JP2015531444A - 耐摩擦性ファンケース - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン用のケース装置は、環状くぼみが形成されている内面を有する環状ケースと、くぼみ内に配置され易破断性材料からなり低摩擦接触面を有する環状バンパとを含む。バンパは、加えられる力が所定の閾値を下回ると弾性的に径方向に撓むことができるように構成される。バンパは、接触面を画成するウェブと、ウェブから延在する間隔を置いて配置された一対の平行脚部とを含み、ウェブおよび前記脚部が、協働してチャネルを画成するようにしてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのファンを格納する構造に関する。

ターボファンエンジンは、一般的に、ファンと、ブースタと、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと低圧タービンとを、エンジンの長手方向中心軸まわりの直列軸流関係で含む。高圧タービンは、第１のロータシャフトを介して高圧圧縮機に駆動連結されており、低圧タービンは、第２のロータシャフトを介してファンおよびブースタの両方に駆動連結されている。ファンは、環状ディスクと、このディスクに取り付けられている半径方向に延在する複数のブレードとを含み、ディスクおよびブレードは、エンジンの長手方向中心軸線まわりに回転することができる。そうしたファンは、ファンケースによって囲繞されている。ファンケースは、具体的には、運転中、ファンブレードがそのディスクから外れた場合にファンブレードを格納することができるように設計される。それによって、万一、１つまたは複数のブレードの突発的な故障、破片の吸い込みまたは他の原因により１つまたは複数のファンブレードがディスクから外れても、エンジンや航空機に構造的なダメージを与えることが防止または最小限に抑えられる。

ファンケースは、さらに、ファンロータの中を通る外側流路境界としての機能を果たし、またファンブレードを通り抜ける漏れを最小限に抑えるために、ファンブレードの先端部に接近してその周囲を取り囲んでいる。従来技術のファンケースは、一般的に、ファンブレードとファンケースが接触（「摩擦」と称される）した場合にファンブレードを保護するために、犠牲的なアブレイダブル材料（ａｂｒａｄａｂｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）で内側が覆われている。アブレイダブル材料が犠牲的に摩滅することによって、高価なファンブレードのダメージは防がれるが、それによってブレード先端の径方向のクリアランスが拡大し、結果的にエンジンの推力が失われる。

エンジンによっては、運転中、例えば航空機の操縦中に、ファンブレードが不可避な摩擦を受ける、または一時的にファンがアンバランスになるものがある。これらの場合、ただアブレイダブル材料を使用しただけでは、その結果生じる推力の損失が許容しがたいものになる恐れがある。

したがって、所期のクリアランスを維持しながらファンブレードの摩擦に耐えるファンケーシングが必要とされている。

欧州特許第２２９０１９９号

この要求は、易破断性の耐摩擦性バンパを組み込んだファンケースを提供する本発明によって対処される。

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジン用のケース装置は、環状くぼみが形成されている内面を有する環状ケースと、くぼみ内に配置され易破断性材料からなり低摩擦接触面を有する環状バンパとを含む。バンパは、加えられる力が所定の閾値を下回ると弾性的に撓むことができるように構成される。

本発明の別の態様によれば、ファン装置は、環状くぼみが形成されている内面を有する環状ファンケースと、くぼみ内に配置され易破断性材料からなり低摩擦接触面を有する環状バンパと、バンパがブレードの先端部と軸方向に整合するように、ケース内で回転するように取り付けられるブレードのアレイを担持するロータとを含む。バンパは、ブレードとバンパが接触することにより、加えられる力が所定の閾値を下回ると弾性的に径方向に撓むことができるように構成される。

添付の図面と併せて、以下の説明を参照することにより本発明を最も良く理解することができる。

本発明の一態様に従って構築されたファンケースを組み込んだガスタービンエンジンのファンセクションの概略的な半断面図である。 図１に示されるファンケースの一部の拡大図である。

