JP2008163946A - タービンエンジンで使用するファン組立体を製作するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファン組立体（１４）を提供する。
【解決手段】本ファン組立体（１４）は、その少なくとも１つが脆い材料で作られた複数のロータブレードを含むロータ（３１）と、ロータの周りで円周方向に延びるケーシング（３２）とを含み、ケーシングは、複数のロータブレードから所定の距離に配置され、この距離が、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用するファン組立体を製作するための方法及び装置に関する。

少なくとも幾つかの公知のタービンエンジンは、圧縮機に空気を送るファン組立体を含む。公知のファン組立体は、ロータシャフトから半径方向外向きに延びる複数のファンブレードを含む。ロータシャフトは、ファン組立体の重心を通る回転軸線を有する。正常作動時に、ロータは、軌道直径の範囲内において回転軸線の周りで回転する。一般に軌道直径は、正常エンジン作動時には最小になるように構成される。

エンジンの作動中に、ファンブレードの破片がブレードの残余部分から分離した状態になる場合があり、また／或いはブレードがロータから分離した状態になる場合がある。これは、一般に「ブレードアウト」と呼ばれる。そのような損傷が発生した場合には、損傷したファン組立体内に、大きな回転アンバランス荷重が生じる可能性があり、このことにより、ロータの軌道直径が増大することになる可能性がある。その結果、残りの無傷のファンブレードが、周囲のファン組立体ケーシングと接触する可能性があり、このことが、時の経過につれて、そのようなブレード及び／又はケーシングに損傷を引き起こすおそれがある。

少なくとも幾つかの公知のファン組立体は、ファンケーシングに施工された充填材を含んでいる。充填材は、ファンブレードの先端とファンケーシングとの間に形成されるギャップを減少させるのを可能にする。公知の充填材は一般的に、ファンブレードが接触した時に侵食される複合材料で作られる。従って、ブレードアウト時には、少なくとも１つのファンブレードは、充填材を侵食して、残りのファンブレードとケーシングとの間に十分なギャップが形成されるようにすることができる。ギャップの増大により、ロータの増大した軌道直径に適応することが可能になる。ロータの軌道に対して自由に適応することによって、エンジンのその他の部分に伝達される回転アンバランス力が、減少する。しかしながら、少なくとも幾つかの公知の充填材は、該充填材の重量が実際にエンジン効率を低下させるのに十分なほどエンジンの総重量を増加させ、また／或いはエンジンの製作、組立及び／又は保守整備に関連するコストを増加させる。
米国特許第７，１６５，９３７ Ｂ２号公報 米国特許第７，１４４，２２１ Ｂ２号公報 米国特許第７，０９４，０３３ Ｂ２号公報 米国特許第７，０９４，０２９ Ｂ２号公報 米国特許第６，６３７，１８６ Ｂ１号公報 米国特許第６，４５４，５２９ Ｂ１号公報 米国特許第５，８３６，７４４号公報

１つの態様では、ファン組立体を製作するための方法を提供し、本方法は、複数のロータブレードを有するロータを準備する段階を含む。少なくとも１つのロータブレードは、脆い材料で作られる。本方法はまた、ロータの周りに実質的に円周方向にケーシングを結合しかつそのケーシングを複数のロータブレードから或る距離に配置する段階を含む。この距離は、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にするように選択される。

別の態様では、ファン組立体は、複数のロータブレードを備えたロータを含む。少なくとも１つのロータブレードは、脆い材料で作られる。本ファン組立体はさらに、ロータの周りで円周方向に延びるケーシングを含む。ケーシングは、複数のロータブレードから所定の距離に配置される。この距離は、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にする。

さらに別の態様では、タービンエンジンは、圧縮機に空気を送るように構成されたファン組立体を含む。ファン組立体は、複数のロータブレードを備えたロータを含む。少なくとも１つのロータブレードは、脆い材料で作られる。ファン組立体はさらに、ロータの周りで円周方向に延びるケーシングを含む。ケーシングは、複数のロータブレードから所定の距離に配置される。この距離は、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にして、ブレードアウト後に少なくとも１つのロータブレードがケーシングと接触した時に、該脆い材料で作られた少なくとも１つのロータブレードを磨滅させるのを可能にする。

