JP5093165B2 - Structure manufacturing method and structure - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

本発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物及びその製造方法に関するものである。  The present invention relates to a structure including a hollow region connected to the outside through an opening and formed of a ceramic matrix composite material and a method for manufacturing the structure.

近年は、構造物の形成材料として、金属にかえて耐熱性の優れたセラミックス基複合材料が用いられる場合がある。
このようなセラミックス基複合材料は、セラミックからなる繊維によって形成された織物に、セラミックからなるマトリックスが付着形成された材料であり、金属よりも優れた耐熱性を有している。In recent years, ceramic-based composite materials having excellent heat resistance in place of metals may be used as materials for forming structures.
Such a ceramic matrix composite material is a material in which a matrix made of ceramic is attached to a fabric made of fibers made of ceramic, and has heat resistance superior to that of metal.

このようなセラミックス基複合材料によって内部に中空領域を備えるタービン翼や燃焼室等の構造物を製造する場合には、例えば、上記中空領域の形状に成型されたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻きつけて構造物の形状とされた織物を形成し、当該織物にマトリックスを付着形成する。  When manufacturing a structure such as a turbine blade or a combustion chamber having a hollow region inside using such a ceramic matrix composite material, for example, a fiber made of ceramic is wound around a mandrel formed in the shape of the hollow region. To form a fabric in the shape of a structure, and a matrix is deposited on the fabric.

米国特許第７０９３３５９号明細書US Pat. No. 7,093,359

ところで、構造物の中空領域の形状に成型されたマンドレル周りに繊維を巻き付ける方法としては、いわゆるブレイディング法やフィラメントワインディング法が知られている。
ブレイディング法は、マンドレルの延在方向に延びる中央糸とマンドレルに対して螺旋状に巻き付けられる複数の組糸とを編み込んでいく方法であり、複数の繊維が同時にマンドレルに対して巻き付けられる方法である。
一方、フィラメントワインディング法は、一本の繊維をマンドレル周りに巻き付ける方法である。By the way, as a method of winding a fiber around a mandrel formed in the shape of a hollow region of a structure, a so-called braiding method and a filament winding method are known.
The braiding method is a method in which a central yarn extending in the extending direction of the mandrel and a plurality of braids wound spirally around the mandrel are knitted, and a plurality of fibers are simultaneously wound around the mandrel. is there.
On the other hand, the filament winding method is a method of winding a single fiber around a mandrel.

しかしながら、実際の構造物は複雑な形状を有していることが一般的である。このため、構造物の中空領域の形状に成型されたマンドレルは複雑な形状であることが多い。
このような複雑な形状のマンドレルに対して繊維を巻き付けた場合には、マンドレルの形状に沿って繊維の一部が移動し、織物において繊維の偏りが発生する。
セラミックス基複合材料によって形成された構造物の強度は、繊維の密度や繊維の方向に依存する。このため、繊維の偏りが存在する場合には、構造物の強度が不均一となり、場所によって強度が変化する可能性がある。However, an actual structure generally has a complicated shape. For this reason, the mandrel molded into the shape of the hollow region of the structure often has a complicated shape.
When a fiber is wound around a mandrel having such a complicated shape, a part of the fiber moves along the shape of the mandrel, and the fiber is biased in the woven fabric.
The strength of the structure formed of the ceramic matrix composite material depends on the fiber density and fiber direction. For this reason, when there is a fiber bias, the strength of the structure becomes non-uniform, and the strength may change depending on the location.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基複合材料によって形成される構造物の強度を均一化させて構造物の品質を向上させることを目的とする。  The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve the quality of a structure by making the strength of the structure formed of a ceramic matrix composite material uniform.

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。  The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.

第１の発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物の製造方法であって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成する織物形成工程と、該織物形成工程において形成された上記織物を上記構造物の形状に変形させた状態で、上記織物にセラミックを含浸させてマトリックスを形成するマトリックス形成工程とを有するという構成を採用する。  1st invention is a manufacturing method of the structure provided with the hollow area | region connected outside via an opening part, and is formed with a ceramic matrix composite material, Comprising: The cross-sectional shape in a length direction is centering on a central axis Forming a woven fabric in which a cross-sectional shape in the lengthwise direction is formed into a hollow concentric shape centering on the central axis by winding a fiber made of ceramic around a concentric circular mandrel, and forming the woven fabric A configuration is adopted in which the woven fabric formed in the step is deformed into the shape of the structure, and the matrix is formed by impregnating the woven fabric with ceramic to form a matrix.

第２の発明は、上記第１の発明において、上記マンドレルの長さ方向における各領域での周長が上記構造物の上記中空領域の長さ方向における各領域での周長と一致されているという構成を採用する。  According to a second invention, in the first invention, the circumference in each region in the length direction of the mandrel is matched with the circumference in each region in the length direction of the hollow region of the structure. The configuration is adopted.

