(57)【要約】【課題】強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料を素材とするファンケースの外向きフランジの高い構造強度を確保し得る円筒状ケース及び円筒状ケースの製造方法を提供する。【解決手段】強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成るケース本体９Ｃと、ケース本体９Ｃ上の外向きフランジ１０を備え、外向きフランジ１０は、接着される接着層１１ｃと、接着層１１ｃ上に配置される土台層１２と、土台層１２の一方の斜面１２ａから接着層１１ｃ上に積層される脚層１３ａ及び一方の斜面１２ａから立ち上がる壁層１２ｂを有する一方のフランジ構成層１３と、土台層１２の他方の斜面１２ｂから接着層１１ｃ上に積層される脚層１３ａ及び他方の斜面１２ｂから立ち上がる壁層１１ｂを有する他方のフランジ構成層１１を具備し、土台層１２はロービング層を、フランジ構成層１１，１３はノンクリンプ構造の２軸織物１５を含む複数の２軸織物層を、積層して成っている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る円筒状ケースであって、
円筒状を成すケース本体と、
前記ケース本体の外周面上において周方向に沿って環状に配置された外向きフランジを備え、
前記外向きフランジは、前記ケース本体の外周面に接着される接着層と、この接着層上において前記ケース本体の周方向に配置される断面三角形状の土台層と、この土台層の一方の斜面から該一方の斜面側における前記接着層上に積層される脚層及び前記土台層の一方の斜面から遠心方向に立ち上がる壁層を一体で有する一方のフランジ構成層と、前記接着層と連続し且つ前記土台層の他方の斜面から該他方の斜面側における前記接着層上に積層される脚層及び前記土台層の他方の斜面から遠心方向に立ち上がって前記一方のフランジ構成層の壁層と重なり合う壁層を一体で有する他方のフランジ構成層を具備し、
前記土台層は、強化繊維を束ねて成るロービングを含むロービング層を積層して成り、
前記脚層及び前記壁層を一体で有する一方のフランジ構成層と、前記接着層，前記脚層及び前記壁層を一体で有する他方のフランジ構成層は、いずれも前記ケース本体の軸心方向に対する配向角が±１５〜７５°の２軸の強化繊維帯から成るノンクリンプ構造の２軸織物を含む複数の２軸織物層を積層して成っている
ことを特徴とする円筒状ケース。
【請求項２】
前記ケース本体の外周面及び前記外向きフランジにおける前記両フランジ構成層の各壁層がいずれも強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る保護層で被覆されている請求項１に記載の円筒状ケース。
【請求項３】
航空機用ジェットエンジンのファンブレードを覆うファンケースとして用いられる請求項１又は２に記載の円筒状ケース。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の円筒状ケースの製造方法であって、
金型上にシート状の前記他方のフランジ構成層の接着層部分を積層して前記接着層を形成する工程と、
前記金型上に積層したシート状の前記他方のフランジ構成層における前記接着層上に断面三角形状の前記土台層を形成する工程と、
前記土台層の一方の斜面から前記他方のフランジ構成層における該一方の斜面側に位置する前記接着層上にシート状の前記一方のフランジ構成層の脚層部分を積層して前記脚層を形成する工程と、
前記一方のフランジ構成層の壁層部分を前記土台層の一方の斜面上において立ち上げて前記壁層を形成する工程と、
前記他方のフランジ構成層の前記接着層に連続する部分を前記土台層の他方の斜面側で折り返し、この折り返した部分を前記接着層から前記土台層の他方の斜面上に重ねて該他方のフランジ構成層の前記脚層を形成すると共に、前記土台層の他方の斜面上において立ち上げて前記壁層を形成して前記一方のフランジ構成層の壁層と重なり合わせる工程と、
前記他方のフランジ構成層側に受圧型をセットして、バッギングした状態で加熱加圧して前記織物層の各強化繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱加圧工程と、を経て前記外向きフランジを形成した後、
前記金型から離型させた前記外向きフランジを前記強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る円筒状の前記ケース本体の外周面に接着する
ことを特徴とする円筒状ケースの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、航空機用ジェットエンジンのファンブレードを覆うファンケースとして用いられる円筒状ケース及び円筒状ケースの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、上記した航空機用ジェットエンジンのファンブレードを覆うファンケースには、軽量であること、及び、高強度を有していることが求められ、これらの要求を満たすべく、ファンケースの素材として強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料を適用する試みが成されている。
