專利名稱：圓筒結(jié)構(gòu)體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空宇宙領(lǐng)域的推進裝置，尤其涉及噴氣引擎的風(fēng)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(jié)構(gòu)體及其制造方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于航空器的噴氣引擎，作為一個例子，外部氣體被風(fēng)扇吸入，被壓縮機壓縮，在燃燒器內(nèi)用于燃料的燃燒。所產(chǎn)生的能量的一部分通過渦輪抽出后，燃燒氣體從引擎后部的噴嘴向后方排出。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(xué)上的設(shè)計的殼體包圍并支撐。引擎機艙整體非常大，而且所要求的強度等特性根據(jù)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(fēng)扇罩、核心整流罩(core cowl)等多個整流罩部件來制造。各整流罩部件根據(jù)所要求的特性以及空氣力學(xué)上的形狀被設(shè)計為最佳。 例如對于風(fēng)扇罩而言，由于不需要耐熱性，因此沒有必要一定適用金屬。于是，出于輕量化的目的，正在研究適用纖維強化塑料取代金屬來作為風(fēng)扇罩的原料。相關(guān)技術(shù)在美國專利申請公開2009/0098337號中公開。根據(jù)該技術(shù)，通過將由強化纖維構(gòu)成的織物卷繞在圓筒形的工具上來形成前驅(qū)體，由該前驅(qū)體來制造圓筒形的纖維強化塑料體。另一方面，對于風(fēng)扇罩，重要的特性是沖擊吸收能。例如當(dāng)內(nèi)部的部件發(fā)生破損并以高速撞擊風(fēng)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(jié)構(gòu)部件也破壞。也就是，對于風(fēng)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(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明人的研究，不僅僅是纖維強化塑料的厚度，強化纖維的取向也對沖擊吸收能產(chǎn)生強烈影響。為了使包含強化纖維的前驅(qū)體高效形成為充足的厚度，上述的相關(guān)技術(shù)這樣的將織物卷繞在工具上的方法是適宜的。而且，考慮到?jīng)_擊吸收能，優(yōu)選織物中所含的強化纖維中的相當(dāng)?shù)牟糠衷趫A周方向上取向。但是，如果考慮到風(fēng)扇罩所要求的空氣力學(xué)上的形狀，則會產(chǎn)生問題。其原因是由于強化纖維基本不伸縮，因此在圓周方向上取向的情況下，不能將織物無褶皺地卷繞在筆直的圓筒形以外的工具上。如果使風(fēng)扇罩所要求的空氣力學(xué)上的形狀優(yōu)先，則必須排除圓周方向的強化纖維，由此必須接受沖擊吸收能等特性的惡化。本發(fā)明是鑒于該問題點而做出的發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的第一方案，制造具有軸向的圓筒結(jié)構(gòu)體的方法包括使包含在相對與所述軸向正交的圓周方向交叉的第一方向取向的第一強化纖維的織物沿所述圓周方向卷繞在心軸的周圍；使包含在其長度方向取向的第二強化纖維的粗紗以螺旋形卷繞在所述心軸的周圍；通過樹脂使所述織物和所述粗紗結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的第二方案，具有軸向的圓筒結(jié)構(gòu)體具備第一層、第二層以及將所述第一層和所述第二層結(jié)合的樹脂，其中的第一層具備包含在相對與所述軸向正交的圓周方向交叉的第一方向取向的第一強化纖維的織物，第二層具備包含在其長度方向取向的第二強化纖維并且成為螺旋形的粗紗。


圖I是本發(fā)明一實施方式的制造方法中利用的裝置的概要立體圖。圖2是所述裝置的另一立體圖，表示所述制造方法的某個階段。圖3是表示無卷曲織物的一個例子的示意性俯視圖。圖4是表示卷繞粗紗的工序的俯視圖。圖5是所述裝置的又一其它立體圖。
圖6是所述裝置中包含的卷繞裝置的側(cè)視圖，表示心軸的剖面。圖7是包括通過所述制造方法制造的風(fēng)扇罩的噴氣引擎的示意性立面圖。圖8是所述制造方法制造的制造物的沿軸向剖面的例子。
