JP4821351B2 - チップタービンファン - Google Patents

Description

本発明は、外周面にタービン動翼が設けられたシュラウドがファン動翼の外周に設置されたチップタービンファンに関する。

特許文献１には、外周面にタービン動翼が設けられたシュラウドがファン動翼の外周に設置されたチップタービンファンが開示されている。このチップタービンファンにおいては、タービン動翼の端部がシュラウドの内周面に接続されている。そして、タービン動翼に燃焼ガスを供給することでシュラウドを回転させ、それによってファン動翼を回転させる。
特開平５−１６４０９５号公報 特開２００５−１４５２６４号公報 特開平１０−５０１８６７号公報

シュラウドの外周面にタービン動翼が設けられ且つ該シュラウドの内周面にタービン動翼の端部が接続されたチップタービンファンにおいては、タービン動翼およびシュラウド、ファン動翼が一体となって回転する。このときに生じる遠心力によるシュラウドの変形を抑制するために該シュラウドの径方向の剛性をある程度高くする必要がある。

また、このときに生じる遠心力のためにシュラウドによってファン動翼が径方向外側に引っ張られることになる。そのため、ファン動翼におけるシュラウドとの接続部に引張応力が生じる。ここで、ファン動翼においてはエッジ部分の厚さが比較的薄くなっている。そのため、ファン動翼におけるシュラウドとの接続部に引張応力が生じた場合、ファン動翼の端部のエッジ近傍により大きな引張応力が生じる虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、チップタービンファンにおいて、駆動時におけるシュラウドの変形を抑制しつつファン動翼の端部に過剰な引張応力が生じるのを抑制することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明に係るチップタービンファンは、
主軸と、該主軸の外周面に設けられたファン動翼と、を有するファン部と、
前記主軸と同軸となるように環状に形成されたシュラウドと、該シュラウドの外周面に設けられたタービン動翼と、を有するチップタービン部と、
前記タービン動翼にガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記シュラウドの内周面に前記ファン動翼の端部が接続されており、
前記ガス供給部によって前記タービン動翼にガスを供給することで前記シュラウドを回転させ、それによって前記ファン動翼を回転させるチップタービンファンにおいて、
前記シュラウドの径方向の剛性が、前記ファン動翼の比較的厚さの厚い部分との接続部分に比べて前記ファン動翼の比較的厚さの薄い部分との接続部分でより低くなっていることを特徴とする。

本発明は、シュラウドの径方向の剛性を該シュラウドの軸方向において不均一にすることを最大の特徴とする。シュラウドの径方向の剛性を低下させることで、チップタービンファンの駆動時にファン動翼の端部に生じる引張応力を低減することが出来る。また、シ
ュラウドの軸方向における一部の部分の径方向の剛性を低下させた場合、該シュラウドの軸方向全体における径方向の剛性を均一に低下させた場合に比べて、チップタービンファンの駆動時における遠心力によるシュラウドの変形を抑制することが出来る。

従って、本発明によれば、チップタービンファンを駆動させたときにおいて、シュラウドの変形を抑制しつつファン動翼の端部に過剰な引張応力が生じるのを抑制することが出来る。

本発明に係るチップタービンファンによれば、駆動時におけるシュラウドの変形を抑制しつつファン動翼の端部のエッジ近傍に生じる引張応力を低減することが出来る。

以下、本発明に係るチップタービンファンの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係るチップタービンファンの概略構成を示す断面図である。チップタービンファン１は、ファン部２とチップタービン部３とを備えている。ファン部２は主軸４と該主軸４の外周面に複数設けられたファン動翼５とを有している。チップタービン部３は、主軸４と同軸となるように環状に形成され且つファン動翼５の外周に配置されたシュラウド６と、該シュラウド６の外周面に複数設けられたタービン動翼７と、を有している。そして、本実施例においては、ファン動翼５の端部がシュラウド６の内周面に接続されている。

また、タービン動翼７の外周を囲うように形成された外周壁８に高圧ガス供給口９が設けられている。該高圧ガス供給口９には図示しないガスタンクから高圧ガスが供給される。

チップタービンファン１を駆動させる場合、高圧ガス供給口９からタービン動翼７に対して高圧ガスが吹き付けられる。これにより、シュラウド６が回転し、それによってファン動翼５が主軸４を中心に回転する。尚、図１において、白抜きの矢印は高圧ガスの流れを表し、黒塗りの矢印はファン動翼５の回転によって発生する空気の流れを表す。