各図を通して同一の要素には同一の参照符号が付されている図面を参照すると、図１には、飛行中の航空機に動力を供給するのに使用されるターボファンガスタービンエンジンの例示的なファンセクション１０の一部が示されている。ファンセクション１０は、従来の低圧タービン（図示せず）によって動力が供給される従来のファンシャフト１４によって長手方向中心軸「Ａ」まわりに回転するファン１２を含む。ファン１２は、エーロフォイル形の（図１では１つしか示されない）ファンブレード１８のアレイがそこから径方向外方に延在するロータディスク１６を含む。ロータディスク１６およびファンブレード１８は、互いに分離可能であってよく、またはブレードが一体に付いたロータすなわち「ブリスク（ｂｌｉｓｋ）」の一部であってもよい。各ファンブレード１８は、前縁２０と、後縁２２と、根部２４と先端部２６とを含む。ファン１２の下流には、エーロフォイル形の出口案内翼（「ＯＧＶ」）２７のアレイが配置されている。本発明はファンおよびファンケースの文脈において説明されるが、本発明の原理は、他のタイプの回転する構成要素を囲繞するケーシングにも同様に適用可能であると理解されよう。

環状ファンケース２８は、ファン１２を囲繞する。用語「環状」は、本明細書に使用される場合、全体的にリング形であり円形だけでなく非円形の形状も含む外周が閉じた構造を指す。ファンケース２８は、前端３０と後端３２を有する。前方フランジ３４は、ナセル（図示せず）と対合し、後方フランジ３６は下流エンジンケーシング構成要素４０のフランジ３８と対合する。ファンケース２８は、外面４２と、反対の内面４４とを有する。内面４４は、以下により詳細に説明する他の構成要素と協働して、ファンブレード１８の先端部２６に接近してそれを囲繞するように構成される流路面「Ｆ」を画成する。

公知の実施によれば、ファンケース２８は、ガス圧力負荷、機体荷重（ｂｏｄｙ ｌｏａｄ）および操縦負荷などの予想される運転負荷に耐えることができるような寸法および形状にされる。ファンケース２８は、さらに、格納部材として機能するように、換言すると、ロータディスク１６から外れたファンブレード１８が衝突しても貫入に耐えるように構成される。一般的に、エンジン運転中にファン１２によって異物が吸い込まれることでブレードが外れることがある。これは、一般的に「ブレードアウト」事象と称される。図示の例では、ファンケース２８は、一体構造のものであり、アルミニウム、チタンまたは鋼などの合金で作られる。ファンケースは、同様に、複合材で作製されてもよい。用語「軸方向整合」は、本明細書に使用される場合、長手方向中心軸Ａに沿って測定される２つの構成要素の共通またはオーバーラップする位置を意味する。

図２において最も良く分かるように、内面４４の一部には環状くぼみ４６が形成され、そのくぼみに内にはバンパ４８が配置されている。バンパ４８は、ファンブレード１８と軸方向に整合するように位置決めされた接触面５０を有する環状構成要素であってよい。以下により詳細に説明するように、バンパ４８は、比較的低い負荷によりブレードと接触している間は直線的な応力−ひずみ挙動により弾性的に径方向に撓むことができ、比較的高い負荷によりブレードと接触している間は壊れやすいように、その接触面５０の摩擦が低くなるように構成される。用語「低摩擦」は、本明細書に使用される場合、荒仕上げではなく、全体的に堅く、滑らかな状態に対応しそれを指す。図示の例では、バンパ４８の形状は、全体的に軸方向に整合されたウェブ５２と、間隔を置いて配置され径方向に延在する一対の脚部５４と、任意選択で、脚部５４の両方の遠位端から軸方向に前方および後方に延在する一対のフランジ５６とを含む、「帽子形断面」形状である。フランジ５６は、くぼみ４６の内部に合致するように形作られる。バンパ４８のウェブ５２は、接触面５０を画成し、ファンブレード１８に対して表面が若干凸状にされる、または凸状に湾曲される。バンパ４８は、従来のファンケースの設計と比べて、くぼみ４６またはファンケース２８に何ら変更を加えなくても済むように寸法設定され形作られる。したがって、バンパを使用しても、ファンケース２８の格納機能に有意な影響を及ぼすことはない。

