JP2011088363A - 複合材ファンバイパスダクト及びその他の同様な構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】成形複合材構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステムを提供する。
【解決手段】幅Ｗを有する三軸材料３２を保持しかつ巻付け時に該材料３２を真っ直ぐに保って一様な重なりを形成するようになったクリール３４と、クリール３４から該材料３２の幅Ｗを受けかつ巻付け時に該材料３２に張力を与えるようになった緊張装置３８と、緊張装置３８から該材料３２を受けて螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォーム４６を生成するようになった成形硬化マンドレル４２と、緊張装置３８からの該材料３２を、該材料３２の各後続層が幅Ｗの約半分だけ重なるように、成形硬化マンドレル４２の周りに螺旋状に巻付けるようになった横行スクリュ４４とを含む、システム。
【選択図】図３

Description

本明細書に記載した実施形態は、総括的には複合材構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステムに関する。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、例えばガスタービンエンジンファンバイパスダクト及び格納ケーシングのような複合材構成要素を製作するための自動螺旋ワインディングシステムについて記述する。

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、エンジンの前面内に吸込まれ、シャフト支持圧縮機によって加圧され、かつ燃焼器内で燃料と混合される。次に、混合気は燃焼され、高温排出ガスが、同一シャフト上に取付けられたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービンを通って膨張し、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。高温排出ガスはさらに、エンジン後部のノズルを通って膨張して、航空機を前方に駆動する強力な推力を発生する。

最近では、その耐久性及び比較的軽重量の故に、多様な航空機用途において、複合材が次第に使用されるようになってきた。複合材は優れた強度及び重量特性をもたらすことができるが、依然として更なる改良を加えることができる。

例えばファンバイパスダクト及び格納ケーシングのような複合材構成要素は、現在では、フィラメントワインディング法、自動テープ布設法及びハンドレイアップ法のような従来通りのレイアップ方法を使用して製作される。フィラメントワインディング法は一般的に、様々な張力量の下でマンドレル上に所望のパターンでフィラメントを巻付けることを含む。この方法は、後続の層を前の層とは異なる配向とすることができるようにフィラメントの配向を制御するのを可能にする。自動テープ布設法は一般的に、複数のテーププライを様々な角度で積重ねて積層体を形成することを含む。ハンドレイアップ法は一般的に、モールド内に織物マットを手動で位置決めし、それに樹脂を塗布しかつ織物プライ間に捕捉された気泡を手動で除去することを含む。これらの方法の全ては成功裏に使用することができるが、そのような方法は、多くの場合に、時間がかかり、労働集約的であり、材料を浪費しかつその結果高価なものとなる可能性がある。

米国特許第６，４９７，６３３号公報 米国特許第３，７９７，０８８号公報 米国特許第６，８５１，６４３号公報 米国特許第３，８９３，３２４号公報

従って、より少ない時間、材料及び労働消費であり、従って一層コスト効果がある、複合材構成要素を製作するためのシステムに対する必要性が依然として存在している。

本明細書における実施形態は、総括的には、成形複合材構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステムに関し、本システムは、幅を有する三軸材料を保持しかつ巻付け時に該材料を真っ直ぐに保って一様な重なりを形成するようになったクリールと、クリールから材料の幅を受けかつ巻付け時に該材料に張力を与えるようになった緊張装置と、緊張装置から材料を受けて螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォームを生成するようになった成形硬化マンドレルと、緊張装置からの材料を、該材料の各後続層が幅の約半分だけ重なるように、成形硬化マンドレルの周りに螺旋状に巻付けるようになった横行スクリュとを含み、成形複合材構成要素は、円筒形状のかつ非クリンプ又はブレーデッド材料、フープ繊維のない円錐形状のかつ非クリンプ又はブレーデッド材料、或いはそれらの組合せを含むようになる。

本明細書における実施形態はまた、総括的には、成形複合材構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステムに関し、本システムは、幅を有する三軸材料を保持しかつ巻付け時に該材料を真っ直ぐに保って一様な重なりを形成するようになったクリールと、クリールから材料の幅を受けかつ巻付け時に該材料に張力を与えるようになった緊張装置と、緊張装置から材料を受けて螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォームを生成するようになった円筒形状硬化マンドレルと、緊張装置からの材料を、該材料の各後続層が幅の約半分だけ重なるように、円筒形状硬化マンドレルの周りに螺旋状に巻付けるようになった横行スクリュとを含み、三軸材料は、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、グラファイト繊維、アラミド繊維、及びそれらの組合せからなる群から選択された繊維を含む。

本明細書における実施形態はまた、総括的には、成形複合材構成要素を製作するための螺旋ワインディングシステムに関し、本システムは、フープ繊維がなくまた幅を有する三軸材料を保持しかつ巻付け時に該材料を真っ直ぐに保って一様な重なりを形成するようになったクリールと、クリールから材料の幅を受けかつ巻付け時に該材料に張力を与えるようになった緊張装置と、緊張装置から材料を受けて螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォームを生成するようになった円錐形状硬化マンドレルと、緊張装置からの材料を、該材料の各後続層が幅の約半分だけ重なるように、円錐形状硬化マンドレルの周りに螺旋状に巻付けるようになった横行スクリュとを含む。

