JP2010031871A - ガスタービンエンジン用のファンケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】複合ファンブレード又は他の軽量ファンブレードで使用するのに特に適したガスタービンエンジン用の捕捉アッセンブリを提供する。
【解決手段】 ガスタービンエンジン用ファンケーシングは、ファンブレードの上流部分だけに亘って延びる、ファントラックライナを有している。ケーシングの局所的剛性及び内部形状は、外れたファンブレードの破壊を促進すると同時に、ブレードの前縁領域がファントラックライナを貫通でき、ファンケーシングによって捕捉されるように構成されている。この構成は、前縁領域の剛性及び圧縮強度がブレードの残りの領域におけるよりもかなり高いファンブレード、例えば金属製中空ファンブレード又は金属製前縁キャップを持つ複合ファンブレードに特に適している。
【選択図】図４

Description

本発明はガスタービンエンジンに関し、更に詳細には、このようなエンジンのファンケーシングの捕捉構造すなわち閉じこめ構造（containment arrangement）に関する。

従来、ガスタービンエンジンのファンブレードは、ファンケーシング内に設けられたファントラックとして公知の環状の研磨性材料層内で回転する。作動の際、ファンブレードは、この研磨性層内に切り込んで経路を形成し、これによって、ブレード先端周囲の漏れを最少にしている。

ファンケーシングには、ファンブレードが何らかの理由により破損した場合、外れたブレードやデブリ（破片）を捕捉するように設計された捕捉システムが設けられている。発生したデブリ（破片）のエネルギを吸収するため、ファンケーシングの強度及びコンプライアンスを正確に計算しなければならない。従って、ブレードが外れる事態において、ファントラックがブレードの軌跡を遮ってはならないということが重要であり、従って、外れたブレードやブレードの破片が、本質的に妨げられずに、ファントラックを通って捕捉システムに到達できるように、ファントラックは比較的弱くなければならない。

ファントラックの後方には、従来、環状の氷衝突パネルが設けられていた。これは、代表的には、ガラス強化プラスチック（ＧＰＲ）成型体又は何らかの他の材料で形成されたトレー又はパネルである。衝突強度を増大するため、ＧＰＲで包囲してもよい。ファンブレード上で形成した氷には、遠心力及び空気流の力の両方が作用し、これらの力の夫々により、氷をブレードからの離脱前に外方及び後方に移動する。

従来のファンブレードは、氷がブレードの後縁から離脱し、離脱した氷がファントラックの後方の氷衝突パネルに当たるような形状を備えている。氷は、氷衝突パネルを損傷することなく、このパネルによって跳ね返り、又は偏向させられる。

スウェプトファンブレードは、中央部の弦長（chord length）が従来のファンブレードよりも大きい。スウェプトファンブレードは、効率において従来のブレードよりも大きな利点を提供するため、ガスタービン産業で益々好まれている。スウェプトファンブレードは、弦長が大きいため、このようなブレード上に形成された氷は、従来のブレードにおけるのと同じ後方及び外方への経路を辿るが、後縁に達する前に、ブレードの半径方向外先端に達する可能性がある。従って、氷は、ブレードの先端から離脱し、ファントラックに当たる。

しかしながら、従来のファントラックは、氷の衝突を許容するのに十分な強度を備えておらず、そのため、従来の構成は、スウェプトファンブレードで使用するには適していない。ファントラックを強化するだけでは氷の衝突に適応することは不可能である。これは、ブレードが外れる事態中のブレードの軌跡を遮り、ファンケーシング捕捉システムの作動を損なってしまうためである。

ガスタービン産業では、近年、より軽量のファンブレードを開発することもまた奨励されている。こうしたブレードは、代表的には、金属製中空構造又は複合構造のいずれかである。この開発により別の問題点が持ち上がった。ブレードが軽量であるため、従って、変形に対する抵抗が小さいため、氷の通過に対して抵抗し、しかも、外れたファンブレードの軌跡と干渉しないケーシング構成を考案するのが更に困難である。更に、軽量スウェプトブレードは、ファンケーシングとの衝突時に、従来のブレードとは異なる態様で壊れる傾向があり、従来のケーシング設計はこれに適合するように設計されていない。

概括的に述べると、ガスタービン産業における開発は、一方では、スウェプトファンブレードに向かっており、他方では、より軽量のファンブレードに向かっており、これにより、こうした構成で必要とされる三つの機能、即ち研磨性（研磨可能な）ファントラック、離脱した氷に対する抵抗、及びブレード又はブレードの破片の捕捉（閉じこめ）、を提供するファンケーシング及び捕捉（閉じこめ）構造の設計が益々困難になっている。

