JP6033875B2 - 中空部品固定装置 - Google Patents

Description

本発明は、中空部品を固定し一体化することに関し、限定されるものではないが特に、例えば、航空エンジンなどの、中空部品が固定されるべき１以上の部品を含むアセンブリにおいて、複合材料製の部品を固定し一体化することに関する。

図１は、排気コーン１１０を有するヘリコプターエンジンのノズル１００を示し、排気コーン１１０には、先細ノズル１２０が３本のアーム１３０によって同軸上に搭載されており、各アーム１３０は中空体１３１で形成されており、該アームは、コーン１１０とノズル１２０との間で等間隔に分配されている。排気コーン１１０、ノズル１２０、およびアーム１３０は、すべて複合材料製、例えば、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）製である。各アーム１３０は、第１にその端部の一方において、アームの本体１３１と一体に形成された２つのアングルタブ１３２を介して排気コーン１１０の外壁に固定されており、第２に他方の端部において同様に、アームの本体１３１と一体に形成されたアングルタブ１３３を介して、ノズル１２０の内壁に固定されている。１対のアングルタブ１３２およびアングルタブ１３３は、ボルト１４０および１５０によってそれぞれコーン１１０およびノズル１２０に保持されている。

しかしながら、このようにコンポジット材料製のアームを組み込むことには、欠点がある。アングルタブを介して接合させることは、各アーム全体の大きさを顕著に増加させるものであるし、コーンとノズルの各曲率半径は各アームを考慮に入れる必要があるところ、コーンとノズルの曲率半径に対するアングルタブの寸法を決定することは困難である。さらに、アングルタブとボルトのヘッドは、流路に突出しており、これによって接合装置が空気力学的な流れに干渉する。結局、アングルタブは、構造的な強さを取得するには良いが、形状にはほとんど許容範囲がなく、これが組立を困難にしている。

複合材料製部品を１以上の金属部品に固定するために使用され、これらの材料の膨張の差を対応するデバイスの中でも、例えば米国特許出願公開第２００８／１１５４８４号明細書などに記載されたもののように、通常は耐火金属材料製の弾性的に柔軟性を有する締結タブを使用することが知られている。しかしながら、このような柔軟性を有する締結タブは、寸法の大きい部品同士を固定するのにはよく適しているが、寸法のより小さい中空部品を固定するために使用するのは、より困難であった。

１以上の構造部品に中空部品を固定するための手段であって、構造的な強さを十分に取得でき、かつ形状の許容範囲を十分に与えるように作用する一方で、空気力学的な干渉をほとんど示さない手段が必要である。

米国特許出願公開第２００８／１１５４８４号明細書

この目的を達成するために、本発明は、少なくとも１つの構造部品に固定された少なくとも１つの中空部品を含むアセンブリであって、該アセンブリは、各中空部品の内部に配置された少なくとも１つの固定装置をさらに含み、該固定装置は、金属材料製の１ピース体を含み、該１ピース体は、その第１端部および第２端部の間を長手方向に伸長する２つの主面を有し、各主面は、該１ピース体の第１端部の近傍にベアリング部を有し、各ベアリング部は、固定部材を収容するための固定開口部を有し、該ベアリング部は、該１ピース体の第１端部から所定の深さ伸長するスロットにより互いに隔てられており、第２端部は、固定部材を収容するための少なくとも１つの固定開口部を有することに特徴を有するアセンブリを提案する。本発明のアセンブリはまた、各固定装置の２つのベアリング部が、前記ベアリング部の固定開口部に配置された固定部材によって、前記中空部品の２つの壁のそれぞれ一方の内側表面に対して押し付けられており、前記固定装置の第２端部は、前記第２端部に存在する固定開口部に配置された固定部材によって、構造部品に固定されていることに特徴を有する。

本発明の固定装置は、中空部品の内部に挿入されることおよび、固定部材の端部（例えばボルトのヘッド）を離すことを可能にするコンパクトな構造を有し、該固定装置は、全体としてアセンブリの空気力学的な性能に影響を与えない。

