CN104768735B - 圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法 - Google Patents

圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法。该圆筒状外壳具有由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成的外壳主体(9C)、和外壳主体(9C)上的朝外凸缘(10)，朝外凸缘(10)具有：被粘接的粘接层(11c)；被配置在粘接层(11c)上的基础层(12)；一个凸缘构成层(13)，具有从基础层(12)的一个斜面(12a)被层叠在粘接层(11c)上的底层(13a)及从一个斜面(12a)立起的壁层(12b)；另一个凸缘构成层(11)，具有从基础层(12)的另一个斜面(12b)被层叠在粘接层(11c)上的底层(13a)及从另一个斜面(12b)立起的壁层(11b)，基础层(12)是层叠粗纱层而形成的，凸缘构成层(11、13)是层叠包含非卷曲结构的2轴织物(15)在内的多个2轴织物层而形成的。能够确保将强化纤维和热固化树脂的复合材料作为素材的风扇外壳的朝外凸缘的高的结构强度。

Description

圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法
技术领域
本发明涉及例如作为覆盖航空器用喷气发动机的风扇叶片的风扇外壳使用的圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法。
背景技术
例如，上述覆盖航空器用喷气发动机的风扇叶片的风扇外壳谋求轻量及具有高强度，为满足这些要求，作为风扇外壳的素材尝试采用强化纤维和热固化树脂的复合材料。
在上述风扇外壳中，在覆盖风扇叶片的呈圆筒状的外壳主体的中间部分，例如，安装有齿轮箱等的结构体，或者根据设计，成为用于将喷气发动机连结于翼的结构体或用于将喷气发动机的推力传递到机体的结构体的一部分而得的朝外凸缘沿着周向以环状配置，但该朝外凸缘的素材也与外壳主体同样地开始采用碳纤维等的强化纤维和环氧树脂等的热固化树脂的复合材料。
作为采用了该复合材料的朝外凸缘，有例如专利文献1记载的发明。该朝外凸缘具有：沿着外壳主体的周向的环状的成为凸缘主体部分的凸缘主体层；从两侧支承凸缘主体层且固定在外壳主体的外周面上的附着支承层，凸缘主体层及附着支承层都是层叠包含由碳纤维等的强化纤维形成的织物在内的多个织物层而形成的。
将上述朝外凸缘形成在外壳主体的外周面上来制造风扇外壳(圆筒状外壳)时，首先，重叠多个织物层而成形层叠体，通过加热该层叠体，使预先含浸于织物层的热固化树脂固化而形成凸缘主体层。
然后，在由强化纤维和热固化树脂的复合材料形成的外壳主体的外周面上，沿周向配置凸缘主体层，在该凸缘主体层的两侧，层叠多个织物层作为附着支承层成形之后，加热附着支承层使其与凸缘主体层同样地固化，由此将凸缘主体层固定在外壳主体的外周面上。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2008-144757号公报
然而，在上述风扇外壳中，在外壳主体的外周面上形成朝外凸缘时，在将凸缘主体层沿周向配置在外壳主体的外周面上的状态下，在该凸缘主体层的两侧成形附着支承层，从而具有在凸缘主体层的基端部分和覆盖该部分的附着支承层之间可能产生间隙的问题，解决该问题就成为了以往的课题。
发明内容
本发明是着眼于上述以往的课题而研发的，其目的是提供圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法，例如，将强化纤维和热固化树脂的复合材料作为素材，具有环状的朝外凸缘的风扇外壳的情况下，能够确保该朝外凸缘的部分中的高结构强度。
