(57)【要約】  本発明は、複合材料製のターボ機械ケーシングの製造方法であって、−電解腐食から保護する乾燥ガラス繊維の半硬質保護層を作成するステップ、プロファイルを有するマンドレルの環状半径方向フランジに保護層を当てた状態でプロファイルを有するマンドレル上で保護層をマンドレル上に配置するステップ、−保護層を覆うようにマンドレル上に繊維強化材を成形して緻密化するステップの連続ステップを含む製造方法に関する。
2015524757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックスを使用して圧密化された繊維強化材を含む複合材料製のターボ機械ケーシング（１０）の製造方法（１００）であって、
−乾燥ガラス繊維編組体、乾燥ガラス繊維片、もしくは乾燥ガラス繊維撚合体から電解腐食保護層（２０）を作成して、電解腐食保護用の半硬質層を形成するステップ（１１０）、
−製造されるケーシング（１０）のプロファイルと一致するプロファイルを有し半径方向環状フランジ（３２）を含むマンドレル（３０）上に、マンドレル（３０）の半径方向環状フランジ（３２）に当てた状態で電解腐食保護層（２０）を配置するステップ（１２０）、
−電解保護層（２０）を覆うようにマンドレル（３０）上に繊維強化材（１６）を成形するステップ（１４０）、および
−マトリックスを使用して繊維強化材（１６）を緻密化するステップ（１５０）
の連続ステップを含む製造方法（１００）。
【請求項２】
電解腐食保護層（２０）が、マンドレル（３０）および半径方向フランジ（３２）の寸法にプリフォームされる、請求項１に記載の製造方法（１００）。
【請求項３】
電解腐食保護層（２０）が、バインダを使用してて強化される、請求項２に記載の製造方法（１００）。
【請求項４】
電解腐食保護層（２０）が、繊維強化材の成形時（１４０）に、マンドレル（３０）の半径方向環状フランジ（３２）に固定される保持部材（３４）によってマンドレル（３０）上の所定位置で保持される、請求項１〜請求項３のうちの一項に記載の製造方法（１００）。
【請求項５】
保持部材（３４）が、保護層（２０）の厚さに調節可能である、請求項４に記載の製造方法（１００）。
【請求項６】
マトリックスによって圧密化された繊維強化材を含む複合材料製のターボ機械ケーシング（１０）にして、長手方向軸（Ｘ）に沿って延びる主方向を有する略円筒状本体（１２）と、本体（１２）の自由端から長手方向軸に対して半径方向に延びる少なくとも１つのフランジ（１４）とを含むターボ機械ケーシング（１０）であって、
環状フランジ（１４）の半径方向面（１４ａ）に対して位置決めされ、本体（１２）の内壁（１３）に沿って延びるガラス繊維を含む電解腐食保護層（２０）を含むこと、および請求項１〜請求項５のうちの一項に記載の方法（１００）によって製造されることを特徴とする、ターボ機械ケーシング（１０）。
【請求項７】
本体（１２）の上流側自由端および下流側自由端からそれぞれ長手方向軸（Ｘ）に対して半径方向に延びる上流側フランジ（１４）と下流側フランジ（１４）とを含み、上流側フランジ（１４）と下流側フランジ（１４）はそれぞれ、前記上流側フランジおよび前記下流側フランジ（１４）の半径方向面（１４ａ）に対して位置決めされ、本体（１２）の内壁（１３）に沿って延びる電解腐食保護層（２０）を含む、請求項６に記載のケーシング（１０）。
【請求項８】
電解腐食保護層（２０）がさらにバインダを含む、請求項６または請求項７のうちの一項に記載のケーシング（１０）。
【請求項９】
電解腐食保護層（２０）が、Ｌ字形断面を有し、フランジ（１４）の半径方向面（１４ａ）に対して位置決めされる半径方向環状部（２２）と、本体（１２）の内壁（１３）に対して位置決めされる軸方向環状部（２４）とを含む、請求項６〜請求項８のうちの一項に記載のケーシング（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には、ガスタービンケーシングに関し、特に、航空機エンジン用ガスタービンファンの保持ケーシングであり、マトリックスによって圧密化された繊維強化材を含む複合材料製の保持ケーシングおよび関連するケーシング製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン航空機エンジンのファンケーシングは、複数の機能を果たすことができる。ファンケーシングは、エンジンへの吸気流れを画定し、ファンブレードの先端に対向するアブレイダブル材料を支持し、エンジン吸気口における音波を減衰させるための構造体（一般に、吸音パネルの形態）を支持し、ケーシングの内側面に対して放出された破片、例えば、吸い込まれた物体もしくは破損ブレードの破片を保持するためのシールドを組み込む、もしくは支持する。
