JP2005061419A - ガスタービンエンジンのファンカバーにおける磨耗装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で簡易成形のタービンエンジンを提供する。
【解決手段】本発明は、ファンカバー（１０）と、可動羽根（１７）を備えたファン（Ｖ）とを含む、回転軸Ｂを有するタービンエンジンに関する。カバーの内面と羽根の自由端との間には隙間が延びている。ファンの軸受は、ファンの羽根に負荷がかかった場合に壊れてファンの回転軸が回転軸Ｂを中心として振動する結合部によりタービンエンジンの固定部に結合されている。カバーは、その内面と、隙間の範囲の一部とに貼り合わされた、熱成形可能なフォーム層（１２）を含み、この層は、ファン（Ｖ）の羽根（１７）の端に向かい合って配置されている。熱成形可能なフォーム層（１２）は、磨耗物質層（１４）により部分的に被覆されており、ファンに負荷がかかった場合、羽根の自由端が磨耗物質層（１４）を少なくとも部分的に破砕するように構成される。
【選択図】 図２Ｂ

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関し、特に、ガスタービンエンジンのファンカバーに関する。

飛行機のエンジンの場合、ファンの羽根板（ｄｉｓｑｕｅ ａｕｂａｇｅ）がエンジン吸気口のロータ部分にあり、コンプレッサの羽根板の前に位置する。ファンの羽根板は、コンプレッサの各段に入る前の空気を加速可能である。こうしたファンの羽根板には、氷塊、鳥その他といった異物がぶつかることがある。このため、羽根板が変形し、ファンの支持シャフトに偏心が発生して、ファンのシャフトの支持軸受から、支持軸受が結合されるタービンエンジンの固定部へと周期的な負荷および振動が伝えられる場合がある。

これらの負荷および振動の伝達を回避するために、仏国特許出願公開第２７５２０２４号明細書から、いわゆる「可溶性の（ｆｕｓｉｂｌｅ）」軸受を設置することが知られており、すなわち、ファンのシャフトを支持する軸受は、ファンの羽根に一定の負荷が及ぼされると壊れる十分に弱い結合部により、タービンエンジンの固定部に結合されている。こうした弱い結合部は、たとえばねじ留め結合部とすることができる。結合部が壊れると、ファンの羽根板は自在に回転し続けるので、タービンエンジンの固定部への様々な応力の伝達が回避される。しかしながら、ファンの羽根板の回転軸は、タービンエンジンの固定回転軸を中心として振動する。この振動により羽根が振動して、羽根はファンのカバーに激しくぶつかる。かくしてカバーは、このような衝撃時に機械的に強く付勢され、さらには引き裂かれてしまう。

これを解消するために、ファンのカバー内部に貼り合わされるパネルが開発されており、これらのパネルは、ガラス繊維に貼りつけられる磨耗材（ｍａｔｅｒｉａｕ ａｂｒａｄａｂｌｅ）を充填したＮｏｍｅｘハニカム構造から構成され、ガラス繊維自体がアルミニウム製のハニカム構造に貼りつけられていて、このアセンブリが、ファンのカバーに貼り付けられている。このような技術は高価であり、特に、たとえば円錐形などの特別な形状のカバーの場合、特別な工場で修理を実施しなければならない。
仏国特許出願公開第２７５２０２４号明細書

本発明は、この状況を改善するものである。

本発明は、ファンカバーと、可動羽根（ａｕｂｅ）を備えたファンとを含み、カバーの内面と羽根の自由端との間に隙間（ｊｅｕ）が延びており、ファンの羽根に負荷がかかった場合に壊れてファンの回転軸がタービンエンジンの回転軸Ｂを中心として振動するような結合部により、ファンの軸受がタービンエンジンの固定部に結合される、回転軸Ｂを備えたタービンエンジンに関する。

本発明の第一の特徴によれば、カバーが、その内面と隙間の範囲の少なくとも一部とに貼り合わされてファンの羽根の端に向かい合って配置された、熱成形可能なフォーム層（ｃｏｕｃｈｅ ｄｅ ｍｏｕｓｓｅ）を含んでおり、熱成形可能なフォーム層が、磨耗物質層により部分的に被覆され、磨耗物質層の厚さは、タービンエンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端がフォーム層に届かないようなものとされ、ファンに負荷がかかった場合、磨耗物質層と熱成形可能なフォーム層とからなるアセンブリを羽根の自由端が少なくとも部分的に破砕する。

