JP5842005B2 - 連結棒を備える不静定トラス - Google Patents

Description

本発明は、とりわけ細長いバイパス流ケーシングを備えるバイパスターボジェットエンジンの分野に関する。本発明は、航空機または軍用のエンジンの機体に固定された、このタイプの任意のエンジンに関する。

バイパスターボジェットエンジンは、エンジンの前部に装着されたときに圧縮空気の流れを送出するファンを備え、この圧縮空気の流れは、２つの同心の環状流、すなわち一次流および一次流を取り囲む二次流またはバイパス流に分割される。一次流は、ガス発生器を形成し、かつ、圧縮段と、燃焼室と、ファンがそれによって駆動されるタービンを備えるセクションとを備えるエンジンの部分の方に誘導される。次いで、燃焼ガスを含む一次流は、排出ノズル内に噴出される。バイパス流は、ファンの下流側に真っすぐに進められ、同様に噴出される。民間用途のエンジンでは、バイパス流は推進力の殆どをもたらす。

一形態では、バイパス流は、ファンと一次流排出ノズルとの間のエンジンの周りを延びるファンダクト内に誘導される。ファンダクトは、２つのほぼ円筒状の同軸の壁を備え、これらの壁間には環状空間を画定する。ファンダクトの内壁は、ガス発生器の側板を形成する。ファンダクトの外壁は、整流翼の平面内で排出ノズルまで延びるケースを形成する。ファンダクトの外側ケースは、より一般には外側ファンダクトまたは「ＯＦＤ」と称される。

エンジンは、航空機の翼の下方に、あるいはその機体に沿って、とりわけ後部方向に装着され得る。この場合、エンジンは、本明細書の上記で説明されたようなファンダクトを備える。航空機へのエンジンの取り付け具は、２つの横断面、すなわち中間ケーシングと称される前部の構造ケーシングを通り抜ける上流側の１つの平面、および排出ケーシングと称される下流側の構造ケーシングを通り抜ける１つの平面内に位置する。

エンジンが機体上に装着される場合、下流側端部を固定するために、構造リングが外側ファンダクト、ＯＦＤ上に設けられ、このリングは、アームまたは連結棒によって排出ケーシングの外側リングまたはシェルリングに連結される。本出願人の名義の欧州特許出願公開第２０２２９７３号明細書は、外側ファンダクト構造の一例を記載している。

本明細書の上記で述べられた２つのリング間の連結は、エンジンの軸の全周に分散され、かつ２本のリングに堅固に固定された半径方向のアームの形態をとることができる。この連結はまた、エンジンの軸に対して傾斜される連結棒の形態をとることもできる。連結棒は、ヨークおよびピンタイプの取り付け具によって２つのリングに固定される。そのような取り付け具は、２つの単一のまたは二重のヨークから形成され、これらの一方は、連結棒の端部に固定され、他方は、リングの、共通ピンが通り抜ける壁に固定される。より具体的には、連結棒は対で配置され、各対の連結棒は、排出ケーシングのリングに対して接線方向にあると同時に、外側ファンダクトのリングの取り付け具上で合流する。

連結が半径方向アームから形成されるか、連結棒から形成されるかに関係なく、これは不静定（静的冗長性）であり、したがって荷重はすべてのアームまたは連結棒を、その相対強度によって決定された方法で通り抜ける。説明を簡単にするために、連結棒およびアームの両方は、これ以後、連結棒と称される。

引張荷重によって辿られる通路は、圧縮荷重によって辿られるものと同じであるので、従来技術による連結棒は、引張荷重および圧縮荷重の両方に耐えるようにサイズ設定される必要がある。

従来技術の解決策では、すべての連結要素、すなわちピン、ヨーク、連結棒またはアームは、ファンブレードの損失によって発生する不均衡から生じる荷重に機械的に耐えることができるようにサイズ設定される。これは、そのような危機的状況が生じた場合にエンジンが取り外されるリスクを取り除くためである。したがって、連結を構成するすべての構成要素の質量は、大きいものである。

