JP2012511660A - バランス体を収容するための止まり穴を有するバランスシステムを含むタービンエンジン用ファンおよび関連するタービンエンジン - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の本体を収容する穴（４２）を有するバランスシステムを備えた吸気コーンを含み、さらに前記穴（４２）の１つの中に取り付けられる少なくとも１つのバランス体（４４）を含む航空機タービンエンジン用ファン（１）に関する。本発明によれば、バランスシステムはさらに、本体収容穴（４２）の底部にバランス体（４４）を押圧するために圧力を印加する取り付け手段（４６、４８）を含み、本体収容穴は吸気コーン（２０）と連通するように前記コーンに形成された止まり穴である。

Description

本発明は、概して、タービンエンジンのファンに関する。より詳細には、ファンに装備されたバランスシステムで、タービンエンジンの最終的なバランスを取ることができるバランスシステムに関する。

本発明は、航空機ジェットのタービンエンジンに適用されるのが好ましい。

先行技術では、実際に、ジェットタービンエンジンの最終的なバランスを取るためにジェットタービンエンジンのファンに、感知可能に位置決めされた質量体を支承する環状バランスフランジを配設する方法が知られている。

図１、図２では、先行技術で知られている従来の形態が示されている。

そのため、これらの図では、長手方向軸または回転軸２（関連するジェットタービンエンジンの長手方向軸にも対応する）を有するファン１が示されている。このファンは、軸２を中心としたファンディスク４と、ディスク４に取り付けられ両矢印８で示された周方向または接線方向に沿って互いに離間したファンブレード６とを備える。

したがって、ブレード６は、回転軸２を中心としてディスク４と共に回転される。また、ブレード６は、知られている方法で、２つの隣接したブレード６間に、周方向８に沿って、ディスク４に固定して取り付けられるプラットフォーム（図示せず）を形成するセクタを備える。これらのセクタは、ジェットタービンエンジンのベイン（脈）とも呼ばれるファンを通過する環状空気流がたどるブレード間の表面を部分的に画定する。全体的にジェットタービンエンジン内のガスの主な流れ方向と一致するこの空気流またはベイン２２の方向は、矢印１４で示され、さらにファン１の軸方向と同じになり得る。

さらに、ファン１は、環状ブレード保持装置１６を備え、これによりブレード６が上流側で軸方向１４に保持され得る。この点に関して、説明全体にわたって、用語＜＜上流側＞＞および＜＜下流側＞＞は、ジェットタービンエンジン内のガスの流れ１４の主方向に見たものであることに留意されたい。

ファン１は、ファンブレード６から上流側に、軸２を中心とする吸気コーン２０と、上述のベイン２２がたどろうとする略円錐状の外面１９とを有する。ファンディスク４と共に軸２を中心として回転されるこのコーン２０は、１つまたは複数の隣接部、例えば、図１、図２に見られるように、コーンの頂点から生じる上流側部分２０ａと、ファンブレードに隣接する下流側部分２０ｂとで形成され得る。

後方カウルシュラウドとも呼ばれる下流側部分２０ｂは、ベイン２２の境界を定める外面１９の一部を画定する役割の他に、ジェットタービンエンジンのバランスを取るというシステムのさらなる役割を併せ持つ。

実際に、この下流側部分２０ｂは、回転軸２を中心としてファンディスク４と回転可能に結合され、互いに周方向に離間した複数の質量体収容穴２４を備える環状バランスフランジを形成する。図示した例では、これらは、例えば、バランスフランジ２０ｂの半径方向外側端部に設けられた３６個の貫通孔２４である。図１、図２に見られるように、先行技術の実施形態では、したがって質量体収容穴２４は、その半径方向外側端部でベイン２２へと開口している。

作動時に、穴２４はそれぞれ、ねじ状のバランス質量体２６を収容する。質量体の寸法は、関連の質量体がジェットタービンエンジンの最適なバランスを保って、残留アンバランスを補償することができるように保たれる。したがって、当業者に知られている形では、望ましい質量体に応じて適合されるのは、ねじの軸の長さである。これらのねじは、ねじの頭が半径方向外側に向けられて関連する穴に収容される。

この構造がジェットタービンエンジンの最適なバランスが得られる可能性をもたらす場合でも、全く欠点がないわけではない。まず、穴２４の交差性に関しては、穴がベイン２２へと開口する場合、吸気コーン２０の内側に向かってベインが漏れるのを防ぐために穴の各々はバランスねじ２６によって閉塞されることが必要であることが示されている。したがって、上述の制約から考えられる多数のバランスねじ２６（例えば、３６個）は、質量の点でかなり不利益となる。

