JP2018066289A - ファン動翼及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】航空機用エンジン等に好適に使用できるファン動翼であって、機械的強度を十分に確保しつつ軽量化が達成されたファン動翼を提供すること。
【解決手段】熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材料によって構成されており、正圧面及び負圧面を有する翼面形状を形成する外覆部材と、正圧面と前記負圧面との間に配置されており、中空構造を有する金属芯体と、を備える、ファン動翼。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファン動翼及びその製造方法に関する。
従来から、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いたファン動翼が開発されており、その軽量化の方法も種々検討されている。例えば、特許文献１には、割金型にプリフォーム下面体を載置し、次いでその上に中空体又は軽量芯材をセットしたのち、その上面をプリフォーム上面体で覆い、上型を閉じて金型内に熱硬化性プラスチックを注入し硬化させて、プリフォーム上下面体同士の当接周縁部を一体に接着接合することを特徴とする、送風機翼の製造法が開示されている。
特開平７−１６０７号公報
近年、航空機用エンジン等に使用されるファン動翼についても軽量化が求められている。しかし、特許文献１に記載の方法では、プリフォーム上下面体同士の当接部が、プリフォーム上下面体と異なる熱硬化性プラスチックで接合されているため、当接部での強度が十分に得られないおそれがある。
本発明は、航空機用エンジン等に好適に使用できるファン動翼であって、機械的強度を十分に確保しつつ軽量化が達成されたファン動翼及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るファン動翼は、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材料によって構成されており、正圧面及び負圧面を有する翼面形状を形成する外覆部材と、正圧面と負圧面との間に配置されており、中空構造を有する金属芯体と、を備える。
このファン動翼では、複合材料によって構成された外覆部材が、正圧面及び負圧面を有する翼面形状を形成している。このため、正圧面及び負圧面がそれぞれ別の部材で構成される場合と比較して、優れた機械的強度が得られる。また、このファン動翼では、正圧面と負圧面との間に中空構造を有する金属芯体が配置されており、当該金属芯体によって全体の軽量化が図られている。さらに、熱可塑性樹脂を含む複合材料の成形には加熱を要するが、このファン動翼では、中空構造を成す芯体が金属製であるため成形時の加熱による変形が防止されている。このため、芯体の変形に起因する、翼面形状の変形、機械的強度の低下等が十分に防止されている。
一態様において、中空構造は、ハニカム構造、格子構造及び発泡構造から選択される構造であってよい。この場合、金属芯体の耐圧性が向上するため、外覆部材の成形時により高い圧力を付加でき、外覆部材をより精細な翼面形状を有するものとすることができる。
一態様において、外覆部材を構成する熱可塑性樹脂の一部は、金属芯体の中空構造に入り込んでいてよい。特許文献１に記載の方法では、軽量芯材とプリフォーム上下面体との接合強度が十分に確保できないという問題がある。これに対して本態様では、中空構造に入り込んだ熱可塑性樹脂によって外覆部材と金属芯体との接合強度が向上するため、ファン動翼がより優れた機械的強度を有するものとなる。
本発明の一態様に係るファン動翼の製造方法は、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複数の複合材シートを積層及び一体化させて、予備成形体を得る第一の成形工程と、複数の予備成形体を、中空構造を有する金属芯体を介して重ね合せて、加熱及び加圧により一体化する第二の成形工程と、を含む。
この製造方法では、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材シートから形成された予備成形体から、翼面形状を有する外覆部材が一体的に成形される。また、複数の予備成形体を金属芯体を介して重ね合せることで、外覆部材の内部に金属芯体が配置される。このため、上記製造方法によれば、上述の機械的強度に優れるファン動翼を容易に製造することができる。
一態様において、中空構造は、ハニカム構造、格子構造及び発泡構造から選択される構造であってよい。この場合、金属芯体が良好な耐圧性を有するため、第二の成形工程においてより高い圧力で加圧でき、より精細な翼面形状を有するファン動翼が製造できる。
