JP5235327B2

JP5235327B2 - ファンブレード及びターボファンエンジン組立体

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Publication number: JP5235327B2
Application number: JP2007124182A
Authority: JP
Inventors: トーマス・オーリー・モニッツ; ジョルジ・フランシスコ・セダ; ジャスティン・ポール・スティーブンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-05-09
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Description

本発明は、総括的にはターボファンエンジンに関し、より具体的には、ターボファンエンジンの作動騒音レベルを低減するための方法及び装置に関する。

ターボファンガスタービンエンジンは一般的に、コアガスタービンエンジン及びバイパスダクトに空気を送るファン組立体を含む。コアガスタービンエンジンは、高圧圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は、ファン組立体から送られた空気流を加圧し、この加圧空気を燃焼器に送給し、燃焼器において、加圧空気は燃料と混合される。混合気は次に、点火されて高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機を駆動すると共に飛行中の航空機を推進するような有用な仕事を行う。

作動時に、ファンは、空気を下流方向にガスタービンエンジンに供給し、また排気ノズルを通して大きな速度で空気を押し出すことによってプロペラと同様に作動して、航空機に推力を提供する。従って、ファンから流出する空気流は、一般的にファンダクトストリーム及びコアダクトストリームと呼ばれる２つの異なる別々の通路内に分割される。より具体的には、ファンは、空気に対して旋回運動を与えた後にファンダクトを通して空気を送る。この旋回運動は、空気が排気ノズルから流出する前に運動量の損失を引き起こす可能性がある。従って、少なくとも幾つかの公知のターボファンエンジンは、バイパスダクトの前方に、空気旋回運動を減少させるのを可能にするためのステータベーンの組を含む。しかしながら、ステータベーンに衝突する空気流は、騒音放出の増大を引き起こす可能性がある。例えば、ファン空気は、そばを通るブレードの速度でステータベーンに衝突し、しばしばブレード通過帯域周波数（ＢＰＦ）と呼ばれる音を発生する。さらに、ファン流れにおける不安定性は、ステータと相互作用して広帯域騒音を生じる可能性がある。低レベルの燃料消費率で推力要件を増大させる要求に対処するために、より高いバイパス比を有するより大型のターボファンエンジンが製造されるにつれて、ファンは、エンジンから生じる騒音の主要な騒音源となっている。特に空港付近で暮らす住民のためにエンジン騒音レベルを制限又は低減する必要性に対する国際的認識が増すにつれて、ターボファンエンジンにおけるファン騒音を低減するための幾つかの試みが行われてきた。しかしながら、この重要な問題に対処する公知の試みは、エンジン重量の付加的増大のような明らかに望ましくない副次的悪影響を伴った、問題の根源に直接影響しない間接的救済策を含むものであった。
米国特許第４，１２８，３６３号公報米国特許第５，８０６，３０３号公報米国特許第６，００４，０９５号公報

従って、軽減の可能性がある総エンジン重量で所望の性能レベルを維持しながら、実質的に低下したレベルの騒音しか発生しないターボファンエンジンに対する必要性が存在する。

１つの態様では、ターボファンエンジンファンブレードを提供する。本ファンブレードは、ダブテールと、ダブテールに結合された翼形部と、ダブテールを貫通して延びる複数の空気流チャネルとを含み、翼形部は、前縁及び軸方向後縁において結合された第１の側壁と第２の側壁とを含み、空気流チャネルは、加圧空気流を受けかつファンブレード翼形部後縁の近くで加圧空気を吐出するように構成される。

別の態様では、ターボファンエンジン組立体を提供する。本ターボファンエンジン組立体は、複数のファンブレードを含む第１のファン組立体と、第１のファン組立体に結合されたタービンとを含み、ファンブレードの少なくとも１つは、ダブテールと、ダブテールに結合された翼形部と、ダブテールを貫通して延びる複数の空気流チャネルとを含み、翼形部は、前縁及び軸方向後縁において結合された第１の側壁と第２の側壁とを含み、空気流チャネルは、加圧空気流を受けかつ翼形部後縁の近くで加圧空気を吐出するように構成される。

さらにここでは、ターボファンエンジンを作動させる方法を開示する。この方法は、第１の回転方向に回転するように構成された第１のファンディスクを設ける段階と、第１のファンディスクに対してダブテール、ダブテールに結合された翼形部及びダブテールを貫通して延びる複数のチャネルを含む第１のファンブレードを結合する段階と、翼形部後縁から空気流を吐出するように少なくとも１つのファンブレードを通して空気流を送ってターボファンエンジンの作動騒音レベルを低減するのを可能にする段階とを含む。

