(57)【要約】  【課題】  中空ファンブレード３０の壁の厚さの増加を招くことなく、座屈に対する抵抗性・耐久性を高める。  【解決手段】  この中空ファンブレード３０は、正圧面側壁と負圧面側壁の一方を有する半割体３０ａと他方を有する半割体３０ｂとを備える。隣り合う一対のリブ４２の間に延在する壁セグメント４８を、湾曲のない直線状に形成する。隣り合う壁セグメント４８を、中空ファンブレード３０の翼形状に追従するように互いに平行ではない角度で延在させる。  【選択図】  図５
2007154874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面を有する正圧面側壁と、
外表面を有する負圧面側壁と、
上記正圧面側壁と負圧面側壁との間に延在する複数のリブと、を有し、
上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方により、複数の直線状の壁セグメントが、少なくとも一つの隣接する一対のリブの間に形成されていることを特徴とする中空ファンブレード。
【請求項２】
上記複数の直線状の壁セグメントは、それぞれ隣接する一対のリブの間を直線状に延在していることを特徴とする請求項１に記載の中空ファンブレード。
【請求項３】
隣接する壁セグメントが互いに平行ではないことを特徴とする請求項２に記載の中空ファンブレード。
【請求項４】
上記複数のリブの少なくとも一部が実質的に平行で連続的に延在する複数のキャビティにより形成され、これらキャビティが上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の中空ファンブレード。
【請求項５】
請求項１に記載の中空ファンブレードを複数備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項６】
上記複数のリブが互いに略平行であることを特徴とする請求項１に記載の中空ファンブレード。
【請求項７】
上記複数のリブは第１の方向に湾曲し、続いて反対の第２の方向に湾曲していることを特徴とする請求項６に記載の中空ファンブレード。
【請求項８】
ａ）基材上の第１の領域に、実質的に平行で連続的に延在する一群の第１のリブ部を形成するステップを有し、上記第１のリブ部は互いに交差しておらず、
ｂ）実質的に平行で連続的に延在する一群の第１のキャビティを形成するステップを有し、各キャビティは隣接する第１のリブ部の間に設けられ、
ｃ）上記第１のキャビティのそれぞれの底壁に直線状の壁セグメントを形成するステップを有することを特徴とする中空ファンブレードの半割体の製造方法。
【請求項９】
更に上記ステップｃ）が、複数の第１のリブ部を第１の方向に曲げ、次いで上記複数の第１のリブ部を反対の第２の方向に曲げるステップを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に上記ステップｃ）が、互いに平行でない角度で隣接する壁セグメントを形成するステップを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
更に上記ステップｃ）が上記半割体に切子面状の外表面を形成するステップを有し、上記外表面の反対側に複数の第１のリブ部が設けられることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
外表面を有する正圧面側壁と、
外表面を有する負圧面側壁と、
上記正圧面側壁と負圧面側壁との間に延在する複数のリブと、を有し、上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方が、少なくとも幾つかの隣接するリブの間に複数の小平面を有していることを特徴とする中空ファンブレード。
【請求項１３】
上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方の外表面には、隣接する一対のリブの間に小平面がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の中空ファンブレード。
【請求項１４】
上記複数の小平面が複数の直線状の壁セグメントを含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の中空ファンブレード。
【請求項１５】
隣接する小平面が互いに平行でないことを特徴とする請求項１２に記載の中空ファンブレード。
【請求項１６】
上記複数のリブの少なくとも一部が、上記正圧面側壁と負圧面側壁の一方に形成される実質的に平行で連続的に延在する複数のキャビティによって形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の中空ファンブレード。
【請求項１７】
