圆筒结构体及其制造方法

专利名称：圆筒结构体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及航空宇宙领域的推进装置，尤其涉及喷气引擎的风扇罩、火箭引擎的马达罩这样的包含纤维强化塑料的圆筒结构体及其制造方法。
背景技术：
关于航空器的喷气引擎，作为一个例子，外部气体被风扇吸入，被压缩机压缩，在燃烧器内用于燃料的燃烧。所产生的能量的一部分通过涡轮抽出后，燃烧气体从引擎后部的喷嘴向后方排出。喷气引擎的整体通常被称作引擎机舱(nacelle)的进行了空气力学上的设计的壳体包围并支撑。引擎机舱整体非常大，而且所要求的强度等特性根据引擎机舱的部位而不同，因此，引擎机舱典型性地是分割成风扇罩、核心整流罩(core cowl)等多个整流罩部件来制造。各整流罩部件根据所要求的特性以及空气力学上的形状被设计为最佳。 例如对于风扇罩而言，由于不需要耐热性，因此没有必要一定适用金属。于是，出于轻量化的目的，正在研究适用纤维强化塑料取代金属来作为风扇罩的原料。相关技术在美国专利申请公开2009/0098337号中公开。根据该技术，通过将由强化纤维构成的织物卷绕在圆筒形的工具上来形成前驱体，由该前驱体来制造圆筒形的纤维强化塑料体。另一方面，对于风扇罩，重要的特性是冲击吸收能。例如当内部的部件发生破损并以高速撞击风扇罩时，如果该部件保持高速脱离至外部，则很有可能将其它的结构部件也破坏。也就是，对于风扇罩，阻止该部件飞出至外部或者将其运动能量充分吸收是有必要的。

发明内容
根据本发明人的研究，不仅仅是纤维强化塑料的厚度，强化纤维的取向也对冲击吸收能产生强烈影响。为了使包含强化纤维的前驱体高效形成为充足的厚度，上述的相关技术这样的将织物卷绕在工具上的方法是适宜的。而且，考虑到冲击吸收能，优选织物中所含的强化纤维中的相当的部分在圆周方向上取向。但是，如果考虑到风扇罩所要求的空气力学上的形状，则会产生问题。其原因是由于强化纤维基本不伸缩，因此在圆周方向上取向的情况下，不能将织物无褶皱地卷绕在笔直的圆筒形以外的工具上。如果使风扇罩所要求的空气力学上的形状优先，则必须排除圆周方向的强化纤维，由此必须接受冲击吸收能等特性的恶化。本发明是鉴于该问题点而做出的发明。根据本发明的第一方案，制造具有轴向的圆筒结构体的方法包括使包含在相对与所述轴向正交的圆周方向交叉的第一方向取向的第一强化纤维的织物沿所述圆周方向卷绕在心轴的周围；使包含在其长度方向取向的第二强化纤维的粗纱以螺旋形卷绕在所述心轴的周围；通过树脂使所述织物和所述粗纱结合。根据本发明的第二方案，具有轴向的圆筒结构体具备第一层、第二层以及将所述第一层和所述第二层结合的树脂，其中的第一层具备包含在相对与所述轴向正交的圆周方向交叉的第一方向取向的第一强化纤维的织物，第二层具备包含在其长度方向取向的第二强化纤维并且成为螺旋形的粗纱。


图I是本发明一实施方式的制造方法中利用的装置的概要立体图。图2是所述装置的另一立体图，表示所述制造方法的某个阶段。图3是表示无卷曲织物的一个例子的示意性俯视图。图4是表示卷绕粗纱的工序的俯视图。图5是所述装置的又一其它立体图。
图6是所述装置中包含的卷绕装置的侧视图，表示心轴的剖面。图7是包括通过所述制造方法制造的风扇罩的喷气引擎的示意性立面图。图8是所述制造方法制造的制造物的沿轴向剖面的例子。
具体实施例方式以下，针对本发明的实施方式，参照附图进行说明。为了便于说明，在附图中显示为L、R的方向分别表述为左向、右向，显示为FR、FF的方向分别表述为后向、前向，但是，这些表述对于本发明是非限定性的。本实施方式的制造方法能够适用于作为一个例子在图7中示出的航空器的喷气引擎的风扇罩的制造。引擎3大体具备引擎主体和包围着引擎主体进行支撑的引擎机舱，弓丨擎主体具备风扇5。引擎机舱包括多个整流罩部件，各个整流罩部件在轴的周围实质上对称。整流罩部件中，包围风扇5的部件是风扇罩I。风扇罩I大体为近似于圆筒形状的形状，是根据空气力学上的观点设计的非笔直的圆筒形状。在图7的例子中，风扇罩I在接近风扇5的部位Ia是平缓的锥形形状，在其它部位是基本笔直的圆筒形状，在轴向两端具有凸缘部。当然，本实施方式对于其它形状也能够适用。如上所述，不能将无伸缩性的织物无褶皱地成形为部位Ia的锥形形状。风扇罩I包含适宜的纤维强化塑料，以下详细说明，通过成形强化纤维并使树脂浸溃于强化纤维中然后进行固化来制造。作为强化纤维，适宜为碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维、或者它们中一种以上的混合物，但是不一定限定为它们。作为树脂，例如适宜为热固化性树脂，尤其能够例举环氧树脂、酚醛树脂以及聚酰亚胺树脂，但是不一定限定为它们。