JP2016526132A - 温度セルフロック結合部を有する集成体 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのファスナ・システム５０によって互いに保持された、複合材料から形成された第１部分１０及び第２部分２０を含む集成体１００であって、ねじ山付き部分３２が延びる起点となる平頭部３１を有するボルト３０と、該ボルト３０のねじ山付き部分３２と協働するのに適したタッピング４３を含むシャンク４２が延びる起点となる平頭部４１を有するナット４０とを含む。ボルト３０の頭部３１が該第１部分１０に形成された皿穴１２に当接する。該ナット４１の頭部が該第２部分２０に形成された皿穴２２に当接する。該ファスナ・システム５０は該ファスナ・システム５０の軸方向の膨張中に、該２つの頭部３１，４１の少なくとも一方を、当該頭部が収納されている皿穴１２，２２に向かって傾倒させるのに適している。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、熱構造複合材料、例えばセラミック・マトリックス複合（ＣＭＣ）材料又は炭素／炭素（Ｃ／Ｃ）材料から形成された部分を集成するために機械的結合部を用いることに関する。このような材料は典型的には、セラミック・マトリックスによって緻密化された多孔質基体、例えば多孔質繊維基体によって構成されている。基体の繊維は具体的には炭素又はセラミックから形成されていてよい。マトリックスは耐火セラミック、例えば耐火炭化物、窒化物、ホウ化物、又は酸化物から形成されている。熱構造複合材料は、これらの機械特性が複合材料を、構造エレメントを構成するのに適したものにするという理由から、また、高い温度でこれらの特性を維持できるという理由から、注目に値する。

本発明はより具体的には、例えば航空エンジンのための後部ボディ集成体の全て又は部分、例えば排気コーン（「排気プラグ」とも呼ばれる）、又は可変セクションノズルのためのフラップを製作するときのように、熱構造複合材料から形成された部分を高温流に浸そうとするときの、これらの部分を集成するために使用される機械的結合部の空気力学的且つ熱的な挙動に関する。

これらの用途において、集成するための部品は一般に比較的微細（厚さ数ミリメートル）であり、これらは空気力学的要件を満たす必要がある。これは、部分間の機械的結合部を形成するためにリベットを使用するのが好ましいことを意味する。航空エンジン後部ボディ部分を形成するために使用される集成体の場合に、一般的な慣行として使用するリベットは、集成体の一方の側に平頭部（すなわち平らな端部を有する円錐台形の頭部）を提供し、平頭部は集成されるべき部分の１つに形成された皿穴内に受容され、他方の側では、かなり膨張するリベットとほとんど膨張しない熱構造複合材料から形成された部分との間の膨張差を吸収するのに役立つカラム又はワッシャを提供する。集成体の一方の側に設けられた皿穴内にリベットの頭部を組み入れることによって、良好な空気力学的性能を得ることができるが、しかしこのことは集成体のその側にだけしか得られない。それというのも、集成体の他方の側にカラムとリベットのボディの一部とが存在することによって、かなりの妨げが引き起こされるからである。

可変セクションノズルのためのフラップを製造する際に用いられる別の解決手段は、熱構造複合材料から形成された部分をFybrfast（登録商標）の商品名で販売されているようなリベット、すなわち一方の端部に頭部を、他方の端部には部分を締め合わせるためにプレスされた平らな端部分を有するリベットで互いに結合することにある。にもかかわらず、このようなタイプのリベットの場合、頭部と、リベットのボディの平らな部分とは、集成体のいずれの側からも突出し、結果としてこれらは集成体の流線を超えて突出してしまう。

本発明の目的は、複合材料から成る部分の熱膨張率よりも高い熱膨張率を示す１つ又は２つ以上のファスナ・システムを使用して、複合材料から形成された部分を集成するための解決手段を提案することであり、ファスナ・システムが集成体の空気力学的性能に影響をほとんど又は全く及ぼさないことが必要である。

