JP5019721B2 - ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用のファン組立体を組立てるための方法及び装置に関する。

航空機エンジン設計における１つの重要な要素は、推進システムの航空機システムへの取付け及び航空機システムとの統合であろう。例えば、推進システムの前面面積として知られている推進システムの前縁における断面積は、航空機システムの全体性能に大きな影響を与えることになる。具体的には、エンジン前面面積を縮小することにより、一般的に推進システムの胴体又はエンジンナセル内への取付けが簡単になる。さらに、エンジン前面面積が縮小すれば、その場合エンジンの全体重量もまた軽減される。

少なくとも一部の公知のエンジンでは、ファン組立体により、前面面積の大きさが影響を受けかつ／又は決まる。より具体的には、公知のファン組立体は、ファン入口半径比及び／又は比流量のような所定の運転要件が達成されるのを可能にするような寸法にされる。ファン入口半径比は、一般的に機械的制約条件であり、その場合、ファン組立体から利用できる空気流出力は、段のホイール速度に直接関連しかつファン組立体を製作するのに用いた材料によって制限されることになる。これと対照的に、ファン組立体の比流量は、空気力学的制約条件によって制約されることになる。

他の公知のエンジンは、商用超音速航空機における騒音低減及びエンジン対入口空気流量の適合性のような航空機システム全体要件を可能にする、フレード（ｆｌａｄｅ）として知られている「ファン・オン・ブレード（ｆａｎ−ｏｎ−ｂｌａｄｅ）」を含む。これらのエンジンでは、ファンブレードは、一般的にその下流段の入口半径比が大きいため、ファン組立体の最終段に結合される。確かに利点はあるが、フレードの使用が制限される可能性があり、より具体的には、縮小したエンジン前面面積を有するエンジンにおいては下流ロータが比較的高い先端速度を有するので、フレードは、縮小したエンジン前面面積を有するエンジンでは利用できないことになる。
日本特許２６８６４１９号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、その各々が前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含みかつ各翼形部が根元と先端との間で半径方向に延びる複数のファンブレードを、列の形態でディスクに結合する段階を含む。本方法はまた、少なくとも１つのシュラウドをファンブレードの複数の列の少なくとも１つに対して、該シュラウドがファンブレードの同じ列内で延びる少なくとも１つのファンブレード先端に結合されるように結合する段階と、その各々が前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含むロータブレードの少なくとも２つの列をシュラウド対して、該ロータブレードがシュラウドから半径方向外向きに延びるように結合する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のファン組立体を提供する。本ファン組立体は、ロータディスクの周りで延びる円周方向の列の形態で配置されるように共に結合された複数のファンブレードを含み、各ファンブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含み、かつ根元と先端との間で半径方向に延びる。本ファン組立体はまた、複数のファンブレード先端の少なくとも１つに結合されかつロータディスクの周りで円周方向に延びる少なくとも１つのシュラウドと、少なくとも１つのシュラウドから半径方向外向きに延びる少なくとも１つの列のロータブレードとを含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンはファンブレード組立体を含み、ファンブレード組立体は、ロータディスクの周りで延びる円周方向の列の形態で配置されるように共に結合された複数のファンブレードを含み、各ファンブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含み、かつ根元と先端との間で半径方向に延びる。本ファン組立体はまた、複数のファンブレード先端の少なくとも１つに結合されかつロータディスクの周りで円周方向に延びる少なくとも１つのシュラウドと、少なくとも１つのシュラウドから半径方向外向きに延びる少なくとも２つの列のロータブレードとを含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含む。

図１は、軸方向に配向したエンジン中心軸線１８を有する例示的な「ファン・オン・ブレード」すなわちフレーデッド（ｆｌａｄｅｄ）（フレード型）エンジン１６の概略図である。図２は、フレード型エンジン１６の一部分の概略図である。エンジン１６は、エンジン運転時にそれを通してエンジン入口空気流２４が流入するフレード入口２０及びファン入口２２を含む。この例示的な実施形態では、フレード入口２０に流入する空気流２４は、フレードストリーム２６に沿って流れ、ファン入口２２に流入する空気流２４は、ファンストリーム２８に沿って流れる。フレードストリーム２６とファンストリーム２８とは、ファン入口２２から下流方向に延びるファンケーシング３０によって分離される。ファンストリーム２８及びフレードストリーム２６はファン組立体３２を通って流れ、空気流２４は加圧され、ブレード吐出空気流３４及びファン吐出空気流３６として下流方向に吐出される。吐出空気流３４及び３６は、エンジン１６に動力を与えるスラストを発生するのを可能にする。

