JP5232174B2 - プロペラ羽根の保持 - Google Patents

Description

本発明は、ハブ内で複合プロペラ羽根のインボード側端部を保持する装置および方法に関する。

本発明は、より詳細には、複合構造の航空機のプロペラ羽根用の装着装置に関するが、それだけには限定されない。

航空機のプロペラは、エンジンシャフトによって固定されたハブにインボード側端部で装着された２個以上の羽根を備える。可変ピッチを有するプロペラが、使用中または地上で静止している場合にピッチを調整できるように構成される。そのようなプロペラでは、その羽根のインボード側または付け根の端部は、羽根ピッチを変更できるように、それらを（地上で調整可能なピッチの場合には）挟みつけることができ、または（可変ピッチプロペラの場合には）円形の転がり要素軸受け内のハブの中に保持できるように円形の断面を有する。可変ピッチ航空機のプロペラは、羽根ピッチを変更することによって、駆動エンジンからのプロペラの動力吸収を調整するために使用され、同時にそのプロペラには、生じるスラストがほんのわずかであるか、あるいは全くなく、生じる抗力が低く、あるいは地上で使用するために逆スラストを生じるように「フェザリング（ｆｅａｔｈｅｒｅｄ）」することができるものもあり、ほぼ動力飛行が登場した頃から用いられてきた。プロペラ羽根は、さまざまな材料で製造されてきたが、すべての可変ピッチ羽根の付け根は、保持軸受けと接続するための金属の付け根の端部を有する。金属羽根の付け根は、羽根が金属である場合には羽根のエーロフォイルと一体であり、羽根が金属でない場合には、羽根のエーロフォイルに固定される。円形断面の金属の付け根の端部は、羽根ピッチが変わるときにハブの中に任意の潤滑流体を封じ込めるための、円形の動的に密封する特徴を提供することもできる。

従来の複合材の航空機のプロペラ羽根、および可変ピッチプロペラの固体金属羽根の断面は、羽根が羽根の付け根のところに入ると、空力的なエーロフォイル形状から円形または略円形の断面に次第に変化する。これは、羽根の移行領域と呼ばれ、構造的な理由から必要である。それは、羽根のインボード側端部の空力的な抗力を増加させる効果を有し、鋳造することにより、またはその他の方法で構造の周囲に非構造的なフェアリングを取り付けることによって部分的に軽減されることもある。

プロペラのスラスト荷重を生成および作用させるだけでなく、プロペラ羽根はその回転により大きな遠心力を受ける。それらは、特にエンジンが直接駆動の往復ピストンエンジンである場合のエンジンからのトルク変動、および「１Ｐ」荷重として知られる回転軸からずれた角度でプロペラの回転平面に入る空気流と関連する空力的な効果の両方からの高周波の振動荷重も受ける。羽根は、地上で、および飛行中に曝される非常に広い周囲温度範囲にわたってこれらの荷重に耐える必要がある。動作中のプロペラからのプロペラ羽根の脱離は、危険であり、惨事になるおそれがあり、したがってプロペラ羽根およびハブは航空機の「重要性の高い部分」として分類される。したがって、プロペラ羽根のエーロフォイルが羽根の付け根に使用される金属以外の材料から製造される場合、一方を他方に固定することは、問題の多い環境で作動するために要求される重要性の高い設計上の特徴である。複合羽根は、金属羽根と比較してかなりの重量の削減をもたらし、金属の付け根部材に複合羽根を安全に取り付ける多くの異なる手段が知られている。

米国特許第３，６６４，７６４Ａ号公報 欧州特許第１，４８４，４７５Ａ号公報 米国特許第３，７５２，６００Ａ号公報

本発明の目的は、代替のプロペラ羽根の保持装置および方法を提供することである。

本発明の１つの態様によれば、複数の窪みを有するハブと、ハブの窪みの中に装着されたそれぞれの金属の付け根部材内の保持キャビティ内に固定された１つの端部を有する複合構造の複数のプロペラ羽根とを備えるプロペラ羽根アセンブリが提供され、少なくとも各羽根のインボード側端部が、羽根の両側に中央の領域によって互いに離間された２つの繊維束（ｆｉｂｒｅ ｂｕｎｄｌｅ）を備える非円形区画を有し、付け根部材内の保持キャビティが、非円形区画を有し、そのインボード側端部にある比較的大きな断面から付け根部材の表面に隣接するそのアウトボード側端部にある比較的小さな断面にテーパを付けられ、２つの繊維束が、キャビティ内で互いに離れて外側にフレア形に広がり、それぞれ少なくとも２つの層に分離され、各羽根のインボード側端部が、キャビティを満たし、アウトボード側の方向への羽根の取外しに対して機械的な保持をもたらすために、挿入部材の両側で外側に拡張するように、そのアセンブリが、中央の領域内の２つの束の間で各キャビティ内に配置された非円形区画の挿入部材と、各束の各層の間に挿入されたテーパの付いた非円形の楔部材をさらに備える。

