JP2007247428A - ファンのダブテール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンをタービンにより回転駆動されるディスクの周囲に確実に取り付けることができ、かつ入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンに作用する遠心力の半径方向及び軸方向の分力を低い応力で確実に支持することができるファンのダブテール構造を提供する。
【解決手段】タービンにより回転駆動される円板状のディスクの周囲に、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファン２０を取り付けるファンのダブテール構造。ディスク１０は、その前縁１０ａから後縁１０ｂまで回転軸の軸心１に対して一定の角度θ１で延び、周方向に一定の角度を隔てる複数のダブテール溝１２を有する。ファン２０は、その内方端に、ダブテール溝の角度と同一の角度で延びダブテール溝に嵌合可能なダブテール部２２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイパス比が高く低燃費化と低騒音化が可能なターボファンエンジンに係わり、特に入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンのダブテール構造に関する。

図７は航空機エンジン５１（ターボジェットエンジン）の模式的構成図である。この図に示すようにターボジェットエンジンは、空気を取り入れるファン５２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機５３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器５４、燃焼器５４の燃焼ガスによりファン５２及び圧縮機５３を駆動するタービン５５、推力増大のため再燃焼させるアフタバーナ５６等を備えている。

アフタバーナ５６は、三角形断面等を有し下流に循環領域を形成して保炎を行なうフレームホルダ（保炎器）５７、燃料を噴出させるための燃料ノズル５８、点火栓５９等からなり、アウターダクト６０の内側のライナ６１内を通して排気ノズル６２から噴出させ、推力を増大させるようになっている。

上述したターボジェットエンジンにおいて、空気を取り入れるファン５２を大型にし、バイパス比を大きくしたものを「ターボファンエンジン」と呼ぶ。バイパス比は、コアエンジン（上述した圧縮機５３、燃焼器５４及びタービン５５）に流入する空気流（コア流れ）に対するこれらをバイパスするバイパス流れの流量比（バイパス流れ／コア流れ）であり、これが大きいほど排気ジェットの流速を下げ、騒音低減と燃料消費率の低減に効果がある。

しかし上述したターボファンエンジンでは、バイパス比を大きくするとファン１段動翼（最前列のファン・ブレード）とこれを囲むケーシング内径が大きくなり、エンジンの重量が増してしまう問題点があった。

すなわちターボファンエンジンのスピンナー６３に埋め込まれた構造のファン１段動翼５２ａは、埋め込み構造のため、ある程度のハブ／チップ比（図８に示す入口ハブ径／入口チップ径：通常０．３程度）が必要となり、入口ハブ径に相当する面積分だけファン入口面積は狭くなる。
そのため低燃費、低騒音を達成するためバイパス比を増やそうとすると、ファン径及び入口ハブ径はさらに大きくなり、エンジンの重量が増えることになる。

そこでこの問題点を解決するために、本発明と同一の出願人は、特許文献１の「ターボファンエンジン」を既に提案している。
このターボファンエンジンは、図９に示すように、空気を取り入れるためのファン１段動翼６５と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナー６４とを備え、該スピンナーが、その軸心から半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼６６を有するものである。
なおこの図で、６７、６７’は、ケーシング内径、６８は流入空気の流れである。

特許文献１の構成によれば、スピンナー６４が、その軸心から半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼６５に供給する渦巻翼６６を有するので、入口ハブ径に相当するスピンナー前面からも空気を吸込みこれを圧縮してファン１段動翼６５に供給することができる。
従って、エンジン前方の全面積がそのままファン１段動翼６５の空気流入面積になるのでファン径を小さくすることができ、エンジン重量の削減が可能となる。

また上述したターボファンエンジンのファン１段動翼６５と渦巻翼６６は、一体に連結することにより、それぞれの翼表面を滑らかに繋げることができ、空気の吸込み・圧縮を効率よく行うことができる。以下、ファン１段動翼６５と渦巻翼６６を一体化し、スピンナー前面からも空気を吸込み、実質的なハブ／チップ比を０とすることができるファンを「ゼロハブチップ比ファン」と呼ぶ。

