JP2007309318A - ファンアセンブリ、ファンアセンブリの支持方法およびファンフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】構造上の完全性を維持しながら騒音を低減したファンフレームもしくはファンアセンブリを提供する。
【解決手段】ガスタービンのファンフレーム（１０）を提示した。ファンフレーム（１０）はファン出口案内ベーン（１００）を有し、このファン出口案内ベーンは、中間ケース（５０）に連結されて構造上支持され、第１の継手（１１０、１１０ａ）によって半径方向の移動を拘束され、第２の継手（１２０、１２０ａ）によって軸方向および半径方向の移動を拘束される。中間ケース（５０）は、主ベアリング（５５）から離れる方向に幅が増加すると同時に、厚さが減少する支柱（５６、９５）を設けることで重量を低減しながら構造上の完全性をもたらす。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、ガスタービンに関する。より具体的には、本発明は、ガスタービンのファンフレームに関する。

ガスタービンエンジンは、エンジンコアおよびファン部分を有する。航空機では、エンジンコアは機体に配置され、主流路を有する。ファン部分はエンジンコアと同軸上にかつエンジンコアの半径方向外側に配置され、副流路を有する。ファンカウリングはファン部分を覆い、副流路と外側で接する。ガスタービンエンジンでの重要な領域は、ファン部分とエンジンコアとの取り付け構造部である。取り付け構造には、構造的な荷重、スラスト荷重、および空力的な荷重などの運転荷重のすべてをファンフレーム、次いで機体に伝達することが必要とされる。

図１に関連して、エンジンコアおよびファンアセンブリを含むターボファンの取り付け構造は、特許文献１に記載されている。ファンアセンブリは、ファンディスクと、流路を横断して外側に延びる複数のファンブレードとを有する。ファンカウリングはブレードとファン出口ケース案内ベーンの周りに周方向に延びる。ファン出口ケース案内ベーンは、ファンカウリングと、エンジンコアと複数の案内ベーンとの間に配置された支持コーンとに取り付けられる。中間ケースは、ファンカウリングをエンジンコアに構造的につなぐ。中間ケースは、複数の支柱と外側リングつまりファン出口ケース後部とを有する。支柱はエンジンコアの内側プラットフォームから外側リングに延在する。各支柱は、重量を低減するために中空とされ、支柱の長さ方向軸の周りに周方向に連続する。外側リングは、ボルト結合によって中間ケースをファンカウリングに連結する。支柱の各々は、ファンアセンブリの内側流れ面に近接して半径方向に配置された継手を有する。

上記の取り付け構成では、分離した案内ベーンおよび支柱が利用されている。一方、通常ファンブレード背面とファン出口案内ベーンとの間の距離が短くなるほど、ファンアセンブリから発生する騒音は大きくなる。
米国特許第５，４７１，７４３号明細書

したがって、構造上の完全性を維持しながら騒音を低減したファンフレームもしくはファンアセンブリが必要である。

ガスタービンのファンアセンブリを提示する。このアセンブリは、１つまたは複数のファンブレードとファンフレームを有する。ファンフレームは、ファン出口ケース後部、複数のファン出口案内ベーン、および中間ケースを有する。複数のファン出口案内ベーンの各々は、前部継手および後部継手によって中間ケースに連結される。複数のファン出口案内ベーンの各々に対して、前部継手または後部継手のいずれか一方が中間ケースに対するファン出口案内ベーンの半径方向の移動を拘束すると同時に、前部継手または後部継手の他方が中間ケースに対するファン出口案内ベーンの軸方向の移動を拘束する。

