(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品であって、
本体を含み、
前記本体が、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料を含み、
前記強化領域が、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、
前記強化領域が、少なくとも約１．０ＭＰａ・ｍ1/2の破壊靭性を有する強化樹脂を含み、
前記非強化領域が、衝突区域を含む
ことを特徴とする、物品。
【請求項２】
前記複合材料が、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含む、請求項１記載の物品。
【請求項３】
各強化領域及び非強化領域間に遷移領域をさらに含む、請求項１又は２記載の物品。
【請求項４】
前記物品が、ファンケーシングである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の物品。
【請求項５】
前記少なくとも１つの強化領域に結合された少なくとも１つの強化フランジをさらに含み、
前記強化フランジが、取付けフランジ、取付け端部フランジ及びそれらの組合せから成る群から選ばれる、
請求項１乃至４のいずれか１項記載の物品。
【請求項６】
ファンケーシングであって、
本体を含み、
前記本体が、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料を含み、
前記強化領域が、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、
前記非強化領域が、衝突区域を含み、
前記強化領域が、少なくとも約１．０ＭＰａ・ｍ1/2の破壊靭性を有する強化樹脂を含むファンケーシング。
【請求項７】
前記複合材料が、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含む、請求項６記載のファンケーシング。
【請求項８】
各強化領域及び非強化領域間に遷移領域をさらに含む、請求項６又は７記載のファンケーシング。
【請求項９】
前記少なくとも１つの強化領域に結合された少なくとも１つの強化フランジをさらに含み、
前記強化フランジが、取付けフランジ、取付け端部フランジ及びそれらの組合せから成る群から選ばれる、請求項６乃至８のいずれか１項記載のファンケーシング。
【請求項１０】
ガスタービンエンジンであって、
本体を有するファンケーシングを含み、
前記本体が、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域と各強化領域及び非強化領域間の遷移領域とを含む複合材料で製作され、
前記強化領域が、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、
前記複合材料が、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含み、
前記強化領域が、少なくとも約１．０ＭＰａ・ｍ1/2の破壊靭性を有する強化樹脂を含み、
前記非強化領域が、約１．０ＭＰａ・ｍ1/2よりも小さい破壊靭性を有する非強化樹脂を含み、
前記非強化領域が、衝突区域を含む
ことを特徴とする、タービンエンジン。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの強化領域に結合された少なくとも１つの強化フランジをさらに含み、
前記強化フランジが、取付けフランジ、取付け端部フランジ及びそれらの組合せから成る群から選ばれる、請求項１０記載のタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載した実施形態は、総括的には複合材料で製作した物品に関する。より具体的には、本明細書の実施形態は、総括的には強化及び非強化領域を有する複合材料で製作したファンケーシングを記述する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジンのようなガスタービンエンジンでは、空気が、エンジンの前方に吸込まれ、シャフト取付け圧縮機によって加圧され、燃焼器内で燃料と混合される。次に混合気が燃焼され、高温排気ガスが、同一のシャフト上に取付けられたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービンを通して膨張し、次にタービンがシャフトを回転させかつ圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスはさらに、エンジンの後部におけるノズルを通して膨張して、航空機を前方に駆動する強力な推力を発生する。
【０００３】
