JP4719349B2 - ターボファンエンジン及び、ファンデカプラを有するターボファンエンジン用のファンケース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的にはターボファンガスタービンエンジンに関し、特にこのようなエンジン用のファンケースに関する。
【０００２】
飛行中の航空機に動力を与えるために使用されるターボファンガスタービンエンジンは、通例、直流連通をなすファンと、低圧圧縮機またはブースタと、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービンとを含んでいる。燃焼器により燃焼ガスが発生して高圧タービンに導かれ、そこで膨張して高圧タービンを駆動し、次いで低圧タービンに導かれ、そこでさらに膨張して低圧タービンを駆動する。高圧タービンは第１ロータ軸を介して高圧圧縮機に連結されてそれを駆動し、そして低圧タービンは第２ロータ軸を介してファンとブースタに連結されてそれらを駆動する。
【０００３】
ファンには複数の周方向に相隔たるファン動翼が含まれ、ロータディスクから半径方向外方に延在し、ロータディスクはそれを駆動する低圧軸に連結されている。各ファン動翼は一般に翼形部と、動翼をロータディスクに取付ける一体ダブテール根部とを有する。ファンは、通常ファンフレームと呼ばれる回転不可能なフレームに支持装置によって回転自在に支持され、この支持装置は通例複数の軸受と、軸受支持構造体とを含んでいる。
【０００４】
エンジン運転中、異物、例えば鳥がファンに衝突して、ファン動翼離脱事故、すなわち、ファン動翼の一部分または全部のロータディスクからの離脱をひき起こすことがまれに起こり得る。このような離脱ファン動翼は、もしファンケースによって受止められなければ、エンジンから動力を受ける航空機にかなりの損傷をもたらすおそれがある。このような損傷を防ぐために様々な受止め装置が開発されてきた。ファン動翼受止め装置には、伝統的に、高強度材料製の環状受止めケースが含まれ、適当な殻の厚さを有して、衝突するファン動翼の運動エネルギーを吸収する。さらに最近の受止め装置は、内側および外側環状殻によって画成されたネスティング域を用い、この区域内にハニカム構造体が配置される。加えて、衝撃材料、例えば、芳香族ポリアミド繊維をケース構造体の周囲に巻付けることができる。動翼破片はネスティング域内に捕捉され、こうして受止め装置内に受止められるので、他のファン動翼とのさらなる接触を起こさない。
【０００５】
ファン動翼離脱事故によりファンロータに大きな不均衡が発生し、その結果、損傷をひき起こすおそれのある不均衡力がファンフレームに伝達される。これは特に、最近の商業用エンジンモデルの増大したファン寸法に言えることである。なぜなら、ファン動翼離脱事故中に支承されるべき不均衡荷重がますます大きくなるからである。一解決策はデカプラをファンロータ支持構造体に組込むことである。デカプラは、ファン動翼離脱荷重に応じて破損しそしてファンロータがその新しい質量中心を周回することを可能にするように設計された脆い構造体である。これを用いると、大きな不均衡荷重はファンフレームに伝達されない。従って、デカプラの使用はエンジンの総合重量を効果的に減らす。なぜなら、ファンフレームとその関連構造体は大きな不均衡力に耐えるほど強くする必要がないからである。
【０００６】
デカプラを有するターボファンエンジン用のファンケースは２つの独特な要件を有する。第１に、ファンケースは、正常なエンジン運転中ファン動翼先端と狭い運転間隙を保つとともに、ファン動翼離脱事故によりデカプラが破損した後ファンロータが旋回することを可能にしなければならない。第２要件は２次的な動翼破片の軌道を制御することである。ファン動翼離脱事故中、離脱動翼と、通例、離脱翼によって破断された第１後続動翼の一部分とが、ファンケースに衝突した時破砕する。これらの破片は、追加的な２次動翼破損を回避するように、ファンロータによって画成された軸平面を出ることが望ましい。