図１は、長手方向中心軸線１６の周りに配置された前方ファン組立体１２と後方ファン組立体１４とを含む例示的なターボファンエンジン組立体１０の一部分の断面図である。本明細書では、「前方ファン」及び「後方ファン」という用語は、ファン組立体１２がファン組立体１４の軸方向上流に結合されることを示すために使用している。１つの実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、図に示すようにターボファンエンジン１０の前端部に置かれる。別の実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、ターボファンエンジン１０の後端部に置かれる。ファン組立体１２及び１４は各々、それぞれのロータディスク１３及び１５と、各それぞれのロータディスクに結合された複数のファンブレード１８及び２０とを含む。ファン組立体１２及び１４は各々、ナセル２２内に配置される。ターボファンエンジン組立体１０はまた、ブースタ圧縮機２４を含む。この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、複数のブレード列を有する半径方向内側ロータセクション２６と、複数のブレード列を有する逆方向回転（二重反転）型の半径方向外側ロータセクション２８とを含む。この例示的な実施形態では、内側ロータセクション２６は、前方ブースタアーム２９を介して前方ファン組立体１２に結合され、従って前方ファン組立体１２と同一の回転方向にかつ同一の回転速度で回転し、また外側ロータセクション２８は、後方ファン組立体ディスク３１を介して後方ファン組立体１４に結合され、従って後方ファン組立体１４と同一の回転速度でかつ同一の回転方向に回転する。この例示的な実施形態では、ブースタ２４は、該ブースタ２４がファン組立体１２とファン組立体１４との間に位置するように、前方ファン組立体１２の軸方向下流に配置される。

ターボファンエンジン１０はまた、ファン組立体１２及び１４の下流に位置したコアガスタービンエンジン３０を含む。コアガスタービンエンジン３０は、高圧圧縮機３２、燃焼器３４及び高圧タービン３６を含み、高圧タービン３６は、シャフト３８を介して高圧圧縮機３２に結合される。作動中、コアガスタービンエンジン３０は燃焼ガスを発生し、燃焼ガスは、下流方向に高圧タービン３６及び二重反転低圧タービン４０に送られ、二重反転低圧タービン４０は、ガスからエネルギーを取り出して、それぞれのシャフト４２及び４４を介してファン組立体１２及び１４を駆動する。

低圧タービン４０は、高圧タービン３６の下流でコアエンジン３０に結合された固定外側ケーシング５０を含む。低圧タービン４０はまた、外側ケーシング５０の半径方向内側に配置された半径方向外側ロータセクション５２を含む。外側ロータセクション５２は、ほぼ切頭円錐形状を有し、それぞれのロータディスク５６に結合されかつそれぞれのロータディスク５６から半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード５４を含む。この例示的な実施形態はただ４つのロータディスク５６を示しているが、外側ロータ５２は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、あらゆる数のロータディスク５６を有することができることを理解されたい。

低圧タービン４０はまた、外側ロータセクション５２に対してほぼ同軸に整列しかつ外側ロータセクション５２の半径方向内側に位置した半径方向内側ロータセクション６０を含む。内側ロータ６０は、それぞれのロータディスク６４に結合されかつそれぞれのロータディスク６４から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード６２を含む。この例示的な実施形態は、ただ５つのロータディスク６４を示しているが、内側ロータ６０は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、あらゆる数のロータディスク６４を有することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、内側ロータ６０は、シャフト４４を介して後方ファン組立体１４に対して回転可能に結合され、また内側ロータ６０に対して構造的支持を与えるタービン中間フレーム６６に対しても回転可能に結合される。外側ロータ５２は、シャフト４２を介して前方ファン組立体１２に対して回転可能に結合され、また外側ロータ５２に対して回転支持を与えるタービン後部フレーム６８に対しても回転可能に結合される。

この例示的な実施形態では、それぞれのロータディスク６４から延びる内側ロータブレード６２は、それぞれのロータディスク５６から延びる外側ロータブレード５４と軸方向にインタディジテイティッド状態で配置されて、内側ロータブレード６２がそれぞれの外側ロータブレード５４間で延びるようになる。従って、ブレード５４及び６２は、ロータ５２及び６０を二重反転させるように構成される。１つの好ましい実施形態では、低圧タービン外側ロータ５２、前方ファン組立体１２及びブースタ圧縮機内側ロータ２６は、第１の回転方向に回転するように構成され、また低圧タービン内側ロータ６０、ブースタ圧縮機外側ロータ２８及び後方ファン組立体１４は、第２の回転方向に回転するように構成される。

