JP2005207423A - ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンエンジン（１０）用のファンプラットフォーム（５０）を提供する。
【解決手段】 プラットフォームは、本体部分（５２）と本体部分に結合された流路面（５４）とを含む。本体部分及び流路面は、エンジンを通って延びる流路の少なくとも一部分を画成する。衝突バリヤ（７０）が、流路面を補強する。衝突バリヤは、流路面の輪郭にほぼ一致した輪郭を有するクラッド金属層を含む。クラッド金属は、流路面に接合される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンを作動させるための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配列で、ファン組立体、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、時として一纏めにしてコアエンジンと呼ばれる。公知のファン組立体は、ロータすなわちディスクから半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレードを含む。各ファンブレードは、翼形部と一体形のダブテール根元部とを含む。このダブテール部は、ロータに形成された相補的構成のダブテール溝内に受けられる。

少なくとも一部の公知のファン組立体は、鳥又は雹粒などの異物のファン内への吸込みに起因した損傷を受けやすい。より具体的には、異物がファンブレードに衝突した場合に、ファンブレード又はファンブレードの一部がロータディスクから離脱して、隣接するファンブレード又は他のエンジン組立体を損傷し、或いはファンケーシングによって閉じ込められない場合には、航空機自体を損傷する可能性がある。

吸込み事故時に失われるブレード材料の量を少なくするのを可能にするために、少なくとも一部の公知のファン組立体は、ブレードに十分に大きな力が加わった場合にダブテール溝内でのブレードの限定した回転を可能にしている。このような限定したブレードの回転は、ブレード破損の防止を可能にするのに効果がある。別の公知のファン組立体では、隣接したファンブレード間で延びるファンプラットフォームは、衝突事態においてファンブレードが回転能力を保有するようにブレードに隣接する領域を壊れやすくした状態で製作される。さらに、少なくとも一部の公知の組立体では、ファンプラットフォームは、軽量複合材料で製作される。この種材料は、金属材料と比較して重量及び材料疲労上での優れた利点をもたらすことができるが、複合材料は、一般的に金属材料よりも脆弱であり、従って、特にプラットフォームの壊れやすい区域又はその近傍において異物との衝突による損傷を一層受けやすくなるおそれがある。
特開２０００−３２０４９１号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のファンプラットフォームを組立てる方法を提供する。本方法は、プラットフォーム全体にわたって衝突損傷に対するバルネラビリティ（脆弱性）区域を決定する段階と、プラットフォームの特定したバルネラビリティ区域の輪郭にほぼ一致するようにクラッド金属薄板を成形する段階と、クラッド金属薄板を特定したバルネラビリティ区域に接合する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のファンプラットフォームを提供する。本プラットフォームは、本体部分と、本体部分に結合された流路面とを含む。本体部分及び流路面は、エンジンを通って延びる流路の少なくとも一部分を画成する。衝突バリヤが流路面を補強する。衝突バリヤは、流路面の輪郭にほぼ一致した輪郭を有するクラッド金属層を含む。クラッド金属は、流路面に接合される。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本エンジンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレードを有するファンと、一対の円周方向に隣接したファンブレード間で延びかつそれらの間のファン流路を画成するファンプラットフォームとを含む。プラットフォームは、流路面を含む。流路面の一部分は、それに接合されたクラッド金属層を含む。クラッド金属は、流路面の輪郭にほぼ一致した輪郭を有する。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は、ファン組立体１２、低圧圧縮機１４、高圧圧縮機１６及び燃焼器組立体１８を含む。エンジン１０はさらに、直列の軸流関係で配置した高圧タービン２０及び低圧タービン２２を含む。ファン１２、圧縮機１４及びタービン２２は、第１のシャフト２４によって連結され、圧縮機１６及びタービン２０は、第２のシャフト２６によって連結される。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州、シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＧＥ９０型エンジンである。

作動中、空気は、エンジン１０の上流側２８からファン組立体１２及び圧圧縮機１４を通って流れる。例示的な実施形態では、ファン１２から流出する空気流の一部は、低圧圧縮機１４に供給され、一方、ファン１２から流出する残りの空気流は、エンジン１０及び航空機（図示せず）の周りでの様々な用途のために圧縮機１４をバイパスする。加圧空気は、低圧圧縮機１４から高圧圧縮機１６に供給される。次に、加圧空気は燃焼器組立体１８に供給され、燃焼器組立体１８において、加圧空気は燃料と混合されて点火される。燃焼ガスは、燃焼器１８から流れて、タービン２０及び２２を駆動する。

図２は、ファン組立体１２の拡大概略図である。ファン組立体１２は、ロータディスク３２の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数のファンブレード３０を含む。ロータディスク３２は、それぞれ軸方向に間隔を置いて配置された上流側面及び下流側面３４及び３６を有し、これらの側面は半径方向外側面３８によって分離されている。ロータディスク３２は、第１のシャフト２４に結合される。円錐スピナー４０が、ロータディスク上流側面３４に結合されてファン組立体１２に流入する空気流４２に対する実質的に空気力学的な流路境界面を画成する。低圧圧縮機１４は、ファン組立体１２の下流側に位置しかつロータディスク３２の下流側面３６に結合したスプール４６を含む。