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記マンドレルが、上記繊維が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされているという構成を採用する。  According to a third invention, in the first or second invention, a configuration is adopted in which the mandrel is removable or disappearable in a state where the fiber is wound.

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記マトリックス形成工程において、上記構造物の中空領域の形状に成型された内型と上記構造物の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって上記織物を上記構造物の形状に変形させるという構成を採用する。  According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, in the matrix formation step, an inner mold molded into the shape of the hollow region of the structure and an outer shape molded into the outer shape of the structure A configuration is adopted in which the fabric is deformed into the shape of the structure by being sandwiched by a mold.

第５の発明は、上記第４の発明において、上記内型が、上記構造物の上記中空領域において取り外しまたは消失可能とされているという構成を採用する。  A fifth invention adopts a configuration in which, in the fourth invention, the inner mold is removable or disappearable in the hollow region of the structure.

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記織物が、ブレイディング法によって上記マンドレル周りに巻き付けられるという構成を採用する。  6th invention employ | adopts the structure that the said textile fabric is wound around the said mandrel by the braiding method in any one of said 1st-5th invention.

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、前記織物よりも小型の小織物を前記織物内部に配置させて前記マトリックス形成工程を行うという構成を採用する。  7th invention employ | adopts the structure which arrange | positions the small fabric smaller than the said fabric in the said fabric in any one of the said 1st-6th invention, and performs the said matrix formation process.

第８の発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物が上記構造物の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されているという構成を採用する。  An eighth invention is a structure having a hollow region connected to the outside through an opening and formed of a ceramic matrix composite material, wherein the cross-sectional shape in the length direction is a hollow centered on the central axis A configuration is adopted in which a woven fabric having a concentric shape is formed by impregnating a ceramic into a deformed fabric obtained by deforming the shape of the structure.

本発明によれば、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされた織物を構造物の形状に変形し、この変形した織物にセラミックが含浸されて構造物が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物は、単一断面において同一曲率となるため、中心軸周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物は、中心軸を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物を構造物の形状に変形させた場合であっても、織物における繊維の密度は、中心軸周りにおいて均一となる。
このため、本発明のように、上記織物を構造物の形状に変形し、この変形した織物にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された構造物となる。
したがって、本発明によれば、セラミックス基複合材料によって形成される構造物の強度を均一化させて構造物の品質を向上させることが可能となる。According to the present invention, a fabric whose cross-sectional shape in the length direction is a concentric circle centered on the central axis is deformed into a structure, and the deformed fabric is impregnated with ceramic to form a structure. .
A fabric in which the cross-sectional shape in the length direction has a hollow concentric shape centering on the central axis has the same curvature in a single cross-section, and therefore, the fibers can be arranged uniformly around the central axis. In other words, in a fabric in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centered on the central axis, the fiber bias is suppressed in the circumferential direction centered on the central axis. And even if it is a case where such a textile fabric is changed into the shape of a structure, the density of the fiber in a textile fabric becomes uniform around the central axis.
For this reason, like the present invention, the fabric is deformed into the shape of a structure, and the deformed fabric is impregnated with ceramic, thereby forming a structure in which fibers are uniformly arranged in the circumferential direction.
Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the quality of the structure by making the strength of the structure formed of the ceramic matrix composite material uniform.

本発明の第１実施形態における静翼の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the stationary blade in 1st Embodiment of this invention.本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレルの斜視図である。It is a perspective view of the mandrel used when forming the stationary blade in 1st Embodiment of this invention.本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレル周りに織物が形成せれた様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the textile fabric was formed around the mandrel used when forming the stationary blade in 1st Embodiment of this invention.本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられる織物を変形された様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the textile fabric used when forming the stationary blade in 1st Embodiment of this invention was deform | transformed.本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられる織物を内型と外型とで挟み込んだ様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the textile fabric used when forming the stationary blade in 1st Embodiment of this invention was pinched | interposed by the inner type | mold and the outer type | mold.本発明の第２実施形態における静翼の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the stationary blade in 2nd Embodiment of this invention.本発明の第２実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレルの斜視図である。It is a perspective view of the mandrel used when forming the stationary blade in 2nd Embodiment of this invention.本発明の第２実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレル周りに織物が形成された様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the textile fabric was formed around the mandrel used when forming the stationary blade in 2nd Embodiment of this invention.本発明の変形例を示す図であり、中空領域が２つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the modification of this invention, and is a figure which shows the process of manufacturing the stationary blade by which the hollow area was divided into two.本発明の変形例を示す図であり、中空領域が３つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the modification of this invention, and is a figure which shows the process of manufacturing the stationary blade in which the hollow area was divided into three.本発明の変形例を示す図であり、中空領域が上下方向に２つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the modification of this invention, and is a figure which shows the process of manufacturing the stationary blade by which the hollow area | region was divided into two in the up-down direction.

