JP2015520328A - ファンディスクの差動回転による可変設定を有するファン - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボ機械用の圧縮機ロータにして、シャフト（１２）と、前記シャフトの回転軸を中心に回転移動可能な単一セットの翼（２）を保持するために前記シャフト上に取り付けられた少なくとも２つのディスク（１０ａ、１０ｂ）とを備え、少なくとも１つの第１ディスク（１０ａ）は、前記第２ディスク（１０ｂ）に対して角度ギャップを創出すること、また翼（２）のその半径方向軸を中心とする回転を起動させることが可能となるようなやり方で前記シャフト上に移動可能な形で取り付けられ、２つのディスクの少なくとも一方は、翼を取り付ける少なくとも１つの手段（１１）を受け取るようなやり方に形状化され、前記ディスクと前記手段との間の接続は半径方向軸を中心とする前記手段の回転を可能にする、圧縮機ロータであって、前記接続は接線方向と軸線方向に移動可能であるボールジョイント接合であることを特徴とする、圧縮機ロータに関する。

Description

本発明の分野はタービンエンジンの分野、より具体的には高希釈率を有するターボジェットエンジンまたはターボファンの分野である。

航空機用のタービンエンジンは一般的に、ガス流れにしたがって下流方向にファンと、１つまたは複数の圧縮機段、例えば低圧圧縮機および高圧圧縮機と、燃焼室と、１つまたは複数のタービン段、例えば高圧タービンおよび低圧タービンと、排ガス管とを備える。圧縮機ごとに１つのタービンが対応することができ、これら２つの構成要素はシャフトによって接続され、それによって例えば高圧部材と低圧部材を形成する。

第１圧縮段は、あるいはターボファンの場合にはファンは、一般的に、小さな圧縮率と、地上で運転されているときの比較的小さいポンピング範囲とを特徴とする。ポンピングの現象は、翼の羽根での気流の離脱に対応し、これは気流の不安定という現象をもたらし、そのことがエンジンの急停止、あるいはエンジンの損傷さえも引き起こす場合がある。これはエンジン故障のリスクにつながる。これは航空機の地上走行中に起こる可能性のあり、回避することが有利である。この目的のために、いくつかの可能性が実施されてきた。そうしたことから、可変断面を有する管を使用し、それを地上で開けてポンピング範囲を拡大する、あるいは可変ピッチを有するファンを使用し、そのピッチを地上で開けることが可能である。

管の断面を開ける装置で遭遇される不利益は、付加質量と設定の困難さとである。さらに、技術的構造の理由によって、達成される拡大分も依然限られており、さらに、ターボジェットエンジンの希釈率が大きくなるほど拡大分は縮小される。このことは最新型ターボファンによくあるケースである。翼用可変ピッチ装置の場合には、ポンピング範囲を改善し、または飛行中ではエンジンの推進力を発展させ、それによって航空機の速度に応じてプロペラの出力を最適化するように、地上で羽根およびそれらの翼のピッチを修正することが一般的である。したがって、羽根のピッチを変化させるために多数の装置が想像されてきた。それらは一般的に、翼の基部の下に位置付けられた、制御システムの円錐ピニオンと協働する円錐ピニオンによる翼のその主軸を中心とする回転を含む。この解決方法の原理は既に証明されているが、それは、円錐ピニオンを中に受け取ることが可能であるように比較的嵩張るハブの存在を特徴とする。そのことは、ファンのより大きな直径と、質量と飛行中の抗力とに関して付随する不利益とをもたらす。さらに最適化するのが困難な羽根の根元部の空気力学と、ターボジェットエンジンの異常が発生した際にファンのフェザリングを保証するための複雑な機械的構造とを特徴とする。

国際特許出願番号２００９／１４２９７３パンフレットまたは欧州特許第１９６１９１６号明細書で述べられるものなど、他の装置も提案されているが、それらは、ターボジェットエンジンの回転軸を中心に互いに対して移動可能である２つのディスク上に取り付けられるファンの翼の固定部材について詳述している。それらの装置は、３つの機能、即ち翼を保持する機能と、翼をその軸線を中心とする回転中に案内する機能と、そのピッチを変更する機能とのそれぞれを別々に果たすために３つの装置を使用することから、比較的複雑である。さらに、それらの装置は、様々な回転を考慮するために、羽根根元部用の可撓性支持体、または軸受上に取り付けられるピボットのいずれかを必要とする。この要件は、ファン羽根の機械構造と折り合いをつけることが困難であり、翼を維持するのに必要な大きな労力を考慮しなければならない。

