KR20070107570A - 체결구 - Google Patents

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KR20070107570A
KR20070107570A KR1020060134456A KR20060134456A KR20070107570A KR 20070107570 A KR20070107570 A KR 20070107570A KR 1020060134456 A KR1020060134456 A KR 1020060134456A KR 20060134456 A KR20060134456 A KR 20060134456A KR 20070107570 A KR20070107570 A KR 20070107570A
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쉘튼 오. 리차드
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명의 체결구는 금속 부재 및 비금속 캡 부재를 갖는다. 금속 부재는 헤드 및 샤프트를 갖는다. 샤프트는 헤드에서의 제1 단부, 말단의 제2 단부, 및 외부 나사 부분을 갖는다. 금속 부재는 샤프트에 대향하여 헤드로부터 연장되는 돌출부를 더 갖는다. 캡 부재는 샤프트에 대향하여 헤드에 정합되고, 돌출부에 의해 보유된다.
체결구, 금속 부재, 비금속 캡 부재, 헤드, 샤프트, 돌출부

Description

체결구 {FASTENER}
도1은 CMC 패널을 장착하는 체결구 조립체의 단면도.
도2는 도1의 조립체의 스터드의 단면도.
도3은 도2의 스터드의 금속 부분의 전구체의 도면.
도4는 도2의 스터드의 캡의 단면도.
도5는 초기 제조 단계에서의 전구체와 캡의 조립도.
도6은 도2의 스터드의 헤드의 부분 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
26 : 체결구 조립체
28 : 스터드
80 : 금속 부재
82 : 비금속 캡
86 : 샤프트
102 : 돌출부
본 발명은 항공기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 항공기 동력장치의 배출 가스 유동 경로에 노출되는 체결구에 관한 것이다.
다양한 비금속 재료가 항공기 추진에 사용하기 위해 개발되었다. 한 가지 계열의 재료는 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)이다. 다양한 실시예에서, CMC는 (a) 고온에 대한 저항, 및 (b) 저관측성의 유리한 조합을 제공한다. 저관측성 군용 항공기에서는, 항공기 엔진의 배출 가스 유동 경로를 따른 부품 내에서 사용하는데 있어서 이들 두 가지 특성 모두가 중요하다. 예시적인 세라믹 매트릭스 복합재 부품은 노즐 플랩 라이너 및 노즐 시일 라이너이다.
그러한 부품은 전형적으로 지지 구조물에 고정되어야 한다. 전형적인 항공기용 체결구는 금속성이다. 미국 특허 출원 공개 제2005-260033 A1호 및 제2005-260034 A1호는 예시적인 체결구 및 그의 응용예를 개시한다. 그러한 체결구가 CMC 부품을 고정하는데 사용되면, 체결구의 노출된 금속은 저관측성 특성을 훼손할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 태양은 금속 부재 및 비금속 캡 부재를 갖는 체결구를 포함한다. 금속 부재는 헤드 및 샤프트를 갖는다. 샤프트는 헤드에서의 제1 단부, 말단 제2 단부, 및 외부 나사 부분을 갖는다. 금속 부재는 샤프트에 대향하여 헤드로부터 연장되는 돌출부를 더 갖는다. 캡 부재는 샤프트에 대향하여 헤드에 정합되고 돌출부에 의해 보유된다.
다양한 실시예에서, 샤프트는 제2 단부에 인접한 파지 형상부를 더 가질 수 있다. 파지 형상부는 내부 또는 외부 스플라인 또는 파셋(facet) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 파지 형상부는 6각 단면 구획을 포함할 수 있다. 헤드의 하면 및 캡의 하면 부분은 단차식 절두 원추형 표면을 형성할 수 있다. 캡은 본질적으로 세라믹 매트릭스 복합재를 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 내부 나사 너트가 샤프트와 나사식으로 맞물릴 수 있다.