別の態様で、ガスタービンのファンアセンブリを提示する。このアセンブリは、１つまたは複数のファンブレードとファンフレームを有する。ファンフレームは、ファン出口ケース後部、複数のファン出口案内ベーン、および中間ケースを有する。中間ケースは、主ベアリングと主ベアリングから延びる複数のコア支柱とを有する。各コア支柱は幅および厚さを有し、幅が主ベアリングから離れる方向に増加すると同時に、厚さは主ベアリングから離れる方向に減少する。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンのファンアセンブリを支持する方法を提示する。その方法は、限定するものではないが、ファン出口ケース後部と中間ケースとの間に複数のファン出口案内ベーンを連結するステップを有する。各複数のファン出口案内ベーンの前方部分および後方部分の一方は、中間ケースに対する半径方向の移動を拘束される。各複数のファン出口案内ベーンの前方部分および後方部分の他方は、中間ケースに対する軸方向の移動を拘束される。

前部継手または後部継手は、Ｖ字形溝、ダブテール、円錐スナップ、もみの木形、および他の係合構造の合わせ面を有することができる。前部または後部継手はさらに、ブラインドボス（ｂｌｉｎｄ ｂｏｓｓ）を有することができる。前部継手または後部継手は、ダブテールの合わせ面を有してもよい。

中間ケースは、各コア支柱の前縁と各複数のファン出口案内ベーンの後部フランジとに連結した円形壁を有することができる。円形壁は先細りとすることができる。アセンブリはさらに、中間ケースの後部壁と中央壁の間に円筒状のチューブを有することができる。中間ケースは、各複数のコア支柱間に配置されたアーチを有することができる。

図２は、全体として参照数字１０で表した本発明のファンフレームを有するガスタービン部分の典型的な実施例の概略図を提示している。ファンフレーム１０は、限定するものではないが、ファンアセンブリ、圧縮機、タービン、および燃焼室を含む当技術分野で公知の構成要素を有する各種タイプのガスタービンで使用することができる。

ファンフレーム１０は、中間ケース５０、複数の案内ベーンつまりファン出口案内ベーン１００（１つだけを示している）、および外側リングつまりファン出口ケース後部１５０を有する。ファンフレーム１０は、複数のファンブレード２００（１つだけを示している）の下流に配置され、ともにガスタービンエンジンのファンアセンブリを構成している。ファンアセンブリから発生する騒音を低減するために、ファンブレード２００とファン出口案内ベーン１００との間の距離は長くなっている。ファン出口案内ベーン１００には、従来技術の支柱が組み込まれている。したがって、ファン出口案内ベーン１００は、中間ケース５０とファン出口ケース後部１５０との間の連結構造体であり、ファンアセンブリに伝達された対応する荷重を支持できなければならない。

図２および図３を参照すると、各ファン出口案内ベーン１００は、この荷重に対応するために、前部継手１１０および後部継手１２０によって中間ケース５０に連結されている。前部継手１１０および後部継手１２０は、中間ケース５０に対するファン出口案内ベーン１００の移動を拘束し、半径方向または軸方向の一方に沿って荷重を伝達する。図３で分かるように、前部継手１１０は、ガスタービンの中心線Ｘに対して垂直な方向に連結されて、矢印１１５で示すように、半径方向に沿った移動を拘束する。後部継手１２０は、ガスタービンの中心線Ｘに対して平行な方向に連結されて、矢印１２５で示すように、半径方向および軸方向に沿った移動をＶ字形溝を用いて拘束する。

ファン出口案内ベーン１００の各々は、中間ケース５０に対する軸方向および半径方向の両方向の移動を拘束される。ファンフレーム１０の典型的な実施例は、半径方向に沿った移動を拘束する前部継手１１０と、半径方向および軸方向に沿った移動を拘束する後部継手１２０とを有するが、本開示は、前部継手１１０が半径方向および軸方向に沿った移動を拘束し、後部継手１２０が半径方向に沿った移動を拘束する反対の構成も企図する。

前部継手１１０と後部継手１２０のいずれかまたは両方に使用する継手または連結体のタイプは、例えば、中間ケース５０上の完全なリングの連結体や一繋ぎでない連結体など、構造上の完全性を改良するだけでなく、連結を容易にするために変えることができる。前部継手１１０、後部継手１２０、およびベーンは、個別とすることができるし、またはまとまったものとすることもできる。前部継手１１０および後部継手１２０は、構造上の完全性をもたらすだけでなく、連結を容易にする面、例えば、ダブテールの合わせ面やブラインドボスなどを有する。