以下、図面を参照して、本発明に係る構造物の製造方法及び構造物の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、構造物がタービンの静翼である場合について説明する。  DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a structure manufacturing method and a structure according to the invention will be described with reference to the drawings. In the following description, a case where the structure is a turbine stationary blade will be described.

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービンの静翼１の概略構成を示す斜視図である。この図に示すように、静翼１は、両側の開口部を介して外部に接続される中空領域１ａを備えている。なお、実際に静翼１がタービンに組み込まれた際には静翼１の両側に配置されるバンド部によって開口部が閉ざされ、中空領域１ａに冷却ガスが供給されることによって静翼１の冷却が図られる。(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a stationary blade 1 of a turbine according to the present embodiment. As shown in this figure, the stationary blade 1 includes ahollow region 1a connected to the outside through openings on both sides. When the stationary blade 1 is actually incorporated into the turbine, the opening is closed by the band portions arranged on both sides of the stationary blade 1, and the cooling gas is supplied to thehollow region 1a, whereby the stationary blade 1 Cooling is achieved.

また、本実施形態の静翼１は、セラミックス基複合材料によって形成されている。
セラミックス基複合材料は、セラミック（例えば炭化珪素）からなる繊維によって形成された織物に、セラミック（例えば炭化珪素）からなるマトリックスが付着形成された材料であり、金属によりも優れた耐熱性を発揮する。Further, the stationary blade 1 of the present embodiment is formed of a ceramic matrix composite material.
A ceramic matrix composite material is a material in which a matrix made of ceramic (for example, silicon carbide) is adhered to a fabric formed by fibers made of ceramic (for example, silicon carbide), and exhibits excellent heat resistance even with metal. .

そして、本実施形態の静翼１は、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物が静翼１の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されている。なお、ここで言う長さ方向とは、中心軸Ｌ２が延在する方向である。
このような本実施形態の静翼１によれば、中空領域１ａを介して両側の開口部に抜ける軸Ｌ周りにおける繊維の密度が均一化されて強度が均一化されるため、品質が向上されたものとなる。In the stationary blade 1 according to the present embodiment, a ceramic is impregnated into a deformed fabric obtained by transforming a fabric having a cross-sectional shape in the length direction into a hollow concentric shape centered on the central axis L2 into the shape of the stationary blade 1. Is formed. In addition, the length direction said here is a direction where the central axis L2 extends.
According to the stator blade 1 of this embodiment, the density of fibers around the axis L that passes through the openings on both sides through thehollow region 1a is made uniform and the strength is made uniform, so that the quality is improved. It will be.

続いて、このような静翼１の製造方法について説明する。
まず最初に、図２に示すように、中心軸Ｌ２の延在方向である長さ方向における断面形状が、中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされたマンドレル１００を用意する。このようなマンドレル１００は、長さ方向におけるいずれの領域において中心軸Ｌ２と直交する面で切断した場合には、その断面形状が真円となる。
そして、本実施形態においてマンドレル１００は、長さ方向の全ての領域において、同一半径の円形状とされ、マンドレル１００の長さ方向における各領域での周長が中空領域１ａの長さ方向における各領域での周長と一致されている。Then, the manufacturing method of such a stationary blade 1 is demonstrated.
First, as shown in FIG. 2, amandrel 100 is prepared in which the cross-sectional shape in the length direction, which is the extending direction of the central axis L2, is a concentric shape centering on the central axis L2. When such amandrel 100 is cut by a plane orthogonal to the central axis L2 in any region in the length direction, the cross-sectional shape thereof becomes a perfect circle.
In this embodiment, themandrel 100 has a circular shape with the same radius in all the regions in the length direction, and the circumferential length in each region in the length direction of themandrel 100 is each in the length direction of thehollow region 1a. It is consistent with the perimeter in the area.

次に、図３に示すように、マンドレル１００周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２を形成する（織物形成工程）。
なお、本実施形態においては、繊維をブレイディング法によってマンドレル１００周りに巻き付ける。ブレイディング法により、マンドレル１００の延在方向に延びる中央糸とマンドレル１００に対して螺旋状に巻き付けられる複数の組糸とが編み込まれ、複数の繊維が同時にマンドレル１００に対して巻き付けられる。Next, as shown in FIG. 3, by wrapping a fiber made of ceramic around themandrel 100, awoven fabric 2 is formed in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centered on the central axis L2 ( Fabric formation process).
In the present embodiment, the fiber is wound around themandrel 100 by a braiding method. By the braiding method, a central yarn extending in the extending direction of themandrel 100 and a plurality of braids wound spirally around themandrel 100 are knitted, and a plurality of fibers are wound around themandrel 100 simultaneously.

