JP2005537424A - ケブラー層間に金属発泡体を有するファンケーシング構造 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのファンブレード破片封じ込めアセンブリは、ファンを取囲むファンケーシングと、軸方向に延びた外周ブレード破片衝突ゾーンと、を有する。Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）の布から成る比較的緩く、低張力の内部変形自在層が、ファンケーシング外面に取付けられて、衝突ゾーンを取囲む。圧縮自在の（たとえば、金属発泡体またはハニカム構造体の）層が、変形自在層の外面に取付けられる。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）から成る摩擦減少層が、圧縮自在層の外面に取付けられ、またＫｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）の繊維から成る比較的張りのある高張力の外部封じ込め層が、摩擦減少層の外面に取付けられる。摩擦減少層は、圧縮自在層と封じ込め層との間の局所的なせん断応力を減少させることにより、圧縮自在層の外周上に衝突力の分散が促進される。

Description

本発明は、変形自在内層と封じ込め外層との間に圧縮自在金属発泡層を有する、ガスタービンエンジンのファンブレード破片封じ込めアセンブリに関する。

ガスタービンエンジンのファンは回転自在のハブ上に取付けられ、ハブにはそのハブから半径方向に突出る一連のファンブレードが設けられ、これらのファンブレードを取囲むようにファンケーシングが設けられる。ファンブレードが、ハブあるいはファンブレードの一部分から引き離されて、破片が形成される可能性があり、上記破片はエンジン内に封じ込められないならば潜在的に危険である。

ブレードは、金属疲労のために、もしくは通常、鳥または雹の粒のようなエンジン中に吸込まれる異物のために、引き離されることがある。異物および破損したブレード破片は、接線方向にかつ軸方向後方に推進される。異物は、エンジンのバイパスダクトを通して通常排出されるが、重いブレードの破片は、それらの破片を抱き込む軟質壁封じ込め構造を使用してファンケーシング構造体自体内に捕捉されなければならない。

小さい径のエンジンの場合、硬質壁の金属ケーシングは、ブレード破片を軸方向後方に偏らせるに足るようにすることができる。大きい径のエンジンにおいてブレード破片は、好ましくはケーシングの内部の圧縮自在ハニカム構造体内に捕捉され、かつファンケーシングを取囲む衝撃布で封じ込められることが多い。

ブレード破片封じ込めの要求は、低重量と高強度の要求によって折り合いがつけられる。初期のシステムは、現在種々の構造で置き換えられ、かつ比較的薄い変形自在金属サポートケーシングの周りに多層に巻き付けられたＫｅｖｌａｒ（登録商標）（ケブラー）のような軽量高強度衝撃布を組込んでいる。要するに、このファンケーシング金属構造体は、変形自在サポートとして機能して適切な形状を維持し、またその布巻き付け部は衝撃封じ込め層として機能して半径方向外側へ撓んでブレード破片を捕捉する。この金属ケーシングは局所的に貫通するが、衝突後もファンケーシングの形状と構造的一体性を保持する。この貫通した金属ケーシングは、継続して衝撃封じ込め布を支持し、かつブレード先端部とファンケーシングとの間のクリアランスを保持する。

Ｃｏｓｔａらに付与された米国特許第６，０５９，５２４号には、耐貫通性ファンケーシングが記載され、金属ファンケーシングの周りに巻き付けられた衝撃布が、衝突の際に、金属ファンケーシングの前方縁部から分離されてくることにより緩められて、変形する。布封じ込めシステムの重要な特徴は、封じ込め布の耐貫通性が、その布を緩ませることと、ファンケーシングを取囲む構造体全体にわたって張力を分散させることと、により向上する。衝撃布は、ブレード破片の局所的部位から金属ファンケーシングに半径方向衝突力を伝達する張力媒体として作用する。衝撃布内の緩みまたは張力の解放により、衝突力を分散でき、かつブレード破片の運動エネルギーが減少するので衝撃布の耐貫通性を向上することができる。

