KR20080046111A - 복합 구조체 상의 응력 저감 방법 - Google Patents

복합 구조체 상의 응력 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원주를 갖는 주 복합 구조체(38)를 제공하는 단계와, 상기 원주 둘레에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되어 조인트를 형성하는 적어도 하나의 장착 플랜지(46)를 제공하는 단계와, 상기 장착 플랜지(46)에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되는 부 구조체(48)를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 주 복합 구조체(38) 상의 응력이 최대 용량 레벨을 초과할 때, 상기 주 구조체(38)로부터의 상기 장착 플랜지(46)의 여러 층으로의 갈라짐 현상(delamination) 또는 분리가 상기 조인트에서 발생하고, 상기 부 구조체(48)는 상기 장착 플랜지(46)에 작동식으로 결합되어 유지되는 복합 구조체 상의 응력 저감 방법에 관한 것이다.

Description

복합 구조체 상의 응력 저감 방법{METHODS FOR REDUCING STRESS ON COMPOSITE STRUCTURES}
본원에 개시된 실시예는 일반적으로 복합 구조체 상의 응력을 저감하기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본원의 실시예는 일반적으로 최대 응력 용량이 초과된 후에 여러 층으로 갈라지거나 분리되나, 여전히 온전한 형태를 취하는 복합 구조체 상에 장착 플랜지를 제공함으로써 복합 구조체 상의 응력을 저감하기 위한 방법을 개시한다.
항공기 엔진과 같은 가스 터빈 엔진에 있어서, 공기는 엔진의 전방으로 인입되고, 샤프트 장착식 압축기에 의해 압축되며, 연소기에서 연료와 혼합된다. 그 후, 혼합물은 연소되고, 고온의 배기 가스가 동일 샤프트 상에 장착되는 터빈을 통해 유동하게 된다. 연소 가스의 유동은, 샤프트를 회전시키고 압축기에 동력을 제공하는 터빈을 통해 확장된다. 고온의 배기 가스는 엔진의 후방에서 노즐을 통해 추가로 확장되며, 이로써 항공기를 전방으로 구동하는 강력한 추력이 발생하게 된다.
엔진이 다양한 조건하에서 작동하기 때문에, 의도하지 않게 외부 이물질이 엔진으로 유입될 수도 있다. 보다 구체적으로는, 큰 새, 우박, 모래 및 비와 같은 외부 이물질이 엔진의 입구로 혼입될 수 있다. 결과적으로, 이러한 외부 이물질은 팬 블레이드에 충격을 가할 수 있으며, 이로 인해 충격을 받은 블레이드의 일부가 회전자로부터 느슨하게 파열되게 되는데, 이는 통상적으로 팬 블레이드 파손(fan blade out)으로 공지되어 있다. 그 후, 이렇게 느슨해진 팬 블레이드는 팬 케이싱의 내부에 충격을 가하게 되는데, 이로써 케이싱의 일부가 울퉁불퉁하게 되거나 구부러지게 된다. 케이싱에 있어서의 이러한 변형은 엔진 케이싱의 전체 주변을 따라 응력 증가를 야기할 수 있다.
최근에, 복합 물질이 다양한 항공우주 분야에서의 사용에 있어서 점진적인 인기를 끌고 있는데, 이는 이러한 물질의 내구성 및 상대적인 경량성에 기인한다. 비록, 복합 물질이 우수한 강도 및 중량 특성을 제공할 수 있고, 또한 블레이드 파손과 같은 충격 동안 팬 케이싱에 대한 손상의 범위를 감소시킬 수 있지만, 복합 물질로 제조되는 구조체 상에 설계된 플랜지는 여전히 도전 과제로 남아 있다.
적층식 복합 구조체는 일반적으로 연속 강화 섬유(continuous reinforcing fiber)의 존재로 인해 평면상 우수한 강도를 갖는다. 그러나 부 구조체를, 복합 구조체의 말단부 주변과 달리, 복합 구조체의 본체 주변에 위치되는 개재식 플랜지에 부착할 때, 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 플랜지와 주 복합 구조체 사이의 부착 지점 또는 조인트에서 연속 섬유의 일반적인 부족에 기인한다. 이는, 부 구조체의 중량에 의해 야기되는 현저한 비평면(out-of-plane) 하중에 더해, 팬 블레이드 파손이나, 부 구조체의 중량으로 인해 본래 존재하는 것과 같은 증가된 응력에 기인한 손상에 취약한 연약 부착 조인트를 야기할 수도 있다.
부착 지점에서의 이러한 취약성을 다루기 위해, 추가적인 섬유 또는 금속 브라킷과 같은 장착 플랜지의 조인트에 대한 보충적 보강체를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 이러한 보강체의 추가시, 복합 구조체를 사용함으로써 제공되는 중량-감소에 따른 이점은 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 추가적인 보강이 있더라도, 장착 플랜지는 블레이드 파손에 따른 추가적인 응력이 존재하든 그렇지 않든, 부착된 부 구조체의 중량을 적절하게 지지하기에는 여전히 충분하게 강하지 않을 수 있다. 궁극적으로, 이미 취약해진 플랜지 상의 연속 응력은 주 복합 구조체, 부착된 부 구조체, 엔진 또는 항공기 중 하나 이상에 치명적인 파손을 야기할 수도 있다.
