JP2014523500A - タービンエンジンファンケーシング、およびこの種のケーシングおよび音響パネルによって形成されるアセンブリ - Google Patents

タービンエンジンファンケーシング、およびこの種のケーシングおよび音響パネルによって形成されるアセンブリ Download PDF

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Abstract

マトリックスによって高密度化される繊維強化材を備える複合材のタービンエンジンファンケーシング(10)は、ケーシングの内面からおよび/または外面から突出するリブ(16、17)を有する単一部品として作製され、各リブは、製織によってまたはスティチングによってケーシングの残部の繊維強化材に接続される繊維強化部分を備える。内側では、リブは、ケーシングおよび音響パネルを備えるアセンブリを形成するために、音響パネル(20)をケーシングの内面に取り付ける働きをする。外側では、リブにより、装置はケーシングに取り付けられることが可能になる。

Description

本発明は、特に、タービンエンジン、特に航空機エンジン用のファンケーシングに関する。
この種のエンジンにおいては、ファンケーシングは、従来、いくつかの機能を実行する。このファンケーシングは、エンジンの中に空気入口通路を画定し、ファンブレードの先端に面するその内面にアブレイダブル材料を支持し、デブリのためのトラップを形成する保持シールドを組み込みまたは支持し、エンジンの入口において音響処理のための音波吸収体構造体を内側に支持し、その外面では、これは、ハーネス、配管、および他のユニットなどのさまざまな装置を支持する。
通常、繊維および有機マトリックスを備える繊維およびマトリックス複合材からファンケーシングを作製することがよく知られている。たとえば、欧州特許第1961923号明細書は、変化する厚さの三次元製織組織の重ねられた層を巻き付け、保持シールドのための、およびケーシングの上流および下流端部のフランジ用のプリフォーム部分を組み込むことによって得られる繊維プリフォームを高密度化することによって、この種のケーシングを作製することを説明している。
また、アブレイダブル被膜の片面または両面にそれの下流部分においておよび/またはその上流部分においてケーシングの内面に音響パネルを固締することによって音響処理を行うことがよく知られている。従来の方法では、パネルは、それぞれがケーシングの内周面の一部にわたって延在する並置セクタの形態になっており、パネルは、パネルに組み込まれるインサートを使って、およびねじを使ってケーシングに固締される。
そのように音響パネルを固締することは、いくつかの欠点を有する。これは、多数の部品(インサートおよびねじ)の使用を必要とし、ケーシングに穿孔されるべき孔を必要とする。同様に、複数の装置をねじを使ってケーシングの外面に固締することは、多数の穿孔されるべき孔を必要とする。残念ながら、複合材で作製されるケーシングの場合、ケーシングを繰り返して穿孔することは、複合材の機械的性質を損なうことがある。
欧州特許第1961923号明細書 欧州特許第2088290号明細書 仏国特許第2613773号明細書 国際公開第2006/136755号
本発明の目的は、このような欠点を回避することである。
この目的のために、本発明は、マトリックスによって高密度化され、ケーシングの内面または外面から突出する少なくとも1つのリブを有する単一部品として形成される繊維強化材を備える複合材で作製されるタービンエンジンファンケーシングであって、各リブが、製織によってまたはスティチングによってケーシングの残部の繊維強化材に接続される繊維強化部分を備えることを特徴とするファンケーシングを提案する。
したがって、ケーシングの内面または外面に音響パネルまたは他の装置を取り付ける際の使用に適した1つまたは複数のリブが、その製造時にケーシングと共にそれ自身形成される。
その長手方向において、各リブは、ケーシングの軸方向寸法の一部にわたって実質的に軸方向に延在することが好ましい。
繊維強化材は、重ねられた層に巻き付けられる製織組織によって形成され、各リブの繊維強化部分は、製織によって組織の内層または外層に固定されることが有利である。
