(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータ及びそのブレード内での望ましくない周波数振動を防止するファンロータを提供する。【解決手段】航空機環境制御システムのラムファンのファンロータ３００が提供される。ロータ３００は、中心軸３０６と、軸３０６から中央ボディ３０２の縁部３０８までの距離として定義された第１の半径方向距離３１６を有した半径と、を画定する中央ボディ３０２を備える。複数のファンブレード３１０が、中央ボディ３０２の縁部３０８から、軸３０６からブレード３１０の先端部３１４までの距離として定義された第２の半径方向距離３１８に半径方向に延びる。シュラウド３２０が、ブレード３１０の各々の間に延び、ブレード３１０の各々を結合する。シュラウド３２０は、第１の距離３１６よりも大きい軸３０６からの半径方向距離に配置され、作動中のロータ３００の振動を調和させないように構成された調和特徴部３２１ａ，３２１ｂを備える。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸と、前記中心軸から中央ボディの縁部までの距離として定義された第１の半径方向距離を有した半径と、を画定する中央ボディと、
前記中央ボディの前記縁部から、前記中心軸からファンブレードの先端部までの距離として定義された第２の半径方向距離に半径方向に延びる複数のファンブレードと、
前記第１の半径方向距離よりも大きい前記中心軸からの半径方向距離に配置され、前記複数のファンブレードの各々の間で周方向に延びるとともに、前記複数のファンブレードの各々を結合するシュラウドと、
を備え、
前記シュラウドは、作動中のファンロータの振動を調和させないように構成された１つまたは複数の調和特徴部を有することを特徴とする航空機環境制御システムのラムファンのファンロータ。
【請求項２】
前記シュラウドの配置の半径方向距離は、前記第２の半径方向距離に等しいことを特徴とする請求項１に記載のファンロータ。
【請求項３】
前記１つまたは複数の調和特徴部は、前記シュラウドの周方向の大きさの周囲に、前記シュラウドの変化する半径方向の厚さを画定することを特徴とする請求項１または２に記載のファンロータ。
【請求項４】
前記１つまたは複数の調和特徴部は、前記シュラウドの周方向の大きさの周囲に、前記シュラウドの変化する軸方向厚さを画定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のファンロータ。
【請求項５】
前記シュラウドの周方向の大きさの周囲における前記変化する軸方向厚さは、厚さの繰り返しの波形パターンを画定することを特徴とする請求項４に記載のファンロータ。
【請求項６】
前記シュラウドは、半径方向に、約０．０４０インチ（約１．０１６ｍｍ）と約０．４００インチ（約１０．１６ｍｍ）との間の厚さを画定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のファンロータ。
【請求項７】
前記中央ボディは、空気循環機械の一部に作用的に取り付けるように構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のファンロータ。
【請求項８】
前記空気循環機械は、航空機の環境制御システムの一部であることを特徴とする請求項７に記載のファンロータ。
【請求項９】
ファンロータの材料を提供するステップと、
中心軸と、前記中心軸から中央ボディの縁部までの距離として定義された第１の半径方向距離を有した半径と、を画定する前記ファンロータの前記中央ボディを、前記材料から形成するステップと、
前記中央ボディの前記縁部から、前記中心軸からファンブレードの先端部までの距離として定義された第２の半径方向距離に半径方向に延びる複数のファンブレードを形成するように、材料を取り除くステップと、
前記第１の半径方向距離よりも大きい前記中心軸からの半径方向距離に配置され、前記複数のファンブレードの各々の間で周方向に延びるとともに、前記複数のファンブレードの各々を結合するシュラウドを形成するステップと、
作動中の前記ファンロータの振動を調和させないように構成された１つまたは複数の調和特徴部を、前記シュラウドに形成するステップと、
を含む、空気循環機械のファンロータの製造方法。
【請求項１０】