그러한 체결구는 엔진 배출 패널을 지지 구조물에 고정하는데 사용될 수 있다. 패널은 엔진의 배출 유동 경로에 노출되는 제1 표면을 가질 수 있다. 헤드와 캡은 패널 제1 표면 내의 경사면 내에서 동일 평면이거나 하위 평면일 수 있다. 너트는 헤드와 너트 사이에 패널 및 지지 구조물을 삽입하도록 샤프트에 맞물릴 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 체결구를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 비금속 캡 부재가 금속 부재의 헤드로부터의 돌출부에 정합된다. 돌출부는 캡 부재를 보유하는 변형 상태로 변형된다. 변형은 용융을 포함할 수 있다. 금속 부재는 돌출부에 대향하여 샤프트 상에 외부 나사를 절삭하는 단계 및 돌출부에 대향하여 샤프트의 일 단부 내에 구획을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 세라믹 매트릭스 복합재 캡과, 헤드 및 나사 샤프트를 갖는 금속 부재와, 캡을 헤드에 고정하는 수단을 포함하는 체결구를 포함한다. 체결구는 금속 부재와 맞물리기 위한 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 그러한 체결구를 사용하여 엔진 배출 패널 조립체를 조립하기 위한 방법을 포함한다. 체결구 샤프트는 세라믹 매트릭스 복합재 패널 내의 개구 및 지지 구조물 내의 개구를 통해 삽입된다. 샤프트는 내부 나사 너트에 맞물린다. 너트는 공구와 맞물린다. 샤프트의 형상부가 공구 또는 다른 공구와 맞물린다. 너트 및 체결구는 너트를 체결구에 조이도록 상대 회전된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 설명은 첨부된 도면 및 아래의 설명에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 장점은 설명, 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
여러 도면의 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 표시한다.
도1은 가스 터빈 엔진의 배출 유동 경로(22)를 따른 패널(20)을 도시한다. 패널(20)은 복수의 체결구 조립체(26)에 의해 지지 구조물(24)에 장착된다. 예시적인 체결구 조립체는 공통 중심 종축(500)을 갖는 스터드(28) 및 너트(30)를 각각 포함한다.
각각의 패널(20)은 배출 유동 경로(22)를 따른 제1 면(40)과, 지지 구조물(24)의 제1 면(44)과 맞물리는 대향 제2 면(42)을 갖는다. 맞물림은 와셔(46; 예를 들어, 금속) 또는 다른 강성이거나 유연한 매개 부품에 의할 수 있다. 지지 구조물(24)의 제2 면(48)은 [예를 들어, 제2 와셔(50) 및 편위식 압축 코일 스프링(54)을 거쳐] 너트(30)에 의해 맞물린다. 면(40, 42)들 사이의 예시적인 패널 두께는 5 내지 20 mm이다.
예시적인 스터드(28)는 패널 제1 면(40)과 동일 평면이거나 거의 동일 평면인 [예를 들어, 오프셋(62)만큼 하위 평면인] 접시형 헤드(60)를 갖는다. 패널의 접시 형상은 절두 원추형 경사 표면(64)에 의해 형성된다.
원하는 장착의 구조적 안정성을 제공하기 위해, 스터드의 나사 부분은 유리하게는 적절한 항공 합금(예를 들어, 니켈계 초합금)으로 형성될 수 있다. 그러나, 그러한 합금의 큰 노출 헤드 표면은 항공기의 관측성을 잠재적으로 증가시킨다. 예를 들어, 노출된 금속 헤드는 후부 관찰 시에 무시할 수 없는 레이더 반사를 제공한다. 체결구의 관측성 영향을 제한하기 위해, 유리하게는 헤드의 노출 표면의 큰 부분이 이러한 목적으로 선택된 재료로 형성될 수 있다.
도2는 예시적인 스터드(28)의 세부를 도시한다. 스터드는 (예를 들어, 니켈계 초합금의) 금속 부재(80)와, (예를 들어, CMC의) 비금속 캡(82)을 포함한다. 금속 부재(80)는 말단 단부(88) 및 기부 단부(90)를 갖는 샤프트(86)를 포함한다. 샤프트 나사 부분(92)이 그들 사이에 위치된다. 기부 단부(90)에서, 샤프트는 헤드(94)와 일체로 형성된다. 예시적인 헤드(94)는 본질적으로 절두 원추형 하면(96)과, 표면(96)에 대향한 편평 외부면(98)을 갖는다. 약간 돌출된 돌출부(102)가 샤프트에 대향하여 헤드로부터 연장되고, 상대적으로 작은 직경의 기부(104) 및 큰 직경의 말단부(106)를 갖는다.