따라서, 전술된 파손 발생 없이, 요구되는 부착을 제공하는 장착 플랜지를 갖는 복합 구조체 상의 응력을 저감하기 위한 방법에 대한 요구가 남아 있다.
본원에 개시된 실시예는 일반적으로 원주를 갖는 주 복합 구조체를 제공하는 단계와, 조인트를 형성하기 위해 상기 원주 둘레에서 주 복합 구조체에 작동식으로 결합되는 적어도 하나의 장착 플랜지를 제공하는 단계와, 상기 장착 플랜지에서 주 복합 구조체에 작동식으로 결합되는 부 구조체를 제공하는 단계를 포함하며, 주 복합 구조체 상의 응력이 최대 용량 레벨을 초과할 때, 주 구조체로부터의 장착 플랜지의 여러 층으로의 갈라짐이 조인트에서 발생하고, 부 구조체는 장착 플랜지에 작동식으로 결합된채 유지되는 복합 구조체 상의 응력 저감 방법에 관한 것이다.
또한, 본원의 실시예는 원주를 갖는 주 복합 구조체를 제공하는 단계와, 조인트를 형성하기 위해 상기 원주 둘레에서 주 복합 구조체에 작동식으로 결합되는 적어도 하나의 장착 플랜지를 제공하는 단계와, 장착 플랜지에서 주 복합 구조체에 작동식으로 결합되는 부 구조체를 제공하는 단계를 포함하며, 주 복합 구조체 상의 응력이 최대 용량 레벨을 초과할 때, 주 복합 구조체로부터의 장착 플랜지의 분리가 조인트에서 발생하고, 부 구조체는 장착 플랜지에 작동식으로 결합된채 유지되는 복합 구조체 상의 응력 저감 방법에 관한 것이다.
이와 같은 특징, 관점 및 이점과 그 외 다른 특징, 관점 및 이점은 이하의 상세한 설명을 통해 당업자에게 명백하게 될 것이다.
비록, 상세한 설명이 본 발명을 특정하여 지적하고 명확하게 특정하는 특허 청구범위로 집중되지만, 본원에 개시된 실시예는 유사한 부분에 대해 유사한 도면부호로 표시되는 첨부 도면과 연계되어 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 것이다.
본원에 개시된 실시예는 일반적으로 주 복합 구조체 및 부착된 부 구조체 양자에 심각한 부품 손상의 발생을 감소시킬 수 있으며, 동시에 현저한 부품 손상을 피할 수 있는 복합 구조체 상의 응력 저감 방법에 관한 것이다. 비록, 본원의 실시예가 일반적으로 가스 터빈 엔진의 복합 팬 케이싱 상의 일체형 장착 플랜지에 초점을 맞추고 있지만, 이러한 설명은 이에 한정되는 것이 아님은 당업자들에게 이해될 것이다. 사실상, 이하의 상세한 설명에서 설명되는 바와 같이, 본원에 설명되는 일체형 장착 플랜지는 대체로 원통형의 복합 구조체 상에 사용될 수 있다.
다시 도면으로 돌아와서, 도 1은 일반적으로 팬 조립체(12) 및 코어 엔진(14)을 포함하는 가스 터빈 엔진(10)의 일 실시예에 대한 개략도이다. 팬 조립체(12)는 팬 케이싱(16) 및 회전자 디스크(20)로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 팬 블레이드(18) 배열체를 포함할 수 있다. 코어 엔진(14)은 고압 압축기(22), 연소기(24), 고압 터빈(26) 및 저압 터빈(28)을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 흡기측(30) 및 배기측(32)을 갖는다. 팬 조립체(12) 및 저압 터빈(28)은 제 1 회전자 샤프트(34)에 의해 결합될 수 있으며, 고압 압축기(22) 및 고압 터빈(26)은 제 2 회전자 샤프트(36)에 의해 결합될 수 있다.
도 2는 적용가능한 주 복합 구조체(38)의 일 실시예를 도시한다. 본원에 사용된 바와 같이, "복합 구조체(예비 성형품)"는 복합 물질로 제조된 소정의 구성요 소, 또는 그 예비 성형품을 말한다. 복합 구조체(38)는 팬 케이싱(16)과 같은 대체로 원통형의 부재를 포함할 수 있다. 이후로, 원통형 부재는 비록, 이에 한정되는 것은 아니나, 팬 케이싱(16)으로서 언급될 것이다. 팬 케이싱(16)은 대체로 원통형의 형상을 갖고, 바람직한 물질로 제조될 수 있다. 그러나 일 실시예에서, 팬 케이싱(16)은 이에 한정되는 것은 아니나, 유리 섬유, 흑연 섬유(graphite fiber), 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 폴리(p-phenylenetherephtalamide) 섬유[즉, 케블라(KEVLAR; 등록상표)]와 같은 아로마 폴리아미드 섬유(aromatic polyamide fiber) 및 이들의 혼합물과 같은 복합 물질로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 팬 케이싱(16)은 당업자에게 공지된 바람직한 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 참고로, 예를 들어 씨(Xie) 등이 출원한 미국 특허출원 제 2006/0201135 호를 참조할 수 있다.
