JP6990639B2 - ターボファンエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、ターボファンエンジンに関し、更に詳細には、航空機用のターボファンエンジンに関する。
航空機用のターボファンエンジンは、エンジンケーシング（カウル）の空気入口部に配置されるファンに鳥や雹（氷塊）等の異物が衝突すると、その衝撃によってファン回転軸に偏心が生じ、ファンの振れ回り（円錐運動）により、ファンブレードの先端（外縁）がエンジンケーシングに接触し、ファンブレードの破損を招く虞がある。
ファンブレードの破損を防ぐ対策として、エンジンケーシング側に犠牲的な摩耗物質層が設けられ、ファンの振れ回り時にはファンブレードの先端が摩耗物質層に接触し、摩耗物質層の摩耗により、ファンブレードの破損を回避する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００５－６１４１９号公報
しかしながら、上述の従来技術は、摩耗物質層の摩耗によりファンブレードとエンジンケーシングとの隙間が定常的に拡大することになり、空気流のロスによりエンジンの定常的な推力低下を招く。また、上述の従来技術では、摩耗物質層の交換、保守が必要になる。
本発明が解決しようとする課題は、ターボファンエンジンの定常的な推力低下を招くことなく、異物の衝突に起因するファンブレードの破損を回避することである。
本発明の一つの実施形態によるターボファンエンジンは、筒状のファンケース（１２）と、前記ファンケース（１２）内に回転可能に設けられ、中心部材（２０Ａ）及び前記中心部材（２０Ａ）の外周に周方向に隔置された複数のファンブレード（２９）を含むファン（２８）とを有するターボファンエンジン（１０）であって、前記ファンブレード（２９）の外縁（２９Ａ）に対して所定の間隙（Ｅ）をおいて前記ファン（２８）を外周側から取り囲むように配置された環状部材（１０２）と、前記環状部材（１０２）が前記ファンブレード（２９）の外縁（２９Ａ）に対して径方向に所定の間隙（Ｅ）をおいて配置されるべく前記環状部材（１０２）を径方向に弾発的に支持する弾発支持装置（１０４）とを有する。
この構成によれば、ファン（２８）が振れ回りすると、ファンブレード（２９）の外縁（２９Ａ）が環状部材（１０２）に衝突し、環状部材（１０２）が偏心移動するが、弾発支持装置（１０４）の弾発作用によって環状部材（１０２）が元の位置に戻されるので、ファン（２８）の振れ周りが収束する。これにより、ターボファンエンジン（１０）の定常的な推力低下を招くことなく、異物の衝突に起因するファンブレード（２９）の破損が回避される。
上記ターボファンエンジン（１０）において、好ましくは、前記弾発支持装置は（１０４）、前記ファンケース（１２）の中心軸線（Ａ）周りの複数箇所に設けられたばね部材（１１２）を含む。
この構成によれば、ばね部材（１１２）によって弾発支持装置（１０４）の弾発作用が的確に得られる。
上記ターボファンエンジン（１０）において、好ましくは、前記弾発支持装置（１０４）は、前記ファンケース（１２）に形成された内側から見て凹部をなす環状凹部（１２Ａ）に設けられ、前記ファンケース（１２）の中心軸線（Ａ）周りの複数箇所において各々前記環状凹部（１２Ａ）の底部に固定される基端から径方向内方に延出した複数のピン（１０４）と、前記ピン（１０８）の各々に当該ピン（１０８）の軸線方向に移動可能に係合したスライダ（１１０）とを含み、前記ばね部材は、前記ピン（１０８）毎に前記環状凹部（１２Ａ）の底部と前記スライダ（１１０）との間に設けられ、前記スライダ（１１０）が前記環状部材（１０２）の外周面（１０２Ａ）に当接するように予荷重を与えられた圧縮ばね（１１２）によって構成されている。
この構成によれば、圧縮ばね（１１２）によって弾発支持装置（１０４）の弾発作用が的確に得られる。