ここで、ファン動翼５の断面形状について図２に基づいて説明する。図２は、ファン動翼５の断面形状を示す図である。図２において、黒塗りの矢印は、図１と同様、ファン動翼５の回転によって発生する空気の流れを表す。図２に示すように、ファン動翼５においては、空気の流れに沿って下流側となる方のエッジ（以下、下流側エッジと称する）５ａ近傍の厚さが、該下流側エッジ５ａ近傍よりも空気の流れにそって上流側となる部分（以下、単に上流部と称する）５ｂの厚さよりも薄くなっている。

チップタービンファン１を駆動させることで、ファン動翼５およびシュラウド６が回転した場合、遠心力のためにシュラウド６によってファン動翼５が径方向外側に引っ張られることになる。そのため、ファン動翼５におけるシュラウド６との接続部（端部）に引張応力が生じる。このとき、ファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍の厚さがその上流部５ｂの厚さよりも薄くなっているために、ファン動翼５の端部における下流側エッジ５ａ近傍にその上流部５ｂに比べてより大きな引張応力が生じる虞がある。

そこで、本実施例においては、図１に示すように、シュラウド６の径方向の厚さｔｓが、空気の流れに沿って下流側ほど薄くなるように形成されている。つまり、シュラウド６
において、ファン動翼５の上流部５ｂと接続する部分の厚さに比べて該ファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍と接続する部分の厚さが薄くなっている。

これによれば、シュラウド６の径方向の剛性が、ファン動翼５の上流部５ｂとの接続部分に比べてファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍との接続部分でより低くなる。その結果、チップタービンファン１が駆動することでファン動翼５の端部における下流側エッジ５ａ近傍に生じる引張応力を低減することが出来る。

また、シュラウド６を上記のように形成した場合、該シュラウド６の幅ｔｓをファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍と接続する部分の幅程度にまで軸方向に均一に薄くした場合に比べてシュラウド６全体としての剛性の低下を抑制することが出来る。

従って、本実施例によれば、チップタービンファン１を駆動させたときにおいて、シュラウド６の変形を抑制しつつファン動翼５の端部に過剰な引張応力が生じるのを抑制することが出来る。

＜変形例１＞
ここで、本実施例の第一の変形例について図３に基づいて説明する。図３は該第一の変形例に係るシュラウド６の断面形状を示す図である。図３において、黒塗りの矢印は、図１と同様、ファン動翼５の回転によって発生する空気の流れを表している。

図２に示すように、ファン動翼５においては上流部側のエッジ近傍の厚さもファン動翼５の中央近傍に比べると薄くなっている。そこで、第一の変形例では、図３に示すように、シュラウド６において、ファン動翼５の中央近傍と接続する部分の厚さに比べて該ファン動翼５の上流部側のエッジ（以下、上流側エッジと称する）近傍と接続する部分の厚さが薄くなっている。

これにより、ファン動翼５の端部の下流側エッジのみならず上流側エッジ近傍に生じる引張応力をも低減することが出来る。従って、チップタービンファン１の駆動時にファン動翼５の端部に過剰な引張応力が生じるのをより抑制することが出来る。

また、本実施例においては、図４に示すように、ファン動翼５の端部の上流側エッジおよび下流側エッジにフィレット１０を設ける場合がある。この場合、チップタービンファン１が駆動したときにフィレット１０に生じる引張応力が大きくなり易い。しかしながら、このような場合であっても、シュラウド６を上記変形例１のように形成することで、フィレット１０に生じる引張応力が過剰に大きくなることを抑制することが出来る。

＜変形例２＞
次に、本実施例の第二の変形例について図５に基づいて説明する。図５の（ａ）は該第二の変形例に係るシュラウド６の断面形状を示す図である。図５の（ｂ）は該第二の変形例に係るシュラウド６の内周面の様子を示す図である。図５において、黒塗りの矢印は、図１と同様、ファン動翼５の回転によって発生する空気の流れを表している。

第二の実施例においては、図５に示すように、シュラウド６の径方向の厚さｔｓが空気の流れに沿って上流側と下流側とで同一となっている。そして、シュラウド６におけるファン動翼５の接続部と接続部の間に凹部１１が形成されている。

