JP2017503953A - ガスタービンエンジンのケーシング - Google Patents

Abstract

有機マトリックスによって高密度化されている、補強材を備える有機マトリックス複合材料で作られているガスタービンケーシング１００が、内部体積部を画定している。ガスタービンケーシングの内面１０１において、ケーシングは、ガスタービンケーシングの内面１０１に面する第１の面１２０ａと、流路１０２を画定する反対側の第２の面１２０ｂとを有する構造部品１２０を有する。ケーシングの内部体積部に通じている凹み１３０が、ケーシングの内面１０１と、ケーシングの内面に面する構造部品１２０の第１の面１２０ａとの間にある。火災の発生時において、この凹み１３０によって、ケーシングの樹脂の分解から発生する気体を流路内へ放出することができる。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明はガスタービンエンジンのケーシングに関し、さらに特に、しかし、非排他的に、航空機用エンジンのためのガスタービンファンケーシングに関する。

ガスタービン航空機用エンジンでは、ファンケーシングが幾つかの機能を果たす。ファンケーシングは、エンジンの中に空気を受け入れるための入口通路を画定し、ファンブレードの先端に面する摩耗性材料（ａｂｒａｄａｂｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を支持し、及び、この摩耗性材料自体は、一般的に、セル状構造物（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）によって支持される。

ファンケーシングのようなケーシングは従来的には金属材料で作られているが、ファンケーシングは、現在では、複合材料から、即ち、有機マトリックスで高密度化されたファイバプリフォームから作られており、したがって、より強固ではない場合でも少なくとも同等である機械的強度を依然として有しながら、金属で作られている場合の同じ部品の総重量よりもその総重量が軽い部品を作ることを可能にする。ファンケーシングを有機マトリックス複合材料で製造することが、特に欧州特許第１ ９６１ ９２３号明細書に説明されている。

ファンケーシングは、航空証明（ａｖｉａｔｉｏｎ ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の意味では、「発火危険区域（ｆｉｒｅ ｚｏｎｅ）」を画定する部品の１つである。これに関連して、ファンケーシングは、そのケーシングの外側に位置したナセル区画とそのケーシングの内側に画定されている流路との間の防火壁であると見なされなければならず、及び、関連した法的規制の要件を満たさなければならない。

しかし、火災試験中に、ファンケーシングの外側に、即ち、エンジンのナセル区画内に存在している火炎を消火することが、燃焼器を停止させた後でさえ、困難である可能性があるということが発見されている。

したがって、このケーシングの外側上での火災が確実に消火されることを可能にする解決策を提供することが望ましいだろう。

有機マトリックス複合材料で作られている試験品上において本事業者によって行われた火災試験が、樹脂が気体を放出しながら分解するということを示している。この気体は可燃性であり、及び、燃焼器が停止させられた後でさえ火炎を維持する結果をもたらす可能性がある。

航空機用エンジンのケーシングの場合に、摩耗性パネル及び／又は防音パネルのような構造部品が、接着剤によってケーシングの内面に固定されている。本事業者によって同様に行われた試験が、火災の発生時に、ケーシングの内面に接着されているこれらの部品が、通路の付近の樹脂の分解の結果として生じる気体の放出を妨害する効果を有し、したがって、結果的に、こうした気体が、主としてケーシングの外側に放出され、即ち、火災が存在しているナセル区画の中に放出される。この気体が可燃性なので、この気体を火炎の付近に放出することが、エンジンが停止させられて消火システムが起動させられ終わった後でさえ火炎が維持されることを生じさせる可能性がある。したがって、有機マトリックス複合材料で作られている部品が存在している時には、樹脂の分解から結果的に生じる気体を火炎区域から遠ざかる形で放出することを優先することが望ましい。

このために、本発明は、有機マトリックスで高密度化された補強材を備える有機マトリックス複合材料で作られているガスタービンケーシングを提供し、このケーシングは、このケーシングの内面に面する第１の面と流路の一部分を画定する反対側の第２の面とを有する構造部品をその内部体積部の内面上に有する内部体積部を画定し、及び、このケーシングは、このケーシングの内面に面する構造部品の面がケーシングの内部体積部の中に直接的又は間接的に開く溝を含むということと、これらの溝が少なくともケーシングの軸方向に延びるということとを特徴とする。

したがって、ケーシングの内部体積部の中に開く溝の存在の故に、ケーシングの外側上に火炎が存在する時にケーシングのマトリックスの分解の結果として生じる気体が、流路の中に放出されることが可能であり、これによってケーシングの外側における火災の消火を妨げることを防止する。