この目的は、少なくとも１つのファスナ・システムによって互いに保持された、複合材料から形成された第１部分及び第２部分を含む集成体であって、ねじ山付き部分が延びる起点となる平頭部を有するボルトと、ボルトのねじ山付き部分と協働するのに適したタッピングを含むシャンクが延びる起点となる平頭部を有するナットとを含み、ボルトの頭部が第１部分に形成された皿穴に当接し、ナットの頭部が第２部分に形成された皿穴に当接し、ファスナ・システムは前記ファスナ・システムの軸方向の膨張中に、２つの頭部の少なくとも一方を、当該頭部が収納されている皿穴に向かって傾倒させるのに適している、集成体によって達成される。

従って、本発明の集成体は、結合部の両側で一体化される機械的結合部によって形成される。すなわち、機械的結合部は、集成された部分の外面を超えて突出することはない。結果として、結合システムが空気力学的性能を劣化させることなしに、本発明の集成体を両側で高温流に浸すことができる。

また、使用されるファスナ・システムは、温度上昇中にシステムの頭部のうちの少なくとも一方が傾倒することにより、付加的な保持力を加えるように構成されており、ひいてはファスナ・システムのそれぞれの膨張、具体的には軸方向膨張を補償し、高熱時に締め付け力を維持するのを可能にする。

本発明による集成体の１実施態様において、ファスナ・システムの平頭部のうちの少なくとも一方が、複数の半径方向スロットを含み、当該平頭部が収納されている部分の皿穴の角度よりも大きい角度を示し、当該頭部が前記皿穴内にプレストレスを加えられて保持されている。従って、集成体が高温流に晒されると、ファスナ・システムは膨張し、予めプレストレスされている状態にあった頭部は次いで、この頭部が受容されている皿穴に向かって傾倒する。このように傾倒することによって、頭部は次いで付加的な力を加える。この付加的な力は、高熱時のファスナ・システムが、部分に加える締め付け力を維持するのを可能にする。

本発明の集成体の態様において、ボルト及びナットは、次の材料、すなわち、Inconel（登録商標）625又は718、Waspaloy（登録商標）、Haynes（登録商標）282（登録商標）、A286ステンレス鋼、及び任意の他の高性能鋼のうちの少なくとも１つから選択された材料から形成されている。

本発明の別の実施態様では、ファスナ・システムは、ボルトの頭部とナットの頭部との間でファスナ・システム内部に延びるペグを含み、ペグは、ボルト及びナットの熱膨張率よりも高い熱膨張率を示す。従って、集成体が高い温度に晒されると、例えば燃焼ガスの熱流中に浸されると、ペグはファスナ・システムよりも強く膨張し、その下端部及び上端部を介してそれぞれボルトの頭部及びナットの頭部の内側部分に推力を加える。ペグの軸方向膨張中、頭部は次いで、これらが受容されている皿穴に向かって傾倒し、頭部のそれぞれはファスナ・システムが高熱時に、これが部分に加える締め付け力を維持するのを可能にする。

本発明の集成体の態様では、ボルト及びナットは、Inconel（登録商標）718（ＣＴＥ_600℃＝１４．８）から形成されているのに対して、ペグはA286ステンレス鋼（式２６ＮＣＴ２５及びＣＴＥ_600℃＝１８）から形成されている。本発明の集成体の同様の態様では、ボルト及びナットが、チタン（ＣＴＥ_600℃＝９．９）から形成されているのに対して、ペグはWaspaloy（登録商標）（ＣＴＥ_600℃＝１４．６）から形成されている。

本発明の集成体の別の態様では、ボルトの頭部及びナットの頭部の両方がそれぞれのスロットを含んでいる。スロットは、ペグの膨張・収縮中の前記頭部の弾性変形を容易にする。