欧州特許出願公開第２０２２９７３号明細書

本発明の目的は、ファンブレードの破損によって発生し得る荷重に対処しながら、従来技術の解決策と比較して全質量を低減することを可能にする、エンジンケーシングのリングを別のリングの内側に懸架することに適用される連結棒の不静定トラスを作り出すことである。

本発明の別の目的は、空気力学的観点からの不利益を伴わないエンジン懸架装置を作り出すことである。

これらの目的を達成するために、本出願人は、以下を考慮した。

ファンブレードの損失は、大きい圧縮荷重および引張荷重の両方を発生させやすい。最大圧縮荷重の大きさおよび最大引張荷重の大きさはほぼ同じであり、その理由は、不安定な力が、時間をかけて軸の周りを回転し、連結棒すべてが順々に引張荷重および圧縮荷重にさらされるためである。

連結棒のサイズ設定を考えるとき、その引張強度はその圧縮強度よりも良好であるので、その目標は、通常、圧縮下での座屈に耐えることを確実にすることである。したがって、連結棒の断面積には最小の二次モーメントが必要とされる。この要求事項を満たすために、連結棒の主要断面が増大され得るが、それによって空気力学的不利益を伴い、あるいは連結棒の断面積が増大され得るが、これは質量的不利益を伴う。

さらには、連結棒が空流通路を横切って配置され、大きな抗力を作り出す限り、そのプロファイルも、空気力学的に最適化される必要がある。これはこのとき、機械的完全性の要求事項に付加される別の制約である。

したがって、すべてのこれらの要求事項を満たす連結棒は、引張強度に関する限り過大にサイズ設定される。張力下での破損におけるマージンは、２００％を超えるものである。

したがって、エンジンケーシングの一部を形成する第１のリングを、第１のリングと同心である第２のリングの内側に懸架することに適用される連結棒の不静定トラスであって、連結棒が、一方の端部によって第１のリングに、他方の端部によって第２のリングに固定される、不静定トラスに関する本発明では、連結棒の不静定トラスは、連結棒がその圧縮強度よりも大きい引張強度を有することを特徴とする。

トラスは不静定であるので、連結棒を通り抜ける荷重は、さまざまな連結棒の相対強度によって決定される。したがって、本発明は、引張強度より小さい圧縮強度を有する連結棒であって、それにより、最大圧縮荷重が低減され、一方で最大引張荷重が増大される、連結棒を使用することにある。一方では張力下での破損に関する、また他方では圧縮下での座屈に関するマージンは、こうして互いに独立して設定されることが可能であり、それによって最適なサイズ設定を可能にする。

本発明による連結棒は、圧縮および張力に作用することができるように設計された１つまたは複数の部分と、張力のみに作用する１つまたは複数の他の部分とを備える。

本発明は、好ましくは、内棒と、内棒を取り囲む側板とを備える連結棒であって、内棒が、圧縮および張力に作用することができるように設計され、側板が張力のみに作用する、連結棒を使用して実施される。

この構成は、あらゆる空気力学的考慮から独立して、内棒に対して最適な断面を選択して構成要素の質量を最適化すること、および形状に関するあらゆる他の制約から独立して、側板の最適なプロファイルを、その抗力を最小限に抑えるように選択することを可能にする。

一実施形態によれば、連結棒の内棒および側板は、張力が内棒にかけられたときのみに互いに押し付け合う表面の対を有し、引張荷重は、内棒および側板の両方によって２つの端部間に伝達される。圧縮荷重によって辿られる通路は、内棒のみを通り抜ける。

一実施形態によれば、棒および側板は、一方の端部によって互いに固定され、他方の端部は、表面の前記対を有する。別の実施形態によれば、棒および側板は、同じ固定点間で互いから独立しており、たとえば、棒および側板は、連結棒を固定するピンを通すように穴が開けられ、側板は、これと２つのピンの一方との間の隙間により、圧縮には作用しない。

代替の一形態によれば、連結棒は、棒の軸に沿って分散された荷担面の少なくとも２つの対を備える。

座屈に対する内棒の抵抗力は、圧縮応力にさらされたときに内棒が座屈することを防止するために側板の内面に半径方向に押し付ける手段を有する連結棒によってさらに改良される。