ファン組立体３２は、複数のファンブレード４０を含む。各ファンブレード４０は、前縁４２及び後縁４４を含み、かつ根元４６と先端４８との間で半径方向に延びる。この例示的な実施形態では、ファンブレード４０は２段の構成で配置され、ファン組立体３２は、第１の列５２の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレード４０を有する第１ファン段５０と第２の列５６の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレード４０を有する第２ファン段５４とを含むようになる。第１及び第２の列５２及び５６は、それぞれ軸方向距離５８だけ間隔を置いて配置される。距離５８は、ファン組立体３２が運転要件を満たしかつそれぞれ第１及び第２の列５２及び５６間で空気流２２内に発生する伴流を減少させるのを可能にすることができるように可変に選択される。

この例示的な実施形態では、シュラウド６０が、第１段５０内の各ファンブレード先端４８の周りで円周方向に延びかつ各ファンブレード先端４８に結合される。１つの実施形態では、シュラウド６０は、第１段５０内の各ファンブレード先端４８に結合された単一の環状部材である。別の実施形態では、ファン組立体３２は、複数の先端シュラウド付き翼形部を含み、シュラウド６０は、各々が少なくとも１つのファンブレード先端４８に結合されて第１段５０の周りで円周方向に延びるようになった複数の円弧形部材を含むようになる。具体的には、各円弧形部材は、他の円弧形部材に隣接して配置されて、フレードストリーム２６とファンストリーム２８との間での空気移動の量を減少させるのを可能にする。シュラウド６０は、該シュラウド６０がファンケーシング３０とほぼ整列するように、ファンケーシング３０内に形成された空洞６２内部に配置される。この例示的な実施形態では、シュラウド６０は、上流側面６４と下流側面６６との間で延び、かつ各それぞれのシュラウド側面６４及び６６とファンケーシング３０との間で延びる複数のシール部材６８を含む。従って、シュラウド６０は、ファンストリーム２８からフレードストリーム２６に又はその逆に流れる空気流を防止するのを可能にする。

ファン組立体第１段５０は、第１のシャフト７０に回転可能に結合されかつ該第１のシャフト７０によって駆動され、またファン組立体第２段５４は、第２のシャフト７２に結合されかつ該第２のシャフト７２によって駆動される。第１及び第２のシャフト７０及び７２は、該第１のシャフト７０が第２のシャフト７２の第２の回転速度とは異なる第１の回転速度で作動するように、互いに対して独立して作動する。従って、第１段５０及び第２段５４は、異なる作動速度を有する。この例示的な実施形態では、第２のシャフト７２は、第１のシャフト７０よりも速い回転速度で作動するので、第２段５４は、第１段５０よりも速い速度で作動するようになる。さらに、この例示的な実施形態では、第２のシャフト７２は、第１のシャフト７０とは反対方向に回転する。別の実施形態では、第１段５０及び第２段５４は、同じ回転速度でかつ／又は同じ回転方向に作動する。

この例示的な実施形態では、ファンストリーム２８は、ファンケーシング３０とロータハブ７４との間に形成される。さらに、ファンストリーム２８は、入口ハブ半径７８を入口先端半径７６で除算したものとして定義されるファン入口半径比を有し、ここで入口先端半径７６は、中心軸線１８とファンブレード先端４８とに対して測定され、また入口ハブ半径７８は、中心軸線１８とハブ７４及びブレード根元４６の交点とに対して測定される。この例示的な実施形態では、第１段ファン入口半径比は、第２段５４内への密度を増大させることの必要性から第２段ファン入口半径比よりも小さい。１つの実施形態では、第１段５０は、およそ０．１〜０．３であるファン入口半径比で設計される。別の実施形態では、第１段ファン入口半径比は、およそ０．１〜０．１５である。第１段ファン入口半径比は、エンジン全体性能要件を満たしながら、単位前面面積当たりの流量及びエンジン１６の全体性能を向上させるのを可能にするように選択される。従って、ファン入口半径比が他の公知のエンジンと比較して小さいので、第１段５０は、低い回転速度及び低いファンブレード先端速度を有する。さらに、第１段５０の回転速度が低いので、第１段５０は、低い圧力比を有する。従って、エンジン１６が全体性能要件を満たすためには、第２段５４は、第１段５０の回転速度よりも高い回転速度及び第１段５０のファンブレード先端速度よりも高いファンブレード先端速度を有する。

