(57)【要約】  自身から複数個のブレード（２）が半径方向に突出して配置されるロータ（１）であって、各ブレード（２）が前記ロータ（１）に取り付けられる付根部（３）とブレード先端部（４）とを有するロータ（１）を含む回転流通装置用ホイールに関する。回転流通装置用ホイールは環（５）と前記ブレード（２）とが、該環と前記ブレードとを半径方向に見たときに互いに重なり合うような態様に、前記ブレード先端部（４）の外側において前記ロータ（１）に対して同心的に配置される環（５）であって、前記ロータ（１）が回転すると、前記ブレード（２）により回転せしめられるように構成される環（５）をさらに含む。前記ブレード（２）の半径方向の広がり（９）と前記環（５）の内寸（１０）は、前記ロータ（１）が回転していないときに、半径方向に各ブレード先端部（４）と前記環（５）との間において間隙（Δ）が存在するような態様に、互いに合致せしめられる。【選択図】図１ｂ
2008523304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身から複数個のブレード（２）が半径方向に突出して配置されるロータ（１）であって、各ブレード（２）が前記ロータ（１）に取り付けられる付根部（３）とブレード先端部（４）とを有するロータ（１）を含み、かつ環（５）と前記ブレード（２）とが、該環と前記ブレードとを半径方向に見たときに互いに重なり合うような態様に、前記ブレード先端部（４）の外側において前記ロータ（１）に対して同心的に配置される環（５）であって、前記ロータ（１）が回転すると、前記ブレード（２）により回転せしめられるように構成される環（５）をさらに含む回転流通装置用ホイールにおいて、前記ブレード（２）の半径方向の広がり（９）と前記環（５）の内寸（１０）とが、前記ロータ（１）が回転していないときに、半径方向に各ブレード先端部（４）と前記環（５）との間において間隙（Δ）が存在するような態様に、互いに合致せしめられることを特徴とする回転流通装置用ホイール。
【請求項２】
前記間隙（Δ）は、５μｍを超えることを特徴とする請求項１に記載のホイール。
【請求項３】
前記間隙（Δ）は、１０μｍを超えることを特徴とする請求項１に記載のホイール。
【請求項４】
前記間隙（Δ）は、３０μｍを超えることを特徴とする請求項１に記載のホイール。
【請求項５】
前記間隙（Δ）は、１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のホイール。
【請求項６】
前記環は、前記環の周のまわりのさまざまな位置において前記ブレード先端部（４）を受けるとともに、前記ブレード先端部（４）と前記環（５）との間において力を伝達する内側凹部（１１）を備えることを特徴とする請求項１に記載のホイール。
【請求項７】
前記環の内面（４０）は、半径方向内方に延在する剛毛（４１）を有して、前記ブレード先端部（４）と前記環（５）との間において前記剛毛を介して力が伝達されることを特徴とする請求項１に記載のホイール。
【請求項８】
ホイールが回転すると、前記剛毛の剛毛繊維は、前記環と前記ブレード先端部との間において圧縮されるように構成される請求項７に記載のホイール。
【請求項９】
前記剛毛繊維（４１）は、金属材料により製造されることを特徴とする請求項７に記載のホイール。
【請求項１０】
前記剛毛繊維（４１）は、炭素繊維により製造されることを特徴とする請求項７に記載のホイール。
【請求項１１】
前記剛毛繊維（４１）は、１〜１０ｍｍ、好ましくは３〜７ｍｍの範囲内の長さを有することを特徴とする請求項７に記載のホイール。
【請求項１２】
前記剛毛繊維（４１）は、０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．７ｍｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項７に記載のホイール。
【請求項１３】
各ブレード（２）は、自身のそれぞれの凹部（１１）内において、前記ブレード先端部（４）の少なくとも一部分と前記凹部（１１）の側壁面（１４）とが、前記ロータ（１）が回転していないときに前記ブレード先端部（４）と前記側壁面（１４）とを接線方向に見ると、互いに重なり合うような態様に配置されることを特徴とする請求項６に記載のホイール。
【請求項１４】
各ブレード（２）は、前記剛毛（４１）に対して、前記ブレード先端部（４）の少なくとも一部分と前記剛毛繊維（４１）とが、前記ロータ（１）が回転していないときに前記ブレード先端部（４）と前記剛毛繊維（４１）とを接線方向に見ると、互いに重なり合うような態様に配置されることを特徴とする請求項７に記載のホイール。
【請求項１５】