その態様のうちのもう1つによれば、本発明は、ファンケーシング、およびケーシングの内面に固締される音響パネルからなるアセンブリを提供し、そのアセンブリにおいては、ケーシングは、マトリックスによって高密度化される繊維強化材を備える複合材で作製され、ケーシングの内面から突出し、かつケーシングの軸方向寸法の一部にわたって軸方向に延在するリブを有する単一部品として形成され、各リブは、製織によってまたはスティチングによってケーシングの残部の繊維強化材に接続される繊維強化部分を備え、音響パネルは、リブの間に収容され、それに固締される。
ケーシングおよび音響パネルアセンブリの一実施形態においては、繊維強化材は、重ねられた層に巻き付けられる製織組織によって形成され、各リブの繊維強化部分は、製織によって組織の内層に固定される。
ケーシングおよび音響パネルアセンブリの一実施形態においては、ケーシングは、単一部品として形成され、またケーシングの外面から突出し、かつ製織によってまたはスティチングによってケーシングの繊維強化材の残部に接続される繊維強化部分を含む少なくとも1つのリブを含む。
ケーシングは、ケーシングの外面から突出するこの種のリブに固締される少なくとも1つの装置を担持することができる。
もう1つの態様においては、本発明はまた、上記に規定されたようにファンケーシングまたはアセンブリが装着される、タービンエンジンを提供する。
本発明は、非限定的な指示として、添付の図面を参照して与えられる次の説明を読むとよりよく理解され得る。
航空機タービンエンジンの非常に概略的な図である。 図1に示される種類のタービンエンジンについて本発明により作製され得るファンケーシングの非常に概略的な軸方向半断面図である。 図1に示される種類のタービンエンジンについて本発明により作製され得るファンケーシングの非常に概略的な軸方向半断面図である。 図1に示される種類のタービンエンジンについて本発明により作製され得るファンケーシングの非常に概略的な軸方向半断面図である。 図2の平面Vによる部分断面図である。 図5の細部を拡大した図である。 図4の平面VIIによる部分断面図である。 本発明の実施形態において、図2に示されるファンケーシングなどのファンケーシングのための繊維プリフォームを作製するための多重製織組織の縮図による平坦図である。 図8の平面IXによる断面の拡大図である。 図8の組織から繊維プリフォームを作製する際のステップを示す図9の図と同様な図である。 本発明のファンケーシングを作製するためにツーリングに形成されるファンケーシング繊維プリフォームを示す概略半径方向断面図である。 図11の細部の拡大図である。 図11の細部の拡大図である。 図11のツーリングの非常に概略的な部分断面図である。 本発明のファンケーシングのための繊維プリフォームの別の実施形態を示す半径方向部分断面図である。 図3および図7に示される種類のファンケーシングを作製するためにツーリングに形成される別のファンケーシング繊維プリフォームを示す概略半径方向断面図である。
本発明は、航空機タービンエンジンのファンケーシングへの応用という見地から下記に説明される。
図1に概略的に示されるように、この種のタービンエンジンは、ガス流の流れ方向の上流から下流に、エンジンの入口に配置されるファン1、圧縮機2、燃焼室3、高圧(HP)タービン4、および低圧(LP)タービン5を備える。タービン4および5は、それぞれの同軸シャフトを介して圧縮機2に、およびファン1にそれぞれ結合される。エンジンは、その要素の異なるものに対応する複数の部分を有するケーシングに収容される。したがって、ファン1は、その外面に、ハーネス、配管、および他のユニット(図示せず)などのさまざまな装置を支持することができるファンケーシング10によって囲まれている。
図2に示されるように、ケーシング10は、その端部にフランジ13および14を有し、ファンのブレード11の先端に対向して位置している部分において、ケーシング10は、保持シールド15を形成する余肉を有する。フランジ13および14は、ファンケーシングを上流および下流で他の装置に接続する働きをする。保持シールド15は、デブリがケーシングを通過し、かつ航空機の他の部分に到達するのを防止するために、遠心射出されるデブリのためのトラップを構成する。
また、ブレード11の先端に対向して位置しているその部分において、ケーシング10は、その内面にアブレイダブル被膜12を有する。知られた方法で、被膜12は、たとえば欧州特許第2088290号明細書で説明されるように、ケーシング10に固締され、かつアブレイダブル材料で裏張りされる並置されたパネルで出来ていてもよい。
