JP2009264383A - ファンブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンのファン用のファンブレードを提供する。
【解決手段】 ファンブレードは、半径方向外チップ部分を有し、このチップ部分は、使用にエンジンのファンケースと隣接する。チップ部分は、チップ部分とファンケースとの間の隙間をシールするための移動自在のシーリングエレメントを含む。シーリングエレメントは、隙間の間隔の変化に移動自在の適合し、チップ部分とファンケースとの間のシールを維持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのファン用のファンブレードに関する。

ガスタービンエンジンのファンは、半径方向内端がディスクに取り付けられており且つファンケースに向かって半径方向外方に延びる周方向に間隔が隔てられた一連のファンブレードを含む。ファンブレードの空力学的損失を最少にし且つ性能及び安定性を維持する上で、ファンブレードのチップとケースとの間の空気の漏れを減少することが重要である。この目的のため、通常は、チップとケースとの間の隙間を小さくする。

隙間を小さくするための従来の方法は、ファントラックライナ(fan track liners)を使用することである。これらのライナは、ファンブレードの外側でファンケースに位置決めされており、代表的には、アルミニウム製ハニカム構造によって支持された磨耗可能ライナ(abradable liner) を含む。磨耗可能ライナは、軽量エポキシ充填材を充填した、デュポン社から入手できるノメックス（ノメックス（Ｎｏｍｅｘ）は登録商標である）ハニカムで形成されている。ライナは、ファンブレードとケースとの間に空力学的シールを形成する。

一般的には、磨耗性ライナは、最大エンジン速度でチップウェルをシールするが、ブレードに作用する遠心力が比較的低い巡行時には有効性が低下し、チップとファンケースとの間の隙間が大きくなる。これにより、巡行時に効率が低下する。特定の作動条件（例えば、動的負荷条件又は運用限界速度／過速度等の異常なエンジン状態の場合）では、ファンブレードが磨耗性ライナと擦り付け接触してもよい。しかしながら、擦り付けイベントの度毎に、巡行時の効率低下が増大する。

更に、このような接触には、ブレードを損傷したり、その寿命を短くするといった危険がある。この危険は、摩擦による負荷が加わった場合に剥離や母材の損傷が起こり易い複合材料で形成されたブレードの場合に高くなる。最終的には、過度の擦り付け接触による損傷が経時的に蓄積し、特に複合材料から形成されたブレードで、ブレードの早期破損を生じる。

かくして、第１の特徴では、本発明は、ガスタービンエンジンのファン用のファンブレードにおいて、半径方向外チップ部分を有し、このチップ部分は、使用にエンジンのファンケースと隣接し、チップ部分は、チップ部分とファンケースとの間の隙間をシールするための移動自在のシーリングエレメントを含み、シーリングエレメントは、隙間の間隔の変化に移動自在の適合し、チップ部分とファンケースとの間のシールを維持する、ファンブレードを提供する。

このようにして、シーリング機能がファンケースからファンブレードに移され、ファンケースで磨耗性ライナを使用することをなくすことができる。これによりエンジンの重量を減少し、擦り付け接触によるファンブレードの損傷をなくすのを補助する。

ファンブレードは、代表的には、ブレードの半径方向外縁部の長さに沿って延びる一つのシーリングエレメントを含んでいてもよい。別の態様では、ブレードは、複数のシーリングエレメントを、例えば重なり配置で備えていてもよい。この場合も、代表的には、ブレードの半径方向外縁部に沿って延びる。

シーリングエレメントは、ブレードと一体に形成されていてもよい。シーリングエレメントは、ブレードに取り外し自在に取り付けられている。例えば、ブレードには、一つ又はそれ以上のシーリングエレメントを摺動自在に受け入れるための一つ又はそれ以上のキー溝スロットが設けられていてもよい。移動自在に取り付けられたシーリングエレメントは、有利には、損傷した場合に容易に交換できる。

