JP4059830B2 - ドラム、特にターボ機関ロータ、コンプレッサを形成するドラム、およびそのようなドラムを含むターボシャフトエンジン - Google Patents

Description

本発明は、特に航空機の目的のための、ターボ機関ロータに関する。

より詳細には、本発明は、ターボ機関ロータのための、特に軸流タイプのコンプレッサ、とりわけ低圧力コンプレッサのための単一ブロックドラムの製作に関する。「単一ブロック」という形容詞は、単一の部品として製作されるドラムまたは剛体の態様として一緒に固着された複数の部品として製作されるドラムを意味するために用いられている。

特にターボジェットエンジンに用いられるこのタイプのコンプレッサは、１つずつ積み重ねられる一連の分離されたディスクを具備する代わりに、異なる段階のいくつかの系列の羽根を受容するための単一のドラムを具備しているロータによって構成されている。

従来、単一のドラムは、ケーシングを呈する固定部分に確実に固定されたステーター段階の羽根を受容するために、隣接する段階の間にギャップを残して配列されて、そこに機械加工された凹部または保持溝を有する。

通常、羽根は、羽根基根部の形状に対して補完的となるように決定された形状を有し、一様に配置され、対応する数のハウジング内において、放射方向へ移動しないように、例えば鳩尾型の固定を提供することによって、それぞれドラムに固定される。羽根基根部がそのハウジングに関して平行に、特に軸方向に、移動することを防止するために、概して、ボール、ピン、クリップ、フランジ、スペーサ、その他によって構成される各羽根のためのそれぞれのブロックシステムが設けられる。

本発明が適用されるコンプレッサのロータは、放射状の変形を抑制するため、すなわちドラムがストレス、特にターボ機関が動作中に作用される放射方向の圧縮ストレス、に耐えることを可能とするために必要とされる、下流補剛材に適合される、粗いプレス加工片を機械加工することにより製作される単一ブロックタイプの金属ドラムを備えている。

補剛材は、内側に向けられた半径方向の突起（すなわち縦軸に向かって突出している）を構成する放射状突出部によって形成され、それによって必要な強度を提供するために充分な半径方向の厚みを呈するゾーンを形成し、このゾーンはドラムの残部におけるよりも概して小さい直径の中空部を有する部分を構成している。

そのようなドラムは、通常は、ターボ機関のロータがさらされる熱的および機械的ストレスに耐えるチタンベースの合金から製作される。

製造会社が重量を軽減することを絶えず試みている、航空機の応用において、このタイプの羽根支持ドラムは、羽根基根部を保持するためのゾーンであろうと、あるいは凹部に対応するゾーンであろうと、半径方向に薄い厚さで作られる。

それにもかかわらず、そのような薄い厚さの形状であるにしても、相対的に厚いプレス加工品を作ることによって始めることが必要であり、この厚さは特に補剛材が形成される下流部分に起因する。それゆえ、そのようなプレス加工品を得ることは、材料が機械加工の間に削りくずとして失われるため、使用されるべき多量の原材料を必要とし、原材料およびその後の機械加工における大きなコストを生じさせる。

補剛材を形成するために分離片に溶接すること、特に電子ビーム溶接することからなる他の技術は、厚いプレス加工品を用いる必要性を回避するのに役立つ。それにもかかわらず、その技術は、プレス加工およびその後の機械加工によって付加片が作られること、および時間も費用もかかる溶接作業が行なわれることの両者を必要とする。

本発明の目的は、ドラムを提供すると同時に先行技術において生じていた上述された問題を回避することにある。

このために、本発明は、羽根を支持するドラムを提供するものであり、このドラムは、概して、縦軸についての回転体の形をとり、特にロータを形成することが意図されており、金属合金から作られ且つ上流端部と下流端部との間で、上記の縦軸の周りに広がる環状の閉じた線に囲まれ得る曲線状の形状に沿って延在する。この形状は、母線を提示する回転面の周りに放射状に延び、上記の下流端部には、補剛材が設けられている。

本発明によれば、この補剛材は、下流端部に据え付けられる少なくとも１つの複合集成材を有しており、複合集成材は、繊維およびポリマ基質を含んでいる。

このように、複合集成材の存在は、少なくとも上記の金属合金と同じくらい強いが、重量においてはより軽い材料が、補剛材の位置において使用されることを意味することが理解されるであろう。そのような補剛材での実施も容易である。

この解決法は、それゆえ、主として（原材料と機械加工費を低減する）製造方法に関して、そしてこの方法において得られるドラムの重量に関しても、非常に多くの利点を与える。

好ましくは、このドラムは、金属の単一片として作られる第１の部分と、補剛材を形成する第２の部分とを有している。都合のよいことに、本発明のドラムは、これらの２片のみを具備しており、それによって、最も経済的に有利であり、機械的および熱的なストレスの両方に耐える能力の観点からも完全に満足のいく解決法を生み出す。

