JP4863162B2 - ターボファンエンジンのファン動翼 - Google Patents

Description

本発明は、ターボファンエンジンのファン動翼に関する。

図６は航空機エンジン５１（ターボジェットエンジン）の模式的構成図である。この図に示すようにターボジェットエンジンは、空気を取り入れるファン５２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機５３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器５４、燃焼器５４の燃焼ガスによりファン５２及び圧縮機５３を駆動するタービン５５、推力増大のため再燃焼させるアフタバーナ５６等を備えている。

本発明において、圧力比とは、翼の下流側の全圧／上流側の全圧をいう。また、バイパス比とは、ファン動翼下流側でバイパス側（そのままノズルを通ってエンジン外に排気される空気）の流量をコア側（圧縮機を通って燃焼器に行く流れ）の流量で割った値をいう。

上述したターボジェットエンジンにおいて、空気を取り入れるファン５２を大型にし、バイパス比を大きくしたものを「ターボファンエンジン」と呼ぶ。バイパス比は、コアエンジン（上述した圧縮機５３、燃焼器５４及びタービン５５）に流入する空気流（コア流れ）に対するこれらをバイパスするバイパス流れの流量比（バイパス流れ／コア流れ）であり、これが大きいほど排気ジェットの流速を下げ、騒音低減と燃料消費率の低減に効果がある。

しかし上述したターボファンエンジンでは、バイパス比を大きくするとファン１段動翼（最前列のファン）とこれを囲むケーシング内径が大きくなり、エンジンの重量が増してしまう問題点があった。

この問題を解決するために、ケーシング内径を増加させずに、外部から取り入れる空気量を増加することができる種々の形状のファン動翼が既に提案されている（特許文献１〜６：図７Ａ〜Ｆ）。

米国特許第６３２８５３３Ｂ１明細書、“ＳＷＥＰＴ ＢＡＲＲＥＬ ＡＩＲＦＯＩＬ” 米国特許第６０７１０７７号明細書、“ＳＷＥＰＴ ＦＡＮ ＢＬＡＤＥ” 米国特許第ＲＥ３８０４０Ｅ明細書、“ＳＷＥＰＴ ＴＵＲＢＯＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＢＬＡＤＥ” 米国特許第５１６７４８９号明細書、“ＦＯＲＷＡＲＤ ＳＷＥＰＴ ＲＯＴＯＲ ＢＬＡＤＥ” 米国特許第５７２５３５４号明細書、“ＦＯＲＷＡＲＤ ＳＷＥＰＴ ＦＡＮ ＢＬＡＤＥ” 米国特許第６３５８００３Ｂ２明細書、“ＲＯＴＯＲ ＢＬＡＤＥ ＡＮ ＡＸＩＡＬ−ＦＬＯＷ ＥＮＧＩＮＥ”

上述したように、従来のターボファンエンジンでは、バイパス比を大きくするとファン１段動翼（最前列のファン）とこれを囲むケーシング内径が大きくなり、エンジンの重量が増してしまう問題点があった。

また、従来のファン１段動翼で、外部から取り入れる空気量を増加するために、例えば回転速度を増すと、周速が高くなりすぎ、高流量化の際に衝撃波損失が過大となる問題点があった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、ファン径及びケーシング内径を大きくすることなく吸込み空気流量を増大させることができ、これによりバイパス比を高め、低燃費化と低騒音化を達成するとともにエンジン重量を削減することができるターボファンエンジンのファン動翼を提供することを目的とする。

本発明によれば、リーディングエッジ部が、ハブ側に位置しファン回転軸に対してほぼ垂直な垂直ハブ部と、ミッドスパンに位置しファン回転軸に直交する面より外方が後方に傾斜している後傾ミッドスパン部と、チップ側に位置しファン回転軸に直交する面より外方が前方に傾斜している前傾チップ部とからなり、
前記垂直ハブ部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し０％の内端位置から２０％以上、５０％未満の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、±５度以内の範囲内に位置する、ことを特徴とするターボファンエンジンのファン動翼が提供される。

また、前記後傾ミッドスパン部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し２０％以上、５０％未満の内端位置から６０％以上、９０％未満の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、外方が後方に５度以上、４５度未満の範囲で傾斜する。

また、前記前傾チップ部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し６０％以上、９０％未満の内端位置から１００％の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、外方が前方に５度以上、４５度未満の範囲で傾斜する。

