JP2017137827A - 航空部品及び航空用ガスタービンエンジン - Google Patents

航空部品及び航空用ガスタービンエンジン Download PDF

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Abstract

【課題】重量の増大を抑制しつつ、応力を低減して、製品寿命を長くすることができる航空部品等を提供する。【解決手段】航空用ガスタービンエンジンに用いられる航空部品において、外周面を有する円環部と、円環部の外周面から径方向に突出するボス部７と、を有し、ボス部７には、所定の間隔を空けて、開口部１０とボルト孔１１とが径方向に貫通形成され、開口部１０とボルト孔１１との周囲のボス部７には、ボス部７の一部が欠損するぬすみ部１５が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ボス部を有する円環状の航空部品及び航空用ガスタービンエンジンに関するものである。
従来、タンク本体の外壁から突出して、他の部品を組み付けるためのボス部を有する熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器において、ボス部には、ボス部の根元側からタンク本体の頂部近傍まで延びて、タンク本体及びボス部の根元側の肉厚を部分的に厚くする補強リブが一体成形されている。
特開２００２−２２８３８６号公報
特許文献１のボス部は、補強リブを設けて、ボス部の剛性を高めることにより、熱応力による変化を低減している。しかしながら、補強リブを設けてボス部の剛性を高めると、部品の重量が増大することから、例えば、部品として航空部品に適用する場合、機体重量が増大してしまう。
そこで、本発明は、重量の増大を抑制しつつ、応力を低減して、製品寿命を長くすることができる航空部品及び航空用ガスタービンエンジンを提供することを課題とする。
本発明の航空部品は、航空用ガスタービンエンジンに用いられる航空部品において、外周面を有する円環部と、前記円環部の外周面から径方向に突出するボス部と、を有し、前記ボス部には、所定の間隔を空けて、少なくとも２つの貫通孔が径方向に貫通形成され、２つの前記貫通孔の周囲の前記ボス部には、前記ボス部の一部が欠損する欠損部が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、２つの貫通孔の間に発生する応力を、欠損部を形成することで、分散させることができる。このため、応力集中が発生する部位において、欠損部により応力を分散させることができるため、応力集中が発生する部位の応力を低減することができ、製品寿命を長くすることができる。
また、前記欠損部は、前記ボス部の周縁から、２つの前記貫通孔の間に向かって形成されるぬすみ部であることが、好ましい。
この構成によれば、ぬすみ部を形成することで、２つの貫通孔の間に発生する応力を分散させることができる。
また、前記ぬすみ部は、前記外周面内において、半円形状に形成されることが、好ましい。
この構成によれば、簡易な加工により、ぬすみ部を形成することができ、また、ぬすみ部の形状を半円形状とすることで、応力を適切に分散することができ、応力をより低減することができる。
また、２つの前記貫通孔は、一方の前記貫通孔が開口部であり、他方の前記貫通孔が前記開口部よりも小さい開口面積となるボルト孔であり、前記ぬすみ部は、その半径が、前記ボルト孔の半径と同じ半径となっていることが、好ましい。
この構成によれば、ぬすみ部の半径をボルト孔の半径と同じ半径とすることで、応力を適切に分散することができ、応力をより低減することができる。
また、前記欠損部は、前記ボス部の外面から窪む窪み部であることが、好ましい。
この構成によれば、窪み部を設けることで、ボス部の熱容量を小さくすることができるため、ボス部の温度が上昇し易くなり、ボス部の内外における温度勾配を小さくすることができる。
また、前記欠損部が形成される前記ボス部の板厚は、前記円環部において最薄となる最薄部の板厚以上となっていることが、好ましい。
この構成によれば、欠損部を形成する場合であっても、ボス部の剛性を担保することができるため、欠損部によるボス部の剛性低下を抑制することができる。
また、前記欠損部は、前記ボス部の剛性が変化することによって発生する一次応力と、前記ボス部に与えられる熱によって発生する二次応力との総和が、最小となるように形成されることが、好ましい。
この構成によれば、一次応力と二次応力との総和が最小となる欠損部を形成することができるため、一次応力及び二次応力をバランスよく低減することができる。
本発明の航空用ガスタービンエンジンは、上記の航空部品を用いたことを特徴とする。
この構成によれば、応力を好適に低減した航空部品を用いることができるため、信頼性の高いものとすることができる。