やはり知られた方法で、ケーシング10には、その内面に少なくとも1つの防音被膜が設けられる。図2、図5、および図6の実施形態においては、防音被膜は、アブレイダブル被膜12とケーシングの下流端部との間でケーシング10の下流部分に配置される一組の音響パネル20によって形成されるが、他方ではその上流部分において、その上流端部とアブレイダブル被膜12との間で、ケーシング10は、実質的に連続する壁を有する空気入口通路を画定するようにアブレイダブル被膜12の、および音響パネル20の内側表面と共に作用するように形成される。
図3および図4の実施形態においては、2つの防音被膜が設けられ、図2に示されるように、一方は、ケーシング10の下流部分に一組の音響パネル20からなり、他方は、その上流端部とアブレイダブル被膜12との間でケーシング10の上流部分に配置される一組の音響パネル20’からなり、アブレイダブル被膜12のパネル20’の、およびパネル20の内側表面は、空気入口通路を画定する。
一組の音響パネルの各パネル20、20’は、ケーシング10の内周面の一部にわたって延在し、一組の音響パネルは、たとえば、4個または6個のパネルを備える。よく知られているように、パネル20、20’は、ケーシング10の内面に押し付けられる外皮22、22’と複数の穿孔を有する内皮23、23’との間に配置されるハニカム構造体21、21’によって構成されることができ、ハニカムは、スキンの間に実質的に半径方向に延在する壁によって画定されるセルで出来ている。例示として、仏国特許第2613773号明細書の参照が行われ得る。
ケーシング10は、マトリックスで高密度化される繊維強化材を備える複合材で作製される。例示として、強化繊維は、炭素、ガラス、アラミド、またはセラミックで作製される。マトリックスは、有機マトリックス、たとえばエポキシ樹脂、ビスマレイミド、またはポリイミドポリマーであってもよい。
繊維強化材は、三次元製織または多層製織によって作製される繊維組織の重ねられた層またはターンを巻き付けることによって形成され、作製されることになるファンケーシングの形状に対応する形状を有する繊維プリフォームを得るように形成されることができ、繊維プリフォームは、ツーリングを使って形状が保持されながら高密度化される。欧州特許第1961923号明細書は、フランジ13、14に対応するプリフォーム部分で単一体を形成し、かつ保持シールド15に対応するプリフォーム部分を形成するために、変化する厚さの多重製織組織から得られるこの種の繊維プリフォームの実施形態を説明している。それにもかかわらず、フランジ13、14に対応するプリフォーム部分は、たとえばスティチングによって、別々に製作され、プリフォームの残部に接続され得ることが認められるべきである。また、保持シールド15に対応する余肉は、局所的な巻き過ぎによって得られ得ることが認められるべきである。
本発明によれば、ケーシング10は、ケーシングの内面および/または外面から突出する1つまたは複数のリブを有する単一体として作製され、有利なことに音響パネルおよび/または他の装置を取り付けるのに役立つ。
図2、図5、および図6の実施形態においては、リブ16は、アブレイダブル被膜12とケーシングの下流端部との間でケーシング10の下流部分に延在し、リブ16の長手方向は、軸方向に方向付けられる。リブ16は、有利なことに、たとえばT字状プロファイルを有する断面部材バーの形態になっている。リブ16の数は、音響パネル20の数に相当し、例示として、これらは、ケーシング10の軸線を中心に規則正しく配置され、パネル20は、同じ角度にわたって延在する。パネル20は、リブ16の間に配置される。図5でより詳しく示されるように、パネルの内皮23は、フランジの外側でリブ16のフランジ16aに押し当たるリム23aを形成するようにそれらの軸方向端縁に沿って延在する。リム23aは、連続するプロファイルが空気入口通路のために保存され得るようになるセットバックを形成する。パネル20は、リム23aをリブ16のフランジ16aに接続するねじまたはリベットなどのファスナー部材を用いて固締され得る。リブ16は、これがファスナー部材と関連させてパネル20を取り付けるのに適している限り、T字状以外の形状のプロファイルを有することができる。
