(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（１０）の中心軸線（１２）を中心に回転可能な略円形ディスク（３２）に装着された複数のブレード（７０）と、
上記複数のブレード（３０）と略軸方向に整列し、上記複数のブレード（３０）を略同心に取り囲むように配置された環状ケーシング（８０）と
を備えてなるターボ機械（１０）用ブレードコンテインメント構造（７０）であって、
上記ケーシング（８０）が、ターボ機械の中心軸線（１２）に平行に測定してブレード（３０）の前縁（１１０）と後縁（１１２）のそれぞれ前方から後方に至る長さを有するとともにディスク（３２）から脱落したブレード（３０）の貫入に十分耐える軸方向に滑らかに変化する所定厚さを有する１以上の耐衝撃性セクション（７８）を有していて、
予測されるブレード衝撃時に耐衝撃性セクション（７８）の長さ域内でケーシング（８０）が滑らかに変化する最大塑性歪値を示すようにケーシング（８０）の各軸方向位置での厚さが選択されている、ブレードコンテインメント構造（７０）。
【請求項２】
ケーシング（８０）の半径方向外面に結合しかつ該外面から半径方向外側に延びる少なくとも１つの補剛リング（７２）をさらに備えてなり、該補剛リング（７２）の特性が、ディスク（３２）から脱落したブレード（３０）による衝撃で補剛リング（７２）が圧潰するように選択されている、請求項１に記載のブレードコンテインメント構造（７０）。
【請求項３】
補剛リング（７２）が、ケーシング（８０）から半径方向外側に延在しかつケーシング（８０）と一体に結合した略平坦なフランジ（３０２）を備えてなる、請求項２記載のブレードコンテインメント構造（７０）。
【請求項４】
補剛リング（７２）が、フランジ（３０２）の所定の内径と外径の間で補剛リング（７２）を軸方向に貫通する孔（３０６）にして円周方向に隔設された複数の孔（３０６）を含む、請求項３記載のブレードコンテインメント構造（７０）。
【請求項５】
ケーシング（１８０）に直接隣接して配置され、軸方向にケーシング（１８０）に沿って耐衝撃性セクション（７８）と同延に延在する制振構造（１７２）をさらに備えてなる、請求項１に記載のブレードコンテインメント構造（１７０）。
【請求項６】
制振構造（１７２）がケーシング（１８０）の外面に配置される、請求項５記載のブレードコンテインメント構造（１７０）。
【請求項７】
制振構造（１７２）がハニカム構造を備えてなる、請求項６記載のブレードコンテインメント構造（１７０）。
【請求項８】
制振構造（１７２）が１以上の層の防弾織物を備えてなる、請求項６記載のブレードコンテインメント構造（１７０）。
【請求項９】
制振構造（２７２）がケーシング（２８０）の半径方向内面に配置される、請求項５記載のブレードコンテインメント構造（２７０）。
【請求項１０】
制振構造（２７２）がハニカム構造を備えてなる、請求項９記載のブレードコンテインメント構造（２７０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジン用のブレードコンテインメント構造に関し、さらに具体的には、回転ディスクから脱落したブレードの衝撃を受けた際、局部的破損に耐える輪郭ケーシングを有するブレードコンテインメントシステムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスタービンエンジンの範疇に属し、航空機の推進装置に使用し得る従来の高バイパス比ターボファンエンジンは、通例、軸方向の流れの順に、ファン、ブースタ、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンをエンジンの長手方向中心軸線の周囲に含んでいる。高圧タービンは第一ロータ軸を介して高圧圧縮機と駆動的に連結しており、低圧タービンは第二ロータ軸を介してファン及びブースタと駆動的に連結している。ファンには、環状ディスクと該ディスクに装着された複数の半径方向に延在するブレードが含まれており、ディスクとブレードは、エンジンの長手方向中心軸線を中心に回転し得る。かかるファンの外周はコンテインメントケーシングで取り囲まれているが、該コンテインメントケーシングは、１以上のブレードの壊滅的破壊、破片の吸込などによって１以上のファンブレードがディスクから脱落したときにエンジン及び航空機の構造上の損傷を防止もしくは最小限に抑えるため、運転中にファンブレードがディスクから脱落したときにファンブレードを封じ込めることができるように設計される。