本発明のドラムの第１の実施の形態において、下流端部は、縦軸について同軸の環状ハウジングを画定し、このハウジングは、外方に向けて放射状に開口していて、複合集成材は、環状であり、下流端部に巻き付けられて、ハウジング内に配置される。この解決法は、単一の補剛材を得ることを可能とさせ、特に、力に対して、とりわけ放射状に外方に働きいてドラムの変形させ易い遠心力に対して全体的に強化したドラムを提供する。

本発明のドラムの第２の実施の形態において、下流端部は、一連の軸方向の突出部を形成し、補剛材は、突出部の１つに装備されるスリーブの形をとる少なくとも１つの巻回された複合集成材によって形成される。突出部が存在するのと同じくらい多くのスリーブの形状に巻回された複合集成材を用いるこの解決方法は、１つまたはそれより多くの複合集成材が損傷された場合には、損傷された複合集成材のみを局部的に交換することを可能とさせる利点を与える。

都合のよいことには、補剛材は、上記の母線に関して中心を外れており、そして特に補剛材は、この母線に関して半径方向外方に中心を外れていて、この解決法は、ドラムの回転に起因してストレスが印加されている間の有効性を改善する。

好ましい配置において、複合集成材は、好ましくはエポキシ型の熱硬化性樹脂の基質に巻回され受容された長い炭素繊維から作られている。

本発明は、そのロータとして、上述したタイプのロータに固定された可動羽根を有するドラムを備える軸流遠心コンプレッサも提供する。

最後に、本発明は、上述したタイプのコンプレッサを含む、燃焼ターボシャフトエンジン、特にターボジェットエンジンも提供する。

本発明の他の利点および特徴は、添付図面を参照して、例示のための以下の説明を読めば明白になるであろう。

図１は、ターボジェットエンジンの前側部分１０の半分の断面である。この半分は、対称軸をなす縦軸１２の一方の側に位置しており、種々のエレメント、特にターボジェットエンジンの種々の可動エレメントがこの縦軸の周りを回転する。

図１は、より正確には、縦軸１２の周りに軸方向に配置され、このようなターボジェットエンジンの従来の構成を形成する種々のエレメントのうち、ファン１４と低圧力で動作するコンプレッサ１６の両方を示している。

ファン１４は一連の羽根１８を備えており、この羽根１８は放射方向に延び且つ環状ディスク２０に据え付けられている。図１には、そのような羽根１８の１つのみが示されている。ディスク２０および羽根１８は、ターボジェットエンジンの縦軸１２の周りで回転するように据え付けられていることは理解されるよう。

図１において、気流方向が上流端部（図１における左側）および下流端部（図１における右側）を定義している。

明瞭化ために、そのようなターボジェットエンジンの他の従来のエレメントは、当然、示されておらず、そして特にコンプレッサ１６よりも更に下流に位置しているエレメント、および縦軸１２からさらに放射状の外方に位置しているエレメントは示されていない。

コンプレッサ１６は、ファンディスク２０に固定されているディスクまたはドラム２４上に据え付けられている複数系列の回転羽根２２を備えている。

図１は、ケーシング２８上に据え付けられている固定羽根２６の５つの系列の間の３系列の可動羽根２２を示している。

図２においてより明確に示されているドラム２４は、このように、概して、上流端部２４ａから図２の右側に配置された下流端部２４ｂへ延びる縦軸１２の周りの回転のボディーの形態をとっている。上流端部２４ａは、例えばフランジ２４ｃおよび２４ｄと協働するボルトによって、ファン１４の環状ディスク２０（図１を参照されたい）にそれが固定されることを可能とすべく形成されている。

上流端部２４ａと下流端部２４ｂとの間において、単一ブロックのドラム２４は、形状において相補型である可動羽根２２の基根部を受容するための３つの凹部２４ｅを有している。

下流端部２４ｂの拡大である図３において更に明確に示されているように、補剛材２４ｆは、放射状に形成され、ドラム２４の下流端部に配置された凹部２４ｅを延在させている。

先行技術においては、この補剛材２４ｆは、特に放射方向の圧縮力に抗して、ドラム２４の機械的強度を著しく増大させる内側環状リブを形成するように、縦軸１２に向けられた、放射方向の延長、すなわち突出部、によって構成されている。

従来の態様では、下流端部２４ｂは、補剛材２４ｆおよび軸方向におけるドラム２４の下流端部に配置される凹部２４ｅを画定する部分を軸方向に延長する環状軸上突出部２４ｇによって終端される。

