JP2000320491A - 複合ファンプラットホーム - Google Patents
複合ファンプラットホームInfo
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Abstract
突した場合に隣接するファンブレード(18)の回転能
力を制限しないターボファン・ガスタービンエンジン用
のプラットホーム(34)。 【解決手段】 プラットホーム(34)は、構造本体部
分(40)とこれと一体に形成された流路表面部分(4
2)とを含む。構造本体部分(40)は 隣接するファ
ンブレード(18)の輪郭と合致する輪郭を有する。流
路表面部分(42)は、構造本体部分を越えて横方向に
突出する1対のウィング(60)を画定する。ウィング
(60)は破砕性で、吸込み事故に応答して隣接するフ
ァンブレード(18)が回転すると、砕ける。プラット
ホーム(34)は、樹脂トランスファ成形方法を用い
て、複合材料から製造する。
Description
ン、特にかかるエンジンにおいて隣接するファンブレー
ド間に配置された個別の空気流プラットホームに関す
る。
用いられるターボファン・ガスタービンエンジンは、代
表的には、ファンアセンブリ、低圧圧縮機またはブース
タ、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービンおよび低圧ター
ビンを直流関係で配列した構成である。燃焼器が発生し
た燃焼ガスを、高圧タービンに送り、ここで燃焼ガスを
膨張させて高圧タービンを駆動し、ついで低圧タービン
に送り、ここで燃焼ガスをさらに膨張させて低圧タービ
ンを駆動する。高圧タービンは第1ロータシャフトを介
して高圧圧縮機に駆動連結され、また低圧タービンは第
2ロータシャフトを介してファンアセンブリおよびブー
スタ両方に駆動連結されている。
間されたファンブレードがロータディスクから半径方向
外方に延在する構成である。ファンブレードは通常、エ
アーホイル部分と一体のダブテールルート部分とを有す
る。ダブテール部分をロータディスクに形成された相補
形状のダブテール溝にすべらせて挿入し、これによりブ
レードをロータディスクに取り付ける。ファンブレード
は、チタンのような金属あるいは複合材料で形成するの
が代表的である。
きわめて有効であるが、ときにより異物損傷、すなわち
鳥やひょうなどの異物の侵入の結果起こる損傷を受け
る。大きな異物がファンブレードに衝突すると、ファン
ブレードまたはその一部が破損してロータディスクから
はずれるおそれがある。はずれたファンブレードは隣接
するファンブレードを損傷し、ファンアセンブリのバラ
ンスを大きく崩す。さらに、ファンケーシング内にとど
まらないと、はずれたファンブレードはエンジンからパ
ワーを得ている航空機に大きな被害を及ぼす。吸込み事
故時に失われるブレード材料の量を少なくするために、
ブレードに加えられる極端な力に応じてダブテール溝内
でブレードルート部分が限定範囲内で回転できるよう
に、ファンアセンブリを設計することが知られている。
この回転により、ブレードの基部での破損が防止される
ケースは多い。
レード間に導き、それにより加圧して飛行中の航空機を
推進するスラストを生成する。ブレード間に流れる空気
流の半径方向内側流路境界は、ロータディスク近くで隣
接するファンブレード間に配置されたファンプラットホ
ームにより与えられる。プラットホームを一体形成した
ファンブレードを製造することが知られている。しか
し、このことは、ファンブレードのダブテール部分が、
ファンブレード・エアーホイルおよびプラットホーム両
方からの遠心荷重を支えなければならないことを意味
し、このため、ダブテール部分を適当に大きくしなけれ
ばならず、この結果、許容応力限度内の遠心荷重のすべ
てを吸収するのに適当な大きなロータディスクが必要と
なる。さらに、このような一体に形成されたプラットホ
ームが損傷すると、ブレード全体の交換が必要になるこ
とが多い。また、複合材料ファンブレードの場合、プラ
ットホームをブレードと一体に形成するのは、製造上実
用的でない。
するファンブレード間でロータディスクにそれぞれ別々
