(57)【要約】【課題】大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを提供する。【解決手段】複合材ブレードは、回転体の外面に放射状に延びた状態で取り付けられる複合材ブレードであり、前記回転体の前記外面に取り付けられる翼根部と、前記翼根部から延びる翼型部と、前記複合材ブレード内において、前記翼根部と前記翼型部との間に延在する補強繊維を含む補強繊維束と、を備える。前記補強繊維は、前記翼根部内において９０度又は鋭角を有して折れ曲がる第１屈曲部を有する。【選択図】図１
2015121202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の外面に放射状に延びた状態で取り付けられる複合材ブレードであって、
前記回転体の前記外面に取り付けられる翼根部と、
前記翼根部から延びる翼型部と、
前記複合材ブレード内において、前記翼根部と前記翼型部との間に延在する補強繊維を含む補強繊維束と、を備え、
前記補強繊維は、前記翼根部内において９０度又は鋭角を有して屈曲する第１屈曲部を有している
ことを特徴とする複合材ブレード。
【請求項２】
前記補強繊維束は、
前記翼型部の内部から前記翼根部の内部まで前記翼型部の延伸方向に沿って延在する前記補強繊維の第１部分によって構成されるメイン部と、
前記第１屈曲部を介して前記第１部分に接続される一端部を有する前記補強繊維の第２部分によって構成される掛止部と、を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の複合材ブレード。
【請求項３】
前記第２部分は、前記第１部分との間に前記９０度又は鋭角の角度をなすように、前記第１屈曲部を起点として前記翼根部の底面から離れる方向に延在する
ことを特徴とする請求項２に記載の複合材ブレード。
【請求項４】
前記補強繊維束は、前記複合材ブレードの内部に一対設けられ、
一対の前記補強繊維束の前記メイン部を構成する前記第１部分は、互いに平行に前記延伸方向に沿って延在し、
一対の前記補強繊維束の前記掛止部を構成する前記第２部分は、互いに反対方向を向いて延びている
ことを特徴とする請求項３に記載の複合材ブレード。
【請求項５】
前記翼根部の内部において前記掛止部を挟んで前記翼根部の前記底面とは反対側に設けられるインサートをさらに備える
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の複合材ブレード。
【請求項６】
前記翼根部の内部において前記掛止部を挟んで前記翼根部の底面とは反対側に設けられるインサートをさらに備え、
前記補強繊維束の前記メイン部は、前記インサートの両側方を通って前記翼根部の内部を前記底面に向かって延在し、
前記補強繊維束の前記掛止部は、前記インサートと前記底面との間に延在している
ことを特徴とする請求項２に記載の複合材ブレード。
【請求項７】
前記補強繊維は、
前記翼根部内において、前記第２部分の他端部に設けられる第２屈曲部と、
前記第２屈曲部を介して前記第２部分に連続する第３部分、をさらに含み、
前記補強繊維束は、
前記インサートの一側方を通過する前記補強繊維の前記第１部分によって構成される第１メイン部と、
前記インサートと前記底面との間に延在する前記補強繊維の前記第２部分によって構成される共通掛止部と、
前記インサートの他側方を通過する前記補強繊維の前記第３部分によって構成される第２メイン部と、を含む
ことを特徴とする請求項６に記載の複合材ブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複合材ブレードに係り、例えば、火力プラント送風機、航空エンジン等の軸流ファンに用いられる複合材ブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体の外面に放射状に取り付けられる複合材ブレードには、回転体の回転時に遠心力によって複合材ブレード内に引っ張り応力が作用する。この引っ張り応力の大きさが大きくなると、特に、複合材ブレードを回転体に固定する根部側に応力が集中して、複合材ブレードが破損する虞が生じる。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載されているように、複合材ブレードが回転体に取り付けられる翼根部（ダブテイル部）から複合材ブレードの翼部に亘って補強繊維を設けた複合材ブレード（繊維強化複合ブレード）が提案されている。
【０００４】