図１は、実施形態１に係る航空部品を模式的に示す斜視図である。 図２は、実施形態１に係る航空部品のボス部を径方向から見たときの平面図である。 図３は、実施形態１に係る航空部品の応力分布に関する説明図である。 図４は、実施形態２に係る航空部品のボス部を径方向から見たときの平面図である。 図５は、実施形態２に係る航空部品の熱分布に関する説明図である。 図６は、実施形態３に係る航空部品の応力に関する説明図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
実施形態１に係る航空部品は、航空用ガスタービンエンジンに用いられるものであり、例えば、燃焼器のケーシングを構成する部品となっている。ここで、図１は、実施形態１に係る航空部品を模式的に示す斜視図である。図２は、実施形態１に係る航空部品のボス部を径方向から見たときの平面図である。図３は、実施形態１に係る航空部品の応力分布に関する説明図である。以下の説明では、航空部品１として、燃焼器のケーシングに適用する場合について説明するが、特に限定されず、いずれの航空部品１に適用してもよい。
航空部品１は、円環部５とボス部７とを有している。円環部５は、所定の方向を軸方向として、周方向に円環状に形成されており、その外周面にボス部７が形成されている。円環部５は、その内部側の温度が高くなり、その外部側の温度が内部側の温度に比して低くなる。
ボス部７は、円環部５の外周面から径方向の外側に突出して形成されている。ボス部７には、内外を径方向に貫通する円形の開口部１０が形成されており、この開口部１０には、図示しないダクトが接続される。また、開口部１０の周囲のボス部７には、ダクトを航空部品１に締結するためのボルト孔１１が径方向に複数貫通形成されている。具体的に、ボルト孔１１は、３つ設けられ、３つのボルト孔１１は、三角配置となっており、３つのボルト孔１１の中心に開口部１０が形成されている。ボス部７は、円環部５の板厚が最薄となる最薄部における厚さよりも厚く形成されている。また、ボス部７は、隣接する他のボス部７と連なって形成されている。
このボス部７において、開口部１０と所定のボルト孔１１との間には、円環部５の内外の温度差によって熱応力が発生する。このため、開口部１０と所定のボルト孔１１との周囲のボス部７には、ボス部７の一部を欠損させた欠損部としてのぬすみ部１５が形成されている。
ぬすみ部１５は、ボス部７の外郭となる周縁から、開口部１０と所定のボルト孔１１との間に向かって形成されている。このぬすみ部１５は、例えば、フライス加工によって、ボス部７の周縁から、開口部１０と所定のボルト孔１１との間に向かって切削することにより形成される。ぬすみ部１５は、開口部１０と所定のボルト孔１１とが対向する所定の方向（例えば、円環部５の軸方向）において、開口部１０と所定のボルト孔１１との間に形成されている。また、ぬすみ部１５は、所定の方向に直交する直交方向（例えば、円環部５の周方向）において、２つ設けられ、２つのぬすみ部１５は、開口部１０の中心とボルト孔１１の中心とを結ぶ結線を挟んで、左右対称に配置されている。
ここで、各ぬすみ部１５は、円環部５の径方向から見た外周面内において、所定の半径ｒ２となる半円形状に形成されている。このぬすみ部１５の半径ｒ２は、例えば、フライス加工によって使用される切削工具の半径と同じ半径となっている。また、ぬすみ部１５は、その半径ｒ２が、ボルト孔１１の半径ｒ１と同じ半径となっている。
このように形成されるぬすみ部１５において、ぬすみ部１５が形成されたボス部７の板厚は、ボス部７に隣接する円環部５の板厚と同じ厚さとなっている。つまり、円環部５の外周面と、ぬすみ部１５の底面とは、連続する面となっている。また、ぬすみ部１５が形成されたボス部７の板厚は、円環部５において最薄となる最薄部の板厚以上となっている。
このぬすみ部１５は、既に製造され運用されている既存の航空部品１に対して形成してもよいし、新たに製造する航空部品１に対して形成してもよく、特に限定されない。
次に、図３を参照して、実施形態１の航空部品１の応力分布と、従来の航空部品１の応力分布とについて比較する。図３に示すＳ１は、ぬすみ部１５を形成していない従来の航空部品１であり、図３に示すＳ２は、ぬすみ部１５を形成した実施形態１の航空部品１である。なお、図３に示す航空部品１の応力分布は、ＦＥＭ（Finite Element Method／有限要素法）解析によって得られた解析結果である。
図３のＳ１に示すように、熱応力が集中するボス部７の部位としては、開口部１０と所定のボルト孔１１との間の部位であり、熱応力σ１が発生している。一方で、図３のＳ２に示すように、開口部１０と所定のボルト孔１１との周囲に２つのぬすみ部１５を形成すると、熱応力が分散することで、開口部１０と所定のボルト孔１１との間の部位における熱応力σ２が低減する。このとき、実施形態１において発生する熱応力σ２は、従来の熱応力σ１に対して、約２６％低減することが確認された。
