(57)【要約】      （修正有）【課題】重量の増加を極力抑えつつフランジ部の過大な変形を防止することができるケーシングを提供する。【解決手段】ケーシング(110)は、円筒状の本体(111)と、本体の軸方向端部に設けられ径方向外方へ延びるフランジ(112)と、本体の外表面のうちフランジから軸方向に隔たった位置に取り付けられる第１取付部(134)と、フランジに取り付けられる第２取付部(136)と、軸方向に延び第１取付部と第２取付部を接続する本体部(132)と、から成り、周方向に有限の長さを有するスティフナ(130)と、を備える。【選択図】図１
2018178836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の本体と、
前記本体の軸方向端部に設けられ径方向外方へ延びるフランジと、
前記本体の外表面のうち前記フランジから軸方向に隔たった位置に取り付けられる第１取付部と、前記フランジに取り付けられる第２取付部と、軸方向に延び前記第１取付部と前記第２取付部を接続する本体部と、から成り、周方向に有限の長さを有するスティフナと、
を備えるケーシング。
【請求項２】
前記ケーシングには周方向に分布する軸方向荷重が作用し、
前記スティフナは、前記軸方向荷重が所定の上限値を超える１または複数の周方向位置に設けられる、請求項１に記載のケーシング。
【請求項３】
前記第１取付部は、前記本体の外表面に設けられたボスにファスナにより取り付けられ、
前記第２取付部は、前記フランジに接続される他のケーシングと共に、前記フランジにファスナにより取り付けられる、請求項１または２に記載のケーシング。
【請求項４】
前記本体の外表面のうち前記スティフナが設けられた位置から周方向に隔たった位置に、軸方向に延びる１または複数の隆起部を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のケーシング。
【請求項５】
ターボファンエンジンの低圧圧縮機のケーシングである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシング、特に航空機用ターボファンエンジンの低圧圧縮機ケーシングに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用ターボファンエンジンは、ファンと、ファンの後方（下流側）にファンと同軸に配置されたコアエンジンとから構成されている。ターボファンエンジンの運転中、ファンにより吸い込まれた空気の一部はコアエンジンに流入し、ファンの回転駆動源である低圧タービンを駆動するための高温高圧ガスの発生に寄与し、残部はコアエンジンをバイパスして後方から排出され、推力の大部分の発生に寄与する。
【０００３】
２軸のターボファンエンジンの場合、コアエンジンは、前方（上流側）から後方（下流側）へ向かって順に、低圧圧縮機、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、高圧タービンは高圧シャフトを介して高圧圧縮機を、低圧タービンは低圧シャフトを介して低圧圧縮機及びファンを、それぞれ回転駆動する。
【０００４】
ところで、低圧タービンによるファンの回転駆動方式としては、低圧シャフトを介して直接的に（即ち、低圧タービンと同一の速度で）駆動する方式と、低圧シャフトに加え減速ギア機構を介して間接的に（即ち、低圧タービンよりも低い速度で）駆動する方式と、が知られている。このうち後者を採用したターボファンエンジン（いわゆるギアードターボファンエンジン）が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１５６８６１
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０３０１８２９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２に開示されたターボファンエンジンでは、ファン及び減速ギア機構（具体的には、遊星歯車機構を構成する遊星キャリア）を支持する前方フレームがファンの後方に、高圧シャフトの前端部を支持する中間フレームが高圧圧縮機の前方に、それぞれ配置されている（なお、低圧シャフトの前端部は、前方フレーム（特許文献２）または中間フレーム（特許文献１）により支持されている）。そして、低圧圧縮機は、前方フレームの後方（即ち、前方フレームと中間フレームの間）に配置されている。
