(57)【要約】【課題】  ターボファンエンジンのファンブレードが異物との衝突により損傷するのを簡単な構造で防止する。【解決手段】  ファンブレード４２の翼根４３からスパン方向所定位置までの形状は、オリジナルファンブレード４２´の翼根４３からスパン方向所定位置までの形状と同一形状であり、ファンブレード４２のスパン方向所定位置から翼端４４までの形状は、オリジナルファンブレード４２´のスパン方向所定位置から翼端４４までに存在する翼素の各々を回転軸１２を中心としてファンブレードの回転方向と逆方向に所定角度θだけ回転移動させた形状であるので、ファンブレード４２に異物が衝突したときの衝撃をそらせ、ファンブレード４２の損傷を未然に防止することができる。しかもファンブレード４２の翼素の形状は変化しないため、空力性能に対する影響が最小限に抑えられる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボファンエンジンの回転軸（１５）の周囲に放射状に配置されるファンブレード（４２）であって、
所定形状のファンブレードをオリジナルファンブレード（４２´）と定義したとき、
前記ファンブレード（４２）の翼根（４３）からスパン方向所定位置までの形状は、前記オリジナルファンブレード（４２´）の翼根（４３）からスパン方向所定位置までの形状と同一形状であり、
前記ファンブレード（４２）のスパン方向所定位置から翼端（４４）までの形状は、前記オリジナルファンブレード（４２´）のスパン方向所定位置から翼端（４４）までに存在する翼素の各々を前記回転軸（１５）を中心として前記ファンブレード（４２）の回転方向と逆方向に所定角度（θ）だけ回転移動させた形状であることを特徴とするファンブレード。
【請求項２】
前記所定角度（θ）がスパン方向所定位置の翼素から翼端（４４）の翼素に向かってゼロから漸増することを特徴とする、請求項１に記載のファンブレード。
【請求項３】
翼端（４４）における前記所定角度（θ）が６°であることを特徴とする、請求項２に記載のファンブレード。
【請求項４】
前記スパン方向所定位置が３０％スパン位置ないし９０％スパン位置であることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のファンブレード。
【請求項５】
ターボファンエンジンの回転軸（１５）の周囲に放射状に配置されるファンブレード（４２）の形状を、オリジナルファンブレード（４２´）の形状を修正して決定するファンブレードの形状決定方法であって、
前記ファンブレード（４２）の翼根（４３）からスパン方向所定位置までの形状は、前記オリジナルファンブレード（４２´）の翼根（４３）からスパン方向所定位置までの形状と同一形状に決定され、
前記ファンブレード（４２）のスパン方向所定位置から翼端（４４）までの形状は、前記オリジナルファンブレード（４２´）のスパン方向所定位置から翼端（４４）までに存在する翼素の各々を前記回転軸（１５）を中心として前記ファンブレード（４２）の回転方向と逆方向に所定角度（θ）だけ回転移動させた形状に決定されることを特徴とするファンブレードの形状決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボファンエンジンの回転軸の周囲に放射状に配置されるファンブレードと、そのファンブレードの形状決定方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンエンジンの回転軸の前端にはフロントファンが設けられており、フロントファンで吸入した空気の一部をコンプレッサに供給するとともに、残部をバイパス通路に供給するようになっている。かかるターボファンエンジンが鳥や氷塊のような異物を吸い込み、異物との衝突によりファンブレードが損傷すると、エンジン推力が低下したり振動が発生したりする問題がある。
【０００３】
そこで、維強化樹脂製のファンブレードの前縁部に沿って金属製のシースを取り付けることで、ファンブレードを補強して異物との衝突による損傷を防止するものが、下記特許文献１により公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５７３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のものは、ファンブレードに別部材のシースを取り付けて補強する必要があるため、部品点数および組立工数が増加して重量増加やコスト増加の要因となる問題があった。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ターボファンエンジンのファンブレードが異物との衝突により損傷するのを簡単な構造で防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ターボファンエンジンの回転軸の周囲に放射状に配置されるファンブレードであって、所定形状のファンブレードをオリジナルファンブレードと定義したとき、前記ファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状は、前記オリジナルファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状と同一形状であり、前記ファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までの形状は、前記オリジナルファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までに存在する翼素の各々を前記回転軸を中心として前記ファンブレードの回転方向と逆方向に所定角度だけ回転移動させた形状であることを特徴とするファンブレードが提案される。