各ブレード（２）は、ホイールが回転すると、前記環（５）と半径方向に接触することにより、前記環（５）を回転させるように構成されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のホイール。
【請求項１６】
各ブレード（２）は、ホイールが回転すると、前記環（５）または前記環上に配置される剛毛（４１）と接線方向に接触することにより、前記環（５）を回転させるように構成されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のホイール。
【請求項１７】
各ブレード（２）は、ホイールが回転すると、自身のそれぞれの凹部（１１）の前記側壁面（１４）と接触することにより、前記環（５）を回転させるように構成されることを特徴とする請求項６に記載のホイール。
【請求項１８】
各ブレード（２）は、ホイールが回転すると、自身のそれぞれの凹部（１１）の底面（１２）と接触することにより、前記環を回転させるように構成される請求項６に記載のホイール。
【請求項１９】
前記環（５）の外側（４５）は、繊維材料により被覆されることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載のホイール。
【請求項２０】
前記繊維材料内の繊維の主要方向は、前記環の周方向であることを特徴とする請求項１９に記載のホイール。
【請求項２１】
前記環（５）は、外側環要素（４７）と内側環要素（４８）とを形成する２個の構成要素（４７、４８）からなることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれかに記載のホイール。
【請求項２２】
前記外側環要素（４７）は、１×１０８〜３×１０８Ｐａの範囲内、好ましくは約２×１０８Ｐａの比弾性率Ｅ／δを有する材料により製造されることを特徴とする請求項２１に記載のホイール。
【請求項２３】
前記内側環要素（４８）は、０．１×１０８〜１×１０８Ｐａの範囲内、好ましくは約０．２５×１０８Ｐａの比弾性率Ｅ／δを有する材料により製造されることを特徴とする請求項２１または２２に記載のホイール。
【請求項２４】
前記外側環要素（４７）は、炭素繊維材料により製造されることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載のホイール。
【請求項２５】
前記内側環要素（４８）は、金属材料により製造されることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載のホイール。
【請求項２６】
前記内側環要素（４８）は、チタンにより製造されることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載のホイール。
【請求項２７】
１個以上のダンパが、前記環（５）と各ブレード先端部（４）との間に配置されることを特徴とする請求項１乃至２６のいずれかに記載のホイール。
【請求項２８】
１個以上のダンパが、各凹部（１１）の側壁面（１４ａ）とそれぞれの前記ブレード先端部（４）との間に配置されることを特徴とする請求項６に記載のホイール。
【請求項２９】
各ダンパは、前記環（５）に取り付けられるか、または前記環の一部分を構成することを特徴とする請求項２７または２８に記載のホイール。
【請求項３０】
請求項１乃至２９のいずれかに記載のホイールを含む航空エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の回転流通装置用ホイールに関する。
【０００２】
本発明は、第一に、航空エンジン、特にジェットエンジン等のガスタービンに用いられるファンホイール、タービンホイールまたは圧縮機ホイール等を提供することを意図しているが、本発明にしたがったホイールは、発電用定置ガスタービンまたはさまざまな種類のその他の回転流通装置にも用いられうる。本発明が用いられうるその他の流通装置の例は、蒸気タービン、ポンプ、送風機等である。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービン用のファンホイール、タービンホイールおよび圧縮機ホイールは、ロータと、前記ロータ上に配置されるとともに、前記ロータから半径方向外方に延在する複数個のブレードとを有する。このようなホイールの剛性を高めるとともに、振動傾向を抑えるために、周知の技術によれば、いわゆるダンパの形態をとる離散的な構造的支持要素が、ブレード間において、好ましくはブレードに対して略中心に配置される。タービンホイールにおいては、構造的支持要素または連続環が、ブレードの先端部に配置されて、ブレードを互いに接合しうる。しかし、このような構造的支持要素および環は、空力損失が発生するとともに、ホイールの重さが増し、かつブレードおよびロータに加わる遠心力が増すという欠点を有する。
