JP2001241397A - ファンデカプラを有するターボファンエンジン用のファンケース - Google Patents

ファンデカプラを有するターボファンエンジン用のファンケース

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ファン動翼離脱事故中にファンロータが旋回
でき動翼破片がファン平面を後方に出るようなファンケ
ース。 【解決手段】 ロータディスク（１４）に装着した複数
のファン動翼（１８）を含むファン（１２）と、所定荷
重に応じて破損するデカプラ（４４）とを有するターボ
ファンエンジン（１０）用のファンケース（２２）が、
実質的に環状の殻（４６）を含み、この殻は前部（４
８）と中間部（５０）と後部（５２）とを有する。ファ
ンケース（２２）はさらに、中間部（５０）の前端に形
成した後ろ向き段部（６０）を含み、動翼破片が前方に
射出されるのを防止する。中間部（５０）はファン（１
２）と軸方向位置に関して整合しておりそして大きな内
径を有する。従って、中間部（５０）はファン動翼（１
８）の周囲に環状空間を画成しており、この環状空間
は、デカプラ（４４）が破損した時ファン（１２）が旋
回し得るほど大きい。中間部（５０）と後部（５２）は
半径方向位置に関して整合しており、これにより、動翼
破片の後方射出を可能にし、２次動翼破損を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は一般的にはターボファンガスタ
ービンエンジンに関し、特にこのようなエンジン用のフ
ァンケースに関する。
【０００２】飛行中の航空機に動力を与えるために使用
されるターボファンガスタービンエンジンは、通例、直
流連通をなすファンと、低圧圧縮機またはブースタと、
高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービ
ンとを含んでいる。燃焼器により燃焼ガスが発生して高
圧タービンに導かれ、そこで膨張して高圧タービンを駆
動し、次いで低圧タービンに導かれ、そこでさらに膨張
して低圧タービンを駆動する。高圧タービンは第１ロー
タ軸を介して高圧圧縮機に連結されてそれを駆動し、そ
して低圧タービンは第２ロータ軸を介してファンとブー
スタに連結されてそれらを駆動する。
【０００３】ファンには複数の周方向に相隔たるファン
動翼が含まれ、ロータディスクから半径方向外方に延在
し、ロータディスクはそれを駆動する低圧軸に連結され
ている。各ファン動翼は一般に翼形部と、動翼をロータ
ディスクに取付ける一体ダブテール根部とを有する。フ
ァンは、通常ファンフレームと呼ばれる回転不可能なフ
レームに支持装置によって回転自在に支持され、この支
持装置は通例複数の軸受と、軸受支持構造体とを含んで
いる。
【０００４】エンジン運転中、異物、例えば鳥がファン
に衝突して、ファン動翼離脱事故、すなわち、ファン動
翼の一部分または全部のロータディスクからの離脱をひ
き起こすことがまれに起こり得る。このような離脱ファ
ン動翼は、もしファンケースによって受止められなけれ
ば、エンジンから動力を受ける航空機にかなりの損傷を
もたらすおそれがある。このような損傷を防ぐために様
々な受止め装置が開発されてきた。ファン動翼受止め装
置には、伝統的に、高強度材料製の環状受止めケースが
含まれ、適当な殻の厚さを有して、衝突するファン動翼
の運動エネルギーを吸収する。さらに最近の受止め装置
は、内側および外側環状殻によって画成されたネスティ
ング域を用い、この区域内にハニカム構造体が配置され
る。加えて、衝撃材料、例えば、芳香族ポリアミド繊維
をケース構造体の周囲に巻付けることができる。動翼破
片はネスティング域内に捕捉され、こうして受止め装置
内に受止められるので、他のファン動翼とのさらなる接
触を起こさない。
【０００５】ファン動翼離脱事故によりファンロータに
大きな不均衡が発生し、その結果、損傷をひき起こすお
