JP2013124646A - ファンケース及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＢＯ時に飛散するファンブレードの衝突を考慮して繊維の配向を工夫することで、薄く且つ軽量化を図った複合材製のファンケースを提供する。
【解決手段】筒状に形成され内部に回転するファン２が収容されるケース本体４１を備え、ケース本体４１が、ファン２を囲って複数平行に配向された繊維ｒ１を有するファンケース４であって、繊維ｒ１の配向が、ファン２のブレード２１の先端２２をケース本体４１の内周面に投影した投影線Ｌを横切る角度（好ましくは９０度プラスマイナス３０度の範囲）に設定されている。このファンケース４によれば、ＦＢＯ時に飛散したブレード２１の先端２２がケース本体４１の内周面に衝突した際の衝撃を繊維ｒ１によって効率よく吸収でき、飛散したブレード２１をケース本体４１内に閉じ込めることと、ケース本体４１の板厚の薄肉化及び軽量化とを両立できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるファンケースに係り、特に、複数平行に配向された繊維によって強化された複合材製のファンケース及びその製造方法に関する。

航空機用のエンジンとして用いられるターボファンエンジンは、推力の大部分を発生させるファンと、ファンの後方に配置されファンを駆動するためのタービンを備えたコアエンジン（ターボジェットエンジン）とから構成されている。ファンとコアエンジンとは同軸に配置されており、エンジン前面からファンに吸い込まれた空気は、ファンを通ってそのまま後方に排気されるもの（Ｇｆ）と、コアエンジンに入って燃焼されてタービンを回転させた後に後方に排気されるもの（Ｇｃ）とに分かれる。これらの比（Ｇｆ／Ｇｃ）をバイパス比という。

バイパス比が高い方が燃費が良いため、近年、高バイパス比のターボファンエンジンが開発されている。バイパス比を高めると、コアエンジンの直径に対してファンの直径が大きくなるため、ファンを囲むように筒状に形成されたファンケースの直径も大きくなる。このファンケースの大径化に伴って、これまでファンケースはチタンやアルミ合金等から製造されてきたが、軽量化と強度との両立を図るためファンケースに繊維強化複合材を用いることが提案されている（特許文献１〜６）。

この種の複合材製のファンケースは、複数平行に配向された繊維の層を複数積層し、繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を加熱により硬化させることによって製造される。詳しくは、複合材製のファンケースは、ファンを囲繞するようにフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によって巻回されて複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを複数積層し、貼り付けて構成されている。

従来、ロービング層のロービング繊維の配向は、ファンケースの周方向と略平行に設定され、ファブリック層の第１繊維と第２繊維との配向は、ファンケースの軸方向に対して線対称に設定されていた。また、ロービング層とファブリック層との層数比やそれら各層の繊維の配向は、ファンケース全体の剛性及び強度を最適化するように設定されていた。

特開２０１１−９８５２３号公報 特開２０１１−９８５２４号公報 特開２００５−２９９６５４号公報 特開２００７−３２１７５７号公報 特開２００９−１０７３３７号公報 特開２００８−１５７２２９号公報

ところで、ファンの回転中、ファンのブレードが何等かの原因で破損し、ブレード（以下ファンブレードとも言う）が遠心方向に飛散するファンブレードアウト（Fan Blade Out：ＦＢＯ）が知られている。ＦＢＯが発生した際、飛散したファンブレードがファンケースを突き破ると、深刻な事故に発展するため、飛散したファンブレードをファンケース内に閉じ込める必要がある。

従来の複合材製のファンケースにおいては、繊維の層数を増やして板厚を厚くすることでＦＢＯ時に飛散したファンブレードをファンケース内に閉じ込める対策や、飛散したファンブレードが衝突する範囲（コンテイメントエリア）にハニカム構造物を配設することで飛散したファンブレードをファンケース内に閉じ込める対策が取られている。しかし、これらの対策では、ファンケースの厚みが大きくなり、重量増に繋がってしまう。

すなわち、従来の複合材製のファンケースにおける繊維の配向は、ファンケース全体の構造強度と成形性を考慮して設定されており、ＦＢＯ時に飛散するファンブレードの衝突に対して最適化されたものではなかった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ＦＢＯ時に飛散するファンブレードの衝突を考慮して繊維の配向を工夫することで、薄く且つ軽量化を図った複合材製のファンケース及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明によれば、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、ケース本体が、ファンを囲って複数平行に配向された繊維を有するファンケースであって、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、繊維の配向が、ファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度に設定されたことを特徴とするファンケースが提供される。