【０００４】
構造的支持要素を用いることのまた他の欠点は、構造的支持要素を製造するとともに、ブレードに合致させ、かつホイール上に取り付けなければならないため、こうしたホイールの製造がより複雑になることである。ブレードの先端部に取り付けられる連続環を用いることには、前記環とブレードとが、たとえば溶接により、互いに接合されなければならないという欠点がある。ファンホイールにおいては、環をブレードの先端部に配置することは、動作時において過剰に大きい遠心力を引き起こすことになるため、不可能である。加えて、ホイールが構造的支持要素または環を備える場合には、ホイールの修理がより困難になる。固定環を有さず、かついわゆる着脱式のブレードを備えるホイールでは、個別のブレードを相対的に容易に取り外して修理することができる。ロータとブレードとが、１個の単品として製造される場合には、構造的支持要素の取り付けは、ブレードの形状によって、より困難または不可能になる。
【０００５】
構造的支持要素に代わるものは、自立環をブレードのまわりに配置することである。自立環とは、遠心力によりブレード上において大きい外向きの力を引き起こさない一方で、同時に前記の構造的支持要素と同じ方法で相対的に薄いブレードに対してより高い安定性を与えうる環を意味する。このような設計は、環および構造的支持要素を有さない対応する設計より剛健であり、このことは、さらには共鳴周波数が防がれうることを意味する。ブレードの先端部に配置される環は、ホイールと静止要素との間における摩擦面を増大させ、その結果として、減衰が高まり、かつ振動が低下する。加えて、前記環は、半径方向にロータの方へと向かう方向にブレードに荷重し、これによって、ブレードとロータとに作用する、ブレードに由来する遠心力が減じられる。このような環のさらに他の利点は、ブレードの先端部における漏れが防がれ得、ブレードをより薄くすることが可能になるところにあり、これによって損失が減じられるとともに、ガスタービンを介した質量流量を高めることが可能になる。これらの利点によって、ブレードを空力的方法で設計し、以って、たとえば航空エンジンの性能を高めることがより容易になる。
【０００６】
航空エンジンの用途では、前記環は、さらにまた、タービンブレードまたはその一部分等の断片が何らかの理由でロータから外れた場合でも、こうした断片がロータを取り巻くハウジングの内部に留められて、前記断片が航空機のその他の部分を損傷させることを防がなければならないといういわゆる閉じ込め要件を満たすことに関する利点を有する。前記環により、このような断片による力は、有利な方法で分散され得、前記断片が、周囲のハウジングを半径方向に貫通することが防がれうる。加えて、環を使用することは、鳥との衝突の際に、こうした衝突による力がより多数のブレードにわたって分散されて、ブレードが、変形の結果として、隣接するステータと接触することがないようになる。
【０００７】
ガスタービンエンジンにおける回転装置用自立環は、特許文献１に説明されている。回転装置は、ロータから半径方向に延在する複数個のブレードを備えるロータと、前記ブレードのまわりに配置される環とを有する。前記環と前記ブレードとは、ロータが回転していないときに環とブレードとの間における半径方向の押込み嵌めを用いて取り付けられる。この押込み嵌めは、０．０１〜０．１”程度のものであって、前記環をロータに取り付けるとき、すなわちロータが回転していない静止状態においてブレードと環との間において最大限の係合を、かつ動作時においてブレードと環との間において許容される最小限の係合をもたらすことを意図される。
【０００８】
しかしながら、製造と修理とに関連ある前記の欠点は、ある程度は、特許文献１に記載されている種類の自立環を有する回転装置にも当てはまる。このような設計では、個別の構成要素の製造時と、さらにまたこれらを１個の装置に組み立てるときとに、ブレードと環との間において必要な押込み嵌めを得るために、高い精度が求められる。加えて、環の取外しおよびその後の再取付け時に、前記押込み嵌めを解消するとともに、その後に再創出しなければならず、かつ接触面を点検しなければならないため、その結果として、ブレードの整備と修理とがより困難になる。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６２２３５２４号