シーリングエレメントは、撓むことにより隙間の間隔の変化に適合する可撓性材料で形成されていてもよい。例えば、エレメントは、可撓性プラスチック又はゴム製のストリップとして形成されていてもよい。又は、エレメントはブラシとして形成されていてもよく、ブラシのファイバが、使用時に、隙間を横切って延びる。ブラシ状シーリングエレメントのファイバは、カーボンファイバで形成されていてもよい。

好ましくは、シーリングエレメントは、隙間を横切って延びることによって、遠心力による負荷に応答する。例えば、エレメントは、湾曲した即ち曲がった断面を備えていてもよく、これは、遠心力による負荷の作用で真っ直ぐに拡がり、隙間を横切って延びる。

ファンブレードは、シーリングエレメントとファンケースとの間の界面の空気膜潤滑(air film lubrication)を行うように形成されている。これにより、シーリングエレメントに作用する磨耗を低減でき、これよりも程度は小さいけれども、ファンケースに作用する磨耗を低減できる。

本発明の別の特徴は、ガスタービンエンジンにおいて、周方向に間隔が隔てられた、上述の特徴を持つファンブレードを含むファンを有する、ガスタービンエンジンを提供する。

ファンケースは、シーリングエレメントとファンケースとの間の界面に音響ライナ(acoustic liner)を備えていてもよい。これは、エンジンノイズを低減できる。これは、この位置に磨耗性ライナが必要とされないために可能となる。

ファンケースは、シーリングエレメントとファンケースとの間の界面にゴミ除去チャンネルを備えていてもよい。

次に、本発明の実施例を添付図面を参照して例として説明する。

図１は、ファンブレードのチップの概略図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１のファンブレードのシーリングエレメントの作動の概略図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、別のシーリングエレメントの概略端面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、別のシーリングエレメントの概略端面図である。 図５は、別のシーリングエレメントの概略端面図である。 図６は、（ａ）はファンケースの横断面図であり、（ｂ）はファンケースの平面図である。 図７（ａ）、図７（ｂ）、及び図７（ｃ）は、三つのファンブレードの概略端面図である。

図１は、ファンブレード１のチップを概略に示す。ブレードの半径方向外縁部に沿って延びるキー溝２にストリップ状シーリングエレメント３が嵌着している。シーリングエレメント３は、プラスチック、ゴム（例えばシリコーンゴム）、又はコーティングを施した金属ホイル等の可撓性材料で形成されている。シーリングエレメントは、磨耗したり破損した場合に取り外し自在に交換できる。

キー溝２は、複合材料又は金属製のブレードの本体に形成されていてもよいし、別体の部品であってもよく、例えばこのようなブレードのチップに取り付けられた向き合った側プレートであってもよい。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、シーリングエレメント３の作動を概略に示す。図２（ａ）では、エンジンは停止している。シーリングエレメント３は湾曲した断面形状を有し、シーリングエレメント３の半径方向外縁部とファンケース４との間の冷間設定隙間(cold build clearance)５が比較的大きい。図２（ｂ）では、ブレードは、湾曲した矢印が示す方向に回転している。遠心力（ＣＦ）によりシーリングエレメントの輪郭が真っ直ぐになるように拡げられ、シーリングエレメントは、ファンケースとの間の隙間６を小さくするように延びる。

シーリングエレメントは、作動中に発生する圧力差により、シーリングエレメントとケースとの間の空間を潤滑する空気膜が形成されるような形状を備えていてもよい。このようにして、エレメントの過度の磨耗を防ぐことができる。

キー溝２を介して取り付ける代りに、シーリングエレメントをブレードのチップに接着剤で結合してもよいし、又は他の方法で機械的に取り付けてもよい。好ましくは、エレメントは、オーバーホール中に抜いて交換できるように取り付けられる。しかしながら、特に複合材料製のブレードについては、シーリングエレメントは、例えば型成形又は同時成型(co-moulding) によってブレードと一体化されていてもよい。

