JPS58138210A - 軸流ガスタ−ビンエンジンのフアンケ−スの外殻 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ファンブレードの損傷の際にファンブレード
を封じ込めるためファンブレードを囲繞している外殻に
係る。本発明は特に、ファンブレードがファンローター
組立体の平面内にある闇にファン０−ター組立体の損傷
したファンブレードを封じ込めるための外殻に係る。

高いバイパス比を有するターボファンエンジンは一般に
エンジンの前方部分にファンローター組立体を設けられ
ている。ローター組立体はローターディスク及びファン
ローターブレードを含んでいる。ファンローターブレー
ドは作動媒体ガスに対する一次流路及び作動媒体ガスに
対する二次流路を横切ってローターディスクから外方に
延びている。これらのブレードはこのようなエンジンに
用いられる軸流コンプレッサ及びタービンのブレードよ
りも一層反っており且かなり大型である。

ローターブレードは作動媒体ガスの第一段圧縮を行うよ
うに回転軸線の周りに＾速度で駆動される。場合によっ
ては作動媒体ガスと一緒にエンジン内へ取入れられる外
来置物例えば鳥、叢などがブレードに衝突し、ブレード
を傷付けて、ローターディスクへのブレードの取付は領
域でブレードが破壊するに至らしめる可能性がある。こ
の取付け領域は根元領域と呼ばれる。このような根元領
域に於ける破壊の際に、０−ターブレードは毎秒数百フ
ィート（１フィート−０，３０４８−）の速度で０−タ
ー岨立体から外方へ投げ出される可能性がある。

ファンブレードに於ける損傷ブレードの封じ込めには、
ファンブレードの寸法が大きく、反りが大きく、また回
転速度が高いために、エンジンのコンプレッサ及びター
ビン部分の（ファンブレードよりも）小さいブレードに
於ける損傷ブレードの封じ込めとは興なる対策を必要と
する。このような損傷の際にローターディスク−ブレー
ド組立体の平面内に損傷ブレードを封じ込めるための一
つの装置は“ブレード封じ込め装置°′という名称の米
国特許第４．１４９．８２４号明細書に示されている。

この明細書には、ローターブレードを囲繞するリングが
示されている。このリングは、ローターブレードにより
衝突されたときに外側支え構造に対してスピン運動を行
うことができ、それによりローターブレードの回転エネ
ルギを吸収する。

同じ目的のもう一つの装置が″“軸線の周りに回転する
機械に対する安全装置″という名称の米国特許第４．１
９７．０５２号明細書に示されている。この明細書には
、ブレードの平面からのブレード破片を偏向させるため
内壁に螺旋状斜面を形成された封じ込め外殻が示されて
いる。

これらの特許は、ブレードがローターディスク−ブレー
ド組立体の平面内にある闇にブレード破片が封じ込め外
殻を貫通ずるのを防止するための二種類の方法を示して
いる。この進歩にも拘らず、科学者及び技術者はファン
ケースの外殻を通じての損−ローターブレードの通過を
阻止する他の封じ込め構造の開発を１指している。

本発明はエンジンの実験中に得られた実験結果及び高速
度撮影写真の解析結果に基いている。解析結果により解
析モデルが作成された。解析モデルの有効性は更に実験
により確認され、それに基いて本発明の封じ込め外殻が
開発された。

本発明によれば、軸流ガスタービンエンジンのファン０
−ターブレードのアレイを囲繞しているファンケースの
外殻が軸線方向に後方に向って厚みを増し、０−ターブ
レードの中心調弦点を通る平面の後方で最大の厚みを有
し、それによりブレード破片の衝突に対してファンケー
スを選択的に補強している。

一つの実施態様によれば、外殻が最大の厚みを有する位
置は、中心調弦点を通る基準平面とローターブレードの
先端の後縁から先端の軸線方向長さと等しい距離だけ下
流の基準平面とにより境いされる領域内にある。

本発明の主な特徴は、軸流ガスタービンエンジンのファ
ンケースの封じ込め外殻が下記のように構成されている
ことである。外股はローターブレードのアレイを囲繞し
ている。各ローターブレードは前縁、中心調弦点及び後
縁を有する先端を有している。外殻の半径方向厚み線、
エンジンの軸線に対して垂直でローターブレードのアレ
イの中心調弦点を通る基準平面の後方で最大の厚みに達
ダる点まで軸線方向に後方に向って増大している。