具體實施例方式以下，針對本發(fā)明的實施方式，參照附圖進行說明。為了便于說明，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的方向分別表述為后向、前向，但是，這些表述對于本發(fā)明是非限定性的。本實施方式的制造方法能夠適用于作為一個例子在圖7中示出的航空器的噴氣引擎的風(fēng)扇罩的制造。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(fēng)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(zhì)上對稱。整流罩部件中，包圍風(fēng)扇5的部件是風(fēng)扇罩I。風(fēng)扇罩I大體為近似于圓筒形狀的形狀，是根據(jù)空氣力學(xué)上的觀點設(shè)計的非筆直的圓筒形狀。在圖7的例子中，風(fēng)扇罩I在接近風(fēng)扇5的部位Ia是平緩的錐形形狀，在其它部位是基本筆直的圓筒形狀，在軸向兩端具有凸緣部。當(dāng)然，本實施方式對于其它形狀也能夠適用。如上所述，不能將無伸縮性的織物無褶皺地成形為部位Ia的錐形形狀。風(fēng)扇罩I包含適宜的纖維強化塑料，以下詳細說明，通過成形強化纖維并使樹脂浸潰于強化纖維中然后進行固化來制造。作為強化纖維，適宜為碳纖維、芳族聚酰胺纖維、玻璃纖維、或者它們中一種以上的混合物，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(huán)氧樹脂、酚醛樹脂以及聚酰亞胺樹脂，但是不一定限定為它們。強化纖維以織物形態(tài)和束狀形態(tài)的組合來使用，分別在特定的方向上取向，然后使它們相互層疊。強化纖維利用圖I至圖6所舉例說明的制造裝置通過卷繞在心軸上來成形，構(gòu)成風(fēng)扇罩I的前驅(qū)體1F。參照圖5，制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(zhuǎn)軸17支撐，所述旋轉(zhuǎn)軸17可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸17上的從動傳動裝置23驅(qū)動性配合，從而通過馬達19的驅(qū)動使心軸7繞軸旋轉(zhuǎn)。支撐體15優(yōu)選具有能夠上下分離的結(jié)構(gòu)等容易進行心軸7的裝卸的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，心軸7具備周面S，所述周面S具有適合于風(fēng)扇罩I的形狀、也就是根據(jù)空氣力學(xué)觀點設(shè)計的非筆直的圓筒形狀的成形的外形，強化纖維通過卷繞在心軸7的周圍成形為風(fēng)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，能夠取下成形后的強化纖維。強化纖維以織物25的形態(tài)進行供給?？椢?5優(yōu)選圖3中示意性表示的無卷曲織物。所謂無卷曲織物，并非定義為與該領(lǐng)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。在圖示的例子中，主纖維45、47相對于織物長度方向(與成形后的圓周方向一致)的傾斜角α分別為45°、-45°。這些主纖維45、47通過細絲縫合?；蛘咭材軌蚶闷郊y織物、斜紋組織的織物、斜路紋織物的某一種來取代無卷曲織物。并且，還可以組合利用它們中的兩種以上。為了確保長度方向的伸縮性，優(yōu)選在具有實質(zhì)含義的程度上對主纖維賦予相對于圓周方向交叉的傾斜角α。纖維的傾斜角α優(yōu)選為2(Γ70°，更優(yōu)選為3(Γ60°。而且優(yōu)選織物25的至少主纖維不包含傾斜角不足10°的纖維。