以上のように、実施形態１によれば、開口部１０とボルト孔１１との間に発生する応力（熱応力）を、ぬすみ部１５を形成することで、分散させることができる。このため、応力集中が発生する部位において、ぬすみ部１５により応力を分散させることができるため、応力集中が発生する部位の応力を低減することができ、航空部品１の製品寿命を長くすることができる。
また、実施形態１によれば、ぬすみ部１５を半円形状に形成することで、簡易なフライス加工により、ぬすみ部１５を形成することができる。また、ぬすみ部１５の形状を半円形状とすることで、応力を適切に分散することができ、応力をより低減することができる。
また、実施形態１によれば、ぬすみ部１５の半径ｒ２をボルト孔１１の半径ｒ１と同じ半径とすることで、応力を適切に分散することができ、応力をより低減することができる。
また、実施形態１によれば、ぬすみ部１５を形成する場合であっても、ボス部７の剛性を担保することができるため、ぬすみ部１５によるボス部７の剛性低下を抑制することができる。
また、実施形態１によれば、応力を好適に低減した航空部品１を用いることができるため、航空用ガスタービンエンジンの信頼性を高いものとすることができる。
［実施形態２］
次に、図４及び図５を参照して、実施形態２に係る航空部品２０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図４は、実施形態２に係る航空部品のボス部を径方向から見たときの平面図である。図５は、実施形態２に係る航空部品の熱分布に関する説明図である。
実施形態２の航空部品２０において、開口部１０と所定のボルト孔１１との周囲のボス部７には、ボス部７の一部を欠損させた欠損部として窪み部２１が形成されている。
窪み部２１は、ボス部７の外面から窪むように形成されている。この窪み部２１は、例えば、穿孔加工によって、ボス部７の外面から所定の深さＤだけ、穿孔することにより形成される有底の孔となっている。窪み部２１は、所定のボルト孔１１を中心に、所定のボルト孔１１の周囲に４つ形成されている。４つの窪み部２１のうち、２つの窪み部２１は、開口部１０と所定のボルト孔１１とが対向する所定の方向（例えば、円環部５の軸方向）において、開口部１０と所定のボルト孔１１との間に形成され、また、所定の方向に直交する直交方向（例えば、円環部５の周方向）において、開口部１０の中心とボルト孔１１の中心とを結ぶ結線を挟んで、左右対称に配置されている。４つの窪み部２１のうち、残りの２つの窪み部２１は、ボルト孔１１を挟んで開口部１０の反対側に形成されており、他の２つの窪み部２１と、所定の方向（円環部５の軸方向）において、同じ位置となっている。
また、窪み部２１は、円環部５の径方向から見た外周面内において、所定の直径となる円形状に形成されている。この窪み部２１の直径は、ボルト孔１１よりも小さな直径となっている。
また、このように形成される窪み部２１において、窪み部２１が形成されたボス部７の板厚は、円環部５において最薄となる最薄部の板厚以上となっている。
この窪み部２１は、既に製造され運用されている既存の航空部品２０に対して形成してもよいし、新たに製造する航空部品２０に対して形成してもよく、特に限定されない。
このような窪み部２１を形成すると、開口部１０と所定のボルト孔１１との周囲のボス部７における熱容量が小さくなる。このため、実施形態２のボス部７は、図５に示すような熱分布となる。
次に、図５を参照して、実施形態２の航空部品２０の熱分布と、従来の航空部品２０の熱分布とについて比較する。図５に示すＳ３は、窪み部２１を形成していない従来の航空部品２０であり、図５に示すＳ４は、窪み部２１を形成した実施形態２の航空部品２０である。
図５のＳ３に示すように、熱応力が集中するボス部７の部位としては、開口部１０と所定のボルト孔１１との間の部位であり、ボルト孔１１の周囲におけるボス部７は、内部側（図５の下側）の温度が高く、外部側（図５の上側）の温度が低く、所定の温度勾配となっている。一方で、図５のＳ４に示すように、開口部１０と所定のボルト孔１１との周囲に４つの窪み部２１を形成すると、ボス部７周りの熱容量が小さくなることから、従来に比して、ボス部７の温度が上昇し易いものとなる。このため、ボルト孔１１の周囲におけるボス部７は、従来に比して、温度勾配が低いものとなり、ボス部７の内外の温度差が小さいものとなる。
以上のように、実施形態２によれば、窪み部２１を設けることで、ボス部７の熱容量を小さくすることができるため、ボス部７の温度が上昇し易くなり、ボス部７の温度勾配を低くすることができる。このため、ボス部７の内外における温度差を小さくすることができ、開口部１０とボルト孔１１との間に発生する応力（熱応力）を低減することができるため、航空部品１の製品寿命を長くすることができる。
なお、実施形態１及び２では、開口部１０と所定のボルト孔１１とに適用して説明したが、ボス部７を貫通する２つの貫通孔であればよく、熱応力が発生する部位であれば、ぬすみ部１５または窪み部２１を設ける位置は、特に限定されない。