【０００３】
通常、ファンケーシングは、吸気流れを画定する比較的薄い壁を含む。ケーシングは、特に、金属材料製もしくは複合材料製とすることができる。例えば、仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書では、繊維強化材を成形し、強化材をマトリックスで緻密化することによって、変化する厚さを有する複合材料製のファンケーシングを作成することが提案されている。繊維強化材は、厚さを変えながら三次元製織によって得られた繊維織物の重ねられた層をマンドレルに巻き付けて、厚さを単純に増すことによって保持シールドを一体化することによって成形される。
【０００４】
繊維強化材は、特に、炭素、ガラス、アラミド、もしくはセラミックの繊維を含む。マトリックスについては、マトリックスは、一般的には、ポリマーマトリックスであり、例えば、エポキシ、ビスマレイミド、もしくはポリイミドである。
【０００５】
ケーシングは、一体部品として形成され、軸方向端部にフランジを含む。第１もしくは上流側のフランジにより、吸気スリーブをケーシングに取り付けることができ、第２もしくは下流側のフランジにより、下流側フランジの下流側面に当てた環状カラーを挿置させた状態で、ナットボルト式の接続手段を介してファンケーシングを中間ケーシングと接続することができる。この場合、上流側および下流側は、ターボ機械内のガスの流れの方向によって定義される。中間ケーシングは、チタン、チタン系金属合金、もしくはアルミニウムの金属製であり、環状カラーおよび吸気スリーブも同様である。
【０００６】
しかし、特に、タービンの全質量を低減するためにファンケーシングと接触する部品がアルミニウム製である場合、またファンケーシングが炭素繊維製である場合、ファンケーシングの繊維と部品のアルミニウムとの間の電解腐食タイプの化学反応が急速かつ早期の劣化を引き起こす。
【０００７】
したがって、欧州特許第２４３４１０５号明細書には、略円筒状本体と上流側フランジとを含む複合材料製のターボ機械ファンの保持ケーシングについて記載されている。電解腐食保護層および接着剤を使用して、金属プレートが上流側フランジの下流側面に取り付けられる。電解保護層は、複合材料製のケーシングが製造された後にケーシング上に取り付けられる。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１２／０９９９８１号明細書には、略円筒状本体と上流側フランジと下流側フランジとを含む複合材料製のターボ機械ファンの保持ケーシングについて記載されている。ケーシングは、下流側フランジの上流側面に当てた環状カウンタープレートと、ケーシングの内側面に固定される少なくとも１つの環状カラーとを含む。カラーは、金属材料製とすることができる。この場合、繊維プリフォームを成形する前に、カラーとケーシングの複合材料との間に、例えば、ガラス繊維製の電解絶縁層が挿置される。しかし、電解保護層をケーシングの繊維織物に固定して、その寸法を制御するのは難しいことがわかる。
【０００９】
最後に、米国特許出願公開第２０１２／１４８３９２号明細書には、略円筒状本体と上流側フランジとを含む複合材料製のターボ機械のファン保持ケーシングについて記載されている。
【００１０】
上記特許文献の中で、ケーシングを上流側金属部品および下流側金属部品、すなわち、吸気スリーブおよび中間ケーシングに固定することによって生じる電解腐食現象を抑えることができる複合材料製ケーシングについて記載しているものはない。さらに、保護コーティングを施す周知の方法は、実施するのが難しく、寸法調整が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書
【特許文献２】欧州特許第２４３４１０５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／０９９９８１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１２／１４８３９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の１つの目的は、ケーシングをターボ機械の上流側金属部品および下流側金属部品に固定することによって生じる電解腐食現象を抑えることができる炭素系繊維強化材を含む複合材料のターボ機械のファンケーシングの製造方法であって、実施しやすく、ファンケーシングの最終寸法を制御することができる製造方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明は、マトリックスによって圧密化された繊維強化材を含む複合材料製のターボ機械ケーシングの製造方法であって、