本発明は、エンジン用のファン組立体を製作するための例示的な方法及びシステムを提供する。具体的には、この例示的な実施形態では、複数のロータブレードを備えたロータと、複数のロータブレードの周りに円周方向に結合されたケーシングとを含むファン組立体を提供する。この例示的な実施形態では、ファンブレードは、脆い複合材料で作られる。さらに、この例示的な実施形態では、ケーシングは、複数のロータブレードから所定の距離に配置され、この距離は、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間の接触抵抗を増大させるのを可能にするように選択される。具体的には、ケーシング及びファンブレード間に生じる大きな初期接触抵抗は、ブレードアウト後にファンブレードの磨滅（ｅｒｏｓｉｏｎ）を引き起こす。ファンブレードの磨滅は、ファンブレードによってファンケースに加えられる半径方向摩擦力を減少させるのを可能にし、ロータが実質的により大きな軌道直径で軌道を描くことを可能にする。本明細書で使用する場合、「ブレードアウト」という用語は、エンジン作動中におけるファンブレードの破片の分離及び／又はロータからのブレードの分離を意味している。

さらに、本発明では、ファンケーシングに施工された充填材が設けられる。より具体的には、ケーシングに施工された充填材の量は、公知のファン組立体で使用される量と比べて、減少する。従って、この例示的な実施形態では、ファンケーシングとファンブレードとの間に一層大きな接触抵抗を生じさせる充填材が設けられる。さらに、充填材の量の減少は、ファン組立体の総重量を減少させる、従ってエンジンの総重量を減少させるのを可能にする。

本発明は、以下において、図１に示すタービンエンジンに関連させてその適用に関して説明するが、本発明のシステム及び方法は、適当な変更を加えることにより、本明細書に記述するように作動できる例えば蒸気タービンを含むあらゆるエンジンにも適したものとすることができることは、通常のまた本明細書に示した教示により導かれた当業者には明らかであろう。

さらに、 本発明は、以下において、ファン組立体に関連させてその適用に関して説明するが、本発明のシステム及び方法は、適当な変更を加えることにより、ロータを有するあらゆる組立体にも適したものとすることができることは、通常のまた本明細書に示した教示により導かれた当業者には明らかであろう。

図１は、長手方向軸線１２を有する例示的なエンジン組立体１０の概略図である。エンジン組立体１０は、ファン組立体１４と、ファン組立体１４の下流に配置されたコアガスタービンエンジン１６と、コアガスタービンエンジン１６の下流に配置された低圧タービン１８とを含む。コアガスタービンエンジン１６は、高圧圧縮機２２と、燃焼器２４と、高圧タービン２６とを含む。

ファン組立体１４は、ロータ３１のロータディスク３０から半径方向外向きに延びる複数のファンブレード２８と、ファンブレード２８の周りで円周方向に延びるファンケーシング３２とを含む。各ファンブレード２８の先端３４は、ファンケーシング３２から半径方向距離Ｄ_１に位置する。この例示的な実施形態では、距離Ｄ_１は、先端３４上を通過する空気の量つまり先端スピレージを減少させるのを可能にするように選択される。エンジン組立体１０は、吸気側３６及び排気側３８を有する。圧縮機２２と高圧タービン２６とは、第２の駆動シャフト４０によって互いに結合される。

図２は、ファンブレード２８の例示的な実施形態である。ファンブレード２８は、翼形部１００と、ロータディスク３０（図１に示す）のようなロータディスクに各ファンブレード２８を取付けるために使用する一体形ダブテール１０２とを含む。各ファンブレード２８は、第１の輪郭付き側壁１０４と、第２の輪郭付き側壁１０６とを含む。この例示的な実施形態では、第１の側壁１０４は、凸面形でありかつファンブレード２８の負圧側面を形成し、また第２の側壁１０６は、凹面形でありかつファンブレード２８の正圧側面を形成する。側壁１０４及び１０６は、ファンブレード２８の前縁１０８及び該前縁１０８から軸方向に間隔を置いた後縁１１０において互いに接合される。より具体的には、翼形部後縁１１０は、翼形部前縁１０８から翼弦方向にかつ下流方向に間隔を置いている。第１及び第２の側壁１０４及び１０６は、それぞれダブテール１０２に隣接して位置したブレード根元１１２から翼形部つまりブレード先端３４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。ダブテールプラットフォーム１１６は、ブレード根元１１２に位置し、それぞれ第１及び第２の側壁１０４及び１０６から円周方向外向きに延びる。各ファンブレード２８の全体構成は、プラットフォーム１１６又はダブテール１０２を有する状態或いは有しない状態のあらゆる従来型の形態を取ることができる。例えば、ファンブレード２８は、ダブテール１０２を含まないブリスク型の構成としてディスク３０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、ファンブレード２８は、脆い複合材料で作られる。脆い複合材料は、ファンブレード２８の磨滅を可能にする。具体的には、ファンブレード２８は、ケーシング３２と接触した場合には磨滅（ｅｒｏｄｅ）するように構成れる。従って、ブレードアウト後には、ディスク３０から延びる残りのブレード２８の一部分は、磨滅し始めることになる。具体的には、ブレードアウト後には、ロータ３１のアンバランスにより、ロータディスク３０は、正常作動状態と比べてより大きな軌道直径で回転するようになる。より大きな軌道直径は、ロータディスク３０から延びる無傷のブレード２８をファンケーシング３２に接触させるおそれがある。その結果、無傷のブレード２８とファンケーシング３２との間の接触抵抗が、ファンブレード先端３４の磨滅を引き起こすおそれがある。