図２は、図１に示すターボファンエンジン組立体１０の前方部分の断面図である。図２に示すように、前方ファン組立体１２及びブースタ圧縮機内側ロータ２６は各々、第１のコーン７０を使用してシャフト４２に結合され、また第２のファン組立体１４及びブースタ圧縮機外側ロータ２８は、第２のコーン７２を使用してシャフト４４に結合される。より具体的には、コーン７０の前端部は、第１のファン組立体１２に結合され、コーン７０の後端部は、シャフト４２に結合される。さらに、コーン７２の前端部は、後方ファン組立体ディスク３１に結合され、コーン７２の軸方向後端部は、駆動シャフト４４に結合される。

この例示的な実施形態では、ターボファンエンジン１０はまた、後方ファン組立体１４及びブースタ圧縮機外側ロータ２８に対して半径方向の支持を与えるために使用される第１のファン軸受組立体８０を含む。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、第１のファン軸受組立体８０は、該第１のファン軸受組立体８０とターボファンエンジン組立体１０の例えばファンフレーム８４のような構造的構成要素との間に固定結合された軸受支持体８２を含む。ターボファンエンジン組立体１０はまた、前方ファン組立体１２及びブースタ圧縮機内側ロータ２６を支持するようにコーン７０とコーン７２との間に配置された第２のファン軸受組立体９０を含む。この例示的な実施形態では、軸受組立体９０は、前方及び後方ファン組立体１２、１４の両方を実質的に固定した軸方向位置に保持するのを可能にするような複数の転動体を含むスラスト軸受組立体である。

図３は、図１及び図２に示すファン組立体１２及び／又はファン組立体１４で使用することができる例示的なファンブレード１００の斜視図である。図４は、ファン組立体１２及び／又はファン組立体１４で使用することができる、図３に示すファンブレード１００の第２の実施形態の斜視図である。ファンブレード１００は、翼形部１０２と、これと一体形のダブテール１０４とを含み、ダブテール１０４は、ファン組立体１２及び／又はファン組立体１４（図１に示す）のようなファン組立体内にファンブレード１００を取り付けるために使用される。この例示的な実施形態では、本明細書に記載したファンブレードは、超塑性成形及び拡散接合（ＳＰＰ／ＤＢ）型のリブコア中空チタンファンブレードであり、このファンブレードは、より堅牢なファンブレードを形成しかつ同時に総エンジン重量を軽減するようにその根元において約５０％の中空である。さらに、ガスタービンエンジンは、ブレードプラットフォーム、スピナ及びブースタスプールにおける、漏洩を最少にするためのシール機構の改良を含む。

各翼形部１０２は、第１の輪郭側壁１１０と第２の輪郭側壁１１２とを含む。第１の側壁１１０は、凸面形であり、翼形部１０２の負圧側面を形成し、また第２の側壁１１２は、凹面形であり、翼形部１０２の正圧側面を形成する。側壁１１０及び１１２は、翼形部１０２の前縁１１４及びこれから軸方向に間隔を置いた後縁１１６において結合される。より具体的には、翼形部後縁１１６は、翼形部前縁１１４から翼弦方向かつ下流側に間隔を置いて配置される。第１及び第２の側壁１１０及び１１２は、それぞれダブテール１０４に隣接して位置したブレード根元１１８から翼形部先端１２０までスパンにわたって長手方向つまり半径方向外向きに延びる。ブレードプラットフォーム１２２は、ブレード根元１１８の上方に配置され、それぞれ第１及び第２の側壁１１０及び１１２から軸方向にかつ半径方向外向きに延びる。この例示的な実施形態では、各ファンブレード１００は、それに限定されないが、チタンのような金属材料を使用して製作される。別の実施形態では、各ファンブレード１００は、複合材料を使用して製作される。さらに別の実施形態では、各ファンブレード１００は、金属フレーム内に埋め込んだ複合材料を使用して製作される。