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記所定角度がスパン方向所定位置の翼素から翼端の翼素に向かってゼロから漸増することを特徴とするファンブレードが提案される。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、翼端における前記所定角度が６°であることを特徴とするファンブレードが提案される。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記スパン方向所定位置が３０％スパン位置ないし９０％スパン位置であることを特徴とするファンブレードが提案される。
【００１１】
また請求項５に記載された発明によれば、ターボファンエンジンの回転軸の周囲に放射状に配置されるファンブレードの形状を、オリジナルファンブレードの形状を修正して決定するファンブレードの形状決定方法であって、前記ファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状は、前記オリジナルファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状と同一形状に決定され、前記ファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までの形状は、前記オリジナルファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までに存在する翼素の各々を前記回転軸を中心として前記ファンブレードの回転方向と逆方向に所定角度だけ回転移動させた形状に決定されることを特徴とするファンブレードの形状決定方法が提案される。
【００１２】
なお、実施の形態の低圧系シャフト１５は本発明の回転軸に対応し、実施の形態の回転角θは本発明の所定角度に対応する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１あるいは請求項５の構成によれば、ファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状は、オリジナルファンブレードの翼根からスパン方向所定位置までの形状と同一形状であり、ファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までの形状は、オリジナルファンブレードのスパン方向所定位置から翼端までに存在する翼素の各々を回転軸を中心としてファンブレードの回転方向と逆方向に所定角度だけ回転移動させた形状であるので、周速の大きいファンブレードの翼端側部分の前縁が回転方向と逆方向に傾斜することで、ファンブレードに異物が衝突したときの衝撃をそらせ、ファンブレードの損傷を未然に防止することができる。しかもファンブレードの翼素の形状はオリジナルファンブレードから変化しないため、空力性能に対する影響が最小限に抑えられる。
【００１４】
特に請求項５の構成の構成によれば、ファンブレードの翼素の形状はオリジナルファンブレードから変化しないため、オリジナルファンブレードの形状からの設計変更が容易である。
【００１５】
また請求項２の構成によれば、所定角度がスパン方向所定位置の翼素から翼端の翼素に向かってゼロから漸増するので、ファンブレードの前縁を回転方向と逆方向に滑らかに湾曲させて衝撃吸収効果を一層効果的に発生させることができる。
【００１６】
また請求項３の構成によれば、翼端における所定角度が過大であるとファンブレードに作用する遠心力により翼根に過大な曲げモーメントが作用してしまい、また翼端における所定角度が過小であると衝撃吸収効果が低下してしまうが、翼端における所定角度が６°であるので、ファンブレードの翼根に過大な曲げモーメントが作用するのを回避しながら必要な衝撃吸収効果を発揮させることができる。
【００１７】
また請求項４の構成によれば、スパン方向所定位置が内側過ぎるとファンブレードに作用する遠心力により翼根に過大な曲げモーメントが作用してしまい、またスパン方向所定位置が外側過ぎるとファンブレードの回転領域のうち衝撃吸収効果を発揮する領域が小さくなるが、スパン方向所定位置が３０％スパン位置ないし９０％スパン位置であるので、ファンブレードの翼根に過大な曲げモーメントが作用するのを回避しながら必要な衝撃吸収効果を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ターボファンエンジンの全体構造を示す図である。（第１の実施の形態）
【図２】図１の２方向矢視図である。（第１の実施の形態）
【図３】ファンブレードの正面図である。（第１の実施の形態）
【図４】図３の４方向矢視図である。（第１の実施の形態）