正常エンジン作動時には、ロータディスク３０は、ブレードアウト後よりも実質的に小さくかつ長手方向軸線１２を中心とした軌道直径の範囲内で回転する。従って、ファンブレード２８は、小さなエンジン１０アンバランスによる軽微な振動を除外すれば、ファンケーシング３２からの距離Ｄ_１を維持した状態で、長手方向軸線１２の周りで回転する。距離Ｄ_１は、エンジン作動中に先端３４を通過して流れる可能性がある空気の量を実質的に減少させるのを可能にする。従って、圧縮機２２に送られる空気の量を増大させることが可能になる。

少なくとも１つのファンブレード２８に異物が衝突した場合には、ファンブレード２８が損傷し、ブレードアウト事象発生のおそれがある。一般的に、ブレードアウト事象は、エンジン停止シーケンスを開始させる。さらに、そのような場合には、エンジン１０のアンバランスが誘発され、ロータ３１が軌道外に振れてロータディスク３０の軌道直径の増大を引き起こすようになる傾向になる。そのような振れは、最初に脱離したブレード２８とはロータの反対側にある少なくとも１つの他のブレードをケーシング３２に衝突させ、材料を失わせ、それによって正味アンバランスを減少させるのを可能にするのに十分な大きさのものとすることができる。具体的には、ファンケーシング３２及びブレード２８間に生じる接触抵抗は、最初は大きい。ブレード２８が脆い材料で作られているので、ブレード２８は、より迅速に磨滅され、ブレード先端の磨滅により距離Ｄ₁を効果的に増大させることによって、生じる半径方向荷重を減少させるのを可能にする。

さらに、この例示的な実施形態では、ケーシング３２は、無傷のファンブレード２８及び該ケーシング３２間の接触抵抗を最初は大きくするように配向される。具体的には、図３は、充填材１５０を含むファンケーシング３２を示す図である。図４は、充填材１５０を含むファンケーシング３２の別の実施形態を示す図である。図５は、何らの充填材１５０も有しないファンケーシング３２を示す図である。

図３及び図４を参照すると、ファン組立体１４がブレードアウト後におけるより大きなロータ軌道直径に適応するのを可能にするために、ケーシング３２に対して充填材１５０が施工されている。具体的には、充填材１５０は、ファンブレード２８と接触した時に侵食（ｅｒｏｄｅ）される脆い材料で作られる。従って、正常エンジン作動中に、充填材１５０は、ファンブレード２８の先端３４とケーシング３２との間の距離Ｄ₁を減少させるのを可能にして、ファンブレード２８を通る空気流量を増加させるのを可能にする。さらに、ブレードアウト時に、充填材１５０は、ファンブレード２８が接触した時に侵食されて、ロータの増大した軌道直径に適応するのを可能にする。１つの実施形態では、充填材１５０は、ケーシング３２に対して接着接合されたハニカムである。別の実施形態では、充填材は、複合材料及びアルミニウムの少なくとも１つで作られる。さらに別の実施形態では、充填材は、本明細書に記載したように機能できるあらゆる材料である。