−乾燥ガラス繊維編組体、乾燥ガラス繊維片、もしくは乾燥ガラス繊維撚合体から電解腐食保護コーティングを作成して、電解腐食保護用の半硬質層を形成するステップ、
−製造されるケーシングのプロファイルと一致するプロファイルを有し、半径方向環状フランジを含むマンドレル上に、マンドレル環状半径方向フランジに保護層を当てて、電解腐食保護層を位置決めするステップ、
−保護層を覆ってマンドレル上に繊維強化材を成形するステップ、および
−マトリックスを使用して繊維強化材を緻密化するステップ
の連続ステップを含む製造方法を提案する。
【００１４】
上述の方法の特定の好ましい特徴であるが、限定的ではない特徴は、
−電解腐食保護層は、マンドレルおよび環状半径方向フランジの寸法にプリフォームされ、
−電解腐食保護層は、バインダによって強化され、
−電解腐食保護層は、繊維強化材を成形する時に、マンドレルの環状半径方向フランジの周囲に取り付けられる固定部材によって、マンドレル上の所定位置で保持され、
−保持部材は、保護層の厚さに調節可能である。
【００１５】
本発明はさらに、上述の方法によって製造される、マトリックスによって圧密化された繊維強化材を含む複合材料製のターボ機械ケーシングであって、長手方向軸に沿って延びる主方向を有する略円筒状本体と、本体の自由端から長手方向軸に対して半径方向に延びる少なくとも１つのフランジとを含むケーシングを提案する。ケーシングはさらに、環状フランジの半径方向面に位置決めされ、本体の内壁に沿って延びるガラス繊維を含む電解腐食保護層を含む。
【００１６】
ケーシングの特定の好適であるが限定的でない特徴は、
−ケーシングは、本体の上流側自由端および下流側自由端からそれぞれ長手方向軸に対して半径方向に延びる上流側フランジおよび下流側フランジを含み、上流側フランジおよび下流側フランジはそれぞれ、本体の内壁に沿って延びる前記上流側フランジおよび下流側フランジの半径方向面に対して位置決めされる電解腐食保護層を含み、
−電解腐食保護層はさらに、バインダを含み、
−電解腐食保護層は、Ｌ字形長手方向断面を有し、フランジの半径方向面に対して位置決めされる半径方向環状部と、本体の内壁に対して位置決めされる軸方向環状部とを含む。
【００１７】
他の特徴、目的、および利点は、非限定的な例として添付図面を参照しながら後述する以下の詳細な説明を読めばより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のファンケーシングの一例の部分断面図である。
【図２ａ】図１のファンケーシングを製造する際のステップを示した図である。
【図２ｂ】図１のファンケーシングを製造する際のステップを示した図である。
【図３】本発明のケーシングの製造方法の一実施形態のさまざまなステップをまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ガスタービンエンジンは、通常、ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、ファン、１つまたは複数の圧縮機段（例えば、低圧圧縮機と高圧圧縮機）、燃焼室、１つまたは複数のタービン段（例えば、高圧タービンと低圧タービン）、およびガス排気ノズルを含む。
【００２０】
タービンは、それぞれの同軸シャフトによって圧縮機およびファンに結合される。
【００２１】
エンジンは、エンジンのさまざまな要素に対応する複数の部分を含むケーシング内部に収容される。したがって、ファンは、例えば、上流側が吸気スリーブに接続され、下流側が中間ケーシングの環状カラーに接続されたファンケーシング１０によって囲まれる。
【００２２】
ファンケーシング１０は、ガス流にほぼ平行な長手方向軸Ｘに沿った主方向を有する略円筒状本体１２を含む。ケーシングの本体１２は、仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書に示されているような変化する厚さを有することができ、吸気スリーブ、中間ケーシング、および環状カラーのような他の金属部品と組み合わせて接続することができるように、上流側端部および下流側端部に外側フランジ１４を備えることができる。
