(57)【要約】  複合構造は、一対の対向する外表面（３４、３６）を有し、第１の密度を有する芯材（３０）と、マトリックスに埋め込まれて芯材（３０）の外表面（３４、３６）に沿って延びる複数の繊維層（３２）を含み、芯材（３０）を取り巻き、第２の密度を有する複合材料レイアップ（２８）と、芯材（３０）および複合材料レイアップ（２８）の一部を貫いて延びる繊維（３８）を含む縫い込みと、を含む。前記縫い込みは、芯材（３０）および複合材料レイアップ（２８）の一部を貫いて延びる横断繊維（４０）を、芯材（３０）の外表面（３４、３６）にほぼ平行に延びるループ（４２）で相互に連結されるようにして含む連続パターンで構成させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の対向する外表面（３４、３６）を有し、第１の密度を有する芯材（３０）と、
マトリックスに埋め込まれて前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）に沿って延びる複数の繊維層（３２）を含み、前記芯材（３０）を取り巻き、第２の密度を有する複合材料レイアップ（２８）と、
前記芯材（３０）および前記複合材料レイアップ（２８）の少なくとも一部を貫いて延びる繊維（３８）を含む縫い込みと、
を含む複合構造。
【請求項２】
前記縫い込みは、前記芯材（３０）および前記複合材料レイアップ（２８）の少なくとも一部を貫いて延びる横断繊維（４０）を、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）にほぼ平行に延びるループ（４２）で相互に連結されるようにして含む連続パターンで構成されている、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記縫い込みが一連の並行する列（４４、４６）として構成されている、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記横断繊維（４０）が、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）のうちの１つに垂直な方向に対して鋭角をなして配向されている、請求項１に記載の構造。
【請求項５】
前記横断繊維（４０）が、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）のうちの１つに垂直な方向に対して約４５度の角度（α）で配向されている、請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記第２の密度が前記第１の密度より十分に大きい、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記第１の密度が前記第２の密度の約４０％である、請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記縫い込みが炭素トウを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記複合材料レイアップ（２８）が炭素繊維とエポキシマトリックスを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記芯材（３０）が弾性フォームを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１１】
前記芯材（３０）がウレタンフォームを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
請求項１に記載の複合構造を含み、前記複合材料レイアップ（２８）が前縁（１６）、後縁（１８）、根元（２０）、先端（２２）、および前記前縁（１６）と前記後縁（１８）の間に延びる対向する圧力側（２４）と吸込み側（２６）を有する翼型（１２）の形状に構成されている、ファンブレード（１０）。
【請求項１３】
一対の対向する外表面（３４、３６）を含み、第１の密度を有する芯材（３０）と、未硬化の樹脂マトリックスに埋め込まれた繊維を含む、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）に沿って延びる複数の繊維層（３２）を含み、前記芯材（３０）を取り巻き、第２の密度を有する複合材料レイアップ（２８）の少なくとも一部の両方を貫いて繊維（３８）を縫い込むこと、および
前記芯材（３０）、前記複合材料レイアップ（２８）および前記繊維（３８）を同時に硬化すること、
を含む複合構造を製造する方法。
【請求項１４】
前記芯材（３０）と、それぞれ前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）のうちの１つに沿って延び、それぞれ未硬化の樹脂マトリックスに埋め込まれた少なくとも１つの繊維層（３２）を含み、前記複合材料レイアップ（２８）の一部を構成する一対の表面シート（４８、５０）の両方を貫いて繊維（３８）を縫い込むこと、
前記複合材料レイアップ（２８）の残りの部分を前記表面シート（４８、５０）および前記芯材（３０）を取り巻く所定の位置に配置すること、および