運転中、ファンストリーム２８は、ファン入口２２を通って流れ、ファンケーシング３０とハブ７４との間で第１段５０に向かって導かれる。ファンストリーム２８が、ファンブレード４０の第１の列５２を通って流れると、ファンストリーム２８の密度が増大する。次にファンストリーム２８は、ファンブレード４０の第２の列５６を通って流れて、ファンストリーム２８の密度はさらに増大する。

この例示的な実施形態では、エンジン１６は、第２の列５６の下流にスプリッタ８０を含む。スプリッタ８０は、ファンストリーム２８をコアストリーム８２とバイパスストリーム８４とに分割するのを可能にする。より具体的には、スプリッタ８０は、ファンストリーム２８を分割するのを可能にするように配向されて、エンジン１６がスラスト及び空気流圧力比に関するエンジン全体性能要件を満たすことが可能になる。

ファン組立体３２はまた、複数のフレーデッド（フレード型）ロータブレード９０を含む。各フレード型ブレード９０は、前縁９２及び後縁９４を含み、かつ根元９６と先端９８との間で半径方向に延びる。この例示的な実施形態では、ブレード９０は２段の構成で配置され、ファン組立体３２は、第１の列１０２の円周方向に間隔を置いて配置されたフレード型ブレード９０を有する第１フレード段１００と第２の列１０６の円周方向に間隔を置いて配置されたフレード型ブレード９０を有する第２フレード段１０４とを含むようになる。１つの実施形態では、第１段ブレード先端９８は、例えばそれに限定されないが、それぞれ第１及び第２フレード段１００及び１０４のような複数フレード段をエンジン１６内部に結合するのを可能にする軸方向長さ１０８を有する。

この例示的な実施形態では、フレード段１００及び１０４内の各ブレード９０は、ブレード根元９６においてシュラウド６０に結合され、かつシュラウド６０から半径方向外向きに延びる。１つの実施形態では、各フレード型ブレード９０は、例えばそれに限定されないが、誘導溶接法のような溶接法によりシュラウド６０に結合される。別の実施形態では、フレード型ブレード９０は、シュラウド６０と単体構造に形成される。この例示的な実施形態では、フレード段１００及び１０４は、ファン組立体第１段５０に結合される。別の実施形態では、フレード段１００及び１０４内の各ブレード９０は、別の段のファンブレード４０に結合される。さらに別の実施形態では、フレード段１００及び１０４は、第１段５０又は第２段５４とは異なる段のファンブレード４０に結合される。さらに別の実施形態では、ファン組立体３２は、２つのフレード段よりも多い又は少ないフレード段を含む。さらに、この例示的な実施形態では、第１段５０内のブレード４０の比較的低い回転速度のために、フレード型ブレード９０は、先端速度制約条件を超える危険性を減少させながらフレードストリーム２８の効率ポテンシャルを向上させるのを可能にするよう選択した、ブレード根元９６とブレード先端９８との間で延びる半径方向高さ１１０を有する。

この例示的な実施形態では、ファン組立体３２は、円周方向に間隔を置いて配置された可変面積前置ガイドベーン１１４の列１１２を含む。前置ガイドベーン１１４は、第１フレード段１００の上流に配置され、空気流を第１段１００のフレード型ブレード９０に向けて導くように作動可能である。前置ガイドベーン１１４は、フレードストリーム２６に流入する空気流の量を調量し、かつ空気流を第１フレード段１００の方向に向ける。空気流が第１フレード段１００を通って流れると、空気流は加圧される。第１フレード段１００から吐出された空気流は、空気流の方向を変えて空気流の回転速度成分を減少させるのを可能にする円周方向に間隔を置いて配置され中間ガイドベーン１１８の列１１６を通って流れる。その後、空気流は、第２フレード段１０４に向けて導かれる。空気流が第２フレード段１０４を通って流れると、空気流は加圧される。第２フレード段１０４から吐出された空気流は、空気流の方向を変えて空気流の回転速度成分を減少させるのを可能にする円周方向に間隔を置いて配置された後置ガイドベーン１２２の列１２０を通って流れる。その後、フレードストリーム２６は、フレードダクト１２４を通って下流方向に流れた後に排出される。従って、フレードストリーム２６は、利用できる高圧空気流の量を増加させ、従ってエンジン１６の全体性能及び／又はスラストを高めるのを可能にする。

