(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファン（１２）から所定の半径方向の異常荷重が伝わった時に、剪断応力により破壊する寸法に作られた、ヒューズ帯状部（４６）により円周方向に互いに間隔を置いて配置されたヒューズ孔（４４）の列を有するリング（３８）を含み、
前記リング（３８）は、円筒形であり、また前記帯状部（４６）により環状の後部セクション（３８ｂ）に軸方向に結合された環状の前部セクション（３８ａ）を含んでおり、前記セクション間の曲げ荷重及び剪断荷重を担持し、
前記帯状部（４６）は、前記前部セクション（３８ａ）と前記後部セクション（３８ｂ）との間の中央部に配置されて、
前記帯状部は円周方向の対向する両側面が該帯状部の中央部で円弧形であり、半径方向の対向する両側面が該中央部で円弧形であり、該帯状部の中央部において断面積が縮小され且つ正方形の断面を有する
ことを特徴とするファン連結解除ヒューズ（３６）。
【請求項２】
前記リング（３８）は、前記前部セクション（３８ａ）及び前記後部セクション（３８ｂ）、並びにその間の前記帯状部（４６）を一体的に備える単体部品であり、また前記前部セクション及び前記後部セクションは無孔であることを特徴とする、請求項３に記載のヒューズ。
【請求項３】
前記ヒューズ孔（４４）は、隣接する前記帯状部（４６）の円周方向の間で長円形であり、かつ半円形の円周方向に対向する端部及び円周方向に直線状の軸方向に対向する端部を有する、ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のヒューズ。
【請求項４】
無孔の前部セクション（３８ａ）、無孔の後部セクション（３８ｂ）、及び該セクションの間に位置し、剪断応力により破壊する寸法に作られた対応する軸方向のヒューズ帯状部（４６）により円周方向に間隔を置いて配置されたヒューズ孔（４４）の列により形成される中央セクションを含む単体の円筒形リング（３８）と、
前記前部セクション（３８ａ）に一体に結合された環状の前部フランジ４０と、
前記後部セクション（３８ｂ）に一体に結合された環状の後部フランジ４２と、
を含み、
前記帯状部（４６）は、前記前部セクション（３８ａ）と前記後部セクション（３８ｂ）との間の中央部に配置され、
前記帯状部は円周方向の対向する両側面が該帯状部の中央部で円弧形であり、半径方向の対向する両側面が該中央部で円弧形であり、該帯状部の中央部において断面積が縮小され且つ正方形の断面を有することを特徴とするファン連結解除ヒューズ（３６）。
【請求項５】
前記ヒューズ孔（４４）は、隣接する前記帯状部（４６）の円周方向の間で長円形であり、かつ半円形の円周方向に対向する端部及び円周方向に直線状の軸方向に対向する端部を有する、ことを特徴とする、請求項４に記載のヒューズ。
【請求項６】
ファン軸（２０）に取り付けられたファン（１２）と、
前記ファン軸（２０）を回転可能に支持する軸受（２８）と、
前記軸受（２８）を支持し、かつ前記ファンからの所定の異常荷重による剪断応力により破壊する寸法に作られた軸方向のヒューズ帯状部（４６）により円周方向に互いに間隔を置いて配置されたヒューズ孔（４４）の列を有する単体リング（３８）を含むファン連結解除ヒューズ（３６）と、
前記軸受（２８）及びファン軸（２０）を支持するために前記ヒューズ（３６）に固定接続された軸受支持体（３０）と、
を含み、
前記リング（３８）は、円筒形であり、また前記帯状部（４６）により環状の後部セクション（３８ｂ）に軸方向に結合された環状の前部セクション（３８ａ）を含んでおり
前記帯状部（４６）は、前記前部セクション（３８ａ）と前記後部セクション（３８ｂ）との間の中央部に配置され、
前記帯状部は円周方向の対向する両側面が該帯状部の中央部で円弧形であり、半径方向の対向する両側面が該中央部で円弧形であり、該帯状部の中央部において断面積が縮小され且つ正方形の断面を有することを特徴とするファン連結解除システム（３４）。
【請求項７】
前記ヒューズ孔（４４）は、隣接する前記帯状部（４６）の円周方向の間で長円形であり、かつ半円形の円周方向に対向する端部及び円周方向に直線状の軸方向に対向する端部を有する、ことを特徴とする、請求項６に記載のヒューズ。
