(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ディスクに装着された半径方向に延在している複数のブレードを有しているガスタービンエンジンにおいて、前記ブレードと前記ディスクとは、前記エンジンの長さ方向軸線の周りに回転可能であり、
前記ブレードの半径方向外側に前記ブレードを包囲する関係で配置されている環状ケーシングと、前記環状ケーシングの半径方向外側に前記ブレードの破片を収納するネスティング室とを備えており、
該環状ケーシングは、その半径方向表面に結合されている複数の複合テープを含んでおり、該複合テープは、前記環状ケーシングに生じた亀裂及び孔の進行を制限しているブレード収納システム。
【請求項２】
前記複合テープは、前記亀裂の軸線方向の進行を制限するように前記長さ方向軸線に関して少なくとも円周方向又は軸線方向に配向されている請求項１に記載のブレード収納システム。
【請求項３】
前記複合テープの各々は、前記環状ケーシングの半径方向外面又は内面のいずれか一方に結合されており、その厚さの約２０倍である幅を有している請求項１に記載のブレード収納システム。
【請求項４】
前記環状ケーシングの半径方向外側に離間していると共に前記環状ケーシングに第１及び第２の軸線方向リブで取り付けられており、該第１の軸線方向リブと該第２の軸線方向リブとの間に室を画定している外側シェルを更に含んでいる請求項１に記載のブレード収納システム。
【請求項５】
前記環状ケーシングは、前記ブレードと軸線方向に合致した軸線方向区分を含んでおり、該区分は、前記ブレードの翼弦寸法に近似した軸線方向長さを有している請求項１に記載のブレード収納システム。
【請求項６】
前記環状ケーシングの半径方向内側に且つ前記軸線方向区分の軸線方向外側に位置している音響パネルを更に含んでいる請求項５に記載のブレード収納システム。
【請求項７】
前記円周方向のテープは、複数の層から成るプライを含んでいる請求項２又は請求項３に記載のブレード収納システム。
【請求項８】
前記軸線方向区分内の前記環状ケーシングの半径方向内面に取り付けられている摩耗性材料を更に含んでいる請求項５に記載のブレード収納システム。
【請求項９】
前記円周方向のテープ及び前記軸線方向のテープの各々は、複数の層から成るプライを含んでおり、該円周方向のテープ及び該軸線方向のテープのプライを交互に配置することにより前記円周方向のテープと前記軸線方向のテープとの各交差部に接合部が形成されている請求項５に記載のブレード収納システム。
【請求項１０】
円周方向に配向された前記複合テープは、前記環状ケーシングの前記軸線方向区分内には存在していない請求項５に記載のブレード収納システム。
【請求項１１】
前記複合テープは、前記環状ケーシングの厚さにほぼ等しい厚さを有している請求項１に記載のブレード収納システム。
【請求項１２】
前記複合テープは、一方向の補強用繊維を含んでいる請求項１に記載のブレード収納システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジン用のブレード収納システムに関し、特に、環状ケーシングを含んでいるブレード収納システムであって、環状ケーシングが、その環状ケーシングに生じた亀裂及び孔の進行を制限するために、その環状ケーシングに接着された複数の複合テープを有しているブレード収納システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なガスタービンエンジンの範疇に含まれていると共に航空機の推進に用いられ得る通常の高バイパス比ターボファンエンジンは典型的には、エンジンの長さ方向中心軸線の周りに直列軸流関係で、ファンと、ブースタと、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービンとを含んでいる。高圧タービンは、第１のロータシャフトを介して高圧圧縮機に駆動連結されており、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連結されている。ファンは、環状ディスクと、このディスクに装着されている半径方向に延在した複数のブレードとを含んでおり、ディスクと、ブレードとは、エンジンの長さ方向中心軸線の周りに回転することができる。エンジンは更に、ブレードを半径方向に離間した関係で包囲している環状ファンケーシングを含んでいる。
【０００３】
ガスタービンエンジンは典型的には、比較的高い回転速度で作動し、高バイパス比ターボファンの場合には、ファンブレードは、半径方向に延在している長さが比較的長いことが典型的である。その結果、ファンブレードは、ブレードを軽量の合金又は複合材料を用いて製作した場合でも、比較的大きな運動エネルギを有している。エンジンの運転中には、ブレードが異物又は内部部品と接触すること等、ブレードをファンディスクから離脱させる原因となる種々の既知の事故が起こり得るので、ファンブレードの収納は当業界での懸案であった。