ファン組立体１２はさらに、隣接したファンブレード３０間に各々配置された複数の分離したファンプラットフォーム５０を含む。ファンプラットフォーム５０は、半径方向外面３８をほぼ覆って延び、各プラットフォーム５０は、本体５２と、ほぼ円錐スピナー４０からスプール４６まで延びる半径方向外側流路面５４とを含む。流路面５４は、隣接したファンブレード３０間にかつ円錐スピナー４０から低圧圧縮機１４まで空気流に対するほぼ空気力学的な流路面を画成する。

図３は、明確にするために先端を切捨てたファンブレード３０に隣接するファン組立体１２の内部に結合されたファンプラットフォーム５０の斜視図である。図４は、ファン組立体１２から取り外したファンプラットフォーム５０の斜視図である。プラットフォーム５０は、上流端部５６及び下流端部５８を有する。壊れやすい側端縁６０は、ファンブレードに当接し、異物がファンブレード３０に衝突した時に、ファンブレードに３０に損傷を引き起こすことなくファンブレード３０の連続した回転を可能とするように破砕可能になっている。

プラットフォーム５０は、軽量複合材料で製作される。例示的な実施形態では、プラットフォーム５０は、樹脂トランスファ成形法を使用して炭素繊維で製作される。複合材料は、一般的に所望の疲労特性を有するが、この種材料は、脆弱であり、衝撃又は侵食耐久性に欠ける。従って、プラットフォーム５０の耐衝撃性及び衝撃耐久性を高めるのを可能にするために、流路面５４の少なくとも一部分は、流路面５４にわたって少なくとも部分的に延びる衝突バリヤすなわちヘイルプレート７０を形成するように金属クラッドを施工される。より具体的には、例示的な実施形態では、ヘイルプレート７０を壊れやすい端縁６０に隣接して形成して、破れやすい端縁６０を破砕するのに必要な荷重に大きな影響を及ぼさずに衝撃耐久性を高めるのを可能にする。

ヘイルプレート７０のサイジング（寸法選定）及び配置は、矢印Ａで示すファンの回転方向と矢印Ｂで示すような侵入雹粒又は他の異物の推定軌道とに基づいて可変に選択され、以下に一層詳細に説明する。例えば、侵入雹粒又は他の異物の推定軌道と組み合わせたファンブレード３０の回転により、流路面５４上の少なくとも幾つかの区域は衝撃の危険性が少ない部位として特定することができる。これらの考察により、ヘイルプレート７０のサイジングを制限することが可能になって、例えば図３のヘイルプレート７０の配置で示すようなプラットフォーム５０の上流部分７２などに沿った最大バルネラビリティ区域内にヘイルプレート７０を結合することができるようになる。

例示的な実施形態では、ヘイルプレート７０は、壊れやすい端縁６０に隣接しかつ下流端部５８よりも上流端部５８に近接して配置されて、異物の衝突に対してよりバルネラビリティの可能性があると特定した流路面５４の領域が、ヘイルプレート７０によってほぼ覆われるようになる。従って、ヘイルプレート７０は、端縁６０の壊れやすさに大きな影響を及ぼさずに流路面５４に対して衝撃耐久性を付与する。

ヘイルプレート７０は、流路面５４の輪郭の少なくとも一部分に対してほぼ一致する輪郭で形成された金属クラッド層である。例示的な実施形態では、ヘイルプレート７０は、アルミニウムで製作される。しかしながら、ヘイルプレート７０は他の金属で製作することができることも理解されたい。ヘイルプレートの厚さは、所望レベルの耐衝撃性又は耐侵食性を得るように可変に選択される。例えば、ヘイルプレート７０をアルミニウムで製作した場合には、ヘイルプレート７０は、およそ０．２５４〜０．７６２ｍｍ（０．０１０〜０．０３０インチ）の範囲にある厚さを有しており、その中でも、０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）が、重量、材料強度及び材料コスト間の最適なバランスをもたらすと考えられる。

上述のように、ファン回転速度及び異物の推定軌道を考慮して、流路面５４に沿ったバルネラビリティ区域を決定する。ヘイルプレート７０は、特定したバルネラビリティ区域全体にわたって延びるような寸法にされる。流路面５４上へのヘイルプレート７０の位置が決定されると、例示的な実施形態では、軟アルミニウム薄板が、被覆する後方流れ面５４の区域の輪郭に合わせて冷間成形される。成形した後に、金属薄板ヘイルプレート７０は、材料の強度を向上させるのを可能にするように熱処理及びエージングされる。次ぎに、ヘイルプレート７０は、プラットフォーム５０に対する接合に備えて表面エッチングされ、またヘイルプレート７０に陽極酸化皮膜を施工してヘイルプレート７０をプラットフォーム５０から絶縁するのを可能にする。ヘイルプレート７０をプラットフォーム５０から絶縁することにより、アルミニウムの腐食を引き起こすおそれがある、プラットフォーム５０内の炭素繊維とヘイルプレート７０内のアルミニウムとの間のガルバニック反応を防止することが可能になる。

