(57)【要約】      （修正有）【課題】プリフォームの構造的一体性を弱めることのないタービンエンジン複合格納ケーシングの製造方法を提供する。【解決手段】複数の繊維強化層に樹脂を含浸してプリフォームを形成する工程８２、プリフォームを第１温度に加熱する工程８４、プリフォームに真空をかける工程８６、温度が第１温度に達したところでプリフォームにかける圧力を変える工程８８、プリフォームを第１温度から第２温度に第１昇温速度で加熱する工程９０、プリフォームの硬化を促進するようにプリフォームを第２温度から第３温度に第２昇温速度で加熱する工程９２を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の繊維強化層に樹脂を含浸してプリフォームを形成する工程（８２）、
プリフォームを第１温度に加熱する工程（８４）、
プリフォームに真空をかける工程（８６）、
温度が第１温度に達したところでプリフォームにかける圧力を変える工程（８８）、
プリフォームを第１温度から第２温度に第１昇温速度で加熱する工程（９０）、
プリフォームの硬化を促進するようにプリフォームを第２温度から第３温度に第２昇温速度で加熱する工程（９２）
を含む、タービンエンジン複合格納ケーシング（４０）の製造方法。
【請求項２】
プリフォームを第１温度に加熱する工程（８４）で、樹脂の粘度の低下を達成するようにプリフォームを加熱する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
編組された強化用繊維の層（５２）複数層を含む繊維強化マットを形成する工程、
繊維強化マットに樹脂（５４）を含浸してプリフォームを形成する工程、
プリフォームをバッグに挿入する工程、
バッグ及びプリフォームを第１温度（１０４）に加熱する工程、
バッグ及びプリフォームに真空をかける工程（８６）、
温度が第１温度に達したところでバッグ及びプリフォームにかける圧力を変える工程（８８）、
バッグ及びプリフォームを第１温度から第２温度（１０８）に第１昇温速度で加熱する工程、
プリフォームの硬化を促進するようにバッグ及びプリフォームを第２温度から第３温度（１１２）に第２昇温速度で加熱する工程
により製造された、タービンエンジン（１０）用の複合格納ケーシング（４０）。
【請求項４】
バッグ及びプリフォームを第１温度（１０４）に加熱する工程で、樹脂（５４）の粘度の低下を達成するようにバッグ及びプリフォームを加熱する、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項５】
バッグ及びプリフォームを加熱する工程で、オートクレーブ内でバッグ及びプリフォームを加熱する、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項６】
バッグ及びプリフォームにかける圧力を変える工程で、かける圧力を第１圧力（１２６）と第２圧力（１２８）の間で循環する、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項７】
バッグ及びプリフォームにかける圧力を変える工程で、かける圧力を第１圧力（１２６）と第２圧力（１２８）の間で循環し、第１圧力（１２６）が第２圧力（１２８）より大きい、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項８】
さらに、樹脂（５４）が繊維強化材料中に実質的に浸透するまで、バッグ及びプリフォームにかける圧力を変える工程を含む、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項９】
プリフォームの樹脂（５４）を硬化する工程で、プリフォームの硬化を促進するようにバッグ及びプリフォームの温度を第２温度（１０８）から所定の温度まで加熱する、請求項３記載のケーシング（４０）。
【請求項１０】
さらに、プリフォームを所定温度に所定の時間維持する工程を含む、請求項９記載のケーシング（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンエンジンに関し、特にタービンエンジンに用いる複合ファン格納ケーシング及びかかるケーシングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のガスタービンエンジンの少なくとも数種は、高圧圧縮機、低圧圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機で空気を圧縮し、圧縮空気を燃料と混合し、燃焼器へ供給する。ついで燃料／空気混合物を点火して高熱の燃焼ガスを発生し、燃焼ガスをタービンに供給する。
