JP2013096416A - ガスタービンエンジン、ファンブレード及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャネル内に特定位置に生じる問題に応じた充填材１０２，１０４を含んだファンブレードを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンのファンブレード２０は、前縁２１と後縁２２との間に延びる主胴体部２８を有する。主胴体部２８内にはチャネル３０が形成され、該チャネル間にリブ２６が延びている。ファンブレード２０は、チャネル内に配された剛性材料１０２および減衰材料１０４を含む。剛性材料１０２は、ファンブレードにさらなる剛性をもたらすように選択され、減衰材料１０４は、減衰特性をもたらすように選択される。チャネル１０１は、剛性材料１０２により充填される。チャネル１０３は、剛性材料１０２が充填された部分と、減衰特性を有するように選択された減衰材料１０４が充填された部分と、を有する。チャネル４１は、材料１０４を含み、チャネル３００は、材料１０２，１０４を含んでいない。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジン用の中空のファンブレードに関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮セクションに空気を供給するファンを備える。空気は圧縮セクションで圧縮され、その後、燃焼セクションに送られる。空気は燃焼セクションで燃料と混合されて燃焼される。燃焼生成物が下流へと送られ、タービンロータを通流して該ロータを回転させ、この回転により圧縮機およびファンが回転する。

ファンは、複数のブレードを有するロータを有する。

一形式のファンブレードは、複数のチャネルを有する中空のファンブレードであり、該チャネルは、ファンブレードの主胴体部における中間リブによって画定される。主胴体部には、チャネルを閉じるための外側スキン（外板）が取付けられる。

ブレードは、ファンブレードの長さに応じて変動する内部応力などの種々の問題を有する。

ブレードのチャネルに補強充填材を含むことが周知である。補強充填材としては、ハニカム、波状、金属発泡体等がある。

本発明の一実施例はファンブレードに関する。例示的なファンブレードは、前縁と後縁との間に延びるとともに、主胴体部を有する。主胴体部内にチャネルが形成され、該チャネル間に複数のリブが延びる。ファンブレードは、ダブテールと、ダブテールから半径方向外側に延びるエアフォイルと、を備える。少なくとも２つの材料がチャネル内に配される。２つの材料は、第１の材料および第２の材料を含み、第１の材料は、ファンブレードにさらなる剛性をもたらすように選択され、第２の材料は、減衰特性をもたらすように選択される。

ファンブレードの他の実施例では、少なくとも１つのチャネルは、主胴体部内において開口端部から閉鎖端部まで延びている。

さらにファンブレードの他の実施例では、少なくとも１つのリブにカバースキンが接合される。

ファンブレードの一実施例では、カバースキンは少なくとも１のチャネルの開口端部を覆う。

ファンブレードの一実施例では、第１の材料は、半径方向内側に位置するチャネルに用いられ、第２の材料は、半径方向外側に位置する同じチャネルに用いられる。

ファンブレードの一実施例では、少なくとも１つのチャネルは第１の材料だけを含む。

ファンブレードの一実施例では、少なくとも１つのチャネルは第２の材料だけを含む。

ファンブレードの一実施例では、第２の部材はゴム発泡体である。

ファンブレードの一実施例では、第１の部材は金属発泡体である。

ファンブレードの一実施例では、エアフォイルに沿った屈曲する領域におけるノードが特定され、前記ノードにおけるエアフォイルを支持するように選択された位置における少なくとも１つのチャネルに第２の材料が含まれる。

ファンブレードの一実施例では、前記ノードに対応するチャネルにおいて、第２の材料の半径方向外側および半径方向内側に第１の材料が存在する。

ファンブレードの一実施例では、第１および第２の材料は、主胴体部を形成する材料より低密度である。

ファンブレードの一実施例では、第１の材料は、第２の材料よりもより高い剛性を有し、第２の材料は、第１の材料よりもより優れた減衰特性を有する。

本発明の他の実施例は、ファンブレードを設計する方法に関する。このファンブレード設計方法は、中空のファンブレード内においてさらなる剛性を必要とする領域およびさらなる減衰を必要とする他の領域を特定するステップと、ファンブレード内に形成されたチャネル内においてさらなる剛性を必要とする位置に剛性材料を配設するステップと、ファンブレード内に形成されたチャネル内においてさらなる減衰を必要とする位置に減衰材料を配設するステップと、を含む。

