JP2007298165A - ファスナ、エンジン排気ガスパネルアセンブリ、ファスナ製造法及びエンジン排気ガスパネルアセンブリを組み立てる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軍用機などのレーダ感知性を低減する金属製の部材及び非金属製のキャップから構成されるファスナを提供する。
【解決手段】本発明のファスナは、金属製の部材８０及び非金属製のキャップ８２から構成される。金属部材８０は、頭部９４と、軸部８６と、を有する。軸部８６は、頭部９４に第１の端部と、先端部８８に第２の端部と、該軸部の外径側のねじ部と、を有する。さらに、金属部材８０は、軸部８６と反対側の頭部９４から延びている突起１０２を有する。中間体１４２の先端部１４４が溶融することにより、突起１０２が形成され、その後、頭部９４にキャップ８２が固定されてファスナアセンブリ２６が形成される。取り付け時に、このアセンブリ２６は、エンジン排気ガスパネル２０と面一もしくはほぼ面一になり、これによって本発明の目的が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機に関し、特に航空機の動力装置の排気ガス流路に露出したファスナに関する。尚、本発明は、米国海軍の契約番号第Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３号に基づいて為されたものであり、米国政府は所定の権利を有する。

種々の非金属材料が、航空機の推進装置に用いるために開発されてきた。これらの材料の１つの系統は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）である。種々の実施例においては、ＣＭＣにより、（ａ）耐熱性及び（ｂ）低レーダ感知性（ｌｏｗ ｏｂｓｅｒｖａｂｉｌｉｔｙ）の組み合わせが実現する。レーダ感知性の低い軍用機においては、これらの特性の双方が、航空機エンジンの排気ガス流路に沿った構成要素に用いるのに重要である。例示的なセラミックマトリックス複合材料でできている構成要素は、ノズルフラップライナ及びノズルシールライナである。

このような構成要素は、通常、支持構造体に固定されなければならない。一般的な航空宇宙産業で用いられるファスナは、金属製である。特許文献１及び特許文献２は、例示的なファスナ及びその用途を開示している。このようなファスナが、ＣＭＣからなる構成要素を固定するために用いられる場合には、ファスナの露出した金属により、レーダ感知性を低くする特性が低下する可能性がある。
米国特許出願公開第２００５／０２６００３３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２６００３４Ａ１号明細書

従って、本発明の１つの態様は、金属製の部材及び非金属製のキャップ部材を有するファスナを含む。金属部材は、頭部及び軸部を有する。軸部は、頭部の第１の端部と、先端の第２の端部と、外径側ねじ部と、を有する。さらに、金属部材は、軸部と反対に頭部から延びている突起を有する。キャップ部材は、軸部と反対側の頭部に結合されるとともに、突起によって保持される。

種々の実施例においては、軸部は、さらに、第２の端部に隣接するグリップ機構を有してもよい。グリップ機構は、少なくとも１つの内径側または外径側のスプラインやファセット（刻面）を備えてもよい。例えば、グリップ機構は、六角形断面の凹部を備えてもよい。頭部の底面部及びキャップの底面部によって、段付きの円錐台形面を形成することができる。キャップは、基本的にセラミックマトリックス複合材料からなってもよい。内側にねじを切ったナットは、軸部にねじ留めすることができる。

このようなファスナは、エンジン排気ガスパネルを支持構造体に固定するために用いることができる。このパネルは、エンジンの排気ガス流路に露出した第１の面を有してもよい。頭部及びキャップは、該排気ガスパネルの第１の面の斜面で面一もしくはほぼ面一にすることができる。ナットは、頭部とナットとの間でパネル及び支持構造体を挟むように、軸部に係合させることができる。

本発明の別の態様は、ファスナを製造する方法を含む。非金属キャップ部材が、金属部材の頭部から延びている突起に結合される。この突起は、キャップ部材を保持する状態に変形される。この変形は、溶融からなってもよい。金属部材は、突起と反対側の軸部の外径側のねじを切り、かつ該突起と反対側の軸部端部に凹部を形成することを含む工程によって製造することができる。

本発明の別の態様は、セラミックマトリックス複合材料からなるキャップと、頭部及びねじを切った軸部を有する金属部材と、このキャップを頭部に固定する手段と、を備えるファスナを含む。このファスナは、金属部材を係合させる手段を備えることができる。

本発明の別の態様は、このようなファスナを用いてエンジン排気パネルアセンブリを組み立てる方法を含む。ファスナの軸部が、セラミックマトリックス複合材料からなるパネルの開口部及び支持構造体の開口部を通して挿入される。この軸部は、内側にねじを切ったナットに係合する。ナットは、工具に係合する。軸部のグリップ機構は、工具または別の工具に係合する。ナット及びファスナは、ナットがファスナに締まるように相対的に回転させられる。

図１は、ガスタービンエンジンの排気ガス流路２２に沿ったパネル２０を示している。パネル２０は、複数のファスナアセンブリ２６によって、支持構造体２４に取り付けられる。例示的なファスナアセンブリ２６の各々は、共通の長手方向中心軸５００を有するスタッド２８及びナット３０を備える。

