JP2019124208A - ファンブレード - Google Patents

Abstract

【課題】金属製シースで覆われた前縁の厚みを増すことなく、大きな異物が衝突した場合にも翼部前縁のハブ部に発生する歪を抑制し得る複合材料製ファンブレードを提供する。【解決手段】ファンブレード(20)は、正圧面(21AP)及び負圧面(21AS)を有する翼部(21A)と、翼根部(21R)と、から成る複合材料製の翼本体(21)と、翼部の前縁(LE)の少なくとも一部を覆う金属製のシース(22)と、を備え、シースは、翼部の前縁の前方に配置される基部(22B)と、基部からそれぞれ後方へ突出する正圧面保護壁(22P)及び負圧面保護壁(22S)と、を一体にした構造を有し、翼部の前縁から前方への基部の突出量は、翼部のハブ部(H)からスパン方向の外側へ向かって第１のスパン方向位置(S1)までの範囲においてゼロである。【選択図】図２

Description

本開示は、ターボファンエンジンのファンブレード、特に複合材料製のファンブレードに関する。

ターボファンエンジンは、ファンと、ファンの後方にファンと同軸に配置され、ファンを駆動するためのタービンを備えたコアエンジンとから構成されている。

ファンは、略円筒状のファンケースと、ファンケースの内部において回転するように構成されたファンディスクと、ファンディスクの外周に取り付けられた複数のファンブレードとを備えている。ファンディスクは、シャフトを介して連結された低圧タービンによって回転駆動される。

ターボファンエンジンの運転中、ファンディスクと共にファンブレードが回転することにより、ファンに空気が吸い込まれる。空気の一部はコアエンジンに流入し、低圧タービンを駆動するための高温高圧のガスを発生させ、残部はコアエンジンをバイパスして後方から排出され、推力の大部分の発生に寄与する。

航空機用ターボファンエンジンのファンブレードとしては、従来は主にチタン合金製のものが用いられていた。しかしながら、近年においては、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics；繊維強化プラスチック）等の複合材料で製造されたものが用いられることが多い。

複合材料は、チタン合金と比べて比強度（引張強度を密度で除した値）が大きいため、ファンブレードの材料をチタン合金から複合材料に変更することにより、強度を維持したまま軽量化を実現することができる。

その一方で、複合材料は、チタン合金と比べて耐摩耗性及び耐衝撃性において劣っている。ファンに吸い込まれる空気に砂粒、小石等の異物が混入していると、異物はファンブレードの翼部に衝突し、翼部が複合材料により構成されている場合には、損傷（ＦＯＤ（Foreign Object Damage））を引き起こす可能性がある。

そのため、従来の複合材料製ファンブレードにおいては、異物との衝突の可能性が高い複合材料製の翼本体の前縁を金属製のシースで覆うことにより、損傷の発生を防止している。

また、ファンが、鳥等の大きな異物を吸い込むと、ファンブレードの翼部は、異物との衝突によって大きく変形する。変形は、前縁における曲げ変形として始まり、その後、他の領域へ伝播してゆく。このうち翼部の後縁は、伝播してきた変形により表面に大きな歪が発生しやすい部位であり、翼部が複合材料により構成されている場合には、亀裂や剥離が生じる可能性が高い。

そのため、従来の複合材料製ファンブレードにおいては、複合材料製の翼本体の後縁のうち、異物衝突時の変形により表面に大きな歪が発生すると予測される部位を、金属製のガードで覆って保護している。これにより、翼部の後縁の強度が向上し、亀裂や剥離の発生が回避される。

このように、従来の複合材料製ファンブレードにおいては、耐摩耗性及び耐衝撃性を向上させるために、複合材料製の翼本体の前縁を金属製のシースで覆うと共に、後縁を金属製のガードで覆っていた（特許文献１参照）。

米国特許第７，７８０，４１０号明細書

ここで、従来の複合材料製ファンブレードにおける金属製シースの設置態様について、図３を参照して説明する。

なお、本明細書において用いられる用語「径方向」、「周方向」は、それぞれ、ファンブレードが組み込まれるターボファンエンジンの径方向、周方向と一致する方向である。

図３は、従来の複合材料製ファンブレードを示す概略説明図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるI−I断面図である。

ファンブレード１２０は、図３（Ａ）に示されるように、複合材料製の翼本体１２１と、金属製のシース１２２とから成っている。なお、複合材料製ファンブレードにおいては、上述したように、その後縁を金属製ガードで覆うことが一般的であるが、ここでは簡略化のために図示を省略している。

