JP2007024032A

JP2007024032A - 翼付き立体継手及びその継手を用いた物品

Info

Publication number: JP2007024032A
Application number: JP2006138772A
Authority: JP
Inventors: David R Lyders; アール．ライダースデービッド; C Brian Klinetob; クリネットブシー．ブライアン; James T Roach; ティー．ローチジェームス
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-02-01
Also published as: EP1746252A3; US7438524B2; IL175806A0; EP1746252A2; US20070018048A1; EP1746252B1

Abstract

【課題】支柱を備え、複合材を採用したタービンエンジンのファンインレットケースの構造的加重に対する適応性を向上させる。
【解決手段】金属の内側予成型品２０，２２と外側予成型品２４，２６を備える立体継手。外側予成型品は、ひだ４２から長手方向及び横方向に延びる脚部３８，４０を有する。内側予成型品は、桁４４を画定するよう、ひだを通って長手方向において突出する。翼５０，５２などの翼が桁から延びる。桁と翼は下部構造と協働して下部構造から桁と翼が分離しないよう対抗する。
【選択図】図３

Description

政府の権利に関する申立
本発明は、米国政府の契約Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３に基づいてなされたものである。従って、米国政府は本発明に対して明白な権利を有する。

本発明は、複合材料から作製された部品を接合するのに特に有用な、改善された立体継手に関する。本発明の継手は、タービンエンジンのインレットケースあるいは類似のダクトに関連して説明される。

航空機に動力を供給するのに使用されるようなタービンエンジンは、作用媒体流体のストリームをエンジン内に案内するためのインレットケースを備える。ケースは、径方向の内壁及び外壁を備え、それらは環状のガス経路を画定するようエンジン軸に外接している。壁を相互に接続するために、支柱がそのガス経路にわたって径方向にまたがる。各支柱と接続する壁と下部構造との間の境界及び構造は、相当な構造的荷重に耐える適応性を有してなくてはならない。

いくつかのエンジンでは、支柱によって構造的及び空力的要求の両方が満たされるよう、空力学的な輪郭を有する面を備える多機能支柱が採用されている。あるいは又、設計者が構造上の価値のごくわずかな空力的外郭を有するシェルで覆われた専用立体支柱の採用が必要である、あるいは所望されると考える場合もある。設計者が又、専用立体支柱とそのシェルを、多機能支柱がすでに占領している同じ容積の空間中にパッケージする必要がある場合、立体支柱は多機能支柱よりも小型なものとなるであろう。これにより、特に、ケースが複合材料のプライからなる予成形品から作製されたものである場合、支柱と壁の間の境界、即ち、継手と下部構造とが危険にさらされる可能性が生じる。

本発明の継手の一実施態様において、外側の予成形品は、ひだ（ｆｏｌｄ）から長手方向並びに横方向に延びる脚部を具備する。内側の予成形品は、桁を画定するようひだを通って長手方向に突出している。桁は、桁からある角度でオフセットした翼を備える。桁と翼とは、下部構造と協働して下部構造から桁と翼が離間しないよう抵抗する。

前述並びにその他の注目に値する本発明の継手の特徴は、以下の詳細な説明並びに関連する図面からより明らかになるであろう。

図１〜図４は、タービンエンジンのファンインレットケースの一部を示している。これら図面は又、軸方向、径方向及び周方向の成分の座標系を示しているが、これはタービンエンジンを説明する際、そのような系を選択することが当然だからである。しかしながら、ケースやダクトに関連しないものを含む他の用途においては、長手方向及び横方向における成分を採用した場合より一般的な座標の方がより適切であろう。例示する図からわかるように、長手方向は径方向に対応しており、また、長手方向から横向きに延びる横方向は周方向に対応している。