前記シュラウドは、前記第２の半径方向距離に等しい半径方向距離に形成されることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の調和特徴部は、前記シュラウドの周方向の大きさの周囲に、変化する半径方向厚さを有して形成されることを特徴とする請求項９または１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の調和特徴部は、前記シュラウドの周方向の大きさの周囲に、変化する軸方向厚さを有して形成されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１３】
前記シュラウドの周方向の大きさの周囲における前記変化する軸方向厚さは、厚さの繰り返しの波形パターンを画定することを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記シュラウドは、半径方向に、約０．０４０インチ（約１．０１６ｍｍ）と約０．４００インチ（約１０．１６ｍｍ）との間の厚さを有して形成されることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１５】
前記中央ボディが、空気循環機械の一部に作用的に取り付けるように形成されることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ファンロータの分野に関し、特に、シュラウド付きファンロータに関する。
【０００２】
また、本発明は、一般に、環境制御システムに関する。特に、航空機の環境制御システムのラム空気ファンアッセンブリと、このアッセンブリのファンロータに関する。
【背景技術】
【０００３】
航空機に搭載された環境制御システム（ＥＣＳ）は、調節された空気を航空機キャビンに提供する。調節された空気は、航空機の乗客の快適性及び安全性に対して望ましい温度、圧力及び湿度とされた空気である。地上またはその近くにおいては、外気の温度及び／または湿度は、十分に高くなっていることが多いので、空気は、航空機キャビンへの供給前に、調節プロセスの一部として冷却されなければならない。飛行高度では、外気は、望ましい温度よりも非常に低くなっていることが多いが、低圧下にあっては、外気は、調節プロセスの一部として、許容可能な圧力へ加圧されなければならない。飛行高度における外気の加圧により、結果として圧縮された空気が十分に加熱されるため、外気は、外気温度が非常に低くとも、冷却されなければならない。従って、多くの状況では、空気が航空機キャビンへ供給される前に、熱が、環境制御システムによって空気から除去されなければならない。熱が空気から除去されるとき、熱は、環境制御システムへと流入する別個の空気流中に環境制御システムによって放散され、環境制御システムの熱交換器を横切り、そして、空気と共に過剰な熱を運びながら、航空機の外部に排出される。航空機が十分に高速である条件においては、航空機内へと押し込まれる空気の圧力は、環境制御システムを通して、さらに熱交換器にわたって十分な空気を移動させ、過剰な熱を除去するのに十分である。
【０００４】
通常の飛行条件下ではラム空気は順調に機能するが、低速飛行、あるいは航空機が地上にある場合、ラム空気圧が低すぎて、環境制御システムで十分に除熱を行うために熱交換器を横切る十分な空気流れを提供することができないことがある。これらの条件下では、環境制御システムの熱交換器を横切る必要な空気流れを提供するために、環境制御システム内のファンが使用される。このファンは、ラム空気ファンと呼ばれている。
【発明の概要】
【０００５】
一実施例によれば、航空機環境制御システムのラムファンのファンロータが提供される。ファンロータは、中心軸と、前記中心軸から中央ボディの縁部までの距離として定義された第１の半径方向距離を有した半径と、を画定する中央ボディを備えている。複数のファンブレードが、前記中央ボディの前記縁部から、前記中心軸からファンブレードの先端部までの距離として定義された第２の半径方向距離まで半径方向に延びる。シュラウドが、前記複数のファンブレードの各々の間で周方向に延びるとともに、前記ファンブレードの各々を結合する。前記シュラウドは、前記第１の半径方向距離よりも大きい前記中心軸からの半径方向距離に配置され、作動中のファンロータの振動を調和させないように構成された１つまたは複数の調和特徴部を備えている。