この複合材ブレードの翼部内に設けられた補強繊維は、翼部の延伸方向に沿って延びている。また、翼根部内の補強繊維は、翼部と反対側へ延びるに従って外側へ傾斜するように扇状に延びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−１３７１０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この従来の複合材ブレードは、翼根部内に作用する遠心力に起因した局部的な剥離応力（せん断力）が翼根部内の補強繊維に作用し、翼根部が局部的に破損する虞が生じる。特に、複合材ブレードの大型化及び高周速化の実現のためには、より大きな遠心力に耐えうる複合材ブレードの新たな構造の開発が望まれる。
【０００７】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの実施形態に係わる複合材ブレードは、
回転体の外面に放射状に延びた状態で取り付けられる複合材ブレードであって、
前記回転体の前記外面に取り付けられる翼根部と、
前記翼根部から延びる翼型部と、
前記複合材ブレード内において、前記翼根部と前記翼型部との間に延在する補強繊維を含む補強繊維束と、を備え、
前記補強繊維は、前記翼根部内において９０度又は鋭角を有して屈曲する第１屈曲部を有している。
【０００９】
上記複合材ブレードによれば、回転体の回転時に複合材ブレードに遠心力が作用すると、翼型部及び翼根部に複合材ブレードの頂部側へ向く引っ張り力が作用する。この翼型部に作用する引っ張り力は、翼型部内の補強繊維束によって支えられる。一方、翼根部に引っ張り力が作用すると、この引っ張り力によって第１屈曲部よりも翼型部側の補強繊維束が複合材ブレードの頂部方向側に引っ張られるが、第１屈曲部から延びる補強繊維束は翼根部内で引っ掛かるように作用して翼根部に作用する引っ張り力を支える。このとき、翼根部内では、補強繊維束が翼根部の底面から離れる方向の力を翼根部内に及ぼす一方、この力に対する力が翼根部内で発生する。このため、翼根部内ではせん断力が発生する虞はなく、翼根部内での局部的な破損の虞を防止することができる。
【００１０】
幾つかの実施形態では、
前記補強繊維束は、
前記翼型部の内部から前記翼根部の内部まで前記翼型部の延伸方向に沿って延在する前記補強繊維の第１部分によって構成されるメイン部と、
前記第１屈曲部を介して前記第１部分に連続する前記補強繊維の第２部分によって構成される掛止部と、を含むように構成される。
【００１１】
この場合、翼根部に引っ張り力が作用すると、この引っ張り力によって第１屈曲部よりも翼型部側の掛止部が翼根部内で引っ掛かるように作用して翼根部に作用する引っ張り力を効果的に支える。したがって、より大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。
【００１２】
一実施形態において、
前記第２部分は、前記第１部分との間に９０度又は鋭角の角度をなすように、前記第１屈曲部を起点として前記翼根部の底面から離れる方向に延在するように構成される。
【００１３】
この場合、第２部分は第１屈曲部を起点として翼根部の底面から離れる方向に延在するので、翼根部のうち掛止部が引っ掛かる領域（掛止部を挟んで翼根部の底面の反対側の領域）を広く確保できる。よって、より大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。
【００１４】
一実施形態において、
前記補強繊維束は、前記ブレードの内部に一対設けられ、
一対の前記補強繊維束の前記メイン部を構成する前記第１部分は、互いに平行に前記延伸方向に沿って延在し、
一対の前記補強繊維束の前記掛止部を構成する前記第２部分は、互いに反対方向を向いて延びているように構成される。
【００１５】
この場合、一対の補強繊維束の第２部分は、互いに反対方向を向いて配置されているので、翼根部のうち掛止部が引っ掛かる領域（掛止部を挟んで翼根部の底面の反対側の領域）をより広く確保できる。よって、さらに大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。
【００１６】
一実施形態において、
前記翼根部の内部において前記掛止部を挟んで前記翼根部の前記底面とは反対側に設けられるインサートをさらに備えるように構成される。
【００１７】
この場合、複合材ブレードに遠心力が作用すると、掛止部がインサートに引っ掛かる。よって、大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。また、インサートは掛止部を掛止可能であればよいので、インサートの幅は小さくすることができ、翼根部の幅も小さくすることができる。
【００１８】
一実施形態において、
前記翼根部の内部において前記掛止部を挟んで前記翼根部の底面とは反対側に設けられるインサートをさらに備え、