팬 케이싱(16)은 일반적으로 전방 단부(42) 및 후방 단부(44)를 갖는 본체부(40)를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "팬 케이싱"은 경화 전후의 복합 팬 케이싱 양자를 언급하기 위해 사용된다. 당업자는 현재 설명에서 어떠한 단계가 언급되고 있는지를 이해할 것이다. 팬 케이싱(16)은 적어도 하나의 일체형 복합 장착 플랜지(46)를 더 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "장착 플랜지"는 팬 케이싱(16) 또는 다른 주 복합 구조체의 본체부(40)를 중심으로 원주방향으로 개재된 소정의 플랜지로서, 이하에 개시된 바와 같이 부 구조체를 주 구조체에 작동식으로 연결하도록 사용될 수 있는 플랜지를 말한다. "개재된"이라는 표현은 장착 플랜지(46)가, 전방 단부(42) 또는 후방 단부(44) 중 어느 하나를 중심 으로 하는 것이 아니라, 팬 케이싱(16)의 본체부(40)를 중심으로 원주방향으로 위치될 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 팬 케이싱(16)은 당업자에게 공지된 소정의 공구를 사용하여 제조될 수도 있다. 참고로, 예를 들어 블랜튼(Blanton) 등이 출원한 미국 특허출원 번호 제 2006/0134251 호를 참조할 수 있다. 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 복합 구조체 성형 공구(37)는 원주, 대체로 원통형의 코어(33)를 구비할 수 있으며, 공구(37)의 코어(33)에 제거 가능하게 부착될 수 있는 제 1 단부플레이트(72) 및 제 2 단부플레이트(84)를 포함할 수 있다.
도 4로 돌아가서, 비록 일 실시예에서 장착 플랜지(46)가 복수의 코어 섬유(52)를 포함할 수도 있지만, 일체형 복합 장착 플랜지(46)는 일반적으로 적어도 하나의 코어 섬유(52)를 포함할 수 있다. 코어 섬유(52)는 팬 케이싱(16)을 중심으로 원주 방향으로 배향될 수도 있다. "원주 방향으로 배향" 됨은 코어 섬유(52)가, 섬유 토우(fiber tow), 직물 예비 성형품, 또는 이들의 결합 형태이던지 간에, 일반적으로 팬 케이싱(16)을 둘러싸고, 원주 방향으로 연속된다는 것을 의미한다. 또한, 장착 플랜지(46)는 이하 설명되는 바와 같이, 코어 섬유(52)를 팬 케이싱(16)에 작동식으로 연결할 수 있는 적어도 한층의 다방향성 부착 섬유(54)를 포함할 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같은, "다방향성"은 하나 이상의 방향으로 배향된 섬유 토우를 갖는 부착 섬유를 포함하는 직물 예비 성형품을 말한다.
당업자에게 이해되는 바와 같이, 코어 섬유(52)는 상이한 방식으로 제조될 수도 있다. 일 실시예에서, 코어 섬유(52)는 서로 다발지고 결합된 복수의 연속적 인 단일방향성 섬유 토우로 제조될 수도 있다. 다른 실시예에서, 코어 섬유(52)는 원주 방향으로 연속적인 대다수의 섬유 토우 및 비 원주 방향으로 연속적이거나 비연속적인 나머지 섬유를 갖는 편평한 2축 브레이드 슬리브(flattened biaxial braid sleeve)와 같은 직물 예비 성형품을 포함할 수 있다. 원주 방향으로 플랜지에 추가된 강도를 제공할 수 있는 것은 이하 본원에 설명되는 바와 같이 코어 섬유(52)의 대체적인 원주 방향 배향성에 기인한다. 사용되는 특정 조립체에 무관하게, 코어 섬유(52)는 제 1 코어측(56) 및 제 2 코어측(58)을 포함할 수 있다.
코어 섬유(52)의 섬유 토우는 이에 한정되는 것은 아니나, 유리 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 폴리(p-phenylenetherephtalamide) 섬유[즉, 케블라(KEVLAR; 등록상표)]와 같은 아로마 폴리아미드 섬유 및 이들의 혼합물을 포함하는 것으로 당업자에게 공지된 적합한 강화 섬유로 이루어질 수도 있다. 또한, 비록 섬유 토우의 소정의 개수가 코어 섬유(52)를 구성하도록 사용될 수 있지만, 일 실시예에서는 코어 섬유(52)를 구성하도록 약 100 내지 약 5000개의 섬유 토우가 사용될 수도 있다. 또한, 각각의 섬유 토우는 약 3000 내지 약 24,000개의 섬유 섬조(filament)로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 조립시, 코어 섬유(52)는 장착 플랜지(46)의 전체 두께(T)의 약 절반을 구성할 수 있다. 비록, 장착 플랜지(46)의 두께가 적용예에 따라 변경될 수 있지만, 일 실시예에서 장착 플랜지(46)는 약 0.5인치(1.27cm) 내지 약 1인치(2.54cm)의 두께를 가질 수도 있다.
