JP2009107337A - ほぼ円筒形の複合材物品及びファンケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】ファンケーシングなどの円筒形複合材物品を提供する。
【解決手段】その周りに巻付けた末端フランジ５４及び曲線輪郭６２を備えたファンケーシングプリフォーム４２を有する本物品は、複数の円周方向層４０を備えたほぼ円筒形の本体５２を含み、各層は、少なくとも１つの材料３６プライを有し、材料３６は、ウィーブファブリック、ノンクリンプファブリック又はその組合せを含む。これらのファブリックは、三軸編組よりも小さな繊維状起伏を示すので、表面がより滑らかであり、衝撃を受けた時に大きなエネルギー散逸をもたらすことができる。
【選択図】図１０

Description

本明細書に記述する実施形態は、総括的にはほぼ円筒形の本体を有する複合材物品に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、総括的には複数の円周方向層を備えたほぼ円筒形の本体を有する複合材ファンケーシングに関する。

航空機エンジンのようなガスタービンエンジンでは、空気が、エンジンの前部内に吸込まれ、シャフト支持した圧縮機によって加圧され、かつ燃焼器内において燃料と混合される。次に混合気は燃焼され、高温排気ガスが、同じシャフト上に支持したタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービン内を通って膨張し、タービンは次に、シャフトを回転させかつ圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスは、エンジン後部のノズルを通ってさらに膨張して、航空機を前方に駆動する強力な推力を発生する。

エンジンは多様な条件において運転されるので、時には望ましくないことに異物がエンジンに入ることがある。より具体的には、大形の鳥、雹、砂及び雨のような異物が、エンジンの入口に一緒に吸込まれる場合がある。その結果、これらの異物がファンブレードに衝突して、衝突を受けたブレードの一部分がロータから引きちぎられて遊離することがあり、これは、一般にファンブレードアウトとして知られている。遊離したファンブレードは次に、ファンケーシングの内部に衝突して、ケーシングの一部分に膨出又は変形を引き起こす可能性がある。ケーシングのこの変形により、ファンケーシングの全周に沿って大きな応力が生じるおそれがある。

近年、複合材料は、それらの耐久性及び比較的軽量の故に、多様な航空宇宙用途における使用が益々一般的になってきた。現行の複合材技術は一般的に、三軸編組（ｂｒａｉｄ）を有する材料を使用している。その名が示すように、三軸編組は一般的に、編組（ブレーデッド）材料プライを形成する互いに織られた３つの繊維トウから成る。ブレーデッド複合材料は、非複合材料と比べた場合に、優れた重量及び耐衝撃特性をもたらすことができるが、それでもなお改良の余地がある。

例えば、三軸編組材料は、多くの場合に、規定最大量の適用引張力しか支持することができず、その引張力を超えると、望ましくないことにその材料の繊維構成は変形することになる。さらに、三軸編組材料の層状プライは、ある程度の相互絡合いを示す可能性があり、これにより、衝突時に層間剥離を保証するのを困難にするおそれがある。このことは、衝突エネルギー散逸の程度を制限するおそれがある。加えて、編組設計の複雑さにより、そのような材料はコスト高になるおそれがある。
米国特許出願公開第２００６／０１３４２５１号公報 米国特許第７，２４６，９９０号公報 米国特許第６，５１０，９６１号公報 米国特許第６，３９５，２１０号公報 米国特許第６，２５０，１９３号公報 米国特許第６，１８２，３９８号公報 米国特許第６，１４８，８６５号公報 米国特許第６，１１２，６３４号公報 米国特許第５，９５２，０６７号公報

従って、よりコスト効果がありかつ大きな引張力を支持しながら所望の層間剥離をもたらすことができる材料で作られた物品、特に複合材ファンケーシングに対する必要性が依然として存在する。

本明細書における実施形態は、総括的には物品に関し、本物品は、複数の円周方向層を備えたほぼ円筒形の本体を含み、各層は、少なくとも４つの材料プライを有し、第１のプライ及び第４のプライは、０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含み、第２のプライ及び第３のプライは、θ及び−θ（θ＝約１０°〜約８０°）の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックを含む。

