JP2017533369A - 有機マトリックスを伴う複合材料から成る自己補剛ケーシング - Google Patents

有機マトリックスを伴う複合材料から成る自己補剛ケーシング Download PDF

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Abstract

本発明は、マトリックスで高密度化された繊維補強材から複合材料で作られているガスタービンケーシング（１０）に関する。このケーシング（１０）は、このケーシング（１０）の内側表面（１１）内に環状凹み（１７１）を形成するように、補剛材部分（１７）に隣接しているこのケーシングの上流部分及び下流部分（１８、１９）の半径よりも大きい半径において延びる少なくとも１つの補剛材部分（１７）を備える。【選択図】図２

Description

本発明はガスタービンエンジンに関し、さらに特に、しかし非排他的に、航空機用エンジンのためのガスタービンファンケーシングに関する。
ガスタービン航空機用エンジンでは、ファンケーシングが幾つかの機能を果たす。特に、ファンケーシングは、エンジンの中への空気入口通路を画定し、採用随意に、ファンのブレードの先端部に整合している摩耗性材料、及び／又は、エンジンの入口における音響的処置のための音波吸収装置構造を支持し、及び、滞留シールド（ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｉｅｌｄ）を組み込むか又は支持する。
ファンケーシングのようなケーシングは、通常は金属材料で作られているが、現在では、複合材料によって、即ち、有機マトリックスによって高密度化された繊維プリフォームで作られており、したがって、部品の総重量を、金属で作られる時の同一の部品の重量よりも軽量化することを可能にすると同時に、より良好ではないとしても少なくとも同等である機械的強度を実現する。有機マトリックス複合材料でファンケーシングを製造することがある特許文献に説明されている（例えば、特許文献１参照。）。
複合材料ケーシングの使用がエンジンの総重量を減少させることを可能にするが、この重量の減少は、ケーシングの共振周波数を低下させ、及び、このことが、ファンのブレードからの乱気流（ｗａｋｅ）との干渉を結果的に生じさせ、及び、この場合には、ブレードからの乱気流によって生じさせられる励起高調波（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｈａｒｍｏｎｉｃ）に対してそのケーシング自体の共振周波数が一致する時に、ケーシングが共振状態となる。こうした状況では、複合材料ケーシングを剛体化させることが必要である。
米国特許第８３２２９７１号明細書
本発明の目的が、ガスタービンケーシングのサイズと重量とを大きく増大させることなしに、増大した剛性を有する、複合材料で作られたガスタービンケーシングを提案することである。
この目的は、マトリックス（ｍａｔｒｉｘ）で高密度化された補強材（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を備える複合材料で作られており、且つ、回転体の形状である、ガスタービンケーシングにおいて、ケーシングの内側表面内に環状凹みを形成するように、補剛材部分（ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ｐｏｒｔｉｏｎ）に隣接している、ケーシングの上流部分及び下流部分の半径よりも大きい半径において延びる、少なくとも１つの補剛材部分を備えることを特徴とする、タービンケーシングによって実現される。
通常はケーシングの内側表面全体によって画定されている空気流通路の輪郭に従わない、ケーシングの輪郭において少なくとも１つの段を形成することによって、本発明のケーシングは、局所的に自己補剛を実現する特定の形状を有する。したがって、本発明のケーシングは、ケーシングの製造をより複雑化し且つケーシングの総重量を増大させる、複合材料ケーシング上に取り付けられる専用の補剛材のような、追加的な要素を付加することなしに、剛性の増大を実現する。
本発明のケーシングの一側面では、各々の補剛材部分は、その横断面において、オメガ形の形状を有する。
有利には、各々の補剛材部分によって形成される環状凹みは、各々の補剛材部分に隣接しているケーシングの上流部分及び下流部分の間でのケーシングの内側表面の連続性を実現するために、充填材材料又は構造を充填されている。
さらに、有利には、各々の補剛材部分によって形成される環状凹みは、音響減衰材料又は構造を充填されている。
本発明のケーシングの別の側面では、ケーシングは、そのケーシングの他の部分よりも大きい厚さを有する滞留区域（ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）を含み、１つ又は複数の上記補剛材部分は滞留区域の外側に位置している。