図３ａに示す代替の連結体では、前部継手１１０ａは、ガスタービンの中心線Ｘに対して垂直な方向に連結されて、矢印１１５ａによって示すように、半径方向に沿った移動を拘束する。後部継手１２０ａは、ガスタービンの中心線Ｘに対して平行に連結されて、矢印１２５ａによって示すように、半径方向および軸方向に沿った移動を拘束する。後部継手１２０ａは、ダブテールの合わせ面１３０ａおよびブラインドボス１３５ａを有する。

図４から図６に関連して、中間ケース５０は一体のインベストメント鋳造で作られるのが好ましい。必要とされる材料の量を最小化しながら、主ベアリング支持体５５およびコア支柱６０からの荷重を移行領域部材つまり支柱５６，９５を経由して伝達するために、材料の断面積は、コア支柱の前縁７５の断面積との差が１０％以内に保たれ、好ましくは、材料の断面積は、コア支柱の前縁７５の断面積と実質的に同じに保たれる。材料の軸方向の厚さは、ガスタービン中心線Ｘから離れる方向に減少し、一方、材料の周方向の長さは増加する。材料のこの軸方向厚さの減少は、図４に矢印８７で表した方向で地点Ｅから地点Ｆに示されている。結果として得られた形状は、ピッチモーメント荷重下で中間ケース５０の構造上の完全性とベアリング支持体５５の剛性とを維持すると同時に、材料の量を低減し、ひいては中間ケースの重量を低減する。

中間ケース５０のトルクボックス部分７０は、コア支柱６０とファン出口案内ベーン１００の間の領域にある。コア支柱６０の前縁７５および後縁８０より外側にある材料の軸方向厚さは、ガスタービン中心線Ｘからの距離が増えるとともに減少し（図４にそれぞれ参照数字７６、８６で概略的に示している）、一方、材料の周方向の幅は増加して前縁と同じ断面積を維持する。必要とされる材料の量を最小化しながら、主ベアリング支持体５５およびコア支柱６０からの荷重を移行領域部材つまり支柱５６，９５を経由して伝達するために、材料の断面積は、コア支柱の後縁８０の断面積との差が１０％以内に保たれ、好ましくは、材料の断面積は、コア支柱の後縁８０の断面積と実質的に同じに保たれる。結果として得られた形状は、ピッチモーメント荷重下で中間ケース５０の構造上の完全性とケースの剛性を維持すると同時に、材料の量を低減し、ひいてはケースの重量を低減する。上記のように、中間ケース５０を、中間ケースの中心から離れる方向に軸方向の厚さが減少し、周方向の幅が増加する形状としたことで、移行部材にアーチ９０が形成される。

トルクボックス部分７０はまた、（図４のＢ部に示すように）ファン出口案内ベーン１００の後部フランジをコア支柱６０の前縁の外径部に連結する円錐形中央壁９５、すなわち斜材を有する。円形の中央壁９５は、厚さが不均一な先細りとするかまたは他の形状とすることができる。中央壁９５は中間ケース５０の剛性を高め、防火壁、副荷重経路、および中間段抽気用の流れ案内部を提供する。中央壁９５は、アーチ９０と一体に形成されるのが好ましい。しかし、代替の連結構造および方法、例えば、溶接も考えられる。アーチ９０より半径方向内側にある材料の厚さは、例えば、製造上の最小限界近くまで最小化されることが望ましい。アーチ９０より内側にある材料の目的は、コンパートメントを分離することである。したがって、実用上可能な限り薄くするのが好ましい。

図５を参照すると、中間段抽気弁制御ロッド３００は、中央壁９５を貫通している。これは、バルブアクチュエータ３１０が中間ケース５０の後部壁に取り付けられ、一方、バルブ（図示せず）が中間ケースの前に配置されているためである。薄壁の円筒状チューブ９７は、中間ケース５０の後部壁にあるアクチュエータボス９６と中央壁９５の間に鋳造されるか、または形成されるのが好ましい。チューブ９７は、制御ロッドによる中央壁９５の破損を防止する。代替案として、アクチュエータは、中央壁９５に直接取り付けてもよい。