【０００４】
ファンブレード又はその破片が環状ファンケーシングを突き抜けるのを防止するために、種々の収納システムが用いられている。このような収納システムでは、衝突するファンブレードの運動エネルギを吸収するために半径方向に延在している適正なシェル厚さを有する高強度材料から製造された環状ファンケーシングが用いられているが、最近の収納システムでは、内側環状ケーシング及び外側環状ケーシングによって画定された種々のネスティング区域が採用されている。ネスティング区域には、ハニカム構造を入れることもできる。更に、ファンケーシングの外面を衝撃（ballistic）材料で包んでもよい。このようなブレード収納構造の一例が、トミッヒ（Tomich）の米国特許番号第４５３４６９８号に記載されている。
【０００５】
このような従来のファン収納ケーシングの内側ケーシングにひとたび孔又は亀裂が生じると、このような亀裂が内側ケーシング全体に広がることを見出した。内側ケーシングはファン収納ケースの主要な荷重保持構造であるので、ファンブレード破損事故の際に生じるこのような亀裂又は孔の寸法を最小限に抑える必要がある。このようにすることにより、エンジン構造に加えられる破壊的なモーメントを最小限にする。ファンケースが、ファンブレード破損事故後のエンジンのスプールダウン中にファンの「ジャーナル軸受」として作用するからである。こうして、ケースに対するファンの擦り作用によりファンロータの旋回を低減し、従って、エンジン構造に加わる破壊的なモーメントを低減する。更に、内側ケーシングに生じる大きな孔又は亀裂は、ケーシングの卵形への変形に対する（ovalization ）スチッフネスを減少させ、そして孔が余りに大きくなると、ファンが孔に旋回侵入するのを許容する。その上、拘束されていない亀裂は、ファンカウル及び収納ケースがエンジンから外れるようになる点まで進行するおそれがあり、このことは問題である。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によるブレード収納システムは、ブレードの半径方向外側にブレードを包囲する関係で配置されている環状ケーシングを含んでいる。環状ケーシングは、その半径方向外側表面又は半径方向内側表面に結合されている複数の複合テープを含んでいる。これらの複合テープは、環状ケーシングに生じた亀裂及び孔の進行を制限する。
【０００７】
【実施例】
以下、図面を参照しながら、本発明の構成を具体的に説明する。図面中、同一の参照番号は同一要素を示す。図１は高バイパス比ターボファンエンジン１０を例示した長さ方向断面図である。エンジン１０は、長さ方向中心軸線１２の周りに直列軸流関係にて、ファンロータ１４と、ブースタ１６と、高圧圧縮機１８と、燃焼器２０と、高圧タービン２２と、低圧タービン２４とを含んでいる普通の構造を有している。高圧タービン２２は、第１のロータシャフト２６によって高圧圧縮機１８に駆動連結されており、低圧タービン２４は、第２のロータシャフト２８によってブースタ１６及びファンロータ１４の両方に駆動連結されている。ファンロータ１４は、環状ディスク３２に装着された半径方向に延在している複数のブレード３０を含んでいる。ディスク３２と、ブレード３０とは、エンジン１０の長さ方向中心軸線１２の周りに回転可能である。
【０００８】
エンジン１０の運転中、外気３４がエンジン入口に進入し、その第１の部分、即ち、１次ガス流３６は、ファンロータ１４、ブースタ１６及び高圧圧縮機１８を通過し、これらの要素によって順次圧縮される。１次ガス流３６は次いで、燃焼器２０に入り、ここで加圧空気を燃料と混合して、高エネルギ・ガス流を生成する。高エネルギ・ガス流は、先ず高圧タービン２２に入り、そこで膨張し、エネルギを抽出されて高圧圧縮機１８を駆動し、次いで低圧タービン２４に入り、そこで更に膨張し、エネルギを抽出されてファンロータ１４及びブースタ１６を駆動する。外気３４の第２の部分、即ち、２次又はバイパス空気流３８は、ファンロータ１４及びファン出口案内ベーン４０を通過した後に、環状ダクト４２を経てエンジンの外に出る。２次空気流３８はエンジン推力（スラスト）の大部分を成している。
【０００９】