本発明は、さらに、本発明のファン滞留ケーシングを有するガスタービン航空機用エンジンと、１つ又は複数のこうした航空機用エンジンを有する航空機とを提供する。
本発明は、さらに、複合材料でガスタービンケーシングを製造する方法を提供し、この方法は、３次元織り又は多層織りによって一体状のストリップの形状に繊維織物（ｆｉｂｅｒ ｔｅｘｔｕｒｅ）を織ることと、サポートツーリング（ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｏｏｌｉｎｇ）上に上記繊維織物を巻き付けることによって上記繊維織物を成形することと、マトリックスによって繊維補強材を高密度化することとを含み、及び、この方法は、成形中に、段状部分（ｓｔｅｐｐｅｄ ｐｒｏｔｉｏｎ）に隣接している繊維プリフォームの上流部分及び下流部分の半径よりも大きい半径において延びる、少なくとも１つの段状部分を有する繊維プリフォームを得るように、繊維織物が成形され、及び、上記段状部分は、高密度化の後に、ケーシングの内側表面に環状凹みを形成することを特徴とする。
本発明の方法の一側面では、各々の補剛材部分は、横断面において、オメガ形の形状を有する。
有利には、各々の補剛材部分によって形成される環状凹みは、各々の補剛材部分に隣接しているケーシングの上流部分及び下流部分の間でのケーシングの内側表面の連続性を実現するために、充填材材料又は構造を充填されている。
さらに、有利には、各々の補剛材部分によって形成される環状凹みは、音響減衰材料又は構造を充填されている。
本発明の方法の別の側面では、繊維プリフォームは、ケーシング内の滞留区域を形成する、繊維プリフォームの他の部分よりも大きい厚さを有する区域を含み、及び、上記１つ又は複数の段状部分は、このより大きい厚さの部分の外側に位置している。
本発明の他の特徴と利点とが、添付図面を参照しながら行われる、非限定的な具体例として示されている本発明の特定の実施形態の以下の説明から明らかになる。
本発明の実施形態による航空機用エンジンの斜視図である。 図１のエンジンのファンケーシングの、横断面における片側断面図である。 本発明の別の実施形態によるファンケーシングの横断面における片側断面図である。 図２のファンケーシングの補強材を形成するために成形されている繊維織物を示す斜視図である。 図４に示されている繊維織物を巻くことによって得られる図２のケーシングのプリフォームの横断面における片側断面図である。 図４に示されている繊維織物を巻くことによって得られる図２のケーシングのプリフォーム上の噴射セクターの位置決めを示す断面図である。
本発明は、概して、有機マトリックス複合材料で作られているあらゆるガスタービンケーシングに適用される。
以下では、本発明を、ガスタービン航空機用エンジンのためのファンケーシングに対する適用との関連において説明する。
図１に概略的に示すこのようなエンジンは、ガス流の流動方向において上流から下流に、エンジンの入口に配置されているファン１と、圧縮機２と、燃焼室３と、高圧タービン４と、低圧タービン５とを備える。
このエンジンは、このエンジンの様々な要素に対応する複数の部分を備えるケーシングの内側に収容されている。したがって、ファン１は、回転体の形状であるファンケーシング１０によって取り囲まれている。
図２は、ファンケーシング１０の（横断面における）輪郭を示し、及び、ファンケーシング１０は、この例では、有機マトリックス複合材料で作られており、即ち、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又は、セラミック繊維のような繊維で作られている補強材から作られており、且つ、例えばエポキシマトリックス、ビスマレイミドマトリックス、又は、ポリイミドマトリックスのようなポリマーマトリックスによって高密度化されている。複合材料からケーシングを製造することは、特に、米国特許ＵＳ８３２２９７１号に説明されている。このケーシングの内側表面１１は、エンジンの空気入口通路を画定する。
ケーシング１０は、このケーシングが他の要素と共に取り付けられ且つ他の要素に連結されることを可能にするために、このケーシングの上流端部と下流端部とに外側フランジ１４、１５を備えてもよい。このケーシング１０の上流端部と下流端部との間では、ケーシング１０は、変化する厚さを有し、及び、ケーシングの部分１６が末端部分よりも厚く、且つ、末端部分に段階的に到達する。エンジンの入口において吸い込まれるか、又は、ファンのブレードに対する損傷の結果として生じ且つファンの回転によって半径方向に放出される、破片、粒子、又は、物体が、ケーシングの中を通過して航空機の他の部品を破損することを防止するために、こうした破片、粒子、又は、物体を滞留させることが可能である滞留区域を形成するように、部分１６は、上流から下流にファンのための位置を横切って延びる。