【０００３】
上記ファンケースにおいて、ファンブレードを覆う円筒状を成すケース本体の中間部分には、例えば、ギヤボックス等の構造体が装着されたり、設計次第ではジェットエンジンを翼に連結するための構造体やジェットエンジンの推力を機体に伝達するための構造体の一部に成り得たりする外向きフランジが周方向に沿って環状に配置されるが、この外向きフランジの素材にも、ケース本体と同様にして炭素繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料が採用され始めている。
【０００４】
この複合材料が採用された外向きフランジとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この外向きフランジは、ケース本体の周方向に沿う環状のフランジ本体部分を成すフランジ本体層と、フランジ本体層を両側から支えつつケース本体の外周面上に固定する付着支持層を備えており、フランジ本体層及び付着支持層は、いずれも炭素繊維等の強化繊維から成る織物を含む複数の織物層を積層して形成されている。
【０００５】
上記した外向きフランジをケース本体の外周面上に形成してファンケース（円筒状ケース）を製造するに際しては、まず、織物層を複数重ねて積層体を成形し、この積層体を加熱することにより織物層に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させてフランジ本体層を形成する。
【０００６】
次いで、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料より成るケース本体の外周面上に、フランジ本体層を周方向に沿って配置し、このフランジ本体層の両側において複数の織物層を積層して付着支持層として成形した後、付着支持層を加熱してフランジ本体層と同じく硬化させることで、フランジ本体層をケース本体の外周面上に固定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１４４７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記したファンケースでは、外向きフランジをケース本体の外周面上において形成するに際して、ケース本体の外周面上にフランジ本体層を周方向に沿って配置した状態で、このフランジ本体層の両側に付着支持層を成形するようにしているので、フランジ本体層の基端部分とこの部分を覆う付着支持層との間に隙間が生じる可能性があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっている。
【０００９】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料を素材として成り、環状の外向きフランジを有するファンケースである場合において、この外向きフランジの部分における高い構造強度を確保することが可能である円筒状ケース及び円筒状ケースの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成するべく、本発明の請求項１に係る発明は、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る円筒状ケースであって、円筒状を成すケース本体と、前記ケース本体の外周面上において周方向に沿って環状に配置された外向きフランジを備え、前記外向きフランジは、前記ケース本体の外周面に接着される接着層と、この接着層上において前記ケース本体の周方向に配置される断面三角形状の土台層と、この土台層の一方の斜面から該一方の斜面側における前記接着層上に積層される脚層及び前記土台層の一方の斜面から遠心方向に立ち上がる壁層を一体で有する一方のフランジ構成層と、前記接着層と連続し且つ前記土台層の他方の斜面から該他方の斜面側における前記接着層上に積層される脚層及び前記土台層の他方の斜面から遠心方向に立ち上がって前記一方のフランジ構成層の壁層と重なり合う壁層を一体で有する他方のフランジ構成層を具備し、前記土台層は、強化繊維を束ねて成るロービングを含むロービング層を積層して成り、前記脚層及び前記壁層を一体で有する一方のフランジ構成層と、前記接着層，前記脚層及び前記壁層を一体で有する他方のフランジ構成層は、いずれも前記ケース本体の軸心方向に対する配向角が±１５〜７５°の２軸の強化繊維帯から成るノンクリンプ構造の２軸織物を含む複数の２軸織物層を積層して成っている構成としたことを特徴としており、この構成の円筒状ケースを前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