に連結した、ファンアセンブリが開発されている。これ
らの個別のプラットホームは、運転中の遠心荷重と鳥の
衝突による荷重のような衝撃荷重との両方を吸収する適
当な強度をもたなければならない。このような形状とし
て、アルミニウム鍛造品を機械加工した構造本体に複合
材流路表面を結合したハイブリッド構造が挙げられる。
構造本体部分は機械加工が容易なので、まっすぐな壁の
ボックス形状に形成される。隣接するファンブレードの
輪郭は湾曲しているので、まっすぐな壁の構造である
と、異物吸込み事故時にファンブレード、ファンプラッ
トホームおよびロータディスク間に硬物体ピンチポイン
トを生じることになる。このようなピンチポイントは、
ブレードへの異物の衝突に応じて回転するファンブレー
ドの回転能力を制限する。
り二次結合しなければならず、流路の保持を確実にする
ために構造的側壁に余分なボルト締め特徴手段を用いる
必要がある。そして、アルミニウム構造本体は、複合材
結合前に、ショットピーニングおよび下塗りが必要であ
る。この結果得られるプラットホームは比較的重く、そ
の製造費用が高くなる。
転能力を制限することのない、軽量で、製造の容易なフ
ァンプラットホームが必要とされている。
ディスクに連結された隣接するファンブレード間に用い
られ、内側流路境界を画定するプラットホームを提供す
る。このプラットホームは、構造本体部分とこれと一体
に形成された流路表面部分とを含む。構造本体部分は
隣接するファンブレードの輪郭と合致する輪郭を有す
る。流路表面部分は、構造本体部分を越えて横方向に突
出する1対のウィングを画定する。ウィングは破砕性
で、吸込み事故時に隣接するファンブレードが回転する
と、砕ける。プラットホームは、樹脂トランスファ成形
方法を用いて、複合材料から製造する。
とおりである。本発明の上記および他の目的および効果
は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明から明らか
になるであろう。
について説明するが、これらの図面中、同一要素には同
じ符号を付している。図1は、飛行中の航空機(図示せ
ず)に動力を供給するターボファン・ガスタービンエン
ジン10の1例を示す。このエンジン10は、ファンア
センブリ12を、通常の低圧タービン(図示せず)によ
り駆動される通常のファンシャフト14で回転する構成
である。ファンアセンブリ12はロータディスク16を
含み、多数の円周方向に離間したファンまたはロータブ
レード(動翼)18(図1では1つだけ図示)がディス
クから半径方向外方に延在する。ロータディスク16
は、軸線方向に離間した前方側面20および後方側面2
2と、両側面間に延在する半径方向外側表面24とを含
む。
向に離間したベーンおよびブレード列を有する通常のブ
ースタ圧縮機26が配置されており、そのブレードはブ
ースタスプールまたはシャフト28に連結されている。
ブースタシャフト28はロータディスクの後方側面22
に複数のボルト30により適切に固着されている。円錐
形スピナ32がロータディスクの前方側面20に連結さ
れて、ファンアセンブリ12に入ってくる空気38への
空気力学的流路を構成している。
複数の個別のプラットホーム34(図1では1つだけ図
示)が設けられる。各プラットホーム34は、隣接する
2つのファンブレード18の間にかつ半径方向にロータ
ディスク16を越えて配置されている。各プラットホー
ム34の半径方向外側表面36は、隣接する2つのファ
ンブレード18の間に延在し、一緒になってファンブレ
ード18間に空気38を導く内側流路境界を画定する。
したがって、プラットホーム34はスピナ32とブース
タ26間に画定されるエンジン流路を維持する機能を果
たす。
ム34を詳細に示す。プラットホーム34は、構造本体
部分40と流路表面部分42を有し、これらが断面ほぼ
T字形状に連結されている(図4参照)一体に形成され
た単一の部材35を含む。図2から明らかなように、プ
ラットホーム34は、ディスク前方側面20近くに配置
された前端44と、ディスク後方側面22近くに配置さ
れた軸線方向反対側の後端46とを有する。本体部分4