【請求項８】
前記ヒューズ孔（４４）は、隣接する前記帯状部（４６）の円周方向の間で長円形であり、かつ半円形の円周方向に対向する端部及び円周方向に直線状の軸方向に対向する端部を有することを特徴とする、請求項６又は７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ターボファン・エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボファン・ガスタービンエンジンは、コアエンジンにより動力を供給され、大気を加圧して推力を発生し、飛行中の航空機に動力を供給するためのファンを含む。ファンの下流に配置される多段軸流圧縮機は、ファン空気の１部を加圧し、次いで、その空気は燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生し、高温燃焼ガスはタービン段を通って下流に流れ、タービン段で高温燃焼ガスからエネルギーが取り出される。高圧タービンは、圧縮機にそれらの間の軸を回転させることにより動力を供給する。また、低圧タービンは、ファンにそれらの間のファン軸を回転させることにより動力を供給する。
【０００３】
ファン軸は、ファン近傍の軸受内で支持され、その軸受は次に固定ファンフレームに固定接続された軸受支持体により支持される。正常運転時には、ファンは動的に釣り合った状態で回転し、またファン軸受は周りを取り囲むファンケーシングの内部でファンの同心の位置合わせを維持し、作動荷重をファンフレームに伝える。
【０００４】
ファンは、支持ロータディスクから半径方向外方に延びる大型のロータファンブレードの列を含んでおり、異物損傷（ＦＯＤ）を蒙りやすい。例えば、大きな鳥が、エンジンに吸い込まれて、１つ又はそれ以上のファンブレードに衝突し、支持ファンディスクからファンブレードが離脱することを含む、かなり大きい損傷をファンブレードに与える可能性がある。従って、かなり大きい回転不均衡荷重が損傷したファン内に生じ、その不均衡荷重は、ファン軸受、ファン軸受の支持体、及びファンフレームにより適切に担持されなければならない。
【０００５】
かかる大きな異常な不均衡荷重の可能性に対処するために、様々なファン用の支持構成部品は、そのために必要とされる強度が追加されるような寸法に作られる場合がある。しかしながら、強度がより大きい支持構成部品は、好ましくないことに、エンジンの重量を増大させ、また実質的なロータ不均衡がない状態で正常運転に用いられる場合には、エンジンの全体効率を低下させる。
【０００６】
大きな不均衡荷重に対する別の解決策は、ファンを軸受支持体から連結解除するために不均衡が生じた時に意図的に切り離される軸受支持体を導入することである。この場合には、ファンは、比較的に可撓性のあるファン軸により支持され、この可撓性のあるファン軸がファン臨界速度をその最大作動速度より十分低く減少させる。従って、ファンは、動的に超臨界状態で作動し、ファンディスクの軌道運動及びそれからの不均衡荷重を著しく減少させる。次いで、ファンからのピーク荷重が相応して低くなっている急減速状態で、ファン速度は減速され、比較的低い値でファン臨界速度を横切る。
【０００７】
補強された軸受支持体構成は、十分な強度があり、いかなる構造上の破壊も生じない。しかしながら、異常なファン荷重に対して意図的な破壊を導入するために構造上の荷重経路を柔らかくすることにより、荷重経路構成部品は、望ましくない疲労損傷を蒙りやすく、その寿命を逆に縮める可能性がある。
【０００８】
連結解除軸受支持体を導入できるか否かは、特定の軸受支持体の設計及び利用できる空間により制限される。軸受支持体はファンブレードの半径方向内方に設置されるので、ファンの全体の直径の好ましくない増大を生じることなく、連結解除の特徴形状を導入するために利用できる空間はほとんどない。その上に、連結解除形状は、寿命を制限する疲労損傷を蓄積することがない状態で、連結解除破壊前のその最大耐荷重能力と正常運転における最小耐荷重能力との間の差異が最小であることが必要である。
【特許文献１】
