JP6763853B2 - 注入工具 - Google Patents

Description

本発明は、繊維構造によって強化されたポリマーマトリックスを含む複合材料の分野に関し、そしてより具体的には、航空機部品又はタービンエンジンの製造におけるこのような材料の使用に関する。

航空機の分野では、機械特性を高いレベルに維持しつつエンジン構成部分の重量を低減することが望まれる。より具体的には、航空エンジンにおいて、エンジン内への空気流入通路の輪郭を形成し、その内部にファンの羽根を支持するロータが受容されているファンケーシングは、今日では複合材料から成っている。回転ボディの形態において、ファンケーシングは、上流側及び下流側の端部に、エンジンの他の構造部分、例えば上流側では空気入口プロフィール、そして下流側では中間ケーシングに締め付けるための、外方に向けられたフランジを備えたシュラウドを含んでいる。ケーシングはまた種々の構成部分を支持しており、これはデブリを保持することが可能でなければならない。デブリは、ファン羽根の破損から、又はエンジンの入口で吸い込まれた物体から生じるものである。

複合材料からファンケーシングを製造することは、形成されるべきケーシングのプロフィールと適合するプロフィールを有するマンドレルの所定の場所に繊維強化材を巻き付けることにより始まる。例えば、繊維強化材は、ある特許文献に記載されているように、三次元織布又は多層織布によって形成することができる（例えば、特許文献１参照。）。この繊維強化材は管状繊維プリフォームを構成し、管状繊維プリフォームは、ケーシングのフランジに相当する周縁と一体的に形成されている。製造は、繊維プリフォームがポリマーマトリックスによって緻密化されることによって続けられる。このことは、プリフォームを樹脂で含浸し、そして最終部品を得るために樹脂を重合することにある。

本発明はより具体的には、繊維プリフォームが樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）注入成形法によって含浸される製造に関する。この方法では、繊維プリフォームは、不変の形状の剛性モールド内でこのプリフォームを圧縮することによって閉じ込められる。この剛性モールドは繊維プリフォームのための支持体を形成する内側半部と、繊維プリフォーム上に配置され、得ようとするケーシングの形状に相当する形状を有する外側半部とを有している。その後、２つのモールド半部の壁が合体された後、そして場合によってはモールドが排気された後、樹脂が加圧下で且つ制御された温度でモールドの内部内へ注入される。ひとたび樹脂が注入されたら、樹脂はモールドを加熱することによって重合され、そして注入及び重合後に、最終部品が離型され、次いで余剰の樹脂を回避するためにトリミングされ、所望のケーシングを得るために面取りが機械加工される。

このような離型を容易にするために、注入工具は、完全に漏洩密であることが必要であり、そして一般に工具は、空気のための通路を再現する２つの隣接する内側ドラムと、ケーシングの２つの周縁を形成するための上流側及び下流側のチークプレートと、複数の外側セクタから形成された外側半部と、を含むモールドによって構成される。これらのセクタと、上流側及び下流側のチークプレートとは外方に向かって取り外される。２つの内側ドラムは解離され、次いで空気通路の自然抜き勾配（natural drafts）に依存して、ケーシングのそれぞれの側から取り外される。

残念ながら、あるケーシング形態では、空気のための通路はケーシングの上流端部で狭くなっており、通路は例えば上流側の第１直径と、中央ゾーン内のより大きい第２直径と、そしてもう一度さらに下流側のより小さな第３直径とで異なっている。これは最終部品を離型し得ないことを意味している。なぜならば、上流側のドラムを引き抜くことが不可能であるからである。小さな直径と大きな直径との差は例えば、平均直径が約１５００ｍｍ〜３５００ｍｍであり得るケーシングの場合、４０ミリメートル（ｍｍ）〜８０ｍｍである。

米国特許第８３２２９７１号明細書

したがって、本発明の目的は、逆抜き勾配を備えた内部キャビティを有する、複合材料から成るガスタービンケーシングを製造する注入工具であって、具体的には、関与する工程又はモールドの重量を著しく増大させることなしに、離型が容易に行われるのを可能にする注入工具を提供することである。