図３及び図４に示すように、ファンブレード１００は、翼形部１０２を通して空気流を送りかつ翼形部後縁１１６の近くに形成された複数の後縁開口１３０を通して空気流を吐出することができるように実質的に中空であり、加圧空気をファンブレード後縁に導入しかつウェーク（後流）を補充し、従って不安定なロータ後流／ステータ相互作用を低減及び／又は排除し、従ってターボファンエンジン組立体１０によって発生される対応する騒音を低減するのを可能にすることができる。より具体的には、翼形部１０２は、複数のリブ又はスティフナ１３２を含み、これらのスティフナ１３２は、複数の空気流チャネル１３４が少なくとも幾つかの隣接するスティフナ１３２間に形成されるように、第１の側壁１１０と第２の側壁１１２との間に結合される。従って、空気流チャネル１３４は、翼形部１０２内で側壁１１０、側壁１１２及びスティフナ１３２間に形成される。

例えば、翼形部１０２は、ファンブレード１００内に鋳込まれる中子（図示せず）を用いて製作することができる。中子は、中子型（図示せず）内に液状セラミック及び黒鉛スラリーを射出することにより製作することができる。スラリーを加熱して、固体セラミックプレナム中子を形成する。中子は、ファンブレード型（図示せず）内に吊下され、高温ワックスがセラミック中子を取り囲むようにファンブレード型内に射出される。高温ワックスは、凝固し、ブレードプラットフォーム内に吊下されたセラミック中子を有するファンブレードを形成する。セラミック中子を有するワックスファンブレードは次に、セラミックスラリー内に浸漬され、かつ乾燥される。この作業は、ワックスファンブレード上にシェルが形成されるように数回繰り返される。次に、ワックスがシェルから融かし出されて、その内部に中子が吊下された型が残り、この型内に溶融金属が注入される。金属が凝固した後に、シェルを破壊して取り除きかつ中子を除去して、複数のリブ又はスティフナ１３２と第１及び第２の側壁１１０及び１１２並びにスティフナ１３２間に形成された複数の空気流チャネル１３４とを含むファンブレード１００が形成される。別の実施形態では、空気流チャネル１３４及び／又は後縁開口１３０の１つ又は全ては、ドリル加工によって形成することができる。

ファンブレード１００はまた、翼形部１０２の外表面から少なくとも部分的に翼形部１０２を貫通して延びる空気流入口１４０を含む。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、翼形部入口１４０は、該翼形部入口１４０を通して空気流を複数のチャネル１３４内に送ることができるように、第２の側壁１１２を貫通して形成される。この例示的な実施形態では、翼形部１０２は、空気流を複数のチャネル１３４内に送るような寸法にされた単一の翼形部入口開口１４０を含む。任意選択的に、翼形部１０２は、各それぞれの開口１４０がそれぞれのチャネル１３４内に空気流を送るように構成された複数の翼形部入口開口１４０を含む。図３及び図４に示すように、各チャネル１３４は、空気流入口１４０から翼形部１０２の少なくとも一部分を貫通して半径方向外向きに延びる。各チャネル１３４は次に、後縁１１６に向って軸方向後向きに延び、空気流は次に、複数の後縁開口１３０を通して送られる。

具体的には、またこの例示的な実施形態では、各それぞれのチャネル１３４は、所定の空気流ボリュームがそれぞれのチャネル１３４を通して送られかつ各後縁開口１３０から吐出されるように、また各後縁開口１３０から吐出される空気流ボリュームが他の後縁開口１３０から吐出される空気流ボリュームとほぼ等しくなるように、所定の数の後縁開口１３０と流れ連通状態になっている。

例えば、図３及び図４に示すように、各それぞれの通路１３４は、複数の後縁開口１３０を通して空気流を送るように構成される。任意選択的に、各それぞれのチャネル１３４と関連した後縁開口１３０の数は、後縁１１６を通過して送られる空気流ボリュームを調整して騒音低減をさらに改善するように変化させることができる。例えば、半径方向外側のチャネル１３４は、５つ又はそれ以上の開口１３０と流れ連通状態にすることができ、他方、半径方向内側のチャネル１３４は、４つ又はそれ以下の開口１３０と流れ連通状態にして、後縁開口１３０から吐出される空気流ボリュームを変化させるのを可能にすることができる。

図５は、ブレードに沿ったブレード先端付近の平面内で回転させた翼形部断面の平面図である。この拡大図は、ブレード内の空洞並びにブレード後縁への供給孔を示している。これらの孔は、翼弦方向に設置され、翼形部後縁において又は翼形部後縁に隣接して出口を有することができる。各ブレードの後縁に示す一連の矢印は、これらの孔を表している。