【０００３】
軽量化のため、従来技術のケーシングでは強度条件を満足しつつ材料の厚さを最小限にすることが試みられてきた。従って、ケーシングの一次衝撃領域に所要強度を与えるため、ケーシングから半径方向外側に厚みを増す外周リングからなるコンテインメントリングと呼ばれる補強構造が用いられてきた。こうしたコンテインメントリングの存在によって、ケーシングは衝撃位置に鋭く反応するようになる。ブレードの衝撃の際、コンテインメントリングの存在が局所的に高い歪領域を生じる原因となって破壊につながるおそれもあり、仮にコンテインメントリングの存在によって生じた「ハードスポット」付近のケーシングにブレードが衝撃を与えることがあれば剪断破壊を促すことにもなりかねない。
【０００４】
Ｄｅｍｂｅｃｋ他の米国特許第４４１７８４８号には、従来技術のコンテインメントシステムの一例が開示されている。この米国特許特許に開示されたコンテインメントシステムでは、ファンケーシングシェル６０は予測されるブレード衝撃の可能性が最も高い軸方向位置に最大厚さＴmaxを有する。ケーシングの厚さは、軽量化のため、最大厚さ部から連続的又は段階的に薄くなっている。このタイプのコンテインメントシステムは、厚さが一定のケーシングに比べて軽量化できるが、上記Ｄｅｍｂｅｃｋの米国特許では、コンテインメントセクション全体の材料の使用を最適化する可能性には取り組んでいない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、航空宇宙用のターボファンエンジン等のターボ機械用改良コンテインメントケーシングを提供できれば有益であるが、該コンテインメント構造には、脱落ファンブレードによる衝撃に耐えられるコンテインメント構造の能力を向上させるための耐衝撃性セクションが設けられていると同時に、コンテインメント構造は、コンテインメント用材料の輪郭厚さを最適化しつつ回転ディスクから脱落したブレード衝撃の軸方向位置に比較的鈍感であるべきである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ブレードの半径方向外側にブレードを取り囲むように配置された環状ケーシングを含むブレードコンテインメント構造について開示する。ケーシングは、脱落ブレードによる衝撃で貫入しないような十分な厚さの材料からなる耐衝撃性セクションを有する。耐衝撃性セクションの厚さは、材料厚さの急変による局所的に高い歪集中や剪断破壊を起こさずに材料の使用を最適化するとともに公知の一次衝撃領域を局所的に強化できるように、滑らかな輪郭をえがく。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照するが、全図面を通して同一符合は同じ構成要素を示す。図１は、高バイパス比ターボファンエンジン１０の一例の縦断面図を示す。エンジン１０は、軸方向の流れの順に、ファンロータ１４、ブースタ１６、高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２及び低圧タービン２４を長手方向中心軸線１２の周囲に含む従来構造を含んでいる。高圧タービン２２は第一ロータ軸２６で高圧圧縮機１８に駆動的に連結し、低圧タービン２４は第二ロータ軸２８でブースタ１６及びファンロータ１４と駆動的に連結している。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する複数のブレード３０を備えてなり、ディスク３２とブレード３０は、エンジン１０の長手方向中心軸線１２を中心に回転し得る。
【０００８】
エンジン１０の運転中、周囲空気３４はエンジン入口に入り、主ガス流３６を示す第一部分は、ファンロータ１４、ブースタ１６及び高圧圧縮機１８を流れ、各部品で逐次加圧される。主ガス流３６は次いで燃焼器２０に入り、そこで加圧空気を燃料と混合して高エネルギーガス流を生じる。高エネルギーガス流は高圧タービン２２に入って膨張するが、その際高圧圧縮機１８を駆動するためのエネルギーが抽出され、次いで、低圧タービン２４に入ってさらに膨張するが、その際ファンロータ１４とブースタ１６を駆動するためのエネルギーが抽出される。二次流又はバイパス空気流３８を示す周囲空気３４の第二部分は、ファンロータ１４とファン出口案内翼４０を通過してから環状ダクト４２を通してエンジンを出るが、第二空気流３８はエンジン推力のかなりの部分を与える。