本明細書における実施形態はまた、総括的には物品に関し、本物品は、複数の円周方向層を備えたほぼ円筒形の本体を含み、各層は、少なくとも４つの材料プライを有し、第１のプライ及び第４のプライは、０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含み、第２のプライ及び第３のプライは、４５°及び−４５°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む。

本明細書における実施形態はまた、総括的には、ファンケーシングに関し、本ファンケーシングは、複数の円周方向層を備えたほぼ円筒形の本体を含み、各層は、少なくとも１つの材料プライを有し、該材料は、ノンクリンプファブリックを含む。

これらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の開示から当業者には明らかになるであろう。

本明細書と共に、本発明を具体的に明記しかつ明確に特許請求している特許請求の範囲を提出しているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を指している添付の図に関連した以下の記述から一層よく理解されるであろう。

本明細書に記述する実施形態は総括的には、複数の円周方向層を備えたほぼ円筒形の本体を含み、各層が、少なくとも１つの材料プライを有し、材料が、ウィーブファブリック、ノンクリンプファブリック又はその組合せを含む、物品、特に複合材ファン閉込めケーシング（本明細書では「ファンケーシング」）に関する。

本明細書における実施形態は一般的に、ガスタービンエンジン用の複合材ファンケーシングに焦点を当てているが、本記述がそれに限定されるべきではないことは、当業者には解るであろう。実際に、以下の記述から分かるように、本明細書の記述は、ほぼ円筒形の本体を有するあらゆる複合材物品に等しく適用可能である。

図に移ると、図１は、一般的にファン組立体１２とコアエンジン１４とを含むガスタービンエンジン１０の１つの実施形態の概略図である。ファン組立体１２は、ファンケーシング１６と、ロータディスク２０から径方向外向きに延びるファンブレード１８の列とを含むことができる。コアエンジン１４は、高圧圧縮機２２と燃焼器２４と高圧タービン２６と低圧タービン２８とを含むことができる。エンジン１０は、吸気端３０と排気端３２とを有する。

本明細書に記述する物品を作るために、本明細書で以下に説明するように、ほぼ円筒形状の工具の周りに少なくとも１つの材料プライを巻付けて複数の円周方向層を生成することができ、複数の円周方向層は次に、樹脂で処理しかつ硬化させることができる。

先ず始めに、図２に示すように、ほぼ円筒形状を有する工具３４を準備することができる。例えば、Ｂｌａｎｔｏｎ他の米国特許出願第２００６／０１３４２５１号公報を参照されたい。本明細書全体を通して使用する場合に、「ほぼ円筒形」という用語は、本明細書で以下に説明するように、曲線輪郭を備えるか又は備えないかのいずれかの状態で全体として円筒形の形状を有することを意味する。工具３４は、その内部について中実、中空、又はその一部組合せとすることができる。

本明細書で以下に説明するように、次に、工具３４の周りに巻付けるための少なくとも１つの材料プライを準備することができる。材料プライとしては、ウィーブファブリック、ノンクリンプファブリック又はその組合せを含むことができる。本明細書で使用する場合、「ウィーブファブリック（ｗｅａｖｅ ｆａｂｒｉｃ）」というのは、２つの繊維トウの組を互いに織り交ぜることによって織機又はその他の同様な装置上に形成した織物を意味する。ウィーブファブリックは、それに限定されないが、平織、綾織及び４本ハーネス織を含む多様なパターンを含むことができる。「ノンクリンプファブリック（ｎｏｎ−ｃｒｉｍｐ ｆａｂｒｉｃ）」というのは、１つ又はそれ以上の一方向繊維プライを積み重ね、次にそれらの層を互いに縫合わせることによって形成した織物を意味する。ノンクリンプファブリックの一方向繊維は、設計要求を満たすために多様な方法で配向することができる。

