JP2016508459A - 外部フランジを有する複合材料で作られる回転部品、特にガスタービンケーシングを製造するための射出成形金型 - Google Patents

Abstract

本発明は、外側フランジを有する複合材料で作られる回転部品を製造するための射出成形金型（４）であって、繊維強化材（９）が保持されることを目的としているマンドレル（２）であり、その輪郭が製造されるべき部品の輪郭に適合する中央壁（６）、および２つの側板（８）を含むマンドレルと、繊維強化材の非被覆表面に押し付けられるための成形ウェッジ（１２）と、成形ウェッジおよびマンドレルの板を覆うための２つの外部ベル（１４）であり、シール用Ｏ−リング（２４）が、ベルとマンドレルの板との間に挿入され、ベルにはそれぞれ、その間に挿入される少なくとも１つのシール用Ｏ−リング（２６）により互いに押し付けられるための取付けフランジ（２０）が設けられ、ベルの取付けフランジが、互いに対して締め付けられる外部ベルとを備える射出成形金型に関する。

Description

本発明は、航空エンジン用の外側フランジを有する回転部品、特にガスタービンケーシング、およびより詳細にはガスタービンファンのための保持ケーシングの複合材料を用いた製造の全般的な分野に関する。

航空ガスタービンエンジンにおいては、ファンケーシングは、いくつかの機能を果たす。これは、エンジンの吸気ダクトを画定し、ファンブレードの頂部に面するアブレイダブル材料を担持し、モータ取入れ口における音響処理のために音波を吸収するための可能な構造体を担持し、保持シールドを組み入れまたは担持する。保持シールドは、吸い込まれた物体や破片がケーシングを通過し、航空機の他の部分に達するのを回避するために、遠心分離によって放出される、損傷したブレードの該吸い込まれた物体や破片などのデブリを保持するトラップを形成する。

複合材料で作られるファン保持ケーシングの製造が既に提案されている。一般読者は、たとえば文献欧州特許第１９６１９２３号明細書を参照され、この文献は、繊維組織の重畳層による繊維強化材の形成、およびマトリックスによる繊維強化材の緻密化から成る、変化する厚さを持つ複合材料によるケーシングの製造を説明している。本発明によれば、繊維組織は、変化する厚さの三次元織りによって得られ、製造されるべきケーシングの輪郭と対応する輪郭の中央壁と、ケーシングの外側フランジの輪郭に適合する輪郭の２つの側板とを有するマンドレルにいくつかの重畳層に巻き付けられる。この文献に説明されているように変化する厚さの織組織のマンドレルに巻き付けることにより、変化する厚さから成る所望の輪郭を有する管状プリフォームを直接提供することができる。

次いで、異なる閉鎖ウェッジが、マンドレルに巻き付けられる繊維強化材に当てがわれる。したがって、閉鎖ウェッジおよびマンドレルは、重合される前にその中に樹脂が射出される射出成形金型を形成する。このように、射出成形金型への樹脂の射出は、ＬＣＭ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｏｌｄｉｎｇ（液体複合材成形））タイプの、および特にＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ（樹脂トランスファー成形））タイプの射出プロセスによって行われ得る。

実際には、複合材料ガスタービンケーシングを製造するための射出成形金型の製造は、金型の完全なシールを保証するという問題を引き起こす。しかし、先行技術の射出成形金型は、シール箇所の数を増加するという欠点を有する。特に、要素ごとにシール要素を扱うことが一般に必要であり、金型の各要素は、その周縁に、金型の隣接する要素と接触しているシールを有する。加えて、射出成形金型のこれらの要素のいくつかの場合には、シールは、非平面の表面に実現されなければならず、これは、金型のシールをさらに複雑にする。

欧州特許第１９６１９２３号明細書

外側フランジを有する複合材料で作られる回転部品を製造するための射出成形金型の必要があり、その場合、シールは、シール箇所の数を制限し、かつ専ら平面のシール面を用いることによって簡単化される。

本発明によれば、この目的は、繊維組織の重畳層によって形成される繊維強化材が支持されることを目的としている軸対称マンドレルであり、その輪郭が製造されるべき部品の輪郭に適合する中央環状壁、およびその輪郭が製造されるべき部品の外側フランジの輪郭に適合する２つの側板を含む、軸対称マンドレルと、繊維強化材の非被覆表面に押し付けられるための成形ウェッジと、成形ウェッジおよびマンドレルの板を覆うための２つの軸対称外部ベルであり、シール用Ｏ−リングが、ベルとマンドレルの板との間に挿入され、ベルにはそれぞれ、その間に挿入される少なくとも１つのシール用Ｏ−リングにより互いに押し付けられるための取付けフランジが設けられ、ベルの取付けフランジが、マンドレルの対称軸に実質的に平行な方向に互いに対して締め付けられる、軸対称外部ベルとを備える射出成形金型を用いて達成される。

