JP5290484B2 - 輪郭が一致するプラットホームのファンブレード - Google Patents

Description

本発明は一般的に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のファンに関する。

旅客機は、一般的にターボファンガスタービンエンジンによって動力を与えられる。大きなファンブレード列が、ロータディスクによって環状ナセルの中に支持される。エンジンはファンに動力を与え、推力を生み出して飛行中の航空機に動力を供給する。

ファンブレードは、最初に周囲空気を受け入れるので、飛行中に鳥を吸い込むことにより生じるような異物損傷を受けやすい。ファンブレードは比較的大きく、運転中回転により、かなりの大きさの遠心力を発生する。たとえ１つのファンブレードであっても、ブレードが保持ディスクから離脱する故障が生じると、そのブレードはエンジンから半径方向外方へ飛び出す。

従って、ファンブレード列を取囲むファンケーシングは、一般に飛び出したブレードのエネルギーを吸収し、さもなければエンジンから放出されてしまうことからブレードを閉じ込めるブレード閉込めシールドを備える。

このようなブレード外れ状態の故障では、ブレードは実際には瞬間的に飛び出すとはいえ、短い瞬間はブレード列の次の、即ち後続のブレードの回転移動方向内にある。次いで、飛び出したブレードは後続ブレードに衝突し、それに損傷を与える。

飛び出したブレードの離脱は、ロータ不均衡、及び支持構造によって適切に対応されねばならないそれに応じた不均衡荷重を発生する。１つまたはそれ以上の後続ブレードへのさらなる損傷はまた、ロータ不均衡に影響を及ぼし、かなり大きい二次損傷を引起こす可能性がある。

発明が解決しようとする課題

従って、ブレード外れ故障状態による損傷が少ないガスタービンエンジンファンの提供が望まれている。

課題を解決するための手段

ファンブレードは、根元及び一体型プラットホームを有する翼形部を備える。プラットホームは、先方及び後方端部とその間に弓状の第１側及び第２側部を備える。翼形部根元は、プラットホーム第２側部よりも第１側部に近接するように横方向にオフセットされる。従って、ブレード外れ故障の際の後続ブレードへの衝突荷重は、後続ブレードのピーク荷重及び後続ブレードへの損傷を減少させるように分散される。

本発明を、好ましい例示的な実施形態により、そのさらなる目的及び利点と併せて、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明によって具体的に説明する。

図１に示されるのは、飛行中の航空機に動力を与えるように構成されたターボファンガスタービンエンジンのファン１０の一部である。ファン１０は縦方向、即ち軸方向中心軸線の周りに軸対称であり、支持ロータディスク１４から半径方向外方に延びる複数のロータブレード１２を備える。ファンは、環状ナセルの内部に配置されており、ナセル内には、ファンブレードが支持ディスクから離脱するブレード外れ状態の故障の際に、エネルギーを吸収しファンブレード１２を閉じ込めるように環状ファン閉込めシールドが配置される。

図１及び図２に示すブレード１２の各々は、一体型プラットホーム２０から単体即ち一体型構造で半径方向外方に延びる翼形部１８を備える。

図２及び図３に示すように、各翼形部１８は、そのスパンの両端における根元２６から先端２８まで半径方向に延びる軸方向に対向する前縁及び後縁２２，２４を備える。翼形部はまた、前縁及び後縁の間と根元及び先端の間に延びる、第１の全体的に凹状の正圧側面３０と円周方向に対向する第２の全体的に凸状の負圧側面３２とを備える。

第３図に最もよく示されているように、各プラットホームは、その根元２６において翼形部と一体型に結合され、また各プラットホームは、軸方向前方及び後方の縁部あるいは端部３４，３６を持ち、これら端部は、本発明により全体的に弓状である円周方向に対向する第１及び第２側部あるいは側縁３８，４０の間に延びる。

また、本発明によれば、翼形部根元２６は、プラットホーム第２側部４０よりも第１側部３８に近接するように円周方向即ち横方向にオフセットされる。

図２に当初示したとおり、ディスク１４は反時計方向に回転されて、隣接する翼形部１８の間に空気４２を導く。図１に示すように、空気４２は、前縁２２から後縁２４へ軸方向後方に向って流れ、翼形部側面３０，３２の湾曲即ちキャンバによる翼形部の空気力学的輪郭により加圧される。