また、ねじ２６が所定の位置に取り付けられた場合でも、図１、図２で明らかなように、凹部２８が質量体取り付け穴の半径方向外側端部にあれば、ベイン２２を画定する外面１９は最適な空気力学的プロファイルを有さない。これらの凹部２８は、その底部は関連するねじ頭で形成されるが、基本的には、ねじの半径方向のレイアウトから生じ、表面１９の略円錐の性質と組み合わさる。この空気力学的ファイルは凹部２８によって悪影響を受けると、吸気コーンにおける空気流が最適でなくなることは明らかである。その結果、抗力が生じて、ひいてはジェットタービンエンジンの性能損失につながる。

したがって、本発明の目的は、少なくとも一部は先行技術の実施形態に関する上述の欠点の解決策を見つけることである。

上述の目的を達成するために、本発明の目的は、まず、タービンエンジンのベインがたどろうとする外面を有するタービンエンジン吸気コーンと、ファンディスクと、前記ディスクに取り付けられてファンの回転軸を中心として前記ディスクと共に回転するファンブレードとを備える航空機タービンエンジンのファンで、前記ファンはさらに、前記回転軸を中心としてファンディスクと回転可能に結合されるバランスシステムを備え、前記バランスシステムは、互いに周方向の離間した複数の質量体収容穴を備え、さらに前記質量体収容穴の１つの中に取り付けられる少なくとも１つのバランス質量体を備えるファンである。本発明によれば、前記バランスシステムはさらに、前記バランス質量体に圧力をかけてその質量体収容穴の底部に押し付ける取り付け手段を含み、質量体収容穴は吸気コーンで止まり穴となり吸気コーン内側に開口するようにする。

本発明のファンは、バランス質量体収容穴がタービンエンジンのベインへと開口せず、実質的にバランス質量体収容穴が吸気コーン自体によってベインから離隔される点が注目に値する。すなわち、したがってコーンの空気力学的外面は質量体収容穴の底部に対して半径方向外側に位置し、そのために質量体収容穴はコーンの外面によってベインに対して隠された状態になる。

したがって、質量体収容穴が吸気コーンによって隠され、吸気コーン内の貫通孔でなくなるということは、有利には、ベインを画定する外面が先行技術の実施形態に関して上述した質量体収容凹部を有さないということである。したがって、吸気コーンにおける空気流は最適化され、このことが全体として抗力の低減につながり、ひいては、タービンエンジンの性能向上につながる。

さらに、ベインへと開口しない質量体収容止まり穴を設けることは、先行技術とは違って、各穴に質量体を収容する必要がなくなるということである。したがって、さらに好ましくは、この目的のために設けられた特定の穴にだけ質量体を配置する場合にバランスを取ることができ、ひいては、有利には、バランスシステムおよびこのバランスシステムを組み込んだファンの質量を実質的に低減することができる。特定の条件下では、穴のうちの１つに収容された１つの質量体のみを使用してバランスを取ることができる。

好ましくは、動作時に、前記質量体取り付け穴の少なくとも１つ、さらに優先的には、複数のこれらの穴が空の状態になる。

さらに、本発明の別の斬新性は、それぞれのバランス質量体がその関連する穴に保持される方法にある。実際に、バランス質量体は、このために設けられた取り付け手段によってかけられる圧力によって止まり穴の底部に押し付けられる。取り付け手段は、当業者によって適切であると見なされる任意の形状にしてもよい。優先的には、これらの取り付け手段は吸気コーンに取り付けられる。

この点に関して、前記取り付け手段および取り付け手段と協働するバランス質量体がバランス質量体アセンブリを形成するものとされる。したがって、アセンブリを形成する要素の各々がこのアセンブリの全質量に影響を及ぼす。しかしながら、そうでない場合でも、優先的に、確実に取り付け手段の質量はバランスシステムの全ての質量体アセンブリに対して等しく、つまり、バランス質量体のみがアセンブリの全質量に影響を及ぼすことになる。

好ましくは、前記取り付け手段は、ナットを形成する部品と前記部品にねじ込まれる圧力ねじとを備え、前記ナットは、圧力ねじ方向に前記コーンで保持される。したがって、この場合、収容止まり穴の底部にバランス質量体を押し付けるためにバランス質量体に圧力をかけるのは、前記ねじである。