インレットケースは、径方向内壁１２と径方向外壁（図示せず）を備え、いずれもエンジン軸１４に外接している。壁は、軸方向でエンジン内への作動媒体流体Ｆのストリームを案内するための、環状流路１６の径方向における内側末端と外側末端とを画定する。周方向（横方向）に分配される支柱１８の組は、その流路にわたって径方向（長手方向）にまたがっている。

壁と支柱を具備するインレットケースは、複合材料からなる１つ又はより多くの層、又はプライを含む積層された予成形品から作製される。複合材料の例には、硬化樹脂に埋設されたグラファイト繊維製品がある。

図３から最もよくわかるように、支柱は、横方向内側の予成型品２０，２２、横方向外側の予成型品２４，２６、及び内側と外側の予成型品の間に横方向に存在する任意の中間予成型品２８，３０を備える。

各外側の予成型品２４，２６は、外側予成型品中のひだ４２からそれぞれ長手方向と横方向に延びる脚部３８，４０を有する。支柱が概ね軸１４に平行して配向されているため、ひだは実質的には軸方向に延びている。しかしながら、支柱及び／又はひだは、軸に対して斜めに配向してもよい。内側の予成型品２０，２２と任意の中間予成型品２８，３０は、桁４４を画定するよう長手方向にひだを通って突出している。内側の予成型品２０，２２の突出している部分は、完成した桁の軸寸法Ｓ（図２）を超える軸方向の寸法（オーバーサイズ）を有する。製造中、前方の折り目４６は、その突出するオーバーサイズ部分が、桁から横方向において相互に反対方向に延びる前方の翼５０，５２を画定するよう形成される。例示の実施態様において、後方の折り目４８も又、桁から横方向において相互に反対方向に伸びる後方の翼５４，５６を画定するように形成される。翼は、約９０度である角度αをなすように、桁からオフセットされている。

横方向の脚部４０を通って長手方向に突出している任意の中間予成型品２８，３０の部分が追加の翼を画定するよう、そこに折り目を設けることもできる。しかしながら、例示の構成においては、中間の予成型品の突出している部分には翼がない。

図４から明らかなように、内側の予成型品２０，２２を構成する繊維５８は、「オフ角（ｏｆｆ−ａｎｇｌｅ）」繊維であり、斜めに配向している。即ち、折り目４６，４８に対して、平行でも垂直でもない。好ましくは、最適な強度を確実にするよう、折り目に対して繊維を４５度で配向する。

図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃを参照すると、前方の翼５０は、隣接する支柱に付随する対翼５２に向かって横方向に延びている。図５Ａから明らかなように、翼は横方向又は周方向で支柱の間の距離全体にわたっている必要はない。翼は、図５Ｂに見られるように、相互に隣接するか、又は、図５Ｃに見られるように相互に重なっていてよい。これらの選択は又、後方翼５４，５６に対しても適用できる。

図１、図３と図４を再び参照すると、カバー予成型品６２が、支柱の横方向に延びる脚部４０と外側の予成型品２４，２６のそれぞれを覆っている。カバーの予成型品は、各支柱１８から、周方向において隣接するその隣りの支柱まで延在する。

インレットケースは又、周方向において連続する予め作製された複合前方リング６６、周方向において連続する予め作製された複合後方リング７６、及び不連続に、周方向において分布された、予め作製された複合インサート６８の組を備える下部構造を有する。これらの全てについて、以下で詳細を述べる。

前方リング６６は、前方の翼５０，５２の前面に接する。インサート６８は、各前方の翼の反対側の面に接しているため、各翼５０，５２は、リング６６とインサート６８の間にぴったりとはまりこむ。各インサートは、桁４４から周方向隣りの桁まで周方向に延在する。カバー予成型品６２は、前方リング６６の前面７２を覆い包んでいる。