为实现上述目的，本发明的圆筒状外壳，由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成，其特征在于，具有：呈圆筒状的外壳主体；朝外凸缘，沿周向以环状配置在所述外壳主体的外周面上，所述朝外凸缘具有：粘接层，被粘接在所述外壳主体的外周面上；截面三角形的基础层，在该粘接层上沿所述外壳主体的周向配置；一个凸缘构成层，一体地具有从该基础层的一个斜面层叠在该一个斜面这一侧的所述粘接层上的底层及从所述基础层的一个斜面沿离心方向立起的壁层；另一个凸缘构成层，一体地具有与所述粘接层连续且从所述基础层的另一个斜面层叠在该另一个斜面这一侧的所述粘接层上的底层及从所述基础层的另一个斜面向离心方向立起并与所述一个凸缘构成层的壁层重合的壁层，所述基础层是层叠包含集束强化纤维而成的粗纱在内的粗纱层而形成的，一体地具有所述底层及所述壁层的一个凸缘构成层、以及一体地具有所述粘接层、所述底层及所述壁层的另一个凸缘构成层都是层叠包含由相对于所述外壳主体的轴心方向的取向角为±15～75°的2轴的强化纤维带形成的非卷曲结构的2轴织物在内的多个2轴织物层而形成的。
优选的是，所述外壳主体的外周面及所述朝外凸缘中的两所述凸缘构成层的各壁层都是通过由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成的保护层被覆盖。
优选的是，作为覆盖航空器用喷气发动机的风扇叶片的风扇外壳使用。
另外，本发明的上述圆筒状外壳的制造方法，其特征在于，经由如下工序形成所述朝外凸缘：将片状的所述另一个凸缘构成层的粘接层部分层叠在模具上而形成所述粘接层的工序；在层叠于所述模具上的片状的所述另一个凸缘构成层中的所述粘接层上形成截面三角形的所述基础层的工序；从所述基础层的一个斜面将片状的所述一个凸缘构成层的底层部分层叠在位于所述另一个凸缘构成层中的该一个斜面侧的所述粘接层上而形成所述底层的工序；使所述一个凸缘构成层的壁层部分在所述基础层的一个斜面上立起而形成所述壁层的工序；将与所述另一个凸缘构成层的所述粘接层连续的部分在所述基础层的另一个斜面这一侧折回，将该折回的部分从所述粘接层重合于所述基础层的另一个斜面上而形成该另一个凸缘构成层的所述底层，并且在所述基础层的另一个斜面上立起并形成所述壁层而与所述一个凸缘构成层的壁层重合的工序；在所述另一个凸缘构成层这一侧设定受压模，在装袋后的状态下加热加压而使含浸于所述织物层的各强化纤维的热固化树脂固化的加热加压工序，在经过上述各工序形成了该所述朝外凸缘之后，将从所述模具脱模的所述朝外凸缘粘接在由使热固化树脂含浸于所述强化纤维而成的复合材料形成的圆筒状的所述外壳主体的外周面。
在本发明的圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法中，构成外壳主体及朝外凸缘的复合材料的强化纤维能够使用例如碳纤维、玻璃纤维、有机纤维(芳纶、PBO、聚酯、聚乙烯)、氧化铝纤维、碳化硅纤维，作为基质，热固化树脂能够使用例如聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、唑啉树脂、三聚氰胺树脂。
在本发明的圆筒状外壳中，构成朝外凸缘的一个凸缘构成层及另一个凸缘构成层都是层叠包含由碳纤维等的强化纤维束形成的呈非卷曲结构的2轴织物在内的多个2轴织物层而形成的，从而能够发挥非卷曲结构的特征即伸缩性，朝外凸缘的制造时的凸缘构成层的各折回不会产生褶皱或纤维的曲折。
另外，在本发明的圆筒状外壳中，朝外凸缘的制造时，一个凸缘构成层及另一个凸缘构成层的两凸缘构成层的各底层被层叠在层叠于粘接层上的基础层的两斜面上及粘接层上，并且两凸缘构成层的各壁层都在基础层的两斜面上立起，从而几乎没有在两凸缘构成层和基础层之间产生间隙的可能性，其结果，在朝外凸缘的部分中，能够确保高的结构强度。
发明的效果