前記補強繊維束の前記メイン部は、前記インサートの両側方を通って前記翼根部の内部を前記底面に向かって延在し、
前記補強繊維束の前記掛止部は、前記インサートと前記底面との間に延在しているように構成される。
【００１９】
この場合、インサートの両側から一対の掛止部がインサートと底面との間に延在するので、ブレードに遠心力が作用すると、一対の掛止部のそれぞれがインサートに引っ掛かる。よって、大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。また、インサートは掛止部を掛止可能であればよいので、インサートの幅を小さくすることができ、翼根部の幅も小さくすることができる。
【００２０】
一実施形態において、
前記補強繊維は、
前記翼根部内において、前記第２部分の他端部に設けられる第２屈曲部と、
前記第２屈曲部を介して前記第２部分に連続する第３部分、をさらに含み、
前記補強繊維束は、
前記インサートの一側方を通過する前記補強繊維の前記第１部分によって構成される第１メイン部と、
前記インサートと前記底面との間に延在する前記補強繊維の前記第２部分によって構成される共通掛止部と、
前記インサートの他側方を通過する前記補強繊維の前記第３部分によって構成される第２メイン部と、を含むように構成される。
【００２１】
この場合、補強繊維束は、共通掛止部を介して第１メイン部及び第２メイン部が繋がっているので、ブレードに遠心力が作用すると、共通掛止部の全体がインサートに引っ掛かる。よって、より大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを実現できる。また、インサートは掛止部を掛止可能であればよいので、インサートの幅を小さくすることができ、翼根部の幅も小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、大きな遠心力に耐え得る複合材ブレードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】複合材ブレードの構成例を示す内部構造図である。
【図２】一実施形態に係わる翼根部内の補強繊維束に発生する力を図示した翼根部の部分拡大断面図である。
【図３】一実施形態に係わる翼根部内に２つのインサートが設けられた翼根部の部分拡大断面図である。
【図４】一実施形態に係わるインサートの両側から掛止部が掛止される翼根部の部分拡大断面図である。
【図５】一実施形態に係わる翼根部内に１つのインサートが設けられた翼根部の部分拡大断面図である。
【図６】一実施形態に係わる小型のインサートが設けられた翼根部の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明の複合材ブレードの実施形態について説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、本実施形態は、ガスタービンエンジンのファンブレード等に用いられる複合材ブレードについて説明する。
【００２５】
複合材ブレード１は、図１（内部構造図）に示すように、円盤状をなすディスク９０の外周に取り付けられる翼根部５と、翼根部５から延びる翼型部１０と、複合材ブレード１の内部において、翼根部５と翼型部１０との間に延在する補強繊維２１を含む補強繊維束２０と、を有して構成される。補強繊維２１は、翼根部５内において鋭角を有して屈曲する第１屈曲部２１ｂを有する。ディスク９０の外周には、周方向に所定間隔を有して取付部９１が複数設けられている。この取付部９１は、ディスク９０の軸芯Ｓ方向（以下、幅方向と記す。）に沿って延びて、複合材ブレード１の翼根部５をディスク９０の幅方向に沿って差し込むことで、複合材ブレード１がディスク９０に放射状に延びた状態で取り付けられる。
【００２６】
翼根部５は、箱状に形成されるとともに側面視において長方形状に形成されている。翼根部５の表面は、翼根部５の一方側の側面から中央側へ進むに従って翼根部５の底面５ａか離れる側へ傾斜するとともに、翼根部５の底面５ａ側に凹状に湾曲した一対の曲面５ｂが形成されている。これらの曲面５ｂは、ディスク９０の幅方向に対して対称に形成され、曲面５ｂの形状は、空力設計を基にして形成されている。この一対の曲面５ｂの先端部に翼型部１０が繋がっている。翼型部１０は翼根部５の底面５ａから離れる方向（ディスク９０の径方向外側）に直線状に延びている。翼型部１０及び翼根部５内には、補強繊維束２０が延在している。補強繊維束２０の詳細については後述する。
【００２７】