追加的な動翼破損は不均衡を増しそして受止め問題を悪化させる。さらに、動翼破片はファン平面を後方に出ることが望ましい。こうすると、破片はファンの下流のファン出口案内翼に衝突する。この２次衝突は、残りの破片エネルギーを吸収するのに十分であるか、あるいは出口案内翼を破壊し、そして破片がファン流路を通ってエンジンの後方、すなわち、エンジン排気の正常方向に逃れることを可能にする。いずれの結果もファン動翼離脱事故に応じて容認し得る。しかし、もし動翼破片がファン平面の前方に逸れると、航空機は、特に破片がエンジン入口を完全に逃れた場合、危険にさらされるおそれがある。
【０００７】
従って、ファン動翼離脱事故中にファンロータが旋回することを可能にしそして動翼破片がファン平面を後方に出るようにするファンケースが必要である。
【０００８】
【発明の概要】
上述の必要に応じて、本発明は、ロータディスクに装着した複数のファン動翼を含むファンと、所定荷重に応じて破損するデカプラとを有するターボファンエンジン用のファンケースを提供し、このファンケースには実質的に環状の殻が含まれ、前部と中間部と後部とを有する。中間部はファンと軸方向位置に関して整合しておりそして前端を有する。ファンケースはさらに、中間部の前端に形成した後ろ向き段部を有する。
【０００９】
本発明と、先行技術に対するその利点は、添付図面と関連する以下の詳述から明らかとなろう。
【００１０】
【発明の詳述】
添付図面の全図を通じて同符号は同要素を表す。図１は高バイパス比ターボファンエンジン１０の縦断面図である。エンジン１０はファン１２を含み、このファンは、縦中心線１６を中心として回転し得る環状ロータディスク１４と、このディスクから半径方向外方に延在する複数の周方向に相隔たるファン動翼１８（図１には１個だけを示してある）とからなる。ロータディスク１４は、従来の低圧タービン（図示せず）によって駆動されるファン軸２０に連結されそれによって駆動される。環状ファンケース２２がファン動翼１８の半径方向外側に配置されそれらを囲んでいる。
【００１１】
ファン１２の下流にブースタ２４が配置され、軸方向に相隔たる静翼列と動翼列を有し、動翼はブースタスプールまたはブースタ軸２６に結合されている。ブースタ軸２６は従来のようにロータディスク１４の後ろ側に適当に固定されている。円錐形スピナ２８がロータディスク１４の前側に結合され、ファン１２に入る空気の空気力学的流路を画成している。エンジン１０の他の従来構造物、例えば、高圧圧縮機と燃焼器と高圧タービンと低圧タービンは図を明瞭にするために図示してない。
【００１２】
ファン１２は軸受支持体３２と軸受３４によって静止ファンフレーム３０に回転自在に支持され、軸受３４はファン軸２０と軸受支持体３２との間に配置されている。ファンフレーム３０は内側ハブ３６と複数の周方向に相隔たる支柱３８とを含み、支柱３８は内側ハブ３６と環状外側ダクト４０との間に延在する。外側ダクト４０はファンケース２２の後縁に連接されている。外側ダクト４０を通る空気流が旋回しないように、ファン出口案内翼４２が外側ダクト４０内を半径方向に横切って延在する。軸受支持体３２はデカプラ４４を介して内側ハブ３６に固定されている。デカプラ４４は、所定荷重に応じて破損するように設計された従来の脆い構造体である。
【００１３】
エンジン１０の正常運転中、周囲空気がエンジン入口に吸入されそしてファン１２を通る。この空気の第１部分がブースタ２４に導入される。この空気はブースタ２４と高圧圧縮機とによって圧縮される。次いで、圧縮空気はエンジンの燃焼器に入り、そこで燃料と混ぜられそして燃やされて高温燃焼ガスの高エネルギー流となる。この高エネルギーガス流はまず高圧タービンを通り、そこで膨張し、エネルギーが抽出されて高圧圧縮機を駆動する。次いで、ガス流は低圧タービンを通り、そこでさらに膨張しそしてエネルギーが抽出されてファン１２とブースタ２４を駆動する。周囲空気の第２部分はバイパス空気流と呼ばれ、ファン１２とファン出口案内翼４２とを通った後、外側ダクト４０を通ってエンジンを出る。バイパス空気流はエンジン推力のかなりの部分を発生する。