【０００９】
図２は、ハードウォールコンテインメントシステムとして知られる従来技術のコンテインメントシステムを示す。この図で、全体を符号６０で示すコンテインメントシステムは、ブレード衝撃時に貫入しないような十分な材料厚みをもった金属ケーシングシェル６６で構成される。ケーシングシェルは、通例鋼又はアルミニウムのような材料で作られる。重量を最小限に抑えるため、ケーシングシェル６６は肉薄に機械加工される。ブレード脱落時に直接衝撃を受ける可能性の高い領域（一次衝撃領域と呼ばれる）は一体成形環状コンテインメントリング６４で補強される。振動条件を満たすため、ケーシング６６には環状補剛リング６２が設けられる。場合によっては、ケーシングにはコンテインメントリング６４と補剛リング６２の両方の機能を果たすリングが設けられる。コンテインメントリング６４の存在により、ケーシングシェル６６の厚さは急激に変化する。ブレード衝撃時にケーシングが撓むと、高い歪の局所領域を生じることがあるが、こうした領域はケーシングシェル６６の破壊を起こし易い。さらに、コンテインメントリング６４の前端と後端での材料厚みの急激な変化は、脱落ブレードがたまたまコンテインメントリング６４付近のケーシングに衝撃を与えたときにケーシングの剪断破壊を助長するおそれがある。
【００１０】
図３は本発明の一例を示す。ブレードコンテインメントシステム７０は、ブレード（図示せず）の半径方向外側に、ブレードを取り囲むように配置された環状ケーシング８０を含んでいる。ケーシングは、脱落ブレードによる衝撃で貫入しないような十分な厚さの材料で形成された耐衝撃性セクション７８を有する。エンジンの中心軸線１２に平行な耐衝撃性セクションの長さは種々変更し得るが、典型的には、耐衝撃性セクションはブレードの前縁と略向かい合った位置から、ブレード先端の翼弦長の約１．５倍だけ後方に離れた位置まで延在する。アブレイダブルシュラウド７６を収容するためケーシング８０の半径方向内面にポケット７７が形成される。ポケット７７及びアブレイダブルシュラウド７６の前端と後端（それぞれ符号１１０及び１１２で示す）は、ブレード先端（図示せず）の前縁及び後縁と略向かい合うように配置される。アブレイダブルシュラウド７６は、ファンブレードの先端がシュラウド７６と接触したときに摩耗する材料からなる。こうすることで、エンジンの長手方向中心軸線１２からファンブレードの軸が一時的にぶれても、ブレード又はケーシング８０に永久損傷を与えないようにすることができる。
【００１１】
ケーシング８０は、例えば鋼やアルミニウムを始めとする様々な材料から構成し得る。ケーシング８０又はケーシング８０のセクションは、遠心鋳造、鍛造又は押出してもよい。ケーシングは１以上の円周方向セクション又は軸方向セクションから組み立ててもよく、溶接等によって互いに接合すればよい。ケーシング８０は一対の押出品として成形してもよく、軸方向に端部同士を溶接して完成ケーシング８０とすればよい。次いで、機械加工その他の公知方法でケーシング８０の最終寸法及び形状を形成する。
【００１２】
耐衝撃性セクション７８の厚さは、材料使用量を最適化して総重量を最小限にするため、滑らかな輪郭をえがく。本発明のケーシングは、大きな半径方向の撓みに耐えるので、局所的な高い歪集中も材料厚さの急激な変化による剪断破壊も生じることなく、大きなエネルギーを吸収できる。さらに、耐衝撃性セクション７８には、相対的に厚みの増した１以上の補強領域７４が組み込まれていてもよい。かかる補強領域７４は、経験的に予測される一次衝撃領域の局所的補強を可能にする。セクション７４は、従来技術で用いらたコンテインメントリングとは異なり、ケーシング８０の隣接セクションへと滑らかに推移する。ケーシングには、振動条件を満足するため１以上の補剛リング７２が組み込まれていてもよいが、かかる補剛リングについては後で詳述する。
【００１３】
作動条件下でのブレードの脱落は、通常異物がファンに吸い込まれて起こる複合的事象である。ブレードはケーシングに衝突する前に部分的破壊を受ける場合があり、隣接ブレードの衝撃によってファンディスクの平面外へと軸方向にシフトする場合がある。
【００１４】
