JP2005299654A - ガスタービンエンジンを製作す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）を製作するのを可能にする方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、ガスタービンエンジンの周りに円周方向にエンジンケーシングを結合する段階を含む。本方法はまた、エンジン閉込めラップ体（５０）を、該閉込めラップ体がガスタービンエンジンケーシングの少なくとも一部分を囲むように該ガスタービンエンジンに結合する段階を含み、ここで、閉じ込めラップ体は、互いに結合された複数の層（６０）を含み、第１の層（６４）は、互いに結合された少なくとも３つのシート（６２）から形成され、第１のシート（７４）の繊維はほぼ第１の方向に配向され、第２のシート（７５）の繊維は、第１のシートからおよそ４５度オフセットした第２の方向に配向され、また第３のシート（７６）の繊維は、第１の方向に対してほぼ平行に配向されるようになっており、また複数の第１のシートの繊維はタービンエンジンに対してほぼ軸方向に整列している。
【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運転す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、一般的に高圧及び低圧圧縮機、燃焼器並びに少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧された空気は燃料と混合されて、燃焼器に流される。次に、混合気は点火されて高温燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスがタービンに流れ、タービンが、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給し、また飛行中の航空機を推進するか或いは発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

エンジン運転中、不可避的にエンジン内に異物が吸い込まれる可能性がある。より具体的には、鳥、あられ、砂及び／又は雨のような様々なタイプの異物がガスタービンエンジンの入口に一緒に吸い込まれた状態になる可能性がある。異物がエンジンに押し込まれると、異物は、ブレードに衝突して、その衝突を受けたブレードの一部分が引き裂かれてロータから外れる場合がある。異物損傷（ＦＯＤ）として知られているこのような状態は、ロータブレードがエンジンケーシングに接触しかつ／又はエンジンケーシングを突き抜けて、エンジンケーシングの外部表面に沿って割れを生じさせ、付近の人員に傷害を与え及び／又は隣接する装置に損傷を与えるおそれがある。時の経過と共に、異物損傷は、エンジンの一部分を湾曲又は撓ませて、エンジンケーシング全体に沿って付加的応力を発生させることになる。

このようなケーシング応力を防止するのを可能にするために、また人員への傷害の危険性を最少にするために、少なくとも一部の公知のエンジンは、エンジンの半径方向及び軸方向の剛性を増大させるのを可能にしかつあらゆるエンジンケーシング貫入部付近の応力を低減するのを可能にする金属ケーシングシェルを含む。しかしながら、このようなケーシングシェルはエンジンの全体重量を増加させるので、このようなシェルもまた、エンジン性能に悪影響をあたえる可能性がある。
特開平０８−０６１１４８号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを製作する方法を提供する。本方法は、ガスタービンエンジンの周りに円周方向にエンジンケーシングを結合する段階を含む。本方法はまた、エンジン閉込めラップ体を、該閉込めラップ体がガスタービンエンジンケーシングの少なくとも一部分を囲むように該ガスタービンエンジンに結合する段階を含み、ここで、閉じ込めラップ体は、互いに結合された複数の層を含み、第１の層は、互いに結合された少なくとも３つのシートから形成され、第１のシートは、ほぼ第１の方向に配向された複数の繊維から形成され、第２のシートは、第１のシートからおよそ４５度オフセットした第２の方向に配向された複数の繊維から形成され、また第３のシートは、第１の方向に対してほぼ平行に配向された複数の繊維から形成されるようになっており、また複数の第１のシートの繊維はタービンエンジンに対してほぼ軸方向に整列している。

別の態様では、エンジンケーシングを含むガスタービンエンジン用の閉込め装置を提供する。本閉込め装置は、各々が複数の繊維を含む複数のシートを含む第１の層を含む。複数のシートの第１のシートは、該第１のシートがケーシングの少なくとも一部分を囲みかつ該第１のシートの複数の繊維がガスタービンエンジンに対してほぼ軸方向に整列するように該ガスタービンエンジンケーシングに結合される。複数のシートの第２のシートは、該第２のシートの複数の繊維が第１のシートの複数の繊維からおよそ４５度オフセットして整列するように該第１のシートに結合される。複数のシートの第３のシートは、該第３のシートの複数の繊維が第１のシートの複数の繊維に対してほぼ平行に整列するように第２のシートに結合される。