本発明では、ケーシング１０は、さらに、ケーシング１０の内側表面１１内に環状凹み１７１を形成するように、補剛材部分１７に隣接しているケーシングの上流部分１８と下流部分１９の半径よりも大きい半径において延びる補剛材部分１７も有する。さらに明確に述べると、補剛材部分１７は、ケーシングの内側表面１１に比べてケーシングの外側に向かって半径方向にオフセットしている環状プラトー（ａｎｎｕｌａｒ ｐｌａｔｅａｕ）１７３によって形成されている。この環状プラトー１７３は、それぞれの環状ライザー（ａｎｎｕｌａｒ ｒｉｓｅｒ）１７２、１７４を介して、ケーシングの内側表面１１の一部分を画定する上流部分１８と下流部分１９とに連結されている。ライザー１７２、１７４と上流部分１８と下流部分１９との間にそれぞれに形成される角度＊172、＊174が、９０°よりも大きく且つ１８０°よりも小さいことが好ましい。これらの角度は、特に、ケーシングに対して与えられることが望ましい剛性に応じて、且つ、製造可能性に応じて、画定される。
ケーシングの内側表面１１に対する補剛材部分１７の半径方向のオフセットに対応するプラトーの高さＨ173も、ケーシングがエンジンの環境に一体化されることを可能にするための、ケーシングのサイズに対する制約条件を計算に入れながら、ケーシングに与えられることが望ましい剛性に応じて決定される。
説明している本実施形態では、プラトー１７３とライザー１７２、１７４は、直線状である横断面における輪郭を有する。しかし、変形例の実施形態では、これらの要素は、わずかに湾曲しているか又は起伏している輪郭を同様に有することも可能である。
説明している本実施形態では、補剛材部分１７はオメガ形の形状を有し、及び、このオメガ形の形状は、補剛に適切に適合させられている形状である。
図３は、補剛材部分２７を画定するプラトー及び環状ライザー２７３、２７３、２７４によって形成されている環状凹み２７１が、この例では、音響減衰を実現する働きをする多孔性構造２７５に相当する、充填材材料又は構造によって充填されているという点において、上述したケーシング１０とは異なる、本発明によるケーシング２０を示す。
補剛材部分２７によって形成される環状凹み２７１内への充填が、上流部分２８と下流部分２９との間での内側表面２１の連続性を実現し、且つ、したがって、ケーシングの上記内側表面によって画定される通路を変更することを回避する働きをする。この充填は、任意の適切なタイプの材料又は構造を使用して行われてもよく、及び、特に、音響減衰処置を実現する役割を果たす材料（例えば、発泡体）又は構造（例えば、多孔性構造）を使用して行われてもよい。所望の剛性に加えて、補剛材部分のプラトーの高さも、音響的処置のための最適高さに応じて画定されてもよい。
本発明のケーシングは、上述した補剛材部分１７、２７に類似した複数の補剛材部分を有してもよい。しかし、１つ又は複数の補剛材部分が、上述したケーシング１０、２０のそれぞれの部分１６、２６に相当する追加的な厚さの部分によって形成されている滞留区域の外側に配置されていることが好ましい。
マトリックスによって高密度化された繊維補強材を備える複合材料でケーシング１０を製造する方法を、次で説明する。
このケーシングの製造は、ストリップの形状に繊維織物を形成することによって開始する。図４が、航空機用エンジンのケーシングのための繊維プリフォームを形成するストリップの形状に織られている繊維構造１００を非常に概略的に示す。
繊維構造１００は、経糸１０１の束、又は、複数の層の形に経糸上に配置されたより糸の束を有し、且つ、経糸が横糸１０２によって相互連結させられる、ジャガード型織機を使用することによって、公知の仕方で行われる３次元織り又は多層織りによって得られる。
示されている例では、３次元織りは、インターロック織り方（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｗｅａｖｅ）を用いて行われる。本明細書では、術語「インターロック織り方」は、横糸の各層が複数の経糸層を相互連結し、且つ、特定の横糸列における糸のすべてが織り平面内で同一のずれ（ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を有する、織り方を意味する。
特に国際公開第２００６／１３６７５５号パンフレットに説明されている多層織りのような、他の公知のタイプの多層織りも使用可能である。
繊維構造は、特に、炭素繊維、ケイ素炭素繊維（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）のようなセラミック繊維、ガラス繊維、又は、実際にはアラミド繊維で作られている糸から織られてもよい。
図４に示されているように、繊維補強材は、３次元織りによって、変動する厚さを伴う形で形成される繊維織物１００を、マンドレル２００上に巻き付けることによって作られ、及び、このマンドレルは、形成されるべきケーシングの輪郭に一致した輪郭を有する。有利には、繊維補強材は、ケーシング１０のための完全な環状繊維プリフォームを構成し、補剛材部分１７に対応する補剛材を含む単一の部品を形成する。