図１と図４から最もよくわかるように、後方リング７６は、基部７８と軸方向伸長部８０を備える。基部７８は、後方翼５４，５６の後面に接している。伸長部８０は、基部の後方を軸方向に延びており、カバー予成型品６２及び外側の予成型品２４，２６の横方向脚部４０と協働して、壁１２の後部を画定している。インサート６８は、後方翼５４，５６がインサート６８と後方リング７６の間にぴったりとはまり込むよう、それらの前面に接している。インサートは、前方翼５０，５２とそれらと対の後方翼５４，５６の間の空間を占めている。

インレットケースの製造中、複数の異なる複合予成型品、並びに予め作製された下部構造の部品を所望通りに配置し、かつ熱処理する。それにより、予成型品はその境界面で互いに結合し、かつ、予め作製された下部構造部品とも結合する。

これから説明するインレットケースの部品により、構成全体は十分に理解できるであろう。外側の予成型品２４，２６、桁４４、及び翼５０，５２，５４，５６は、格段優れた強度を有する継手を形成するよう下部構造と連結している。この継手は、作動力に起因して、支柱１８が下部構造及び／又は壁１２から離れようとする傾向に対抗する。この立体的優位はある程度翼から上で生じる。これは、翼と下部構造の間の接触面積により、桁と下部構造の間の接触面積が増大されるためである。その結果、桁／翼の組み合わせによる剪断力への耐性は、桁のみの場合よりもはるかに大きくなる。この立体的優位は又、カバー層６２から上でも生じており、これは、外側の予成型品２４，２６の横方向の脚部４０がインサート６８から剥離する傾向に対抗するのに役立つ。このことは、支柱が軸方向において短縮されていることにより表面積が小さく、そのため、横方向の脚部とインサートの間における剥離耐性が本質的に小さい場合の用途において注目に値する特徴である。翼５０，５２は又、特に、引張荷重により、支柱１８が壁１２から径方向に引っ張られ得る場合に、継手の立体的優位に貢献する。翼５０，５２，５４，５６がカバー層６２によって機械的に保持されるため、支柱１８を径方向内壁１２から引き抜くには、翼の繊維５８を機械的に破損しなければならない。複合繊維の引張強度を、予成型品間の結合力よりも著しく大きくすることができるため、翼の存在により継手の強度が向上される。向上した耐剪断性、剥離耐性及び機械的保持力は、設計者が比較的小型の立体支柱を採用する必要がある、あるいは採用が所望される用途において特に有用である。

本発明を特定の実施態様を参照して例示、説明してきたが、本発明の特許請求項の範囲から逸脱することなく、形態や細部において様々な変更が可能であることは当業者等であれば理解できるであろう。例えば、関心のある用途に依存して、予成型品の配置は、追加の予成型品で増大することができ、また、下部構造はその他の形態を取ることができる。また、本発明を、タービンエンジンの環状ファンインレットケースに関して説明してきたが、その他の型のダクトや、ダクトを包含する必要のない別の用途においてもこの構成を使用できることは明らかである。

いずれも複合材料の予成型品からなるケース壁と支柱、並びに、ケース下部構造の部品を示す、タービンエンジンのインレットケースの一部の側面図。図１の２−２の方向における図。図１の３−３の方向における図。図１のケースの選択された特徴を示す透視図。図１の２−２方向における図であるが、隣接する桁から横方向に延びる翼の間の関係を示すよう図２から周方向においてオフセットされた図。図１の２−２方向における図であるが、隣接する桁から横方向に延びる翼の間の関係を示すよう図２から周方向においてオフセットされた図。図１の２−２方向における図であるが、隣接する桁から横方向に延びる翼の間の関係を示すよう図２から周方向においてオフセットされた図。