図4および図7の実施形態においては、ケーシング10はまた、ケーシングと一体に形成され、かつケーシングの軸方向寸法の一部にわたって軸方向に延在するT字状プロファイルを有するリブ17をその外面に有する。リブ17(1つのみが示されている)は、ハーネス、配管、および他のユニットなどの、さまざまな種類の装置を固締する働きをする。リブ17は、必ずしもT字状プロファイルから成るには及ばず、これらは、任意の所望のプロファイル、たとえばL字状プロファイルから成ってもよい。
プリフォームの残部に固定されるリブ16に対応するプリフォーム部分を有するファンケーシングのための繊維プリフォームを作製する1つの方法が、図8から図10を参照して下で説明される。
図8および図9は、横糸T1でインターリンクされた縦糸C1の一組の層を備える第1の部分31と、縦糸C2の一組の層を備える第2の部分32とを有するストリップの形態の多重製織組織30を示す非常に概略的な図である。図8の矢印Cは、縦糸方向を示す。第1の部分31は、リブ16を含まないケーシングプリフォーム部分を形成することになり、リブ16に対応するプリフォーム部分は、第2の部分32から生じる。
図8においては、組織30の第1の部分31の網掛けゾーン33、34は、形成後にフランジ13、14に対応するケーシングのプリフォーム部分を構成することになる組織30の一部を表わし、組織30の第1の部分310の網掛けゾーン35は、形成後に保持シールド15に対応するケーシングプリフォーム部分を構成することになる組織30の一部を表わす。部分35の外側で、組織30の第1の部分31は、実質的に一定の、たとえば図9に示されるように横糸の5つの層でインターリンクされる縦糸の4つの層を有する厚さから成ることができ、もちろん、縦糸の、および横糸の層の数は異なることもできる。便宜上の理由で、横糸は、図9においては千鳥配列であるように示されており、縦糸の各層は、厚さ方向に相互にオフセットされるように示される2つの半層で出来ている。この例の多層製織は、インターロック織りを用いて行われ、すなわち縦糸は、同一の経路に従い、それらのそれぞれは、複数の層で横糸をインターリンクする。国際公開第2006/136755号で説明されるように、たとえばマルチサテン織りまたはマルチ平織などの、他の多層織りが使用されることもある。部分35においては、組織部分31の厚さは、縦糸の、および横糸の層の局所的付加によって増加され得る。
組織30の第2の部分32は、ケーシング10の上流および下流端部に対してリブ16の位置に実質的に対応する位置において第1の部分31の幅の一部にわたって延在し、これは、リブ16の軸方向寸法に実質的に対応する長さを有する。示されている例においては、第2の部分32は、リブ16とケーシング10の残部との間の接続部の位置においてのみ第1の部分に結合され、かつこれらの接続部の位置のどちらの側にもリブ16の展開高さに対応する長さにわたってのみ互いに結合される縦糸の2つの層を有する。図8において、破線によって画定されるゾーン36は、結合が第2の部分32の糸の層の間、および前記第2の部分32と第1の部分31との間で行われる位置を示している。このようなゾーンは、それの1つの端部から開始する繊維組織30の長さLのセグメントのみにわたって位置しており、長さLは、リブ16の位置と同じ高さのケーシング10の内側周囲に対応する。下で説明されるように、ケーシング繊維プリフォームを形成するために繊維組織30を形成することは、繊維組織30を巻き付けることによって行われる。ゾーン36の数は、リブ16の数に等しく、すなわち示されている例では4個である。繊維組織30の残部にわたって、すなわち長さLのセグメントを越えて、部分31および32においていかなる接続もないし、部分32において縦糸の層のいかなる接続もない。繊維組織30の部分32における横糸の存在は、部分32の縦糸の層の接続があるゾーンにのみ限定され得ることが認められるべきである。
ゾーン36において、図9は、部分32の縦糸C2が部分32の横糸T2と、および部分31の横糸T1といかに結合されるかを示し、多層織りは、たとえばインターロックタイプである。
組織30で始まるケーシング繊維プリフォームを形成するために、第2の部分32の縦糸は、ゾーン36において以外は取り除かれる。各ゾーン36において、部分31の横糸とインターリンクされる部分32の縦糸のどちらの側にも、この場合、非インターリンクゾーン361’および362’によって部分31から分離される製織部分361および362が残る(図9および図10)。次いで、織り部分は、リブ16用のプリフォームを構成する部分を形成するように並んで持ってこられるために、外側へ折り返され得る(矢印f)。
