JP5107681B2 - 複合材構造体上の応力を低減する方法 - Google Patents

Description

本明細書に記載した実施形態は、総括的には複合材構造体上の応力を低減する方法に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、総括的には、最大応力許容値に達した後に剥離又は分離するが依然として損傷のない状態を保つフランジを複合材構造体上に設けることによって該複合材構造体上の応力を低減する方法について記述する。

航空機エンジンのようなガスタービンエンジンでは、空気は、エンジンの前面内に吸い込まれ、シャフト支持圧縮機によって加圧され、かつ燃焼器内で燃料と混合される。次に混合気は燃焼され、高温排出ガスが、同一のシャフト上に支持したタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービン内で膨張し、タービンが次に、シャフトを回転させ、圧縮機に動力を提供する。高温排出ガスはさらに、エンジンの後部におけるノズル内で膨張して強力な推力を発生し、この推力により航空機を前方に駆動する。

エンジンは多様な条件で作動するので、望ましくない異物がエンジン内に入るおそれがある。より具体的には、大型の鳥、雹粒、砂塵及び雨のような異物が、エンジンの吸気口内に進入するおそれがある。その結果、これらの異物は、ファンブレードに衝突し、衝突を受けたブレードの一部分をロータから遊離させるおそれがあり、これは一般にファンブレードアウトとして知られている。遊離したファンブレードは次に、ファンケーシングの内部に衝突して、ケーシングの一部分を膨出又は変形させるおそれがある。ケーシングのこの変形は、該エンジンケーシングの全周辺部に沿って大きな応力を生じさせる可能性がある。

近年、複合材料は、それらの耐久性及び比較的軽量の故に、多様な航空宇宙用途における使用が益々普及してきた。複合材料は、優れた強度及び重量特性をもたらすことができ、またブレードアウトのような衝突時におけるファンケーシングに対する損傷度を軽減することができるが、複合材料で製作した構造体上にフランジを設計することは、依然として困難な課題として残っている。

積層複合材構造体は一般に、連続強化繊維の存在により優れた面内強度を有する。しかしながら、複合材構造体の端部の周りではなく複合材構造体の本体の周りに設置された中間フランジに対して補助的構造体を取り付ける場合には、問題が生じる可能性がある。そのような問題は、フランジと主要複合材構造体との間の取付け又は結合の箇所において、一般に連続繊維が不足していることによって起こる。補助的構造体の重量によって生じる大きな面外荷重に加えて、この連続繊維の不足により、ファンブレードアウトにより生じる応力又は補助的構造体の重量のために本来的に存在する応力のような大きな応力によって損傷を受け易い脆弱な取付け結合部になるおそれがある。

取付け箇所におけるそのような脆弱性に対処するために、付加的繊維又は金属ブラケットのような補助的補強を取付けフランジの結合部に対して与えることが望ましいことになる。しかしながら、これらの補強を加えた場合には、複合材構造体を使用することによって得られた重量軽減の利点が、大きく低下するおそれがある。さらに、付加的補強を加えた場合であっても、取付けフランジは、ブレードアウトによって引き起こされる付加的応力がある場合でも或いはない場合でも、取付けた補助的構造体の重量を適切に支持するのに十分なほどの強度を依然として有しない可能性がある。最終的には、既に脆弱化したフランジに対して絶え間なく応力が作用することにより、主要複合材構造体、取付け補助的構造体、エンジン又は航空機の１つ又はそれ以上に対する壊滅的破損が生じるおそれがある。
米国特許出願公開第２００６／０２０１１３５号公報 米国特許出願公開第２００６／０１３４２５１号公報

従って、上記の破損の問題がない状態で所望の取付けを可能にする取付けフランジを有する複合材構造体上の応力を低減する方法に対する必要性が未だに存在している。

本明細書に記載した実施形態は、全体的には、複合材構造体上の応力を低減する方法に関し、本方法は、周辺部を有する主要複合材構造体を準備する段階と、周辺部の周りで主要複合材構造体に対して作動可能に連結された少なくとも１つの取付けフランジを設けて接合部を形成する段階と、取付けフランジにおいて主要複合構造体に対して作動可能に連結された補助的構造体を設ける段階とを含み、主要複合構造体上の応力が最大許容レベルを超えた時に、取付けフランジの主要複合構造体からの剥離が結合部において発生し、かつ補助的構造体が、取付けフランジに対して作動可能に連結された状態を保つようにする。