전술된 바와 같이, 원주 방향 코어 섬유(52)에 추가하여, 각각의 장착 플랜지(46)는 코어 섬유(52)의 제 1 코어측(56) 및 제 2 코어측(58) 각각을 팬 케이 싱(16)에 작동식으로 연결하는 적어도 한층의 부착 섬유(54)를 더 포함할 수 있다. 코어 섬유(52)와 달리, 부착 섬유(54)는 원주방향으로 배향된 대부분의 섬유 토우를 필요로 하지 않는 위브(weave) 또는 브레이드(braid)와 같은 다방향성 직물 예비 성형품으로 구성될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 부착 섬유(54)는 전체적으로 대체로 균일한 강도 분포를 나타낼 수 있다. 코어 섬유에서와 같이, 부착 섬유(54)의 각각의 섬유 토우는 약 3000 내지 약 24,000개의 섬유 섬조를 포함할 수 있다. 일반적으로, 조립시 부착 섬유(54)는 플랜지(46)의 전체 두께의 나머지 절반을 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일단 경화되면 장착 플랜지(46)는 적어도 하나의 부 구조체(48)를 팬 케이싱(16)에 작동식으로 연결되도록 사용될 수 있으며, 그 후에 플랜지(46)는 팬 케이싱(16)의 본체(40)의 길이를 따라 다양한 위치에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 장착 플랜지(46)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 부 구조체(48)는 예를 들어, 볼트와 같이 당업자에게 공지된 소정의 부착 방법 및 장착 플랜지(46)를 사용하여 팬 케이싱(16)에 장착될 수 있는 부속 기어 박스(50)일 수도 있다. 가능한 다른 부 구조체는 이에 한정되는 것은 아니나, 오일 탱크, 오일 및 연료 감시 모듈, 그 외 다른 엔진 외형물 및 이들의 결합물을 포함할 수 있다. "엔진 외형물"은 엔진의 외측에 결합될 수 있는 소정의 부속물, 모듈 또는 구성요소를 언급한다는 점을 이해할 것이다. 이러한 부 구조체는 예를 들어 알루미늄과 같이 당업자에게 공지된 적합한 재료로 구성될 수 있으며, 전술한 바와 같이 상기 재료가 부착되 는 대응하는 팬 케이싱보다 현저하게 중량이 많이 나갈 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 팬 케이싱(16)은 약 200 파운드의 중량이지만, 부속 기어 박스(50)는 약 300 파운드의 중량이 나갈 수 있다.
본원에 개시된 장착 플랜지의 실시예는 기존의 부착 기구에 비해 여러 이점을 제공할 수 있다. 특히, 일체형 장착 플랜지는 치명적인 부품 파손을 방지하는 것을 돕는 동시에, 부착된 부 구조체뿐 아니라 주 복합 구조체 양자에 대한 심각한 부품 손상의 발생을 감소시킬 수 있다. 학설에 의해 제한하려는 것은 아닌 것으로, 일반적으로 본원의 장착 플랜지와 같은 섬유 강화 복합 구조체는 섬유 층 사이에 상대적으로 취약한 인터페이스를 구비하여, 평면 강도에 비해 상대적으로 약한 두께 방향 강도를 갖는다. 만약, 복합 구조체 상의 응력이 규정된 최대 용량 레벨을 초과한다면, 이러한 섬유층은 실제의 섬유 파괴 발생에 앞서, 여러 층으로 갈라지거나 분리되는 경향을 가질 수 있다. 이러한 갈라짐 또는 분리는 장착 플랜지가 주 구조체에 결합하는 부착 조인트 상의 부하 및 응력을 감소시킬 수 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 주 복합 구조체의 최대 응력 용량 레벨은 제조 재료, 제조 방법 등과 같은 인자에 따라 변경될 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 전술된 현상을 이용하여 설계된다. 보다 구체적으로는, 일체형 장착 플랜지는 팬 블레이드 파손이나 부착된 부 구조체의 중량에 의해 야기되는 것과 같은, 과도한 응력하에서 조인트에서의 주 복합 구조체로부터 플랜지의 갈라짐 또는 분리를 허용하도록 제조될 수 있다. 그러나 플랜지의 코어 섬유가 연속적으로 원주 방향으로 배향된 섬유로 구성될 수 있기 때문에, 심지어 여 러층으로 갈라지거나 분리된 후에도, 플랜지는 주 구조체 주변에서 이동 가능한 온전한 링으로 유지될 수 있다. 따라서, 일체형 장착 플랜지가 주 복합 구조체로부터 갈라지거나 분리되더라도, 상기 플랜지는 일반적으로 부착된 모든 부 구조체와 함께 제 위치에 남아있게 된다. 이는 주 복합 구조체 및 장착 플랜지 양자 상의 응력이 원래 의도된 바와 같이 동일한 통상 위치에서 부착된 부 구조체를 유지하면서 감소될 수 있도록 할 수 있다. 이 때문에, 여러층으로 갈라지거나 분리되는 것은 치명적인 부품 손상을 방지하는 것을 도울 뿐 아니라 주 구조체 및 부 구조체 양자에 대한 손상을 감소시킬 수 있다.