參照圖5，制造裝置具備用于向卷繞裝置13供給包含強化纖維的織物的供給裝置。供給裝置具備用于備有強化纖維的卷軸33，卷軸33可轉(zhuǎn)動地被臺架29上的支撐體31支撐。支撐體31優(yōu)選具有能夠上下分離的結(jié)構(gòu)等容易裝卸卷軸33的結(jié)構(gòu)。而且支撐體31優(yōu)選具有能夠改變其寬度的結(jié)構(gòu)，以便能夠安裝各種寬度的卷軸。而且，強化纖維也以束狀形態(tài)供給。作為束狀形態(tài)，優(yōu)選能夠利用粗紗(roving)。所謂粗紗，并非定義為與該領(lǐng)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。也就是，纖維在粗紗的長度方向取向。粗紗35的纖維的原料可以是與織物25的纖維相同，也可以為其它種類。為了引導(dǎo)粗紗35，制造裝置還具備引導(dǎo)裝置37。引導(dǎo)裝置37例如配置在相對于卷繞裝置13而與供給裝置相反的一側(cè)。引導(dǎo)裝置37具備臺架39、安放在臺架39上的導(dǎo)軌41、通過導(dǎo)軌引導(dǎo)并能夠在寬度方向移動的頭部43。雖然沒有進行圖示，但頭部43由促動器驅(qū)動，在寬度方向移動。如圖所示，頭部43具備引導(dǎo)粗紗35的導(dǎo)向路徑，并將粗紗35引導(dǎo)至適宜位置，向卷繞裝置13供給。使用上述的制造裝置，強化纖維如下來成形。參照圖1，織物25以卷(roll)的狀態(tài)安裝在卷軸33上。織物25的寬度與風(fēng)扇罩I的軸長度相等?；蛘?，也可以使寬度的總和長于軸長度，在成形后通過將兩端切斷來適合于軸長度。粗紗35準備在未圖示的卷軸上，通過頭部43的導(dǎo)向路徑。優(yōu)選織物25以及粗紗35以預(yù)先浸潰有樹脂的所謂預(yù)浸的形態(tài)供給，也可以以后浸潰樹脂?？椢?5從卷軸33拉出后，使其一端貼在心軸7的周面S上。接著，通過馬達19的驅(qū)動使心軸7旋轉(zhuǎn)一周以上，從而使織物25沿圓周方向卷繞在心軸7的周圍?？椢?5可以多于一層，可以是多層。接著，參照圖2，以粗紗35的一端與織物25的層的一端對齊的方式定位頭部43，使粗紗35的一端貼在該一端上。接著，在使心軸7持續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時，使頭部43向另一端移動，從而以形成螺旋的方式將粗紗35卷繞在織物25的層的周圍。如圖3所示，卷繞后的粗紗35的方向與圓周方向極為接近，但是由于形成螺旋，因此相對于圓周方向稍微具有傾斜角β。也就是，相對于圓周方向的傾斜角β稍微超過0°。從耐沖擊性或者沖擊吸收能的觀點，小的傾斜角β是有利的，因此螺旋優(yōu)選無間隙的緊密形態(tài)。或者，換言之，傾斜角β優(yōu)選不足10°。而且，粗紗35可以多于一層而為多層。 卷繞織物的工序和卷繞粗紗的工序也可以是與上述相反的順序。為了得到必要的厚度，反復(fù)進行與上述同樣的工序，從而得到織物和粗紗相互層疊而成的前驅(qū)體1F。而且，在上述的說明中，通過使心軸旋轉(zhuǎn)來卷繞織物或者粗紗，但也可以使心軸固定，在其周圍使卷軸、粗紗供給裝置轉(zhuǎn)動。例如，使心軸垂直豎立，通過在其周圍配置使裝置轉(zhuǎn)動的單元，由此能夠?qū)崿F(xiàn)該方法。在上述的工序之后，將前驅(qū)體IF與心軸7 —同從支撐體15取下。在織物25以及粗紗35中預(yù)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于前驅(qū)體IF中?；蛘?，也可以通過使前驅(qū)體IF全部浸泡在樹脂中來使樹脂浸潰于前驅(qū)體中。
前驅(qū)體IF保持卷繞在心軸7周圍的狀態(tài)被加熱。優(yōu)選利用適宜的加熱爐。也可以通過利用高壓鍋這樣的爐并組合適宜的加壓來實施加熱。通過加熱，樹脂固化，織物與粗紗通過樹脂相互結(jié)合，得到包含纖維強化塑料的風(fēng)扇罩49。如有需要，實施適宜的精加工。如圖8所示，在風(fēng)扇罩49中，源自織物的第一層51和源自粗紗的第二層53相互層疊。如上所述，優(yōu)選在第一層51中強化纖維相對于圓周方向形成2(Γ70°的傾斜角，在第二層53中強化纖維相對于圓周方向形成超過0°且10°以下的傾斜角。無論強度、耐沖擊性以及沖擊吸收能的哪一個觀點，強化纖維在包括圓周方向的多個方向上走線都是有利的。根據(jù)上述的實施方式，至少在源自粗紗的層中，強化纖維在大致圓周方向走線。而且，在與該層相鄰的源自織物的層中，強化纖維在其它方向走線。因此，通過將兩者組合，能夠得到優(yōu)異的強度、耐沖擊性以及沖擊吸收能。由于織物沒有必要包含在圓周方向走線的強化纖維，因此在圓周方向能夠確保伸縮性，而且由于粗紗本來就能夠卷繞在各種形狀上，因此，根據(jù)上述的方法，能夠成形為筆直的圓筒形以外的各種形狀。也就是，上述的方法能夠?qū)崿F(xiàn)空氣力學(xué)上有利的形狀。上述制造方法以及制造物除了適用于風(fēng)扇罩，也能夠適用于其它圓筒結(jié)構(gòu)體。例如，能夠適用于航空宇宙領(lǐng)域的包圍推進裝置的部件，尤其是火箭引擎的馬達罩。而且不限于推進裝置，能夠適用于具有耐撞擊目的的各種機械部件。通過適宜的實施方式說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限定于上述實施方式?；谏鲜龉_內(nèi)容，具有該技術(shù)領(lǐng)域的通常技術(shù)的人員能夠通過實施方式的修改或者變形來實施本發(fā)明。產(chǎn)業(yè)上的可利用性能夠制造具有充分的沖擊吸收能、并且具有空氣力學(xué)上有利的形狀的風(fēng)扇罩或者馬達罩這樣的圓筒結(jié)構(gòu)體。