本発明の目的は、隣接するナセルへの損傷を最小にする改良されたブレード封じ込めシステムを提供することにある。

本発明の別の目的は、封じ込めシステムを収納するのに必要なナセルの径を最小にすることにある。

本発明の別の目的は、封じ込めシステムにより、衝突の際に引き離されたブレードの破片化を減少または妨ぐことにある。

本発明の別の目的は、吸収される運動エネルギーの関数としてのブレード封じ込めシステムの重量を最小にすることにある。

本発明のさらに別の目的は、以下の本発明の開示、図面および詳細な説明を再検討すれば明らかになろう。

本発明は、ファンを取囲むファンケーシングと、軸方向に延びた外周ブレード破片衝突ゾーンとを有するガスタービンエンジンのファンブレード破片封じ込めアセンブリを提供する。たとえば、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）のような衝撃布から成る比較的緩く低張力の変形自在層が、ファンケーシング外面に取付けられて、衝突ゾーンを取囲む。圧縮自在の（たとえば、金属発泡体またはハニカム構造体の）層が、変形自在層の外面に取付けられる。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）または複合グラファイト系繊維の摩擦減少層が、圧縮自在層の外面に取付けられ、またＫｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）から成る繊維の比較的張りのある高張力封じ込め層が、摩擦減少層の外面に取付けられる。

衝突時には、ブレード破片は、ファンケーシング、変形自在層、および圧縮自在層を貫通し、ついで封じ込め層により捕捉される。ブレード破片は運動エネルギーを失い、また鋭い縁部が、前記のとおり金属ファンケーシング、変形自在繊維層、および圧縮自在金属発泡層を貫通する結果として幾分か鈍くされる。

封じ込め層は、衝突時には半径方向に延び、かつ張力を受けて衝突力を伝達して圧縮自在層を円周方向に圧潰する。圧潰作用により生じた緩みは、引張応力を減少し、かつ貫通に抗する封じ込め層の能力を向上する。摩擦減少層は、圧縮自在層と封じ込め層との間の局所的せん断応力を減少させることにより、圧縮自在層の外周上に衝突力を分布させることを容易にする。

軽量金属発泡体と軽量Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）衝撃繊維の使用により、封じ込めシステムが吸収できる運動エネルギーに対して、封じ込めシステムの重量が最小になる。ブレード破片をファンケーシングに貫通させると、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）から成る内部の第１変形自在層および金属発泡層は、外部の封じ込めのＫｅｖｌａｒ（登録商標）またはＺｙｌｏｎ（登録商標）層により封じ込められながら、たとえば、硬質または変形自在の度合いが小さい封じ込めシステムが利用されたならば生じるであろう引き離されたブレードの破片化（fragmentation）を防止しながら、運動エネルギーを減少する。金属発泡体層の圧縮により、従来技術のシステムと比較して、ブレード破片の封じ込めの際に封じ込め層の撓みが減少する。従来技術は、外部封じ込め層の撓みに、より大きく依存している。これとは対照的に、本発明は、金属発泡体圧縮自在層の圧縮または圧潰を含み、これにより、衝撃繊維の外部封じ込め層の撓みを減少できる。

外部封じ込め層と金属発泡体の圧潰自在または圧潰自在の層との間に低摩擦の層や、摩擦減少または潤滑させる層をさらに設けることにより、ブレード接触の局所的部位から全体のファンケーシングへの衝突力の分散が促進される。摩擦の減少は、外部封じ込め層の迅速な撓みと圧縮自在層の比較的大きいゾーンでの圧潰とを可能にし、これにより、局所的せん断応力が減少し、衝突で生じた張力を伝達し、金属発泡体の圧潰を高め、かつ衝突力の再分布を促進し、取囲むファンケーシングの全体にわたって応力を一層効果的に分散させることにより局所的な応力の発生を防止する。