射出成形金型のシールは、特にベルとマンドレルの板との間、および２つのベル間のシル箇所の数を制限して製造される。そのうえ、このシールは、簡単なシール用Ｏ−リングによって平面の表面間で得られ得る。それによって、射出成形金型のシールの取付けが大幅に簡単化される。

有利な提供によれば、２つのシール用Ｏ−リングが、各ベルとそれに対応するマンドレルの板との間に挿入され、２つのシール用Ｏ−リングが、ベルのそれぞれの取付けフランジ間に挿入される。

さまざまなシール箇所におけるシールのライニングにより、漏れ点を迅速に確認することができる。具体的には、この種の提供の場合、万一漏れの場合には（すなわち、万一真空生成段階後のシールの欠損の場合には）、金型の各シール箇所について、２つのシールによって画定される容積が真空中に配置され、それにより、金型のどのシール箇所が欠陥があることを確認することができる。この種の操作は、それらうちのどれが欠陥があるかを確認するためにシール箇所すべてを元に戻すことを必要としない。

マンドレルは、それらの間に挿入される少なくとも１つのシール用Ｏ−リングにより互いに押し付けられる２つの別個の部品で作られることができ、各部品は、マンドレルの板のうちの１つを含む。この場合は、２つのシール用Ｏ−リングは、マンドレルの２つの別個の部品間に挿入されることが有利である。したがって、金型のマンドレルに繊維強化材のスプーリングを開始する前であっても、それを形成する２つの部品間のシールの質を制御することができる。

各ベルは、マンドレルの板に軸方向に押し付けられるための半径方向部分と、１つまたは複数の成形ウェッジに半径方向に押し付けられるための軸方向部分とをさらに備えることができる。

成形ウェッジは、マンドレルの中央壁と板との間に形成される角部を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるためのコーナーウェッジと、マンドレルの中央壁を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるための少なくとも１つの中央ウェッジとを備えることができる。この場合は、コーナーウェッジおよび中央ウェッジは、端と端を突き合わせて配置されるウェッジのいくつかの角度セグメントから形成されることが好ましい。

本発明のもう１つの主題は、外側フランジを有する複合材料で作られる回転部品を製造するための射出成形方法であって、以前に規定した射出成形金型のマンドレルに重畳層にして繊維組織を巻き付けるステップと、このように形成された繊維強化材の非被覆表面に対して射出成形金型の成形ウェッジを取り付けるステップと、ベルとマンドレルの板との間に挿入されるシール用Ｏ−リング付きの射出成形金型のベルによって成形ウェッジおよびマンドレルの板を覆うステップと、樹脂を射出成形金型に射出するステップと、樹脂を重合させるステップとを含む、射出成形方法である。

本発明のもう１つの主題は、複合材料で作られるガスタービンケーシングを製造するための回転部品を射出成形するための上に規定した方法の使用である。

本発明の他の特徴および利点は、決して限定的なものではない本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、下記に与えられる説明から明らかになるであろう。

本発明による射出成形金型の長手方向断面半図である。 図１の射出成形金型の斜視分解図である。

本発明は、航空ガスタービンエンジンのファン用のケーシングを製造するためのその使用との関連で下記に説明されるであろう。より一般的には、本発明は、その軸方向端部において外側に突出するフランジを有する任意の回転部品の製造に適用される。

この種のファンケーシングのための製造プロセスの例は、一般読者が参照することができる文献欧州特許第１９６１９２３号明細書に説明されている。

ケーシングは、マトリックスによって緻密化された繊維強化材を用いた複合材料で作られる。強化材は、繊維、たとえば炭素、ガラス、アラミド、またはセラミックで作られ、マトリックスは、ポリマー、たとえばエポキシド、ビスマレイミド、またはポリイミドで作られる。

要するに、この文献で説明される製造プロセスは、製造されるべきケーシングの輪郭によって画定される輪郭を有するドラム（以下、供給マンドレルとして知られる）に供給するワープを用いた三次元織りによって繊維組織を製造することにある。

次いで、このように製造された繊維組織は、本発明により、かつ図１および図２に示されるように射出成形金型４のマンドレル２に移送される。

実際には、繊維組織は、射出成形金型のマンドレルにいくつかの重畳層に巻き付けられる。繊維組織がマンドレルに巻き付けられることが完了していると、射出成形金型は、相方金型によって閉じられる。次いで、真空が金型の内部に生成され、樹脂が、ＲＴＭタイプの射出プロセスによって金型の中に射出される。いったん樹脂が重合されると、射出成形金型は開かれ、マトリックスによって緻密化された繊維強化材が離型される。