国際公開第２００９／１４２９７３号 欧州特許第１９６１９１６号明細書

本発明の目的は、ターボファンのファンの翼のピッチを修正することを可能にし、従来技術の不利益を有さない、特に機械的にシンプルであり、小さな寸法しか有さない装置を提供することによってこれらの不利益を克服することである。

その目的のために、本発明はタービンエンジン用の圧縮機ロータにして、シャフトと、同一セットの可動翼の、前記シャフトの回転軸を中心とする回転中の保持を保証するために前記シャフト上に取り付けられた少なくとも２つのディスクとを備え、少なくとも第１ディスクは前記第２ディスクに対して角度間隔を創出することが可能となるように前記シャフト上に移動可能な形で取り付けられ、２つのディスクの少なくとも一方は少なくとも１つの翼用固定手段を受け取るように形成され、前記ディスクと前記手段との間の接続は前記手段の半径方向軸を中心とする回転を可能にする、圧縮機ロータであって、前記接続は接線方向と軸線方向に移動可能である玉継手であることを特徴とする、圧縮機ロータに関する。

一方のディスクを他方に対して回転させる能力は、ディスクそれぞれが可動翼の基部上の異なった位置に固定された状態で、そのピッチを変化させることを可能にする。玉継手の存在は、機械的な観点で有利であると発見された、ファン翼の保持に関連付けられる大きな労力に耐える能力のある接続によって、２つのディスクに対する翼の固定位置の接線方向と軸線方向両方の変位に対する理由とされる。

有利に、２つのディスクは、接線方向と軸方向に移動可能である玉継手の形態の前記固定手段を受け取るように形成される。

特定の実施形態では、前記ディスクは、前記玉継手が設けられた穴が通り抜けるキャップを備え、前記翼用固定手段は穴を通り抜ける心棒である。

好ましい形では、第２ディスクは前記シャフトに関する回転に関して固定され、第１ディスクは、前記シャフトに接続された固定部位と可動部位とを備えた作動手段に固定され、前記可動部位は前記シャフトの回転軸を中心に回転に関して移動可能である。

より好ましい形では、作動手段はロータリーアクチュエータである。この解決法は高コンパクト性という利点を有し、ピッチの制御装置のハブが嵩張り過ぎるのを防止する。

有利に、ロータリーアクチュエータは、それが堅固に固定される前記シャフトの回転軸に従って延びる心棒と、前記心棒を中心に回転に関して移動可能である容器とを備え、前記第１ディスクは前記容器上に取り付けられる。

好ましくは、ロータリーアクチュエータの容器は、第２ディスクに対する前記第１ディスクの回転のための油圧流体を受け取ることを目的とした２つのチャンバを備える。

特定の実施形態では、ロータは、ディスクそれぞれの軸方向のピッチが恒久的な状態にあることを保証するために２つのディスクの間に位置決めされた回転案内リングを備える。

本発明は、上述のファンロータを備える高希釈率を有するバイパスターボジェットエンジンのファンモジュールと、そのようなファンモジュールを備えるバイパスターボジェットエンジンとにも関する。

単に非制限的な例としてここに掲げられる、添付の概略図を参照した本発明の実施形態についての以下の詳しい説明記述から、本発明がより充分に理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴、および利点がより明らかに認識されるであろう。

本発明による制御装置によってピッチが修正されることができる翼を備えたターボジェットエンジンファンの斜視図である。 図１のファンの軸方向断面図である。 翼が飛行形態にある、図１のファンの翼のピッチの制御装置の詳細図である。 翼がフェザリングされた状態にある、図１のファンの翼のピッチの制御装置の詳細図である。 翼が逆の状態にある、図１のファンの翼のピッチの制御装置の詳細図である。

図１を参照すると、高希釈率を有するターボジェットエンジンのファン１が見られることができる。ファンは、担持シャフトの円周にわたって規則的に分配された複数の翼２によって構成される。翼２は、中央ハブに固定された羽根根元部３とファンによって取り込まれている気流に対する外側チャネルを形成する外側カラー５に沿って動く羽根先端部４との間に延在する。羽根根元部はそれら自体が、前記気流の内部チャネルを形成する円錐体６内に囲まれる。翼２は、この図面ではフェザリングされたポジションで、即ちそれらの翼弦が風に向かって位置合わせされた状態で示されているが、これは、図２を参照してより詳しく述べられる作動機構７の作動によって翼の長手方向軸を中心に回転運動されることが可能である。

