(57)【要約】【課題】ファン動翼に作用する応力を低減することができるチップタービンファンの回転体を提供する。【解決手段】ファン動翼２に、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を設ける。回転時にファン動翼２が径方向に伸張しようとすることによって、その伸張を支持しようとするチップシュラウド４に、大きなフープ応力Ｈを作用させる。これによって、チップシュラウド４が高温となって圧縮応力Ｃが発生したとしても、チップシュラウド４の内部における周方向の引張応力、すなわちファン動翼２の応力のうちチップシュラウド４に分散される応力を十分に確保し、ファン動翼２に作用する応力Ｓを低減する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線周りに複数並設されるファン動翼と、
内周側が複数の前記ファン動翼の径方向外側の端部に固定されるリング状のチップシュラウドと、
前記チップシュラウドの外周側で前記中心軸線周りに複数並設されるタービン動翼と、を備えるチップタービンファンの回転体であって、
前記ファン動翼は、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を有していることを特徴とするチップタービンファンの回転体。
【請求項２】
前記ファン動翼の周方向の断面中心が径方向に沿って連なることで形成されるスタッキングラインをＳ字状とすることによって、前記伸張構造が構成されていることを特徴とする請求項１記載のチップタービンファンの回転体。
【請求項３】
前記スタッキングラインの径方向内側の曲がり幅が、前記径方向外側の曲がり幅よりも小さくなっていることを特徴とする請求項２記載のチップタービンファンの回転体。
【請求項４】
前記ファン動翼の前記径方向外側の端部における前記スタッキングラインが、前記チップシュラウドの内周面に対して垂直となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のチップタービンファンの回転体。
【請求項５】
複数の前記ファン動翼の径方向内側の端部は、前記中心軸線を取り囲むハブの外周面に固定されており、
前記ファン動翼の前記径方向内側の端部における前記スタッキングラインが、前記ハブの前記外周面に対して垂直となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のチップタービンファンの回転体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外周側にタービン動翼が設けられたチップタービンファンの回転体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チップタービンファンの回転体として、主軸と同軸となるように環状に形成されたシュラウドの内周面にファン動翼の端部が接続されると共に、このシュラウドの外周面にタービン動翼が設けられ、タービン動翼に高圧ガスが供給されることによって、タービン動翼と共に、シュラウドとファン動翼とが回転するものが知られている。
【特許文献１】特開２００７−２１１６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このようなチップタービンファンの回転体にあっては、回転時に、ファン動翼に作用する応力が大きくなってしまう可能性があるため、このようなファン動翼の応力を低減することが求められていた。
【０００４】
本発明は、このような要求に応じてなされたものであり、ファン動翼に作用する応力を低減することができるチップタービンファンの回転体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般的に、ファン動翼の外周側に設けられたチップシュラウドは、回転時に遠心力を受けるファン動翼を支持し、その内部で周方向の引張応力（フープ応力）を発生させることにより、ファン動翼に作用する応力の一部を分散する機能を有している。しかし、チップシュラウドの外周面にタービン動翼が設けられた回転体にあっては、このタービン動翼に高温の作動流体が供給されるため、チップシュラウドが高温となってしまう。高温となった場合、チップシュラウドは、熱膨張によって周方向に伸びようとするが、ファン動翼に支持され伸びることができないため、その内部で周方向の圧縮応力が発生してしまう。その結果、従来の回転体にあっては、フープ応力と圧縮応力とが打ち消しあうことによって、チップシュラウドの内部における周方向の引張応力、すなわちファン動翼の応力のうちチップシュラウドに分散される応力が減少してしまい、ファン動翼に作用する応力を十分に低減できない場合がある。
【０００６】