図６は、通常作動時におけるファンブレード１００を含むターボファンエンジン組立体１０の一部分の概略図である。作動中、ファン組立体１２から吐出された空気流は、ブースタ圧縮機２４を通って下流方向に送られる。ブースタ圧縮機２４から吐出された空気流の第１の部分１５０は、送られてきた空気流を翼形部入口１４０を介してファンブレード１００内に向ける複数のファンブレードルーバ１４１を通して通路１３４内に供給され、空気流は次に、図３、図４及び図５に示す後縁開口１３０を介してファンブレード１００から吐出される。

ファン組立体１２及び／又は１４から吐出された空気流の第２の部分１５２は次に、出口案内ベーン組立体１５４を通って後方ファン組立体ディスク３１と軸受支持体８２との間に形成された通路１５６内に送られる。より具体的には、空気流の第２の部分１５２は、空気流がファン組立体１２の方向に向けられるように、通路１５６を通って軸方向前方に送られる。空気流の第２の部分１５２をファン組立体１２に送るのを可能にするために、ターボファンエンジン組立体１０はまた、シール支持構造体１６０、シール支持構造体１６０と前方ブースタアーム２９との間に結合されたラビリンスシール１６２、後方ファン組立体ディスク３１を貫通して形成された少なくとも１つの好ましくは複数の開口１６４、及びシール支持構造体１６０を貫通して形成された第２の複数の開口１６６を含む。作動時に、第２の空気流部分１５２は、通路１５６から開口１６４を通って、後方ファン組立体ディスク３１とシール支持構造体１６０との間に形成された空洞１７０内に送られる。第２の空気流部分１５２は次に、空洞１７０から、開口１６６を通りまたブースタアーム２９を貫通して形成された複数の開口１７２を通して、ファンブレード１００の開口１４０内に吐出される。翼形部入口１４０を介してファンブレード１００内に送られた第２の空気流部分１５２は次に、図３、図４及び図５に示す後縁開口１３０を介してファンブレード１００から吐出される。

この例示的な実施形態では、前方ファン１２及び／又は後方ファン１４は各々、少なくとも１つのファンブレード１００を含むことができる。例えば、前方ファン１２又は後方ファン１４が各々、ｒ個のファンブレードを含むと仮定すると、各ファン組立体は、ｍ個の公知のファンブレードとｎ個のファンブレード１００とを含むことができ、この場合、ｍ＋ｎ＝ｒである。任意選択的に、ファン組立体１２及び／又はファン組立体１４は、ｎ個のファンブレード１００を含むように組み立てることができ、この場合、ｎ＝ｒである。

従って、エンジン騒音を低減するのを可能にするために、ブースタ吐出空気は、約２３０°Ｆよりも低い温度において全ファン空気の約１．２％の比率でファンフレーム支柱を通して抽気される。空気は次に、ターボファンエンジンの固定構造体を通して送られ、加圧空気は次に、ファン組立体内に送られ、ファンブレードダブテール内に向けられる。加圧空気は次に、ファンブレードの中心部を上方に進み、次に後方に進み、ブレードの後縁から外に出る。より具体的には、ファンフレームハブ支柱を通過する空気は、前方サンプ及び軸受ハウジングを囲む固定二重壁プレナム内に吐出される。プレナムの前端部には、回転シールが設置される。この例示的な実施形態では、シールは、ラビリンスシール（図示したような）である。任意選択的に、シールは、ブラシシール又はアスピレーションシールのいずれかとすることができる。加圧空気は次に、ディスクポストスロットを通してブレードダブテールの下方に送られる。従って、ファン組立体は、少なくとも幾つかのファンブレード１００を含む、つまり、少なくとも幾つかの公知のファンブレードが、複合材ラップ又はその他の等価の設計による中空鍛造チタンスパーファンブレードを使用して製作されたファンブレード１００で置き換えられる。

図７は、図１及び図２に示すファン組立体１２及び／又はファン組立体１４で使用することができる例示的なファンブレード２００の斜視図である。ファンブレード２００は、実質的にファンブレード１００と同様である。従って、ファンブレード２００の同様な特徴部は、ファンブレード１００に対して使用したのと同一の参照符号を用いて符号付けすることにする。ファンブレード２００は、翼形部１０２及びこれと一体形のダブテール１０４を含み、ダブテール１０４は、ロータディスク１３及び／又はロータディスク１５（図１に示す）のようなロータディスクに対してファンブレード２００を取り付けるために使用される。