好ましくは、羽根および挿入部材のインボード側端部の断面は矩形である。楔部材は好ましくは、硬化樹脂によって繊維層と接合される。

次に、添付の図面を参照して、例として本発明による航空機の複合プロペラ羽根アセンブリが説明される。

アセンブリの端面図である。 羽根のインボード側端部およびそのハブ内の保持を示す側面図である。 図２の線ＩＩＩ〜ＩＩＩに沿った断面図である。 図２の線ＩＶ〜ＩＶに沿った断面図である。 羽根のインボード側端部の単純化された断面図である。

図１から４を参照すると、アセンブリは、軸２の周りで回転され、４個の径方向に延出する羽根３を支持する中央のハブ１を備える。各羽根のエーロフォイル部分は複合材料からなるものであり、各羽根のインボード側端部は、全体的に円筒形の外形の金属の付け根部材４１内に固定される。付け根部材４１はそれぞれ、ハブ１のそれぞれの窪み５に装着される。アセンブリが任意の数の２個以上の羽根を有することができることが理解されよう。

羽根のエーロフォイル３は、中央のポリウレタンフォームコア３３を有する、炭素繊維およびガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂から製造され、それはよく知られた構築方法である。強化繊維は、エーロフォイル形状を予備成形するためにコア３３によって適切な形状にされた層内でレイアップされ、樹脂によって予備含浸でき、または繊維は「ドライ」であることができ、樹脂はその後の段階（樹脂トランスファー成形（ｒｅｓｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｕｌｄｉｎｇ）すなわちＲＴＭ）で羽根の構造に注入される。エポキシ樹脂は、繊維強化用に好ましい母材であるが、その他の樹脂系も使用できる。同様に、本発明の実施は、炭素およびガラス繊維の構造に限定されず、その他の繊維のタイプとともに使用でき、またフォームまたは任意のその他の材料の個別のコアを含むことにも依存しない。

羽根のエーロフォイル形状は、繊維／コアの予備成形物および羽根の金属の付け根を必要な羽根形状のキャビティを備える鋳型内に配置し、ＲＴＭの場合には、キャビティに樹脂を注入しながら鋳型に熱および圧力を加えることによって成形され、または予備含浸された繊維の場合には、熱および圧力のみを加えることによって成形される。

羽根３の主要な構造的な特徴は、矩形区画の一対のスパー３１および３２であり、それぞれは、繊維の軸が羽根ピッチ変更軸に平行に向けられて、連続的な一方向繊維（通常は炭素）のいくつかの層のパックを主に、または排他的に備える。スパー３１および３２は、断面が矩形のコア３３の両側に沿って延出する。スパー３１および３２は、必ずしも同じ数の層または厚さを有する必要はない。コア３３は、接合された繊維層のフォームまたは個別の複合材の束などの、任意の従来の構造のものであることができる。２つのスパー３１および３２は、それぞれのパックがいくつかの繊維層を有する連続的な一方向繊維の２つのほぼ矩形の区画のパックとして、エーロフォイル羽根３のインボード側端部３４（すなわち金属の羽根の付け根４１の外側表面３５と同じ高さの羽根に沿った位置）を越えて延出する。

羽根３のコア３３は、羽根の移行領域の一部分で終端し、そこでは移行領域は一定の断面である。これは図２に示されるように、金属の付け根４１の外側表面３５のアウトボード側であることができ、またはインボード側、すなわち金属の付け根の内側であることができる。

鋳造する前に羽根の予備成形物を構築している間に、移行領域のインボード側にある、スパー３１および３２の２つの平行な延長部分がハブ１の金属羽根の付け根部材４１の内側の成形されたキャビティ４０に挿入される。固定ピッチプロペラの場合には、付け根部材４１の外側表面は非円形であることができるが、地上で調整可能な可変ピッチプロペラに関しては、外側表面４２は（図４に示されるように）円形である。付け根部材４１の軸は、付け根内の羽根スパーの中心軸と同軸であり、羽根ピッチ変更を調節し、軸受けおよび羽根のハブを密封する手段を保持するように外形を付けられている。羽根の付け根のフィッチング４１のアウトボード側およびインボード側の表面は、羽根の径方向軸に垂直であり、インボード側表面が、羽根ピッチ作動の特徴（図示されない）に関する装着点を提供する。