0は、プラットホームの質量の大部分をなし、したがっ
てプラットホーム34にそこにかかる遠心荷重を支える
のに必要な強度を与える。
ム34の全重量を減らすために、一体部材35を非金属
複合材料から形成するのが好ましい。かかる複合材料と
しては、たとえば、グラファイト繊維をエポキシ樹脂に
埋設した材料が適当である。さらに、構造本体部分40
は第1側壁50と、第2側壁52と、両側壁50,52
間に延在する半径方向内側表面54とを有する中空本体
である。構造本体部分40は前端44および後端46両
方で開口している。開口端は、エンジン運転中に遠心排
水路を提供することで、雨水や溶けた氷のような流体が
中空本体部分40の内側に溜まるのを防ぐ。さらに重量
を減らすために、構造本体部分40の各側壁50,52
に多数の減量用穴48を形成する(図2では第1側壁5
0に設けた穴48を示す)。
すぐな壁形状ではなくて、前端44から後端46まで延
在する湾曲した輪郭を有する。この輪郭を選択するの
は、プラットホーム34が配置される2つの隣接するフ
ァンブレード18の輪郭にほぼ合致させるためである。
すなわち、本体部分40の第1側壁50は、その隣接す
るブレードの加圧側の凹状曲面にぴったり追従する凸状
曲面を有し、また本体部分40の第2側壁52は、それ
に隣接するブレードの吸引側の凸状曲面にぴったり追従
する凹状曲面を有する。
パ56が前端44に隣接する位置で半径方向内面54に
取り付けられ、また後方位置決めバンパ58が後端46
に隣接する位置で半径方向内面54に取り付けられてい
る。これらの前方および後方位置決めバンパ56,58
は、ゴムのような適当な弾性材料から形成し、以下に詳
述するように、プラットホーム34をロータディスク1
6に対して半径方向に位置決めする機能を果たす。位置
決めバンパ56,58は、本体部分40の半径方向内面
54に適当な手段で、たとえば接着剤で二次結合されて
いる。
半径方向最外方範囲に一体的に形成され、内側流路境界
を規定するプラットホーム34の半径方向外側表面36
を画定する。図4から明らかなように、流路表面部分4
2は構造本体部分40の各側壁50,52を越えて横方
向(円周方向)に延在し、1対の薄いウィング60を画
定する。ウィング60はブレードからブレードまで延在
し、隣接するブレード18間の空間を完全に埋め、こう
してスピナ32およびブースタ26間に内側流路境界を
維持する。本体部分40の側壁50,52と同様に、ウ
ィング60の横方向外側縁部には、対応する隣接ファン
ブレード18の輪郭に合致する湾曲した輪郭を与える。
さらに、各ウィング60の横方向外側縁部に弾性シール
部材62を設けて、エンジン運転中のファンブレードの
空気漏れをシールする。縁部シール62は、好ましくは
接着剤フィルムで、ウィング60に二次結合され、シリ
コーンなどの適当な材料から形成する。
ード条件、低サイクル疲労および吸込み条件を満たすの
に必要な強度を与えるが、一方ウィング60は十分に薄
くして、吸込み事故時に起こりうるファンブレード18
とプラットホーム34間に激しい衝撃のクラッシュ荷重
が加わる場合に折れるようにする(以下「破砕性」とい
う)。図4に示すように、ウィング60は厚さtおよび
ウィングオーバーハングまたは幅Lを有する。ウィング
60は湾曲した輪郭であるので、ウィング幅対厚さの比
(L/t)はウィング60に沿って変化する。好ましく
は、プラットホーム34の凹側にあるウィング60の後
方部分の幅対厚さの比を40以上として十分な破砕性を
与える。ウィング60のほかの部分では幅対厚さの比は
20〜40の範囲にある。
43を流路表面部分42の半径方向最外側表面に配置す
る。ガラス布層43は良好な耐侵食性をもち、異物の衝
撃が加わった場合には犠牲機能も果たす。特に、異物の
衝撃の結果としてプラットホームの複合材料に異物が貫
通しなければ(すなわちガラス布層が損傷を受けるだけ
であれば)、プラットホーム修理は簡単な仕事である。
複合材料への貫通があると、修理がずっと困難になる
か、プラットホームを交換しなければならない。一体部
材35に高光沢ポリウレタンの塗膜を1層以上設けて、
侵食保護を増強する。