ファンブレード１００と同様に、各ファンブレード２００の全体的な構成は、プラットフォーム１２２又はダブテール１０４を備えた状態或いは備えていない状態のあらゆる従来型の形態を取ることができる。それに代えて、例えば、ファンブレード２００は、別個のかつ取外し可能なダブテール１０４を備えていない従来からブリスクと呼ばれてきた１つの組立体として、ディスク１３及び／又はディスク１５と一体形に形成することができる。この例示的な実施形態では、各ファンブレード２００は、それに限定されないが、チタンのような金属材料を使用して製作される。別の実施形態では、各ファンブレード２００は、複合材料を使用して製作される。さらに別の実施形態では、各ファンブレード２００は、金属フレーム内に埋め込んだ複合材料を使用して製作される。

図７に示すように、ファンブレード２００は、ダブテール１０４の下面２４２から少なくとも部分的に翼形部１０２を貫通して延びる空気流入口２４０を含む。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、翼形部入口２４０は、該翼形部入口２４０を通してまたダブテール１０４を通して複数のチャネル１３４内に空気流を送ることができるように、ダブテール１０４を貫通して半径方向に形成される。この例示的な実施形態では、ファンブレード２００は、複数の開口２４０を含み、各それぞれの開口２４０は、それぞれのチャネル１３４内に空気流を送るように構成される。任意選択的に、ファンブレード２００は、空気流を複数のチャネル１３４内に送るような寸法にされた単一の開口２４０を含む。図７に示すように、各チャネル１３４は、開口２４０から翼形部１０２の少なくとも一部分を貫通して半径方向外向きに延びる。各チャネル１３４は次に、後縁１１６に向って軸方向後向きに延び、空気流は次に、複数の後縁開口１３０を通して送られる。

図６と同様に、図８は、通常作動時における少なくとも幾つかのファンブレード２００を含むターボファンエンジン組立体１０の一部分の概略図である。作動中、ファン組立体１２から吐出された空気流は、ブースタ圧縮機２４を通って下流方向に送られる。ブースタ圧縮機２４から吐出された空気流の第１の部分１５０は、翼形部入口２４０を介してファンブレード２００内に送られ、次に後縁開口１３０を介してファンブレード２００から吐出される。ファン組立体１２から吐出された空気流の第２の部分１５２は、シール支持構造体１６０と前方ブースタアーム２９との間に形成された通路２５０内に流入する。第２の部分は次に、翼形部入口２４０を介してファンブレード２００内に送られ、次に後縁開口１３０を介してファンブレード２００から吐出される。

この例示的な実施形態では、前方ファン１２及び／又は後方ファン１４は各々、少なくとも１つのファンブレード２００を含むことができる。例えば、ファン組立体１２又はファン組立体１４が各々、ｒ個のファンブレードを含むと仮定すると、各ファン組立体は、ｍ個の公知のファンブレードとｎ個のファンブレード２００とを含むことができ、この場合、ｍ＋ｎ＝ｒである。任意選択的に、ファン組立体１２及び／又はファン組立体１４は、ｎ個のファンブレード２００を含むように組み立てることができ、この場合、ｎ＝ｒである。

以上において、ターボファンファンブレードの例示的な実施形態を詳述している。ターボファンファンブレードは、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、むしろファンブレードは、エンジン騒音を低減するのを可能にするために広汎なターボファンエンジンで使用することができる。例えば、この例示的な実施形態は、二重反転ファン組立体に結合された二重反転タービンを含むターボファンエンジンを示しているが、本明細書に記載したファンブレードはまた、二重反転式でないターボファンエンジンファン組立体にも使用することができることを理解されたい。さらに、幾つかの公知のガスタービンエンジンにおけるファンブレード後縁ブローイング（吹き出し）の初期分析は、それぞれ２．５６実効知覚騒音レベル (ＥＰＮｄＢ)及び３．５４ＥＰＮｄＢの騒音累積マージンにおける改善を示した。本方法は、重量、コスト及び複雑さを最少にするようにするために現存の技術を組み込んでおり、また約０．６５〜０．８５ポイントだけファン効率を改善する。この研究の結果により、本システムは最新式の二重反転ファンエンジンに適用することができることが実証された。

上に論じたように、少なくとも幾つかの公知のターボファンエンジンは、性能を改善するために幅広翼弦ファンブレードを組み込んでいるが、全エンジン騒音レベルを低減すためにファンブレード設計において後縁ブローイングを組み込んだターボファンエンジンは知られていない。具体的には、本明細書に記載したのは、従来型のダブテールを備えた第１のファンブレード列を含む高バイパスターボファンエンジンである。第１のファンブレード列の下流に結合されているのは、４段のインタディジテイティッド二重反転ブースタである。ブースタ圧縮機の下流には、第２のファンブレード列が設けられる。この例示的な実施形態では、ファンブレードは、中実の複合材料を使用して製作され、後縁ブローイングを行うための手段は何ら備えていない。この構成では、ブースタ吐出空気は、ファンブレードの両方の列に供給するのに十分な空気圧源であると見なせる。ブースタは、必要なファン流量を提供するために４０％オーバサイズにされる。

