JP2016075230A - 静翼構造及びこれを用いたターボファンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボファンエンジンにおいて、複合材料からなる静翼とライナで空気流路を形成しつつ、ライナ間の隙間や段差により生じる圧力損失を抑えることのできる静翼構造及びこれを用いたターボファンエンジンを提供すること。
【解決手段】複合材料からなるファン出口案内翼（静翼）（２０）の翼基端部（２１）をインナライナ（４０）により、翼先端部（２２）をアウタライナ（５０）によりそれぞれ挟み込みこむように突き合わせ、前縁側に形成されるこれらのライナ間の分割線（４５、４６、５５、５６）を流線方向に沿わせる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、航空機用ターボファンエンジンのエンジン本体部側とファンケースとを連結している静翼構造に関するものである。

上記したようなターボファンエンジンには、通常、エンジン本体部内に空気を導入する動翼と、この動翼により導入した空気の流れを整流する静翼が備えられている。この静翼には、整流機能のみが要求される場合と、整流機能に加えてエンジン本体部を構成するファンフレームとファンケースとを連結する構造体機能をも要求される場合がある。

当該静翼は、周方向に複数枚並んで設けられており、各静翼の端部には周方向に延びるシュラウドが形成され、これら各静翼のシュラウド同士が突き合わされている。

ここで、タービン静翼においては、静翼及びシュラウドにより形成される流路内には高温ガスが流れるが、シュラウド同士が突き合わされている端面に高温ガスが略垂直に当たる部分があると、当該部分に高温酸化による腐食を生じるおそれがある。

そこで、このシュラウド間の継ぎ目部分の端面をガイドベーンにより決定される高温ガスの流線に沿った形状とすることによって、ガイドベーンの背側のシュラウド端面において、高温ガスが垂直な方向から衝突する部分を減じて、高温酸化される部分の低減を図る構成が開発されている（特許文献１参照）。

特開２００４−９２６１２号公報

上記特許文献１に記載のタービン静翼は、高温ガスの整流を目的とするものであり単体材料からなる。そのため、当該静翼の両端部はシュラウドと一体をなして構成されている。一方、静翼は、十分な剛性や強度を必要とする翼部と大きな剛性や強度を必要としないシュラウド部とで、使用する材料を変えて別体化し、軽量化やコスト低減を図る場合があり、特に整流機能だけでなく構造体機能をも要求される静翼、たとえばファン出口案内翼に構造体機能を持たせる場合には、翼部に空力荷重だけでなく構造体としての剛性や強度が必要とされるため、特に軽量化やコスト低減の効果が大きい。

そこで、特許文献１のようなシュラウドに代えて、各静翼間に別体のライナ（フェアリング）を設けて空気流路を形成する構成が開発されている。当該ライナは静翼を背側及び腹側から挟み込むように突き合わされて設けられるため、静翼の前縁及び後縁に分割線が形成される。

しかしながら、特に静翼の前縁側は空力的に重要であるのに対し、静翼の前縁側に隙間や段差があると渦が発生し、圧力損失を生じるという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ターボファンエンジンにおいて、静翼とライナで空気流路を形成しつつ、ライナ間の隙間や段差により生じる圧力損失を抑えることのできる静翼構造及びこれを用いたターボファンエンジンを提供することにある。

上記した目的を達成するために、第１の発明に係る静翼構造では、ターボファンエンジンのファンケースと、前記ターボファンエンジンのエンジン本体部と、前記ファンケースと前記エンジン本体部とを連結する複数の静翼と、隣接する前記静翼の端部間にて流路面を形成する複数のライナと、を備え、隣接する前記ライナ同士は前記静翼を挟んで突き合わされており、前記静翼の前縁側に形成される前記ライナ間の分割線が流線方向に沿っている。

第２の発明に係る静翼構造では、第１の発明において、前記ライナ間の分割線は前記静翼の前縁から腹側にオフセットした位置から当該ライナの前辺に延びている。

第３の発明に係る静翼構造では、第２の発明において、前記ライナ間の分割線における前記静翼の前縁から腹側へのオフセット量は、前記静翼の翼弦長に対して１．０％以上１０．０％以下とする。