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。

本明細書と共に提出した特許請求の範囲により、本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求しているが、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表している添付図と関連させた以下の説明から一層良好に理解されるようになると思われる。

本明細書の説明による、低バイパスガスタービンエンジンの１つの実施形態の概略断面図。 本明細書の説明による、複合材構成要素の１つの実施形態の概略斜視図。 本明細書の説明による、螺旋ワインディングシステムの１つの実施形態の概略斜視図。 本明細書の説明による、螺旋ワインディングシステムを使用して製作した複合材構成要素の１つの実施形態の概略断面図。

本明細書に記載した実施形態は、総括的には複合材構成要素、特にファンケーシングのようなファンバイパスダクト及び格納ケーシングを製作するための螺旋ワインディングシステムに関する。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、本明細書で以下に説明するようなクリール、緊張装置、横行スクリュ及び硬化マンドレルを含む螺旋ワインディングシステムを使用して複合材構成要素を製作するための自動螺旋ワインディングシステムに関する。本明細書における実施形態は、低バイパスガスタービンエンジンに焦点を当てているが、その説明はそれに限定されるべきものではないことは、当業者には分かるであろう。

次に図を参照すると、図１は、低バイパス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り、低バイパスガスタービンエンジンは一般的に、ファンケーシング１２によって囲まれたファンと、低圧圧縮機１４と、ファンバイパスダクト１６と、バーナ１８と、タービン２０と、ファン排気口２２と、ノズル２４とを含む。さらに、エンジン１０は、吸気口２６を有する。

図２を参照すると、受入れ可能な複合材構成要素３０の１つの実施形態を示している。本明細書で使用する場合に、「成形複合材構成要素」というのは、複合材料又は複合材料の組合せで製作された成形形状を有するあらゆる構造体を意味する。本明細書で全体にわたって使用する場合に、「成形（した）」というのは、形状又は表面の少なくとも一部分が非平面であることを意味する。１つの実施形態では、成形というのは、円筒形状、円錐形状、又はそれらのある組合せのいずれかを意味する。１つの実施形態では、複合材構成要素３０は、螺旋巻付けファンバイパスダクト３１を含むことができるが、本明細書に説明した方法及びシステムは、それに限定されるべきものではないことは、当業者には分かるであろう。別の実施形態では、複合材構成要素３０は、図１に概略的に示したファンケーシング１２のような螺旋巻付け格納ケーシングを含むことができる。

バイパスダクト３１は、本明細書で以下に説明するように、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、グラファイト繊維、アラミド繊維、及びそれらの組合せからなる群から選択された繊維を有する材料３２で製作することができる。１つの実施形態では、複合材構成要素は、円筒形状２９を含むことができ、また材料３２は、あらゆる三軸非クリンプ又はブレーデッド材料を含むことができる。別の実施形態では、複合材構成要素は、円錐形状３１を含むことができ、またまた材料３２は、フープ（９０°）繊維がないあらゆる三軸非クリンプ又はブレーデッド材料を含むことができる。フープ繊維がないことにより、本明細書で以下に説明するように円錐形状硬化マンドレルに対して材料を適合させるのを助けることができる。以下の方法は、材料がフープ繊維を含むか否かに関係なく、同様に適用可能である。

最初に、材料３２は、幅Ｗに切断し、かつ図３に概略的に示すように螺旋ワインディングシステム３６のクリール３４上に巻いておくことができる。材料３２は、必要に応じて変化させることができる幅Ｗを有することができるが、１つの実施形態では、幅Ｗは、約４インチ（約１０．２ｃｍ）〜約８インチ（約２０．３ｃｍ）とすることができる。１つの実施形態では、クリール３４は、材料３２の幅Ｗに対応する幅を有することができる。

クリール３４上に装填されると、材料３２は、ガイドローラ４０の支援の下で緊張装置３８により移送し、かつ横行スクリュ４４の支援の下で硬化マンドレル４２の周りに巻付けることができる。より具体的には、材料３２は、緊張装置３８により移送することができ、緊張装置３８は、一様性を保証するのに必要な張力を材料３２に対して加えることができる。緊張装置３８は、材料に張力を与えることができるあらゆるものを含むことができる。１つの実施形態では、緊張装置３８は、クリール上に磁気ブレーキを含むことができる。別の実施形態では、緊張装置３８は、クリールに取付けられた摩擦ブレーキを含むことができる。

材料３２は、緊張装置３８から硬化マンドレル４２の周りに巻付けることができる。具体的には、材料３２は、硬化マンドレル４２の周りに螺旋状に巻付けることができる。本明細書で使用する場合に、「螺旋状に巻付ける」というのは、材料の各後続層が、該材料３２の幅Ｗの約半分だけ前の層に重なることを示している。このようにして、材料３２の２つの層は、硬化マンドレルの周りに同時にレイアップ（積層）することができる。例えば、また図４に示すように、材料３２が約４インチ（約１０．２ｃｍ）の幅Ｗを有する場合には、各後続層は、約２インチ（約５．１ｃｍ）だけ重なることができる。