図２は、羽根根元部３には２つの円周溝８によって凹所が作られる翼２の下方部位を示す。円周溝８には、ターボジェットエンジンの回転軸Ａに沿って並んで位置決めされたファンディスク１０ａと１０ｂの半径方向外側端部が挿入されてある。それらの半径方向端部は、翼２の固定用心棒１１が穴の中に延びるキャップ９の形態にある。結果として羽根根元部３は、エンジンの長手方向軸Ａに従って位置合わせされた円柱形状を有する。これには、前記固定用心棒が中に受け取られることを可能にするために穴がその中心を通り抜ける。心棒１１と２つのディスクそれぞれのキャップ９との接続は、玉継手である。これは、それによって心棒１１と、結果として羽根根元部３とが、ディスクの半径方向に対して厳密に直角ではない方向に、より一般的にはエンジンの回転軸Ａの方向に対して接線平面で角度オフセットされる方向に配向されることを可能にする。羽根根元部３に与えられた回転に関するこの運動の自由度は、固定用心棒１１の配向が変位された状態でファン１の翼２のピッチを変化させることを可能にする。

心棒１１とキャップ９との間の玉継手を選択することは、ピッチの変化をもたらすためにシャフト１１を接線方向に変位させることに加えて、軸線方向に変位させることも可能にする。軸線方向の変位は、ディスクの丸みから、また、可動ディスクのキャップの範囲内の心棒１１の位置が、固定されたディスクのキャップを通り抜ける半径方向平面の突出部内で、固定されたディスクのキャップの範囲内の心棒１１の位置よりもエンジンの回転軸に半径方向で近いということからもたらされる。

機械的な観点では、ファンディスクの相対的な回転から生じる全ての変位を考慮した翼用固定装置がこれによって得られる。これはシンプルな玉継手の結果として得られるもので、可撓性のディスク固定手段などのより複雑な装置や軸受の存在を必要としない。シンプルな可動金属構成要素の結果として、高いシンプル性と翼を保持することの効果の充分なレベルの考慮とが得られる。この装置は、単一の接続で３つの機能、即ち翼を保持する機能と、翼をその長手軸を中心とする回転中に案内する機能と、翼のピッチの変更を制御する機能との適合性を保証する。

注目すべきは、ファンのピッチの変更中に、キャップ９の２つの球窩接続手段の間の距離が変化することである。結果として、２つのキャップの少なくとも一方は、この距離が変化することができるよう固定用心棒１１上で滑動するように取り付けられなくてはならない。さらに、溝８は、キャップ９が必要に応じて動くことが可能であるように充分広くなくてはならない。

他方、固定用心棒１１上での並進移動に関してキャップ９が阻止されることが望ましい場合、リング１７の接続部が、ディスク１０ａとディスク１０ｂとの間の軸方向間隔が変化可能となるように摺動ピボットであることが必要である。

２つのディスク１０ａと１０ｂは以下の通りターボジェットエンジンのファンシャフト１２によって担持される。最初に、以下の構成が絶対的に必要なわけではないが、本明細書で最も下流に位置決めされたディスクとして示される第２ディスク１０ｂは従来の形でファンシャフト１２によって直接担持される。第２ディスク１０ｂは、例えばボルト式の接続部を介してそれに接続され、それと一緒に回転する。他方、次に、上流ディスクまたは第１ディスク１０ａは、ロータリーアクチュエータの形態の作動機構７によってそのファンシャフトに接続される。他の作動装置も構想されることができる。それらには例えばボールねじ、あるいは２つのディスクがオフセットされた後にそれらの相対的な位置を保持することを保証するのであれば、ディスクを他のディスクに対して任意の他の角度オフセット手段がある。

ロータリーアクチュエータ７は、固定部位として知られる部位１３を備える。部位１３はファンシャフト１２と共に回転する。部位１３は、駆動手段１４による回転に関してファンシャフト１２に固定接合される。駆動手段１４は、前面での機構７の分解を可能にするために例えば波型形状を有する。この固定部位１３は従来、ターボジェットエンジンの回転軸Ａに沿って軸方向に延びる円柱状心棒１３ａの形態にあり、そこから半径方向にショルダ１３ｂが延びてある。ショルダ１３ｂには、ロータリーアクチュエータのポジションに関する制御を保証するために油圧流体の圧力が掛けられることが可能である。固定部位１３は、可動部位１５と呼ばれる容器内に囲まれる。可動部位１５も円柱状形態にあり、遊隙なく心棒１３ａおよびショルダ１３ｂを取り囲み、前記固定部位１３に対してその心棒１３ａを中心に回転することが可能である。その油圧容器１５は、半径方向壁１５ｂによって２つに分離される。半径方向壁１５ｂは、半径にのみ従って延びて、ショルダ１３ｂの一方側と他方側に２つのチャンバを創り出す。そこには、ロータリーアクチュエータの回転を制御するために、２つの異なった油圧圧力下にある油圧流体が搬送されることが可能である。