第４の発明に係るターボファンエンジンでは、ターボファンエンジンを構成する静翼構造として第１から第３のいずれかの発明に係る静翼構造が用いられている

上記手段を用いる本発明に係る静翼構造及びこれを用いたターボファンエンジンでは、複合材料からなる静翼とライナで空気流路を形成しつつ、ライナ間の隙間や段差により生じる圧力損失を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る静翼構造を採用したターボファンエンジンの前側上部における部分断面図である。 ファン出口案内翼の全体斜視図である。 （ａ）図２のファン出口案内翼の翼基端部を拡大した斜視図及び（ｂ）ファン出口案内翼の翼先端部を拡大した斜視図である。 （ａ）ファン出口案内翼の翼先端部の分解図、（ｂ）図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る静翼構造の一実施形態を示しており、この実施形態では、ターボファンエンジンを構成する静翼としてのファン出口案内翼を例に挙げて説明する。

図１に示すように、ターボファンエンジン１（以下単にエンジン１という）において、エンジン本体部２におけるエンジン内筒３の軸心側に環状のコア流路４が形成され、エンジン本体部２の外側部分であるファンケース５の内周面及びエンジン内筒３の外周面の間にバイパス流路６（空気流路）が形成されている。

このエンジン１の空気流上流側（図中左側）である前部には、ファンディスク７が軸受８を介して図示しないエンジン軸心周りに回転可能に設置されている。このファンディスク７は、エンジン１の空気流下流側（図中右側）である後部に配置される図示しない低圧タービンにおけるタービンロータに一体的に連結されている。

また、このファンディスク７の外周面には、複数の動翼１０が嵌合溝７ａを介して周方向に等間隔で配置されており、動翼１０と嵌合溝７ａとの間における前後には、スペーサ１１、１１が配置されている。ファンディスク７の前部及び後部には、動翼１０を支える環状のリテーナ１２、１３が周方向に一体的にそれぞれ設置され、前部のリテーナ１２はノーズコーン１４に一体的に連結され、後部のリテーナ１３はファンディスク７の下流側に隣接する低圧圧縮機１５におけるロータ１６に同軸で且つ一体的に連結されている。

つまり、エンジン１の運転時には、複数の動翼１０をファンディスク７とともに回転させることで、コア流路４及びバイパス流路６に空気を導入することができるようになっている。

このエンジン１は、バイパス流路６内に複数のファン出口案内翼２０を備えている。複数のファン出口案内翼２０は、エンジン内筒３の周囲に配置されており、バイパス流路６を流れる旋回空気流を整流するようになっている。このファン出口案内翼２０は、チタン合金やアルミニュウム合金等の金属材料または熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂と炭素繊維あるいはガラス繊維等を組み合わせた複合材料が用いられるが、本図においては静翼に複合材料を用いた場合を示している。

このファン出口案内翼２０の軸心側（内側）である翼基端部２１は連結サポート体３０を介して、エンジン内筒３に配置されたファンフレーム３１の取付フランジ３１ａ、３１ａに連結され、ファン出口案内翼２０の軸心から離れた側（外側）である翼先端部２２は、連結サポート体３２を介して、ファンケース５に配置された取付フランジ５ａ、５ａに連結されている。

また、ファン出口案内翼２０の前縁部分の表面には、静翼が物の衝突等による摩耗を防止するためのエロージョン防止用金属であるシース２３が設けられている。シース２３は例えばチタン合金の板材であり、ファン出口案内翼２０の前縁端を覆うように接着されている。

ここで、図２にはファン出口案内翼２０の全体斜視図が示されており、図３には（ａ）ファン出口案内翼２０の翼基端部２１を拡大した斜視図及び（ｂ）ファン出口案内翼２０の翼先端部２２を拡大した斜視図、がそれぞれ示されており、以下これらの図に基づきファン出口案内翼２０のライナ構造について詳しく説明する。

図２では１つのファン出口案内翼２０を代表に示しているが、エンジン１に複数設けられているそれぞれのファン出口案内翼２０は、翼基端部２１にはファン出口案内翼２０間に周方向に延びるインナライナ４０が設けられ、翼先端部２２においては隣り合うファン出口案内翼２０間において周方向に延びるアウタライナ５０が設けられている。各インナライナ４０はエンジン内筒３の一部をなし、各アウタライナ５０はファンケース５の一部をなしている。つまり、当該インナライナ４０及びアウタライナ５０はバイパス流路６の流路面の一部を形成している。

詳しくは、図３（ａ）に示すように、ファン出口案内翼２０の翼基端部２１は、一対のインナライナ４０、４０が突き合わされてファン出口案内翼２０を翼厚方向から挟み込んでいる。１つのインナライナ４０は、空気流上流側の前辺４１と、下流側の後辺４２と、ファン出口案内翼２０の腹側と接する腹側辺４３と、背側と接する背側辺４４との四辺を有した略矩形状をなしている。腹側辺４３及び背側辺４４はそれぞれ、ファン出口案内翼２０と当接する当接部４３ａ、４４ａと、ファン出口案内翼２０より前縁側に位置する前縁部４３ｂ、４４ｂと、後縁側に位置する後縁部４３ｃ、４４ｃとからなる。