特開２０００−１９２９８０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、寿命を制限する疲労損傷なしで最大耐荷重能力と最小耐荷重能力との間の差異が最小である改良されたファン連結解除装置を提供することが望まれている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ファン連結解除ヒューズは、ファンから半径方向の異常荷重が伝わった時に、剪断応力により破壊する寸法に作られたヒューズ帯状部により円周方向に互いに間隔を置いて配置されたヒューズ孔の列を有するリングを含む。
【００１１】
本発明を、好ましくかつ例示的な実施形態に従い、その更なる目的及び利点と共に、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な記述においてより具体的に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示すのは、飛行中の航空機に動力を供給できる形状にされたターボファン・ガスタービンエンジン１０の前方部分である。エンジンは、長手方向すなわち軸方向の中心軸線に関して軸対称であり、周りを取り囲むファンケーシング１４の内部に同心に取り付けられたファン１２を含む。
【００１３】
ファン１２は、支持ロータディスク１８から半径方向外方に延びる比較的に大きいロータファンブレード１６の列を含む。ディスクは、次にファン軸２０に適切に接続される。
【００１４】
図１に示す例示的な実施形態においては、低圧またはブースタ圧縮機２２が、ファンの下流に配置されファン軸に共通に接続されて、最初に大気２４の下方部分を加圧する。ファン自体は、運転中に空気を加圧し、空気の外方部分はエンジンから吐出されて推力を発生する。
【００１５】
ファンからの空気の内方部分は、ブースタ圧縮機を通して導かれ、次に前方部分に示すその空気をさらに圧縮する多段軸流圧縮機２６に流され、次いで空気は燃焼器（図示せず）内で燃料と混合され点火されて、高温燃焼ガスを発生し、高温燃焼ガスはタービン段（図示せず）を通って下流に流れ、タービン段は燃焼ガスからエネルギーを取り出し、運転中のファンと圧縮機の両方に動力を供給する。
【００１６】
圧縮機２６は、高圧タービン（図示せず）からそれらの間の対応する軸を回転することにより動力を供給される。また、低圧タービン（図示せず）は、ファン１２にそれらの間のファン軸２０を回転させることにより動力を供給する。
【００１７】
ファン１２は、運転中に通常のファン前部軸受２８により回転可能に支持され、軸受２８はどのような通常の形態としてもよく、また一般的にファンディスク１８とファン軸２０との接続個所を囲繞する。軸受２８は、次に軸受支持体３０により支持され、軸受支持体３０は次にその下流に配置された環状のファンフレーム３２に固定接続される。ファンフレームは、その外端でファンケーシング及びナセルを支持する複数の半径方向の支柱を含む。ファン支柱の内端は共通のハブに接続され、ハブはファン軸を通常の方法で追加の軸受でさらに支持する。
【００１８】
正常運転時には、ファンは、動的に釣り合った状態で回転し、適当な作動速度でファン軸２０により駆動されて、大気２４を加圧し推進力を発生する。ファンが受ける様々な空力的荷重、遠心力荷重、及び振動荷重は、前部軸受２８を通してファンフレーム３２に伝えられる。軸受支持体３０及びファンフレーム３２は、寿命を制限する疲労損傷を蓄積することなく、これらの正常運転荷重を担持するのに適した寸法に作られる。
【００１９】
しかしながら、例えば、大きな鳥がファンブレード１６の１つに衝突するために起こる可能性があるＦＯＤの場合には、図１に示すように、１つのファンブレードの１部分または全てが破損し、それに応じてファンブレードが適切に収納されている周りを取り囲むファンケーシング中に離脱する可能性がある。離脱したファンブレード部分は、遠心力により半径方向外方に飛び出し、ファンは不釣り合いになり、反対方向の半径方向内向きの半径方向不均衡力すなわち荷重Ｆを生じる。損傷したエンジンの運転を停止するのにかかる時間の間、不均衡力はエンジンの他の部品に対する二次損傷を防止するために適切に対処されなければない。
【００２０】
本発明によると、ファン連結解除装置３４がファンに導入されており、かなり大きなファン不均衡荷重Ｆが生じる大きな鳥の衝突またはファンブレードの外れ事故によるロータ不均衡のような異常なロータ不均衡の間、自動的にファン１２をその軸受支持体３０から連結解除する。