前端44から軸線方向外方に延在する前方取り付け用フ
ランジ64と、後端46から軸線方向外方に延在する後
方取り付け用フランジ66とを有することが分かる。こ
れらの前方および後方取り付け用フランジ64および6
6はそれぞれ、半径方向外方に向いた前方および後方当
接面68および70および軸線方向に向いた前方および
後方当接面72および74を画定する形状とされてい
る。各当接面68,70には、アラミド繊維とポリテト
ラフルオロエチレン繊維を組合せ、適当な布に織ったも
のなどの耐摩耗性材料製の耐摩耗ストリップが接着され
ている。
と後方支持リング78により保持される。前方保持リン
グ76は、断面ほぼC形状の環状部材であり、半径方向
内側セグメント80と、半径方向外側セグメント82
と、これら2つのセグメント80,82を連結する中間
部分84とを含む。内側セグメント80はその末端で、
たとえば複数のボルトにより、ロータディスク16の前
側20に固着される。半径方向外側セグメント82は前
方取り付けフランジ64に重なり、前方半径方向当接面
68に係合し、これによりプラットホーム34の前端4
4が、エンジン運転中のロータディスク16の回転時に
かかる遠心力により半径方向外向きに移動するのを阻止
する。さらに、外側セグメント82の末端が軸線方向に
向かう前方当接面72に当接し、プラットホーム34の
軸線方向前方への移動を阻止する。前方支持リング76
の中間部分84はスピナ32の後端に当接する。所望に
応じて、前方支持リング76をこれ以外は通常通りのス
ピナ32の一体部分としてもよい。
環状部材であり、半径方向内側セグメント86と半径方
向外側セグメント88とを互いに連結した構成であり、
両セグメントの交差部が当接部90を画定する。内側セ
グメント86をその末端でブースタシャフト28に形成
した取り付け用フランジ92に固着する。当接部90は
後方取り付け用フランジ66に重なり、後方半径方向当
接面70に係合し、これによりプラットホーム34の後
端46が、エンジン運転中のロータディスク16の回転
時にかかる遠心力により半径方向外向きに移動するのを
阻止する。さらに、当接部90が軸線方向に向かう後方
当接面74に係合し、プラットホーム34の軸線方向後
方への移動を阻止する。
よび後方位置決めバンパ56および58がプラットホー
ム34をロータディスク16に関して半径方向に位置決
めし、プラットホーム34とロータディスク16の半径
方向外側面24との間に所望のクリアランスを与える。
前方位置決めバンパ56は前方支持リング76の内側セ
グメント80に接触し、後方位置決めバンパ58はブー
スタシャフト28に接触する。前方および後方位置決め
バンパ56および58は、プラットホーム34がロータ
ディスク16、ブースタシャフト28または前方および
後方支持リング76,78に対してがたつくのを防止す
る。
タディスク16には、ディスク外面24から半径方向内
方に延在する複数の円周方向に離間された軸線方向ダブ
テール溝94が設けられている。ダブテール溝94の間
のディスク部分はダブテールポストとも称される。各フ
ァンブレード18は、相補的な軸線方向挿入ダブテール
の形状である一体のルート部分96を有する。ダブテー
ル形状ルート部分96を対応するダブテール溝94内に
配置してファンブレード18をロータディスク16に取
り付ける。当業界で周知のように、ダブテール溝94お
よびルート部分96は、ブレード18に働く極端な力に
応答してルート部分96がダブテール溝94内で限られ
た範囲だけ回転するのを許すように設計されている。こ
のようにブレードを回転可能にすることにより、ブレー
ドが異物損傷を受ける感受性がいちじるしく低くなる。
ファンブレード18の輪郭に追従する湾曲した輪郭を有
する。このような輪郭の本体部分40は、吸込み発生時
にプラットホーム34、ファンブレード18およびロー
タディスク16間の硬物体ピンチポイントをなくすこと
により、まっすぐな壁形状を有する従来のファンプラッ
トホームで可能なブレード回転に比べて、増大されたブ
レード回転を可能にする。湾曲された輪郭の形状により
プラットホーム34の装着も容易になる。平常運転条件