図１および図２に示されるように、本発明による射出成形金型４のマンドレル２は、その輪郭が製造されるべきケーシングの輪郭および２つの側板８に適合する中央環状壁６と、その輪郭が製造されるべきケーシングの外側フランジの輪郭に適合する２つの側板８とを有する対称軸Ｘ−Ｘの部品である。

射出成形金型のマンドレル２は、互いに軸方向に押し付けられ固定される２つの別個の部品２ａ、２ｂで製造され、各部品は、中央壁６の一部、およびマンドレルの板８のうちの１つを含む。マンドレルを２つの部品で製造することにより、樹脂の重合後に繊維強化材９を作り出すことができる。

少なくとも１つのシール用Ｏ−リング１０が、射出成形金型のこれらの２つの要素間にシールを実現するようにマンドレルの２つの部品２ａ、２ｂ間に挿入される。このＯ−リングは、マンドレルの対称軸Ｘ−Ｘ上で心出しされる。

いったん繊維組織がマンドレル２にいくつかの重畳層に巻き付けられると、射出成形金型４は、対向金型によって閉じられる。

より正確には、成形ウェッジ１２は、まず第一に繊維強化材の非被覆表面に配置される。これらの成形ウェッジ１２は、マンドレルの中央壁６と板８との間に形成される角部を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるためのコーナーウェッジ１２ａと、マンドレルの中央壁を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるための中央ウェッジ１２ｂとにある。

コーナーウェッジ１２ａおよび中央ウェッジ１２ｂは、これらがその全周にわたって繊維組織を覆うように端と端を突き合わせて配置されるウェッジのいくつかの角度セグメントでそれぞれ形成されるように区分される。たとえば、図２に示されるように、これらのセグメントは、ウェッジにつき数の上では３個であることができるが、より多数のもの（特に、ウェッジにつき６個のセグメント）から成ることができる。

いったん繊維強化材９がマンドレル２に巻き付けられ、成形ウェッジ１２が繊維強化材９の非被覆表面に配置されると、射出成形金型を閉じる次に述べるステップは、２つの外部ベル１４をこのように形成されたアセンブリに当てがうことにある。

外部ベル１４は、マンドレルの対称軸Ｘ−Ｘ上で心出しされる軸対称部品である。これらは、成形ウェッジ１２およびマンドレルの板８を覆う。

特に、各外部ベル１４は、マンドレルの板８のうちの１つに軸方向に押し付けられる半径方向部分１６を備え、半径方向部分１６は、１つまたは複数の成形ウェッジ１２に半径方向に押し付けられる軸方向部分１８として延在する。

この軸方向部分１８は、他の外部ベルの取付けフランジに軸方向に押し付けられる取付けフランジ２０で終わり、これらの２つの取付けフランジは、図に示されるようなネジ／ナット２２タイプのシステム、または油圧ジャッキを持つシステムなどの、締め付け手段を通してマンドレルの対称軸Ｘ−Ｘに実質的に平行な方向に互いに対して締め付けられる。

射出成形金型の外部ベル１４は、形状および寸法が同一であり得ることに留意されたい。

そのうえ、外部ベルは、それらの間に挿入されるシール用Ｏ−リング付きのマンドレル２上に組み立てられる。特に、少なくとも１つのシール用Ｏ−リングが、ベルの各半径方向部分１６とそれに対応するマンドレルの板８との間に配置される。同様に、少なくとも１つのシール用Ｏ−リング２６が、ベル１４のそれぞれの取付けフランジ２０間に挿入される。

これらのシール２４、２６は、マンドレルの対称軸Ｘ−Ｘ上で心出しされ、これらは、外部ベル１４に形成される環状溝に収容されることに留意されたい。もちろん、これらのシールはまた、射出成形金型のマンドレルに作られる溝に収容されることもできる。

したがって、本発明による射出成形金型４は、４つのシール箇所、すなわちマンドレル２の２つの部品２ａ、２ｂ間のシール箇所と、２つのベル１４とマンドレルの２つの板８との間の２つのシール箇所と、ベルの２つの取付けフランジ２０間のシール箇所とを含むのみである。そのうえ、これらの箇所におけるシールは、これが平面である環状表面間で達成されるので製造するのが容易である。

この種の射出成形金型の場合は、異なる成形ウェッジ１２間にいかなるシールも要求されないことに留意されたい。

好ましくは、射出成形金型のさまざまなシールはライニングされ、すなわちシール１０、２４、および２６は、数の上では２個である。約２ｍの直径を有するシール用Ｏ−リングの場合は、１つのおよび同じシール箇所の２つのシール間の距離は、通常、およそ１５ｍｍと５０ｍｍとの間にある。