また、本発明によれば、上述した繊維を備えたファンケースの製造方法であって、回転体に繊維を巻き付けて樹脂で一体化させる第１工程と、樹脂で一体化された繊維を回転体から帯状に剥離する第２工程と、剥離した帯状体を繊維が斜めになるように板状に切り出す第３工程とを備え、第３工程により切り出した板状の素材を用いて円筒状のケース本体を成形し、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、繊維の配向を、ファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度としたことを特徴とするファンケースの製造方法が提供される。

また、本発明によれば、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、ケース本体が、ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、ロービング層のロービング繊維の配向が、ファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度に設定されたことを特徴とするファンケースが提供される。

また、本発明によれば、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、ケース本体が、ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、ロービング層のロービング繊維がファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度が、ファブリック層の第１繊維又は第２繊維と投影線との成す角度よりも直角に近く、ロービング層の層数がファブリック層の層数よりも多いことを特徴とするファンケースが提供される。

また、本発明によれば、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、ケース本体が、ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、ファブリック層の第１繊維又は第２繊維がファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度が、ロービング層のロービング繊維と投影線との成す角度よりも直角に近く、ファブリック層の層数がロービング層の層数よりも多いことを特徴とするファンケースが提供される。

また、本発明によれば、上述したロービング層を備えたファンケースの製造方法であって、回転体に繊維を巻き付けて樹脂で一体化させる第１工程と、樹脂で一体化された繊維を回転体から帯状に剥離する第２工程と、剥離した帯状体を繊維が斜めになるように板状に切り出す第３工程とを備え、第３工程により切り出した板状の素材を用いて円筒状のケース本体のロービング層を成形し、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、ロービング層のロービング繊維の配向を、ファンのブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度としたことを特徴とするファンケースの製造方法が提供される。

上述した横切る角度は、９０度プラスマイナス３０度の範囲であることが好ましい。

本発明に係るファンケースによれば、ＦＢＯ時に飛散するファンのブレードの衝突を考慮し、少なくともファンケースのコンテイメントエリアにおいては、ファンを囲って複数平行に配向された繊維を、ブレードの先端をケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度に設定している。従って、ＦＢＯ時に飛散したブレードの先端がケース本体の内周面に衝突した際の衝撃を、繊維によって効率よく吸収できる。よって、飛散したファンのブレードをケース本体内に閉じ込めることと、ケース本体の板厚の薄肉化及び軽量化とを両立することができる。

本発明に係るファンケースを備えたターボファンエンジンの概略側断面図である。 （ａ）はロービング層、（ｂ）はファブリック層、（ｃ）はそれらが積層されたものの夫々概要を示す説明図である。 （ａ）はＦＢＯ時に飛散したファンのブレード先端の投影線とファンケースの繊維の配向との関係を示す説明図であり、（ｂ）はブレード先端の形状を示す説明図である。 （ａ）は本発明のファンケースを製造するための第１工程を示す説明図、（ｂ）は同じく第２工程を示す説明図、（ｃ）は同じく第３工程を示す説明図である。 ロービング層とファブリック層との積層の一例を示すファンケースの部分断面図である。 ＦＢＯ時に飛散するファンのブレードを模したテストピース（Projectile：飛翔体）をファンケースに衝突させる際におけるロール角度の説明図である。 テストピースのロール角度（ＰＪロール角度）を変動させた際における、ＰＪロール角度０°に対する吸収エネルギー比を表す説明図である。 （ａ）はファブリック層とロービング層との比が１対１のファンケースの部分断面図、（ｂ）はファブリック層とロービング層との比が１対４のファンケースの部分断面図、（ｃ）はファブリック層とロービング層との比が４対１のファンケースの部分断面図である。 上述したテストピースがＰＪロール角度０°で図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す各ファンケースの内面に衝突した際の衝撃エネルギーと吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。 上述したテストピースがＰＪロール角度９０°で図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す各ファンケースの内面に衝突した際の衝撃エネルギーと吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ターボファンエンジン）
図１に、本発明の実施形態に係るファンケースを備えたターボファンエンジンの概略側断面図を示す。ターボファンエンジン１は、推力の大部分を発生させるファン２と、ファン２の後方に配置されファン２を駆動するためのタービンを備えたコアエンジン３とから構成されている。