作動時に、ブースタ吐出空気は、全ファン空気の約２．０％の比率で第２段ブレードのシャンク内の外側コアストリーム流路から抽気される。この空気は、ファンブレードシャンクを通してファンロータ内に供給される。このブレードは、該ブレードを貫通したこれらの空洞を形成するリブコア構造又はその他の構成を備えた中空のチタンである。リブは、空気をブレード後縁に送給する通路を形成する。ブレードシャンクの一方の側面上に設けられたスロットは、空気がブレードの中心部に入ることを可能にする。空気は、ブレードの中心部を上方に進み、次に後方に進み、ブレードの後縁から外に出る。

第１のファンブレード列の場合には、ブースタ吐出空気は、ファンモジュールブースタ出口案内ベーンの内径から抽気される。第１のファンブレード列はまた、抽気を捕捉すると共にベーンの構造的一体性を維持する一連のルーバを含む。抽気は、第２段ファンディスクと＃１軸受支持体との間を全ファン空気の約１．５％の比率で送られる。ディスク前方のファンディスクトルクアーム内に、孔の列が設けられる。段間シールが、ロータ間での圧力損失を最少化する。前方ブースタアーム内に孔が設けられる。空気が第１段ファンに達すると、空気は、同様な方式でチタンブレード内を通過して、後縁から流出する。ファン及びブースタ空気からターボファンエンジンの部分をシールするのを可能にし、従って空気をファンブレードに送るために、ターボファンエンジンは、シール作用要件に基づいて図示したようなラビリンスシール、ブラシシール及び／又はアスピレーションシールとすることができる二重反転段間シールを含む。

この実施形態では、ファンブレードは、超塑性成形及び拡散接合（ＳＰＰ／ＤＢ）型のリブコア中空チタンファンブレードを使用して製作され、また該ファンブレードが根元において約５０％の中空になるように製作される。従って、ファンブレードは、公知のファンブレードと比べて寸法変更されており、ダブテール、ディスク及びこの構成のための拘束機構は、より堅牢なブレード構成を形成するように変更され、その結果、漏洩を最少にするためのブレードプラットフォーム、スピナ及びブースタスプールにおけるシール機構の改良を含むエンジンの総重量は軽減される。

その結果、幾つかの公知のガスタービンエンジンにおけるファンブレード後縁ブローイングの初期分析は、それぞれ２．５６実効知覚騒音レベル (ＥＰＮｄＢ)及び３．５４ＥＰＮｄＢの騒音累積マージンにおける改善を示し、また約０．６５〜０．８５ポイントだけファン効率を改善する。本方法は、重量、コスト及び複雑さを最少にするようにするために現存の技術を組み込んでいる。この研究の結果により、本システムは最新式の二重反転ファンエンジンに適用することができることが実証された。

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、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なターボファンエンジンの断面図。図１に示すターボファンエンジンの一部分の断面図。図１及び図２に示すターボファンエンジンで使用することができる例示的なファンブレードの斜視図。図１及び図２に示すターボファンエンジンで使用することができる別の例示的なファンブレードの斜視図。図３及び図４に示すファンブレードの平面図。通常作動時における、図３及び図４に示すファンブレードと同様なファンブレードを含む図１に示すターボファンエンジン組立体の一部分の断面図。図１及び図２に示すファン組立体で使用することができる別の例示的なファンブレードの斜視図。通常作動時における、図７に示すファンブレードと同様なファンブレードを含む図１に示すターボファンエンジン組立体の一部分の断面図。

