JPS591343B2 - カムサドウシキピツチヘンコウソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はファンブレードのピッチを変える装置に係り、
更に詳細には、ファンハブ上に装着された複数個の密に
隔置されたブレードを有するダクト付きスラストファン
のピッチを変える装置に係る。

タービン型パワープラントにより駆動されるダクト付き
スラストファンを用いたバイパスエンジンは、航空機用
の推進システムに於ける現在の技術状態を例示するもの
きして認められている。

かかるファンは５：１あるいは６：１の範囲にある高い
バイパス比を有し、定格負荷にて１．４〜１．５のファ
ン圧力比にて作動する。

かかる圧力比のためには密に隔置されたブレードによる
高いブレード密度と高いブレード先端スピードとが必要
とされる。

離陸性能と巡航性能の両者を最適値とするためには、フ
ァンブレードのピッチを変えることが望まれる。

更に可変ピッチファンは着陸時に逆推進を発生するため
にも用いられる。

これによってその他の逆進装置が省略される。

従って可変ピッチスラストファンは現在幾つかの推進シ
ステムの製造者によって好んで用いられている。

ダクト付きスラストファンのためにピッチ変更装置を与
えることは幾つかの要件によって複雑とされる。

かかる装置はそれがファンのハブ内に装着されるので軽
量且コンパクトでなければならない。

高いバイパス及び圧力比を得るためバブは高速にて回転
するので、遠心力の増大が考慮されなければならない。

互に密に近接した多数のブレードをバブに設は又各ブレ
ードを大きなブレード角にわたって前進ピッチより後進
ピッチへ回転させることは装置の寸法及び装置によって
生ずる偏位及び力の大きさに関して厳しい要求を課する
。

前進ピッチよりフェザ−ピッチを経て後進ピッチへ至る
範囲内にてブレード捩りモーメントに生ずる非線型的変
化は、装置により与えられる制御負荷によって補なわれ
なければならない。

米国特許出願第３３４３５０号は本発明に係る如き型の
ダクト付きスラストファンを開示している。

このファンは、タービンパワープラントの前端部にてバ
イパスダクト内に配置された可変ピッチブレードを有す
る。

そのピッチ変更機構は全ピッチ領域にて一定の機械的利
点を与える如き傘歯車を用いている。

従ってこの歯車及び歯車を作動させる機構はブレード捩
りモーメントに比例する負荷曲線に於けるピーク入力負
荷を許容できるように設計されなければならない。

装置の重量を最小限とするためには、ピッチ変更装置に
より生ずる入力負荷曲線を調整することに於て柔軟性が
望まれる。

更にピッチ変更装置は遠心力によるブレード捩りモーメ
ントを部分的に釣り合わせるために用いられ得ることが
確認されており、このことはターボ型パワープラントに
よって駆動されるダクト付きファンジェットに於ける高
速回転にとっては重要なことである。

従って本発明の一般的目的は、上記の如き好ましい特性
を有するピッチ変更装置を提供することである。

本拠明はファンのバブに互に近接して装着された複数個
の可変ピッチブレードを有するダクト付きスラストファ
ンのためのピッチ変更装置にある。

ブレードはバブより半径方向へ延び、バブ軸線に対し垂
直なブレード軸線の周りにてバブに対し相対的に回転す
ることができる。

バブは最も一般的にはタービン型パワープラントにより
駆動され、タービンに直接接続されて高速にて回転され
る。

本発明による装置は複数個の可変ピッチブレードにそれ
ぞれ接続された複数個のピッチ変更ホーンを含んでいる
。

各ホーンはブレード軸線より外方へ突き出、該ホーンの
枢動運動はブレードをそのブレード軸線の周りに対応し
て回転させる運動を生じ、従ってブレードピッチの変更
をもたらす。

カムリングがバブ軸線に沿っである軸線方向に定められ
た位置にてバブに同心に装着されている。

このリングはバブ軸線の周りにブレードと共にブレード
に対し相対的に回転し得るようになっているが、軸線方
向に対しては固定されている。

リングの外面にはバブ軸線の周ゆに延びる複数個の螺旋
状カム溝が設けられており、複数個のブレードの各々に
対し一つの溝が設けられている。

これらの溝は一つの曲面内にあり、複数個のピッチ変更
ホーンにそれぞれ装着された複数個のカム従動体が前記
溝にこれと共働する関係にて係合している。

球面内に於けるこれらの溝の位置は、ピッチ変更ホーン
をして、バブ軸線の周りにカムリングが回転することに
応答して、カム従動体と溝の間の離脱を生ずることなく
ブレード軸線の周りに回転せしめるようになっている。

