JP2017115857A - ターボファンエンジンで使用するファンケース及びターボファンエンジンを組み立てる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボファンエンジンの発生する騒音の音響散逸が改善されたファンケースを提供する。
【解決手段】ターボファンエンジンのファンケース１００は、実質的に円筒断面形状を有する後方部分１０２と、該後方部分から延びる前方部分１０４と、を含む。前方部分の断面形状は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて、半径方向サイズが漸次的に減少する。前方部分が、第１の弓状部分１０６及び第２の弓状部分１０８を含み、前記第１の弓状部分が、前記第２の弓状部分よりもより大きな距離で前記後方部分から延びて、前記ターボファンエンジンの吸気口において前記ファンケースの中心線３６に対して約１０度未満の垂下角が定められるようにすることができる。
【選択図】図２

Description

本開示の技術分野は、全体的にターボファンエンジンに関し、より詳細には、ターボファンエンジンで使用する細長いファンケースに関する。

ターボファンエンジンのような少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、ファン、コアエンジン、及び出力タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係で共に結合された、少なくとも１つの圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、を含む。より具体的には、圧縮機及び高圧タービンは、第１の駆動シャフトを通じて結合されて高圧ロータ組立体を形成する。コアエンジンに流入する空気は、燃料と混合されて点火され、高エネルギーガスストリームを形成する。高エネルギーガスストリームは、高圧タービンを通過して高圧タービンを回転駆動し、その結果、シャフトが圧縮機を回転駆動するようになる。ガスストリームは、高圧タービンの後方に位置付けられた出力タービン又は低圧タービンを通過するときに膨張する。低圧タービンは、第２の駆動シャフトに結合されたファンを有するロータ組立体を含む。低圧タービンは、第２の駆動シャフトを介してファンを回転駆動する。

多くの最新の商用ターボファンエンジンは、ターボファンエンジンの中心線に対して角度が付けられた垂下入口（ｄｒｏｏｐｅｄ ｉｎｌｅｔ）を有する。例えば、垂下入口は、航空機が巡航状態で移動しているときに、ターボファンエンジンが取り付けられた航空機のウィングの前方で空気流吹き上げ角と一致するように組み込まれる。垂下入口の角度は通常、ターボファンエンジンのナセルハウジングの内側流れ面に曲線輪郭を付けることによって得られる。更に、垂下入口は通常、リップスキン、音響ライニングが組み込まれた内側及び外側ボンドメント又はバレル、並びに前方及び後方隔壁などの一連の構成要素から形成される。しかしながら、音響ライニングを受けるための垂下入口内のスペースは、重量軽減の強化及び抗力低減のためナセルハウジングが短縮化されているので、次第に制限されている。

米国特許第８，９２６，２７７号明細書

１つの態様において、ターボファンエンジンで使用するファンケースが提供される。ファンケースは、実質的に円筒形であり、ターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、後方部分から延びる前方部分と、を含む。前方部分の断面形状は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて、半径方向サイズが漸次的に減少する。

別の態様において、ターボファンエンジンが提供される。ターボファンエンジンは、ナセルハウジングと、ナセルハウジングに結合されたファンケースと、を含む。ファンケースは、実質的に円筒形であり、ターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、後方部分から延びる前方部分と、を含む。前方部分の断面形状は、前方部分が後方部分から延びるにつれて半径方向サイズが漸次的に減少する。

更に別の態様において、ターボファンエンジンを組み付ける方法が提供される。本方法は、実質的に円筒形であり、ターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、後方部分から延びる前方部分と、を含むファンケースを設けるステップを含む。前方部分の断面形状は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて、半径方向サイズが漸次的に減少する。本方法はまた、ファンケースの前方部分をナセルハウジングに結合するステップを含む。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

例示的なターボファンエンジンの概略図。 図１に示すターボファンエンジンで用いることができる例示的なファンケースの斜視図。 図２に示すファンケースの例示的な部分の側断面図。

別途指示されていない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムに適用可能であると考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要とされる当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではない。

以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。

単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。

「任意」又は「場合により」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。

本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の事例において、近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することができる。ここで及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は、前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別されここに包含される部分範囲全てを含む。