図１は、ファン組立体１２と高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えたコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のＧｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０型である。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって結合される。

運転中、空気は、ファン組立体１２を通って、エンジン１０を通して延びる中心軸線３４にほぼ平行な方向に流れ、また加圧された空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、またタービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、ファン組立体１２の一部分及び例示的なハイブリッド型エンジン閉込めシステム５０の断面図である。この例示的な実施形態では、エンジン閉込めシステム５０は、ファン組立体１２の一部分の長さ５４にほぼ等しい長さ５２を有するハイブリッド型の硬質壁閉込めシステムである。より具体的には、長さ５２は、エンジン閉込めシステム５０がファン組立体１２の周りで延びる主閉込め帯域５６を実質的に囲むことが可能になるように可変に選択される。本明細書で用いる主閉込め帯域５６は、ファン組立体１２の周りで軸方向及び円周方向の両方向に延びる帯域として定義され、ファンブレード（図示せず）が、ファン組立体１２から半径方向に最も投げ出されるか又は放出されそうな帯域を表す。

図３は、例示的なエンジン閉込めシステム５０の一部分の断面図である。図４は、区域４に沿って取った、システム５０の一部分の概略展開図である。この例示的な実施形態では、エンジン閉込めシステム５０は、ファン組立体１２の周りで少なくとも部分的に円周方向に延びるように形成された少なくとも１つの層６０を含む。本明細書で用いる場合、「形成された」というのは、それに限定されないが、パターニングしかつ積層することを含む、各エンジン閉込めシステム５０を製作するのに用いるプロセスを含む。各閉込め層６０は、一方向材料で製作された複数のシート６２を含む。本明細書で用いる場合、一方向材料というのは、それに限定されないが、繊維ガラス材料のような、高い引張り強度を有する複数の薄く、比較的可撓性がありかつ長い繊維を含む材料として定義される。

この例示的な実施形態では、エンジン閉込めシステム５０は、少なくとも１つの層６４を含む。層６４は、一方向材料で製作された複数のシート７０を含む。この例示的な実施形態では、シート７０は、繊維ガラス材料で製作される。この例示的な実施形態では、各シート７０は、層６４全体にわたってほぼ等しい厚さ７２を有する。１つの実施形態では、各シート７０は、およそ０．００８〜０．０１０インチの厚さである。別の実施形態では、各シート７０は、およそ０．００５〜０．０１５インチの厚さである。１つの実施形態では、各シート７０は、およそ０．００９インチの厚さである。この例示的な実施形態では、第１の層６４は、エポキシのような結合剤を用いて互いに結合されたおよそ１５枚のシート７０を含む。従って、この例示的な実施形態では、第１の層６４は、およそ０．０１５インチの厚さである。

製作時、第１の層６４は、該第１の層６４がファン組立体１２の外周部を少なくとも部分的に囲むようにファン組立体１２上に形成される。より具体的には、第１のシート７４は、該第１のシート７４内部の複数の繊維が中心軸線３４に対してほぼ軸方向に配向するようにファン組立体１２に取付けられる。第２のシート７５は、該シート７５内部の複数の繊維が第１のシート７４内部の繊維からおよそ４５度だけオフセットするように該第１のシート７４に接着される。次に、第３のシート７６は、該第３のシート７６内部の複数の繊維がエンジン１０に対してほぼ軸方向に整列するように第２のシート７５に接着され、また第４のシート７７は、該シート７７内部の複数の繊維が互いにほぼ垂直になりかつ第３のシート７６内部の複数の繊維からおよそ−４５度だけオフセットするように該第３のシート７６に対して接着される。従って、第１のシート７４及び第３のシート７６内部の繊維は各々、ほぼ軸方向に整列し、第２のシート７５及び第４のシート７７内部の繊維は、軸方向からおよそ４５度だけオフセットしている。

製作プロセスは、隣接するシート７０の交互パターンを継続させながら、第１の層６４が所望の全体厚さＴに達するまで繰り返される。次に、保護層９８が、層６４の外部表面９９に接着される。この例示的な実施形態では、保護層９８は、それに限定されないが、ガラス材料のような材料で製作される。