この目的は、複合材料から成る回転ボディの形態を成す部品を製造するために繊維プリフォーム内へポリマー樹脂を注入するための注入工具であって、該部品が逆抜き勾配を備えた内部キャビティを有する、注入工具において、該工具は、前記ポリマー樹脂が注入され重合された後に前記部品が離型されるのを可能にするために、該工具が少なくとも前記内部キャビティ内に配列された状態で、第一に、「キーストン」を形成する１つのインサートを含む互いに接触する少なくとも３つのインサートから成る、逆抜き勾配（back-draft）を備えた前記内部キャビティと適合した外面と自然抜き勾配を呈する内面とを有するセクタ化リングと、第二に、前記セクタ化リングを支持するために前記セクタ化リングの前記内面に固定された円錐ドラムとを含み、該円錐ドラムが、前記セクタ化リングの前記内面によって形成された前記自然抜き勾配に依存して、ひとたび前記セクタ化リングから分離されると引き抜かれることを特徴とする、注入工具によって達成される。

したがって、離型可能であるように形成されたモールド支持体に「キーストン」を有するセクタ化付加部分を加えるだけで、逆抜き勾配を備えた内部キャビティを有する回転ボディを離型することが可能になる。

好ましい実施態様では、前記セクタ化リングは少なくとも３つのインサートを含み、前記キーストン形成インサートは２０°〜４０°の角度を占めており、そしてより具体的には前記セクタ化リングは、それぞれが１１０°の角度を占める３つのインサートと、残りの角度３０°を占めるキーストン形成第４インサートとを含む４つのインサートを含んでいる。

好ましくは、前記インサートはねじ締結部材によって前記上流側ドラムに固定されており、そしてこれらのインサートは、インサートが巻き上げ機又は任意の同様の持ち上げシステムによって抜き取られるのを可能にするためのハンドリング部材を含んでいる。

インサートを円錐ドラムに対して所定の角度を成す状態でセンタリングするために、相互センタリングエレメントが、それぞれ前記インサート及び前記円錐ドラム上で互いに対面するように配列されていると有利であり、そして前記インサートを前記円錐ドラムに対して所定の角度を成す状態でセンタリングするために、前記インサートの端部の１つに環状スロープが配置されている。

有利には、前記インサートは、加熱による重合中に膨張を容易にする機械特性及び寸法安定性を有する金属材料から形成されており、又は、前記インサートは、前記上流側ドラムと接触することになる面上で補剛材の間に設けられた重量低減用盲孔を含む金属板から形成されている。

非制限的な例として挙げられた、本発明の具体的実施態様の下記説明から、そして添付の図面を参照すれば、本発明の他の特徴及び利点が明らかになる。

図１は、本発明による注入工具を使用して得られるファンケーシングを有する航空エンジンを示す斜視図である。 図２は、図１のファンケーシングが製造されるのを可能にする注入工具を示す軸線方向に断面した半割図である。 図３Ａは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。 図３Ｂは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。 図３Ｃは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。 図３Ｄは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。 図３Ｅは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。 図３Ｆは、図１のファンケーシングを離型するための図２の注入工具において実施される連続的な工程を示す図である。

本発明は大まかに言えば、ポリマーマトリックス複合材料から形成される任意のガスタービン部品に適用される。とはいうものの、ガスタービン航空エンジンのファンケーシングへの本発明の適用という文脈において本発明を以下に説明する。

図１は、ガス流の流れ方向において上流側から下流側へ向かって見て、エンジンの入口に配置されたファン１０と、圧縮機１２と、燃焼室１４と、高圧タービン１６と、低圧タービン１８と、を含むこのようなガスタービンエンジンを示すダイヤグラムである。エンジンは、エンジン、及びエンジンの空気流入通路を形成する内面の種々のエレメントに対応する連続的なケーシングを有している。このように、ファン１０は、繊維強化材から形成された回転ボディの形態を成すファンケーシング２０によって取り囲まれている。ファンケーシング２０は、例えば炭素、ガラス、アラミド、又はセラミック繊維を使用し、ポリマーマトリックス、例えばエポキシ、ビスマレイミド、又はポリイミドマトリックスによって緻密化されている。繊維強化材は三次元又は多層製織によって、例えば「インターロック」製織によって周知の形式で得られ、そしてマトリックスは、周知の注入方法、例えばＲＴＭ成形法によって得られる。