一つの実施態様では、外殻はローターブレードの前縁領
域の半径方向に外側で最小の厚みを有し、またブレード
の中心翼弦点を通る平面とローターブレードの後縁を通
る平面との間に延びる領域内で最大の厚みを有する。他
の実施態様では、ローターブレードの先端は、エンジン
の軸線を含む平面内で測って、前縁と後縁との闇に軸線
方向長さしを有する。外殻は、ブレードの中心調弦点を
通る基準平面とローターブレードの後縁から後方に距離
りの点を通る基準平面との間に位置する領域内に最大の
厚みを有する。外殻の厚みは第三の平向の後方の領域で
は軸線方向に後方に向って減少している。一つの実施態
様では、厚みは後方に向って段階的に変化している。

本発明の主な利点は、選択された領域内では外殻の厚み
を増し且他の領域内では外殻の厚みを減することにより
、一定の厚みを有するケースに比べて論量が軽いケース
によりブレードの根元領域でのローターブレードの損傷
の際のローターフレードの破片を封じ込めているので、
効率の高い１４じ込めが行われることである。他の利点
は、エンジンのファンケースと外殻が一体に形成されて
いるので、封じ込め外殻の製造及び組立てが容易なこと
である。

本発明の上記の特徴及び利点は、以下にその最良の実施
例を図面により詳細に説明する中で一層明らかになろう
。

ターボファン型式の軸流ガスタービンエンジン１０が第
１図に示されている。ナセル１２がエンジンを囲んでお
り、航空機翼（図示せず）のような支え構造に対して所
定の位置にエンジンを支えるべく構成されている。エン
ジンはファン部分１４、コンプレッサ部分１６、燃焼部
分１８及びタービン部分２０からなっている。作動媒体
ガスに対する一次流路２２がこれらの部分を通って後方
に延びている。作動媒体ガスに対する二次流路２４は一
次流路の外側を後方に延びている。

ファン部分１４は回転軸線Ａ「を有するローター組立体
２６とステータ組立体２８とを含んでいる。ステータ組
立体は軸線方向に延びるファンケース３０とファン出口
案内ベーン３２のようなステータベーンのアレイとを有
する。ファンケースは対称軸線Ａｓを有し、ナセル１２
の内壁を形成している。氷結防止空気に対するダクト３
４及び圧縮空気により航空機を始動させるための始動機
（図示せず）のようなサービス要素はファンケースの半
径方向に外側に配設されている。

ローター組立体２６はローターディスク３６及び複数個
のローターブレード３８を含んでいる。

各ローターブレードは根元領域４０．中間スパン領域４
２及び先端領域４４を有する。ローターブレードはロー
ターディスクから外方に作動媒体ガス流路を横切ってス
テータ組立体の近傍に延びている。

第２図にはステータ組立体２８の拡大断面図によりファ
ンケース３ｏとローターブレード３８の一つとが示され
ている（０−ターブレードは部分的に切欠いて図示され
ている）。０−ターブレードは前縁４６及び後縁４８を
有する。ブレードの先端４４で、後縁は前縁から軸線方
向に距離し１をおいている。先端は前縁に点５０、中心
調弦に点５２、後縁に点５４を有する。中心調弦点は先
端の前縁及び後縁から軸輪方向に等しい距離をおいてい
る。後縁の下流の点５６は後縁の点から軸線方向に後方
に距離Ｌ！をおいている。距離Ｌ２は距離Ｌ＋に等しい
（Ｌｅ　＝Ｌ＋　）。四つの基準平面Ｐ＋　１Ｐｔ　、
Ｐｇ及びＰ４はファンローターブレード上のこれらの点
を通って、それぞれファンケースの対称軸線に対して垂
直に延びている。

平面Ｐｒは前縁の点５０を通って延びている。平ｌｌ１
Ｐ　ｔはエーロフオイル先端の中心調弦の点５２を通っ
て延びている。平面Ｐｓは後縁の点５４を通って延びて
いる。平面Ｐ４は０−ターブレードの下流の点５６を通
って延びている。各ローターブレードはファンケース３
０から半径方向に間隔をおいており、その闇にギャップ
Ｇを残している。

０−ターブレード３８の外側のファンケース３０はラブ
ストリップ（ｒｕｂｓｔｒｉｐ）　５８、外殻６０゜第
一の７ランジ６２及び第二のフランジ６４を含んでいる
。これらのフランジは外殻と一体につながっている。こ
れらの７ランジは外殻から内方に延び、ファンケースに
ラブストリップを受入れるための溝６６を郭定している
。ファンケースは、外殻に一体につながり外殻から外方
に延びる第三のフランジ６８及び第四のフランジ７０を
有する。