【００２１】
損傷したファン１２自体は、異常運転の場合に半径方向の不均衡力Ｆを発生し、その不均衡力は、エンジンが停止されながら、エンジン中心軸線の周りを回転する。従って、不釣り合いになったファン１２は、ファン軸２０に取り付けられたままになり、不均衡荷重を軸２０に伝える。
【００２２】
不均衡荷重は、次にファン軸２０の前端を回転可能に支持するファン軸受２８に伝えられる。
【００２３】
また、本発明によるファン連結解除ヒューズ３６は、軸受２８を軸受支持体３０に支持するために設けられ、軸受支持体３０は次に正常な軸受荷重をファンフレーム３２に伝えるために固定状態で互いに相互接続される。
【００２４】
ファン連結解除ヒューズ３６を、図２に好ましい実施形態において組み合わせて、また図３に取り出して部分的に示す。ファン連結解除ヒューズは、正常な運転荷重をファンから前部軸受２８を通して軸受支持体３０に、次いでファンフレームに伝える特別な形状にされている。一方、所定の値の異常なファン不均衡荷重Ｆが生じるファンの異常運転時には、ヒューズ３６は、ファン及びその軸受２８を軸受支持体３０から連結解除するために切り離され、従ってファン軸２０により与えられる残りの支持でファンの抑制のない回転を可能にする。
【００２５】
このように、ファン臨界速度はファンの最大作動速度より十分低下し、ファン及びロータ軸の軌道運動を減少させ、また異常運転中にファンから生じる半径方向の荷重をかなり減少させるであろう。損傷したエンジンは停止され、ファン速度は、減少したピーク荷重を持つより低いファン臨界速度を横切る比較的に急速な減速状態で、低下するであろう。
【００２６】
図２及び図３に示すように、ヒューズ３６は、その前端の環状の前部半径方向フランジ４０とその後端の一体の環状の後部半径方向フランジ４２に一体に結合された中心リング３８を含み、これらは単一部品または単体構造であるのが好ましい。図２に示すように、軸受２８は、どのような通常の形態を有することも可能であり、環状の外レース２８ａ、環状の内レース２８ｂ、及びその間の適当な軸受要素２８ｃを含む。内レースは、ロータディスク１８用の取り付けフランジとファン軸２０との接続個所に適当に取り付けられる。また、外レース２８ａは取付座を含み、この取付座にヒューズ前部フランジ４０が、ボルト及び組み合わされるナットの形態の１列の軸方向固締具により固定取り付けされる。
【００２７】
同様に、ヒューズ後部フランジ４２は、軸受支持体３０の前端に形成された相補形の取付座に固定取り付けされ、ボルト及び組み合わされるナットの形態の１列の追加の固締具により固定接続される。このように、直接の荷重経路が、ファンディスク１８及び軸２０から半径方向外方に軸受２８を通して、またヒューズ３８を通して形成される。運転時全ての正常な荷重を軸受支持体３０にまた次にファンフレームに伝える。
【００２８】
連結解除ヒューズ３６を、図４及び図５により詳細に示す。ヒューズリング３８は、リング３８を貫いて半径方向に延び、かつ軸方向に延びるヒューズ連結部すなわち帯状部４６が介在することにより円周方向に間隔を置いて配置された、１列のヒューズ孔４４を含む。帯状部４６は、ＦＯＤの際に起こる荷重のような、ファンからの所定の半径方向の異常荷重が伝わった時に、剪断応力により破壊する寸法及び形状に作られるのが好ましい。
【００２９】
例えば、ファンブレードの１つは、ＦＯＤ事故の際に曲げられるかまたは部分的に飛び出し、不均衡荷重Ｆを生じる可能性がある。不均衡荷重Ｆの適当な値が、各設計用途に適するように選定され、不均衡荷重が、ファン軸受２８、ヒューズ３６、及び軸受支持体３０を含む荷重経路を通して伝えられるとき、ヒューズ帯状部４６が剪断応力により破壊するように、ヒューズ帯状部４６の寸法を決めるのに用いられ得る。
【００３０】
図４に示すヒューズリング３８は、円筒形であり、かつ１端に前部フランジ４０に一体に結合された円周方向に連続する環状の前部セクション３８ａを含むのが好ましい。リングはまた、後部フランジ４２に一体に結合された円周方向に連続する環状の後部セクション３８ｂを含む。また、前部及び後部セクション３８ａ、３８ｂは、対応するヒューズ孔４４により分けられた軸方向に延びるヒューズ帯状部４６の列により形成される中央セクションにより、互いに一体に結合される。