これらの溝の輪郭は装置の機械的利点あるいは一定の入
力率に対するピッチ変更率をある程度決定するものであ
る。

回転式駆動装置が前記カムリングに駆動関係に接続され
ており、該リングを回転させ、該リング上のカム溝と前
記ピッチ変更ホーン上のカム従動体との共働関係によっ
てピッチを変更させるようになっている。

カム溝の輪郭を定めるにあたって柔軟性が許されること
によって、回転式１駆動装置及び関連するサーボ機構に
課せられる負荷が意図されるピッチ変更領域全体にわた
ってほぼ一様とされる。

かくして回転式駆動装置及び関連するサーボ機構は既知
の負荷に対して設計でき、全重量を最小限とすることが
できる。

又溝の輪郭の決定に於て許される柔軟性により、ピッチ
変更ホーンをブレードに対し該ホーンとブレードの組合
せにより生ずる遠心捩りモーメントを最小とするように
接続することができる。

第１図は本発明によるピッチ変更装置を用いたダクト付
きスラストファン推進装置を示す。

この１０に全体的に示された推進装置は航空機用推進機
として用いられるものであり、タービン型パワープラン
ト１２を有し、その上にスラストファン１４とバイパス
ダクト１６が装着されている。

ファン１４は圧縮機入口１８に近接してパワープラント
の前端部へ接続されており、該パワープラントによって
回転駆動されるようになっている。

例えば、このファンはエンジン内に於ける別個のガスタ
ービンによって駆動されても良く、あるいは圧縮機と共
に駆動されでも良い。

バイパスダクト１６はファン１４上に支持されており、
一連のストラット２２によりバブ及びエンジン軸線２０
と同心に装着されており、パワープラント１２とダクト
の後部との間に環状のバイパス通路を与えるようになっ
ている。

ファン１４の可変ピッチブレード２４がバブ２６よりダ
クト１６の内面近くまで延びており、ファンを通って圧
縮機入口１Ｂあるいは環状バイパスへ流れる空気の有効
な偏位を行わせるようになっている。

バブ２６に装着される可変ピッチブレード２４の数は推
進装置の寸法に依存し、１５あるいはそれ以上のブレー
ドを有するファンは珍らしくない。

第２図及び第３図は本発明によるピッチ変更装置を詳細
に示す。

この装置はバブ２６内に収められており、ブレード２４
の各々と共働してブレードピッチを前進ピッチ位置、フ
ェザ−ピッチ位置、逆転ピッチ位置の間で全体的に変化
させる。

ブレードはスラスト軸受け３２によりバブ支持装置ある
いはハウジング３０内に保持されており、該スラスト軸
受けはブレードがその軸線３４の周りに回転しブレード
ピッチを変えることを許すようになっている。

バブハウジング３０及びブレード２４は第１図に於ける
パワープラント１２によってバブ軸線２０の周りに回転
するよう動力軸３６の前端部に接続されている。

ブレードピッチの制御は各ブレード２４に対し同じ要領
にて行われ、又ピッチ変更装置は各ブレードに対し複数
個の同様の構成要素よりなっているので、以下に於ては
唯一つのブレードに関してののみその構成を説明するこ
ととする。

ブレード２４の内端は軸受け３２によりハウジング３０
に回転式に装着されたスタブ軸３８に接続されている。

ピッチ変更腕あるいはホーン４０がスタブ軸に一体に接
続され、該スタブ軸及びブレード軸線３４より半径方向
外方へ延びている。

該軸線の周りのホーンの回転はブレードの対応する回転
を生じ、ブレードピッチを変化させる。

ピッチ変更ホーン４０は、ブレードがフェザ−ピッチ位
置ブレードがバブ軸線にほぼ平行に延在する位置にある
とき、該ホーンが複数個のブレード軸線３４によって郭
定された平面即ちバブ軸線２０に垂直な平面内にあるよ
うに、スタブ軸３Ｂ及びブレード２４に接続されている
のが好ましい。

