WO2011055778A1

WO2011055778A1 - 円筒構造体およびその製造方法

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Publication number: WO2011055778A1
Application number: PCT/JP2010/069680
Authority: WO
Inventors: 敬原田; 有重成; 雅頼宮下; 務村上; 崇田中
Original assignee: 株式会社Ihi; 株式会社Ｉｈｉエアロスペース
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-05-12
Also published as: CA2779409C; CA2779409A1; US20120219741A1; JP2011098523A; CN102656004B; EP2497625A1; EP2497625A4; EP2497625B1; CN102656004A

Abstract

　軸方向を有する円筒構造体を製造する方法は、それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第１の接合線を形成する複数の織物を含む第１の層を、マンドレルの周囲に巻き付け、それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第２の接合線を形成する複数の織物を含む第２の層を、前記第２の接合線が前記第１の接合線より前記軸方向にずれるように、前記第１の層の周囲に巻き付け、それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第３の接合線を形成する複数の織物を含む第３の層を、前記第３の接合線が前記第１の接合線と前記第２の接合線の両方より前記軸方向にずれるように、前記第２の層の周囲に巻き付け、樹脂により前記各層を結合する、ことよりなる。

Description

円筒構造体およびその製造方法

　本発明は、航空宇宙分野の推進装置に関し、特にジェットエンジンのファンケースやロケットエンジンのモータケースのごとき、繊維強化プラスチックよりなる円筒構造体およびその製造方法に関する。

　航空機のジェットエンジンにおいては、一例として、外気がファンにより吸入され、コンプレッサにより圧縮され、燃焼器内で燃料の燃焼に利用される。発生したエネルギの一部がタービンにより抜き出された後、燃焼ガスはエンジン後部のノズルから後方へ排出される。ジェットエンジンの全体は、通常、ナセルと呼ばれる空気力学的に設計されたハウジングに囲われて支持される。ナセルの全体は極めて大きく、また要求される強度等の特性はナセルの部位によるので、ナセルは典型的にはファンケースやコアカウル等の複数のカウル部品に分割して製造される。各カウル部品は、要求される特性および空気力学的形状に応じて、最適に設計される。

　例えばファンケースの場合、耐熱性を必要としないため、必ずしも金属を適用する必要がない。そこで軽量化の目的で、金属に代えて繊維強化プラスチックをファンケースの素材として適用することが検討されている。関連技術が、米国特許出願公開２００９／００９８３３７号に開示されている。かかる技術によれば、強化繊維よりなる織物を円筒形の工具に巻き付けることにより前駆体を形成し、かかる前駆体よりファンケースを製造している。

　他方、ファンケースにおいて重要な特性は、衝撃吸収能である。例えば内部の部材が破損して高速でファンケースに衝突した時に、かかる部材が高速なまま外部に脱出すると、他の構造部材をも破壊しかねない。すなわちファンケースは、かかる部材が外部に飛び出すことを妨げ、あるいはその運動エネルギを十分に吸収することが必要である。

　上述の関連技術によれば、ファンケースの軸方向の長さに足りる幅を有する織物が必要である。しばしば巨大と言える規模に達するファンの全体を囲う必要があるため、ファンケースは周方向にも軸方向にも極めて大きなものである。そのような広幅な強化繊維の織物は、その入手が極めて困難であり、また高価である。必然的に、複数の部品に分割して製造し、かかる部品を接合するか、あるいはファンケースの内部構造は繊維の不連続を内包せざるを得ない。しかしながら高速部材がこのような接合部位ないし繊維の不連続な部位に衝突した場合、部材は容易にかかる部位を突き破り、あるいは十分に運動エネルギが吸収されない事態が懸念される。すなわち十分な衝撃吸収能を有するファンケースないしモータケースのごとき円筒構造体を、比較的に狭幅の強化繊維織物より製造する技術が必要である。本発明はこのような観点から為されたものである。