强化纤维以织物形态和束状形态的组合来使用，分别在特定的方向上取向，然后使它们相互层叠。强化纤维利用图I至图6所举例说明的制造装置通过卷绕在心轴上来成形，构成风扇罩I的前驱体1F。参照图5，制造装置具备卷绕装置13。卷绕装置13具备心轴7，心轴7由旋转轴17支撑，所述旋转轴17可转动地被支撑体15支撑。而且，卷绕装置13具备马达19，马达19与主动传动装置21连接，主动传动装置21和连接在旋转轴17上的从动传动装置23驱动性配合，从而通过马达19的驱动使心轴7绕轴旋转。支撑体15优选具有能够上下分离的结构等容易进行心轴7的装卸的结构。如图6所示，心轴7具备周面S，所述周面S具有适合于风扇罩I的形状、也就是根据空气力学观点设计的非笔直的圆筒形状的成形的外形，强化纤维通过卷绕在心轴7的周围成形为风扇罩I的形状。而且，心轴7能够分割为主体9和凸缘11，通过分割，能够取下成形后的强化纤维。强化纤维以织物25的形态进行供给。织物25优选图3中示意性表示的无卷曲织物。所谓无卷曲织物，并非定义为与该领域人员所知的通常含义不同的含义，而是指主要的纤维以相互不交叉的方式织成的织物。在图示的例子中，主纤维45、47相对于织物长度方向(与成形后的圆周方向一致)的倾斜角α分别为45°、-45°。这些主纤维45、47通过细丝缝合。或者也能够利用平纹织物、斜纹组织的织物、斜路纹织物的某一种来取代无卷曲织物。并且，还可以组合利用它们中的两种以上。为了确保长度方向的伸缩性，优选在具有实质含义的程度上对主纤维赋予相对于圆周方向交叉的倾斜角α。纤维的倾斜角α优选为2(Γ70°，更优选为3(Γ60°。而且优选织物25的至少主纤维不包含倾斜角不足10°的纤维。
参照图5，制造装置具备用于向卷绕装置13供给包含强化纤维的织物的供给装置。供给装置具备用于备有强化纤维的卷轴33，卷轴33可转动地被台架29上的支撑体31支撑。支撑体31优选具有能够上下分离的结构等容易装卸卷轴33的结构。而且支撑体31优选具有能够改变其宽度的结构，以便能够安装各种宽度的卷轴。而且，强化纤维也以束状形态供给。作为束状形态，优选能够利用粗纱(roving)。所谓粗纱，并非定义为与该领域人员所知的通常含义不同的含义，而是指未被捻合或者略有捻合的、成束的多个纤维。也就是，纤维在粗纱的长度方向取向。粗纱35的纤维的原料可以是与织物25的纤维相同，也可以为其它种类。为了引导粗纱35，制造装置还具备引导装置37。引导装置37例如配置在相对于卷绕装置13而与供给装置相反的一侧。引导装置37具备台架39、安放在台架39上的导轨41、通过导轨引导并能够在宽度方向移动的头部43。虽然没有进行图示，但头部43由促动器驱动，在宽度方向移动。如图所示，头部43具备引导粗纱35的导向路径，并将粗纱35引导至适宜位置，向卷绕装置13供给。使用上述的制造装置，强化纤维如下来成形。参照图1，织物25以卷(roll)的状态安装在卷轴33上。织物25的宽度与风扇罩I的轴长度相等。或者，也可以使宽度的总和长于轴长度，在成形后通过将两端切断来适合于轴长度。粗纱35准备在未图示的卷轴上，通过头部43的导向路径。优选织物25以及粗纱35以预先浸溃有树脂的所谓预浸的形态供给，也可以以后浸溃树脂。织物25从卷轴33拉出后，使其一端贴在心轴7的周面S上。接着，通过马达19的驱动使心轴7旋转一周以上，从而使织物25沿圆周方向卷绕在心轴7的周围。织物25可以多于一层，可以是多层。接着，参照图2，以粗纱35的一端与织物25的层的一端对齐的方式定位头部43，使粗纱35的一端贴在该一端上。接着，在使心轴7持续旋转的同时，使头部43向另一端移动，从而以形成螺旋的方式将粗纱35卷绕在织物25的层的周围。如图3所示，卷绕后的粗纱35的方向与圆周方向极为接近，但是由于形成螺旋，因此相对于圆周方向稍微具有倾斜角β。也就是，相对于圆周方向的倾斜角β稍微超过0°。从耐冲击性或者冲击吸收能的观点，小的倾斜角β是有利的，因此螺旋优选无间隙的紧密形态。或者，换言之，倾斜角β优选不足10°。而且，粗纱35可以多于一层而为多层。 卷绕织物的工序和卷绕粗纱的工序也可以是与上述相反的顺序。为了得到必要的厚度，反复进行与上述同样的工序，从而得到织物和粗纱相互层叠而成的前驱体1F。而且，在上述的说明中，通过使心轴旋转来卷绕织物或者粗纱，但也可以使心轴固定，在其周围使卷轴、粗纱供给装置转动。例如，使心轴垂直竖立，通过在其周围配置使装置转动的单元，由此能够实现该方法。在上述的工序之后，将前驱体IF与心轴7 —同从支撑体15取下。在织物25以及粗纱35中预先未浸溃有树脂的情况下，通过在此处从外部注入树脂来使树脂浸溃于前驱体IF中。或者，也可以通过使前驱体IF全部浸泡在树脂中来使树脂浸溃于前驱体中。
