JPH0285096A - 繊維強化のプロペラ羽根 - Google Patents

繊維強化のプロペラ羽根

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JPH0285096A
JPH0285096A JP1202257A JP20225789A JPH0285096A JP H0285096 A JPH0285096 A JP H0285096A JP 1202257 A JP1202257 A JP 1202257A JP 20225789 A JP20225789 A JP 20225789A JP H0285096 A JPH0285096 A JP H0285096A
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JP
Japan
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fiber
rotor
reinforced
propeller blade
shaft
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JP1202257A
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Herbert Merz
ヘルベルト・メルツ
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Publication date
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  • Textile Engineering (AREA)
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  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、本質的に半径方向に走る複数の繊維紐により
囲まれている羽根コアを有し、繊維紐が環状に巻き付く
引張ボルトと半径方向にロータまで延びているロータに
固定されたシャフトを備える固定部を有する繊維で強化
された材料製の繊維技術のプロペラ羽根に関する。
〔従来技術〕
DB−O31628286により軸流送風翼(Axia
lgeblastfjigel)が知られて°おり、こ
の軸流送風翼は半径方向のロータに固定されたシャフト
の孔(13ohrung)の中に設置されている。そこ
に示された角度可変の軸受によって翼を水平に回転する
ことを、自由に、即ち遠心力の場における曲げ応力無し
に達成することができる。それ故曲げ応力を支持する為
のフランジはない。推進を与える(νortriebl
iefernde)プロペラ羽根用にこの構造は不適当
である。それと云うのも、空気力学的な気体剪断力の下
で軸受がはずれ、プロペラのアンバランス又はフラッタ
振動(Llnwucht bzw、 Flatters
chwingungen)が生ずるからである。
曲げに強< (biegestarr)軸受された・高
いバイパス比(Bypass−VerhMltn is
)を有する最新のエンジンの羽根は、重量を極力減らす
ために繊維で強化された合成樹脂で作られている。これ
は、高いロータ回転数とその結果として生ずる高い遠心
力負荷及び空気力学的気体推進力(Gasshubkr
Mf ten)のために、前から飛んでくる例えば鳥の
ような異物体が羽根板(ShaufelblMtter
)に当たるとき、これは問題である。その際、従来のプ
ロペラ羽根及びその固定装置によっては決して生ずるこ
とがなかった高い曲げ荷重(Biegebelastu
ngen)が生ずる。
A11−PS 249847  により知られている既
知の装置は、1枚のロータ羽根が、ボス足板(Nabe
nfu(3pIatte)を通して半径方向に取り付け
られた若干の引張ねじ(Zugshurauben)に
よって固定されている。
この装置の欠点は、足板フランジ(Fu[3platt
enf 1anshe)を湾曲させることによってのみ
