圓筒結構體及其製造方法
2023-12-03 07:26:31 2
專利名稱：圓筒結構體及其製造方法
技術領域：
本發明涉及航空宇宙領域的推進裝置，尤其涉及噴氣引擎的風扇罩、火箭引擎的馬達罩這樣的包含纖維強化塑料的圓筒結構體及其製造方法。
背景技術：
關於航空器的噴氣引擎，作為ー個例子，外部氣體被風扇吸入，被壓縮機壓縮，在燃燒器內用於燃料的燃燒。所產生的能量的一部分通過渦輪抽出後，燃燒氣體從引擎後部的噴嘴向後方排出。噴氣引擎的整體通常被稱作引擎機艙(nacelle)的進行了空氣力學上的設計的殼體包圍並支撐。引擎機艙整體非常大，而且所要求的強度等特性根據引擎機艙的部位而不同，因此，引擎機艙典型性地是分割成風扇罩、核心整流罩(core cowl)等多個整流罩部件來製造。各整流罩部件根據所要求的特性以及空氣力學上的形狀被設計為最 佳。例如對於風扇罩而言，由於不需要耐熱性，因此沒有必要一定適用金屬。於是，出於輕量化的目的，正在研究適用纖維強化塑料取代金屬來作為風扇罩的原料。相關技術在美國專利申請公開2009/0098337號中公開。根據該技術，通過將由強化纖維構成的織物卷繞在圓筒形的工具上來形成前驅體，由該前驅體來製造風扇罩。另ー方面，對於風扇罩，重要的特性是衝擊吸收能。例如當內部的部件發生破損並以高速撞擊風扇罩時，如果該部件保持高速脫離至外部，則很有可能將其它的結構部件也破壞。也就是，對於風扇罩，阻止該部件飛出至外部或者將其運動能量充分吸收是有必要的。
發明內容
根據上述的相關技術，具有足夠風扇罩的軸向長度的寬度的織物是必要的。由於有必要將達到屢被稱為巨大規模的風扇的整體包圍，風扇罩無論在圓周方向還是軸向都非常大。這種大寬度的強化纖維的織物極其難以獲取，而且價格昂貴。必然地，不得不分割成多個部件來製造，然後將該部件接合，或者風扇罩的內部結構不得不內含纖維的非連續。但是，在高速部件撞擊這種接合部位或者纖維的非連續部位的情況下，擔心部件很容易地撞破該部件或者運動能量未被充分吸收的事態。也就是，由寬度較窄的強化纖維織物來製造具有充分的衝擊吸收能的風扇罩或者馬達罩這樣的圓筒結構體的技術是必要的。本發明是出於這種觀點作出的發明。根據本發明的第一方案，製造具有軸向的圓筒結構體的方法包括在心軸周圍卷繞第一層，該第一層包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第一接合線；在所述第一層的周圍卷繞第二層，該第二層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第二接合線，以所述第二接合線與所述第一接合線在所述軸向上錯開的方式在所述第一層的周圍卷繞第二層；在所述第二層的周圍卷繞第三層，該第三層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第三接合線，以所述第三接合線與所述第一接合線和所述第二接合線雙方在所述軸向上錯開的方式在所述第二層的周圍卷繞第三層；通過樹脂使所述各層結合。
根據本發明的第二方案，具有軸向的圓筒結構體具備第一層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第一接合線；第二層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第二接合線，該第二層以所述第二接合線與所述第一接合線在所述軸向上錯開的方式卷繞在所述第一層的周圍；第三層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第三接合線，該第三層以所述第三接合線與所述第一接合線和所述第二接合線雙方在所述軸向上錯開的方式卷繞在所述第二層的周圍；以及將所述各層結合的樹脂。
圖I是本發明ー實施方式的製造方法中利用的裝置的概要立體圖，表示所述製造方法的第一階段。圖2是所述裝置的另ー立體圖，表示所述製造方法的第二階段。圖3是表示卷繞結束後的狀態的立體圖。圖4是表示卷繞粗紗的エ序的立體圖。圖5是包含粗紗供給裝置的所述裝置的概要立體圖。圖6是所述裝置中包含的卷繞裝置的側視圖，表示心軸的剖面。圖7是包括利用所述製造方法製造的風扇罩的噴氣引擎的立面圖。圖8是利用所述製造方法製造的製造物的沿軸向剖面的例子。圖9是示意性說明衝擊試驗的附圖。