　本発明の第１の局面によれば、軸方向を有する円筒構造体を製造する方法は、それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第１の接合線を形成する複数の織物を含む第１の層を、マンドレルの周囲に巻き付け、それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第２の接合線を形成する複数の織物を含む第２の層を、前記第２の接合線が前記第１の接合線より前記軸方向にずれるように、前記第１の層の周囲に巻き付け、それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第３の接合線を形成する複数の織物を含む第３の層を、前記第３の接合線が前記第１の接合線と前記第２の接合線の両方より前記軸方向にずれるように、前記第２の層の周囲に巻き付け、樹脂により前記各層を結合する、ことを含む。

　本発明の第２の局面によれば、軸方向を有する円筒構造体は、それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第１の接合線を形成する複数の織物を含む第１の層と、それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第２の接合線を形成する複数の織物を含み、前記第２の接合線が前記第１の接合線より前記軸方向にずれるように前記第１の層の周囲に巻き付けられた第２の層と、それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第３の接合線を形成する複数の織物を含み、前記第３の接合線が前記第１の接合線と前記第２の接合線の両方より前記軸方向にずれるように前記第２の層の周囲に巻き付けられた第３の層と、前記各層を結合する樹脂と、を備える。

図１は、本発明の一実施形態による製造方法に利用する装置の概略的な斜視図であって、前記製造方法の第１の段階を示している。図２は、前記装置の他の斜視図であって、前記製造方法の第２の段階を示している。図３は、巻き付けが終了した後の状態を示す斜視図である。図４は、ロービングを巻き付ける工程を示す斜視図である。図５は、ロービングの供給装置を含む前記装置の概略的な斜視図である。図６は、前記装置に含まれる巻き付け装置の側面図であって、マンドレルの断面を示している。図７は、前記製造方法により製造されたファンケースを含むジェットエンジンの模式的な立面図である。図８は、前記製造方法による製造物の軸方向に沿う断面の例である。図９は、衝撃試験を模式的に説明する図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

　説明の便宜のために、図面中でＬ、Ｒと表示された方向をそれぞれ左方向、右方向と表現し、ＦＲ、ＦＦと表示された方向をそれぞれ後方向、前方向と表現するが、これらの表現は本発明に対して限定的でない。

　本実施形態による製造方法は、一例として図７に示す航空機のジェットエンジンのファンケースの製造に適用しうる。エンジン３は、概して、ファン５を備えたエンジン本体と、これを囲んで支持するナセルとを備える。ナセルは複数のカウル部品よりなり、それぞれのカウル部品は軸の周りに実質的に対称である。カウル部品のうち、ファン５を囲む部材がファンケース１である。ファンケース１は、概して円筒形状であるが、空気力学的な観点により設計された単純でない円筒形状である。図７の例では、ファンケース１は、ファン５に近接した部位１ａにおいて緩やかなテーパ形状であり、他の部位において直円筒形状であり、軸方向の両端においてフランジ部を有する。もちろん、本実施形態は他の形状に対しても適用可能である。

　ファンケース１は適宜の繊維強化プラスチックよりなり、以下にさらに詳しく説明するが、強化繊維を成形し、樹脂により硬化せしめることにより製造される。強化繊維としては、例えば炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、またはこれらの１種以上の混合物が好適であるが、必ずしもこれらに限定されない。樹脂としては、例えば熱硬化性樹脂が好適であって、特にエポキシ樹脂、フェノール樹脂、およびポリイミド樹脂が例示できるが、必ずしもこれらに限定されない。

　強化繊維は、図１乃至図６に例示された製造装置により成形されてファンケース１の前駆体１Ｆを構成する。図６を参照するに、製造装置は巻き付け装置１３を備える。巻き付け装置１３は、マンドレル７を備え、マンドレル７は、支持体１５に回転可能に支持された回転軸１７によって支持されている。また巻き付け装置１３はモータ１９を備え、モータ１９は主動ギア２１と連結されており、主動ギア２１は回転軸１７と連結された従動ギア２３と駆動的に係合しており、以ってマンドレル７はモータ１９の駆動によって軸周りに回転する。支持体１５は、上下に分離可能な構造など、マンドレル７の着脱を容易にする構造を有することが好ましい。