引張力が吸収されることである。付加的に作用する曲げ
モーメント及びねじりモーメントはその固定部(Bef
estigung)を介して吸収され、それによってL
CF (10w cycle fatigue)(低サ
イクル疲れ)及びHCF (high cycle f
atigue )C高サイクル疲れ)(7Ml現象が発
生する。その際、繊維で強化された材料の場合、曲げら
れる積層材(Laminate)が層間剥離の危険を及
ぼされる(delaminationsgefahrd
et)という不利な欠陥が発生する。荷重を支える横断
面は更に僅かであり、螺子に点状の荷重伝達部化ast
jibertragung)が発生し、そのとき、螺子
が不利に引っ張られ、また繊維材料が圧縮される。固定
部が破壊されると、約15トンの荷重の羽根が飛び去る
ので、これは、大惨事の破壊が発生しないように、破裂
防止処置によって捕らえられなければならない。
論文「複合プロペラ、賛否両輪(Composite 
Pr。
pellers、 Some Pros and Ca
n5)J定期刊行物、航空宇宙工学(Aerospac
e Bngineering) 、1986年5月によ
り、別の装置が知られている。この装置の本質は、総て
のプロペラ軸が締め付は装置によってボスに固定的に結
合されていることにある。この装置の場合、遠心力及び
曲げ力(Biegakriift)は、積層材の剪断部
(Lam inate−3hubbeanspruch
ung)としてのその力導入部を介して、即ち複合材料
の繊維ではなく、樹脂を介して伝達される。
別の装置が、DB−PS 672645により知られて
いる。ここでは、遠心力は、挿入された鋼製抗張材(S
tahlzuganker)を介して木材積層材(Ho
lzlam+nat)からボス足板に導かれる。しなや
かな繊維で強化されたロータ乃至はプロペラ羽根のため
に、この解決策は適当ではない。
他の既知の装置が、DB−O32832098に記載さ
れている。ここで、遠心力と曲げ力は、相互に半径方向
の鋼製抗張材を介して吸収される。抗張材は剪断ボルト
に斜めに接合され、該剪断ボルトはボスノサンドイッチ
積層材被覆(Sandw ich−Lam+ nat−
BeMutung)を通して垂直に導かれている。この
場合、総ての負荷は、軸受、即ち圧縮応力部又は剪断応
力部を介して積層品から剪断ボルトに導かれる。これは
、繊維技術的に不利な力の導入部であり、また負荷経路
が不静定である(lastpfadredundant
)  。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、適当な固定部によって遠心力のみなら
ず、1つの固定部の破損(Versagen)のとき、
ブレードの流れ去ることが 他の固定部への負荷の置き
換えによって妨げられろクリダンダンシイ(Redun
dancy) )ように前記ロータ羽根を形成すること
である。同時に異物体に行き突き当たるとき、総てのロ
ータブレードが引きちぎれることが妨げられなければな
らない。特に、重い足部は、ボスに結合したままに留ま
らなければならない。
結局は極力重量を減らすことが行われなければならない
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は、本発明にしたがって、本質的に半径方向
に走る繊維紐により囲まれている羽根コアを有し、繊維
紐が環状に巻き付く引張ボルトと半径方向にロータまで
延びているロータに固定されたシャフトを備える固定部
を有する繊維で強化された材料製プロペラ羽根において
、ロータ(3)に固定されたシャフト (10)に、半
径方向に走る繊維紐(5,6,7)が巻き付いており、
繊維紐(5,6,7)は外被(12)で覆われており、
核外波のロータ(3)への移行領域は、羽根平面に対し
て本質的に垂直に配列されたロータ(3)に固定される
フランジ(13)を形成するように成形されていること
によって解決される。
本発明の利点は、プロペラ羽根の主引張力(遠心力)の
伝わる繊維紐が引張中自由に負荷され、何処も遮断され
ないことにある。