具體實施例方式以下，針對本發明的實施方式，參照附圖進行說明。為了便於說明，在附圖中顯示為L、R的方向分別表述為左向、右向，顯示為FR、FF的方向分別表述為後向、前向，但是，這些表述對於本發明是非限定性的。本實施方式的製造方法能夠適用於作為ー個例子在圖7中示出的航空器的噴氣引擎的風扇罩的製造。引擎3大體具備引擎主體和包圍著引擎主體進行支撐的引擎機艙，弓丨擎主體具備風扇5。引擎機艙包括多個整流罩部件，各個整流罩部件在軸的周圍實質上對稱。整流罩部件中，包圍風扇5的部件是風扇罩I。風扇罩I大體為圓筒形狀,是根據空氣力學上的觀點設計的非單純的圓筒形狀。圖7的例子中，風扇罩I在接近風扇5的部位Ia是平緩的錐形形狀，在其它部位是直圓筒形狀，在軸向兩端具有凸緣部。當然，本實施方式對於其它形狀也能夠適用。風扇罩I包含適宜的纖維強化塑料，以下詳細說明，通過成形強化纖維並通過樹脂進行固化來製造。作為強化纖維，例如適宜為碳纖維、芳族聚醯胺纖維、玻璃纖維、或者它們中ー種以上的混合物，但是不一定限定為它們。作為樹脂，例如適宜為熱固化性樹脂，尤其能夠例舉環氧樹脂、酚醛樹脂以及聚醯亞胺樹脂，但是不一定限定為它們。
強化纖維利用圖I至圖6所舉例說明的製造裝置來成形，構成風扇罩I的前驅體IF0參照圖6，製造裝置具備卷繞裝置13。卷繞裝置13具備心軸7，心軸7由旋轉軸17支撐，所述旋轉軸17可轉動地被支撐體15支撐。而且，卷繞裝置13具備馬達19，馬達19與主動傳動裝置21連接，主動 傳動裝置21和連接在旋轉軸17上的從動傳動裝置23驅動性配合，從而通過馬達19的驅動使心軸7繞軸旋轉。支撐體15優選具有能夠上下分離的結構等容易進行心軸7的裝卸的結構。心軸7具備周面S，所述周面S具有適合於風扇罩I的成形的外形，強化纖維通過卷繞在心軸7的周圍成形為風扇罩I的形狀。而且，心軸7能夠分割為主體9和凸緣11，通過分割，能夠取下成形後的強化纖維。參照圖1，製造裝置具備用於向卷繞裝置13供給強化纖維的供給裝置27，供給裝置27具備多個臺架29、35。各臺架具備用於備有強化纖維的捲軸33、用於使捲軸33可轉動地被支撐的支撐體31 (或者37)。支撐體31 (或者37)優選具有能夠上下分離的結構等容易裝卸捲軸33的結構。而且支撐體31 (或者37)優選具有能夠改變其寬度的結構，以便能夠安裝各種寬度的捲軸。而且，第一臺架29和第二臺架35之間優選為各自所供給的強化纖維不發生幹擾的位置關係。強化纖維以織物的形態進行供給。織物優選無捲曲織物。所謂無捲曲織物，並非定義為與該領域人員所知的通常含義不同的含義，而是指主要的纖維以相互不交叉的方式織成的織物。或者也能夠利用平紋織物、斜紋組織的織物、斜路紋織物的某一種來取代無捲曲織物。並且，還可以組合利用它們中的兩種以上。風扇罩I除了具備織物形態的強化纖維，還可以具備粗紗(roving)形態的強化纖維。所謂粗紗，並非定義為與該領域人員所知的通常含義不同的含義，而是指未被捻合或者略有捻合的、成束的多個纖維。為了使粗紗介於前驅體IF中，如圖5所示，製造裝置還可以具備粗紗供給裝置41。粗紗供給裝置41例如配置在相對於卷繞裝置13而與供給裝置27相反的ー側。參照圖4，粗紗供給裝置41具備臺架43、安放在臺架43上的導軌45、通過導軌引導並能夠在寬度方向移動的頭部47。雖然沒有進行圖示，但頭部47由促動器驅動，並在寬度方向移動。如圖所示，頭部47具備引導粗紗的導向路徑，將粗紗39引導至適宜位置，向卷繞裝置13供給。使用上述的製造裝置，強化纖維如下來成形。參照圖1，寬度互不相同的織物25分別以卷(roll)的狀態安裝在第一臺架29上的捲軸33和第二臺架35上的捲軸33上。或者織物25的寬度可以相互相等。在任何ー種情況下，兩個織物25的寬度的總和都等於風扇罩I的軸長度。或者，使寬度的總和長於軸長度，在成形後通過將兩端切斷來適合於軸長度。而且優選織物25以預先浸潰有樹脂的所謂預浸的形態供給，也可以以後浸潰樹脂。織物25分別從捲軸33拉出後，使其一端貼在心軸7的周面S上。此時，織物25配置成相互之間邊緣相接，並且平行。接著，通過馬達19的驅動使心軸7旋轉一周以上，織物25保持著相互之間的邊緣相接，卷繞在心軸7的周圍。該エ序製得的最初的層中，織物25相互相接的邊緣形成為在圓周方向延伸的接合線J。關於接合線J，織物25彼此之間可