従って、本発明の目的は、上文中に説明した問題点を実質的に解決する、複合ファンブレード又は他の軽量ファンブレードで使用するのに特に適したガスタービンエンジン用の捕捉アッセンブリを提供することである。

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、公知の種類のガスタービンエンジンの半分の概略断面図である。 図２（ａ）は、従来のファンブレードの概略側面図であり、図２（ｂ）は、スウェプトファンブレードの概略側面図である。 図３は、複合スウェプトファンブレードの概略側面図である。 図４は、本発明によるファンケーシングの断面図である。

先ず最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、軸線方向で、インテーク１１、ファン１２、中圧コンプレッサ１３、高圧コンプレッサ１４、燃焼器１５、高圧タービン１６、中圧タービン１７、及び低圧タービン１８の夫々、及び排気ノズル１９を備えている。

空気は、インテーク１１を通ってエンジンに入り、ファン１２によって加速され、二つの空気流を発生する。外側の空気流は、エンジン１０からファンダクト（図示せず）を通って排出され、推進力を提供する。内側の空気流は、中圧コンプレッサ１３に差し向けられ、ここで圧縮され、次いで高圧コンプレッサ１４に差し向けられ、ここで更に圧縮される。

次いで、圧縮空気を燃焼器１５で燃料と混合し、混合物を燃焼する。結果的に発生した燃焼生成物は、次いで、排気ノズル１９を通って排気される前に、高圧タービン１６、中圧タービン１７、及び低圧タービン１８の夫々を通って膨張し、追加の推進力を提供する。高圧タービン１６、中圧タービン１７、及び低圧タービン１８は、高圧コンプレッサ１４、中圧コンプレッサ１３、及びファン１２の夫々を同心の駆動シャフト２０、２１、２２を介して駆動する。

ファン１２は、ファンディスク２４に取り付けられ周方向に配置されたファンブレード２３を備えている。ファン１２はファンケーシング２５によって取り囲まれている。このファンケーシング２５は（図示していない別の構造とともに）ファンダクトを形成する。使用の際、ファンブレード２３は、Ｘ−Ｘ軸線を中心として回転する。

図２（ａ）は、従来のファンブレード１２３を示す。矢印Ａは、氷片がブレード１２３の表面を横切って辿る概念的経路（想像的な経路）を示す。氷は、ブレード１２３の後縁１２６から放出され、従って、ファントラックの後方の氷衝突パネルに当たる。ブレードが外れる事態（blade-off event）では、ファンブレード１２３の一部又は全体がいきなり外れる。外れたブレードの軌跡には、ガスの負荷による影響がほとんど及ぼされず、そのため本質的に半径方向外方に破線矢印Ｂによって示すように移動し、ファントラックに当たる。

図２（ｂ）は、スウェプトファンブレード２２３を示す。矢印Ａは、氷片がブレード２２３の表面を横切って辿る概念的経路（想像的な経路）を示す。この経路は、図２（ａ）で従来のファンブレード１２３の表面を横切って辿る経路と本質的に同じである。同様に、外れたファンブレード又はブレードの破片の軌跡Ｂは、図２（ａ）の軌跡Ｂと本質的に同じである。しかしながら、図２（ｂ）では、スウェプトブレード２２３の弦寸法が比較的大きいため、氷は、後縁２２６のところでなく、ブレードの先端２２８のところで放出されるということがわかる。上文中に説明した従来のファンケーシング構成では、この氷は、この場合、氷衝突パネルでなくファントラックに当たる。問題は、氷の衝突エネルギが、外れたブレード又はブレードの破片の局所的衝突エネルギよりも大きいということである。ファンケーシング構成は、従って、外れたファンブレード又はブレードの破片を本質的に妨げることなく捕捉システムまで通すことができるが、しかも、衝突エネルギが比較的高い外れた氷の方向を変えるという相反する（又は矛盾した）特性を備えていなければならない。

図３では、複合スウェプトファンブレード３２３は、エーロフォイル部分３２と、ルート（根本）部分３４とを備えている。エーロフォイル部分３２は、複合材料製の本体３６と、金属製の前縁キャップ３８とを備えている。前縁キャップ３８は、使用中、異物による損傷と腐蝕とから、本体３６を保護する。前縁キャップ３８が設けられていないと、複合材料は、異物による損傷や腐蝕により外れたり剥離したりしてしまう。