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、冒頭部分に記載の種類の回転流通装置用、好ましくはガスタービン用のホイールであって、自立環の利点を組み合わせることができる一方で、同時に、相対的に簡単に製造および修理されうるホイールを提供することにある。
【００１１】
この目的は、請求項１に記載のホイールによって達成される。
【００１２】
ロータに対して同心的にブレードの先端部の外側に配置されて、環とブレードとを半径方向に見たときに環とブレードとが互いに重なり合うようになる環であって、ロータが回転するときに前記ブレードにより回転せしめられるように構成される環を用いることにより、ブレードの先端部と静止要素との間においていかなる間隙も必要とされずにホイールの回転を可能にすることができる。代わりに、環の外側が、静止要素に対して回転し、環の外側とこうした静止要素との間において必要とされる間隙であって、動作時においてホイールのある一定の半径方向の伸展を可能にするために配置される間隙は、さもなければブレードの先端部と静止要素との間において必要とされる間隙と比較して、大幅に減じられうる。環と静止要素との間におけるシールは、ブレードの先端部が静止要素に対してシールを形成する場合と比較して、より効率的に行なわれうる。たとえば、ハニカムシールにより、前記間隙を減少させることができ、さらにまた前記シールの形状を改良することができる。
【００１３】
ブレードの半径方向の広がりと環の内寸とが、ロータが回転していないときに各ブレードの先端部と環との間において半径方向に間隙が生じるような態様に互いに合致せしめられる結果として、一方ではロータとブレードとが、他方ではロータと環とが、無負荷状態にあるときに分離されうる構成要素となる。このため、環の組み付けと取外しとのいずれもが、必要に応じて、相対的に簡単な方法で行なわれうる。
【００１４】
本発明にしたがった環を用いることにより、さらにまた、ホイールの設計がより容易になって、ブレードと環との間において必要とされる力が、組み付けられるやいなやブレード上において握着される環と比較して、動作時において高温状態で得られるようになる。初期間隙の大きさを選択することにより、動作時、特にホイールの最高速度回転時における握持力は、必要とされる値に制御されうる。
【００１５】
加えて、本発明は、本発明にしたがったホイールを含む航空エンジンに関する。
【００１６】
本発明のさまざまな実施例のその他の有利な特徴と機能とは、以下の説明と添付の特許請求の範囲とから明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、添付図面を参照して、本発明の例示的な実施例を詳細に説明する。
【００１８】
図１ａに、ガスタービンエンジン５０のガスタービンの中心軸６における略断面図が示されている。ガス流は、図面において左から右へと流れる。本発明は、ファンホイール５１、圧縮機ホイール５２および／またはタービンホイール５３等のさまざまな種類のホイールに用いられうる。図１ｂに、ロータ１からなる本発明にしたがったホイールが示されている。ロータは、ディスクまたはチューブなどでありうる。複数個のブレード２は、ロータ１上に配置されて、該ロータ１から半径方向に突出する。各ブレード２は、ロータ１に取り付けられる付根部３とブレード先端部４とを有する。これらのブレードとロータとは、単品として製造されるか、またはブレードがロータに永久的に取り付けられるか、または取り外し可能となるような態様に取り付けられうる。加えて、前記ホイールは、ブレードの先端部４の外側において、ロータ１に対して同心的に配置される環５を含んで、環５とブレード２とが互いに半径方向に重なり合うようになっている。これは、環５とブレード２とが、ホイールを該ホイールの外側の位置から半径方向内方にホイールの中心に向かう方向に、かつ軸方向に延在するホイールの幾何学的長手軸６に対して直角に見たときに、互いに重なり合うことを意味する。この幾何学的長手軸６は、ホイールの回転軸と一致する。環５は、ロータ１が回転すると、ブレード２により回転せしめられるように構成される。ホイールは、静止要素７に対して回転するように構成される。より具体的には、前記環の外面８が、静止要素７との界面において面を構成する。
【００１９】
ブレード２の半径方向の広がり９と環５の内寸１０とは、互いに合致せしめられて、ロータ１が回転していないときに、半径方向に各ブレード先端部４と環５との間において間隙Δが存在するようになっている。環が、ブレードの先端部のすぐ外側に位置する内側円形限界面を有するとき、この限界面を環上において規定する半径は、幾何学的長手軸６と各ブレード先端部４の最外側先端との間における距離より大きい。このことは、一方ではブレード２を有するロータ１が、他方では環５が、無負荷状態（かつ室温）において相対的に容易に取り外されうる構成要素であることを意味する。前記間隙Δの大きさの選択は、とりわけホイールの寸法と、どんな材料が環５およびブレード２に用いられるかとによって調節される。各ブレード先端部と環との間における前記間隙Δは、ロータと環とが回転中心に対して同心的に配置される場合に、５μｍより大、しばしば１０μｍより大であることが適切であり、３０μｍより大であることが好ましい。前記間隙Δは、しばしば１００μｍより小である。これらの値は、少なくとも２００ｍｍ程度の直径を有するロータの場合に該当する。