このために、マンドレル２００は、形成されるケーシングの内側表面に一致する輪郭の外側表面２０１を有する。繊維織物１００は、マンドレル２００上に巻き付けられることによって、そのマンドレル２００の輪郭にぴったりと嵌め合わされる。マンドレル２００は、その外側表面２０１上に環状の突起２１０を含み、この突起の形状と寸法は、形成される補剛材部分１７の形状と寸法に一致する。マンドレル２００は、さらに、ケーシング１０のフランジ１４、１５に相当する繊維プリフォームの一部分を形成するための２つのチークプレート（ｃｈｅｅｋ−ｐｌａｔｅ）２２０、２３０を有する。
図５は、マンドレル２００上の複数の層の形で繊維織物１００を巻き付けた後に得られる繊維プリフォーム３００の断面図である。層又はターン（ｔｕｒｎ）の数は、所望の厚さと繊維織物の厚さとの関数である。この数が少なくとも２つであることが好ましい。この説明している例では、プリフォーム３００は４つの層の繊維織物１００を有する。
繊維プリフォーム３００は、段状部分３１０の両側に位置しているプリフォームの上流部分３１１と下流部分３１２との半径よりも大きい半径において延びる段状部分３１０を伴って得られる。段状部分３１０は、ケーシング１０の補剛材部分１７に相当する。繊維プリフォームは、さらに、ケーシングの滞留区域部分１６に相当する、より厚さが大きい部分３２０を有し、及び、末端部分３３０、３４０がケーシングのフランジ１４、１５に相当する。
この後に、繊維プリフォーム３００はマトリックスによって高密度化される。
繊維プリフォームを高密度化することが、マトリックスを構成する材料を使用して、繊維プリフォームの体積の一部分又は全部において、繊維プリフォームの孔を充填することにある。
このマトリックスは、液体技術を使用することによって公知の仕方で得られてもよい。
この液体技術は、マトリックスの材料の有機前駆物質を含む液体組成物でプリフォームを含浸することにある。この有機前駆物質は、通常は、恐らくは溶媒中に希釈されている、樹脂のようなポリマーの形態である。繊維プリフォームは、封止状態に密閉されることが可能であり且つ最終成形部品の形状を有する空洞を有する、金型の中に入れられる。図６に示されているように、この例では、繊維プリフォーム３００は、金型カバーを形成する複数のセクター２４０と、支持物を形成するマンドレル２００との間に入れられ、及び、これらの要素は、作られるケーシングの外側形状と内側形状とをそれぞれに有する。その後に、例えば樹脂のようなマトリックスの液体前駆物質が、プリフォームの繊維部分全体に含浸するように、空洞全体の中に注入される。
この前駆物質は、熱処理によって、即ち、一般的には、金型を加熱し、溶剤すべてを除去してポリマーを硬化させた後に、形成される部品の形状に一致する形状を有する金型の中にプリフォームを保持し続けることによって、有機マトリックスに変形させられ、即ち、重合させられる。この有機マトリックスは、特に、例えば市販されている高性能エポキシ樹脂のようなエポキシ樹脂、又は、炭素マトリックス又はセラミックマトリックスのための液体前駆物質から得られてもよい。
炭素マトリックス又はセラミックマトリックスを形成する場合は、熱処理は、使用される前駆物質と熱分解条件とに応じて、有機マトリックスを炭素マトリックス又はセラミックマトリックスに変形するために、有機前駆物質を熱分解することにある。例えば、炭素の液体前駆物質は、フェノール樹脂のような比較的高いコークス含量（ｃｏｋｅ ｃｏｎｔｅｎｔ）を有する樹脂であってもよく、一方、セラミックの液体前駆物質、特にＳｉＣの液体前駆物質は、ポリカルボシラン（ＰＣＳ）、又は、ポリチタノカルボシラン（ＰＴＣＳ）、又は、ポリシラザン（ＰＺＳ）のタイプの樹脂であってもよい。含浸から熱処理への複数の連続的サイクルが、所望の度合の高密度化を実現するために行われてもよい。
本発明の一側面では、繊維プリフォームは、公知の樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）法によって高密度化されてもよい。ＲＴＭ法では、繊維プリフォームは、作られるケーシングの形状を有する金型の中に入れられる。熱硬化性樹脂が、硬質材料部分と金型との間に画定されており且つ繊維プリフォームを収容する内側空間の中に注入される。樹脂によるプリフォームの含浸を調整し最適化するために、一般的には、圧力勾配が、樹脂が注入される場所と樹脂放出オリフィスとの間のこの内側空間内に設定される（ｓｅｔ ｕｐ）。
一例として、使用される樹脂はエポキシ樹脂であってもよい。ＲＴＭ法に適している樹脂が公知である。こうした樹脂は、繊維の中へのこの樹脂の注入を容易化するために、低い粘度を有する。樹脂の温度等級及び／又は化学的性質は、その部品が受けることになる熱機械応力の関数として決定される。この樹脂は、補強材全体に注入され終わると、ＲＴＭ法に準拠した熱処理によって重合させられる。