本発明の請求項２に係る円筒状ケースは、前記ケース本体の外周面及び前記外向きフランジにおける前記両フランジ構成層の各壁層がいずれも強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る保護層で被覆されている構成としている。
【００１２】
本発明の請求項３に係る円筒状ケースは、航空機用ジェットエンジンのファンブレードを覆うファンケースとして用いられる構成としている。
【００１３】
一方、本発明の請求項４に係る発明は請求項１〜３のいずれかに記載の円筒状ケースの製造方法であって、金型上にシート状の前記他方のフランジ構成層の接着層部分を積層して前記接着層を形成する工程と、前記金型上に積層したシート状の前記他方のフランジ構成層における前記接着層上に断面三角形状の前記土台層を形成する工程と、前記土台層の一方の斜面から前記他方のフランジ構成層における該一方の斜面側に位置する前記接着層上にシート状の前記一方のフランジ構成層の脚層部分を積層して前記脚層を形成する工程と、前記一方のフランジ構成層の壁層部分を前記土台層の一方の斜面上において立ち上げて前記壁層を形成する工程と、前記他方のフランジ構成層の前記接着層に連続する部分を前記土台層の他方の斜面側で折り返し、この折り返した部分を前記接着層から前記土台層の他方の斜面上に重ねて該他方のフランジ構成層の前記脚層を形成すると共に、前記土台層の他方の斜面上において立ち上げて前記壁層を形成して前記一方のフランジ構成層の壁層と重なり合わせる工程と、前記他方のフランジ構成層側に受圧型をセットして、バッギングした状態で加熱加圧して前記織物層の各強化繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱加圧工程と、を経て前記外向きフランジを形成した後、前記金型から離型させた前記外向きフランジを前記強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る円筒状の前記ケース本体の外周面に接着する構成としており、この構成の円筒状ケースの製造方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１４】
本発明に係る円筒状ケース及び円筒状ケースの製造方法において、ケース本体及び外向きフランジを構成する複合材料の強化繊維には、例えば、炭素繊維，ガラス繊維，有機繊維（アラミド，ＰＢＯ，ポリエステル，ポリエチレン），アルミナ繊維，炭化ケイ素繊維を用いることができ、マトリックスとして、熱硬化性樹脂には、例えば、ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，ビニルエステル樹脂，フェノール樹脂，ビスマレイミド樹脂，オキサゾリン樹脂，メラミン樹脂を用いることができる。
【００１５】
本発明に係る円筒状ケースにおいて、外向きフランジを構成する一方のフランジ構成層及び他方のフランジ構成層が、いずれも炭素繊維等の強化繊維束から成るノンクリンプ構造を成す２軸織物を含む複数の２軸織物層を積層して形成されているので、ノンクリンプ構造の特徴である伸縮性が発揮されて外向きフランジの製造時におけるフランジ構成層の各折り返しが、皺や繊維の蛇行を生じさせることなく成されることとなる。
【００１６】
また、本発明に係る円筒状ケースにおいて、外向きフランジの製造に際して、一方のフランジ構成層及び他方のフランジ構成層の両フランジ構成層の各脚層が、接着層上に積層された土台層の両斜面上及び接着層上に積層するようにしていると共に、両フランジ構成層の各壁層が、いずれも土台層の両斜面上で立ち上がるようにしているので、両フランジ構成層と土台層との間に隙間が生じる可能性がほとんどなくなり、その結果、外向きフランジの部分において、高い構造強度が確保されることとなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る円筒状ケースでは、環状の外向きフランジを有するファンケースである場合において、この外向きフランジの部分における高い構造強度を確保することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例によるファンケースを採用した航空機用ジェットエンジンの概略断面説明図である。
【図２】図１のファンケースの外向きフランジ部分における拡大断面説明図（ａ）及び外向きフランジに採用される２軸織物の一部を破断して示す部分平面説明図（ｂ）である。
【図３】図１に示したファンケースの製造方法における外向きフランジの成形開始から成形終了までの工程説明図（ａ）〜（ｅ）である。