加えて、部分的にスロットが設けられた構造により、固定装置が固定されている中空部品の２つの壁の間での固定装置の膨張を、他の方向に効果的に応力を引き取りながら相殺することができる。また、スロットにより与えられた柔軟性によって製造の許容範囲を緩和しつつ固定装置を製造することが可能となる。

本発明のアセンブリの第１の側面では、固定装置のベアリング部の固定開口部が、互いに横方向に位置ずれしており、中空部品にかかり得る斜め方向のトルクを引き取り可能なようになっている。

本発明のアセンブリの第２の側面では、各ベアリング部は、ベアリング部に形成された主面において、余分な厚みを有し、これによって、ベアリング部以外の装置の面が後退することによって、中空部品の形状の欠陥による影響を受けないでいることができる。さらに、各ベアリング部の余分な厚みは、中空体の壁の内側表面に対して正確にフィットする（接触面を修整する）ことを達成するために、必要に応じて機械加工され得る予備材料となる。

本発明のアセンブリの第３の側面では、固定装置は、さらに固定装置の１ピース体において横方向に伸長する、所定の直径の穴を有し、前記スロットが該穴に通じている。該穴によって、膨張の差が生じた際および／または装置が搭載される際に２つのベアリング部間の運動の柔軟性を増加させ調整することができる。

一つの特定の特徴によれば、固定装置は、少なくともインコネル（Inconel）（登録商標）、ハステロイ（Hastelloy）（登録商標）およびワスパロイ（Waspalloy）（登録商標）から選ばれる耐火金属材料製である。

他の特定の特徴によれば、中空部品は、複合材料製である。

本発明の一実施形態では、アセンブリは、航空エンジンの排気コーンとノズルにそれぞれ対応する２つの構造部品を含み、前記ノズルは、複数のアームにより同軸上に前記コーンに保持されており、各アームは、複合材料の中空部品により形成されており、各アームは、第１の固定装置によりコーンに接続されており、第２の固定装置によりノズルに接続されている。特に、前記排気コーンおよびノズルは、複合材料製であってもよい。

本発明の別の実施形態では、固定アセンブリは、アフターバーナーを有するターボジェットのリヒート円筒管に対応する金属材料の構造部品を有し、該リヒート管は複数のフレームホルダアームを有し、各フレームホルダアームは、リヒート円筒管の内側表面に半径方向に配置された複合材料製の中空部品によって形成され、各フレームホルダアームは、それぞれ固定装置によってリヒート円筒管に接続されている。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照ながら、限定されるものではない例として挙げた本発明の特定の実施形態の以下の記載により明らかにされる。

先行技術のヘリコプターエンジンの排気アセンブリの斜視図である。 本発明の一実施形態のヘリコプターエンジンの排気アセンブリの斜視図である。 図３Ａおよび３Ｂは本発明の一実施形態の固定装置の斜視図である。 図２に示すアセンブリのアームの断面図である。 図５Ａおよび５Ｂは、図４に示すアームの断面図である。 本発明の固定装置により固定されたフレームホルダアームを含み、アフターバーナーを有するターボジェットのリヒート管の断面図である。

本発明は、１つ以上の固定装置、１つ以上の中空部品、および１つ以上の構造部品を含むアセンブリであって、該中空部品および該構造的部品が金属材料製または複合材料製であるアセンブリを提案する。

図２は、排気コーン２１０と、３本のアーム２３０により排気コーン２１０に同軸上に保持された先細ノズル２２０とを含む、ヘリコプターエンジンの排気アセンブリ２００を示す。排気コーン２１０およびノズル２２０は、複合材料製である。しかしながら、これらの２つの部品のうちの一方または完全に両方が、金属材料製であってもよい。アーム２３０は、熱構造複合材料製であり、特に、ＣＭＣ材料製である。