ファンブレード設計方法の他の実施例では、中空のファンブレードにおける振動ノードを特定する。

さらに、ファンブレード設計方法の他の実施例では、前記ノードに対応する領域においてチャネル内に減衰材料を配設する。

本発明の他の実施例は、空気を圧縮セクションに供給するファンセクションを有するガスタービンエンジンに関する。空気は圧縮セクションにおいて圧縮されて、燃焼器に供給され、次いで、空気は燃焼器において燃料と混合されて燃焼される。燃焼生成物はタービンセクションを通って下流に流れる。ファンセクションは、複数のファンブレードを有し、該ファンブレードは、前縁と後縁との間に延びる主胴体部を備え、該主胴体部内にはチャネルが形成されている。該チャネルの間には複数のリブが延びている。ファンブレードは、ダブテールと、ダブテールから半径方向外側に延びるエアフォイルと、を備える。少なくとも２つの材料がチャネル内に配される。２つの材料は、第１の材料および第２の材料を含み、第１の材料は、ファンブレードにさらなる剛性をもたらすように選択され、第２の材料は、減衰特性をもたらすように選択される。

ガスタービンエンジンの他の実施例では、少なくとも１つのチャネルは、主胴体部内において開口端部から閉鎖端部まで延びる。

さらにガスタービンエンジンの他の実施例では、少なくとも１つのリブにカバースキンが接合される。

本発明の上記および他の特徴は、後述する記載の発明を実施するための形態によって明らかになるであろう。以下、図面について簡単に説明する。

ガスタービンを示す図。 ファンブレードの一実施例を示す図。 図１Ａのファンブレードの他の特徴部分を示す図。 図１Ａの線２−２に沿った断面図。 図１Ａのファンブレードの主胴体部を示す図。

図１Ａにガスタービンエンジン２１０を図示する。図示するように、ガスタービンエンジン２１０は、ファン２５０、圧縮セクション２５４、燃焼器２６０およびタービンセクション２６２を有する。ファン２５０は、複数のファンブレード２０を有する。圧縮セクション２５４は、低圧圧縮機２５６および高圧圧縮機２５８を含む。タービンセクション２６２は、高圧タービン２６４および低圧タービン２６６を含む。高圧圧縮機２５８は、第１のスプール２６８を介して低圧タービン２６４によって駆動される。低圧圧縮機２５６は、第２のスプール２７０を介して低圧タービン２６６によって駆動される。ファン２５０のファンブレード２０は、低圧タービン２６６によって回転される。ファンは、ギア２７２により第２のスプール２７０に接続されている。

ファン２５０は、圧縮セクション２５４に空気を送る。空気は、圧縮セクションにより圧縮されて、燃焼器２６０へと送られる。燃焼器における燃焼生成物は、タービンセクション２６２を通って下流へと送られる。

図１Ｂに図示するファンブレード２０は、鳩尾型のテール部分つまりダブテール２４から半径方向外側に延びるエアフォイル１８を含む。前縁２１および後縁２２により、エアフォイル１８の前方および後方の境界が画定される。

図１Ｃに図示するように、ファンロータ１６は、半径方向外側に延びるエアフォイル１８を含むファンブレードを取り付けるようにダブテール２４を受ける。ロータが回転駆動されると、ファンブレードも共に回転する。ファンブレード２０のロータ１６に隣接する部分には、半径方向外側において生じるよりもより高い応力が生じる。

図２は、エアフォイル１８におけるファンブレード２０の断面図である。図示するように、前縁２１には、主胴体部２８に固定されたキャップ３７が含まれる。主胴体部２８におけるキャビティやチャネル３０を閉じるための外板つまりカバースキン（ｃｏｖｅｒ ｓｋｉｎ）３２が配設される。主胴体部２８、キャップ３７およびカバースキン３２は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。代替例として、チタン、チタン合金や他の適切な金属等の他の材料を用いてもよい。

また、図では、１つのカバースキンを有するファンブレードを示し、チャネル３０は内側端部が閉鎖されているが、ファンブレードは、主胴体部の厚さの全体に亘って延在するチャネルを含み、両側にカバースキンを有するものであってもよい。