上記ターボファンエンジン（１０）において、好ましくは、前記弾発支持装置（１０４）は、前記ファンケース（１２）に形成された内側から見て凹部をなす環状凹部（１２Ａ）に設けられ、前記ファンケース（１２）の中心軸線（Ａ）周りの複数箇所において各々前記環状凹部（１２Ａ）の底部に固定される基端から径方向内方に延出し、拡径によるフランジ（１０８Ａ）による遊端を含む複数のピン（１０８）と、前記ピン（１０８）の各々に当該ピン（１０８）の軸線方向に移動可能に係合し、前記フランジ（１０８Ａ）によって径方向内方への移動を制限されるスライダ（１１０）とを含み、前記ばね部材は、前記ピン（１０４）毎に前記環状凹部（１２Ａ）の底部と前記スライダ（１１０）との間に設けられ、前記スライダ（１１０）が前記環状部材（１０２）の外周面（１０２Ａ）に当接するように予荷重を与えられた圧縮ばね（１１２）によって構成されている。
この構成によれば、圧縮ばね（１１２）によって弾発支持装置（１０４）の弾発作用が的確に得られると共に、弾発支持装置（１０４）の組み付け性が向上する。
上記ターボファンエンジン（１０）において、好ましくは、前記環状凹部（１２Ａ）と前記環状部材（１０２）との間の空隙を埋めるべく前記ファンケース（１２）に固着した充填剤によるコーキング部（１１４）を有する。
この構成によれば、環状凹部（１２Ａ）及び環状部材（１０２）の配置に起因するファン（２８）周りの空気流のロスが低減する。
本発明によるターボファンエンジンによれば、エンジンの定常的な推力低下を招くことなく、異物の衝突に起因するファンブレードの破損を回避できる。
本発明によるターボファンエンジンの一つの実施形態を示す概略構成図 図１の線ＩＩ－ＩＩに沿った断面図 本実施形態によるターボファンエンジンの要部（ファン損傷防止構造）の拡大断面図 図３の線ＩＶ－ＩＶに沿った断面図 他の実施形態によるターボファンエンジンの要部（ファン損傷防止構造）の拡大断面図
以下に、本発明によるターボファンエンジンの一つの実施形態を、図１～図４を参照して説明する。
図１に示されているように、ターボファンエンジン１０は、ガスタービンエンジンに属するものであり、互いに同心に配置された略円筒状のアウタケーシング１２及びインナケーシング１４を有する。インナケーシング１４は内部に前部第１ベアリング１６及び後部第１ベアリング１８によって低圧系回転軸２０を回転自在に支持している。低圧系回転軸２０は外周に前部第２ベアリング２２及び後部第２ベアリング２４によって中空軸による高圧系回転軸２６を回転自在に支持している。低圧系回転軸２０と高圧系回転軸２６とは同心配置で、これらの中心軸線は符号Ａによって示されている。
低圧系回転軸２０はインナケーシング１４より前方に突出した略円錐形状の先端部２０Ａを含む。先端部２０Ａの外周には周方向に隔置されたチタン合金等による複数のファンブレード２９を含むフロントファン２８がアウタケーシング１２内に中心軸線Ａ周りに回転可能に設けられている。かくして、アウタケーシング１２が円筒状のファンケースをなし、低圧系回転軸２０がファン回転軸をなすと共に低圧系回転軸２０の先端部２０Ａがフロントファン２８の中心部材をなす。フロントファン２８の外周囲には後述するファン損傷防止構造１００が設けられている。複数のファンブレード２９の外縁２９Ａは正面から見て（図２参照）全体で中心軸線Ａを中心とした略円形をなす。
フロントファン２８の下流側にはアウタケーシング１２に接合された外端及びインナケーシング１４に接合された外端を含む複数のステータベーン３０が周方向に所定の間隔をおいて設けられている。ステータベーン３０の下流側には、アウタケーシング１２とインナケーシング１４との間に形成された円環状断面形状のバイパスダクト３２と、インナケーシング１４に同心（中心軸線Ａに同心）に形成された円環状断面形状の空気圧縮用ダクト（環状流体通路）３４とが並列に設けられている。
空気圧縮用ダクト３４の入口部には軸流圧縮機３６が設けられている。軸流圧縮機３６は、低圧系回転軸２０の外周に設けられた前後２列の動翼列３８と、インナケーシング１４に設けられた前後２列の静翼列４０とを軸線方向に互いに隣接して交互に有する。