前記芯材（３０）、前記表面シート（４８、５０）、前記複合材料レイアップ（２８）、および前記繊維（３８）を同時に硬化すること、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記縫い込みは、前記芯材（３０）および前記複合材料レイアップ（２８）の少なくとも一部を貫いて延びる横断繊維（４０）を、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）にほぼ平行に延びるループ（４２）で相互に連結されるようにして含む連続パターンで構成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記縫い込みが一連の並行する列（４４、４６）として構成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記横断繊維（４０）が、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）のうちの１つに垂直な方向に対して鋭角をなして配向される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記横断繊維（４０）が、前記芯材（３０）の外表面（３４、３６）のうちの１つに垂直な方向に対して約４５度の角度（α）で配向される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の密度が前記第１の密度より十分に大きい、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の密度が前記第２の密度の約４０％である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記縫い込みが炭素トウを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記複合材料レイアップ（２８）が炭素繊維とエポキシマトリックスを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記芯材（３０）が弾性フォームを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記芯材（３０）がウレタンフォームを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複合材料レイアップ（２８）が前縁（１６）、後縁（１８）、根元（２０）、先端（２２）、および前記前縁（１６）と前記後縁（１８）の間に延びる対向する圧力側（２４）と吸込み側（２６）を有する翼型（１２）の形状に構成される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に複合構造に関し、特にガスタービンエンジンの複合材料製ファンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンで使用される複合材料製の翼弦の長いファンブレードが知られている。全複合材料製の翼弦の長いファンブレードを有する大型エンジンは、金属合金製のファンブレードを有する大型エンジンに優る著しい軽量化をもたらす。
【０００３】
メーカーは、大型ターボファンエンジン、特にそのファンモジュールの重量の大部分を構成するファンブレードをさらに軽量化するために絶えず努力している。複合材料シートの間にはさまれた芯材材料として低密度材料（ポリマーフォームなど）を使用することで、静止状態の複合構造を軽量化できることは知られている。しかしながら、回転ファンブレードに適用した場合には、試験と分析により、この軽量の芯材と炭素の間の界面に生じる高いせん断ひずみが、ファンブレードへの適用にとって受け入れ難い層間剥離を引き起こすことが確認された。
【０００４】
したがって、回転ファンブレードでの使用に適した、低密度材料を組み込んだ複合構造が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０２５９４８号明細書
【発明の概要】
【０００６】
この要求は、低密度の芯材を有する複合構造を提供する本発明によって対応される。高引張強度の縫い込みが芯材に縫い込まれて芯材の剛性と強度を向上させる。
【０００７】
本発明の一態様によれば、複合構造は、一対の対向する外表面を有し、第１の密度を有する芯材と、マトリックスに埋め込まれて芯材の外表面に沿って延びる複数の繊維層を含み、芯材を取り巻き、第２の密度を有する複合材料レイアップと、芯材と複合材料レイアップの少なくとも一部とを貫いて延びる繊維を含む縫い込みとを含む。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、複合構造を製造する方法は、一対の対向する外表面を含み、第１の密度を有する芯材と、未硬化樹脂マトリックスに埋め込まれた繊維を含む、芯材の外表面に沿って延びる複数の繊維層を含み、芯材を取り巻き、第２の密度を有する複合材料レイアップの少なくとも一部の両方に繊維を縫い込むことと、芯材、複合材料レイアップ、および繊維を同時に硬化することを含む。
【０００９】
本発明は、添付の図面と併用される以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一態様に従って構成されたタービンエンジンのファンブレードの概略側面図である。
【図２】図１の線２−２に沿う断面図である。
【図３】図２の一部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
それぞれ異なる図面を通じて同一の参照番号が同じ要素を示す図面を参照し、図１は、前縁１６から後縁１８まで翼弦方向Ｃに延びる複合材料製翼型１２を含む、高バイパス比のターボファンエンジン（図示せず）用の典型的な複合材料製ファンブレード１０を示す。翼型１２は、根元２０から先端２２まで翼幅方向Ｓに径方向外側に向かって延びている。翼型１２は、凹形の圧力側２４と凸形の吸込み側２６を有している。
【００１２】
図２で分かるように、翼型１２は、内部に芯材３０が配置された複合材料レイアップ２８から構成されている。「複合材料」という用語は、一般に、バインダまたはマトリックス材料で支持された繊維や粒子などの強化材を含有する材料を意味する。図示の例では、複合材料レイアップ２８は、マトリックスに埋め込まれて圧力側２４および吸込み側２６に対してほぼ平行に配向された複数の層３２を含む。適切な材料の非限定的な一例は、エポキシなどの樹脂材料に埋め込まれた炭素（例えば、黒鉛）繊維である。これらの材料は、樹脂が含浸されたテープ中に単方向に引き揃えられた繊維の形で市販されている。このような「プリプレグ」テープは、部品形状に形成され、オートクレーブ加工またはプレス成形によって硬化されることにより、軽量で、剛性があり、比較的均質な物品を形成することができる。