請求項１６に記載の中空ファンブレードを複数備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジン用の改良された中空ファンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用のターボファンエンジンのようなガスタービンエンジンは、ファンのセクションと、圧縮機のセクションと、燃焼セクションと、タービンのセクションと、を有している。エンジンの軸は、エンジン内の中央に配置され、上記のセクションを通して長手方向に延びている。作動媒体ガスの一次流路は、エンジンの上記セクションを通して軸方向に延びている。作動媒体ガスの二次流路は、上記一次流路と平行かつ径方向外方に延在している。
【０００３】
上記ファンのセクションには、ロータ組立体とステータ組立体とが設けられる。ファンのロータ組立体は、ロータディスクと径方向に延びる複数のファンブレードとを有している。ファンブレードは流路内に延在しており、作動媒体ガスと相互に作用して、作動媒体ガスとの間でエネルギーの変換を行う。ステータ組立体は、ファンブレードの先端に近接してロータ組立体を囲うファンケースを有している。
【０００４】
運転中、ファンによって、作動媒体ガス、より詳しくは空気がエンジンへ吸入される。ファンにより昇圧された空気が二次流路に沿って流下して、有用な推力（ｕｓｅｆｕｌ  ｔｈｒｕｓｔ）が得られる。また、上記空気は一次流路に沿って圧縮機のセクションへ流下して圧縮される。圧縮された空気は燃焼セクションへ導かれ、ここでこの圧縮空気に燃料が加えられて、空気／燃料の混合気が燃焼される。燃焼生成物はタービンのセクションへ排出される。タービンのセクションでは上記燃焼生成物から圧縮空気やファンに動力を供給する仕事（ｗｏｒｋ）が抽出される。燃焼生成物からのエネルギーのうちで、ファンや圧縮機の駆動に用いられない余剰のエネルギーは有用な推力の一部として利用される。
【０００５】
あるガスタービンエンジンのファンブレードは、重量を低減するために中空状である。各ファンブレードは、２分割された半割体（ｄｅｔａｉｌ  ｈａｌｖｅｓ）を結合することによって形成される。各半割体は、構造的に堅牢な内部構造でありながら重量を抑制するように機械加工された複数のキャビティとリブとを有している。一方の半割体は正圧面側壁を形成し、他方の半割体は負圧面側壁を形成する。両半割体が結合されると、正圧面側壁と負圧面側壁とがリブによって支持されるとともに隔てられて、中空ファンブレードを形成する。そして中空ファンブレードは、翼（エアフォイル）形状及び外形が得られるまでの間、極めて高い温度で成形工程にかけられる。上記の側壁（壁）は翼形状を形成するように湾曲した輪郭とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ファンブレードは、鳥，氷やその他の異物との衝突に耐え得るものでなければならない。上記の衝突によってファンブレードの前端に大きな初期負荷が加えられて、この前端で翼の曲げを生じ易く、負圧面側のキャビティの壁に大きな圧縮負荷が作用する。この負荷に対し、翼幅方向で所定スパン毎に設けられるリブとキャビティでは座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）への抵抗力が僅かしか得られず、進歩したブレードの形態では隣り合うリブのスパン間の外表面が弦状に湾曲しているのはこのためである。また、衝突のミリ秒後には二次的な負荷が生じ、衝突地点から衝撃波が四方に広がる。このような二次的な負荷が先へ伝わるに従い金属を曲げる。その後、この発生によるエネルギーが吸収されるまで、ブレードの翼端が前後に撓み続ける。このような動作により、圧縮と引張の負荷が正圧面側壁と負圧面側壁の双方のキャビティ壁へ交互に作用する。また、強い横風や機動飛行時の負荷の際、あるいは深刻な場合では、ブレードが外へ出てしまう際に、ブレードがケースに接触すると、ブレードの先端に周方向の負荷を受けやすい。このような先端の接触により上記圧縮負荷と同様の負荷が負圧面側のキャビティの壁へ作用する。
【０００７】
隣り合うリブ間の壁に作用する圧縮負荷による壁の座屈は、壁の厚さやスパン（隣り合うリブの間隔）及び他の幾何学的形状に依存する。これらの理由により、使用されるべき壁の最小厚さが増加する。この増加により、ブレードの重量が増加するとともに、そのハブや収容部材をも考慮すると、エンジンの総重量の大幅な増加をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、壁の厚さの増加を招くことなく、座屈に対する抵抗力・耐久性に優れた中空ファンブレードを提供するものである。上記中空ファンブレードは、リブによって支持及び分割される正圧面側壁と負圧面側壁とを有している。本発明では、隣り合う一対のリブ間の各壁セグメントは、直線状であり、湾曲していない。隣り合う一対の壁セグメントの少なくとも幾つかは、中空ファンブレードの翼形状を形成するように、互いに平行でない角度で延在している。