第三の７ランジは隣接構造物への取付けのための複数個
の孔を有し、そのうちの一つが参照符号７２を付して示
されている。第四のフランジはファンケースの振動応答
に影響を及ぼすべく外方に延びている。これらの四つの
７ランジ及びラブストリップはファンブレードの破片を
ブレード平面内に封じ込める目的で外殻の一部分をなす
ものとはみなされず、従ってファンブレードの損傷の際
にファンブレードの破片の衝突に外殻が耐える能力を向
上するものとはみなされない。

第３図は外殻６０の解図的な断面図である。第４図及び
第５図はそれぞれ第３図の外殻を変形した実施例の解図
的な断面図である。何れの図面も、基準平面Ｐ　１　、
Ｐ　２　、Ｐ　ａ　％　Ｐ　４と外殻の半径方向材料厚
みｔとの間の関係を示すため長さ及び厚みを誇張して図
示している。第３図では、外殻の半径方向材料厚みｔは
軸線方向に後方に向って増し、中心調弦平面Ｐ！の後方
で最大厚みに達している。第４図では、外殻の半径方向
材料厚みｔは前縁領域に於ける最小厚みＴ　ｇｉｉｎか
ら軸線方向に後方に向って増大し、中心調弦平面Ｐ２と
後縁平面Ｐ８とにより境される領域内で最大厚みＴ　ｗ
ａｘに達している。第５図では、外殻の！Ｉ！径方向材
料厚みｔは軸線方向に後方に向って少なくとも一箇所で
の段階的（不連続的）な厚み増大を経て、中心調弦平面
Ｐ２と後縁平面Ｐ８との間に位置する領域内で最大厚み
Ｔ　ｓ＋ａｘに達している。これらの実施例の何れに於
ても、外殻はＯ−ターブレードの前縁領域に於て最小の
半径方向材料厚みを有し且軸線方向に後方の位置に於て
最小厚みよりも少なくとも２０％大きい最大の半径方向
材料厚みを有する。外殻の最大の材料厚みは、中心調弦
平面Ｐ２と後縁から軸線方向に距Ｉｌｌ　Ｌ　ｉをおい
ている下流平面Ｐ４との間に位置する領域内で生じてい
る。

エンジンの作動中、第１図に示されているローター組立
体２６は毎分４０００回転という＾い通痕で回転軸線Ａ
「の周りを回転する。ローター組立体が回転するにつれ
て、Ｄ−ターディスク３６は各ブレードの根元領域４０
に遠心力を及ぼし、ブレードをローター組立体の回転軸
線△「の周りの円形通路に従わせる。回転中に大きな外
来異物がブレードに衝突すると、ブレードは根元領域で
損傷し得る。以下の説明は、このようなブレード損傷の
際のブレードとラブストリップ５８と支持外殻６０の閣
の典型的な相互作用を説明するものである。この説明は
ブレードの損傷の際に上記要素の間に生じ得る全ての相
互作用を余すところなく説明するものではない。

ファンブレードの損傷の際、ファンブレード３８は根元
領域で破断して、半径方向に外方に先端領域４４とラブ
ストリップ５８との間のギャップＧを横切って運動し、
ラブストリップ５８に衝突して破片となる。第６図に示
されているように、。

典型的にブレードの先端領域４４（参照符号Ａを付され
ている領域）はこの最初の衝突の際にローターブレード
から離れて、ブレードの根元領域４０及び中間スパン領
域４２（参照符号Ｂを付されている領域）を慢ろに残す
。流路の形状によりまたブレードの前縁と後縁との間に
存在する圧力の差により生ずる比較灼＾い軸線方向速度
で先端領域の破片は前方に運動する。ブレードの第二の
部分８をなす中間スパン及び根元領域は先端領域４４に
より占められる半径方向距離を横切ってまたギャップＧ
を横切って半径方向に外方に運動する。

ファンブレードの第二の部分Ｂが外方に運動するにつれ
て、ブレードの第二の部分は後ろから斜線で示されてい
る隣接（後続）ファンブレードにより衝突される。後続
のファンブレードは破断したブレード破片Ｂを加速して
、破片が後続ブレードに沿って半径方向に外方に滑るに
つれてブレード破片の速度を増大させる。ブレードの第
二の部分Ｂは後続ブレードにより衝突される結果として
速度の軸線方向後ろ向き成分ｖａを有し、またこの接触
及びブレードの回転エネルギのために速度の半径方向外
向き成分Ｖｒをも有する。後続ブレードの衝突により生
ずるブレードの８は寸法が大きく速度が＾いために、ブ
レードの最初の衝突の際よりも大きなエネルギでラブス
トリップ５８に衝突する。第７図に示されているように
、第二回の衝突の際にブレードはラブストリップを貫通
して、最初の衝突の際よりも後方の位置で封じ込め外殻
６０に衝突する。ブレード破片Ｃはブレードの新たな先
端から離れて、軸線方向に前方に運動し、破片Ｂ’を後
ろに残す。