コアエンジン３は、上流側から下流側に向かって、低圧コンプレッサ３１、高圧コンプレッサ３２、燃焼室３３、高圧タービン３４、低圧タービン３５、ファンタービン３６が配置されたターボジェットエンジンから構成されている。高圧タービン３４は高圧コンプレッサ３２に高圧シャフト３７で連結され、低圧タービン３５は低圧コンプレッサ３１に低圧シャフト３８で連結され、ファンタービン３６はファン２にファンシャフト３９で連結されている。なお、高圧タービン３４及び高圧コンプレッサ３２と、低圧タービン３５及び低圧コンプレッサ３１とは、何れか一方を省略してもよい。

ファン２は、周方向に間隔を隔てて配置された複数のブレード２１（以下ファンブレードとも言う）を備えており、ファン２の周囲には、ファン２を囲むようにして略円筒状に形成されたファンケース４が配設されている。ファンケース４は、コアエンジン３のケーシング３０に、周方向に間隔を隔てて複数配設されたストラット（支柱）５を介し、取り付けられている。すなわち、ターボファンエンジン１は、ファン２を囲む略円筒状のファンケース４を有する。

（ファンケース：第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るファンケース４は、筒状に形成され内部にファン２が収容されるケース本体４１を備え、ケース本体４１は、ファン２を囲って複数平行に配向された繊維を有する。詳しくは、ケース本体４１は、図２（ａ）に示すようにファン２を囲って複数平行に配向されたロービング繊維ｒ１を有するロービング層Ｒと、図２（ｂ）に示すように複数平行に配向された第１繊維ｆ１及び第１繊維ｆ１に交差するように複数平行に配向された第２繊維ｆ２を有するファブリック層Ｆ（Non Crimp Fabric：ＮＣＦ）とを複数積層して貼り付けることで、図２（ｃ）に示すように複数平行に配向された繊維ｒ１、ｆ１、ｆ２の層が重ねられて構成されている。

ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１及び第２繊維ｆ２には、炭素繊維、アラミド繊維又はガラス繊維等の強化繊維が用いられており、これらの繊維及び各層は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂によって一体化されている。すなわち、このファンケース４は、複数平行に配向された繊維の層を積層することによって樹脂が強化された複合材（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics、ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）製となっている。

本実施形態に係るファンケース４においては、図３（ａ）に示すように、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向は、従来例のようにファンケース４の周方向と略平行な方向に限定されるものではなく、ファン２のブレード２１（ファンブレード）の先端をケース本体４１の内周面に投影した投影線Ｌを、横切る角度に設定されている。この投影線Ｌは、ファンブレード２１の先端２２が図３（ｂ）に示すように翼型に形成されている場合には、その前縁２２ａと後縁２２ｂとを結ぶライン２２ｃをケース本体４１の内周面に投影した線となる。なお、図３（ａ）ではロービング繊維ｒ１の間隔が作図上の都合により広く描かれているが、実際にはロービング繊維ｒ１の間隔は隣り合う繊維同士が密接するように極めて狭くなっている。

このような構成のファンケース４によれば、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１の先端２２がケース本体４１の内周面に衝突した際、ファンブレード２１の先端２２の投影線Ｌを横切るように配向されたロービング繊維ｒ１が多数断ち切られることになり、吸収エネルギーが大きくなる。よって、ロービング繊維ｒ１の配向が投影線Ｌと略平行な場合と比べると、ＦＢＯ時に飛散したブレード２１の先端がケース本体４１の内周面に衝突した際の衝撃を、多くのロービング繊維ｒ１によって捕捉して吸収できる。従って、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１がファンケース４を突き破ることを、繊維の積層数を増大させることなく防止できる。

この結果、本実施形態に係るファンケース４によれば、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１をケース本体４１内に閉じ込めることと、ケース本体４１の板厚の薄肉化及び軽量化とを両立できる。換言すれば、このファンケース４によれば、従来のように繊維の層数を増やして板厚を厚くする対策や、飛散したファンブレード２１が衝突する範囲にハニカム構造物を配設する対策を施すことなく、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１をファンケース４内に効率よく閉じ込めることができ、板厚の薄肉化及び軽量化を推進できる。また、従来と同じ重量であれば、より大きなＦＢＯ荷重に耐え得るファンケース４を提供できる。

