JP2008163950A - 案内ベーン及びそれを製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】案内ベーン及びそれを製作する方法を提供する。
【解決手段】第１の材料で構造的スパー７２を製作する段階と、第２の材料でフェアリング７４を製作する段階と、スパー７２を少なくとも部分的に囲みかつ翼形部１０２を形成するように該スパー７２上にフェアリング７４を取付ける段階とを含む。出口案内ベーン７０は、前縁１１４及び後縁１１６を備えた翼形部１０２と、第１の材料で形成されかつ翼形部１０２内に設置された構造的スパー７２と、第２の材料で形成されかつスパー７２を少なくとも部分的に囲むフェアリング７４とを含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に記載した技術は、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案内ベーン及びそれを製作する方法に関する。

少なくとも１つの公知のガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンの上流に取付けられたファン組立体を含む。運転時に、ファン組立体から吐出された空気流の一部分は、下流方向にコアガスタービンエンジンに送られ、コアガスタービンエンジン内において、空気流はさらに加圧される。加圧された空気流は次に、燃焼器内に送られ、燃料と混合されかつ点火されて高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは次に、タービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取出して、圧縮機を駆動すると同時に飛行中の航空機を推進するような有用な仕事を行う。ファン組立体から吐出された空気流の他の部分は、ファンストリームノズルを通ってエンジンから流出する。

空気流をファン組立体からコアガスタービンエンジンに送るのを可能にするために、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジン組立体は、ファンノズルの前で旋回流を除去するために使用される出口案内ベーンを含む。そのような出口案内ベーン組立体は、ファン組立体から吐出された空気流を、そのファン流がバイパスダクトを通って流れる前にほぼ軸方向に方向転換させるように構成される。ファン空気流を方向転換させることに加えて、出口案内ベーンはまた、ファンフレームに対して構造的剛性を与える。より具体的には、出口案内ベーン組立体は一般的に、ファンフレームに結合された複数の出口案内ベーンを含む。ファンフレームに対して必要な構造的剛性を与えるために、公知の出口案内ベーンは、金属材料を用いて実質的に中実のベーンとして鍛造される。

しかしながら、公知の出口案内ベーンは実質的に中実であるので、それら出口案内ベーンは、ガスタービンエンジン組立体の全体重量を増加させ、また燃料効率の低下も引き起こす可能性がある。

１つの態様では、出口案内ベーンを製作する方法は、第１の材料で構造的スパーを製作する段階と、第２の材料でフェアリングを製作する段階と、スパーを少なくとも部分的に囲みかつ翼形部を形成するように該スパー上にフェアリングを取付ける段階とを含む。

別の態様では、出口案内ベーンは、前縁及び後縁を備えた翼形部と、第１の材料で形成されかつ翼形部内に設置された構造的スパーと、第２の材料で形成されかつスパーを少なくとも部分的に囲むフェアリングとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、複数のファンブレードを含みかつコアガスタービンエンジンに結合されたファン組立体と、ファンブレードの下流に結合された複数の出口案内ベーンとを含み、出口案内ベーンの少なくとも１つは、前縁及び後縁を有する翼形部と、第１の材料で形成されかつ翼形部内に設置された構造的スパーと、第２の材料で形成されかつスパーを少なくとも部分的に囲むフェアリングとを含む。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の断面概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２とコアガスタービンエンジン１３とを含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０と、多段ブースタ圧縮機２２と、該ブースタ圧縮機２２を実質的に囲むスプリッタ４４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の配列を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。ファン組立体１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１のロータシャフト３１によって互いに結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト３２によって互いに結合される。

運転時に、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、空気流の第１の部分５０は、ブースタ２２を通して送られる。ブースタ２２から吐出された加圧空気は、圧縮機１４を通して送られ、圧縮機１４内において、空気流は、さらに加圧されて燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの高温の燃焼生成物（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動するために利用され、またタービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２及びブースタ２２を駆動するために利用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計運転条件及び設計外運転条件間の運転条件の範囲で運転可能である。