例えば、材料３６プライは、０°／９０°の繊維トウ３８（図３に示すような）又は４５°及び−４５°の繊維トウ３８（図４に示すような）を備えたウィーブファブリックを含むことができる。同様に、材料３６プライは、θ及び−θ（θ＝約１０°〜約８０°）の繊維トウ３８を備えたノンクリンプファブリックを含むことができ、１つの実施形態では、４５°の繊維トウ３８（図５に示すような）、或いは０°、６０°及び−６０°の繊維トウ３８（図６に示すような）、或いは９０°、３０°及び−３０°の繊維トウ３８（図７に示すような）とすることができる。ノンクリンプファブリックは、一方向繊維の積重ねを互いに縫合わせることによって形成されるので、一方向繊維は、実際にはあらゆる所望の配向角度を有することができ、本明細書での上記の実施例に限定されるべきではないとことが、当業者には解るであろう。

利用した織物（ファブリック）又は該織物の繊維トウの配向に拘わらず、一般的に繊維トウは、樹脂と組合せて複合材料を生成することができる、当業者には公知のあらゆる適当な補強繊維を含むことができる。１つの実施形態では、繊維トウは、炭素繊維類、黒鉛繊維類、ガラス繊維類、セラミック繊維類及び芳香族ポリアミド繊維類の少なくとも１つを含むことができる。加えて、各繊維トウ３８は、約３０００〜約２４０００の個々の繊維フィラメントを含むことができる。

次に、図８に示すように、少なくとも１つの材料３６プライつまり第１のプライ４４をスプール３９から工具３４の周りに巻付けて、複数の円周方向層４０を有する物品プリフォームを生成することができる。１つの実施形態では、物品プリフォームには、ファンケーシングプリフォーム４２（図９に示す）を含むことができる。１つよりも多い材料３６プライを使用する実施形態の場合には、第１のプライ４４、第２のプライ４６、第３のプライ４８及び第４のプライ５０をそれぞれのスプール３９から工具３４の周りに同時に巻付けて、図８に示すようにファンケーシングプリフォームの複数の円周方向層４０を形成することができる。

現行の複合材技術が有する前述した欠点に対処するためには、１つの実施形態では、ノンクリンプファブリックを含む少なくとも１つの材料３６プライを工具３４の周りに巻付けるのが望ましい。この場合に、ノンクリンプファブリックは、０°、６０°及び−６０°の繊維トウ（図６に示すような）、或いはそれに代えて９０°、３０°及び−３０°の繊維トウ（図７に示すような）を含むことができる。別の実施形態では、少なくとも４つの材料３６プライを工具３４の周りに巻付け、その場合に、材料プライがウィーブファブリック又は該ウィーブファブリックとノンクリンプファブリックとの組合せのいずれかを含むのが望ましい。より具体的には、１つの実施形態は、少なくとも４つの材料プライ、つまり０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む第１のプライ４４及び第４のプライ５０と４５°及び−４５°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む第２のプライ４６及び第３のプライ４８とを設けるステップを含むことができる。別の実施形態は、少なくとも４つの材料プライ、つまり０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む第１のプライ４４及び第４のプライ５０とθ及び−θ（θ＝約１０°〜約８０°、また１つの実施形態では、θ＝４５°）の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックを含む第２のプライ４６及び第３のプライ４８とを設けるステップを含むことができる。

全ての所望の材料３６プライを工具３４の周りに巻付けた後には、得られたファンケーシングプリフォーム４２は、図９に示すようにほぼ円筒形の本体５２を有することができる。

任意選択的に、１つの実施形態では、ファンケーシングプリフォーム４２は、ほぼ円筒形の本体５２と一体形になった少なくとも第１の末端フランジ５４を含むような構造とすることができる。第１の末端フランジ５４は、図１０に示すような少なくとも第１の端部フランジシュー５６を有する工具３４を使用して製作することができる。第１の端部フランジシュー５６を有する工具３４の周りに所望の１つ又は複数の材料３６プライを巻付ける前に、０°の繊維トウを有する材料３６プライの第１の末端部分５８から、存在するあらゆる０°の繊維トウを取り除くことができる。それに代えて、ウィーブファブリック又はノンクリンプファブリックは、第１の末端部分５８である区域内に０°の繊維トウを欠くように製作することができる。「末端部分」という用語によって、図１０に示すように、材料３６プライの端縁部に沿って縦方向に延びかつファンケーシングプリフォーム４２を構成するために使用されることになる末端フランジ５４の所望の長さにその幅がほぼ対応しているセクションを意味している。