本発明の集成体の別の態様では、第１部分及び第２部分はセラミック・マトリックス複合材料から形成されている。

本発明の集成体のさらに別の態様では、第１部分及び第２部分のそれぞれが３ミリメートル（ｍｍ）未満の厚さを示す。

さらに本発明の集成体の別の態様では、第１部分及び第２部分が航空エンジンの後部ボディの部分である。

非制限的な例として提供される本発明の具体的な実施態様の下記説明から、添付の図面を参照することによって、本発明の他の特徴及び利点が明らかになる。

図１は、本発明の実施態様に基づいて形成された集成体を示す概略的斜視図である。 図２Ａは、図１の集成体を低温時の状態で示す概略的断面図であり、図２Ｂは、図１の集成体を低温時の状態で示す概略的平面図である。 図３Ａは、図１の集成体を、これが高温流に晒されたときの状態で示す概略的断面図であり、図３Ｂは、図１の集成体を、これが高温流に晒されたときの状態で示す概略的平面図である。 図４は、本発明の実施態様に基づいて形成された集成体を示す概略的斜視図である。 図５は、図４の集成体を低温時の状態で示す概略的断面図である。 図６は、図４の集成体を、これが高温流に晒されたときの状態で示す概略的断面図である。

本発明は大まかに言えば、複合材料から成る部分の熱膨張率よりも高い熱膨張率を示す１つ又は２つ以上のファスナ・システムを使用する、複合材料から形成された部分間のいかなる集成体にも適用される。ファスナ・システムは集成体の空気力学的性能に影響をほとんど又は全く及ぼさないことが必要である。

集成するための部分は具体的には、熱構造セラミック・マトリックス複合（ＣＭＣ）材料から、すなわち耐火繊維（炭素又はセラミック）から形成された強化材によって構成された材料であって、同様に耐火性であるセラミック・マトリックスによって緻密化された材料、すなわちＣ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／ＳｉＣ、Ｃ／Ｃ−ＳｉＣなどのような材料から成っていてよい。部分は、低い熱膨張率を示す他の熱構造複合材料、例えばＣ／Ｃ材料（強化材及びマトリックスが両方とも炭素から成る）から形成されていてもよい。

本発明の集成体は具体的には、航空エンジンの後部ボディ集成体の全て又は部分、例えば排気コーン（排気プラグとも呼ばれる）、又は可変セクションノズルのためのフラップを製造する際に使用するためのものであるが、しかしこれに限定されることはない。

図１、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、及び３Ｂは、本発明の実施態様に基づく集成体を示す。図１に示されているように、熱構造ＣＭＣ材料から成る２つの部分１０及び２０間の集成体１００がそれ自体、ボルト３０及びナット４０を含むファスナ・システム５０によって形成される。ボルト３０及びナット４０は、部分１０及び２０に形成されたオリフィス１１及び２１内に配置される。より正確に言えば、ボルト３０は平頭部３１を有しており、この平頭部３１からねじ山付き部分３２が延びている。平頭部３１は部分１０に形成された皿穴１２内に受容される。ナット４０も平頭部４１を有しており、この平頭部４１から、ボルト３０のねじ山付き部分３２と協働するためのタッピング４３を有するシャンク４２が延びている。ナット４０の平頭部４１は、部分２０に形成された皿穴２２内に受容される。具体的には、ナット及びボルトは、次の材料、すなわち、Inconel（登録商標）625又は718、Waspaloy（登録商標）、Haynes（登録商標）282（登録商標）、A286ステンレス鋼、及び任意の他の高性能鋼のうちの少なくとも１つから形成されていてよい。

今説明している実施態様の場合、平頭部３１及び４１のそれぞれが、複数の半径方向スロット３１０及び４１０を含んでいる。また、ボルト３０の平頭部３１は、この平頭部が収納される皿穴１２の角度α₁₂よりも大きい角度β₃₁を示す。同様に、ナット４０の平頭部４１は、この平頭部が収納される皿穴２２の角度α₂₂よりも大きい角度β₄₁を示す。図２Ａ及び２Ｂに示されているように、ボルト３０は締め付け力によってナット４０内にねじ込まれる。この締め付け力は、平頭部３１及び４１がそれぞれの皿穴１２及び２２内でプレストレスを加えられるのを可能にする。このようなプレストレスを加えられた状態では、スロット３１０及び４１０が存在するため、頭部３１及び４１は弾性変形させられる。

