(57)【要約】【課題】ファンブレードの効率を犠牲にすることなく、コインシデンスの回避に対処するファンロータを提供する。【解決手段】コインシデンスを回避できるファンロータは、ファンブレードを受け入れるようにそれぞれ設計された１つまたは複数のスロット（１４）を有するファンハブ（１２）と、スロット内に配置された１つまたは複数のファンブレードと、を含む。１つまたは複数のスロット（１６）は、ＲZ'基準線を有するとともに１つまたは複数の第２のファンブレード（２０）が配置されており、他のスロットの組はＲZ基準線を有するとともに１つまたは複数の第１のファンブレードが配置されている。第２のファンブレード先端部は、第１のファンブレード先端部よりもファンハブ（１２）から離れた距離に配置され、ターボファンエンジンに実装された場合にコインシデンスを回避できる。【選択図】図４
2007032565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンブレードを受け入れるようにそれぞれ設計された１つまたは複数のスロットを含むファンハブと、
前記スロットに配置された１つまたは複数の前記ファンブレードと、を含み、
前記スロットの１つまたは複数は、１つまたは複数の第２のファンブレードに対応するＲZ'基準線を有し、この第２のファンブレードは、ＲZ基準線を有する１つまたは複数のスロットに配置された１つまたは複数の第１のファンブレードの第１のファンブレード先端部よりも前記ファンハブから離れた距離に配置された第２のファンブレード先端部を有することを特徴とするコインシデンスを回避できるファンロータ。
【請求項２】
ＲZ'基準線とＲZ基準線との差が、ΔＲZであることを特徴とする請求項１記載のファンロータ。
【請求項３】
前記１つまたは複数のファンブレードの全てが、等しいファンブレード長さを有することを特徴とする請求項１記載のファンロータ。
【請求項４】
一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードを有するファンハブを含み、これらの一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードは、第１のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第１のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第２のファンブレードと、を有し、第２のファンブレード先端部位置は、第１のファンブレード先端部位置よりも前記ファンハブから離れた距離に位置していることを特徴とするコインシデンスを回避できるファンロータ。
【請求項５】
第１のファンブレードは、第１のファンブレード長さを有し、第２のファンブレードは、第２のファンブレード長さを有し、第２のファンブレード長さが第１のファンブレード長さよりも大きいことを特徴とする請求項４記載のファンロータ。
【請求項６】
前記ファンハブと前記１つまたは複数の一体に設けられたファンブレードは、単一のタービンエンジン部品を構成していることを特徴とする請求項４記載のファンロータ。
【請求項７】
１つまたは複数のファンブレードが内部に配置されたファンハブを含み、これらの１つまたは複数のファンブレードは、第１のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第１のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置まで短く機械加工された１つまたは複数の第２のファンブレードと、を有し、第１のファンブレード先端部位置は、第２のファンブレード先端部位置よりも前記ファンハブから離れた距離に位置していることを特徴とするコインシデンスを回避できるファンロータ。
【請求項８】
前記１つまたは複数のファンブレードは、前記ファンハブと一体に設けられていることを特徴とする請求項７記載のコインシデンスを回避できるファンロータ。
【請求項９】
前記１つまたは複数のファンブレードは、前記ファンハブの１つまたは複数のスロット内に配置されていることを特徴とする請求項７記載のコインシデンスを回避できるファンロータ。
【請求項１０】
１つまたは複数のファンブレードを受け入れることができる１つまたは複数のスロットを含むファンハブと、
前記１つまたは複数のファンブレードの一部分にわたって配置されたファンプラットフォームと、を含み、
前記ファンプラットフォームと嵌合する１つまたは複数のファンブレードは、前記ファンプラットフォームを有していない１つまたは複数のファンブレードのファンブレード先端部よりも前記ファンハブから離れた距離まで外向きに突出するファンブレード先端部を有することを特徴とするコインシデンスを回避できるファンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にファンロータに関し、特にコインシデンスを回避できるファンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新式の商業用エンジン構造は、単一のエアフォイル列として、空力的湾曲ベーンとファン収容ケーシングなどの外側ケースの支持に使用される構造的ストラットとを組み合わせて用いている。この構造は、音響的な理由でファンブレード数に対してかなり多くの数のエアフォイルを使用する。多数の構造的エアフォイルが外側ケースを支持するので、このエンジンの軸方向ステーションにおいて均一な剛性が生じる。