本発明によれば、航空機用エンジン等に好適に使用できるファン動翼であって、機械的強度を十分に確保しつつ軽量化が達成されたファン動翼及びその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す上面図である。 図１のＩＶ−ＩＶに沿った断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るファン動翼の製造方法を説明するための概略図である。 本発明の一実施形態に係るファン動翼を説明するための概略図である。
以下、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する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は理解を容易にするため一部を誇張して描いており、寸法比率等は図面に記載のものに限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す正面図であり、図２は、本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す側面図であり、図３は、本発明の一実施形態に係るファン動翼を示す上面図である。また、図４は、図１のＩＶ−ＩＶに沿った断面を示す断面図である。また、図５は、本発明の一実施形態に係るファン動翼の製造方法を説明するための概略図である。図６は、本発明の一実施形態に係るファン動翼を説明するための概略図である。
図１〜４に示すとおり、本実施形態に係るファン動翼１０は、外覆部材２０と、外覆部材２０で被覆された金属芯体３０と、を備えている。また、ファン動翼１０は、翼面形状を有する翼部２１と翼部２１の基端に延設された支持部２２とを有しており、翼部２１及び支持部２２は外覆部材２０によって一体に成形されている。翼部２１が有する翼面形状は、前縁２５と、後縁２６と、前縁２５から後縁２６まで延在する回転方向前側の側面である正圧面２３と、前縁２５から後縁２６まで延在する回転方向後側の側面である負圧面２４とによって画成されている。支持部２２は、ファンディスク等の支持体（図示しない）にファン動翼１０を固定するため、支持体が有する設置溝と嵌合する形状を有している。
外覆部材２０は、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材料によって構成されている。熱可塑性樹脂の種類は特に限定されず、ファン動翼１０に要求される強度及び靭性などの特性に応じて、公知のエンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック等から適宜選択してよい。熱可塑性樹脂の好適な例としては、ＰＥＩ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ等が挙げられる。複合材料は１種の熱可塑性樹脂を含むものであってよく、２種以上の熱可塑性樹脂を含むものであってもよい。強化繊維の種類も特に限定されず、ファン動翼１０に要求される強度及び靭性などの特性に応じて、公知の強化繊維から適宜選択してよい。強化繊維の好適な例としては、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等が挙げられる。
外覆部材２０は、後述するように、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複数の複合材シートを積層及び一体化した予備成形体４１〜４４を、さらに一体に成形して形成されたものである。複合材シートは、例えば、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたものであってよく、熱可塑性樹脂中に強化繊維を分散させたものであってよい。複合材シートとしては、例えば、一方向に引きそろえられた強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた一方向プリプレグが挙げられる。また、複合材シートは、平織り、綾織り、朱子織りなどの織物の強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた織物プリプレグであってもよい。