例えば、０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリック又は０°、６０°及び−６０°の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックのいずれかを含む材料３６プライにおいては、０°の繊維トウは、第１の末端部分５８から取り除くことができ、また第１の末端部分は、工具３４の第１の端部フランジシュー５６と整列させる。０°の繊維トウは、それに限定されないが、第１の末端部分５８において材料プライから０°の繊維トウを切断しかつ引抜くことのような、当業者には公知のあらゆる方法を使用して取り除くことができる。０°の繊維トウを欠いた材料３６プライはまた、端部フランジシューと整列させて末端フランジ５４を製作するのを助けることができ、次に、所望の厚さが得られるまで、工具３４の周りに全てのプライを同時に巻付けることができる。第２の末端フランジ６０は、上記の方法を使用して、ファンケーシングプリフォーム４２の本体５２の反対側端部において一体形に製作することができることは、当業者には解るであろう。

別の実施形態では、ファンケーシングプリフォーム４２は、図１０及び図１１に示すように、曲線輪郭６２を含むことができる。本明細書で使用する場合に、「曲線輪郭」というのは、ファンケーシング（プリフォーム）の本体５２の少なくとも一部分が、本体５２の平面に向って内向きに向う曲線、本体５２の平面から外向きに向う曲線、又はそれらを一部組合せた曲線を含むことを意味する。曲線輪郭６２の存在にも拘わらず、本体５２はほぼ円筒形を維持することができる。曲線輪郭６２を有する本体５２を製作するために、利用する工具は、該工具の周りに円周方向層が積層された時に曲線輪郭を形成するような所望の曲線輪郭６２を含むことができる。

工具３４の周りに全ての所望の材料３６プライを巻付けてファンケーシングプリフォーム４２を生成した後に、プリフォームに対して樹脂を施して、硬化させた時に円周方向層を互いに接合させることができる。本明細書での使用には、当業者が一般に使用するあらゆる樹脂が許容可能である。複合材技術において一般に使用される従来型の樹脂には、それに限定されないが、ビニルエステル樹脂類、ポリエステル樹脂類、アクリル樹脂類、エポキシ樹脂類、ポリウレタン樹脂類及びその混合物を含むことができる。樹脂を施す作業は、樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ）、樹脂トランスファ成形法（ＲＴＭ）、真空支援樹脂トランスファ成形法（ＶＡＲＴＭ）及びその他の同様な方法のような当業者には公知のあらゆる適当な方法を使用して行うことができる。

選択した樹脂を施したら、プリフォームは次に、当業者には公知の従来通りの硬化法を使用して硬化させて、物品を生成することができ、この物品は、１つの実施形態では、図１１に示すように、ほぼ円筒形の本体５２、第１の末端フランジ５４及び第２の末端フランジ６０を有するファンケーシング１６である。