バンパ４８は、ブレードの衝突の際、破断しやすいように構築される。用語「易破断性」は、本明細書に使用される場合、破損すると、すなわち引き伸ばされる破損ではなく砕かれる破損を受けると、本質的にばらばらになって非常に小さい低質量の小片になる材料を指す。図示の例では、バンパ４８は、例えば、強化エポキシマトリクス中の中間弾性率（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｍｏｄｕｌｕｓ）グラファイト繊維である、複合材料系で作製される。バンパ４８の径方向中央寄りの面は、接触の際にブレード先端部２６に対するダメージを最小限に抑えるようにガラス繊維層を組み込むことができる。バンパ４８は、公知の接着剤を用いて、くぼみ４６内の適所に固定することができる。

任意選択の充填材５８は、バンパ４８の形状によって画成された環状チャネル内に配置される。充填材５８の目的は、バンパ４８に剛性を与えかつ／またはそれを制動することによってバンパの調和振動を制御可能にすることである。（例えば、ＮＯＭＥＸ（登録商標）のようなアラミド繊維を組み込んだ）複合ハニカムまたはエラストマのような材料が、この目的に使われ得る。充填材５８は、単一片または複数片として提供され、公知の接着剤を用いてバンパ４８および／またはくぼみ４６に接着され得る。

公知のタイプのアブレイダブル材料６０は、バンパ４８の前方および後方のくぼみ４６の空間内に配置され得る。図示の例では、アブレイダブル材料６０は、ガラス極小球が埋め込まれたフェノール樹脂からなる。アブレイダブル材料６０の露出した面は、バンパ４８、およびファンケース２８の内面４４と協働して、流路面Ｆを画成する。製造する過程で、流路面Ｆの輪郭を形成するように、内面４４、アブレイダブル材料６０およびバンパ４８のいくつかまたは全てに、１つまたは複数の処理ステップの機械加工が施される。

動作時、通常は、バンパ４８とファンブレード１８は接触していない。ときおり、ファン１２は、若干不安定な状態になることがあり、それによって公称位置から径方向に偏向させる（すなわち、単に回転するのではなく、渦巻状または螺旋状に回転する）ことがある。その結果、ファンブレード１８の先端部２６が径方向に偏向し、バンパ４８、具体的にはウェブ５２と接触することがある。ウェブ５２の接触面５０は低摩擦であるため、その面に沿ってファンブレード１８は滑らかに動くまたは滑ることができる。その一方で、加えられる力が所定の閾値を下回るときは、脚部５４により、バンパ４８は径方向に線形に弾性的に撓むことができる。したがって、バンパ４８は、「耐摩擦性」構造とみなされ得る。バンパ４８の働きによって、ファンブレードの先端部２６がアブレイダブル材料６０と接触しないようになる。アブレイダブル材料６０と接触してしまうと流路面Ｆとファンブレード１８との間の径方向クリアランスが広がり、それが容認できないエンジン推力の損失につながる恐れがあるので、接触しないのが望ましい。

対照的に、ブレード摩擦よりも著しく大きな力が発生する事象であるファンブレードアウト事象が起こるとき、バンパ４８は易破断性のヒューズとして働く。バンパ４８は、ブレードが接触すると、実質的に、押しつぶされるまたはばらばらになって非常に小さい低質量の小片になる。これによって、ファンブレードアウト負荷の影響または二次損傷の発生が回避される。一例として、バンパ４８が破断する（ｆｕｓｅ）ときの負荷は、ときおり起こる摩擦の際に予想される負荷よりも４０〜５０％程度大きい場合もある。バンパ４８の特徴は、ウェブ５２および脚部５４の寸法、ならびに複合材のタイプ、およびプライの数、寸法および配向を選択することにより、特定の用途に適合され得る。

上述のように構築されたファンケースの試験では、バンパは、摩擦負荷がかかると必要とされる線形の弾性挙動を示すことができ、その一方で、ファンブレードアウト負荷の影響を及ぼさないように、より高い負荷がかかると必要に応じてつぶれることが証明された。試験では、さらに、バンパ４８が、摩擦負荷の作用後、つぶれるまたは層間剥離せず、推力の損失を防止することが証明された。