空気圧縮用ダクト３４の出口部には遠心圧縮機４２が設けられている。遠心圧縮機４２は高圧系回転軸２６の外周に設けられたインペラ４４を有する。空気圧縮用ダクト３４の出口部にはインペラ４４の上流側に位置する静翼列４６が設けられている。遠心圧縮機４２の出口部にはインナケーシング１４に固定されたデフューザ５０が設けられている。
デフューザ５０の下流側にはデフューザ５０から圧縮空気を供給される逆流燃焼室５２を画定する燃焼室部材５４が設けられている。インナケーシング１４には逆流燃焼室５２に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズル５６が設けられている。逆流燃焼室５２は燃料と空気との混合気の燃焼によって高圧の燃焼ガスを生成する。逆流燃焼室５２の出口部にはノズルガイドベーン列５８が設けられている。
逆流燃焼室５２の下流側には逆流燃焼室５２にて生成された燃焼ガスを噴付けられる高圧タービン６０及び低圧タービン６２が設けられている。高圧タービン６０は高圧系回転軸２６の外周に固定された高圧タービンホイール６４を含む。低圧タービン６２は、高圧タービン６０の下流側にあり、インナケーシング１４に固定された複数のノズルガイドベーン列６６と、低圧系回転軸２０の外周に設けられた複数の低圧タービンホイール６８とを軸線方向に交互に有する。
ターボファンエンジン１０の始動に際しては、スタータモータ（不図示）によって高圧系回転軸２６を回転駆動することが行われる。高圧系回転軸２６が回転駆動されると、遠心圧縮機４２によって圧縮された空気が逆流燃焼室５２に供給され、逆流燃焼室５２における空気と燃料との混合気の燃焼によって燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは高圧タービンホイール６４及び低圧タービンホイール６８に噴付けられ、これらタービンホイール６４、６８を回転させる。
これにより、低圧系回転軸２０及び高圧系回転軸２６が回転し、フロントファン１９が回転すると共に軸流圧縮機３６及び遠心圧縮機４２が運転され、圧縮空気が逆流燃焼室５２に供給される。これにより、ターボファンエンジン１０はスタータモータの停止後も運転を継続する。
ターボファンエンジン１０の運転中に、フロントファン２８が吸い込んだ空気の一部は、バイパスダクト３２を通過して後方に噴出し、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。フロントファン２８が吸い込んだ空気の残部は、逆流燃焼室５２に供給されて燃料との混合気として燃焼し、燃焼ガスは低圧系回転軸２０及び高圧系回転軸２６の回転駆動に寄与した後に後方に噴出し、推力を発生する。
次に、ファン損傷防止構造１００を、図２～図４を参照して説明する。
アウタケーシング１２の、各ファンブレード２９と軸線方向に対応する部位にはアウタケーシング１２の内側から見て凹部をなす円環状凹部１２Ａが形成されている。アウタケーシング１２内にはフロントファン２８を外周側から取り囲む位置に円環状部材１０２が弾発支持装置１０４によって配置されている。円環状部材１０２はニッケル合金製の板材をシームレスの円筒形状に成形されたものである。
弾発支持装置１０４は円筒体を周方向に等ピッチ或いは不等ピッチに分割してなる複数のセグメント１０６を含む。各セグメント１０６は互いに協働して円筒体をなすべく円環状凹部１２Ａの底部に配置されている。各セグメント１０６は軸線方向に離れた２個のピン１０８が取り付けられている。各セグメント１０６のピン１０８は、アウタケーシング１２の中心軸線Ａ周りに互いに等間隔をおいて離れた複数箇所の各々において、円環状凹部１２Ａの底部と等価のセグメント１０６に固定された基端から径方向内方にアウタケーシング１２の中心に向けて延出している。ピン１０８にはセグメント１０６毎に孔１１０Ａをもってピン１０８の軸線方向に移動可能にブロック状のスライダ１１０が係合している。