上述した材料及び方法を使用して物品、特にファンケーシングを製作することは、現行の複合材技術に勝る幾つかの利点を提供することができる。例えば、ウィーブファブリック又はノンクリンプファブリックは、三軸編組よりも小さな繊維起伏を示すので、そのようなファブリックの表面は、より滑らかであり、また連続プライが機械的に相互絡合いする傾向が低い。相互絡合いが低いことは、衝突後に大きなエネルギー散逸をもたらすことができる層間剥離が高いということを意味する。別の利点は、ウィーブファブリック又はノンクリンプファブリックが三軸編組よりも一層安定性があり、従ってそれらの繊維構成に大きな変形を受けないで大きな引張力を支持することができることである。この引張力を支持する能力は、工具の周りでより緊密な巻付けを可能にし、またその物品の機能を阻害するおそれがあるシワの発生を減少させるのを可能にする。加えて、材料プライの末端部分に０°の繊維トウを欠いていることは、ウィーブファブリック又はノンクリンプファブリックを含む物品内に一体形末端フランジを製作することを可能にする。末端フランジをファンケーシングと一体形にすることは、非一体形フランジと比較した場合に、より大きな付加力に耐えることができるより強度の大きいフランジを可能にする。さらに、このような製造方式により、ウィーブファブリック又はノンクリンプファブリックは、よりコスト効果がある、三軸編組ファブリックの代替物となることができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて、本発明を開示しまた当業者が本発明を製作しかつ使用するのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まりかつ当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合或いはそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、この特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

本明細書の記述による、ガスタービンエンジンの１つの実施形態の概略断面図。 本明細書の記述による、ほぼ円筒形状を有する工具の１つの実施形態の概略図。 本明細書の記述による、０°／９０°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む材料の１つの実施形態の概略拡大図。 本明細書の記述による、４５°及び−４５°の繊維トウを備えたウィーブファブリックを含む材料の１つの実施形態の概略拡大図。 本明細書の記述による、θ及び−θ（θ＝４５°）の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックを含む材料の１つの実施形態の概略切欠図。 本明細書の記述による、０°、６０°及び−６０°の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックを含む材料の１つの実施形態の概略切欠図。 本明細書の記述による、９０°、３０°及び−３０°の繊維トウを備えたノンクリンプファブリックを含む材料の１つの実施形態の概略切欠図。 本明細書の記述による、その周りに同時に巻付けた少なくとも1つの材料プライ、任意選択的には４つのプライを有する工具の１つの実施形態の概略斜視図。 本明細書の記述による、ファンケーシングプリフォームの１つの実施形態の概略斜視図。 その周りに巻付けた末端フランジ及び曲線輪郭を備えたファンケーシングプリフォームを有する端部フランジシュー付き工具の１つの実施形態の概略部分断面図。 本明細書の記述による、曲線輪郭並びに第１及び第２の末端フランジを有するファンケーシングの１つの実施形態の概略斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１４ コアエンジン
１６ ファンケーシング
１８ ファンブレード
２０ ロータディスク
２２ 高圧圧縮機
２４ 燃焼器
２６ 高圧タービン
２８ 低圧タービン
３０ 吸気端
３２ 排気端
３４ 工具
３６ 材料層
３８ 繊維トウ
３９ スプール
４０ 円周方向層
４２ ファンケーシングプリフォーム
４４ 第１の層
４６ 第２の層
４８ 第３の層
５０ 第４の層
５２ 円筒形の本体
５４ 末端フランジ
５６ 第１の端部フランジシュー
５８ 第１の末端部分
６０ 第２の末端フランジ
６２ 曲線輪郭

Claims (10)