背側辺４４の当接部４４ａにおいては、ファン出口案内翼２０の背側の表面形状に合わせて湾曲し、前縁側がファン出口案内翼２０の前縁を囲んで僅かに腹側にまで回り込んだ形状をなしている。他方の腹側辺４３の当接部４３ａにおいては、背側辺４４の当接部４４ａが一部回り込んでいる分を除いて、ファン出口案内翼２０の腹側の表面形状に合わせて湾曲している。

そして、ファン出口案内翼２０を挟んで一対のインナライナ４０、４０を突き合わせた状態では、腹側辺４３及び背側辺４４の両前縁部４３ｂ、４４ｂが突き合わされて前縁分割線４５を形成し、両後縁部４３ｃ、４４ｃが突き合わされて後縁分割線４６を形成する。前縁分割線４５はファン出口案内翼２０の前縁から腹側にオフセットされた位置から、ファン出口案内翼２０の翼弦線を前縁側に延長した線と平行をなすように、即ち流線方向に沿って、前辺４１まで延びている。この前縁分割線４５におけるファン出口案内翼２０の前縁から腹側へのオフセット量は、前縁分割線４５とファン出口案内翼２０の翼面の交点が翼弦長の１．０％以上１０．０％以下が好ましい。後縁分割線４６は、ファン出口案内翼２０の後縁からファン出口案内翼２０の翼弦線を後縁側に延長した線に沿って、即ち流線方向に沿って、後辺４２まで延びている。

またファン出口案内翼２０の翼先端部２２においては、図３（ｂ）に示されており、当該図３（ｂ）には連結サポート体３２等も示されている。ファン出口案内翼２０の翼先端部２２は翼厚方向両側から連結サポート体３２の一部である一対の対向壁３２ａ、３２ｂにより挟持されている。当該対向壁３２ａ、３２ｂは複数個所（図３（ｂ）では４箇所）においてボルト及びナットにより翼先端部２２に連結されている。この対向壁３２ａ、３２ｂを含む連結サポート体３２は、アルミ合金やチタン合金等の金属から成り、ファンケース５と取付フランジ５ａ、５ａを介して連結されている。なお、ファン出口案内翼の翼基端部２１において図３（ａ）では連結サポート体３０等が示されていないが、翼先端部２２も翼基端部２１と同様に連結サポート体３０の対向壁により挟持されている。

また、図３（ｂ）に示すように、ファン出口案内翼２０の翼先端部２２は、対向壁３０ａ、３０ｂより内側にて、一対のアウタライナ５０、５０が突き合わされてファン出口案内翼２０を翼厚方向から挟み込んでいる。アウタライナ５０もインナライナ４０と同様に、前辺５１、後辺５２、腹側辺５３、背側辺５４からなる略矩形状をなしており、腹側辺５３及び背側辺５４はそれぞれ当接部５３ａ、５４ａ、前縁部５３ｂ、５４ｂ、及び後縁部５３ｃ、５４ｃとからなる。

アウタライナ５０の背側辺５４の当接部５４ａも、ファン出口案内翼２０の背側の表面形状に合わせて湾曲し、前縁側がファン出口案内翼２０の前縁を囲んで僅かに腹側に回り込んだ形状をなしている。他方の腹側辺５３の当接部５３ａにおいては、背側辺５４の当接部５４ａが一部回り込んでいる分を除いて、ファン出口案内翼２０の腹側の表面形状に合わせて湾曲している。

また、ファン出口案内翼２０を挟んで一対のアウタライナ５０、５０を突き合わせた状態では、腹側辺５３及び背側辺５４の両前縁部５３ｂ、５４ｂが突き合わされて前縁分割線５５を形成し、腹側辺５３及び背側辺５４の両後縁部５３ｃ、５４ｃが突き合わされて後縁分割線５６を形成する。前縁分割線５５はファン出口案内翼２０の前縁から腹側にオフセットされた位置から、ファン出口案内翼２０の翼弦線を前縁側に延長した線と平行をなすように、即ち流線方向に沿って、前辺５１まで延びている。後縁分割線５６は、ファン出口案内翼２０の後縁からファン出口案内翼２０の翼弦線を後縁側に延長した線に沿って、即ち流線方向に沿って、後辺５２まで延びている。

さらに、ここで図４を参照すると、図４には（ａ）ファン出口案内翼の翼先端部の分解図、（ｂ）図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図が示されている。