權(quán)利要求
1.一種制造具有軸向的圓筒結(jié)構(gòu)體的方法，其特征在于，包括 使包含在相對與所述軸向正交的圓周方向交叉的第一方向取向的第一強化纖維的織物沿所述圓周方向卷繞在心軸的周圍； 使包含在其長度方向取向的第二強化纖維的粗紗以螺旋形卷繞在所述心軸的周圍； 通過樹脂使所述織物和所述粗紗結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述第一方向相對于所述圓周方向具有20至70度的傾斜角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述螺旋形相對于所述圓周方向具有超過O度且10度以下的傾斜角。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述樹脂預(yù)先浸潰于所述織物中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述樹脂預(yù)先浸潰于所述粗紗中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 還包括使所述樹脂浸潰于所述織物和所述粗紗中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述織物包含無卷曲織物。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 所述織物不包含相對于所述圓周方向的傾斜角不足10度的纖維。
9.一種整流罩，是具有軸向的圓筒結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 是具備第一層、第二層以及將所述第一層和所述第二層結(jié)合的樹脂的整流罩部件，其中的第一層具備包含在相對與所述軸向正交的圓周方向交叉的第一方向取向的第一強化纖維的織物，第二層具備包含在其長度方向取向的第二強化纖維并且成為螺旋形的粗紗。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓筒結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述第一方向相對于所述圓周方向具有20至70度的傾斜角。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述圓筒結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述螺旋形相對于所述圓周方向具有超過O度且10度以下的傾斜角。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓筒結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述織物包含無卷曲織物。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓筒結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述織物不包含相對于所述圓周方向的傾斜角不足10度的纖維。
全文摘要
一種制造具有軸向的圓筒結(jié)構(gòu)體的方法，包括使包含在相對與所述軸向正交的圓周方向交叉的第一方向取向的第一強化纖維的織物卷繞在心軸的周圍；使包含在其長度方向取向的第二強化纖維的粗紗以螺旋形卷繞在所述心軸的周圍；通過樹脂使所述織物和所述粗紗結(jié)合。
文檔編號B29K105/08GK102725130SQ20108005172
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者原田敬, 宮下雅賴, 村上務(wù), 重成有 申請人:Ihi空間技術(shù)株式會社, 株式會社Ihi