【０００３】
ケースが均一な剛性構造体によって支持される場合には、低から高の節直径を有する振動モードを示す傾向がある。１つまたは複数のこれらの振動モードは、ロータの対応する節直径パターンと同じ周波数を有し、かつロータが先端アブレイダブル装置と接触している場合には、コインシデンスが起こる可能性を増加させるおそれがある。このような事態は、コインシデンスまたはコインシデンス事態と呼ばれている。コインシデンス事態は、摩擦接触によるエネルギ伝達がロータとケースとの相互作用の振幅を増大し続ける場合に起こりうる。
【０００４】
従来技術ではケースの厚さ分布すなわち厚さプロファイルを変更することによって、動作範囲外となるようにケースモードを調整している。これは、必要な重量の追加を考えると、モードによっては実際的でない。この場合には、コインシデンスを防止する一般的な方法は、ファンの先端部クリアランスを広げることである。ファンの先端部クリアランスを広げることは、コインシデンス事態を発生させうる３６０°にわたる摩擦接触を防止する。コインシデンスが起こるのを防ぐために、ファンの摩擦接触が９０°よりも大きくならないように、すなわち困難な公差を積み重ねた条件や全ての起こりうる現場事故を想定してファンの先端部クリアランスが広げられる。典型的に、この先端部クリアランスの増加は、ファンブレードの効率を１％程度下げるとともに、推力のための燃料消費を０．５〜０．６％増加させ、これによりエンジン燃料の燃焼がかなり増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、ファンブレードの効率を犠牲にすることなく、コインシデンスの回避に対処するファンロータが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、コインシデンスを回避できるファンロータは、ファンブレードを受け入れるようにそれぞれ設計された１つまたは複数のスロットを有するファンハブと、これらのスロット内に配置された１つまたは複数のファンブレードと、を含み、スロットの１つまたは複数は、１つまたは複数の第２のファンブレードに対応するＲZ'基準線を有し、この第２のファンブレードは、ＲZ基準線を有する１つまたは複数のスロット内に配置される１つまたは複数の第１のファンブレードの第１のファンブレード先端部よりもファンハブから離れた距離に配置された第２のファンブレード先端部を有する。
【０００７】
また、本発明によれば、コインシデンスを回避できるファンロータは、一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードを有するファンハブを含み、これらの一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードは、第１のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第１のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第２のファンブレードと、を含み、第２のファンブレード先端部位置は、第１のファンブレード先端部位置よりもファンハブから離れた距離に位置する。
【０００８】
さらに、本発明によれば、コインシデンスを回避できるファンロータは、１つまたは複数のファンブレードが内部に配置されたファンハブを含み、これらの１つまたは複数のファンブレードは、第１のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第１のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置に短く機械加工された１つまたは複数の第２のファンブレードと、を含み、第１のファンブレード先端部位置は第２のファンブレード先端部位置よりもファンハブから離れた距離に位置する。
【０００９】
さらにまた、本発明によれば、コインシデンスを回避できるファンロータは、１つまたは複数のファンブレードを受け入れることができるファンハブと、１つまたは複数のファンブレードの一部分にわたって配置されたファンプラットフォームと、を含み、ファンプラットフォームと嵌合する１つまたは複数のファンブレードは、ファンプラットフォームを有していない１つまたは複数のファンブレードのファンブレード先端部よりもファンハブから離れた距離まで外向きに突出するファンブレード先端部を有する。
【００１０】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および実施形態に記載されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
