(57)【要約】  ガスタービンジェットエンジンのファンケースの強化に関する。一態様において、大型ファンブレードが回転する個所における閉じ込めリング、およびバックファイアによる加熱された空気がファンケースを熱する個所における耐熱リングがファンケースの内径に収縮締りばめされる。一例では、閉じ込めリングは超合金で作製されてファンブレードが破損した場合にファンケースに強度を付加して、ファンブレードをファンケース内に閉じ込めるようにされる。また、閉じ込めリングは、各ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各ファンブレードの少なくとも後縁の後端に及んでいる場合もある。耐熱リングはチタンまたは他の適当な材料で作製される。さらに、一つ以上の補強リングをファンケースの外径に収縮締りばめすることも可能である。これら閉じ込めリングおよび補強リングによって、ファンケースの閉じ込め強度を高めつつ、ファンケースの飛行重量の低減および材料価格の低減を行うことができる。その他の実施形態が説明および権利請求される。【選択図】なし
2009515075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンジェットエンジンであって、ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたタービンを有するタービンケースと、前記タービンに接続されて前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたファンブレードを有するファンであって、各ファンブレードは前縁および後縁を有するファンとを備えたガスタービンジェットエンジンの閉じ込めリングおよび前記ファンケースのファンブレード閉じ込め領域の一方の外周面を、ガスタービンジェットエンジンの前記閉じ込めリングおよび前記ファンケースの前記ファンブレード閉じ込め領域の他方の内周面を用いて取り囲み、
前記外周面を取り巻く内周面を用いて、前記内周面の周長に沿って、かつ各ファンブレードの前縁の少なくとも先端および各ファンブレードの後縁の少なくとも後端に及んでいる前記ファンブレード閉じ込め領域の幅に沿って、前記外周面に径方向の圧縮力を加えることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、
前記径方向の圧縮力の印加は、前記閉じ込めリングを前記ファンケースに収縮締りばめすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、
前記径方向の圧縮力の印加は、前記閉じ込めリングを、前記ファンケースによって画定されかつ前記ファンケースの長さ方向の変位に抗して前記閉じ込めリングを固定するような形状にされたノッチに嵌合させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、
前記径方向の圧縮力は前記回転軸上に位置した中心を向いていることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１の方法はさらに、
閉じ込めリング用ノッチを前記ファンケースの先端近傍の内面に円周状に機械加工することを含み、  前記外周面の取り囲みおよび圧縮力の印加は、前記閉じ込めリングを収縮締りばめによって前記閉じ込めリング用ノッチに嵌合することを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１の方法はさらに、
閉じ込めリング用ノッチを前記ファンケースの先端近傍の外面に円周状に機械加工することを含み、前記外周面の取り囲みおよび圧縮力の印加は、収縮締りばめによって前記閉じ込めリング用ノッチに前記閉じ込めリングを嵌合することを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５に係る方法において、
前記機械加工はさらに、前記閉じ込めリング用ノッチを前記ファンケースの前記内面に第１の方向に機械加工することを含み、複数の溝が前記第１の方向に前記内面上に形成および配列されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に係る方法はさらに、
前記ノッチの機械加工の前に、継目無しに前記閉じ込めリングを鍛造し、前記閉じ込めリングを所定の形状に機械加工して前記閉じ込めリング用ノッチに整合するようにすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に係る方法において、
前記閉じ込めリングは閉じ込め用材料から継目無しに鍛造され、前記材料は鋼、チタン、およびニッケル基超合金からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８に係る方法において、
前記閉じ込めリングの機械加工はさらに、前記閉じ込めリングの外面を第２の方向に機械加工することを含んで、複数の溝が前記第２の方向に前記外面上に形成および配列され、
前記閉じ込めリング用ノッチの前記内面および前記閉じ込めリングの前記外面が嵌合し合うと、前記閉じ込めリング用ノッチの前記内面上の前記複数の溝および前記閉じ込めリングの前記外面上の前記複数の溝は互いに網目状に配列して、それにより前記閉じ込めリング用ノッチと前記閉じ込めリングとの間の摩擦力が高まると共に、前記閉じ込めリング用ノッチ内で前記閉じ込めリングがスピンする可能性を低減させることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項８に係る方法はさらに、
少なくとも一個所で前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチにスポット溶接して、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチに対してスピンすることを妨げることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項８に係る方法はさらに、
前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチに固定された少なくとも一つのフランジにボルト締めして、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチに対してスピンすることを妨げることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項８に係る方法において、
前記閉じ込めリングの機械加工はさらに、前記閉じ込めリングを機械加工して逆テーパを備えさせることを含み、先端付近の第１の点における前記閉じ込めリングの第１の外径が、前記先端から離れた第２の点における前記閉じ込めリングの第２の内径より小さいことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項５に係る方法において、
前記機械加工はさらに、前記閉じ込めリング用ノッチを機械加工して逆テーパを備えさせることを含み、前記先端付近の前記閉じ込めリング用ノッチの第１の点における前記ファンケースの第１の内径が、前記先端から離れた位置にある前記閉じ込めリング用ノッチの第２の点における前記ファンケースの第２の内径より小さいことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項５に係る方法において、
前記嵌合はさらに、
前記ファンケースを加熱して前記閉じ込めリング用ノッチの内径を周囲温度において前記閉じ込めリングの外径より大きい第２の径まで拡大させて、
前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置し、
前記ファンケースを前記周囲温度まで冷却して、前記閉じ込めリング用ノッチを前記内径に向けて前記第２の径から縮小させると共に、前記周囲温度における前記閉じ込めリングの前記外径によってその縮小を阻止して、前記収縮締りばめが生じるようにすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項５に係る方法において、
前記嵌合はさらに、
前記ファンケースを加熱して前記閉じ込めリング用ノッチの内径を第２の径まで拡大させて、
前記閉じ込めリングを冷却して前記閉じ込めリングの外径を第２の径まで縮小させることを含んで、前記閉じ込めリングの前記第２の径は前記閉じ込めリング用ノッチの前記第２の径より小さいものであり、
前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置し、
前記ファンケースを周囲温度まで冷却して前記閉じ込めリング用ノッチを前記内径に向けて前記第２の径から縮小させると共に、前記閉じ込めリングを前記周囲温度まで暖めて前記閉じ込めリングを前記外径に向けて拡大させることにより、前記収縮締りばめが生じるようにすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項５に係る方法において、
前記嵌合はさらに、前記閉じ込めリングを冷却して前記閉じ込めリングの外径を第２の径に向けて縮小させることを含んで、前記閉じ込めリングの前記第２の径は前記閉じ込めリング用ノッチの内径より小さいものであり、
前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置し、