翼根部５及び翼型部１０は、熱可塑性樹脂、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等で形成される。なお、翼根部５及び翼型部１０は、熱可塑性樹脂で形成される場合に限るものではなく、熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等）でもよい。翼型部１０は、基端側から先端側へ延びるに従って幅が暫時小さくなるように形成されている。
【００２８】
幾つかの実施例では、補強繊維束２０は、多数の補強繊維２１を束ねて構成されている。補強繊維２１は、カーボン繊維やガラス繊維等で構成される。補強繊維束２０は、翼根部５と翼型部１０との間に延在している。補強繊維束２０は、翼型部１０の内部から翼根部５の内部まで翼型部１０の延伸方向に沿って延在する補強繊維２１の第１部分２１ａによって構成されるメイン部２０ａと、第１屈曲部２１ｂを介して第１部分２１ａに接続される一端部を有する補強繊維２１の第２部分２１ｃによって構成される掛止部２０ｂと、を含む。
【００２９】
補強繊維２１の第１部分２１ａは、翼型部１０の内側先端部から翼型部１０の内側基端部内側を超えて翼根部５の底面５ａの近傍まで延びる。補強繊維２１の第２部分２１ｃは、翼根部５内において鋭角の折曲角度θ（図面では約７５度）を有して屈曲する第１屈曲部２１ｂを介して接続されている。第１屈曲部２１ｂの折曲角度θは、９０度又は鋭角であればよい。折曲角度θは、例えば、９０度〜６０度が好ましい。鋭角とすることで、引き抜き力に対する抵抗力が強くなる。このような補強繊維束の挿入形態は複合部材のＴ字接合にも応用できる。
【００３０】
幾つかの実施例では、補強繊維束２０は、複合材ブレード１の内部において複合材ブレード１の中心軸線Ｑに対して複合材ブレード１の幅方向に一対設けられている。一対の補強繊維束２０のメイン部２０ａを構成する第１部分２１ａは、互いに平行に翼型部１０の延伸方向に沿って延在し、一対の補強繊維束２０の掛止部２０ｂを構成する第２部分２１ｃは、互いに反対方向を向いて延びている。また、第２部分２１ｃは、翼根部５内の幅方向中央部から翼根部５内の幅方向外側端部の内側近傍まで延びている。
【００３１】
以上説明したように、幾つかの実施形態に係わる複合材ブレード１によれば、ディスク９０が回転すると、図２（部分拡大断面図）に示すように、複合材ブレード１に遠心力Ｆが作用し、翼型部１０及び翼根部５に複合材ブレード１の頂部側へ向く引っ張り力Ｔが作用する。この翼型部１０に作用する引っ張り力Ｔは、翼型部１０内の補強繊維束２０によって支えられる。一方、翼根部５に引っ張り力Ｔが作用すると、この引っ張り力Ｔによって第１屈曲部２１ｂよりも翼型部１０側の補強繊維束２０が複合材ブレード１の頂部方向側に引っ張られるが、第１屈曲部２１ｂから延びる第２部分２１ｃを構成する掛止部２０ｂは翼根部５内で引っ掛かるように作用して翼根部５に作用する引っ張り力Ｔを支える。このとき、翼根部５内では、補強繊維束２０が翼根部５の底面５ａから離れる方向の力Ｆａを翼根部５内に及ぼす一方、この力Ｆａに対する力Ｆｂが翼根部５内で発生する。このため、翼根部５内ではせん断力が発生する虞はなく、翼根部５内での局部的な破損の虞を防止することができる。
【００３２】
また、翼根部５に引っ張り力Ｔが作用すると、この引っ張り力Ｔによって第１屈曲部２１ｂよりも翼型部１０側の掛止部２０ｂが翼根部５内で引っ掛かるように作用して翼根部５に作用する引っ張り力Ｔを効果的に支える。さらに、第２部分２１ｃは第１屈曲部２１ｂを起点として翼根部５の底面５ａから離れる方向に延在するので、翼根部５のうち掛止部２０ｂが引っ掛かる領域Ｗ（掛止部２０ｂを挟んで翼根部５の底面５ａの反対側の領域）を広く確保できる。よって、より大きな遠心力Ｆに耐え得る複合材ブレード１を実現できる。
【００３３】
また、一対の補強繊維束２０の第２部分２１ｃは、互いに反対方向を向いて配置されているので、翼根部５のうち掛止部２０ｂが引っ掛かる領域Ｗ（掛止部２０ｂを挟んで翼根部５の底面５ａの反対側の領域）をより広く確保できる。よって、さらに大きな遠心力Ｆに耐え得る複合材ブレード１を実現できる。
【００３４】
次に、図３〜図６に示す例示的な実施形態の個別的内容について説明する。図３に示す例示的な実施形態では、翼根部５の内部において掛止部２０ｂを挟んで翼根部５の底面５ａとは反対側にインサート３０が設けられている。このインサート３０は、複合材ブレード１の幅方向に対して略直交する方向を向いて延びる棒状部材である。インサート３０は、翼根部５に挿入時に掛止部２０ｂに接触した状態であってもよいし、非接触状態であってもよい。インサート３０は、金属材料製であり、例えばＴｉ合金で形成されている。インサート３０の断面形状は、掛止部２０ｂを掛止可能であればどのような形状（図面では円形）でもよく、例えば、円形の他に、楕円形、三角形、矩形等のいずれでもよい。