翼本体１２１は、ファンブレード１２０を通過する空気の流路の径方向内側境界を成す流路面ＨＳを基準として、そのスパン方向（高さ方向）Ｓにおいて外側（図において上側）の翼部１２１Ａと、内側（図において下側）の翼根部１２１Ｒとから成っている。

翼部１２１Ａは、翼型の断面を有し、流入する空気を昇圧させるという空力的機能を発揮する部分である。一方、翼根部１２１Ｒは、翼部１２１Ａを支持するという構造的機能を有する部分であり、スパン方向Ｓにおいて外側のシャンク１２１Ｓと、内側のダブテール１２１Ｄとから成っている。このうちダブテール１２１Ｄは、ファンブレード１２０をファンディスク（図示省略）に取り付けるために、当該ファンディスクの外周に設けられた相補的な断面形状を有する溝に嵌め込まれる部分であり、シャンク１２１Ｓは、翼部１２１Ａとダブテール１２１Ｄとを連結する機能を有する部分である。

金属製のシース１２２は、図３（Ｂ）に示されるように、翼部１２１Ａの前縁ＬＥの前方に配置される基部１２２Ｂと、基部１２２Ｂからそれぞれ後方へ突出する正圧面保護壁１２２Ｐ及び負圧面保護壁１２２Ｓとを一体にした構造を有している。正圧面保護壁１２２Ｐと負圧面保護壁１２２Ｓは、凹部１２２Ｒを挟んで互いに対向しており、凹部１２２Ｒは、翼部１２１Ａの前縁ＬＥを含む前方部分を受容するように構成されている。

このような形状を有するシース１２２は、翼部１２１Ａのハブ部（流路面ＨＳと交差する根元部）Ｈからチップ部（先端部）Ｔまで、スパン方向Ｓの全域にわたって前縁ＬＥを覆うように翼部１２１Ａに取り付けられている。シース１２２の翼部１２１Ａへの取り付けは、翼部１２１Ａの前縁ＬＥと凹部１２２Ｒの底部、翼部１２１Ａの正圧面１２１ＡＰと正圧面保護壁１２２Ｐ、翼部１２１Ａの負圧面１２１ＡＳと負圧面保護壁１２２Ｓのそれぞれが、エポキシ系接着剤等の接着剤により接合されることにより行われる。

このように構成されたファンブレード１２０を備えるファンが、鳥等の大きな異物を吸い込むと、ファンブレード１２０の翼部１２１Ａには、異物との衝突によって大きな曲げ変形が発生する。このとき、翼部１２１Ａの前縁ＬＥのハブ部Ｈにおいては、金属製のシース１２２と複合材料製の翼部１２１Ａの剛性差に起因して、大きな歪が発生する。この歪を許容範囲内に収めるためには、翼部１２１Ａの前縁ＬＥを厚くすることにより、翼部１２１Ａとシース１２２の剛性差を縮小することが有効である（なお、剛性差を縮小するためにシース１２２を薄くすることは、複合材料製の翼部１２１Ａの耐摩耗性及び耐衝撃性を確保する観点から好ましくない）。しかしながら、翼部１２１Ａの前縁ＬＥの厚みを増すことは、ファンブレード１２０の重量の増加及び空力性能の悪化の要因となり、好ましくない。

本開示は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、金属製のシースで覆われた翼部前縁の厚みを増すことなく、大きな異物が衝突した場合にも翼部前縁のハブ部に発生する歪を抑制し得る複合材料製ファンブレードを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の第１の態様のファンブレードは、正圧面及び負圧面を有する翼部と、翼根部と、から成る複合材料製の翼本体と、前記翼部の前縁の少なくとも一部を覆う金属製のシースと、を備え、前記シースは、前記翼部の前記前縁の前方に配置される基部と、前記基部からそれぞれ後方へ突出する正圧面保護壁及び負圧面保護壁と、を一体にした構造を有し、前記翼部の前記前縁から前方への前記基部の突出量は、前記翼部のハブ部からスパン方向の外側（チップ側）へ向かって第１のスパン方向位置までの範囲においてゼロである。

本開示の第２の態様のファンブレードにおいて、前記基部の前記突出量は、前記第１のスパン方向位置から外側へ向かって第２のスパン方向位置までの範囲において、外側へ向かって漸増している。