前記閉じ込めリングを周囲温度まで熱して前記閉じ込めリングを前記外径に向けて拡大させると共に、前記周囲温度における前記閉じ込めリング用ノッチの前記内径によってその拡大を阻止して、前記収縮締りばめが生じるようにすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項５に係る方法はさらに、
少なくとも一つの補強リング用ノッチを前記ファンケースの表面に円周状に機械加工し、
前記少なくとも一つの補強リング用ノッチに補強リングを嵌合することを含み、前記補強リングは、前記ファンケースが、前記ガスタービンジェットエンジンの動作の間に受ける負荷および温度条件の下で楕円になることを阻止することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に係る方法において、
前記補強リング用ノッチを前記ファンケースの外面に機械加工し、
前記補強リングの前記嵌合はさらに、
前記補強リングを加熱して前記補強リングの第１の内径を周囲温度において前記少なくとも一つの補強リング用ノッチの外径より大きい第２の内径まで拡大させ、
前記補強リングを前記少なくとも一つの補強リング用ノッチ内に配置し、
前記補強リングを前記周囲温度まで冷却して前記補強リングを前記第１の内径に向けて前記第２の内径から縮小させると共に、前記少なくとも一つの補強リング用ノッチの前記外径によってその縮小を阻止して、前記収縮締りばめが生じるようにすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１の方法において、
前記ファンケースは第１の閉じ込め強度を有する第１の材料で作製され、前記閉じ込めリングは、第１の材料の閉じ込め強度より高強度の第２の閉じ込め強度を有する第２の材料で作製されることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０の方法において、
前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料はニッケル基超合金であることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８の方法において、
前記ファンケースは第１の強度を有する第１の材料で作製され、前記補強リングは、第１の材料の強度より高強度の第２の強度を有する第２の材料で作製されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、
前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料はニッケル基超合金であることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１の方法において、
前記閉じ込めリングは、分離したブレードが前記閉じ込めリングを突き抜けることを防ぐ上で十分な厚さを有することを特徴とする方法。
【請求項２５】
ガスタービンジェットエンジンに用いる装置であって、ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたタービンを有するタービンケースと、前記タービンに接続されて前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたファンブレードを有するファンであって、各ファンブレードは前縁および後縁を有するファンを備えたガスタービンジェットエンジンに用いる装置は、
ファンブレード閉じ込め領域を含む内周面を有するファンケースと、
外周面を有する閉じ込めリングとを含み、前記閉じ込めリングは前記ファンケース閉じ込め領域内で前記ファンケースの周囲に配置されて、前記ファンブレードが前記ファンから分離したときに前記ファンブレードを閉じ込め、前記閉じ込めリングは、各ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各ファンブレードの少なくとも後縁の後端に延び、
前記ファンケースの前記ファンブレード閉じ込め領域は、前記内周面の前記ファンブレード閉じ込め領域の周長に沿って、前記閉じ込めリングの前記外周面に径方向の圧縮力を加えるように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２５の装置において、
前記閉じ込めリングは、分離したブレードが前記閉じ込めリングを突き抜けることを防ぐ上で十分な厚さを有することを特徴とする装置。
【請求項２７】
ガスタービンジェットエンジンに用いる装置であって、ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたタービンを有するタービンケースと、および前記タービンに接続されて前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたファンブレードを有するファンであって、各ファンブレードは前縁および後縁を有するファンを備えたガスタービンジェットエンジンに用いる装置は、
ファンケースであって、ファンブレード閉じ込め領域を含む先端、および前記ファンケースの前記先端近傍の内面および外面を有し、前記内面および外面のいずれか一方によって、前記一方のファンケース表面中でかつ前記ファンブレード閉じ込め領域に円周状に機械加工される閉じ込めリング用ノッチが画定されるファンケースと、
閉じ込めリングであって、前記閉じ込めリング用ノッチに嵌合すると共に、各ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各ファンブレードの少なくとも後縁の後端に延び、前記ファンケースおよび前記閉じ込めリングの一方から印加された径方向の圧縮力を前記ファンケースおよび前記閉じ込めリングの他方に加えるように構成された閉じ込めリングを含むことを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求項２７の装置において、
前記閉じ込めリングは収縮締りばめによって嵌合するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２９】
請求項２８の装置において、
前記閉じ込めリング用ノッチは、前記ファンケースの先端近傍の前記ファンケース内面に円周状に機械加工されることを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２７に係る装置において、
前記閉じ込めリングは継目無しに閉じ込め用材料から鍛造された後、所定の形状に機械加工され、前記材料は鋼、チタン、およびニッケル基超合金からなる群から選択されることを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項２９に係る装置において、
前記閉じ込めリングの外径は、周囲温度において前記閉じ込めリング用ノッチの内径よりわずかに大きく、前記ファンケースを加熱して前記閉じ込めリング用ノッチの前記内径を、前記閉じ込めリングの前記外径より大きい第２の径まで拡大させて、前記ファンケースが前記周囲温度まで冷却されると、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置されて、収縮締りばめが生じるようにすることを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項３１に係る装置において、
前記閉じ込めリング用ノッチを機械加工して逆テーパを備えさせ、それにより前記先端近傍の第１の点における前記ファンケースの第１の内径が前記先端から離れた第２の点における前記ファンケースの第２の内径より小さくなるようにし、さらに前記閉じ込みリングの外周を前記逆テーパに整合するように円周状に機械加工することを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項２９に係る装置において、
前記閉じ込めリングの外径は、周囲空気温度において前記閉じ込めリング用ノッチの内径よりわずかに大きく、前記ファンケースを加熱して前記閉じ込めリング用ノッチの前記内径を第２の径まで拡大させると共に、前記閉じ込めリングを冷却して前記閉じ込めリングの外径を第２の径まで縮小させ、前記閉じ込めリングの前記第２の径は前記閉じ込めリング用ノッチの前記第２の径より小さいものであって、前記ファンケースが前記周囲温度まで冷却され、かつ前記閉じ込めリングが前記周囲温度まで暖められると、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置されて、収縮締りばめが生じるようにすることを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項２９に係る装置において、
前記閉じ込めリングの外径は、周囲温度において前記閉じ込めリング用ノッチの内径よりわずかに大きく、前記閉じ込めリングを冷却して前記閉じ込めリングの外径を第２の径まで縮小させ、前記閉じ込めリングの前記第２の径は前記閉じ込めリング用ノッチの内径より小さいものであって、前記閉じ込めリングが前記周囲温度まで暖められると、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置されて、収縮締りばめが生じるようにすることを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項２９に係る装置はさらに、