図４は、本発明によるファンケーシングの断面図である。ファンケーシング４２５は、エンジンの周囲に亘って延び、ほぼ円筒形の下流（後方）部分４０と、ほぼ截頭円錐形の上流（前方）部分４２とを備えている。上流部分４２の前端には、環状のファンケースフック４３が設けられている。この環状ファンケースフック４３の目的を以下に説明する。使用の際、ガスタービンエンジンのファンブレード４２３は、上流部分４２内で回転する。ファンブレード４２３は、図３に示す種類の複合スウェプトファンブレードである。上流部分４２は、二つの傾斜領域４４、４６を含む。これらの傾斜領域は、ケーシングに様々な半径方向高さを導入することによって、ファンケーシング４２５のこの部分に剛性を追加するのに役立つ。上流部分４２は、その上流端のところに、環状凹所４８を形成している。

環状凹所４８には、周方向に配置されたファントラックライナパネル５０が取り付けられている。各ライナパネル５０は、二つのハニカム材料領域５２、５４を包含するシェル５１を備えている。隔壁層５６が、ハニカム材料５２、５４を覆っている。ライナパネル５０は、凹所４８内の所定の場所にクリップ止めされている。研磨性コーティング５８が、隔壁層５６上に塗布されており、上流部分４２の後方区分４９に亘って後方に延びる。使用の際、ファンブレード４２３は、研磨性層５８に切り込んで経路を形成し、これによって、ブレード先端の周囲の漏れを最少にしている。

ファンブレード４２３が作動中に外れた場合、ブレード４２３は、ファンケーシング４２５の上流部分４２に衝突する。
外れたファンブレード４２３がケーシングと接触したとき、複合材料の強度を越える大きな圧縮負荷が（ブレードの長さ方向に）発生する。圧縮力に良好に耐えることができる比較的剛性の前縁キャップは、例外であり、比較的長期に亘って残り、従って、捕捉ケーシングに多くの脅威を与える。従って、この特徴は、公知の構成で使用されたのと異なる捕捉戦略を必要とする。

そのため、ファンブレード４２３の本体４３６は、衝突時に壊れて比較的小さな破片になり、これらの破片は、後方区分４９によって、この後方区分を損傷することなく、偏向され（すなわち、方向が変えられ）、空気流によって運び去られる。研磨性コーティング５８だけがケーシング自体を覆っているファンケーシング４２５のこの部分の構造により、ファンブレードの破壊や粉砕が更に促される。

これとは対照的に、前縁キャップ４３８は比較的強く、衝突時に容易には壊れない。前縁キャップ４３８は、ファントラックライナパネル５０を通って進み（この際にエネルギを放散し）、ファンケーシング４２５に当たり、前方に偏向され（曲がり）、ファンケースフック４３と係合する。従って、前縁キャップ４３８は、環状凹所４８内に捕捉される。

図４の実施例に対する変形例では、ファンブレード４２３は、公知の種類の金属製の中空スウェプトブレードである。この種のブレードでは、ブレードの中空中央領域は、ブレードの前縁、後縁、及び先端周りで、周囲中実領域によって包囲されている。これは、場合によっては、「額縁」とも呼ばれる。衝突及び異物による損傷に対して適切な保護を提供するため、この中実領域は、ブレードの前縁のところが最も厚くなっている。ブレードのこの中実の前縁領域は、使用時に、図４に示す複合ブレードの前縁キャップ４３８と同様の挙動を示すということは理解されよう。これは、中実の前縁領域が（前縁キャップ４３８と同様に）比較的剛性であり、圧縮強度がブレードの中空中央領域よりも大きいためである。従って、本発明によるファンケーシング４２５との衝突時のこのようなブレードの挙動は、上文中に説明した複合ブレード４２３の挙動と同様であり、ブレードの中空中央領域が比較的容易に壊れるのに対し、中実の前縁領域はファントラックライナパネル５０を通って進み、ファンケーシング４２５に当たって前方に偏向し（すなわち、曲がり）、ファンケースフック４３と係合する。この場合、中実の前縁領域は、環状凹所４８内に捕捉される。

従って、本発明は、前縁の挙動が、複合ブレード及び金属製中空ブレードの両方の場合について特に要求を満たすという点で、複合ブレード及び金属製中空ブレードに等しく適している。

複数の別体（別個）のファントラックライナパネル５０が、環状凹所４８の周囲に亘って配置され、所定の場所にクリップ又は他の適当な固定具によって固定できる。これにより、損傷したパネル５０を、保守時に、費用及び時間が掛かる分解の必要なしに簡単に修復又は交換できる。