これによって、繊維材料によって伝えることができる高
い力を最大限に利用することを達成することができる。
したがって特に羽根の固定部の領域において、またブレ
ードの中央部(Blattmitte)において、繊維
に適した(fasergerechte)力の案内を達
成することができる。曲げモーメント及び捻じれモーメ
ントによって生ずる負荷が、有利に主に外皮によって受
けられ、有利なてこの腕(Hebelarme)によっ
てロータの上に形成されているフランジに伝えられる。
それによって、主に負荷される繊維紐のシャフト(Fa
serstrang−3haf t)は、それにとって
好ましくない負荷の種類がら守られる。更に、二重の固
定部があるので、両固定部の強制破壊(Gewaltb
ruch)又は疲れ破壊(Dauerbruch)によ
り二重の固定部が破壊される場合、−時的に他の固定部
により羽根の力が受けられるので、プロペラ羽根が取ら
れないこととなる。
異物体の突き当たるとき、この装置は、いかなる場合も
重い羽根足部がロータに残り、比較的小さな軽い部分の
みが引き離されることを更に保証する。これは、破裂防
止装置(Berstschutzeinr ichtu
ngen)が破片を捕まえることを容易に実施すること
ができるという利点を有する。結局、この装置は、例え
ば羽根コアがより小さな密度の材料で構成されるとき、
プロペラ羽根の重量の減少を可能にする。
本発明の好ましい別の構成において、環状のフランジが
、複数の半径方向の螺子によってロータと結合されてい
る。これは、簡単なしかも速いプロペラ羽根のロータへ
の固定を可能にする。
二物択−的に、例えば引張殻(Spannschell
en)、■バンド(Vander)等のようなあらゆる
他の適当な引張力を伝える手段を備えることができる。
本発明の別の構成は、引張ボルト (Zugbolze
n)が、羽根の縦断面の弦(Shaufelprof 
1lsehe)の方向に真っ直ぐになっているものであ
る。それによって引張ボルトの長い構造長さ(Baul
tinge)が得られ、またそれに巻き付く繊維の管(
Paserschlaufen)の好ましい移転を可能
にする。
別の発明の構成において、引張ボルトが羽根の縦断面の
弦に対して垂直に真っ直ぐになっている。
この装置は、短い羽根足部を可能にし、それによって有
利にプロペラ調整機構(Propeller−Vers
ttel 1mechan ismus)のコンパクト
な装置が可能になる。
別の発明の好ましい構成は、羽根の縦断面の方向(Sh
aufelprof ilrichtung)のシャフ
トに挿入された横ボルトによってプロペラ羽根が固定さ
れ、該横ボルトはロータ側に設置された偏心ブシュに支
承されていることよりなる。これによって、場所を省い
た、簡単な固定を得ることができ、その場合シャフトに
巻き付ける繊維紐の初応力(vorspannung)
或いは挿入運動(Binbauspiel)を調節する
ことができる。
発明の範囲において、更にフランジとロータ間に皿状の
減衰部が設けられており、該減衰部の中央部分はシャフ
トの輪郭に適合せしめられていることが提供される。こ
れによって駆動中発生する振動が減衰され、反力を補足
的に横から支持することが可能である。補足的にシャフ
トの巻き材部の半径方向内側が傷つくことが防止される
更に発明の実施態様にしたがって、繊維紐が扇形に且つ
相互に交差して設けられている。それによって引張ボル
トにおける良好な荷重の導入部、捻じれ(Torsio
n)及び絡み合い(Verwindung)に対する羽
根の補強部(Schaufelversteifung
)及び耐衝撃性の羽根体が作られる。
更に、特に、羽根コアが剪断弾性の軽量コアとして構成
される。これによって、少ない羽根の重量及び高い曲げ
剛性が得られる。有利に羽根コアは、その間に設けられ
たシーニッケ−剪断ウエフy −(CFK−3hubv
errippungen)を有する軽量木材領域からな
る。
他の発明の好ましい構成は、外被が繊維で強化された合
成樹脂からなるものである。これによって、より良好な
引張力の伝達の場合、少ない構造重量とその下側に積層