일체형 복합 장착 플랜지 제조 방법
본원에 개시된 바와 같은 장착 플랜지 제조 방법은 일반적으로 주 복합 구조체를 중심으로 코어 섬유를 적용하는 단계, 그 후 상기 코어 섬유를 팬 케이싱 또는 다른 주 복합 구조체에 작동식으로 결합하도록 부착 섬유를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6의 단계(100)에 도시된 바와 같이, 장착 플랜지의 제조는 팬 케이싱(16)과 같은 원주를 갖는 주 복합 구조체를 제공하는 단계로부터 개시될 수 있다. 일 실시예에서, 주 복합 구조체는 최종 경화를 제외하고 완료될 수 있다. 단계(102)에서, 대응하는 형상의 가이드(60)는 장착 플랜지가 요구되는 각각의 위치에 팬 케이싱(16)의 본체(40) 주변에 위치될 수 있다. 가이드(60)는 예를 들어, 주름 테이프(shrink tape)로 제 위치에 제거 가능하게 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 가이드(60)는 분리된 아치형 부재로서 각각이 팬 케이싱(16)의 본체(40)의 약 180°에 걸치는, 상기 아치형 부재로 이루어질 수도 있다. 가이드(60)의 원호는 팬 케이싱(16) 주변의 용이한 위치설정 및 조정을 위해 해제 가능하게 함께 연결될 수 있다. 그러나 가이드(60)가 소정 개수의 피스로 구성될 수 있으며, 주 복합 구조체의 형상에 대응하는 소정의 형상을 구비할 수 있음을 이해할 것이다.
가이드(60)는 이하 설명되는 바와 같이, 코어 섬유 및 부착 섬유 양자의 후 적용을 위한 지지부로서 작용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가이드(60)는 원주를 둘러쌀 수 있으며, 도시된 바와 같이 L자형 단면을 가질 수 있고, 예를 들어 알루미늄 또는 복합체와 같은 소정의 강성을 띤 경량 재료로 구성될 수 있다.
단계(104)에서, 일단 모든 가이드(60)가 팬 케이싱(16)의 본체(40) 주변의 소정의 위치에 배치되면, 코어 섬유(52)의 적용이 개시될 수 있다. 전술한 바와 같이, 코어 섬유(52)는 함께 다발을 이뤄 결합된 단일 방향의 원주 방향으로 배향된 섬유 토우 또는 대다수의 연속적으로 원주 방향으로 배향된 섬유 토우를 갖는 편평한 2축 브레이드 슬리브와 같은 직물 예비 성형품을 포함할 수 있다.
만일, 단일 방향의 섬유 토우가 코어 섬유(52)를 구성하기 위해 사용된다면, 상기 토우는 팬 케이싱(16) 주변에 권취될 수 있는 섬유 섬조를 포함할 수 있다. 일반적으로, 단일 테키파이드 섬유 토우(tackified fiber tow)는 팬 케이싱 주변의 소망하는 위치에 정확하게 위치될 수 있으며, 이러한 공정은 코어 섬유(52)가 소망하는 크기 및 형상을 가질 때까지 반복될 수 있다. 그 후에, 이하 설명되는 바와 같이, 코어 섬유(52)를 강화하기 위해 부피를 줄이는 단계가 실행될 수 있다. 이와 달리, 만약 직물 예비 성형품이 코어 섬유(52)를 구성하기 위해 사용된다면, 직 물층은 테이블이나 공구와 같은 편평한 비-다공성 표면 상에 엮일 수 있다. 보다 구체적으로는, 테키파이드 직물층은 코어 섬유(52)의 요구되는 두께 및 높이를 형성하기 위해 적층될 수 있으며, 여전히 팬 케이싱을 둘러싸기에 충분히 길다. 부피를 줄이는 단계 이후에, 이하 개시되는 바와 같이, 강화된 직물층은 상기 층이 수동 또는 기계적으로 적합한 반경으로 형상화되어 팬 케이싱 또는 그 외 다른 주 복합 구조체에 정합될 수 있기에 충분히 가요성을 띠게 된다. 어떠한 유형의 섬유가 사용되는 가에 무관하게, 후처리된 코어 섬유(52)는 제 1 코어측(56) 및 제 2 코어측(58)을 구비할 수 있다.
팬 케이싱(16) 주변의 소망하는 위치에 코어 섬유(52)를 위치시키기 때문에, 부착 섬유(54)는 코어 섬유(52)의 제 1 코어측(56) 및 제 2 코어측(58) 각각에 적용될 수 있으며, 또한 코어 섬유(52)를 팬 케이싱(16)에 작동식으로 결합하도록 팬 케이싱(16)에 적용될 수도 있다. 단계(106)에서, 가이드(60)는 부착 섬유(54)가 예를 들어, 코어 섬유(52)의 제 1 코어측(56)에 적용되는 동안 제 위치를 벗어날 수 있다. 전술한 바와 같이, 부착 섬유(54)는 위브 또는 브레이드와 같은 다방향성 직물 예비성형층을 포함할 수 있다. 부착 섬유(54)의 층은 소망의 두께가 얻어질 때까지 코어 섬유(52)와 팬 케이싱(16)의 제 1 코어측(56) 양자에 대해 둘러싼다. 보다 구체적으로, 에폭시와 같은 액상 수지가 코어 섬유(52) 및 팬 케이싱(16)에 적용되어 부착 섬유(54)가 적용되는 점착성층을 제공할 수 있다. 다음으로, 부착 섬유(54)의 층은 액상 수지 위에 적용될 수 있다. 이러한 공정은 소망하는 부착 섬유(54)의 두께가 얻어질 때까지 반복될 수 있다. 비록, 부착 섬유(54) 가 소정의 두께를 가질 수 있지만, 일 실시예에서 부착 섬유의 두께는 약 0.125인치(약 0.3cm) 내지 약 0.25인치(약 0.6cm)일 수 있다.