好ましくは、内棒は、十字形の断面のものである。

別の代替の形態によれば、内棒は、ねじ切りされ、軸方向に移動可能でありかつ荷担面を形成するプレートを有し、したがって、連結棒は、荷担面間の隙間が、棒を回転させることによって調整されるので、調整がより容易である。さらに、あそびが無い荷担面を有するために、予荷重がかけられ得る。

本発明の解決策は、空気力学的プロファイルを有する連結棒側板を生み出すことをより容易にするという注目すべき利点を有するが、その理由は、この側板が張力のみに作用し、これは、プロファイルの形状が、サイズ設定のために考慮される必要がないことを意味しているためである。

１つの特定の用途によれば、トラスは、内側リングに対して接線方向に三角形に配置された６本の連結棒を有する。

最後に、本発明はまた、バイパスダクトを形成する環状ダクトと、ケーシングリングを有する排出ケーシングと、バイパスダクトの側板内の同心リングとを備え、先行の請求項の一項に請求されるトラスが２つのリング間に連結をもたらす、フロントファンエンジンに関する。

添付の概略図を参照して、非限定的な例示としてのみ与えられる本発明の一部の実施形態を理解させる詳細な説明的記載を読み取ることにより、本発明は、より良好に理解され、その他の目的、詳細、特徴、および利点がよりはっきり明確になる。

細長いバイパス流ダクトを有するバイパスターボジェットエンジンの概略斜視図である。 図１のエンジンを貫通する概略断面図であり、２つの構造リングを示し、それらの一方は、排出ケーシングリングであり、他方は、外側ファンダクトリングであり、これらのリングは、６つの連結棒を備える不静定トラスによって連結される。 本発明による、トラスの連結棒の１つの第１の実施形態の長手方向の断面図であり、矢印は、連結棒が張力に作用しているときに荷重によって辿られる通路を示している。 図３の連結棒を示す図であり、矢印は、連結棒が圧縮に作用しているときに荷重によって辿られる通路を示している。 本発明による連結棒の断面図である。 実施形態の第１の代替の形態の長手方向断面図である。 実施形態の別の代替の形態の長手方向断面図である。 実施形態の別の代替の形態の長手方向断面図である。

図１のターボジェットエンジン１０は、ナセル１２の内側にあり、上流側から下流側にかけて、ファンケーシング１４と、中間ケーシング１６と、２つのほぼ円筒状のケースの間、すなわち一次流が通り抜けるエンジンの部分の側板を形成するとともに、ガス発生器を形成する内部ケース１８と外側ケース２０との間に形成された環状ファンダクトとを備える、フロントファンバイパスターボジェットエンジンである。ここでは外側ファンダクト２０は、一次流２６と二次またはバイパス流２８の間の、これら２つの流れが混合器２２によって混合される合流領域の下流側まで延びる。外側ファンダクト２０は、エンジンとエンジンが装着される航空機との間の荷重に対処することによって構造機能を有する。したがって、外側ファンダクト２０は、ここでは連結棒４０によってガス発生器の排出ケーシングの外側リング２３に連結された構造リング２１を備える。エンジンは、中間ケーシングに固定された取り付け具１７によって上流側端部で航空機に固定され、下流側端部では、取り付け具２７によって外側ファンダクト２０の構造リング２１に固定される。

図示される例では、外側ファンダクトの構造リング２１と排出ケーシングのリング２３との間の連結は、それらの端部によって２つのリングに取り付けられた連結棒４０から形成される。各取り付け具は、既知の、示されていない方法で、リングに固定されたヨークと、連結棒の端部に固定されたヨークとを備え、この２つのヨークは、これらを通り抜ける共通ピンを有する。図２に見られ得るように、連結は、より詳細には、連結棒４０の３つの対から形成され、これらの連結棒は、排出ケーシングリング２３に対して接線方向にあり、外側構造リング２１上で、対で合流する。