在本发明的圆筒状外壳中，具有环状的朝外凸缘的风扇外壳的情况下，能够发挥能够确保该朝外凸缘的部分中的高的结构强度这样的非常优良的效果。
附图说明
图1是采用了本发明的一实施例的风扇外壳的航空器用喷气发动机的概要截面说明图。
图2A是图1的风扇外壳的朝外凸缘部分的放大截面说明图。
图2B是剖切图1的风扇外壳的朝外凸缘所采用的2轴织物的一部分地表示的部分平面说明图。
图3A是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第1工序说明图。
图3B是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第2工序说明图。
图3C是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第3工序说明图。
图3D是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第4工序说明图。
图3E是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第5工序说明图。
图4A是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第6工序说明图。
图4B是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第7工序说明图。
图4C是图1所示的风扇外壳的制造方法中的朝外凸缘的成形工序的第8工序说明图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明。
图1～图4C表示本发明的圆筒状外壳的一实施例，在该实施例中，以本发明的筒状外壳为航空器用喷气发动机的风扇外壳的情况为例进行说明。
如图1所示，航空器用喷气发动机1将从前方(图示左方)取入的空气通过具有多个风扇叶片的风扇2送入压缩机3，向被该压缩机3压缩的空气喷射燃料并在燃烧室4中燃烧，通过由此产生的高温气体的膨胀使高压涡轮5及低压涡轮6旋转。
覆盖风扇2的多个风扇叶片的风扇外壳9具有：呈圆筒状的外壳主体9C；在该外壳主体9C的外周面9a上沿周向以环状配置的朝外凸缘10。在外壳主体9C的前端部(图示左端部)，形成有能够与发动机罩7连结的环状的朝外凸缘9F，并且在后端部(图示右端部)，形成有能够与发动机舱8连结的环状的朝外凸缘9R，朝外凸缘10是在外壳主体9C的外周面9a上以分段化的状态被配置。
风扇外壳9的外壳主体9C及朝外凸缘10都由使环氧树脂等的热固化树脂含浸于碳纤维等的强化纤维而成的复合材料形成。
该情况下，如图2A所示，朝外凸缘10具有：粘接在外壳主体9C的外周面9a上的粘接层11c；在该粘接层11c上沿外壳主体9C的周向配置的截面三角形的基础层12。
另外，朝外凸缘10具有一个凸缘构成层13，其一体地具有从基础层12的一个斜面(图2A右方斜面)12a层叠在该一个斜面12a这一侧的粘接层11c上的底层13a及从基础层12的一个斜面12a向离心方向(图示上方向)立起的壁层13b。
而且，朝外凸缘10具有另一个凸缘构成层11，其一体地具有与粘接层11c连续且从基础层12的另一个斜面(图2A左方斜面)12b层叠到该另一个斜面12b这一侧的粘接层11c上的底层11a及从基础层12的另一个斜面12b向离心方向(图示上方向)立起并与一个凸缘构成层13的壁层13b重合的壁层11b。
在该实施例中，基础层12是层叠包含集束碳纤维等的强化纤维而成的粗纱(纤维束)在内的粗纱层而形成的。此外，基础层12的构成材料不限于粗纱，能够使用交叉(织物)或非卷曲面料等的材料。
另一方面，一体地具有底层13a及壁层13b的一个凸缘构成层13、和一体地具有粘接层11c、底层11a及壁层11b的另一个凸缘构成层11都是层叠多个2轴织物层而形成的，该2轴织物层如图2B所示地包含由碳纤维等的强化纤维带15a、15b形成的2轴织物15。