【００１３】
芯材３０は、翼型１２の形状に概して従い、対向する凹形の外表面３４と凸形の外表面３６を境界とする、反りをつけた翼型形状を有している。芯材３０は、ポリマーフォームなどの低密度材料を含む。本明細書で使用される「低密度」という用語は、絶対等級を指すのではなく、複合材料レイアップ２８と比較した芯材３０の相対的な密度を指す。適切な芯材材料の非限定的な一例は、複合材料レイアップ２８の密度の約４０％の密度を有する弾性ウレタンフォームである。
【００１４】
動作時、翼型１２に作用する空気力が、翼型１２の「反りを戻す」傾向がある曲げモーメントを引き起こす。翼型１２の剛性は曲げたわみに耐える。芯材３０が改良なしで存在する場合、その剛性（すなわち、ヤング率）は一般に周囲の複合材料レイアップ２８の剛性よりはるかに低い。これにより、芯材３０と複合材料レイアップの間の界面に高い層間せん断応力が生じて、動作条件下では複合材料レイアップに層間剥離を引き起こす可能性がある。芯材３０の剛性を高めることはできるけれども、密度を増大させるという代償を払うのであれば、軽量化を求めて芯材３０を採用する目的にとって弊害になる。
【００１５】
芯材３０の密度を著しく増大させることなく有効剛性を高めるため、芯材３０と、複合材料レイアップ２８の少なくとも一部に強化用繊維３８（図３に示す）が縫い込まれている。繊維３８は、高い引張強度を有するいかなる繊維を使用して形成されてもよい。図示の例では、繊維３８は、上述のテープを製造するために使用される繊維に類似した中間のヤング率の炭素繊維のトウを含む。適切な材料の別の例は炭素ナノ繊維である。
【００１６】
繊維３８は、芯材外表面３４、３６を横切る方向（すなわち、厚さ方向）に延びる横断繊維４０を、芯材外表面３４、３６に平行に延びるループ４２で相互に連結されるようにして含む連続パターンで構成されている。繊維３８は、一連の並行する列（図３では、１つの列４４が別の列４６の前方に表されている）として、または別の２次元または３次元のパターンで構成されてもよい。繊維３８は、超音波針装置を使って縫い込まれてもよい。
【００１７】
横断繊維４０は、芯材３０を貫き、複合材料レイアップ２８の厚みの少なくとも一部を貫いて延びている。縫い込みは、フォームのサブコンポーネントレベルで行うことができ、その場合、複合材料の対向する「表面シート」４８、５０が芯材外表面３４、３６に対して繊維３８で最初に固定される。それにより、サブアセンブリを翼型１２の残りの部分に組み付ける準備ができることになる。あるいは、繊維３８が、未硬化の複合材料レイアップ２８に芯材３０を既に組み込んだ状態で複合材料レイアップ２８と芯材３０に縫い込まれてもよい。
【００１８】
硬化されると、縫い込まれた繊維３８が、さもなければ低密度で低強度の材料にせん断強度、圧縮強度および引張強度を加える。さらに、縫い込みにより、芯材の剛性が高められ、芯材の幾何学的形状によって生じる複合材料内のピーク応力が低減される。横断繊維４０間の間隔（すなわち、縫い目パターン密度）の最適化は、バルク分析および／またはクーポンレベル試験に基づいていてもよい。
【００１９】
芯材３０の外表面３４、３６に対する横断繊維４０の方向は、炭素／フォーム界面に最大のせん断荷重容量を付与するように選択されてもよい。図示の例では、横断繊維４０は、外表面３４、３６に対して垂直の方向から約４５度の角度αで配向されている。
【００２０】
縫い込み（行われるのが芯材サブアセンブリレベルであるか翼型アセンプリレベルであるかにかかわらず）は、複合材料樹脂を使用することなく、乾燥状態で施されてもよい。その場合、翼型１２全体が、既知のオートクレーブ加工を用いて硬化されてもよい。硬化時には、複合材料レイアップ２８のマトリックスからの樹脂が繊維３８に沿って自由に逃れ、適所で自由に硬化することができ、硬化された構造の一部として繊維３８を組み込む。
【００２１】
本明細書に記載された強化構造および方法は、複合材料製翼型における低密度フォームの使用を可能にする。この方法は強度を加え、最低限の重量で応力集中を減少させる。ファンブレードにおける低密度フォームの適用が可能になる。このことはディスク、ケースおよび付属ハードウェアに波及効果を及ぼす。このフォームが使用可能であることによって、芯まで堅い複合材料に優る技術的な利点がもたらされる。
【００２２】
上述の記載では、強化複合構造を説明した。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、それに対する様々な変更が発明の精神および範囲から逸脱することなく行い得ることは当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態および本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、限定する目的ではなく、例示のみの目的でなされており、本発明は特許請求の範囲によって規定される。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ファンブレード
１２  翼型
１６  前縁
１８  後縁
２０  根元
２２  先端
２４  圧力側
２６  吸込み側
２８  複合材料レイアップ
３０  芯材
３２  層
３４  芯材外表面
３６  芯材外表面
３８  繊維
４０  横断繊維
４２  ループ
４４  列
４６  列
４８  表面シート
５０  表面シート
【図１】
2015525155.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015525155.tif 000005
【国際調査報告】
2015525155.tif 000006
2015525155.tif 000007