JP2006177364A - タービンエンジン用の複合ファン閉込めケースおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングを提供する。
【解決手段】例示的な実施形態では、本複合ファンケーシングは、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを含む。各コア層は、強化繊維の編組が円周方向に整列した状態で複数の編組した強化繊維を含む。
【選択図】 図２

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。

ガスタービンエンジンは一般的に、高及び低圧圧縮機と、燃焼器と、少なくとも１つのタービンとを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧した空気は、燃料と混合されかつ燃焼器に導かれる。次に、混合気は点火されて高温燃焼ガスを発生し、燃焼ガスはタービンに導かれ、タービンは、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するようにすると共に飛行中の航空機を推進するか或いは発電機のような負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

エンジンが様々な状態で作動する時、エンジン内に異物を吸い込む可能性がある。より具体的には、カモメのような大型の鳥から雹、砂及び雨にいたる様々なタイプの異物が、ガスタービンエンジンの入口内に空気と共に取り込まれる可能性がある。異物は、ブレードに衝突し、衝突を受けたブレードの一部分がロータから裂けて遊離することになるおそれがある。異物損害として知られるこのような状態は、ロータブレードがケーシングエンジンを突き通す状態になり、エンジンケーシングの外部表面に沿って割れを引き起こしまた近くにいる人間を負傷させることになるおそれがある。さらに、異物損害は、エンジンの一部分を膨出又はたわませ、エンジンケーシング全体に沿って大きな応力を生じさせるおそれがある。

エンジン応力の増大及び人間を負傷させる可能性を防止するのを可能にするために、少なくとも幾つか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加させるのを可能にしかつエンジンケーシングの貫通部近くの応力を低下させるのを可能にするような金属製ケーシングシェルを含む。しかしながら、ケーシングシェルは一般的に、金属材料で製作されており、このことは、エンジンの重量、従って航空機機体の重量を増加させることになる。
米国特許第６，５６１，７６０Ｂ２号公報 米国特許第６，４３５，８２４Ｂ１号公報 米国特許第６，４２８，２８０Ｂ１号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングを提供する。本ケーシングは、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを含む。各コア層は、強化繊維の編組が円周方向に整列した状態で複数の編組した強化繊維を含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングを製作する方法を提供する。本方法は、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを成形する段階を含む。各コア層は、繊維トウで形成された複数の編組した強化繊維を含む。強化繊維の編組は円周方向に整列している。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングを製作する方法を提供する。本方法は、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを成形する段階を含む。各コア層は、繊維トウで形成された複数の編組した強化繊維を含む。強化繊維の編組は円周方向に整列している。本方法はさらに、少なくとも１つのビルドアップ層をコアの内側面及び該コアの外側面の少なくとも１つに接着する段階を含む。

ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングを、以下に詳細に説明する。ケーシングは、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを含む。各コア層は、強化繊維の編組が円周方向に整列した状態で複数の編組した強化繊維を含む。複合ケーシングは、衝突荷重の下で割れの伝播に抗する。衝突時、運動エネルギーは、編組層の層間剥離によって放散され、その結果、編組層は衝突物体を捕捉しかつ閉込める。

図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むコアエンジン１３とを含む。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。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、吸入側２８及び排出側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チ所在のＧｅｎｅｒａｌ 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によって連結され、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によって連結される。

作動中、空気は、中心軸線３４に沿ってファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が、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に供給される。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、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、ファン閉込めケーシング４０の概略断面図であり、また図３は、ファン閉込めケース４０の一部分の概略断面図である。図２及び図３を参照すると、例示的な実施形態では、エンジン閉込めケーシング４０は、ファン組立体長さ４４とほぼ等しい長さ４２を備えたハードウォール式の閉込めシステムである。より具体的には、長さ４２は、ファン閉込めケース４０がファン組立体１２の主要閉込めゾーン４６を囲むように変更可能な寸法にされる。本明細書で用いる場合の主要閉込めゾーンというのは、ファンブレードがファン組立体１２から最も放出される可能性がある場所においてファン組立体１２の周りで軸方向及び円周方向の両方向に延びるゾーンを意味する。

この例示的な実施形態では、閉込めケーシング４０は、熱硬化性樹脂５４によって互いに接着された複数の強化繊維コア層５２で形成されたコア５０を含む。各コア層５２は、複数の強化繊維の編組（ｂｒａｉｄ）を含む。さらに図４を参照すると、１つの実施形態では、強化繊維は、編組が円周方向に延びるように整列した状態の編組した（ｂｒａｉｄｅｄ）マット５６に編組まれる。編組は、トウ当り約１００００〜約３００００本の繊維を含む繊維トウ５８を編組することによって形成される。別の実施形態では、繊維トウ５８は、１００００本よりも少ない繊維又は３００００本よりも多い繊維を含むことができる。しかしながら、トウが１００００本よりも少ない繊維を含む場合には、コア５０の強度が低下し、また繊維トウ５８が３００００本よりも多い繊維を含む場合には、閉込めケーシング４０の重量が増加する。

コア層５２を形成するために、それに限定されないが、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭素繊維、セラミック繊維、例えばポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）繊維（ＫＥＶＩＡＲ繊維）のような芳香族ポリアミド繊維及びそれらの混合物を含むあらゆる好適な強化繊維を使用することができる。コア５０を形成するのに、例えばビニールエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂及びそれらの混合物のような、あらゆる好適な熱硬化性ポリマー樹脂を使用することができる。

