことを特徴とする動翼。 ２ 特許請求の範囲１に記載した動翼に於て、母材が金
   属である動翼。 ３ 特許請求の範囲２に記載した動翼に於て、母材が、
   アルミニウム及びアルミニウム合金から成る群から選ば
   れた材料であり、フイラメントが実質的に硼素で構成さ
   れる動翼。 ４ 特許請求の範囲２に記載した動翼に於て、第２の母
   材が前記フイラメントを挾み込む金属箔の２枚のシート
   で構成され、第２の母材の一方のシートが第１の母材と
   同じ材料である動翼。 ５ 特許請求の範囲１に記載した動翼に於て、隣合った
   積層体の界面が実質的に重なり合わない様にした動翼。 ６ 吸込み面、加圧面、先端部分及び根元部分を持ち、
   複数個のフイラメント積層体を結合して作られていて、
   少なくとも１つの積層体は複数個の連続的で平行なフイ
   ラメントを前記先端部分で２種類の材料の間に挾んで結
   合することによって構成され、該材料の内の一方は自身
   並びに前記フイラメントに対する結合力が他方の材料に
   比べて大きくて動翼の加圧面側に配置され、前記フイラ
   メントが動翼の根元部分では前記他方の材料の２つの層
   の間に挾まれて結合されている動翼。７ 吸込み面、加
   圧面、先端部分及び根元部分を持ち、複数個のフイラメ
   ント積層体を結合して作られていて、少なくとも１つの
   積層体が複数個の連続的な平行なフイラメントを前記先
   端部分で２種類の材料の間に挾んで結合することによっ
   て構成され、該材料の内の一方は自身並びに前記フイラ
   メントに対する結合力が他方の材料に比べて大きく且つ
   動翼の加圧面側に配置されており、前記フイラメントが
   動翼の根元部分で前記一方の材料の２つの層の間に挾ま
   れ且つ結合されている動翼。 ８ 複数個のフイラメント積層体を結合することにより
   先端部分及び根元部分を持つ動翼を作る方法に於て、複
   数個の平行なフイラメントを第１の材料の２枚のシート
   の間に結合し、次いで少なくとも１枚のシートの一部分
   を取去り、該取去った部分を第２の材料で置き換えて、
   第２の材料を第１の材料に結合することによってフイラ
   メント積層体を作り、前記第１及び第２の材料の内の一
   方は自身並びに前記フイラメントに対する結合力が他方
   の材料に比べて大きく、且つ該他方の材料は耐衝撃強さ
   が前記一方の材料よりも大きく、そして前記第１及び第
   ２の材料の間にフイラメントを挾み込んだフイラメント
   積層体の部分を動翼の先端側に配置することを特徴とす
   る方法。 ９ 複数個のフイラメント積層体を結合することにより
   先端部分及び根元部分を持つ動翼を作る方法に於て、複
   数個の平行なフイラメントを、それぞれ第１及び第２の
   材料からなる２枚のシートの間に結合し、第１の材料は
   自身並びに前記フイラメントに対する結合力が第２の材
   料に比べて大きく、且つ第２の材料は耐衝撃強さが第１
   の材料よりも大きく、次いで少なくとも１枚のシートの
   一部分を取去り、該取去つた部分を、他方のシートを構
   成するのと同じ材料で置き換えて、この置き換えた材料
   を残りの材料に結合することによってフイラメント積層
   体を作り、そして前記第１及び第２の材料の間にフイラ
   メントを挾み込んだフイラメント積層体の部分を動翼の
   先端側に配置することを特徴とする方法。