ロービング繊維ｒ１が投影線Ｌを横切る角度は９０度が好ましい。９０度の場合、投影線Ｌを横切るロービング繊維ｒ１の本数が最も多くなり、衝撃吸収効果が最大となるからである。但し、この角度は、９０度プラスマイナス３０度の範囲（６０度〜１２０度）でもよい。６０度未満或いは１２０度を超えると、投影線Ｌを横切るロービング繊維ｒ１の本数が少なくなり、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１の先端２２を捉えてその衝撃エネルギーを吸収するために必要な本数を下回ってしまうからである。

ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向を投影線Ｌを横切る角度（６０度〜１２０度）とするＦＢＯ対策構造は、ＦＢＯ時に飛散したファンブレード２１をファンケース４内に閉じ込めるためであるので、飛散したファンブレード２１がケース本体４１の内周面に衝突する範囲に設定されていればよい。すなわち、ＦＢＯ対策構造は、図１に示すファンケース４のファンブレード２が対向するコンテイメントエリア４ａに設定され、コンテイメントエリア４ａの前部エリア４ｂ及び後部エリア４ｃについては設定する必要がない。

前部エリア４ｂ及び後部エリア４ｃにおいては、ロービング層Ｒとファブリック層Ｆとの層数比やそれら各層の繊維の配向は、従来と同様にファンケース４全体の剛性及び強度を最適化する全体対策構造に設定すればよい。但し、前部エリア４ｂ及び後部エリア４ｃについても、ＦＢＯ対策構造を採用することを妨げるものではない。また、前部エリア４ｂとコンテイメントエリア４ａとを一体的にＦＢＯ対策構造とし、後部エリア４ｃを全体対策構造としてもよい。少なくともコンテイメントエリア４ａにＦＢＯ対策構造を適用することで、コンテイメントエリア４ａを薄くでき、ファンケース４の軽量化に繋がる。

（ファンケースの製造方法）
上述した本実施形態に係るファンケース４においては、投影線Ｌを横切るように配向されるロービング繊維ｒ１は、ファンケース４の周方向に対して斜めに配向されることが多い。その製造方法を図４を用いて説明する。

先ず、図４（ａ）に示すように、第１工程として、図示しない駆動手段によって回転された回転体（マンドレル）６に繊維（ロービング繊維ｒ１）を軸方向に僅かずつ移動（トラバース）させながら巻き付け、樹脂で一体化させる作業を行う。繊維には、炭素繊維、アラミド繊維又はガラス繊維等の強化繊維が用いられ、樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。繊維に樹脂を含浸させて巻き付けてもよく、巻き付けた繊維に樹脂を吹き付けてもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、第２工程として、樹脂で一体化された繊維ｒ１を回転体６から帯状に剥離する作業を行う。そして、図４（ｃ）に示すように、第３工程として、剥離した帯状体７を繊維ｒ１が斜めになるように板状に切り出す作業を行う。第３工程により切り出した板状の素材８を用いて円筒状のケース本体４１のロービング層Ｒを成形し、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向を、ファン２のブレード２１の先端２２をケース本体４１の内周面に投影した投影線Ｌを横切る角度（既述のように９０度が好ましく、６０度〜１２０度でもよい）とする。

詳しくは、第３工程により切り出した板状の素材８を用いて円筒状に成形されるロービング層Ｒは、その成形の際に他のファブリック層Ｆやロービング層Ｒと積層される。こうして、ロービング層Ｒとファブリック層Ｆとが複数積層されて円筒状に成形されたものを加熱炉に収容し、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱することで、ロービング層Ｒとファブリック層Ｆとが積層され一体化された複合材製のファンケース４が製造される。

図５にロービング層Ｒとファブリック層Ｆとを積層したファンケース４の一例を示す。この例では、ファンケース４の内径側から外径側にかけて、第１繊維ｆ１の層と第２繊維ｆ２の層とを有するファブリック層Ｆが３層配設され、その外側にロービング繊維ｒ１を有するロービング層Ｒが３層配設され、構成されている。製造の際には、回転体６（マンドレル）に予め成形しておいたファブリック層Ｆを巻き付けた後、そのファブリック層Ｆの上をロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１で縛っていくことになる。なお、ファンケース４の軸方向に対する各繊維の角度θ（図２（ｂ）参照）は、例えば、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１で４５度、第２繊維ｆ２で−４５度、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１で９０度とする。但し、これらの角度に限定されるものではない。