ファン閉込めケーシング４０はまた、コア５０の内側面６２に接着された複数のビルドアップ層６０を含む。ビルドアップ層６０は、熱硬化性樹脂５４によって互いに接着された、強化繊維のらせん状に巻いた編組６４で形成される。強化繊維の編組のらせん状パターンは、衝突時における層の剥げ落ちを減少させ、このことが次に応力集中を低減させる。衝突時、運動エネルギーは、ビルドアップ層６０及びコア層５２の層間剥離によって放散される。層間剥離したビルドアップ層６０及びコア層５２は、衝突物体を捕捉しかつ閉込める。図５に示す別の実施形態では、ビルドアップ層６０は、コア５０の外側面６８に接着される。さらに別の実施形態では、ビルドアップ層は、コア５０の外側面６８及び内側面６２の両方に接着される。

別の実施形態である図６を参照すると、ファン閉込めケーシング４０は、コア５０の外側面６８に接着された少なくとも１つの補強材６６を含む。補強材６６は、ほぼ逆Ｕ字形を有し、衝突事象時に閉込めケース４０から切離されて閉込めケース４０内の応力集中を取り除くように設計される。別の実施形態では、補強材６６は、Ｉ字形を有する。補強材６６は、例えば繊維強化プラスチック材料のようなあらゆる好適な材料で形成することができる。より構造的な補強を得るために、補強材６６は、大きい高さ対幅比で形成され、衝突時にケーシング４０から分離するように設計される。

この例示的な実施形態では、ファン閉込めケーシング４０は、熱硬化性ポリマー樹脂５４でコア層５２及びビルドアップ層６０を互いに一体に接着することによって製作される。具体的には、型を使用して閉込めケーシング４０の所望の寸法及び形状を形成する。ビルドアップ層６０、コア層５２及びポリマー樹脂５４を、型内に置く。例えば真空バッグのような何らかの好適な方法によって型内の積層構造体に対して真空を掛け、かつ構造体に熱を加えてポリマー樹脂５４を硬化させる。例えば積層構造体を加熱室、オーブン又はオートクレーブ内に置くことによるような、何らかの好適な方法によって積層構造体に対して熱が加えられる。真空は、繊維マット５６内にポリマー樹脂を引き込みかつに浸透させて、ファン閉込めケーシング４０に付加的な強度を与える。

上述の複合ファン閉込めケーシング４０は、公知の金属製閉込めケーシング設計と比較して、優れた耐衝突性及び耐損傷特性を有しかつ大きな重量節減をもたらす。本閉込めケーシングにより、作動中にブレードがエンジンから離脱した場合に、離脱したブレード又はブレード部分を閉込めケーシング内に閉込めることが可能になる。

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、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実行することができることは、当事者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すファン閉込めケースの概略断面図。 例示的な実施形態による、図２に示すファン閉込めケースの一部分の概略断面図。 図２に示す閉込めケースを形成するのに使用する強化繊維の編組マットの概略図。 別の例示的な実施形態による、図２に示すファン閉込めケースの一部分の概略断面図。 図２に示すファン閉込めケースの別の実施形態の概略断面図。

符号の説明

１２ ファン組立体１２
４０ ケーシング
５０ コア
５２ コア層
５４ 熱硬化性ポリマー樹脂
５６ 編組マット
５８ 繊維トウ
６０ ビルドアップ層
６６ 補強材

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングであって、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有するコアを含み、各前記コア層が、複数の編組した強化繊維を含み、前記強化繊維の編組が円周方向に整列していることを特徴とする複合ファンケーシング。
2. 各前記コア層が、編組した強化繊維のマットを含むことを特徴とする請求項１記載の複合ファンケーシング。
3. 前記コアの内側面及び該コアの外側面の少なくとも１つに接着された少なくとも１つのビルドアップ層をさらに含み、各前記ビルドアップ層が、複数の編組した強化繊維を含み、前記編組した繊維が、らせん状パターンで巻かれかつ熱硬化性樹脂で互いに接着されていることを特徴とする請求項１記載の複合ファンケーシング。
4. 前記コアの外側面に接着された少なくとも１つの補強材をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の複合ファンケーシング。
5. 前記強化繊維が、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維及び芳香族ポリアミド繊維の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の複合ファンケーシング。
6. 前記熱硬化性ポリマー樹脂が、ビニールエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の複合ファンケーシング。
7. ガスタービンエンジン用の複合ファンケーシングの製造方法であって、
   熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の強化繊維コア層を有し、各前記コア層が、繊維トウで形成された複数の編組した強化繊維を含み、前記強化繊維の編組が円周方向に整列したコアを成形する段階を具備することを特徴とする製造方法。
8. 前記コアを成形する段階が、熱硬化性ポリマー樹脂で互いに接着された複数の編組した強化繊維コア層を有するコアを成形する段階を含むことを特徴とする請求項７記載の製造方法。
9. らせん状パターンで巻かれかつ熱硬化性樹脂で互いに接着された複数の編組した強化繊維を含む少なくとも１つのビルドアップ層を成形する段階と、
   前記ビルドアップを前記コアの内側面及び該コアの外側面の少なくとも１つに接着する段階と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の製造方法。
10. 少なくとも１つの補強材を前記コアの外側面に接着する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の製造方法。

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