キャビティ４０は新しい形状を有し、それはスパーのパック３１および３２の中央によって形成される平面の周りに対称またはほぼ対称である。キャビティ４０のアウトボード側端部は、そこで丸みを付けられた角を有する矩形の断面として表れる、複合羽根３と同じ断面を有する。この丸みを付けられた矩形の進入形状は、スパー３１および３２、および端部フィッチング４１に引き込まれる羽根の複合スキン４３の任意のその他の繊維層を収容する。平面で視認されるキャビティ４０は、その深さ全体にわたって丸みを付けられた角を有する正方形の断面を有する。キャビティ４０の厚さｔは、深さが異なっても一定であるが、その幅ｗは変化し、付け根部材４１の表面３５のところよりも、下方のインボード側端部のところで大きくなっている。付け根部材４１の表面３５に隣接する上方の領域４３では、キャビティ４０は一定の深さｗを有する。その長手の大部分を形成するキャビティ４０の中間部分４４は、外側に次第にフレア形に広がり軸から離れて幅が増加し、向かい合って湾曲した凸表面４５を形成する。キャビティ４０の下方部分４６は比較的短く、一定の幅の真っ直ぐな輪郭を有する。キャビティのこの下方部分４６の下には、段を付けられた拡張領域４７がある。羽根３のインボード側端部はキャビティ４０内に受けられ、その下方領域４６に至って延出する。羽根３のインボード側端部は、その外側表面がキャビティの内側表面に対して密接して配置されるように、側方に拡張され、キャビティ４０内に密接して嵌合する。

羽根の付け根キャビティ４０内の２つの羽根スパー３１および３２は、それぞれ繊維層５１から５４の４個のほぼ同等のパックに分割される。最も外側のスパー繊維パック５１は、付け根キャビティ４０の外側の湾曲した輪郭に配置される。次いで、第１の矩形プランフォームの楔形の繊維予備成形物５５が、このパック５１と隣接する繊維パック５２の間に挿入される。次いで、第２のスパーの繊維パック５２が第１の楔５５の上に配置される。次いで、第２の矩形の楔の予備成形物５６が、第２の繊維パック５２と第３のスパーの繊維パック５３の間に挿入される。最後に第３の楔５７が、第３の繊維パック５３と第４の繊維パック５４の間に挿入される。これは、スパー３１および３２の両方に関して繰り返される。繊維の楔５５から５７は、羽根３に関してどの鋳造システムが使用されても、ドライの繊維、または樹脂によって予備含浸された繊維の交互に配置された層を備える。楔５５から５７は予備硬化されず、それらが複合構造と一体になるように、羽根３が鋳造されるときにしか硬化されない。スパー３１および３２、ならびに楔５５から５７によって生成される形状は、側面が平行になった矩形断面の空隙５８が、羽根の付け根の軸に中心を合わせた２つの楔形にされたスパーの間に形成されるようなものである。付け根全体にわたる複合構造に関する繊維の体積比は、ほぼ理想的なものである。各スパーにおいて使用される楔の数は、３個より多くすることも少なくすることもできるが、３つの楔が最も効率的かつ効果的であると判断されている。

羽根のコア３３と同じ矩形の断面および大きさの固体挿入物３７が、コア３３のインボード側端部に当接し、スパーのインボード側端部に延出するために空隙５８内で２つの羽根スパー３１と３２の間の中央に挿入される。付け根の挿入部３７は、金属および非金属の多くの材料のうちの１つであることができ、羽根が鋳造された後に定位置に接着して接合される。挿入部３７を収容するための羽根スパー３１と３２の間の空隙５８は、付け根の挿入部と同じ形状の鋳造用具によって形成され、その用具は鋳造の後に除去される。これによって、挿入部３７が接合される前に鋳造された挿入部の空隙５８の中から複合楔構造が非破壊的に検査可能になる。空隙５８と付け根の挿入部３７の間の小さな隙間が、最大の接着強度を得るために使用される接着システムに適合するように設けられる。付け根の挿入部３７は、内側の羽根のバランス重量に関する調節および羽根ピッチ作動品目に関する取付けなどの、プロペラ羽根に要求されるその他の特徴を提供できる。

