特許 5962942 複合材翼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5962942

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】複合材翼

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/54 20060101AFI20160721BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20160721BHJP

   F02K 3/06 20060101ALI20160721BHJP

   B64C 1/00 20060101ALN20160721BHJP

【ＦＩ】

   F04D29/54 E

   F02C7/00 C

   F02C7/00 F

   F02K3/06

   !B64C1/00 B

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-532747(P2015-532747)

(86)(22)【出願日】2014年6月16日

(86)【国際出願番号】JP2014065908

(87)【国際公開番号】WO2015025598

(87)【国際公開日】20150226

【審査請求日】2015年7月24日

(31)【優先権主張番号】特願2013-169570(P2013-169570)

(32)【優先日】2013年8月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】大淵 健郎

(72)【発明者】

【氏名】八木 広幸

【審査官】 加藤 一彦

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４８８７０６９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１０−３８１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−４９５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５５６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平１−１３２８０７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ ２９／５４

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｆ０２Ｋ ３／０６

Ｂ６４Ｃ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂と強化繊維との複合材料から成る複合材翼本体と、
前記複合材翼本体のリーディングエッジ部に軟質接着剤を介して接合されて該リーディングエッジ部を覆う金属シースを備えた複合材翼において、
前記複合材翼本体のリーディングエッジ部には、前記軟質接着剤が充填される接着剤充填部と、前記金属シースのリーディングエッジに相当する湾曲部と当接するリーディングエッジ側当接部と、前記接着剤充填部に少なくとも必要量充填された軟質接着剤の層の厚みと同じ高さをもって前記金属シースの翼面に相当する平面部と当接する複数の翼面側当接部が形成されている複合材翼。

【請求項2】

前記リーディングエッジ側当接部は、翼幅方向の複数箇所に配置され、隣接する前記リーディングエッジ側当接部間は、前記接着剤充填部の一部を構成する接着剤溜りとして形成されている請求項１に記載の複合材翼。

【請求項3】

前記接着剤充填部，前記リーディングエッジ側当接部及び前記翼面側当接部は、前記複合材翼本体のリーディングエッジ部に一体で形成されている請求項１又は２に記載の複合材翼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、ターボファンエンジンを構成する静翼として用いられる複合材翼に関するものである。

【背景技術】

【0002】

上記したようなターボファンエンジンには、通常、エンジン本体内に空気を導入する動翼と、この動翼により導入した空気の流れを整流する静翼であるガイドベーンが備えられている。

【0003】

近年のターボファンエンジンの燃費向上を目的とした高バイパス比化の要求に応じるべく、ファン径を大きくする傾向にあり、これに伴って、ターボファンエンジンの軽量化を図ることが急務となっている。

【0004】

空気の流れを整流する静翼であるガイドベーンとしては、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と炭素繊維等の強化繊維との複合材料を用いた複合材翼とすることでそれ自体の軽量化を図っている。このような複合材料を用いたガイドベーンの場合、金属製のガイドベーンと比べて耐摩耗性が劣ることから、特に摩耗し易いリーディングエッジ部（リーディングエッジ及びその近傍）にエロージョン防止用の金属シースを接着剤によって接合することで摩耗を回避するようにしている（例えば、特許文献１，２参照）。

【0005】

このようなエロージョン防止用の金属シースは、エンジンに吸い込まれた小石等の異物が衝突することで損傷する、いわゆるＦＯＤ(Foreign Object Damage)を受ける場合があるが、異物の衝突時における金属シースの損傷を少なく抑えたり、ＦＯＤを受けた金属シースの交換時に接着剤を剥がし易くしたりするために、接着剤として軟質接着剤を使用して金属シースを接合するようにしている（例えば、特許文献３参照）。

【0006】

このように、リーディングエッジ部に軟質接着剤を用いて金属シースを接合する場合には、軟質接着剤の塗布に際して軟質接着剤の層の厚みを均一に保つことが求められるが、軟質接着剤の厚さの均一化を図る技術としては、軟質接着剤の厚みと同じ高さのスタッドを軟質接着剤塗布面に形成する手法が知られている（例えば、特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開2009-024695号公報

