(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスと強化用繊維とでできたディスク部とタービン翼部とで構成されるブリスクであって、強化用繊維が半径方向へ配向された半径糸と円周方向へ配向された円周糸とを有し、前記半径糸がディスク部とタービン部との結合部位に集中的に配向された結合部位半径糸を有し、繊維長さが異なる複数種類の前記結合部位半径糸が配向されており、
ブリスクの厚さ方向の中心部での前記結合部位半径糸の繊維長さと表面部での前記結合部位半径糸の繊維長さとが異なることを特徴とするブリスク。
【請求項２】
ブリスクの厚さ方向の中心部での前記結合部位半径糸の繊維長さが表面部での前記結合部位半径糸の繊維長さより長いことを特徴とする請求項１に記載のブリスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空、宇宙、船舶、発電等の分野において、例えば圧縮機やタービン等の構成部品として用いられる高速で回転するセラミックス複合材料のディククとタービン翼とで一体に形成されたブリスクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や圧縮機やタービンでは、動翼を支持するためにディスクが用いられる。従来、このディスクは、ほとんど金属で作られていたが、近年、軽量化と耐熱性向上のために、セラミックス複合材料からなるブリスクの開発が進められている。
セラミックス複合材料からなるブリスクは、例えば、強化用繊維である半径糸と円周糸と直交糸とによってできた三次元織物にセラミックスのマトリックスが付着した構造を有する。半径糸は、ブリスクの半径方向へ配向された強化用繊維である。円周糸は、ブリスクの円周方向に配向された強化用繊維である。直交糸は、ブリスクの板厚方向に配向された強化用繊維である。半径糸と円周糸と直交糸が三次元織物を形成する。
セラミックス複合材料からなるブリスクの製造方法は、強化用繊維である半径糸と円周糸と直交糸とによって三次元織物を作り、この三次元織物に気相含浸法（ＣＶＩ）又はポリマー含浸焼成法によってマトリックス原料を含浸させてできたセラミックス複合材をつくり、このセラミックス複合材に機械加工を施して、ディスクとタービン翼の一体化したものを作る。
【０００３】
ブリスクのように高速で回転する部材では、ブリスクの中心近傍では周方向の応力が大きく、ブリスク中心から円周方向へ離れた箇所では遠心力により半径方向の応力が大きくなる。このような応力に対応するために、ブリスク中心からの距離に応じて強化用繊維の配向比率を異ならせて、高応力発生部分を強化する案がある。
例えば、特開平９−１２５９０２号では、「強化用繊維を三次元配向とし、かつ、ディスク中心からの距離に応じて前記強化用繊維の配向比率を異ならせたことを特徴とするセラミック複合材料からなるブリスク」が開示されている。その好適な実施例として、「ディスク中心からの距離が増すにつれて、半径方向への強化用繊維の配向比率が増加するとともに、周方向への強化用繊維の配向比率が減少する」ことが開示されている。
【０００４】
ブリスクはディスク部とタービン翼部とで一体に構成されている。ディスク部とタービン翼部の結合部位には、回転トルクに由来する周方向応力とタービン翼部の遠心力と曲げ力に由来する半径方向応力とが複雑に作用している。
また、タービンの定格運転時には、タービン翼部は高温にさらされ、材質の強度は低下しているので、ディスク部とタービン翼部の結合部位のさらなる強化が要請されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のセラミックス複合材料からなるブリスクの場合、ブリスクのディスク部の強化には効果があったが、タービン翼部との結合部位の強化には不十分であった。特に、高温雰囲気下で回転をしているタービン翼の根元には遠心力による大きな力が作用している。
ブリスク用のセラミックス複合材料円盤を製作するにあたり、円筒座標系方向に強化用繊維を配向するが、半径糸は放射状に広がってしまうので、強化用繊維の配向比率をディスク中心からの距離に応じて緩やかに増加させたのでは、外周部での繊維体積率が上がらないという問題があった。