ブレード脱落、それに続くケーシングに対する衝撃、その結果生じるケーシングの撓みは、当業者に公知の解析法でシミュレートされる。ある方法では、ソフトウェアモデリングパッケージを用いる。市販ソフトウェアパッケージの一例は、Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（米国９４５５０カリフォルニア州リバーモア、ウェイバリー・ウェイ２８７６番）から市販のＬＳ−Ｄｙｎａであり、これは陽解法を用いてブレードがケーシング８０を衝撃したときに起こる非線形接触力学のタイムフォワード解を生じる。このソフトウェアパッケージは、ブレード衝撃時にケーシング８０内の各所で起こる歪をグラフ表示する。
【００１５】
モデリングソフトウェアの結果は、設計技術者が耐衝撃性セクションの長さに沿った様々な位置でのケーシング８０の厚さを修正するのに用いられる。その新たな設計を同じシミュレーションにかけて新たな結果を得る。ケーシングの設計はこうした反復プロセスを通して進められ、満足すべき結果が得られるまで続けられる。
【００１６】
ブレード衝撃が起こると、ケーシング８０の耐衝撃性セクション７８は半径方向外側にずれ、ケーシング８０の耐衝撃性セクション７８の材料は塑性歪を受ける。各軸方向位置でのケーシング８０の歪は、ケーシング８０に用いた具体的材料、衝撃力学及びケーシングの設計に依存する。法的規制及び安全上の要件のため、ケーシング８０は、所定の試験条件下でブレード衝撃による貫入に耐えなければならない。また、航空機用途では余分な重量は性能低下と燃料消費量の増加につながるので、ケーシング８０はできるだけ軽量でなければならない。
上述の反復プロセスを用いて、塑性歪値が耐衝撃性セクション７８の長さに沿って徐々に変化し、塑性歪の値が急激に変化したりせずに直接衝撃を受けた位置で最大ピークを示し直接衝撃を受けた位置から軸方向前方及び後方に向かって徐々に減少するように、前述の反復過程を用いて耐衝撃性セクション７８の長さに沿った各軸方向位置でのケーシング８０の厚さを選択する。歪が許容レベルを超える位置には材料を追加し、歪の非常に低い位置からは材料を除く。理想的には、モデリング能力と反復数が十分であれば、耐衝撃性セクション内の各位置が所与の衝撃条件についての破壊歪と実際の歪の間の所望の最小限マージンを有していてどの位置でも所要歪マージンを超えることがない（すなわち、耐衝撃性セクション７８の軸方向長さに沿ってマージンを実質的に等しくできる）ように、ケーシング厚を最適化できる。
【００１７】
本発明の実施例として、直径約９３．８インチのワイドコード型チタンファンブレードを有するエンジン用のコンテインメントケーシングの設計を行った。ケーシングは、平均ケーシング厚を約１インチとして、アルミニウム合金で製造した。
【００１８】
ケーシングは、前述のコンピュータモデリングパッケージを用いて設計した。３次元メッシュを用いてモデルを規定した。半径方向では、メッシュは、ケーシングの厚さを測る３つの要素を有していた。軸方向及び円周方向では、メッシュサイズは、半径方向の約３倍乃至５倍であった。この結果、メッシュは複数の平板状要素からなるものとなった。ブレードの脱落及び衝撃をシミュレートすると、耐衝撃性セクション内で約８％の最大歪と約５％の最小歪を生じた。なお、検討した合金の示す破断点伸びは約８％であるので、予測ピーク歪は最高歪点でのメッシュの外側要素での破壊を表す。このことは、中間要素及び内側要素が破壊されなければ、つまりケースがブレードで貫入されなければ、容認できると考えられる。
【００１９】
ケーシング８０は、エンジン運転中にファンロータとファンステータとの高調波共振結合を防ぐのに十分な半径方向の剛性又は制振作用を与えることも必要とされる。ロータ／ステータ「相互作用」と呼ばれるこの状態は、破壊的な大きさの振動を招くおそれがあり、相互作用モードが所定の最小限マージンでエンジンの作動域外となるようにケーシング８０を補強することによって対処する。
【００２０】
ロータ／ステータ相互作用要件は、図６に示す通り、ケーシング８０の半径方向外面から半径方向外側に延びる比較的縦長で肉薄の環状補剛リング３０２を組み込むことで満足される。補剛リング３０２には、リング３０２の円周方向に隔設された複数の大孔径軽量化孔３０６が組み込まれる。補剛リング３０２の材料厚み、孔３０６の総数及び直径は、補剛リング３０２で所要の周波数マージンが与えられるが、ディスクから脱落したブレードがケーシング８０に衝撃を与えるときにほとんど抵抗せずに圧潰するように、選択される。従って、これらの補剛リング３０２は、滑らかな輪郭をえがくコンテインメント構造という目的を損なうおそれのある局所的ハードスポットをケーシング８０に生じない。