周知方法により、ＣＭＣ材料部品は、耐火繊維（カーボン繊維またはセラミック繊維）製の繊維強化材により構成され、特にカーバイド、窒化物、耐火性酸化物などのセラミックマトリックスにより、緻密化されている。ＣＭＣ材料の典型例は、Ｃ−ＳｉＣ材料（シリコンカーバイドマトリックスを有する炭素繊維強化材）、ＳｉＣ−ＳｉＣ材料、およびＣ−Ｃ／ＳｉＣ材料（カーボンおよびシリコンカーバイドを含むマトリックス）である。ＣＭＣ複合材料の製造は周知である。繊維強化材は、液相法（セラミックマトリックス前駆体樹脂を含浸させ、硬化または熱分解により樹脂をセラミックに変換するが、該工程は繰り返してもよい）または気相法（化学気相含浸法（ＣＶＩ））により、緻密化してもよい。

各アーム２３０は、流線型の輪郭を有する中空体２３１の形態にあり、該中空体は、２つの対向する壁２３２および２３４を有し、該壁は、前縁２３１ａと後縁２３１ｂの間を広がっている。各アームの内端２３５は、本発明の固定装置２４０により、排気コーン２１０の外壁２１０ａに固定されており、該固定装置は、中空体２３１の内部に配置されている。各アームの外端２３６は、本発明の固定装置２５０により、ノズル２２０の内壁２２０ａに固定されており、該固定装置は、中空体２３１の内部に配置されている。

より詳細には、図３Ａおよび３Ｂに示す現在説明している実施形態において、固定装置２４０は、金属製の１ピース体２４１を含み、本例では、１ピース体２４１の第１端部２４４および第２端部２４５の間を長手方向に広がる２つの主面２４２および２４３を有する実質的に直方体の形態にある。各主面２４２および２４３は、それぞれ複合材料製の中空体２３１の壁２３２の内側表面２３２および壁２３４の内側表面２３４ａに押し付けられる目的で、それぞれ１ピース体の第１端部２４４の近傍にベアリング部２４２０、２４３０を有する。各ベアリング部２４２０、２４３０はそれぞれ、固定部材を収容するための固定開口部２４２１、２４３１を有する。現在説明している実施形態では、各固定開口部２４２１、２４３１は、タッピングを有し、該タッピングは、ベアリング部２４２０および２４３０を、ボルト２６０の締め付けによってアーム２３０の中空体２３１の壁２３２、２３４にそれぞれ固定できるようにしており、ボルト２６０は、壁２３２および２３４にそれぞれ形成された開口部２３２１、２３４１を通って固定開口部２４２１、２４３１に挿入される（図４および５Ａ）。

固定装置２４０はまた、ベアリング部２４２０および２４３０を隔てるように、１ピース体２４１の端部２４４から１ピース体を所定の深さ伸長するスロット２４６を有する。スロットは、ベアリング部２４２０、２４３０に柔軟性を与え、互いにＤ方向に運動させることが可能であり、固定装置が固定されているアーム２３０に対して固定装置の膨張を相殺するように作用する。スロットにより付与された柔軟性はまた、製造時の特定量のばらつきに適応するよう作用し、これにより、固定装置の形状の許容範囲を広げることができる。これにもかかわらず、スロットがあることにより、排気アセンブリ２００の半径方向および軸方向の力にそれぞれ対応する方向ＲおよびＡの力の良好な伝達が妨げられることがない。

現在説明している実施形態では、固定装置の１ピース体２４１はまた、円筒状の穴２４７を有し、スロット２４６は該穴に通じている。１ピース体から多量の材料を除くことによって、穴２４７は、スロット２４６によって付与されるように、ベアリング部２４２０および２４３０の間の方向Ｄの柔軟性を増加させるよう作用する。穴２４７の直径Ｄ₂₄₇は、ベアリング部間が有することが望まれている柔軟性の程度に応じて決定される。よって、本発明の各固定装置の変形能を、特に固定装置の膨張の大きさに応じて調整することが可能である。

端部２４５は、排気コーン２１０の外壁２１０ａに装置２４０を固定するための部位を形成する。端部２４５は、固定部材を収容するための固定開口部２４５０を有する。現在説明している実施形態では、固定開口部２４５０は、ボルト２７０の締め付けによってコーン２１０の外壁２１０ａに各固定装置２４０の端部２４５を固定するよう作用するタッピングを有し、該ボルトは、コーン２１０に形成された開口部２１０１を通って固定開口部２４５０に挿入される（図４）。