する繊維紐との良好な結合可能性が達成される。好まし
くは、外被の繊維は、高い弾性係数を有し、それに対し
て巻き付く繊維紐が低い弾性係数を有する。これによっ
て大きな曲げ剛性及び捻じれ剛性が達成される。同時に
プロペラ羽根は耐撃性を保持され、したがって異物体が
導入された欠陥(Shiden)に対する抵抗が増す。
好ましい発明の実施態様は、内側の繊維紐が多層に(m
ehrlagig)構成されており、その場合において
、内側繊維紐の弾性係数は、他の繊維紐のそれよりも小
さい。
第1に、引張ボルトの巻き付き部(tlmschlin
gung)、即ち繊維の輪(Faserschlauf
e)の領域において、内側層の他の場合中ずる応力の卓
越(Spannungsji berhohung) 
(応力集中部)が構成され、したがって早期の羽根の破
壊が防止され、第2に、急な剛性はずみなしに剛性外側
層への曲げ剛性の有利な推移が形成される。第3に、適
当な槽維の選択によって、繊維紐の熱膨張係数が徐々に
ブレードの外被に適合せしめられる。
繊維紐−別欄(Faserstrang−3chlau
fen)の別の好ましい構成は、それ自体既知の方法で
、該別欄が、その軸方向の、即ちその組長さ方向の伸長
が、固定の又は螺子締め可能な制限装置(Begren
zungen)を介して引張される。これによって、別
欄層の軸方向の紐別欄の早期の破壊(Versagen
)となる早期の断面破壊(口uerdruckbruc
h)が避けられる。
特に、外被の繊維は、高又は中率の(modulige
n)炭素繊維からなり、これは低密度における高い剛性
の点で秀でるものである。繊維紐は、特に内側から外側
の方へガラス繊維と高い破壊応力と高いしん性を有する
p、 p’−アラミド繊維と中率の炭素繊維からなり、
外被覆への徐々の移行部を形成する。
特に、外被の繊維の弾性係数(B−Modul)は23
5−440 GPaの領域にあり、それに対して繊維紐
の弾性係数は、内側から外側に段階的に65−90 G
Pa(ガラス繊維) 、65−180 GPa (アラ
ミド繊維)及び220−440 GPa (炭素繊維)
の間にある。
〔実施例〕
次に、本発明を、添付の図面を参照して更に詳しく説明
する。図面において、 第1図は、プロペラ羽根の一部分省略断面図であり、 第2図は、第1図に示すプロペラ羽根の横断面図であり
、 第3図は、繊維紐の配置を示す略図であり、第4図は、
第3図に示すプロペラ羽根の横断面図であり、 第5図は、プロペラ羽根の別の実施態様を示す図であり
、 第6図は、第5図に示すプロペラ羽根の横断面図であり
、 第7図は、ボルト固定装置の略横断面図であり、第8図
は、ロータの羽根の横断面図であり、第9図は、第8図
に示すロータの羽根の部分断面略図であり、 第10図は、シャフト巻き付き部の図である。
第1図示の略図に、プロペラ羽根2の輪郭1が示されて
おり、プロペラ羽根2は、図示されていないプロップフ
ァンエンジン(Propfantriebwerks)
のロータ3に固定されている。プロペラ羽根2は、第2
図から分かるように、横断面楔形の羽根コア(Shau
felkern) 4からなり、該羽根コアには、複数
の繊維紐(Faserstrangen) 5.6.7
が環状に巻き付けられている。軸方向外側の繊維紐5,
7はその場合引張ボルト(Zugbolzen) 8 
、 9を取り巻き、引張ボルト8.9は半径方向内側に
延びるシャフト10に固定されている。シャフトIOは
、更にロータ3に横ボルト(Querbolzen) 
11に取り外し可能に取り付けられている。その場合繊
維紐6の中央の東はシャフト10に巻き付き、これによ
って引張ボルト8.9の全幅に殆ど破断されない繊維層
が設けられ、該繊維層は駆動中生ずる引張力の有利な導
入を可能にする。繊維紐5.6.7は、外被(Au8e
nhaut) 12によって取り巻かれており、該外被
12は全プロペラ羽根2を覆い、フランジ13を形成す
るようにロータ3の推移領域が形成されている。
詳細に図示しない固定手段14、特に螺子によって、フ
ランジ13は、ロータ3に固定されている。繊維紐5.