【００３１】
前部及び後部フランジ４０、４２を含むリング３８は、前部及び後部セクション３８ａ、３８ｂ、並びにその間を軸方向に延びる帯状部４６を一体に含む、単一部品のすなわち単体部品であることが好ましい。リング前部及び後部セクションは、無孔であり、それらの間の中央セクションはヒューズ孔４４で穴が明いていることが好ましい。また、リングは、後述する帯状部の好ましい実施形態においては局部的に薄くされるのを除いて、２つの端部フランジの間でほぼ一定の半径方向の厚さＡを有するのが望ましい。
【００３２】
図４に示すヒューズ３６の単体の円筒形形状は、高強度金属の通常の鍛造で形成され、図示した所望の形状に機械加工されることができる。このように、ヒューズ３６自体は、運転中にその２つの対向するフランジ間の半径方向の曲げ荷重及び剪断荷重の両方を担持するために、かなりの強度を有する比較的堅牢で剛性のある三次元リングを形成する。正常運転時に、回転するファンからの正常な荷重は、寿命を制限する疲労損傷なしに、ヒューズ３６を通して軸受支持体に伝えられる。半径方向の曲げ荷重及び剪断荷重の両方共が、円筒形のヒューズ３６を通して容易に伝えられる。
【００３３】
しかしながら、不均衡荷重Ｆが所定の値を超えるＦＯＤ事故の際には、ヒューズ帯状部４６は、好ましくは剪断応力のみによって破壊するように設計されており、前部フランジ４０及び前部セクション３８ａを後部フランジ４２及び後部セクション３８ｂから切り離し、ファンを軸受支持体から連結解除する。
【００３４】
図５に示すように、帯状部４６は、その前部及び後部セクション３８ａ、３８ｂの間のほぼ中央でリング３８の中央部に設置され、曲げモーメントによる帯状部中の曲げ力を最小にするのが好ましい。図５に概略的に示すのは、曲げ力のダイヤグラムであり、そこでは不均衡荷重Ｆは２つの端部フランジ４０、４２の間のヒューズリング３８の軸方向範囲にわたって反力を受けている。対応する一定の剪断力Ｓのダイヤグラムも示す。
【００３５】
半径方向に向いた不均衡力が、前部フランジ４０から後部フランジ４２に伝えられるとき、不均衡力に逆らう反力が生じて、前部フランジ４０と後部フランジ４２の間に対応する曲げモーメントが生じる。対応する曲げ力は、好ましくは帯状部４６の軸方向の中央に位置する反曲点で方向を変え、曲げ応力がなくなり、同時に帯状部の中央部に実質的に剪断応力のみを作用させる。
【００３６】
この形状の場合には、帯状部４６は、主として剪断応力のみにより破壊するように特別な寸法及び形状にされており、所望のヒューズ機能を生じることができる。このように、ヒューズが破壊前に伝えることができる最大荷重と、ヒューズが寿命を制限する疲労損傷なしに担持することができる最小荷重との間で、最小の差異が得られる。
【００３７】
図５に示すように、ヒューズ孔４４の形状は、介在するヒューズ帯状部４６の対応する側面形状を形成する。好ましくは、ヒューズ孔４４は、対応する帯状部４６の対向する側面で円弧形またはほぼ半円形であり、帯状部４６はそれに応じて円周方向に比較的くびれた中央腰部を有する。例えば、帯状部４６の軸方向の形状は、歴史的な砂時計形状に似ている。このように、個々の帯状部は、そこで剪断荷重が集中応力を生じるくびれた腰部を有し、異常の不均衡荷重によりそこで確実に破壊する。同一形状の多数の帯状部及び腰部が、ヒューズの円周方向の周りに所望のヒューズ破壊を引き起こすのに必要とされる荷重の差異を減少させる。
【００３８】
図４に示すように、帯状部４６の各々は、その対応する腰部に少なくとも１つの切欠き４８を含み、そこで断面積を局部的にさらに縮小しているのが好ましい。図５中に示すヒューズ孔４４の円弧形の湾曲は、帯状部の円周方向の側面にくびれた腰部をもたらすが、一方図４に示す切欠き４８は、帯状部の半径方向外側表面または内側表面のどちらか一方あるいは両方に対応するくびれた腰部をもたらす。
【００３９】
図４に示す好ましい実施形態においては、切欠き４８は、円の一部分のような円弧形で、帯状部４６の各々の半径方向外側表面及び内側表面の両方に配置され、その結果各帯状部の軸方向の中央部が、軸方向及び半径方向の両方にくびれた腰部を有する。