注入と重合との後に、その部品は金型から外される。最後に、その部品は、過剰な樹脂を取り除くために削られ、及び、図１と図２に示すように、ケーシング１０を得るために面取り箇所が機械加工される。
１０ ガスタービンケーシング
１１ ケーシングの内側表面
１６ 滞留区域
１７、２７ 補剛材部分
１８ ケーシングの上流部分
１９ ケーシングの下流部分
１００ 繊維織物
１７１、２７１ 環状凹み
２７５ 音響減衰材料又は構造

Claims (12)

  1. マトリックスによって高密度化された補強材を備える複合材料で作られており、且つ、回転体の形状である、ガスタービンケーシング（１０）において、
    このガスタービンケーシング（１０）の内側表面（１１）内に環状凹み（１７１）を形成するように、補剛材部分（１７）に隣接しているこのケーシングの上流部分及び下流部分（１８、１９）の半径よりも大きい半径において延びる、少なくとも１つの補剛材部分（１７）を備えることを特徴とするガスタービンケーシング（１０）。
  2. 各々の補剛材部分（１７）は、横断面において、オメガ形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のケーシング。
  3. 各々の補剛材部分（２７）によって形成されている前記環状凹み（２７１）は、各々の補剛材部分（２７）に隣接している前記ケーシング（２０）の前記上流部分及び下流部分（２８、２９）の間での前記ケーシング（２０）の内側表面（２１）の連続性を実現するために、充填材材料又は構造（２７５）を充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のケーシング。
  4. 各々の補剛材部分（２７）によって形成されている前記環状凹み（２７１）は、音響減衰材料又は構造（２７５）を充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のケーシング。
  5. 前記ケーシング（１０）は、前記ケーシング（１０）の他の部分よりも大きい厚さを有する滞留区域（１６）を含み、及び、１つ又は複数の前記補剛材部分（１７）は前記滞留区域（１６）の外側に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーシング。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のファン滞留ケーシング（１０）を有するガスタービン航空機用エンジン。
  7. 請求項６に記載の１つ又は複数のエンジンを有する航空機。
  8. 複合材料で作られたガスタービンケーシング（１０）を製造する方法であって、３次元又は多層織りによって一体状のストリップの形状に繊維織物（１００）を織る段階と、サポートツーリング（２００）上に前記繊維織物を巻き付けることによって前記繊維織物を成形することと、マトリックスによって繊維補強材（３００）を高密度化する段階とを含む方法において、
    成形中に、段状部分（３１０）に隣接している繊維プリフォーム（３００）の上流部分及び下流部分（３１１、３１２）の半径よりも大きい半径において延びる、少なくとも１つの段状部分（３１０）を有する前記繊維プリフォーム（３００）を得るように、前記繊維織物（１００）が成形され、及び、前記段状部分は、高密度化の後に、前記ガスタービンケーシング（１０）の内側表面（１１）内に環状凹み（１７１）を形成することを特徴とする方法。
  9. 各々の補剛材部分（１７）は、横断面において、オメガ形の形状を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 各々の補剛材部分（１７）によって形成されている前記環状凹みは、各々の補剛材部分（２７）に隣接している前記ケーシング（２０）の前記上流部分及び下流部分（２８、２９）の間での前記ケーシング（２０）の前記内側表面（２１）の連続性を実現するように、充填材材料又は構造（２７５）を充填されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
  11. 各々の補剛材部分（２７）によって形成されている前記環状凹み（２７１）は、音響減衰材料又は構造（２７５）を充填されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
  12. 前記繊維プリフォーム（３００）は、前記ケーシング（１０）内の滞留区域（１６）を形成するように、前記繊維プリフォームの他の部分よりも大きい厚さを有する区域（３２０）を有し、前記１つ又は複数の段状部分（３１０）は、前記より大きい厚さの部分（３２０）の外側に位置していることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
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