【特許文献2】特開2009-068493号公報

【特許文献3】特開2001-041002号公報

【特許文献4】特開平01-076799号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記したように、リーディングエッジ部に金属シースを接合するのに軟質接着剤を使用すると、小石等の異物が当たった際に金属シースが受けるダメージを少なく抑えることができるうえ、金属シースの交換作業の容易化を実現することができる。

【0009】

ところが、リーディングエッジ部に軟質接着剤を用いて金属シースを接合する場合には、軟質接着剤の塗布に際して軟質接着剤の層の厚みを均一に保ちつつリーディングエッジ部に対する金属シースの位置決めを行うことが難しく、したがって、リーディングエッジ部に対して金属シースを高精度で取り付けるためには、多くの手間暇がかかってしまうという問題があり、これを解決することが従来の課題となっている。

【0010】

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、リーディングエッジ部に対する金属シースの取り付けを高精度で且つ簡単に行うことが可能な複合材翼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】

【0011】

本発明は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂と強化繊維との複合材料から成る複合材翼本体と、前記複合材翼本体のリーディングエッジ部（リーディングエッジ及びその近傍）に軟質接着剤を介して接合されて該リーディングエッジ部を覆う金属シースを備えた複合材翼において、前記複合材翼本体のリーディングエッジ部には、前記軟質接着剤が充填される接着剤充填部と、前記金属シースのリーディングエッジに相当する湾曲部と当接するリーディングエッジ側当接部と、前記接着剤充填部に少なくとも必要量充填された軟質接着剤の層の厚みと同じ高さをもって前記金属シースの翼面に相当する平面部と当接する複数の翼面側当接部が形成されている構成としている。

【0012】

本発明に係る複合材翼では、その製造工程において、金属シースを複合材翼本体のリーディングエッジ部に軟質接着剤を介して接合する場合、リーディングエッジ部の接着剤充填部に軟質接着剤を必要量充填すると共に、金属シースの接合面に軟質接着剤を塗布した後、金属シースを複合材翼本体のリーディングエッジ部に嵌め込んでリーディングエッジ側当接部及び複数の翼面側当接部に押付ける。

【0013】

このとき、リーディングエッジ側当接部が金属シースのリーディングエッジに相当する湾曲部に当接すると共に、複数の翼面側当接部が接着剤充填部に少なくとも必要量充填された軟質接着剤の層の厚みと同じ高さをもって金属シースの翼面に相当する平面部と当接するので、すなわち、金属シースは、位置決めが成された状態で軟質接着剤の層に均一に接触することになるので、リーディングエッジ部に対する金属シースの取り付けが高精度で且つ簡単に行われることとなる。

【発明の効果】

【0014】

本発明では、小石等の異物が金属シースに当たった際のダメージを少なく抑えると共に、金属シースの交換作業の容易化を実現したうえで、リーディングエッジ部に対する金属シースの取り付けを高精度で且つ簡単に行う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】

【0015】

【図1】本発明の一実施例による複合材翼をガイドベーンとして採用したターボファンエンジンの概略断面説明図である。

【図2】図１のガイドベーンの分解斜視説明図である。

【図3】図２のガイドベーンの端部における拡大斜視説明図である。

【図4A】図３のＡ−Ａ線位置に基づく部分断面説明図である。

【図4B】図３のＢ−Ｂ線位置に基づく部分断面説明図である。

【図5A】図３のＣ−Ｃ線位置に基づく翼面側当接部の部分断面説明図である。

【図5B】翼面側当接部の他の構成例を示す図３のＣ−Ｃ線相当位置に基づく部分断面説明図である。

【図5C】翼面側当接部のさらに他の構成例を示す図３のＣ−Ｃ線相当位置に基づく部分断面説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図５Ａは本発明に係る複合材翼の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る複合材翼がターボファンエンジンを構成する静翼としてのガイドベーンである場合を例に挙げて説明する。