次に、マンドレル１００を織物２から抜き出す。なお、本実施形態においてマンドレル１００は、長さ方向の全ての領域において同一半径の円形状とされているため、織物２を抑えて中心軸Ｌ方向に移動させることによって容易に織物２から抜き出すことができる。  Next, themandrel 100 is extracted from thefabric 2. In addition, in this embodiment, since themandrel 100 has a circular shape with the same radius in all the regions in the length direction, themandrel 100 can be easily extracted from thefabric 2 by restraining thefabric 2 and moving it in the central axis L direction. Can do.

なお、セラミックス基複合材料では、周知のように繊維の表面に界面層を形成する。そして、当該界面層として炭素界面層を形成する場合には、マンドレル１００を抜き出した織物２をメタンガスが供給される真空炉内において熱処理して熱分解することによって界面層を形成する。
ただし、界面層として窒化ホウ素界面層を形成する場合には、マンドレル１００周りに繊維を巻き付ける前に界面層の形成を行う。具体的には、ＢＣｌ_３＋ＮＨ_３ガスが供給される炉内に繊維を通して熱分解することによって界面層の形成を行う。In the ceramic matrix composite material, an interface layer is formed on the surface of the fiber as is well known. And when forming a carbon interface layer as the said interface layer, the interface layer is formed by heat-treating thetextile fabric 2 which extracted themandrel 100 in the vacuum furnace supplied with methane gas, and thermally decomposing.
However, when a boron nitride interface layer is formed as the interface layer, the interface layer is formed before the fibers are wound around themandrel 100. Specifically, the interface layer is formed by thermal decomposition through fibers in a furnace to which BCl₃ + NH₃ gas is supplied.

次に、図４に示すように、マンドレル１００を抜き出した織物２の内部に、静翼１の中空領域１ａの形状に成型された内型２００を挿入し、さらに織物２を内型２００に押さえつけることによって織物２を静翼１の形状に変形させる。
次に、図５に示すように、織物２を上記内型２００と静翼１の外形形状に成型された外型３００とによって挟み込むことによって織物２を静翼１の形状に変化させた状態を保つ。なお、外型３００には、後の含浸処理において原料が容易に織物２に到達可能とするために、織物２に到達する複数の貫通孔を備えている。Next, as shown in FIG. 4, theinner mold 200 molded in the shape of thehollow region 1 a of the stationary blade 1 is inserted into thefabric 2 from which themandrel 100 is extracted, and thefabric 2 is pressed against theinner mold 200. As a result, thefabric 2 is deformed into the shape of the stationary blade 1.
Next, as shown in FIG. 5, thefabric 2 is changed to the shape of the stationary blade 1 by sandwiching thefabric 2 between theinner mold 200 and theouter mold 300 molded into the outer shape of the stationary blade 1. keep. Theouter mold 300 includes a plurality of through holes that reach thefabric 2 so that the raw material can easily reach thefabric 2 in the subsequent impregnation process.

そして、このように織物２が静翼１の形状に変化された状態で、織物２にセラミックを含浸させてマトリックスを形成する（マトリックス形成工程）。
織物２にセラミックを含浸させる方法としては、例えば気相含浸法、液相含浸法及び固相含浸法が知られている。そして、本実施形態においては、これらの方法を単独であるいは組み合わせた含浸処理を行い、さらにこれらの含浸処理を繰り返し行うことによって緻密なマトリックスの形成を行う。Then, in a state where thefabric 2 is changed to the shape of the stationary blade 1 in this manner, thefabric 2 is impregnated with ceramic to form a matrix (matrix forming step).
As methods for impregnating thefabric 2 with ceramic, for example, a vapor phase impregnation method, a liquid phase impregnation method, and a solid phase impregnation method are known. In the present embodiment, an impregnation treatment combining these methods alone or in combination is performed, and a dense matrix is formed by repeating these impregnation treatments.

なお、含浸工程においては織物２と内型２００との隙間及び織物２と外型３００との隙間にもセラミックが含浸されるため、織物２に対するセラミックの含浸が進むと、内型２００及び外型３００から織物２を取り外すことが困難となる。一方で、織物２は、含浸工程の初期段階（少量のセラミックが織物２に含浸された段階）でその形状が固定される。
このため、含浸工程の初期段階にて内型２００及び外型３００から織物２を取り外し、その後は織物２のみを対象として含浸工程を行うことが好ましい。In the impregnation process, the gap between thefabric 2 and theinner mold 200 and the gap between thefabric 2 and theouter mold 300 are also impregnated with ceramic. Therefore, when the impregnation of the ceramic into thefabric 2 proceeds, theinner mold 200 and the outer mold It becomes difficult to remove thefabric 2 from 300. On the other hand, the shape of thefabric 2 is fixed at an initial stage of the impregnation process (a stage in which a small amount of ceramic is impregnated in the fabric 2).
For this reason, it is preferable to remove thefabric 2 from theinner mold 200 and theouter mold 300 in the initial stage of the impregnation process, and then perform the impregnation process only for thefabric 2.