本明細書で使用される用語「軸方向」及び「軸方向に」とは、タービンエンジンの中心線に実質的に平行に延びる方向及び向きを意味する。更に、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、タービンエンジンの中心線に実質的に垂直に延びる方向及び向きを意味する。加えて、本明細書で使用される用語「円周方向」及び「円周方向に」とは、タービンエンジンの長手方向軸線の周りで弓状に延びる方向及び向きを意味する。

本開示の実施形態は、ターボファンなどのタービンエンジン及びその製造方法に関する。より具体的には、本明細書で記載されるターボファンエンジンは、ターボファンエンジンの垂下入口を定める半径方向内側面を有する前方部分を含む細長いファンケースを備える。ファンケースの内側面でターボファンエンジンの垂下入口を定めることにより、垂下入口が定められた時点でファンケースに結合されたナセルハウジングから構成要素を排除することが可能となる。従って、ファンケース入口は、より簡素化されより対称的になる。従って、ナセルハウジングの長さが短縮されることにより、音響処理の量を少なくしたより小さな内側バレルを用いることが可能となると共に、ターボファンエンジンの全体重量を低減することができる。更に、ターボファンエンジンの軸方向中心線に沿ってファンケースを細長にすることにより、音響ライニングの連続したシートをそこに位置付けることができ、これによりターボファンエンジンによって発生する騒音の音響散逸が改善される。

図１は、ファン組立体１２、低圧又はブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６及び燃焼器組立体１８を含む、例示的なターボファンエンジン１０の概略図である。ファン組立体１２、ブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６及び燃焼器組立体１８は、流れ連通して結合される。ターボファンエンジン１０はまた、燃焼器組立体１８及び低圧タービン２２と流れ連通して結合された高圧タービン２０を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４のアレイを含む。低圧タービン２２は、第１の駆動シャフト２８を介してファン組立体１２及びブースター圧縮機１４に結合され、高圧タービン２０は、第２の駆動シャフト３０を介して高圧圧縮機１６に結合される。ターボファンエンジン１０は、吸気口３２及び排気口３４を有する。ターボファンエンジン１０は更に、ファン組立体１２、ブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６及びタービン組立体２０，２２がその周りに回転する中心線３６を含む。

作動時には、吸気口３２を通ってターボファンエンジン１０に流入する空気は、ファン組立体１２を通ってブースター圧縮機１４に向けて送られる。圧縮された空気がブースター圧縮機１４から高圧圧縮機１６に向けて排出される。高度に圧縮された空気は、高圧圧縮機１６から燃焼器組立体１８に向けて送られて、燃料と混合され、該混合気が燃焼器組立体１８内で燃焼する。燃焼器組立体１８によって生成された高温の燃焼ガスは、タービン組立体２０，２２に向けて送られる。その後、燃焼ガスは、排気口３４を介してターボファンエンジン１０から排出される。

図２は、ターボファンエンジン１０（図１に示す）で用いることができる例示的なファンケース１００の斜視図である。例示的な実施形態において、ファンケース１００は、後方部分１０２と、該後方部分１０２から延びた前方部分１０４と、を含む。後方部分１０２は、実質的に円筒形でターボファンエンジン１０の中心線３６の周りに軸対称であり（各々図１に示す）、前方部分１０４の断面形状は、前方部分１０４が後方部分１０２から延びるにつれて漸次的に減少している。より具体的には、前方部分１０４は、以下でより詳細に説明するように、ターボファンエンジン１０の垂下入口を定めるような形状にされる。

例示的な実施形態において、前方部分１０４は、第１の弓状部分１０６及び第２の弓状部分１０８を含む。第１の弓状部分１０６は、中心線３６に沿って軸方向にターボファンエンジン１０を見たときに、前方部分１０４の約２７０度のマーク〜９０度のマークの間に延びる前方部分１０４の円周方向セクションを定める。同様に、第２の弓状部分１０８は、中心線３６に沿って軸方向にターボファンエンジン１０を見たときに、前方部分１０４の約９０度のマーク〜２７０度のマークの間に延びる前方部分１０４の円周方向セクションを定める。従って、第１の弓状部分１０６は、前方部分１０４のほぼ上側部分として定められ、第２の弓状部分１０８は、前方部分１０４のほぼ下側部分として定められる。第１の弓状部分１０６の少なくとも一部は、第２の弓状部分１０８よりも大きな距離を後方部分１０２から延びており、ターボファンエンジン１０の吸気口３２において垂下角θが定められるようになる。