図２を参照すると、ドラム２４は、その上流端部２４ａからその下流端部２４ｂに向かって進み、縦軸１２の周りの環状の閉じた線３０に収容され得る形状を呈する。

より正確には、ドラム２４の回転による形状は、縦軸１２の周りで湾曲した母線３４を回転することによって生成される回転の平均面の両側に延在している。

図２から分かるように、先行技術のドラムは、あるゾーン内、すなわち固定フランジ２４ｃ，２４ｄおよび補剛材２４ｆを除いて母線３４から放射方向に著しく外れることはない。

従来、ドラム２４は、概して鋳造によって、円形のインゴットが作られることが必要とされる単一の鍛造品から作られ、そして図２に見られる環状の閉じた線３０によって占められる形状および容積をほぼ有している。

もし、この環状の閉じた線３０に占められる形状を、後に補剛材２４ｆを構成するために与える必要がある材料の量に対応する放射状の内側の部分３０ａと、閉じた線３０の残部に対応する放射状の外側の部分３０ｂとに更に分けると、初期鋳造から補剛材２４ｆに該当する部分を省略すれば、有意な量の原材料を節約することが可能となり、その量が約１／３であると見積もられ得ることが、容易に理解できる。

この観察に基づき、本発明においては、図４Ａから図５Ｂに示される解決策を用いて、先行技術の補剛材２４ｆが変更される。

以下の本発明に係る説明においては、上述された先行技術のエレメントの参照番号に１００を加えた参照番号が適宜使用される。

図から分かるように、先行技術の補剛材２４ｆは、完全に省略され、代わりに、下流端部１２４ｂに据え付けられる複合集成材１４０が配設されている。

本発明は、繊維とポリマ基材を含む複合材料を使用することに基づく。複合材料の使用は、機械的及び熱的ストレスに十分に耐え得る補剛材を形成することを目的とするものであり、これにより、従来の金属から作られる従来の補剛材２４ｆに取って代わることができる。

繊維は、好ましくは、特に剛性の点で高度の機械的強度を複合集成材１４０に与える巻回された長い繊維である。炭素繊維を用いることが好ましいが、ホウ素、ケイ素、炭化ホウ素、および炭化ケイ素の繊維を含む、他のタイプの繊維を使用することもできる。

ポリマ基質は、ある程度の機械的弾性を与えつつ低密度からなる複合集成材１４０の形成に供する。複合集成材１４０を作るためには、エポキシ型の樹脂を使用することが好ましく、ポリイミド樹脂またはナイロンまたはポリベンゾイミダゾールに基づく樹脂を用いることも可能である。

図４Ａおよび図４Ｂに示される第１の実施の形態においては、最も遠い下流に位置しているドラムの部分を形成する環状の軸方向突出部２４ｇは、縦軸１２の周りに円形環状ハウジング１２４ｈを画定し、このハウジング１２４ｈは、放射状外向き方向に、すなわち複合集成材１４０を受容できるように、縦軸１２から離れる向きに開口している。

図４Ａに示される第１の変形においては、環状ハウジング１２４ｈは母線１３４の両側部に延びる。

図４Ｂに示される第２の変形においては、ハウジング１２４ｈは、母線１３４から外方にオフセットしており、この方法においては、補剛材を構成する巻回された複合集成材１４０は、母線１３４に対して中心ずれされている。この好ましい解決法はそのような構成を呈するドラムの機械的強度性能の改善に供する。

図５Ａおよび図５Ｂに示される第２の実施の形態においては、下流端部１２４ｂの最も遠い下流部分は、多重の軸方向突出部１２４ｉを呈し、この軸方向突出部は、縦軸１２に沿って放射方向に均等に間隔があけられている。

これらの軸方向突出部１２４ｉの各々は、上記の突出部１２４ｉの周りのスリーブの形で巻回されている巻回された複合集成材１４０を受容するべく設計されている。

巻回複合集成材１４０によって形成されるスリーブは、その両端部の各々に開口を有していてもよく、または好ましい方法で、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、軸方向突出部１２４ｉの周りに係合するＵ字形状の縦方向断面を有していてもよい。

スリーブは、縦軸１２に平行な軸１３６の周りに円形で円筒状であってもよく、あるいは例えば卵形、長方形、その他同様のもののように細長い断面を有していてもよい。

第２の実施の形態の第１の変形においては、図５Ａに示されるように、軸方向突出部１２４ｉが、巻回された複合集成材１４０と共に母線１３４に対して中心配置される。

第２の実施の形態の第２の変形においては、図５Ｂに示されるように、軸方向突出部１２４ｉは、巻回された複合集成材１４０を形成するスリーブと共に、機械的強度において性能を改善するため、縦軸１２から離れた母線１３４に関して、中心を外れて、すなわちオフセットされている。