図示するように、図２に示す断面図において、チャネル３０は複数のリブ２６により分離されている。チャネル３０内には充填材１００が充填される。充填材の重量は、通常、主胴体部２８よりも軽い。後述するように、本用途においては、特定の種類の充填材がファンブレード２０の領域に亘って用いられる。図示した充填材１００は、チャネル３０を完全に満たしているが、このような構成でなくてもよい。

図３は主胴体部２８を図示する。複数のチャネル３０は、前部つまり前縁２１と後部つまり後縁２２との間に配され、半径方向内側の端部と半径方向外側の先端部との間で異なっている。図示するように、いくつかのチャネル３０は、実質的に半径方向上方に延びている。チャネル４０等の他のチャネルは、前縁２１に向かって屈曲している。チャネル４１は、実質的に主胴体部２８の中間部分から前縁２１に向かって延びている。

重量を減少させるため、チャネルの数を最大限にし、リブの数を最小限にすることが望ましい。しかし、より高い耐久性および最小のブレード応力をもたらすため、半径方向内側エッジ４２に近接する部分にさらなる剛性が必要となる。

また、エンジンの運転範囲に亘る特定の運転ノード（節）（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｎｏｄｅｓ）を避けるブレードを形成することが望ましい。ブレードの外側エッジや先端部にかけての付加的な質量により、基本ノード（節）（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｎｏｄｅｓ）から移行することに対しての問題が生じる。

図２から分かるように、充填材１００は、チャネル内に充填される。従来は、剛性をもたらす充填材だけが用いられていた。

本発明では、図３に示す２つの特定の材料１０２，１０４により充填材をもたらすことができる。したがって、主胴体部２８の半径方向の範囲の一部に亘って延びるチャネル１０１等のチャネルは、材料１０２（剛性材料ともいう）により充填される。材料１０２は、さらなる剛性をもたらすように選択される。一例として、材料はアルミニウム発泡体など金属発泡体である。波状の材料（コルゲート材）を用いてもよい。半径方向外側に延びるチャネル１０３等の他のチャネルは、材料１０２が充填された部分と、減衰特性を有するように選択された材料１０４（減衰材料ともいう）が充填された部分と、を有する。減衰特性を有する材料は、例えば、ゴム発泡体である。

チャネル４１は、材料１０４だけを有するものとして図示されている。

このようにして、各チャネルは、エアフォイルにおける位置に応じて特定の特性を有するように構成される。基本ノードを避けるための減衰が最も重要な半径方向外側端部では、材料１０４によって所望の特性を実現することができる。一方、剛性が最も重要である半径方向内側部分では、材料１０２によってより高い剛性がもたらされる。例えば、チャネル３００のように、所望であれば、材料１０２，１０４が充填されないチャネルがあってもよい。

２種類の材料を用いる他の例としては、チャネル１１０がある。この実施例では、ノード又は振動により著しく屈曲する領域を位置１１２で特定している。１つ以上のノード（節）が特定される場合もある。減衰材料１０４は、位置１１２に用いられ、剛性材料１０２は、位置１１２に対して半径方向外側および半径方向内側の位置に用いられる。

本発明は、中空のファンブレード内に２つの種類からそれぞれ利益を受ける領域があることを認識している。特定位置に生じる問題に応じて選択される３種類以上の特定の材料を用いてもよいことを理解されたい。

材料１０２，１０４は、主胴体部２８の材料に比べて、低密度であり、重量が著しく軽い。したがって、材料１０２，１０４を加えることによって、主胴体部が中実であるときの重量まで主胴体部２８全体の重量が増すことはない。

さらに、材料１０２は、材料１０４よりも剛性が高く、材料１０４は、材料１０２よりも優れた減衰特性を有する。利用可能な剛性材料としては、例えば、ＥＲＧエアロスペースコーポレイション（ＥＲＧ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から利用可能なＤｕｏｃｅｌ（登録商標）アルミニウム発泡体（Ｄｕｏｃｅｌ（登録商標）ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ）がある。また、減衰材料としては、例えば、ＡＭＳ−３３５６シリコ−ンゴム化合物がある。他の材料を用いてもよいことを理解されたい。