図３は、ファンケース１００の例示的な部分の側断面図である。例示的な実施形態において、上述のように、前方部分１０４は、後方部分１０２から延びるにつれて、半径方向のサイズが漸次的に減少する。より具体的には、ファンケース１００の内部から見たときに、前方部分１０４は、後方部分１０２から延びるにつれて、凹形状から凸形状に漸次的に移行するなだらかな曲線輪郭を有する。例えば、前方部分１０４は、後方部分１０２から延びる凹部１１０と、凹部１１０から前方部分１０４の前縁１１４に向かって延びる凸部１１２とを含む。従って、ファンブレード２４に向けて送られる空気流のファンケース１００の流れ面１１６における流れ剥離が低減される。

ファンケース１００はまた、半径方向内側壁１２０と半径方向外側壁１２２との間に定められる内部キャビティ１１８を含む。例示的な実施形態において、中心線３６（図１に示す）に対して細長く延びたファンケース１００により、音響ライニングのシート１２４が後方部分１０２と前方部分１０４との間に連続的に延びることが可能となる。例示的な音響ライニング材料は、限定ではないが、複合材料から形成されたハニカム構造体を含む。音響ライニングのシート１２４が後方部分１０２と前方部分１０４との間に連続的に延びることにより、音響ライニングの面取りシートによって達成可能な音響散逸と比較して、ターボファンエンジン１０によって発生する騒音の音響散逸が改善される。

一部の実施形態において、音響ライニングのシート１２４は、個々のファンブレード２４のターボファンエンジン１０からの取り外しを容易にするため、内部キャビティ１１８から選択的に取り外し可能である。これまで、垂下入口を組み込んだ入口構造は、個々のファンブレードの取り外しを可能にするため、ターボファンエンジンから選択的に取り外し可能であった。前方部分１０４の半径方向サイズが漸次的に減少していることで、吸気口３２に向けたファンブレード２４の軸方向移動を制限することができる。従って、音響ライニングのシート１２４は、内部キャビティ１１８から選択的に取り外し可能とされ、ファンケース１００の半径方向高さを低減し、ファンブレードを吸気口３２に向けて軸方向に並進させることが可能となる。

更に、例示的な実施形態において、ターボファンエンジン１０は、ナセルハウジング１２を含み、ファンケース１００は、該ナセルハウジング１２６に結合される。ナセルハウジング１２６は、そこに位置付けられる前方隔壁１２８を含む。ナセルハウジング１２６から１又はそれ以上の構成要素を除外することにより、ファンケース１００の前方部分１０４は、後方部分１０２から前方隔壁１２８に向かって延びることができる。例えば、１つの実施形態において、前方部分１０４の前縁１１４は、前方隔壁１２８に結合される。更に、ファンケース１００の前方部分１０４は、ファン組立体１２の上流側に位置付けられる。

ナセルハウジング１２６はまた、前方部分１０４の前縁１１４に位置付けられた第２の取付フランジ１３２に結合するための第１の取付フランジ１３０を含む。より具体的には、第１の取付フランジ１３０は、第２の取付フランジ１３２に結合するためナセルハウジング１２６の半径方向内側壁１２０から半径方向外向きに延びる。或いは、第１の取付フランジ１３０は、第２の取付フランジ１３２に結合するため前方隔壁１２８から延びる。第１の取付フランジ１３０を第２の取付フランジ１３２に結合することにより、ファスナー１３４を貫通して延ばすことができ、これによりファンケース１００をナセルハウジング１２６に固定する。更に、１つの実施形態において、第１及び第２の取付フランジ１３０，１３２は、中心線３６に対して斜めに延びて、垂下角θと整列するようになる。

本明細書で記載される方法、システム及び装置の例示的な技術的効果には、（ａ）ターボファンエンジンの長さと直径の比を低減すること、（ｂ）ターボファンエンジンの全体重量を低減すること、及び（ｃ）ターボファンエンジン内に位置付けられる音響ライニングの音響散逸能力を改善すること、のうちの少なくとも１つが挙げられる。