【００４０】
このように、正確に位置を選ばれた応力集中を、各帯状部の中央部に意図的に発生させ、その位置で所定の異常な不均衡荷重Ｆに対応する剪断応力レベルで剪断破壊を確実に生じさせることができる。応力集中は、荷重担持要素においては普通望まれなく、優れた技術手法では普通回避される。
【００４１】
しかしながら、対応する帯状部４６の中央部でのみ局部的な応力集中を特に発生させることにより、他の方法によるようなヒューズ３６の実質的な荷重担持能力を損なうことなしに、特定の正確な剪断破壊をこの位置に限定させることができる。上述のように、ヒューズ３６は、比較的一定の半径方向の厚さを有し、かつ比較的に堅牢で剛性があり、正常運転中に曲げ荷重及び剪断荷重を担持する。
【００４２】
帯状部４６の中間部に発生させられた応力集中は、その対応する反曲点で担持される少ない曲げ力と一致するので、応力集中は曲げ力にほとんどまたは全く影響せず、ヒューズの曲げ荷重担持能力を損なわない。応力集中は、主として剪断荷重に限定されて、ヒューズの正常作動中に担持される通常の剪断力をかなり上回る特定の剪断力で確実に意図された破壊を生じる。
【００４３】
図５に示すように、ヒューズ孔４４は、隣接する帯状部４６の円周方向の間で、円周方向に長円形であるのが好ましい。この方向に向いた長円形の孔は、個々の帯状部４６の軸方向の長さを制限し、同時にリング前部及び後部セクション３８ａ、３８ｂの軸方向の長さを最大にする。このことにより、所望のヒューズ帯状部４６を局部的に設けながら、ヒューズの全体にわたる剛性及び強度が増大する。
【００４４】
図５に示す好ましい実施形態において、長円形のヒューズ孔４４は、帯状部４６の円周方向の側面を形成する半円形の円周方向に対向する端部、及び全体的としてほぼ長だ円形または競走トラック形状を形成する円周方向に直線状の軸方向に対向する端部を有する。競走トラック形状の孔４４は、剪断荷重を担持するのに利用できる同じ断面積を備える円形のヒューズ孔の場合よりも軸方向に短い帯状部を形成する。
【００４５】
しかしながら、競走トラック形状孔の場合の軸方向により短い帯状部は、ヒューズの曲げ剛性を増大させるのに加えて、剪断剛性を実質的に増大させる。得られるヒューズは、かなりの剛性及び強度を維持し、正常運転中に破壊も寿命を制限する疲労損傷もなく荷重を担持し、同時に異常なＦＯＤ事故の際に破壊が意図された時に、より正確な剪断破壊を確実に生じる。
【００４６】
このようにして、曲げ荷重及び剪断荷重の最大時の連結解除は、各帯状部のくびれた腰部で起こり、正常運転に対する機械的強度を最適化し、同時に所定の異常な不均衡荷重に対する意図した剪断破壊を可能にする。
【００４７】
各帯状部４６の断面形状は、所望に応じて選ぶことができ、異常な荷重のもとで確実に剪断破壊を生じ、同時にかなりの疲労強度を持たせながら正常運転中のヒューズの強度及び通常の荷重担持能力を最大することができる。ヒューズ帯状部の断面の輪郭は、環状ヒューズの円周周りの帯状部の回転位置にかかわりなく対称的である必要がある。
【００４８】
図１及び図３に示すように、不均衡荷重Ｆは、ファンが停止するまでエンジン中心軸線の周りを必然的に回転する。ヒューズ３６は、三次元リングであるので、最大剪断荷重は、回転する不均衡荷重Ｆの方向からリング９０Ｅ内に生じる。例えば、不均衡荷重Ｆが、図３に示す６時の位置の辺りで半径方向下方に向いている場合、最大剪断荷重は、ヒューズ３６の側面の３時及び９時の位置で起こる。
【００４９】
このことは、図５中に概略的に示されており、そこでは、半径方向の不均衡荷重Ｆが２つの支持フランジ４０、４２の間に曲げモーメントを発生させ、曲げ荷重は帯状部４６の中央部でゼロ曲げ力の反曲点を有する。しかしながら、剪断荷重Ｓは、帯状部４６を含むヒューズの軸方向全体にわたって一定の値を有する。
【００５０】
図６に示すように、帯状部４６の各々は、切欠き及び側面の腰部の中央部においてほぼ正方形の断面を有し、不均衡力がヒューズの周りを円周方向に回転するとき、剪断荷重が確実に一様に掛かるようにするのが望ましい。実際には、回転する不均衡力の方向から９０Ｅに位置するヒューズ帯状部４６が、まず破壊し、次いでジッパのような方式で次の帯状部が、回転する不均衡力の回転方向に沿って次々と破壊し、最後に全ての帯状部が破壊して、不均衡事故に続いてヒューズの前部及び後部を切り離す。