ファン組立体１２から吐出された空気流の第２の部分５２は、ファン組立体１２からの空気流の一部分をコアガスタービンエンジン１３の回りでバイパスさせるようにバイパスダクト４０を通して送られる。より具体的には、バイパスダクト４０は、ファンケーシング又はシュラウド４２とスプリッタ４４との間で延びる。従って、ファン組立体１２からの空気流の第１の部分５０は、上記のように、ブースタ２２を通して送られ、次に圧縮機１４内に入り、またファン組立体１２からの空気流の第２の部分５２は、例えばバイパスダクト４０を通して送られて航空機にスラストを与える。ガスタービンエンジンエンジン組立体１０はまた、ファン組立体１２に対して構造的支持を与えるファンフレーム組立体６０を含み、ファンフレーム組立体６０は、ファン組立体１２をコアガスタービンエンジン１３に結合するためにも利用される。

ファンフレーム組立体６０は、半径方向外側取付けフランジと半径方向内側取付けフランジとの間でほぼ半径方向に延びかつバイパスダクト４０内で円周方向に間隔を置いて配置された複数の出口案内ベーン７０を含む。ファンフレーム組立体６０はまた、半径方向外側取付けフランジと半径方向内側取付けフランジとの間に結合された複数の支柱を含むことができる。１つの実施形態では、ファンフレーム組立体６０は、アーチ形セグメントとして製作され、アーチ形セグメント内で、フランジが出口案内ベーン及び支柱に結合される。１つの実施形態では、出口案内ベーン及び支柱は、バイパスダクト４０内で同軸に結合される。任意選択的に、出口案内ベーン７０は、バイパスダクト４０内で支柱の下流に結合することができる。

ファンフレーム組立体６０は、ガスタービンエンジン組立体１０内で様々な構成部品の配向を維持するのを可能にするために使用する該ガスタービンエンジン組立体１０の様々なフレーム及び支持組立体の１つである。より具体的には、そのようなフレーム及び支持組立体は、固定構成部品を相互連結しかつロータ軸受支持体を構成する。ファンフレーム組立体６０は、バイパスダクト４０内でファン組立体１２の下流に結合されて、出口案内ベーン７０及び支柱が、ファン組立体１２の出口の周りに円周方向に間隔を置いて配置されかつファン組立体１２の吐出空気流路を横切って延びるようになる。

図２は、図１に示すファンフレーム６０で使用することができる出口案内ベーン７０の正面図である。図３は、図２に示す出口案内ベーン７０の断面図である。図４は、別の例示的な出口案内ベーン７０の断面図である。この例示的な実施形態では、出口案内ベーン７０は、半径方向外側フランジと半径方向内側フランジとの間に結合された翼形部１０２を含む。翼形部１０２、半径方向外側フランジ１０４及び半径方向内側フランジ１０６は、単体構造の出口案内ベーン７０として鋳造又は鍛造することができる。任意選択的に、半径方向外側フランジ１０４及び半径方向内側フランジ１０６は、例えば溶接又はロウ付け法を使用して翼形部１０２に結合することができる。

図３及び図４に示すように、翼形部１０２は、第１の側壁１１０及び第２の側壁１１２を含む。１つの実施形態では、第１及び／又は第２の側壁１１０及び／又は１１２のいずれかは、空気力学的性能を高めるような輪郭とすることができる。この例示的な実施形態では、第１の側壁１１０は、凸面形でありかつ翼形部１０２の負圧側面を形成し、また第２の側壁１１２は、凹面形でありかつ翼形部１０２の正圧側面を形成する。側壁１１０及び１１２は、翼形部１０２の前縁１１４及び軸方向に間隔を置いた後縁１１６において接合される。より具体的には、翼形部後縁１１６は、翼形部前縁１１４から翼弦方向にかつ下流方向に間隔を置いて配置される。第１及び第２の側壁１１０及び１１２は、それぞれ半径方向内側フランジ１０６から半径方向外側フランジ１０４までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。この例示的な実施形態では、出口案内ベーン７０の少なくとも一部分は、それに限定されないが、チタン、アルミニウム及び／又は金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のような金属材料を使用して製作される。