1. 複数の円周方向層（４０）を備えたほぼ円筒形の本体（５２）を含み、
   各層が、少なくとも４つの材料（３６）プライを有し、
   第１のプライ（４４）及び第４のプライ（５０）が、０°／９０°の繊維トウ（３８）を備えたウィーブファブリックを含み、
   第２のプライ（４６）及び第３のプライ（４８）が、θ及び−θ（θ＝１０°〜８０°）の繊維トウ（３８）を備えたノンクリンプファブリックを含む、
   物品（１６）。
2. 複数の円周方向層（４０）を備えたほぼ円筒形の本体（５２）を含み、
   各層が、少なくとも４つの材料（３６）プライを有し、
   第１のプライ（４４）及び第４のプライ（５０）が、０°／９０°の繊維トウ（３８）を備えたウィーブファブリックを含み、
   第２のプライ（４６）及び第３のプライ（４８）が、４５°及び−４５°の繊維トウ（３８）を備えたウィーブファブリックを含む、
   物品（１６）。
3. 少なくとも第１の末端フランジ（５４）をさらに含み、前記少なくとも第１の末端フランジ（５４）が、
   前記第１の材料プライ（４４）の第１の末端部分（５８）及び第４の材料プライ（５０）の第１の末端部分（５８）から前記０°の繊維トウ（３８）を取り除くステップと、
   少なくとも第１の端部フランジシュー（５６）を有する工具（３４）の周りに前記少なくとも４つの材料プライ（４４、４６、４８、５０）を同時に巻付けて、少なくとも前記第１の材料プライ（４４）の第１の末端部分（５８）及び第４の材料プライ（５０）の第１の末端部分（５８）が、前記第１の端部フランジシュー（５６）と整列して、該少なくとも第１の末端フランジ（５４）を含む物品プリフォーム（４２）を生成するようにするステップと、
   前記物品プリフォーム（４２）に樹脂を施すステップと、
   前記物品プリフォーム（４２）を硬化させて、該記第１の末端フランジ（５４）を含む該物品（１６）を生成するステップと、を含む方法によって作られ、
   前記繊維トウ（３８）が、炭素繊維類、黒鉛繊維類、ガラス繊維類、セラミック繊維類及び芳香族ポリアミド繊維類の少なくとも１つを含む、
   請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の物品（１６）。
4. 複数の円周方向層（４０）を備えたほぼ円筒形の本体（５２）を含み、
   各層が、少なくとも１つの材料（３６）プライを有し、
   前記材料が、ノンクリンプファブリックを含む、
   ファンケーシング（１６）。
5. 前記ノンクリンプファブリックが、０°、６０°及び−６０°の繊維トウ（３８）を含む、請求項４記載のファンケーシング（１６）。
6. 少なくとも第１の末端フランジ（５４）をさらに含み、前記少なくとも第１の末端フランジ（５４）が、
   前記材料（３６）プライの第１の末端部分（５８）から前記０°の繊維トウ（３８）を取り除くステップと、
   少なくとも第１の端部フランジシュー（５６）を有する工具（３４）の周りに前記材料（３６）プライを巻付けて、前記材料（３６）プライの第１の末端部分（５８）が、前記第１の端部フランジシュー（５６）と整列して、該少なくとも第１の末端フランジ（５４）を含むファンケーシングプリフォーム（４２）を生成するようにするステップと、
   前記ファンケーシングプリフォーム（４２）に樹脂を施すステップと、
   前記ファンケーシングプリフォーム（４２）を硬化させて、該記第１の末端フランジ（５４）を含む該ファンケーシング（１６）を生成するステップと、を含む方法によって作られる、
   請求項５記載のファンケーシング（１６）。
7. 前記ノンクリンプファブリックが、９０°、３０°及び−３０°の繊維トウ（３８）を含む、請求項４記載のファンケーシング（１６）。
8. 少なくとも第１の末端フランジ（５４）をさらに含み、前記少なくとも第１の末端フランジ（５４）が、
   少なくとも第１の端部フランジシュー（５６）を有する工具（３４）の周りに前記材料（３６）プライを巻付けて、前記材料（３６）プライの第１の末端部分（５８）が、前記第１の端部フランジシュー（５６）と整列して、該少なくとも第１の末端フランジ（５４）を含むファンケーシングプリフォーム（４２）を生成するようにするステップと、
   前記ファンケーシングプリフォーム（４２）に樹脂を施すステップと、
   前記ファンケーシングプリフォーム（４２）を硬化させて、該記第１の末端フランジ（５４）を含む該ファンケーシング（１６）を生成するステップと、を含む方法によって作られる、
   請求項４又は請求項７のいずれか１項記載のファンケーシング（１６）。
9. 前記ノンクリンプファブリックが、θ及び−θ（θ＝約１０°〜約８０°）の繊維トウ（３８）を含む、請求項４記載のファンケーシング（１６）。
10. 前記繊維トウが、炭素繊維類、黒鉛繊維類、ガラス繊維類、セラミック繊維類及び芳香族ポリアミド繊維類の少なくとも１つを含む、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載のファンケーシング（１６）。

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