可撓性シーリングエレメントは、この他の形状を備えていてもよい。例えば、ブレードの半径方向外縁部に沿って延びるストリップとして形成されたエレメントの代りに、複数のファイバがブレードチップからケーシングに向かって延びるブラシ状シーリングエレメントを採用してもよい。これらのシーリングエレメントは、所定位置に結合してもよいし、側プレートを介して機械的に取り付けられていてもよい。例えば、ファイバの半径方向内端を保持へッドに埋め込み、このへッド自体をブレードの半径方向外縁部のキー溝に保持してもよい。ブレードがファイバ強化複合材料で形成されている場合には、ブレードチップのところで複合材料のファイバ自体が複合材料母材の外に延び、ブラシ状シーリングエレメントを形成してもよい。

ブラシ状シーリングエレメントは、純粋なカーボンファイバから形成されていてもよい。カーボンがばらばらになると、ファンケース上に潤滑物を形成する。

図２のストリップ状シーリングエレメントは、湾曲したＣ字形状の輪郭を有する。ブラシ状シーリングエレメントのファイバもまた湾曲していてもよく、そのため、遠心力が加わると真っ直ぐに拡がってファンケースとの間の隙間を小さくする。

しかしながら、この他の形状が可能である。例えば、可撓性シーリングエレメントは、ヒンジとして役立つ一つ又はそれ以上のキンクを含んでいてもよい。キンクの半径方向外方の可撓性シーリングエレメントの部分が、このキンクを中心として遠心力の作用で回転し、エレメントを真っ直ぐにする。図３（ａ）は、このようなキンクが一つ設けられたシーリングエレメントの概略端面図を示し、図３（ｂ）は、このようなキンクが二つ設けられたシーリングエレメントの概略端面図を示す。

シーリングエレメントの別の実施例は、ファンブレードとケーシングとの間の間隔の変化に適合するための可動性の幾分か又は全てを達成する上で、ストリップやブラシの固有可撓性に頼らない。

例えば、図４（ａ）は、エレメント（例えばストリップ又はブラシ）の可撓性部分７が、ピン又はシャフト等の機械的枢軸８のところでブレードに固定された、シーリングエレメントの概略端面図を示す。エンジンは停止しており、シーリングエレメントとファンケース４との間に大きな隙間がある。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、エンジンを回転したとき、可撓性部分７は遠心力により枢軸８を中心として回転し、ファンケースと空気潤滑接触する。

図５は、ばね９がチップ部分１０を支持する別のシーリングエレメントの概略端面図を示す。ばねは、エンジンの停止時にチップ部分とファンケース４との間に大きな隙間があるように、ブレードに向かって押し付けられている。しかしながら、エンジンが回転すると、遠心力によりばねが延び、チップ部分がファンケースと空気潤滑接触する。ばねは、例えば、カーボン、ガラス、又は金属で形成されていてもよく、ブレードのチップに結合されるか或いは機械的に固定される。チップ部分は、例えば、金属、プラスチック、複合材料、又はセラミックで形成されていてもよいが、カーボンチップが好ましい。

以上の実施例のうちの任意の実施例のシーリングエレメントは、一部の半径方向外縁部が比較的低摩擦の材料で形成されていてもよい。例えば、低摩擦材料部分は、カーボン、ＰＴＦＥ、又はＰＥＥＫで形成されていてもよい。コーティングとしてシーリングエレメントに適用されていてもよい。材料を時々再適用し、効率を取り戻してもよい。

図６の（ａ）は、ファンケース４の横断面図を概略に示し、（ｂ）はファンケース４の平面図を概略に示す。ブロック又は損傷が生じないようにするため、ファンケースは、シーリングエレメントからでたゴミ即ちデブリ(debris)をファンチップから押し出すことができる溝１１を備えていてもよい。