好ましくは、前記質量体収容穴は、回転軸を中心とした溝の底部へと開口し、前記溝はその底部の両側にそれぞれ、前記溝内でナットを保持する手段を構成するように２つの側壁を有する。

好ましくは、前記溝は、半径方向内側へ開口するが、代替として、軸方向または任意の他の方向に開口する場合もある。

好ましくは、前記バランス質量体は、バランス質量体が押し付けられる収容穴の底部の形状と一致する球状部分の形状の一端を有する。この一端によって、確実にバランス質量体を十分に保持することができ、その他端は、取り付け手段、すなわち、優先的に圧力ねじと協働する。押し付けられる収容穴の底部の形状に一致するのであれば、円錐部分の形状の質量体端部にすることも可能である。

好ましくは、前記コーンはアルミニウムまたはアルミニウム合金の１つで形成される。この場合、圧力ねじは直接コーンに接触せず、関連するバランス質量体を介して圧力をかけることになり、このことがコーン劣化のリスクを低減することに留意されたい。

好ましくは、前記吸気コーンはシュラウドを形成する下流側部分に固定して取り付けられた上流側部分からなり、前記バランスシステムはシュラウドを形成する前記下流側部分に埋め込まれる。

好ましくは、前記吸気コーンは、前記ファンディスクに固定して取り付けられる環状取り付けフランジを含むが、取り付けフランジがファンの回転ブロックの任意の他の要素に固定して取り付けられる場合でも、本発明の範囲から逸脱するものではない。

好ましくは、ファンはさらに、ファンブレードを保持するためのリングを含み、このリングによってファンブレードは前記ファンディスクに対して軸方向に保持され得る。前記保持リングは、前記ファンディスクに回転可能に結合され、さらに好ましくは、コーンの前記環状取り付けフランジと回転可能に結合される。

好ましくは、前記吸気コーンは、１つまたは複数の部分で前記ファンブレードの所まで下流側に伸びる。上述したように、円錐の頂点から生じる上流側部分と、ファンブレードに隣接する下流側部分とで吸気コーンを形成することができる。この場合の利点は、例えば、これらの部分が受け得る機械的応力／熱応力のレベルに応じて、これらの部分を別々に最適化することができることにある。

最後に、また、本発明の目的は、上述したファンを備える航空機タービンエンジンであり、前記タービンエンジンは、優先的に、ジェットタービンエンジンである。

本発明の他の利点および特徴は、非限定的な以下の詳細な説明で明らかになる。

以下の詳細な説明は、添付図面を参照する。

上述されているが先行技術で知られている従来の実施形態のジェットタービンエンジンのファン部分の長手方向断面図である。 上述されているが図１に示されたファンの部分斜視図である。 本発明の好適な実施形態のジェットタービンエンジンのファンを装着するための後方カウルシュラウドの斜視図である。 図３に示された後方カウルシュラウドの一部のＩＶ−ＩＶに沿った長手方向断面図である。 図３の後方カウルシュラウドの内側の部分を示した斜視図である。 図５の一部で、基本的には後方カウルシュラウドを備えるバランスシステムを収容する穴の１つと協働するバランス質量体アセンブリを示す部分の部分拡大図である。

図３から図６では、本発明の好適な実施形態の航空機ジェットタービンエンジンのファン１の一部が示されている。より詳細には、この部分は、後方カウルシュラウドとも呼ばれる吸気コーンの下流側部分２０ｂであり、ベイン２２の境界を定める外面１９の一部を画定する役割を果たすだけでなく、ジェットタービンエンジンのバランスシステムを支承するための部分でもある。

ファン１の他の要素は、そのうちのいくつかは図示されていない、または他の要素の一部のみ図示されていないが、この好適な実施形態では、先行技術を示した図１および図２に関して示された要素と同一または同様であると考えるべきである。さらに、これらの図では、同じ符号の要素は、同一または同様の要素に対応する。

この後方カウルシュラウド２０ｂは、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の１つの単一部品で形成されるが、ひいては吸気コーンの下流側部分に取り付けられるための上流側端部を備え、その下流側端部は伸びた先のファンブレードと面一になるよう意図される。さらに、上述した先行技術に見られるように、シュラウド２０ｂは、図の４０で示された環状取り付けフランジを有する。半径方向内側に伸びるこのフランジ４０は、長手方向軸２を中心として回転するファンディスク４としっかりと固定されるように、ファンディスク４に固定して取り付けられる。これは、標準的な方法で、例えば、両方のフランジを貫通するボルトを使用して行われる。この点に関して、図１、図２で示された先行技術と同様に、これらのフランジの両方がファンブレードを保持するリング１６の両側に配置され、そのことによりこれらのブレードがファンディスク４に対して軸方向に保持される。ここで、コーンのフランジ４０と、これらの要素の両方と相まって回転するディスク４とに取り付けられるリング１６は、シュラウド２０ｂの内側に位置し、リングをベイン２２から離隔させる。