特開２００４−２７８５４号公報、「ターボファンエンジン」 米国特許第６，７６４，２８２号明細書、“ＢＬＡＤＥ ＦＯＲ ＴＵＲＢＩＮＥ ＥＮＧＩＮＥ”

ターボファンエンジンのファン・ブレードは、タービンにより回転駆動される円板状のディスク（又はスピンナー）の周囲に取り付ける必要がある。そのため従来、ファン・ブレードの根元部に前後方向に延びるダブテール部を設け、このダブテール部をディスク周囲に設けたダブテール溝に嵌合させるダブテール構造が一般的に採用されている。
かかる従来のダブテール構造では、ダブテール部及びダブテール溝は、ディスクの回転軸Ｚ−Ｚに平行に設けられ、ファン・ブレードに作用する遠心力が軸方向の分力を発生させないようにしていた。以下、この構造を「平行ダブテール構造」と呼ぶ。

しかし、ファン・ブレードの取り付けられるドーナツ状流路の内側の直径変化が大きい場合、平行ダブテール構造を採用すると、ダブテール部及びダブテール溝の直径を流路の最小径以下に小さくする必要が生じ、ダブテール部及びダブテール溝に発生する応力が過大となるおそれがあった。
そこで、図１０に示すダブテール部及びダブテール溝を回転軸に対して傾斜させたダブテール構造が提案されている（例えば、特許文献２）。この図において、７１はディスク、７３はブレード、７７はダブテール、７９はタブである。
以下、この構造を「傾斜ダブテール構造」と呼ぶ。

しかし、上述したゼロハブチップ比ファンの場合、ハブ／チップ比が０〜０．３５であり、ゼロハブチップ比ファンの取り付けられるドーナツ状流路の内側の直径は、ゼロ又はゼロに近いため、平行ダブテール構造は本質的に適用できない問題点があった。
また、傾斜ダブテール構造を適用する場合でも、ゼロハブチップ比ファンの前側部分（上述した渦巻翼に相当する部分）の遠心力をディスク（又はスピンナー）で支持することができなかった。
さらに、ゼロハブチップ比ファンに傾斜ダブテール構造を適用する場合、ファン・ブレードに作用する遠心力の軸方向分力が大きいため、特許文献２に開示されるタブのような剪断面積の小さい構造では、発生する応力が過大となるおそれがあった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンをタービンにより回転駆動されるディスクの周囲に確実に取り付けることができ、かつ入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンに作用する遠心力の半径方向及び軸方向の分力を低い応力で確実に支持することができるファンのダブテール構造を提供することにある。

本発明によれば、タービンにより回転駆動される円板状のディスクの周囲に、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンを取り付けるファンのダブテール構造であって、
前記ディスクは、その前縁から後縁まで回転軸の軸心に対して一定の角度で延び、周方向に一定の角度を隔てる複数のダブテール溝を有し、
前記ファンは、その内方端に、前記ダブテール溝の角度と同一の角度で延び該ダブテール溝に嵌合可能なダブテール部を有する、ことを特徴とするファンのダブテール構が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ファンは、回転中心付近の空気を吸込み可能であり実質的な入口ハブ径がゼロ又はゼロに近く、ハブ／チップ比が０〜０．３５であるゼロハブチップ比ファンである。
また、前記ファンのダブテール部は、中間部から後縁まで延び前記ダブテール溝に嵌合可能な主ダブテール部と、前縁から中間部まで延びる補助ダブテール部とからなり、
更に、ファンの前方に前記ディスクに固定可能なスピンコーンを備え、該スピンコーンは、その内周部に前記複数の補助ダブテール部と嵌合する複数の補助ダブテール溝を有する。