前記閉じ込めリング用ノッチの機械加工された内面上に第１の方向に配列された複数の溝と、
前記閉じ込めリングの機械加工された外面上に第２の方向に配列された複数の溝を含み、
前記閉じ込めリング用ノッチの前記内面および前記閉じ込めリングの前記外面が互いに収縮締りばめすると、前記閉じ込めリング用ノッチの前記内面上の前記複数の溝および前記閉じ込めリングの前記外面上の前記複数の溝は互いに網目状に配列して、それにより前記閉じ込めリング用ノッチと前記閉じ込めリングとの間の摩擦力が高まると共に、前記閉じ込めリング用ノッチ内で前記閉じ込めリングがスピンする可能性を低下させることを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項２７に係る装置はさらに、
少なくとも一個所のスポット溶接部であって、前記閉じ込めリングを前記閉じ込めリング用ノッチに溶接して、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチに対してスピンすることを防ぐスポット溶接部を含むことを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項２７に係る装置はさらに、
前記閉じ込めリング用ノッチに固定された少なくとも一つのフランジを含み、前記閉じ込めリングは前記少なくとも一つのフランジにボルト締めされて、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチに対してスピンすることを妨げることを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項２７に係る装置はさらに、
前記ファンケースの表面に円周状に機械加工された少なくとも一つの補強リング用ノッチと、
前記少なくとも一つの補強リング用ノッチに嵌合した補強リングを含み、前記補強リングは収縮締りばめによって嵌合し、
前記補強リングは、前記ガスタービンジェットエンジンの動作の間に受ける負荷および温度条件の下で前記ファンケースが楕円になることを阻止することを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項３８に係る装置において、
前記補強リングは継目無しにアルミニウムから鍛造されることを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項２７に係る装置において、
前記補強リング用ノッチを前記ファンケースの外面に機械加工し、前記補強リングの内径は周囲温度において前記少なくとも一つの補強リング用ノッチの外径よりわずかに小さく、さらに前記補強リングを加熱して前記補強リングの前記内径を前記少なくとも一つの補強リング用ノッチの前記外径より大きい第２の径に向けて拡大させて、前記補強リングを前記周囲温度まで冷却すると、前記補強リングが前記少なくとも一つの補強リング用ノッチ内に配置されて、前記収縮締りばめが生じるようにすることを特徴とする装置。
【請求項４１】
請求項２７に係る装置において、
前記ファンケースは鋼、チタン、およびアルミニウムのいずれかから鍛造されることを特徴とする装置。
【請求項４２】
請求項２７に係る装置において、
前記ファンケースは鋼、チタン、およびアルミニウムのいずれかから製造されることを特徴とする装置。
【請求項４３】
請求項２７に係る装置において、
前記ファンケースは複合材料から製造されることを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項４３に係る装置において、
前記閉じ込めリングの外径は、周囲温度において前記閉じ込めリング用ノッチの内径よりわずかに大きく、前記閉じ込めリングを冷却して前記閉じ込めリングの外径を、前記閉じ込めリング用ノッチの前記内径より小さい第２の径まで縮小させて、前記閉じ込めリングが前記周囲温度まで暖められると、前記閉じ込めリングが前記閉じ込めリング用ノッチ内に配置されて、収縮締りばめが生じるようにすることを特徴とする装置。
【請求項４５】
請求項２７の装置において、
前記ファンケースは第１の閉じ込め強度を有する第１の材料で作製され、前記閉じ込めリングは、前記第１の材料の閉じ込め強度より高強度の第２の閉じ込め強度を有する第２の材料で作製されることを特徴とする装置。
【請求項４６】
請求項４５の装置において、
前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料はニッケル基超合金であることを特徴とする装置。
【請求項４７】
請求項３８の装置において、
前記ファンケースは第１の強度を有する第１の材料で作製され、前記補強リングは、前記第１の材料より高強度の第２の強度を有する第２の材料で作製されることを特徴とする装置。
【請求項４８】
請求項４７の装置において、
前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料はニッケル基超合金であることを特徴とする装置。
【請求項４９】
ガスタービンジェットエンジンは、
ファンブレード閉じ込め領域を含む内周面を有するファンケースと、
前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたタービンを有するタービンケースと、
前記タービンに接合されて前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたファンブレードを有するファンであって、各ファンブレードは前縁および後縁を有するファンと、
外周面を有する閉じ込めリングであって、前記閉じ込めリングは前記ファンの周囲に配置されて、前記ファンブレードが前記ファンから分離した場合に前記ファンブレードを閉じ込めると共に、前記閉じ込めリングは各ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各ファンブレードの少なくとも後縁の後端に延びる閉じ込めリングを含み、
前記ファンケースの前記ファンブレード閉じ込め領域は、前記内周面の前記ファンブレード閉じ込め領域の周長に沿って、前記閉じ込めリングの前記外周面に径方向の圧縮力を加えるように構成されることを特徴とするガスタービンジェットエンジン。
【請求項５０】
請求項４９に係るエンジンはさらに、
ファンケースに固定された少なくとも一つのフランジを含み、前記閉じ込めリングは前記少なくとも一つのフランジにボルト締めされて前記閉じ込めリングが前記ファンケースに対してスピンすることを妨げることを特徴とするエンジン。
【請求項５１】
請求項５０に係るエンジンはさらに
前記ファンケースの表面に円周状に機械加工された少なくとも一つの補強リング用ノッチと、前記少なくとも一つの補強リング用ノッチに嵌合した補強リングを含み、
前記補強リングは収縮締りばめによって嵌合し、
前記補強リングは、前記ガスタービンジェットエンジンの動作の間に受ける負荷および温度条件の下で前記ファンケースが楕円になることを阻止することを特徴とするエンジン。
【請求項５２】
請求項４９のエンジンにおいて、
前記ファンケースは内面を有する中間部分を有し、この内面によって、前記ファンケース表面に円周状に機械加工される耐熱リング用ノッチが画定され、前記エンジンはさらに、  前記耐熱リング用ノッチに嵌合して、前記ファンケースから印加された径方向の圧縮力を前記耐熱リングに加えるように構成された耐熱リングを含むことを特徴とするエンジン。
【請求項５３】
請求項５２のエンジンにおいて、
前記耐熱リングは収縮締りばめによって嵌合するように構成されることを特徴とするエンジン。
【請求項５４】
ガスタービンジェットエンジンの改造方法は、
前記ジェットエンジンからファンケースを取り除き、
前記ジェットエンジンに代替のファンケースを取り付けることを含み、前記代替ファンケースは、収縮締りばめによって前記代替ファンケースの内周面に嵌合すると共に、前記代替ファンケースに衝突するファンブレードを閉じ込めるように構成された閉じ込めリングを有して、前記閉じ込めリングは、前記代替ファンケース内に収容されると、各前記ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各前記ファンブレードの少なくとも後縁の後端に延在することを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５４の方法はさらに、
前記代替ファンケースを取り付ける前に、前記閉じ込めリングを、収縮締りばめによって前記代替ファンケースの前記内周面の円周状ノッチに嵌合させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項５６】
ガスタービンジェットエンジンの動作方法は、
タービンを用いて回転軸に沿ってファンケース内に収容されたファンのファンブレードを回転して吸気を行うと共に推力を生成し、