軸線３４の周りに於けるかかるブレードとホーンの角度
関係により、スラストファン１４の回転によりスラスト
が発生する状態にブレード２４のピッチが設定されると
、通常ブレード自身に作用する遠心力はブレードをフェ
ザ−ピッチ位置より更に大きく傾ける方向に作用し、一
方ホーンに作用する遠心力はブレードをフェザ−ピッチ
位置へ戻す方向に作用するので、ブレード及びホーンに
よって生じた遠心捩りモーメントは互に相殺するように
なり、任意の与えられたピッチ位置にてピッチ変更装置
により対抗されるべき全捩りモーメントが低減される。

かかる角度関係は捩りモーメントの観点から好ましいも
のであるが、入力負荷曲線に於ける全制御負荷を最小に
するためにかかる条件から反れることが必要であるかも
知れず、このことはピッチ変更装置の他の幾つかの設計
要件に寄与するものである。

ピッチ変更ホーン４０の最外端部には、ピン４２がホー
ン内にて固定されており、ローラ４４がピン軸線の周り
にピン及びホーンに対し自由に回転し得るようピン上に
装着されている。

以下に更に詳細に説明される如く、ローラ４４はブレー
ド軸線３４の周りに運動し、ブレードピッチの変化を生
ぜしめるカム従動体として作用する。

前方へ突き出たフランジ５０は動力軸３６の前端部にボ
ルト締めされ、バブハウジング３０と共に回転するよう
になっている。

該フランジの前端部に一部断面にて又一部外面にて示さ
れたカムリング５２が軸受け５４により軸線２０と同心
に装着されている。

軸受け５４はリング５２をバブ軸線２０に沿ったある与
えられた軸線方向位置に固定するが、該リングがブレー
ド２４と共に軸線の周りにブレードに対し相対的に回転
することを許すようになっている。

リングの周縁部は軸線２０の周りにその後端部より前端
部へ向けて延びる複数個の螺旋状カム溝５６を備えてい
る。

これらの溝はブレード２４の数と同じ数だけあり、各ブ
レードのローラ４４及びピッチホーンとカム係合関係に
ある。

第２図に於て、リングの頂部に示されている溝５６は、
溝をその全長にわたって示すべくその螺旋通路から歪め
られた状態にて示されているものであることを理解され
たい。

同様に、ピッチ変更ホーン４０は、該ホーンの端部にあ
るローラ４４が溝と係合している状態を示すため、ブレ
ード２４に対し回転されている。

これら螺旋溝のより正確な表示は第２図に於けるリング
の非断面部に示されている。

かくしてリング５２に於ける溝はカム装置として作用し
、ホーン４０に於けるローラ４４はカム従動体として作
用する。

ハブ軸線２０の周りのリングの回転はブレード軸線３４
の周りのピッチ変更ホーン４０及びブレード２４の対応
する回転を生ずる。

溝５６の各々は同じ形を有し、これらの溝はブレードと
同じ要領によりリング５２の周りに隔置されているので
、ブレードピッチの変化はリングの回転に伴って全体と
して同時に且同じ量だけ生ずる。

リング５２のある与えられた回転に対するピッチ変更の
度合はカム溝の輪郭によって定まる。

この輪郭はブレードによって生ずる捩りモーメントが異
なってもピッチ設定の全領域にわたってカム作動操作に
対するリング５２に於ける入力負荷を比較的一様にする
ように選択される。

かくして溝の螺旋角あるいは傾斜は、第２図に於けるリ
ングの断面されない部分に於ける溝によって示されてい
る如く、溝の一端より他端へ向けて傾斜するものとなる
。

溝５６はリング５２の周辺に於ける球面にほぼ一致して
いる。

更に詳細に言えば、溝の開いた頂部及び閉じた底部はブ
レード軸線３４の交点にあって且ハブ軸線２０上に幾何
学的中心を有し、第２図に於て半径Ｒ２である仮想球面
から等距離にある。

これらの溝は又ブレード軸線３４によって郭定された面
より軸線方向に固定されたリング５２上にて二つの対向
方向へ延び、ピッチホーン４０をして比較的大きな円弧
を描いて移動せしめ、広範囲のピッチ設定を行わしめる
ようになっている。