【００１４】
しかし、ファン動翼離脱がファン１２に大きな不均衡をひき起こした場合、デカプラ４４が破損する。これは、ファン１２がその新しい質量中心を周回することを可能にし、そして大きな不均衡荷重がファンフレーム３０に伝達されることを防止する。
【００１５】
図２に本発明のファンケース２２をさらに詳細に示す。ファンケース２２は、正常なエンジン運転中ファン動翼先端と狭い運転間隙を保つとともに、ファン動翼離脱事故によりデカプラ４４が破損した後ファン１２が旋回することを可能にする。詳述すると、ファンケース２２は、ファン１２を囲んでいる実質的に環状の殻４６を含み、好ましくは金属材料製である。殻４６は前部４８と中間部５０と後部５２とを有する。これら３つの部分は好ましくは一体に形成され、中間部５０は前部４８と後部５２との間にある。中間部５０はファン１２と軸方向位置に関して整合しておりそして大きな内径を有し、この内径は、ファン動翼１８によって定まる先端直径より実質的に大きい。
【００１６】
従って、中間部５０はファン動翼１８の周囲に深い環状空間を画成しており、以後この空間をロータオービット空間と呼ぶ。以下に詳述するように、ロータオービット空間は、デカプラ４４が破損した場合にファン１２が旋回し得るほど大きい。ロータ軌道空間には軽量の脆い充填材料５４が充填されており、ファン流路境界を画成し、そして正常なエンジン運転中狭い翼端間隙を保つ。充填材料５４は、１層の従来の摩耗可能な材料５６で覆われた１層のハニカム形材料５５（例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金）を含み得る。中間部５０は、好ましくは、ファンケース２２の他部より大きな壁厚を有する。こうすると、ファンケース２２の中間部５０は、動翼破片を受止めるのに十分な強度を有する。
【００１７】
ファンケース２２の後部５２は中間部５０の大きな内径と同じ内径を有して連続内面を画成している。流路境界は、後部５２に取付けた従来の防音パネル５８あるいはなんらかの他の軽量脆性構造体によって維持される。
【００１８】
後ろ向き段部６０がファンケース２２に、前部４８と中間部５０との継目に、あるいは換言すると中間部５０の前端に形成されている。すなわち、後ろ向き段部６０は、ファン１２によって画成される平面の直前に位置している。
【００１９】
後ろ向き段部６０は環状フランジの形状をなし、筒形表面を画成する半径方向内縁を有する。この筒形表面は、充填材料５４により画成された流路境界とほぼ同延状であり、従って、中間部５０の内径よりかなり小さな内径を有する。
【００２０】
前部４８は後ろ向き段部６０から前方に延在する。前部４８は中間部５０より小さな内径を有するが、それでも、流路境界の直径より大きい。流路境界は、前部４８に取付けた他の従来の防音パネル６２あるいはなんらかの他の軽量脆性構造体によって維持される。
【００２１】
正常なエンジン運転中、ファンケース２２は、充填材料５４とともに、ファン動翼先端と狭い運転間隙を保つ。さらに詳述すると、後ろ向き段部６０の内縁と充填材料５４と２つの防音パネル５８、６２は連続的なほぼ均等な流路境界直径を画定している。しかし、ファン動翼離脱事故中、ファン平面内の脆い構造体（すなわち充填材料５４）と、ファン平面の後方の脆い構造体（すなわち防音パネル５８）は動翼破片によって破壊される。後ろ向き段部６０は動翼破片がファン平面の前方に射出されることを防止し、同時に、中間部５０と後部５２の連続的な大径は、動翼破片が後方に、すなわち、追加的な２次動翼破損の防止に好適な方向に逃れることを可能にする。さらに、もしファン動翼離脱事故によりデカプラ４４が破損すれば、充填材料５４が、回転中のロータディスク１４に残存するファン動翼１８によって容易に摩滅する。こうして開いたロータ軌道空間は、ファン１２がその新しい質量中心を周回するのに十分な余地を有する。