羽根にコアが全くない場合には、付け根の挿入部を受ける２つのスパーの間に空隙を形成するために、予備成形物の中央にある十分な厚さの複合材が、金属の付け根のアウトボード側表面付近で終端する。

羽根の保持の性能はスパーの厚さ、楔の厚さ、楔の高さ、および楔の湾曲の適切な選択によって最大にされる。理想的には、楔の厚さに対する高さの比Ｈ／Ｌ、および楔の厚さに対するスパーの厚さの比Ｓ／Ｌ（図５）は、１対２または３の範囲内にある必要があるが、それらに近い他の比率は満足のいくものである可能性があり、その他の設計上の制約によって必要になる可能性がある。楔の湾曲Ｃは、図５に示されるように、楔の端部は、ちょうど羽根スパーの平面に平行になるとき楔が終端するように、羽根スパー３１および３２に正接的に、楔の全幅に融合するようなものである必要がある。しかし、輪郭の変更は、円滑な融合が維持されることを条件に可能である。楔は好ましくは、理想の繊維体積分率を維持し、スパー層の湾曲における急な変化を回避するように形作られる。このようにして、羽根からの力（推進スラストおよび遠心荷重）は、付け根部材に円滑に伝達され、スパー層における応力集中部が回避され、複合羽根の保持システムの荷重強度が最適化される。

保持装置の最後の構成要素は、外径と対称に金属の付け根部材４１内のキャビティ４０の段を付けられた拡張下方部分４７内で複合羽根３の端部のインボード側に嵌合されたプラグ６０である。このキャビティ４０の下方部分４７は、好ましくは鋳造および挿入接合の後に機械加工される。プラグ６０は、主要な羽根の保持システムの不可欠の構成要素でないが、有用な二次的な機能を果たす。プラグ６０は円形であり、その主要な機能の性能に適した様式で任意の従来の手段によって羽根の付け根の金属フィッチング内に固定される。挿入部が複合の付け根の楔からの接合をなくした場合に、プロペラが回転したとき生じる可能性があるどのような力に対してもプラグがそれを定位置に保持するように、プラグ６０のアウトボード側表面は、羽根の付け根の挿入部のインボード側表面に密接して固定される。これは、挿入接合が損なわれた場合にフェイルセーフの特徴を提供する。プラグ６０の外縁部は、任意のプロペラハブ潤滑剤が内部から複合羽根を汚染するのを防止するために、必要であれば密封の特徴を収容するために使用できる。プラグ６０は、保全性の要件に応じて、羽根アセンブリの取外し可能な構成要素、または永久的な部分であることができる。

接着接合は、製造するオペレータの努力および工程パラメータの厳密な制御に高く依存し、接合されたジョイント部に関する完全に信頼性のある非破壊検査方法が全くない。本発明の装置の１つの利点は、付け根部材内の羽根の重要性の高い保持が、接着接合の完全性に依存しないことである。プラグ６０によって提供される挿入部３７のフェイルセーフの保持だけでなく、接着が損なわれる場合に挿入部を放出する傾向にある動作中の接着接合部への固有のせん断力が全くないように、挿入部の側面は平行である。それとは反対に、挿入部３７への通常の遠心力は、複合羽根の付け根の空隙５８内にその位置を維持する傾向にある。
同様に、羽根の保持システムは、金属の付け根部材４１の複合羽根の付け根とキャビティ４０の間の鋳造中に形成される接着接合に依存しない。複合羽根３は、全部の接着が損なわれた場合にも安全に保持され、重要性の高い構成要素の応力レベルは影響を受けない。

従来の羽根の保持装置は、以前に使用された保持楔を有するが、これらの従来の装置では、複合材料が端部フィッチング内で断面が円形であり、複合材の楔が切頭の中空の円錐形状である。本発明の装置により、より単純な楔構成要素が使用できるようになり、より容易に組み立てることができるようになる。同時に、より薄い、より空力的なエーロフォイル移行領域を得ることが可能である。これによって、コスト削減ならびに改善された性能が可能になる。