第３図のこの断片部に於けるホーン４０の角度位置の違
いは９０°である。

しかしながら、ローラ４４が溝の一端より他端へ動くと
き、１３０°程度のピッチ設定に相当する角度位置の全
領域が容易に得られる。

第４図は、ピッチ変更ホーン４０の第２図に於ける有効
半径Ｒ１とカムリング５２の半径Ｒ２とが比Ｒ１／ Ｒ
２にて変えられたとき、ある与えられたスラストファン
に対するピッチ変更装置の設計重量に於ける変化を示す
図である。

ピッチ変更装置の重量は、ホーン４０、カムリング５２
及び該カムリングをブレード２４に対し相対的に駆動す
る回転駆動装置の重量を含んでいる。

図より解る如く、比Ｒ１／Ｒ２が１と２の間にあるとき
最小重量が達成され、かかる最小重量を与える比の最良
範囲Ａは０．７７５と２の範囲に於ける曲線によって表
わされる。

換言すれば、もし半径Ｒ１が半径Ｒ２の０．７７５倍よ
り実質的に小さくなく又半径Ｒ２の２倍より実質的に大
きくなければ、ピッチ変更装置は最小重量の構成要素を
与えるように構成される。

比２を越えてピッチホーン４０の半径が増大しあるいは
リングの半径が減少すると、システムの重量を増し、文
化０．７７５を越えてピッチホーンの半径が減少しある
いはリングの半径が増大すると、より急速に重量を増す
。

ハブ軸線２０の周りにカムリング５２を回転させる回転
駆動装置は種々の形をとって良い。

第２図に示された駆動装置はリング５２の前端部と６２
にて全体的に示されたハーモニックドライブとに接続さ
れたエンドプレート６０を含んでおり、該ハーモニック
ドライブはエンドプレート６０とカムリング５２とをブ
レード２４に対し相対的に回転させる。

ハーモニックドライブ６２は、周縁面に複数個のひだを
有する波形ゼネレータ６４、球 軸受け６６、可撓性ス
プライン６８及びフランジ５０から前方へ突き出たスリ
ーブ７０を有する。

可撓性スプライン６８は軸受け５４に隣接するスリーブ
７０の端部に固定されており、二つあるいはそれ以上の
位置にて波形ゼネレータ６４上のひたと球軸受け６６に
よりエンドプレート６０上の内部スプラインと係合して
いる。

エンドプレートあるいはカバー６０はリング５２に対し
これと共に回転するよう固定されているが、スリーブ７
０及びハブ軸線２０に於けるハブの中央部に対し相対的
に自由に回転することができる。

ハーモニックドライブの周知の作動により、波形ゼネレ
ータ６４の回転は可撓性スプライン６８とエンドカバー
６０の係合を生せしめ、波形ゼネレータの回転に沿った
回転を生せしめる。

可撓性スプライン上の歯の数はエンドカバー上の歯の数
より少ないので、波形ゼネレータの一回転はカムリング
５２をフランジ５０及びブレードを支持するバブハウジ
ング３０に対し相対的に僅かに索引する。

かくして、ピッチ変更が望まれるときは、波形ゼネレー
タ６４が可撓性スプライン６８に対し相対的に回転され
れば良い。

それ以外のときには、カムリング５２及び可撓性スプラ
イン６８は波形ゼネレータと共にロックされ、ピッチ変
更は起らないようにされる。

ブレード２４がバブハウジング３０と共にバブ軸線２０
の周りに回転されるとき、波形ゼネレータ及びハーモニ
ックドライブ６２の関連する部材はブレードと共にバブ
軸線の周りに回転する。

図に示されていない差動歯車機構が、非回転式サーボ機
構より回転式波形ゼネレータ６４へ供給されるべきピッ
チ指令を伝達し、波形ゼネレータ及びカムリングをブレ
ードと共にあるいはブレードに相対的に回転せしめる。

この型のハーモニックドライブ及び差動機構は前述の米
国特許出願第３３４３５０号に於けるスラストファンに
於て開示されている。

以上に於ては、ピッチ変更装置がダクト付きスラストフ
ァンに於ける複数個のブレードのピッチを集合的に変え
るためのものとして開示された。

この装置は前進ピッチ、フェザ−ピッチ及び逆転ピッチ
の設定位置の間でブレードピッチを広範囲に変えること
を許すものである。

リング５２に設けられているカム溝は、ブレードによっ
て生ずる捩りモーメントが一様でなくピッチ設定位置と
共に変化する場合でも、軽量構造を得べく装置の入力負
荷曲線に於ける変化を最小とする輪郭とされ得る。