以上のような工程によって、図１に示す静翼１が製造される。
このような本実施形態の静翼１の製造方法によれば、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされた織物２を静翼１の形状に変形し、この変形した織物２（変形織物）にセラミックが含浸されて静翼１が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、単一断面において同一曲率となるため、マンドレル１００周りに繊維を巻き付ける際に中心軸Ｌ２周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、中心軸Ｌ２を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物２を静翼１の形状に変形させた場合であっても、織物２における繊維の密度は、中心軸Ｌ２周りにおいて均一となる。
このため、本実施形態の静翼１の製造方法のように、上記織物２を静翼１の形状に変形し、この変形した織物２にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された静翼１となる。
したがって、本実施形態の静翼１によれば、セラミックス基複合材料によって形成される静翼１の強度を均一化させて静翼１の品質を向上させることが可能となる。The stator blade 1 shown in FIG. 1 is manufactured by the process as described above.
According to the manufacturing method of the stationary blade 1 of this embodiment, thefabric 2 having a cross-sectional shape in the length direction that is concentric with the central axis L2 as the center is deformed into the shape of the stationary blade 1, and this deformation is performed. The woven fabric 2 (deformed fabric) is impregnated with ceramic to form the stationary blade 1.
Since thewoven fabric 2 in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centered on the central axis L2 has the same curvature in a single cross section, it is uniform around the central axis L2 when the fibers are wound around themandrel 100 It becomes possible to arrange | position a fiber. That is, in thefabric 2 in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric shape centering on the central axis L2, the fiber bias is suppressed in the circumferential direction centering on the central axis L2. Even when thefabric 2 is deformed into the shape of the stationary blade 1, the fiber density in thefabric 2 is uniform around the central axis L2.
For this reason, like the manufacturing method of the stationary blade 1 of the present embodiment, thefabric 2 is deformed into the shape of the stationary blade 1, and thedeformed fabric 2 is impregnated with ceramic, so that the fibers are uniform in the circumferential direction. It becomes the stationary blade 1 arrange | positioned at.
Therefore, according to the stationary blade 1 of the present embodiment, it is possible to improve the quality of the stationary blade 1 by making the strength of the stationary blade 1 formed of the ceramic matrix composite material uniform.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the description of the second embodiment, the description of the same parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.

図６は、本実施形態の静翼３の概略構成を示す斜視図である。この図に示すように、本実施形態の静翼３は、軸Ｌ１方向において、中央部Ａの断面形状が手前側（ハブ側）の断面形状よりも大きく、奥側Ｂ（チップ側）の断面形状が手前側（ハブ側）の断面形状よりも小さい形状を有している。
本実施形成の静翼３もセラミックス基複合材料によって形成されており、内部に中空領域３ａを有している。FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of thestationary blade 3 of the present embodiment. As shown in this figure, thestationary blade 3 of the present embodiment has a cross-sectional shape of the central portion A larger than that of the front side (hub side) in the direction of the axis L1, and a cross-section of the back side B (tip side). The shape is smaller than the cross-sectional shape on the near side (hub side).
Thestationary blade 3 formed in this embodiment is also formed of a ceramic matrix composite material, and has ahollow region 3a inside.

そして、本実施形態の静翼３も、上記第１実施形態の静翼１と同様に、軸Ｌ周りにおける繊維の密度が均一化されて強度が均一化されており、品質が向上されたものとなっている。  And thestationary blade 3 of this embodiment is also the thing which the density of the fiber around the axis | shaft L was equalized and the intensity | strength was equalized, and the quality was improved similarly to the stationary blade 1 of the said 1st Embodiment. It has become.