符号の説明

１０ターボファンエンジン組立体
１２ファン組立体
１３ロータディスク
１４ファン組立体
１５ロータディスク
１６長手方向中心軸線
１８ファンブレード
２０ファンブレード
２２ナセル
２４ブースタ圧縮機
２６ブースタ圧縮機内側ロータ
２８ブースタ圧縮機外側ロータ
２９前方ブースタアーム
３０コアガスタービンエンジン
３１後方ファン組立体ディスク
３２高圧圧縮機
３４燃焼器
３６高圧タービン
３８シャフト
４０低圧タービン
４２シャフト
４４シャフト
５０外側ケーシング
５２外側ロータ
５４外側ロータブレード
５６ロータディスク
６０内側ロータ
６２内側ロータブレード
６４ロータディスク
６６タービン中間フレーム
６８タービン後部フレーム
７０コーン
７２コーン
８０第１のファン軸受組立体
８２軸受支持体
８４ファンフレーム
９０第２のファン軸受組立体
１００ファンブレード
１０２翼形部
１０４ダブテール
１１０第１の側壁
１１２第２の側壁
１１４前縁
１１６後縁
１１８ブレード根元
１２０翼形部先端
１２２プラットフォーム
１３０後縁開口
１３２スティフナ
１３４翼形部チャネル
１４０翼形部入口開口
１４１ファンブレードルーバ
１５０第１の部分
１５２第２の部分
１５４出口案内ベーン組立体
１５６通路
１６０シール支持構造体
１６２ラビリンスシール
１６４第１の開口
１６６第２の開口
１７０空洞
１７２開口
２００ファンブレード
２４０翼形部入口
２４２下面
２５０通路

Claims

ターボファンエンジンファンブレード（１００）であって、
前縁（１１４）及び後縁（１１６）において結合された第１の側壁（１１０）と第２の側壁（１１２）とを含む翼形部（１０２）と、
前記第１及び第２の側壁間に配置された複数の空気流チャネル（１３４）と、を含み、
前記空気流チャネルが、前記翼形部の底部に近い位置において加圧空気流を受けかつ該ファンブレードの前記翼形部後縁の近くで加圧空気流を吐出するように構成され、
前記翼形部（１０２）が、前記第１及び第２の側壁（１１０、１１２）間で延びる複数のスティフナ（１３２）を含み、
前記空気流チャネル（１３４）の少なくとも１つが、２つの隣接するスティフナ間に形成され、
前記翼形部（１０２）が、空気流がそれを通して前記複数のチャネル（１３４）内に送られるように前記第１の側壁（１１０）を貫通して延びる入口開口（１４０）をさらに含む
ことを特徴とする、ファンブレード（１００）。
前記翼形部（１０２）が、根元（１１８）と先端（１２０）とを含み、
各前記空気流チャネル（１３４）が、前記根元から少なくとも部分的に前記先端に向って半径方向外向きに延びる、
請求項１記載のファンブレード（１００）。
前記空気流チャネル（１３４）が、前記翼形部後縁（１１６）に向って軸方向後向きにさらに延びる、請求項２記載のファンブレード（１００）。
前記翼形部（１０２）が、前記入口開口（１４０）から前記複数のチャネル（１３４）内に加圧空気を送るように構成された複数のルーバ（１４１）をさらに含む、請求項１記載のファンブレード（１００）。
該ファンブレードが、前記翼形部（１０２）に結合されたダブテール（１０４）をさらに含み、
前記ダブテールが、該ダブテールを貫通してほぼ半径方向に延びる少なくとも１つの入口開口（１４０）を含み、
前記入口開口が、前記複数のチャネル（１３４）と流れ連通状態になっている、
請求項１記載のファンブレード（１００）。
前記翼形部（１０２）が、チタン及び複合材料の少なくとも1つを含む、請求項１記載のファンブレード（１００）。
複数のファンブレード（１００）を含む第１のファン組立体（１２）と、
前記第１のファン組立体に結合された第１のタービン（３６、４０）と、
を含み、前記ファンブレードの少なくとも１つが、
前縁（１１４）及び後縁（１１６）においてその各々が結合された第１の側壁（１１０）と第２の側壁（１１２）とを含む翼形部（１０２）と、
前記第１及び第２の側壁間に配置された複数の空気流チャネル（１３４）と、を含み、
前記空気流チャネルが、前記翼形部の底部に近い位置において加圧空気流を受けかつ前記ファンブレード翼形部後縁の近くで加圧空気流を吐出するように構成され、
前記翼形部（１０２）が、前記第１及び第２の側壁（１１０、１１２）間で延びる複数のスティフナ（１３２）を含み、
前記空気流チャネル（１３４）の少なくとも１つが、２つの隣接するスティフナ間に形成され、
前記翼形部（１０２）が、空気流がそれを通して前記複数のチャネル（１３４）内に送られるように前記第１の側壁（１１０）を貫通して延びる入口開口（１４０）をさらに含む
ことを特徴とする、ターボファンエンジン組立体（１０）。