この所望の重なりは、図３に示すように硬化マンドレル４２の長さＬに沿って位置するように配置することができる横行スクリュ４４を使用して達成することができる。材料３２の各後続幅Ｗをマンドレル４２に適用する（巻付ける）時に、横行スクリュ４４に沿って横方向に緊張装置３８を移動させて、所望の螺旋巻付けバイパスダクトプリフォーム４６を得ることができる。

螺旋巻付けバイパスダクトプリフォーム４６は次に、当業者には公知の従来通りの注入及び硬化法を使用して、あらゆる受入れ可能な樹脂で処理しかつ硬化させて、螺旋巻付けバイパスダクトを生成することができる。

本明細書で上に説明したような螺旋巻付け設計を有する複合材構成要素を構成することにより、現在の製作法に優る幾つかの利点を得ることができる。螺旋ワインディング法は、特定の設計ニーズに合わせて調整することができる繊維を使用して、複雑な形状寸法を迅速に生成することを可能にすることができる自動製作方法である。さらに、螺旋ワインディング法は、労働集約的ハンドレイアップ法並びにフィラメントワインディング及び単一源ブレイディングによる材料浪費を解消する。加えて、螺旋ワインディング法は、精密なレイアップを行なうこと、複雑な形状寸法を構成することができること、及びあらゆる所望の繊維配向を有する構成要素を製作することができることを可能にすることができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、またさらに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、また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か又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、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。

１０ 低バイパスガスタービンエンジン
１２ ファンケーシング
１４ 低圧圧縮機
１６ ファンバイパスダクト
１８ バーナ
２０ タービン
２２ ファン排気口
２４ ノズル
２６ 吸気口
３０ 複合材構成要素
３１ 螺旋巻付けファンバイパスダクト
３２ 材料
３４ クリール
３６ 螺旋ワインディングシステム
３８ 緊張装置
４０ ガイドローラ
４２ 硬化マンドレル
４４ 横行スクリュ
４６ 螺旋巻付けバイパスダクトプリフォーム
Ｗ 材料の幅
Ｌ 硬化マンドレルの長さ

Claims (9)

1. 成形複合材構成要素（３０、３１）を製作するための螺旋ワインディングシステム（３６）であって、
   幅（Ｗ）を有する三軸材料（３２）を保持しかつ巻付け時に該材料を真っ直ぐに保って一様な重なりを形成するようになったクリール（３４）と、
   前記クリールから前記材料の幅を受けかつ巻付け時に該材料に張力を与えるようになった緊張装置（３８）と、
   前記緊張装置から前記材料を受けて螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォーム（４６）を生成するようになった成形硬化マンドレル（４２）と、
   前記緊張装置からの前記材料を、該材料の各後続層が前記幅の約半分だけ重なるように、前記成形硬化マンドレルの周りに螺旋状に巻付けるようになった横行スクリュ（４４）と、を含み、
   前記成形複合材構成要素が、円筒形状のかつ非クリンプ又はブレーデッド材料、フープ繊維がない円錐形状のかつ非クリンプ又はブレーデッド材料、或いはそれらの組合せを含むようになる、
   システム（３６）。
2. 前記三軸材料が、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、グラファイト繊維、アラミド繊維、及びそれらの組合せからなる群から選択された繊維を含む、請求項１記載のシステム（３６）。
3. 前記材料幅（Ｗ）が、約４インチ（約１０．２ｃｍ）〜約８インチ（約２０．３ｃｍ）である、請求項１から請求項２のいずれか１項記載のシステム（３６）。
4. 前記緊張装置（３８）が、磁気ブレーキ又は摩擦ブレーキである、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のシステム（３６）。
5. 前記成形硬化マンドレル（４２）が、長さ（Ｌ）を含み、
   前記横行スクリュ（４４）が、前記成形硬化マンドレルの長さに沿って配置される、
   請求項１から請求項４のいずれか１項記載のシステム（３６）。
6. 前記緊張装置（３８）が、前記横行スクリュ（４４）に沿って横方向に移動して、前記成形硬化マンドレル（４２）の周りに螺旋巻付け成形複合材構成要素プリフォーム（４６）を生成する、請求項１から請求項５のいずれか１項記載のシステム（３６）。
7. 前記材料（３２）の各後続層が、約２インチ（約５．１ｃｍ）だけ重なる、請求項３記載のシステム（３６）。
8. 前記成形複合材構成要素プリフォーム（４６）が、樹脂で処理されかつその後に硬化して、前記成形複合材構成要素（３０、３１）を生成する、請求項１から請求項７のいずれか１項記載のシステム（３６）。
9. 前記成形複合材構成要素（３０）が、ファンバイパスダクト（３１）を含む、請求項１から請求項８のいずれか１項記載のシステム（３６）。

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