本明細書における実施形態はまた、全体的には、複合材構造体上の応力を低減する方法に関し、本方法は、周辺部を有する主要複合材構造体を準備する段階と、周辺部の周りで主要複合材構造体に対して作動可能に連結された少なくとも１つの取付けフランジを設けて接合部を形成する段階と、取付けフランジにおいて主要複合構造体に対して作動可能に連結された補助的構造体を設ける段階とを含み、主要複合構造体上の応力が最大許容レベルを超えた時に、取付けフランジの主要複合構造体からの分離が結合部において発生し、かつ補助的構造体が、取付けフランジに対して作動可能に連結された状態を保つようにする。

これらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の開示から当業者には明らかになるであろう。

本明細書は、本発明を具体的に指摘しかつ明瞭に特許請求している特許請求の範囲を伴っているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を表している添付図面を参照しながら以下の説明を読むことにより一層よく理解されるようになると思われる。

一体形複合材取付けフランジ
本明細書に記載した実施形態は、全体的には、複合材構造体上の応力を低減する方法に関し、本方法は、主要複合材構造体と取付け補助的構造体との両方に対する厳しい部品損傷の発生を減少させると同時に、壊滅的な部品破損を排除するのを助けることができる。本明細書における実施形態では、全体としてガスタービンエンジンの複合材ファンケーシング上の一体形取付けフランジに焦点を当てているが、説明はそのようなものに限定されるべきではないことは、当業者には分かるであろう。実際に、以下の記述が説明しているように、本明細書に記載した一体形取付けフランジは、あらゆるほぼ円筒形状の複合材構造体上で利用することができる。

図面を参照すると、図１は、一般にファン組立体１２とコアエンジン１４とを含むガスタービンエンジン１０の１つの実施形態の概略図である。ファン組立体１２は、ファンケーシング１６と、ロータディスク２０から半径方向外向きに延びるファンブレード１８の列とを含むことができる。コアエンジン１４は、高圧圧縮機２２と、燃焼器２４と、高圧タービン２６と、低圧タービン２８とを含むことができる。エンジン１０は、吸入側３０と排出側３２とを有する。ファン組立体１２と低圧タービン２８とは、第１のロータシャフト３４によって結合することができ、他方、高圧圧縮機２２と高圧タービン２６とは、第２のロータシャフト３６によって結合することができる。

図２は、許容可能な主要複合材構造体３８の１つの実施形態を示している。本明細書で使用する場合、「複合材構造体（プリフォーム）」というのは、複合材料で製作されたあらゆる構成要素又はそのプリフォームを意味している。複合材構造体３８は、ファンケーシング１６のようなほぼ円筒形の部材を含むことができる。以後その円筒形部材は、それに限定されないが、ファンケーシング１６と呼ぶことにする。ファンケーシング１６は、形状がほぼ円筒形とすることができ、あらゆる許容可能な材料で製作することができる。しかしながら、１つの実施形態では、ファンケーシング１６は、それに限定されないが、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭素繊維、セラミック繊維、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）繊維（つまり、ＫＥＶＬＡＲ(登録商標)）のような芳香族ポリアミド繊維、及びそれらの組合せのような複合材料で製作することができる。１つの実施形態では、複合材料は、炭素繊維を含むことができる。さらに、ファンケーシング１６は、当業者には公知のあらゆる許容可能な製造方法を用いて製作することができる。例えば、Ｘｉｅ他の米国特許出願第２００６／０２０１１３５号を参照されたい。

ファンケーシング１６は一般に、前端部４２と後端部４４とを有する本体４０を含むことができる。本明細書で使用する場合に、「ファンケーシング」というのは、硬化前及び硬化後の複合材ファンケーシングの両方を指すために使用する。どちらの段階のファンケーシングについて述べているかは、当業者にはその記述から分かるであろう。ファンケーシング１６はまた、少なくとも１つの一体形複合材取付けフランジ４６を含むことができる。本明細書で使用する場合、「取付けフランジ」というのは、ファンケーシング１６の本体４０、又は以下に述べるように補助的構造体を主要構造体に対して作動可能に連結するために使用することができるその他の主要複合材構造体の周りで中間位置に円周方向に配置されたあらゆるフランジを意味している。「中間位置に配置された」というのは、取付けフランジ４６が、前端部４２又は後端部４４のいずれかの周りではなくて、ファンケーシング１６の本体４０の周りに円周方向に設置することができることを意味している。

