JP4256177B2 - ファンケーシングの吸音処理 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にターボファンガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのようなエンジン用のファンケーシングに関する。
【０００２】
【従来技術】
飛行中の航空機に動力を供給するために用いられるターボファンガスタービンエンジンは、一般的に、直列に流体連通した状態で、ファン、低圧圧縮機又はブースタ、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン、及び低圧タービンを備える。燃焼器は燃焼ガスを発生し、該ガスは、連続的に高圧タービンに導かれ、膨張して高圧タービンを駆動し、次いで低圧タービンに導かれ、更に膨張して低圧タービンを駆動する。高圧タービンは第１のロータシャフトを介して高圧タービンに駆動接続され、また低圧タービンは第２のロータシャフトを介してファン及びブースタの両方に駆動接続される。
【０００３】
ファンは、低圧シャフトに駆動接続されたロータディスクから半径方向外向きに延びる、円周方向に間隔をおいて配置された複数のファンブレードを含む。各ファンブレードは、一般的に翼形部セクションとブレードをロータディスクに取付ける一体のダブテール根元部セクションとを有する。ファンは、通常ファンフレームと呼ばれる回転不能なフレーム上に、一般的に多数のベアリングとベアリング支持構造体を含む支持システムによって回転するように支持される。
【０００４】
エンジン作動の間、可能性は少ないが、鳥のような異物がファンに衝突し、ファンブレードの脱落事故、すなわちファンブレードの一部あるいは全体のロータディスクからの離脱を生じる懼れがある。このような離脱したファンブレードは、この離脱したファンブレードがファンケーシングによって封じ込められない場合、エンジンで動力を与えられている航空機に著しい損傷を引き起こす可能性がある。種々の封じ込めシステムが、このような損傷を防止するために開発されてきた。ファンブレード封じ込めシステムには、２つの基本的な形式、すなわち、衝突するファンブレードの運動エネルギーを吸収するように、適当なシェル厚さを有する高強度材料で製作された環状の封じ込めケースを含む「ハードウォール」システムと、その中にハニカム構造体が配置された環状の内側及び外側シェルによって形成されたネスティング領域を用いる「ソフトウォール」システムとがある。加えて、芳香族ポリアミド繊維のような対衝撃材料が、ケース構造体の周りに巻かれることができる。ブレードの破片はネスティング領域内で捕捉され、従ってシステム内部に封じ込められて、他のファンブレードとの更なる接触が防止される。ハードウォール及びソフトウォール形式の封じ込めシステムはまた、組み合わせることもできる。
【０００５】
多くの場合、従来技術のファンケーシングは、騒音を吸収する吸音パネルを設置する装備を有し、この吸音パネルは、例えばファンの流路に露出した多孔表面シートによって覆われたセル状（例えばハニカム）構造体を含むレゾネータ型吸音器である。これらの吸音パネルは、一般的にファンブレードの軸方向前方及び後方に設置され、一方、ファンブレードに軸方向に整合されたケーシングの部分はファンの流路境界を形成しかつ封じ込めシステムとして働くように設計されている。一部のエンジン設計、特に低圧圧縮機（又は「ブースタ」）を有していない設計においては、ファンセクションの構造的構成は、騒音抑制のためにこれらの従来型吸音パネルを設置するための極めて僅かな軸方向スペースしか提供できない。
【特許文献１】
米国特許第６２９０４５５号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、限定された物理的スペース内においてブレード封じ込め機能と騒音抑制機能とを組み合わせたファンケーシング設計に対する要求が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の要求は、ブレード封じ込め機能と騒音抑制機能とを組み合わせたガスタービンエンジン用のケーシングを提供する本発明によって満たされる。ファンケーシングは、それを貫通して複数の孔が形成されている環状の金属製内側シェルを有する。セル状レゾネータのような吸音器が内側シェルの周りに配置される。
【０００８】