【図５】図３の５０％スパン位置ないし１００％スパン位置の断面図である。（第１の実施の形態）
【図６】異物との衝突による前縁の変形量を示すグラフである。（第１の実施の形態）
【図７】ファンブレードの斜視図である。（第２の実施の形態）
【図８】ファンブレードのスパン方向位置に対する回転角の関係を示すグラフである。（第２の実施の形態）
【図９】翼端位置での回転角に対する前縁の変形量の関係を示すグラフである。（第２の実施の形態）
【図１０】回転移動を開始するスパン方向位置に対する前縁の変形量の関係を示すグラフである。（第２の実施の形態）
【発明を実施するための形態】
【第１の実施の形態】
【００１９】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１に示すように、本発明が適用される航空機用のターボファンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。
【００２１】
低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。
【００２２】
低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。
【００２３】
高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。
【００２４】
高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。
【００２５】
従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃料ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。
【００２６】
ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。
【００２７】
図２はフロントファン１９を低圧系シャフト１５の軸線Ｌ方向前方から見た状態を示すもので、低圧系シャフト１５の前端に設けたハブ４１から複数のファンブレード４２…が径方向外向きに放射状に延びている。フロントファン１９の回転方向は、図２において時計方向である。
【００２８】
図３（Ａ）は１枚のファンブレード４２を軸線Ｌ方向前方から見た状態を示すものであり、図４は図３（Ａ）の４方向矢視図（ファンブレード４２を径方向内向きに見た図）である。
【００２９】
ファンブレード４２は、翼根４３から翼端４４に向かって翼弦長が次第に増加しながら、翼根４３から翼端４４に向かって迎え角が次第に減少するように捩じれている。鎖線は本実施の形態のファンブレード４２のベースとなるオリジナルファンブレード４２´を示すもので、実践で示すファンブレード４２の形状はオリジナルファンブレード４２´の形状を一部修正することで決定される。
【００３０】
ファンブレード４２およびオリジナルファンブレード４２´のスパン方向位置は、翼根４３の位置を０％スパン位置とし、翼端４４の位置を１００％スパン位置として表される。本実施の形態では、０％スパン位置から５０％スパン位置までの範囲でファンブレード４２およびオリジナルファンブレード４２´は同一形状であり、５０％スパン位置から１００％スパン位置までの範囲で、ファンブレード４２はオリジナルファンブレード４２´に対して回転方向と逆方向に傾いている。
【００３１】
図５（Ａ）は、５０％スパン位置における翼素（翼断面形状）を示すもので、この位置で両者の翼素は重なっている。図５（Ｆ）は１００％スパン位置（翼端４４位置）における翼素を示すもので、ファンブレード４２の翼素は、オリジナルファンブレード４２´の翼素をフロントファン１９の回転方向と逆方向に回転角θ＝６°だけ回転させたものに相当する。回転角θは、フロントファン１９の回転軸である低圧系シャフト１５の軸線Ｌを中心として測った角度である。
【００３２】
図３（Ｂ）のグラフは、スパン方向位置に対する回転角θの関係を示すグラフであり、０％スパン位置〜５０％スパン位置では回転角θ＝０゜であり、よってファンブレード４２およびオリジナルファンブレード４２´は同一形状である。５０％スパン位置〜１００％スパン位置では回転角θはθ＝０゜からθ＝６゜まで漸増する。回転角θの増加の仕方は、サインカーブの半周期と同一形状であり、ファンブレード４２のスパン方向位置が翼端４４側に移動するのに応じて、回転角θは最初に緩やかに増加し、次いで急激に増加し、最後に緩やかに増加する。
【００３３】
図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）は、ファンブレード４２およびオリジナルファンブレード４２´の６０％スパン位置〜９０％スパン位置での翼素を示すもので、翼根４３側から翼端４４側に近付くにつれて、回転角θが次第に増加してオリジナルファンブレード４２´に対するファンブレード４２の変位量が増加することが分かる。ここで重要な点は、各スパン方向位置で、翼素は周方向にのみ変位し、軸方向には変位していないことである。
【００３４】