図３及び図４に示すように、翼形部１０２は、ツーピース形構造体であり、この構造体は、例えばチタン、鍛造アルミニウム及び／又は金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のような金属材料を利用して製作した構造的スパー（翼桁）７２を含む。翼形部１０２はまた、軸方向にスイープしかつ／又は円周方向に傾斜（リーン）した状態にすることができる流線型の覆い或いはフェアリング７４を含み、このフェアリング７４は、ボルト７６のようなファスナを使用して又は接着結合、リベットなどのような当技術分野では公知の他の好適な締結法によって構造的スパー７２に取付けられる。より具体的には、翼形部１０２は、前縁１１４から少なくとも部分的に後縁１１６に向かって外向きにテーパしかつ同様に後縁１１６から少なくとも部分的に前縁１１４に向かって外向きにテーパした輪郭を有する。フェアリング７４とスパー７２との間にポケット７８を形成することができる。図３では、フェアリング７４がスパー７２を部分的に囲んで、スパー７２が翼形部１０２の空気力学的表面の一部分を形成するようになっているが、図４では、フェアリング７４がスパー７２を完全に囲んで完全な空気力学的表面を形成する点で、図３及び図４の実施形態は異なる。スパー７２は、出口案内ベーン７０の前縁部分と後縁部分との間でほぼ中央に配置される。

ポケット７８は、出口案内ベーン７０の全体重量をさらに軽減する。この例示的な実施形態では、ポケット７８は、その内部に比較的軽量材料であるそれぞれの充填材を受けることができる。本明細書で使用する場合の軽量材料は、スパー７２及びフェアリング７４を製作するために利用される材料とは異なる材料と定義され、スパー７２及びフェアリング７４は、充填材材料の体積当り重量よりも大きい体積当り重量を有する材料を使用して製作される。この例示的な実施形態では、充填材は、例えばスチロフォーム（発泡スチレン）で製作することができる。従って、各ポケットは深さを有し、また各それぞれの充填材はそのポケット深さにほぼ等しい厚さを有しており、各それぞれの充填材をポケット７８内に配置した時に、翼形部１０２は、翼形部前縁１１４から翼形部後縁１１６まで実質的に滑らかになった空気力学的輪郭を有するようになる。１つの実施形態では、充填材は、別個の構成部品として製作されかつポケット７８内に取付けられる。任意選択的に、充填材は、ポケット７８内に溶射又は注入され、かつ必要に応じて機械加工して比較的滑らかな又は空気力学的な外側表面を形成し、その外側表面に対して以下説明するように被覆材料が取付けられる。ポケット７８は、充填材料に加えて又は該充填材料の代わりにその内部に音響処理材又は他の材料を有することができる。ポケット７８はまた、必要に応じて翼形部１０２の重量を最小にするために空洞のままにしておくこともできる。

出口案内ベーン７０を製作するために、構造的スパー７２は、鋳造又は鍛造することができる。次いで、充填材が、上記したようにポケット７８内に注入又は結合される。次に、被覆材料が翼形部１０２の外周辺部の周りにラップされてフェアリング７４を形成し、このフェアリングは次に、所定の位置でファスナを用いてスパー７２に対して固定されるか又は他の方法で固定される。それに代えて、フェアリング７４は、スパー７２上に固定することができ、次に必要に応じてあらゆる充填材料をポケット７８内部に注入又は配置することができる。被覆材料は、連続する列又は層の形態で翼形部１０２の周りに４５度の角度で完全にラップすることができる。さらに、フェアリングは、出口案内ベーン７０の全体的な構造的一体性を高めるのを可能にしかつ比較的滑らかな外側表面を形成して空気力学的性能を向上させる。