この例示的な実施形態では、ケーシング３２に施工された充填材１５０の量は、公知のファン組立体と比べて減少している。具体的には、充填材１５０の量を減少させることにより、ケーシング３２を公知のファン組立体で一般に可能であるよりもファンブレード２８に一層近接させて配置することが可能になる。より具体的には、ファンケーシング３２及びファンブレード２８間に形成された距離Ｄ₁は、公知のファン組立体と比べて減少する。従って、１つの実施形態では、ブレードアウト時に、無傷のファンブレード２８は、充填材１５０を侵食しかつケーシング３２と接触する。その結果、ケーシング３２は、ファンブレード２８の回転に接触抵抗して、ファンブレード２８が、上記のように磨滅されるようになる。これに加えて、この例示的な実施形態では、充填材１５０の量を減少させることはまた、充填材１５０内の減衰作用を低下させるのを可能にする。充填材１５０の減衰作用を低下させることは、ケーシング３２及びファンブレード２８間に生じる接触抵抗を、ファンブレード２８がケーシング３２に接触した時にケーシング３２によって生じた接触抵抗と実質的に等しい抵抗レベルまで増大させるのを可能にする。従って、充填材１５０の接触抵抗は、上述したようにファンブレード２８の磨滅を可能にする。

図５を参照すると、１つの実施形態では、ケーシング３２は、充填材１５０を含まない。むしろ、ケーシング３２は、正常エンジン作動状態下においては、ファン組立体１４の作動を可能にする距離Ｄ₁に配置されるが、ブレードアウト時には、距離Ｄ₁は、ケーシング３２と無傷のファンブレード２８との間の接触を引き起こす。そのような実施形態では、ケーシング３２は、ファンブレード２８に接触抵抗して、上述したようにファンブレード２８の磨滅を引き起こす。

上記の作用は、ファンブレード２８の犠牲的磨滅を可能にするが、ロータ３１の振れ範囲を増大させることは、エンジン取付け体（図示せず）に加わる荷重を減少させるのを可能にする。さらに、ファンブレード２８の一部分の磨滅は、ファンブレード２８の重量を減少させ、エンジン１０を停止させる間におけるアンバランスの減少を可能にし、それによってケーシング３２に対する更なる損傷の可能性を少なくする。

加えて、図３〜図５に示すファンケーシング３２は、公知のファン組立体と比べて、ファン組立体１４の重量を減少させるのを可能にする。具体的には、図３及び図４に示す例示的な実施形態では、ファン組立体１４の重量は、公知のファン組立体と比べて、約２１ポンド〜約７０ポンド減少する。さらに、図３及び図４に示す例示的な実施形態は、より少ない数の音響パネル１５２を使用するのを可能にして、ファン組立体１４の重量は、公知のファン組立体と比べて、約６ポンド〜約１１ポンドさらに減少するようになる。従って、図３及び図４に示す例示的な実施形態は、公知のファン組立体と比べて、エンジン１０の重量を約２７ポンド〜約８１ポンド減少させるのを可能にする。

図５に示す例示的な実施形態は、充填材を含む公知のファン組立体と比べて、ファン組立体１４の重量を約９４ポン減少させるのを可能にする。さらに、図５に示す例示的な実施形態はまた、より少ない数の音響パネルを使用するのを可能にして、ファン組立体１４の重量は、公知のファン組立体と比べて、さらに約１８ポンド減少する。従って、図５に示す例示的な実施形態は、公知のファン組立体と比べて、エンジン１０の重量を約１１２ポンド減少させるのを可能にする。

従って、図３〜図５に示すファンケーシング３２の例示的な実施形態は、公知のエンジンと比べて、エンジン１０の総重量を減少させるのを可能にする。従って、上記の実施形態は、公知のエンジンと比べて、エンジン１０の効率の増大させるのを可能にする。さらに、上記の実施形態は、エンジン１０の製作、組立及び／又は保守整備に関連するコストを低減するのを可能にする。

１つの実施形態では、ファン組立体を製作する方法を提供し、本方法は、複数のロータブレードを有するロータを準備する段階を含む。少なくとも１つのロータブレードは、脆い材料で作られる。本方法はまた、ロータの周りに実質的に円周方向にケーシングを結合しかつそのケーシングを複数のロータブレードから或る距離に配置する段階を含む。この距離は、ブレードアウト後にケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にするように選択される。

本発明は、増大したロータ軌道直径に適応するための方法及びシステムを提供する。具体的には、脆いブレードに対するケーシングの初期接触抵抗を増大させることによって、脆いブレードが、磨滅され、それによってブレード及びケーシング間に十分な距離を形成するのを可能にする。さらに、充填材の重量を減少させることによって、エンジン１０の総重量が減少される。従って、航空機の運転効率を増大させることが可能になる。加えて、エンジン１０の製作、組立及び／又は保守整備に関連するコストを低減することが可能になる。