【0017】

図１に示すように、ターボファンエンジン１は、前方（図示左方）の空気取り入れ口２から取り入れた空気を複数のファンブレード３ａを有するファン３でエンジン内筒４内の圧縮機５に送り込み、この圧縮機５で圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼室６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７及び低圧タービン８を軸心ＣＬ回りに回転させるようになっている。

【0018】

このターボファンエンジン１において、ファン３の複数のファンブレード３ａを覆うナセル９の内周面とエンジン内筒４の外周面との間のバイパス流路上には、複数の静翼としてのガイドベーン１０が配置されており、これらのガイドベーン１０は、エンジン内筒４の周囲に等間隔に配置されていて、バイパス流路を流れる旋回空気流を整流するようになっている。

【0019】

このガイドベーン１０は、図２に示すように、複合材料から成る複合材翼本体１１と、複合材翼本体１１のリーディングエッジ部（リーディングエッジ及びその近傍）１１Ａを覆う金属シース１２を備えている。

【0020】

複合材翼本体１１は、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂又はポリエーテルイミド，ポリエーテルエーテルケトン，ポリフェニレンスルファイド等の熱可塑性樹脂と、炭素繊維，アラミド繊維，ガラス繊維等の強化繊維との複合材料を構成材料として、例えば、翼厚方向に積層されたり、三次元的に織込まれたりして形成される。
一方、金属シース１２は、チタニウム合金製の肉厚０．２ｍｍ程度の薄板から成っている。

【0021】

複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａには、図３にも示すように、軟質接着剤１３が充填される接着剤充填部１１ａが形成されており、金属シース１２は、複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａに軟質接着剤１３によって接合されるようになっている。

【0022】

この場合、複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａには、図４Ａ，図４Ｂ及び図５Ａにも示すように、金属シース１２のリーディングエッジに相当する湾曲部１２ｂと当接するリーディングエッジ側当接部１１ｂと、金属シース１２の翼面に相当する平面部１２ｃと当接する翼面側当接部としての複数の突部１１ｃが、接着剤充填部１１ａと一体に形成されている。

【0023】

複数の突部１１ｃは、接着剤充填部１１ａに少なくとも必要量充填される軟質接着剤１３の層の厚み（０．２ｍｍ程度）と同じ高さを有しており、したがって、リーディングエッジ側当接部１１ｂ及び複数の突部１１ｃは、複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａに対する位置決めとして機能するようになっている。

【0024】

リーディングエッジ側当接部１１ｂは、翼幅方向（図３上下方向）の複数箇所に配置されており、互いに隣接するリーディングエッジ側当接部１１ｂ，１１ｂ間は、接着剤充填部１１ａの一部を構成する接着剤溜り１１ｄとして形成されている。この接着剤溜り１１ｄを挟んで隣接するリーディングエッジ側当接部１１ｂ，１１ｂ同士の間隔は、５０〜１００ｍｍに設定してある。

【0025】

一方、翼面側当接部としての複数の突部１１ｃは、直径５ｍｍ程度の円錐台形状を成しており、翼幅方向の複数箇所（図３では２箇所のみ示す）において、この実施例では翼弦方向（図３斜め横方向）に直線状に３個ずつ配置されていて、複数の突部１１ｃの列同士の翼幅方向における間隔は、１０〜５０ｍｍに設定してある。

【0026】

そして、このガイドベーン１０において、複数のリーディングエッジ側当接部１１ｂ及び複数の突部１１ｃを設けたことによる金属シース１２との接着面積の減少率は、接着剤充填部１１ａの合計面積の５％以下に止めるようにしてある。

【0027】

この実施例によるガイドベーン１０では、その製造工程において、金属シース１２を複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａに軟質接着剤１３を介して接合する場合、リーディングエッジ部１１Ａの接着剤充填部１１ａに軟質接着剤１３を少なくとも必要量充填すると共に、金属シース１２の接合面に軟質接着剤１３を塗布した後、金属シース１２を複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａに嵌め込んで複数のリーディングエッジ側当接部１１ｂ及び複数の突部１１ｃに押付ける。