図７（ａ）、図７（ｂ）、及び図７（ｃ）は、三つのファンブレードの概略端面図を示す。図７（ａ）では、ブレードは、効率的なシールを提供するためにブレードの半径方向外縁部に沿って重なりパターンで分配された複数のシーリングエレメントを有する。図７（ｂ）では、ブレードは、ブレードの半径方向外縁部の湾曲した輪郭に従った単一のシーリングエレメントを有する。図７（ｃ）でも、ブレードは、ブレードの半径方向外縁部の湾曲した輪郭に従った単一のシーリングエレメントを有するが、この場合、エレメントは、その剛性を高めるため、ブレードの縁部に沿った方向に賦形されている。

エンジン性能の向上がシーリングエレメントで達成できる他、複合ブレードについて、チップの擦れによるブレードの剥離の危険を低減する。更に、シーリングエレメントは、ケーシングの変形を吸収できる。更に、ファンケースから磨耗性ライナをなくすことにより、エンジンの重量を低減し（これにより性能の更なる向上がなされる）、音響ファントラックライナ(acoustic fan track liner)にエンジンノイズを大幅に低減する性能を提供できる。

シーリングエレメントは、エンジンが停止している場合には、ケーシングに対する隙間が比較的大きいため、ファンブレードをエンジンに取り付けるための手順が容易である。更に、ひとたび取り付けられると、ブレードの長さの変化を許容するシーリングエレメントの性能により、行われなければならないブレード調節／シミング(shimming)の量を低減できる。更に、磨耗性ライナは、設置時に必要とされるようにぴったりと装着されるようにエンジンで機械加工を行う必要があるが、シーリングエレメントでは、こうした必要はなくなる。

本発明を上述の例示の実施例と関連して説明したが、当業者には、本開示から、多くの等価な変形及び変更が明らかであろう。従って、上述の本発明の例示の実施例は、単なる例示であって、限定ではないと考えられる。上文中に説明した実施例に対し、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。

１ ファンブレード
２ キー溝
３ シーリングエレメント
４ ファンケース
５ 冷間設定隙間
６ 隙間

Claims (9)

1. ガスタービンエンジンのファン用のファンブレードにおいて、
   半径方向外チップ部分を有し、このチップ部分は、使用に前記エンジンのファンケースと隣接し、前記チップ部分は、前記チップ部分と前記ファンケースとの間の隙間をシールするための移動自在のシーリングエレメントを含み、
   前記シーリングエレメントは、前記隙間の間隔の変化に移動自在の適合し、前記チップ部分と前記ファンケースとの間のシールを維持する、ファンブレード。
2. 請求項１に記載のファンブレードにおいて、
   前記シーリングエレメントは、前記ブレードと一体に形成されている、ファンブレード。
3. 請求項１に記載のファンブレードにおいて、
   前記シーリングエレメントは、前記ブレードに取り外し自在に取り付けられている、ファンブレード。
4. 請求項１に記載のファンブレードにおいて、
   前記シーリングエレメントは、撓むことにより前記隙間の間隔の変化に適合する可撓性材料で形成されている、ファンブレード。
5. 請求項１に記載のファンブレードにおいて、
   前記シーリングエレメントは、前記隙間を横切って延びることによって、遠心力による負荷に応答する、ファンブレード。
6. 請求項１に記載のファンブレードにおいて、
   前記シーリングエレメントと前記ファンケースとの間の界面の空気膜潤滑を行うように形成されている、ファンブレード。
7. ガスタービンエンジンにおいて、
   周方向に間隔が隔てられた請求項１に記載のファンブレードを含むファンを有する、ガスタービンエンジン。
8. 請求項７に記載のガスタービンエンジンにおいて、
   前記ファンケースは、前記シーリングエレメントと前記ファンケースとの間の界面に音響ライナを有する、ガスタービンエンジン。
9. 請求項７に記載のガスタービンエンジンにおいて、
   前記ファンケースは、前記シーリングエレメントと前記ファンケースとの間の界面にゴミ除去チャンネルを有する、ガスタービンエンジン。

Images