追加の溝がこれら軸方向の第１の溝に対して垂直な方向に延びてもよい。本発明のケーシングの一側面では、溝が少なくとも構造部品の片方の軸方向端部において開く。本発明のケーシングの別の側面では、この溝が構造部品の軸方向端部の前で止まり、及び、構造部品の第２の面の中に開く穿孔と連通する。

本発明のケーシングの別の実施態様では、構造部品はスペーサスタッド（ｓｐａｃｅｒ ｓｔｕｄ）の内面に接着され、これによって、ケーシングの内面と構造部品との間に凹み又は空間を有することを可能にし、及び、ケーシングのマトリックスの火災分解中に放たれる気体が流路内に放出されることを可能にする。

本発明のケーシングのさらに別の実施態様では、ケーシングの内面が、構造部品を越えて開く溝を含む。

本発明のケーシングの一側面では、構造部品が、ケーシングの内面に面するセル状構造物を備える。この状況では、構造部品とケーシングの内部空間との間の凹みの存在が、ケーシングのマトリックスの分解中に放出される気体が、流路の中に放出されるようにセル状構造物の中を通過することを可能にする。この構造部品は、さらに、セル状構造物によって支持されている摩耗性被覆層を含んでもよい。

さらに、これらの溝は、例えばマトリックスによって強化された繊維組織で作られている排出溝（ｇｕｔｔｅｒ）を含んでもよい。この排出溝は、セル状構造物がケーシングの壁に接触していない区域内において、セル状構造物を封止する役割を果たす。

本発明のケーシングのさらに別の実施態様では、構造部品は、ケーシングの内面に面するセル状構造物を備え、スキンが、ケーシングの内面に面するセル状構造物の面の反対側に位置する上記セル状構造物の面の付近でそのセル状構造物のセルを閉鎖し、セル状構造物のセルの壁が少なくとも１つの穿孔を含み、及び、このスキンは、さらに、ケーシングの内部体積部の中に開く穿孔を含む。

本発明は、さらに、本発明のファン保持ケーシングを有するガスタービン航空機エンジンと、１つ又は複数のこうしたエンジンを含む航空機とを提供する。

本発明の他の特徴と利点とが、非限定的な具体例として示されている本発明の特定の実施形態の以下の説明から、及び、添付図面を参照して、明らかになる。

従来技術の航空機エンジン用ファンケーシングの斜視図である。 従来技術の航空機エンジン用ファンケーシングの断面図である。 本発明の実施形態による構造部品の斜視図である。 図２Ａの構造部品が取り付けられている有機マトリックス複合材料ケーシングの断面図である。 本発明の実施形態による構造部品の斜視図である。 本発明の実施形態による構造部品の斜視図である。 図４Ａの構造部品が取り付けられている有機マトリックス複合材料ケーシングの断面図である。 本発明の実施形態による構造部品が取り付けられている有機マトリックス複合材料ケーシングの断面図である。 図５Ａの構造部品の斜視図である。 本発明の実施形態による構造物が取り付けられている有機マトリックス複合材料ケーシングの断面図である。

本発明は、少なくとも１つの構造部品をそのケーシングの内面上に有する、ガスタービンのためのあらゆる有機マトリックス複合材料ケーシングに対して、概ね該当する。

本発明を、ガスタービン航空機エンジンのファンケーシングに対する本発明の適用に関連付けて、以下で説明する。

図１Ａに非常に概略的に示されているこうしたエンジンは、気体流の流れ方向において上流から下流に、エンジンの入口に配置されているファン１と、圧縮機２と、燃焼室３と、高圧タービン４と、低圧タービン５とを備える。

このエンジンは、このエンジンの様々な要素に対応する複数の部分で構成されているケーシングの内側に収容されている。したがって、ファン１は、ファンケーシング１０によって取り囲まれている。

図１Ｂは、例えばカーボン、ガラス、アラミド、又は、セラミック繊維で作られている、有機マトリックス複合材料、即ち、繊維補強材で作られており、且つ、例えばエポキシ、ビスマレイミド、又は、ポリイミドのポリマーマトリックスで高密度化されている、ファンケーシング１０のプロファイルを示す。こうしたケーシングを製造することは、特に欧州特許第ＥＰ １ ９６１ ９２３号明細書に説明されている。