【０００９】
この結果、ファンブレードの壁（側壁とも呼ぶ）には、連続的かつ滑らかに湾曲するものとは異なり、複数の小平面からなる切子面状の外表面が設けられる。隣り合うリブ間の直線状の壁セグメントにより、座屈を招くことなく高い圧縮負荷に耐え得ることができる。この結果、壁の厚さを低減することが可能となる。
【００１０】
本発明の他の利点は添付の図面とともに考察される後述する詳細な説明を参照することにより理解されるであろう。
【００１１】
本発明を要約すると、ガスタービンエンジン用の中空ファンブレードにより、壁の厚さの増加を招くことなく、座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）に対する改善された耐久性が得られる。この中空ファンブレードは、リブにより支持される分割された負圧面側壁と正圧面側壁とを有している。本発明では、隣接する一対のリブ間の壁セグメントのそれぞれが、直線状であり、湾曲していない。少なくとも幾つかの隣接する壁セグメントは、互いに平行ではない角度で延在して、中空ファンブレードの翼形状を形成している。結果としてファンブレードの側壁は、連続的に滑らかに湾曲する外表面とは別の形状の外表面を有するものとなる。隣接するリブ間の直線状の壁セグメントは、座屈を招くことのないように高い圧縮力に耐え得るものである。従って、壁の厚さを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ガスタービンエンジン１０は、ターボファンガスタービンエンジンのように、エンジンの中心線、すなわち図示される軸方向の中心軸１２の周りに周方向に配置されている。このエンジン１０は、ファン１４と、圧縮機１６と、燃焼セクション１８と、タービン２０と、を有している。周知のように、空気は圧縮機１６で圧縮されて燃料と混合されて、燃焼セクション１８において燃焼され、タービン２０で膨張される。圧縮機１６で圧縮された空気とタービン２０で膨張された燃料混合気はともに熱ガス流２８と呼ぶことができる。タービン２０は膨張に応じて回転するロータ２２を有し、圧縮機１６やファン１４を駆動する。タービン２０は、回転翼すなわちブレード２４と静止翼すなわちベーン２６とが交互に並ぶ列を備えている。
【００１３】
ファン１４は、ファンケース２７により囲われており、かつ、ロータ組立体を有している。このロータ組立体はロータディスク２９と複数のファンブレード３０とを有している。各ブレード３０は、ロータディスク２９から径方向外方へ作動媒体流路を横切ってファンケース２７の近傍へ延びている。ファンブレード３０は、中空ファンブレードであって、第１の中空ファンブレードの半割体（ｄｅｔａｉｌ  ｈａｌｆ：単一半体、詳細半部とも呼ぶ）３０ａと、第２の中空ファンブレードの半割体３０ｂと、を有し、一方が正圧面側壁を形成し、他方が負圧面側壁を形成する。
【００１４】
第１の実施例の一方のファンブレードの半割体３０ａが図２に示されている。他方のファンブレードの半割体３０ｂは、この半割体３０ａに対応した構造をなし、後述する説明により理解され得るであろう。ファンブレードの半割体３０ａは好ましくはチタン（チタニウム）の基材３１を有し、この基材３１は、先端３４の反対側に基端３２を有し、後端３８の反対側に前端３６を有している。
【００１５】
必要な剛性や強度を維持しつつ重量を抑制するために、複数の細長い連続的なキャビティ４０が基材３１の表面の内側に機械加工されている。キャビティ４０は互いに間隔をあけて設けられ、複数の連続した交差しないリブ４２を形成する。機械加工に代えて（もしくは追加的に）、リブ４２は超塑性成形される。キャビティ４０は、その全てが基材３１の基端３２と先端３４の間、及び前端３６と後端３８との間に形成される。
【００１６】
リブ４２は、図１のタービンエンジン１０の使用時及び製造時の双方において、必要な部位に剛性を提供するように、配置され、かつ、偏向されている。更に、リブ４２は、慣性が小さなものとなる長く直線状のキャビティ４０を排除するように、カーブし、かつ、向きを変えており、つまりＳ字状の蛇行形状に形成されている。好ましくは、キャビティ４０はいかなる方向についても、ブレード翼弦の半分以上の長さで一方向に連続したものとはなっていない。個々の要求に応じてキャビティ４０とリブ４２の様々な異なる変形例が本発明では適用され得る。参考として、このような変形例の幾つかが、継続中の本出願人による米国特許出願（公開）の２００５−０１６３６１８Ａ１，２００５−０１６３６２０Ａ１，２００５−０１６０５９９Ａ１，２００５−０１６３６１９Ａ１，２００５−０１６３６１７Ａ１及びガスタービンエンジン用の中空ファンブレード，２００５年８月１５日出願，シリアル番号１１／２０３，６９４に開示されている。