したがって、これらの要素１６、３４の両方は、回転ファンブロック上で同じ取り付け手段３８を共有することができる。

図３に示されるように、コーン２０はさらにファンブレードを保持するリング１６を確実に隠すことができる。これは、リング１６がフランジ３４との単一部品で形成されるか否かに関係なく実現される。

本発明の特殊性の１つは、確実にジェットタービンエンジンの最終的なバランスを取るためのファンに装備されたバランスシステムがコーンの内側に配置される、より詳細には、コーンの下流側部分２０ｂの内側スペース４１内に配置されてベイン２２から隠されるようにするということにある。

より詳細には、システムは、シュラウド２０ｂ内に形成された複数の質量体収容穴４２を有する。これらの穴４２は、止まり穴であり、このシュラウドによって画定される内側スペースへと開口し、優先的には、ファンの半径方向に沿って配向される。

この特有のレイアウトは、質量体収容穴４２がシュラウド２０ｂをたどるベイン２２から離隔されるように、すなわち、質量体収容穴がシュラウドへと開口しない、またはシュラウドから隠されるように保たれる。

バランスシステムは、シュラウド２０ｂの厚さ内で互いに周方向に離間した穴４２の他に、穴４２の１つと協働する少なくとも１つのバランス質量体アセンブリをさらに備える。したがって、これらの１つまたは複数の質量体アセンブリは、それぞれ収容穴４２に関係付けられて、後方カウルシュラウド２０ｂに取り付けられる。質量体アセンブリの数は必要とされるバランスの取り方に応じて決まる。本発明の利点の１つは、さらに優先的には、質量における利得を得るために１つまたは複数の穴４２を空の状態にすることでジェットタービンエンジンの最終的なバランスを取ることができることにある。この場合、質量体を収容しない穴が、特に半径方向外側にずれた外面１９によってベインから離隔された状態にあれば、これらの穴の閉塞がないことで、ベイン２２の漏れの問題は生じない。

各々の質量体アセンブリは、このアセンブリに関係付けられた穴４２に収容されるバランス質量体４４と、シュラウドと協働し、質量体４２に圧力をかけて穴４２の底部に質量体を押し付ける取り付け手段とを備える。

この好適な実施形態では、取り付け手段は、ナットを形成するプレート４６と、好ましくは、質量体４４が収容される穴４２と同軸になるようにナットにねじ込まれ、質量体に圧力をかける圧力ねじ４８とを備える。

シュラウド２０ｂに対して、半径方向の圧力方向にプレート４６を維持するために、このシュラウドは、軸２を中心とした溝５０を備える。収容穴４２はこの溝の底部５２へと開口する。溝５０は、半径方向内側に開口し、したがって、その底部５２も同じ方向に沿って配向される。溝は、その底部５２だけでなく、さらに底部の両側に位置する２つの側壁５４によって画定される。これらの側壁５４は、プレート４６を保持する手段となるように形成され、例えば、膨出部５６の形で、溝の開口を小さくする突出部を形成する。

したがって、図６に示されるように、各プレート４６は、挿入のために側壁５４内に設けられた切欠部５８で、好ましくは、プレートの外側に向かって半径方向に移動させることで溝５０に挿入され得る。次に、プレート４６は、底部５２と保持膨出部５６との間に画定された環状スロット内を摺動させることで溝内を周方向に移動される。この移動は、プレート４６が関連する収容穴４２に面した位置になった時に止まる。

ねじ４８をプレート４６に通して締めることにより、ねじの半径方向外側端部が、好ましくは、予め差し込まれたバランス質量体に直接接触することで質量体に圧力をかけて、バランス質量体を穴４２の底部に押し付けることができる。その反作用によって、プレート４６自体が保持膨出部５６に押し付けられることになり、ジェットタービンエンジンの動作時に、確実にアセンブリが緩むことがないようにする。

上述したように、１つの特定の穴４２のみがバランス質量体アセンブリを備え、他の穴は空の状態にすることができる。好ましくは、使用される全ての質量体アセンブリに対して、プレート４６およびねじ４８が同じ形状と質量であり、そのために、質量体４４のみが質量体アセンブリの全質量に影響を及ぼす。図示した例に見られるように、図４、図５で示されたアセンブリの質量体４４は図６で示されたアセンブリの質量体４４よりも小さいことがわかる。