【０００３】
エンジンを種々の条件で運転するとき、エンジンに異物が吸い込まれることがある。具体的には、かもめなどの大形の鳥からあられ、砂、雨までを含む様々な種類の異物がガスタービンエンジンの入口に取り込まれる。かかる異物がブレードにぶつかり、ぶつかったブレードの一部を破損してロータから外すことがある。このような条件は、異物損傷と言われ、ロータブレードがエンジンケーシングに突き刺さる原因となり、その結果、エンジンケーシングの外面に沿って亀裂を生じたり、近くにいる人を傷つけたり、その両方を招く。エンジンケーシングの損傷や対人傷害を防止するために、少なくとも一部の既知のエンジンでは、ケーシングシェルを用いて、衝撃負荷下での亀裂伝播を防止するとともに、エンジンケーシング侵入部近くの応力を低減することを可能にしている。
【０００４】
このようなエンジンケーシングを製造する周知の方法では、樹脂を繊維強化材料の層に付着し、樹脂を硬化してプリフォームを形成する工程を含む樹脂フィルム含浸（resin film infusion =RFI）法を用いる。しかし、硬化サイクル中に強化用繊維材料内にかつ複雑な部品のまわりに均一な樹脂分布を達成するのは困難なことがある。さらに、周知の樹脂含浸法では、空気ポケットが樹脂及び／又は強化用樹脂材料中に発現することがある。このような空気ポケットはプリフォームの構造的一体性を弱めるおそれがある。
【特許文献１】米国特許第７０７６９４２号明細書
【特許文献２】米国特許第６９１３４３６号明細書
【特許文献３】米国特許第６８１４５４１号明細書
【特許文献４】米国特許第６６９９１０９号明細書
【特許文献５】米国特許第６５７５６９４号明細書
【特許文献６】米国特許第６６５２２２２号明細書
【特許文献７】米国特許第５４８６０８６号明細書
【特許文献８】米国特許第５２７３３９３号明細書
【特許文献９】米国特許第４７１８８１８号明細書
【特許文献１０】米国特許第４６９９５６７号明細書
【特許文献１１】米国特許第４０６３８４７号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様では、タービンエンジン複合格納（コンテインメント）ケーシングの製造方法が提供される。本方法は、複数の繊維強化層に樹脂を含浸してプリフォームを形成し、プリフォームを第１温度に加熱し、プリフォームに真空をかけ、温度が第１温度に達したところでプリフォームにかける圧力の値を変え、プリフォームを第１温度から第２温度に第１昇温速度で加熱し、プリフォームの硬化を促進するようにプリフォームを第２温度から第３温度に第２昇温速度で加熱する工程を含む。
【０００６】
本発明の別の態様では、タービンエンジン用の複合格納（コンテインメント）ケーシングが提供される。このケーシングは、編組された強化用繊維の層複数層を含む繊維強化マットを形成し、繊維強化マットに樹脂を含浸してプリフォームを形成し、プリフォームをバッグに挿入し、バッグ及びプリフォームを第１温度に加熱し、バッグ及びプリフォームに真空をかけ、温度が第１温度に達したところでバッグ及びプリフォームにかける圧力の値を変え、バッグ及びプリフォームを第１温度から第２温度に第１昇温速度で加熱し、プリフォームの硬化を促進するようにバッグ及びプリフォームを第２温度から第３温度に第２昇温速度で加熱する工程により製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングについて詳細に説明する。一実施形態では、ケーシングは、強化用繊維のコア層複数層を熱硬化性ポリマー樹脂で結合したコアを含む。複合ケーシングは衝撃負荷下での亀裂伝播を抑制する。具体的には、衝撃時に、衝撃物体を捕捉し受け入れるコアケーシング層の層剥離により運動エネルギーを消散する。
【０００８】
図面を参照すると、図１は１例のガスタービンエンジン１０の線図で、このエンジン１０は、ファンアセンブリ１２と、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むコアエンジン１３とを含む。エンジン１０は、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースター２２も含む。ファンアセンブリ１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延在するファンブレード２４の配列体を含む。エンジン１０は吸気側２８と排気側３０を有する。１例では、ガスタービンエンジンはゼネラル・エレクトリック社（米国オハイオ州シンシナチ所在）から入手できるＧＥ９０である。ファンアセンブリ１２とタービン２０は第１ロータシャフト３１により連結され、圧縮機１４とタービン１８は第２ロータシャフト３２により連結されている。