本発明及び従来技術に優るその利点は、付随する図面を参照して以下の詳細な説明及び添付した特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【０００９】
本発明として見なされる主題は、本明細書の冒頭部分において具体的に示され、明確に特許請求されている。しかしながら、本発明は、付随する図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面において種々の図を通して同一の参照数字は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１は、長手方向軸線（図示せず）を中心として回転可能なディスクに取付けられた複数のファンブレード１２を取り囲むファンケーシング１０を示す。ケーシング１０は、ブレード１２を取り巻き、前方から後方に向けて順次、前方区域１６、中間区域１８、及び後方区域２０を有する連続構造体である、環状の金属製内側シェル１４を有する。中間区域１８は、ブレード１２の先端部を跨ぎ、公知のアブレーダブル材料２３を受け入れるようになった環状のポケット２２を備えることができ、該アブレーダブル材料２３は、ファンブレード１２の先端部が該材料２３に接触した場合に擦り減ることができる材料である。内側シェル１４は、それらに限定するわけではないが、鋼、チタン又はアルミニウムを含む、任意の適切な合金で作ることができる。前方区域１６及び後方区域２０の厚さを貫通して、複数の孔１７が形成される。孔１７の機能は、以下でより詳細に説明する。複数の円周方向に間隔をおいて配置されたボルト孔２８を有する前方取付けフランジ２４が、内側シェル１４の前端部に形成され、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたボルト孔３０を有する後方取付けフランジ２６が、内側シェル１４の後端部に形成される。内側シェル１４は、一体フランジ３４及び３６を有し、これらのフランジは半径方向外向きに延びて、金属薄板部材とすることができる外側シェル３２の前端部及び後端部に接合する。
【００１１】
円周方向に延びる空洞３８が、外側シェル３２と、一体フランジ３４及び３６と、内側シェル１４とによって形成される。内側シェル１４と外側シェル３２との間に閉じられた空洞３８が存在しさえすれば、外側シェル３２の構成の変更及び、一体フランジ３４及び３６の変更あるいは除去がなされてもよい。半径方向に延びるバルクヘッド４６及び４８が、空洞３８のそれぞれ前端部及び後端部に配置され、内側シェル１４から外側シェルまで延びる。吸音器３９が、空洞３８内に配置される。図示する実施例においては、吸音器３９は、内側シェル１４に隣接して空洞３８内に配置された第１セル状層４０と、該第１セル状層４０を取り囲む多孔隔壁４４と、該多孔隔壁４４を取り囲む第２セル状層４２とを備える二自由度（２−ＤＯＦ）レゾネータ型吸音器である。例えば、以下に説明するような単一の一自由度（１−ＤＯＦ）レゾネータ、或いは繊維又は硬質発泡材料のようなバルク吸音器（図示せず）である他の公知の型の吸音器が使用できる。ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）アラミド繊維のような対衝撃材料の第１及び第２の層５０及び５２が、外側シェルの周りに巻かれる。
【００１２】
図５は、図１の吸音器３９の構造の代表的なものである、汎用２−ＤＯＦレゾネータ吸音器５４の一部の斜視図である。吸音器３９の吸音構成を示すために、汎用吸音器５４をここで詳細に説明する。吸音器５４は、その中に複数の孔６１が形成されている多孔表面シート６０と、該表面シート６０とほぼ平行でありかつ該表面シートから間隔をおいて配置された裏板６２と、多数の区画又はセル６６によって形成された、該表面シートと裏板の間の吸音充填材６４とを含む。各セル６６は、側壁６８によって形成される。セル６６は、ハニカム形セルパターンが得られる六角形の断面形状を有するように６つの側壁６６によってそれぞれ形成されるように描かれているが、セル６６は所望の形状を有するように任意の数の側壁６８によって形成されることができる。その中に複数の孔７１が形成されている多孔隔壁７０は、表面シート６０と裏板６２との間に該表面シート及び裏板と平行に配置される。１−ＤＯＦレゾネータ（図示せず）においては、多孔隔壁６０は除かれる。
【００１３】