【００２３】
この場合、ファンケーシング１０は、マトリックスで圧密化された繊維強化材を含む複合材料製である。強化材は、繊維から成り、特に、炭素繊維を含み、マトリックスは、例えば、エポキシ、ビスマレイックもしくはポリイミドのポリマーから成る。
【００２４】
強化材は、マンドレル３０上に、仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書に記載されている変化する厚さを有する三次元製織による繊維織物１６を巻き付けることによって成形され、この場合、繊維強化材は、フランジ１４に対応する強化材部分と一体に成形されたファンケーシング１０の完全な繊維プリフォームを構成する。
【００２５】
マンドレル３０は、製造されるケーシング１０の内表面のプロファイルと一致するプロファイルの外表面を含み、さらに自由端から半径方向に延びる２つのフランジ３２であって、ファンケーシング１０の上流側および下流側フランジ１４を成形するように設計された２つのフランジ３２を含む。繊維織物１６をマンドレル３０上に巻き付けることによって、繊維織物１６はマンドレル３０のプロファイルになり、端部をフランジ３２に当てることによって端部がケーシング１０のフランジ１４に対応するプリフォーム部分を成形する。
【００２６】
電解腐食現象からファンケーシング１０と接触する、通常、アルミニウム製の金属部品（吸気スリーブ、中間ケーシング、環状カラー）を保護するために、保護層２０はさらに、アルミニウムケーシングと接触するように設計されたケーシング１０の一部、すなわち、ケーシング１０の上流側および下流側フランジ１４に対して位置決めされる。
【００２７】
例えば、保護層２０は、金属部品と接触するように設計されたフランジ１４の表面に対して、すなわち、ファンケーシング１０の内壁１３に沿って延びるフランジ１４の半径方向面１４ａに対して位置決めされる。したがって、半径方向面１４ａは、上流側フランジ１４では、上流側面となり、下流側フランジ１４では、下流側面となる。
【００２８】
このようにして、保護層２０により、アルミニウムとケーシング１０の繊維強化材との接触を防ぐことができ、ひいては、ファンケーシング１０もしくは金属部品にさらに修正しなくても電解腐食現象を防ぐことができる。また、保護層２０によりファンケーシング１０の最終寸法の制御および仕上げ作業が単純になり、保護層２０は、上流側もしくは下流側フランジ１４に影響を与えずに容易に機械加工することができる追加の厚さを成形する。
【００２９】
例えば、保護層２０は、バインダで強化可能なガラス繊維を含むことができる。この場合、バインダは、繊維強化材の緻密化段階で、マトリックスと相溶性があり、マトリックス内に溶解するように選択される。バインダは、例えば、ポリエポキシドと相溶性があるポリマーマトリックスとすることができる。したがって、このようにして形成された保護層２０の重量は、適度の重量になる。
【００３０】
保護層２０は、直線状断面を有し、平坦な環状部２２を成形して、対応するフランジ１４の半径方向面１４ａのみ（完全ではない）を覆うことができる。したがって、保護層２０により、半径方向面１４ａが金属部品と直接接触するのを防ぐことができる。
【００３１】
変形形態として、図１に示されているように、保護層はＬ字形断面を有し、環状フランジ１４の半径方向面１４ａを覆うように設計された半径方向環状部２２とファンケーシング１０の内壁１３に対して位置決めされる半径方向環状部２４とを含む湾曲リングを成形してもよい。
【００３２】
電解腐食保護層２０を含むファンケーシング１０の一実施形態１００について後述する。この場合、電解腐食保護層２０は、緻密化の前にファンケーシング１０の繊維織物１６に組み入れられる。
【００３３】
そのためには、保護層２０は、ファンケーシング１０のフランジ１４を成形するように設計されたフランジ３２およびマンドレル３０本体全体を覆うようにマンドレル３０に当てられる１２０。
【００３４】