【０００９】
運転中、空気がファンアセンブリ１２内を中心軸線３４に沿って流れ、圧縮空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気が燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流（図１には示さず）はタービン１８及び２０を駆動し、一方タービン２０はシャフト３１を介してファンアセンブリ１２を駆動する。
【００１０】
図２は、１例のファン格納（コンテインメント）ケーシング４０の拡大断面図である。図３は、ファン格納ケーシング４０の一部の拡大断面図である。一実施形態では、エンジン格納ケーシング４０は硬壁格納システムであり、その長さ４２はファンアセンブリの長さ４４にほぼ等しくなるように選ばれる。具体的には、長さ４２は、ファン格納ケーシング４０がファンアセンブリ１２の主要格納幅４６を実質的に取り囲むように、広い範囲から選択される。ここで用いる用語「主要格納幅」４６は、ブレード２４（図１に示す）などのファンブレードがファンアセンブリ１２から飛び出す可能性が最も高い区域においてファンアセンブリ１２のまわりに軸線方向及び円周方向両方に延在するゾーンにより規定される。
【００１１】
一実施形態では、格納ケーシング４０はコア５０を含み、コア５０は一部が強化用繊維のコア層５２複数層により製造される。さらに、一実施形態では、強化用繊維のコア層５２が熱硬化性樹脂５４により相互に結合されてマット（図示せず）を形成する。別の実施形態では、各コア層５２が複数の強化繊維の編組（ブレイド）を含む。具体的には、この別の実施形態で、強化用繊維を編み組みして編組マットとし、ここで編組は円周方向に延在するようにほぼ整列されている。さらに具体的には、編組は、１トウ当たり約１０，０００〜約３０，０００本の繊維を含有する繊維トウ（図示せず）を編み組みすることにより形成する。さらに別の実施形態では、繊維トウが含有する繊維の数が約１０，０００本未満でも、約３０，０００本超えでもよい。しかし、繊維トウが含有する繊維の数が約１０，０００本未満であると、コア５０の強さが低くなり、一方繊維トウが含有する繊維の数が約３０，０００本より多いと、格納ケーシング４０の重量が増加する。
【００１２】
コア層５２の繊維トウを形成するのに任意適当な強化用繊維を使用でき、たとえばガラス繊維、グラファイト繊維、炭素繊維、セラミック繊維、芳香族ポリアミド繊維、たとえばポリ（ｐ−フェニレンエーテルフタルアミド）繊維（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）繊維）及びこれらの混合物が挙げられるが、これらに限らない。コア５０を形成するのに任意適当な熱硬化性ポリマー樹脂を使用でき、たとえば、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、ポリイミド、ビスマレイミド及びこれらの混合物がある。
【００１３】
図４は、図２に示したタービンエンジン複合ケーシング４０の製造に使用できる硬化サイクル１００の例示方法８０を示すフローチャートである。図５は図４に示した方法８０のグラフ表示である。この実施形態では、方法８０は、以下にさらに詳細に説明するが、コア層５２に樹脂５４を含浸してプリフォーム（図示せず）を形成する工程８２、プリフォームを第１温度１０４に加熱する工程８４、プリフォームに真空をかける工程８６、温度が第１温度に達したところでプリフォームにかける圧力の値を変える工程８８、プリフォームを第１温度１０４から第２温度１０８に第１昇温速度１０６で加熱する工程９０、プリフォームの硬化を促進するようにプリフォームを第２温度１０８から第３温度１１２に第２昇温速度１１０で加熱する工程９２を含む。
【００１４】
本実施形態では、複合ファンケーシング４０を製造するのに、プリフォームを生成し、その後樹脂５４を硬化する。プリフォームを製造するには、まず、ファン格納ケーシングモールド（図示せず）を、繊維強化層５２及び樹脂５４から製造したマットで包む。モールドを用いて格納ケーシング４０の所望の寸法と形状を画定する。本実施形態では、つぎにマットに追加の樹脂５４を含浸してプリフォームを形成する。プリフォームの形成後、本実施形態では、プリフォームを硬化サイクル１００に供する。硬化サイクル１００では、浸透（インフュージョン）時間１２２中に樹脂５４をコア層５２内にほぼ均一に浸透させる。浸透時間１２２は、図５に示すように、溶融カーブ１３４上の樹脂５４の融点１３８と反応カーブ１３２上の樹脂５４の硬化点１４０の間の時間期間により定義される。樹脂の反応中、一実施形態では、樹脂は発熱反応する。発熱反応は熱を発生し、望ましくないことには、反応時間を長くし、そのため浸透時間１２２を短くするおそれがある。