コインシデンス（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）を回避できるファンロータは、一般に、ファンブレードを受け入れるようにそれぞれ設計された１つまたは複数のスロットを含むファンハブを有する。スロットの一部は、ＲZ基準線を有するスロットを含み、スロットの他の部分はＲZ'基準線を有するスロットを含む。結果的に生じる差（ΔＲZ）は、ファンブレードの部分に移り、ＲZ'基準線を有するスロットに配置されたブレードは、ＲZ基準線を有するスロットに配置された残りのファンブレードよりもファンハブから離れた位置に設けられたブレード先端部を有する。これにより、第２のファンブレード先端部は、エンジンおよびファンロータを同軸状に囲むエンジンケーシングの内側に沿って配置されたアブレイダブル材料に接触または摩擦接触（ｒｕｂ）する。
【００１２】
コインシデンスは、ロータおよびケースの振動モードが同じ周波数を有し、かつ全周にわたって摩擦接触があるときに発生するおそれがある。摩擦接触時には、ロータからケースまたはケースからロータにエネルギが伝達される。全周にわたる摩擦接触は、全てのロータブレード対ケースのクリアランスが均一なときに最大のエネルギ伝達の可能性を有する。不安定なコインシデンス事態は、全周にわたる摩擦接触がロータブレードとケースとの相互作用の振幅を増大し続けるときに生じる。ここで説明するファンロータの実施例の１つを使用するときには、ロータブレードとケースとの間の断続的な接触がエネルギ伝達を最少化する。よって、ロータとケースとの相互作用の振幅が増大されることなく、コインシデンス事態を回避できる。
【００１３】
主に図１，図２を参照すると、ガスタービンエンジンのエンジンケーシングに収容されたファンロータに取り付けられたファンブレードの断面図が示されている。ファンブレード２は、ファンロータ４内に配置されるとともに、ブレード先端部６がエンジンケーシングの内側に同軸状に設けられたアブレイダブル材料８に近接して配置されるよう取り付けられる。
【００１４】
続いて、主に図３，図４を参照すると、本発明のファンロータ１０のファンハブ１２が示されている。ファンハブ１２は、ファンハブ１２の周囲と同軸状に配置され、かつファンハブ１２の周囲に一体に形成された１つまたは複数のスロット１４を含む。１つまたは複数の第１のファンブレード（図示省略）および第２のファンブレード２０は、１つまたは複数のスロット１４に配置される。１つまたは複数のスロット１４の一部は、第２のファンブレード２０の根部１８を受け入れるように設計されたスロット１６を含む。図３のＸ−Ｙ−Ｚ基準系では、Ｚ平面がエンジンの中心線から径方向外向きに延在する。スロット１６は、当業者には分かるように、径方向に移動させたＺ平面を含むように構成することができる。径方向の移動ΔＲZは、以下の式によって表される。
［数１］ΔＲZ＝ＲZ−ＲZ'
ここで、ΔＲZはＺ平面内の移動した基準線と、基準線と、の差であり、ＲZはスロットのＺ平面内の基準線であり、ＲZ'はスロットのＺ平面内の移動した基準線である。スロットの一部であるスロット１４は、基準線ＲZを有するスロットを含み、スロットの一部であるスロット１６は、基準線ＲZ'を有するスロットを含む。結果的に生じる差（ΔＲZ）は、第２のファンブレード２０に移り、これらの第２のファンブレード２０は、第１のファンブレードの第１のファンブレード先端部（図示省略）よりもファンハブ１２から離れて配置された第２のブレード先端部（図示省略）を有する。これにより、第２のファンブレード先端部は、エンジン（図示省略）とファンロータ１０を同軸状に囲むエンジンケーシング（図示省略）の内側に沿って設けられたアブレイダブル材料に接触または摩擦接触する。第２のファンブレード先端部とアブレイダブル材料との断続的な接触、または断続的な摩擦接触、または単純に“摩擦接触”は、ファンロータ１０とエンジンケーシングとの間の振動モードを減少させる。結果として、摩擦接触によって伝達されるエネルギは、ファンロータとエンジンケーシングとの間の相互作用を増大せず、３つのすべての振動周波数のコインシデンスが減少および／または回避される。
【００１５】
次に図５を参照すると、他の実施例において、コインシデンスを回避できるファンロータは、１つまたは複数のファンブレードを受け入れ可能な１つまたは複数のスロット３２を含むファンハブ３０を有する。ファンプラットフォーム３６が、１つまたは複数の第２のファンブレード３４の一部分にわたって配置される。ファンプラットフォーム３６と嵌合する第２のファンブレード３４は、第２のファンブレード先端部（図示省略）を有し、この第２のファンブレード先端部は、ファンプラットフォーム３６と嵌合しない残りのファンブレードの他のファンブレード先端部（図示省略）よりもファンハブ３０から離れた距離まで外側に突出している。ここでも、第２のファンブレード先端部は、エンジン（図示省略）とファンロータを同軸状に囲むエンジンケーシング（図示省略）の内側に沿って設けられたアブレイダブル材料（図示省略）と摩擦接触する。第２のファンブレード先端部とアブレイダブル材料との断続的な接触、または断続的な摩擦接触、または単純に“摩擦接触”は、ファンロータ１０とエンジンケーシングとの間の振動モードを減少させる。結果として、摩擦接触によって伝達されるエネルギは、ファンロータとエンジンケーシングとの間の相互作用を増大せず、３つのすべての振動周波数のコインシデンスが減少および／または回避される。