本開示の第３の態様のファンブレードにおいて、前記翼部の前記ハブ部からスパン方向の外側へ向かって計った高さを前記翼部の前記ハブ部からチップ部までの高さで除した値をパーセント表示したものを％スパンとするとき、前記第２のスパン方向位置は最大で２０％スパンである。

本開示の第４の態様のファンブレードにおいて、前記第１のスパン方向位置から前記第２のスパン方向位置までの範囲における前記基部の前面は、滑らかに湾曲した凹面である。

本開示によれば、金属製のシースで覆われた翼部前縁の厚みを増すことなく、大きな異物が衝突した場合にも翼部前縁のハブ部に発生する歪を抑制し得る複合材料製ファンブレードを提供することができる。したがって、重量の増加や空力性能の低下を伴うことなく、ファンブレードの構造的健全性を確保することができるという優れた効果を得ることができる。

ファンブレードを備えるターボファンエンジンの概略側断面図である。 本開示の複合材料製ファンブレードを示す概略説明図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ部の拡大図、（Ｃ）は（Ａ）におけるII−II断面図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるIII−III断面図、（Ｅ）は（Ｂ）におけるＹ矢視図である。 従来の複合材料製ファンブレードを示す概略説明図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるI−I断面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、ファンブレードを備える一般的なターボファンエンジンの概略側断面図である。

ターボファンエンジン１は、推力の大部分を発生させるファン２と、ファン２の後方にファン２と同軸に配置され、ファン２を駆動するためのタービンを備えたコアエンジン３とから構成されている。

コアエンジン３は、上流側から下流側に向かって順に、低圧コンプレッサ３１、高圧コンプレッサ３２、燃焼器３３、高圧タービン３４、低圧タービン３５が配置されたターボジェットエンジンとして構成されている。高圧タービン３４は高圧シャフト３７を介して高圧コンプレッサ３２に連結され、低圧タービン３５は低圧シャフト３８を介して低圧コンプレッサ３１及びファン２に連結されている。

ファン２は、略円筒状に形成されたファンケース２６と、ファンケース２６の内部において回転するように構成されたファンディスク２５と、ファンディスク２５の外周に周方向に間隔を隔てて取り付けられた複数のファンブレード２０とを備えている。ファンケース２６は、コアエンジン３のケーシング３０に、周方向に間隔を隔てて複数配設されたストラット（支柱）４を介して取り付けられている。ファンディスク２５は、低圧シャフト３８を介して連結された低圧タービン３５によって回転駆動される。

図２は、本開示の複合材料製ファンブレード２０を示す概略説明図であり（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ部の拡大図、（Ｃ）は（Ａ）におけるII−II断面図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるIII−III断面図、（Ｅ）は（Ｂ）におけるＹ矢視図である

本開示のファンブレード２０は、図２（Ａ）に示されるように、複合材料製の翼本体２１と、金属製のシース２２とから成っている。

翼本体２１を構成する複合材料としては、熱可塑性樹脂（例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、ナイロン樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂等）または熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂等）と強化繊維（例えば炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等）とから成るＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics；繊維強化プラスチック）が用いられる。

また、シース２２を構成する金属としては、チタン合金等が用いられる。

翼本体２１は、ファンブレード２０を通過する空気の流路の径方向内側境界を成す流路面ＨＳを基準として、そのスパン方向Ｓにおいて外側（図において上側）の翼部２１Ａと、内側（図において下側）の翼根部２１Ｒとから成っている。

翼部２１Ａは、翼型の断面を有し、流入する空気を昇圧させるという空力的機能を発揮する部分である。一方、翼根部２１Ｒは、翼部２１Ａを支持するという構造的機能を有する部分であり、スパン方向Ｓにおいて外側のシャンク２１Ｓと、内側のダブテール２１Ｄとから成っている。このうちダブテール２１Ｄは、ファンブレード２０をファンディスク２５（図１参照）に取り付けるために、当該ファンディスク２５の外周に設けられた相補的な断面形状を有する溝に嵌め込まれる部分であり、シャンク２１Ｓは、翼部２１Ａとダブテール２１Ｄとを連結する機能を有する部分である。