表面シート６０、裏板６２及びセル６６の寸法的特徴は、吸音器５４の音響特性を決定する。具体的には、表面シート６０の厚さ、孔６１の直径、及び孔６１による表面シート６０の開口面積比は、公知の音響設計法に従って特定される。更に、各セル６６の深さと断面積及びセル側壁６８の厚さは、公知の音響設計原理に従って定められる。
【００１４】
再び図１を参照すると、本発明のファンケーシング１０は、裏板６２に対応する外側シェル３２、セル６６に対応するセル状材料層４０及び４２、及び隔壁７０に対応する多孔隔壁４４を含む、汎用吸音器５４の構成要素に対応する構成要素を備える。内側シェル１４は、封じ込め機構、及び汎用吸音器構造体５４の表面シート６０と同様な表面シートの両方として働く。具体的には、内側シェル１４は、脱離したブレード１２又はブレードの破片の通過を抑制するのに十分な厚さを有する。例えば、内側シェル１４がアルミニウム合金で作られている場合、その厚さＴ１は約０．５ｃｍ（０．２インチ）とすることができる。孔１７は、音圧を上述の吸音構造体に導入する働きをする。孔１７を加えることによって、内側シェル１４は封じ込めの観点では弱くなる。従って、前方及び後方区域１６及び２０は、その中の孔１７の存在を補償するために中間区域１８に比較して厚くされる。孔１７の個数、間隔、及び直径は、上述のような吸音機能によって定まる音響設計パラメータを満足させるように選択される。
【００１５】
図２には、本発明の変形形態を示す。ファンケーシング１１０は、図１のファンケーシング１０の構造とほぼ同じ構造を有しており、前方、中間、及び後方区域１１６、１１８及び１２０を有する内側シェル１１４と、内側シェル１１４及びフランジ１３４、１３６と協同して、その中に吸音器１３９が配置された空洞１３８を形成する外側シェル１３２と、第１及び第２対衝撃材料層１５０及び１５２とを含む。この実施例においては、吸音器構造は１−ＤＯＦレゾネータである。ハニカム構造体のような単一のセル状材料層１４０が内側シェル１１４の外側の周りに配置される。図示した実施例においては、２−ＤＯＦレゾネータの多孔隔壁４４は除去されている。しかしながら、セル状層１４０の高さを定めることが必要である場合、すなわち吸音目的に必要なセルの高さが空洞１３８の半径方向の高さよりも小さい場合には、孔のない隔壁１４４が使用され、この隔壁１４４は、１−ＤＯＦシステムに対して適切な高さを得るための望ましい位置に置かれることができる。
【００１６】
本発明の別の実施形態が、図３に示されている。ファンケーシング２１０は、ファンケーシング１０と同様であり、前方、中間、及び後方区域２１６、２１８及び２２０を有する環状の金属製内側シェル２１４を含む。この実施形態においては、前方及び後方区域２１６及び２２０に形成された複数の孔に加え、中間区域２１８もまた複数の孔２１７を含む。孔２１７の存在によって失われた強度を回復するために、中間区域２１８もまた、図１に示した孔のない中間区域１６に比較して増大した厚さになっている。図示した実施例においては、ファンケーシング２１０は、多孔隔壁２４４によって分離された第１及び第２セル状層２４０及び２４２を備える２−ＤＯＦレゾネータ吸音器を含んでいるが、１−ＤＯＦレゾネータ又はバルク吸音器も使用できる。
【００１７】
上述のファンケーシング設計の主要な封じ込め能力は、ケーシングの外側シェルの周りに巻かれた複数の対衝撃材料層によってもたらされる。内側シェルは、脱離ブレード又はブレード破片の通過を抑制し、従って封じ込め機能に寄与し、このことが、そうでない場合に必要となるよりも少ない対衝撃材料の使用を可能にする。しかしながら、更に別の実施形態においては、本発明はまた、内側シェル全体が、他の構造体の助けなしに脱離ブレード破片の貫通に耐えるのに十分な厚さを有するハードウォールのみの封じ込めシステムに組込むことができる。図４に示すこの実施形態において、ファンケーシング３１０の構造は、対衝撃材料５０及び５２が除去されている点を除いて、図１、図２及び図３に示した構造と同様である。従って、内側シェル３１４は、脱離ファンブレード又はファンブレードの破片による貫通に完全に耐えるのに十分な厚さＴ２を有し、その厚さＴ２は例えば約２．５４ｃｍ（１．０インチ）である。吸音器３３９は、内側シェル３１４と外側シェル３３２との間の空洞３３８内に配置される。本発明の他の実施形態に関して上述したのと同様に、吸音器３３９は、２−ＤＯＦ又は１−ＤＯＦレゾネータ（図示している）、或いはバルク吸音器とすることができる。
【００１８】