本発明の実施例について説明したが、図示した実施例は例示的なものに過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

１８ エアフォイル
２０ ファンブレード
２６ リブ
２８ 主胴体部
３０ チャネル
３２ カバースキン
３７ キャップ
１０２ 剛性材料
１０４ 減衰材料
２１０ ガスタービンエンジン
２５０ ファン

Claims (20)

1. 前縁と後縁との間に延びるとともに、内部にチャネルが形成され、該チャネル間に延びる複数のリブを備えた主胴体部と、
   チャネル内に配された少なくとも２つの材料と、
   を備えたファンブレードであって、
   ファンブレードは、ダブテールと、ダブテールから半径方向外側に延びるエアフォイルと、を備え、
   前記２つの材料は、第１の材料および第２の材料を含み、第１の材料は、ファンブレードにさらなる剛性をもたらすように選択され、第２の材料は、減衰特性をもたらすように選択されることを特徴とするファンブレード。
2. 少なくとも１つのチャネルは、主胴体部内において開口端部から閉鎖端部まで延びることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
3. 少なくとも１つのリブに接合されるカバースキンを有することを特徴とする請求項２に記載のファンブレード。
4. カバースキンは、前記少なくとも１のチャネルの開口端部を覆うことを特徴とする請求項３に記載のファンブレード。
5. 前記第１の材料は、半径方向内側に位置するチャネルに用いられ、
   前記第２の材料は、半径方向外側に位置する同じチャネルに用いられることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
6. 少なくとも１つのチャネルは、第１の材料だけを含むことを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
7. 少なくとも１つのチャネルは、第２の材料だけを含むことを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
8. 第２の部材は、ゴム発泡体であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
9. 第１の部材は、金属発泡体であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
10. エアフォイルに沿った屈曲する領域におけるノードが特定され、
    前記ノードにおけるエアフォイルを支持するように選択された位置における少なくとも１つのチャネルに第２の材料が含まれることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
11. 前記ノードに対応するチャネルにおいて、前記第２の材料の半径方向外側および半径方向内側に第１の材料が存在することを特徴とする請求項１１に記載のファンブレード。
12. 第１および第２の材料は、主胴体部を形成する材料より低密度であることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
13. 第１の材料は、第２の材料よりも高い剛性を有し、
    第２の材料は、第１の材料よりも優れた減衰特性を有することを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
14. 少なくとも１つのチャネルは第１および第２の材料を有さないことを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
15. ファンブレードを設計する方法であって、
    中空のファンブレード内においてさらなる剛性を必要とする領域およびさらなる減衰を必要とする他の領域を特定するステップと、
    ファンブレード内に形成されたチャネル内においてさらなる剛性を必要とする位置に剛性材料を配設するステップと、
    ファンブレード内に形成されたチャネル内においてさらなる減衰を必要とする位置に減衰材料を配設するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 中空のファンブレードにおける振動ノードを特定することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ノードに対応する領域においてチャネル内に減衰材料を配設することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 空気を圧縮セクションに供給するファンセクションを有するガスタービンエンジンであって、
    空気は圧縮セクションにおいて圧縮されて、燃焼器に供給され、次いで、空気は燃焼器において燃料と混合されて燃焼され、燃焼生成物がタービンセクションを通って下流に流れ、
    ファンセクションは、複数のファンブレードを有し、該ファンブレードは、前縁と後縁との間に延びるとともに、内部にチャネルが形成され、該チャネルの間に延びる複数のリブを備えた主胴体部と、チャネル内に配された少なくとも２つの材料と、を備え、
    ファンブレードは、ダブテールと、ダブテールから半径方向外側に延びるエアフォイルと、を備え、
    前記２つの材料は、第１の材料および第２の材料を含み、第１の材料は、ファンブレードにさらなる剛性をもたらすように選択され、第２の材料は、減衰特性をもたらすように選択されることを特徴とするガスタービンエンジン。
19. 少なくとも１つのチャネルは、主胴体部内において開口端部から閉鎖端部まで延びることを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン。
20. 少なくとも１つのリブに接合されるカバースキンを有することを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン。

Images