図２は、図１のエンジンの一部を拡大した長さ方向断面図であって、本発明のブレード収納システムを参照番号４４で総称して示す図である。ブレード収納システム４４は、ブレード３０（図２には、１つのみを図示。）の半径方向外側に、且つブレードを包囲する関係で配置されている内側環状ケーシング４６を含んでいる。外側シェル４８が、環状ケーシング４６の半径方向外側に離間していると共に、環状ケーシング４６に上流及び下流軸線方向リブ５０及び５２（図３（Ａ）を参照。）で取り付けられており、上流軸線方向リブ５０と下流軸線方向リブ５２との間に室５５を画定している。尚、リブ５０及び５２の形状は、外側シェル４８の内側環状ケーシング４６への固着を増強する形状となっている。リブ５０及び５２の内側環状ケーシング４６に対するそれぞれの角度α及びβは、外側シェル４８の軸線方向端５１及び５３と適合しており、両者の間の表面連結を最大にするような角度であることが好ましい。室５５は、ネスティング区域としても知られており、ハニカム構造５６（図２を参照。）を含んでいることが好ましく、ハニカム構造５６は、破損したブレード又はブレード破片をそこに保持するために用いられている。ケブラ（KEVLAR（商標））等の衝撃（ballistic）材料４９が、外側シェル４８及びハニカム構造５６の半径方向外側に配置されている。
【００１０】
更に、音響パネル５８が環状ケーシング４６の内面６０に固着されていると共に、ブレード３０と出口案内ベーン４０との間に軸線方向に配置されており、この位置で音響パネル５８は、環状ダクト４２を通るバイパス空気流３８の流れに対する外側境界の一部を形成している。ダクト４２の内側境界は、コア・カウリング４３によって形成されている。ファン出口案内ベーン４０は、通常の態様で空気流３８から渦を取り除く目的で、環状ダクト４２を横断しており、外端で内側環状ケーシング４６に連結されていると共に内端でコア・カウリング４３に連結されている。複数の構造支持用支柱（ストラット）５４（図１を参照。）が環状ダクト４２を半径方向に横断して、外端でケーシング４６に取り付けられていると共に内端でコア・カウリング４３に取り付けられており、これにより、カウリング４３と内側環状ケーシング４６との構造的リンクを達成している。
【００１１】
環状ケーシング４６は区分（セクション）６２を含んでおり、区分６２は、ファンブレード３０と軸線方向に合致又は整列している。区分６２は、スケーティング表面として知られており、その半径方向内面に音響パネルを設けていないことが好ましく、その代わりに、ブレード３０と環状ケーシング４６との可能な最良の嵌め合いを実現するために、摩耗性材料６６をその内面上に配置している。
【００１２】
環状ケーシング４６に生じる亀裂（クラック）及び孔の進行を制限するために、環状ケーシング４６は、その外面６４に接着された複数の複合テープの形態で複数の亀裂捕捉手段を含んでいる。このような複合テープは、亀裂及び孔の軸線方向への進行を阻止するために、長さ方向軸線１２に対して円周方向に配向されているテープ７２を含んでおり、テープ７４が亀裂及び孔の円周方向への進行を阻止するために、長さ方向軸線１２に対して軸線方向に配向されて設けられている。テープ７２及び７４は、環状ケーシング４６の外面６４に、又は図３（Ｂ）に示すように内面に、接着フィルムによって結合されている。
【００１３】
接着フィルムとしては、ブレード又はブレード破片が衝突する際に環状ケーシング４６とテープ７２及び７４との間に緩衝（ショック・アブソーバ）層をもたらすために、テープ７２及び７４の組成物よりも延性が高い接着フィルム（例えば、３Ｍ社製のＡＦ１６３）を用いることが好ましい。従って、テープ７２及び７４は、内側環状ケーシング４６と一体でない（これにより、テープ７２及び７４は比較的損傷を受け難くなる）ので、内側環状ケーシング４６上の荷重の方向を変換することができる。例えば、内側環状ケーシング４６において亀裂がテープ７２及び７４を越えて（又はテープ７２及び７４の下方を）進展することができるとしても、テープ７２及び７４は、言わば亀裂を縫い目で閉じることにより、荷重を吸収し、方向転換させることができる。テープ７２及び７４は、プラスチック母材に複数の補強繊維７５を埋設した複合構造とすることが好ましい（図５を参照。）。繊維７５は好ましくは、テープ７２及び７４の長さ方向軸線ａ１及びａ２にそれぞれ沿って一方向に配置されている。このようなテープを強化するために、エポキシ母材を繊維に含浸することが好ましい。ガラス繊維テープは、例えば、３Ｍ社（Minnesota Mining & Manufacturing Company  米国ミネソタ州ミネアポリス所在）から商品名Ｓ  Ｇｌａｓｓ一方向ガラス繊維テープにて市販されている。グラファイト繊維を含有している複合テープを用いてもよい。
【００１４】
図７に詳しく示すように、環状ケーシング４６の厚さをｔ１とし、テープ７２及び７４の幅をｗ、厚さをＨとする。テープ７２及び７４の幅ｗは厚さＨよりも大きく、特に２０倍であることが好ましい（図７を参照。）。高さＨは、個別の厚さｈが約１０ミルである数プライ又は数層から成っている複合テープ７２及び７４の合計厚さである。