6.7の両側に引張フランジ(31nspannf I
anshe)18が設けられており、該フランジは繊維
紐の断面破壊を阻止する。
第3図は、本発明の実施態様を示し、その場合において
は、引張ボルト8,9は羽根の縦断面の弦の方向に真っ
直ぐになっている。中間の繊維紐6は、はぼ半径方向に
外側に置かれており、羽根コア4に巻き付いている。そ
れに対して軸方向の他の繊維紐束5.7は、扇形に置か
れている。その際、これらの3つの繊維紐束5.6.7
の繊維は、プロペラ羽根2の良好な剛性を達成するよう
に、相互に層状態に交差させられている。
第4図に、第3図示のプロペラ羽根の横断面図が示され
ており、この場合、フランジ13の遠心力をロータ3に
案内するために、固定板15には、螺子14として形成
された固定手段が設けられている。
更にロータ3とフランジ13の間に皿状の減衰部16が
設けられており、該減衰部は繊維紐6の輪郭に正確に適
合せしめられ、半径方向内側の作用に対する保護が保証
される。
第5図はプロペラ羽根の別の実施態様を示す図であり、
ボルト8′、9’を示す。軸方向の繊維紐5.7の外形
は第3図示のように扇形状である。
第6図は第5図に示すプロペラ羽根の横断面図である。
その場合、引張ボルト8′、9’の領域に繊維紐5,7
による材料の堆積が見られ、該引張ボルトはロータブレ
ード(プロペラ羽根)2をブレード面に直角な方向に支
える働きをする。
第7図は、引張ボルト11をロータ3に固定する装置を
示す。これは、ロータ3に支承された2つの偏心ブシュ
17によるもので、該偏心ブシュは、横ポルト11のあ
らゆる端を受ける。偏心ブシュ17の回転によって、横
ポルト11の孔と該被膜のフランジ13の面の間の遊び
の均等化が保証され、更に引張応力は、繊維紐について
設定され、その結果一定の初応力が得られる。図示の配
置において、偏心ブシュ17は最大の引張応力の位置に
ある。
第8図において、ロータ羽根の別の実施態様が示されて
おり、その場合、外被12により包囲されている繊維紐
がロータ3に支承された横ポルトの回りに巻き付けられ
る。外被12には、固定手段14、特に螺子がロータ3
に設けられる。第9図に示すように、横ポルト11に巻
き付ける繊維紐は半径方向にはしる。
第10図は、シャフト10の繊維紐6又は横ポルト11
の別の態様による巻き付きを詳細に示す。その場合、相
互に重なる層6a、 6b及び6Cは、内方から外方に
共に弾性係数を有する種々の繊維で構成される。
〔発明の効果〕
本発明の利点は、プロペラ羽根の主引張力(遠心力)の
伝わる繊維紐が引張中自由に負荷され、何処も遮断され
ないことにある。
これによって、繊維材料によって伝えることができる高
い力を最大限に利用することを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、プロペラ羽根の一部分省略断面図、第2図は
第1図に示すプロペラ羽根の横断面図、第3図は繊維紐
の配置を示す略図、第4図は第3図に示すプロペラ羽根
の横断面図、第5図はプロペラ羽根の別の実施態様を示
す図、第6図は第5図に示すプロペラ羽根の横断面図、
第7図はボルト固定装置の略横断面図、第8図はロータ
の羽根の横断面図、第9図は第8図に示すロータの羽根
の部分断面略図、第10図はシャフト巻き付き部を示す
図である。 1・・・・・・輪郭、2・・・・・・プロペラ羽根、3
・・・・・・ロータ、4・・・・・・羽根コア、5,6
.7・・・・・・繊維紐、6a・・・・・・ガラス繊維
、6b・・・・・・p、 p’ −アラミド繊維、6c
・・・・・・炭素繊維、8,9・・・・・・引張ボルト
、8′9′・・・・・・引張ボルト、10・・・・・・
シャフト、11・・・・・・横ポルト、12・・・・・
・外被、13・・・・・・フランジ、14・・・・・・
螺−7′/ Lムー

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)本質的に半径方向に走る複数の繊維紐により囲ま
    れている羽根コアを有し、繊維紐が環状に巻き付く引張
    ボルトと半径方向にロータまで延びているロータに固定
    されたシャフトを備える固定部を有する繊維で強化され
    た材料製プロペラ羽根において、ロータ(3)に固定さ
    れたシャフト(10)に、半径方向に走る繊維紐(5、
    6、7)が巻き付いており、繊維紐(5、6、7)は外
    被(12)で覆われており、該外被のロータ(3)への
    移行領域は、羽根平面に対して本質的に垂直に配列され
    たロータ(3)に固定されるフランジ(13)を形成す