该2轴织物15呈由2轴的强化纤维带15a、15b形成的非卷曲结构，2轴的强化纤维带15a、15b相对于外壳主体9C的轴心CL方向的取向角被设定成±15～75°，在该实施例中，如图2B的放大圆内所示，取向角被设定成±45°。此外，图2B中的虚线所示的部位是缝合线。
这里，2轴的强化纤维带15a、15b相对于轴心CL方向的取向角的绝对值小于15°的情况下，难以确保强度及刚性，是不优选的，另一方面，2轴的强化纤维带15a、15b相对于轴心CL方向的取向角的绝对值大于75°的情况下，在制造过程中，会发生褶皱或纤维的曲折，也不优选。
另外，外壳主体9C的外周面9a和朝外凸缘10中的两凸缘构成层11、13的各壁层11b、13b都通过由使环氧树脂等的热固化树脂含浸于玻璃纤维等的强化纤维而成的复合材料形成的保护层14(省略了外周面9a上的保护层)被覆盖。该保护层14例如在朝外凸缘10的成形后的机械加工时，还发挥作为切削余量的作用，并发挥作为防电解腐蚀材料的作用。而且，还发挥作为处理完成品即朝外凸缘10时的保护层的作用。
因此，在上述风扇外壳9的制造时，制造朝外凸缘10时，如图3A所示，首先，作为第1工序，在以对齐状态配置在模具20上及该模具20的端部的隔板S上，层叠片状的另一个凸缘构成层(11)，而使粘接层11c形成在模具20上。
然后，如图3B所示，作为第2工序，使截面三角形的基础层12形成在形成于模具20上的粘接层11c上。
然后，如图3C所示，作为第3工序，从基础层12的一个斜面12a向位于该一个斜面12a这一侧的粘接层11c上层叠片状的一个凸缘构成层(13)的底层部分而形成底层13a，接着，如图3D所示，作为第4工序，使一个凸缘构成层13的壁层部分在基础层12的一个斜面12a上立起而形成壁层13b。
而且，对于与位于隔板S上的另一个凸缘构成层11的粘接层11c连续的部分，如图3E所示，作为第5工序，在基础层12的另一个斜面12b这一侧折回，使该折回的部分从粘接层11c重叠在基础层12的另一个斜面12b上并形成另一个凸缘构成层11的底层11a，并且在基础层12的另一个斜面12b上立起而形成壁层11b，并与一个凸缘构成层13的壁层13b重合。
然后，如图4A所示，作为第6工序，使隔板S从模具20分离，并且通过由使环氧树脂等的热固化树脂含浸于玻璃纤维等的强化纤维而成的复合材料形成的保护层14，分别覆盖两凸缘构成层11、13相互重合的壁层11b、13b。
然后，如图4B所示，作为第7工序，在另一个凸缘构成层11这一侧设定受压模20F，接着，如图4C所示，作为第8工序，用尼龙薄膜B覆盖两凸缘构成层11、13及基础层12的整体，进行尼龙薄膜B内部的抽真空的同时，通过高压灭菌器进行加热加压，由此，使含浸于各层11～13的强化纤维而成的热固化树脂固化而形成朝外凸缘10。
而且，对于由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成的圆筒状的外壳主体9C的外周面9a，通过粘接安装并固定从模具20脱模的朝外凸缘10。
如上所述，在该实施例的风扇外壳9中，构成朝外凸缘10的一个凸缘构成层13及另一个凸缘构成层11都是层叠包含由碳纤维等的强化纤维束15a、15b形成的呈非卷曲结构的2轴织物15在内的多个2轴织物层而形成的，从而能够发挥非卷曲结构的特征即伸缩性，朝外凸缘10成形时的凸缘构成层11、13的折回不会产生褶皱或纤维的曲折。
另外，在该实施例的风扇外壳9中，朝外凸缘10的制造时，一个凸缘构成层13的底层13a从层叠于粘接层11c上的基础层12的一个斜面12a层叠在位于该一个斜面12a这一侧的粘接层11c上，并且一个凸缘构成层13的壁层13b在基础层12的一个斜面12a上立起。