エンジン閉込めシステム５０の製作が完了すると、閉込めシステム５０は、ロータブレードが主閉込め帯域５６内部のエンジンケーシングに貫入した時に生じる可能性がある割れを軸方向及び円周方向に減少させるのを可能にする。より具体的には、第１の層６４内部の繊維の配向により、エンジンケーシングの軸方向の剛性を増大させることが可能になり、広がる可能性がある厚さ方向の割れの拡大をエンジンケーシングの外周部の周りで円周方向に減少させることを可能にするようになる。より具体的には、第１の層の繊維は、エンジンケーシングの外周部に沿って発生する応力負荷を再分布するのを可能にする。

図５は、エンジン１０（図１に示す）に用いることができるブレード閉込め装置１００の別の実施形態の一部分の断面図である。図６は、ブレード閉込め装置１００の一部分の概略展開図である。閉込め装置１００は、閉込め装置５０（図３及び図４に示す）にほぼ類似しており、閉込め装置５０の構成部品と同一である閉込め装置１００内の構成部品は、図５及び図６において、図３及び図４に用いたのと同じ参照符号を用いて特定する。より具体的には、この例示的な実施形態では、エンジン閉込め装置１００は、第１の層６４と第１の層６４に接着された第２の層６６とを含む。

第２の層６６は、一方向材料で製作された複数のシート８０を含む。この例示的な実施形態では、シート８０は、黒鉛材料で製作される。この例示的な実施形態では、各シート８０は、層６６全体にわたってほぼ等しい厚さ８２を有する。１つの実施形態では、各シート８０は、およそ０．００４〜０．００６インチの厚さである。別の実施形態では、各シート８０は、およそ０．００２〜００８インチの厚さである。１つの実施形態では、各シート８０は、およそ０．００５インチの厚さである。この例示的な実施形態では、第２の層６６は、エポキシのような結合剤を用いて互いに結合されたおよそ１７枚のシート８０を含む。従って、この例示的な実施形態では、第２の層６６は、およそ０．０８５インチの厚さである。

製作時、第２の層６６は、該第２の層６６が第１の層６４の外周部の一部分を少なくとも部分的に囲むように第１の層６４上に形成される。より具体的には、第１のシート８４は、該第１のシート８４内部の複数の繊維が中心軸線に対してほぼ垂直に配向するように第１の層６４に取付けられる。第２のシート８５は、該シート８５内部の複数の繊維が第１のシート８４内部の繊維から４５度だけオフセットするように該シート８４に接着される。次に、第３のシート８６は、該シート８６内部の複数の繊維が、中心軸線３４に対してほぼ垂直に整列するように第２のシート８５に接着され、また第４のシート８７は、該シート８７内部の複数の繊維が、第３のシート８６内部の複数の繊維からおよそ−４５°だけオフセットするように該シート８６に対して接着される。従って、第１のシート８４及び第３のシート８６内部の繊維は、互いにほぼ平行にかつ中心軸線３４に対してほぼ垂直に整列し、また第２のシート８５及び第４のシート８７内部の繊維は、互いにほぼ垂直でありかつ中心軸線３４からおよそ４５°だけオフセットしている。

製作プロセスは、隣接するシート８０の交互パターンが継続されるようにして、第２の層６６が所要の厚さＴ_１に達するまで繰り返される。次に、保護層９８が、層６６の外部表面９９に接着される。この例示的な実施形態では、保護層９８は、それに限定されないが、ガラス材料のような材料で製作される。

エンジン閉込めシステム１００の製作が完了すると、閉込めシステム１００は、ロータブレードが主閉込め帯域５６内部のエンジンケーシングに貫入した時に生じる可能性がある割れを軸方向及び円周方向に減少させるのを可能にする。より具体的には、第１の層６４内部の繊維の配向により、エンジンケーシングの軸方向の剛性を増大させることが可能になり、広がる可能性がある厚さ方向の割れの拡大をエンジンケーシングの外周部の周りで円周方向に減少させることを可能にするようになる。より具体的には、第１の層の繊維は、エンジンケーシングの外周部に沿って発生する応力負荷を再分布するのを可能にする。

さらに、第２の層６６内部の黒鉛材料と層６６を形成するシート８０内部の繊維の相対配向との組み合わせにより、エンジンケーシングに対する半径方向又は周方向の剛性を増大させることが可能になる。従って、層６６は、ブレード衝突事象の間にエンジンケーシングに発生するフィールド応力を低減するのを可能にする。