【００１５】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図５及び図７に示すように、円周方向に延在しているテープ７２は、軸線方向に延在しているテープ７４と交差して、接合部又はノード７６を形成している。円周方向テープ７２及び軸線方向テープ７４を配置したときのそれぞれの相互間の距離（円周方向テープ７２間の距離ｄ１、及び軸線方向テープ７４間の距離ｄ２）は、ばらついていてもかまわないが、これらのテープは、約４インチの辺を有している正方形を画定するように配置されていることが好ましい。しかしながら、いつでもブレード又はブレード破片が適切に環状ケーシング４６を突き抜けるようにするために、図４（Ａ）に示すように円周方向テープ７４が軸線方向区分６２内には設けられていないことが好ましい。このことにより、ハニカム５６を内側環状ケーシング４６に結合する問題も最小限に抑えられる。
【００１６】
尚、テープ７２及び７４の幅ｗ及び厚さＨ、並びにそれら相互の配置は、環状ケーシング４６に生じる亀裂及び孔の進展を制限するためだけに説明している。従って、テープ７２及び７４の幅ｗ及び厚さＨ、並びに距離ｄ１及びｄ２は、ケースがブレード衝突事故の後に適切な構造的機能を維持するのに許容できる孔の寸法に基づくものでなければならない。
【００１７】
上述したように、複数のプライ７２ａ及び７４ａを用いてテープ７２及び７４を構成していることが好ましい。この設計において、円周方向プライ７２ａ及び軸線方向プライ７４ａは交互に配置されており（図５及び図７を参照。）、この場合、内側環状ケーシング４６に隣接したプライがそのケーシングに前述したような接着フィルムで結合されており、後続のプライが次のプライにその両面で結合されている。従って、円周方向テープ７２及び軸線方向テープ７４は数枚のプライを有しているだけでなく、接合部７６も数枚のプライを有している。このため、接合部７６の強度が大幅に増大し、このことは、軸線方向区分６２には円周方向テープ７２を延在させていないので、軸線方向区分６２に隣接した接合部にとって特に重要である。更に、このことは、交差しているテープの完全な破損をもたらすのではなく、テープの個別プライが接合部７６から抜け出るのを許容する。
【００１８】
図６に示すように、ブレード又はブレード破片によって、環状ケーシング４６に孔８２及び８４が形成された場合、複合テープ７２及び７４は、亀裂８６がテープに近付くとその亀裂の方向を変えることにより、亀裂８６が軸線方向及び円周方向に伸びるのを制限することがわかる。これにより、亀裂の進展は限定された区域内に閉じ込められるのみでなく、亀裂１００が孔８２と孔８４とをつないでもっと大きな孔となるのを防止する。例えば、図６に示す状態では、軸線方向テープ７４は内側環状ケーシング４６の外面６４から抜け出ているが、円周方向テープ７２と、隣接した軸線方向テープ７４’及び７４”とは、亀裂８６を拘束するように維持されている。
【００１９】
本発明の好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本発明の要旨から逸脱することなく、本発明のブレード収納システムを種々に改変することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブレード収納システムを組み込んだ例示の高バイパス比ターボファンエンジンの長さ方向断面図である。
【図２】本発明のブレード収納システムをファンブレードとの関係で示す図１の一部を拡大した長さ方向断面図である。
【図３】図３（Ａ）は半径方向外面に接着された複合テープを有している本発明のブレード収納システムを示す拡大長さ方向断面図であり、図３（Ｂ）は半径方向内面に接着された複合テープを有している本発明のブレード収納システムの他の実施例を示す拡大長さ方向断面図である。
【図４】図４（Ａ）は図３（Ａ）の４−４線方向に見たブレード収納システムの内側環状ファンケーシングの上面図（便宜上、外側シェルとハニカム構造とを取り除いてある。）であり、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）の４Ａ−４Ａ線方向に見た平面図である。
【図５】本発明のブレード収納システムに用いられている複数の複合テープ・プライの分解図である（内部の繊維が見えるようにプライの一部を破断してある。）。
【図６】図４（Ａ）に示す内側環状ファンケーシングの外面の一部を示す斜視図であって、この外面に孔及び亀裂が生じた状態を示す図である。
【図７】複合テープを接着した内側環状ファンケーシングの一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  エンジン
３０  ブレード
３２  ディスク
３４  ブレード収納システム
４６  内側環状ケーシング
４８  外側シェル
５８  音響パネル
７２、７４  テープ
７５  繊維
７６  接合部
８２、８４  孔
８６  亀裂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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