また、ぬすみ部１５及び窪み部２１の個数及び位置については、特に限定されず、熱応力を低減可能な個数及び位置であれば、いずれであってもよい。
［実施形態３］
次に、図６を参照して、実施形態３に係る航空部品１，２０について説明する。なお、実施形態３では、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、実施形態３に係る航空部品の応力に関する説明図である。
実施形態３の航空部品１，２０は、実施形態１及び２の航空部品１，２０に形成されるぬすみ部１５または窪み部２１を、一次応力と二次応力との総和が最小となるように形成したものとなっている。ここで、一次応力とは、ぬすみ部１５または窪み部２１が形成されたボス部７の剛性が変化することによって発生する応力であり、図６に示すＬ１となっている。つまり、ぬすみ部１５の半径ｒ２が大きくなったり、または、窪み部２１の深さＤが深くなったりするにつれて、ボス部７の剛性は低下することから、ボス部７に発生する一次応力Ｌ１は大きくなる。また、二次応力とは、ぬすみ部１５または窪み部２１が形成されたボス部７に与えられる熱によって発生する熱応力であり、図６に示すＬ２となっている。つまり、ぬすみ部１５の半径ｒ２が大きくなったり、または、窪み部２１の深さＤが深くなったりするにつれて、ボス部７における応力の分散が向上することから、ボス部７に発生する二次応力Ｌ２は小さくなる。そして、図６に示すＬ３は、一次応力Ｌ１と二次応力Ｌ２との総和となっている。そして、実施形態３では、総和Ｌ３が最小となるぬすみ部１５の半径ｒ２、または、総和Ｌ３が最小となる窪み部２１の深さＤとなるように、ぬすみ部１５または窪み部２１が形成される。
以上のように、実施形態３によれば、一次応力Ｌ１と二次応力Ｌ２との総和Ｌ３が最小となる欠損部としてのぬすみ部１５または窪み部２１を形成することができるため、一次応力Ｌ１及び二次応力Ｌ２をバランスよく低減することができる。
なお、実施形態３では、ぬすみ部１５の半径ｒ２、及び窪み部２１の深さＤをパラメータとする一次応力Ｌ１及び二次応力Ｌ２の変化について説明したが、一次応力Ｌ１及び二次応力Ｌ２を変化させるパラメータは、半径ｒ２及び深さＤに限定されない。例えば、一次応力Ｌ１及び二次応力Ｌ２を変化させるパラメータを、ぬすみ部１５のボス部７の外面からの深さとしてもよく、この場合、総和Ｌ３が最小となる深さに、ぬすみ部１５が形成される。同様に、一次応力Ｌ１及び二次応力Ｌ２を変化させるパラメータを、窪み部２１の直径としてもよく、この場合、総和Ｌ３が最小となる直径に、窪み部２１が形成される。
１ 航空部品
５ 円環部
７ ボス部
１０ 開口部
１１ ボルト孔
１５ ぬすみ部
２０ 航空部品（実施形態２）
２１ 窪み部

Claims (8)

  1. 航空用ガスタービンエンジンに用いられる航空部品において、
    外周面を有する円環部と、
    前記円環部の外周面から径方向に突出するボス部と、を有し、
    前記ボス部には、所定の間隔を空けて、少なくとも２つの貫通孔が径方向に貫通形成され、
    ２つの前記貫通孔の周囲の前記ボス部には、前記ボス部の一部が欠損する欠損部が形成されていることを特徴とする航空部品。
  2. 前記欠損部は、前記ボス部の周縁から、２つの前記貫通孔の間に向かって形成されるぬすみ部であることを特徴とする請求項１に記載の航空部品。
  3. 前記ぬすみ部は、前記外周面内において、半円形状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の航空部品。
  4. ２つの前記貫通孔は、一方の前記貫通孔が開口部であり、他方の前記貫通孔が前記開口部よりも小さい開口面積となるボルト孔であり、
    前記ぬすみ部は、その半径が、前記ボルト孔の半径と同じ半径となっていることを特徴とする請求項２または３に記載の航空部品。
  5. 前記欠損部は、前記ボス部の外面から窪む窪み部であることを特徴とする請求項２に記載の航空部品。
  6. 前記欠損部が形成される前記ボス部の板厚は、前記円環部において最薄となる最薄部の板厚以上となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の航空部品。
  7. 前記欠損部は、前記ボス部の剛性が変化することによって発生する一次応力と、前記ボス部に与えられる熱によって発生する二次応力との総和が、最小となるように形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の航空部品。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の航空部品を用いたことを特徴とする航空用ガスタービンエンジン。
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