説明している本実施形態では、ケーシング１０の内面１１は構造部品２０を備えており、この構造部品２０は、セル状構造物２１と、スキン２２によってこのセル状構造物に固定されている摩耗性材料層２３とによって構成されており、及び、スキン２２は、例えば樹脂の層によって構成されており、及び、セル状構造物２１のセル２１０の底部部分を閉じる役割を果たし、セルの頂部部分は、セルが接触していないケーシングの内面１１によって閉じられている。構造部品２０は、ケーシング１０の内面１１に面する第１の面２０ａを備え、この具体例では、面２０ａはセル状構造物２１のセル２１０の高い部分に相当する。この構造部品は、この構造部品の面２０ａから反対側に位置し且つ流路１４の一部分を画定する形状である、第２の面２０ｂを有する。

ケーシングの外面１２の付近に火炎が存在している状態では、ケーシングの内面１１の付近のケーシングのマトリックスを構成する分解中に放出される気体（図１Ｂの矢印ＧＤ）は、その気体が中を通して放出されるべき流路１４に達するように部品２０を通過することが不可能である。したがって、この気体は、主として、ケーシング１０の外面１２の付近に、即ち、火炎の付近に放出され、この場合に、火災がその可燃性分解気体によって持続させられるという危険をもたらす。

図２Ａと図２Ｂとに示されている本発明の実施形態では、上述したケーシング１０に類似したケーシング１００が、そのケーシング１００の内面１０１に面するその第１の面１２０ａ内において溝又は回廊１３０を含むという点で上述した構造部分２０とは異なる構造部分１２０を、そのケーシング１００の内面１０１上に有し、及び、この溝又は回廊１３０は、セル状構造物１２１のセル１２１０の壁１２１１の中に形成されており、及び、溝１３０は、ケーシング１００の軸方向に対して平行な方向に延びる。面１２０ａの反対側に位置するこの第２の面１２０ｂは、スキン１２２を介してセル状構造物１２１に対して固定されている摩耗性材料層１２３によって構成されている。この第２の面１２０ｂは、流路１０２の一部分を画定する。溝１３０は、ケーシングの材料の有機マトリックスの分解中に放出される気体（図２Ｂの矢印ＧＤ）が、図２Ｂに示されているように、穿孔１４０を通して放出されるように部品１２０の下流部分に向かって流れることを可能にする。説明している本実施形態では、穿孔１４０は、部品１２０の下流端部において摩耗性材料層１２３の中に存在しており、及び、この穿孔１４０は、溝１３０の中を流れる気体が、ケーシング１００の内部体積部内に位置している流路１０２の中に放出されることを可能にする。

説明している本実施形態では、溝１３０は、例えばエポキシマトリックスのようなマトリックスで強化されている、例えば炭素繊維で作られている繊維組織で作られている排出溝１３１を備える。この排出溝１３１は、２つの排出溝フランジ又は側壁１３１ｂ、１３１ｃがそこから延びる排出溝のウェブ１３１ａを形成するように、マトリックスのための前駆物質樹脂で予め含浸され終わっており且つ溝の中で成形されている繊維組織を使用することによって作られてもよい。排出溝１３１は、セル状構造物がケーシングの壁と接触していない区域内においてセル状構造物を封止する役割を果たし、及び、したがって、セル状構造物のセルの中に湿気が侵入することを防止する。

図３に示されている別の実施形態では、構造部品１２０は、さらに、溝１３０に対して垂直に延びるその面１２０ａ内の追加の溝１５０も有し、この溝１３０自体はケーシング１００の軸方向に延びる。したがって、ケーシング１００からの分解気体は、穿孔１４０を経由して放出されるように、溝１３０と溝１５０との両方の中を流れ、即ち、ケーシング１００の内部体積部内に位置している流路の中に流れることが可能である。説明している本実施形態では、溝１３０、１５０は、例えばエポキシマトリックスのようなマトリックスで強化されている、例えば炭素繊維で作られている繊維組織によって形成されているそれぞれの排出溝１３１、１５１を有する。排出溝１３１、１５１は、マトリックスのための樹脂前駆物質で予め含浸され終わっており且つそれぞれの排出溝ウェブ１３１ａ、１５１ａを形成するように溝の中で成形されている繊維組織を使用して作られてもよく、及び、排出溝ウェブ１３１ａ、１５１ａからそれぞれの一対の側壁１３１ｂ、１３１ｃと一対の側壁１５１ｂ、１５１ｃが延びる。排出溝１３１、１５１は、セル状構造物がケーシングの壁と接触していない区域内でセル状構造物を封止する働きをし、及び、セル状構造物のセルの中に湿気が侵入することを防止する。