したがって、さまざまなシール箇所におけるシールのライニングにより、漏れ点を迅速に確認することができる。実際には、射出成形金型を真空中に配置するステップ時に万一漏れが現われる場合には、金型の各シール箇所について、２つのシールによって画定される容積が真空中に配置される。この操作により、金型のどのシール箇所に欠陥があるか、またどのシールは交換されなければならないかを確認することができる。この種の操作は、欠陥があるシール箇所を確認するためにシール箇所すべてを元に戻すことを必要とするとは限らない。

加えて、金型のマンドレルに繊維組織の層を巻き付ける開始前であっても、２つのシール１０間に画定される容積を真空下に配置するこの種の操作を用いて、マンドレルを形成する２つの部品２ａ、２ｂ間のシールの質を制御することができる。

最後に、各対のシール間に画定される容積を真空下に配置すると、無視できない圧密力を繊維強化材に加えることができる。実際、（０．９バール程度の）このような真空の生成によって得られるフランジ力は、成形ウェッジに発生される１００００ニュートン程度の圧密力を生じ得ることが計算されている。

Claims (9)

1. 外側フランジを有する複合材料で作られる回転部品を製造するための射出成形金型（４）であって、
   繊維組織の重畳層によって形成される繊維強化材（９）が支持されることを目的としている軸対称マンドレル（２）であり、その輪郭が製造されるべき部品の輪郭に適合する中央環状壁（６）、およびその輪郭が製造されるべき部品の外側フランジの輪郭に適合する２つの側板（８）を含む、軸対称マンドレル（２）と、
   繊維強化材の非被覆表面に押し付けられるための成形ウェッジ（１２）と、
   成形ウェッジおよびマンドレルの板を覆うための２つの軸対称外部ベル（１４）であり、シール用Ｏ−リング（２４）が、ベルとマンドレルの板との間に挿入され、ベルにはそれぞれ、その間に挿入される少なくとも１つのシール用Ｏ−リング（２６）により互いに押し付けられるための取付けフランジ（２０）が設けられ、ベルの取付けフランジが、マンドレルの対称軸（Ｘ−Ｘ）に実質的に平行な方向に互いに対して締め付けられる、軸対称外部ベル（１４）と
   を備える、射出成形金型（４）。
2. ２つのシール用Ｏ−リング（２４）が、各ベル（１４）とそれに対応するマンドレルの板（８）との間に挿入され、２つのシール用Ｏ−リング（２６）が、ベルのそれぞれの取付けフランジ（２０）間に挿入される、請求項１に記載の射出成形金型。
3. マンドレル（２）が、その間に少なくとも１つのシール用Ｏ−リング（１０）により互いに押し付けられる２つの別個の部品（２ａ、２ｂ）で作られ、各部品が、マンドレルの板（８）のうちの１つを含む、請求項１または２の一項に記載の射出成形金型。
4. ２つのシール用Ｏ−リング（１０）が、マンドレルの２つの別個の部品（２ａ、２ｂ）間に挿入される、請求項３に記載の射出成形金型。
5. 各ベル（１４）が、マンドレルの板（８）に軸方向に押し付けられるための半径方向部分（１６）と、１つまたは複数の成形ウェッジ（１２）に半径方向に押し付けられるための軸方向部分（１８）とをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の射出成形金型。
6. 成形ウェッジ（１２）が、マンドレルの中央壁（６）と板（８）との間に形成される角部を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるためのコーナーウェッジ（１２ａ）と、マンドレルの中央壁を覆う繊維強化材の部分に押し付けられるための少なくとも１つの中央ウェッジ（１２ｂ）とを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の射出成形金型。
7. コーナーウェッジ（１２ａ）および中央ウェッジ（１２ｂ）が、端と端を突き合わせて配置されるウェッジのいくつかの角度セグメントから形成される、請求項６に記載の射出成形金型。
8. 外側フランジを有する複合材料で作られる回転部品を製造するための射出成形方法であって、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の射出成形金型（２）のマンドレル（２）に重畳層にして繊維組織（９）を巻き付けるステップと、
   このように形成された繊維強化材の非被覆表面に対して射出成形金型の成形ウェッジ（１２）を取り付けるステップと、
   ベルとマンドレルの板（８）との間に挿入されるシール用Ｏ−リング（２４）付きの射出成形金型のベルによって成形ウェッジおよびマンドレルの板を覆うステップと、
   樹脂を射出成形金型に射出するステップと、
   樹脂を重合させるステップと
   を含む、方法。
9. 複合材料で作られるガスタービンケーシングを製造するための回転部品を射出成形するための、請求項８に記載の方法の使用。

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