凹部１１は、図５の（ａ）に示すように、その底面がシュラウド６の内周面に対して斜めに形成されている。そして、該凹部１１は、シュラウド６の軸方向においてファン動翼５の端部の下流側エッジ５ａ近傍が接続する部分と同等の位置で、その深さが最も深くな
っている。

上記のようにシュラウド６に凹部１１を形成することで、前記と同様、シュラウド６の径方向の剛性を、ファン動翼５の上流部５ｂとの接続部分に比べてファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍との接続部分でより低くなるようにすることが出来る。そのため、チップタービンファン１が駆動することでファン動翼５の端部における下流側エッジ５ａ近傍に生じる引張応力を低減することが出来る。

尚、第二の変形例においては、凹部１１をシュラウド６の外周面に設けても良い。

＜変形例３＞
次に、本実施例の第三の変形例について図６に基づいて説明する。図６は該第三の変形例に係るシュラウド６の断面形状を示す図である。図６において、黒塗りの矢印は、図１と同様、ファン動翼５の回転によって発生する空気の流れを表している。

第三の実施例においては、図６に示すように、シュラウド６の径方向の厚さｔｓが空気の流れに沿って上流側と下流側とで同一となっている。そして、シュラウド６の空気の流れに沿って下流側の端面に溝１２が形成されている。該溝１２の底面は、シュラウド６の軸方向においてファン動翼５の端部の下流側エッジ５ａ近傍が接続する部分と同等の位置となっている。

上記のようにシュラウド６に溝１２を形成することで、前記と同様、シュラウド６の径方向の剛性を、ファン動翼５の上流部５ｂとの接続部分に比べてファン動翼５の下流側エッジ５ａ近傍との接続部分でより低くなるようにすることが出来る。そのため、チップタービンファン１が駆動することでファン動翼５の端部における下流側エッジ５ａ近傍に生じる引張応力を低減することが出来る。

尚、以上説明した実施例は可能な限り組み合わせることが出来る。

実施例１に係るチップタービンファンの概略構成を示す断面図。 ファン動翼の断面形状を示す図。 実施例１の第一の変形例に係るシュラウドの断面形状を示す図。 実施例１の第一の変形例において、ファン動翼の端部の上流側エッジおよび下流側エッジにフィレットを設けた場合のファン動翼とシュラウドとの接続部分の様子を示す図。 図５の（ａ）は実施例１の第二の変形例に係るシュラウドの断面形状を示す図。図５の（ｂ）は実施例１の第二の変形例に係るシュラウドの内周面の様子を示す図。 実施例１の第三の変形例に係るシュラウドの断面形状を示す図。

符号の説明

１・・・チップタービンファン
２・・・ファン部
３・・・チップタービン部
４・・・主軸
５・・・ファン動翼
５ａ・・下流側エッジ
５ｂ・・上流部
６・・・シュラウド
７・・・タービン動翼
８・・・外周壁
９・・・高圧ガス供給口
１０・・フィレット
１１・・凹部
１２・・溝

Claims (1)

1. 主軸と、該主軸の外周面に設けられたファン動翼と、を有するファン部と、
   前記主軸と同軸となるように環状に形成されたシュラウドと、該シュラウドの外周面に設けられたタービン動翼と、を有するチップタービン部と、
   前記タービン動翼にガスを供給するガス供給部と、を備え、
   前記シュラウドの内周面に前記ファン動翼の端部が接続されており、
   前記ガス供給部によって前記タービン動翼にガスを供給することで前記シュラウドを回転させ、それによって前記ファン動翼を回転させるチップタービンファンにおいて、
   前記シュラウドにおける前記ファン動翼の接続部間に位置する部分に凹部が形成され且つ該凹部の深さが前記ファン動翼の比較的厚さの薄い部分に対応する位置では前記ファン動翼の比較的厚さの厚い部分に対応する位置に比べて深くなっていることで、又は、前記シュラウドにおける前記ファン動翼の比較的厚さの薄い部分と対応する位置に空間が形成されていることで、前記シュラウドの径方向の剛性が、前記ファン動翼の比較的厚さの厚い部分との接続部分に比べて前記ファン動翼の比較的厚さの薄い部分との接続部分でより低くなっていることを特徴とするチップタービンファン。

Images