図４Ａと図４Ｂとに示されている本発明の別の実施形態では、上述したケーシング１０に類似しているケーシング２００が、そのケーシング２００の内面２０１に面するその第１の面２２０ａ内に溝又は回廊２３０を含むという点で上述した構造部品２０とは異なる構造部品２２０を、そのケーシング２００の内面２０１上に有し、及び、この溝又は回廊２３０は、セル状構造物２２１のセル２２１０の壁２２１１の中に形成されており、及び、溝２３０は、ケーシング１００の軸方向に対して平行な方向に延びる。面２２０ａの反対側に位置する第２の面２２０ｂは、スキン２２２を介してセル状構造物１２１に対して固定されている摩耗性材料層１２３によって構成されている。この第２の面２２０ｂは、流路２０２の一部分を画定する。溝２３０は、ケーシングの材料の有機マトリックスの分解中に放出される気体（図４Ｂの矢印ＧＤ）が、溝２３０の下流端部２３０ｂに形成されている開口部２４０を経由して放出されるように、部品２２０の下流部分に向かって流れることを可能にし、及び、溝２３０の上流端部２３０ａは閉じられている。溝２３０内を流れる分解気体は、その次に、ケーシング２００の内部体積部の中に位置している流路２０２の中に放出される。説明している本実施形態では、溝２３０は、例えばエポキシマトリックスのようなマトリックスで強化されている例えば炭素繊維で作られている繊維組織によって形成されている排出溝２３１を備える。排出溝２３１は、マトリックスのための樹脂前駆物質で予め含浸され終わっており且つ２つの側壁２３１ｂ、２３１ｃがそれから延びる排出溝ウェブ２３１ａを形成するように溝の中で成形されている繊維組織を使用して作られてもよい。排出溝２３１は、セル状構造物がケーシングの壁と接触していない区域内でセル状構造物を封止する働きをし、及び、したがって、特に開口部２４０を通ってセル状構造物のセルの中に湿気が侵入することを防止する。湿気に対する保護の別の実施形態では、溝２３０の付近に存在するセルが、膨張接着剤（ｉｎｔｕｍｅｓｃｅｎｔ ａｄｈｅｓｉｖｅ）又はポッティング樹脂を使用して高密度化されてもよい。

図５Ａと図５Ｂとに示されている本発明の別の実施形態では、上述したケーシング１０に類似しているケーシング３００が、セル状構造物３２１のセル３２１０の壁３２１１の各々が１つ又は複数の穿孔３２１２を含むという点で上述した構造部品２０とは異なる構造部品３２０を、そのケーシング３００の内面３０１上に有する。面３２０ａの反対側に位置しており且つ摩耗性材料層３２３によって構成されているこの第２の面２２０ｂが流路３０２の一部分を画定する。穿孔３２１２は、ケーシングの材料の有機マトリックスの分解中に放出され（図５Ｂの矢印ＧＤ）且つ部品３２０の面３２０ａの付近のセル３２１０の中に入る気体が、図５Ｂに示されているように穿孔３４０を経由して放出されるように、部品３２０の下流部分に向かって流れることを可能にする。説明している本実施形態では、穿孔３４０が、部品３２０の下流端部においてスキン３２２と摩耗性材料層３２３との中に存在しており、及び、これらの穿孔３４０は、セル３２１０内に形成されている穿孔３２１２を通って流れる気体がケーシング３００の内部体積部内に位置している流路の中に放出されることを可能にする。

図２、３、４、５、６を参照して上述した実施形態では、穿孔が構造部品の下流端部に作られている。しかし、穿孔が構造部品内の他の場所に同様に適切に作られることも可能である。

図６に示されている本発明のさらに別の実施形態では、ケーシング４００が、その内面４０１の付近に、セル状構造物４２１とこのセル状構造物上に（例えばカーボンパイルで作られている）第１のスキン４２２によって固定されている摩耗性材料層４２３とによって構成されている、構造部品４２０を含み、及び、この第１のスキン４２２はセル構造物４２１のセル４２１０の底部部分を閉じる役割も果たし、及び、このセル４２１０は、例えばカーボンパイルによって形成されている第２のスキン４２４によってそのセルの頂部部分において閉じられている。この構造部品４２０は、ケーシング４１０の内面４０１に面する第１の面４２０ａを有し、及び、この具体例では、面４２０ａはセル状構造物４２１のセルの頂部部分に対応する。構造部品は、流路４０２の一部分を画定する形状である、面４２０ａの反対側に位置する第２の面４２０ｂを有する。