それのある不均衡力がファンフレームに伝達される。こ
れは特に、最近の商業用エンジンモデルの増大したファ
ン寸法に言えることである。なぜなら、ファン動翼離脱
事故中に支承されるべき不均衡荷重がますます大きくな
るからである。一解決策はデカプラをファンロータ支持
構造体に組込むことである。デカプラは、ファン動翼離
脱荷重に応じて破損しそしてファンロータがその新しい
質量中心を周回することを可能にするように設計された
脆い構造体である。これを用いると、大きな不均衡荷重
はファンフレームに伝達されない。従って、デカプラの
使用はエンジンの総合重量を効果的に減らす。なぜな
ら、ファンフレームとその関連構造体は大きな不均衡力
に耐えるほど強くする必要がないからである。
【０００６】デカプラを有するターボファンエンジン用
のファンケースは２つの独特な要件を有する。第１に、
ファンケースは、正常なエンジン運転中ファン動翼先端
と狭い運転間隙を保つとともに、ファン動翼離脱事故に
よりデカプラが破損した後ファンロータが旋回すること
を可能にしなければならない。第２要件は２次的な動翼
破片の軌道を制御することである。ファン動翼離脱事故
中、離脱動翼と、通例、離脱翼によって破断された第１
後続動翼の一部分とが、ファンケースに衝突した時破砕
する。これらの破片は、追加的な２次動翼破損を回避す
るように、ファンロータによって画成された軸平面を出
ることが望ましい。追加的な動翼破損は不均衡を増しそ
して受止め問題を悪化させる。さらに、動翼破片はファ
ン平面を後方に出ることが望ましい。こうすると、破片
はファンの下流のファン出口案内翼に衝突する。この２
次衝突は、残りの破片エネルギーを吸収するのに十分で
あるか、あるいは出口案内翼を破壊し、そして破片がフ
ァン流路を通ってエンジンの後方、すなわち、エンジン
排気の正常方向に逃れることを可能にする。いずれの結
果もファン動翼離脱事故に応じて容認し得る。しかし、
もし動翼破片がファン平面の前方に逸れると、航空機
は、特に破片がエンジン入口を完全に逃れた場合、危険
にさらされるおそれがある。
【０００７】従って、ファン動翼離脱事故中にファンロ
ータが旋回することを可能にしそして動翼破片がファン
平面を後方に出るようにするファンケースが必要であ
る。
【０００８】
【発明の概要】上述の必要に応じて、本発明は、ロータ
ディスクに装着した複数のファン動翼を含むファンと、
所定荷重に応じて破損するデカプラとを有するターボフ
ァンエンジン用のファンケースを提供し、このファンケ
ースには実質的に環状の殻が含まれ、前部と中間部と後
部とを有する。中間部はファンと軸方向位置に関して整
合しておりそして前端を有する。ファンケースはさら
に、中間部の前端に形成した後ろ向き段部を有する。
【０００９】本発明と、先行技術に対するその利点は、
添付図面と関連する以下の詳述から明らかとなろう。
【００１０】
【発明の詳述】添付図面の全図を通じて同符号は同要素
を表す。図１は高バイパス比ターボファンエンジン１０
の縦断面図である。エンジン１０はファン１２を含み、
このファンは、縦中心線１６を中心として回転し得る環
状ロータディスク１４と、このディスクから半径方向外
方に延在する複数の周方向に相隔たるファン動翼１８
（図１には１個だけを示してある）とからなる。ロータ
ディスク１４は、従来の低圧タービン（図示せず）によ
って駆動されるファン軸２０に連結されそれによって駆
動される。環状ファンケース２２がファン動翼１８の半
径方向外側に配置されそれらを囲んでいる。
【００１１】ファン１２の下流にブースタ２４が配置さ
れ、軸方向に相隔たる静翼列と動翼列を有し、動翼はブ
ースタスプールまたはブースタ軸２６に結合されてい
る。ブースタ軸２６は従来のようにロータディスク１４
の後ろ側に適当に固定されている。円錐形スピナ２８が
ロータディスク１４の前側に結合され、ファン１２に入
る空気の空気力学的流路を画成している。エンジン１０