【００２２】
ファン１２がデカプラ４４の破損後に旋回し得るように、中間部５０の内径によって定められるロータ軌道空間の深さを適当な大きさに定めなければならない。特に、中間部５０の内径は、ファンロータの旋回中ファン動翼が環状殻４６に接触しないように十分大きくなければならない。他方、ファンケース２２の全重量を減らすために、中間部内径はファンロータの旋回を許すのに必要な大きさ以上にならないことが望ましい。適当な釣合いを取るために、中間部内径は、典型的なファン動翼離脱事故から予想される不均衡レベルに対処するように設計されることが好ましいが、そうしなくてもよい。一般に、典型的なファン動翼離脱事故は１．５個の動翼の損失と考えられる。従って、典型的なファン動翼離脱事故に対して必要な中間部内径は、１．５個の動翼の損失を仮定してファン１２の重心を計算することにより決定することができる。
【００２３】
図３には本発明の代替実施例を示す。この実施例では、ファンケース１２２に実質的に環状の殻１４６が含まれ、好ましくは金属材料製である。第１実施例におけるように、殻１４６は前部１４８と中間部１５０と後部１５２とを有する。中間部１５０はファン１２と軸方向位置に関して整合しておりそして大きな内径を有して深いロータ軌道空間を画成している。ロータ軌道空間には軽量の脆い充填材料５４が充填されている。充填材料５４は、１層の従来の摩耗可能な材料５６で覆われた１層のハニカム形材料５５でよい。従来の防音パネル５８、６２がそれぞれ後部１５２と前部１４８の内面に取付けられてファン流路境界を維持する。後ろ向き段部１６０がファンケース１２２において中間部１５０の前端に形成されている。
【００２４】
ファンケース１２２が第１実施例と異なる点は、中間部１５０がファンケース１２２の他部より厚くないことである。その代わりに、ファンケース１２２には動翼受止め装置６４が含まれ、環状殻１４６、特に主として中間部１５０の周囲に配置されている。動翼受止め装置６４は、環状殻１４６の半径方向外側に隔置された外殻６６を含み、この外殻は環状殻１４６に上流位置と下流位置において取付けられて両者間に室６８を画成している。室６８はネスティング域としても知られており、好ましくはハニカム構造体（図示せず）を内蔵し、この構造体はその中に破損動翼または動翼破片を保持するために使用される。衝撃材料７０、例えば、芳香族ポリアミド繊維が外殻６６の外面に巻付けられて動翼破片を受止める。
【００２５】
この代替実施例は第１実施例と同様に機能し、正常なエンジン運転中、充填材料５４を備えたファンケース１２２は、ファン動翼先端と狭い運転間隙を保つ。しかし、ファン動翼離脱事故中、ファン平面内の脆い構造体（すなわち充填材料５４）と、ファン平面の後方の脆い構造体（すなわち防音パネル５８）は動翼破片によって破壊される。もし動翼破片が十分な運動エネルギーをもてば、環状殻１４６を貫通しそして室６８内に捕捉される。環状殻１４６を貫通しない破片は、中間部１５０と後部５２の連続的な大径によりファン平面の後方に逃れる。いずれの場合も、後ろ向き段部１６０が、動翼破片がファン平面の前方に射出されることを防止する。加えて、もしファン動翼離脱事故によりデカプラ４４が破損すれば、充填材料５４が、回転中のロータディスク１４に残存するファン動翼１８によって容易に摩滅する。こうして開いたロータ軌道空間は、ファン１２がその新しい質量中心を周回するのに十分な余地を有する。
【００２６】
以上、ファン動翼離脱事故中にファンが旋回することを可能にしそして動翼破片がファン平面を後方に出るようにするファンケースを説明した。本発明の特定実施例を説明したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲内で様々な改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファンケースを備えた高バイパス比ターボファンエンジンの前部の縦断面図である。