而且，另一个凸缘构成层11的底层11a也从基础层12的另一个斜面12b层叠在位于该另一个斜面12b这一侧的粘接层11c上，并且另一个凸缘构成层11的壁层11b在基础层12的另一个斜面12b上立起，从而几乎不存在在两凸缘构成层11、13和基础层12之间产生间隙的可能性，因此，能够确保朝外凸缘10的部分中的高的结构强度。
本发明的圆筒状外壳及圆筒状外壳的制造方法的结构不限于上述实施例。
附图标记的说明
1 航空器用喷气发动机
9 风扇外壳
9C 外壳主体
9a 外壳主体的外周面
10 朝外凸缘
11 其他的凸缘构成层
11a 其他的凸缘构成层的底层
11b 其他的凸缘构成层的壁层
11c 粘接层(其他的凸缘构成层)
12 基础层
12a 基础层的一个斜面
12b 基础层的另一个斜面
13 一个凸缘构成层
13a 一个凸缘构成层的底层
13b 一个凸缘构成层的壁层
14 保护层
15 2轴织物
15a、15b 2轴的强化纤维带
20 模具
20F 受压模
CL 轴心

Claims (4)

1.一种圆筒状外壳，由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成，其特征在于，具有：
呈圆筒状的外壳主体；以及
朝外凸缘，沿周向以环状配置在所述外壳主体的外周面上，
所述朝外凸缘具有：粘接层，被粘接在所述外壳主体的外周面上；截面三角形的基础层，在该粘接层上沿所述外壳主体的周向配置；一个凸缘构成层，一体地具有从该基础层的一个斜面层叠在该一个斜面这一侧的所述粘接层上的底层及从所述基础层的一个斜面沿离心方向立起的壁层；另一个凸缘构成层，一体地具有与所述粘接层连续且从所述基础层的另一个斜面层叠在该另一个斜面这一侧的所述粘接层上的底层及从所述基础层的另一个斜面向离心方向立起并与所述一个凸缘构成层的壁层重合的壁层，
所述基础层是层叠包含集束强化纤维而成的粗纱在内的粗纱层而形成的，
一体地具有所述底层及所述壁层的一个凸缘构成层、以及一体地具有所述粘接层、所述底层及所述壁层的另一个凸缘构成层都是层叠包含由相对于所述外壳主体的轴心方向的取向角为+15～+75°及-15～-75°的2轴的强化纤维带形成的非卷曲结构的2轴织物在内的多个2轴织物层而形成的。
2.如权利要求1所述的圆筒状外壳，其特征在于，所述外壳主体的外周面及所述朝外凸缘中的两所述凸缘构成层的各壁层都是通过由使热固化树脂含浸于强化纤维而成的复合材料形成的保护层被覆盖。
3.如权利要求1或2所述的圆筒状外壳，其特征在于，作为覆盖航空器用喷气发动机的风扇叶片的风扇外壳使用。
4.一种圆筒状外壳的制造方法，是权利要求1～3中任一项所述的圆筒状外壳的制造方法，其特征在于，经由如下工序形成所述朝外凸缘：
将片状的所述另一个凸缘构成层的粘接层部分层叠在模具上而形成所述粘接层的工序；
在层叠于所述模具上的片状的所述另一个凸缘构成层中的所述粘接层上形成截面三角形的所述基础层的工序；以及
从所述基础层的一个斜面将片状的所述一个凸缘构成层的底层部分层叠在位于所述另一个凸缘构成层中的该一个斜面侧的所述粘接层上而形成所述底层的工序；
使所述一个凸缘构成层的壁层部分在所述基础层的一个斜面上立起而形成所述壁层的工序；
将与所述另一个凸缘构成层的所述粘接层连续的部分在所述基础层的另一个斜面这一侧折回，将该折回的部分从所述粘接层重合于所述基础层的另一个斜面上而形成该另一个凸缘构成层的所述底层，并且在所述基础层的另一个斜面上立起并形成所述壁层而与所述一个凸缘构成层的壁层重合的工序；
在所述另一个凸缘构成层这一侧设定受压模，在装袋后的状态下加热加压而使含浸于所述2轴织物层的各强化纤维的热固化树脂固化的加热加压工序，
在经过上述各工序形成了该所述朝外凸缘之后，将从所述模具脱模的所述朝外凸缘粘接在由使热固化树脂含浸于所述强化纤维而成的复合材料形成的圆筒状的所述外壳主体的外周面。
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