【０００６】
他の実施例によれば、空気循環機械のファンロータの製造方法が提供される。この方法は、ファンロータの材料を提供するステップと、中心軸と、前記中心軸から中央ボディの縁部までの距離として定義された第１の半径方向距離を有した半径と、を画定する前記ファンロータの前記中央ボディを、前記材料から形成するステップと、前記中央ボディの前記縁部から、前記中心軸からファンブレードの先端部までの距離として定義された第２の半径方向距離に半径方向に延びる複数のファンブレードを形成するように、材料を除去するステップと、前記第１の半径方向距離よりも大きい前記中心軸からの半径方向距離に配置され、前記複数のファンブレードの各々の間で周方向に延びるとともに、前記複数のファンブレードの各々を結合するシュラウドを形成するステップと、作動中の前記ファンロータの振動を調和させないように構成された１つまたは複数の調和特徴部を、前記シュラウドに形成するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の技術的な特徴は、シュラウドを有したラム空気ファンロータを備えており、このファンロータは、サージの発生中の故障または損傷を防止するように、向上した構造的安定性及び強度をファンロータに提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例を使用し得る航空機のラム空気ファンユニットを示す概略図である。
【図２】従来技術のファンロータを示す概略図である。
【図３Ａ】本発明の例示的な実施例に従うファンロータを示す概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのファンロータの概略的な部分図である。
【図３Ｃ】図３Ａのファンロータの別の概略的な部分図である。
【図４】本発明の例示的な実施例のファンロータの製造プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、ファンロータ１００を有したラム空気ファン１０１を示す概略図である。ラム空気ファン１０１は、航空機内に構成されており、ラム空気ファン１０１を通流し航空機の外部へと排出されるファン流れを形成するようにして回るまたは回転するファンロータ１００の作動によって、加熱された空気を追い出すように使用され得る。ファンロータ１００は、軸１０６を中心に回転するように構成されている。ラム空気ファン１０１は、空気循環機械の一部及び／または航空機の環境制御システムの一部として構成され得る。環境制御システムは、空気または電気によって駆動され得る。
【００１０】
図２を参照すると、従来のファンロータ２００を示す概略図が示されている。ファンロータ２００は、実質的に円形の中央ボディ２０２から形成されており、該中央ボディ２０２は、中心軸２０６を中心として中央ボディ２０２を貫通する開口部２０４と、縁部２０８と、を有している。複数のファンブレード２１０が、基部２１２から始まり自由端、すなわち先端部２１４まで延びるようにして、縁部２０８から半径方向に延びるように構成されている。中央ボディ２０２は、図１のラム空気ファン１０１のように、開口部２０４を通して、さらに中心軸２０６を中心として、回転可能なシャフト（図示せず）に取り付けられる、または他の回転可能な構成要素（図示せず）に作用的に結合されるように構成されている。
【００１１】
第１の半径方向距離２１６は、ファンロータ２００の中心軸２０６から中央ボディ２０２の縁部２０８までの半径方向距離として定義される。従って、中央ボディ２０２は、一般に、半径２１６を有した円形またはディスク状の形状を画定する。第２の半径方向距離２１８は、中心軸２０６からブレード先端部２１４までの半径方向距離として定義される。従って、ファンブレード２１０の長さは、第２の距離から第１の距離を減算したものである。
【００１２】
ファンロータ２００は、図１に示すような航空機環境制御システムのラム空気ファンとして作動するように構成され得るが、当業者は、ファンロータ２００を、他の装置で作動するように構成することができることを理解するであろう。ファンロータ２００は、比較的製造しやすく、航空機産業では広く使用されている。
【００１３】