【図４】図１に示したファンケースの製造方法における外向きフランジに対する保護用複合材料の取り付けから加熱加圧までを示す工程説明図（ａ）〜（ｃ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は本発明に係る円筒状ケースの一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る筒状ケースが航空機用ジェットエンジンのファンケースである場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
図１に示すように、航空機用ジェットエンジン１は、前方（図示左方）から取り入れた空気を複数のファンブレードを有するファン２で圧縮機３に送り込み、この圧縮機３で圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼室４で燃焼させ、これで生じる高温ガスの膨張により高圧タービン５及び低圧タービン６を回転させるようになっている。
【００２１】
ファン２の複数のファンブレードを覆うファンケース９は、円筒状を成すケース本体９Ｃと、このケース本体９Ｃの外周面９ａ上において周方向に沿って環状に配置された外向きフランジ１０を備えている。ケース本体９Ｃの前端部（図示左端部）には、エンジンカウル７と連結可能な環状の外向きフランジ９Ｆが形成されていると共に、後端部（図示右端部）には、エンジンナセル８と連結可能な環状の外向きフランジ９Ｒが形成されており、外向きフランジ１０は、ケース本体９Ｃの外周面９ａ上においてセグメント化された状態で配置されている。
【００２２】
ファンケース９のケース本体９Ｃ及び外向きフランジ１０は、いずれも炭素繊維等の強化繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成っている。
【００２３】
この場合、図２（ａ）に示すように、外向きフランジ１０は、ケース本体９Ｃの外周面９ａに接着される接着層１１ｃと、この接着層１１ｃ上においてケース本体９Ｃの周方向に配置される断面三角形状の土台層１２を具備している。
【００２４】
また、外向きフランジ１０は、土台層１２の一方の斜面（図２（ａ）右方斜面）１２ａからこの一方の斜面１２ａ側における接着層１１ｃ上に積層される脚層１３ａ及び土台層１２の一方の斜面１２ａから遠心方向（図示上方向）に立ち上がる壁層１３ｂを一体で有する一方のフランジ構成層１３を具備している。
【００２５】
さらに、外向きフランジ１０は、接着層１１ｃと連続し且つ土台層１２の他方の斜面（図２（ａ）左方斜面）１２ｂからこの他方の斜面１２ｂ側における接着層１１ｃ上に積層される脚層１１ａ及び土台層１２の他方の斜面１２ｂから遠心方向（図示上方向）に立ち上がって一方のフランジ構成層１３の壁層１３ｂと重なり合う壁層１１ｂを一体で有する他方のフランジ構成層１１を具備している。
【００２６】
この実施例において、土台層１２は、炭素繊維等の強化繊維を束ねて成るロービング（繊維束）を含むロービング層を積層して成っている。なお、土台層１２の構成材料はロービングに限定されるものではなく、クロス（織物）やノンクリンプファブリック等の材料を用いることができる。
【００２７】
一方、脚層１３ａ及び壁層１３ｂを一体で有する一方のフランジ構成層１３と、接着層１１ｃ，脚層１１ａ及び壁層１１ｂを一体で有する他方のフランジ構成層１１は、いずれも複数の２軸織物層を積層して形成されており、この２軸織物層は、図２（ｂ）に示すように、炭素繊維等の強化繊維帯１５ａ，１５ｂから成る２軸織物１５を含んでいる。
【００２８】
この２軸織物１５は、２軸の強化繊維帯１５ａ，１５ｂから成るノンクリンプ構造を成すものであって、２軸の強化繊維帯１５ａ，１５ｂのケース本体９Ｃの軸心ＣＬ方向に対する配向角は、±１５〜７５°に設定されるようになっており、この実施例において、図２（ｂ）の拡大円内に示すように、配向角は、±４５°に設定されている。なお、図２（ｂ）において破線で示した部位はステッチ糸である。
【００２９】
ここで、２軸の強化繊維帯１５ａ，１５ｂの軸心ＣＬ方向に対する配向角の絶対値が１５°未満である場合には、強度及び剛性を確保することが難しいので好ましくなく、一方、２軸の強化繊維帯１５ａ，１５ｂの軸心ＣＬ方向に対する配向角の絶対値が７５°を超える場合には、製造過程において皺や繊維の蛇行が生じる虞があるのでやはり好ましくない。
【００３０】
さらにまた、ケース本体９Ｃの外周面９ａと、外向きフランジ１０における両フランジ構成層１１，１３の各壁層１１ｂ，１３ｂは、いずれもガラス繊維等の強化繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料より成る保護層１４（外周面９ａ上の保護層は省略）で被覆されている。この保護層１４は、例えば、外向きフランジ１０の成形後における機械加工時には切削代としての役割を果たし、電食防止材としての役割も担っている。加えて、完成品である外向きフランジ１０を取り扱う際の保護層としての役割も担っている。
【００３１】