この例示的な実施形態では、フェアリング７４は、複合材材料である。この例示的な実施形態では、フェアリング７４は、ガラス繊維材料、黒鉛材料、炭素材料、セラミック材料、ＫＥＶＬＡＲのような芳香族ポリアミド材料、薄い金属材料及び／又はそれらの混合物とすることができる。フェアリング７４用の被覆材料を形成する際に、例えばビニルエステル樹脂、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、ビスマルイミド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モリマー樹脂を使用することができる。全体として、被覆材料は、出口案内ベーンの外部表面が、ガスタービンエンジン組立体１０内に吸い込まれた異物によって生じる可能性がある磨耗及び／又は損傷に対する耐性を有するように選択される。別のフェアリング構成は、複合材フェアリング上に薄い金属ラップを使用してそのような磨耗又は損傷に抗する保護を与えることができる。フェアリング７４は、その長さに沿ってスパー７２に対してボルト締めするか又は他の方法で締結し、次にその前縁において音響パネル内にスロット嵌合させるか又は接着させることができる。

図１及び図２に示すように、スパー７２が本質的に半径方向であるか或いは何らかのスイープ又は円周方向リーンを含むか否かに関係なく、フェアリング７４は、スイープかつ／又はリーンの空気力学的表面を形成することができる。これは、ガスタービンエンジン性能に関して空気力学的、音響的又はその他の利点をもたらすことができる。＋／−０〜４０度のようなスイープ角及び／又は半径方向配向から＋／−０〜３０度の円周方向リーン出口案内ベーン７０により、ファン組立体１２からの騒音の低減のような音響的利点を得ることができる。

本明細書に記載したのは、少なくとも幾つかの公知の出口案内ベーンが、比較的軽量材料で充填された実質的に中空の内部部分を有しかつ次に複合材材料でラップされて軽量出口案内ベーンを形成した出口案内ベーンと置き換えられたガスタービンエンジンである。従って、本明細書で記載した例示的な出口案内ベーンは、依然としてその構造的一体性を維持しながら、ガスタービンエンジン組立体の全体重量を軽減し、従って新規用途のための非常に挑戦的なエンジン重量目標を達成する。出口案内ベーンを製作する方法は、第１の材料で製作された構造的スパーと、第２の材料で製作されかつスパーを少なくとも部分的に囲んだフェアリングとを含む翼形部を製作する段階と、前縁及び後縁部分間に第１及び第２の材料よりも軽量である第３の材料で製作した充填材部分を取付ける段階とを含む。

より具体的には、本明細書に記載した出口案内ベーンは、該出口案内ベーンの翼形部分を形成するスパー及びフェアリングを含む。スパー及びフェアリング間の領域は、スチロフォームのような軽量材料で充填して翼形部に剛性を付加することができる。１つの実施形態では、翼形部は、少なくとも部分的に中空でありかつ半径方向及び軸方向転倒剛性を与えると共にあらゆる空力的振動に抗して保護を与えるスパーを含む。

１つの実施形態では、スパーは実質的に中実である。任意選択的に、各スパーの内部の一部分を除去して少なくとも部分的に中空のスパーを形成し、かつ出口案内ベーン（図２〜図４に示すような）の全体重量をさらに軽減することができる。出口案内ベーンは次に、薄い金属材料又は複合材材料を利用して被覆されて該出口案内ベーンを固体粒子による損傷から保護する。１つの実施形態では、スパーは、金属材料を使用して製作される。任意選択的に、スパーは、ガスタービンエンジン軸線１１に対して半径方向の方向性で織られた複数の繊維を含む複合材材料を利用して製作することができる。

その結果、本明細書に記載した出口案内ベーンは、ガスタービンエンジン組立体の全体重量を大幅に軽減する。例えば、本明細書に記載した出口案内ベーンは、公知の出口案内ベーンよりも３０％〜５０％軽量である。加えて、本明細書に記載した出口案内ベーンは、空気流の方向転換を行う構造的要素並びに翼形部を含むので、従来型の設計に対比して、出口案内ベーンの個数に関し約５０％の減少を達成することができる。軸方向スイープ及び円周方向リーンと共に出口案内ベーン数の減少により、ファンブレード伴流相互作用の減少に起因して音響騒音の利点が得られる。少ない出口案内ベーン数で空気力学的負荷を維持することは、翼弦長及び最大厚さの増大を必要とする。この翼弦長及び出口案内ベーン最大厚さの増大は、軽量材料で充填することができるより多くの内部容積を可能にする。同様に、スパー前縁及び後縁厚さは、フレーム剛性要件を得ると共に最小のスパー軸方向幅を保持するように調整することができる。