各セグメント１０６と対応する各スライダ１１０との間にはピン１０８毎に所定のばね定数を有する圧縮コイルばね１１２が取り付けられている。各圧縮コイルばね１１２は、アウタケーシング１２の中心軸線Ａ周りに互いに等間隔をおいて離れた複数箇所の各々において各スライダ１１０の先端面１１０Ｂが円環状部材１０２の外周面１０２Ａに摺動可能に当接するように予荷重を与えられた状態で設けられている。各圧縮コイルばね１１２の機能上、必要なばね定数は、低圧系回転軸２０の曲げ剛性、円環状部材１０２のサイズやフロントファン２８の重量等に関係するから、当該ばね定数はそれらに応じて設定されればよい。
これにより、複数の圧縮コイルばね１１２を含む弾発支持装置１０４は、円環状部材１０２をフロントファン２８と同心に、且つ円環状部材１０２の内周面１０２Ｂと各ファンブレード２９の外縁２９Ａとの間に径方向の間隙Ｅ（図３参照）をおいて径方向に弾発的に支持する。換言すると、円環状部材１０２は、弾発支持装置１０４によってファンブレード２９の外縁２９Ａに対して径方向に所定の間隙Ｅをおいてアウタケーシング１２からフローティング式に支持され、外力が作用しない状態下ではアウタケーシング１２及びフロントファン２８と同心の位置に配置され、内周面１０２Ｂがこれの前後に位置する空気圧縮用ダクト３４の内周面３４Ａに略面一に連続する。これにより、円環状部材１０２が空気圧縮用ダクト３４の流路抵抗となることがない。
アウタケーシング１２には、円環状凹部１２Ａの内周面と円環状部材１０２との間に生じた空隙を埋めるコーキング部１１４（図３参照）をなす充填剤が固着している。つまり、円環状凹部１２Ａと円環状部材との間の空隙を埋めるべくアウタケーシング１２に固着した充填剤によるコーキング部１１４が設けられている。
これにより、円環状凹部１２Ａ及び円環状部材１０２の配置に起因するフロントファン２８周りの空気流のロスが低減する。尚、コーキング部１１４は円環状部材１０２のフローティング式の支持、換言すると円環状部材１０２の偏心変位を阻害しないように設けられている。
ピン１０８の取付基部がセグメント１０６により構成されているのは、ピン１０８及び圧縮コイルばね１１２等を円環状凹部１２Ａ内に組み付けることが容易に行われるための構成である。
上述のファン損傷防止構造１００によれば、フロントファン２８に異物が衝突し、その衝撃によって低圧系回転軸２０に偏心が生じ、フロントファン２８が振れ回りすると、ファンブレード２９の外縁２９Ａが円環状部材１０２の内周面１０２Ｂに衝突し、衝突側に位置する圧縮コイルばね１１２の圧縮変形のもとに円環状部材１０２が径方向に移動（偏心移動）する。その後、円環状部材１０２は圧縮コイルばね１１２の反発力によって、換言すると、弾発支持装置１０４の弾発作用によって元の位置に戻される。
所定のばね定数の圧縮コイルばね１１２が使用されていることにより、ファンブレード２９が円環状部材１０２に接触するものの、圧縮コイルばね１１２の反発力による円環状部材１０２の位置復元により、フロントファン２８の振れ周りが瞬時に収束する。これにより、ターボファンエンジン１０の定常的な推力低下を招くことなく、異物の衝突に起因するファンブレード２９の破損が回避される。
次に、ファン損傷防止構造１００の他の実施形態を図５を参照して説明する。尚、図５において、図３に対応する部分は、図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
本実施形態では、セグメント１０６毎の一つのスライダ１１０が２個のピン１０８により支持されている。各ピン１０８は拡径によるフランジ１０８Ａによる遊端を含む。スライダ１１０の係合孔１１０Ａには拡径による肩部１１０Ｃが形成され、肩部１１０Ｃにフランジ１０８Ａが当接することにより、スライダ１１０の径方向内方への移動が制限される。
本実施形態では、円環状部材１０２の未装着状態において、スライダ１１０が脱落することがないので、ファン損傷防止構造１００の組み付け性が向上する。その他のことは前述の実施形態と同じであるから、本実施形態も前述の実施形態と同様の作用効果が得られる。
以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
１０ ：ターボファンエンジン