の他の従来構造物、例えば、高圧圧縮機と燃焼器と高圧
タービンと低圧タービンは図を明瞭にするために図示し
てない。
【００１２】ファン１２は軸受支持体３２と軸受３４に
よって静止ファンフレーム３０に回転自在に支持され、
軸受３４はファン軸２０と軸受支持体３２との間に配置
されている。ファンフレーム３０は内側ハブ３６と複数
の周方向に相隔たる支柱３８とを含み、支柱３８は内側
ハブ３６と環状外側ダクト４０との間に延在する。外側
ダクト４０はファンケース２２の後縁に連接されてい
る。外側ダクト４０を通る空気流が旋回しないように、
ファン出口案内翼４２が外側ダクト４０内を半径方向に
横切って延在する。軸受支持体３２はデカプラ４４を介
して内側ハブ３６に固定されている。デカプラ４４は、
所定荷重に応じて破損するように設計された従来の脆い
構造体である。
【００１３】エンジン１０の正常運転中、周囲空気がエ
ンジン入口に吸入されそしてファン１２を通る。この空
気の第１部分がブースタ２４に導入される。この空気は
ブースタ２４と高圧圧縮機とによって圧縮される。次い
で、圧縮空気はエンジンの燃焼器に入り、そこで燃料と
混ぜられそして燃やされて高温燃焼ガスの高エネルギー
流となる。この高エネルギーガス流はまず高圧タービン
を通り、そこで膨張し、エネルギーが抽出されて高圧圧
縮機を駆動する。次いで、ガス流は低圧タービンを通
り、そこでさらに膨張しそしてエネルギーが抽出されて
ファン１２とブースタ２４を駆動する。周囲空気の第２
部分はバイパス空気流と呼ばれ、ファン１２とファン出
口案内翼４２とを通った後、外側ダクト４０を通ってエ
ンジンを出る。バイパス空気流はエンジン推力のかなり
の部分を発生する。
【００１４】しかし、ファン動翼離脱がファン１２に大
きな不均衡をひき起こした場合、デカプラ４４が破損す
る。これは、ファン１２がその新しい質量中心を周回す
ることを可能にし、そして大きな不均衡荷重がファンフ
レーム３０に伝達されることを防止する。
【００１５】図２に本発明のファンケース２２をさらに
詳細に示す。ファンケース２２は、正常なエンジン運転
中ファン動翼先端と狭い運転間隙を保つとともに、ファ
ン動翼離脱事故によりデカプラ４４が破損した後ファン
１２が旋回することを可能にする。詳述すると、ファン
ケース２２は、ファン１２を囲んでいる実質的に環状の
殻４６を含み、好ましくは金属材料製である。殻４６は
前部４８と中間部５０と後部５２とを有する。これら３
つの部分は好ましくは一体に形成され、中間部５０は前
部４８と後部５２との間にある。中間部５０はファン１
２と軸方向位置に関して整合しておりそして大きな内径
を有し、この内径は、ファン動翼１８によって定まる先
端直径より実質的に大きい。
【００１６】従って、中間部５０はファン動翼１８の周
囲に深い環状空間を画成しており、以後この空間をロー
タオービット空間と呼ぶ。以下に詳述するように、ロー
タオービット空間は、デカプラ４４が破損した場合にフ
ァン１２が旋回し得るほど大きい。ロータ軌道空間には
軽量の脆い充填材料５４が充填されており、ファン流路
境界を画成し、そして正常なエンジン運転中狭い翼端間
隙を保つ。充填材料５４は、１層の従来の摩耗可能な材
料５６で覆われた１層のハニカム形材料５５（例えばア
ルミニウムまたはアルミニウム合金）を含み得る。中間
部５０は、好ましくは、ファンケース２２の他部より大
きな壁厚を有する。こうすると、ファンケース２２の中
間部５０は、動翼破片を受止めるのに十分な強度を有す
る。
【００１７】ファンケース２２の後部５２は中間部５０
の大きな内径と同じ内径を有して連続内面を画成してい
る。流路境界は、後部５２に取付けた従来の防音パネル
５８あるいはなんらかの他の軽量脆性構造体によって維
持される。
【００１８】後ろ向き段部６０がファンケース２２に、
前部４８と中間部５０との継目に、あるいは換言すると
中間部５０の前端に形成されている。すなわち、後ろ向