本発明を容易に理解できるようにするために、本発明の１つの実施例が、添付図面において一例として図示される。

さらに本発明の詳細およびその利点は、以下に記載される詳細な説明から明らかになろう。

図１は、ある実施例のガスタービンエンジンの長手方向の断面図を示す。空気が、先ずファン１を通り、ついで２つの流れに分かれるように、エンジン内（図では左から右へ）を通過する。空気流の外側部分が、環状ファンケーシングアセンブリ３により形成されたバイパスダクト２を通過し、また内側部分が低圧圧縮機ブレード４を通り越してエンジン内部を通過する。図示の例において、エンジンには、高圧シャフト６に取付けられる高圧圧縮機５が備えられ、この圧縮機は燃焼器７から高圧タービンロータ８上に通過する高温ガスにより駆動される。ファン１と低圧圧縮機４とは、低圧タービンロータ１０により駆動される低圧シャフト９に取付けられる。ガスは、ロータ１０を通過後に排気ミキサ１１を通して排出される。図１に示されるように、高圧シャフト６は、前方軸受１２と後方軸受１３上で支承される。同様に低圧シャフト９は、３個の軸受１４、１５および１６上に支承される。

本発明にとって特に注目すべきは、ファンケーシング３、およびそのケーシング上に取付けられるファンブレード破片封じ込めアセンブリの層である。

図２、３および４は、ガスタービンエンジン用のファンブレード破片封じ込めアセンブリの詳細図を示す。金属ファンケーシング３は、エンジン軸１８の回りに回転できるようにハブ上に取付けられるファンブレード１を取囲む内面を有する。摩滅自在（abradable）層１７が設けられて、ブレード先端部とケーシングの内面との間に厳密な公差を維持できる。また、圧潰自在ハニカム構造体１９が設けられて、小さいブレード破片を捕捉し、音響を減少し、およびブレード破片がケーシング３を通過するときにブレード破片の運動エネルギーを吸収できる。

以下に述べるように一連の層が、ファンケーシング３の外面に取付けられ、かつ軸方向に延びた外周ブレード破片衝突ゾーンを取囲む。変形自在層２０が、ファンケーシング３の外面に直接に取付けられる。軽量高強度衝撃繊維を使用するのが好ましく、その繊維は、たとえば、強度−重量の比率が高く、上記用途にあった、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）の商標で販売されている芳香族ポリアミド系繊維布、またはＺｙｌｏｎ（登録商標）の商標で販売されているフェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール系繊維布である。金属ケーシング３は、変形自在層２０を取付ける基板を提供する。金属ファンケーシング３上に種々の層を積層させることは、通常運転中にケーシング構造体を十分補強するのに役立つ。ファンケーシング３と変形自在層２０、および圧縮自在層２１と摩擦減少層２２の貫通は、ブレード破片衝突の局所的部位内に生ずる。好ましくは、完全に貫通する唯一の層は金属ファンケーシング３である。変形自在繊維層２０は十分な内部緩みを有し、これにより、圧縮自在層２１を局所的に圧潰させ、かつ上記層２０内に張力を通して衝突荷重を広く分散させ、圧力を半径方向内側に加えて圧縮自在層２１を圧縮させる。補強されたファンケーシング３のかなりの部分が無傷のままであることが分かるだろう。ファンケーシング３は、回転するファン１を継続して運転できるようにファンケーシングアセンブリの内部形状を保持し、かつ衝撃布層２０，２３の支持を行う。

軽量軸方向圧縮自在層２１は、ついで変形自在層２０の外面に取付けられる。圧縮自在層２１も同様に軽量物質であり、かつ多孔性圧潰自在層を形成して、通常運転中のファンケーシングを補強するが、封じ込め層２３の撓みが引張力を再分布し、かつ圧縮自在層２１を圧潰する衝突の際には、圧潰が容易になる。この圧縮自在または圧潰自在の層は、用途に応じて、アルミニウムの拡張金属発泡体、ハニカムシートメタル構造体、拡張金網シート、焼結金属粒子、または噴霧金属粒子から構成されてもよい。しかしながら、いかなる場合にも、上記材料は、封じ込め層２３の撓みを許容するために、軽量かつ容易に圧縮自在でなければならない。