一実施形態によれば、保護層２０は、マンドレル３０およびフランジ３２の寸法にプリフォームされる。したがって、保護層２０はマンドレルの外径にほぼ等しい内径を有するリングを成形し、リングの半径方向寸法は最大でフランジ３２の半径方向寸法に等しい。保護層２０は、例えば、バインダで強化可能な乾燥ガラス繊維編組体、乾燥ガラス繊維片、もしくは乾燥ガラス繊維撚合体から製造可能であり（ステップ１１０）、この場合、保護層２０は、保護層２０をマンドレル３０上に配置しやすくして、保護層２０の寸法（厚さ、直径など）および品質を簡単かつ迅速に制御することができる半硬質層となる。さらに、半硬質保護層２０を実現することにより、その後に繊維織物１６をマンドレル３０に巻き付ける（特に、最初の一巻き）段階で、繊維織物１６を所定位置で保持することができる。この半硬質保護層２０は、その後、ファンケーシング１０の繊維織物１６がマトリックスによって圧密化される時に硬くなる。
【００３５】
変形形態として、保護層２０は、重合樹脂で強化されたガラス繊維製とすることができる。この場合、保護層２０は、マンドレル３０上に配置された時に、第１の変形形態の場合よりも硬くなる。
【００３６】
この場合、保護層２０は、マンドレル３０のフランジ３２の環状形状に対応した環状形状を有し、平坦な断面もしくはＬ字形の断面を有する。
【００３７】
直線状断面を有する保護層２０の場合、平坦リングがマンドレル３０のそれぞれのフランジ３２の半径方向面３２ａに当てられることによって、ファンケーシング１０が製造された時点で、ファンケーシング１０の内壁１３に沿って延びるフランジ１４の表面のみが保護層２０によって覆われる。
【００３８】
Ｌ字形断面を有する保護層２０の場合、湾曲リングがマンドレル３０本体に当ててそれぞれのフランジ３２の半径方向面３２ａに当てられる。したがって、ファンケーシング１０が製造された時点で、ファンケーシング１０の内壁１３の軸方向端部も保護層２０によって覆われる。この実施形態では、繊維織物１６を所定位置でより良好に保持し、隣接する金属部品と直接接触するのを完全に防ぎ、軸方向環状部２４を有することで、炭素繊維がフランジ１４に残留している水分と接触することによって生じる電解腐食現象を防ぐことができる。
【００３９】
その後、例えば、仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書に示される形態に従ってマンドレル３０上に繊維織物１６を巻き付けることによって、ケーシングの本体１２が複合材料から製造される（ステップ１４０）。
【００４０】
保護層２０を所定位置で保持して、巻き付けステップ時に保護層２０が滑るのを防ぐために、特に、保持部材３４を使用して保護層２０をマンドレル３０の本体および／またはフランジ３２に取り付けることができる（ステップ１３０）。保持部材３４は、特に、対応するフランジ３２の周囲全体に分布したクランプもしくはクリップとすることができる。保持部材３４の数は、ファンケーシング１０の直径およびプリフォームによって加えられる力によって決まり、およそ２〜１０個とすることができる。
【００４１】
また、これらの保持手段３４は、保護層２０の厚さに調節可能である。
【００４２】
その後、繊維織物１６は、保護層２０と繊維織物１６との間に空間ができないように、固定部材３４を覆わずに、保護層２０の上で、マンドレル３０およびフランジ３２に巻き付けられる。その後、繊維プリフォームは、保持部材３４と接触する領域に対応する保護層２０周辺の狭い縁を除いて、保護層２０を覆う。
【００４３】
最終ステップ（ステップ１５０）では、仏国特許出願公開第２９１３０５３号明細書に従って、マトリックスを注入することによって、保護層２０と共に繊維プリフォーム１６が圧密化される。このようにして製造されたファンケーシング１０は、その後、特に、電解腐食保護層２０が組み入れられたフランジ１４に仕上げステップが施される。特に、ファンケーシングのフランジ１４の機械加工は、保護層２０が追加される犠牲的な厚さとなり、この厚さがファンケーシング１０の繊維強化材を構造的に損傷せずに機械加工することができるという点で簡単になる。したがって、ファンケーシング１０の構造は、そのままである。
【００４４】
さらに、ファンケーシング１０の最終寸法もより良好に制御される。
【図１】
2015524757.tif 000003
【図２ａ】
2015524757.tif 000004
【図２ｂ】
2015524757.tif 000005
【図３】
2015524757.tif 000006
【国際調査報告】
2015524757.tif 000007
2015524757.tif 000008
2015524757.tif 000009
2015524757.tif 000010
2015524757.tif 000011
2015524757.tif 000012