ここで、本発明に係るチップタービンファンの回転体は、中心軸線周りに複数並設されるファン動翼と、内周側が複数のファン動翼の径方向外側の端部に固定されるリング状のチップシュラウドと、チップシュラウドの外周側で中心軸線周りに複数並設されるタービン動翼と、を備えるチップタービンファンの回転体であって、ファン動翼は、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を有していることを特徴とする。
【０００７】
このチップタービンファンの回転体では、ファン動翼が、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を有している。従って、回転時にファン動翼が径方向に伸張しようとすることによって、その伸張を支持しようとするチップシュラウドに、大きなフープ応力を作用させることができる。これによって、チップシュラウドが高温となって圧縮応力が発生したとしても、チップシュラウドの内部における周方向の引張応力、すなわちファン動翼の応力のうちチップシュラウドに分散される応力を十分に確保することができ、ファン動翼に作用する応力を低減することができる。
【０００８】
本発明に係るチップタービンファンの回転体において、ファン動翼の周方向の断面中心が径方向に沿って連なることで形成されるスタッキングラインをＳ字状とすることによって、伸張構造が構成されていることが好ましい。ファン動翼のスタッキングラインをＳ字状とすることによって、ファン動翼をたわみ易くすることができ、回転時に、ファン動翼を容易に径方向へ伸張させることができる。
【０００９】
本発明に係るチップタービンファンの回転体において、スタッキングラインの径方向内側の曲がり幅が、径方向外側の曲がり幅よりも小さくなっていることが好ましい。スタッキングラインが曲がっていることにより、ファン動翼の回転時の周方向への変形に対しては、径方向外側の曲がり幅の影響よりも径方向内側の曲がり幅の影響の方が大きくなる。従って、スタッキングラインの径方向内側の曲がり幅を、径方向外側の曲がり幅よりも小さくすることによってファン動翼全体としてバランスをとり、スタッキングラインが曲がっていることによるファン動翼の周方向への変形の影響を小さくすることができる。
【００１０】
本発明に係るチップタービンファンの回転体において、ファン動翼の径方向外側の端部におけるスタッキングラインが、チップシュラウドの内周面に対して垂直となっていることが好ましい。径方向外側の端部のスタッキングラインをチップシュラウドの内周面に対して垂直とすることによって、当該端部付近のファン動翼に作用する応力を低減することができる。
【００１１】
本発明に係るチップタービンファンの回転体において、複数のファン動翼の径方向内側の端部は、中心軸線を取り囲むハブの外周面に固定されており、ファン動翼の径方向内側の端部におけるスタッキングラインが、ハブの外周面に対して垂直となっていることが好ましい。径方向内側の端部のスタッキングラインをハブの外周面に対して垂直とすることによって、当該端部付近のファン動翼に作用する応力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ファン動翼に作用する応力を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るチップタービンファンの回転体の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係るチップタービンファンの斜視図であり、図２は、図１の一点鎖線で示す部分の拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は周方向の断面図を示す。
【００１５】
チップタービンファンの回転体１は、例えば、航空機などに用いられ、エンジンやコンプレッサなどの供給装置（不図示）から供給された作動流体により回転することによって推進力を発生するものである。回転体１は、図１及び図２に示すように、中心軸線Ａ周りに複数並設されるファン動翼２と、ファン動翼２の径方向内側の端部２ａを支持するハブ３と、ファン動翼２の径方向外側の端部２ｂを支持するチップシュラウド４と、チップシュラウド４の外周面に複数並設されるタービン動翼６とを備えて構成されている。
【００１６】
ハブ３は、中央位置に所定の出力軸（不図示）が挿入される貫通穴を有すると共に、その径方向外側には、ファン動翼２を支持するためのリング状の支持部材７が設けられている。この支持部材７の外周側のハブ面（外周面）３ａには、複数のファン動翼２の径方向内側の端部２ａが固定されている。
【００１７】
ファン動翼２は、中心軸線Ａ周りに所定の間隔で複数並設される流線形の動翼であり、推進方向の前側から取り込んだ空気を回転によって加速させて、後方へ排出することによって推進力を得る機能を有している。このファン動翼２は、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を有している。ファン動翼２の伸張構造の詳細な説明については後述する。