【００１５】
本実施形態では、プリフォームを所定のベース温度１０２に均熱処理する。均熱処理は、大きな部品を予熱するのに用いられる既知のプロセスであり、確実に部品全体を均一な温度にする。さらに、本実施形態では、プリフォームの均熱により、各プリフォームが硬化サイクル１００を同じベース温度１０２で開始することを確実にする。所定のベース温度１０２は、樹脂５４の溶融温度より低い温度となるように選択する。特定すると、本実施形態では、ベース温度１０２は、使用する樹脂の特定の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。さらに特定すると、一実施形態では、ベース温度はエポキシ樹脂５４の場合約１００°Ｆ〜約１６０°Ｆの範囲にある。
【００１６】
プリフォームを所定のベース温度１０２に均熱処理した後、本実施形態では、プリフォームをバッグ、たとえばエンベロープバッグ（図示せず）に挿入する。エンベロープバッグは、少なくとも１つの開口と少なくとも１つの真空ポートを有するバッグである。特定すると、エンベロープバッグはバッグの内部を真空に引くことを可能にする。
【００１７】
本実施形態では、プリフォームをバッグ内に挿入した後、プリフォームを所定のベース温度１０２から第１温度１０４に加熱する。第１温度１０４は樹脂の融点を表す。一般に、第１温度１０４は、使用する樹脂の特定の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。さらに特定すると、一実施形態では、第１温度１０４はエポキシ樹脂５４の場合約１８０°Ｆ〜約２１０°Ｆの範囲にある。さらに、一実施形態では、プリフォームを加熱するのにオートクレーブを使用する。
【００１８】
プリフォームを第１温度１０４に加熱した（８４）後、プリフォームに真空をかけて（８６）、樹脂５４がコア層５２の上及びその内部に引き込まれるのを容易にし、こうして樹脂が、材料内に形成される可能性のある空気封入区域を実質的に埋め戻す。本実施形態では、真空をかけた（８６）後、プリフォームを第１温度１０４から第２温度１０８に第１昇温速度１０６で加熱する（９０）。一実施形態では、第１昇温速度１０６は樹脂５４の場合約１°Ｆ／分である。或いはまた、ここで説明する通りのプリフォームの製造を可能にするのであれば、他の樹脂加熱速度を用いることもできる。
【００１９】
本実施形態では、プリフォームにかける外部圧力を変える工程８８で、第１温度１０４に達した後、プリフォームに複数の圧力パルス１２４を加える。一実施形態では、圧力パルス１２４が第１圧力１２６と第２圧力１２８との間で循環する。さらに、一実施形態では、第１圧力１２６が第２圧力１２８より大きい。圧力パルス１２４は、コア層５２の圧縮・膨張を達成する。さらに、圧力パルス１２４は、繊維強化材料及び樹脂５４内の空気ポケットの抽出を容易にする。具体的には、本実施形態では、圧力パルス１２４の適用によって、空気をコア層５２から押し出すことで、追加の空気ポケットの除去が容易になり、押し出された空気はその後真空系から排気される。その結果、樹脂５４はコア層５２内に実質的に均一に流れ、それにより空気ポケットが除去され、樹脂と繊維強化材料の均一な組合せにより充填される。
【００２０】
本実施形態では、プリフォームが第２温度１０８に加熱されるまで、圧力パルス１２４を連続的にプリフォームに加える。一般に、本実施形態では、第２温度１０８は樹脂反応カーブ１３２の開始点を表す。特定すると、本実施形態では、第２温度１０８は、使用する樹脂の特定の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。さらに特定すると、一実施形態では、第２温度１０８はエポキシ樹脂５４の場合約２７０°Ｆ〜約２８０°Ｆの範囲になる。プリフォームを第２温度１０８に加熱した後、圧力パルス１２４を止め、ほぼ一定の圧力１３６をプリフォームにかける。さらに、本実施形態では、プリフォームを第２温度１０８に加熱した後、プリフォームをさらに第３温度１１２に第２昇温速度１１０で加熱する。本実施形態では、第２昇温速度１１０は、樹脂５４の加熱をゆっくりにし、浸透時間１２２の延長をはかる。一般に、本実施形態では、第２昇温速度１１０は、使用する樹脂の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。一実施形態では、第２昇温速度１１０は樹脂５４の場合約０．５°Ｆ／分である。或いはまた、ここで説明する通りの浸透時間１２２の延長を可能にするのであれば、どのような樹脂加熱速度でも用いることができる。