各ベアリング部２４２０および２４３０はそれぞれ、好ましくは、主面２４２および主面２４３に余分な厚みを有し、これにより、ベアリングが中空体に面している部分を除き、主面２４２および２４３から後退することによって中空体に起こり得る形状の欠陥を無視することができる。さらに、各ベアリング部２４２０、２４３０の余分な厚みは、中空体の壁の内側表面に対して正確にフィットするよう作製する（接触面を修整する）ために、機械加工可能な追加の材料を形成する。

図５Ａに示されるように、固定開口部２４２１および２４３１は、お互い横方向に（コーン２１０およびノズル２２０の軸に沿って）位置ずれしており、アーム２３０にかかり得る任意の斜め方向のトルクを引き取る。

同様に、各アーム２３０の外端２３６をノズル２２０の内壁２２０ａに接続するよう作用する固定装置２５０は、２つの主面２５２および２５３を有する金属材料の１ピース体２５１によって形成されており、２つの主面は、１ピース体の第１端部２５４および第２端部２５５の間を長手方向に広がっている。

各主面２５２および２５３はそれぞれ、１ピース体の第１端部２５４の近傍にベアリング部２５２０および２５３０を有し、該ベアリング部は、対応する主面上に余分な厚みを形成し、該余分な厚みは、複合材料製の中空体２３１の壁２３２の内側表面２３２ａまたは壁２３４の内側表面２３４ａに押し付けられるものである。

各ベアリング部２５２０、２５３０はそれぞれ、固定部材を収容するための固定開口部２５２１、２５３１を有し、現在説明している実施形態では、ベアリング部２５２０および２５３０をボトル２８０の締め付けによりアーム２３０の中空体２３１の壁２３２および２３４にそれぞれ固定可能にするために、各ベアリング部２５２０、２５３０はタッピングを有し、該ボトルは、壁２３２および２３４にそれぞれ形成された開口部２３２２および２３４２を通って固定開口部２５２１および２５３１に挿入されている（図４および５Ｂ）。固定開口部２５２１および２５３１は、斜め方向のトルクを引き取るために横方向に位置ずれしている。

固定装置２４０と同様に、固定装置２５０もまた、１ピース体２５１の端部２５４から所定の深さ伸長するスロット２５６を有し、ベアリング部２５２０および２５３０を隔てている。スロット２５６は、ベアリング部２５２０および２５３０に柔軟性を付与するように作用し、該ベアリング部をお互い方向Ｄにおいて運動することを可能にし、これにより複合材料製のアーム２３０に対する固定装置のいかなる膨張にも対応できる。スロット２５６はまた、装置の形状の許容範囲を広げるように作用し、これにより、製造時の特定量のばらつきに適応することができる。固定装置の１ピース体２５１はまた、円筒状の穴２５７を有し、該穴にスロット２５６が通じており、これにより、方向Ｄの柔軟性を増加させることができる。穴２５７の直径Ｄ₂₅₇は、所望の柔軟性に応じて調整される。

端部２５５は、装置２５０をノズル２２０の外壁２２０ａに固定するための部位を形成し、固定部材、特にボルト２９０を収容するための固定開口部２５５０を有し、該ボルトは、ノズル２２０に形成された開口部２２０１を通って固定開口部２５５０に挿入される（図４）。

上記した例では、中空部品は、両端において、端部それぞれが本発明の固定装置によって固定されている。しかしながら、本発明はまた、複合材料製の中空部品を一方の端部のみによって固定することにも適用される。図６は、アフターバーナーを有するターボジェットのリヒート円筒管３００の一部を示す。周知方法では、リヒート管３００は、金属製であり、内周３０１に複数のフレームホルダアーム３３０（図６では１つのアームのみ示す）を含み、該アームは、管の内周３０１に等間隔に分配されている。各アーム３３０は、管内を、管の内部表面３０１につながる第１端部３３１と自由端である第２端部３３２との間で半径方向に伸張している。本発明によれば、各フレームホルダアーム３３０は、コンポジット材料製、例えばＣＭＣ材料製であり、上記固定装置２４０および２５０と同様の固定装置３４０によって、リヒート円筒管３００の内部表面３０１に固定されている。