図４（ａ）の分解図に詳しく示されるように、アウタライナ５０の腹側辺５３及び背側辺５４の当接部５３ａ、５４ａの縁部分にはそれぞれラバーフィレット５７ａ、５７ｂが、腹側辺５３及び背側辺５４の当接部５３ａ、５４ａの周縁部分には、チューブシール５８ａ、５８ｂが取り付けられている。

ラバーフィレット５７ａ、５７ｂ及びチューブシール５８ａ、５８ｂはそれぞれゴム等の弾性部材からなり、例えば接着剤等によりアウタライナ５０に取り付けられている。そして、図４（ｂ）に示すように、ラバーフィレット５７ａ、５７ｂはファン出口案内翼２０との間の隙間を埋めるように、ファン出口案内翼２０側に延びている。また、チューブシール５８ａ、５８ｂは、連結サポート体３２の対向壁３２ａ、３２ｂとの間の隙間を埋めるように、アウタライナの外側面に設けられている。なお、図示しないがインナライナ４０にも、アウタライナ５０と同様に、ラバーフィレット及びチューブシールが設けられている。

このように、バイパス流路６を形成するインナライナ４０及びアウタライナ５０において、前縁分割線４５、５５はファン出口案内翼２０の翼弦線と平行をなし流線に沿っていることから、バイパス流路６内を流れる空気が当該前縁分割線４５、５５を横切ることなく通過することとなる。また後縁分割線４６、５６においてもファン出口案内翼２０の翼弦線に沿い流線に沿っていることから、バイパス流路６内を流れる空気が当該後縁分割線４６、５６を横切ることなく通過することとなる。従って、前縁分割線４５、５５及び後縁分割線４６、５６により隙間や段差が生じていても、渦の発生を抑えることができ、圧力損失を低減することができる。

特に、前縁分割線４５、５５については、ファン出口案内翼２０の前縁から腹側にオフセットしており、インナライナ４０及びアウタライナ５０の背側辺４４、５４の当接部４４ａ、５４ａがファン出口案内翼２０の前縁を囲んでいることから、空力面の影響が大きいファン出口案内翼２０の前縁に分割線を存在させず、圧力損失等の影響を最小限に抑えることができている。

さらに、インナライナ４０及びアウタライナ５０は、ファン出口案内翼２０とはラバーフィレット５７ａ、５７ｂを介し、連結サポート体３０、３２の対向壁３２ａ、３２ｂとはチューブシール５８ａ、５８ｂを介して、それぞれ取り付けられることから、隙間から空気が抜けないようにすることができ、より確実に圧力損失を低減することができる。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。

例えば上記実施形態のファン出口案内翼２０は、ターボファンエンジン１のバイパス流路に設けられるものであるが、ターボファンエンジンにおいて他の位置に設けられる静翼にも適用することができる。

１ ターボファンエンジン
２ エンジン本体部
３ エンジン内筒
５ ファンケース
５ａ 取付フランジ
６ バイパス流路
１０ 動翼
２０ ファン出口案内翼（静翼）
２１ 翼基端部
２２ 翼先端部
２３ シース
３０、３２ 連結サポート体
４０ インナライナ
４１、５１ 前辺
４２、５２ 後辺
４３、５３ 腹側辺
４３ａ、４４ａ、５４ａ、５５ａ 当接部
４３ｂ、４４ｂ、５４ｂ、５５ｂ 前縁部
４３ｃ、４４ｃ、５４ｃ、５５ｃ 後縁部
４４、５４ 背側辺
４５、５５ 前縁分割線
４６、５６ 後縁分割線
５０ アウタライナ
５７ａ、５７ｂ ラバーフィレット
５８ａ、５８ｂ チューブシール

Claims (4)

1. ターボファンエンジンのファンケースと、
   前記ターボファンエンジンのエンジン本体部と、
   前記ファンケースと前記エンジン本体部とを連結する複数の静翼と、
   隣接する前記静翼の端部間にて流路面を形成する複数のライナと、を備え、
   隣接する前記ライナ同士は前記静翼を挟んで突き合わされており、前記静翼の前縁側に形成される前記ライナ間の分割線が流線方向に沿っている静翼構造。
2. 前記ライナ間の分割線は前記静翼の前縁から腹側にオフセットした位置から当該ライナの前辺に延びている請求項１記載の静翼構造。
3. 前記ライナ間の分割線における前記静翼の前縁から腹側へのオフセット量は、前記静翼の翼弦長に対して１．０％以上１０．０％以下とする請求項２記載の静翼構造。
4. ターボファンエンジンを構成する静翼構造として請求項１から３のいずれか一項に記載の静翼構造が用いられているターボファンエンジン。

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