従来技術によれば、またとりわけ、不均衡によって誘発された荷重が軸の周りを回転するということのために、リング間の連結を構成する要素は、その各々が、ファンブレードの破損時に圧縮荷重および引張荷重の両方を伝達することができるように寸法設定されている。特に、連結棒は、張力にあるときほど圧縮においては強くないため、圧縮坐屈に対してサイズ設定される。一方向の不均衡は、連結棒の一部のものによって張力に、それ以外のものによって圧縮に対処される。連結棒すべては同じ強度であるため、荷重は、それらの間で均等に分散される。たとえば、一方向の１０Ｔの荷重は、圧縮および張力の両方において伝達される必要がある。この状況は理想的ではなく、その理由は、連結棒が、１０Ｔの最大圧縮荷重を吸収するように寸法設定される場合、１０Ｔをはるかに上回る張力下での破損に対するマージンを有しているからである。破損に対するこのマージンは、従来技術の構造に利用されない。

トラスが不静定である（トラスが、３本の連結棒からの平面内において静的冗長である）と考えられるが、連結棒を通り抜ける荷重は、さまざまな連結棒間の強度の比によって決定され、本発明によるトラスを有する連結棒は、圧縮に作用するとき、張力に作用するときに有する強度よりも小さい強度を有するようにされる。したがって、連結棒が耐えることができる必要がある最大圧縮荷重は、より低くなり得、最大引張荷重はより大きくなり得るということになる。後者の状態は、張力下の破損に対するマージンが大きいので、不利益を課さない。換言すれば、張力下の破損に対するマージンおよび圧縮下の破損に対するマージンを互いに独立して設定することが可能である。これは、その場合、さらなる最適化への道となる。

引張強度とは異なる引張強度を有する連結棒の非限定的な実施形態が、これ以後説明される。

図３の連結棒１４０が、長手方向断面で見られる。これは、内棒１４１および側板１４２を有する。内棒には、その端部１４３、１４４の各々においてヨークがそれぞれ設けられる。これらのヨークは、連結棒がエンジンの２つのリングに固定されることを可能にする。棒は、その軸に沿って、一方の端部から他方の端部まで側板１４２によって取り囲まれ、この側板の、連結棒の軸に垂直なプロファイルは、断面図である図５に見られ得るように、空気力学的である。この側板は、一方の端部１４３において棒に固定される。その他方の端部、端部１４４の端部では、側板は、棒１４１に固定されたプレート１４１ａの軸に垂直な荷担面１４２ａを備える。静止時、２つの荷担面は接触しないが、別の実施形態によれば、２つの荷担面は、棒と側板の間の予荷重の結果接触する。引張荷重が２つの端部１４３と１４４の間にかけられるとき。表面１４１ａは、２つの端部の間の引張荷重が、棒１４１および側板１４２の両方を通り抜けるように表面１４２ａに押し付ける。作用している連結棒のセクションは、内棒のセクションＳｉと外部側板のセクションＳｅとを備える。

連結棒が、図４の荷重矢印によって示されるように圧縮に作用しているとき、力は、２つの表面１４１ａおよび１４２ａがもはや互いに押し付けていないので、棒１４１のみを介して一方の端部から他方に進む。作用している連結棒のセクションは、Ｓｉである。こうして、簡単な方法で、連結棒は、圧縮強度とは異なる引張強度を作り出している。強度の比は、比（Ｓｅ＋Ｓｉ）／Ｓｉの関数である。

このタイプの連結棒から形成された不静定トラスでは、荷重は、張力に作用しかつ破損に対して最も高いマージンを有するものである、最強の連結棒によって最初に伝達される。

この解決策の利点は、連結棒がより軽くなることができるので、側板を作用させることにより、連結棒の全体質量が最適化されることである。さらに、内棒が耐える必要がある最大圧縮荷重は、圧縮荷重が常により小さいのでより小さいレベルで設定され得る。

内棒の形状は、バイパス流の空気と接触しないので、機械応力のみを考慮することによって最適化され得る。図５は、座屈への抵抗力を最適化するための棒の断面の形状の一例を示しており、その形状は、十字のものである。