上記では、ターボファンエンジンで使用するファンケースの例示的な実施形態を詳細に説明した。ファンケースは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップから独立して別個に利用することができる。例えば、ファンケースはまた、ナセルハウジングの長さを低減することにより恩恵を受けることになる他のシステムと組み合わせて用いることができ、本明細書で記載されるシステム及び方法のみで実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの航空宇宙応用と関連して実施及び利用することができる。

本発明の種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ターボファンエンジンで使用するファンケースであって、
実質的に円筒形であり、ターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、
後方部分から延びる前方部分と、
を備え、前方部分の断面形状は、前方部分が後方部分から延びるにつれて半径方向サイズが漸次的に減少する、ファンケース。
［実施態様２］
前方部分が、第１の弓状部分及び第２の弓状部分を含み、第１の弓状部分が、第２の弓状部分よりもより大きな距離で後方部分から延びて、ターボファンエンジンの吸気口において垂下角が定められるようになる、実施態様１に記載のファンケース。
［実施態様３］
上記垂下角が、ファンケースの中心線に対して約１０度未満である、実施態様２に記載のファンケース。
［実施態様４］
前方部分の前縁に位置付けられた取付フランジを更に備える、実施態様１に記載のファンケース。
［実施態様５］
後方部分と前方部分との間に連続的に延びる音響ライニングのシートを更に備える、実施態様１に記載のファンケース。
［実施態様６］
ファンケースの内部から見たときに、上記前方部分は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて凹形状から凸形状に漸次的に移行するなだらかな曲線輪郭を有する、実施態様１に記載のファンケース。
［実施態様７］
ターボファンエンジンであって、
ナセルハウジングと、
ナセルハウジングに結合されたファンケースと、
を備え、
ファンケースが、
実質的に円筒形であり、ターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、
後方部分から延びる前方部分と、
を含み、前方部分の断面形状は、前方部分が後方部分から延びるにつれて半径方向サイズが漸次的に減少する、ターボファンエンジン。
［実施態様８］
ナセルハウジング内に位置付けられた前方隔壁を更に備え、ファンケースの前方部分が、後方部分から前方隔壁に向けて延びる、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様９］
上記前方部分の前縁が、上記前方隔壁に結合される、実施態様８に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１０］
上記ナセルハウジングが、上記前方部分の前縁に位置付けられた第２の取付フランジに結合するための第１の取付フランジを含む、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１１］
上記ナセルハウジング内に位置付けられたファン組立体を更に備え、上記ファンケースの前方部分が、ファン組立体から上流側に位置付けられる、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１２］
上記前方部分が、第１の弓状部分及び第２の弓状部分を含み、第１の弓状部分が、第２の弓状部分よりもより大きな距離で後方部分から延びて、ターボファンエンジンの吸気口において垂下角が定められるようになる、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１３］
上記垂下角が、ファンケースの中心線に対して約１０度未満である、実施態様１２に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１４］
後方部分と前方部分との間に連続的に延びる音響ライニングのシートを更に備える、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１５］
ファンケースの内部から見たときに、上記前方部分は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて凹形状から凸形状に漸次的に移行するなだらかな曲線輪郭を有する、実施態様７に記載のターボファンエンジン。
［実施態様１６］
ターボファンエンジンを組み付ける方法であって、
実質的に円筒形であり且つターボファンエンジンの中心線の周りに軸対称である後方部分と、該後方部分から延びる前方部分と、を含むファンケースを設けるステップを含み、上記前方部分の断面形状は、該前方部分が後方部分から延びるにつれて、半径方向サイズが漸次的に減少し、
上記方法が更に、
ファンケースの前方部分をナセルハウジングに結合するステップを含む、方法。
［実施態様１７］
上記前方部分を結合するステップが、上記ナセルハウジングの第１の取付フランジを上記前方部分の前縁に位置付けられた第２の取付フランジに結合するステップを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
上記前方部分を結合するステップが、上記ファンケースの前方部分を上記ナセルハウジング内に位置付けられた前方隔壁に向けて延ばすステップを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１９］
上記前方部分を延ばすステップが、上記ナセルハウジング内に位置付けられた前方隔壁に上記前方部分の前縁を結合するステップを含む、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
上記ファンケース内に音響ライニングのシートを位置付けるステップを更に含み、該音響ライニングのシートが、後方部分と前方部分との間に連続的に延びる、実施態様１６に記載の方法。