以相互稍微重疊。
接著，參照圖2，在捲軸33上分別安裝寬度的組合與上述不同的織物25。與上述ー樣操作，織物25以相互之間邊緣相接的方式卷繞在最初的層的周圍。由於寬度的組合不同，因此該層中的接合線J相對於最初的層中的接合線J在軸向上錯開。進ー步，通過與上述相同的步驟，將寬度的組合不同於上述任一種情況的織物25卷繞在上述兩個層的周圍。由於寬度的組合不同，因此該層中的接合線J相對於最初的層中的接合線J以及第二層中的接合線J雙方在軸向上錯開。如有需要，進ー步反覆與上述相同的步驟，重疊接合線J相對於上述任ー層中的接合線J都在軸向上錯開的層。如此操作所累積的層的數量在3以上的範圍是任意的。如圖3所示，在前驅體IF中，各層中的接合線J相對於其它任ー層中的接合線J都在軸向上錯開。如有需要，可以在上述エ序的任一個エ序中如圖4所示地將粗紗39卷繞在心軸7或者任一個層的周圍。粗紗39優選與織物25 —樣以預先浸潰有樹脂的所謂預浸的形態供給，也可以以後浸潰樹脂。 粗紗的卷繞例如如下來進行。首先，以與心軸7或者任一個層的一端對齊的方式定位頭部47，使粗紗39的一端貼在該一端上。接著，在使心軸7持續旋轉的同吋，使頭部49向另一端移動，從而以形成螺旋的方式將粗紗39卷繞在心軸7或者任一個層的周圍。螺旋優選無間隙的緊密形態。通過該エ序，能夠使粗紗39介於最初的層的內表面、任ー個層間、或者最外層的外表面的任意ー個以上部位。而且，粗紗39可以多於ー層，可以是多層。而且，在上述的說明中，通過使心軸旋轉來卷繞織物或者粗紗，但也可以使心軸固定，在其周圍使捲軸、粗紗供給裝置轉動。例如，使心軸垂直豎立，通過在其周圍配置使裝置轉動的單元，由此能夠實現該方法。在上述的エ序之後，將前驅體IF與心軸7 —同從支撐體15取下。在織物25以及粗紗39中預先未浸潰有樹脂的情況下，通過在此處從外部注入樹脂來使樹脂浸潰於前驅體IF中。或者，也可以通過使前驅體IF全部浸泡在樹脂中來使樹脂浸潰於前驅體中。前驅體IF保持卷繞在心軸7周圍的狀態被加熱。優選利用適宜的加熱爐。也可以通過利用高壓鍋這樣的爐並組合適宜的加壓來實施加熱。通過加熱，樹脂固化，各層以及粗紗通過樹脂相互結合，得到包含纖維強化塑料的風扇罩49。如有需要，實施適宜的精加エ。如圖8所示，在風扇罩49中，各層51中的接合線J相對於其它任ー個層中的接合線J都在軸向上錯開。如根據上述記載所理解的那樣，風扇罩49能夠在最內層的內表面、任一個層間、或者最外層的外表面的任意ー個以上部位具備包含粗紗的層53。通常，當其它部件以高速撞擊時，織物相互之間的接合線容易成為龜裂的傳遞路徑。但是根據上述結構，由於任意一條接合線J都在圓周方向走線，因此即使其它部件以高速撞擊，龜裂也難以傳遞，因此能夠有效防止該部件飛出至外部。而且，在一個層中接合線J走線的部位上相鄰有連續的織物的層，通過該連續的織物，結構得以強化，因此，能夠進ー步提高對於撞擊的耐性。即使利用寬度較窄的強化纖維織物，也能夠製造具有較長軸長度的圓筒結構體，並且在該情況下，也能夠期待充分的衝擊吸收能。上述製造方法以及製造物除了適用於風扇罩，也能夠適用於其它圓筒結構體。例如，能夠適用於航空宇宙領域的包圍推進裝置的部件，尤其是火箭引擎的馬達罩。而且不限於推進裝置，能夠適用於具有耐撞擊目的的各種機械部件。
為了驗證本實施方式的效果，實施了衝擊吸收試驗。圖9表示其示意圖。通過夾具57將試驗片55固定支撐，利用狩獵用的槍向試驗片55相對於其表面垂直地發射鋼製子彈59，使用高速攝像機拍攝子彈59從其撞擊前直至貫通後。根據影像測量子弾59的撞擊前後的速度Vin、Vout,由此算出撞擊前後的子彈的運動能量Ein、Eout,根據式子Eab=Ein-Etjut算出吸收能量Eab。用於試驗的試驗片均為56層織物層疊而成，其中之一沒有接合線。另ー試驗片是56層中的12層在子彈撞擊的區域中具有接合線(具有接合線的比例為21%)。另ー個其它試驗片是56層中的37層在子彈撞擊的區域中具有接合線(具有接合線的比例為66%)。包含在子彈撞擊的區域中具有接合線的12層的試驗片的吸收能量Eab相比於沒有接合線的試驗片的吸收能量為96%。包含在子彈撞擊的區域中具有接合線的37層的試驗片的吸收能量Eab同比為84%。可確認到均為能量吸收能沒有明顯差於沒有接合線的試驗片。