閉じ込めリングおよび前記ファンケースのファンブレード閉じ込め領域の一方の外周面に、前記閉じ込めリングおよび前記ファンケースの前記ファンブレード閉じ込め領域の他方の内周面であって前記外周面を取り巻く内周面を用いて径方向の圧縮力を加えることを含み、前記径方向の圧縮力は、前記内周面の周長、および少なくとも各ファンブレードの前縁の先端および少なくとも各ファンブレードの後縁の後端に延在する前記ファンブレード閉じ込め領域の幅に沿って加えられると共に、前記回転軸上に位置した中心を向いていることを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５６の方法はさらに、前記ファンケースの外周面に、前記ファンケースの外周面を取り巻く補強リングの内周面を用いて径方向の圧縮力を加えることを含むことを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５６の方法はさらに、
耐熱リングの外周面に、前記耐熱リングの外周面を取り巻く前記ファンケースの内周面を用いて径方向の圧縮力を加えることを含むことを特徴とする方法。
【請求項５９】
ガスタービンジェットエンジンに用いる装置であって、ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたタービンを有するタービンケースと、前記タービンに接続されて前記ファンケース内で回転軸に沿って回転するように構成されたファンブレードを有するファンであって、各ファンブレードは前縁および後縁を有するファンを備えたガスタービンジェットエンジンに用いる装置は、
先端、および前記ファンケースの前記先端近傍の内面および外面を有するファンケースであって、前記内面によってファンブレード閉じ込め領域およびバックファイア加熱領域が画定され、また、前記ファンケースは第１の閉じ込め強度および第１の耐熱性を有する第１の材料で作製されるファンケースと、
外周面を有する閉じ込めリングであって、前記閉じ込めリングは前記ファンケース閉じ込め領域内に配置されて、前記ファンブレードが前記ファンから分離したときに前記ファンブレードを閉じ込め、前記閉じ込めリングは、各ファンブレードの少なくとも前縁の先端および各ファンブレードの少なくとも後縁の後端に延在し、前記ファンケースの前記ファンブレード閉じ込め領域は前記閉じ込めリングの前記外周面に径方向の圧縮力を加えるように構成され、前記閉じ込めリングは前記第１の材料より高強度の第２の閉じ込め強度を有する第２の材料で作製される閉じ込めリングと、
補強リングであって、前記閉じ込めリングの後端で前記ファンケース外周に嵌合して、前記補強リングから印加される径方向の圧縮力を前記ファンケース外周に加えるように構成され、前記補強リングは、前記第１の材料の強度より高い強度を有する材料で作製される補強リングと、
耐熱リングであって、前記バックファイア加熱領域内で前記ファンケース内周に嵌合して、前記ファンケースのバックファイア加熱領域から印加される径方向の圧縮力を前記耐熱リングに加えるように構成され、前記耐熱リングは、前記第１の材料の耐熱性より高い第２の耐熱性を有する第３の材料で作製される耐熱リングを含むことを特徴とする装置。
【請求項６０】
請求項５９の装置において、
前記第１の材料はアルミニウムであり、前記第２の材料はニッケル基超合金であり、前記補強リングの材料はニッケル基超合金であって、前記第３の材料はチタンであることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００４年９月２３日出願の出願番号１０／９４７，９２３号、名称「ガスタービンジェットエンジンにおけるファンケースの閉じ込めおよび耐熱性を向上する方法および装置」の一部継続出願である、２００５年９月２０日出願の、特許出願中のＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／２００５／３３５６４号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンジェットエンジンのフルテストにおいて、最大エンジン回転速度時にファンブレードの基部に置かれた爆発ボルトによってファンブレードを故意にハブから外すことが行われる。この試験を用いて、エンジンカーカスがファンブレードの衝撃をどれだけ閉じ込め、かつそれにより生じる不均衡な力をどれだけ処理できるかが確かめられる。この衝撃は、エンジンを取り囲むファンケース閉じ込めシステムを通じて振動として吸収される。ファンケースはファンケース閉じ込めシステムにおける一構成要素であって、通常はその大きさ、および閉じ込めを目的としてファンケースが有する所要強度のためにガスタービンジェットエンジン中の最重量部品となっている。バックファイアの影響を受けやすいガスタービンジェットエンジンにおいては、加熱された空気が燃焼室から後方に移動してファン領域に達し、これによりファンケース内部の温度が上がると共にファンケース温度が上昇する。これらの温度上昇は、ファンケースをいずれの材料で形成するべきかを決定する上での一因子となっている。ファンケースの重量を保持または減少しながら、ファンケース閉じ込め強度を保持または高めると共に、前記ファンケース温度に耐え得るファンケース材料を使用することが当業界において要求されていることは明らかである。
【発明の開示】
【０００３】
図を参照する。各図において同様の参照数字および名称は構造的および／または機能的に同様の構成部品を指している。図１に、先行技術に特有のファンケーシングを備えた典型的なガスタービンジェットエンジンの全体構造の概略図を示す。図１を参照すると、ガスタービンジェットエンジン１００は、ファンケース１０６内に収容された複数のファンブレード１０４を有するファン１０２を備えている。ファン１０４が中心線１０７に沿った回転軸上で回転し、それにより吸気が行われると共に推力が生成される。ブースタ１０８は低圧コンプレッサになっており、吸気を高圧コンプレッサロータ１１０および付設のブレードならびにステータに送給する。このロータ１１０等は空気を燃焼室１１２に強制送給するものであり、吸気の圧力および温度が高める働きをする。高圧タービンロータ１１４および付設のブレードならびにステータが高圧タービンケース１１６内に収容されている。また、低圧タービンロータ１１８および付設のブレードならびにステータが低圧タービンケース１２０内に収容されている。低圧タービンロータ１１８および付設のブレードならびにステータによって、燃焼室１１２から流れ込む高圧かつ高速のガスからエネルギが抽出される。このエネルギは、ファン１０２の駆動源でもある、低圧タービンシャフト１２２に伝達され、ガスタービンジェットエンジン１００の主な推力の元になる。
【０００４】
図２に先行技術に特有のファンケーシング用鍛造品の断面図を示す。図２を参照すると、ファンケース用鍛造品２００が機械加工されて点線で示した外形のファンケース２０２となっている。この例では、ファンケース用鍛造品２００は継目無しにチタンシリンダから鍛造されている。ファンケース２０２を設計する対象のガスタービンジェットエンジンの動作温度および負荷特性から、ファンケース２０２はチタンで作製する必要がある。このファンケース用鍛造品２００の鍛造重量は約３３４７ポンドである。機械加工後のファンケース２０２の飛行重量は約９７５．２ポンドである。ガスタービンジェットエンジンにおいては、ファンケースはアルミニウム、鋼、または複合材料から作製されることもある。複合材料は通常コア材、強化材、および樹脂バインダを含む。コア材は一般に木材、発泡材料、およびハニカム等である。強化材としてファイバガラス、カーボンファイバ、およびケブラー（Kevlar：登録商標）等がある。樹脂成分として、一般にポリエステル、ビニルエステル、およびエポキシがある。技術の進歩、およびガスタービンジェットエンジンの高温化に伴って、ファンケース閉じ込めのために多くの場合アルミニウム製ケースをケブラー（登録商標）で包んで強度を付加することが行われている。アルミニウムや鋼には適さないより高温の動作温度の場合でも、必要により同様にケブラー（登録商標）で包まれたチタンが使用される。
【０００５】
機械加工後のファンケース２０２の構造的特徴として第１の補強リング２０４および第２の補強リング２０６がある。これら二つの補強リングによりエンジン動作の間に受ける負荷条件および温度条件の下でファンケース２０２が楕円形になることが防止される。付属フランジ２０８は貫通したキリ穴を有しており、ギアボックス、チューブ、および配線などの種々のエンジン部品がこれらキリ穴に掛けられている。第１の閉じ込めリング２１０がファンケース２０２の外側を取り囲んで、ファンケース閉じ込めのための強度を付加している。第２の閉じ込めリング２１２がファンケース２０２の内面を一周しており、これもまたファンケース閉じ込めのための強度を付加している。第１の閉じ込めリング２１０と第２の閉じ込めリング２１２との間のファンケース２０２の部分は、ファンブレード１０４（図１）などのファンブレードがハブから外れた場合に衝突する恐れのある、ファンブレード衝突閉じ込め領域である。ファンブレード１０４は一般にガスタービンジェットエンジンにおける最大のファンブレードであり、そのファンブレードの大きさのためにこのファンケース２０２の部分は多くの場合特別に強く設計されている。このようにして、第１および第２の閉じ込めリング２１０，２１２により強度が付加される。
【０００６】