【００２０】
前記環が、ブレード先端部と環との間における接線方向の接触によって回転せしめられる場合かつたとえホイールの動作時であってもブレードの先端部と環との間において半径方向の間隙が存在する場合は、実際には間隙の大きさに関する上限はなく、このような場合には、前記間隙は、数ミリメートルまたは１０分の数ミリメートル程度とされうる。
【００２１】
材料と寸法との選択によって、ホイールは、該ホイールの所定速度の回転時に、ブレードの先端部４と環５との間において半径方向に接触が生じるような態様に設計されうる。このため、ホイールが回転すると、間隙Δは、回転速度の増加とともに減少し、特定の回転速度となって前記間隙Δがなくなったときに、各ブレード２と環５との間において接触力が生じる。このような半径方向の接触力が、ブレード先端部４と環５との間において生じる場合、このことは、環５とブレード２との間において、握着に対応する半径方向の係合が起こることを意味する。材料と寸法との選択によって、動作時におけるブレード２と環５との伸展を定め、かつ合致させて、必要な接触力、またはむしろ必要な係合が、ブレード２と環５との間において、必要とされる回転速度範囲内で半径方向に得られるようにすることができる。ホイールは、好ましくは、最高回転速度で、ブレード２と環５との間において最大の半径方向の接触力が得られるような態様に設計される。半径方向の係合により、環５を回転させるために必要とされる力の一部分または全部が、ホイールの回転時に、ブレード２から環５に伝達されうる。
【００２２】
動作時におけるブレードの半径方向の伸展は、ブレード寸法とブレード材料とに加えて、ロータの回転速度と温度とに従属する。このため、ブレード先端部は、各ブレードが遠心力と熱膨張との結果としていくらか伸長せしめられることにより、環に対して移動しうる。しかし、また他の実施例においては、ブレードは、ロータが回転すると、該ブレードが伸長せしめられるのではなしに、むしろロータに対して半径方向外方に移動するように構成されるような態様で、ロータに対して半径方向に移動するように構成されうる。
【００２３】
図２ａおよび２ｂに図示される本発明の好適な実施例において、環５は、内側凹部１１を備えて、環５の周のまわりにおいてさまざまな位置でブレード先端部４を受けるとともに、ブレード先端部４と環５との間において力を伝達する。図２ａの断面図である図２ｂに、環５に配置されるこれらの凹部１１の内の２個が示されている。環５は、幾何学的長手軸６と各凹部１１の底面１２との間において、ホイールが静止しているときには幾何学的長手軸６とブレード先端部４との間における距離９より大となって前記間隙Δが創出されるようになる距離１０を有する。換言すれば、凹部１１の底面１２は、幾何学的長手軸６から、ブレード先端部４より大きい半径方向距離に配置される。環の内側１３の凹部１１により、ホイールの周のまわりにおいて、ブレード先端部４の固定位置が得られる。各ブレード２が、ロータが回転していないときにブレード先端部４の少なくとも一部分と前記凹部の側壁面１４とが接線方向に互いに重なり合うような態様で、それぞれの凹部１１内に配置される図示された実施例に付随する利点はあるが、また他の実施例では、ロータの特定の回転速度が達成されるまで、この重なり合いを生じさせないことが可能である。接線方向の重なり合いとは、ブレード先端部４と側壁１４とが、これらを接線方向に見たとき、すなわち換言すればホイールの回転方向１５に見たときに互いに重なり合うような態様で、ブレード先端部４の一部分が凹部１１内に突出することを意味する。ホイールが静止しているときに接線方向の重なり合いがない場合には、環５は、ブレード２が、ホイールの回転と発生する温度との結果として環５の内寸の何らかの増加よりも長距離にわたって伸長せしめられても、依然としてホイールにより回転せしめられうるはずである。ブレード先端部と前記凹部との間における適切な重なり合いは、ブレードの厚さ等の寸法によるが、しばしば１〜５ｍｍの範囲内である。
【００２４】