図７は、エンジン１０（図１に示す）に用いることができるブレード閉込め装置１１０の別の実施形態の一部分の断面図である。図８は、ブレード閉込め装置１１０の一部分の概略展開図である。閉込め装置１１０は、閉込め装置５０及び１００（図３〜図６に示す）にほぼ類似しており、閉込め装置５０及び１００の構成部品と同一である閉込め装置１１０内の構成部品は、図７及び図８において、図３〜図６に用いたのと同じ参照符号を用いて特定する。より具体的には、この例示的な実施形態では、エンジン閉込め装置１１０は、第１の層６４と第２の層６６と第３の層６８とを含む。

第３の層６８は、一方向材料で製作された複数のシート９０を含む。この例示的な実施形態では、シート９０は、ガラス−エポキシ材料で製作される。この例示的な実施形態では、各シート９０は、層６８全体にわたってほぼ等しい厚さ９２を有する。１つの実施形態では、各シート９０は、およそ０．００８〜０．０１０インチの厚さである。別の実施形態では、各シート９０は、およそ０．００５〜０１５インチの厚さである。１つの実施形態では、各シート９０は、およそ０．００９インチの厚さである。この例示的な実施形態では、第３の層６８は、エポキシのような結合剤を用いて互いに結合されたおよそ１０枚のシート９０を含む。従って、この例示的な実施形態では、第３の層６８は、およそ０．０９０インチの厚さである。

エンジン閉込めシステム１１０の製作が完了すると、閉込めシステム１１０は、ロータブレードが主閉込め帯域５６内部のエンジンケーシングに貫入した時に生じる可能性がある割れを軸方向及び円周方向に減少させるのを可能にする。より具体的には、第１の層６４内部の繊維の配向により、エンジンケーシングの軸方向の剛性を増大させることが可能になり、広がる可能性がある厚さ方向の割れの拡大をエンジンケーシングの外周部の周りで円周方向に減少させることを可能にするようになる。より具体的には、第１の層の繊維は、エンジンケーシングの外周部に沿って発生する応力負荷を再分布するのを可能にする。

さらに、第２の層６６内部の黒鉛材料と層６６を形成するシート８０内部の繊維の相対配向との組み合わせにより、エンジンケーシングに対する半径方向又は周方向の剛性を増大させることが可能になる。従って、層６６は、ブレード衝突事象の間にエンジンケーシングに発生するフィールド応力を低減するのを可能にする。加えて、第３の層６８は、ガラス−エポキシ材料で製作されているので、層６８は、エンジンケースの捩り及び軸方向の剛性を増大させるのを可能にし、従って、ブレード衝突事象の後にかつタービンが風車状態の間に起こる可能性がある、エンジンケーシング内の比較的大きな円周方向の割れを減少させるのを可能にする。

上述のエンジン閉込めシステムは、ブレードがエンジンケーシングに貫入した時に生じる可能性がある厚さ方向の割れ及び伝搬割れを減少させるのを可能にする際に費用効果がありかつ高い信頼性がある。エンジン閉込め装置は、各々が繊維で形成されたシートの複数の交互配向により形成された複数の層を含む。第１の層は、エンジンケーシングの軸方向の剛性を増大させるのを可能にして、エンジンケーシングの外周部の周りで円周方向に伝搬する可能性がある厚さ方向の割れを減少させることが可能になるようにする。第２の層は、エンジンケーシングの半径方向又は周方向の剛性を増大させるのを可能にして、ブレード衝突事象の間にエンジンケーシングに発生するフィールド応力を低減することが可能になるようにする。第３の層は、エンジンケースの捩り及び軸方向の剛性を増大させるのを可能にして、ブレード衝突事象の後にタービンが風車状態にある間に起こる可能性があるエンジンケーシング内の比較的大きな円周方向の割れもまた減少させることが可能になるようにする。従って、ブレード衝突事象及び異物損傷の悪影響の可能性を費用効果がありかつ信頼性がある方法で少なくするのを可能にするエンジン閉込めシステムを提供する。