上記の例示的な実施形態で説明した利点は、単に例示的なものに過ぎない。従って、本発明のシステム及び方法により、本明細書に記載した利点に優る利点を得ることができることは、通常のまた本明細書に示した教示により導かれた当業者には明らかであろう。

本明細書で使用する場合、数詞がない形で表した要素又は段階は、そうでないことを明確に述べていない限り、複数のそのような要素又は段階を除外するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、そこで述べた特徴を同様に組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。

様々な具体的実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が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、当業者には分かるであろう。

例示的なタービンエンジンの概略図。 図１に示す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側面図。 図１に示すエンジンで使用することができる例示的なファンケーシングの一部分の拡大概略図。 図３に示すファンケーシングの別の実施形態の拡大概略図。 図３に示すファンケーシングのさらに別の実施形態の拡大概略図。

符号の説明

１０ エンジン組立体
１２ 長手方向軸線
１４ ファン組立体
１６ コアガスタービンエンジン
１８ 低圧タービン
２２ 高圧圧縮機
２４ 燃焼器
２６ 高圧タービン
２８ ファンブレード
３０ ロータディスク
３１ ロータ
３２ ケーシング
３４ 翼形部又はブレード先端
３６ 吸気側
３８ 排気側
４０ 第２の駆動シャフト
１００ 翼形部
１０２ ダブテール
１０４ 第１の側壁
１０６ 第２の側壁
１０８ 翼形部前縁
１１０ 翼形部後縁
１１２ ブレード根元
１１６ ダブテールプラットフォーム
１５０ 充填材
１５２ 音響パネル

Claims (10)

1. その少なくとも１つが脆い材料で作られた複数のロータブレードを含むロータ（３１）と、
   前記ロータの周りで円周方向に延びるケーシング（３２）と、を含み、
   前記ケーシングが、前記複数のロータブレードから所定の距離に配置され、
   前記距離が、ブレードアウト後に前記ケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にする、
   ファン組立体（１４）。
2. 前記ケーシング（３２）から複数のロータブレードまでの距離が、前記ケーシングに荷重を伝達しない状態でのブレードアウト後におけるロータ（３１）軌道直径を維持するのを可能にするように選択される、請求項１記載のファン組立体（１４）。
3. 前記脆い材料で作られた少なくとも１つのロータブレードが、ブレードアウト後に前記ケーシング（３２）と接触した時に磨滅されるように構成される、請求項１記載のファン組立体（１４）。
4. 前記ケーシング（３２）が、ブレードアウト後に前記複数のロータブレードが接触した時に侵食されるように構成された充填材（１５０）を含む、請求項１記載のファン組立体（１４）。
5. 前記ケーシング（３２）から複数のロータブレードまでの距離が、ブレードアウト後における前記ケーシングに対する損傷を減少させるのを可能にするように選択される、請求項１記載のファン組立体（１４）。
6. 前記ケーシング（３２）が、ブレードアウト後に前記ケーシング及び複数のロータブレード間に生じる接触抵抗の量を増大させるのを可能にする厚さを有する充填材料（１５０）を含む、請求項１記載のファン組立体（１４）。
7. 前記ケーシング（３２）から複数のロータブレードまでの距離が、前記ファン組立体の重量を軽減するのを可能にするように選択される、請求項１記載のファン組立体（１４）。
8. 圧縮機に空気を送るように構成されたファン組立体（１４）を含み、前記ファン組立体が、
   その少なくとも１つが脆い材料で作られた複数のロータブレードを含むロータ（３１）と、
   前記ロータの周りで円周方向に延びるケーシング（３２）と、を含み、
   前記ケーシングが、前記複数のロータブレードから所定の距離に配置され、
   前記距離が、ブレードアウト後に前記ケーシング及び複数のロータブレード間に生じる初期接触抵抗の量を増大させるのを可能にして、ブレードアウト後に前記少なくとも１つのロータブレードが前記ケーシングと接触した時に、該脆い材料で作られた少なくとも１つのロータブレードを磨滅させるのを可能にする、
   タービンエンジン（１０）。
9. 前記ケーシング（３２）から複数のロータブレードまでの距離が、前記ケーシングに荷重を伝達しない状態でのブレードアウト後におけるロータ（３１）軌道直径を維持するのを可能にするように選択される、請求項８記載のタービンエンジン（１０）。
10. 前記ケーシング（３２）が、ブレードアウト後に前記複数のロータブレードが接触した時に侵食されるように構成された充填材（１５０）を含む、請求項８記載のタービンエンジン（１０）。

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