また、前記主ダブテール部は、その周方向の幅が後方側が前方側より狭い一定勾配のテーパー側部を有し、
前記ダブテール溝は、主ダブテール部の前記テーパー側部に嵌合するテーパー溝側部を有する、ことが好ましい。

また、前記主ダブテール部は、その半径方向の底面が後方側が前方側より浅い一定勾配のテーパー底部を有し、
前記ダブテール溝は、主ダブテール部の前記テーパー底部に嵌合するテーパー溝底部を有する、ことが好ましい。

また、前記ファンの空気流路の内周面を構成するプラットホーム部は、その周方向の幅が後方側が前方側より狭い一定勾配のテーパー側部を有し、
前記ディスクは、前記テーパー側部に嵌合するテーパー突起部を有する、ことが好ましい。

また、前記ファンのダブテール部は、その後方端にダブテール溝に直交する垂直後面を有し、
さらに前記ディスクの後端面に固定され、前記垂直後面に密着してその後方移動を防止する後部リテーナを有する、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、ディスクが、その前縁から後縁まで回転軸の軸心に対して一定の角度で延びるダブテール溝を有し、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンが、ダブテール溝の角度と同一の角度で延び該ダブテール溝に嵌合可能なダブテール部を有するので、ファンをディスクの周囲に確実に取り付けることができ、ファンに作用する遠心力をダブテール部とダブテール溝を介してディスクに確実に伝達することができる。
また、ダブテール部とダブテール溝は、回転軸の軸心に対して一定の角度で延びるので、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンを取り付ける場合でも、十分長いダブテール溝を設定することができ、ダブテール部とダブテール溝に発生する応力を十分小さく抑えることができる。

また、ファンのダブテール部を、主ダブテール部と補助ダブテール部とで構成し、更に、ファンの前方に前記ディスクに固定可能なスピンコーンを備え、このスピンコーンの補助ダブテール溝で補助ダブテール部を支持する構成により、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンのハブ径が小さい部分に作用する遠心力を、スピンコーンを介して確実に支持し確実にディスクに伝達することができる。

さらに、主ダブテール部の周方向の幅、主ダブテール部の半径方向の底面、又はプラットホーム部の周方向の幅を一定勾配のテーパー状にし、ダブテール溝又はディスクに対応するテーパー受け面を設けることにより、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンに作用する遠心力のダブテール溝に沿った分力を広い面積による低い応力で確実に支持することができる。

また、ファンのダブテール部の後方端にダブテール溝に直交する垂直後面を設け、ディスクの後端面に固定された、後部リテーナをその垂直後面に密着させる構成により、後部リテーナに発生する内部応力を低減することができる。

以下本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図６は、ファンとディスクを分離して示す斜視図であり、嵌め合わせ構造を模式的に示している。
本発明のダブテール構造は、図示しないタービンにより回転駆動されるディスク１０の周囲に設けられたダブテール溝に、ファン２０のダブテール部を取り付けるものである。

図１は、本発明のダブテール構造を備えたファンの横断面図であり、回転軸の軸心１の上側のみを示している。
また図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線における断面図、図４は、図１のＣ−Ｃ線における断面図である。

またこの実施形態において、ファン２０は、回転中心付近の空気を吸込み可能であり、実質的な入口ハブ径がゼロ又はゼロに近く、ハブ／チップ比が０〜０．３５であるゼロハブチップ比ファンである。
なお図１において、１はディスク１０及びゼロハブチップ比ファン２０の回転軸の軸心、２は空気流路、３は空気流路の内周面、４はディスク１０を回転可能に支持する軸受、５は流入空気の流れである。

ゼロハブチップ比ファン２０は、空気を取り入れるためのファン１段動翼２０ａと回転中心付近から空気を吸込みこれを圧縮しファン１段動翼に供給する渦巻翼２０ｂが一体に連結され、それぞれの翼表面が滑らかに繋がるように形成されている。なお、この例において、ゼロハブチップ比ファン２０の実質的なハブ／チップ比は０ではないが、これを０とすることもできる。