【００３５】
このように、翼根部５の内部において掛止部２０ｂを挟んで翼根部５の底面５ａとは反対側にインサート３０を設けることで、複合材ブレード１に遠心力Ｆが作用すると、掛止部２０ｂがインサート３０に引っ掛かる。よって、大きな遠心力Ｆに耐え得る複合材ブレード１を実現できる。
【００３６】
図４に示す例示的な実施形態では、翼根部５’の内部において掛止部２０ｂを挟んで翼根部５の底面５ａとは反対側に設けられるインサート３２を備え、補強繊維束２０のメイン部２０ａは、インサート３２の幅方向両側方を通って翼根部５’の内部を底面５’ａに向かって延在し、補強繊維束２０の掛止部２０ｂは、インサート３２と底面５’ａとの間に延在する。インサート３２と底面５’ａとの間に延在する掛止部２０ｂは、インサート３２の両側からインサート３２の底面３２ａに沿って延びる。インサート３２の両側から底面３２ａに沿って延びる一対の掛止部２０ｂは非接続状態にある。
【００３７】
この構成の複合材ブレード１では、インサート３２の両側から一対の掛止部２０ｂがインサート３２と翼根部５’の底面５’ａとの間に延在するので、複合材ブレード１に遠心力Ｆが作用すると、一対の掛止部２０ｂのそれぞれがインサート３２に引っ掛かる。よって、大きな遠心力Ｆに耐え得る複合材ブレード１’を実現できる。また、インサート３２は掛止部２０ｂを掛止可能であればよいので、インサート３２の幅を小さくすることができる。よって、翼根部５’の幅Ｂも小さくすることができる。
【００３８】
図５に示す例示的な実施形態では、補強繊維２１は、翼根部５’内において、第２部分２１ｃの翼根部５’幅方向の他端部に設けられる第２屈曲部２１ｄと、第２屈曲部２１ｄを介して第２部分２１ｃに連続する第３部分２１ｅ、をさらに含み、補強繊維束２０は、インサート３２の一側方を通過する補強繊維２１の第１部分２１ａによって構成される第１メイン部２０ｃと、インサート３２と翼根部５’の底面５’ａとの間に延在する補強繊維２１の第２部分２１ｃによって構成される共通掛止部２０ｄと、インサート３２の他側方を通過する補強繊維２１の第３部分２１ｅによって構成される第２メイン部２０ｅと、を含むように構成される。つまり、図５に示す例示的な実施形態では、共通掛止部２０ｄを介して第１メイン部２０ｃ及び第２メイン部２０ｅが繋がっている。
【００３９】
インサート３２の幅は、補強繊維束２０の幅よりも大きい。このため、補強繊維２１の第１部分２１ａ及び第３部分２１ｅは、インサート３２の側面３２ｂに向かって翼根部５’の底面５’ａ側へ延びるとともに、側面３２ｂに沿って底面５’ａ側へ延びている。
【００４０】
この構成の複合材ブレード１では、補強繊維束２０は、共通掛止部２０ｄを介して第１メイン部２０ｃ及び第２メイン部２０ｅが繋がっているので、複合材ブレード１に遠心力Ｆが作用すると、共通掛止部２０ｄの全体がインサート３２に引っ掛かる。よって、より大きな遠心力Ｆに耐え得る複合材ブレード１を実現できる。また、インサート３２は共通掛止部２０ｄを掛止可能であればよいので、インサート３２の幅を小さくすることができる。よって、翼根部５’の幅Ｂも小さくすることができる。
【００４１】
なお、図６に示す例示的な実施形態では、図５に示すインサート３２よりも幅が小さなインサート３３を用いた場合の具体例を示している。このインサート３３は掛止部２０ｂを掛止可能であればよいので、小さい幅のインサート３３を実現できる。よって、翼根部５’の幅Ｂをさらに小さくすることができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、上述した各種実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  複合材ブレード
５、５’  翼根部
５ａ  底面
５ｂ  曲面
１０  翼型部
２０  補強繊維束
２０ａ  メイン部
２０ｂ  掛止部
２０ｃ  第１メイン部
２０ｄ  共通掛止部
２０ｅ  第２メイン部
２１  補強繊維束
２１ａ  第１部分
２１ｂ  第１屈曲部
２１ｃ  第２部分
２１ｄ  第２屈曲部
２１ｅ  第３部分
３０、３２、３３  インサート
９０  ディスク
９１  取付部
Ｆ  遠心力
Ｆａ、Ｆｂ  力
Ｓ  軸芯
Ｗ  領域
【図１】
2015121202.tif 000003
【図２】
2015121202.tif 000004
【図３】
2015121202.tif 000005
【図４】
2015121202.tif 000006
【図５】
2015121202.tif 000007
【図６】
2015121202.tif 000008