それに代えて、エンジンファン組立体１２は、本明細書に記載した出口案内ベーンを使用するように再設計することができる。得られたエンジンは、これまでに説明した設計に対比してより小さいファン及び出口案内ベーン直径を有しかつ更なる重量低減を得ることになるが、音響騒音の利点は有しない。

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施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なガスタービンエンジン組立体の断面図。 図１に示すガスタービンエンジン組立体で使用することができる出口案内ベーンの正面図。 線３−３に沿って取った、図２の出口案内ベーンの断面図。 図２に示す出口案内ベーンの別の実施形態の図３と同様な断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン組立体
１１ 長手方向軸線
１２ ファン組立体
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ圧縮機
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータシャフト
３２ 第２のロータシャフト
４０ バイパスダクト
４２ シュラウド
４４ スプリッタ
５０ 第１の部分
５２ 第２の部分
６０ ファンフレーム組立体
７０ 出口案内ベーン
７２ 構造的スパー
７４ フェアリング
７６ ボルト
７８ ポケット
１０２ 翼形部
１０４ 外側フランジ
１０６ 内側フランジ
１１０ 第１の側壁
１１２ 第２の側壁
１１４ 前縁
１１６ 後縁

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン出口案内ベーン（７０）を製作する方法であって、
   第１の材料で構造的スパー（７２）を製作する段階と、
   第２の材料でフェアリング（７４）を製作する段階と、
   前記スパー（７２）を少なくとも部分的に囲みかつ翼形部（１０２）を形成するように前記スパー（７２）上に前記フェアリング（７４）を取付ける段階と、
   を含む方法。
2. 前記構造的スパー（７２）と前記フェアリング（７４）との間に前記第１及び第２の材料よりも軽い第３の材料で製作された充填材材料を取付ける段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. ファスナを用いて前記スパー（７２）上に前記フェアリング（７４）を固定する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 前記スパー（７２）を貫通する複数の開口部を形成して前記翼形部（１０２）の重量を軽減する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
5. ガスタービンエンジン（１０）用の出口案内ベーン（７０）であって、
   前縁（１１４）及び後縁（１１６）を有する翼形部（１０２）と、
   第１の材料で形成されかつ前記翼形部（１０２）内に設置された構造的スパー（７２）と、
   第２の材料で形成されかつ前記スパー（７２）を少なくとも部分的に囲むフェアリング（７４）と、
   を含む出口案内ベーン（７０）。
6. 第３の材料で形成されかつ前記スパー（７２）と前記フェアリング（７４）との間に配置された充填材材料をさらに含む、請求項５記載の出口案内ベーン（７０）。
7. コアガスタービンエンジン（１３）と、
   前記コアガスタービンエンジン（１３）の上流に配置されかつ複数のファンブレード（２４）を含むファン組立体（１２）と、
   前記ファンブレード（２４）の下流に配置された複数の出口案内ベーン（７０）と、
   を含み、前記出口案内ベーン（７０）の少なくとも１つが、
   前縁（１１４）及び後縁（１１６）を有する翼形部（１０２）と、
   第１の材料で形成されかつ前記翼形部（１０２）内に設置された構造的スパー（７２）と、
   第２の材料で形成されかつ前記スパー（７２）を少なくとも部分的に囲むフェアリング（７４）と、を含む、
   ガスタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記出口案内ベーン（７０）が、第３の材料で形成されかつ前記スパー（７２）と前記フェアリング（７４）との間に配置された充填材材料をさらに含む、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
9. 前記複数の出口案内ベーン（７０）が、スイープ角を含む、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記複数の出口案内ベーン（７０）が、半径方向配向からの円周方向リーン角を含む、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。

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