Claims

その中のひだから長手方向並びに横方向に延びる脚部を有する外側予成型品と、
桁を画定するようひだを通って長手方向に突出し、その桁はそこから角度的にオフセットされた翼を備える、内側予成型品と、
桁と翼の下部構造からの分離に対抗するよう桁及び翼と協働する、下部構造、
を含んでなることを特徴とする継手。
前記下部構造が、前方リング、後方リング及びインサートを備え、前記桁が、横方向において相互に反対方向に延びる１対の前方翼と、横方向において相互に反対方向に延びる１対の後方翼とを備え、かつ、前記前方翼は、前方リングとインサートの間にぴったりとはまり込み、かつ、後方翼は、後方リングとインサートの間にぴったりとはまり込むことを特徴とする、請求項１記載の継手。
カバー予成型品が、横方向に延びる前記外側予成型品の脚部を覆うことを特徴とする、請求項１記載の継手。
前記内側及び外側予成型品の間に存在し、前記内側予成型品と協働して桁を画定するよう長手方向においてひだを通って突出する中間予成型品を含むことを特徴とする、請求項１記載の継手。
前記中間予成型品の突出している部分が翼を有さないことを特徴とする、請求項４記載の継手。
前記翼が、前記桁から約９０度で角度的にオフセットしていることを特徴とする、請求項１記載の継手。
前記桁と翼は折り目で接触し、前記内側予成型品は、その折り目に対してオフ角に配向された繊維を有する織物を含んでなることを特徴とする、請求項１記載の継手。
内側予成型品と外側予成型品から構成される長手方向に延びる支柱を含み、その外側予成型品はその折り目から長手方向及び横方向に延びる脚部を有し、横方向に延びる脚部は、少なくともダクトの壁の一部を形成するよう延びており、その内側予成型品は、ひだを通って桁を画定するよう長手方向において突出しており、その桁は、桁から角度的にオフセットされた翼を備えることを特徴とするダクト。
前記桁と翼と協働する下部構造を含み、それらは該下部構造から支柱が分離するのに対抗するよう協働することを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記下部構造が、前方リング、後方リング及びインサートを備え、前記桁が、横方向において相互に反対方向に延びる１対の前方翼と、横方向において相互に反対方向に延びる１対の後方翼とを備え、かつ、前記前方翼は、前方リングとインサートの間にぴったりとはまり込み、かつ、後方翼は、後方リングとインサートの間にぴったりとはまり込むことを特徴とする、請求項８記載のダクト。
カバー予成型品が、横方向に延びる前記外側予成型品の脚部を覆うことを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記内側及び外側予成型品の間に存在し、前記内側予成型品と協働して桁を画定するよう長手方向においてひだを通って突出する中間予成型品を含むことを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記中間予成型品の突出している部分が翼を有さないことを特徴とする、請求項１２記載のダクト。
前記折り目が実質的に軸方向に延びていることを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記翼が、前記桁から約９０度で角度的にオフセットしていることを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記ダクトが中心線に外接し、長手方向が径方向であり、横方向が周方向であることを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記桁と翼は折り目で接触し、前記内側予成型品は、その折り目に対してオフ角に配向された繊維を有する織物を含んでなることを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記翼が、隣接する支柱に付随する対翼に向かって横方向において延びていることを特徴とする、請求項８記載のダクト。
前記翼が前記対翼と接していることを特徴とする、請求項１８記載のダクト。
前記翼が前記対翼と重なっていることを特徴とする、請求項１９記載のダクト。
それぞれが少なくとも内側予成型品と外側予成型品を含む径方向に延びる支柱であって、各支柱の外側予成型品は、少なくとも部分的にケース壁を画定するよう、その折り目から径方向及び周方向に延びており、その内側予成型品は桁を画定するよう、そのひだを通って径方向に突出しており、その桁は周方向に延びる１対の前方翼と周方向に延びる後方翼とを備える、支柱と、
周方向において隣接する支柱の間に、かつ、軸方向において前方翼と対の後方翼の間に配置されるインサートと、
前方翼の軸方向前方の前方リングと、
後方翼の軸方向後方の後方リングと、
外側予成型品の周方向に延びる脚部を覆い、ケース壁を画定するようその脚部と協働し、かつ、前方リングの面の上に延在するカバー、
とを含んでなることを特徴とする、インレットケース。