【００５１】
従って、矩形の主軸に沿った剪断強度が増大し、矩形は個々の帯状部を順次切り離すために必要とされる剪断破壊荷重の不均一性を好ましくないことに増大させる点から見て、矩形形状のヒューズ帯状部は好ましくない。しかしながら、円形輪郭の帯状部は望ましいが、初めに鍛造されたヒューズリングを機械加工して製作するのは難しい。代わりに、円形または他の複雑な形状のヒューズ帯状部を備えるヒューズリングを鋳造することは、設計荷重が許せば実用できる場合がある。
【００５２】
図２に示すヒューズ３６の特別の利点は、そのコンパクトな大きさと共通の外径及び共通の内径を有する円筒形のリングの相対的に単純な形状にある。従って、ヒューズリングは、主として軸方向に延びているので、その導入のための半径方向の空間はほとんど必要としない。
【００５３】
従って、円筒形のヒューズ３６は、直径がヒューズ３６から後方に向かって増大する円錐形のハウジング形状の軸受支持体３０と組み合わせたとき特に有利である。軸受支持体３０は、その円錐形の形状により剛性及び強度を増大させているが、軸受２８及びヒューズ３６の両方をその前端に取り付けるのに利用できる半径方向のハウジング部分を相応して縮小することになる。
【００５４】
ヒューズ３６は、共通の呼び径で主として軸方向にのみ延びているので、ヒューズの前端が軸受の外レースに固定接続された状態で、ヒューズは円錐形の軸受支持体３０の前端に容易に固着することができる。この構成では、ヒューズ３６は、円錐形の軸受支持体３０と組み合わせて用いるために半径方向の空間を増大させる必要は全くないので、最小の設計変更で改造用途に用いることが可能である。
【００５５】
例えば、長年、当国での民間業務に用いられてきた１つのターボファン航空機ガスタービンエンジンは、図２に示したものと類似のファン軸受及び円錐形の軸受支持体を接続するための円筒形の前部ハウジングまたはリングを含む。この前部ハウジングは、図２に示すヒューズ３６に類似しており、一定の厚さの円筒形のリングをその間に備える前部及び後部取り付けフランジを含んでいる。
【００５６】
しかしながら、この前部ハウジングは、運転中に空気及び油の通路を備えるために実質的に互いに間隔を置いて配置されたそれを貫通する１列の円形の半径方向孔を含む。円形の孔は、約１９ｍｍの直径と約５ｃｍのピッチ間隔を有する。この前部ハウジングは、正常な軸受荷重と同時に破壊なしに異常な軸受荷重をも担持するような特別な寸法と形状に作られている。また、この前部ハウジングを含む全体の荷重経路はまた、正常な荷重及び異常な荷重を担持するような寸法に作られ、それがまた十分な強度を必要とし、そのために相当する重量の増加をもたらしている。
【００５７】
これと対照的に、この前部軸受ハウジングは、本発明の特別に形成されたヒューズにより容易に改造でき、軸受支持体からファンを連結解除するための意図的なヒューズ破壊を導入し、上述の多くの利点を得ることができる。孔の数は適当に増加され、また孔は、所望の剪断荷重を受けて意図的なヒューズ破壊を生じるように相応した寸法及び形状にされた軸方向の帯状部を形成する寸法及び形状にされるはずである。
【００５８】
図３に示す好ましい実施形態においては、ヒューズ孔４４の円周方向のピッチは、その円周方向の長さの２倍よりは小さく、また得られるヒューズ帯状部４６は、円周方向にヒューズ孔より狭くなる。まとめると、数多くの、小間隔の帯状部が一緒になって、ヒューズのかなりの剛性及び強度を生じ、疲労損傷を蓄積することなく、全ての正常時の荷重を担持する。しかしながら、異常運転時の回転する不均衡荷重により、１つ又はそれ以上の局部的なヒューズ帯状部に剪断破壊が始まり、次にヒューズ帯状部はドミノ現象のように次々と破壊する。
【００５９】
改造エンジンの派生的設計においては、前部軸受における全体の荷重経路は、ヒューズ導入と関連して強度を減少させるために再設計され、それに応じてエンジンの全体重量を減少させ、同時に異常運転時における許容できる運転を維持することができる。
【００６０】