    るように成形されていることを特徴とする繊維強化のプ
    ロペラ羽根。
  2. (2)フランジ(13)が螺子(14)によってロータ
    (3)と結合されていることを特徴とする請求項1に記
    載の繊維強化のプロペラ羽根。
  3. (3)引張ボルト(8′、9′)が羽根の縦断面の弦の
    方向に真っ直ぐになっていることを特徴とする請求項1
    又は2のいずれかに記載の繊維強化のプロペラ羽根。
  4. (4)引張ボルト(8、9)が羽根の縦断面の弦に対し
    て垂直に真っ直ぐになっていることを特徴とする請求項
    1又は2のいずれかに記載の繊維強化のプロペラ羽根。
  5. (5)プロペラ羽根が羽根の縦断面の方向にシャフト(
    10)内に挿入された横ボルト(11)によってロータ
    に固定されており、横ボルト(11)はロータ側に設置
    された偏心ブシュ(17)に支承されていることを特徴
    とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の繊維強化
    のプロペラ羽根。
  6. (6)フランジ(13)とロータ(3)間に皿状の減衰
    部(16)が設けられており、該減衰部の中央部分はシ
    ャフト(10)の輪郭に適合せしめられていることを特
    徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の繊維強化の
    プロペラ羽根。
  7. (7)繊維紐(5、6、7)が扇形に且つ相互に交差し
    て設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のい
    ずれか一項に記載の繊維強化のプロペラ羽根。
  8. (8)羽根コア(4)が剪断弾性の軽量構造の芯である
    ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載
    の繊維強化のプロペラ羽根。
  9. (9)外被(12)が繊維で強化された合成樹脂からな
    ることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の
    繊維強化のプロペラ羽根。
  10. (10)外被(12)の繊維が高い弾性係数を有し、内
    側にある繊維紐(5、6、7)が低い弾性係数を有する
    ことを特徴とする請求項9に記載の繊維強化のプロペラ
    羽根。
  11. (11)繊維紐(5、6、7)が少なくとも2層からな
    り、使用された繊維の縦弾性係数が内側から外側の方に
    増加することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに
    記載の繊維強化のプロペラ羽根。
  12. (12)複数の繊維と繊維紐(5、6、7)のマトリッ
    クスが、耐衝撃性結合部を生成するように形成されてい
    ることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載
    の繊維強化のプロペラ羽根。
  13. (13)外被(12)の足部領域(13)が曲がりばね
    として形成されていることを特徴とする請求項10に記
    載の繊維強化のプロペラ羽根。
  14. (14)外被(12)の足部領域(13)が間に形成さ
    れた低い弾性係数の繊維層を有することを特徴とする請
    求項10に記載の繊維強化のプロペラ羽根。
  15. (15)外被(12)が本質的に炭素繊維で強化された
    合成樹脂からなり、該合成樹脂は腐食層で囲まれている
    ことを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の
    繊維強化のプロペラ羽根。
  16. (16)繊維性紐(5、6、7)がガラス繊維(6a)
    、p,p′−アラミド繊維(6b)及び炭素繊維(6c
    )からなり、それらの繊維は合成樹脂マトリックスと置
    き換えられていることを特徴とする請求項1乃至15の
    いずれかに記載の繊維強化のプロペラ羽根。(17)繊
    維紐(5、6、7)の羽根領域が横の固定部を有するこ
    とを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一項に記載
    の繊維強化のプロペラ羽根。
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