　マンドレル７は、ファンケース１の成形に適合した外形を有した周面Ｓを備え、強化繊維はマンドレル７の周囲に巻き付けられることによりファンケース１の形状に成形される。またマンドレル７は、本体９とフランジ１１とに分割可能であり、分割によって、成形された強化繊維を取り外すことができる。

　図１を参照するに、製造装置は、巻き付け装置１３に強化繊維を供給するための供給装置２７を備え、供給装置２７は複数の台架２９，３５を備える。各台架は、強化繊維を備えておくためのスプール３３と、スプール３３を回転可能に支持するための支持体３１（または３７）を備える。支持体３１（または３７）は、上下に分離可能な構造など、スプール３３の着脱を容易にする構造を有することが好ましい。また種々の幅のスプールが装着できるよう、支持体３１（または３７）はその幅を可変にする構造を有することが好ましい。また第１の台架２９と第２の台架３５とは、各々が供給する強化繊維が干渉しないような位置関係とすることが好ましい。

　強化繊維は、織物の態様で供給される。織物は、好ましくは、ノンクリンプ織物である。ノンクリンプ織物とは、当業者に知られた通常の意味と異なる意味を定義するわけではないが、主たる繊維が互いに交差しないように織られた織物を意味する。あるいはノンクリンプ織物に代えて、平織り織物、綾織の織物、バイアス織物の何れも利用可能である。さらにあるいは、これらの２以上を組み合わせて利用してもよい。

　ファンケース１は、織物の態様の強化繊維に加えて、ロービング（ｒｏｖｉｎｇ）の態様の強化繊維を備えてもよい。ロービングとは、当業者に知られた通常の意味と異なる意味を定義するわけではないが、撚られていないか又は僅かに撚られ、束ねられた複数の繊維を意味する。

　ロービングを前駆体１Ｆに介在せしめるために、製造装置は、図５に例示されるごとく、ロービング供給装置４１を更に備えてもよい。ロービング供給装置４１は、例えば、巻き付け装置１３に関して供給装置２７と反対側に配置される。

　図４を参照するに、ロービング供給装置４１は、台架４３と、台架４３上に据えられたガイドレール４５と、ガイドレールにより案内されて幅方向に移動可能なヘッド４７とを備える。図示されていないが、ヘッド４７はアクチュエータにより駆動されて、幅方向に移動する。ヘッド４７は図示のごとくロービングを案内するガイドウエイを備え、ロービング３９を適宜の位置に案内して巻き付け装置１３へ供給する。

　上述の製造装置を用いて、強化繊維は以下のようにして成形される。

　図１を参照するに、互いに幅の異なる織物２５が、それぞれ、第１の台架２９上のスプール３３と、第２の台架３５上のスプール３３とに、ロールの状態で取り付けられる。あるいは、織物２５の幅は互いに等しくてもよい。何れの場合でも、２つの織物２５の幅の合計は、ファンケース１の軸長と等しい。あるいは、幅の合計を軸長より長くしておき、成形後に両端を切断することにより軸長に適合せしめてもよい。また好ましくは、織物２５は、予め樹脂が含浸された所謂プリプレグの態様で供されるが、樹脂は後から含浸してもよい。

　織物２５はそれぞれスプール３３から引き出され、その一端がマンドレル７の周面Ｓに貼付される。このとき、織物２５は互いに縁を接して平行となるように配置される。次いでモータ１９の駆動によりマンドレル７が１周以上回転することにより、互いの縁が接したまま、織物２５がマンドレル７の周囲に巻き付けられる。かかる工程による最初の層において、織物２５が互いに接した縁は、周方向に伸びた接合線Ｊを成す。接合線Ｊにおいて、織物２５同士は互いに僅かにオーバーラップしていてもよい。

　次いで、図２を参照するに、上述と幅の組み合わせの異なる織物２５をそれぞれスプール３３に取り付ける。上述と同様にして、織物２５が、互いに縁が接するように、最初の層の周囲に巻き付けられる。幅の組み合わせが異なるために、この層における接合線Ｊは、最初の層における接合線Ｊに対して、軸方向にずれている。