【図２】図１のファンケースの断面図である。
【図３】本発明のファンケースの代替実施例の断面図である。
【符号の説明】
１０ ターボファンエンジン
１２ ファン
１４ ロータディスク
１８ ファン動翼
２２ ファンケース
４４ デカプラ
４６ 環状殻
４８ 前部
５０ 中間部
５２ 後部
５４ 脆い充填材料
５５ ハニカム形材料
５６ 摩耗可能な材料
５８ 防音パネル
６０ 後ろ向き段部
６２ 防音パネル
６４ 動翼受止め装置
６６ 外殻
６８ 室
７０ 衝撃材料
１２２ ファンケース
１４６ 環状殻
１４８ 前部
１５０ 中間部
１５２ 後部
１６０ 後ろ向き段部

Claims (7)

1. ロータディスク（１４）に装着した複数のファン動翼（１８）を含むファン（１２）と、所定荷重に応じて破損するデカプラ（４４）とを有するターボファンエンジン（１０）用のファンケース（２２）であって、
   前部（４８）と中間部（５０）と後部（５２）とを有し、前記ファン（１２）を囲む環状の殻（４６）を含み、
   前記中間部（５０）は前記ファン（１２）と軸方向位置に関して整合しており、
   前記中間部（５０）と前記前部（４８）との継目に後ろ向き段部（６０）が形成され、
   前記ロータディスク（１４）は、軸受支持体（３２）と軸受（３４）によって静止ファンフレーム（３０）に回転自在に支持され、
   前記軸受支持体（３２）は前記デカプラ（４４）を介して前記静止ファンフレーム（３０）に固定されており、
   前記中間部（５０）は前記ファン動翼（１８）を囲む環状空間を画成しており、該環状空間内で、前記デカプラ（４４）が破損した時前記ファン（１２）が旋回し、
   前記環状空間に、流路境界を画成する材料（５４）であって、前記後ろ向き段部（６０）の材料よりも脆い材料（５４）が充填され、
   防音パネル（５８）が装着される前記後部（５２）は前記中間部（５０）の内径に等しい内径を有することにより、前記脆い材料（５４）と前記防音パネル（５８）が破壊されたときに前記中間部（５０）と前記後部（５２）が連続内面を画成する、ファンケース（２２）。
2. 前記の脆い材料（５４）は、１層の材料（５６）で覆われた１層のハニカム形材料（５５）を含む、請求項１記載のファンケース（２２）。
3. 前記後ろ向き段部（６０）は前記流路境界と同延状の筒形表面を画成している請求項１記載のファンケース（２２）。
4. 前記中間部（５０）は前記前部（４８）と前記後部（５２）より大きな壁厚を有する請求項１記載のファンケース（２２）。
5. 前記環状殻（４６）の周囲に配置した外殻（６６）をさらに含み、前記外殻（６６）と前記環状殻（４６）は室（６８）を画成し、
   前記室（６８）にハニカム構造体を充填した請求項１乃至４のいずれかに記載のファンケース（２２）。
6. 前記前部（４８）に装着した防音パネル（６２）と、
   前記後部（５２）に装着した前記防音パネル（５８）をさらに含む請求項１乃至５のいずれかに記載のファンケース（２２）。
7. ロータディスク（１４）と、該ロータディスク（１４）に装着した複数のファン動翼（１８）を含むファン（１２）と、
   前記ロータディスク（１４）を、軸受支持体（３２）と軸受（３４）によって回転自在に支持する静止ファンフレーム（３０）と、
   前記軸受支持体（３２）を前記静止ファンフレーム（３０）に固定する前記デカプラ（４４）と、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のファンケース（２２）と、
   前記ファン（１２）の下流に配置され、軸方向に相隔たる静翼列と動翼列を有するブースタ（２４）とを備え、
   前記ブースタ（２４）の動翼はブースタ軸（２６）に結合されており、
   前記ブースタ軸（２６）は前記ロータディスク（１４）の後ろ側に固定されている、
   ターボファンエンジン（１０）。

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