일단, 부착 섬유(54)가 코어 섬유(52)의 제 1 코어측(56)에 적용되면, 디벌크(debulk) 공정이 구조를 강화하기 위해 다시 실행될 수 있다. 특히, 코어 섬유(52) 및 부착 섬유(54)와 같은 강화 섬유는 원래 상당량의 용적을 가질 수 있다. 복합물의 최종 경화 공정동안, 주름 및/또는 공간(void)의 방지를 보조하기 위해, 그리고 최종 경화 공정 동안 거의 네트 형상의 공구를 사용하기 위해, 상기 복합물의 섬유는 요구되는 최종 경화 두께에 보다 근접하는 치수로 강화 또는 가압될 수 있다. 이러한 강화는 디벌크 공정동안 발생한다.
디벌크 공정은 당업자에게 공지된 방법을 사용하여, 예를 들어, 진공백, 주름 테이프 또는 그 외 다른 기계적 수단으로 복합 섬유에 압력을 인가함으로써 실행될 수 있다. 디벌크 공정에 앞서 섬유에 적용되는 수지는 압력이 인가되면 제 위치에 상기 섬유를 "가봉(tack)" 또는 로킹하는 것을 도울 수 있다. 만약, 테키파이드 섬유가 실온에서 요구되는 바와 같이 강화될 수 없다면, 수지의 점성을 낮추기 위해 열이 가해질 수 있다. 그 후, 수지는 복합 섬유에 보다 용이하게 스며들 수 있으며, 요구되는 정도로 강화가 실행될 수 있게 된다. 일 실시예에서, 가이드는 디벌크 공정 동안 제 위치를 벗어나 제조 공정 동안 지지부를 제공할 수도 있다.
디벌크 공정 동안, 가이드(60)는 단계(108)에 도시된 바와 같이 플랜지의 반대측에 대한 부착 섬유(54)의 적용을 위한 플랜지의 완전한 측면에 인접하여 재위 치될 수 있다. 전술된 적용 및 부착 섬유(54)의 디벌크는 예를 들어, 코어 섬유(52)의 제 2 코어측(58) 상에 반복되어 단계(110)에서 일체형 복합 장착 플랜지 예비 성형품(61)을 얻을 수 있다.
임의적으로, 단계(112)에서 도시된 일 실시예에서, 추가적인 별도의 섬유 토우(62)가 최종 경화에 앞서 장착 플랜지 예비 성형품(61)의 부착 섬유(54)에 적용되어 추가적인 후프 강도(hoop strength)를 제공할 수 있다. 이러한 섬유 토우는 복합 구조체의 최종 경도에 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나 복합 물질을 사용함으로써 제공되는 중량-절감 효과를 제한하는 것을 방지하기 위해서는, 추가적인 별도의 섬유 토우(62)의 사용을 최소화하는 것이 바람직할 것이다.
일단, 코어 섬유(52), 부착 섬유(54) 및 임의적인 별도의 섬유 토우(62)가 엮여 디벌크되면, 각각의 가이드(60)는 제거될 수 있으며, 최종 경화 공구는 플랜지 예비 성형품을 포함하여 팬 케이싱(16)을 중심으로 위치되어 경화 공정 동안 몰드로서의 역할을 할 수 있게 된다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 최종 경화 공구 및 방법은 사용된 수지, 부품 형상 및 장비 특성과 같은 인자에 따라 변경될 수 있다. 그러나 일 실시예에서, 공구는 거의 네트 형상 공구를 포함하며, 이는 원료 및 가공 시간의 낭비를 방지하는데 도움이 될 뿐 아니라, 부착 섬유에대한 가공의 필요성을 없애는데, 이와 같은 가공은 섬유를 파단시키고 플랜지 내의 취약점을 형성하게 될 수 있다.
일반적으로, 최종 경화 공구(64)는 플랜지 슈 및 확장된 플랜지 슈의 여러 결합체를 포함할 수 있다. 플랜지 슈(66)는 함께 결합될 때 팬 케이싱(16) 주변에 서 원주 방향으로 위치될 수 있는 소정의 피스(piece)와, 임의적으로 장착되는 플랜지 예비 성형품(61)을 포함할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 실질적으로 L자형 단면을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 확장된 플랜지 슈(68)는 제 1 측면(69) 및 제 2 측면(71)을 구비할 수 있으며, 또한 함께 결합될 때, 팬 케이싱(16) 주변에 원주 방향으로 위치될 수 있는 소정의 피스 및 임의적으로 장착되는 플랜지 예비 성형품(61)을 포함할 수 있다. 확장된 플랜지 슈(68)는 도 8에 도시된 바와 같이 실질적으로 U자형 단면을 포함할 수 있다. 플랜지 슈(66) 및 확장된 플랜지 슈(68)는 팬 케이싱 예비 성형품보다 더 큰 열팽챙 계수를 갖는 소정의 재료로 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 플랜지 슈(66) 및 확장된 플랜지 슈(68)는 알루미늄 또는 강과 같은 금속, 합금 또는 이들의 결합물로 구성될 수 있다. 추가로, 이하 설명되는 바와 같이, 플랜지 슈(66)와 확장된 플랜지 슈(68) 양자 또는 이들 중 하나는 단부 플랜지 예비 성형품 또는 장착 플랜지 예비 성형품을 수용하기 위해 플랜지 공동을 포함할 수도 있다.