集成体１００が高温に晒されると、例えば燃焼ガスの熱流中に浸されると、ファスナ・システムは、具体的には図３Ａに示されているように軸方向Ｄ_Aに膨張する。それぞれの皿穴１２及び２２内で予めプレストレスを加えられていた平頭部３１及び４１は次いでファスナ・システムの軸方向膨張中に、これらが受容されている皿穴に向かって傾倒する。スロット３１０及び４１０は次いで、図３Ｂにおいて頭部４１のスロット４１０に関して示されているような休止形態を成す。頭部３１及び４１は次いでそれぞれの力Ｅ_M31及びＥ_M41を部分１０及び２０に加える。これらの力は、ファスナ・システムが高熱時に、これが部分に加える締め付け力を維持するのを可能にする。冷却されると、集成体１００は図２Ａ及び２Ｂに示されている低温形態に戻る。

図４、５及び６は、本発明の別の実施態様に基づく集成体を示している。図４に示されているように、熱構造ＣＭＣ材料から成る２つの部分６０及び７０間の集成体３００がそれ自体、ボルト８０及びナット９０を含むファスナ・システム２００によって形成される。ボルト８０及びナット９０は、部分６０及び７０に形成されたオリフィス６１及び７１に配置される。より正確に言えば、ボルト８０は平頭部８１を有しており、この平頭部８１からねじ山付き部分３２が延びている。平頭部８１は部分６０に形成された皿穴６２内に受容される。ナット９０も平頭部９１を有しており、この平頭部９１から、ボルト８０のねじ山付き部分８２と協働するためのタッピング９３を有するシャンク９２が延びている。ナット９０の平頭部９１は、部分７０に形成された皿穴７２内に受容される。

今説明している実施態様の場合、ファスナ・システム２００が集成されたときにボルト８０とナット９０との間に画定される内部容積１０１内に、ペグ１１０も挿入されている（図５）。ペグ１１０は、ボルト８０及びナット９０の頭部８１及び９１と接触するように寸法設定されている。より正確に言えば、ペグ１１０の下端部１１１は、ボルト８０の頭部８１の内側部分８１０と接触している。この内側部分８１０は、ねじ山付き部分８２に続いて設けられたボルト部分と同じ高さに位置する。これに対して、ペグ１１０の上端部１１２はナット９０の頭部９１の内側部分９１０と接触している。この内側部分９１０は、シャンク９２に続いて設けられたナット部分と同じ高さに位置する。

ペグ１１０は、ボルト８０及びナット９０の熱膨張率よりも高い熱膨張率（ＣＴＥ）を示す。従って、集成体３００が高い温度に晒されると、例えば燃焼ガスの熱流中に浸されると、ペグ１１０はファスナ・システム２００よりも強く膨張し、その下端部１１１及び上端部１１２を介して頭部８１の内側部分８１０及び頭部９１の内側部分９１０に推力Ｆ₁₁₁及びＦ₁₁₂を加える（図６）。ペグ１１０の軸方向膨張中、頭部８１及び９１は次いで、これらが受容されている皿穴に向かって傾倒される。頭部８１及び９１は次いでそれぞれの力Ｅ_M81及びＥ_M91を部分６０及び７０に加える。これらの力は、ファスナ・システムが高熱時に、これが部分に加える締め付け力を維持するのを可能にする。冷却されると、集成体１００は図５に示されている低温形態に戻る。

一例としては、ボルト及びナットは、Inconel（登録商標）718（ＣＴＥ_600℃＝１４．８）から形成されているのに対して、ペグはA286ステンレス鋼（式２６ＮＣＴ２５及びＣＴＥ_600℃＝１８）から形成されている。別の非制限的な変更形では、ボルト及びナットが、チタン（ＣＴＥ_600℃＝９．９）から形成されているのに対して、ペグはWaspaloy（登録商標）（ＣＴＥ_600℃＝１４．６）から形成されている。