돌출부(102)는 캡(82) 내의 구획(110) 내에 포착되어, 캡(82), 헤드(94) 및 돌출부(102)가 본질적으로 스터드 헤드(60)를 형성하도록, 캡을 헤드(94)에 보유한다. 캡은 헤드 외부면(98)에 맞물리는 반경방향 내부면(112)을 갖는다. 절두 원추형 표면(114)이 면(98)으로부터 연장되고, 헤드 절두 원추형 하면(96)과 조합하여 경사 표면(64)과 접촉하는 약간 단차식인 절두 원추형 스터드 헤드 하면을 형성 한다. 캡은 면(112)에 대향하는 외부면(116)을 갖는다. 캡 외부면(116)은 배출 유동 경로(22)에 노출되는 스터드의 표면적의 대부분을 형성하여, 비교적 낮은 관측성을 제공하고 금속 부재를 열적으로 보호한다. 절두 원추형 표면(114)은 절두 원추형 표면(96)으로부터 오프셋(118)만큼 리세스된다. 이러한 오프셋은 표면(114)을 표면(64)과 응력 접촉시키지 않으면서, 표면(96)과 표면(64) 사이의 압축식 맞물림을 허용한다. 따라서, 갭(119: 도1)이 리세스/오프셋(118)보다 약간 더 작은 치수이고, 유리하게는 0에 가까운 제조 공차를 갖는다.
말단 단부(88) 근방에서, 샤프트(86)는 너트(30)의 설치 중에 스터드(28)의 회전을 방지하거나 [그렇지 않으면 너트를 샤프트 상에 조이기 위해 너트(30)에 대한 샤프트(86)의 원하는 상대 회전을 제공하기 위해], 샤프트가 공구(122)에 의해 맞물리도록 허용하는 맞물림 형상부(120)를 포함한다. 예시적인 맞물림 형상부는 카운터보링된 구획(126)의 6각 단면 말단부를 제공하는 파셋(124)과 같은 내부 형상부를 포함한다. 대안적인 맞물림 형상부는 내부 스플라인 또는 외부 스플라인 또는 파셋을 포함할 수 있다. 유사하게, 너트(30)는 맞물림 형상부[예를 들어, 렌치(132) 맞물림을 위한 외부 6각면(130)]을 갖는다.
예시적인 제조 방법에서, 금속 부재(80)의 전구체(precursor)(140; 도3)가 (예를 들어, 종래의 스크루 가공 기술에 의해) 형성될 수 있다. 전구체(140)는 돌출부(120)의 전구체(142)가 헤드 외부면(98)으로부터 연장되는 것을 제외하고는 금속 부재의 모든 부분을 갖는다. 전구체(142)는 샤프트(86)보다 상대적으로 작은 직경 및 최종 돌출부(102)보다 큰 길이의 샤프트로서 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이후의 조립 중에, 전구체(142)의 말단 단부(144)가 용융되어, 돌출부의 돌출된 말단부(106)를 형성한다.
캡(82)은 CMC 시트로부터 절삭(예를 들어, 워터젯 절삭)에 의해 만들어질 수 있다. 캡 구획(110; 도4)은 상대적으로 좁은 직경의 내부 목 부분(152)으로부터 연장되는 외부 경사면(150) 및 내부 경사면(154)에 의해 형성된다. 내부 목 부분(152)은 돌출부 기부(104)를 밀접하게 수용하는 치수이다. 예시적인 캡(82)은 두께(160; 예를 들어 2 내지 4 mm)를 갖는다. 캡 내부면(112)의 예시적인 직경(162)은 10 내지 30 mm이다. 절두 원추형 표면(114)의 예시적인 반각(164)은 50 내지 70°이다. 체결구를 조립하기 위해, 캡(82)은 전구체의 말단부(144)가 외부 경사면(150) 내에 놓이거나 그로부터 돌출하도록 돌출부 전구체(142) 위에 위치된다 (도5). 다음으로 말단부(144)는 돌출부(102)를 형성하고 캡(82)을 헤드(94)에 로킹하기 위해 그의 직경을 팽창시키도록 용융되거나 달리 변형된다 (도6). 예시적인 용융은 외부 표면(116)과 동일 평면이거나 약간 하위 평면인 돌출부(102)를 형성한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 취지 및 범주로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 체결구는 복수의 공지되거나 이미 개발된 체결구 구성 중 하나의 헤드를 재가공함으로써 제공될 수 있다. 따라서, 다른 실시예가 다음의 청구범위의 범주 내에 있다.