보다 구체적으로는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 확장된 플랜지 슈(70)는 상기 제 1 확장 플랜지 슈(70)의 제 1 측면(69)이 팬 케이싱(16)이 제조되는 복합 구조-형성 공구(74)의 제 1 단부판(72)에 인접하도록 팬 케이싱(16) 주변에 위치될 수 있다. 제 1 확장 플랜지 슈(70)는 예를 들어 볼트와 같이 당업자에게 공지된 소정의 부착 방법을 사용하여 제 1 단부판(72)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 일단 위치되면, 제 1 확장 플랜지 슈(70)는 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 단부 플랜지 예비 성형품(76)에 덧씌워지고 팬 케이싱(16)의 본체(40)를 따라 제 1 장착 플랜지 예비 성형품(78)까지 연속된다. 그 후, 제 1 플랜지 슈(80)는 제 1 확장 플랜지 슈(70)의 제 2 측면(71)에 인접하여 팬 케이싱(16) 주변에 위치될 수 있으며, 상기 둘은 제 1 장착 플랜지 예비 성형품(78) 주변에서 서로 제거 가능하게 결합될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 제 1 확장 플랜지 슈(70)는 제 1 플랜지 슈(80)에 대한 단부판으로서 제공될 수 있으며, 제 1 장착 플랜지 예비 성형품(78)이 그 요구되는 형상 및 최종 경화동안 팬 케이싱(16)을 중심으로 한 배향을 유지하도록 제 1 플랜지 슈(80)가 위치되는 것을 돕는데 필요한 지지부를 제공한다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 확장 플랜지 슈(82)는 제 2 확장 플랜지 슈(82)의 제 1 측면(69)이 복합 구조체 형성 공구(74)의 제 2 단부판(84)에 인접하도록 팬 케이싱(16) 주변에 위치될 수도 있다. 제 2 확장 플랜지 슈(82)는 제 1 확장 플랜지 슈(70)에 대해 전술된 것과 동일한 방식으로 제 2 단부판(84)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 다시, 제 2 확장 플랜지 슈(82)는 제 2 단부 플랜지 예비 성형품(86)을 덧씌울 수 있으며, 팬 케이싱(16)의 본체(40)를 따라 도 9에 도시된 바와 같이 제 2 장착 플랜지 예비 성형품(88)까지 연속될 수 있다. 제 2 플랜지 슈(90)는 제 2 확장 플랜지 슈(82)의 제 2 측면(71)에 인접하여 팬 케이싱(16) 주변에 위치될 수 있으며, 이 둘은 제 2 장착 플랜지 예비 성형품(88) 주변에 함께 제거 가능하게 결합될 수도 있다. 전과 같이, 제 2 확장 플랜지 슈(82)는 제 2 플랜지 슈(90)에 지지부를 제공하고, 제 2 장착 플랜지 예비 성형품(88)이 요구되는 형상 및 최종 경화 동안 팬 케이싱(16)을 중심으로 한 배향을 유지하도록 제 2 플랜지 슈(90)를 위치시키는 것을 도울 수 있다.
확장 플랜지 슈 및 플랜지 슈에 대한 각각의 결합을 위해, 소정의 장착 플랜지 예비 성형품을 수용하도록 형성되는 플랜지형 공동이 있을 수도 있다. 상기 공동이 플랜지 슈, 확장 플랜지 슈 또는 이들의 결합물에 형성될 수 있다는 것은 당업자들에게 이해될 것이다. 예를 들어, 도 9에서 제 1 확장 플랜지 슈(70)는 제 1 장착 플랜지 예비 성형품(78)을 수용하기 위해 공동(92)을 포함하고, 제 2 플랜지 슈(90)는 제 2 장착 플랜지 예비 성형품(88)을 수용하기 위해 공동(92)을 포함한다. 또한, 공동(92)은 존재하다면 단부 플랜지를 고려하기 위해 포함될 수도 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 만약 인접한 장착 플랜지 예비 성형품이 존재한다면, 제 1 측면(69) 및 제 2 측면(71)을 갖는 제 1 확장 플랜지 슈(70)는 제 1 측면(69) 및 제 2 측면(71)을 갖는 제 2 확장 플랜지 슈(82)에 제거 가능하게 결합되어 제 1 장착 플랜지 예비 성형품(78) 주변에서 공동(92)을 형성할 수 있다. 제 1 플랜지 슈(80)는 전술된 방식으로 제 2 확장 플랜지 슈(82)의 제 2 측면(71)에 제거 가능하게 결합되어 제 2 장착 플랜지 예비 성형품(88) 주변에서 또 다른 공동(92)을 형성할 수 있다. 사실상, 소정의 개수의 확장 플랜지 슈는 이러한 방식으로 서로 결합되어 플랜지 예비 성형품이 적합하게 위치되고 조절 유지되는데 요구되는 지지부를 구비하는 것을 돕기 위해 복수의 인접하는 장착 플랜지 예비 성형품을 구비하는 팬 케이싱을 수용할 수 있다.