いずれにせよ、各質量体４４の半径方向外側端部は、確実に穴４２の底部に対して一致する形状で接触する球状部分４４ａにすることが好ましい。好適な実施形態では、各穴は、実際に、質量体の球状部分４４ａと一致する球状部分を有する底部を備えるが、球状部分がこの底部全体を占めるのではない。実際に、底部は、球状部分の連続部を形成し、質量体４４が穴４２の底部に押し付けられた際に質量体４４で埋まらない、例えば、円錐状のデッドスペース６０を備える。

バランス質量体４４の各々の形状は、最終的なバランスを取るために最適な所与の位置における所望の質量に応じて維持される。好ましくは、各質量体４４は、図４、図５に示された質量体４４の場合に見られるように、少なくとも球状部分４４ａを備え、任意で、図６に示された質量体４４の場合のように、円筒状部分４４ｂによって内側に向かって半径方向に伸ばされる場合もある。この最後の構造では、円筒状部分４４ｂは、円形断面であるのが好ましく、長くて、プレート４６の収容溝５０に対応する穴の開口部まで伸びる。

当然、当業者によって、非限定的な例として説明した本発明の種々の変更がなされてもよい。

Claims (14)

1. タービンエンジンのベイン（２２）がたどる外面（１９）を有するタービンエンジン吸気コーン（２０）と、ファンディスク（４）と、前記ディスクに取り付けられてファンの回転軸（２）を中心として前記ディスクと共に回転するファンブレード（６）とを備える航空機タービンエンジンのファン（１）で、前記ファンがさらに、前記回転軸（２）を中心としてファンディスク（４）と回転可能に結合されるバランスシステムを備え、前記バランスシステムが、互いに周方向の離間した複数の質量体収容穴（４２）を備え、さらに前記質量体収容穴（４２）の１つの中に取り付けられる少なくとも１つのバランス質量体（４４）を備えるファン（１）であって、
   前記バランスシステムがさらに、前記バランス質量体（４４）に圧力をかけてその質量体収容穴（４２）の底部に押し付ける取り付け手段（４６、４８）を含み、質量体収容穴が吸気コーン（２０）内側に開口するように止まり穴とされることを特徴とする、ファン。
2. 前記取り付け手段および取り付け手段と協働するバランス質量体が、バランス質量体アセンブリを形成することを特徴とする、請求項１に記載のファン。
3. 前記取り付け手段が、ナットを形成する部品（４６）と前記部品にねじ込まれる圧力ねじ（４８）とを備え、前記ナットが圧力ねじの方向に前記コーンに保持されることを特徴とする、請求項２に記載のファン。
4. 前記質量体収容穴（４２）が、回転軸（２）を中心とした溝（５０）の底部へと開口することと、前記溝がその底部の両側にそれぞれ、ナット（４６）を前記溝内に保持する手段を構成するように形成された２つの側壁（５４）を有することとを特徴とする、請求項３に記載のファン。
5. 前記溝（５０）が、半径方向内側へと開口することを特徴とする、請求項４に記載のファン。
6. 前記バランス質量体（４４）が、質量体が押し付けられる収容穴の底部の形状と一致する球状部分の形状の一端を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のファン。
7. 前記コーン（２０）が、アルミニウムまたはアルミニウム合金の１つで形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のファン。
8. 前記吸気コーン（２０）がシュラウドを形成する下流側部分（２０ｂ）に固定して取り付けられた上流側部分（２０ａ）からなることと、前記バランスシステムがシュラウドを形成する前記下流側部分に埋め込まれることとを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のファン。
9. 動作時に、前記質量体収容穴（４２）の少なくとも１つが空の状態になることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のファン。
10. 前記吸気コーンが、前記ファンディスク（４）に固定して取り付けられる環状取り付けフランジ（４０）を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のファン。
11. ファンブレード（１６）を保持するためのリングをさらに含み、リングによってこれらのファンブレード（６）が前記ファンディスク（４）に対して軸方向に保持され、前記保持リング（１６）が、前記ファンディスク（４）に回転可能に結合されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のファン。
12. 前記吸気コーン（２０）が、前記ファンブレード（６）の所まで下流側に伸びることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のファン。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のファン（１）を備える航空機用のタービンエンジン。
14. ジェットタービンエンジンであることを特徴とする、請求項１３に記載の航空機用タービンエンジン。

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