【００２１】
本実施形態では、プリフォームを第３昇温速度１１４で加熱することにより、浸透時間１２２をさらに延長する。本実施形態では、プリフォームが第３温度１１２に達した後、プリフォームを第４温度１１６に第３昇温速度１１４で加熱する。一般に、本実施形態では、第３温度１１２及び第３昇温速度１１４は、使用する樹脂の特定の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。特定すると、一実施形態では、樹脂５４の場合、第３温度１１２は約２９０°Ｆ〜３１０°Ｆの範囲にあり、第３昇温速度１１４は約０．２°Ｆ／分である。
【００２２】
本実施形態では、プリフォームを第４温度１１６に加熱した後、プリフォームを第４昇温速度１１８で硬化温度１２０に加熱する。一般に、硬化温度１２０は樹脂５４が硬化する温度を表す。特定すると、本実施形態では、硬化温度１２０は使用する樹脂の特定の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。特定すると、一実施形態では、樹脂５４の場合、硬化温度１２０は約３２５°Ｆ〜３７５°Ｆの範囲にある。さらに、本実施形態では、プリフォームの硬化には通常、硬化温度１２０を所定の時間期間維持することが必要で、その時間は使用する樹脂の化学構造に基づいて広い範囲から選択する。一実施形態では、樹脂５４の所定の硬化時間は約２２０分〜約２６０分の範囲である。
【００２３】
上述した格納（コンテインメント）システムの製造方法はコスト的に有効で、信頼性が高い。本方法により、樹脂及び／又は強化繊維材料層に生成するおそれのある空気ポケットを低減することができる。エンジン格納装置は、強化繊維層複数層それぞれにほぼ均一な熱硬化樹脂層を積層した構成である。製造中に、プリフォームをバッグの内側に密封し、圧力をバッグの外部にかけながら、真空をバッグの内部にかける。バッグに加えられる内部真空と外部圧力との組合せは、樹脂及び強化繊維層内の空気ポケットの除去を促進し、これがさらに、格納ケーシングの構造的一体性を高める作用をなす。したがって、本発明のエンジン格納システムは、低コストかつ高信頼性にてブレード衝撃事故や異物損傷の潜在的な悪影響を軽減することができる。
【００２４】
以上、格納（コンテインメント）アセンブリの実施形態を説明した。格納アセンブリは上述した特定の実施形態に限定されず、各アセンブリのある構成要素を他の構成要素とは独立にかつ別個に使用することもできる。たとえば、各格納システム構成要素を他の格納システム構成要素、他のガスタービンエンジン又は非ガスタービンエンジンと組み合わせて使用することもできる。
【００２５】
本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明の要旨の範囲内で種々の変更を加えて本発明を実施し得ることが当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ガスタービンエンジンの１例を示す線図である。
【図２】図１に示したガスタービンエンジンに使用できるファン格納ケーシングの拡大断面図である。
【図３】図２に示したファン格納ケーシングの一部の拡大断面図である。
【図４】図２に示したファン格納ケーシングを製造する方法を示すフローチャートである。
【図５】図４に示した方法のグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
５０  コア
５２  コア層
５４  エポキシ樹脂
８０  方法
１０４  第１温度
１０８  第２温度
１１２  第３温度
１２０  硬化温度
１０６  第１昇温速度
１１０  第２昇温速度
１２２  浸透時間
１２４  圧力パルス
１２６  第１圧力
１２８  第２圧力
１３２  反応カーブ
１３４  溶融カーブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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