ファンケーシング１６はまた、当業者には公知のあらゆるツールを使用して製作することができる。例えば、Ｂｌａｎｔｏｎ他の米国特許出願第２００６／０１３４２５１号を参照されたい。図３に示すような１つの実施形態では、複合材構造体成形ツール３７は、周囲長を有しかつほぼ円筒形状のコア３３を有し、またツール３７のコア３３に対して着脱自在に取付けることができる第１のエンドプレート７２及び第２のエンドプレート８４を含むことができる。

次に図４を参照すると、一体形複合材取付けフランジ４６は一般に、少なくとも１つのコア繊維５２を含むことができるが、１つの実施形態では、取付けフランジ４６は、複数のコア繊維５２を含むことができる。コア繊維５２は、ファンケーシング１６の周りで円周方向に配向することができる。「円周方向に配向した」というのは、コア繊維５２が、それが繊維トウであれ、織物プリフォームであれ又はそれらの組合せであれ、ファンケーシング１６を全体的に囲み、かつ円周方向に連続していることを意味している。一般に取付けフランジ４６はまた、以下に述べるように、コア繊維５２をファンケーシング１６に対して作動可能に連結することができる少なくとも１つの多方向性付着繊維５４の層を含むことができる。本明細書で使用する場合、「多方向性」というのは、１つよりも多い方向に配向された繊維トウを有する付着繊維を含んだ織物プリフォームを意味している。

当業者には分かるように、コア繊維５２は、様々な方法で製作することができる。１つの実施形態では、コア繊維５２は、束ねられかつ互いに結合された複数の連続的な一方向性繊維で製作することができる。別の実施形態では、コア繊維５２は、円周方向に連続した大部分の繊維トウと円周方向以外の方向に連続的又は不連続的のいずれかである残りの部分の繊維とを有する、偏平化二軸性編組スリーブのような織物プリフォームを含むことができる。本明細書において以下に説明するように、フランジに対して円周方向における付加的強度を与えることができるのは、コア繊維５２のこのほぼ円周方向の配向である。利用する特定の組立体に関係なく、コア繊維５２は、第１のコア側面５６と第２のコア側面５８とを含むことができる。

コア繊維５２の繊維トウは、それに限定されないが、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭素繊維、セラミック繊維、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）繊維（つまり、ＫＥＶＬＡＲ(登録商標)）のような芳香族ポリアミド繊維、及びそれらの組合せを含む、当業者には公知のあらゆる適当な強化繊維で構成することができる。さらに、あらゆる数の繊維トウを使用してコア繊維５２を作ることできるが、１つの実施形態では、コア繊維５２を作るために約１００〜約５，０００の繊維トウを使用することができる。さらに、各繊維トウは、約３，０００〜約２４，０００の繊維フィラメントを含むことができる。一般に、コア繊維５２は、それが組立てられた時に、取付けフランジ４６の全体厚さＴの約半分を構成することができる。取付けフランジ４６の厚さは、用途に応じて変化させることができるが、１つの実施形態では、取付けフランジ４６は、約０．５インチ（１．２７ｃｍ）〜約１インチ（２．５４ｃｍ）の厚さを有することができる。

前に説明したように、円周方向のコア繊維５２に加えて、各取付けフランジ４６はまた、コア繊維５２の第１のコア側面５６及び第２のコア側面５８の各々をファンケーシング１６に対して作動可能に連結する少なくとも１つの付着繊維５４の層を含むことができる。コア繊維５２とは異なり、付着繊維５４は、繊維トウの大部分が円周方向に配向される必要のない織物又は組紐のような多方向性織物プリフォームで作ることができる。このようにして、付着繊維５４は、全体を通してほぼ均一な強度分布を示すことができる。コア繊維の場合と同様に、付着繊維５４の各繊維トウは、約３，０００〜約２４，０００の繊維フィラメントを含むことができる。一般に、付着繊維５４は、それが組み立てられた時に、フランジ４６の全体厚さの残りの半分を構成することができる。