【０００６】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来のセラミックス複合材料からなるブリスクにかわって、ブリスクの各箇所に作用する応力の向きと大きさに合わせて、各箇所が十分な強度をもったセラミックス複合材料からなるブリスクを提供しようとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、参考例に係るセラミックスと強化用繊維とでできたディスク部とタービン翼部とで構成されるブリスクは、ディスク部とタービン部との結合部位での強化用繊維の単位体積当たりに占める割合がブリスク全体での強化用繊維の単位体積当たりに占める割合の平均値よりも大きいものとした。
【０００８】
上記構成により、ディスク部とタービン部との結合部位での強化用繊維の単位体積当たりに占める割合が大きいので、結合部位での強度がまし、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。
【０００９】
さらに、参考例に係るブリスクは、強化用繊維が半径方向へ配向された半径糸と円周方向へ配向された円周糸とを有し、ディスク部とタービン部との結合部位での前記半径糸と前記円周糸との単位体積当たりに占める割合がブリスク全体での前記半径糸と前記円周糸との単位体積当たりに占める割合の平均値よりも大きいものとした。上記構成により、強化用繊維の半径糸が半径方向へ配向され、強化用繊維の円周糸が円周方向に配向され、ディスク部とタービン部との結合部位での半径糸と円周糸の単位体積当たりに占める割合が大きいので、特に結合部位の半径方向と円周方向の強度がまし、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。
【００１０】
さらに、参考例に係るブリスクは、前記結合部位での前記半径糸の単位体積当たりに占める割合がブリスク全体での前記半径糸の単位体積当たりに占める割合の平均値よりも大きく、前記結合部位での前記円周糸の単位体積当たりに占める割合がブリスク全体での前記円周糸の単位体積当たりに占める割合の平均値よりも小さい、ものとした。上記構成により、全体として、強化用繊維の単位体積当たりに占める割合が大きく、さらに、結合部位において、半径糸の単位体積当たりに占める割合が大きく、円周糸の単位体積当たりに占める割合が小さいので、結合部位の半径方向の強度がより増し、高温回転時に発生する遠心力による半径方向の応力により耐える翼根元強度を実現できる。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明に係るセラミックスと強化用繊維とでできたディスク部とタービン翼部とで構成されるブリスクは、強化用繊維が半径方向へ配向された半径糸と円周方向へ配向された円周糸とを有し、前記半径糸がディスク部とタービン部との結合部位に集中的に配向された結合部位半径糸を有し、繊維長さが異なる複数種類の前記結合部位半径糸が配向されており、ブリスクの厚さ方向の中心部での前記結合部位半径糸の繊維長さと表面部での前記結合部位半径糸の繊維長さとが異なる。
【００１２】
上記本発明の構成により、強化用繊維の半径糸が半径方向へ配向され、強化用繊維の円周糸が円周方向に配向され、繊維長さが異なる複数種類の前記結合部位半径糸が結合部位に集中的に配向されるので、半径糸の単位体積当たりの密度が半径方向に緩やかに変化し、結合部位での強度の半径方向の変化がスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。
【００１３】
さらに、上記本発明の構成により、強化用繊維の半径糸が半径方向へ配向され、強化用繊維の円周糸が円周方向に配向され、結合部位に集中的に配向された半径糸である結合部位半径糸の繊維長さがブリスクの厚さ方向の中心部と表面部とで異なるので、半径糸の単位体積当たりの密度が半径方向に緩やかに変化し、結合部位での強度の半径方向の変化がよりスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。
【００１４】
さらに、本発明に係るブリスクは、ブリスクの厚さ方向の中心部での前記結合部位半径糸の繊維長さが表面部での前記結合部位半径糸の繊維長さより長いものとした。
上記本発明の構成により、強化用繊維の半径糸が半径方向へ配向され、強化用繊維の円周糸が円周方向に配向され、ブリスクの厚さ方向の中心部での結合部位半径糸の繊維長さが表面部での結合部位半径糸の繊維長さより長いので、半径糸の単位体積当たりの密度が半径方向に緩やかに変化し、結合部位での強度の半径方向の変化がよりスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態の正面図である。図２は、本発明の実施形態の断面の概念図である。図３は、本発明の実施形態の体積密度グラフである。
【００１７】