上述した第１実施形態に係るファンケース４においては、複数積層されたロービング層Ｒとファブリック層Ｆとの内、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向を、投影線Ｌを横切る角度とすることでＦＢＯ対策としている。このような構造は、既存のファンケース４に基づいて新たなファンケース４を設計する際、ロービング層Ｒとファブリック層Ｆとの層数比が、ファンケース４全体の剛性要求・強度要求・成形性等から変更できない場合に適用される。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るファンケース４は、上述した第１実施形態に係るファンケース４と基本的な構成要素は同一であるが、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向角度を工夫するのではなく、ロービング層Ｒの層数とファブリック層Ｆの層数との比を工夫することで、ＦＢＯ対策としている点が第１実施形態と相違する。よって、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

第２実施形態に係るファンケース４のケース本体４１は、第１実施形態と同様に、ファン２を囲って複数平行に配向されたロービング繊維ｒ１を有するロービング層Ｒと、複数平行に配向された第１繊維ｆ１及び第１繊維ｆ１に交差するように複数平行に配向された第２繊維ｆ２を有するファブリック層Ｆとを複数積層して構成されている。

第２実施形態に係るファンケース４においては、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１がファン２のブレード２１の先端２２をケース本体４１の内周面に投影した投影線Ｌを横切る角度が、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１又は第２繊維ｆ２と投影線Ｌとの成す角度よりも直角に近く、且つロービング層Ｒの層数がファブリック層Ｆの層数よりも多い構成となっている。

すなわち、このファンケース４は、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の方がファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１又は第２繊維ｆ２よりもＦＢＯ対策として効果の大きな配向角度となっており、そのロービング層Ｒの層数をファブリック層Ｆの層数よりも多くすることで、ファンケース４全体としてＦＢＯ対策の効果を高めようとする構造である。第２実施形態に係るファンケース４の作用効果は、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
第３実施形態に係るファンケース４は、上述した第２実施形態に係るファンケース４と基本的な構成要素は同一であり、ロービング層Ｒの層数とファブリック層Ｆの層数との比を工夫することで、ＦＢＯ対策としている点も第２実施形態と同様である。よって、第２実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

第３実施形態に係るファンケース４のケース本体４１は、第１、第２実施形態と同様に、ファン２を囲って複数平行に配向されたロービング繊維ｒ１を有するロービング層Ｒと、複数平行に配向された第１繊維ｆ１及び第１繊維ｆ１に交差するように複数平行に配向された第２繊維ｆ２を有するファブリック層Ｆとを複数積層して構成されている。

第３実施形態に係るファンケース４においては、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１又は第２繊維ｆ２がファン２のブレード２１の先端２２をケース本体４１の内周面に投影した投影線Ｌを横切る角度が、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１と投影線Ｌとの成す角度よりも直角に近く、且つファブリック層Ｆの層数がロービング層Ｒの層数よりも多い構成となっている。

すなわち、このファンケース４は、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１又は第２繊維ｆ２の方がロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１よりもＦＢＯ対策として効果の大きな配向角度となっており、そのファブリック層Ｆの層数をロービング層Ｒの層数よりも多くすることで、ファンケース４全体としてＦＢＯ対策の効果を高めようとする構造である。第３実施形態に係るファンケース４の作用効果は、第１、第２実施形態と同様である。

（その他）
上述した第２、第３実施形態に係るファンケース４は、既存のファンケース４に基づいて新たなファンケース４を設計する際、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向角度を変更することが上述したように成形性等の観点から許容できないが、ロービング層Ｒの層数とファブリック層Ｆの層数との比の変更は許容される場合に適用される。

また、第２、第３実施形態のファンケース４の製造方法は、第１実施形態のファンケース４の製造方法と同様である。但し、第２、第３実施形態においては、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の配向をファンケース４の周方向と略平行としても構わないので、ロービング層Ｒをフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によって製造してもよい。