ホイールが静止しているときのブレード先端部４の一部分と凹部１１の側壁面１４との間における重なり合いは、ロータ１が始動すると、ブレード２が本質的に直ちに環５と係合状態になること、すなわち凹部１１が、環５に対するロータ／ブレードユニットの滑りを防ぐことを保証する。動作時において、各ブレード２は、ホイールが回転すると、それぞれの凹部１１の側壁面１４と接触することおよび／またはそれぞれの凹部１１の底面１２と接触することにより、環５を回転させるように構成される。
【００２５】
本発明のある実施例において、図２ａおよび２ｂを参照すると、凹部１１は、本質的に平行な側面１４ａ、１４ｂと、前記側面１４ａ、１４ｂに対して本質的に直角に延在する底面１２とを有する矩形の溝として整形されうる。この溝は、環５の全長１６または全長の一部分に沿って延在しうる。
【００２６】
図３ａ、３ｂおよび３ｃに、例として、凹部１１およびブレード先端部４の形状のいくつかの変形態様が図示されており、これらの変形態様において、ブレード２は、突出部分１７、１８を備えた先端部４を有し、このことは、少なくとも先端部に最も近いブレード部分２１の厚さと比較すると、ブレード先端部４がブレードの厚さ２０を上回る幅１９を有することを意味する。これらの突出部分１７、１８は、ブレード２から外方に、接線方向の構成要素を有する方向に突出する。ホイールが回転するときに環５を回転させるブレード先端部４は、先端板２２を形成する１個または２個のこのような突出部分１７、１８を有して設計されており、ブレードの残りの部分と本質的に同じ厚さであるブレード先端部と比較して補強される。ホイールに空力特性を与えるために、ブレードの厚さは、一般に、ブレードの半径方向の広がりと比較して相対的に小さい。加えて、ブレード先端部のこうした先端板２２を用いて、ホイールが回転するときに環５を回転させるためにブレード２と環５との間における必要な係合が達成されうることを保証することができる。たとえば、図３ｂにしたがった実施例は、ブレード先端部と環との間における係合を維持して、ホイールが回転すると環が回転せしめられうるようにするのに有効である。この実施例は、凹部の最小幅が先端板の最大幅より小であり、凹部の幅が半径方向内方に減少する一方で、先端板２２の幅は半径方向外方に増大するため、ホイールが回転するときに、たとえ環が半径方向にブレードの伸展より大きく伸展しても、ブレードと環との間において接線方向に力を伝達することができる。このような実施例においては、動作時であっても、半径方向にブレード先端部と凹部の底面との間において必ずしも接触面が必要ではない。
【００２７】
さらにまた、先端板２２を用いて、ホイールが回転するときにブレード２と環５との間において伝達される力が、環５がブレード２に対して軸方向に所要位置に維持され、かつ／または案内されやすくなるような力となることを保証することができる。先端板の設計は、ブレードと環との間における接触圧力を制御し、このことが、さらにはホイールの摩擦および減衰特性を制御することを可能にする。
【００２８】
回転軸６に対して角度をなす凹部１１を備えた環５と、ホイールが静止しているときにブレード先端部４が凹部１１内に配置されることを意味する組状のブレード２と環５とを用いることにより、図４および５に図示されるように、環５の組み付けおよび取外しは、環５をブレード先端部４にねじ付けることまたはねじ外すことによって達成されうる。このような場合は、凹部１１とブレード先端部４との形状は、互いに合致せしめられ、ブレード先端部４と、適切には凹部１１とは、螺旋形とされて、環５とロータ１とを幾何学的長手軸６のまわりにおいて反対方向に回転させると、ブレード２が凹部１１内にねじ込まれて組み付けられるとともに、凹部１１からねじ外されて分解されるようになる。
【００２９】
ロータ１およびブレード２に対する環の適正な位置を達成するために、凹部１１は、図６を参照すると、環５が、自身がねじ付けられる方向にブレード２に対して軸方向にさらに移動することを防ぐ後壁２３を有しうる。
【００３０】
これに代わる方法として、１個以上のロック・ワッシャ等を用いて、環とブレード先端部とを互いに対して軸方向に位置決めすることができる。環とそれぞれのブレード先端部との間における接触面、換言すれば固定面が軸方向に配置されるため、環を軸方向に正位置に固定するその他の方法も可能である。
【００３１】
図３ａの断面図である図６ａに、凹部１１内に配置される先端板２２を形成する突出部分１７、１８を有するブレードの断面が示されている。この場合は、凹部１１が幾何学的回転軸６に対して角度をなして配置されるとともに、ブレード２が同様に角度をなして配置され、かつ／または、ブレード２が、凹部１１の位置に合致させるためにねじられたブレード先端部４を有するとき、突出部分１７、１８は、前記ブレードから、接線方向２４だけではなしに、環の長手方向２５にも突出することになる。前記のように、各先端板２２は、適切には螺旋形とされ、それぞれの凹部１１は、好ましくは、対応する螺旋形を有する。