当然のこととして、両実施の形態において、縦軸１２の回りに直接に（図４Ａおよび図４Ｂ）、または縦軸１２に平行であって、スリーブを構成する巻回複合集成材１４０の中心軸を構成する（図５Ａおよび図５Ｂ）各軸１３６の回りに巻回された複合集成材１４０の長い繊維を巻回するために準備がなされる。

本発明は、少なくとも先行技術のドラムと同じくらい良好に熱的および機械的ストレスに耐えることを可能とする特性を与えるように、簡単に製造されることが依然として可能であって、先行技術のドラムよりもかなり少ないコストで、ドラム１２４を提供することを可能とすることも理解されるであろう。

図１は、先行技術のドラムが装着されたファンおよび低圧力コンプレッサを有する、ターボジェットエンジンの前側部分の、部分的に断面とした半分の図である。 図２は、より大きな縮尺で且つ図１のドラムの半分の図を示している。 図３は、補剛材を示し、図２のドラムの下流端部の拡大された詳細図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態を構成するドラムの２つの変形例を示している。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態を構成するドラムの２つの変形例を示している。 図５Ａは、本発明の第２の実施の形態を構成するドラムの２つの変形例を示している。 図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態を構成するドラムの２つの変形例を示している。

符号の説明

１０ 前側部分
１２ 縦軸
１４ ファン
１６ コンプレッサ
１８ 羽根
２０ 環状ディスク（ファンディスク）
２２ 回転可動羽根
２４、１２４ ドラム
２６ 固定羽根
２８ ケーシング
２４ａ、１２４ａ 上流端部
２４ｂ、１２４ｂ 下流端部
２４ｃ、２４ｄ フランジ
２４ｅ 凹部
２４ｆ 補剛材
２４ｇ 環状軸上突出部
３０ 環状の閉じた線
３０ａ 内側の部分
３０ｂ 外側の部分
１２４ｈ 環状ハウジング
１２４ｉ 突出部
１３４ 母線
１３６ 軸
１４０ 複合集成材

Claims (10)

1. 組立体を形成する数列の回転羽根（２２）を支持することができるターボ機関のロータを形成するドラム（１２４）であって、空気流がドラムの上流端部（２４ａ）とドラムの下流端部（２４ｂ、１２４ｂ）との間で前記組立体を通過するようになっており、前記ドラムは、概して、縦軸（１２）を中心とした回転体の形であり、該ドラムは、金属合金から作られ、且つ、前記上流端部（２４ａ）と前記下流端部（２４ｂ；１２４ｂ）との間で前記縦軸（１２）の周りに広がる環状の閉じた線（３０）で囲まれ得る曲線状の形状に沿って延在しており、該曲線状の形状が、母線（１３４）を呈示する回転面の周りに径方向に延在するものであり、前記下流端部（１２４ｂ）に補剛材が設けられており、該補剛材は、前記下流端部（１２４ｂ）に取り付けられた少なくとも１つの複合集成材（１４０）を備えており、該複合集成材（１４０）が繊維およびポリマ基質を含んでいることを特徴とする、ドラム。
2. 金属の単一片として作られる第１の部分と、前記補剛材を形成する第２の部分とを具備することを特徴とする、請求項１に記載のドラム（１２４）。
3. 前記下流端部は、前記縦軸について同軸に環状ハウジング（１２４ｈ）を画定し、前記ハウジング（１２４ｈ）は、外方に向けて放射状に開口していること、および前記複合集成材（１４０）は、前記ハウジング（１２４ｈ）内に配置されて、環状で且つ前記下流端部（１２４ｂ）に巻き付いていることを特徴とする、請求項１または２に記載のドラム（１２４）。
4. 前記下流端部（１２４ｂ）は、一連の軸方向の突出部（１２４ｉ）を形成すること、および前記補剛材は、前記突出部（１２４ｉ）の１つに装備されるスリーブの形をとる少なくとも１つの巻回された複合集成材（１４０）によって形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のドラム（１２４）。
5. 前記補剛材は、前記母線（１３４）に関して中心を外れていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のドラム（１２４）。
6. 前記補剛材は、前記母線（１３４）に関して半径方向の外側に中心を外れていることを特徴とする、請求項５に記載のドラム（１２４）。
7. 前記複合集成材は、熱硬化性樹脂の基質内に受容され巻回された長い炭素繊維により形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のドラム（１２４）。
8. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ型であることを特徴とする、請求項７に記載のドラム（１２４）。
9. そのロータに、請求項１から８のいずれか一項に記載のドラム（１２４）を具備し、且つそこに固定された可動羽根（２２）を有する軸流遠心コンプレッサ（１６）。
10. 請求項９に記載のコンプレッサ（１６）を含む、特にターボジェットエンジンである、燃焼ターボシャフトエンジン。

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