図７を参照すると、同様の部分を同じ参照数字で表した別の中間ケース５０’を示している。必要とされる材料の量を最小化しながら、主ベアリング支持体およびコア支柱から荷重を移行領域部材つまり支柱５６を経由して伝達するために、材料の断面積は、再度、支柱の前縁の断面積との差が１０％以内に保たれ、好ましくは、材料の断面積は、支柱の前縁の断面積と実質的に同じに保たれる。結果として得られた形状は、ピッチモーメント荷重下で中間ケース５０’の構造上の完全性とベアリング支持体５５の剛性とを維持すると同時に、材料の量を低減し、ひいては中間ケースの重量を低減する。中間ケース５０’を、上記のように、中間ケースの中心から離れる方向に軸方向の厚さが減少し、周方向の幅が増加する形状としたことで、移行部材にアーチ９０が形成される。

現時点の開示が１つまたは複数の典型的な実施例に関連させて説明されたが、当業者ならば、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であり、等価物を本開示の要素に代えて使用することができると理解するであろう。さらに、本開示の範囲から逸脱することなく、特定の状態あるいは材料を本開示の教示に適合させるために多くの修正が可能である。したがって、本開示は、この発明を実施するために企図された最良の形態として開示した特定の１つの（複数の）実施例に限定されるものではなく、本発明は添付の請求項の範囲に入るすべての実施例を含むことが意図される。

特許文献１に記載のエンジンコアおよびファンアセンブリを有するターボファンの取り付け構造の概略図である。 本発明のファンフレームを有するガスタービン部分の典型的な実施例の概略図である。 図２のファンフレームの部分Ａの概略図である。 図２の部分Ａのファン出口案内ベーンと中間ケースとの間にある代替案の連結部の概略図である。 図２のファンフレームの部分Ｂの概略図である。 図４のファンフレームの部分Ｃの概略図である。 図２の中間ケースの後部斜視図である。 本発明の別の中間ケースの側面図である。

Claims (20)