以上、閉込め組立体の例示的な実施形態を詳細に記載している。閉込め組立体は、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、各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立しかつ別個に利用することが可能である。例えば、各閉込めシステムの構成部品はさらに、他の閉込めシステムの構成部品、他のガスタービンエンジン及び非ガスタービンエンジンと組み合わせて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が本発明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、本発明の技術的範囲を狭める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に示すガスタービンエンジンに用いることができるブレード閉込め装置の断面図。 図２に示すブレード閉込め装置の一部分の断面図。 区域４（図２に示す）に沿って取った、図３に示すブレード閉込め装置の一部分の概略展開図。 図１に示すエンジンに用いることができるブレード閉込め装置の別の実施形態の一部分の断面図。 図５に示すブレード閉込め装置の一部分の概略展開図。 図１に示すエンジンに用いることができるブレード閉込め装置の別の実施形態の一部分の断面図。 図７に示すブレード閉込め装置の一部分の概略展開図。

符号の説明

１２ ファン組立体
５０ エンジン閉込めシステム
５６ 主閉込め帯域
６０ 複数の層
６２、７０、８０、９０ 複数のシート
６４ 第１の層
６６ 第２の層
６８ 第３の層
７４ 第１のシート
７５ 第２のシート
７６ 第３のシート
７７ 第４のシート
９８ 保護層

Claims (10)

1. エンジンケーシングを含むガスタービンエンジン（１０）用の閉込め装置（５０）であって、
   各々が複数の繊維を含む複数のシート（７０）を含む第１の層（６４）を含み、
   前記複数のシートの第１のシート（７４）が、該第１のシートが前記ケーシングの少なくとも一部分を囲みかつ該第１のシートの複数の繊維が前記ガスタービンエンジンに対しておよそ軸方向に整列するように該ガスタービンエンジンケーシングに結合され、
   前記複数のシートの第２のシート（７５）が、該第２のシートの複数の繊維が前記第１のシートの複数の繊維からおよそ４５度オフセットして整列するように該第１のシートに結合され、
   前記複数のシートの第３のシート（７６）が、該第３のシートの複数の繊維が前記第１のシートの複数の繊維に対してほぼ平行に整列するように前記第２のシートに結合されている、
   閉込め装置（５０）。
2. 前記第１の層（６４）が、その複数の繊維が前記第２のシート（７５）の複数の繊維からおよそ９０度オフセットして整列するように前記第３のシート（７６）に結合された第４のシート（７７）をさらに含む、請求項１記載の閉込め装置（５０）。
3. 前記第１の層（６４）が繊維ガラス材料を含む、請求項１記載の閉込め装置（５０）。
4. 前記第１の層（６４）がおよそ２．２９ｍｍ（０．０９インチ）の厚さである、請求項１記載の閉込め装置（５０）。
5. 各々が複数の繊維を含む複数のシート（８０）を含む第２の層（６６）をさらに含み、
   前記第２の層の複数のシートが、少なくとも第１のシート（８４）と第２のシート（８５）とを含み、
   前記第１のシートが、該第１のシートが前記ガスタービンエンジン（１０）の少なくとも一部分を囲みかつ該第２の層の第１のシートの複数の繊維が前記エンジンの軸方向に対してほぼ垂直に整列するように前記第１の層に対して結合され、
   前記第２のシートが、該第２のシートの複数の繊維が前記第２の層の第１のシートの複数の繊維からおよそ４５度オフセットして整列するように該第２の層の第１のシートに結合されている、
   請求項１記載の閉込め装置（５０）。
6. 前記第２の層（６６）が黒鉛材料を含む、請求項５記載の閉込め装置（５０）。
7. 前記第２の層（６６）がおよそ４．４５ｍｍ（０．１７５インチ）の厚さである、請求項５記載の閉込め装置（５０）。
8. 各々が複数の繊維を含む複数のシート（９０）を含む第３の層（６８）をさらに含み、
   前記第３の層の複数のシートが、少なくとも第１のシートと第２のシートとを含み、
   前記第３の層の第１のシートが、該第３の層の第１のシートの複数の繊維がほぼ軸方向に整列するように前記第２の層に結合され、
   前記第３の層の第２のシートが、該第２のシートの複数の繊維が前記第３の層の第１のシートの複数の繊維からおよそ４５度オフセットして整列するように該第３の層の第１のシートに結合されている、
   請求項５記載の閉込め装置（５０）。
9. 前記第３の層（６８）が繊維ガラス材料を含む、請求項８記載の閉込め装置（５０）。
10. 前記第３の層（６８）がおよそ２．２９ｍｍ（０．０９インチ）の厚さである、請求項８記載の閉込め装置（５０）。