エンジンは、様々な条件において作動するので、時には望ましくないことに異物がエンジンに流入することがある。より具体的には、大きな鳥、雹、砂及び雨のような異物がエンジンの入口内に同伴される可能性がある。その結果、これらの異物は、ファンブレードに衝突しかつ衝突されたブレードの一部分をロータから引裂き外す可能性があり、これは一般に、ファンブレードアウトとして知られている。引き外されたファンブレードは次に、衝突区域におけるファンケーシングの内面に衝突し、それによってケーシングの一部分を膨出させ又は変形させるおそれがある。このケーシングの変形により、ファンケーシングの全周に沿って大きな応力が生じるおそれがある。
【０００４】
近年では、複合材料が、それらの耐久性及び比較的軽量の故に、様々な航空宇宙用途において益々盛んに使用されるようになってきた。複合材料は、優れた強度及び重量特性を備えることができかつファンブレードアウトのような衝突時にファンケーシングに対する損傷の程度を軽減することができるが、それでもなお改良の余地がある。
【０００５】
ファンケーシングを製作するために使用する技術のような現在の格納技術は一般的に、高い応力領域においてより厚いケーシング設計を用いることを必要とする。より具体的には、現在のファンケーシングは、多くの場合に、遊離ファンブレードを断片化しかつ損傷の程度を最少化するのを助けることができる厚い一体構造の硬質壁設計を使用して製作される。硬質壁ファンケーシングに衝突する遊離ファンブレードによって生じるエネルギーは、樹脂微細割れ発生、複合材料層剥離及び複合材料層破損を含む幾つかの制御した破損メカニズムのいずれかによって消散させることができる。
【０００６】
前述のエネルギー消散メカニズムの全ては、遊離ファンブレードの衝突時におけるファンケーシングの制御した損傷を保証するために、非強化樹脂の使用を必要とする。より具体的には、樹脂施工時に、ファンケーシング全体に対して一様に非強化エポキシ樹脂を施工することができる。硬化後に、得られた複合材料は、前述の制御した損傷メカニズムを有することになる。しかしながら、万一衝突が発生した時にケーシングの一体性を維持するためには、衝突区域から離れた区域つまり非衝突区域は、より強度があることを必要とする。従って、多くの場合に、非衝突区域内に非強化複合材料の付加的層を施工して、強度及び靭性を与えると共に非強化材料のより低い強度を補償する。これらの付加的層は、ファンケーシングに対して望ましくない重量を付加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１３４２５１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０４１１２８  Ａ１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／１４６３９３  Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、その全体重量を増加させないで所望の領域内に大きな強度を有する物品に対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書における実施形態は、総括的には物品に関し、本物品は、本体を含み、該本体は、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料を含み、強化領域は、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、また強化領域は、少なくとも約１．０ＭＰａ−ｍ１／２の破壊靭性を有する強化樹脂を含む。
【００１０】
本明細書における実施形態はまた、総括的にはファンケーシングに関し、本ファンケーシングは、本体を含み、該本体は、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料を含み、強化領域は、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、非強化領域は、衝突区域を含み、また強化領域は、少なくとも約１．０ＭＰａ−ｍ１／２の破壊靭性を有する強化樹脂を含む。
【００１１】
本明細書における実施形態はまた、総括的にはガスタービンエンジンに関し、本ガスタービンエンジンは、本体を有するファンケーシングを含み、該本体は、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域と各強化領域及び非強化領域間の遷移領域とを含む複合材料で製作され、強化領域は、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含み、複合材料は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含み、強化領域は、少なくとも約１．０ＭＰａ−ｍ１／２の破壊靭性を有する強化樹脂を含み、また非強化領域は、約１．０ＭＰａ−ｍ１／２よりも小さい破壊靭性を有する非強化樹脂を含む。
【００１２】
これらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の開示から当業者には明らかになるであろう。
【００１３】
本明細書は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求しているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を示している添付の図と関連させてなした以下の詳細な説明から一層良好に理解されるであろうと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本明細書の記載によるガスタービンエンジンの１つの実施形態の概略断面図。
【図２】本明細書の記載による材料の１つの実施形態の概略図。
【図３】本明細書の記載による、それに対して強化剤が施工された材料の１つの実施形態の概略図。
【図４】本明細書の記載による、それに対して強化剤が施工された材料の別の実施形態の概略図。
【図５】本明細書の記載による、それに対して強化剤が施工された材料のさらに別の実施形態の概略図。
【図６】本明細書の記載によるファンケーシングプリフォームの１つの実施形態の概略斜視図。
【図７】本明細書の記載によるファンケーシングの１つの実施形態の概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書に記載した実施形態は、総括的には強化及び非強化領域を有する物品に関する。一般的に、そのような物品は、本体を含み、該本体は、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料を含むことができ、強化領域は、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ばれた強化剤を含むことができる。本明細書における実施形態は、総括的にはガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングに焦点を当てているが、本記述は、それに限定すべきではないことが、当業者には解るであろう。
【００１６】
図に移ると、図１は、一般的にファン組立体１２とコアエンジン１４とを含むガスタービンエンジン１０の１つの実施形態の概略図である。ファン組立体１２は、ファンケーシング１６と、ロータディスク２０から径方向外向きに延びるファンブレード１８の列とを含むことができる。コアエンジン１４は、高圧圧縮機２２、燃焼器２４、高圧タービン２６及び低圧タービン２８を含むことができる。エンジン１０は、吸気端部３０と排気端部３２とを有する。
【００１７】
最初に、本明細書に記載した複合材料及び物品を製作するために、図２に示すような材料３８を準備することができる。本明細書では、樹脂と組合せて複合材料を製造することができるあらゆる伝統的織物又は多軸非クリンプ織物を材料３８として使用することが許容される。１つの実施形態では、材料３８は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた繊維織物とすることができる。図２に示すように、材料３８は一般的に、複数織合せ繊維トウ４０を含むことができる。
【００１８】
材料３８が選択されたら、該材料３８の一部分に対して強化剤４２を施工することができる。強化剤４２には、本明細書で以下に述べるように強化剤を施工していない状態での複合材料に存在する靭性と比べて最終複合材料に高い靭性を与えることができるあらゆるものを含むことができる。１つの実施形態では、強化剤４２は、それに限定すべきではないが、ポリマー、ナノ繊維、ナノ粒子及びそれらの組合せから成る群から選ぶことができる。
【００１９】
強化剤４２は、材料３８に対して様々な方法で施工することができる。例えば、強化剤４２は、ポリマーを含むことができる。より具体的には、１つの実施形態では、強化剤４２は、材料３８の所望の１つ又は複数の部分に接合することができるポリマー繊維を含み、本明細書で以下に記載するように、その後に非強化樹脂を施工した時に、強化樹脂が生成されるようにすることができる。接合する方法には、例えば所望の１つ又は複数の位置において材料上に繊維を配置すること、又は材料内に繊維を織り込む（図３に示すように）ことを含むことができる。別の実施形態では、強化剤４２には、所望の１つ又は複数の区域において材料３８上に噴霧することができるポリマー粉末（図４に示すような）又はポリマー液を含むことができる。
【００２０】
前述した実施形態では、強化樹脂は、その後に非強化樹脂を施工した時に製造することができる。強化樹脂は一般的に、ポリマー強化剤を含む材料の１つ又は複数の部分に対応することができる。本明細書で使用する場合に、「強化樹脂」というのは、硬化時に少なくとも約１．０ＭＰａ−ｍ１／２の破壊靭性又はＫ１Ｃ（つまり、既に割れが存在している場合における材料の耐破壊性）を示す樹脂を意味する。