可動容器１５は、その外側部位上に、固定用フランジ１６をさらに担持する。固定用フランジ１６は可動容器１５を第１ファンディスク１０ａに固定接合し、可動部位１５の角度位置が固定部位１３に対して制御された状態で、第１ディスク１０ａの第２ディスク１０ｂに対する角度変位の制御を可能にする。最後に、ディスク１０ｂに対する回転に関するディスク１０ａの案内をもたらすために、第１ディスク１０ａを回転に関して案内するリング１７が２つのディスクの間に位置決めされる。

図３は、飛行形態の翼２のポジション、即ち、翼がファン１での空気の吸入方向に関して正角度と呼ばれる入射角に配向され、空気が翼にそのアーチ内弧で衝突する状態を示す。第１ディスク１０ａは、第２ディスク１０ｂに対して翼の回転方向に変位される。このことは翼の前縁を回転方向に変位させる一方、翼の後縁は第２ディスクによって引き続き保持される。作動機構７によって２つのディスクの間にそのようにして得られる角度間隔は、いつでも翼上に、関係する飛行形態におけるファンの適正な作動に適した入射角度を与えるように画定される。

図４は、フェザリングされたポジションにある翼２のポジション、即ち、ファンに空気が引き込まれる方向に翼弦が位置合わせされた状態を示す。図３のポジションに対して、第１ディスク１０ａは、第２ディスク１０ｂに対して作動機構７によって翼の回転方向とは反対の方向に変位されている。

最後に、図５は逆のポジションにある翼のポジション、即ち翼がそれらを通過する気流をエンジンに対して上流方向に向かわせるポジションを示す。次いでそれらは気流に対して負の入射角を有する。これは、翼の回転方向とは反対の方向に、フェザリングされた位置に対応するポジションを超えたところに翼をもたらす程度に第１ディスク１０ａが変位することに起因する。

次に、本発明による翼２のピッチを変更する機構の動作について記述がなされる。

動作中、ターボジェットエンジンのファン１はその軸線Ａを中心に回転し、翼のピッチは、検討される飛行動作の事例に最もうまく適合されたポジションに先験的に一致する所与のポジションにある。ターボジェットエンジンの低圧ロータはファンシャフト１２を回転駆動する。シャフト１２には駆動手段１４によって、一方で第２ディスク１０ｂが、他方で作動機構７の固定部位１３の心棒１３ａが堅固に固定されてある。

不変動作中は、可動部位１５の２つのチャンバ内の圧力は等しく、ショルダ１３ｂはその可動部位に対して固定位置にある。このように可動部位の容器１５は固定部位１３と同じ回転速度を有する。フランジ１６によって容器１５と第１ディスク１０ａとの間にもたらされる堅固な接続の結果として、その第１ディスクはその固定部位と同じ速度で、結果的にファンシャフト１２および第２ディスク１０ｂと同じ速度で回転する。結果的に、全ての可動構成要素は同じ速度で回転し、作動機構７による作動のない状態で、飛行中のエンジンの作動中、翼２のピッチは一定のままとなる。

翼のピッチを修正することが望ましいとき、これがエンジンをフェザリングされたモードまたは逆のモードに切り替えるための操縦士の意図的なアクションによるものであれ、翼のピッチをエンジンの現動作に適合させようとするエンジン制御の結果であれ、過剰な油圧は容器１５の２つのチャンバのうちの一方に転送される。関与するチャンバは、ピッチを修正することが望ましい方向へのショルダ１３ｂの起動に対応するチャンバである。この過剰圧力の伝達は、２つのチャンバの間の圧力の釣り合いを修正し、固定部位１３のショルダ１３ｂに反応して可動部位１５を主軸Ａを中心に回転させる。その際、可動部位１５はフランジ１６によって第１ディスク１０ａを第２ディスク１０ｂに対する相対的な回転において担持する。