図５に示すように、取付けフランジ４６は、それが硬化すると、少なくとも１つの補助的構造体４８をファンケーシング１６に対して作動可能に連結するために使用することができ、従ってフランジ４６は、ファンケーシング１６の本体４０の長さに沿った様々な位置に設置することができる。幾つかの場合には、１つよりも多い取付けフランジ４６を含むのが望ましい場合がある。図５に示すように、１つの実施形態では、補助的構造体４８は、例えば取付けフランジ４６及びボルトのような当業者には公知のあらゆる取付け方法を用いてファンケーシング１６に取付けることができる付属ギヤボックス５０とすることができる。その他の可能性がある補助的構造体には、それに限定されないが、オイルタンク、オイル及び燃料監視モジュール、その他のエンジン外部装置、及びそれらの組合せを含むことができる。「エンジン外部装置」というのは、エンジンの外部に連結することのできるあらゆる付属装置、モジュール又は構成要素を意味していることを理解されたい。そのような補助的構造体は、例えばアルミニウムのような当業者には公知のあらゆる許容可能な材料で作ることができ、また前に述べたように、それらが取付けられる対応するファンケーシングよりも重量が著しく大きいものとすることができる。例えば、１つの実施形態では、ファンケーシング１６の重量は約２００ポンドとすることができ、一方、付属ギヤボックス５０の重量は約３００ポンドとすることができる。

本明細書に記載した取付けフランジの実施形態により、現存の取付け機構に勝る幾つかの利点を得ることができる。具体的には、一体形取付けフランジは、主要複合材構造体とこれに取付けられた補助的構造体の両方に対する厳しい部品損傷の発生を減少させると同時に、破滅的な部品破損を排除する働きをすることができる。理論に捕らわれる意図はないが、一般に、本明細書における取付けフランジのような繊維強化複合材構造体は、繊維層間に比較的弱い境界面を有し、従ってそれらの面内強度と比べて比較的弱い厚さ方向強度を有する可能性がある。複合材構造体上の応力が所定の最大許容レベルを超えた場合には、これらの繊維層は、実際の繊維破損が起こる前に、剥離又は分離する傾向をもつことができる。剥離又は分離により、取付けフランジが主要構造体に連結している付着接合部上の荷重及び応力を低下させることができる。当業者には分かるように、主要複合材構造体の最大応力許容レベルは、製作に用いた材料、製作方法及びそれらに類したもののような因子に応じて変化させることができる。

本明細書に記載した実施形態は、前に述べた現象を利用して設計される。より具体的には、一体形取付けフランジは、ファンブレードアウト又は取付けた補助的構造体の重量によって起こる剥離又は分離のような、過度な応力下での接合部における主要複合材構造体からのフランジの剥離又は分離すらも許すように製作することができる。しかしながら、フランジのコア繊維は、連続的でかつ円周方向に配向された繊維で作ることができるので、フランジは、剥離又は分離した後でさえも、主要構造体の周りで移動可能であるが依然として損傷のないリングを保つことができる。従って、一体形取付けフランジが主要複合材構造体から剥離又は分離した場合であっても、取付けフランジは、全体的に全ての補助的構造体を取付けた状態で所定の位置に留まる。このことは、主要複合材構造体及び取付けフランジの両方における応力の低下を可能にしながら、取付け補助的構造体を元々意図したのとほぼ同じ位置に維持することを可能にすることができる。そのような理由で、剥離又は分離は、主要及び補助的構造体に対する損傷を軽減すると共に、破滅的な部品破損を防止するのを助けることができる。

一体形複合材取付けフランジを製作する方法
本明細書に記載したような取付けフランジを製作する方法は一般に、主要複合材構造体の周りにコア繊維を取付け、その後コア繊維をファンケーシング又はその他の主要複合材構造体に対して作動可能に連結するように付着繊維を取付ける段階を含むことができる。より具体的には、図６のステップ１００に示すように、取付けフランジの製作は、ファンケーシング１６のような周辺部を有する主要複合材構造体を準備する段階で始まることができる。１つの実施形態では、主要複合材構造体は、最終硬化を除けば、完成したものとすることができる。次にステップ１０２において、取付けフランジが望ましい各位置において、ファンケーシング１６の本体４０の周りに、対応する形状のガイド６０を配置することができる。ガイド６０は、例えば収縮テープによって所定の位置に着脱自在に保持することができる。１つの実施形態では、ガイド６０は、各々がファンケーシング１６の本体４０の周りで１８０°にわたって延びる個別の弓形部材で構成することができる。ガイド６０の弓形部材は、ファンケーシング１６の周りでの容易な配置及び調整のために互いに解除可能に連結することができる。しかしながら、ガイド６０は、あらゆる数の部片で構成することができ、また主要複合材構造体の形状に対応したあらゆる形状を有することができることが分かるであろう。ガイド６０は、本明細書で以下に説明するように、コア繊維及び付着繊維の両方を後で取付けるための支持体として働くことができる。前に言及したように、ガイド６０は、円周方向に延びかつ図示するようにL字形状の断面を有するものとすることができ、また例えばアルミニウム又は複合材のようなあらゆる剛性がありかつ軽量の材料で作ることができる。