摩擦減少層２２は、ついで圧縮自在層２１上に取付けられ、摩擦を減少するように機能し、これにより、圧縮自在層２１に対する外部封じ込め層２３の撓みを容易にする。封じ込め層２３の撓みは、ファンブレード破片１の運動エネルギーを吸収し、衝突の局所的部位からファンケーシングの残りの部位へ力を再分布するように機能する。封じ込め層２３と圧縮自在層２１との間の摩擦の減少は、圧縮自在層２１の圧潰または圧縮と組合せられて、衝突力の再分布を容易にさせ、かつ封じ込め層２３の要求される引張強度のレベルを減少させる。

封じ込め層２３は、摩擦減少層２２の外面に取付けられ、同様に比較的軽量で高い強度を有するＫｅｖｌａｒ（登録商標）のような芳香族ポリアミド系繊維布からも構成されてもよい。さらに、布における縦糸ストランドと横糸ストランドとの正確に選択し、配向させることにより、衝撃繊維を特定のエンジン要求基準に合わせることができる。摩擦減少層２２は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）のようなプラスチックシート、または他の低摩擦材料を含んでいてもよく、これにより、層間に大きいせん断応力を伝達することなく撓みを許容する。

上述の説明は、発明者が現在意図する特定の好ましい実施態様に関するものであるが、本発明は、その広い態様において、ここで述べた要素の機構的および機能的な均等物を包含することが理解されよう。

図１は、ガスタービンエンジンの一例の長手方向の断面図であり、同軸の低圧シャフトと高圧シャフトとを示し、かつファンおよび周囲のファンケーシングアセンブリの一般的な配設を示す。 図２は、ファンおよびファンケーシングアセンブリの詳細な長手方向の断面図である。 図３は、図２の線３−３に沿った半径方向の断面図であり、ファンケーシングを貫通し、変形自在層を引き伸ばし、圧縮自在層と摩擦減少層とを歪ませた後に、封じ込め層により封じ込められるブレード破片を示す。 図４は、衝突前のファンブレード封じ込めケーシングアセンブリの層の一部を示す詳細な半径方向の断面図である。

Claims (5)

1. ガスタービンエンジンのファンブレード破片封じ込めアセンブリであって、
   エンジン軸の回りに回転できるように取付けられるファンを取囲む内面と、外面とを有し、かつ軸方向に延びた外周ブレード破片衝突ゾーンを有するファンケーシングと、
   前記ファンケーシング外面に取付けられ、かつ前記衝突ゾーンを取囲む変形自在層と、
   前記変形自在層の外面に取付けられた圧縮自在層と、
   前記圧縮自在層の外面に取付けられた摩擦減少層と、
   前記摩擦減少層の外面に取付けられた封じ込め層と、
   を有するファンブレード破片封じ込めアセンブリ。
2. 前記変形自在層は、芳香族ポリアミド系繊維およびフェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール系繊維から成る群から選択された繊維布であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード破片封じ込めアセンブリ。
3. 前記圧縮自在層は、金属発泡体、ハニカム構造体、拡張金網シート、焼結金属粒子、および噴霧金属粒子から成る群から選択された多孔性圧潰自在層であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード破片封じ込めアセンブリ。
4. 前記摩擦減少層は、プラスチックシートおよび複合グラファイト系繊維から成る群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード破片封じ込めアセンブリ。
5. 前記封じ込め層は、芳香族ポリアミド系繊維およびフェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール系繊維から成る群から選択された繊維布であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード破片封じ込めアセンブリ。

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