【0028】

このとき、複数のリーディングエッジ側当接部１１ｂが、金属シース１２の湾曲部１２ｂと当接すると共に、複数の突部１１ｃが、接着剤充填部１１ａに少なくとも必要量充填された軟質接着剤１３の層の厚みと同じ高さをもって金属シース１２の平面部１２ｃと当接するので、すなわち、金属シース１２は、位置決めが成された状態で軟質接着剤１３の層に均一に接触することになるので、リーディングエッジ部１１Ａに対する金属シース１２の取り付けが高精度で且つ簡単に行われることとなる。

【0029】

そして、金属シース１２の複合材翼本体１１への押付けによりはみ出した軟質接着剤１３によって、複合材翼本体１１と高精度で取り付けられた金属シース１２とを面一になるように連続させて、翼断面形状を確保する。

【0030】

この実施例によるガイドベーン１０では、リーディングエッジ側当接部１１ｂを翼幅方向の複数箇所に配置して、隣接するリーディングエッジ側当接部１１ｂ，１１ｂ間を接着剤充填部１１ａの一部を構成する接着剤溜り１１ｄとして形成するようにしているので、金属シース１２の湾曲部１２ｂが複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａにより強固に接合することとなる。

【0031】

また、この実施例によるガイドベーン１０では、接着剤充填部１１ａ，リーディングエッジ側当接部１１ｂ及び複数の突部１１ｃを複合材翼本体１１のリーディングエッジ部１１Ａに一体で形成するようにしているので、リーディングエッジ側当接部１１ｂ及び複数の突部１１ｃを別途設ける必要がない分だけ、製造コストの低減が図られることとなる。

【0032】

上記した実施例では、翼面側当接部が円錐台形状を成す突部１１ｃである場合を示したが、これに限定されるものではなく、図５Ｂに示すように、翼面側当接部が断面三角形状を成す突部１１ｅであったり、図５Ｃに示すように、翼面側当接部が断面台形形状を成す突部１１ｆであったりしてもよい。

【0033】

また、上記した実施例では、直径５ｍｍ程度の円錐台形状を成す突部１１ｃ（翼面側当接部）を翼幅方向の複数箇所において翼弦方向に３個ずつ直線状に並べて配置した構成としているが、これに限定されるものではなく、他の構成として、例えば、複数の突部１１ｃを翼幅方向にわたって千鳥状に配置するようにしてもよい。

【0034】

さらに、上記した実施例では、本発明に係る複合材翼がターボファンエンジン１を構成する静翼としてのガイドベーン１０である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、本発明をターボファンエンジンのファンブレードに採用することができるほか、回転翼機のロータブレードやテールロータブレードにも採用することができる。

【0035】

本発明に係る複合材翼の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

【0036】

本発明の第１の態様は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂と強化繊維との複合材料から成る複合材翼本体と、前記複合材翼本体のリーディングエッジ部（リーディングエッジ及びその近傍）に軟質接着剤を介して接合されて該リーディングエッジ部を覆う金属シースを備えた複合材翼において、前記複合材翼本体のリーディングエッジ部には、前記軟質接着剤が充填される接着剤充填部と、前記金属シースのリーディングエッジに相当する湾曲部と当接するリーディングエッジ側当接部と、前記接着剤充填部に少なくとも必要量充填された軟質接着剤の層の厚みと同じ高さをもって前記金属シースの翼面に相当する平面部と当接する複数の翼面側当接部が形成されている構成としている。

【0037】

本発明に係る複合材翼の製造工程において、金属シースを複合材翼本体のリーディングエッジ部に軟質接着剤を介して接合する場合には、リーディングエッジ部の接着剤充填部に軟質接着剤を必要量充填すると共に、金属シースの接合面に軟質接着剤を塗布した後、金属シースを複合材翼本体のリーディングエッジ部に嵌め込んで押付けると、リーディングエッジ側当接部が金属シースの湾曲部と当接すると共に、接着剤充填部に少なくとも必要量充填された軟質接着剤の層の厚みと同じ高さをもって複数の翼面側当接部が金属シースの平面部と当接する。つまり、金属シースは、位置決めが成された状態で軟質接着剤の層に均一に接触することになるので、リーディングエッジ部に対する金属シースの取り付けが高精度で且つ簡単に行われることとなる。