ファンケーシング２０は、その上流端部及び下流端部に、外方に向けられたフランジ２２及び２４を有することにより、ファンケーシングはエンジンの他のエレメントに取り付けられ結合されることが可能になる。上流端部と下流端部との間に、ファンケーシングは中間部分（逆抜き勾配を呈する内部キャビティ２０Ａ）を有している。中間部分の直径は、これと徐々に結合する端部の直径よりも大きい。この中間部分は標準的なＲＴＭ注入工具に頼ることを不可能にする。

したがって、本発明では、逆抜き勾配を備えた内部キャビティを有する回転ボディを離型することにおいて提起される問題点を、このキャビティのいずれかの側で被成形部品を支持する上流側ドラムに付加片を加えることによって、その部品がケーシングの上流端部から離型されるのを可能にすることにより解決することが提案される。このような付加片は、注入を受容する繊維プリフォームと上流側ドラムとの間に加えられ、これにより、離型をもう一度可能にする自然抜き勾配を再形成する。

図２は、ファンケーシング２０を支持する本発明の注入工具の断面図であり、従来通りモールドを閉鎖する外側のセクタ化外半部を省いている。

より具体的には、周知の形式で、工具３０は上流側ドラム３２と下流側ドラム３４とを、上流側チークプレート３６及び下流側チークプレート３８とともに含んでいる。上流側ドラムと下流側ドラムとは内側へ向いた（reentrant）直径（一般には空気通路の最小直径）を介して互いに接触することにより、この接合部のいずれかの側の通路の自然抜き勾配に依存して離型を可能にする。そしてこれらのドラムは、結合手段、例えばボルト（符号３３で示された軸線を参照）によって接合部で互いに固定されている。外方へ向いたフランジ２２及び２４を成形するための上流側及び下流側のチークプレートはまた、それぞれ例えばねじ締結部材（符号３５及び３７で示された軸線参照）によって上流側及び下流側のドラムに固定されている。上流側チークプレートと上流側ドラムとは単一片を構成することができ、そして同じことが下流側チークプレートと下流側ドラムとに当てはまることが観察されるはずである。

本発明によれば、この工具はさらに、例えば逆抜き勾配を有する内部キャビティ内でそのいずれかの側で繊維プリフォームを支持する上流側ドラム３２にねじ締結された（符号４１で示された軸線参照）少なくとも３つの接触インサート、典型的には４つのこのようなインサート４０Ａ〜４０Ｄを有するセクタ化リング４０から形成された付加片を含んでいる。そしてセクタ化リング４０は上流方向における離型を容易にするためにわずかに円錐状の形状を有する。上流側ドラムを取り外さなければならないときに、このドラムへのアクセスを容易にするために、ねじ締結部材は上流側ドラム３２の自由端にできる限り接近して配置されていることが好ましい。加えて、インサート４０が上流側ドラム３２及び下流側ドラム３４上に所定の角度を成す状態でセンタリングされるのを保証するために、相互センタリングエレメント３２Ａ，４２が、これらの片のそれぞれに配列されていると有利である。

より正確に言えば、逆抜き勾配を有する内部キャビティと適合する外面を有するセクタ化リング（そしてその上流側及び下流側のアプローチ）は、自然抜き勾配（すなわち、従来技術の空気通路に適用される形式で離型を可能にするのに充分な数度の傾斜角）を備えた内面を有している。上流側ドラム３２及び下流側ドラム３４の両方で環状（軸線方向及び半径方向）のセンタリングを可能にするために、環状スロープ４４がその端部の１つに設けられている。リングは、加熱による重合中に膨張の管理を容易にする機械特性及び寸法安定性を有する金属材料、例えば厚さが５０ミリメートル（ｍｍ）〜８０ｍｍの鋼板から形成されており、そしてこの金属材料は、上流側ドラムと接触することになる面上で補剛材４８の間に設けられた重量低減用盲孔４６を含む。ドラム及びインサートは同じ材料から形成されることが好ましい。