金属芯体３０は中空構造を有している。金属芯体３０の中空構造は、金属芯体３０の重量が同体積の複合材料より小さくなるように設計されたものであってよい。すなわち、金属芯体３０は、複合材料より小さい比重を有していてよい。金属芯体３０の比重は、例えば０．２〜１．５であってよく、剛性、強度の補強のためならＦＲＰの密度より高くなってもよい。また、金属芯体３０の空隙率は、例えば５〜４０％であってよく、４０〜１００％であってもよい。空隙率１００％の場合は、翼を製造後金属芯体を抜いた場合に相当する。
金属芯体３０は、例えば、ハニカム構造、格子構造及び発泡構造から選択される中空構造を有するものであってよい。この場合、金属芯体の耐圧性が向上するため、外覆部材の成形時により高い圧力を付加でき、外覆部材をより精細な翼面形状を有するものとすることができる。ハニカム構造は、立体図形を隙間なく並べた構造であり、例えば正六角柱を隙間なく並べた構造であってよい。格子構造は、ラティス構造ともいう。格子構造における格子形状は、例えば、単純格子構造（立方体構造）、直交格子、体心立方格子、ダイヤモンド格子等であってよい。格子構造における格子間隔及び格子太さは、所望の比重に応じて適宜変更してよい。格子構造の格子間隔は、例えば２〜３ｍｍであってよく、３〜１０ｍｍであってもよい。格子構造の格子太さは、例えば０．４〜１．０ｍｍであってよい。発泡構造は、連続気泡構造であってよく、独立気泡構造であってもよい。金属芯体３０を構成する金属材料は特に限定されず、例えばチタン合金、ニッケル合金、ステンレス合金等であってよい。
金属芯体３０は、ファン動翼１０の基端側に配置されている。また、ファン動翼１０において、金属芯体３０は、翼部２１の基端側の内部構造の一部、及び、支持部２２の内部構造の一部を構成している。金属芯体３０の外形形状は、ファン動翼１０の機械的強度が外覆部材２０によって確保される形状であればよい。翼部２１の基端側及び支持部２２は、ファン動翼１０のなかで比較的厚みを有する箇所であるため、これらの内部構造に配置される金属芯体３０は外形形状を大きくできる。
一態様において、外覆部材２０を構成する熱可塑性樹脂の一部が、金属芯体３０の中空構造に入り込んでいてよい。金属芯体３０の中空構造内に入り込んだ熱可塑性樹脂は、外覆部材２０の複合材料と一体化しており、アンカー効果により金属芯体３０と外覆部材との接合強度を向上させることができる。
ファン動翼１０では、複合材料によって構成された外覆部材２０が、正圧面２３及び負圧面２４を有する翼面形状を形成している。このため、正圧面２３及び負圧面２４がそれぞれ別の部材で構成される場合と比較して、優れた機械的強度が得られる。また、このファン動翼１０では、正圧面２３と負圧面２４との間に中空構造を有する金属芯体３０が配置されており、当該金属芯体３０によって全体の軽量化が図られている。さらに、熱可塑性樹脂を含む複合材料の成形には加熱を要するが、このファン動翼１０では、中空構造を成す芯体が金属製であるため成形時の加熱による変形が防止されている。このため、芯体の変形に起因する、翼面形状の変形、機械的強度の低下等が十分に防止されている。
次に、図５を参照しながら本実施形態に係るファン動翼１０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る製造方法は、複数の複合材シートを積層及び一体化させて予備成形体を得る第一の成形工程と、複数の予備成形体を金属芯体３０を介して重ね合わせて、加熱及び加圧により一体化する第二の成形工程と、を含む。
第一の成形工程では、例えば、複合材シートを積層及び一体化させることで予備成形体４１が作製される。予備成形体４１は、翼部２１を形成するための第一成形部４１ａと、第一成形部４１ａの基端に延設された、支持部２２を形成するための第二成形部４１ｂと、を有している。
第一の成形工程は、例えば、複数の複合材シートを積層した積層体を加熱及び加圧して、予備成形体４１を形成する工程であってよい。形成される予備成形体４１の厚さ及び立体形状に対応して、所定の位置に所定の大きさの複合材シートを所定の枚数分積層することで、積層体が形成される。そして、この積層体を、例えば金型内に設置して、金型を所定の温度に加熱しつつ所定の圧力で加圧することで、予備成形体４１が形成される。加熱の温度は、複数の複合材シートを一体に成形できる温度であればよく、例えば熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度であってよい。加圧の圧力は、複数の複合材シートが一体に成形される圧力であればよく、例えば１〜１５ＭＰａであってよい。
第一の成形工程では、予備成形体４２、４３及び４４をそれぞれ作製してもよい。予備成形体４２、４３及び４４は、予備成形体４１と同様にして作製される。また、予備成形体４２、４３及び４４は、予備成形体４１と同様に、翼部２１を形成するための第一成形部４２ａ、４３ａ及び４４ａと、支持部２２を形成するための第二成形部４２ｂ、４３ｂ及び４４ｂとを有している。