上記に、ブレード封じ込め機能と騒音抑制機能とを組み合わせたガスタービンエンジン用のファンケーシングについて説明してきた。このファンケーシングは、それを貫通して複数の孔が形成されている環状の金属製内側シェルを有する。セル状レゾネータのような吸音器が、内側シェルの周りに配置されている。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成されたファンケーシングの一部の半部分断面図。
【図２】 図１のファンケーシングの変形形態の半部分断面図。
【図３】 本発明の別の実施形態に従って構成されたファンケーシングの半部分断面図。
【図４】 本発明の更に別の実施形態に従って構成されたファンケーシングの半部分断面図。
【図５】 汎用吸音パネルの一部の斜視図。
【符号の説明】
１０ ファンケーシング
１２ ファンブレード
１４ 内側シェル
１６ 前方区域
１７ 孔
１８ 中間区域
２０ 後方区域
２３ アブレーダブル材料
３２ 外側シェル
３４、３６ 一体フランジ
３８ 空洞
３９ 吸音器
４０ 第１セル状層
４２ 第２セル状層
４４ 多孔隔壁
４６、４８ バルクヘッド
５０ 第１対衝撃材料層
５２ 第２対衝撃材料層

Claims (12)

1. 前方、中間、及び後方区域を有し、前記前方及び後方区域は前記中間区域の厚さに比較して増大した厚さを有し、前記前方及び後方区域を貫通して複数の孔が形成されている環状の金属製内側シェル（１４）と、
   円周方向に延びる空洞を形成するように、前記内側シェル（１４）を取り囲み該内側シェルから間隔をおいて配置された外側シェル（３２）と、
   前記内側シェル（１４）の周りに配置された吸音器と、
   を含むことを特徴とするファンケーシング。
2. 前記吸音器が、前記内側シェル（１４）の周りに配置された環状の第１セル状材料層を含むことを特徴とする、請求項１に記載のファンケーシング。
3. 前記第１セル状材料層の周りに配置された環状の隔壁（４４）を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載のファンケーシング。
4. 前記隔壁（４４）の周りに配置された環状の第２セル状材料層を更に含み、前記隔壁（４４）が多孔になっていることを特徴とする、請求項３に記載のファンケーシング。
5. 前記外側シェル（３２）の周りに配置された少なくとも１つの対衝撃材料層を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のファンケーシング。
6. 前記内側シェル（１４）の前記中間区域に複数の孔が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のファンケーシング。
7. 軸線を中心として回転可能なディスクに取付けられた複数のブレードと、
   前方、中間、及び後方区域を有し、該複数のブレードを取り囲む環状の金属製内側シェル（１４）であって、前記前方及び後方区域は前記中間区域の厚さに比較して増大した厚さを有し、前記前方及び後方区域を貫通して複数の孔が形成されている環状の金属製内側シェル（１４）と、
   円周方向に延びる空洞を形成するように、前記内側シェル（１４）を取り囲み該内側シェルから間隔をおいて配置された外側シェル（３２）と、
   前記内側シェル（１４）の周りに配置された吸音器と、
   を含むことを特徴とするファン組立体。
8. 前記吸音器が、前記内側シェル（１４）の周りに配置された環状の第１セル状材料層を含むことを特徴とする、請求項７に記載のファン組立体。
9. 前記第１セル状材料層の周りに配置された環状の隔壁（４４）を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のファン組立体。
10. 前記隔壁（４４）の周りに配置された環状の第２セル状材料層を更に含み、前記隔壁（４４）が多孔になっていることを特徴とする、請求項９に記載のファン組立体。
11. 前記外側シェル（３２）の周りに配置された少なくとも１つの対衝撃材料層を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載のファン組立体。
12. 前記内側シェル（１４）の前記中間区域に複数の孔が形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のファン組立体。

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