第８図に示されているように、ブレードの第二の部分Ｂ
’は外方に運動して、ケースに三回目の衝突をする。こ
の三回目の衝突の際、ブレードの残りの部分は厚いので
、先端で破片とならない。

ブレード部分Ｂ′は後続ブレードにより後方に駆動され
、またこの接触及びブレードの回転エネルギのためにブ
レード第二の部分は最初の衝突の際よりも大きな衝撃力
で封じ込め外殻に衝突する。

第二回及び第三回の衝突の際の衝撃力は最初の衝突の際
の衝撃力よりもはるかに大きい。封じ込め外殻に最大の
衝突エネルギが伝えられるのは、第一の基準平面Ｐ２の
後方且平面Ｐ４の前方の領域内である。平面Ｐ２の後方
に於けるケースの選択的補強により、ケースのエネルギ
吸収能力を増し、また平面ＰＩとＰ４との闇で一定の厚
みを有する構造に比べてケースの重量を軽くすることが
できる。第８図に示されているように、残りのブレード
部分Ｂ’はロータの平面から後方に押される。

残りのブレード部分は、平面Ｐ２とＰ４との閣で生ずる
衝突よりも小さな力で軸線方向に後方の箇所でケースに
一回又は複数回衝突する。残りの部分Ｂは典型的に、第
１図に示さているファン出口案内ベーン３２によりロー
タの後尾でトラップされる。

本発明をその好ましい実施例について詳細に図示し説明
してきたが、本発明の範囲内でその形態及び細部に種々
の変更が行われ得ることは当業者により理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は航空機ナセル内に取付けられたターボファン型
式の軸流ガスタービンエンジンの斜視図であり、ナセル
及びエンジンの一部分を切欠いてエンジン内のファンロ
ーターブレードのアレイ及びそれに隣接するファンケー
スの構造が示されている。 第２図はローターブレードに隣接するファンケース構造
の断面図及びローターブレードの側面図であり、ロータ
ーブレードの一部分は切欠かれて示されている。 第３図はローターブレードの封じ込めのための外殻の前
回的な断面図である。 第４図は第３図の封じ込め外殻を変形した実施例の前回
的な断面図である。 第５図は第３＠１の封じ込め外殻を変形した他の実施例
の前回的な断面図である。 第６図はブレードの根元の損傷の際にローターブレード
が封じ込め外殻に保持されているラブストリップに最初
に衝突する際の状態を説明する図である。 第７図はローターブレードがラブストリップを貫通して
封じ込め外殻に衝突する際の状態を説明する図である。 第８図はローターブレードが後続ブレードによりターボ
ファンエンジンのファンロータ平面から後方に駆動され
るにつれてローターブレードが封じ込め外殻に衝突する
際の状態を説明する図である。 １０・・・ガスタービンエンジン、１２・・・ナセル。 １４・・・ファン部分、１６・・・コンプレッサ部分、
１８・・・燃焼部分、２０・・・タービン部分、２２・
・・−次流路、２４・・・二次流路、２６・・・ロータ
ー組立体。 ２８・・・ステータ組立体、３０・・・ファンケース、
３２・・・ファン出口案内ベーン、３４・・・ダクト、
３６・・・０−ターディスク、３８・・・ローターブレ
ード。 ４０・・・根元領域、４２・・・中間スパン領域、４４
・・・先端領域、４６・・・前縁、４８・・・後縁、５
０・・・前縁の点、５２・・・中心翼弦点、５４・・・
後縁の点、５６・・・後縁の下流の点、５８・・・ラブ
ストリップ、６０・・・外殻、６２・・・第一フランジ
、６４・・・第二フランジ、６６・・・溝、６８・・・
第三フランジ、７０・・・第四７ランジ、７２川孔 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 軸流ガスタービンエンジンのファンローターブレードの
   ７レイを囲繞しており対称軸線ＡＳを有するファンケー
   スの外殻に於て、 外殻の半径方向の材料厚みが軸線方向に後方に向って増
   大し、対称軸線Ａｓに対して垂直でローターブレードの
   一つの中心調弦点を通る平［ｉＰ＊の後方で最大の厚み
   を有しており、 この外殻の増大する厚みによりブレード破片の衝突に対
   してファンケースを補強するべくファンケースの横断面
   積を選択的に増していることを特徴とする軸流ガスター
   ビンエンジンのファンケースの外殻。