【００２１】
それに代えて、図５に示すように、強化剤４２は、ナノ炭素繊維のようなナノ繊維、ナノ粘土粒子のようなナノ粒子、及びそれらの組合せを含むことができる。そのような強化剤は、非強化樹脂４３のゲル、粉末又は液体と組合せて強化樹脂４４を製造することができる。強化樹脂４４は次に、材料３８の所望の１つ又は複数の部分に対して施工することができる。本明細書で使用する場合に、「非強化樹脂」というのは、硬化時に約１．０ＭＰａ−ｍ１／２よりも小さい破壊靭性又はＫ１Ｃを示す樹脂を意味する。非強化樹脂に対する強化剤の付加により、非強化樹脂は、それが硬化した時に、本明細書に定義しているような強化樹脂を形成する。樹脂に対するナノ繊維／粒子の割合は変化させることができるが、１つの実施形態では、非強化樹脂が約８０〜約９５重量％を占めた状態で、ナノ繊維／粒子は、強化樹脂の約５〜約２０重量％を占めることができる。
【００２２】
一般的に、本明細書で以下に定義しているように、非強化樹脂は、それが硬化した時に非強化領域を生成することができ、他方、強化樹脂は、それが硬化した時に強化領域を生成することができる。理論によって限定しようとするものではないが、ポリマー強化剤（繊維、粉末、液体又はそれらの幾つかの組合せのいずれか）との関連で、施工した強化剤を有するプリフォームに対して非強化樹脂を施工する場合には、非強化樹脂は、以前に施工したポリマー強化剤と反応して、強化剤を含む材料の部分にほぼ対応する区域内の硬化複合材料に対して付加的耐破壊性を与えることができると思われる。ナノ繊維／粒子を使用する場合には、そのような強化剤は、樹脂の質を高めて、硬化後に複合材料内に強化領域を形成することができると思われる。
【００２３】
材料３８は、所望の物品のプリフォームを製作するような形状とすることができ、１つの実施形態では、このプリフォームは、ファンケーシングプリフォーム４５を含むことができる。図６に示すように、ファンケーシングプリフォーム４５は、あらゆる所望の形態を有する本体４７を含むことができ、かつ当業者には公知のあらゆる工具を使用して製作することができる。例えば、Ｂｌａｎｔｏｎ他による米国特許出願第２００６／０１３４２５１号を参照されたい。本明細書に記載した実施形態は一般的に、強化剤を施工した後に材料をプリフォームに成形することについて記述しているが、材料を最初に所望のプリフォームに成形した後に強化剤を施工することも許容されることが、当業者には解るであろう。
【００２４】
次に、プリフォーム全体に対して、非強化樹脂を施工することができる。１つの実施形態では、非強化樹脂には、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂及びそれらの組合せから成る群から選ばれた樹脂を含むことができる。非強化樹脂は、これまで強化樹脂を生成するために強化剤と組合せて使用されてきたあらゆる非強化樹脂と同じもの又はそれら非強化樹脂とは異なるものとすることができる。あらゆる従来型の樹脂施工方法は、本明細書では非強化樹脂をプリフォームに対して施工するために使用することができる。
【００２５】
非強化樹脂を施工したプリフォームは次に、硬化させて、図７に示すファンケーシング１６のような物品を製作することができる。硬化させる方法は一般的に、前述したように材料又はプリフォームに対して樹脂を施工し、その後樹脂施工したプリフォーム又は材料を高い温度及び圧力に曝すことを含むことができる。本明細書では、当業者に公知のあらゆる従来型の硬化法使用するのを許容することができる。幾つかの硬化法の実施例には、それに限定されないが、樹脂フィルム注入法、樹脂トランスファ成形法及び真空補助樹脂トランスファ成形法を含むことができる。
【００２６】
図７に示すように、得られたファンケーシング１６の硬化複合材料４６は、少なくとも１つの強化領域４８と、少なくとも１つの非強化領域５０と、各強化領域４８及び非強化領域５０間の遷移領域５１とを有することができる。本明細書で使用する場合に、「非強化領域」５０というのは、非強化樹脂を含む材料の部分にほぼ対応する複合材料４６の区域を意味する。「強化領域」４８は、強化樹脂を含む材料の部分にほぼ対応する複合材料の区域を意味する。強化領域４８は、非強化領域と比べた時に、高い耐破壊性を示すことができる。強化領域４８は、強化剤と非強化樹脂との間の前述した相互作用により、強化剤が施工された材料の部分とほぼ対応することができることが、当業者には解るであろう。強化領域４８は、ファンケーシング１６に対してあらゆる方向に配向させることができる。
【００２７】
遷移領域５１は一般的に、強化領域４８及び非強化領域５０間に設置することができ、また強化領域４８と非強化領域５０との間の転換を可能にするために変化する靭性の程度示すようにすることができる。さらに、遷移領域５１は、例えばファンケーシングに対して平面方向（図７において参照符号Ａで示すような）、その平面に対する垂直方向（図７において参照符号Ｂで示すような）、及びそれらの組合せの方向とすることができることが、当業者には解るであろう。