図３に示すように、翼形部が支持ディスク上で図３では右から左へである反時計方向に回転するとき、空気４２は、隣接する翼形部間を軸方向後方に向って流れる。従って、翼形部正圧側面３０は、ブレードがディスクとともに回転するとき、対応する負圧側面３２より円周方向において先行する。それに応じて、プラットホーム第１側部３８は、ブレード及びディスクの回転方向に関して後側部を構成するプラットホーム第２側部４０より先行する前側部を構成する。

図３は、ファンブレードのうちの１つが支持ディスクから離脱し、遠心力によって半径方向外方に飛び出す例示的なブレード外れ事故を概略的に図示している。このことは、図４にさらに詳細に示され、そこでは、遠心力がＦとして示され、回転中にファンブレードを半径方向外方に飛び出させる。

ブレードは支持ディスクからは離脱するが、ブレードは、ファンから完全に飛び出し、一般的には図１に示すシールド１６内に閉じ込められるまでは、後続ブレードの円周方向回転通路内にある。しかしながら、図４にまず第１に示すようなブレードの離脱の合間、図５により詳細に示すとおり、直ぐ次に隣接する後続ブレードが離脱したブレードに衝突する。

再び図４を参照すれば、翼形部１８をプラットホームの前側部３８に向かって横方向にオフセットすることによって、プラットホームの対応する後側部４０が後続ブレードの正圧側面３０により近接する。ブレード外れ故障の場合、離脱したプラットホームの後側部４０は、後続翼形部の正圧側面３０に比較的近接しているので、後続翼形部の正圧側面により早く衝突する。

従って、この衝突は、図４に示すようにファンの軸方向中心線から測定される比較的小さい即ち下方の半径Ａで起き、この位置はプラットホームに近接する翼形部のスパンの下方端に相当する。翼形部のこの位置では、翼形部断面は、比較的厚く、翼形部が厚さを減少させながら先細になっているスパンに沿う外側寄り位置におけるよりも実質的により強靭である。

このようにして、衝突荷重は、最初に翼形部スパンのうち強靭な下方部分によって受け止められ、ブレード外れの際の翼形部に対する初期衝突損傷が軽減される。

図５に示すように、プラットホーム後側部４０は、軸方向の弓状輪郭において翼形部正圧側面３０に一致していることが好ましい。このように、各ブレードのプラットホーム後側部４０は、輪郭において直ぐ次に隣接する後続ブレードの翼形部正圧側面３０と一致し、それによりブレード外れ故障の際に、対応する衝突部位が翼形部の弦方向に沿って比較的長くなり、衝突荷重を分散し、それによって衝突損傷を軽減させる。

従って、列内のファンブレードのうちの１つがその支持ディスクから半径方向外方に飛び出すブレード外れ故障の際に、ファンの損傷の実質的な減少が得られる。個々のブレード１２の翼形部１８は、回転方向に一体型プラットホーム２０のそれぞれの後側部４０から遠ざかるように円周方向にオフセットされている。プラットホーム後側部４０はさらに、輪郭において円周方向に後続の翼形部のそれぞれの正圧側面３０に一致し、遠心力によりブレードのうちの何れか１つが飛び出した際に、それらの間の接触荷重を軸方向に分散する。

図４及び図５に示すように、プラットホーム後側部４０は、輪郭において、半径方向に翼形部の対応する根元部２６と翼形部のスパン中央部との間で翼形部正圧側面３０に一致するのが好ましい。一致する輪郭は、スパン中央部よりも、翼形部が最も厚い翼形部根元により近くすることが好ましい。

図５に示すように、翼形部正圧側面３０は、前縁及び後縁２２，２４の間で全体的に凹状であり、またプラットホーム後側部４０は、好ましくは、ブレード間で翼形部正圧側面３０と相補形の凸状である。プラットホーム後側部４０は、後縁２４よりも前縁２２のより近くで翼形部正圧側面に輪郭が一致していることが好ましい。

図３に示すように、ファンブレードは、一般的にその根元と先端との間でかなりの大きさのねじれ角Ｂを備える。ねじれ角Ｂは、前縁２２における翼形部先端２８がブレードの円周方向回転方向で後縁２４に先行している状態で、先端及び根元部の間の対応する翼弦線の間に形成される。従って、各プラットホーム後側部４０は、輪郭または軸方向湾曲において、対応する翼形部根元２６と前縁２２の両方の近くで翼形部正圧側面３０に一致するのが好ましい。