次ぎに、陽極酸化処理されたヘイルプレート７０は、該ヘイルプレート７０とプラットフォーム５０との間にガラス繊維格子又はスクリム層を含む補強フィルム接着剤を使用してプラットフォーム５０に接合される。スクリム層はまた、ヘイルプレート７０内のアルミニウムをプラットフォーム５０内の炭素繊維から絶縁する。さらに、接着剤内のスクリム層はまた、ヘイルプレート７０をプラットフォーム５０に固定するために所要の接着剤フィルム厚さを維持するのを可能にする。１つの実施形態では、接着剤フィルム厚さは、およそ３〜５ミルである。

従って、費用効果がありかつ信頼性がある方法で壊れやすいファンプラットフォームに対して耐衝撃性を付与するのを可能にするヘイルプレートが得られる。さらに、このヘイルプレートは、重量の大きな増加なしにかつプラットフォーム端縁の壊れやすさを損なうことなしに、衝撃耐久性及び耐侵食性を向上させるのを可能にする。異物の推定軌道と共にファンの回転を考慮することによって、ヘイルプレートのサイジングとヘイルプレートの有利な配置のために、バルネラビリティ区域を特定することができる。その結果、費用効果がありかつ信頼性がある方法でファン組立体の有効寿命を延ばすのを可能にするようなヘイルプレートを得ることができる。

以上、ファンプラットフォーム及びヘイルプレートの例示的な実施形態を詳細に説明している。ヘイルプレートは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろヘイルプレートの各態様は、本明細書に記載した他の態様から独立してかつ別個に利用することができる。各態様はさらに、他のファンプラットフォーム組立体と組み合わせて使用することもできる。上述した実施形態は、ファンプラットフォーム端縁の壊れやすさに大きな影響を及ぼさずにかつ重量の大きな増加なしで、複合ファンプラットフォームに対して衝撃耐久性を付与することができる費用効果のあるヘイルプレートを提供する。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明がその技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術思想を狭めるためのものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すエンジンに含まれるファン組立体の拡大概略図。 図２に示すファン組立体に含まれるファンプラットフォーム及び切頭ファンブレードの斜視図。 ファンブレードから切離した、図３に示すファンプラットフォームの斜視図。

符号の説明

３０ ファンブレード
５０ ファンプラットフォーム
５２ 本体部分
５４ 流路面
５６ 上流端部
５８ 下流端部
６０ 側端縁
７０ 衝突バリヤ
Ａ ファン回転方向
Ｂ 侵入異物の推定軌道

Claims (10)

1. 本体部分（５２）と、
   前記本体部分に結合され、エンジンを通って延びる流路の少なくとも一部分を該本体部分と共に画成する流路面（５４）と、
   前記流路面を補強する衝突バリヤ（７０）と、を含み
   前記衝突バリヤが、前記流路面の一部分（７２）の輪郭にほぼ一致した輪郭を有するクラッド金属層を含み、
   前記衝突バリヤが、前記流路面に接合されている、
   ガスタービンエンジン（１０）用のファンプラットフォーム（５０）。
2. 前記本体（５２）及び流路面（５４）が各々、複合材料で製作されている、請求項１記載のファンプラットフォーム（５０）。
3. 前記本体（５２）及び流路面（５４）が各々、炭素繊維を含む複合材料で製作されている、請求項２記載のファンプラットフォーム（５０）。
4. 前記クラッド金属がアルミニウムを含む、請求項１記載のファンプラットフォーム（５０）。
5. 前記クラッド金属が、約０．５０８ｍｍ（２０／１０００インチ）の厚さを有する、請求項４記載のファンプラットフォーム（５０）。
6. 前記クラッド金属が陽極酸化皮膜を含む、請求項１記載のファンプラットフォーム（５０）。
7. 前記クラッド金属がエッチングされている、請求項１記載のファンプラットフォーム（５０）。
8. 前記クラッド金属が、接着剤で前記流路面（５４）に接合されている、請求項１記載のファンプラットフォーム（５０）。
9. 複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレード（３０）を含むファン（１２）と、
   一対の円周方向に隣接したファンブレード間で延びかつそれらの間のファン流路を画成するファンプラットフォーム（５０）と、を含み、
   前記プラットフォームが、流路面（５４）を含み、
   前記流路面の一部分が、それに接合されたクラッド金属層を含み、
   前記クラッド金属が、前記流路面の輪郭にほぼ一致した輪郭を有する、
   ガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記ファンプラットフォーム（５０）が複合材料で製作され、前記クラッド金属がアルミニウムを含む、請求項９記載のエンジン（１０）。

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