　さらに、上述と同様な手順により、上述の何れとも幅の組み合わせの異なる織物２５が上述の２つの層の周囲に巻き付けられる。幅の組み合わせが異なるために、この層における接合線Ｊは、最初の層における接合線Ｊおよび２番目の層における接合線Ｊの両方に対して、軸方向にずれている。

　必要ならば、さらに上述と同様な手順を繰り返し、上述の何れの層における接合線Ｊに対しても接合線Ｊが軸方向にずれている層を重ねる。このようにして積み重ねられる層の数は、３以上の範囲で任意である。図３に示すごとく、前駆体１Ｆにおいて、各層における接合線Ｊは、他の何れの層における接合線Ｊに対しても、軸方向にずれている。

　必要ならば、上述の工程の何れかにおいて、図４に示すごとくロービング３９をマンドレル７または何れかの層の周囲に巻き付けてもよい。好ましくは、織物２５と同様に、ロービング３９は、予め樹脂が含浸された所謂プリプレグの態様で供されるが、樹脂は後から含浸してもよい。

　ロービングの巻き付けは、例えば次のようにして行われる。まずマンドレル７または何れかの層の一端と揃うようにヘッド４７を位置せしめ、ロービング３９の一端をかかる一端に貼付する。次いで、マンドレル７を持続的に回転させつつヘッド４７を他端へと移動させることにより、螺旋を成すようにロービング３９がマンドレル７または何れかの層の周囲に巻き付けられる。螺旋は好ましくは隙間なく密な態様とする。かかる工程により、ロービング３９は、最初の層の内面、何れかの層間、または最外層の外面の何れか１箇所以上に介在せしめることができる。またロービング３９は、一層を越えて複数の層であってもよい。

　なお上述の説明において、マンドレルを回転させることで織物またはロービングを巻き付けているが、マンドレルを固定してスプールやロービング供給装置をその周囲に回動させてもよい。例えばマンドレルを鉛直に立て、その周囲に装置を回動させる手段を配置することにより、かかる方法は実現しうる。

　上述の工程の後、前駆体１Ｆをマンドレル７と共に支持体１５より取り外す。織物２５およびロービング３９に予め樹脂が含浸されていない場合には、ここで外部から樹脂を注入することにより前駆体１Ｆに樹脂が含浸される。あるいは、前駆体１Ｆの全体を樹脂中に浸すことにより樹脂を含浸せしめてもよい。

　前駆体１Ｆは、マンドレル７の周囲に巻き付けられた状態のまま、加熱される。好ましくは適宜の加熱炉を利用する。オートクレーブのごとき炉を利用して、適宜の加圧を組み合わせて加熱を実施してもよい。加熱により樹脂が硬化し、各層およびロービングが樹脂により互いに結合し、繊維強化プラスチックよりなるファンケース４９が得られる。必要ならば適宜の仕上げ加工が実施される。図８に示すごとく、ファンケース４９において、各層５１における接合線Ｊは、他の何れの層における接合線Ｊに対しても、軸方向にずれている。上述より理解されるごとく、ファンケース４９は、最内層の内面、何れかの層間、または最外層の外面の何れか１箇所以上に、ロービングよりなる層５３を備えることができる。

　通常、他の部材が高速で衝突したときに、織物相互の接合線は亀裂の伝播の経路となり易い。しかし上述の構造によれば、何れの接合線Ｊも周方向に走るので、他の部材が高速で衝突しても亀裂が伝播しにくく、従ってかかる部材が外部に飛び出すことが効果的に妨げられる。またある層において接合線Ｊが走っている箇所に、連続する織物の層が隣接しており、かかる連続する織物によって構造が強化されるので、衝突に対する耐性はさらに高められる。比較的に狭幅の強化繊維織物を利用しても比較的に長い軸長を有する円筒構造体が製造でき、かつその場合でも十分な衝撃吸収能が期待できる。