図４と図５は、例示的な離脱したプラットホームの後側部４０の次の後続ブレードとの衝突を例示的に示している。図５に示すように、プラットホーム後側部４０は、予測される衝突部位における翼形部正圧側面３０の相補形の全体的に凹状の湾曲に輪郭がほぼ合致あるいは一致するように予め選ばれた全体的に凸状の湾曲を有する。上記のように、衝突は、比較的翼形部根元に近接し、主として翼形部前縁近くで、前縁から後方へ向ってほぼ翼形部の翼弦中央部までで起きる。

図３は、翼形部の前縁領域が離脱したプラットホームに最初に衝突する原因となり得る翼形部の空気力学的なねじれをより詳細に示しており、翼形部の後縁領域は回転方向から遠ざかるように傾いた状態にある。後縁領域は、このように飛び出したブレードによって衝突され難く、それ故にプラットホームの後方部分は、側部輪郭において、翼形部正圧側面の後退している後方部分に一致させる必要性は幾らかあるにしても殆どない。

図３に示されるファンブレードは、互いに近接して組立てられ、かつ比較的大きいねじれを持つ翼形部を備えているので、プラットホーム後側部４０に与えることができる湾曲の大きさは、個々のブレードを隣接するブレード間の所定の位置に組立てることができるか否かによって制限される。それ故に、プラットホーム後側部の輪郭は、隣接する翼形部による妨害あるいは干渉なしに組立てることが可能なように、隣接する正圧側面の対応する凹状輪郭よりも浅い輪郭を持つ。

プラットホーム後側部４０の所望の輪郭が選ばれると、次に対応するプラットホーム前側部３８の輪郭を、次ぎの隣接するプラットホームのプラットホーム後側部４０に一致するように決定し、それらの間を比較的小さい円周方向の間隙とし運転中に間隙を通り抜ける漏洩空気を減少させることができる。従って、プラットホーム後側部４０は、翼形部正圧側面の予測される衝突部位に一致するように構成され、次に相補形のプラットホーム前側部３８は、次の隣接するプラットホームのプラットホーム後側部に輪郭が合致するように構成される。

図３は、どのようにして、次ぎにファンブレード１２のうちの１つが、隣接するプラットホーム間の所定の位置にねじられて半径方向に落し込まれることによって、２つの既に取り付けられているファンブレード間に組み立てられることができるかを概略的に示す。ブレードプラットホームのかなりの大きさの湾曲を考慮して、組み立て工程では、個々のブレードは、ファンブレードに普通見られるように軸方向に挿入されるのではなく、所定の位置に半径方向に落し込まれることが必要である。

図１に示す好ましい実施形態では、ディスク１４は、共通のハブ４６から外方に延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された環状リム４４を備える。

それに応じて、各ファンフレードはまた、プラットホーム２０から半径方向内方にかつ対応する翼形部１８の直下に延びる複数の固定支持タング４８を備えることが好ましい。軸方向に間隔を置いたタング４８は、対応するリム４４とインターディジタルに組み合わされて共有する貫通孔を備え、その孔にそれぞれの保持ピン５０が軸方向に貫通してブレードを支持リムに保持する。

個々のファンブレードのピン取り付けは、あらゆる通常のやり方で行うことができ、翼形部の積み重ね軸線が、オフセットしたプラットホームを介して半径方向内方に対応するタング中に延び、遠心荷重がディスクリム４４に受け止められる。このピン取り付け方式はまた、個々のブレードがディスクに組み立てられるのを妨げることなく、プラットホームの前側部及び後側部３８，４０のかなりの大きさの湾曲を可能にする。

ファンブレードにおいて通常の軸方向挿入ダブテール方式が実施されている別の実施形態（図示せず）では、プラットホームの側部の湾曲の大きさは、弓形のプラットホーム側部による妨害なしに、ディスク周辺部に形成された対応するダブテールスロットにダブテールを軸方向に噛み合わせることができるか否かによって制限される可能性がある。

輪郭が一致するオフセットプラットホームを備える改良されたファンブレードのブレード外れ試験が、部品試験及びフルエンジン試験で実施された。図２及び図４に示すように、故障クラック５２が、対応する保持ピン５０の位置においてブレードタング４８に発生した。運転速度で飛び出したブレードの離脱により、プラットホームの後続ブレードとの衝突にもかかわらず、後続ブレードのどの１つにも物質的損失は生じなかった。

改良されたプラットホームでは、衝突された後続ブレードからのさらなる物質的損失もなく、ブレード外れ損傷を離脱したブレードそれ自体に効果的に閉じ込めるので、その結果生じるロータの不均衡も制限される。それに応じて、ロータの不均衡荷重の影響を受けやすい他のロータ及びステータ部品に対する強度的な要求を軽減させることができ、エンジン全体の総重量及び複雑さも減少させることができる。このように、改善されたオフセット型輪郭一致プラットホームは、直接的な利点に加えて相乗的な利点をもたらす。