【０００７】
ここで、前方フレームは、ファンケースを支持するアウターリングと、コアエンジンの一部であるインナーリングと、これら両リングを結合する複数のストラット（支柱）と、を備えている。また、アウターリングには、ターボファンエンジンを航空機に搭載するためのマウントラグが設けられている。そして、上述したように低圧圧縮機が前方フレームの後方に配置される場合、そのケーシングはインナーリングに接続され、当該ケーシングには、ストラット及びマウントラグを経て伝達されるスラスト荷重（軸方向荷重）が作用することになる。
【０００８】
通常、ストラットは周方向に等間隔に６〜１０本設けられ、マウントラグはアウターリング上部の１〜２箇所に設けられる。そのため、低圧圧縮機のケーシングに作用するスラスト荷重の分布は、周方向に一様ではなく、ストラット及びマウントラグが配置された位置において局所的なピークを有するようなものとなる。
【０００９】
一方、低圧圧縮機においては、後方ほど空気が高圧に圧縮され、したがってその温度も高くなるため、ケーシングの後方部分には、前方部分より高い耐熱性が要求される。そのため、低圧圧縮機のケーシングにおいては、前方部分をアルミニウム合金により、後方部分を耐熱性に優れたチタン合金により、それぞれ形成し、両者をフランジにより接続することが多い。
【００１０】
このような構造を有する従来の低圧圧縮機のケーシングの一例を、図６に示す。
【００１１】
ケーシング１は、前方のケーシング１０と後方のケーシング２０から成る。前方のケーシング１０はアルミニウム合金により、後方のケーシング２０はチタン合金により、それぞれ形成されており、両ケーシングは、前方のケーシング１０の後端に形成されたフランジ１２と、後方のケーシング２０の前端に形成されたフランジ２２とを、ボルト等のファスナを用いて締結することにより、一体に接続されている。
【００１２】
なお、同図において、ＳＶ、ＲＢは、それぞれ低圧圧縮機の静翼、動翼である。
【００１３】
ところで、アルミニウム合金はチタン合金と比較して熱膨張係数が大きいため、ターボファンエンジンの運転中、フランジ１２はフランジ２２と比較して径方向（図において上向き）に大きく膨張する。また、上述したように、ケーシング１には、その分布が周方向に一様ではないスラスト荷重が作用する。
【００１４】
そのため、フランジ１２、２２から成るフランジ部１Ｆ、特にフランジ１２のフィレット部（ケーシング１０の円筒状本体への移行部）には、両フランジ１２、２２の熱膨張差に起因する熱応力とスラスト荷重に起因する応力とが合成された高い応力が発生し、当該フランジ部１Ｆは、全体として後方（図において右方）へ倒れるように変形する。このような状況は、ケーシング１の構造健全性の観点から好ましくない。
【００１５】
これを回避するため、図６に示すケーシング１においては、フランジ１２の軸方向（図において左右方向）の肉厚を全周にわたって大きくするという対策が採用されている。これにより、フランジ１２の径方向変位が抑制され、フランジ部１Ｆに作用する応力を低減することができると共に、フランジ部１Ｆが全体として後方へ倒れるような変形も抑制することができる。
【００１６】
しかしながら、フランジ１２の軸方向の肉厚を全周にわたって大きくすることにより、ケーシング１の重量は大幅に増加する。また、ケーシング１に作用するスラスト荷重は、局所的なピークを有する分布荷重であるため、フランジ１２の軸方向の肉厚は、最大荷重に適合するように選定する必要がある。その結果、周方向における大部分の領域（即ち、スラスト荷重が最大となる位置を除く領域）において、フランジ１２は必要以上の肉厚を有することとなり、軽量化が厳しく要求される航空機用ターボファンエンジンの構成部材であるケーシングにとって、好ましくない。
【００１７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、重量の増加を極力抑えつつフランジ部の過大な変形を防止することができるケーシングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様のケーシングは、円筒状の本体と、前記本体の軸方向端部に設けられ径方向外方へ延びるフランジと、前記本体の外表面のうち前記フランジから軸方向に隔たった位置に取り付けられる第１取付部と、前記フランジに取り付けられる第２取付部と、軸方向に延び前記第１取付部と前記第２取付部を接続する本体部と、から成り、周方向に有限の長さを有するスティフナと、を備える。