【００２８】
加えて、図７に示す１つの実施形態では、ファンケーシング１６は、衝突区域５２及び非衝突区域５４を含むことができる。「衝突区域」５２は、遊離ファンブレードによる衝突を最も受け易いファンケーシング１６の部分を指し、他方、「非衝突区域」５４は、遊離ファンブレードによる衝突損傷をより受け難いファンケーシング１６の部分を指している。樹脂微細割れ発生及び複合材料層剥離の両方は遊離ファンブレードによる衝突エネルギーの消散を可能にすることができるので、制御した樹脂微細割れ発生及び複合材料層剥離を形成するように衝突区域５２内に非強化領域５０を配置することが望ましいと言える。対照的に、強化領域４８は耐破壊性が一層大きいので、そのような強化領域４８を非衝突区域５４内に配置することが望ましいと言える。さらに、ファンケーシング１６の強化領域４８は現在のファンケーシングと比べて減少した構造厚さを有することができかつ依然として所望の耐破壊性を示すことができるので、ファンケーシング１６は、現在の設計と比べて軽減した重量を有することができる。従って、例示的な実施形態は、強化及び非強化領域を採用して、破損及び重量軽減の制御を行うことができる。
【００２９】
加えて、本明細書に記載した選択的強化方法の概念はまた、金銭的節減を可能にすることができる。一般的に、強化樹脂（つまり、強化剤を含むそれら樹脂）は、非強化樹脂よりもコスト高である。しかしながら、所望の耐破壊性を得るためには、非強化樹脂を有する複数の複合材料層を使用しなくてはならず、このことにより、物品を製作するコストが上昇するおそれがある。耐破壊性の増大を必要とする選択領域においてのみ強化樹脂を使用しかつその他の領域には非強化樹脂を使用することによって、必要とされる複合材料層がより少なくなる。このことは、物品を製作する上での全体コストの節減をもたらすことができる。
【００３０】
任意選択的に、強化領域４８に対して、少なくとも1つの強化フランジ５６を結合することができる。強化フランジ５６は、取付けフランジ、取付け端部フランジ（図７に示すような）及びそれらの組合せから成る群から選ぶことができる。「強化フランジ５６」は、ファンケーシング１６の強化領域４８と同一の又は同様な材料で製作することができるフランジを指している。より具体的には、強化フランジ５６は、本明細書で前述したように、その少なくとも一部分に対して強化剤が施工された複合材料で製作することができる。加えて、強化フランジ５６は、ファンケーシング１６の強化領域４８に結合することができる。「結合」という用語によって、ファンケーシングプリフォームのレイアップ完了後に又はファンケーシングのレイアップと同時にかのいずれかに、強化フランジが最終硬化ファンケーシングの一体形部分となるように、該強化フランジをファンケーシングに対して作動連結することができることを意味している。強化材料を使用して強化フランジ５６を構成することにより、フランジ５６に対する並びにフランジ５６と強化領域４８との間の取付け部分に対する付加的強度を得ることができる。
【００３１】
以上の記述は、あらゆる複合材料の製造及び該複合材料で製作したあらゆる物品の製作に等しく適用することができ、またファンケーシングに限定されるべきではないことが、当業者には解るであろう。事実、複合材料で構成したあらゆるガスタービンエンジン構成部品は、本明細書に記載した方法及び材料を用いて製作することができる。例えば、以上の記述は、少なくとも１つの強化領域及び少なくとも１つの非強化領域を有する複合材料翼形部を製作するために使用することができる。
【００３２】
本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、またさらに当業者が本発明を製作しかつ使用するのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン組立体
１４  コアエンジン
１６  ファンケーシング
１８  ファンブレード
２０  ロータディスク
２２  高圧圧縮機
２４  燃焼器
２６  高圧タービン
２８  低圧タービン
３０  吸気端部
３２  排気端部
３８  材料
４０  繊維トウ
４２  強化剤
４３  非強化樹脂
４４  強化樹脂
４５  ファンケーシングプリフォーム
４６  複合材料
４７  本体
４８  強化領域
５０  非強化領域
５１  遷移領域
５２  衝突区域
５４  非衝突区域
５６  強化フランジ
【図１】
0005431302.tif 000002
【図２】
0005431302.tif 000003
【図３】
0005431302.tif 000004
【図４】
0005431302.tif 000005
【図５】
0005431302.tif 000006
【図６】
0005431302.tif 000007
【図７】
0005431302.tif 000008