図11および図12は、繊維組織30を巻き付けることによってケーシングのための繊維プリフォーム50を形成するのに適したツーリングを示している。マンドレル40は、軸方向に延在する端縁を有する実質的に環状のセクタ42で出来ており、この軸方向に延在する端縁は、部分361および362が開かれた後に、リブ16のプリフォーム部分56にアングル形状を与えるのに寄与する部品43と接触する。追加部品44は、セクタ42の軸方向端縁の間に配置され、これらは、リブ16の基部に当たっており、セクタ42は、リブ16のそれよりも大きい半径方向寸法を有する。部品43および44は、リブ16のプリフォーム56を形成する働きをし、また、部品44は、内側でシーリングを有するツーリング40を形成する働きをする。部品44は、それらの露出面に当たっているブリッジ(図示せず)によって所定の場所に保持され、たとえばねじ締結によって内側でセクタ42の円周方向端部に固締され得る。
リブ16用のプリフォーム部分56を有する繊維組織30の第1のターンまたは層を形成した後、繊維組織は、1つまたは複数の重ねられたターンまたは層を形成するようにマンドレル40に巻き付けられ、次いで、繊維組織30は、その第1の部分31のみによって構成される。ターンまたは層の数は、繊維組織30の厚さを考慮すれば、所望の総厚みに応じたものとする。図13に示されるように、その長手方向端部の末端部分37、38において、長手方向端部から徐々に増加する繊維組織30の厚さの部分31を与えることができ、繊維組織30の長さは、末端部分が巻き付けられた繊維組織の端部において顕著な余肉を回避するように全く対向するように選択され得る。
図14に示されるように、セクタ42は、ケーシング10の内面に所望のプロファイルを与えるように、かつフランジ用のプリフォーム部分を形成するように形成される。したがって、作製されることになるケーシング10の形状に合致する形状を有する繊維プリフォーム50が得られる。
例示として、プリフォーム50は、所望のマトリックス、たとえば樹脂のための先躯体である組成物で含浸されることによって高密度化され得る。樹脂トランスファー成形(RTM)タイプの知られている含浸工程を使用することができ、プリフォーム50は、ツーリング40と、その外側表面に押し付けられる相補形のツーリング(図示せず)との間に保持される。樹脂が硬化した後に、高密度化されたプリフォームがツーリングから取り出されることができ、任意に、仕上げ加工がケーシングに行われ得る。
図11に示される例においては、巻き付けられた組織30の第1のターンまたは層の開始と終わりは、リブ16用の2つのプリフォーム部分の間に位置している。変形においては、組織30の第1のターンまたは層の開始と終わりは、リブ16用のプリフォーム部分の位置にあることができ、次いで、対応するゾーン36は、繊維組織30の長さLのセグメントの端部に位置している2つの同様なハーフゾーンとして共有される。
図15は、巻き付け後に、その中に組み込まれるリブ16を有するケーシング10用のプリフォームを得ることができる繊維組織の異なる実施形態を示している。この変形においては、図8および図9のせいぜい部分31を備えるストリップの形態の繊維組織が、三次元製織または多層製織によって作製され、リブ用のプリフォーム部分は、織り繊維組織から別々に形成され、たとえばスティチングによってまたは糸を埋め込むことによって組織30の第1の部分31に接続される。示されている例においては、各リブプリフォーム部分36’は、スティチングによって部分31に固締されるフランジ361’aおよび362’aを形成するように、並んでおりかつ長手方向端縁に沿って折り曲げられる2つのストリップ361’および362’で出来ている。繊維プリフォームは、プリフォーム50について上で説明されたようにツーリングを使って形成される。
もちろん、図3の実施形態においては、パネル20およびパネル20’は、ケーシングに組み込まれ、かつリブ16について上で説明されたように得られるリブを用いて、同様な方法で取り付けられることもできる。次いで、ケーシングのための繊維プリフォームは、パネル20’のその上流端部に対応する位置からパネル20の下流端部に対応する位置まで連続的に延在するリブプリフォーム部分で作製されることが好ましい。次いで、パネル20’およびパネル20の位置の間の隙間におけるリブの中央部分は、プリフォームが高密度化された後にケーシングの最終加工中に取り除かれる。