本発明を複合ファンブレードを参照して説明した。しかしながら、本発明は、前縁がブレードの他の領域よりもかなり剛性であり且つ強い、任意のファンブレード設計に等しく適用できるということは理解されよう。これには、金属製ブレード、発泡体からなるブレード、又は他の構造材料製のブレードが含まれ、これらブレードでは、前縁の特性が当該ブレードの本体の特性と異っており、また、バードストライク、雹、及び腐蝕等の脅威に対するブレードの保護を高めるために、別体の前縁キャップが設けられる、複合材料（例えばカーボンファイバ又はガラスファイバ）製のブレードが含まれる。しかし、これらのブレードに限定されるものではない。

本発明は、従って、ファンブレードがどのように変形するのかに合わせて更に正確に調整した捕捉構造を提供し、その設計は、必要とされる領域だけにファントラックライナを設けることによって最適化される。

ケーシング設計に固有の様々な半径方向高さが、傾斜領域４４、４６によって導入され、ケーシングに剛性が追加されている。これにより外部リブの必要が減少し、又はなくなり、かくして鍛造部分（フォージング）の大きさを、等価の特性を持つ従来のケーシング用の鍛造部分（フォージング）よりも小さくできる。

本発明の別の利点は、ケーシングの傾斜領域（図４の４４、４６）を通して穴を穿孔できるということである。これらの穴は、ライナセグメントの保持又は他の目的で使用できる。従来のファンケーシングでは穴を穿孔することは望ましいことではなかった。これは、外れたファンブレードがケーシングにぶつかったときに、穴の周囲の構造に張力が加わり、そのため材料に亀裂を生じやすいためである。これとは対照的に、本発明によるファンケーシングでは、外れたファンブレードがファンケーシングの領域４９に衝突したとき、領域４４及び４６に圧縮力が加わり、これらの領域に設けられた穴の周囲に亀裂が発生する可能性を低減する。

１０ ガスタービンエンジン
１１ インテーク
１２ ファン
１３ 中圧コンプレッサ
１４ 高圧コンプレッサ
１５ 燃焼器
１６ 高圧タービン
１７ 中圧タービン
１８ 低圧タービン
１９ 排気ノズル
２０、２１、２２ 駆動シャフト
２３ ファンブレード
２４ ファンディスク
２５ ファンケーシング
２２３ スウェプトファンブレード
２２６ 後縁
２２８ ブレード先端

Claims (9)

1. ガスタービンエンジン用のファンケーシングであって、
   前記エンジンは、使用時に前記エンジンの軸線を中心として回転する複数のファンブレードを備えており、
   前記ケーシングは、前記ファンブレードの半径方向外方の環状構造を備えており、
   この環状構造は、前記ファンブレードの上流及び下流の両方で軸線方向に延び、使用時にファンブレードがほぼ半径方向外方に外れて前記ケーシングに衝突する可能性があり、
   前記ケーシングは、使用時に、外れたファンブレードの一部が貫通できるファントラックライナを備えた、ファンケーシングにおいて、
   前記ファントラックライナは、前記ファンブレードの上流部分だけに亘って延びている、ことを特徴とするファンケーシング。
2. 請求項１に記載のファンケーシングにおいて、
   前記ファントラックライナは、前記ファンブレードの前縁領域だけに亘って延びている、ファンケーシング。
3. 請求項１に記載のファンケーシングにおいて、
   前記ファンケーシングの半径方向内面は、研磨性層を備えている、ファンケーシング。
4. 請求項３に記載のファンケーシングにおいて、
   前記研磨性層は、前記ファンブレードの軸線方向全長に亘って延びている、ファンケーシング。
5. 請求項４に記載のファンケーシングにおいて、
   前記ファントラックライナの下流の前記研磨性層は、前記ファンケーシングの半径方向内面に直接的に取り付けられている、ファンケーシング。
6. 請求項１に記載のファンケーシングにおいて、
   前記ファントラックライナは、複数の別体のライナパネルを備えている、ファンケーシング。
7. 請求項６に記載のファンケーシングにおいて、
   前記ライナパネルは、前記ファンケーシングにクリップで取り付けられている、ファンケーシング。
8. ガスタービンエンジン用のファンケーシングであって、
   前記ファンケーシングの内部形状及び高い局所的剛性により、使用時に、外れたファンブレードの破壊が促進される、ことを特徴とするファンケーシング。
9. 請求項８に記載のファンケーシングにおいて、
   外れたファンブレードの前記前縁領域を捕捉するように構成されている、ファンケーシング。

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