１０ ターボファンエンジン
１２ ファン組立体
１４ ブースター圧縮機
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器組立体
２０ 高圧タービン
２２ 低圧タービン
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２８ 第１の駆動シャフト
３０ 第２の駆動シャフト
３２ 吸気口
３４ 排気口
３６ 中心線
１００ ファンケース
１０２ 後方部分
１０４ 前方部分
１０６ 第１の弓状部分
１０８ 第２の弓状部分
１１０ 凹部
１１２ 凸部
１１４ 前縁
１１６ 流れ面
１１８ 内部キャビティ
１２０ 半径方向内側壁
１２２ 半径方向外側壁
１２４ 音響ライニングのシート
１２６ ナセルハウジング
１２８ 前方隔壁
１３０ 第１の取付フランジ
１３２ 第２の取付フランジ
１３４ ファスナー

Claims (10)

1. ターボファンエンジン（１０）で使用するファンケース（１００）であって、
   実質的に円筒形であり、前記ターボファンエンジン（１０）の中心線（３６）の周りに軸対称である後方部分（１０２）と、
   前記後方部分（１０２）から延びる前方部分（１０４）と、
   を備え、前記前方部分（１０４）の断面形状は、前記前方部分（１０４）が前記後方部分（１０２）から延びるにつれて半径方向サイズが漸次的に減少する、ファンケース（１００）。
2. 前記前方部分（１０４）が、第１の弓状部分（１０６）及び第２の弓状部分（１０８）を含み、前記第１の弓状部分（１０６）が、前記第２の弓状部分（１０８）よりもより大きな距離で前記後方部分（１０２）から延びて、前記ターボファンエンジン（１０）の吸気口（３２）において前記ファンケース（１００）の中心線（３６）に対して約１０度未満の垂下角が定められるようになる、請求項１に記載のファンケース（１００）。
3. 前記前方部分（１０４）の前縁（１１４）に位置付けられた取付フランジ（１３２）を更に備える、請求項１に記載のファンケース（１００）。
4. 前記後方部分（１０２）と前記前方部分（１０４）との間に連続的に延びる音響ライニング（１２４）のシートを更に備える、請求項１に記載のファンケース（１００）。
5. 前記ファンケース（１００）の内部から見たときに、前記前方部分（１０４）は、前記前方部分（１０４）が前記後方部分（１０２）から延びるにつれて凹形状から凸形状に漸次的に移行するなだらかな曲線輪郭を有する、請求項１に記載のファンケース（１００）。
6. ターボファンエンジン（１０）であって、
   ナセルハウジング（１２６）と、
   前記ナセルハウジング（１２６）に結合されたファンケース（１００）と、
   を備え、
   前記ファンケース（１００）が、
   実質的に円筒形であり、前記ターボファンエンジン（１０）の中心線（３６）の周りに軸対称である後方部分（１０２）と、
   前記後方部分（１０２）から延びる前方部分（１０４）と、
   を含み、前記前方部分（１０４）の断面形状は、前記前方部分（１０４）が前記後方部分（１０２）から延びるにつれて半径方向サイズが漸次的に減少する、ターボファンエンジン（１０）。
7. 前記ナセルハウジング（１２６）内に位置付けられた前方隔壁（１２８）を更に備え、前記ファンケース（１００）の前方部分（１０４）が、前記後方部分（１０２）から前記前方隔壁（１２８）に向けて延びる、請求項６に記載のターボファンエンジン（１０）。
8. 前記前方部分（１０４）の前縁（１１４）が、前記前方隔壁（１２８）に結合される、請求項７に記載のターボファンエンジン（１０）。
9. 前記ナセルハウジング（１２６）が、前記前方部分（１０４）の前縁（１１４）に位置付けられた第２の取付フランジ（１３２）に結合するための第１の取付フランジ（１３０）を含む、請求項６に記載のターボファンエンジン（１０）。
10. 前記ナセルハウジング（１２６）内に位置付けられたファン組立体（１２）を更に備え、前記ファンケース（１００）の前方部分（１０４）が、前記ファン組立体（１２）から上流側に位置付けられる、請求項６に記載のターボファンエンジン（１０）。