1. １つまたは複数のファンブレード（２００）と、
   ファン出口ケース後部（１５０）、複数のファン出口案内ベーン（１００）、および中間ケース（５０）を有するファンフレーム（１０）と、
   を備え、
   前記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々は、前部継手（１１０）および後部継手（１２０）によって前記中間ケース（５０）に連結され、前記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々に対して、前記前部継手（１１０）および前記後部継手（１２０）の一方は、前記ファン出口案内ベーン（１００）の前記中間ケース（５０）に対する半径方向および軸方向の移動を拘束し、前記前部継手（１１０）および前記後部継手（１２０）の他方は、前記ファン出口案内ベーン（１００）の前記中間ケース（５０）に対する半径方向の移動を拘束することを特徴とするガスタービン用ファンアセンブリ。
2. 上記前部継手（１１０）または上記後部継手（１２０）は、ダブテールの合わせ面（１３０、１３０ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載のファンアセンブリ。
3. 上記ダブテールの合わせ面（１３０，１３０ａ）を有する上記前部継手（１１０）または上記後部継手（１２０）は、上記半径方向または上記軸方向の上記ファン出口案内ベーン（１００）の移動を拘束することを特徴とする請求項２に記載のファンアセンブリ。
4. 上記後部継手（１２０）はさらに、ブラインドボス（１３５ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載のファンアセンブリ。
5. 上記後部継手（１２０）は、ダブテールの合わせ面（１３０，１３０ａ）を有することを特徴とする請求項４に記載のファンアセンブリ。
6. 上記後部継手（１２０）は、上記半径方向および上記軸方向の上記ファン出口案内ベーン（１００）の移動を拘束することを特徴とする請求項５に記載のファンアセンブリ。
7. 上記中間ケース（５０）は、主ベアリング（５５）と該主ベアリング（５５）から延びる複数の支柱（５６，９５）とを有し、前記複数の支柱（５６，９５）の各々は、周方向の幅と軸方向の厚さを有し、前記周方向の幅は前記主ベアリング（５５）から離れる方向に増加すると同時に、前記軸方向の厚さは前記主ベアリング（５５）から離れる前記方向に減少することを特徴とする請求項１に記載のファンアセンブリ。
8. １つまたは複数のファンブレード（２００）と、
   ファン出口ケース後部（１５０）、複数のファン出口案内ベーン（１００）、および中間ケース（５０）を有するファンフレーム（１０）と、
   を備え、
   前記中間ケース（５０）は、主ベアリング（５５）と該主ベアリング（５５）から延びる複数の支柱（５６，９５）とを有し、前記複数の支柱（５６，９５）の各々は周方向の幅と軸方向の厚さを有し、前記周方向の幅は前記主ベアリング（５５）から離れる方向に増加すると同時に、前記軸方向の厚さは、前記主ベアリング（５５）から離れる前記方向に減少することを特徴とするガスタービン用ファンアセンブリ。
9. 上記中間ケース（５０）は、上記複数の支柱（５６，９５）の各々の前縁（７５）と上記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々の後部フランジ（１３０，１３０ａ）とに連結した円形壁（９５）を有することを特徴とする請求項８に記載のファンアセンブリ。
10. さらに、上記中間ケース（５０）の後部壁と上記円形壁（９５）の間に円筒状のチューブ（９７）を有することを特徴とする請求項９に記載のファンアセンブリ。
11. 上記円形壁（９５）は先細りとされることを特徴とする請求項９に記載のファンアセンブリ。
12. 上記中間ケース（５０）は、前記複数の支柱（５６，９５）の各々の間に配置したアーチ（９０）を有することを特徴とする請求項８に記載のファンアセンブリ。
13. 上記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々は、前部継手（１１０）および後部継手（１２０）によって上記中間ケース（５０）に連結され、上記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々に対して、前記前部継手（１１０）および前記後部継手（１２０）の一方は、上記ファン出口案内ベーン（１００）の上記中間ケース（５０）に対する半径方向および軸方向の移動を拘束し、前記前部継手（１１０）および前記後部継手（１２０）の他方は、上記ファン出口案内ベーン（１００）の上記中間ケース（５０）に対する半径方向の移動を拘束することを特徴とする請求項１２に記載のファンアセンブリ。
14. 上記前部継手（１１０）または上記後部継手（１２０）は、ダブテールの合わせ面（１３０，１３０ａ）を有することを特徴とする請求項１３に記載のファンアセンブリ。
15. 上記ダブテールの合わせ面（１３０、１３０ａ）を有する上記前部継手（１１０）または上記後部継手（１２０）は、上記軸方向および上記半径方向の上記ファン出口案内ベーン（１００）の移動を拘束することを特徴とする請求項１４に記載のファンアセンブリ。
16. 上記後部継手（１２０）はさらに、ブラインドボス（１３５ａ）を有することを特徴とする請求項１３に記載のファンアセンブリ。
17. 上記後部継手（１２０）は、ダブテール合わせ面（１３０ａ）を有することを特徴とする請求項１６に記載のファンアセンブリ。
18. 上記後部継手（１２０）は、上記軸方向および上記半径方向の上記ファン出口案内ベーン（１００）の移動を拘束することを特徴とする請求項１７に記載のファンアセンブリ。
19. ガスタービンエンジンのファンアセンブリを支持する方法であって、
    複数のファン出口案内ベーン（１００）をファン出口ケース後部（１５０）と中間ケース（５０）との間に連結するステップを含み、
    前記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々の前方部分および後方部分の一方は、前記中間ケース（５０）に対する半径方向および軸方向の移動を拘束し、前記複数のファン出口案内ベーン（１００）の各々の前記前方部分および前記後方部分の他方は、前記中間ケース（５０）に対する半径方向の移動を拘束することを特徴とする方法。
20. 添付図面の図２から図７のいずれか１つに関連させて本明細書ですでに説明したガスタービン用ファンフレーム（１０）。

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