この実施形態では、構造部品４２０は、第１にケーシング４００の内面４０１に接着されており且つ第２に部品４２０の面４２０ａに接着されているスペーサスタッド４３０を介して、ケーシングに固定されており、及び、この部品４２０はこの具体例では第２のスキン４２４によって構成されている。スペーサスタッド４３０は、好ましくは、タービンブレードの先端との隙間と相互作用とを調整するために、高さの調節が可能である。スペーサスタッド４３０を使用することによって、回廊又は凹み４３０が、部品４２０の面４２０ａとケーシング４００の内面４０１との間に形成されており、したがって、ケーシング材料の有機マトリックスの分解中に放出される気体（図６の矢印ＧＤ）が流路４０２の中に排出されるように部品４２０の下流部分に向かって流れることを可能にする。

さらに別の実施形態では、ケーシングの内面は、構造部品を越えて開く溝を含む。この実施形態は、採用随意に、上述した他の実施形態と組み合わされてもよい。

１００ ガスタービンケーシング
１０１ ケーシング内面
１０２ 流路
１２０ 構造部品
１２０ａ 構造部品の第１の面
１２０ｂ 構造部品の第２の面
１２１ セル状構造物
１２３ 摩耗性材料層
１３０ 溝
２００ ガスタービンケーシング
２０１ ケーシング内面
２０２ 流路
２２０ 構造部品
２２０ａ 構造部品の第１の面
２２０ｂ 構造部品の第２の面
２２１ セル状構造物
２２３ 摩耗性材料層
２３０ 溝
３００ ガスタービンケーシング
３０１ ケーシング内面
３０２ 流路
３２０ 構造部品
３２０ａ 構造部品の第１の面
３２０ｂ 構造部品の第２の面
３２１ セル状構造物
３２３ 摩耗性材料層
４００ ガスタービンケーシング
４０１ ケーシング内面
４０２ 流路
４２０ 構造部品
４２０ａ 構造部品の第１の面
４２０ｂ 構造部品の第２の面
４２１ セル状構造物
４２３ 摩耗性材料層

Claims (10)

1. 有機マトリックスによって高密度化されている補強材を備える有機マトリックス複合材料で作られているガスタービンケーシング（１００、２００、３００、４００）であって、前記ガスタービンケーシングの内面（１０１、２０１、３０１、４０１）に面する第１の面（１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ）と、流路（１０２、２０２、３０２、４０２）の一部分を画定する反対側の第２の面（１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ）とを有する構造部品（１２０、２２０、３２０、４２０）を、前記ガスタービンケーシングの前記内面上に有する内部体積部を画定するガスタービンケーシングにおいて、
   前記ガスタービンケーシングの前記内面（１０１、２０１）に面する前記構造部品（１２０、２２０）の前記第１の面（１２０ａ、２２０ａ）が、前記ガスタービンケーシングの前記内部体積部の中に直接的又は間接的に開く溝（１３０、２３０）を含むことと、前記溝（１３０、２３０）は少なくとも前記ガスタービンケーシング（１００）の軸方向に延びることを特徴とするガスタービンケーシング。
2. 前記溝（２３０）は、前記構造部品（２２０）の少なくとも１つの軸方向端部において開くことを特徴とする請求項１に記載のケーシング。
3. 前記溝（１３０）は、前記構造部品（１２０）の前記少なくとも１つの軸方向端部の前で止まり、及び前記溝は、前記構造部品の前記第２の面（１２０ｂ）の中で開く穿孔（１４０）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のケーシング。
4. 第１の溝（１３０）が前記ガスタービンケーシング（１００）の前記軸方向に延びることと、第２の溝（１５０）が前記第１の溝（１３０）に対して垂直方向に延びることとを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のケーシング。
5. 前記ガスタービンケーシングの前記内面は、前記構造部品を越えて開く溝を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーシング。
6. 前記構造部品（１２０、２２０、３２０、４２０）は、前記ガスタービンケーシング（１００、２００、３００、４００）の前記内面（１０１、２０１、３０１、４０１）に面するセル状構造（１２１、２２１、３２１、４２１）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーシング。
7. 前記溝は排出溝を備えることを特徴とする請求項６に記載のケーシング。
8. 前記構造部品（１２０、２２０、３２０、４２０）は、さらに、摩耗性被覆層（１２３、２２３、３２３、４２３）を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載のケーシング。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のファン保持ケーシングを有するガスタービン航空機エンジン。
10. 請求項９に記載の１つ又は複数のエンジンを含む航空機。

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