き段部６０は、ファン１２によって画成される平面の直
前に位置している。
【００１９】後ろ向き段部６０は環状フランジの形状を
なし、筒形表面を画成する半径方向内縁を有する。この
筒形表面は、充填材料５４により画成された流路境界と
ほぼ同延状であり、従って、中間部５０の内径よりかな
り小さな内径を有する。
【００２０】前部４８は後ろ向き段部６０から前方に延
在する。前部４８は中間部５０より小さな内径を有する
が、それでも、流路境界の直径より大きい。流路境界
は、前部４８に取付けた他の従来の防音パネル６２ある
いはなんらかの他の軽量脆性構造体によって維持され
る。
【００２１】正常なエンジン運転中、ファンケース２２
は、充填材料５４とともに、ファン動翼先端と狭い運転
間隙を保つ。さらに詳述すると、後ろ向き段部６０の内
縁と充填材料５４と２つの防音パネル５８、６２は連続
的なほぼ均等な流路境界直径を画定している。しかし、
ファン動翼離脱事故中、ファン平面内の脆い構造体（す
なわち充填材料５４）と、ファン平面の後方の脆い構造
体（すなわち防音パネル５８）は動翼破片によって破壊
される。後ろ向き段部６０は動翼破片がファン平面の前
方に射出されることを防止し、同時に、中間部５０と後
部５２の連続的な大径は、動翼破片が後方に、すなわ
ち、追加的な２次動翼破損の防止に好適な方向に逃れる
ことを可能にする。さらに、もしファン動翼離脱事故に
よりデカプラ４４が破損すれば、充填材料５４が、回転
中のロータディスク１４に残存するファン動翼１８によ
って容易に摩滅する。こうして開いたロータ軌道空間
は、ファン１２がその新しい質量中心を周回するのに十
分な余地を有する。
【００２２】ファン１２がデカプラ４４の破損後に旋回
し得るように、中間部５０の内径によって定められるロ
ータ軌道空間の深さを適当な大きさに定めなければなら
ない。特に、中間部５０の内径は、ファンロータの旋回
中ファン動翼が環状殻４６に接触しないように十分大き
くなければならない。他方、ファンケース２２の全重量
を減らすために、中間部内径はファンロータの旋回を許
すのに必要な大きさ以上にならないことが望ましい。適
当な釣合いを取るために、中間部内径は、典型的なファ
ン動翼離脱事故から予想される不均衡レベルに対処する
ように設計されることが好ましいが、そうしなくてもよ
い。一般に、典型的なファン動翼離脱事故は１．５個の
動翼の損失と考えられる。従って、典型的なファン動翼
離脱事故に対して必要な中間部内径は、１．５個の動翼
の損失を仮定してファン１２の重心を計算することによ
り決定することができる。
【００２３】図３には本発明の代替実施例を示す。この
実施例では、ファンケース１２２に実質的に環状の殻１
４６が含まれ、好ましくは金属材料製である。第１実施
例におけるように、殻１４６は前部１４８と中間部１５
０と後部１５２とを有する。中間部１５０はファン１２
と軸方向位置に関して整合しておりそして大きな内径を
有して深いロータ軌道空間を画成している。ロータ軌道
空間には軽量の脆い充填材料５４が充填されている。充
填材料５４は、１層の従来の摩耗可能な材料５６で覆わ
れた１層のハニカム形材料５５でよい。従来の防音パネ
ル５８、６２がそれぞれ後部１５２と前部１４８の内面
に取付けられてファン流路境界を維持する。後ろ向き段
部１６０がファンケース１２２において中間部１５０の
前端に形成されている。
【００２４】ファンケース１２２が第１実施例と異なる
点は、中間部１５０がファンケース１２２の他部より厚
くないことである。その代わりに、ファンケース１２２
には動翼受止め装置６４が含まれ、環状殻１４６、特に
主として中間部１５０の周囲に配置されている。動翼受
止め装置６４は、環状殻１４６の半径方向外側に隔置さ
れた外殻６６を含み、この外殻は環状殻１４６に上流位
置と下流位置において取付けられて両者間に室６８を画
成している。室６８はネスティング域としても知られて