図１、図２において、ディスク１０は、周方向に一定の角度（例えば、この例では３０°）を隔てる複数（例えば、この例では１２）のダブテール溝１２を有する。またこのダブテール溝１２は、ディスク１０の前縁１０ａから後縁１０ｂまで回転軸の軸心１に対して一定の角度θ_１で延びる。
一定の角度θ_１は、前方が軸心１に近く、後方が軸心１から離れる角度であり、空気流路２の内周面３に沿った角度であるのがよい。なおこの例において、角度θ_１は、約３０°である。

ゼロハブチップ比ファン２０は、その内方端に、ダブテール部２２を有する。ダブテール部２２は、ディスク１０のダブテール溝１２の角度と同一の角度θ１で延び、ダブテール溝１２に嵌合可能に構成されている。

図１において、ゼロハブチップ比ファン２０のダブテール部２２は、中間部から後縁まで延びダブテール溝１２に直接嵌合可能な主ダブテール部２２ａと、前縁から中間部まで補助ダブテール部２２ｂとからなる。主ダブテール部２２ａはファン１段動翼２０ａに対応する位置に設け、補助ダブテール部２２ｂは渦巻翼２０ｂに対応する位置に設けるのがよい。

補助ダブテール部２２ｂの回転軸の軸心１に対する角度θ_２は、主ダブテール部２２ａと同一の角度θ_１で延びるのが好ましい。
しかし、本発明はこれに限定されず、角度θ_２を角度θ_１と異なる角度に設定してもよい。また、補助ダブテール部２２ｂの角度θ_２は、必須ではなく、回転軸の軸心１に平行に構成してもよい。

図１において本発明のダブテール構造は、更に、ゼロハブチップ比ファン２０の前方（図で左側）にディスク１０に連結金具１５で固定可能なスピンコーン３０を備える。
スピンコーン３０は、その内周部に複数の補助ダブテール部２２ｂと嵌合する複数（例えば、この例では１２）の補助ダブテール溝３２を有する。この補助ダブテール溝３２は、ダブテール溝１２に対応する周方向位置に一定の角度（例えば、この例では３０°）を隔てて設けられている。
この例では、スピンコーン３０は、さらに連結金具３５でその先端に取り付けられたコーンヘッド３６を有する。

実質的な入口ハブ径がゼロ又はゼロに近いゼロハブチップ比ファン２０の場合、空気流路２の内周面３は、ゼロ又はゼロに近い小径からその３倍以上（この例で約３倍）に達する大径にその流路直径が大きく変化する。そのため、補助ダブテール部２２ｂの取付部の直径は、主ダブテール部２２ａの取付部の最大直径の１／３以下となる。
また、補助ダブテール部２２ｂに作用する遠心力は、その外側に位置する渦巻翼２０ｂに作用する遠心力であり、主ダブテール部２２ａに作用するファン１段動翼２０ａの遠心力に比較すると小さい。
従って、補助ダブテール部２２ｂの大きさは、主ダブテール部２２ａの大きさよりも十分小さく設定するのがよい。

上述した構成により、ディスク１０が、その前縁１０ａから後縁１０ｂまで回転軸の軸心１に対して一定の角度θ_１で延びるダブテール溝１２を有し、ゼロハブチップ比ファン２０が、ダブテール溝１２の角度と同一の角度θ_１で延びダブテール溝に嵌合可能なダブテール部２２（主ダブテール部２２ａ）を有するので、ゼロハブチップ比ファン２０をディスク１０の周囲に確実に取り付けることができ、ゼロハブチップ比ファン２０に作用する遠心力をダブテール部（主ダブテール部２２ａ）とダブテール溝１２を介してディスク１０に確実に伝達することができる。
また、ダブテール部２２とダブテール溝１２は、回転軸の軸心１に対して一定の角度で延びるので、実質的な入口ハブ径がゼロ又はゼロに近いゼロハブチップ比ファンを取り付ける場合でも、十分長いダブテール溝１２を設定することができ、ダブテール部とダブテール溝に発生する応力を十分小さく抑えることができる。