さらに、座屈への抵抗力を改良するために、図７に表される別の考案された実施形態が存在する。連結棒３４０は、内棒３４１および側板３４２を備え、これらは、連結棒１４０のように、一方の端部３４３によって連結され、それぞれの荷担面３４１ａおよび３４２ａを介して、他方の端部３４４において張力下で接触する。この連結棒は、さらに、内棒と側板間の半径方向の接触のためのウエブ３４５を備える。これらのウエブは、境界条件によって内棒３４１の座屈形態を変更する。

実施形態の他の代替の形態が、図６および図８に示される。

図６では、連結棒２４０の内棒２４１は、ねじ切りされ、側板２４２内にねじ込まれる。棒２４１がそれを介して端部２４４にある側板の荷担面２４２ａに押し付ける荷担面２４１ａは、棒を側板にねじ込むことによって高さ方向に調整可能である。この対策は、組立時にトラス内における連結棒の全調整を可能にする。

図８では、別の代替策は、内棒４４１に沿って側板４４２の内側の２つの端部４４３と４４４の間に荷担面４４１ａ、４４２ａのいくつかの対をそれぞれ形成することである。

本発明は、本発明の特許出願に図示される実施形態に制限されず、当業者の能力の範囲内にある代替の形態を包含する。これは、たとえば、側板および棒が、一方が他方の内側にあるのではなく、隣り合わせにして配置され、たとえばこのとき空気力学的保護を上流側に、別のものを下流側に備え、これら２つが一緒になって張力のみに作用する部分を構成する場合を含む。

Claims (10)

1. エンジンケーシングの一部を形成する第１のリング（２３）を第１のリングと同心である第２のリング（２１）の内側に懸架することに適用される連結棒の不静定トラスにして、連結棒（１４０；２４０；３４０；４４０）が、一方の端部によって第１のリング（２３）に、他方の端部によって第２のリング（２１）に固定された、不静定トラスであって、連結棒（１４０；２４０；３４０；４４０）が、その圧縮強度より大きい引張強度を有し、前記端部間に圧縮および引張荷重を伝達するように設計された１つまたは複数の部分（１４１；２４１；３４１；４４１）と、前記端部間に引張荷重のみを伝達するように設計された１つまたは複数の他の部分（１４２；２４２；３４２；４４２）とを備えることを特徴とする、不静定トラス。
2. 連結棒（１４０；２４０；３４０；４４０）が、圧縮および張力に作用することができるように設計された内棒（１４１；２４１；３４１；４４１）と、内棒を取り囲み、張力のみに作用する側板（１４２；２４２；３４２；４４２）とを備える、請求項１に記載のトラス。
3. 連結棒の内棒および側板が、内棒に張力がかけられたときに互いに押し付け合う表面の対（１４１ａ，１４２ａ；２４１ａ，２４２ａ；３４１ａ，３４２ａ；４４１ａ，４４２ａ）を有し、引張荷重は、このとき、内棒および側板によって２つの端部間に伝達される、請求項２に記載のトラス。
4. 連結棒（４４０）が、棒の軸に沿って分散された荷担面の少なくとも２つの対を備える、請求項３に記載のトラス。
5. 連結棒（３４０）が、圧縮応力にさらされたときに内棒が座屈することを防止するために側板の内面に対して半径方向に押し付ける手段（３４５）を備える、請求項２から４のいずれか一項に記載のトラス。
6. 内棒は、軸方向に垂直な断面が十字形である、請求項２から５のいずれか一項に記載のトラス。
7. 内棒（２４１）が、ねじ切りされ、軸方向に移動可能でありかつ荷担面を形成するプレートを備える、請求項２から６のいずれか一項に記載のトラス。
8. 連結棒の側板（１４２；２４２；３４２；４４２）が、連結棒の軸に垂直な空気力学的プロファイルを備える、請求項２から７までのいずれか一項に記載のトラス。
9. 第１のリング（２３）に対して接線方向に三角形に配置された６本の連結棒を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のトラス。
10. バイパスダクトを形成する環状ダクトと、ケーシングリングを有する排出ケーシングと、バイパスダクトの側板内の同心リングとを備え、請求項１から９のいずれか一項に記載のトラスが２つのリング間の連結をもたらす、フロントファンエンジン。

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