　上述の製造方法および製造物は、ファンケースの他に、他の円筒構造体にも適用することができる。例えば航空宇宙分野の推進装置を囲う部材、特にロケットエンジンのモータケースに適用することができる。また推進装置に限らず、衝突に耐える目的を有する種々の機械部品に適用することができる。

　本実施形態の効果を検証するため、衝撃吸収試験を実施した。図９にその模式図を示す。試験片５５をクランプ５７により固定的に支持し、狩猟用の銃により、試験片５５にその表面に対して垂直に、鋼製の弾丸５９を発射し、弾丸５９をその衝突前から貫通後にかけて高速度カメラにより撮影した。映像から弾丸５９の衝突前後の速度Ｖ_ｉｎ，Ｖ_ｏｕｔを計測することにより、衝突前後の弾丸の運動エネルギＥ_ｉｎ，Ｅ_ｏｕｔを算出し、式Ｅ_ａｂ＝Ｅ_ｉｎ－Ｅ_ｏｕｔにより吸収エネルギＥ_ａｂを算出した。

　試験に供した試験片は、いずれも５６層の織物を積層したものであって、その一は接合線の無いものである。他の一は、５６層のうち１２層が、弾丸が衝突する領域に接合線を有するものである（接合線を有する割合２１％）。さらに他の一は、５６層のうち３７層が、弾丸が衝突する領域に接合線を有するものである（接合線を有する割合６６％）。

　弾丸が衝突する領域に接合線を有する１２層を含む試験片の吸収エネルギＥ_ａｂは、接合線の無い試験片の吸収エネルギに比べて９６％であった。弾丸が衝突する領域に接合線を有する３７層を含む試験片の吸収エネルギＥ_ａｂは、同じく８４％であった。何れも、接合線の無い試験片に比べてエネルギ吸収能は顕著に劣っていないことが確認される。

　好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

　十分な衝撃吸収能を有するファンケースないしモータケースのごとき円筒構造体を、比較的に狭幅の強化繊維織物より製造することが可能になる。

Claims

　軸方向を有する円筒構造体を製造する方法であって、
　それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第１の接合線を形成する複数の織物を含む第１の層を、マンドレルの周囲に巻き付け、
　それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第２の接合線を形成する複数の織物を含む第２の層を、前記第２の接合線が前記第１の接合線より前記軸方向にずれるように、前記第１の層の周囲に巻き付け、
　それぞれ前記強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第３の接合線を形成する複数の織物を含む第３の層を、前記第３の接合線が前記第１の接合線と前記第２の接合線の両方より前記軸方向にずれるように、前記第２の層の周囲に巻き付け、
　樹脂により前記各層を結合する、
　ことを含む、方法。
　請求項１の方法であって、前記マンドレル、前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層よりなる群より選択された何れかの周囲に、ロービングを巻き付けることをさらに含む方法。
　請求項１の方法であって、前記織物には予め前記樹脂が含浸されている。
　請求項２の方法であって、前記ロービングには予め前記樹脂が含浸されている。
　請求項１の方法であって、前記第１の層と、前記第２の層と、前記第３の層とに、前記樹脂を含浸せしめることをさらに含む方法。
　軸方向を有する円筒構造体であって、
　それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第１の接合線を形成する複数の織物を含む第１の層と、
　それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第２の接合線を形成する複数の織物を含み、前記第２の接合線が前記第１の接合線より前記軸方向にずれるように前記第１の層の周囲に巻き付けられた第２の層と、
　それぞれ強化繊維よりなり、互いに縁を接することにより周方向に伸びる第３の接合線を形成する複数の織物を含み、前記第３の接合線が前記第１の接合線と前記第２の接合線の両方より前記軸方向にずれるように前記第２の層の周囲に巻き付けられた第３の層と、
　前記各層を結合する樹脂と、
　を備えた円筒構造体。
　請求項６の円筒構造体であって、前記第１の層の内面、前記第１の層と前記第２の層との間、前記第２の層と前記第３の層との間、または前記第３の層の外面に巻き付けられたロービングをさらに備えた円筒構造体。