前驱体IF保持卷绕在心轴7周围的状态被加热。优选利用适宜的加热炉。也可以通过利用高压锅这样的炉并组合适宜的加压来实施加热。通过加热，树脂固化，织物与粗纱通过树脂相互结合，得到包含纤维强化塑料的风扇罩49。如有需要，实施适宜的精加工。如图8所示，在风扇罩49中，源自织物的第一层51和源自粗纱的第二层53相互层叠。如上所述，优选在第一层51中强化纤维相对于圆周方向形成2(Γ70°的倾斜角，在第二层53中强化纤维相对于圆周方向形成超过0°且10°以下的倾斜角。无论强度、耐冲击性以及冲击吸收能的哪一个观点，强化纤维在包括圆周方向的多个方向上走线都是有利的。根据上述的实施方式，至少在源自粗纱的层中，强化纤维在大致圆周方向走线。而且，在与该层相邻的源自织物的层中，强化纤维在其它方向走线。因此，通过将两者组合，能够得到优异的强度、耐冲击性以及冲击吸收能。由于织物没有必要包含在圆周方向走线的强化纤维，因此在圆周方向能够确保伸缩性，而且由于粗纱本来就能够卷绕在各种形状上，因此，根据上述的方法，能够成形为笔直的圆筒形以外的各种形状。也就是，上述的方法能够实现空气力学上有利的形状。上述制造方法以及制造物除了适用于风扇罩，也能够适用于其它圆筒结构体。例如，能够适用于航空宇宙领域的包围推进装置的部件，尤其是火箭引擎的马达罩。而且不限于推进装置，能够适用于具有耐撞击目的的各种机械部件。通过适宜的实施方式说明了本发明，但是本发明不限定于上述实施方式。基于上述公开内容，具有该技术领域的通常技术的人员能够通过实施方式的修改或者变形来实施本发明。产业上的可利用性能够制造具有充分的冲击吸收能、并且具有空气力学上有利的形状的风扇罩或者马达罩这样的圆筒结构体。
权利要求
1.一种制造具有轴向的圆筒结构体的方法，其特征在于，包括 使包含在相对与所述轴向正交的圆周方向交叉的第一方向取向的第一强化纤维的织物沿所述圆周方向卷绕在心轴的周围； 使包含在其长度方向取向的第二强化纤维的粗纱以螺旋形卷绕在所述心轴的周围； 通过树脂使所述织物和所述粗纱结合。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述第一方向相对于所述圆周方向具有20至70度的倾斜角。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述螺旋形相对于所述圆周方向具有超过O度且10度以下的倾斜角。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述树脂预先浸溃于所述织物中。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述树脂预先浸溃于所述粗纱中。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 还包括使所述树脂浸溃于所述织物和所述粗纱中。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述织物包含无卷曲织物。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 所述织物不包含相对于所述圆周方向的倾斜角不足10度的纤维。
9.一种整流罩，是具有轴向的圆筒结构体，其特征在于， 是具备第一层、第二层以及将所述第一层和所述第二层结合的树脂的整流罩部件，其中的第一层具备包含在相对与所述轴向正交的圆周方向交叉的第一方向取向的第一强化纤维的织物，第二层具备包含在其长度方向取向的第二强化纤维并且成为螺旋形的粗纱。
10.根据权利要求9所述的圆筒结构体，其特征在于， 所述第一方向相对于所述圆周方向具有20至70度的倾斜角。
11.根据权利要求9所述圆筒结构体，其特征在于， 所述螺旋形相对于所述圆周方向具有超过O度且10度以下的倾斜角。
12.根据权利要求9所述的圆筒结构体，其特征在于， 所述织物包含无卷曲织物。
13.根据权利要求9所述的圆筒结构体，其特征在于， 所述织物不包含相对于所述圆周方向的倾斜角不足10度的纤维。
全文摘要
一种制造具有轴向的圆筒结构体的方法，包括使包含在相对与所述轴向正交的圆周方向交叉的第一方向取向的第一强化纤维的织物卷绕在心轴的周围；使包含在其长度方向取向的第二强化纤维的粗纱以螺旋形卷绕在所述心轴的周围；通过树脂使所述织物和所述粗纱结合。
文档编号B29K105/08GK102725130SQ20108005172
公开日2012年10月10日 申请日期2010年11月5日 优先权日2009年11月6日
发明者原田敬, 宫下雅赖, 村上务, 重成有 申请人:Ihi空间技术株式会社, 株式会社Ihi