일단, 모든 플랜지 슈 및 확장 플랜지 슈가 팬 케이싱 및 장착 플랜지 예비 성형품 주변에서 서로 결합되면, 팬 케이싱의 최종 경화가 개시될 수 있다. 당업 자는 사용되는 부품 크기 및 수지와 같은 인자에 근거한 적합한 최종 경화 매개변수를 결정하는 방법을 이해할 것이다. 최종 경화의 말미에, 공구는 제거될 수 있으며, 적어도 하나의 장착 플랜지를 갖는 복합 구조체를 포함하는 물품이 얻어지고, 그 후에 소정의 요구되는 부 구조체가 상기 물품에 부착될 수 있다.
본원의 상세한 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하기 위한 일예로서 사용되며, 당업자로 하여금 본 발명을 제조 및 사용할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 특허청구범위에 의해 정의되고, 당업자에게 도출되는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 상기 예들이 본원의 특허청구범위에 청구된 바와 상이하지 않은 구조적 요소를 구비하거나, 본원의 특허청구범위에 청구된 바와 미미하게 상이한 정도를 갖는 동등한 구조적 요소를 포함한다면, 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이다.
도 1은 가스 터빈 엔진의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도,
도 2는 장착 플랜지를 갖는 팬 케이싱의 일 실시예에 대한 개략적인 도면,
도 3은 복합 구조체 성형 공구의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도,
도 4는 팬 케이싱에 작동식으로 연결된 장착 플랜지의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도,
도 5는 장착 플랜지를 갖고 부 구조체가 부착된 팬 케이싱의 일 실시예에 대한 개략도,
도 6은 장착 플랜지를 제조하기 위한 공정의 일 실시예에 대한 개략도,
도 7은 플랜지 슈의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도,
도 8은 확장된 플랜지 슈의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도,
도 9는 2개의 장착 플랜지를 갖는 복합 팬 케이싱의 최종 경화 동안 사용되는 공구의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도,
도 10은 2개의 인접한 장착 플랜지를 갖는 복합 팬 케이싱의 최종 경화 동안 사용되는 공구의 일 실시예의 일부에 대한 개략적인 단면도.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
16: 팬 케이싱 38: 주 복합 구조체
40: 주 복합 구조체의 본체부 42: 전방 단부
44: 후방 단부 46: 장착 플랜지
52: 코어 섬유 54: 부착 섬유
56: 제 1 코어측 58: 제 2 코어측

Claims (10)

  1. 원주를 갖는 주 복합 구조체(38)를 제공하는 단계와,
    상기 원주 둘레에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되어 조인트를 형성하는 적어도 하나의 장착 플랜지(46)를 제공하는 단계와,
    상기 장착 플랜지(46)에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되는 부 구조체(48)를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 주 복합 구조체(38) 상의 응력이 최대 용량 레벨을 초과할 때, 상기 주 구조체(38)로부터의 상기 장착 플랜지(46)의 층간 박리(delamination)가 상기 조인트에서 발생하고, 상기 부 구조체(48)는 상기 장착 플랜지(46)에 작동식으로 결합되어 유지되는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  2. 원주를 갖는 주 복합 구조체(38)를 제공하는 단계와,
    상기 원주 둘레에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되어 조인트를 형성하는 적어도 하나의 장착 플랜지(46)를 제공하는 단계와,
    상기 장착 플랜지(46)에서 상기 주 복합 구조체(38)에 작동식으로 결합되는 부 구조체(48)를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 주 복합 구조체(38) 상의 응력이 최대 용량 레벨을 초과할 때, 상기 주 구조체(38)로부터의 상기 장착 플랜지(46)의 분리가 상기 조인트에서 발생하고, 상 기 부 구조체(48)는 상기 장착 플랜지(46)에 작동식으로 결합되어 유지되는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주 복합 구조체(38)는 유리 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 폴리(p-phenylenetherephtalamide) 섬유와 같은 아로마 폴리아미드 섬유(aromatic polyamide fiber) 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장착 플랜지(46)는 유리 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 폴리(p-phenylenetherephtalamide) 섬유와 같은 아로마 폴리아미드 섬유(aromatic polyamide fiber) 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장착 플랜지(46)는 원주 방향으로 배향된 코어 섬유(52) 및 다방향성 부착 섬유(54)를 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 섬유(52)는 단방향성 섬유 토우(tow)를 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 섬유(52)는 원주 방향으로 연속하는 다량의 섬유 토우를 갖는 직물 예비 성형품을 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    분리 또는 층간 박리 후에, 상기 부 구조체(48)가 결합되어 있는 상기 장착 플랜지(46)는 상기 주 복합 구조체(38) 둘레에서 온전한 링을 유지하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 복합 구조체(38)는 터빈 엔진 팬 케이싱(16)을 포함하는
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부 구조체(48)는 부속 기어 박스, 오일 탱크, 오일 감시 모듈, 연료 감시 모듈, 그 외 다른 엔진 외장품 및 이들의 결합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 구조체인
    복합 구조체 상의 응력 저감 방법.
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