【００１９】
本発明の第２の態様のケーシングには、周方向に分布する軸方向荷重が作用し、前記スティフナは、前記軸方向荷重が所定の上限値を超える１または複数の周方向位置に設けられる。
【００２０】
本発明の第３の態様のケーシングにおいて、前記第１取付部は、前記本体の外表面に設けられたボスにファスナにより取り付けられ、前記第２取付部は、前記フランジに接続される他のケーシングと共に、前記フランジにファスナにより取り付けられる。
【００２１】
本発明の第４の態様のケーシングは、前記本体の外表面のうち前記スティフナが設けられた位置から周方向に隔たった位置に、軸方向に延びる１または複数の隆起部を備える。
【００２２】
本発明の第５の態様のケーシングは、ターボファンエンジンの低圧圧縮機のケーシングである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ケーシングにおいて、重量の増加を極力抑えつつフランジ部の過大な変形を防止することができるという優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の低圧圧縮機ケーシングを示す一部破断側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の低圧圧縮機ケーシングに取り付けられるスティフナの斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態の低圧圧縮機ケーシングにおける荷重低減効果を説明する図であって、（Ａ）はスラスト荷重の周方向分布を示すグラフ、（Ｂ）は周方向においてマウントラグの近傍の領域における、スティフナによる荷重低減効果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態の低圧圧縮機ケーシングを示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態の変形例の低圧圧縮機ケーシングを示す斜視図である。
【図６】従来の低圧圧縮機ケーシングを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１実施形態の低圧圧縮機ケーシングを示す一部破断側面図である。
【００２７】
ケーシング１００は、アルミニウム合金により形成されたフロントケーシング１１０と、チタン合金により形成されたリアケーシング１２０とから成り、これら両ケーシングは、フロントケーシング１１０の後端に形成され径方向外方へ延びるフランジ１１２と、リアケーシング１２０の前端に形成され径方向外方へ延びるフランジ１２２とを、ボルト等のファスナを用いて締結することにより、一体に接続されている。
【００２８】
そして、フロントケーシング１１０の外側には、フランジ１１２、１２２から成るフランジ部１００F、特にフランジ１１２のフィレット部１１２ｆ（フロントケーシング１１０の円筒状本体１１１への移行部）を経て伝達されるスラスト荷重を小さくすることを目的として、当該フロントケーシング１１０とは別体のスティフナ（補剛部材）１３０が取り付けられている。
【００２９】
前述したように、ケーシング１００には、その分布が周方向に一様ではないスラスト荷重が作用するが、スティフナ１３０が取り付けられる位置は、ケーシング１００に作用するスラスト荷重が所定の上限値を超える１または複数の位置（通常、ストラット及び／またはマウントラグが配置された位置の近傍）である。
【００３０】
スティフナ１３０は、フロントケーシング１１０と同じくアルミニウム合金により形成されており、図２に示すように、本体部１３２と、前方取付部（第１取付部）１３４及び後方取付部（第２取付部）１３６とが、一体に結合された構造を有している。
【００３１】
本体部１３２は、径方向に垂直な平面内を延在する平板状の部位であり、その前端部及び後端部の径方向内側（図において下側）に、それぞれ前方取付部１３４及び後方取付部１３６が一体に結合されている。
【００３２】
前方取付部１３４は、図示した実施例では、本体部１３２の前端部の左右両側縁にそれぞれ結合された一対の前方取付片１３４Ｌ，１３４Ｒから成っている。前方取付片１３４Ｌ，１３４Ｒのそれぞれは、径方向内方へ延在する脚部１３４ａＬ，１３４ａＲと、その先端部からそれぞれ左方、右方へ（即ち、周方向において本体部１３２から遠ざかる向きに）延在するフランジ１３４ｂＬ、１３４ｂＲとが、一体に結合された構造を有している。