下のファンアセンブリ12を示す図5から分かるよう
に、構造本体部分40はロータディスク16および隣接
するブレード18と適当なクリアランスを与える寸法お
よび形状とされているので、プラットホーム34とブレ
ード18またはロータディスク16との間の結合により
ブレード回転能力が過度に妨害されない。したがって、
図6に示すように、ファンブレード18のひとつ(図の
一番左のブレード)に異物が当たると、そのブレード1
8は衝撃に応答してダブテール溝94内で回転する。ブ
レード18が回転するにつれて、破砕性ウィング60が
砕け、ブレード18がその回転能力(たとえば約18
°)いっぱいに回転するのを許す。ウィング60は吸込
み事故時に破砕されるが、プラットホームの質量の大部
分をなす構造本体部分40は比較的そのままである。し
たがって、プラットホームの質量のごくわずかしか失わ
れないので、内側流路境界を画定する機能のほとんどが
維持される。
成形(RTM=resin transfer mol
ding)方法により製造するのが好ましい。この方法
では、グラファイトなどの適当な材料の繊維をマンドレ
ル上に所望の配向で配列し、最終部品の所望形状に近づ
ける。つぎに、この予備成形品を、一体部材35の形状
に一致するキャビティを有する金型に配置する。薄いガ
ラス布マットを金型に加え、一体部材35の流路表面部
分42となる予定の予備成形品の表面に並べる。つぎの
工程で、エポキシ樹脂などの樹脂を金型内に、繊維に含
浸させるのに適度な圧力で注入する。つぎに樹脂含浸予
備成形品を硬化する。ガラス布マットも同時に硬化して
ガラス布層43を形成する。硬化後、マンドレルを除去
し、一体部材35に高光沢ポリウレタン塗料の皮膜を1
層以上設ける。
方位置決めバンパ56,58を本体部分40の半径方向
内面54に結合する。シール部材62を各ウィング60
の横方向外側縁部に結合する。耐摩耗ストリップを、前
方および後方取り付けフランジ64,66の半径方向外
向きの前方および後方当接面68,70に結合する。し
たがって、これは本発明の軽量ファンプラットホームを
製造する比較的簡単かつ安価な方法である。
を制限しない個別の複合ファンプラットホームおよび同
プラットホームの製造方法を説明した。本発明の特定の
実施例を記載したが、当業者にとっては、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、これらの実施例に種々の変更を加
えうることが明らかである。
例示のターボファン・ガスタービンエンジンの部分的断
面図である。
面図である。
である。
ード間に配置されたファンプラットホームの端面図であ
る。
間に配置されたファンプラットホームの端面図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 ロータディスク(16)に連結された隣
接するファンブレード(18)間に用いられ、内側流路
境界を画定するプラットホーム(34)において、 前記隣接するファンブレード(18)の輪郭と合致する
輪郭を有する構造本体部分(40)と、 前記構造本体部分(40)に連結された流路表面部分
(42)とを備えるプラットホーム。 - 【請求項2】 前記構造本体部分(40)および前記流
路表面部分(42)が一体の部材(35)を形成する、
請求項1に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項3】 前記一体部材(35)が複合材料から形
成された、請求項2に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項4】 前記複合材料がエポキシ樹脂中にグラフ
ァイト繊維を含有する、請求項3に記載のプラットホー
ム(34)。 - 【請求項5】 前記構造本体部分(40)は、第1側壁
(50)と、第2側壁(52)と、これらの第1および
第2側壁(50,52)間に延在する半径方向内側表面
(54)と、開口端とを有する中空体である、請求項1
に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項6】 前記第1および第2側壁(50,52)