前述の説明では、耐摩擦性のバンパが付いたファンケースについて述べた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な修正を加えることができることが明らかであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態の前述の説明、および本発明を実践する最良の形態は、例示目的として提供されているにすぎず、限定を目的とするものではない。本発明は、特許請求の範囲によって定義される。

１０ ファンセクション
１２ ファン
１４ ファンシャフト
１６ ロータディスク
１８ ファンブレード
２０ 前縁
２２ 後縁
２４ 根部
２６ 先端部
２７ 出口案内翼
２８ ファンケース
３０ 前端
３２ 後端
３４ 前方フランジ
３６ 後方フランジ
３８ フランジ
４０ 下流エンジンケーシング構成要素
４２ 外面
４４ 内面
４６ くぼみ
４８ バンパ
５０ 接触面
５２ ウェブ
５４ 脚部
５６ フランジ
５８ 充填材
６０ アブレイダブル材料

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン用のケース装置であって、
   環状くぼみが形成されている内面を有する環状ケースと、
   前記くぼみ内に配置され、易破断性材料からなり、低摩擦接触面を有する環状バンパであり、加えられる力が所定の閾値を下回ると弾性的に撓むことができるように構成されたバンパと
   を備える、ケース装置。
2. 前記バンパが、前記接触面を画成するウェブと、前記ウェブから延在する間隔を置いて配置された一対の平行脚部とを含み、前記ウェブおよび前記脚部が、協働してチャネルを画成する、請求項１記載の装置。
3. 前記ウェブが、凸状に湾曲している、請求項２記載の装置。
4. 前記バンパが、前記脚部の遠位端から互いに反対方向に延在する一対のフランジを含む、請求項２記載の装置。
5. 前記バンパが、炭素−エポキシ複合材からなる、請求項１記載の装置。
6. 前記複合材が、前記接触面にガラス繊維からなる少なくとも１つの層を含む、請求項５記載の装置。
7. 前記バンパの前記チャネル内に配置された充填材をさらに備える、請求項２記載の装置。
8. 前記充填材が、ハニカム構造を含む、請求項７記載の装置。
9. 前記バンパに隣接する前記くぼみ内に配置されたアブレイダブル材料をさらに備え、それにより前記アブレイダブル材料、前記接触面および前記内面が協働して流路面を画成する、請求項１記載の装置。
10. 前記アブレイダブル材料が、フェノール樹脂からなる、請求項９記載の装置。
11. ガスタービンエンジン用のファン装置であって、
    環状くぼみが形成されている内面を有する環状ファンケースと、
    前記くぼみ内に配置され、易破断性材料からなり、低摩擦接触面を有する環状バンパと、
    前記バンパが前記ブレードの先端部と軸方向に整合するように、前記ケース内で回転するように取り付けられるブレードのアレイを担持するロータと
    を備え、前記バンパが、前記ブレードと前記バンパが接触することにより、加えられる力が所定の閾値を下回ると弾性的に径方向に撓むことができるように構成された、
    ファン装置。
12. 前記バンパが、前記接触面を画成するウェブと、前記ウェブから延在する間隔を置いて配置された一対の平行脚部とを含み、前記ウェブおよび前記脚部が協働してチャネルを画成する、請求項１１記載の装置。
13. 前記ウェブが、凸状に湾曲している、請求項１２記載の装置。
14. 前記バンパが、前記脚部の遠位端から互いに反対方向に延在する一対のフランジを含む、請求項１２記載の装置。
15. 前記バンパが、炭素−エポキシ複合材からなる、請求項１１記載の装置。
16. 前記複合材が、ガラス繊維からなる少なくとも１つの層を含む、請求項１５記載の装置。
17. 前記バンパの前記チャネル内に配置された充填材をさらに備える、請求項１２記載の装置。
18. 前記充填材が、ハニカム構造を含む、請求項１７記載の装置。
19. 前記バンパに隣接する前記くぼみ内に配置されたアブレイダブル材料をさらに備え、それにより前記アブレイダブル材料、前記接触面および前記内面が協働して流路面を画成する、請求項１１記載の装置。
20. 前記アブレイダブル材料が、フェノール樹脂からなる、請求項１９記載の装置。