ピッチ変更ホーン４０とブレードの間に許される接続に
より、低負荷レベルを得るよう遠心的捩りモーメントは
最小とされ得る。

又ピッチ変更ホーン及びカムリングの半径Ｒ１及びＲ２
を互の関係に於て選定することにより、装置の最適軽量
構造が得られる。

以上に於ては本発明を好ましい実施例に於て説明したが
、本発明の精神より外れることなく種々の変更が可能で
あることは明らかであろう。

ローラ４４とピン４２により形成されたカム従動体は低
摩擦のカム従動体を与え、溝５６のカム面と従動体ある
いはローラ４４の共働するカム面の間の負荷を低減する
。

もし望むなら、他の形式のカム従動体が用いられても良
い。

カムリング５２はその前端部に比してその後端部にてよ
り小さい半径を有する。

しかしこのことは必須ではなく、軸線方向寸法はより大
きいあるいはより小さい範囲のピッチ変更を行うべく変
更されても良い。

リング５２がブレード軸線３４によって郭定された平面
に交わるところの軸線方向位置決めは必須ではなく、唯
ピッチ変更ホーン４０により最大範囲のピッチ変向運動
が得られる点に於て好ましいのみである。

カム溝５６は滑らかな表面のリング５２内に彫り込まれ
た溝として示されているが、ホーン上に設けられたカム
従動体と共働するリブが設けられても良い。

以上の如く、本発明は図示の実施例に限られるものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置により制御される可変ピッチブレ
ードを有するダクト付きファン推進装置の斜視図である
。 第２図は本発明によるピッチ変更装置のバブ内に於ける
部分を一部縦方向断面にて示す図である。 第３図はピッチ変更ホーンの端部に於けるカム従動体に
よって係合されるカムリング上のカム溝を示すバブの部
分的端面図である。 第４図はカムリング半径とピッチホーン半径の比の種々
の値に対するピッチ変更装置の重量の変化を示すグラフ
である。 １０〜推進装置、１２〜タービン型パワープラント、１
４〜スラストフアン、１６〜バイパスダクト、１８〜圧
縮機入口、２０〜エンジン軸線、２２〜ストラツト、２
４〜可変ピツチブレード、２６〜バブ、３０〜バブ支持
ハウジング、３２〜スラスト軸受け、３４〜ブレード軸
線、３６〜動力軸、３８〜ス々ブ軸、４０〜ピツチ変更
ホーン、４２〜ピン、４４〜ローラ、５０〜フランジ、
５２〜カムリング、５４〜軸受け、５６〜カム溝、６０
〜エンドプレート、６２〜ハーモニツクドライブ、６４
〜波形ゼネレータ、６６〜軸受け、６８〜可撓性スプラ
イン、７０〜スリーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ファンのハブ上に装着され、該ハブの中心軸線であ
   るハブ軸線より半径方向へ延びる各ブレード軸線の周り
   に回転すべく装着された複数個の可変ピッチ式ブレード
   を有するダクト付きスラストファンのためのピッチ変更
   装置にして、 前記複数個のブレードに各々接続され、前記ブレード軸
   線より外方へ突き出、前記ブレード軸線の周りに前記ブ
   レードと共に枢動する複数個のピッチ変更ホーンと、 前記ハブ軸線に沿った軸線方向固定位置にて該ハブ軸線
   と同心に装着され、該ハブ軸線の周りに前記ブレードと
   共に該ブレードに相対的に回転するカムリングにして、
   その周縁に前記ハブ軸線と前記ブレード軸線の交点に中
   心を有する回転体の表面に沿って延在する複数個の螺旋
   状カム溝を有するカムリングと、 前記複数個のピッチ変更ホーンの各々に装着され、前記
   カムリングの周縁に於ける前記複数個の螺旋状カム溝と
   係合する複数個のカム従動体と、前記カムリングに対し
   駆動関係に接続され、該カムリングを回転させ、前記カ
   ムリングに於ける前記カム溝と前記ピッチ変更ホーンに
   於ける前記カム従動体の共働によりブレードピッチを変
   更せしめる回転駆動装置と、 を有することを特徴とするピッチ変更装置。