おり、好ましくはハニカム構造体（図示せず）を内蔵
し、この構造体はその中に破損動翼または動翼破片を保
持するために使用される。衝撃材料７０、例えば、芳香
族ポリアミド繊維が外殻６６の外面に巻付けられて動翼
破片を受止める。
【００２５】この代替実施例は第１実施例と同様に機能
し、正常なエンジン運転中、充填材料５４を備えたファ
ンケース１２２は、ファン動翼先端と狭い運転間隙を保
つ。しかし、ファン動翼離脱事故中、ファン平面内の脆
い構造体（すなわち充填材料５４）と、ファン平面の後
方の脆い構造体（すなわち防音パネル５８）は動翼破片
によって破壊される。もし動翼破片が十分な運動エネル
ギーをもてば、環状殻１４６を貫通しそして室６８内に
捕捉される。環状殻１４６を貫通しない破片は、中間部
１５０と後部５２の連続的な大径によりファン平面の後
方に逃れる。いずれの場合も、後ろ向き段部１６０が、
動翼破片がファン平面の前方に射出されることを防止す
る。加えて、もしファン動翼離脱事故によりデカプラ４
４が破損すれば、充填材料５４が、回転中のロータディ
スク１４に残存するファン動翼１８によって容易に摩滅
する。こうして開いたロータ軌道空間は、ファン１２が
その新しい質量中心を周回するのに十分な余地を有す
る。
【００２６】以上、ファン動翼離脱事故中にファンが旋
回することを可能にしそして動翼破片がファン平面を後
方に出るようにするファンケースを説明した。本発明の
特定実施例を説明したが、当業者には明らかなように、
本発明の範囲内で様々な改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファンケースを備えた高バイパス比タ
ーボファンエンジンの前部の縦断面図である。
【図２】図１のファンケースの断面図である。
【図３】本発明のファンケースの代替実施例の断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ ターボファンエンジン １２ ファン １４ ロータディスク １８ ファン動翼 ２２ ファンケース ４４ デカプラ ４６ 環状殻 ４８ 前部 ５０ 中間部 ５２ 後部 ５４ 脆い充填材料 ５５ ハニカム形材料 ５６ 摩耗可能な材料 ５８ 防音パネル ６０ 後ろ向き段部 ６２ 防音パネル ６４ 動翼受止め装置 ６６ 外殻 ６８ 室 ７０ 衝撃材料 １２２ ファンケース １４６ 環状殻 １４８ 前部 １５０ 中間部 １５２ 後部 １６０ 後ろ向き段部

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロータディスク（１４）に装着した複数
    のファン動翼（１８）を含むファン（１２）と、所定荷
    重に応じて破損するデカプラ（４４）とを有するターボ
    ファンエンジン（１０）用のファンケース（２２）であ
    って、前部（４８）と中間部（５０）と後部（５２）と
    を有し、前記中間部（５０）は前記ファン（１２）と軸
    方向位置に関して整合しておりかつ前端を有するような
    実質的に環状の殻（４６）と、前記中間部（５０）の前
    記前端に形成した後ろ向き段部（６０）とを含むファン
    ケース（２２）。
  2. 【請求項２】 前記中間部（５０）は大きな内径を有
    し、従って前記中間部（５０）は前記ファン動翼（１
    ８）を囲む環状空間を画成しており、この環状空間は、
    前記デカプラ（４４）が破損した時前記ファン（１２）
    が旋回し得るほど大きい、請求項１記載のファンケース
    （２２）。
  3. 【請求項３】 前記環状空間に、流路境界を画成する脆
    い材料（５４）を充填した、請求項２記載のファンケー
    ス（２２）。
  4. 【請求項４】 前記の脆い材料（５４）は、１層の摩耗
    可能な材料（５６）で覆われた１層のハニカム形材料
    （５５）を含む、請求項３記載のファンケース（２