【００３２】
ブレード先端部４と環５内の凹部１１とを、ロータ１が回転していないときの空転位置において各ブレード先端部４と対応する凹部１１との間に接線方向２４の間隙δが存在するような態様に設計することが可能である。ロータ１が回転すると、角度をなすブレード２は、自身の長手軸のまわりにおいてねじれる（異なるロータ回転速度においてねじれの程度を異ならせて）ことになり、このことは、ブレード先端部４の前縁部２６と後縁部２７とが、それぞれ前方、すなわち回転方向１５と、後方、すなわち回転方向１５とは逆の方向とに移動せしめられることを意味する。凹部１１の幅２９とブレード先端部４の厚さ３０とを互いに、かつ問題の回転速度に合致させることにより、ブレード２の前側の部分３１と該ブレードの後側の部分３２とが、ブレード２の長手軸のまわりにおけるねじれの結果として、それぞれ凹部１１の前側壁１４ａと後側壁１４ｂとに接触しうる。図６ｂに図示されているように、ブレードのねじれの結果として、２つの接触領域３３、３４が、動作時において、ブレードと凹部の側壁１４ａ、１４ｂとの間において生じる。ブレードの前側と凹部１１の前側壁１４ａとの間における前側接触領域３３において、ブレード２と環５との間で伝達される力の少なくとも一部分が伝達されて、環５を回転させることができる。
【００３３】
ロータ１が始動せしめられるときに、ブレード２と環５との間においてより円滑かつより適応的な係合を達成するために、１個以上のダンパが、環と各ブレード先端部との間に配置されうる。力が、ブレード２と環５との間で、それぞれの凹部１１内の前記接触領域３３において伝達される実施例では、ダンパは、凹部１１の前側壁面１４ａとブレード先端部４との間に配置されうる。このダンパは、適切に環５に取り付けられるか、または環５の一部分を構成する。ダンパを用いることにより、振動の発生が低減されうる。
【００３４】
図７および８に図示される本発明のさらに他の好適な実施例において、環５の内面４０は、半径方向内方に延在してブレード先端部４と環５との間において力を伝達する剛毛４１を有する。剛毛４１を用いることにより、ロータ１が回転するときに、環５の相対的に円滑な移動が達成されうる。長さ４２を有すること、すなわちロータ１が静止しているときに接線方向に見ると剛毛繊維とブレード先端部４とが互いに重なり合うことが適切である剛毛繊維４１は、ロータ１が始動せしめられるときに、ロータ１とブレード２とがいくらか環５に対して回転することができるため、減衰効果を有する。剛毛繊維４１は、該剛毛繊維４１がロータ１の回転を環５に伝達することに寄与しうるために、１〜１０ｍｍ、好ましくは３〜７ｍｍの範囲内の長さ４２を有する。このような剛毛繊維４１は、金属材料または炭素繊維により製造されうるとともに、０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．７ｍｍの範囲内の厚さを有しうる。幾何学的長手軸６とブレード先端部４との間における距離９は、好ましくは、幾何学的長手軸６と剛毛繊維先端部４４との間における半径方向距離４３を上回って、ブレード先端部４と剛毛繊維４１とが、ロータ１が静止しているときでも、これらを接線方向に見たときに互いに重なり合うようになっている。この重なり合いは、１〜１０ｍｍ程度とされうる。前記剛毛は、局所的に各ブレード先端位置に、または本質的に環の内面全体に沿って配置されうる。
【００３５】
剛毛と凹部との使用を組み合わせてもよく、このような場合は、剛毛は凹部の位置および／または凹部内に配置されることを強調しておくべきである。剛毛繊維は、ブレード先端部を凹部内に嵌め込むときに、ブレード先端部により、凹部とブレード先端部との間において接線方向に架橋的に接触せしめられるような態様に配置されうる。ブレードとの界面において用いられうるその他の考えられる材料は、さまざまな種類のゴムである。内部ゴム環を配置してブレードから力を伝達して、ホイールが回転するときに環が回転せしめられるようにすることができる。さらにまた、ゴム材料を凹部と組み合わせて用いて、局所的に凹部の位置においてブレードと環との間における円滑な接触を保証することができる。
【００３６】
全ての実施例において、ブレード２は、ホイールが回転するときに環５と半径方向に接触することにより環５を回転させるように構成されうる。環５が内部剛毛４１を備える実施例と環がブレード先端部４を受ける凹部１１を備える実施例とのいずれにおいても、ブレード２は、ホイールの回転と同時に、接線方向および／または半径方向の接触によって、環５を回転させるように構成されうる。凹部が用いられる場合は、ブレードは、該凹部の側壁および／または底面と直接接触することにより、環を回転させるように構成されうる。剛毛またはさらに他の種類のダンパを環と各ブレードとの間に配置することも可能である。剛毛のみを用いてブレードと環との間において力を伝達する場合は、環への力の伝達は、内部に配置される剛毛を介して接線方向に行なわれる。