本明細書では、本発明の好ましい例示的な実施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明のその他の変形形態は本明細書の教示内容から当業者には明白であり、それ故に、本発明の技術思想及び技術的範囲に属する全てのかかる変形形態は、添付の特許請求の範囲で保護されることを望むものである。

従って、特許による保護を望むのは、特許請求の範囲に規定され特徴付けられた発明である。

本発明の例示的実施形態によるガスタービンエンジンのファンの軸方向断面図。 図１に示すファンの一部の、線２−２による前方から後方を見た半径方向図。 図２に示すファンの一部の、線３−３による上面部分断面図。 図３において飛び出したブレードの一部の、線４−４による正面立面図。 図４に示す飛び出したブレードと次ぎの後続ブレードとの、線５−５による上面断面図。

１０ ファン
１２ ブレード
１４ ディスク
１６ シールド
１８ 翼形部
２０ プラットホーム
２２ 前縁
２４ 後縁
２６ 根元
２８ 先端
３０ 正圧側面
３２ 負圧側面
４４ 環状リム
４６ ハブ
４８ タング
５０ 保持ピン

Claims (10)

1. プラットホーム（２０）に一体型に結合された根元（２６）を持ち、その根元（２６）から先端（２８）まで延びる前縁及び後縁（２２，２４）とそれらの間に延びる対向する正圧側の第１側面（３０）及び負圧側の第２側面（３２）とを備える翼形部（１８）を含むファンブレード（１２）であって、
   前記プラットホームは、前方及び後方端部（３４，３６）とそれらの間に延びる弓状の前側の第１側部（３８）及び後側の第２側部（４０）とを有し、
   前記翼形部根元（２６）は、前記プラットホーム第２側部（４０）よりも前記第１側部（３８）に近接するように横方向にオフセットされており、
   前記プラットホーム第２側部（４０）は、前記翼形部第１側面（３０）と後縁（２４）よりも前縁（２２）の近くで輪郭が一致している、
   ファンブレード（１２）。
   
2. 前記プラットホーム第２側部（４０）は、前記翼形部の前記根元（２６）と前記翼形部のスパン中央部との間の前記翼形部第１側面（３０）と輪郭が一致している、請求項１記載のブレード。
   
3. 前記プラットホーム第２側部（４０）は、前記スパン中央部よりも前記根元（２６）の近くの前記翼形部第１側面と輪郭が一致している、請求項２記載のブレード。
   
4. 前記翼形部第１側面（３０）が前縁（２２）と後縁（２４）の間で凹状であり、前記プラットホーム第２側部（４０）が前記翼形部第１側面（３０）と相補形の凸状である、請求項２記載のブレード。
   
5. 前記プラットホーム第２側部（４０）が、前記翼形部第１側面（３０）の凸状輪郭よりも浅い輪郭を有する、請求項４記載のブレード。
   
6. 前記翼形部が、前記根元（２６）から前記先端（２８）までねじれており、前記プラットホーム第２側部（４０）が、前記翼形部根元（２６）及び前縁（２２）の近くの前記翼形部第１側面（３０）と輪郭が一致している、請求項２記載のブレード。
   
7. 前記プラットホーム第１側部（３８）は、前記プラットホーム第２側部（４０）と輪郭が一致している、請求項２記載のブレード。
   
8. 前記翼形部（１８）の下方で前記プラットホーム（２０）から延び、それを貫通して延び保持ピン（５０）を受入れる同軸に位置合わせされた孔を持つ複数の支持タング（４８）をさらに含む、請求項２記載のブレード。
   
9. 共通のハブ（４６）から外方に延びる複数の環状リム（４４）を持つロータディスク（１４）と組み合わされ、前記タング（４８）が前記リムと隣接して前記リムを軸方向に貫通して延びる前記ピン（５０）を受入れて、前記ブレードを前記ロータディスク上に保持する、請求項８記載のブレード。
   
10. 前記翼形部が前記根元（２６）から先端（２８）までねじれており、前記翼形部後縁（２４）が、根元（２６）と先端（２８）の間で、前記プラットホーム第１側部（３８）からプラットホーム第２側部（４０）に向かって傾いており、プラットホーム第２側部（４０）が翼形部後縁（２４）よりも翼形部前縁（２２）の近くで凸状に湾曲している、請求項２記載のブレード。
    

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