上の説明は、ケーシングの内側に音響パネルを取り付ける目的のために、リブ16をファンケーシングに組み込むのに適した繊維プリフォームを作製し形成することに関する。
ファンケーシングに1つまたは複数のリブを組み込むことができる繊維プリフォームを作製し形成するために同様な方法で進むことができ、この1つまたは複数のリブは、ケーシングの内側であれ外側であれ、軸方向に延在し、音響パネル以外の装置を取り付ける際に使用するためのものである。
特に、図4および7に示されるケーシングに関する限りでは内側に音響パネルを固締する際に使用するためのリブ用の第1のプリフォーム部分、および外側に装置を固締する際に使用するためのリブ用の第2のプリフォーム部分を組み込むファンケーシングプリフォームを作製することができる。
図16は、音響パネルを固締するためのリブ16用のプリフォーム部分56’、およびケーシングの外側に装置を固締するためのリブ17用のプリフォーム部分57’を有するツーリングを使って形成されるこの種の繊維プリフォーム50’を示しており、プリフォーム50’は、プリフォーム部分57’の追加的な存在によってプリフォーム50と異なっている。
プリフォーム50’を得るために、たとえば図8から図10を参照して説明されるのと同じ原理で、重ねられたターンで多重製織組織を巻き付けることができるが、第2の部分32が部分31の他の長手方向端部部分に配置されるその側と反対の第1の部分31の側において縦糸の層の追加の組を加え、その結果、展開および形成後に、巻き付けられた組織の最後のターンの外側から突出するプリフォーム部分57’を得るための必要な非インターリンクとなる。図15に示されるように、変形においては、プリフォーム部分56’および/または57’をスティチングによって取り付けることができる。
プリフォーム50’を形成するために、図11に示されるものと同様なツーリング40が内側で使用される。外側では、ツーリングは、プリフォーム部分57’を形成するために環状部分45および部品46、47を有する相補金型を備える。
プリフォーム50’は、プリフォーム50について説明されたように高密度化される。

Claims (7)

  1. マトリックスによって高密度化され、ケーシングの内面または外面から突出する少なくとも1つのリブ(16、17)を有する単一部品として形成される繊維強化材を備える複合材で作製されるタービンエンジンファンケーシング(10)であって、各リブ(16、17)が、製織によってまたはスティチングによってケーシングの残部の繊維強化材に接続される繊維強化部分を備えることを特徴とする、ファンケーシング。
  2. 繊維強化材が、重ねられた層に巻き付けられる製織組織(30)によって形成され、各リブ(16、17)の繊維強化部分(36)が、製織によって組織の内層または外層に固定されることを特徴とする、請求項1に記載のファンケーシング。
  3. ファンケーシング、およびケーシングの内面に固締される音響パネルからなるアセンブリであって、ケーシング(10)が、マトリックスによって高密度化される繊維強化材を備える複合材で作製され、ケーシングの内面から突出し、かつケーシングの軸方向寸法の一部にわたって軸方向に延在するリブ(16)を有する単一部品として形成され、各リブ(16)が、製織によってまたはスティチングによってケーシングの残部の繊維強化材に接続される繊維強化部分を備え、音響パネル(20)が、リブ(16)の間に収容され、それに固締されることを特徴とする、アセンブリ。
  4. 繊維強化材が、重ねられた層に巻き付けられる製織組織(30)によって形成され、各リブ(16)の繊維強化部分(36)が、製織によって組織の内層に固定されることを特徴とする、請求項3に記載のアセンブリ。
  5. ケーシングが、単一部品として形成され、またケーシングの外面から突出し、かつ製織によってまたはスティチングによってケーシングの繊維強化材の残部に接続される繊維強化部分を含む少なくとも1つのリブ(17)を含むことを特徴とする、請求項3または4に記載のアセンブリ。
  6. 請求項1または2に記載のファンケーシングが装着される、タービンエンジン。
  7. 請求項3から5のいずれか一項に記載のファンケーシングおよび音響パネルによって構成されるアセンブリが装着される、タービンエンジン。
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