各々のパネル２０は、排気ガス流路２２に沿った第１の面４０と、支持構造体２４の第１の面４４に係合する反対側の第２の面４２と、を有する。この係合は、座金（例えば、金属製）４６、他の剛体または柔軟な介在物を介してもよい。支持構造体２４の第２の面４８は、例えば、第２の座金５０及び付勢する圧縮コイルばね５４を介してナット３０によって係合される。例示的なパネル２０の面４０と面４２との間の厚さは、５〜２０ｍｍである。

例示的なスタッド２８は、皿穴によりパネル２０の第１の面４０に対して面一またはほぼ面一（例えば、オフセット６２によって若干下の位置において面一）になるように皿形をなす頭部６０を有する。パネル２０の皿穴は、円錐台形斜面６４によって形成される。

取り付け時の所望の構造上の安全性をもたらすために、スタッド２８のねじ部は、好ましくは、適切な航空宇宙産業で用いられる合金（例えば、ニッケルをベースにした超合金）で形成される。しかしながら、このような合金の広範囲に露出した頭部の面が、航空機のレーダ感知性を増大させてしまう可能性がある。例えば、露出した金属の頭部によって、レーダが、航空機後部において反射した電波を感知する。ファスナのレーダ感知性に対する影響を抑えるために、頭部６０の露出した面の大部分を、この用途のために選択された材料で形成することができる。

図２は、例示的なスタッド２８を詳細に示している。スタッド２８は、金属製の部材８０（例えば、ニッケルをベースにした超合金）と、非金属製のキャップ８２（例えば、ＣＭＣ）と、を備える。金属部材８０は、先端部８８及び基端部９０を有する軸部８６からなる。軸部８６のねじ部９２は、先端部８８と基端部９０との間に位置する。基端部９０において、この軸部８６は、頭部９４と一体になっている。例示的な頭部９４は、基本的に円錐台形底面９６を有するとともに、この底面９６の反対側に平坦な外側の面９８を有する。若干隆起した突起１０２が、軸部８６と反対側へ頭部９４から延びており、またこの突起１０２は、比較的小口径の基端部分１０４と、大口径の先端部分１０６と、を有する。

突起１０２は、キャップ８２を頭部９４に保持するために、該キャップ８２の空所１１０内に捕捉され、これにより、このキャップ８２、頭部９４、及び該突起１０２が、基本的にスタッド２８の頭部６０を形成する。キャップ８２は、頭部９４の外側面９８に係合した内側の面１１２を有する。円錐台形面１１４が、面９８から延びているとともに、斜面６４と接触する若干段のあるスタッド２８の頭部９４の円錐台形底面を形成するように、該頭部９４の円錐台形底面９６と組み合わされている。キャップ８２は、面１１２の反対側に外側面１１６を有する。キャップ８２の外側面１１６は、レーダ感知性を比較的低くし、かつ金属部材８０の断熱をもたらすように、排気ガス流路２２に露出したスタッド２８の表面積の大部分を成している。円錐台形面１１４は、オフセット１１８によって、円錐台形面９６から凹んでいる。このオフセットにより、面９６と面６４との間を圧縮状態に係合させることが可能になるが、面１１４が面６４と圧接することはない。従って、ギャップ１１９（図１）は、凹み／オフセット１１８より若干小さい寸法になり、寸法公差に影響されるが、ほぼ０になることが望ましい。

先端部８８の近くにおいては、軸部８６は、ナット３０の取り付け時にスタッド２８の回転を防止するために（或いは反対に、ナット３０を軸部８６に締め付けるために、該ナット３０に対する該軸部８６の所望の相対的な回転をもたらすために）、該軸部８６を工具１２２に係合させることが可能な係合機構１２０を備える。例示的な係合機構１２０は、端ぐり加工された凹部１２６の六角形断面の先端部を有するファセット（刻面）１２４などの内部特徴部を備える。別の係合機構は、内径側のスプラインや外径側のスプラインもしくはファセットを具備してもよい。同様に、ナット３０は、係合機構（例えば、レンチ１３２に係合する外側六角形のファセット１３０）を有する。

例示的な製造方法においては、金属部材８０の中間体１４０（図３）が、例えば、従来のねじ加工法によって形成される。中間体１４０は、金属部材８０の各部全体を含んでいる。但し、突起１０２の中間体１４２は、頭部９４の外側面９８から延びている。この中間体１４２は、軸部８６より比較的小口径で、かつ最終的な突起１０２の長さより長い軸部として形成することができる。下記に述べるように、次にスタッド２８とキャップ８２を組み立てる際に、中間体１４２の先端部１４４が、突起１０２の隆起した先端部分１０６を形成するために溶融される。