第１、第２、第３実施形態に係るファンケース４におけるファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１及び第２繊維ｆ２の配向は、ファンケース４の軸方向に対して線対称（例えば図３（ｂ）に示すように、４５度、−４５度）に設定されてもよいが、これに限られるものではない。また、第１繊維ｆ１の配向角度と第２繊維ｆ２の配向角度とは、プラスマイナスの符号を除去した数値（絶対値）が異なっていてもよい。

（実験、シミュレーション）
図６は、ＦＢＯ時に飛散するファン２のブレード２１を模した断面矩形のテストピースＴＰ（Projectile：飛翔体）をファンケース４に衝突させる際におけるロール角度θ（ＰＪロール角度）の説明図である。ＰＪロール角度θは、エンジン軸方向（ファンケース４軸方向）に対するテストピースＴＰの傾き角度である。なお、このファンケース４においては、ロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１がエンジン軸方向に対して直角（９０度）に配向され、ファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１が４５度に第２繊維ｆ２が−４５度に配向されている。

図７は、上述したテストピースＴＰのロール角度θ（ＰＪロール角度）を変動させた際における、ＰＪロール角度０度に対する吸収エネルギー比を表す説明図である。図示するように、ＰＪロール角度０度のときの吸収エネルギーを１としたとき、ＰＪロール角度４５度の吸収エネルギー比は０．７１であり、ＰＪロール角度６０度の吸収エネルギー比は０．７６であり、ＰＪロール角度９０度の吸収エネルギー比は０．７７となる。よって、ＰＪロール角度０度のとき、即ちテストピースＴＰがロービング繊維ｒ１を直角に横切る場合が最も吸収エネルギーが高いことが分かる。

図８は、（ａ）はファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘの部分断面図、（ｂ）はファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対４のファンケース４ｙの部分断面図、（ｃ）はファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が４対１のファンケース４ｚの部分断面図である。図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）に記載された角度は繊維の配向角度であり、４５度、−４５度がファブリック層Ｆの第１繊維ｆ１、第２繊維ｆ２の角度、０度がロービング層Ｒのロービング繊維ｒ１の角度を表す。ここで、ファブリック層Ｆは、図５での定義と異なり、４５度の第１繊維ｆ１の層と−４５度の第２繊維ｆ２の層とで２層と定義し、ロービング層Ｒは０度のロービング繊維ｒ１を１層と定義している。各繊維ｆ１、ｆ２、ｒ１の層を、吸収エネルギーに関し、等しく扱うためである。

図９は、上述したテストピースＴＰが、ＰＪロール角度０度（ロービング繊維ｒ１と直交する角度）で、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す各ファンケース４ｘ、４ｙ、４ｚの内面に衝突した際の衝撃エネルギーと吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。

図示するように、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘは、衝撃エネルギーが４００Ｊの手前までは吸収エネルギーが衝撃エネルギーと略等しいが、４００Ｊを超えると衝撃エネルギーに対して吸収エネルギーが小さくなってしまい、衝撃エネルギーを吸収しきれなくなる。

○で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対４のファンケース４ｙは、衝撃エネルギーが４００Ｊを超える領域にて、衝撃エネルギーと吸収エネルギーとが略等しくなっており、衝撃エネルギーを吸収する状態が保たれている。また、衝撃エネルギーを一定として考えた場合、衝撃エネルギーが４００Ｊを少し上回った点で考察すると、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘの吸収エネルギーが３００Ｊ程度であるのに対し、○で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対４のファンケース４ｙの吸収エネルギーは４００Ｊ程度となっている。すなわち、ファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比を１対１から１対４に変更すると、吸収エネルギーが約３００Ｊから約４００Ｊに約３０％も増大する。

□で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が４対１のファンケース４ｚと、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘとを比較すると、前者の吸収エネルギーは後者の吸収エネルギー全般的に吸収エネルギーに対して微減する。すなわち、ファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比を１対１から４対１にすると、吸収エネルギーが微減してしまう。

結論として、テストピースＴＰが、ＰＪロール角度０度（ロービング繊維ｒ１と直交する角度）の場合、全体の層数を変更することなくロービング層Ｒの層数の割合を高めることが、吸収エネルギーを増大させるために有効であることが分かる。

図１０は、上述したテストピースＴＰが、ＰＪロール角度９０度（ロービング繊維ｒ１と平行な角度）で、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す各ファンケース４ｘ、４ｙ、４ｚの内面に衝突した際の衝撃エネルギーと吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。