【００１７】
図３は、カッター５４により機械加工される半割体３０ａを示す断面図である。各キャビティ４０の床（底壁）には互いに対向する壁の内側表面５０に壁セグメント４８が形成され、その幾つかはリブ４２を画定している。更に各キャビティ４０には、上記壁セグメント４８とその内側表面５０との間の隅角部分に円弧部５２が与えられている。図示するように、壁セグメント４８とその両側の内側表面５０とは、好ましくはカッター５４の一回の通過で同時に切削される。キャビティ４０がリブ４２と交差することなく連続しているので、各キャビティ４０は単一のカッターによる一回の通過で加工され得る。あるいは、各キャビティ４０を粗削り加工と続く仕上げ加工とで形成しても良く、この場合でも必要なカッターの数や切削回数が大幅に低減される。加えて、壁セグメント４８の床面を加工前に湾曲させることがほとんどないので、（図３に概略示すように）カッター５４を３軸式機械（３−ａｘｉｓ  ｍａｈｉｎｅ）５５によって駆動・操作することができ、あるいは、更に機械加工の工数を低減するために、湾曲した帯状の表面形状をもつフラットな翼表面を用いることもでき、これによりエンドミル式のカッターを用いた３軸式機械によってキャビティを加工することが可能となる。加えて、リブ４２を横切るように横断方向へ延びるリブが存在していないので、必要とされる径の異なるカッターの数が著しく低減される。半割体は、粗削り加工と仕上げ加工を含めて、一つの形式のカッターにより製造されることが想定される。ファンブレードの他方の半割体３０ｂも同様にして製造される。
【００１８】
図４はファンブレード３０の一部を示す断面図である。ファンブレードの半割体３０ａのリブ４２は、ファンブレードの半割体３０ｂのリブ４３と整合されて結合される。半割体３０ａ，３０ｂを接合した後、成形工程においてブレード３０に翼形状が与えられる。成形工程では、高温下で所望の形状が得られるように２つの半割体が曲げられたり反らされる。図示するように、このような成形工程の後であっても、壁セグメント４８は直線状である。つまり、成形工程においても隣り合う（隣接する）一対のリブ４２間の壁セグメント４８が直線状に（つまり、真っ直ぐに）保持される。ファンブレード３０を翼形状に形成するために、隣接する壁セグメント４８が互いに平行ではない角度に形成されている。これにより、半割体３０ａ，３０ｂの外表面に、複数の小平面からなる（カットグラスの）切小面のような形状が与えられる。
【００１９】
図５は、各半割体３０ａ，３０ｂにおける隣接する３つの壁セグメント４８と２本のリブ４２とを示す拡大図である。壁セグメント４８は、図５の仮想線で示す従来例（なお、図５では曲率や角度を誇張して描いている）のように連続的に湾曲する外表面Ａ及びＢとは異なり、一対のリブ４２間に直線状に延在している。翼形状の湾曲に追従するように、隣接する壁セグメント４８は互いに平行でない角度で延在している。また、図４および図５から明らかなように、対向する壁セグメント４８（具体的には、同じ一対の結合リブ４２間を接続する、対向する半割体３０ａ，３０ｂ上の壁セグメント４８の部分）が互いに平行でなくてもよく、この場合、中空ファンブレード３０の厚さがその幅方向について変化する。サイジングは要求負荷の推移や積載能力に依存している。好ましくは、壁セグメント４８の厚さｔに対するリブ壁面フィレットが終了する部分でのキャビティの幅ｗの比が１０未満であるが、リブを負荷に対して更に平行に配置できる場合には、上記比を１０以上にすることができる。
【００２０】
直線状の壁セグメント４８により、従来使用されていた湾曲する壁セグメントに比して、圧縮負荷の作用下での座屈に対する優れた抵抗性・耐久性が得られる。従って、耐久性を維持しつつ壁セグメント４８の厚さを低減することができる。壁セグメント４８の厚さを低減することによって、単に中空ファンブレード３０の重量が低減されるだけでなく、ファンブレード３０を囲うファンケース２７やハブの要求強度が低減され、ひいてはエンジン１０（図１）の総重量を著しく低減することができる。
【００２１】
特許法及び法理学の規定に応じて、上述したように本発明の好ましい実施形態を示す具体的な構成について考察した。しかしながら、本発明は、その趣旨や範囲を逸脱することなく、特定の図示実施例とは異なる形態にも適用可能である。また、方法クレームでのステップに対する英字の参照符号は、従属項による引用を容易にするためのものであって、特に言及のない限り必須の順序を示すものではない。
【００２２】
上記の説明より把握し得る本発明の特徴的な技術思想について列記する。
【００２３】
＜１＞中空ファンブレード（３０）は、
外表面を有する正圧面側壁と、
外表面を有する負圧面側壁と、
上記正圧面側壁と負圧面側壁との間に延在する複数のリブ（４２）と、を有し、