キャップ８２は、ＣＭＣシートから切断（例えば、ウォータジェット切断）することによって製造することができる。キャップ８２の空所１１０（図４）は、比較的小口径の内側ネック部分１５２から延びている外側斜面１５０及び内側斜面１５４によって形成される。内側ネック部分１５２は、突起１０２の基端部分１０４を密接に収容する寸法になっている。例示的なキャップ８２は、例えば、２〜４ｍｍの厚さ１６０を有する。例示的なキャップ８２の内側の面１１２の直径１６２は、１０〜３０ｍｍである。例示的な円錐台形面１１４の余角１６４は、５０°〜７０°である。ファスナを組み立てるために、キャップ８２は、中間体１４２の先端部１４４が、外側斜面１５０内に位置するか、或いは該斜面１５０から突出するように、突起１０２の中間体１４２（図５）上に配置される。その後、この先端部１４４が、溶融つまり変形（図６）されて該先端部１４４の直径が拡大し、突起１０２が形成されて、キャップ８２が頭部９４に固定（ｂａｃｋｌｏｃｋ）される。例示的な先端部１４４が溶融することによって、外周側の面１１６と面一またはほぼ面一の突起１０２が形成される。

本発明における１つ或いは複数の実施例を示してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の改良が可能であることを理解できよう。例えば、ファスナは、多数の周知もしくは開発中のファスナの頭部の再設計によって提供されてもよい。

ＣＭＣパネルに取り付けられるファスナアセンブリの断面図。 図１のアセンブリのスタッドの断面図。 図２のスタッドにおける金属部分の中間体の図。 図２のスタッドのキャップの断面図。 製造初期段階のスタッドの中間体及びキャップの組立図。 図２のスタッド頭部の部分断面図。

符号の説明

２０…パネル
２２…排気ガス流路
２４…支持構造体
２６…ファスナアセンブリ
２８…スタッド
３０…ナット
４０、４４…第１の面
４２、４８…第２の面
４６、５０…座金
５４…圧縮コイルばね
６０…頭部
６２…オフセット
６４…円錐台形斜面
１１９…ギャップ
１２０…係合機構
１２２…工具
１２４、１３０…ファセット
１２６…凹部
１３２…レンチ
５００…長手方向中心軸

Claims (19)

1. ファスナであって、
   頭部と、
   この頭部側の第１の端部と、
   先端側の第２の端部と、
   外径側ねじ部と、
   を有する軸部と、
   この軸部と反対側に上記頭部から延びている突起と、
   を有する金属部材と、
   上記軸部と反対側の上記頭部と結合し、かつ上記突起によって保持される非金属キャップ部材と、を備えることを特徴とするファスナ。
2. 上記軸部は、さらに、上記第２の端部に隣接するグリップ機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
3. 上記保持機構は、内径側ファセット、内径側スプライン、外径側ファセット、及び外径側スプラインの少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
4. 上記グリップ機構は、六角形断面の凹部を備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
5. 上記頭部の底面部及び上記キャップの底面部は、段付きの円錐台形面を形成することを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
6. 上記キャップは、基本的にセラミックマトリックス複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
7. さらに、内側にねじを切ったナットが、上記軸部にねじ留めされることを特徴とする請求項１に記載のファスナ。
8. エンジン排気ガスパネルアセンブリであって、
   このエンジンの排気ガス流路に露出した第１の面を有するパネルと、
   上記パネルを支持する支持構造体と、
   上記パネルを上記支持構造体に固定する請求項１に記載のファスナと、を備えることを特徴とするアセンブリ。
9. 上記頭部及びキャップは、上記パネルの斜面で面一もしくはほぼ面一になることを特徴とする請求項８に記載のアセンブリ。
10. ナットが、上記軸部に係合することを特徴とする請求項８に記載のアセンブリ。
11. ファスナを製造する方法であって、
    非金属キャップ部材を金属部材の頭部から延びている突起に結合し、
    この突起を、該キャップ部材を保持する構成に変形させることを特徴とする製造方法。
12. 上記の変形は、溶融からなることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. 上記金属部材の製造は、さらに、上記突起と反対側の軸部の外径側のねじを切り、上記突起と反対側の軸部端部に凹部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
14. セラミックマトリックス複合材料からなるキャップと、
    頭部及びねじを切った軸部を有する金属部材と、
    上記キャップを上記頭部に固定する手段と、を備えることを特徴とするファスナ。
15. さらに、上記金属部材を係合させる手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載のファスナ。
16. 上記金属部材を係合させる手段は、上記軸部先端部に内径側の凹部を備えることを特徴とする請求項１５に記載のファスナ。
17. 上記頭部の底面部及び上記キャップの底面部は、段付きの円錐台形面を形成することを特徴とする請求項１４に記載のファスナ。
18. エンジン排気ガスパネルアセンブリを組み立てる方法であって、
    請求項１４に記載のファスナの軸部を、セラミックマトリックス複合材料からなるパネルの開口部及び支持構造体の開口部を通して挿入し、
    この軸部を内側にねじを切ったナットに係合させ、
    該ナットを工具に係合させ、
    該軸部のグリップ機構を上記工具または別の工具に係合させ、
    上記ナット及びファスナを、このナットが該ファスナに締まるように相対的に回転させることを特徴とする組み立て方法。
19. 上記工具はレンチであり、上記の別の工具は六角キーであることを特徴とする請求項１８に記載の組み立て方法。

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