上述したように、ファンブレード２１０は、先端部２１４に自由端を有しており、従って、ブレードの端部が自由に浮動しており、振動及び応力にさらされ易くなっている。例えば、作動中の応力により、ファンブレード２１０は、サージの発生中に故障することがある。システム内のファンの上流での閉塞があるとき、例えば、航空機の環境制御システム内の部分的に閉塞された熱交換器で、サージが発生することがあり、これにより、システム内の応力が増加し得る。したがって、ファンロータ２００にかかる応力が増加し、特に、ファンブレード２１０にかかる応力が増加し、これにより、ファンブレード２１０の故障、損傷または破断が生じることがある。
【００１４】
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃを参照すると、本発明の例示的な実施例に従うファンロータ３００が示されている。図３Ａに示すように、ファンロータ３００は、図２のファンロータ２００と同様の構成を有しており、従って、同様の特徴は、同様の符号を用いて示されているが、「２」ではなく「３」が前に置かれる。従って、ファンロータ３００は、実質的に円形の中央ボディ３０２を備えており、該中央ボディ３０２は、この中央ボディ３０２の縁部３０８から半径方向に延びる複数のファンブレード３１０を備えている。図３Ａから図３Ｃの実施例においては、図２のファンロータ２００とは対照的に、ファンロータ３００は、シュラウド３２０を有しており、該シュラウド３２０は、ファンロータ３００の周囲で周方向に延びるとともに、ファンブレード３１０の各々を結合する。例えば、シュラウド３２０は、ファンブレード３１０と同じ材料から形成されており、ファンブレード３１０の各々を堅固に結合し得る。いくつかの実施例では、ファンロータ３００および他の構成／実施例は、例えば、航空機の環境制御システムのラムファンとして使用されてもよく、また、空気循環機械及び／または電動ラムファン用のファンロータを構成してもよい。
【００１５】
図３Ａに示すように、シュラウド３２０は、中心軸３０６からの距離３１８で配置されている。つまり、図示したように、シュラウド３２０は、ブレード３１０の先端部３１４に配置されており、ファンロータ３００の各ブレード３１０の各先端部３１４を堅固に結合する。しかし、当業者は、シュラウド３２０の半径方向の配置が、半径方向距離３１８での配置とされる必要がないことを理解するであろう。例えば、いくつかの実施形態では、シュラウド３２０は、第１の距離３１６と第２の距離３１８との間の半径方向の距離である第３の距離で配置され、ファンロータ３００の各ブレード３１０が結合されるようにファンロータ３００の周囲で周方向に延びていてもよい。
【００１６】
さらに、いくつかの実施形態では、シュラウド３２０は、その構造及び／または構成において均一である必要はない。例えば、図３Ａから図３Ｃに示すように、シュラウド３２０は、１つまたは複数のインペラ調和特徴部（ｉｍｐｅｌｌｅｒ  ｔｕｎｉｎｇ  ｆｅａｔｕｒｅ）３２１ａ，３２１ｂを備える。図３Ａから図３Ｃに示すように、インペラ調和特徴部３２１ａ，３２１ｂは、窪み部、つまりシュラウド３２０の軸方向形状から取り除かれた材料として構成されている。このような形状は、繰り返しパターンとして設けられても良く、または他の方法で構成されても良い。例えば、図示したように、インペラ調和特徴部３２１ａ，３２１ｂは、シュラウド３２０の（軸方向に）両側に形成される。調和特徴部３２１ａ，３２１ｂにより、シュラウド３２０の軸方向厚さの種々の部分が変化することが可能となる。軸方向厚さの変化は、作動中のファンロータ３００の不調和（ｍｉｓｔｕｎｉｎｇ）を生じさせ得る。特に、シュラウド３２０の軸方向厚さの非対称は、ファンブレード３１０の各々の振動が同時に生じないことを保証することができ、従って、ファンロータ３００が単一周波数で振動することを防止することができる。
【００１７】
図３Ａから図３Ｃの実施例においては、調和特徴部３２１ａは、調和特徴部３２１ｂよりも円周方向に大きくなっている。調和特徴部の構成、形状、寸法、外形、厚さ等は、特定の用途に対して最適化され得るものであり、従って、本発明は、限定されるものではない。例えば、調和特徴部について、調和特徴部の全てを同様または同一のものとする、ロータの軸方向の一方側のみに配置する、半径方向の厚さを変化する、航空力学的な形状を形成する、突出部として軸方向に延びる等、を行うことができる。よって、当業者は、本発明の調和特徴部が、本発明の説明によって限定されないことを理解するであろう。