それぞれに1個以上の軽量化穴を形成した、請求項5に
記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項7】 前記第1側壁(50)が凹状曲面を有
し、前記第2側壁(52)が凸状曲面を有する、請求項
5に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項8】 さらに、前記半径方向内側表面(54)
に取り付けられた前方位置決めバンパ(56)と前記半
径方向内側表面(54)に取り付けられた後方位置決め
バンパ(58)とを備える、請求項5に記載のプラット
ホーム(34)。 - 【請求項9】 前記流路表面部分(42)が、前記構造
本体部分(40)を越えて横方向に突出する1対の破砕
性ウィング(60)を画定する、請求項1に記載のプラ
ットホーム(34)。 - 【請求項10】 前記ウィング(60)の幅対厚さの比
が前記ウィング(60)の少なくとも一部において40
以上である、請求項9に記載のプラットホーム(3
4)。 - 【請求項11】 さらに、前記ウィング(60)それぞ
れに取り付けられたシール部材(62)を備える、請求
項9に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項12】 さらに、前記流路表面部分(42)の
上に配置されたガラス布相(43)を備える、請求項9
に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項13】 前記一体部材(35)にポリウレタン
塗料の皮膜を1層以上設けた、請求項12に記載のプラ
ットホーム(34)。 - 【請求項14】 さらに、前記プラットホーム(34)
の前端(44)から軸線方向外方へ延在する前方取り付
けフランジ(64)と、前記プラットホーム(34)の
後端(46)から軸線方向外方へ延在する後方取り付け
フランジ(66)とを備える、請求項1に記載のプラッ
トホーム(34)。 - 【請求項15】 ロータディスク(16)に連結された
隣接するファンブレード(18)間に用いられ、内側流
路境界を画定するプラットホーム(34)において、 前記プラットホームは複合材料製の一体部材(35)か
らなり、 前記隣接するファンブレード(18)の輪郭と合致する
輪郭を有する構造本体部分(40)と、 前記構造本体部分(40)と一体的に形成されてほぼT
形状をなす流路表面部分(42)とを含み、 前記流路表面部分(42)が、前記構造本体部分(4
0)を越えて横方向に突出する1対の破砕性ウィング
(60)を画定する、プラットホーム。 - 【請求項16】 前記構造本体部分(40)は、第1側
壁(50)と、第2側壁(52)と、これらの第1およ
び第2側壁(50,52)間に延在する半径方向内側表
面(54)と、開口端とを有する中空体である、請求項
15に記載のプラットホーム(34)。 - 【請求項17】 ロータディスク(16)に連結された
隣接するファンブレード(18)間に用いられ、内側流
路境界を画定するプラットホーム(34)を製造するに
あたり、 マンドレル上で繊維を所望の配向に配列して予備成形品
を形成し、 前記予備成形品を金型に配置し、 前記金型に前記予備成形品と並べてガラス布マットを配
置し、 樹脂を金型に注入して前記予備成形品およびガラス布マ
ットを含浸し、 これらの樹脂含浸された予備成形品およびガラス布マッ
トを硬化して一体の部材(35)を形成する工程を含む
プラットホームの製造方法。 - 【請求項18】 さらに、前記一体部材(35)にポリ
ウレタン塗料の皮膜1層以上を設ける工程を含む、請求
項17に記載の方法。 - 【請求項19】 さらに、前方および後方位置決めバン
パを前記一体部材(35)の半径方向内側表面(54)
に結合する工程を含む、請求項17に記載の方法。 - 【請求項20】 さらに、シール部材(62)を前記一
体部材(35)の横方向外側縁部に結合する工程を含
む、請求項17に記載の方法。
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