１２ ：アウタケーシング（ファンケース）
１４ ：インナケーシング
１６ ：前部第１ベアリング
１８ ：後部第１ベアリング
２０ ：低圧系回転軸（ファン回転軸）
２０Ａ ：先端部（中心部材）
２２ ：前部第２ベアリング
２４ ：後部第２ベアリング
２６ ：高圧系回転軸
２８ ：フロントファン（ファン）
２９ ：ファンブレード
３０ ：ステータベーン
３２ ：バイパスダクト
３４ ：空気圧縮用ダクト
３４Ａ ：内周面
３６ ：軸流圧縮機
３８ ：動翼列
４０ ：静翼列
４２ ：遠心圧縮機
４４ ：インペラ
４６ ：静翼列
５０ ：デフューザ
５２ ：逆流燃焼室
５４ ：燃焼室部材
５６ ：燃料噴射ノズル
５８ ：ノズルガイドベーン列
６０ ：高圧タービン
６２ ：低圧タービン
６４ ：高圧タービンホイール
６６ ：ノズルガイドベーン列
１００ ：ファン損傷防止構造
１０２ ：円環状部材
１０２Ａ ：外周面
１０２Ｂ ：内周面
１０４ ：弾発支持装置
１０６ ：セグメント
１０８ ：ピン
１１０ ：スライダ
１１０Ａ ：孔
１１０Ｂ ：先端面
１１０Ｃ ：肩部
１１２ ：圧縮コイルばね
１１４ ：コーキング部

Claims (3)

  1. 筒状のファンケースと、
    前記ファンケース内に回転可能に設けられ、中心部材及び前記中心部材の外周に周方向に隔置された複数のファンブレードを含むファンとを有するターボファンエンジンであって、
    前記ファンブレードの外縁に対して所定の間隙をおいて前記ファンを外周側から取り囲むように配置された環状部材と、
    前記環状部材が前記ファンブレードの外縁に対して径方向に所定の間隙をおいて配置されるべく前記環状部材を径方向に弾発的に支持する弾発支持装置とを有し、
    前記弾発支持装置は、前記ファンケースに形成された内側から見て凹部をなす環状凹部に設けられ、
    前記弾発支持装置は、前記ファンケースの中心軸線周りの複数箇所に設けられたばね部材と、前記ファンケースの中心軸線周りの複数箇所において各々前記環状凹部の底部に固定される基端から径方向内方に延出した複数のピンと、前記ピンの各々に当該ピンの軸線方向に移動可能に係合したスライダとを含み、
    前記ばね部材は、前記ピン毎に前記環状凹部の底部と前記スライダとの間に設けられ、前記スライダが前記環状部材の外周面に当接するように予荷重を与えられた圧縮ばねによって構成されているターボファンエンジン。
  2. 筒状のファンケースと、
    前記ファンケース内に回転可能に設けられ、中心部材及び前記中心部材の外周に周方向に隔置された複数のファンブレードを含むファンとを有するターボファンエンジンであって、
    前記ファンブレードの外縁に対して所定の間隙をおいて前記ファンを外周側から取り囲むように配置された環状部材と、
    前記環状部材が前記ファンブレードの外縁に対して径方向に所定の間隙をおいて配置されるべく前記環状部材を径方向に弾発的に支持する弾発支持装置とを有し、
    前記弾発支持装置は、前記ファンケースに形成された内側から見て凹部をなす環状凹部に設けられ、
    前記弾発支持装置は、前記ファンケースの中心軸線周りの複数箇所に設けられたばね部材と、前記ファンケースの中心軸線周りの複数箇所において各々前記環状凹部の底部に固定される基端から径方向内方に延出し、拡径によるフランジによる遊端を含む複数のピンと、前記ピンの各々に当該ピンの軸線方向に移動可能に係合し、前記フランジによって径方向内方への移動を制限されるスライダとを含み、
    前記ばね部材は、前記ピン毎に前記環状凹部の底部と前記スライダとの間に設けられ、前記スライダが前記環状部材の外周面に当接するように、前記スライダを付勢する圧縮ばねによって構成されているターボファンエンジン。
  3. 前記環状凹部と前記環状部材との間の空隙を埋めるべく前記ファンケースに固着した充填剤によるコーキング部を有する請求項１又は２に記載のターボファンエンジン。
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