全てのガイド６０をファンケーシング１６の本体４０の周りの所望の位置に配置した後に、ステップ１０４において、コア繊維５２の取付けを開始することができる。前に説明したように、コア繊維５２は、互いに束ねられかつ結合された一方向性の円周方向に配向された繊維トウ又は大部分を占める連続的かつ円周方向に配向された繊維トウを有する偏平化二軸性編組スリーブのような織物プリフォームのいずれかを含むことができる。

一方向性繊維トウを使用してコア繊維５２を作る場合には、トウは、ファンケーシング１６の周りに巻くことができる繊維フィラメントを含むことができる。一般に、単一の粘着力を高めた繊維トウは、ファンケーシングの周りの所望の位置に正確に配置することができ、またこの工程は、コア繊維５２が所望の寸法及び形状を有するまで反復することができる。本明細書において以下に説明するように、コア繊維５２を緻密化するために、次にデバルキング工程（或いは圧密化工程）を実施することができる。それに代えて、織物プリフォームを使用してコア繊維５２を作る場合には、織物層をテーブル又はツールのような平坦な無孔表面上に積層しかつ粘着力を高めることができる。より具体的には、粘着力を高めた織物層を積み重ねて、所望の厚さ及び高さを有しかつ同時にファンケーシングを囲むのに十分な長さを有するコア繊維５２を形成することができる。デバルキング工程の後に、以下に述べるように、緻密化した織物層は、ファンケーシング又はその他の主要複合材構造体に適合する適正半径を有するようにそれらの層を手動的又は機械的に成形することを可能にするのに十分な可撓性を保持する。如何なるタイプの繊維を使用するかに関係なく、仕上がったコア繊維５２は、第１のコア側面５６及び第２のコア側面５８を有することができる。

コア繊維５２をファンケーシング１６の周りの所望の位置に配置した後に、付着繊維５４をコア繊維５２の第１のコア側面５６及び第２のコア側面５８の各々に対してまたファンケーシング１６に対して取付けて、コア繊維５２をファンケーシング１６に対して作動可能に連結することができる。ステップ１０６において、付着繊維５４を例えばコア繊維５２の第１のコア側面５６に取付けている間、ガイド６０は、所定の位置に留めておくことができる。前に説明したように、付着繊維５４は、織物又は組紐のような多方向性織物プリフォーム層を含むことができる。付着繊維５４の層は、所望の厚さが得られるまで、コア繊維５２の第１のコア側面５６及びファンケーシング１６の両方に対して巻くことができる。より具体的には、エポキシのような液体樹脂をコア繊維５２及びファンケーシング１６に塗付して、付着繊維５４を取付けることができる粘着層を形成することができる。次に、付着繊維５４の層を液体樹脂上に取付けることができる。この工程は、付着繊維５４の所望の厚さが達成されるまで反復することができる。付着繊維５４は、あらゆる厚さ有することができるが、１つの実施形態では、付着繊維の厚さは、約０.１２５インチ（約０．３ｃｍ）〜約０．２５インチ（約０．６ｃｍ）とすることができる。

付着繊維５４がコア繊維５２の第１のコア側面５６に取付けられると、デバルキング工程を再び実施して構造体を一層緻密化することができる。具体的には、コア繊維５２及び付着繊維５４のような強化繊維は、本来的にかなり大きな量の体積を有することになる。複合体の最終硬化中におけるシワ及び／又は空隙の発生防止を助けるために、また最終硬化中にニアネットシェイプツールを利用するために、複合体の繊維は、所望の最終硬化厚さに近い寸法まで緻密化つまり圧縮することができる。この緻密化は、デバルキング中に行われる。