上述の形状を備えるファンブレード４２は、周速が大きい前縁４５の径方向外側部分の形状がオリジナルファンブレード４２´に比べて回転方向後方（回転方向と反対方向）に傾斜しているため、ターボファンエンジンの内部に鳥や氷塊が吸い込まれてファンブレード４２の前縁４５に衝突したとき、傾斜した前縁４５により異物が回転方向後方に逃がされることで、ファンブレード４２の損傷が最小限に抑えられる。
【００３５】
図６は、上述の形状を備えるファンブレード４２（翼端での回転角θが６゜のとき）に異物が衝突したときの前縁４５の変形量を示すものである。変形量は３５％スパン位置での２．８ｍｍから８０％スパン位置での０．６ｍｍまで次第に減少しており、何れの位置でも変形量が極めて小さく抑えられていることがわかる。
【００３６】
本実施の形態のファンブレード４２は、既存のオリジナルファンブレード４２´に僅かな設計変更を施すだけで、すなわち５０％スパン位置から１００％スパン位置までの各翼素を図３（Ｂ）に示す回転角θだけ回転方向後方に回転移動するだけで得られるので、その設計が容易である。また０％スパン位置から５０％スパン位置までの形状はオリジナルファンブレード４２´と同一であり、５０％スパン位置から１００％スパン位置までの形状はオリジナルファンブレード４２´を周方向に回転移動しただけなので、オリジナルファンブレード４２´の空力性能を損なうことが最小限に抑えられる。しかも回転角θは０°から６°へと漸増するので、ファンブレード４２の前縁４５を回転方向と逆方向に滑らかに湾曲させて衝撃吸収効果を一層効果的に発生させることができる。
【第２の実施の形態】
【００３７】
次に、図７〜図１０に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００３８】
第１の実施の形態のファンブレード４２は、５０％スパン位置から１００％スパン位置までの範囲の翼素を回転方向後方に移動させているが、ファンブレード４２の翼素の移動を開始する始点は、図７（Ａ）〜図７（Ｄ）に示すように、３５％スパン位置、５０％スパン位置、６５％スパン位置、８０％スパン位置のごとく任意に変更することが可能である。また第１の実施の形態では、ファンブレード４２の翼端４４位置（１００％スパン位置）における回転角θが６°であるが、ファンブレード４２の翼端４４位置における回転角を３°に設定することも可能である。
【００３９】
図８は、横軸にファンブレード４２のスパン方向位置をとり、縦軸に翼素の回転角θをとったグラフである。ファンブレード４２の回転移動を開始するスパン方向位置が３５％、５０％、６５％、８０％と変化しても、各々のスパン方向位置から翼端４４側への回転角θの増加の仕方は何れもサインカーブの半周期と同一形状であり、ファンブレード４２のスパン方向位置が翼端４４側に移動するのに応じて回転角θはなだらかに増加する。
【００４０】
図９は、５０％スパン方向位置から変形を開始した翼形状に対し、横軸にファンブレード４２の翼端４４位置における回転角θをとり、縦軸に異物との衝突によるファンブレード４２の前縁４５の変形量をとったものである。ファンブレード４２の翼端４４位置における回転角θが０°の場合の変形量、すなわちオリジナルファンブレード４２´の変形量を１００％とすると、回転角θが０°から増加するのに応じて変形量が次第に減少し、回転角θが３°の場合にはオリジナルファンブレード４２´の変形量の３８％まで減少し．回転角θが６°の場合にはオリジナルファンブレード４２´の変形量の１２％まで減少しており、翼端４４位置における回転角θが大きいほど変形防止効果が高まることが分かる。
【００４１】
しかしながら、翼端４４位置における回転角θが大きくなると、ファンブレード４２が正面視で「へ」字状に強く屈曲した形状になり、周速が大きい翼端４４側部分に作用する遠心力で翼根４３側部分に大きな曲げモーメントが作用する問題があるため、翼端４４位置における回転角θの最適値は６°となる。
【００４２】
図１０に示すように、翼端４４位置における回転角θの大小に関わらず、ファンブレード４２の回転移動を開始するスパン方向位置が翼端４４側に移動すると変形防止効果が高まることが分かる。しかしながら、ファンブレード４２の回転移動を開始するスパン方向位置が翼端４４位置に近づき過ぎると、前縁４５が後退する部分に異物が衝突する確立が低下するため、逆に変形防止効果が低下してしまう。そこで、ファンブレード４２の回転移動を開始するスパン方向位置は９０％位置以下が望ましく、８０％位置が最適であると考えられる。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４４】
例えば、本発明の技術思想は、ターボファンエンジンのフロントファンに限定されず、送風機、圧縮機等のブレードやポンプのブレードに対しても適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１５        低圧系シャフト（回転軸）
４２        ファンブレード
４２´      オリジナルファンブレード
４３        翼根
４４        翼端
θ          回転角（所定角度）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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