通過適宜的實施方式說明了本發明，但是本發明不限定於上述實施方式。基於上述公開內容，具有該技術領域的通常技術的人員能夠通過實施方式的修改或者變形來實施本發明。產業上的可利用性
能夠由寬度較窄的強化纖維織物製造具有充分的衝擊吸收能的風扇罩或者馬達罩這樣的圓筒結構體。
權利要求
1.一種製造具有軸向的圓筒結構體的方法，其特徵在於，包括 在心軸周圍卷繞第一層，該第一層包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第一接合線； 在所述第一層的周圍卷繞第二層，該第二層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第二接合線，以所述第二接合線與所述第一接合線在所述軸向上錯開的方式在所述第一層的周圍卷繞第二層； 在所述第二層的周圍卷繞第三層，該第三層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第三接合線，以所述第三接合線與所述第一接合線和所述第二接合線雙方在所述軸向上錯開的方式在所述第二層的周圍卷繞第三層； 通過樹脂使所述各層結合。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在幹， 還包括在從所述心軸、所述第一層、所述第二層、所述第三層所組成的組中選擇的任一個的周圍卷繞粗紗。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在幹， 所述樹脂預先浸潰於所述織物中。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在幹， 所述樹脂預先浸潰於所述粗紗中。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在幹， 還包括使所述樹脂浸潰於所述第一層、所述第二層和所述第三層中。
6.ー種具有軸向的圓筒結構體，其特徵在於，具備 第一層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第一接合線； 第二層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第二接合線，該第二層以所述第二接合線與所述第一接合線在所迷軸向上錯開的方式卷繞在所述第一層的周圍； 第三層，其包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第三接合線，該第三層以所述第三接合線與所述第一接合線和所述第二接合線雙方在所述軸向上錯開的方式卷繞在所述第二層的周圍；以及將所述各層結合的樹脂。
7.根據權利要求6所述的圓筒結構體，其特徵在幹， 還具備在所述第一層的內表面、所述第一層與所述第二層之間、所述第二層與所述第三層之間、或者所述第三層的外表面卷繞的粗紗。
全文摘要
一種製造具有軸向的圓筒結構體的方法，包括在心軸周圍卷繞第一層，該第一層包含多個織物，該多個織物分別由強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第一接合線；在所述第一層的周圍卷繞第二層，該第二層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第二接合線，以所述第二接合線與所述第一接合線在所述軸向上錯開的方式在所述第一層的周圍卷繞第二層；在所述第二層的周圍卷繞第三層，該第三層包含多個織物，該多個織物分別由所述強化纖維構成，通過彼此之間邊緣相接而形成在圓周方向延伸的第三接合線，以所述第三接合線與所述第一接合線和所述第二接合線雙方在所述軸向上錯開的方式在所述第二層的周圍卷繞第三層；通過樹脂使所述各層結合。
文檔編號B29K101/10GK102656004SQ20108004987
公開日2012年9月5日 申請日期2010年11月5日 優先權日2009年11月6日
發明者原田敬, 宮下雅賴, 村上務, 田中崇, 重成有 申請人:Ihi空間技術株式會社, 株式會社Ihi