デバルキングは、例えば真空バッグ、収縮テープ又はその他の機械的手段のいずれかを用いて複合材繊維に圧力を加えることによるような、当業者には公知のあらゆる一般的な方法を使用して実施することができる。デバルキングの前に繊維に加えた樹脂は、圧力が加えられると繊維を所定の位置に「粘着」又は固定するのを助けることができる。粘着力を高めた繊維が室温にて望み通りに緻密化することができない場合には、熱を加えて樹脂の粘性を低下させることができる。その結果、樹脂は複合材繊維により良好に浸潤させることができ、緻密化を所望の度合いまで実施することが可能になる。１つの実施形態では、ガイドは、デバルキング工程中に所定の位置に留めておいて、製作中における支持を与えることができる。

デバルキング後に、ステップ１０８に示すように、ガイド６０をフランジの完成した側に隣接させて再配置して、付着繊維５４をフランジの反対側に取付けるようにすることができる。次に、ステップ１１０において、例えばコア繊維５２の第２のコア側面５８で前述した付着繊維５４の取付け及びデバルキングを反復して、一体形複合材取付けフランジプリフォーム６１を得ることができる。

任意選択的に、ステップ１１２に示す１つの実施形態では、最終硬化に先立って取付けフランジプリフォーム６１の付着繊維５４に追加的な個々の繊維トウ６２を取付けて、付加的なフープ強度を与えることができる。そのような繊維トウは、複合材構造体の最終硬化に影響を与えることはない。しかしながら、複合材料を使用することによって得られる重量節減の利点が制限されるのを回避するために、付加的な個々の繊維トウ６２の使用は、最小限にすることが望ましいと言える。

コア繊維５２、付着繊維５４及び任意選択的な個々の繊維トウ６２が積み重ねられかつデバルキングされると、各ガイド６０を除去し、硬化工程中の鋳型として働くように、最終硬化用ツールをあらゆるフランジプリフォームを含むファンケーシング１６の周りに配置することができる。当業者には分かるように、最終硬化用ツール及び方法は、使用する樹脂、部品の幾何学形状及び装置の能力のような因子に応じて変化させることができる。しかしながら、１つの実施形態では、ツールは、ニアネットシェイプツールを含むことができ、このツールは、原材料及び機械加工時間の無駄を防止するのを助けるだけでなく、繊維を破断してフランジ内に脆弱点を生じさせるおそれがある機械加工して付着繊維を作り出す必要性をも排除する。

一般に、最終硬化用ツール６４は、フランジシュー及び拡張フランジシューの様々な組合せを含むことができる。フランジシュー６６は、あらゆる数の部片を含むことができ、それらの部片は、互いに結合された時に、ファンケーシング１６及び任意選択的に取付けフランジプリフォーム６１の周りに円周方向に配置することができ、また図７に示すようにほぼL字形状の断面を含むことができる。図８に示す拡張フランジシュー６８は、第１の側面６９及び第２の側面７１を有することができ、またあらゆる数の部片を含むことができ、それらの部片は、互いに結合された時に、ファンケーシング１６及び任意選択的に取付けフランジプリフォーム６１の周りに円周方向に配置することができる。拡張フランジシュー６８は、図８に示すようにほぼL字形状の断面を含むことができる。フランジシュー６６及び拡張フランジシュー６８の両方は、ファンケーシングプリフォームよりも大きい熱膨張率を有するあらゆる材料で作ることができる。１つの実施形態では、フランジシュー６６及び拡張フランジシュー６８は、アルミニウム又は鋼のような金属、合金又はそれらの組合せで作ることができる。さらに、本明細書において以下に説明するように、フランジシュー６６及び拡張フランジシュー６８のいずれか又は両方は、端部フランジプリフォーム又は取付けフランジプリフォームを収容するためのフランジ空洞を含むことができる。

より具体的には、図９に示すように、第１の拡張フランジシュー７０は、ファンケーシング１６がその上で製作される複合材構造体成形ツール７４の第１のエンドプレート７２に対して該第１の拡張フランジシュー７０の第１の側面６９が隣接するように、ファンケーシング１６の周りに配置することができる。第１の拡張フランジシュー７０は、例えばボルトのような当業者には公知のあらゆる取付け方法を用いて、第１のエンドプレート７２に対して着脱自在に結合することができる。第１の拡張フランジシュー７０は、一旦配置されると、図９に示すように、存在するあらゆる第１のエンドプレートプリフォーム７６に重なり、かつファンケーシング１６の本体４０に沿って第１の取付けフランジプリフォーム７８まで連続することができる。次に第１のフランジシュー８０は、第１の拡張フランジシュー７０の第２の側面７１に隣接させてファンケーシング１６の周りに配置することができ、これら２つのフランジシューは、第１の取付けフランジプリフォーム７８の周りで互いに着脱自在に結合することができる。このようにして、第１の拡張フランジシュー７０は、第１のフランジシュー８０に対するエンドプレートとして働き、また第１の取付けフランジプリフォーム７８が最終硬化中にファンケーシング１６の周りでその所望の形状及び配向を保持するような所定の位置に第１のフランジシュー８０が留まることを保証するのを助けるために必要な支持を与えることができる。