セラミックス複合材料からなるブリスク（以下、単に「ブリスク」という。）は、タービン部２とディスク部３とで構成される。ディスク部３は、中心部に穴（以下、中心穴という。）のあいた略円盤形状である。タービン部２は、翼形状断面を有する柱であり、ディスク部３の外周面に均等に配置される。ここで、説明の便宜上、タービン翼部２とディスク部３との結合している部分周辺を結合部位５と、ディスク部の残りの部分を中心部位４と、タービン翼２の残りの部分を周辺部位６と呼ぶ。
【００１８】
ブリスク１は、セラミックスと強化用繊維とでできている。強化用繊維は、半径糸１０と円周糸２０と直交糸３０とを有する。半径糸１０は、ブリスクの半径方向に配向された強化用繊維である。円周糸２０は、ブリスクの円周方向に配向された強化用繊維である。直交糸３０は、ブリスク厚さ方向に配向された強化用繊維である。強化用繊維は、例えば、無機長繊維や炭素繊維等である。ブリスクでは、半径糸１０と円周位置２０と直交糸３０とが夫々複数本を束とし、その束が半径方向と円周方向と厚み方向に三次元的に編み込まれ、その隙間をマトリックスが充満している。マトリックスは、例えば、ＳｉＣやその他のセラミックスである。
【００１９】
半径糸１０は、全長半径糸１１と結合部位半径糸１３，１４とタービン翼半径糸１２とを有する。
全長半径糸１１は、ブリスク１の中心穴位の位置から外周端まで半径方向に伸びた強化用繊維である。全長半径糸１１は、中心部位４と結合部位５と周辺部位６とを貫通して配向されるので、ブリスクの平面方向から見ると扇状に広がる。全長半径糸１１のみの体積密度は、中心部位４から結合部位５へ、結合部位５から周辺部位６へと広がるにつれて、減少する。
【００２０】
結合部位半径糸１３、１４は、結合部位５に集中的に配向されたた強化用繊維である。結合部位半径糸１３の繊維長さは、全長半径糸１１の繊維長さよりも短い。結合部位半径糸１２の束は、全長半径糸１１の束と束との間に配向される。結合部位半径糸１３、１４の繊維長さは、厚さ方向の中心部で最も長く、表面部に移るにつれて短くなる。結合部位半径糸の繊維長さがブリスクの厚さ方向の中心部と表面部とで異なるので、結合部半径糸１３と後述する円周糸２０とが密に織り込まれる。
【００２１】
タービン翼半径糸１２は、周辺部位に集中的に配向された強化用繊維である。タービン翼半径糸１２の繊維長さは、タービン翼の高さにほぼ等しい。タービン翼半径糸１２の束は、全長半径糸１１の束と束と間に配向される。
【００２２】
半径糸の体積密度を説明する。図３（Ａ）は、半径糸の体積密度の半径方向の変化の様子を示している。
中心部位４での半径糸体積密度が最も小さく、結合部位５での半径糸体積が最も大きく、周辺部位６での半径糸体積密度がその中間の値となる。
結合部位５での半径糸体積密度は、全体の半径糸体積密度の平均よりも大きい。
【００２３】
円周糸２０は、ブリスク１の円周方向に配向した強化用繊維である。円周糸は、厚さ方向に並んだ半径糸１０の間に等ピッチで配向される。中心部位４では、円周糸２０の束が、全長半径糸１１の束が並ぶ隙間に配向される。結合部位５では、円周糸２０の束が、全長半径糸１１の束と強化部位半径糸１３，１４の束の並ぶ隙間に配向される。周辺部位６では、円周糸２０の束が、全長半径糸１１の束とタービン翼半径糸１２の束の隙間に配向される。
【００２４】
円周糸２０の体積密度を説明する。図３（Ｂ）は、円周糸２０の体積密度の半径方向の変化の様子を示している。
中心部位４での円周糸体積密度が最も大きく、結合部位５での円周糸体積が最も小さく、周辺部位６での円周糸体積密度がその中間の値となる。結合部位５での円周糸体積密度は、全体の半径糸体積密度の平均よりも小さい。
半径糸と円周糸の合計の体積密度は、ブリスク全体の半径糸と円周糸の合計の体積密度の平均よりも大きい。
【００２５】
直交糸３０は、ブリスク１の厚さ方向に配向された強化用繊維である。直交糸３０の束は、半径糸１０の束と円周糸２０の束の交差する隙間に配向される。
直交糸３０の体積密度は、ブリスク１を正面からみてほぼ均一である。
半径糸と円周糸と直交糸の合計の体積密度は、ブリスク全体の半径糸と円周糸と直交糸との合計の体積密度の平均よりも大きい。
【００２６】
次に、実施形態のブリスクの作用を、説明する。遠心力と空力的に発生したトルクが、タービンに組み込まれたブリスクに作用する。
周辺部位６には、主に遠心力によりタービン翼を引き抜こうとする引張力が作用する。引っ張り力により、半径糸に引っ張り応力が生じる。周辺部位に配向された全長半径糸１１とタービン翼半径糸１２とが、引っ張り力に対抗する。