予備成形体４１、４２、４３及び４４は、ファン動翼１０の外覆部材２０を厚さ方向に複数分割したときに形成される曲面形状を有していてよい。また、第二の成形工程で外側に配置される予備成形体４１及び４４は、それぞれファン動翼１０の負圧面２４及び正圧面２３に対応する曲面形状を有していてよい。
第二の成形工程では、複数の予備成形体４１、４２、４３及び４４を、金属芯体３０を介して重ね合わせて、加熱及び加圧により一体化する。予備成形体４１、４２、４３及び４４はこの順で配置され、金属芯体３０は予備成形体４２及び４３の間に配置される。
第二の成形工程では、例えば、予備成形体４１、４２、４３及び４４と金属芯体３０とを重ね合わせて金型内に配置し、金型を所定の温度に加熱しつつ所定の圧力で加圧することで、ファン動翼１０が形成される。このとき、予備成形体４１、４２、４３及び４４の熱可塑性樹脂が軟化し、各予備成形体間の境界面で溶融することによって、一体の外覆部材２０が形成される。また、予備成形体４１、４２、４３及び４４の第一成形部４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４４ａと金属芯体３０とから翼部２１が形成され、予備成形体４１、４２、４３及び４４の第二成形部４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ及び４４ｂと金属芯体３０とから支持部２が形成される。
第二の成形工程において、加熱の温度は、複数の予備成形体４１、４２、４３及び４４を一体に成形できる温度であればよく、例えば熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度であってよい。加圧の圧力は、複数の予備成形体４１、４２、４３及び４４が一体に成形される圧力であればよく、例えば１〜３０ＭＰａであってよい。
第二の成形工程では、金属芯体３０に直接接する予備成形体４２及び４３の熱可塑性樹脂が、金属芯体３０の中空構造内に入り込むように加熱及び加圧の条件を調整してよい。これにより、外覆部材２０の熱可塑性樹脂の一部が金属芯体３０の中空構造に入り込んだ構成が形成される。なお、加熱の温度及び加圧の圧力を高くすることで、金属芯体３０の中空構造内への熱可塑性樹脂の充填量が多くなる。
本実施形態に係る製造方法では、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材プリプレグから形成された予備成形体４１、４２、４３及び４４から、翼面形状を有する外覆部材２０が一体的に成形される。また、複数の予備成形体４１、４２、４３及び４４を金属芯体３０を介して重ね合せることで、外覆部材２０の内部に金属芯体３０が配置される。このため、上記製造方法によれば、機械的強度に優れるファン動翼１０を容易に製造することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
本発明によれば、機械的強度を十分に確保しつつ軽量化が達成されたファン動翼が得られ、当該ファン動翼は航空機用エンジン等に好適に使用できる。
１０ ファン動翼
２０ 外覆部材
２１ 翼部
２２ 支持部
２３ 正圧面
２４ 負圧面
２５ 前縁
２６ 後縁
３０ 金属芯体
４１〜４４ 予備成形体

Claims (5)

  1. 熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複合材料によって構成されており、正圧面及び負圧面を有する翼面形状を形成する外覆部材と、
    前記正圧面と前記負圧面との間に配置されており、中空構造を有する金属芯体と、
    を備える、ファン動翼。
  2. 前記中空構造が、ハニカム構造、格子構造及び発泡構造から選択される、請求項１に記載のファン動翼。
  3. 前記外覆部材を構成する前記熱可塑性樹脂の一部が、前記金属芯体の前記中空構造に入り込んでいる、請求項１又は２に記載のファン動翼。
  4. 熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む複数の複合材シートを積層及び一体化させて、予備成形体を得る第一の成形工程と、
    複数の前記予備成形体を、中空構造を有する金属芯体を介して重ね合せて、加熱及び加圧により一体化する第二の成形工程と、
    を含む、ファン動翼の製造方法。
  5. 前記中空構造が、ハニカム構造、格子構造及び発泡構造から選択される、請求項４に記載のファン動翼の製造方法。
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