上記本発明の構成によれば、リーディングエッジ部の垂直ハブ部がハブ側でファン回転軸に対してほぼ垂直になっているので、上流側に対して傾いている場合より翼重量が軽くなり、特にリーディングエッジ部側付け根での応力が低減する。また、下流側に対し傾いている場合よりハブ側でコード長が長く、圧力比を高くできる。さらに、同時にコード長が長いとハブ側で流量を多く飲み込むことができ、同じエンジン前面面積で流量を増やすことができる。

また、後傾ミッドスパン部がミッドスパンでファン回転軸に直交する面より外方が後方に傾斜しているので、外方が前方に傾斜（前傾）している場合より翼重心が下流側になり、特にハブ側リーディングエッジ部での応力を低減できる。

また、前傾チップ部がチップ側でファン回転軸に直交する面より外方が前方に傾斜しているので、外方が後方に傾斜（後傾）している場合よりチップ側流入速度が小さくなり衝撃波損失を小さくできる。

従って、バイパス比が大きいターボファンエンジンにおいて、ファン１段動翼とそれを囲むケーシング径を大きくすることなくファン１段動翼の空気流量を増大することができ、これによりバイパス比を高め、低燃費化と低騒音化を達成するとともに重量を削減することができる。また、ハブ側の圧力比を従来ファン動翼よりも高くすることができる。

以下本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明のターボファンエンジンのファン動翼構成図である。この図において、１はエンジン回転軸（ファン回転軸）、２はケーシング内径、３は流入空気の流れである。
本発明のファン動翼１０は、好ましくはファン１段動翼であり、そのリーディングエッジ部１１が、垂直ハブ部１２、後傾ミッドスパン部１３、及び前傾チップ部１４からなる。

垂直ハブ部１２は、ハブ側に位置しファン回転軸１に対してほぼ垂直に構成されている。
この例で、垂直ハブ部１２は、望ましくは、リーディングエッジ部１１の全体の半径方向スパンＬｓに対し０％の内端位置ａから４０％以上、５０％未満の外端位置ｂまで延びる。またこの垂直ハブ部１２は、ファン回転軸１に直交する面に対し、±５度以内の角度範囲内に位置する。すなわち、この図において、角度θ_１は、８５度〜９５度の範囲にある。

後傾ミッドスパン部１３は、ハブ側とチップ側の中間のミッドスパンに位置しハブ側からミッドスパン部にかけて下流側に傾きを持つ。
この例で、後傾ミッドスパン部１３は、望ましくは、リーディングエッジ部１１の全体の半径方向スパンＬｓに対し４０％以上、５０％未満の内端位置ｂから７５％以上、８５％未満の外端位置ｃまで延びる。またこの後傾ミッドスパン部１３は、ファン回転軸１に直交する面に対し、外方が後方に５度以上、４５度未満の範囲で傾斜する。すなわち、この図において、角度θ_２は、４５度〜８５度の範囲にある。

前傾チップ部１４は、チップ側に位置しミッドスパン側からチップ部にかけて上流側に傾きを持つ。
この例で、前傾チップ部１４は、望ましくは、リーディングエッジ部１１の全体の半径方向スパンＬｓに対し７５％以上、８５％未満の内端位置ｃから１００％の外端位置ｄまで延びる。またこの前傾チップ部１４は、ファン回転軸１に直交する面に対し、外方が前方に１５度以上、３０度未満の範囲で傾斜する。すなわち、この図において、角度θ_３は、９５度〜１３５度の範囲にある。

図２は、図１の垂直ハブ部の説明図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は本発明と垂直ハブ部が相違するハブ部１２’を示している。
図２（Ａ）は、ハブ部１２’がファン回転軸１に対し上流側に傾いている場合であり、コード長１５が長く重くなり、リーディングエッジ部１１の付け根（位置ａ）の応力が大きくなる。
また図２（Ｂ）は、ハブ部１２’がファン回転軸１に対し下流側に傾いている場合であり、コード長１５が短くなり、圧力比が小さく流量が少なくなる。

これに対して、本発明では、垂直ハブ部１２がハブ側でファン回転軸１に対してほぼ垂直になっているので、上流側に対して傾いている場合（図２（Ａ））より翼重量が軽くなり、特にリーディングエッジ部１１の付け根（位置ａ）での応力が低減する。
また、下流側に対し傾いている場合（図２（Ｂ））よりハブ側でコード長１５が長く、圧力比を高くできる。
さらに、同時にコード長１５が長いとハブ側で流量を多く飲み込むことができ、同じエンジン前面面積で流量を増やすことができる。