また、ゼロハブチップ比ファン２０のダブテール部２２を、主ダブテール部２２ａと補助ダブテール部２２ｂとで構成し、更に、ゼロハブチップ比ファン２２の前方にディスク１０に固定可能なスピンコーン３０を備え、このスピンコーンの補助ダブテール溝３２で補助ダブテール部２２ｂを支持する構成により、ゼロハブチップ比ファン２０のハブ径がゼロ又はゼロに近い部分に作用する遠心力を、スピンコーン３０を介して支持し確実にディスク１０に伝達することができる。

図１において本発明のダブテール構造は、更に、ゼロハブチップ比ファン２０のダブテール部２２（この例では主ダブテール部２２ａ）は、その後方端にダブテール溝１２に直交する垂直後面２３を有する。
さらに、本発明のダブテール構造は、ディスク１０の後端面（後縁１０ｂ）に図示しない連結金具（例えばボルト、ナット）で固定された後部リテーナ１６を有する。
後部リテーナ１６の一部は、垂直後面２３に沿って曲げられており、その前面が垂直後面２３に密着して主ダブテール部２２ａの後方移動を防止するようになっている。
この構成により、主ダブテール部２２ａの後面を回転軸の軸心１に直交する面とした場合と比較して、接触面の面圧をほぼ一定にでき、後部リテーナに発生する内部応力を低減することができる。

図５は、主ダブテール部の模式図であり、（Ａ）は主ダブテール部の側面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
図２、図３および図５において、主ダブテール部２２ａは、その周方向の幅Ｂが後方側（図２）が前方側（図３）より狭い一定勾配のテーパー側部２４ａを有する。またダブテール溝１２は、主ダブテール部２２ａのテーパー側部２４ａに嵌合するテーパー溝側部１２ａを有する。
この構成により、テーパー側部２４ａとテーパー溝側部１２ａが楔状に広い面積で接触し、ゼロハブチップ比ファン２０に作用する遠心力のダブテール溝１２に沿った分力Ｆは、ディスク１０の周方向圧縮力に分散されるので、遠心力の分力Ｆを広い面積による低い応力で確実に支持することができる。

また、図２、図３および図５において、主ダブテール部２２ａは、その半径方向の底面（深さＨ）が後方側（図２）が前方側（図３）より浅い一定勾配のテーパー底部２４ｂを有する。また、ダブテール溝１２は、主ダブテール部２２ａのテーパー底部２４ｂに嵌合するテーパー溝底部１２ｂを有する。
この構成により、テーパー底部２４ｂとテーパー溝底部１２ｂが楔状に広い面積で接触し、ゼロハブチップ比ファン２０に作用する遠心力のダブテール溝１２に沿った分力Ｆは、ディスク１０の半径方向力に分散されるので、遠心力の分力Ｆを広い面積による低い応力で確実に支持することができる。

さらに、図２、図３において、ゼロハブチップ比ファン２０の空気流路２の内周面３を構成するプラットホーム部２６は、その周方向の幅Ｌが後方側（図２）が前方側（図３）より狭い一定勾配のテーパー側部２６ａを有する。また、ディスク１０は、テーパー側部２６ａに嵌合するテーパー突起部１１を有する。テーパー突起部１１は、ディスク１０と一体に形成されているのがよい。
この構成により、テーパー側部２６ａとテーパー突起部１１が楔状に広い面積で接触し、ゼロハブチップ比ファン２０に作用する遠心力のダブテール溝１２に沿った分力Ｆは、ディスク１０の周方向圧縮力に分散されるので、遠心力の分力Ｆを広い面積による低い応力で確実に支持することができる。