図示するように、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘと、○で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対４のファンケース４ｙとを比較すると、後者の吸収エネルギーは前者の吸収エネルギーよりも全般的に小さくなる。衝撃エネルギーを一定として考えた場合、衝撃エネルギーが３００Ｊを少し上回った点で考察すると、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘの吸収エネルギーが２３０Ｊ程度であるのに対し、○で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対４のファンケース４ｙの吸収エネルギーは１８０Ｊ程度となっている。すなわち、ファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比を１対１から１対４に変更すると、吸収エネルギーが約２５０Ｊから約１８０Ｊに約２８％も減少してしまう。

□で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が４対１のファンケース４ｚと、△で表されたファブリック層Ｆとロービング層Ｒとの比が１対１のファンケース４ｘとを比較すると、前者の吸収エネルギーは後者の吸収エネルギーよりも微増する。

結論として、テストピースＴＰが、ＰＪロール角度９０度（ロービング繊維ｒ１と平行な角度）の場合、全体の層数を変更することなくファブリック層Ｆの層数の割合を高めることで吸収エネルギーを微増させることができるが、有効性は高くはないことが分かる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

本発明は、筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるファンケースであって、複数平行に配向された繊維によって強化された複合材製のファンケース及びその製造方法に利用できる。

１ ターボファンエンジン
２ ファン
２１ ブレード（ファンブレード）
２２ 先端
４ ファンケース
４１ ケース本体
Ｒ ロービング層
ｒ１ ロービング繊維
Ｆ ファブリック層
ｆ１ 第１繊維
ｆ２ 第２繊維
Ｌ 投影線
６ 回転体（マンドレル）
７ 帯状体
８ 板状の素材

Claims (8)

1. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向された繊維を有するファンケースであって、
   少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、前記繊維の配向が、前記ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度に設定されたことを特徴とするファンケース。
2. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び該第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、
   少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、前記ロービング層のロービング繊維の配向が、前記ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度に設定されたことを特徴とするファンケース。
3. 前記横切る角度が、９０度プラスマイナス３０度の範囲である請求項１又は２に記載のファンケース。
4. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び該第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、
   少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、前記ロービング層のロービング繊維が前記ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度が、前記ファブリック層の第１繊維又は第２繊維と前記投影線との成す角度よりも直角に近く、
   前記ロービング層の層数が前記ファブリック層の層数よりも多いことを特徴とするファンケース。
5. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び該第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースであって、
   少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、前記ファブリック層の第１繊維又は第２繊維が前記ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度が、前記ロービング層のロービング繊維と前記投影線との成す角度よりも直角に近く、
   前記ファブリック層の層数が前記ロービング層の層数よりも多いことを特徴とするファンケース。
6. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向された繊維を有するファンケースの製造方法であって、
   回転体に繊維を巻き付けて樹脂で一体化させる第１工程と、
   樹脂で一体化された繊維を前記回転体から帯状に剥離する第２工程と、
   剥離した帯状体を前記繊維が斜めになるように板状に切り出す第３工程とを備え、
   第３工程により切り出した板状の素材を用いて円筒状のケース本体を成形し、少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、前記繊維の配向を、ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度としたことを特徴とするファンケースの製造方法。
7. 筒状に形成され内部に回転するファンが収容されるケース本体を備え、該ケース本体が、前記ファンを囲って複数平行に配向されたロービング繊維を有するロービング層と、複数平行に配向された第１繊維及び該第１繊維に交差するように複数平行に配向された第２繊維を有するファブリック層とを積層して成るファンケースの製造方法であって、
   回転体に繊維を巻き付けて樹脂で一体化させる第１工程と、
   樹脂で一体化された繊維を前記回転体から帯状に剥離する第２工程と、
   剥離した帯状体を前記繊維が斜めになるように板状に切り出す第３工程とを備え、
   第３工程により切り出した板状の素材を用いて円筒状のケース本体のロービング層を成形し、少なくとも前記ファンケースのコンテイメントエリアにおいては、該ロービング層のロービング繊維の配向を、ファンのブレードの先端を前記ケース本体の内周面に投影した投影線を横切る角度としたことを特徴とするファンケースの製造方法。
8. 前記横切る角度が、９０度プラスマイナス３０度の範囲とした請求項６又は７に記載のファンケースの製造方法。

Images