図３に本説明の一実施形態によるファンケーシング用鍛造品の断面を示す。図３を参照する。本説明によるファンケーシングは、既存のエンジンの改造または新規作製によるエンジンのいずれかにおいて、ファンケース２０２を設計した対象と同一のガスタービンジェットエンジン用としてファンケース２０２に置き換え可能になっている。本説明のファンケースの特徴は、種々の用途に使用されるガスタービンジェットエンジンのファンケースであって、ファンによる吸気および推力生成が行われるファンケースに適用可能である。それら用途として航空機、水陸両用車およびその他の用途がある。ファンケース用鍛造品３００が機械加工されて点線で外形を示したファンケース３０２になる。本例において、ファンケース用鍛造品３００も同様に継目無しにチタンシリンダから鍛造される。本例では、鍛造品３００は比較的単純な形状を有していて鍛造工程を単純化しているが、この形状は用途に応じて種々変化させることが好ましい。本実施形態のファンケース用鍛造品３００の鍛造重量は約２５９５ポンドであり、ファンケース用鍛造品２００に比べて７５２ポンド軽い。機械加工後のファンケース３０２の飛行重量は約７５１．３ポンドであり、ファンケース２０２に比べて２２３．９ポンド軽い。鍛造品３００の重量および特徴は特定の用途に応じて種々変化させることが好ましい。
【０００７】
機械加工後のファンケース３０２の構造的特徴として、ファンケース３０２の中間部に位置した第１の補強リング用ノッチ３０４および第２の補強リング用ノッチ３０６がある。二つの付加的な鍛造品から形成される二つの補強リング（図５Ａ，５Ｂ，６Ａおよび６Ｂ参照）が第１の補強リング用ノッチ３０４および第２の補強リング用ノッチ３０６（図４参照）に嵌合されて、エンジン動作の間に受ける負荷条件および温度条件の下でファンケース２０２が楕円形になることを防いでいる。特定のファンケースの構成に応じて、使用する補強リング用ノッチの数が増減されると共に、それらノッチをファンケースの表面上で配置する位置が種々変化する。図では補強リング５０２，６０２はファンケース３０２の外面に嵌合されて示されているが、用途に応じて一つ以上の補強リングをファンケースの内面に取り付けてもよい効果を得ることができる。ファンケース３０２の後端近傍の付属フランジ３０８がそのフランジもしくはその上に形成された他の付属品表面を貫通したキリ穴を有しており、ギアボックス、チューブおよび配線などの種々のエンジン部品がそのキリ穴に支持されている。
【０００８】
ファンケース３０２の先端部において閉じ込めリング用ノッチ３１０がファンケース３０２の内面を円周状に一周している。付加的な鍛造品から形成される閉じ込めリング（図７Ａおよび７Ｂ参照）が閉じ込めリング用ノッチ３１０に嵌合している。図１２に内側閉じ込めリング用ノッチ３１０に嵌合した閉じ込めリング７０２を装着されたファンケース３０２の断面概略図を示す。閉じ込めリング用ノッチ３１０の幅に渡るファンケース３０２の部分は、ファンブレード１０４（図１）などのファンブレードがハブから外れた場合に衝突する恐れのある、ファンブレード衝突閉じ込め領域である。本実施形態において、このファンケース３０２の部分は比較的高強度であると共に、付加的な鍛造品から形成される閉じ込めリングは閉じ込めリング用ノッチ３１０に整合する所定の形状に機械加工されていて、これによりさらに強度および閉じ込め機能が付加されるようになっている。ファンケース３０２は、第１の閉じ込めリング２１０に類似した構造物は有していない。閉じ込めリング７０２によって強度が付加されるので、本説明のファンケース３０２ではこの構造物は省略されている。他の実施形態では、用途に応じて第２のまたはそれ以上の閉じ込めリングが追加される場合があり高い効果を得る。
【０００９】
図５Ａに、本説明の一実施形態による図３のファンケーシングの第１の補強リング用鍛造品の断面を示し、図５Ｂに、図５Ａの第１の補強リングが本説明の一実施形態による図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている状態を示す。図５Ａおよび５Ｂを参照する。第１の補強リング用鍛造品５００が第１の補強リング用ノッチ３０４に整合する所定の形状に機械加工されると図５Ａの点線で示した外形の第１の補強リング５０２になる。本例では、第１の補強リング用鍛造品５００は継目無しにアルミニウム製リングから鍛造される。第１の補強リング用鍛造品５００の鍛造重量は約１５４ポンドである。機械加工後の第１の補強リング５０２の飛行重量は約４１ポンドである。
【００１０】
本例では、第１の補強リング５０２はファンケース３０２とは別体に作製されて、第１の補強リング用ノッチ３０４に収縮締りばめされる。周囲温度において、第１の補強リング５０２の内径は第１の補強リング用ノッチ３０４の外径よりわずかに小さくなっている。第１の補強リング５０２を加熱して膨張させ、それにより前記内径を拡大して第１の補強リング用ノッチ３０４の外径より大きい径にする。これにより、第１のリングクリアランス５０４が生じて、図のように第１の補強リング５０２が第１の補強リング用ノッチ３０４内に配置される。この位置で、第１の補強リング５０２を冷却すると、径が収縮してリング５０２が円周状に第１の補強リング用ノッチ３０４に嵌合する。周囲温度では、第１の補強リング５０２が相対的に小さい内径に戻ろうとするが、第１の補強リング用ノッチ３０４の外径が相対的に大きいのでその動作が阻止され、このために、第１の補強リング５０２によって径方向の圧縮力が円周状にファンケース３０２に加えられると共に、ファンケース３０２によって引っ張り力が円周状に第１の補強リング５０２に印加されて、締りばめを伴う収縮が生じる。一実施形態において、径方向の圧縮力の中心は中心線１０７によって規定される回転軸上に位置する。また、径方向の圧縮力は第１の補強リング５０２の全周に渡って間断なく連続して印加される。
【００１１】
図６Ａに、本説明の一実施形態による図３のファンケーシングの第２の補強リング用鍛造品の断面を示し、図６Ｂに、本説明の一実施形態による図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている図６Ａの第２の補強リングを示す。図６Ａおよび６Ｂを参照する。第２の補強リング用鍛造品６００が第２の補強リング用ノッチ３０６に整合する所定の形状に機械加工されると図６Ａの点線で示した外形の第２の補強リング６０２となる。本例では、第２の補強リング用鍛造品６００は継目無しにアルミニウムリングから鍛造される。第２の補強リング用鍛造品６００の鍛造重量は約１４８ポンドである。機械加工後の第２の補強リング６０２の飛行重量は約４０．６ポンドである。
【００１２】
本例では、第２の補強リング６０２はファンケース３０２とは別体に作製されて、第２の補強リング用ノッチ３０６に収縮締りばめされる。周囲温度において、第２の補強リング６０２の内径は第２の補強リング用ノッチ３０６の外径よりわずかに小さくなっている。第２の補強リング６０２を加熱して、該リング６０２を膨張させ、それにより前記内径を拡大して第２の補強リング用ノッチ３０６の外径より大きい径にする。これにより第２の補強リングクリアランス６０４が生じて、図のように第２の補強リング６０２が第２の補強リング用ノッチ３０６内に配置される。この位置で、第２の補強リング６０２を冷却すると、径が収縮してリング６０２が円周状に第２の補強リング用ノッチ３０６に嵌合する。周囲温度では、第２の補強リング６０２が相対的に小さい内径に戻ろうとするが、第２の補強リング用ノッチ３０６の外径が相対的に大きいのでその動作が阻止され、このために、第２の補強リング６０２によって径方向の圧縮力が円周状にファンケース３０２に加えられると共に、ファンケース３０２によって引っ張り力が円周状に第２の補強リング６０２に印加されて、締りばめを伴う収縮が生じる。一実施形態において、径方向の圧縮力の中心は中心線１０７によって規定される回転軸上に位置する。また、径方向の圧縮力は第２の補強リング６０２の全周に渡って間断なく連続して印加される。また、一実施形態において、各補強リングは、閉ループ状に鍛造または機械加工された、無地でかつ一体すなわち継目無しの、連続したすなわち継ぎ目のない部材として作製される。別の実施形態では、補強リングは、開ループ状の部材を用いて例えば溶接によって端部を接合して閉ループ状にすることにより作製される。
【００１３】
これらの補強リングは、用途に応じてファンケースの他の位置に配置されてもよい。さらに、大きさ、寸法、形状、材料およびクリアランスは用途に応じて変化させてもよい。また、丸みの不完全さなどの種々の要因のために、第１の補強リング５０２などの補強リングはファンケース３０２の外面の周に１００％は係合しなくてもよい。例えば、第１の補強リング５０２はファンケース３０２の外面の周の７０％に接触可能であるが、接触量は用途に応じて変化する。それにかかわらず、第１の補強リング５０２は、ファンケース３０２に収縮締りばめすると、第１の補強リング５０２の内周面の周長に沿って径方向の圧縮力を加えると考えられる。また、用途によっては、収縮締りばめした補強リングとファンケースとの間に線形材料（a liner material）を設けて、補強リングとファンケースとの間で圧縮力がこの線形材料を通じて伝達されるようにすることが好適である。一実施形態において、この線形材料は圧縮可能な材料で形成される。この線形材料は他の実施形態においては比較的剛直であったり他の性質を有していてもよい。
【００１４】