金属製のシース２２は、翼部２１Ａのハブ部Ｈの近傍を除くスパン方向Ｓにおける外側の領域では、図２（Ｃ）に示されるように、従来の複合材料製ファンブレード１２０（図３参照）のシース１２２と同様に、翼部２１Ａの前縁ＬＥの前方に配置される基部２２Ｂと、基部２２Ｂからそれぞれ後方へ突出する正圧面保護壁２２Ｐ及び負圧面保護壁２２Ｓとを一体にした構造を有している。正圧面保護壁２２Ｐと負圧面保護壁２２Ｓは、凹部２２Ｒを挟んで互いに対向しており、凹部２２Ｒは、翼部２１Ａの前縁ＬＥを含む前方部分を受容するように構成されている。

一方、翼部２１Ａのハブ部Ｈの近傍（即ち、スパン方向Ｓにおける最も内側の領域）では、図２（Ａ）のＸ部の拡大図である図２（Ｂ）に示されるように、金属製のシース２２の基部２２Ｂが切り欠かれている。

具体的には、基部２２Ｂは、翼部２１Ａの０％スパン（ハブ部Ｈ）からスパン方向の外側へ向かってα％スパン（第１のスパン方向位置Ｓ１）までの範囲においては、完全に切除されており、α％スパンからβ％スパン（第２のスパン方向位置Ｓ２）までの範囲においては、その切除量がスパン方向の外側へ向かって漸減している。ここで、「％スパン」は、スパン方向位置を表す指標であって、翼部２１Ａのハブ部Ｈから外側へ向かって計った高さを翼部２１Ａの全高（ハブ部Ｈからチップ部Ｔまでの高さ）で除した無次元値をパーセント表示したものである。また、α及びβは、０＜α＜β≦２０の関係を満たす。

即ち、基部２２Ｂは、０％スパンからα％スパンまでの範囲においては完全に切り欠かれており（即ち、欠落しており）、当該範囲の外側に隣接するα％スパンからβ％スパン（最大で２０％スパン）までの範囲においては部分的に切り欠かれている。

上述した特徴を、翼部２１Ａの前縁ＬＥから前方への基部２２Ｂの突出量の観点から捉えると、０％スパンからα％スパンまでの範囲において突出量はゼロ、α％スパンからβ％スパンまでの範囲において突出量はスパン方向の外側へ向かってゼロから漸増している、と表現できる。

上述のように構成されている結果、０％スパンからα％スパンまでの範囲においては、基部２２Ｂが存在しないために翼部２１Ａの前縁ＬＥが露出しており（図２（Ｄ）、並びに、図２（Ｂ）におけるＹ矢視である図２（Ｅ）参照）、α％スパンからβ％スパンまでの範囲においては、基部２２Ｂの前面２２ＢＳがスパン方向に対して傾斜している。

ここで、０％スパンからα％スパンまでの範囲において露出する翼部２１Ａの前縁ＬＥと、シース２２の正圧面保護壁２２Ｐ及び負圧面保護壁２２Ｓの前面とは、図２（Ｄ）に示されるように、面一となっていることが好ましい。前者が後者より前方へ突出している場合には、ファンブレード２０の空力性能を損なう虞があり、また、前者が後者より後方へ陥没している場合には、空気流と共に飛来する異物が凹部となった翼部２１Ａの前縁ＬＥの周辺に堆積する虞があり、いずれも好ましくないためである。

また、α％スパンからβ％スパンまでの範囲における基部２２Ｂの前面２２ＢＳは、単一の平面、または、２以上の平面から成る屈曲面であってもよいが、この場合には平面の端部または屈曲部が角部となり、そこに応力が集中する虞がある。したがって、基部２２Ｂの前面２２ＢＳは、滑らかに湾曲した凹面とすることが好ましい。

上述したような形状を有するシース２２は、β％スパンから１００％スパン（チップ部Ｔ）までの範囲においては、基部２２Ｂによって前縁ＬＥの前面が覆われるように、翼部２１Ａに取り付けられている。シース２２の翼部２１Ａへの取り付けは、翼部２１Ａの前縁ＬＥと凹部２２Ｒの底部、翼部２１Ａの正圧面２１ＡＰと正圧面保護壁２２Ｐ、翼部２１Ａの負圧面２１ＡＳと負圧面保護壁２２Ｓのそれぞれが、エポキシ系接着剤等の接着剤を用いて接合されることにより行われる。なお、基部２２Ｂが切り欠かれている０％スパンからα％スパンまでの範囲においては、翼部２１Ａの正圧面２１ＡＰと正圧面保護壁２２Ｐ、翼部２１Ａの負圧面２１ＡＳと負圧面保護壁２２Ｓのそれぞれのみが、エポキシ系接着剤等の接着剤を用いて接合されることにより行われる。