【0038】

本発明の第１の態様では、小石等の異物が金属シースに当たった際のダメージを少なく抑えると共に、金属シースの交換作業の容易化を実現したうえで、リーディングエッジ部に対する金属シースの取り付けを高精度で且つ簡単に行う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。

【0039】

本発明の第２の態様において、前記リーディングエッジ側当接部は、翼幅方向の複数箇所に配置され、隣接する前記リーディングエッジ側当接部間は、前記接着剤充填部の一部を構成する接着剤溜りとして形成されている構成としている。
本発明の第２の態様によれば、金属シースの湾曲部が複合材翼本体のリーディングエッジ部により強固に接合することとなる。

【0040】

本発明の第３の態様において、前記接着剤充填部，前記リーディングエッジ側当接部及び前記翼面側当接部は、前記複合材翼本体の前記リーディングエッジ部に一体で形成されている構成としている。
本発明の第３の態様によれば、リーディングエッジ側当接部及び翼面側当接部を別途設ける必要がない分だけ、製造コストの低減が図られることとなる。

【0041】

本発明に係る複合材翼において、複合材翼本体を構成する熱硬化性樹脂には、例えば、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂を用いることができ、同じく複合材翼本体を構成する熱可塑性樹脂には、例えば、ポリエーテルイミド，ポリエーテルエーテルケトン，ポリフェニレンスルファイドを用いることができる。そして、複合材翼本体を構成する強化繊維には、例えば、炭素繊維，アラミド繊維，ガラス繊維を用いることができ、複合材翼本体はこれらの材料からなる複合材料を、例えば、翼厚方向に積層したり、三次元的に織込んだりして形成される。
一方、複合材翼本体のリーディングエッジ部に接合される金属シースには、チタニウム合金を用いることができる。

【0042】

また、本発明に係る複合材翼において、軟質接着剤としては、例えば、軟質のポリ塩化ビニル系接着剤やポリエチレンテレフタレート接着剤等の熱膨張率の異なる材質間においても接着力が低下しない性質を有する接着剤を用いることができ、ポリウレタンやシリコーン等のゴムの性質を有するいわゆる弾性接着剤を採用することも可能である。

【0043】

さらに、本発明に係る複合材翼において、金属シースの翼面に相当する平面部と当接する翼面側当接部としては、直径５ｍｍ程度の半球形状を成す突部や、これと同程度の大きさの断面三角形状を成す突部や、円錐台形状を成す突部を採用することができるが、いずれのものにも限定されない。

【0044】

ここで、リーディングエッジ側当接部が、翼幅方向の複数箇所に配置されている場合には、接着剤溜りを挟んで隣接するリーディングエッジ側当接部同士の間隔を５０〜１００ｍｍとすることが望ましい。

【0045】

一方、複数の翼面側当接部が、例えば、半球形状を成す突部である場合には、翼幅方向の複数箇所において突部を翼弦方向に直線状に複数個ずつ並べて配置したり、複数個の突部を翼幅方向にわたって千鳥状に配置したりすることができ、翼幅方向の複数箇所において突部を翼弦方向に複数個ずつ並べて配置する場合には、突部の列同士の翼幅方向における間隔を１０〜５０ｍｍとすることが望ましい。

【0046】

そして、本発明に係る複合材翼において、リーディングエッジ側当接部及び複数の翼面側当接部を設けたことによる金属シースとの接着面積の減少率は、接着剤充填部の合計面積の５％以下に止めることが望ましい。

【符号の説明】

【0047】

１０ ガイドベーン（複合材翼）
１１ 複合材翼本体
１１Ａ リーディングエッジ部
１１ａ 接着剤充填部
１１ｂ リーディングエッジ側当接部
１１ｃ，１１ｅ，１１ｆ 突部（翼面側当接部）
１１ｄ 接着剤溜り（接着剤充填部）
１２ 金属シース
１２ｂ 湾曲部
１２ｃ 平面部
１３ 軟質接着剤

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】