結合部位５には、遠心力によりタービン翼を引き抜こうとする引張力とタービン翼部２の翼に生じた空力作用によりタービン翼部２を倒そうとする曲げモーメントと空力作用により生じたトルクの合力が作用する。その合力により、周辺部位の半径糸１０に大きな引っ張り力が作用する。周辺部位に配向された全長半径糸１１と結合部位半径糸１３，１４とが、半径方向の引っ張り力に対抗する。
中心部位には、主に翼の空力により発生したトルクが作用する。半径糸１０と円周糸２０がトルクにより発生した応力に対抗する。
【００２７】
上述の実施形態のブリスクを用いれば、結合部位での繊維密度が高いので結合部位の強度が高いブリスクとなる。
また、結合部位での半径糸の割合が円周糸の割合よりも多いので、結合部位での半径方向の引っ張り強度が向上し、結合部位でもクリープ強度が向上する。
また、結合部位に集中的に配向された半径糸の繊維長さが厚さの中心部と表面部とで異なるので、半径糸と円周糸とが密に編みこまれ、結合部位の強化用繊維の密度を向上させ、結合部位の強度を向上させられる。
また、結合部位に集中的に配向された半径糸の繊維長さが厚さの中心部と表面部とで異なるので、半径方向の半径糸の体積密度と円周糸の体積密度の半径方向の変化がスムースになり、結合部位の強度を向上させられる。
【００２８】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したようにセラミックスと強化用繊維とでできたディスク部とタービン翼部とで構成されるブリスクは、その構成により、以下の効果を有する。ディスク部とタービン部との結合部位での強化用繊維の単位体積当たりに占める割合が大きいので、結合部位での強度がまし、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。また、ディスク部とタービン部との結合部位での半径糸と円周糸の単位体積当たりに占める割合が大きいので、特に結合部位の半径方向と円周方向の強度がまし、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。また、全体として、強化用繊維の単位体積当たりに占める割合が大きく、さらに、結合部位において、半径糸の単位体積当たりに占める割合が大きく、円周糸の単位体積当たりに占める割合が小さいので、結合部位の半径方向の強度がより増し、高温回転時に発生する遠心力による半径方向の応力により耐える翼根元強度を実現できる。
【００３０】
また、以上説明したようにセラミックスと強化用繊維とでできたディスク部とタービン翼部とで構成されるブリスクは、その構成により、以下の効果を有する。強化用繊維の半径糸が半径方向へ配向され、強化用繊維の円周糸が円周方向に配向され、繊維長さが異なる複数種類の前記結合部位半径糸が結合部位に集中的に配向されるので、半径糸の単位体積当たりの密度が半径方向に緩やかに変化し、結合部位での強度の半径方向の変化がスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。また、本発明では、結合部位に集中的に配向された半径糸である結合部位半径糸の繊維長さがブリスクの厚さ方向の中心部と表面部とで異なるので、半径糸の単位体積当たりの密度が半径方向に緩やかに変化し、結合部位での強度の半径方向の変化がよりスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。また、本発明では、ブリスクの厚さ方向の中心部での結合部位半径糸の繊維長さが表面部での結合部位半径糸の繊維長さより長いので、結合部位での強度の半径方向の変化がよりスムースであり、さらに結合部位で半径糸と円周糸とを密に織り込むことができるので、高温回転時に発生する応力に耐える翼根元強度を実現できる。従って、ブリスクの各箇所に作用する応力の向きと大きさに合わせて、各箇所が十分な強度をもったブリスクを提供できる。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の正面図である。
【図２】本発明の実施形態の断面の概念図である。
【図３】本発明の実施形態の体積密度グラフである。
【符号の説明】
１    ブリスク
２    タービン翼部
３    ディスク部
４    中心部位
５    結合部位
６    円周部位
１０    半径糸
１１    全長半径糸
１２    タービン翼半径糸
１３    結合部位半径糸（短繊維）
１４    結合部位半径糸（長繊維）
２０    円周糸
３０    直交糸
【図１】
0004016648.tif 000002
【図２】
0004016648.tif 000003
【図３】
0004016648.tif 000004