このような構成を有する本実施形態の静翼３を製造する場合には、図７に示すように、中心軸Ｌ２方向において中央部Ａ１の断面形状が手前側の断面形状よりも大きい真円で、奥側Ｂ１の断面形状が手前側の断面形状よりも小さい真円とされたマンドレル６００を用意する。
なお、マンドレル６００の中央部Ａ１における周長は、静翼３の中央部Ａにおける中空領域３ａの周長と一致されている。また、マンドレル６００の奥側Ｂ１における周長は、静翼３の奥側Ｂにおける中空領域３ａの周長と一致されている。When manufacturing thestationary blade 3 of the present embodiment having such a configuration, as shown in FIG. 7, the cross-sectional shape of the central portion A1 in the direction of the central axis L2 is a perfect circle larger than the cross-sectional shape on the near side. Amandrel 600 having a perfect circle whose cross-sectional shape on the back side B1 is smaller than the cross-sectional shape on the near side is prepared.
Note that the circumferential length of themandrel 600 at the central portion A <b> 1 matches the circumferential length of thehollow region 3 a at the central portion A of thestationary blade 3. Further, the circumference of themandrel 600 on the back side B <b> 1 matches the circumference of thehollow region 3 a on the back side B of thestationary blade 3.

次に、図８に示すように、マンドレル６００周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、織物４を形成する。この織物４は、中心軸Ｌ２方向において断面形状が変化するものの、上記第１実施形態の織物２と同様に、中心軸Ｌ２方向の全ての領域において断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされる。  Next, as shown in FIG. 8, thefabric 4 is formed by winding fibers made of ceramic around themandrel 600. Although the cross-sectional shape of the wovenfabric 4 changes in the direction of the central axis L2, the cross-sectional shape of all the regions in the central axis L2 direction is hollow with the central axis L2 as the center in the same manner as thewoven fabric 2 of the first embodiment. Concentric circular shape.

次に、マンドレル６００を織物４から抜き出す。なお、マンドレル６００の中央部Ａ１は、手前側及び奥側よりも大きいため、そのままマンドレル６００を織物４から抜き出すことはできない。
そこで、例えば、マンドレル６００を芯部とその周囲に配置される周辺部とによって構成し、芯部を抜き出すことによって分解できる構成とすることが好ましい。これによって、容易にマンドレル６００を抜き出すことが可能となる。すなわち、マンドレル６００は、織物４が巻き付けられた状態で分解可能に構成されていることが好ましい。
なお、この他に、マンドレル６００を薬剤等によって溶解させて除去するようにすることもできる。また、マンドレル６００を焼失させることによって除去するようにすることもできる。
このようにいずれかの方法を用いてマンドレル６００は、織物４が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされる。Next, themandrel 600 is extracted from thefabric 4. In addition, since center part A1 of themandrel 600 is larger than the near side and the back side, themandrel 600 cannot be extracted from thefabric 4 as it is.
Therefore, for example, it is preferable that themandrel 600 is constituted by a core part and a peripheral part arranged around the core part, and can be disassembled by extracting the core part. As a result, themandrel 600 can be easily extracted. That is, it is preferable that themandrel 600 is configured to be disassembled in a state where thefabric 4 is wound.
In addition, themandrel 600 may be dissolved and removed by a medicine or the like. Alternatively, themandrel 600 can be removed by burning out.
As described above, themandrel 600 can be removed or disappeared in a state in which thefabric 4 is wound using any method.

次に、マンドレル６００を抜き出した織物４の内部に、静翼３の中空領域３ａの形状に成型された内型を挿入し、さらに織物４を内型に押さえつけることによって織物４を静翼３の形状に変形させる。
ここで、静翼３の中空領域３ａは、静翼３の長さ方向において断面形状の大きさが変化するため、内型も同様に長さ方向において断面形状の大きさが変化する。このため、そのまま織物４の内部に内型を挿入することができない。このため、内型は、分解可能に構成されており、分解された状態で織物４の内部に入れると共に織物４の内部において組立て可能とされている。
なお、内型を焼失可能あるいは薬剤等によって溶解可能に構成し、内型を焼失あるいは溶解することによって中空領域３ａから除去することもできる。
このようにいずれかの方法を用いて内型は、静翼３の中空領域３ａにおいて消失可能とされる。Next, an inner mold molded in the shape of thehollow region 3a of thestationary blade 3 is inserted into thefabric 4 from which themandrel 600 has been extracted, and thefabric 4 is pressed against the inner mold, thereby causing thefabric 4 to move to thestationary blade 3. Transform to shape.
Here, since the size of the cross-sectional shape of thehollow region 3 a of thestationary blade 3 changes in the length direction of thestationary blade 3, the size of the cross-sectional shape of the inner mold similarly changes in the length direction. For this reason, the inner mold cannot be inserted into thefabric 4 as it is. For this reason, the inner mold is configured to be disassembled, and can be assembled in thefabric 4 while being put into thefabric 4 in a disassembled state.
It is also possible to remove the inner mold from thehollow region 3a by disposing it so that it can be burned out or dissolving it with chemicals, etc., and burning out or dissolving the internal mold.
As described above, the inner mold can be lost in thehollow region 3 a of thestationary blade 3 using any of the methods.