補足的な、または代替による、本発明のタービンエンジンの選択的な特徴を以下に挙げる。

フォーム層および磨耗物質層の厚さは、エンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端と磨耗物質層との間に隙間が残存するようなものとされ、残存するこの隙間は、空気の通路を制限して、ファンの羽根により軌道が決められる空気のダイナミック流動を保持するように、十分に小さくされる。

熱成形可能なフォーム層が、予備成形セクタ（ｓｅｃｔｅｕｒ）から構成される。

熱成形可能なフォーム層が、ポリアクリルイミドのフォーム層である。

磨耗物質層が、ガラス球を添加したエポキシ樹脂からなる。

磨耗物質層が、ガラス球を添加したシリコーンからなる。

磨耗物質層が、熱成形可能なフォーム層に直接または間接的に接着される。

以下の図は、限定的ではなく、本発明の実施形態を示している。

図は、本質的に、確実な特徴を持つ要素を含んでいる。従って、これらの要素は、説明をいっそう理解させる役割を果たすだけではなく、場合によっては、発明の定義に貢献することもできる。

図１は、回転軸に沿ったタービンエンジンＴの断面図である。この断面図は、コンプレッサＣの段、次いで、高圧コンプレッサＣＣの段に入る前の空気を加速可能なファンＶを含む。ファンＶは、仏国特許出願公開第２７５２０２４号明細書に詳述されているように、前方軸受ＰＡＶおよび後方軸受ＰＡＲに取り付けられるファンシャフトＡＶの前端ＢＡにねじ留め結合される羽根１７を備えた羽根板を含む。前方軸受および後方軸受は、タービンエンジンの固定部（ステータ）に結合される支持部品により支持されており、ファンの羽根に過度の負荷が及ぼされたときに壊れるように十分に脆弱な結合部により少なくとも一つの軸受が結合されている。このような軸受は「可溶性の（ｆｕｓｉｂｌｅ）軸受」と呼ばれる。こうした可溶性の結合部は、ねじ留め結合とすることができ、たとえばねじの長さの一部で断面が小さくされている。結合部が壊れると、ファンの羽根板が自在に回転し続けるので、タービンエンジンの固定部への応力伝達が回避される。しかしながら、ファンの羽根板の回転軸は、タービンエンジンの固定回転軸を中心として振動する。この振動が、羽根を振動させ、羽根はファンのカバーに激しく当たる。かくして、カバーは、こうした衝撃時に機械的に強く付勢され、さらには引き裂かれてしまう。

当業者に知られているように、図２Ａは、ファンＶにコンプレッサＣが続くタービンエンジンＴの一部を示している。タービンエンジンのこの部分は、ファンＶのステータ部分Ｓをなすカバー１０と、タービンエンジンのロータ部分Ｒをなすカバーとを含んでいる。タービンエンジンのロータ部分のシャフトは、コンプレッサの下流に配置されるタービンにより回転駆動される。回転軸をＢと記す。ロータ部分のカバーの外面と、ステータ部分のカバーの内面とが、空気流に対して「流路」を画定する。ロータＲには、羽根１７を含むファンＶの羽根板１８が固定される。ファンの羽根板は、エンジンの吸気口にあり、コンプレッサの羽根板の前に配置される。図２Ａでは、ファンのシャフトが、可溶性の軸受をなす少なくとも一つの前方軸受ＰＡＶにより支持されると仮定している。カバー１０に対するファンの羽根の衝撃に対応するために、こうしたファンのカバー１０の内部に貼り合わされたパネル３が展開されており、これらのパネルは、ガラス織物に貼り付けられた磨耗材を充填したｎｏｍｅｘハニカム構造からなり、ガラス織物自体がアルミニウム製のハニカム構造に貼り付けられて、このアセンブリがファンのカバーに貼り付けられている。これらのパネルの厚さによって流路を保持し、正常な動作時に、ファンの羽根板の羽根の端がこれらのパネルと接しないようにすることができる。図２Ａのパネル技術は、コスト面で不都合を有し、これらのパネルの修理および設置は、設備の整った工場で実施しなければならない。さらに、使用される材料が等方性ではないので、特別な形状のカバー（たとえば円錐形）に対するハニカム構造の製造は、この構造の機械特性を理由としていっそう複雑であり、ハニカム構造はバックリングしてしまう。