これらが取り外されるのを可能にするために、セクタ化リングが４つのインサートから成っている場合には、これらのインサートのうちの３つがそれぞれ１１０°の角度に及ぶように構成されているのに対し、第４のインサートは残りの角度３０°に及び、そして付加部分のための一種の「キーストン（keystone）」を形成する。それでもなお、インサートの総数（例えば３〜５つであってよい）に応じて、そしてこれらの寸法に応じて、「キーストン」第４インサートは場合によっては２０°〜４０°の角度に及んでもよい。インサートは、上流側ドラムと良好にフィットしていることが必要である。それというのも、樹脂はモールド内部で真空を発生させた後、加圧下で注入されるからである。リングを構成する材料の機械特性及び寸法安定性は注入の成功を容易にする。もちろん、モールドが確実に漏洩密であることを保証するために、モールドの種々の片の間に従来のガスケット（図示せず）が設けられることも必要である。

成形段階中、注入工程は従来のＲＴＭ注入プロセスと異なるものではなく、繊維プリフォームを、漏洩密な形式で閉じられたモールド内部に配置する。その後、低粘度液体熱硬化性樹脂をモールド内へ注入することにより、プリフォームの繊維部分全体を含浸する。次いで、通常の場合には、所望の緻密化度を達成するために１つ又は２つ以上の連続サイクルにおいてモールドを加熱することにより、重合を実施する。ひとたび注入及び重合が完了したら、最終的に得られた部品は次いで、工具が改変されたことに基づき、従来のプロセスにおいて実施される工程とは今や異なる工程を用いて離型することができる。

離型工程は、図３Ａ〜３Ｆにおいて連続的に示されている。図３Ａは重合工程終了時のモールドを示しており、外側半割部は第１離型工程において取り外されており、最終部品の外面はこうして、形成されるべきケーシングの外側形状を有している。図３Ｂに示された第２工程は、ファスナ３５をねじ外しそして上流側チークプレート３６を取り外すことにより、上流側ドラム３２を解放することにある。上流側ドラム３２は次いで、ひとたびファスナ３３をねじ外すことによって上流側ドラム３４から分離されると、それ自体を図３Ｃに示された後続の工程において引き抜くことができる（もちろん、インサートのファスナ４１は予め取り外される）。この場合、上流側ドラム３２の引き抜き及び下流側ドラム３４の引き抜きを、相前後して行う代わりに同時に行うこともできる。

上流側ドラム３２のこの引き抜きは、インサート４０Ａ〜４０Ｄを解放するのを可能にする。図３Ｅに示されているように、インサート４０Ａ〜４０Ｄの解放は、残りの他のインサート４０Ｂ〜４０Ｄを取り外す前に「キーストン」インサート４０Ａで始まる（図３Ｄに示された新しい工程）。最後に、図３Ｆに示された最後の工程において、最終部品を少なくとも、モールドから抜き取ることができる。次いで、モールドのうち下流側ドラム３４及び下流側チークプレート３８だけが残る。次いで、余剰の樹脂を除去し、ファンケーシング２０を得るために、この最終部品をトリミングする。

これらの工程の全てに対して、これらの部分の寸法（数メートルの直径）及び重量（数（メトリック）トン）を考えると、これらの部分の全ては用心してハンドリングする必要があり、したがって、これらの部分は、巻き上げ機又は任意の同様の持ち上げシステムによって引き抜かれることが好ましい。モールド部分のそれぞれはこの場合、これらが動かされるのを可能にするのに必要とされる部材を含む。例えば、これらのハンドリング部材は、ねじ込まれたボルトのヘッドに設けられたドッキングリング５２（図２参照）を有し得るファスナ孔５０、又は結合を目的とした任意の他の孔を備えていてよい。例えばハンドリングフレーム５４（図３Ｄ参照）それ自体が、巻き上げ機と連携するフックと係合することによって協働するドッキングリングを有する。一般には、重く且つ／又は嵩高な荷重内にねじ込まれたドッキングリングを使用することによって、前記荷重をハンドリングするためのシステムを用いて大型部分をハンドリングして締め付けるための技術は周知のタイプのものである。