본 발명에 따르면, 고온에 대한 저항, 및 낮은 관측성을 갖는 항공기 엔진의 배출 가스 유동 경로에 노출되는 체결구를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 헤드와; 헤드에서의 제1 단부, 말단의 제2 단부, 및 외부 나사 부분을 갖는 샤프트와; 샤프트에 대향하여 헤드로부터 연장되는 돌출부를 갖는 금속 부재와,
    샤프트에 대향하여 헤드에 정합되고, 돌출부에 의해 보유되는 비금속 캡 부재를 포함하는 체결구.
  2. 제1항에 있어서, 샤프트는 제2 단부에 인접한 파지 형상부를 더 포함하는 체결구.
  3. 제1항에 있어서, 파지 형상부는 내부 파셋, 내부 스플라인, 외부 파셋, 및 외부 스플라인 중 적어도 하나를 포함하는 체결구.
  4. 제1항에 있어서, 파지 형상부는 6각 단면 구획을 포함하는 체결구.
  5. 제1항에 있어서, 헤드의 하면 및 캡의 하면 부분은 단차식 절두 원추형 표면을 형성하는 체결구.
  6. 제1항에 있어서, 캡은 세라믹 매트릭스 복합재를 포함하거나 본질적으로 그것으로 구성되는 체결구.
  7. 제1항에 있어서, 샤프트와 나사식으로 맞물리는 내부 나사 너트를 더 포함하는 체결구.
  8. 엔진의 배출 유동 경로에 노출되는 제1 표면을 갖는 패널과,
    패널을 지지하는 지지 구조물과,
    패널을 지지 구조물에 고정하는 제1항에 따른 체결구를 포함하는 엔진 배출 패널 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 헤드 및 캡은 패널의 경사면 내에서 동일 평면이거나 하위 평면인 엔진 배출 패널 조립체.
  10. 제8항에 있어서, 너트가 샤프트에 맞물리는 엔진 배출 패널 조립체.
  11. 비금속 캡 부재를 금속 부재의 헤드로부터의 돌출부에 정합시키는 단계와,
    돌출부를 캡 부재를 보유하는 변형된 구성으로 변형시키는 단계를 포함하는 체결구 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 변형 단계는 용융 단계를 포함하는 체결구 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    돌출부에 대향하여 샤프트 상에 외부 나사를 절삭하는 단계 및 돌출부에 대향하여 샤프트의 일 단부 내에 구획을 형성하는 단계를 포함하는 금속 부재 제조 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 세라믹 매트릭스 복합재 캡과,
    헤드 및 나사 샤프트를 갖는 금속 부재와,
    캡을 헤드에 고정하는 수단을 포함하는 체결구.
  15. 제14항에 있어서, 금속 부재와 맞물리는 수단을 더 포함하는 체결구.
  16. 제15항에 있어서, 금속 부재와 맞물리는 수단은 샤프트의 말단 단부 내의 내부 구획을 포함하는 체결구.
  17. 제14항에 있어서, 헤드의 하면 및 캡의 하면 부분은 단차식 절두 원추형 표면을 형성하는 체결구.
  18. 세라믹 매트릭스 복합재 패널 내의 개구 및 지지 구조물 내의 개구를 통해 제14항에 따른 체결구의 샤프트를 삽입하는 단계와,
    샤프트를 내부 나사 너트에 맞물리는 단계와,
    너트를 공구와 맞물리는 단계와,
    샤프트의 형상부를 상기 공구 또는 다른 공구와 맞물리는 단계와,
    너트를 체결구에 조이기 위해 너트 및 체결구를 상대 회전시키는 단계를 포함하는 엔진 배출 패널 조립체 조립 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    공구는 렌치이고,
    상기 다른 공구는 6각 키이인 엔진 배출 패널 조립체 조립 방법.
KR1020060134456A 2006-05-02 2006-12-27 체결구 KR20070107570A (ko)

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