図７Ａに、本説明の一実施形態による図３のファンケーシングの閉じ込めリング用鍛造品の断面を示し、図７Ｂに、本説明の一実施形態による図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている図７Ａの閉じ込めリングを示す。図７Ａおよび７Ｂを参照する。閉じ込めリング用鍛造品７００が閉じ込めリング用ノッチ３１０に整合する所定の形状に機械加工されると図７Ａの点線で示した外形の閉じ込めリング７０２となる。本例では、閉じ込めリング用鍛造品７００は継目無しにインコネル７１８などのニッケル基超合金のリングから鍛造される。閉じ込めリング用鍛造品７００の鍛造重量は約４６７ポンドである。所定の形状に機械加工された後の閉じ込めリング７０２の飛行重量は約１３８．１ポンドである。この閉じ込めリングは、用途に応じてファンケースの他の位置に配置されてもよく高い効果を得る。さらに、大きさ、寸法、形状、材料およびクリアランスは用途に応じて変化させてもよい。例えば、閉じ込めリング７０２を他の超合金、鋼、チタンまたは他の適当な材料で作製してブレードを閉じ込めてもよい。また、一実施形態において、この閉じ込めリングは、閉ループ状に鍛造または機械加工された、中実でかつ一体すなわち継目無しの、連続したすなわち継ぎ目のない部材として作製される。別の実施形態では、この閉じ込めリングは、開ループ状の部材を用いて例えば溶接によって端部を接合して閉ループ状にすることにより作製される。
【００１５】
本例では、閉じ込めリング７０２はファンケース３０２とは別体に作製されて、閉じ込めリング用ノッチ３１０に収縮締りばめされる。周囲温度において、閉じ込めリング７０２の外径は閉じ込めリング用ノッチ３１０の内径よりわずかに大きくなっている。ファンケース３０２を加熱して該ファンケースを膨張させ、それに前記内径を拡大して閉じ込めリング７０２の外径より大きい径にする。これにより閉じ込めリングクリアランス７０４が生じて、図のように閉じ込めリング７０２が閉じ込めリング用ノッチ３１０内に配置される。この位置で、ファンケース３０２を冷却すると、径が収縮して閉じ込めリング７０２が円周状に閉じ込めリング用ノッチ３１０に嵌合する。周囲温度では、ファンケース３０２が相対的に小さい内径に戻ろうとするが、閉じ込めリング７０２の外径が相対的に大きいのでその動作が阻止され、このために、ファンケース３０２によって径方向の圧縮力が円周状に閉じ込めリング７０２に加えられると共に、閉じ込めリング７０２によって引っ張り力が円周状にファンケース３０２に印加されて、締りばめを伴う収縮が生じる。一実施形態において、径方向の圧縮力の中心は、図１２に矢印で概略的に示した、中心線１０７によって規定される回転軸上に位置する。一実施形態において、径方向の圧縮力はファンケース３０２の閉じ込めリング用ノッチ３１０の全周に渡って間断なく連続して印加される。丸みの不完全さなどの種々の要因のために、閉じ込めリング７０２などの閉じ込めリングはファンケース３０２の内面の周に１００％は係合しなくてもよい。例えば、閉じ込めリング７０２はファンケース３０２の内面の周の７０％に接触可能であるが、接触量は用途に応じて変化する。それにかかわらず、ファンケース３０２は、閉じ込めリング７０２に収縮締りばめすると、閉じ込めリング用ノッチ３１０の内周面の周長に沿って径方向の圧縮力を加えると考えられる。また、用途によっては、収縮締りばめした閉じ込めリングとファンケースとの間に線形材料を設けて、閉じ込めリングとファンケースとの間で圧縮力がこの線形材料を通じて伝達されるようにすることが適当である。一実施形態において、この線形材料は圧縮可能な材料で形成される。当然ながら、この線形材料は他の実施形態においては比較的剛直であったり他の性質を有したりしてもよい。
【００１６】
複合材料で作製されるファンケースの場合は、閉じ込めリング７０２を液体窒素で冷却して外径を縮小させ、閉じ込めリングクリアランス７０４を発生させて、図のように閉じ込めリング７０２を閉じ込めリング用ノッチ３１０内に配置させる。この位置で、閉じ込めリング７０２を周囲温度まで暖めると、径が拡大して閉じ込めリング７０２が円周状に閉じ込めリング用ノッチ３１０に嵌合する。周囲温度では、閉じ込めリング７０２が相対的に大きい外径に戻ろうとするが、閉じ込めリング用ノッチ３１０の内径が相対的に小さいのでその動作が阻止され、このために、ファンケース３０２によって径方向の圧縮力が円周状に閉じ込めリング７０２に加えられると共に、閉じ込めリング７０２によって引っ張り力が円周状にファンケース３０２に印加されて、締りばめが生じる。当業者に明らかなように、ある状況においては、閉じ込めリング７０２の冷却とファンケース３０２の加熱とを組み合わせて用いて収縮ばめを行わせることも可能である。
【００１７】
本説明の一実施形態において、閉じ込めリング用ノッチ３１０を機械加工して周方向に逆テーパを備えさせ、Ａ点でのファンケース３０２の内径がＢ点でのファンケース３０２の内径より小さくなるようにする。このテーパの角度はファンケース毎に変化し、その範囲は筒状ケースにおけるわずかに０度を上回る角度から円錐状のファンケースの固有の形状に基づく固有の角度まで及んでいる。閉じ込めリング７０２の外面を円周上に機械加工してこれと同一の逆テーパに整合するようにされる。閉じ込めリング７０２がファンケース３０２に収縮締りばめされている場合であっても、このテーパによってさらなる信頼性が付与されて閉じ込めリング７０２がファンケース３０２上で軸方向にスリップすることが防止される。
【００１８】
さらに、ファンケース３０２の機械加工を径方向などの第１の方向に行い、閉じ込めリング７０２の機械加工を軸方向などの、第１の方向にほぼ直角の第２の方向に行ってもよい。機械加工によって加工表面に螺旋模様が残る、すなわち連続溝が刻まれるので、各表面上の溝は互いに網目状に配列して、両表面間の摩擦力を高めると共に、閉じ込めリング用ノッチ３１０内で閉じ込めリング７０２がスピンする可能性を低減する。例えばニッケル基超合金で作製された、閉じ込めリング７０２上の複数の溝は、例えばチタンまたは他のファンケーシングでは例えば鋼やアルミニウムで作製される、ファンケース３０２の閉じ込めリング用ノッチ３１０上の複数の溝よりも硬い。ニッケル基超合金の溝は、より軟質のチタン、鋼またはアルミニウムの溝内にめり込む。あるいは、単に閉じ込めリング７０２を一つ以上の個所で閉じ込めリング用ノッチ３１０にスポット溶接するか、または閉じ込めリング用ノッチ３１０に固定された一つ以上のフランジにボルト締めすることで、閉じ込めリング７０２が閉じ込めリング用ノッチ３１０に対してスピンすることが阻止される。交差方向の機械加工も用途に応じて適宜適用または省略される。
【００１９】
図４に、加工仕上げされたファンケーシングであって、二つの補強リング（図５Ａ，５Ｂ，６Ａおよび６Ｂ）、および本説明の一実施形態による図３のファンケーシングに収縮締りばめされた閉じ込めリング（図７Ａおよび７Ｂ）を有するファンケーシングの断面を示す。図４を参照する。閉じ込めリング７０２は、用途に応じて、第２の閉じ込めリング２１２に類似した構造を部分的に複製すればよいものであり、これによって第１の閉じ込めリング２１０の使用を全面的もしくは部分的に不要にすることができる。ファンケース３０２の内径に収縮締りばめした閉じ込めリング７０２によって、外側とは対照的に、ブレードが破損した場合に、閉じ込めリング７０２を構成するより硬い超合金が最初の衝突面になり得る。閉じ込めリング７０２の外面上のファンケース３０２の相対的に軟質のチタン、鋼またはアルミニウムは、両材料間の膨張率の違いによりショックアブソーバの役割を果たす。閉じ込めリング７０２の超合金の変位が始めると、膨張率の異なるファンケース３０２のチタン、鋼またはアルミニウムが押圧される。このことは、互いに接近した二つのネット（nets）を備えることに類似している。閉じ込めリング７０２の超合金が最初の打撃を受け、その力の幾分かはショックアブソーバ的機能をもつチタン、鋼またはアルミニウム製のファンケース３０２に伝達される。
【００２０】
第１の補強リング５０２および第２の補強リング６０２は、それぞれ第１の補強リング用ノッチ３０４および第２の補強リング用ノッチ３０６に嵌合した状態で示されている。第１の補強リング５０２および第２の補強リング６０２がもたらす補強作用によって、ある温度および負荷条件の下でのエンジン動作の間にファンケース３０２が丸みを消失したり楕円形になったりすることが防がれる。
【００２１】
本例における、先行技術のファンケース２０２と本説明によるファンケース３０２との、鍛造および飛行重量および価格の比較結果を下記表１に示す。
【表１】
2009515075.tif 000003
【００２２】
このように、本例では、鍛造重量は１７ポンド多いが、飛行重量は４．７ポンド少ない。さらに、ファンケース３０２の材料のポンド当り平均価格はファンケース２０２よりもポンド当り０．７２ドル少なく、全体で２，２９４．００ドルの節減になっている。また、本例では、ファンケース３０２はファンケース２０２よりもかなり高強度と考えられる。
【００２３】
他の用途では、節減はもっと顕著である。例えば、ケブラー（登録商標）強化材を要するファンケーシングの場合、本説明のファンケーシングは十分に強力化されているのでケブラー（登録商標）強化材を不要にすることが可能であり、材料価格および労力の両方においてかなりの節減になる。また、本説明のファンケーシングにケブラー（登録商標）強化材を併用して、より向上したファンケース閉じ込め強度を得ることもできる。現在の鋼またはチタンをファンケーシングとして用いるガスタービンジェットエンジンの場合は、本説明のファンケーシングによって、アルミニウムを鋼またはチタンに置き換えることが可能になると共に、ニッケル基超合金または他の適当な材料の閉じ込めリングで規定される閉じ込めに必要な強度を得ることができる。アルミニウムまたはチタンの重量は同一体積の鋼の重量の約３０％〜５５％であるため、かなりの重量節減を得ることができる。この重量節減によって積み荷運搬能力の増大や燃費の低減または両者の組み合わせがもたらされる。