【００３３】
後方取付部１３６は、軸方向に垂直な平面内を延在する平板状の部位であり、その左右両側の径方向内側端部は、フランジ１３６Ｌ、１３６Ｒとなっている。
【００３４】
以上のように構成されたスティフナ１３０は、前方取付部１３４のフランジ１３４ｂＬ、１３４ｂＲが、フロントケーシング１１０の外面のフランジ１１２よりも前方の部位に設けられたボス１１４の外面に、ボルト等のファスナ１１４ｂを用いて固定され、後方取付部１３６のフランジ１３６Ｌ、１３６Ｒが、フロントケーシング１１０のフランジ１１２及びリアケーシング１２０のフランジ１２２と共にボルト・ナット等のファスナ１１２ｂを用いて締結されることにより、フロントケーシング１１０の外側に取り付けられる。換言すれば、スティフナ１３０は、ボス１１４とフランジ１１２とを橋渡しするようにフロントケーシング１１０の外側に取り付けられ、これにより、フロントケーシング１１０の円筒状本体１１１と並行するスラスト荷重伝達経路を生成するものである。
【００３５】
スティフナ１３０が取り付けられることにより、その近傍の領域において局所的にフロントケーシング１１０の剛性が高まり、ケーシング１００に作用するスラスト荷重は、その大部分がスティフナ１３０を経て伝達されるようになる。その結果、フロントケーシング１１０の円筒状本体１１１及びフランジ部１００Fを経て伝達されるスラスト荷重は小さくなり、フランジ１１２のフィレット部１１２ｆにおける応力集中やフランジ部１００Fの過大な変形を防止することできる。
【００３６】
このような荷重低減効果を、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた解析により確認した結果を、図３に示す。同図において、（Ａ）はスティフナが取り付けられていない状態でのスラスト荷重の周方向分布を示すグラフ、（Ｂ）は周方向においてマウントラグの近傍の領域における、スティフナによる荷重低減効果を示すグラフである。なお、両グラフにおいて、横軸は周方向位相角（単位は「deg」、基準（０deg）はトップ位置。）、縦軸は単位中心角当たりのスラスト荷重（単位は「lbf/deg」；＋は前向き、―は後向き。）である。また、図３（Ａ）において、下向きの矢印は、フロントケーシング１１０の前方に接続される前方フレームのストラットの周方向位置を、上向きの矢印は、当該前方フレームのアウターリングに設けられているマウントラグの周方向位置を、それぞれ示している。
【００３７】
図３（Ａ）に示すように、スティフナが取り付けられていない状態でのスラスト荷重の周方向分布は、ストラット及びマウントラグが配置された位置に局所的なピークを有している。このうち、一方のマウントラグが配置されている位置（位相角：約240deg）において、スラスト荷重は最大となっている。そして、この位置にスティフナを取り付けると、図３（Ｂ）に示すように、その近傍の領域において、スラスト荷重が低減することが確認された。
【００３８】
スティフナ１３０は、上述したような作用・効果を有するものであるから、その形状は、フランジ部１００Fの変形及びそこに発生する応力が許容範囲内となる程度にまでフロントケーシング１１０の剛性を局所的に高め得るようなものとして任意に決定することができ、例えば、図２に示すように、軽量化のため、本体部１３２の中央に貫通穴１３２ａを設けてもよい。
【００３９】
ところで、フロントケーシング１１０の外側にスティフナ１３０を取り付けることにより、ケーシング１００に作用するスラスト荷重は、その大部分がスティフナ１３０を経て伝達されるようになる。一方、リアケーシング１２０にはスティフナが取り付けられていないため、その剛性は全周にわたり実質的に一様であり、この剛性が十分でないと、スティフナ１３０が取り付けられた周方向位置の近傍の領域において、リアケーシング１２０のフランジ１２２の変形が過大となる虞がある。
【００４０】
上述した問題点は、フロントケーシング１１０の剛性が、スティフナ１３０が取り付けられた周方向位置の近傍の領域において大きく、その他の領域において小さい、という態様で周方向に分布することに起因する。したがって、これを解消するためには、フロントケーシング１１０の剛性の周方向分布を平準化すればよい。これを具現化した本発明の第２実施形態の低圧圧縮機ケーシングを、以下で説明する。
【００４１】
図４は、本発明の第２実施形態の低圧圧縮機ケーシングを示す斜視図である。