    ２）。
  5. 【請求項５】 前記後ろ向き段部（６０）は前記流路境
    界と同延状の筒形表面を画成している請求項３記載のフ
    ァンケース（２２）。
  6. 【請求項６】 前記後部（５２）は前記中間部（５０）
    の内径に等しい内径を有する請求項２記載のファンケー
    ス（２２）。
  7. 【請求項７】 前記中間部（５０）は前記前部（４８）
    と前記後部（５２）より大きな壁厚を有する請求項２記
    載のファンケース（２２）。
  8. 【請求項８】 前記環状殻（４６）の周囲に配置した外
    殻（６６）をさらに含み、前記外殻（６６）と前記環状
    殻（４６）は室（６８）を画成している請求項２記載の
    ファンケース（２２）。
  9. 【請求項９】 前記室（６８）にハニカム構造体を充填
    した請求項８記載のファンケース（２２）。
  10. 【請求項１０】 前記前部（４８）に装着した防音パネ
    ル（６２）をさらに含む請求項１記載のファンケース
    （２２）。
  11. 【請求項１１】 前記後部（５２）に装着した防音パネ
    ル（５８）をさらに含む請求項１記載のファンケース
    （２２）。
  12. 【請求項１２】 ロータディスク（１４）に装着した複
    数のファン動翼（１８）を含むファン（１２）と、所定
    荷重に応じて破損するデカプラ（４４）とを有するター
    ボファンエンジン（１０）用のファンケース（２２）で
    あって、前部（４８）と、前記ファン（１２）と軸方向
    位置に関して整合しておりかつ前端を有する中間部（５
    ０）と、後部（５２）とを有する実質的に環状の殻（４
    ６）であって、前記中間部（５０）は大きな内径を有
    し、従って前記中間部（５０）は前記ファン動翼（１
    ８）を囲む環状空間を画成しており、この環状空間は、
    前記デカプラ（４４）が破損した時前記ファン（１２）
    が旋回し得るほど大きく、そして前記後部（５２）は前
    記中間部（５０）の内径に等しい内径を有するような環
    状殻（４６）と、前記中間部（５０）の前記前端に形成
    した後ろ向き段部（６０）であって、前記中間部（５
    ０）の内径より小さな直径を有する筒形表面を画成して
    いる後ろ向き段部（６０）とを含むファンケース（２
    ２）。
  13. 【請求項１３】 前記環状空間に脆い材料（５４）を充
    填した請求項１２記載のファンケース（２２）。
  14. 【請求項１４】 前記の脆い材料（５４）は、１層の摩
    耗可能な材料（５６）で覆われた１層のハニカム形材料
    （５５）を含む、請求項１３記載のファンケース（２
    ２）。
  15. 【請求項１５】 前記前部（４８）に装着した第１防音
    パネル（６２）と、前記後部（５２）に装着した防音パ
    ネル（５８）をさらに含む請求項１３記載のファンケー
    ス（２２）。
  16. 【請求項１６】 前記筒形表面と、前記の脆い材料（５
    ４）と、前記第１および第２防音パネル（６２、５８）
    は全て流路境界を画成している請求項１５記載のファン
    ケース（２２）。
  17. 【請求項１７】 前記中間部（５０）は前記前部（４
    ８）と前記後部（５２）より大きな壁厚を有する請求項
    １２記載のファンケース（２２）。
  18. 【請求項１８】 前記環状殻（４６）の周囲に配置した
    外殻（６６）をさらに含み、前記外殻（６６）と前記環
    状殻（４６）は室（６８）を画成している請求項１２記
    載のファンケース（２２）。
  19. 【請求項１９】 前記室（６８）にハニカム構造体を充
    填した請求項１８記載のファンケース（２２）。
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