２つのディスクの相対的な回転での変位は、翼２の固定用心棒１１の回転と、その後縁に対するその前縁の一方方向への移動とをもたらす。それが所望ピッチの変化を生み出す。２つのディスクのキャップ９内の玉継手上への固定用心棒１１の組み立ては、その回転を、したがって翼のその長手軸を中心とする回転を可能にして所望ピッチへの修正を生じさせる。

従来式のピボット形システムに対する、ここに述べられた装置の利点は以下の通りである：
‐このシステムのコンパクト性は、最新型ターボファンのハブ比と同一のハブ比でファンが構成されることを可能にする。エンジンの空間要件に増大はなく、したがって抗力および質量に関する不利益はない。
‐従来型ターボファンと同数の羽根を有すること、したがって最新式ファンと同じ出力を有することが可能である。
‐内部気流は円錐状に作り出されることができて、羽根の根元部の空気力学が遠心分離作用から利益を得るようになる。
‐２つのキャップと２つのファンディスクとを用いることで、自然の二重構造によって翼の求心的保持がもたらされる。
‐最後に、万一翼のピッチの制御システム内の圧力が低下した場合にも、遠心力が翼をフェザリングされたポジションに自然にもたらす傾向を有する。

さらに、ファンの様々な要素が分解し易いことから、ファンの維持管理は依然シンプルである。一方で翼２を分解するために、ファンディスクにそれらを接続している心棒を取り外すこと、他方で作動機構７にアクセスするために円錐体６を分解することが単に必要となる。フランジ１６の簡単な分解に続いで、作動機構７は前面で引き出される。

しかし、ここで述べられた装置は、存在する遊隙に、即ち翼の展開ピッチによって変化する遊隙に適合されることが可能な翼同士の間にプラットフォームを必要とする。この目的のために、エラストマ材料の変形可能なプラットフォーム、多関節プラットフォーム、または重なり型プラットフォームなど様々な解決法が構想されることができる。

Claims (10)

1. タービンエンジン用の圧縮機ロータにして、シャフト（１２）と、同一セットの可動翼（２）の、前記シャフトの回転軸を中心とする回転中の保持を保証するために前記シャフト上に取り付けられた少なくとも２つのディスク（１０ａ、１０ｂ）とを備え、少なくとも第１ディスク（１０ａ）は前記第２ディスク（１０ｂ）に対して角度間隔を創出することが可能となるように前記シャフト上に移動可能な形で取り付けられ、２つのディスクの少なくとも一方は少なくとも１つの翼用固定手段（１１）を受け取るように形成され、前記ディスクと前記手段との間の接続は前記手段の半径方向軸を中心とする回転を可能にする、圧縮機ロータであって、前記接続は接線方向と軸線方向に移動可能である玉継手であることを特徴とする、圧縮機ロータ。
2. ２つのディスクが、接線方向と軸方向に移動可能である玉継手の形態の前記固定手段を受け取るように形成される、請求項１に記載のロータ。
3. 前記ディスクが、前記玉継手が設けられた穴が通り抜けるキャップ（９）を備え、前記翼用固定手段は前記穴を通り抜ける心棒（１１）である、請求項１または請求項２いずれかに記載のロータ。
4. 第２ディスクが回転に関して前記シャフト（１２）に対して固定され、第１ディスクは、前記シャフト（１２）に接続された固定部位と可動部位とを備えた作動手段（７）に固定され、前記可動部位は前記シャフトの回転軸を中心に回転に関して移動可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
5. 作動手段がロータリーアクチュエータ（７）である、請求項４に記載のロータ。
6. ロータリーアクチュエータが、それが堅固に固定される前記シャフトの回転軸に従って延びる心棒（１３ａ）と、前記心棒（１３ａ）を中心に回転に関して移動可能である容器（１５）とを備え、前記第１ディスク（１０ａ）は前記容器上に取り付けられる、請求項５に記載のロータ。
7. ロータリーアクチュエータ（７）の容器（１５）が、第２ディスクに対する前記第１ディスクの回転のための油圧流体を受け取ることを目的とした２つのチャンバを備える、請求項６に記載のロータ。
8. ディスクそれぞれの軸方向のピッチが不変の状態にあることを保証するために２つのディスクの間に位置決めされた回転案内リング（１７）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のロータ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のファンロータを備える、高希釈率を有するバイパスターボジェットエンジンのファンモジュール。
10. 請求項９に記載のファンモジュールを備えるバイパスターボジェットエンジン。

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