なお、上述した垂直後面２３と後部リテーナ１６、テーパー側部２４ａとテーパー溝側部１２ａ、テーパー底部２４ｂとテーパー溝底部１２ｂ、及びテーパー側部２６ａとテーパー突起部１１は、すべては必須ではなく、そのいずれかの手段、あるいはいくつかの組み合わせにより、遠心力の分力Ｆを広い面積による低い応力で確実に支持することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のダブテール構造を備えたファンの横断面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 図１のＢ−Ｂ線における断面図である。 図１のＣ−Ｃ線における断面図である。 主ダブテール部の模式図である。 図６は、ファンとディスクを分離して示す斜視図である。 従来のターボファンエンジンの構成図である。 ハブ／チップ比の説明図である。 特許文献１の「ターボファンエンジン」の構成図である。 特許文献２の「傾斜ダブテール構造」の構成図である。

符号の説明

１ 回転軸の軸心、２ 空気流路、３ 空気流路の内周面、
４ 軸受、５ 流入空気の流れ、
１０ ディスク、１０ａ 前縁、１０ｂ 後縁、１１ テーパー突起部、
１２ ダブテール溝、１２ａ テーパー溝側部、１２ｂ テーパー溝底部、
１５ 連結金具、１６ 後部リテーナ、
２０ ゼロハブチップ比ファン、２０ａ ファン１段動翼、２０ｂ 渦巻翼、
２２ ダブテール部、２２ａ 主ダブテール部、２２ｂ 補助ダブテール部、
２３ 垂直後面、２４ａ テーパー側部、２４ｂ テーパー底部、
２６ａ テーパー側部、
３０ スピンコーン、３２ 補助ダブテール溝、
３５ 連結金具、３６ コーンヘッド

Claims (7)

1. タービンにより回転駆動される円板状のディスクの周囲に、入口ハブ径が出口ハブ径より小さいファンを取り付けるファンのダブテール構造であって、
   前記ディスクは、その前縁から後縁まで回転軸の軸心に対して一定の角度で延び、周方向に一定の角度を隔てる複数のダブテール溝を有し、
   前記ファンは、その内方端に、前記ダブテール溝の角度と同一の角度で延び該ダブテール溝に嵌合可能なダブテール部を有する、ことを特徴とするファンのダブテール構造。
2. 前記ファンは、回転中心付近の空気を吸込み可能であり実質的な入口ハブ径がゼロ又はゼロに近く、ハブ／チップ比が０〜０．３５であるゼロハブチップ比ファンである、ことを特徴とする請求項１に記載のファンのダブテール構造。
3. 前記ファンのダブテール部は、中間部から後縁まで延び前記ダブテール溝に嵌合可能な主ダブテール部と、前縁から中間部まで延びる補助ダブテール部とからなり、
   更に、ファンの前方に前記ディスクに固定可能なスピンコーンを備え、該スピンコーンは、その内周部に前記複数の補助ダブテール部と嵌合する複数の補助ダブテール溝を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のファンのダブテール構造。
4. 前記主ダブテール部は、その周方向の幅が後方側が前方側より狭い一定勾配のテーパー側部を有し、
   前記ダブテール溝は、主ダブテール部の前記テーパー側部に嵌合するテーパー溝側部を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のファンのダブテール構造。
5. 前記主ダブテール部は、その半径方向の底面が後方側が前方側より浅い一定勾配のテーパー底部を有し、
   前記ダブテール溝は、主ダブテール部の前記テーパー底部に嵌合するテーパー溝底部を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のファンのダブテール構造。
6. 前記ファンの空気流路の内周面を構成するプラットホーム部は、その周方向の幅が後方側が前方側より狭い一定勾配のテーパー側部を有し、
   前記ディスクは、前記テーパー側部に嵌合するテーパー突起部を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のファンのダブテール構造。
7. 前記ファンのダブテール部は、その後方端にダブテール溝に直交する垂直後面を有し、
   さらに前記ディスクの後端面に固定され、前記垂直後面に密着してその後方移動を防止する後部リテーナを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のファンのダブテール構造。
   

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