上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方により、複数の直線状の壁セグメント（４８）が、少なくとも一つの隣接する一対のリブ（４２）の間に形成されている。
【００２４】
＜２＞上記＜１＞において、上記複数の直線状の壁セグメント（４８）は、それぞれ隣接する一対のリブ（４２）の間を直線状に延在している。
【００２５】
＜３＞上記＜２＞において、隣接する壁セグメント（４８）が互いに平行ではない。
【００２６】
＜４＞上記＜２＞において、上記複数のリブ（４２）の少なくとも一部が実質的に平行で連続的に延在する複数のキャビティ（４０）により形成され、これらキャビティ（４０）が上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方に形成されている。
【００２７】
＜５＞上記＜１＞の中空ファンブレード（３０）を複数備えるガスタービンエンジン（１０）。
【００２８】
＜６＞上記＜１＞において、上記複数のリブ（４２）が互いに略平行である。
【００２９】
＜７＞上記＜６＞において、上記複数のリブ（４２）は第１の方向に湾曲し、続いて反対の第２の方向へ湾曲しており、つまり図２に示すようにＳ字状に蛇行している。具体的には、図２の左側の領域では複数のリブ４２を第１の方向（上に凸な方向）に湾曲させており、続く図２の中央の領域では複数のリブ４２を第１の方向とは反対の方向（下に凸な方向）に湾曲させている。
【００３０】
＜８＞中空ファンブレードの半割体（３０ａ，３０ｂ）の製造方法が、
ａ）基材（３１）上の第１の領域に、実質的に平行で連続的に延在する一群の第１のリブ部（４２）を形成するステップを有し、上記第１のリブ部は互いに交差しておらず、
ｂ）実質的に平行で連続的に延在する一群の第１のキャビティ（４０）を形成するステップを有し、各キャビティは隣接する第１のリブ部の間に設けられ、
ｃ）上記第１のキャビティ（４０）のそれぞれの底壁に直線状の壁セグメント（４８）を形成するステップを有している。
【００３１】
＜９＞上記＜８＞において、更に上記ステップｃ）が、複数の第１のリブ部（４２）を第１の方向に曲げ、次いで上記複数の第１のリブ部を反対の第２の方向に曲げるステップを有する。
【００３２】
＜１０＞上記＜９＞において、更に上記ステップｃ）が、互いに平行でない角度で隣接する壁セグメント（４８）を形成するステップを有する。
【００３３】
＜１１＞上記＜１０＞において、更に上記ステップｃ）が上記半割体（３０ａ，３０ｂ）に切子面状の外表面を形成するステップを有し、上記外表面の反対側に複数の第１のリブ部（４２）が設けられる。
【００３４】
＜１２＞中空ファンブレード（３０）が、
外表面を有する正圧面側壁と、
外表面を有する負圧面側壁と、
上記正圧面側壁と負圧面側壁との間に延在する複数のリブ（４２）と、を有し、上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方が、少なくとも幾つかの隣接するリブの間に複数の小平面を有している。
【００３５】
＜１３＞上記＜１２＞において、上記正圧面側壁と負圧面側壁の少なくとも一方の外表面には、隣接する一対のリブの間に小平面がそれぞれ設けられている。
【００３６】
＜１４＞上記＜１２＞において、上記複数の小平面が複数の直線状の壁セグメント（４８）を含んでいる。
【００３７】
＜１５＞上記＜１２＞において、隣接する小平面が互いに平行でない。
【００３８】
＜１６＞上記＜１２＞において、上記複数のリブの少なくとも一部が、上記正圧面側壁と負圧面側壁の一方に形成される実質的に平行で連続的に延在する複数のキャビティ（４０）によって形成されている。
【００３９】
＜１７＞上記＜１６＞の中空ファンブレードを複数備えるガスタービンエンジン。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る中空ファンブレードを備えた軸流式のターボファンガスタービンエンジンを示す断面図。
【図２】図１の中空ファンブレードの一つの半割体を示す平面図。
【図３】図２の半割体のキャビティのうちの３つと、これらのキャビティを成形するカッターと、を示す断面図。
【図４】図２のファンブレード半割体に対応するファンブレードが組み合わされた断面図。
【図５】上記半割体をその従来例とともに示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…ガスタービンエンジン
３０…中空ファンブレード
３０ａ，３０ｂ…半割体
３１…基材
４０…キャビティ
４２…リブ
４８…壁セグメント
【図１】
2007154874.tif 000003
【図２】
2007154874.tif 000004
【図３】
2007154874.tif 000005
【図４】
2007154874.tif 000006
【図５】
2007154874.tif 000007