また図９に示すように、第２の拡張フランジシュー８２は、該第２の拡張フランジシュー８２の第１の側面６９が複合材構造体成形ツール７４の第２のエンドプレート８４に隣接するように、ファンケーシング１６の周りに配置することができる。第２の拡張フランジシュー８２は、第１の拡張フランジシュー７０に関して上述したのと同じ方式で、第２のエンドプレート８４に対して着脱自在に結合することができる。この場合にもまた、第２の拡張フランジシュー８２は、図９に示すように、存在するあらゆる第２の端部フランジプリフォーム８６に重なり、かつファンケーシング１６の本体４０に沿って第２の取付けフランジプリフォーム８８まで連続することができる。次に第２のフランジシュー９０は、第２の拡張フランジシュー８２の第２の側面７１に隣接させてファンケーシング１６の周りに配置することができ、これら２つのフランジシューは、第２の取付けフランジプリフォーム８８の周りで互いに着脱自在に結合することができる。前述したように、第２の拡張フランジシュー８２は、第２のフランジシュー９０に対する支持を与えることができ、また第２の取付けフランジプリフォーム８８が最終硬化中にファンケーシング１６の周りでその所望の形状及び配向を保持するような所定の位置に第２のフランジシュー９０が留まることを保証するのを助けることができる。

拡張フランジシューとフランジシューとの各結合のために、あらゆる取付けフランジプリフォームを収容するように形成されたフランジ形状の空洞をさらに設けることができる。この空洞は、フランジシュー、拡張フランジシュー又はそれらの組合せ内に形成することができることが当業者には分かるであろう。例えば、図９においては、第１の拡張フランジシュー７０は、第１の取付けフランジプリフォーム７８を収容するための空洞９２を含み、他方、第２のフランジシュー９０は、第２の取付けフランジプリフォーム８８を収容するための空洞９２を含む。端部フランジが存在する場合には、それを考慮して付加的な空洞９２を含むようにすることができる。

図１０に示すように、隣り合う取付けフランジプリフォームが存在する場合には、第１の側面６９及び第２の側面７１を有する第１の拡張フランジシュー７０は、第１の側面６９及び第２の側面７１を有する第２の拡張フランジシュー８２に対して着脱自在に結合して、第１の取付けフランジプリフォーム７８の周りでそれら２つのフランジシュー間に空洞９２を形成することができる。次に第１のフランジシュー８０は、前述した方式で第２の拡張フランジシュー８２の第２の側面７１に対して着脱自在に結合して、第２の取付けフランジプリフォーム８８の周りに別の空洞９２を形成することができる。実際には、このようにして複数の隣り合う取付けフランジプリフォームを有するファンケーシングを収容するようにあらゆる数の拡張フランジシューを互いに結合して、フランジプリフォームが適正に配置されかつ釣り合いのとれた状態に保たれるために必要な支持を有することを保証するのを助けることができる。

全てのフランジシュー及び拡張フランジシューが、ファンケーシング及び取付けフランジプリフォームの周りで互いに結合されると、ファンケーシングの最終硬化を開始することができる。部品寸法及び利用する樹脂のような因子に基づいて適正な最終硬化パラメータがどのようにして決定されるかは、当業者には分かるであろう。最終硬化の終了時に、ツールは、取外すことができ、少なくとも１つの取付けフランジを有する複合材構造体を含む物品が得られ、次にその物品に対してあらゆる所望の補助的構造体を取付けることができる。

以上の記述は、最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示しまたあらゆる当業者が本発明を作りかつ使用することを可能にしている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが記載した特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合には或いはそれらが特許請求の範囲の文言とは実質的に相違しない均等な構造的要素を有する場合には、特許請求の範囲内に含まれるべきである。