本発明は、上記の欠点を解消することができる。

図２Ａと同様に、図２Ｂは、ファンＶにコンプレッサＣが続くタービンエンジンＴの一部を示している。ロータＲには、羽根１７を含むファンＶの羽根板１８が固定される。同様に、羽根板１８の羽根の端に向かい合って配置されるファン１０を詳しく示す図３を参照する。図２Ｂの例では、カバー１０が、ほぼ円錐台形を有し、その対称軸が、タービンエンジンの回転軸Ｂと一致している。上流から下流に、すなわち、空気流の流れる方向あるいはファンの入口からコンプレッサの入口に向けて、ファンＶのカバー１０は、直径方向の凹リング２１に結合される第一の円錐台部分２０を含み、凹リングは、それ自体が第二の円錐台部分２２に結合されている。第一の円錐台部分２０の内面は、空気の流路を画定する。羽根の端は、第二の円錐台部分２２の内面に向かい合って配置され、環状の内部スペース１５によりこの内面から離隔される。ファンカバーの内面と羽根の自由端との間に、たとえば２０ｍｍの隙間ｅを設ける。

第二の円錐台部分の内壁の少なくとも一部に、粘着フィルム１２を介して熱成形可能なフォーム層１９を貼り付ける。図２Ｂおよび図３の例では、熱成形可能なフォーム層が、環状の内部スペースと係合する形状を有し、このスペースを満たしている。有利には、フォーム層の軸方向の厚さｌｇが、ファンＶの羽根１７の自由端の軸Ｂに沿って少なくとも軸方向の幅ｌｃに対応する。熱成形可能なフォーム層１９は、羽根の端の少なくとも軸方向の幅ｌｃにおいて磨耗物質層１４で被覆されている。磨耗物質層の厚さは、エンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端がフォーム層に届かないようなものとされる。有利には、磨耗物質で被覆された熱成形可能なフォーム層が、環状の内部スペース全体を満たし、第一の円錐部分の内面と不連続にならないように加工され、かくして流路を保持する。特に、磨耗物質層の厚さは、エンジンの正常な動作時に、ファンの羽根の自由端と磨耗物質層との間に隙間があるようなものとし、この隙間を十分に小さくして、空気の通過を制限することにより、ファンの羽根により軌道が決められる空気のダイナミック流動を保持する。この層の下流には、流路の連続性を保つように音響パネル１３を配置可能である。

図２Ｂおよび図３の例では、幅ｌｇが、幅ｌｃよりも厚く、環状の内部スペース１５が上流にあるストッパにより画定されている。

他にも様々な実施形態が考えられる。たとえば、回転対称である単一部品（円錐台形、円筒形、その他）からファンケースを構成し、その内面を熱成形可能なフォーム層からなる保護板で被覆可能であり、フォーム層自体を、磨耗物質により部分的に被覆する。前述のように、熱成形可能なフォーム層と磨耗物質層とは、羽根の端と向かい合わせに配置され、これらは、「大きい隙間」をもつ磨耗物質層と呼ばれる。ファンカバーは、その内面と羽根の自由端との間に隙間を有し、たとえば約２０ｍｍの一定の厚さの層をカバーの内面に貼り付けるようにする。流路は、たとえば音響パネルを保護層の上流および下流に設置することにより保持される。

可溶性の軸受の破砕結合部が破壊された場合、ケースは、熱成形可能なフォームと磨耗物質とからなる保護板により保護される。この場合、ファンのシャフトの軸受は、もはやタービンエンジンの固定部に結合されず、ファンの回転軸が、タービンエンジンの回転軸Ｂを中心として振動する。羽根の端は、材料の破砕（ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）により保護板に孔を開ける。有利には、熱成形可能なフォーム層の存在により、材料除去抵抗が磨耗物質層よりも小さいので、軸受の可溶性の部分が破砕した場合、「大きい隙間」をもつ磨耗物質層のアセンブリを細分化することができる。

熱成形可能なフォーム層の設置を容易にするために、この層を、予備成形区間から構成する。例として、熱成形可能なフォーム層は、ポリアクリルイミドのフォーム層である。同じく例として、磨耗物質層は、ガラス球を添加したエポキシ樹脂、ガラス球を添加したシリコーン、または磨耗物質の磨耗特性を有する他の任意の材料製とすることができる。