以上のように構成された本開示のファンブレード２０におけるシース２２の作用・効果について、以下で説明する。

図３に示された従来の複合材料製ファンブレード１２０においては、鳥等の大きな異物が衝突すると、翼部１２１Ａに大きな曲げ変形が発生する。このとき、翼部１２１Ａの前縁ＬＥのハブ部Ｈにおいては、金属製のシース１２２と複合材料製の翼部１２１Ａの剛性差に起因して、狭い領域に集中して大きな歪が発生していた。

この大きな歪について、その最大値を許容範囲以下まで小さくすると共に、その発生領域を分散させる（即ち、大きな歪が狭い領域に集中して発生することを回避する）ための方策について検討した結果、発明者は、複合材料製の翼部２１Ａとの剛性差を緩和すべく、金属製のシース２２の剛性を低下させることが有効であるとの着想を得た。本開示のファンブレード２０における、シース２２の基部２２Ｂの内端部（０〜β％スパン）における切り欠きは、当該着想を具現化したものである。

即ち、本開示のファンブレード２０においては、従来の複合材料製ファンブレード１２０において最大の歪が発生していたハブ部Ｈ（０％スパン）を起点として、スパン方向の外側へ向かって第２のスパン方向位置Ｓ２（β％スパン）までの範囲において、基部２２Ｂを切り欠くことによってシース２２の剛性を低下させている。その際、ハブ部Ｈ（０％スパン）から第１のスパン方向位置Ｓ１（α％スパン）までの範囲においては、基部２２Ｂを完全に切り欠く（即ち、欠落させる）ことによってシース２２の剛性を大幅に低下させる一方、第１のスパン方向位置Ｓ１から第２のスパン方向位置Ｓ２（β％スパン）までの範囲においては、基部２２Ｂの切除量をスパン方向の外側へ向かって漸減させる（即ち、急変を回避する）ことにより、切り欠きに隣接する部位において応力集中が発生することを回避している。

このように構成されていることにより、本開示のファンブレード２０においては、バードストライク（鳥の衝突）を想定した動的挙動解析の結果、翼部２１Ａの前縁ＬＥのハブ部Ｈに発生する歪の最大値が、従来の複合材料製ファンブレード１２０と比較して約１５％低下することが確認された。

以上のように、本開示のファンブレードによれば、金属製のシースで覆われた翼部前縁の厚みを増すことなく、大きな異物が衝突した場合にも翼部前縁のハブ部に発生する歪を抑制することができる。したがって、重量の増加や空力性能の低下を伴うことなく、ファンブレードの構造的健全性を確保することができる。

２０ ファンブレード
２１ 翼本体
２１Ａ 翼部
２１ＡＰ 正圧面
２１ＡＳ 負圧面
２１Ｒ 翼根部
２２ シース
２２Ｂ 基部
２２ＢＳ 前面
２２Ｐ 正圧面保護壁
２２Ｓ 負圧面保護壁
Ｈ ハブ部
ＬＥ 前縁
Ｓ１ 第１のスパン方向位置
Ｓ２ 第２のスパン方向位置

Claims (4)

1. 正圧面及び負圧面を有する翼部と、翼根部と、から成る複合材料製の翼本体と、
   前記翼部の前縁の少なくとも一部を覆う金属製のシースと、
   を備え、
   前記シースは、前記翼部の前記前縁の前方に配置される基部と、前記基部からそれぞれ後方へ突出する正圧面保護壁及び負圧面保護壁と、を一体にした構造を有し、
   前記翼部の前記前縁から前方への前記基部の突出量は、前記翼部のハブ部からスパン方向の外側へ向かって第１のスパン方向位置までの範囲においてゼロである、ファンブレード。
2. 前記基部の前記突出量は、前記第１のスパン方向位置から外側へ向かって第２のスパン方向位置までの範囲において、外側へ向かって漸増している、請求項１に記載のファンブレード。
3. 前記翼部の前記ハブ部からスパン方向の外側へ向かって計った高さを前記翼部の前記ハブ部からチップ部までの高さで除した値をパーセント表示したものを％スパンとするとき、前記第２のスパン方向位置は最大で２０％スパンである、請求項２に記載のファンブレード。
4. 前記第１のスパン方向位置から前記第２のスパン方向位置までの範囲における前記基部の前面は、滑らかに湾曲した凹面である、請求項２または３に記載のファンブレード。

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