本発明においては、固定装置は耐火金属材料製であり、特に、例えば、インコネル（Inconel）（登録商標）、ハステロイ（Hastelloy）（登録商標）、ワスパロイ（Waspalloy）（登録商標）などである。

本発明の固定装置は、中空部品および／または他の構造部品に、ボルト以外の、例えばリベットなどの固定部材によって固定されてもよい。

Claims (8)

1. 少なくとも１つの構造部品（２１０）に固定された少なくとも１つの中空部品（２３０）を含むアセンブリ（２００）であって、該アセンブリは、各中空部品（２３０）の内部に配置された少なくとも１つの固定装置（２４０）をさらに含み、該固定装置（２４０）は、金属材料製の１ピース体（２４１）を含み、該１ピース体は、その第１端部（２４４）および第２端部（２４５）の間を長手方向に伸長する２つの主面（２４２、２４３）を有し、各主面（２４２；２４３）は、該１ピース体の第１端部（２４４）の近傍にベアリング部（２４２０；２４３０）を有し、各ベアリング部（２４２０；２４３０）は、固定部材（２６０）を収容するための固定開口部（２４２１；２４３１）を有し、２つの異なる主面に存在する、各前記ベアリング部（２４２０；２４３０）の固定開口部（２４２１；２４３１）同士が、同軸上に配置されておらず、該ベアリング部（２４２０；２４３０）は、該１ピース体（２４１）の第１端部（２４４）から所定の深さ伸長するスロット（２４６）により互いに隔てられており、前記第２端部（２４５）は、固定部材（２７０）を収容するための少なくとも１つの固定開口部（２４５０）を有し、また、各固定装置（２４０）の２つのベアリング部（２４２０；２４３０）が、前記ベアリング部の固定開口部（２４２１；２４３１）に配置された固定部材（２６０）によって、前記中空部品の２つの壁（２３２、２３４）のそれぞれ一方の内側表面（２３２ａ；２３４ａ）に対して押し付けられており、前記固定装置（２４０）の第２端部（２４５）は、前記第２端部（２４５）に存在する固定開口部（２４５０）に配置された固定部材（２７０）によって、構造部品（２１０）に固定されている、アセンブリ。
2. 各ベアリング部（２４２０；２４３０）が、前記ベアリング部に形成された主面（２４２；２４３）において、余分な厚みを有する請求項１に記載のアセンブリ。
3. さらに前記固定装置（２４０）の１ピース体（２４１）において横方向に伸長する、所定の直径の穴（２４７）を有し、前記スロット（２４６）が該穴（２４７）に通じている請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記固定装置が、少なくともインコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）およびワスパロイ（登録商標）から選ばれる耐火金属材料製である請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記中空部品（２３０）が、複合材料製である請求項１に記載のアセンブリ。
6. 航空エンジンの排気コーンと先細ノズルにそれぞれ対応する２つの構造部品（２１０、２２０）を含み、前記ノズルは、複数のアームにより同軸上に前記コーンに保持されており、各アームは、複合材料の中空部品（２３０）により形成されており、各アームは、第１の固定装置（２４０）によりコーンに接続されており、第２の固定装置（２５０）によりノズルに接続されている請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記排気コーンと先細ノズルにそれぞれ対応する構造部品（２１０、２２０）が、複合材料製である請求項６に記載のアセンブリ。
8. アフターバーナーを有するターボジェットのリヒート円筒管に対応する金属材料の構造部品（３００）を有し、該リヒート管は複数のフレームホルダアームを有し、各フレームホルダアームは、リヒート円筒管の内側表面（３０１）に半径方向に配列された複合材料製の中空部品（３３０）によって形成され、各フレームホルダアームは、それぞれ固定装置（３４０）によってリヒート円筒管に接続されている請求項１に記載のアセンブリ。

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