【００３７】
ひとつの実施例において、環の外側４５を繊維材料等の補強材料４６により被覆して、動作時に発生する負荷と温度とに耐えさせることができる。環の周のまわりの連続層４６は、環が、合同で環５を形成する外側環要素４７と内側環要素４８との２個の構成要素４７、４８からなると言えることを意味する。図２ａ、２ｂおよび８を参照されたい。これらの２個の環構成要素４７、４８は、何らかの従来方法を用いることにより互いに接合されうる。たとえば、圧力嵌めを用いて、これらの２個の構成要素を互いに接合することができる。外側環要素は、一般に、内側環より高剛性の材料により製造されるため、内側環要素は、外側環要素より伸展し、その結果として、回転速度が増加するほど係合が強くなる。
【００３８】
外側環要素４７は、好ましくは、高い比弾性率、すなわち密度に対して高い弾性率と、引張り荷重に対する高い抵抗とを有する材料により製造される。重要なことは、外側環要素４７の比弾性率Ｅ／δが、ブレードおよび／またはロータの比弾性率を上回ることである。弾性率は、１０８Ｐａより大であることが好ましく、ある一定の用途では、比弾性率Ｅ／δは、１×１０８〜３×１０８Ｐａの範囲内であることが適切である一方で、ブレード先端部に最も近い内側環要素４８は、０．１×１０８〜１×１０８Ｐａの範囲内の、より低い比弾性率Ｅ／δを有する材料により製造されうる。外側環要素４７に適する材料は、たとえば炭素繊維である。内側環要素４８に適する材料は、たとえばチタン、チタンを基本とする合金、鋼、アルミニウムおよび炭素繊維である。外側環要素４７は、１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜６ｍｍの範囲内の厚さを有しうる。内側環要素４８は、０．５〜６ｍｍの範囲内、好ましくは１ｍｍ程度の厚さを有しうる。しかしながら、これらの２個の環構成要素４７、４８に関しては、その他の厚さも可能であり、当然ながら、厚さの選択は、ホイールの直径とホイールの材料と回転速度とその他の動作条件等とに依存する。
【００３９】
環５が、図２ａおよび２ｂに図示されるように、ブレード２を受けるために内側にさらに凹部１１を備える二要素環である場合は、内側環要素４８は、前記凹部の深さを上回る厚さを有して、外側環要素４７が内側環要素４８と接する完全かつ円滑な内面を有して設計されうるようにすることが適切である。
【００４０】
（実施例）
環は、内径φｉ≒４００ｍｍおよび外径φｕ≒４２０ｍｍと、長さＬ≒７０ｍｍとを有する。この環は、各々が厚さｔ≒５ｍｍを有する外側環要素と内側環要素とからなる。外側環は、弾性率Ｅ≒３×１０１１Ｐａと密度δ≒１５００ｋｇ／ｍ３とを有する炭素繊維材料により製造される。内側環要素は、弾性率Ｅ≒１．１×１０１１Ｐａと密度δ≒４５００ｋｇ／ｍ３とを有するチタンにより製造される。ブレード先端部と環との間における半径方向の間隙Δは、ロータが回転していないときに、約５０μｍである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１ａ】ガスタービンエンジンの略断面図である。
【図１ｂ】本発明にしたがったホイールの部分断面側面図である。
【図２ａ】ブレードを受ける凹部を備えた環を含む本発明にしたがったホイールの図１に対応する拡大部分図である。
【図２ｂ】図２ａの線ＩＩｂ−ＩＩｂにおける断面図である。
【図３ａ】本発明の変形態様を示す図２ｂに対応する図である。
【図３ｂ】本発明のまた他の変形態様を示す図２ｂに対応する図である。
【図３ｃ】本発明のまた他の変形態様を示す図２ｂに対応する図である。
【図４】ブレードを備えるロータと凹部を備える環との斜視図である。
【図５】図４のロータと環との組み立てられた状態における斜視図である。
【図６ａ】図３ａの線ＶＩ−ＶＩにおける断面図である。
【図６ｂ】本発明にしたがったホイールが回転している状態を示す、図６に対応する図である。
【図７】環が剛毛を備える本発明の変形態様を示す、図２ｂに対応する図である。
【図８】本発明のまた他の変形態様を示す、図２ｂに対応する図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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