次に、織物４を上記内型と静翼３の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって織物４を静翼３の形状に変化させた状態を保ちながら、上記第１実施形態と同様に織物４にセラミックを含浸させてマトリックスを形成する。  Next, while maintaining the state in which thefabric 4 is changed to the shape of thestationary blade 3 by sandwiching thefabric 4 between the inner mold and the outer mold molded into the outer shape of thestationary blade 3, the first embodiment and Similarly, thefabric 4 is impregnated with ceramic to form a matrix.

以上のような本実施形態の静翼３の製造方法においても、上記第１実施形態と同様に、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされた織物４を静翼３の形状に変形し、この変形した織物４（変形織物）にセラミックが含浸されて静翼３が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、単一断面において同一曲率となるため、マンドレル６００周りに繊維を巻き付ける際に中心軸Ｌ２周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物４は、中心軸Ｌ２を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物４を静翼１の形状に変形させた場合であっても、織物４における繊維の密度は、中心軸Ｌ２周りにおいて均一となる。
このため、本実施形態の静翼３の製造方法のように、上記織物４を静翼３の形状に変形し、この変形した織物４にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された静翼３となる。
したがって、本実施形態の静翼３によれば、セラミックス基複合材料によって形成される静翼３の強度を均一化させて静翼３の品質を向上させることが可能となる。Also in the manufacturing method of thestationary blade 3 of the present embodiment as described above, as in the first embodiment, thefabric 4 having a cross-sectional shape in the length direction that is a concentric circle centered on the central axis L2 is used. 3, and the deformed fabric 4 (deformed fabric) is impregnated with ceramic to form thestationary blade 3.
Since thewoven fabric 2 in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centered on the central axis L2 has the same curvature in a single cross section, it is uniform around the central axis L2 when the fibers are wound around themandrel 600 It becomes possible to arrange | position a fiber. That is, in thefabric 4 in which the cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric shape centered on the central axis L2, the fiber bias is suppressed in the circumferential direction centered on the central axis L2. Even when thefabric 4 is deformed into the shape of the stationary blade 1, the fiber density in thefabric 4 is uniform around the central axis L2.
Therefore, as in the method of manufacturing thestationary blade 3 of the present embodiment, thefabric 4 is deformed into the shape of thestationary blade 3, and thedeformed fabric 4 is impregnated with ceramic, so that the fibers are uniform in the circumferential direction. It becomes thestationary blade 3 arrange | positioned to.
Therefore, according to thestationary blade 3 of the present embodiment, it is possible to make the strength of thestationary blade 3 formed of the ceramic matrix composite material uniform and improve the quality of thestationary blade 3.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。  As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態においては、本発明の構造物がタービンの静翼である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明における構造物は、中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であれば良い。例えば、本発明構造物としては、タービンの静翼の他、タービンの動翼や燃焼器等を挙げることができる。For example, in the above embodiment, the configuration in which the structure of the present invention is a stationary blade of a turbine has been described.
However, this invention is not limited to this, The structure in this invention should just be a structure provided with a hollow area | region and formed with a ceramic matrix composite material. For example, examples of the structure of the present invention include a turbine blade and a combustor in addition to a turbine stationary blade.

また、上記実施形態においては、ブレイディング法によってマンドレル周りに繊維を巻き付ける構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフィラメントワインディング法によってマンドレル周りに繊維を巻き付けても良い。このフィラメントワインディング法は、一本の繊維をマンドレル周りに巻き付ける方法である。このようなフィラメントワインディング法を用いてマンドレル回りに繊維を巻き付ける場合であっても、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされたマンドレル周りに繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成することができる。軸周りに繊維が均一な密度で配置された静翼を製造することができる。Moreover, in the said embodiment, the structure which winds a fiber around a mandrel by the braiding method was demonstrated.
However, the present invention is not limited to this, and fibers may be wound around the mandrel by, for example, a filament winding method. This filament winding method is a method of winding a single fiber around a mandrel. Even when the fiber is wound around the mandrel using such a filament winding method, by winding the fiber around the mandrel whose cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centering on the central axis, It is possible to form a woven fabric whose cross-sectional shape in the length direction is a hollow concentric circle centered on the central axis. It is possible to manufacture a stationary blade in which fibers are arranged at a uniform density around an axis.