【００１８】
他の例として、シュラウドの調和特徴部の半径方向厚さが、使用または工学の要求に応じて変化してもよい。半径方向により厚くなろうと、または軸方向により厚くなろうと、より厚いシュラウドは、より多くの材料と、ファンブレード間の剛性と、を提供することになる。しかし、追加の材料は、ファンロータにより多くの重量を付加することになり、従って、特定のファンロータの設計及びニーズに応じて、トレードオフが生じ得る。いくつかの実施例では、シュラウドの半径方向及び／または軸方向の厚さが、調和特徴部を形成するように変化し得る。変化する軸方向厚さを有するいくつかの実施例では、調和特徴部は、シュラウドの円周に沿った波形の形態または外径を有して形成され得る。いくつかの実施例では、調和特徴部の外径または形状は、繰り返しパターンまたは波形パターンを有して構成され得る。例えば、調和特徴部は、シュラウドの円周の周囲の波形パターンまたは周波数として形成され得るものであり、周波数パターンが、シュラウドの軸方向厚さを画定する。
【００１９】
例えば、図３Ｃを参照すると、シュラウド３２０は、距離３１８に半径方向位置を有して示されており、軸方向厚さ３２２を有している。軸方向厚さ３２２は、図３Ｃに示すように、調和特徴部３２１ａ，３２１ｂを有していない箇所において実質的に均一な厚さであり、この均一な厚さで、最外縁部でブレード先端部３１４の軸方向長さとなるように構成されている。また、半径方向厚さ３２４については、シュラウド３２０の円周全体を通して、厚さが実質的に均一となり得る。しかし、上述したように、種々の代替的な実施例は、半径方向厚さ及び／または軸方向厚さにおいて、種々の箇所で、変化する厚さを有することができる。いくつかの実施例では、シュラウド３２０の半径方向厚さ３２４は、約９．０インチ（約２２８．６ｍｍ）のロータファン３００に対して、つまり第２の距離２１８が約９．０インチ（約２２８．６ｍｍ）であるのに対して、約０．１インチ（約２．５４ｍｍ）とされ得る。変化する厚さを有するいくつかの実施例では、シュラウドは、半径方向厚さ、例えば約０．０４０インチ（約１．０１６ｍｍ）から約０．４００インチ（約１０．１６ｍｍ）の範囲の半径方向厚さを有することができる。
【００２０】
有利なことに、シュラウドに形成された周波数パターンを有した調和特徴部を備えてなる実施例においては、半径方向または軸方向のいずれに対しても、作動中のファンロータの不調和が提供される。特に、シュラウドの厚さの非対称は、ファンブレードの各々の振動が同時に生じないことを保証することができ、従って、ファンロータが単一周波数で振動することを防止することができる。このような振動はブレードに付加的な応力をかける及び／またはブレードの故障を生じさせ得るので、単一周波数での振動を防止することは有利である。重量がファンロータの周囲に非対称に分布されているので、単一の周波数は、部分的に防止される。従って、ファンロータのファンブレードの各々を結合することによって構造的な強化を提供しながら、ロータ及びそのブレード内での望ましくない周波数振動を防止するように厚さの変化を構成することができる。
【００２１】
図４を参照すると、本発明の例示的な実施例に従うファンロータの製造プロセス４００が示されている。ステップ４０２において、ミーリング、機械加工、鍛造等のために棒状または同様の原料（ｓｔｏｃｋ）を提供する。ステップ４０４において、選択的及び／または望ましい処理によって中央ボディを形成し、これにより、上述のように、第１の距離に中央プレートが残される。第１の距離と第２の距離との間には、ファンロータのブレードを形成するように作る必要がある材料からなる固体のシートがある。
【００２２】
ステップ４０６において、ファンブレードを形成するために、中心軸から中央ボディの縁部までの距離として定義された第１の距離と、中心軸からファンロータの外側リム、すなわち、ファンブレード先端部までの距離として定義された第２の距離との間で、既知の方法によって原料から材料を取り除く。ステップ４０８において、ファンロータにシュラウドを形成する。シュラウドは、第２の距離に（すなわち、ファンブレードの終端縁部に）、または第１の距離と第２の距離との間にある第３の距離に形成され得る。ステップ４１０において、シュラウドは、半径方向、軸方向及び／または周方向で変化可能な厚さを有するように、つまり１つまたは複数の調和特徴部を形成するように、シュラウドを修正する。従って、プロセス４００により、シュラウドがファンブレードの各々を結合し、さらに、調和特徴部がシュラウドの一部として形成される図３Ａから図３Ｃに示されたファンロータと同様のファンロータを形成することができる。