【００２４】
ガスタービンジェットエンジン業界においては、ファンブレードを長くして推力を高める趨勢にある。ファンブレードの先端は超音速で回転するが、一方ファンブレードの基部は音速以下の速度で回転する。これによりブレードに調和振動が生じてブレード先端の破損を招く。この問題に対処するために、ファンブレードを直線状ではなく、幅広のパドル状にしている。このブレードの幅広化および伸長化はファンケーシング内に収容すべき嵩の増加を招く。また、エンジンの効率向上に伴って、エンジンをより高温で動作させるようになってきており、前記閉じ込めの問題をさらに難しいものにしていると考えられる。本説明のファンケーシングは、ファンケースの閉じ込め強度の増大、総重量の減少、およびコスト低減のための、上記難題の対処に大いに役立つと共に、これに加えてもしくはこれに代わって、用途に応じてその他の特徴をもたらすことができると考えられる。
【００２５】
図８に、典型的なガスタービンジェットエンジン中の気流の概略図を示す。図８を参照すると、バックファイアの影響を受けにくいガスタービンジェットエンジンの場合、気流８２４はファンケース８０６に流れ込み、さらにブースタ８０８に流れ込む。気流８２４は高圧コンプレッサロータ８１０で圧縮されて燃焼室８１２に入る。気流８２４は、高圧および低圧タービンを通過した後、ガスタービンジェットエンジン８００の後部から流出する。燃焼室８１２内の加熱された気流８２４はガスタービンジェットエンジン８００中を移動して該エンジン後部から流出する。
【００２６】
図９に、バックファイアの影響を受けやすい典型的なガスタービンジェットエンジン中の気流の概略図を示す。図９を参照すると、図８とは対照的に、ガスタービンジェットエンジン９００はバックファイアの影響を受けやすく、それにより気流９２４の一部である、点線で示した加熱空気９２６がガスタービンジェットエンジン９００中を後方に流れてファン９０２の領域に流れ込む。加熱空気９２６によってファンケース９０６内部の温度が上昇し、さらにそれによって領域９２８として一括して示した領域においてファンケース９０６自体の温度が上昇する。いうまでもなく、温度は、ファンケース９０６をいずれの材料で作製するかを決定する基本因子の一つである。ファンケースの温度が８００度を越えると、アルミニウムはもはや適さず、鋼、チタン、または超合金などのより高価な耐熱材料が適している。
【００２７】
図１０に、本説明の一実施形態による耐熱性を改良したファンケーシング用鍛造品の断面を示す。図１０を参照すると、バックファイアの影響を受けやすいガスタービンジェットエンジンの場合、本説明のファンケーシングを用いて前記熱の問題を緩和することができると共に、ファンケース１００２の耐熱性を向上できると考えられる。ファンケース用鍛造品１０００は図３に示したファンケース用鍛造品３００に類似したものである。機械加工後のファンケース用鍛造品１０００は、ファンケース３０２に類似した、点線で示した外形のファンケース１００２になる。本例では、ファンケース用鍛造品１０００は継目無しにアルミニウムから鍛造される。
【００２８】
機械加工後のファンケース１００２は図３および４に示したものに類似しているが、それに加えて耐熱リング用ノッチ１０１２であって、図９で領域９２８として一括して画定された箇所で円周状にファンケース１００２の内面を一周するノッチ１０１２を含んでいる。耐熱材料のリングは本例では収縮締りばめした状態にあり、耐熱リング用ノッチ１０１２に嵌合している。耐熱リング用ノッチ１０１２に渡るファンケース１００２の部分が、前記バックファイアからの加熱された空気によってファンケースの温度が上昇する領域になる。
【００２９】
耐熱リングは用途に応じてファンケースの他の位置に配置されることも好適である。また、大きさ、寸法、形状、材料およびクリアランスも用途に応じて変化することも好適である。
【００３０】
前述と同様に、ファンケース１００２の機械加工を径方向などの第１の方向に行い、耐熱リング１１１２の機械加工を軸方向などの、第１の方向にほぼ直角の第２の方向に行ってもよい。機械加工によって加工表面に螺旋模様が残る、すなわち連続溝が刻まれるので、各表面上の溝は互いに網目状に配列して、両表面間の摩擦力を高めると共に、耐熱リング用ノッチ１０１２内で耐熱リング１１１２がスピンする可能性を低減する。チタンで作製された耐熱リング１１１２上の複数の溝は、アルミニウムで作製されたファンケース１００２の耐熱リング用ノッチ１０１２上の複数の溝よりも硬い。チタンの溝はより軟質のアルミニウムの溝内にめり込む。あるいは、単に耐熱リング１１１２を一つ以上の個所で耐熱リング用ノッチ１０１２にスポット溶接するか、または耐熱リング用ノッチ１０１２に固定された一つ以上のフランジにボルト締めすることによっても、耐熱リング１１１２が耐熱リング用ノッチ１０１２に対してスピンすることが阻止される。この場合、交差方向の機械加工は施す必要はない、あるいは付加的に施してもよい。
【００３１】
図１１に、本説明の一実施形態による、図１０のファンケーシングに収縮締りばめされた耐熱材料のリングを有する、機械仕上げされたファンケーシングの断面を示す。図１１を参照すると、耐熱リング１１１２が、耐熱リング用ノッチ１０１２においてファンケース１００２の内径に収縮締りばめされた状態で示されている。本例では、耐熱リング１１１２はチタンで作製されているが、鋼、鋼合金、または多くの通常使用される航空用超合金などの、ファンケース１００２に要求される構造保全性を維持するための耐熱特性および強度特性の組み合わせを備えた他の材料で作製してもよい。耐熱リング１１１２はチタンシート材であって、裁断され、筒状に曲げ加工された後継目に沿って溶接されて耐熱リング用ノッチ１０１２の内径に整合するようにされたチタンシート材で作製される。耐熱リング１１１２もまた上述と同様に鍛造される。
【００３２】
前述のように、収縮締りばめは、ファンケース１００２を加熱してその径を拡大し、それにより耐熱リング１１１２を滑らせて、冷却時にファンケース１００２と耐熱リング１１１２とが互いに力を及ぼして収縮締りばめする個所に位置させることにより実現される。あるいは、耐熱リング１１１２を液体窒素で冷却してその外径を収縮させ、それにより耐熱リング１１１２を滑らせて耐熱リング用ノッチ１０１２内に入れる。また、ファンケース１００２の加熱と耐熱リング１１１２の冷却とを組み合わせて用いることで収縮締りばめを確実に行うことができる。耐熱リング１１１２のチタンは前記ファンケース温度による構造的な強度低下を起こさず、アルミニウム製のファンケース１００２との間で両材料間の膨張率の違いに基づくバッファの役割を果たしている。耐熱リング１１１２のチタンは内部のファンケースの温度に曝され、その熱の幾分かはアルミニウム製ファンケース１００２に伝達される。チタンによって、高温での必要強度であってアルミニウムでは不足する強度が与えられる。閉じ込めリング１１０２は超合金で作製される。丸みの不完全さなどの種々の要因のために、耐熱リング１１１２などの耐熱リングはファンケース１００２の外面の周に１００％は係合しない。例えば、耐熱リング１１１２はファンケース１００２の内面の周の７０％に接触可能であるが、接触量は用途に応じて変化する。それにかかわらず、ファンケース１００２は、耐熱リング１１１２に収縮締りばめすると、耐熱リング用ノッチ１０１２の内周面の周長に沿って径方向の圧縮力を加えると考えられる。また、用途によっては、収縮締りばめした耐熱リングとファンケースとの間に線形材料を設けて、耐熱リングとファンケースとの間で圧縮力がその線形材料を通じて伝達されるようにすることが好適である。一実施形態においては、この線形材料は圧縮可能な材料で形成される。この線形材料は他の実施形態においては比較的剛直であったり、ファンケースをさらに保護するためのより優れた断熱性等の他の性質を有していたりすることが好適である。
【００３３】
第１の補強リング用ノッチ１１０４および第２の補強リング用ノッチ１１０６は、例えばアルミニウム、チタン、または鋼で作製される。考えられる特定の目的を持つガスタービンジェットエンジンに応じて、閉じ込めリングおよび一つ以上の補強リングは必ずしも耐熱リングを併なくともよい、また耐熱リングは必ずしも閉じ込めリングおよび一つ以上の補強リングを併なくともよい。本説明によってエンジン設計者に、材料、重量、強度、および耐熱性についての多くの選択肢が与えられ、これらを組み合わせることによって特定のエンジンの目的および要件に最適の設計を見出すことができる。例えば、ファンケース３０２をアルミニウムなどの比較的軽量であるが比較的安価な材料で作製し、閉じ込めリング７０２を、ファンケースの材料に比べて相対的に高い閉じ込め強度を有する材料（超合金Inco718など）で作製してもよい。ただし、閉じ込めリング７０２はファンケース３０２に比べて概して小さい嵩に形成されるので、用途に応じて、閉じ込めリング７０２の材料をファンケース３０２の材料よりも高価または高重量にしてもよく、それでもなお総重量または合計価格またはその両方の節減を実現することができる。同様に、ファンケース１００２をアルミニウムなどの比較的耐熱性の低い材料で作製し、耐熱リング１１０２を、ファンケースの材料に比べて相対的に高い耐熱特性を有する材料（例えば、チタンなど）で作製することもできる。ただし、耐熱リング１１１２はファンケース１００２に比べて概して小さい嵩に形成されるので、用途に応じて、耐熱リングの材料をファンケース１００２の材料よりも高価または高重量にしてもよく、それでもなお総重量または合計価格またはその両方の節減を実現することができる。