特に、磨耗物質層は、その接着特性と、熱成形可能なフォームのセル内での拡散とにより、熱成形可能なフォーム層に接着する。

これらの「大きい隙間」をもつ磨耗物質層により、ケースは、異常動作時（たとえば異物を吸入した場合）に損傷されない。熱成形可能なフォームの使用により、簡易成形が可能であり、たとえば可変輪郭を持つファンケースの円錐部分に対して、成形前に加工を実施可能である。「大きい隙間」をもつ磨耗物質層の修理は、特別な工場を必要とする設備を用いずに実施可能であるので、時間とお金の節約になる。

これらの層の厚みは、流路を保持し、正常な動作時にファンの羽根板の羽根の端が層に接触しないようなものとすることができる。

本発明は、上記の固定装置の実施形態に制限されるものではなく、請求項の範囲で当業者が検討可能なあらゆる変形実施形態をカバーする。

本発明は、円錐台形のカバーだけに適用されるわけではなく、たとえば円筒形などの他のあらゆる形状のカバーにも適用可能である。

可溶性の軸受によりタービンエンジンの固定部に結合されるファンを含む、タービンエンジン前部の断面図である。 従来技術によるファンカバーの一例を含むガスタービンエンジンの吸気口部分を示す断面図である。 本発明によるファンカバーの一例を含むガスタービンエンジンの吸気口部分を示す断面図である。 本発明によるファンの羽根とファンカバーとの間の相互作用を示す図２Ｂの詳細図である。

符号の説明

３ パネル
１０ カバー
１２ 熱成形可能なフォーム層
１４ 磨耗物質層
１５ 内部環状スペース
１７ 可動羽根
１８ 羽根板
１９ フォーム層
２０ 第一の円錐台部分
２１ 凹リング
２２ 第二の円錐台部分
Ｂ 回転軸
Ｃ コンプレッサ
Ｒ ロータ
Ｔ タービンエンジン
Ｖ ファン

Claims (8)

1. ファンカバー（１０）と、可動羽根（１７）を備えたファン（Ｖ）とを含んでおり、カバーの内面と羽根の自由端との間に隙間が延び、ファンの軸受は、ファンの羽根に負荷がかかった場合に壊れてファンの回転軸が回転軸Ｂを中心として振動するような結合部によりタービンエンジンの固定部に結合される、回転軸Ｂを備えたタービンエンジンであって、カバーが、その内面と隙間の範囲の少なくとも一部とに貼り合わされてファン（Ｖ）の羽根（１７）の端に向かい合って配置された、熱成形可能なフォーム層（１２）を含み、熱成形可能なフォーム層（１２）が、磨耗物質層（１４）により部分的に被覆され、磨耗物質層（１４）の厚さは、タービンエンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端がフォーム層に届かないようなものとされ、ファンに負荷がかかった場合、磨耗物質層（１４）と熱成形可能なフォーム層（１２）とからなるアセンブリを羽根の自由端が少なくとも部分的に破砕するように構成されることを特徴とするタービンエンジン。
2. フォーム層および磨耗物質層の厚さは、エンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端と磨耗物質層との間に隙間が残存するようなものとされ、残存するこの隙間は、空気の通路を制限して、ファンの羽根により軌道が決められる空気のダイナミック流動を保持するように、十分に小さくされることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジン。
3. 熱成形可能なフォーム層が、予備成形セクタから構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンエンジン。
4. 熱成形可能なフォーム層が、ポリアクリルイミドのフォーム層であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
5. 磨耗物質層が、ガラス球を添加したエポキシ樹脂からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
6. 磨耗物質層が、ガラス球を添加したシリコーンからなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
7. 磨耗物質層が、熱成形可能なフォーム層に直接または間接的に接着されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
8. カバーが、その内面に貼り合わされた、ファン（Ｖ）の羽根（１７）の自由端と向かい合って配置される熱成形可能なフォーム層を含んでおり、熱成形可能なフォーム層が、磨耗物質層で部分的に被覆され、磨耗物質層の厚さは、タービンエンジンの正常な動作時にファンの羽根の自由端がフォーム層に届かないようなものとされ、ファンに負荷がかかった場合、羽根の自由端が、磨耗物質層と熱成形可能なフォーム層とからなるアセンブリを少なくとも部分的に破砕するようにしたことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンエンジンの一部をなすことが可能なファンカバー。

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