【００４２】
第２実施形態のケーシング２００においては、フロントケーシング２１０の外面に、第１実施形態と同様のスティフナ２３０に加え、軸方向に延在する複数の隆起部２４０が設けられている。
【００４３】
隆起部２４０は、スティフナ２３０が取り付けられた周方向位置を中心とする適宜の領域に、切削、研削等の適宜の加工方法により設けることができる。
【００４４】
隆起部２４０を設けることにより、当該隆起部２４０の近傍の領域においては、厚さの増加に起因してフロントケーシング２１０の剛性が局所的に高まる。その結果、第１実施形態のケーシング１００においてはスティフナ１３０を経て伝達されたスラスト荷重の一部が、第２実施形態のケーシング２００においては、フロントケーシング２１０の本体部のうち隆起部２４０が設けられた領域を経て伝達されるようになる。即ち、リアケーシングのフランジに伝達されるスラスト荷重の周方向分布が平準化される。これにより、スティフナが取り付けられていないリアケーシングのフランジの過大な変形を防止することができる。
【００４５】
次に、本発明の第２実施形態の変形例の低圧圧縮機ケーシングについて説明する。
【００４６】
図５は、本発明の第２実施形態の変形例の低圧圧縮機ケーシングを示す斜視図である。
【００４７】
第２実施形態の変形例の低圧圧縮機ケーシング３００は、フロントケーシング３１０の外面に設けた隆起部３４０の後端とフランジ３１２を移行部３４２により接続した点で、第２実施形態の低圧圧縮機ケーシング２００と異なっている。移行部３４２の高さ（径方向寸法）は、その前端において、それより前方の隆起部３４０と、その後端において、フランジ３１２と、それぞれ等しくなっており、前端と後端の間では、滑らかに変化している。これにより、隆起部３４０とフランジ３１２とが、移行部３４２によって滑らかに接続されることになる。
【００４８】
このように、隆起部３４０の後端とフランジ３１２を移行部３４２により滑らかに接続することにより、フランジ３１２の剛性を高め、その変形をより効果的に抑制することができる。
【００４９】
なお、第２実施形態の低圧圧縮機ケーシング２００、３００において、隆起部２４０、３４０の形状（高さ、幅（周方向寸法）及び長さ（軸方向寸法））並びに配置（数及び周方向の間隔）は、フロントケーシング２１０、３１０の剛性の周方向分布を所望の態様とするべく、適宜選択することができる。
【００５０】
例えば、図５に示すように、スティフナ３３０が取り付けられた周方向位置の近傍においては、当該スティフナ３３０の存在によってフロントケーシング３１０の剛性が局所的に高くなっていることを考慮して、そこに設ける隆起部３４０を周方向の幅が相対的に小さいものとし、スティフナ３３０が取り付けられた周方向位置から離れるにしたがって、隆起部３４０の周方向の幅を大きくしてもよい。これにより、フロントケーシング３１０の剛性の周方向分布を、周方向によりなだらかに変化するものとすることができる。
【００５１】
なお、以上においては、本発明を航空機用ターボファンエンジンの低圧圧縮機ケーシングに適用した例について説明したが、本発明の適用対象は、これに限定されない。すなわち、フランジを備える円筒状のケーシングであって、フランジに作用する軸方向荷重を低減する必要があるケーシングには、本発明を適用することが有効である。
【符号の説明】
【００５２】
１１０、２１０、３１０    フロントケーシング（ケーシング）
１１１                    本体
１１２                    フランジ
１１２ｂ                  ファスナ
１１４                    ボス
１１４ｂ                  ファスナ
１３０、２３０、３３０    スティフナ
１３２                    本体部
１３４                    前方取付部（第１取付部）
１３６                    後方取付部（第２取付部）
２４０、３４０            隆起部
【図１】
2018178836.tif 000003
【図２】
2018178836.tif 000004
【図３】
2018178836.tif 000005
【図４】
2018178836.tif 000006
【図５】
2018178836.tif 000007
【図６】
2018178836.tif 000008