【００３４】
前述のように、図１２は、ファンケース３０２の内面に形成された閉じ込めリング用ノッチ３１０に嵌合した閉じ込めリング７０２を概略的に示している。図１３を参照すると、閉じ込めリング７０２ａが、図１３に示したファンケース３０２ａの外面に形成された閉じ込めリング用ノッチ３１０ａに嵌合していることが示されている。本例では、閉じ込めリング７０２ａによって、図１３において矢印で概略的に示した、中心線１０７によって規定される回転軸に向かう方向の径方向の圧縮力が加えられる。一実施形態において、径方向の圧縮力は閉じ込めリング７０２ａの全周に渡って間断なく連続して印加される。
【００３５】
前述のように、補強リングはファンケース３０２沿いの様々な個所に配置することができる。図１４に、一対の補強リング５０２，６０２が閉じ込めリング７０２ｂに対向して配置された例を示す。図１５の断面図に示すように、補強リング５０２および閉じ込めリング７０２ｂは、ファンケース３０２が補強リング５０２と閉じ込めリング７０２ｂとの間に配置された状態で、それぞれファンケース３０２に収縮締りばめされている。補強リング６０２も同様に、ファンケース３０２が補強リング６０２と閉じ込めリング７０２ｂとの間に配置された状態で、ファンケース３０２に収縮締りばめされている。本実施形態では、補強リング５０２，６０２は、補強機能に加えて、さらなる閉じ込め強度を付与して閉じ込めリング７０２ｂを補う機能を果たしている。
【００３６】
この場合も、ファンケース３０２はアルミニウムなどの比較的軽量であるが比較的安価な材料で作製され、補強リング５０２，６０２は、ファンケースの材料に比べて（超合金Inco718や他の超合金、鋼、チタンまたは他の適当な材料などの）比較的高い閉じ込め強度または補強強度を有する材料で作製される。ただし、補強リング５０２，６０２はファンケース３０２に比べて概して小さい嵩に形成されるので、用途に応じて、補強リング５０２，６０２の材料をファンケース３０２の材料よりも高価または高重量にしてもよく、それでもなお総重量または合計価格またはその両方の節減を実現することができる。
【００３７】
図１６に概略的に示したように、閉じ込めリング７０２の幅に渡るファンケース３０２の部分は、ファンブレード１０４（図１，１６）などのファンブレードまたはその一部がハブ１０２または残りのブレード部分から外れた場合に、該ファンブレードまたはファンブレードの一部が衝突するファンブレード衝突閉じ込め領域１６００になる。本実施形態では、ファンブレード衝突閉じ込め領域１６００は、閉じ込めリング７０２の先端のフック部１６０１から閉じ込めリング７０２の後端１６０３まで延在している。この閉じ込め領域１６００は、分離したファンブレードまたはファンブレード部分の起こり得る軌跡についての適当なコンピュータモデリングによっておよび／または実験室実験によって実験的に決定される。実施形態によっては、封入リングの幅は起こり得る衝突領域の幅を越えることもある。
【００３８】
ファンブレード衝突閉じ込め領域１６００内には、ファンブレードまたはファンブレード部分が最初にファンケース３０２に衝突する可能性のある領域１６０２が存在する。図１６に示すように、大半のエンジン構成において、最初の衝突領域１６０２の幅は、ファンブレード１０４の前縁１６０４のライン状先端からファンブレード１０４の後縁１６０８のライン状後端まで及んでいる。先端方向とは、空気を取り入れるファンケース３０２の前方を向く方向である。後端方向とは、エンジンから空気を排出して先端方向の推力を得る方向である。
【００３９】
ファンブレード１０４についての図１７の断面図に明示したように、前縁１６０４は、先端方向にもっとも遠くに延在する、ファンブレード１０４の部分である。逆に、ファンブレード１０４の後縁１６０８は、後端方向にもっとも遠くに延在する、ファンブレード２０４の部分である。図示の実施形態では、閉じ込めリング７０２の幅は少なくともファンブレードの最初の衝突領域１６０２の幅に及んでいる。したがって、エンジンに取り付けた時の閉じ込めリング７０２の幅は、ファンブレード１０４の前縁１６０４のライン先端からファンブレード１０４の後縁１６０８のライン後端まで及んでいる。ファンブレード衝突閉じ込め領域１６００および閉じ込めリング７０２の幅は、図１６に示すように、最初の衝突領域１６０２の境界を越えて先端および後端方向のいずれかまたは両方に及んでいてもよい。
【００４０】
図示の実施形態では、閉じ込めリング７０２は厚さＴを有している(図１６）。この閉じ込めリング７０２の厚さＴは、図示の実施形態において、分離したブレード１０４またはブレード片が閉じ込めリング７０２を突き抜くのを防ぐ上で十分なものである。この厚さは、推定または実測されたブレードまたはブレード片の質量および速度ならびに閉じ込めリング７０２の材料の強度に基づいて、適当なコンピュータモデリングまたは実験によって決定される。
【００４１】
前述の実施形態においては、リング７０２，７０２ａ，７０２ｂ，５０２，６０２および１１１２などのリングをそれぞれ関連のノッチに嵌合するリングとして説明した。ファンケース３０２と別体に作製された一つ以上のリングをファンケースに取り付けて、関連のノッチを用いずにファンケースを強化することもできる。
【００４２】
前述の実施形態においては、リング７０２，７０２ａ，７０２ｂ，５０２，６０２および１１１２などのリングをそれぞれファンケース３０２，３０２ａに収縮締りばめされて嵌合するリングとして説明した。ファンケース３０２と別体に作製された一つ以上のリングをファンケースに取り付けて、収縮締りばめを用いずに径方向の圧縮力がリングとファンケースとの間に加わるようにしてファンケースを強化することもできる。
【００４３】
以上、本発明について説明を行ったが、多くの構成上の変化および種々の本説明の実施形態および応用が本説明の範囲内で示唆されることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】先行技術に特有のファンケーシングを備えた典型的なガスタービンジェットエンジンの全体構造の概略図である。
【図２】先行技術に特有のファンケーシング用の鍛造品の断面図である。
【図３】本説明の一実施形態による、ファンケース閉じ込めのためのファンケーシング用鍛造品の断面図である。
【図４】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングに収縮締りばめされた、二つの補強リング（図５Ａ，５Ｂおよび６Ａ，６Ｂ）および一つの閉じ込めリング（図７Ａ，７Ｂ）を備えた、機械仕上げされたファンケーシングの断面図である。
【図５Ａ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングの第１の補強リング用鍛造品の断面図である。
【図５Ｂ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている図５Ａの第１の補強リングを示す図である。
【図６Ａ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングの第２の補強リング用鍛造品の断面図である。
【図６Ｂ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている図６Ａの第２の補強リングを示す図である。
【図７Ａ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングの閉じ込めリング用鍛造品の断面図である。
【図７Ｂ】本説明の一実施形態による、図３のファンケーシングに収縮締りばめされようとしている図７Ａの閉じ込めリングを示す図である。
【図８】典型的なガスタービンジェットエンジン中の気流の概略図である。
【図９】典型的なバックファイアの影響を受けやすいガスタービンジェットエンジン中の気流の概略図である。
【図１０】本説明の一実施形態による、耐熱性を向上したファンケーシング用鍛造品の断面図である。
【図１１】本説明の一実施形態による、図１０のファンケーシングに収縮締りばめされた耐熱材料のリングを有する機械仕上げされたファンケーシングの断面図である。
【図１２】本説明の一実施形態による、内側閉じ込めリングを有するファンケースの概略的断面図である。
【図１３】本説明の一実施形態による、外側閉じ込めリングを有するファンケースの概略的断面図である。
【図１４】ファンケースに収縮締りばめされた二つの補強リングおよび一つの閉じ込めリングを備え、前記ファンケースはこれらリング間に配置されている、別の実施形態の機械仕上げされたファンケーシングの断面図である。
【図１５】外側補強リングに対向した内側閉じ込めリングを有する、図１４のファンケースの概略的断面図である。
【図１６】本説明の一実施形態による、ファンケースのブレード衝突閉じ込め領域を示す概略図である。
【図１７】図１６のファンケースのファンブレードの概略的断面図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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