そこで、上記したファンケース９の製造にあたって、外向きフランジ１０を製造するに際しては、図３（ａ）に示すように、まず、金型２０上及びこの金型２０の端部に面一状態で配置したスペーサＳ上に、シート状の他方のフランジ構成層（１１）を積層して、金型２０上に接着層１１ｃを形成する。
【００３２】
次いで、図３（ｂ）に示すように、金型２０上に形成した接着層１１ｃ上に断面三角形状の土台層１２を形成する。
【００３３】
次に、図３（ｃ）に示すように、土台層１２の一方の斜面１２ａからこの一方の斜面１２ａ側に位置する接着層１１ｃ上にシート状の一方のフランジ構成層（１３）の脚層部分を積層して脚層１３ａを形成するのに続いて、図３（ｄ）に示すように、一方のフランジ構成層１３の壁層部分を土台層１２の一方の斜面１２ａ上において立ち上げて壁層１３ｂを形成する。
【００３４】
そして、スペーサＳ上に位置する他方のフランジ構成層１１の接着層１１ｃに連続する部分を、図３（ｅ）に示すように、土台層１２の他方の斜面１２ｂ側で折り返し、この折り返した部分を接着層１１ｃから土台層１２の他方の斜面１２ｂ上に重ねて他方のフランジ構成層１１の脚層１１ａを形成すると共に、土台層１２の他方の斜面１２ｂ上において立ち上げて壁層１１ｂを形成して、一方のフランジ構成層１３の壁層１３ｂに重ね合わせる。
【００３５】
この後、図４（ａ）に示すように、金型２０からスペーサＳを離間させると共に、ガラス繊維等の強化繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料より成る保護層１４により、両フランジ構成層１１，１３の互いに重なり合う壁層１１ｂ，１３ｂをそれぞれ被覆する。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、他方のフランジ構成層１１側に受圧型２０Ｆをセットするのに続いて、図４（ｃ）に示すように、両フランジ構成層１１，１３及び土台層１２の全体をナイロンフィルムＢで覆い、ナイロンフィルムＢ内部の真空引きを行いながら、オートクレーブにより加熱加圧することで、各層１１〜１３の強化繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させて外向きフランジ１０を形成する。
【００３７】
そして、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料から成る円筒状のケース本体９Ｃの外周面９ａに対して、金型２０から離型させた外向きフランジ１０を接着により取り付けて固定する。
【００３８】
上記したように、この実施例のファンケース９では、外向きフランジ１０を構成する一方のフランジ構成層１３及び他方のフランジ構成層１１が、いずれも炭素繊維等の強化繊維束１５ａ，１５ｂから成るノンクリンプ構造を成す２軸織物１５を含む複数の２軸織物層を積層して形成されているので、ノンクリンプ構造の特徴である伸縮性が発揮されて外向きフランジ１０の成形時におけるフランジ構成層１１，１３の各折り返しが、皺や繊維の蛇行を生じさせることなく成されることとなる。
【００３９】
また、この実施例のファンケース９では、外向きフランジ１０の製造に際して、一方のフランジ構成層１３の脚層１３ａが、接着層１１ｃ上に積層された土台層１２の一方の斜面１２ａからこの一方の斜面１２ａ側に位置する接着層１１ｃ上に積層するようにしていると共に、一方のフランジ構成層１３の壁層１３ｂが、土台層１２の一方の斜面１２ａ上で立ち上がるようにしている。
【００４０】
加えて、他方のフランジ構成層１１の脚層１１ａも、土台層１２の他方の斜面１２ｂからこの他方の斜面１２ｂ側に位置する接着層１１ｃ上に積層するようにしていると共に、他方のフランジ構成層１１の壁層１１ｂが、土台層１２の他方の斜面１２ｂ上で立ち上がるようにしているので、両フランジ構成層１１，１３と土台層１２との間に隙間が生じる可能性はほとんど皆無になり、したがって、外向きフランジ１０の部分における高い構造強度が確保されることとなる。
【００４１】
本発明に係る円筒状ケース及び円筒状ケースの製造方法の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１  航空機用ジェットエンジン
９  ファンケース
９Ｃ  ケース本体
９ａ  ケース本体の外周面
１０  外向きフランジ
１１  他のフランジ構成層
１１ａ  他のフランジ構成層の脚層
１１ｂ  他のフランジ構成層の壁層
１１ｃ  接着層（他のフランジ構成層）
１２  土台層
１２ａ  土台層の一方の斜面
１２ｂ  土台層の他方の斜面
１３  一方のフランジ構成層
１３ａ  一方のフランジ構成層の脚層
１３ｂ  一方のフランジ構成層の壁層
１４  保護層
１５  ２軸織物
１５ａ，１５ｂ  ２軸の強化繊維帯
２０  金型
２０Ｆ  受圧型
ＣＬ  軸心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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