本発明の装置は、移行領域において羽根を厚くするどのような必要もなくすことができ、それによって空力的な抗力を最小限に抑え、さらなる空力的なフェアリングの必要を得る。羽根の荷重は、応力集中を回避することによって金属および複合構成要素の応力を最小限に抑える様式で金属の端部フィッチングに機械的に伝達され、そうして保持システムの強度容量を最大にする。製造の方法は、混入、空隙、および樹脂が繊維を完全にウエットにしていない領域などの鋳造の欠陥に関する付け根部材内側の複合構造の完全な非破壊検査を可能にし、そうして複合材料の特性が損なわれないことを確実にする。さらに、金属の付け根部材内の複合羽根の保持は、金属への複合材の接着に依存しない。羽根の荷重は、荷重が増加するとより強固に金属の付け根部材４１内の複合羽根３を圧縮する楔作用を生成する。特に、金属の挿入部３７と複合羽根３の間の接合は、楔作用により圧縮荷重のフィールドの中にあり、接合をせん断しまたは挿入部を放出する傾向にある、生成される力が全くない。付け根の挿入部それ自体によって生成される遠心力は、接合が損なわれた場合でもそれを定位置に保持する傾向にある。さらに、羽根の付け根のプラグ６０は、挿入部３７が最少量よりも大きく移動するのを物理的に防止する。羽根の付け根の複合材料の強度は、複合繊維容量の割合が羽根の付け根の楔全体にわたって必要条件内に維持されるのを確実にすることによって最大にすることができ、一方向繊維は、その荷重容量を低下させる方向へのかしめまたは急激な変化を受けない。金属の付け根部材への羽根の予備成形物の組み付け、および単純で平坦な楔の装着は、等価の円筒形設計によって達成できるものよりもより容易で、より迅速で、より一貫している。

本発明は、航空機のプロペラに使用するように限定されず、その他の複合羽根を保持するために使用できることが理解されよう。

１ 中央のハブ
２ 軸
３ 羽根
５ 窪み
３１ スパー
３２ スパー
３３ コア
３５ 外側表面
３７ 付け根の挿入部
４０ キャビティ
４１ 金属の付け根部材
４２ 外側表面
４３ 羽根の複合スキン
４４ 中間部分
４５ 凸表面
４６ 下方部分
４７ 段を付けられた拡張領域
５１ スパー繊維パック
５２ スパー繊維パック
５３ スパー繊維パック
５４ スパー繊維パック
５５ 楔
５６ 楔
５７ 楔
５８ 空隙
６０ プラグ

Claims (8)

1. 複数の窪みを備えるハブと、
   複合構造の複数のプロペラ羽根であって、
   前記プロペラ羽根のそれぞれが、インボード側端部と保持キャビティを備える金属の付け根部材とを備え、
   前記インボード側端部が、前記保持キャビティ内に固定され、
   前記金属の付け根部材のそれぞれが、前記ハブの複数の窪みのひとつの中に装着され、
   前記プロペラ羽根のそれぞれの前記インボード側端部が、前記羽根の両側に中央の領域によって互いに離間された２つの繊維束を備える非円形区画を備え、
   前記付け根部材の前記保持キャビティが、非円形区画を備え、前記保持キャビティのインボード側端部にある断面から前記保持キャビティのアウトボード側端部にある比較的小さな断面にテーパを付けられ、
   前記２つの繊維束が、前記保持キャビティ内で互いに離れて外側にフレア形に広がり、それぞれ少なくとも２つの層に分離される、
   複合構造の複数のプロペラ羽根と、
   非円形区画を備える挿入部材であって、前記挿入部材の少なくとも一部が、前記中央の領域内の前記２つの繊維束の間で各保持キャビティ内に配置されている、挿入部材と、
   各プロペラ羽根の前記インボード側端部が、前記挿入部材の両側で外側に延び、前記保持キャビティを満たし、アウトボード側の方向への前記羽根の取外しに対して機械的な保持をもたらすように、各繊維束の各層の間に挿入されたテーパの付いた非円形の楔部材と、
   を備えるプロペラ羽根アセンブリ。
2. 前記羽根および前記挿入部材の前記インボード側端部の前記断面が実質的に矩形であことを特徴とする、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
3. 前記楔部材が、硬化樹脂によって繊維層と接合される、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
4. 前記キャビティが、それぞれの繊維束を備えるスパーのパックの中央によって形成される平面を中心にして実質的に対称な形状を有する、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
5. 前記繊維束の間に設けられる低密度のコア材料をさらに備える、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
6. 前記低密度のコア材料がポリウレタンフォームを備えことを特徴とする、請求項５に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
7. 楔の厚さに対する高さの比（Ｈ／Ｌ）、および楔の厚さに対する前記繊維束の厚さの比（Ｓ／Ｌ）は、約１対２または３の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
8. それぞれの付け根部材の前記キャビティ内に、それぞれのプロペラ羽根の前記端部のインボード側に嵌合された少なくとも１個のプラグをさらに備える、請求項１に記載のプロペラ羽根アセンブリ。
   

Images