【００１６】
また他の実施例では、コインシデンスを回避できるファンロータは、一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードを含むファンハブを有する。この実施例では、ファンハブおよびブレードは、単一のタービンエンジン部品を構成する。一体に設けられた１つまたは複数のファンブレードは、第一のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第一のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第２のファンブレードと、を含む。第２のファンブレード先端部位置は、第１のファンブレード先端部位置よりもファンハブから離れた距離に位置する。ファンハブのスロットの製造を変更するのではなく、第２のファンブレードは、第１のファンブレードの第１のファンブレード長さよりも大きい第２のファンブレード長さを有する。ここでも、第２のファンブレード先端部は、エンジン（図示省略）とファンロータを同軸状に囲むエンジンケーシング（図示省略）の内側に沿って設けられたアブレイダブル材料（図示省略）と摩擦接触する。第２のファンブレード先端部とアブレイダブル材料との断続的な接触、または断続的な摩擦接触、または単純に“摩擦接触”は、ファンロータ１０とエンジンケーシングとの間の振動モードを減少させる。結果として、摩擦接触によって伝達されるエネルギは、ファンロータとエンジンケーシングとの間の相互作用を増大せず、３つのすべての振動周波数のコインシデンスが減少および／または回避される。
【００１７】
さらに他の実施例では、コインシデンスを回避できるファンロータは、１つまたは複数のファンブレードが配置されたファンハブを含む。これらの１つまたは複数のファンブレードは、第一のブレード先端部位置を有する１つまたは複数の第１のファンブレードと、第２のファンブレード先端部位置まで短く機械加工された１つまたは複数の第２のファンブレードと、を含む。第２のファンブレードは、第１のファンブレード長さよりも短く機械加工される。これにより、第１のファンブレード先端部位置は、第２のファンブレード先端部位置よりもファンハブから離れた距離に位置する。ここでは、第１のファンブレード先端部が、エンジン（図示省略）とファンロータを同軸状に囲むエンジンケーシング（図示省略）の内側に沿って設けられたアブレイダブル材料（図示省略）と摩擦接触する。第１のファンブレード先端部とアブレイダブル材料との断続的な接触、または断続的な摩擦接触、または単純に“摩擦接触”は、ファンロータ１０とエンジンケーシングとの間の振動モードを減少させる。結果として、摩擦接触によって伝達されるエネルギは、ファンロータとエンジンケーシングとの間の相互作用を増大せず、３つのすべての振動周波数のコインシデンスが減少および／または回避される。
【００１８】
本明細書で説明した種々の実施例のファンロータは、振動周波数モードのコインシデンスが起こるのを防止および／または回避するだけでなく、タービンエンジンの効率および性能を向上させる。上述したように、コインシデンスを防止する従来の方法は、ファン先端部クリアランスを完全に空けることである。しかし、この方法はファンブレード効率を１％程度低下させ、推力のための燃料消費を０．５〜０．６％損失させる。対照的に、ここで説明したファンロータは、ファン先端部クリアランスを空けることを必要としない。ファンブレード効率に与えると推定される影響は約０．２％である。ここで説明したファンロータは、１％の実際の損失と比べた場合に最終的にファンブレード効率を約０．８％増加させる。
【００１９】
ここで説明および開示した実施例は、単に本発明の好適実施例を示すとともに、形態、寸法、部品構成、および動作の詳細が変更可能であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明は、むしろ請求項の趣旨および範囲内の全ての改良を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】エンジンケーシングに収容されたガスタービンエンジンのファンロータに取り付けられたファンブレードの説明図である。
【図２】ブレード先端部のアブレイダブル材料に対する配置を示す、図１の部分拡大図である。
【図３】本発明のファンハブの説明図である。
【図４】図３のファンハブのスロット内に配置された第２のファンブレードの説明図である。
【図５】ファンハブのスロット内に配置されるとともに、ファンプラットフォームによって定位置に固定されたファンブレードの説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１２…ファンハブ
１４，１６…スロット
１８…根部
２０…第２のファンブレード
【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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