最終引き抜き工程中に最終部品に損傷を及ぼすのを回避するために、この工程は、ハンドリングリング、スリング、又は大型回転ボディをハンドリングするための任意の他の同等の手段によって実施することが好ましいことが観察されるはずである。最終ケーシング部品はハンドリングを目的としたいかなる特殊な部材も有していないので、このことはこのようなハンドリング中に損傷されるリスクを冒さないことを保証する。

Claims (10)

1. 複合材料（２０）から成る回転ボディの形態を成す部品を製造するために繊維プリフォーム内へポリマー樹脂を注入するための注入工具であって、該部品が、内側へ向いた直径と、逆抜き勾配（２０Ａ）を備えた内部キャビティとを有する、注入工具において、
   該注入工具は、
   前記ポリマー樹脂が注入され重合された後に前記部品が離型されるのを可能にするために、前記内側へ向いた直径において互いに接触しかつ自然抜き勾配を有する外面を各々が有する、下流側ドラム（３４）と上流側ドラム（３２）と、
   キーストンを形成する１つのインサート（４０Ａ）を含む互いに接触する少なくとも３つのインサート（４０Ａ〜４０Ｄ）から成るセクタ化リング（４０）であって、前記セクタ化リング（４０）は少なくとも前記内部キャビティ内に配列されており、前記セクタ化リング（４０）は、逆抜き勾配を備えた前記内部キャビティと適合した外面と、前記上流側ドラム（３２）の前記外面の前記自然抜き勾配に適合している自然抜き勾配を呈する内面とを有するセクタ化リング（４０）とを含み、
   前記上流側ドラム（３２）は、前記セクタ化リングを支持するために前記セクタ化リングの前記内面に固定されており、
   該上流側ドラム（３２）が、前記セクタ化リングの前記内面によって形成された前記自然抜き勾配に依存して、ひとたび前記セクタ化リングから分離されると引き抜かれることを特徴とする、注入工具。
2. 前記セクタ化リングが少なくとも３つのインサートを含み、前記キーストンを形成する１つのインサートが２０°〜４０°の角度を占めていることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
3. 前記セクタ化リングが４つのインサートを含んでおり、３つのインサートがそれぞれ１１０°の角度を占め、そしてキーストンを形成する第４インサートが残りの角度３０°を占めていることを特徴とする、請求項２に記載の注入工具。
4. 前記上流側ドラム（３２）は円錐上流側ドラム（３２）であり、前記インサートがねじ締結部材（４１）によって前記円錐上流側ドラム（３２）に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
5. 前記上流側ドラム（３２）は円錐上流側ドラム（３２）であり、前記インサートを前記円錐上流側ドラム（３２）に対して所定の角度を成す状態でセンタリングするために、相互センタリングエレメント（３２Ａ，４２）が、それぞれ前記インサート及び前記円錐上流側ドラム（３２）上で互いに対面するように配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
6. 前記上流側ドラム（３２）は円錐上流側ドラム（３２）であり、前記インサートを前記円錐上流側ドラム（３２）に対して所定の角度を成す状態でセンタリングするために、前記インサートの端部の１つに環状スロープ（４４）が配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の注入工具。
7. 前記インサートは、該インサートが巻き上げ機又は任意の同様の持ち上げシステムによって抜き取られるのを可能にするためのハンドリング部材（５０）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
8. 前記インサートが、加熱による重合中に膨張を容易にする機械特性及び寸法安定性を有する金属材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
9. 前記上流側ドラム（３２）は円錐上流側ドラム（３２）であり、前記インサートが、前記円錐上流側ドラム（３２）と接触することになる面上で補剛材（４８）の間に設けられた重量低減用盲孔（４６）を含む金属板から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の注入工具。
10. 複合材料から形成される前記回転ボディがファンケーシングであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の注入工具。

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