【００２３】
プロセス４００は、一連のステップとして説明されているが、当業者は、ステップの順序が、上記のものに限定されないことを理解するであろう。例えば、機械加工が、全て一度に行われても良く、従って、ステップ４０４〜４１０は、本発明の範囲を逸脱することなく、同時に行われても良い。さらに、いくつかの実施例では、ステップは、上述のものとは異なる順序で実行されても良く、または、ステップの種々の副組合せ（ｓｕｂ−ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が、本発明の範囲を逸脱することなく、同時に実行されてもよい。
【００２４】
有利なことに、本発明の種々の実施例に従って、シュラウド付きファンロータは、サージの発生中に周期的な応力を著しく減少させることができ、これにより、ファンロータの寿命が延長され、さらに、ファンロータの点検および保守の実施の必要性が低減される。特に、本発明の実施例は、ファンロータへの損傷なしに、サージの発生に耐えることが可能なファンロータを提供することができる。
【００２５】
さらに、有利なことに、シュラウドを設けることは、ファンロータの重量を増加させ、ファンロータの作動モードの周波数を、ファン作動速度範囲から押し出すことができる。例えば、シュラウドの付加は、重量及び構造的完全性により、ファンロータを、従来のファンロータよりも高速で作動させることを可能にし得る。
【００２６】
さらに、有利なことに、本発明の種々の実施例に従って、シュラウドの構造を変化させることにより、追加的及び／または代替的な利点を提供することができる。例えば、軸方向厚さまたは半径方向厚さのいずれに関しても、シュラウドの形状に周波数パターンを設けることによって、ファンロータの不調和により、ブレード及び／またはロータファンに損傷が生じる可能性がある特定の周波数でのロータの作動を、防止することができる。
【００２７】
限られた数の実施例のみと組み合わせて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、開示した上記の実施例に限定されないことを理解されたい。むしろ、これまで説明されていないが本発明の真意及び範囲に相応する任意の数の変更、代替物、代用物または同等の配置を組み込むように、本発明を修正することができる。さらに、本発明の種々の実施例を説明してきたが、本発明の態様は、説明された実施例及び／または特徴のいくつかのみを有しても良いことを理解すべきである。
【００２８】
例えば、図３Ａから図３Ｃでは、シュラウドがファンロータの外径部に位置しているが、当業者は、種々の実施例が、ブレードの各々を結合したままで、シュラウドの位置が、外径部よりも小さい中心軸からの半径方向距離でのシュラウドの配置を有することができることを理解するであろう。さらに、本発明の実施例に従うシュラウド付きファンロータを形成するプロセスは、材料からなる単一の原料からファンロータ全体を形成することを含んでいたが、これは、単に例示であって、これによって本発明が限定されることはない。例えば、各々のブレードは、形成時にブレードとは別個のものである中央ボディに、形成され、溶接され、または他の方法で結合されても良い。さらに、例えば、シュラウドは、本発明の範囲から逸脱することがないままで、上述したものと同様な利点を提供するように、ファンロータのブレードに溶接され、または他の方法で結合されても良い。
【００２９】
従って、本発明は、前述の説明によって限定されるとは見なすべきでなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるのみである。
【図１】
2016138555.tif 000003
【図２】
2016138555.tif 000004
【図３Ａ】
2016138555.tif 000005
【図３Ｂ】
2016138555.tif 000006
【図３Ｃ】
2016138555.tif 000007
【図４】
2016138555.tif 000008