ガスタービンエンジンの１つの実施形態の概略断面図。 取付けフランジを有するファンケーシングの１つの実施形態の概略図。 複合材構造体成形ツールの１つの実施形態の概略斜視図。 ファンケーシングに対して作動可能に連結された取付けフランジの１つの実施形態の概略断面図。 取付けフランジを有しかつ補助的構造体に取付けられたファンケーシングの１つの実施形態の概略図。 取付けフランジを製作するための方法の１つの実施形態を表す概略図。 フランジシューの１つの実施形態の概略断面図。 拡張フランジシューの１つの実施形態の概略断面図。 ２つの取付けフランジを有する複合材ファンケーシングの最終硬化中に使用するツールの１つの実施形態の概略断面図。 ２つの隣り合う取付けフランジを有する複合材ファンケーシングの最終硬化中に使用するツールの１つの実施形態の概略断面図の一部を示す図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１４ コアエンジン
１６ ファンケーシング
１８ ファンブレード
２０ ロータディスク
２２ 高圧圧縮機
２４ 燃焼器
２６ 高圧タービン
２８ 低圧タービン
３０ 吸入側
３２ 排出側
３３ ツールコア
３４ 第１のロータシャフト
３６ 第２のロータシャフト
３７ 複合材構造体成形ツール
３８ 主要複合材構造体
４０ 本体（ファンケーシングの）
４２ 前端部
４４ 後端部
４６ 取付けフランジ
４８ 補助的構造体
５０ 付属ギヤボックス
５２ コア繊維
５４ 付着繊維
５６ 第１の側面（コアファイバの）
５８ 第２の側面（コアファイバの）
６０ ガイド
６１ 一体形取付けフランジプリフォーム
６２ 個々の繊維トウ
６４ 最終硬化用ツール
６６ フランジシュー
６８ 拡張フランジシュー
６９ 第１の側面（拡張フランジシューの）
７０ 第１の拡張フランジシュー
７１ 第２の側面（拡張フランジシューの）
７２ 第１のエンドプレート
７４ 複合材構造体成形ツール
７６ 第１の端部フランジプリフォーム
７８ 第１の取付けフランジプリフォーム
８０ 第１のフランジシュー
８２ 第２の拡張フランジシュー
８４ 第２のエンドプレート
８６ 第２の端部フランジプリフォーム
８８ 第２の取付けフランジプリフォーム
９０ 第２のフランジシュー
９２ フランジ空洞

Claims (9)

1. 複合材構造体上の応力を低減する方法であって、
   周辺部を有する主要複合材構造体（３８）を準備する段階と、
   前記周辺部の周りで中間位置に円周方向に配置され、前記主要複合材構造体（３８）に対して作動可能に結合された少なくとも１つの取付けフランジ（４６）を設けて、その間に、前記取付けフランジが、結合部で前記主要複合材構造体から剥離又は分離可能であるが依然として前記主要複合構造体の前記周辺部の周りで損傷のない状態を保つような脆弱な結合部を形成する段階と、
   補助的構造体（４８）を、前記取付けフランジにおいて前記前記主要複合構造体（３８）と所定の関係となるように、前記取付けフランジ（４６）に作動可能に連結する段階と、
   を含み、
   前記主要複合構造体上の応力が最大許容レベルを超えた時に、前記取付けフランジ（４６）の前記主要複合構造体（３８）からの剥離又は分離が前記脆弱な結合部において発生し、かつ前記補助的構造体（４８）が、前記取付けフランジ（４６）に対して作動可能に連結された状態を保つようにする、
   方法。
2. 前記主要複合構造体（３８）が、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭素繊維、セラミック繊維、芳香族ポリアミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選択された材料を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記取付けフランジ（４６）が、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭素繊維、セラミック繊維、芳香族ポリアミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選択された材料を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記取付けフランジ（４６）が、コア繊維（５２）と多方向性付着繊維（５４）を含み、前記コア繊維（５２）が、前記主要複合構造体（３８）の前記周辺部の円周方向に配向されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記コア繊維（５２）が、一方向性繊維トウを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記コア繊維（５２）が、前記主要複合構造体（３８）の前記周辺部の円周方向に連続した大部分の繊維トウを有する織物プリフォームを含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記連結した補助的構造体（４８）を有する取付けフランジ（４６）が、分離又は剥離後に、前記主要複合構造体（３８）の周りで損傷のないリングを保つ、請求項１に記載の方法。
8. 前記主要複合構造体（３８）が、タービンエンジンファンケーシング（１６）を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記補助的構造体（４８）が、少なくとも１つのエンジン外部装置である、請求項１に記載の方法。
   

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