上述のフレード型エンジンは、小さい直径のファン組立体を含む。ファン組立体は、第１の列のファンブレードに結合された第１及び第２の列のフレードを含む。複数段のフレードにより、エンジンが利用できる加圧空気流の量を増加させることが可能になる。従って、ファンブレードが生成することが必要な加圧空気の量が、減少する。その結果、ファン組立体の全体直径が縮小され、それによってエンジンの全体重量を軽減し、かつエンジンを取付けるのが一層容易になる。

以上、ファン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ファン組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各ファン組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してまた別個に利用することができる。例えば、各ファン組立体構成要素はまた、他のファン組立体構成要素と組合せて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なフレード型エンジンの概略図。 図１に示すフレード型エンジンの一部分の概略図。

符号の説明

１６ ガスタービンエンジン
１８ エンジン中心軸線
２０ フレード入口
２２ ファン入口
２６ フレードストリーム
２８ ファンストリーム
３０ ファンケーシング
３２ ファン組立体
４０ ファンブレード
５０ 第１ファン段
５４ 第２ファン段
６０ シュラウド
７４ ロータディスク
８０ スプリッタ
９０ フレード型ロータブレード
１００ 第１フレード段
１０４ 第２フレード段
１１４ 前置ガイドベーン
１１８ 中間ガイドベーン
１２２ 後置ガイドベーン
１２４ フレードダクト

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン（１６）用のファン組立体（３２）であって、
   ロータディスク（７４）から該ロータディスクの周りに延び、円周方向に配置されるように共に結合され、その各々が前縁（４２）及び後縁（４４）において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含み、かつ根元（４６）と先端（４８）との間で半径方向に延びる複数のファンブレード（４０）と、
   前記複数のファンブレード先端の少なくとも１つに結合され、かつ前記ロータディスクの周りで円周方向に延びる少なくとも１つのシュラウド（６０）と、
   前記少なくとも１つのシュラウドから半径方向外向きに延び、その各々が前縁（９２）及び後縁（９４）において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含む少なくとも１つの第１の列（１０２）のフレード型ロータブレード（９０、１００）と、
   前記少なくとも１つのシュラウドから半径方向外向きに延び、その各々が前縁（９２）及び後縁（９４）において互いに接合された第１の側壁及び第２の側壁を有する翼形部を含む少なくとも１つの第２の列のフレード型ロータブレード（９０、１０４）と、
   を含み、
   前記第１の列のフレード型ロータブレードは、前記第２の列のフレード型ロータブレードより上流に位置し、
   前記複数のファンブレード（４０）が、第１の列（５２）のファンブレード及び第２の列（５６）のファンブレードの形態で配置され、
   前記第１の列（５２）のファンブレード（４０）が第１の回転速度を有し、また前記第２の列（５６）のファンブレードが、前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度を有する
   ことを特徴とする、ファン組立体（３２）。
2. 前記少なくとも１つのシュラウド（６０）が、前記複数のブレード先端（４８）の各々の周りで円周方向に延びる環状部材を含む、請求項１記載のファン組立体（３２）。
3. 前記少なくとも１つのシュラウド（６０）が、前記第１の列（５２）のファンブレード（４０）の周りで円周方向に延びる、請求項１記載のファン組立体（３２）。
4. 前記第１（１０２）及び第２（１０４）の列のロータブレード（９０）間に結合された円周方向の列のステータ（１１８）をさらに含む、請求項３記載のファン組立体（３２）。
5. 請求項１に記載のファン組立体（３２）を含むガスタービンエンジン（１６）。
6. 前記少なくとも１つのシュラウド（６０）が、前記複数のブレード先端（４８）の各々の周りで円周方向に延びる環状部材を含む、請求項５記載のガスタービンエンジン（１６）。
7. 前記少なくとも１つのシュラウド（６０）が、前記第１の列（５２）のファンブレード（４０）の周りで円周方向に延びる、請求項５記載のガスタービンエンジン（１６）。
   

Images