今説明している実施態様の場合、ペグ１１０はまた中央ショルダ１１３を有している。この中央ショルダ１１３は、ペグが内部容積１０１内の所定の位置に保持されるのを可能にし、ペグが頭部８１及び９１に加える推力のバランスをとるのを可能にする。また今説明している実施態様の場合、頭部８１及び９１のそれぞれは、それぞれのスロット８１０及び９１０を含む。スロットは、ペグ１１０の膨張・収縮中の前記頭部の弾性変形を容易にする。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのファスナ・システム（５０）によって互いに保持された、複合材料から形成された第１部分（１０）及び第２部分（２０）を含む集成体（１００）であって、ねじ山付き部分（３２）が延びる起点となる平頭部（３１）を有するボルト（３０）と、該ボルト（３０）のねじ山付き部分（３２）と協働するのに適したタッピング（４３）を含むシャンク（４２）が延びる起点となる平頭部（４１）を有するナット（４０）とを含み、該ボルト（３０）の頭部（３１）が該第１部分（１０）に形成された皿穴（１２）に当接し、該ナット（４１）の頭部が該第２部分（２０）に形成された皿穴（２２）に当接し、該ファスナ・システム（５０）は該ファスナ・システム（５０）の軸方向の膨張中に、該２つの頭部（３１，４１）の少なくとも一方を、当該頭部が収納されている皿穴（１２，２２）に向かって傾倒させるのに適している、集成体（１００）。
2. 前記ファスナ・システムの複数の平頭部（３１，４１）のうちの少なくとも一方が、複数の半径方向スロット（３１０；４１０）を含み、当該複数の平頭部が収納されている部分の皿穴（１２；２２）の角度（α₁₂，α₂₂）よりも大きい角度（β₃₁；β₄₁）を示し、少なくとも一方の頭部（３１；４１）が前記皿穴（１２；２２）内にプレストレスを加えられて保持されていることを特徴とする、請求項１に記載の集成体。
3. 前記ボルト（３０）及び前記ナット（４０）が、次の材料、すなわち、Inconel（登録商標）625又は718、Waspaloy（登録商標）、Haynes（登録商標）282（登録商標）、A286ステンレス鋼、及び高性能鋼のうちの少なくとも１つから選択された材料から形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の集成体。
4. 前記ファスナ・システム（２００）が、前記ボルト（８０）の頭部（８１）と前記ナット（９０）の頭部（９１）との間で前記ファスナ・システムの内部に延びるペグ（１１０）を含み、該ペグ（１１０）は、該ボルト（８０）及びナット（９０）の熱膨張率よりも高い熱膨張率を示すことを特徴とする、請求項１に記載の集成体。
5. 前記ボルト（３０；８０）及び前記ナット（４０；９０）が、Inconel（登録商標）718（ＣＴＥ_600℃＝１４．８）から形成されており、前記ペグがA286ステンレス鋼（式２６ＮＣＴ２５及びＣＴＥ_600℃＝１８）から形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の集成体。
6. 前記ボルト（３０；８０）及び前記ナット（４０；９０）が、チタン（ＣＴＥ_600℃＝９．９）から形成されているのに対して、前記ペグがWaspaloy（登録商標）（ＣＴＥ_600℃＝１４．６）から形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の集成体。
7. 前記ボルト（８０）の頭部（８１）及び前記ナット（９０）の頭部（９１）がそれぞれのスロット（８１０；９１０）を含んでいることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の集成体。
8. 前記第１部分（１０；６０）及び前記第２部分（２０；７０）がセラミック・マトリックス複合材料から形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の集成体。
9. 前記第１部分（１０；６０）及び前記第２部分（２０；７０）のそれぞれが３ｍｍ未満の厚さを示すことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の集成体。
10. 前記第１部分（１０；６０）及び前記第２部分（２０；７０）が航空エンジンの後部ボディの部分であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の集成体。

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