また、上記実施形態においては、単一の織物を変形させて静翼を製造する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図９に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ａ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ａを織物２の内部に配置して変形することによって、中空領域１ａが２つに区画された静翼を製造することもできる。
また、図１０に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ｂ，２ｃ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ｂ，２ｃを織物２の内部に配置して変形することによって、中空領域１ａが３つに区画された静翼を製造することもできる。
また、図１１に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ｄ，２ｅ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ｄ，２ｅを織物２の内部に上下方向に配置して変形することによって、中空領域１ａが上下に２つに区画された静翼を製造することもできる。Moreover, in the said embodiment, the structure which deform | transforms a single fabric and manufactures a stationary blade was demonstrated.
However, the present invention is not limited to this.
For example, as shown in FIG. 9, awoven fabric 2a (small woven fabric) smaller than the wovenfabric 2 shown in the first embodiment is formed in the same manner as thewoven fabric 2, and thewoven fabric 2a is formed inside thewoven fabric 2. By arranging and deforming, a stationary blade in which thehollow region 1a is divided into two can be manufactured.
Further, as shown in FIG. 10, wovenfabrics 2b and 2c (small woven fabrics) smaller than the wovenfabric 2 shown in the first embodiment are formed by the same method as thewoven fabric 2, and thewoven fabrics 2b and 2c are formed by the woven fabric. By arranging and deforming the inside of 2, a stationary blade in which thehollow region 1 a is divided into three can be manufactured.
Further, as shown in FIG. 11, wovenfabrics 2d and 2e (small woven fabrics) smaller than the wovenfabric 2 shown in the first embodiment are formed by the same method as thewoven fabric 2, and the wovenfabrics 2d and 2e are formed as a woven fabric. It is possible to manufacture a stationary blade in which thehollow region 1a is divided into two in the vertical direction by arranging and deforming in the vertical direction inside 2.

１，３……静翼（構造物）、１ａ，３ａ……中空領域、２，２ａ〜２ｅ，４……織物、１００，６００……マンドレル、２００……内型、３００……外型  1, 3 ...... Stator blade (structure), 1 a, 3 a ...... hollow region, 2, 2 a to 2 e, 4 ...... textile, 100, 600 …… mandrel, 200 …… inner mold, 300 …… outer mold

Claims (8)

Translated fromJapanese

開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物の製造方法であって、
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成する織物形成工程と、
該織物形成工程において形成された前記織物を前記構造物の形状に変形させた状態で、前記織物にセラミックを含浸させてマトリックスを形成するマトリックス形成工程と
を有することを特徴とする構造物の製造方法A manufacturing method of a structure including a hollow region connected to the outside through an opening and formed of a ceramic matrix composite material,
By wrapping ceramic fibers around a mandrel whose cross-sectional shape in the length direction is concentric with the central axis as the center, the cross-sectional shape in the length direction is made into a hollow concentric shape with the central axis as the center. A fabric forming process for forming a fabric;
And a matrix forming step of forming a matrix by impregnating the fabric with a ceramic in a state in which the fabric formed in the fabric forming step is deformed into the shape of the structure. Method 前記マンドレルの長さ方向における各領域での周長が前記構造物の前記中空領域の長さ方向における各領域での周長と一致されていることを特徴とする請求項１記載の構造物の製造方法。  2. The structure according to claim 1, wherein a circumferential length in each region in the length direction of the mandrel coincides with a circumferential length in each region in the length direction of the hollow region of the structure. Production method. 前記マンドレルは、前記繊維が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされていることを特徴とする請求項１または２記載の構造物の製造方法。  3. The method of manufacturing a structure according to claim 1, wherein the mandrel is removable or disappearable in a state where the fiber is wound. 前記マトリックス形成工程において、前記構造物の中空領域の形状に成型された内型と前記構造物の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって前記織物を前記構造物の形状に変形させることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の構造物の製造方法。  In the matrix forming step, the woven fabric is deformed into the shape of the structure by being sandwiched between an inner mold molded into the shape of the hollow region of the structure and an outer mold molded into the outer shape of the structure. The manufacturing method of the structure in any one of Claims 1-3 characterized by these. 前記内型は、前記構造物の前記中空領域において取り外しまたは消失可能とされていることを特徴とする請求項４記載の構造物の製造方法。  The method for manufacturing a structure according to claim 4, wherein the inner mold is removable or disappearable in the hollow region of the structure. 前記織物は、ブレイディング法によって前記マンドレル周りに巻き付けられることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の構造物の製造方法。  The method for producing a structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the fabric is wound around the mandrel by a braiding method. 前記織物よりも小型の小織物を前記織物内部に配置させて前記マトリックス形成工程を行うことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の構造物の製造方法。  The method for manufacturing a structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the matrix forming step is performed by arranging a small woven fabric smaller than the woven fabric inside the woven fabric. 開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であって、
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物が前記構造物の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されていることを特徴とする構造物。A structure having a hollow region connected to the outside through an opening and formed of a ceramic matrix composite material,
A structure in which a cross-sectional shape in a length direction is a hollow concentric circle centered on a central axis, and is formed by impregnating a ceramic into a deformed fabric obtained by deforming the shape of the structure. .

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