上述のように、単体のヒューズ３６は、形状が比較的に簡単でかつコンパクトであり、また所定の設計荷重において剪断応力で破壊するように特に設計された、均等に間隔を置いて配置された多数の帯状部を用いる。リングは、軸方向に短く、両端で剛性のある構造をしており、ヒューズの後端は軸受支持体により支持されたまま、ヒューズの前端に半径方向の不均衡荷重が作用した時に、帯状部間に荷重が確実に円周方向に均等に分布されるようにする。
【００６１】
特別に形成された帯状部の腰部は、予期された剪断破壊の位置を確実にするようにピーク剪断応力が位置する腰部の軸方向に対向するセクションよりも著しく狭い断面積を有し、剪断破壊荷重の差異を減少させる。
【００６２】
帯状部断面は、正方形であることが望ましいが、円形にすることもでき、剪断荷重方向が回転するとき、ピーク断面応力が一定のままであることを可能にする、どのような幾何学形状とすることもできる。この特徴は、各帯状部内でリングの円周方向周りにほぼ均等のピーク応力を生じ、従って、いったん材料降伏応力がピーク応力位置に達したら、荷重の再分布を最小にする。このことは、またリングの疲労寿命点から究極の破壊点までの荷重偏差を最小にする。
【００６３】
帯状部及びその好ましい腰部は、軸方向中央に設置されて、それを通って伝わる荷重は、曲げ荷重がほとんど無いかまたは全く無い状態の、実質的に剪断荷重のみであることを確実なものとする。帯状部は、帯状部断面の中央部に起こるピーク応力を生じる剪断応力の不均衡荷重を担持し、従って、所定の耐荷重能力におけるセクションの耐疲労能力を最大にする。このことは、またリングの疲労寿命点から究極の破壊点までの荷重偏差を最小にする。
【００６４】
ヒューズの疲労寿命をさらに増大させるために、図６に示す個々の帯状部４６は、残留圧縮応力表面層５０を形成するために、各帯状部の周りの表面層を可塑的に圧縮するために従来通りの方法で処理されることができる。従来のショットピーニングまたはレーザーショックピーニングを用いるのが有利であり、ヒューズの疲労寿命を改善するために圧縮表面層５０を形成することができる。
【００６５】
ヒューズ３６は、１端で軸受外レースに固定接続され、また軸受支持体３０の前端に固定接続された、別体の単体円筒形リングとして好ましい実施形態に関連して先に開示しているが、ヒューズは、それら２つの要素のうちのいずれか一方に一体に形成されることも可能である。
【００６６】
本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを本明細書に説明してきたが、本発明の他の変形形態が、本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲に属する全てのそのような変形形態が添付の特許請求の範囲で保護されることを切望する。
【００６７】
従って、本特許により保護されることを望むものは、冒頭部分の特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の例示的な実施形態に従ったターボファン・ガスタービンエンジンのファンセクションの部分断面正面図。
【図２】  本発明の例示的な実施形態に従ったファン連結解除ヒューズにより支持された、図１に示すファン軸受の拡大正面断面図。
【図３】  取り出した状態で示す図２の環状ヒューズの１部分の斜視図。
【図４】  図２に示すファン連結解除ヒューズの拡大断面図。
【図５】  図３に示すファン連結解除ヒューズの１部分の半径方向内向き面図。
【図６】  図５に示すヒューズ帯状部の１つの線６−６による部分断面正面図。
【符号の説明】
１０  ターボファン・ガスタービンエンジン
１２  ファン
１４  ファンケーシング
１６  ロータファンブレード
１８  支持ロータディスク
２０  ファン軸
２２  ブースタ圧縮機
２６  多段軸流圧縮機
２８  軸受
３０  軸受支持体
３２  環状のファンフレーム
３４  ファン連結解除装置
３６  ファン連結解除ヒューズ
【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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【図６】
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