図３は、図１の後傾ミッドスパン部の説明図である。この図は本発明と後傾ミッドスパン部が相違し、ミッドスパン部１３’がハブ側通路面に対し、上流側に傾いている場合を示している。すなわち、この図において、角度θ_２は、９５度〜１３５度の範囲にある。
この場合、重心１６’が上流側に移動するため、リーディングエッジ部１１の付け根（位置ａ）の応力が大きくなる。

これに対して、本発明では、後傾ミッドスパン部１３がミッドスパンでファン回転軸１に直交する面より外方が後方に傾斜しているので、外方が前方に傾斜（前傾）している場合（図３）より翼重心１６が下流側になり、特にハブ側リーディングエッジ部（位置ａ）での応力を低減できる。

図４は、図１の前傾チップ部の説明図である。この図は本発明と前傾チップ部が相違し、チップ部１４’がファン回転軸１に対し下流側に傾いている場合を示している。すなわち、この図において、角度θ_３は、４５度〜８５度の範囲にある。
この場合、チップ側軸流速度が大となり、衝撃波損失が大きくなる。

これに対して、本発明では、前傾チップ部１４がチップ側で外方が上流側に傾斜しているので、外方が後方に傾斜（後傾）している場合（図４）よりチップ側流入速度が小さくなり衝撃波損失を小さくできる。

図５は、本発明のファン動翼の実施例を示す図である。この図は、コンピュータによるシミュレーション結果（ＣＦＤ計算結果）である。
この図において、横軸は圧力比、縦軸はハブからのスパン比率である。またこの例は、垂直ハブ部１２の外端位置ｂが、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンＬｓに対し約５０％、後傾ミッドスパン部１３の外端位置ｃが約８０％の場合である。

この図から、スパン比率０〜５０％の範囲において、本発明の圧力比は従来例よりも明らかに大きいことがわかる。
すなわちＣＦＤ計算結果として、同じファン径の従来ファン動翼に対し、断面積あたりの流量を約５％、ハブ側の圧力比を約２０％高くとれる結果を得ている。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
例えば、本発明の動翼はバイパス比の大きさに限定されず、バイパス比が大きい場合（例えば５以上）だけでなく、バイパス比が小さい場合（と問えば１以下）でも適用できる。
すなわち、バイパス比が小さいエンジンにおいてもファン１段動翼とそれを囲むケーシング径を大きくすることなく、ファン１段動翼の空気流量を増大することができ、重量を削減することができる。また、ハブ側の圧力比を従来のファン動翼よりも高くすることができる。

本発明のターボファンエンジンのファン動翼構成図である。 図１の垂直ハブ部の説明図である。 図１の後傾ミッドスパン部の説明図である。 図１の前傾チップ部の説明図である。 本発明の実施例を示すＣＦＤ計算結果である。 従来のターボファンエンジンの構成図である。 特許文献１〜６のファン動翼の模式図である。

符号の説明

１ エンジン回転軸（ファン回転軸）、
２ ケーシング内径、３ 流入空気の流れ、
１０ ファン動翼、１１ リーディングエッジ部、
１２ 垂直ハブ部、１２’ハブ部、
１３ 後傾ミッドスパン部、１３’ミッドスパン部、
１４ 前傾チップ部、１４’チップ部、
１５ コード長、１６、１６’重心

Claims (3)

1. リーディングエッジ部が、ハブ側に位置しファン回転軸に対してほぼ垂直な垂直ハブ部と、ミッドスパンに位置しファン回転軸に直交する面より外方が後方に傾斜している後傾ミッドスパン部と、チップ側に位置しファン回転軸に直交する面より外方が前方に傾斜している前傾チップ部とからなり、
   前記垂直ハブ部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し０％の内端位置から２０％以上、５０％未満の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、±５度以内の範囲内に位置する、ことを特徴とするターボファンエンジンのファン動翼。
2. 前記後傾ミッドスパン部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し２０％以上、５０％未満の内端位置から６０％以上、９０％未満の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、外方が後方に５度以上、４５度未満の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボファンエンジンのファン動翼。
3. 前記前傾チップ部は、リーディングエッジ部全体の半径方向スパンに対し６０％以上、９０％未満の内端位置から１００％の外端位置まで延び、かつファン回転軸に直交する面に対し、外方が前方に５度以上、４５度未満の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボファンエンジンのファン動翼。
   

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