【００２１】
補剛リング３０２は、ケーシング８０を形成する同じ押出品又は複数の押出品の一部として形成してもよいし、或いは別個に製造したものを溶接等によってケーシング８０に取り付けてもよい。環状外側フランジ３０４を含んでいてもよい補剛リング３０２及び軽量化孔３０６は、部分完成押出品の機械加工その他公知の方法で形成される。
【００２２】
本発明の別の実施形態では、コンテインメント構造１７０は、振動防止のためケーシング１８０外面に配置された制振材１７２が組み込まれている。図４を参照すると、制振材１７２は、アルミニウムシート等のシート材から形成されたハニカム構造の形態をとり得る。制振材１７２は、例えば接着剤等でケーシング１８０に固定し得る。制振材１７２は、ＫＥＶＬＡＲ繊維（ＫＥＶＬＡＲはＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社の登録商標である。）のような合成繊維からなる防弾織物のラップ、又はその他当業者に公知の適当な制振材からなるものであってもよい。
【００２３】
図５で全体を符号２７０で示すコンテインメント構造の別の実施形態では、ケーシング２８０の半径方向内面に適当な制振材２７２を加えることによって、ケーシング２８０を振動から保護し得る。制振材２７２は、アルミニウムシート等のシート材からなるハニカム構造２７２の形態をとり得る。制振材２７２には、アブレイダブルシュラウド２７６用のポケット２７７が組み込まれている。この実施形態は、肉厚のアブレイダブル材料が必要とされる用途に適している。かかる用途の一つは、異物の吸込みによるブレード脱落等のファン損傷時に、ファンを低圧タービンシステムから切り離すためのデカップラーとして知られる装置を装備したエンジンがある。デカップラー装備エンジンは、デカップラーを装備していないエンジンよりもファンブレードの半径方向ぶれを大きくできるので、永久損傷を起こさずにブレードの旋回運動に適合するように周囲ケーシング２８０のアブレイダブル材料２７６を厚くする必要がある。
【００２４】
本発明の特定の実施形態について説明してきたが、当業者であれば特許請求の範囲に規定された本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく各種の変更をなすことができるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のブレードコンテインメントシステムを組み込んだ高バイパス比ターボファンエンジンの一例を示す概略縦断面図。
【図２】  ハードウォールコンテインメントシステムとして周知の従来技術のブレードコンテインメントシステムを示す概略拡大部分縦断面図。
【図３】  本発明の第一の実施例を示す概略拡大部分縦断面図。
【図４】  本発明の第二の実施例を示す概略拡大部分縦断面図。
【図５】  本発明の第三の実施例を示す概略拡大部分縦断面図。
【図６】  図３の線６−６に沿った概略部分断面図。
【符号の説明】
１０  ターボファンエンジン
１２  エンジン中心軸線
１４  ファンロータ
１６  ブースタ
１８  高圧圧縮機
２０  燃焼器
２２  高圧タービン
２４  低圧タービン
２６  第一ロータ軸
２８  第二ロータ軸
３０  ブレード
３２  ディスク
３４  周囲空気
３６  主ガス流
３８  第二空気流
６０  コンテインメントシステム
６２  補剛リング
６４  コンテインメントリング
６６  ケーシングシェル
７０  コンテインメントシステム
７４  補強領域
７２  補剛リング
７６  シュラウド
７７  ポケット
７８  耐衝撃性セクション
８０  ケーシング
１７０  コンテインメント構造
１７２  制振材
１８０  ケーシング
２７０  コンテインメント構造
２７２  制振材
２７６  シュラウド
２７７  ポケット
２８０  ケーシング
３０２  補剛リング
３０４  環状外側フランジ
３０６  軽量化孔
【図１】
0004780831.tif 000002
【図２】
0004780831.tif 000003
【図３】
0004780831.tif 000004
【図４】
0004780831.tif 000005
【図５】
0004780831.tif 000006
【図６】
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