【００１８】
チップシュラウド４は、複数のファン動翼２を中心軸線Ａ周りに取り囲むと共に、その内側のチップ面（内周面）４ａが複数のファン動翼２の径方向外側の端部２ｂに固定されるリング状の支持部材である。このチップシュラウド４は、回転時に遠心力を受けるファン動翼２を支持し、その内部で周方向の引張応力（フープ応力）を発生させることにより、ファン動翼２に作用する応力の一部を分散する機能を有している。
【００１９】
タービン動翼６は、チップシュラウド４の外周面に、中心軸線Ａ周りに所定の間隔で複数並設される流線形の動翼である、このタービン動翼６は、動翼同士の間に形成された隙間を流路として作動流体を通過させ、それぞれの動翼に作動流体を作用させることによって回転力を得る機能を有している。この回転に伴い、チップシュラウド４及びファン動翼２も回転する。なお、このタービン動翼６には高温の作動流体が供給されるため、タービン動翼６が固定されているチップシュラウド４も高温となる。
【００２０】
次に、図２〜４を参照して、ファン動翼２の伸張構造について詳細に説明する。図３は、ファン動翼を径方向から見た断面図であり、図４は、ファン動翼のスタッキングラインの形状を示す線図である。
【００２１】
ファン動翼２の伸張構造は、ファン動翼２の周方向の断面中心が径方向に沿って連なることで形成されるスタッキングラインをＳ字状とし、伸張し易い形状とすることによって構成されている。ここで、ファン動翼２のスタッキングラインについて詳細に説明する。図２に示すように、中心軸線Ａを中心とする所定の半径ｒｎの円弧面でファン動翼２を切断することによって周方向の断面ＣＦｎを形成すると、この断面ＣＦｎにおける断面中心Ｇｎが定まる（図３参照）。このようにして得られる断面と断面中心をファン動翼２の径方向内側の端部２ａから径方向外側の端部２ｂに亘り、すなわち、円弧面の半径を径方向に沿って半径ｒ１から半径ｒＮまで変化させながら複数の断面ＣＦ１〜ＣＦＮと断面中心Ｇ１〜ＧＮを形成する。そして、それらの断面ＣＦ１〜ＣＦＮの断面中心Ｇ１〜ＧＮが連なることによって形成される線分がスタッキングラインとして定められる。なお、本実施形態においては、中心軸線Ａの延在方向から見て、径方向内側の端部２ａにおける断面中心Ｇ１はファン動翼２の端部２ａの周方向の中心位置と一致しており、径方向外側の端部２ｂにおける断面中心ＧＮはファン動翼２の端部２ｂの周方向の中心位置と一致している。
【００２２】
上述のようにして取得されたスタッキングラインＳＬの形状を図４に示す。図４の線図の横軸は、断面中心Ｇ１と断面中心ＧＮとを結ぶ基準線ＢＬと一致しており、所定の断面中心Ｇｎの径方向の座標を示している。縦軸は、中心軸線の延在方向から見て基準線ＢＬと直交する方向における所定の断面中心Ｇｎの座標を示している。この縦軸は、ハブ３のハブ面３ａの断面中心Ｇ１の位置における接線と一致している。また、チップシュラウド４のチップ面４ａの断面中心ＧＮの位置における接線ＴＬは、縦軸と平行な直線となる。なお、図４において、縦軸の座標は横軸に比して百数十倍程度拡大されて示されている。
【００２３】
図４に示すように、スタッキングラインＳＬは、径方向内側で極大値ＥＶｍａｘを有し、径方向外側で極小値ＥＶｍｉｎを有するようなＳ字状の形状をなしている。スタッキングラインＳＬの径方向外側の極値である極小値ＥＶｍｉｎの絶対値は、径方向内側の極値である極大値ＥＶｍａｘの絶対値よりも７倍程度大きくされている。これらの極値の値はスタッキングラインＳＬの曲がり幅を示しており、スタッキングラインＳＬの径方向内側の曲がり幅が、径方向外側の曲がり幅よりも小さくなっている。
【００２４】
更に、ファン動翼２の径方向外側の端部２ｂにおけるスタッキングラインＳＬは、チップシュラウド４のチップ面４ａに対して垂直となっている。具体的には、スタッキングラインＳＬの断面中心ＧＮの位置における接線が、縦軸と平行な接線ＴＬと垂直に交わっている。
【００２５】
また、ファン動翼２の径方向内側の端部２ａにおけるスタッキングラインＳＬは、ハブ３のハブ面３ａに対して垂直となっている。具体的には、スタッキングラインＳＬの断面中心Ｇ１の位置における接線が、縦軸と垂直に交わっている。
【００２６】
上述のようなスタッキングラインＳＬは、例えばｓｉｎカーブにガウス曲線を乗じることによって得られ、具体的には（１）に示すような数式で得られる。なお、スタッキングラインＳＬは、中心軸線Ａの延在方向から見た場合は上述のようなＳ字状をなすが、中心軸線Ａと直交する方向から見た場合（図２における（ｂ）で示す方向）は直線となる。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
次に、本実施形態に係るチップタービンファンの回転体１の作用・効果について、図５及び図６を参照して説明する。
【００２９】
図５は一般的な回転体のファン動翼に作用する応力を示す図である。また、図６はチップシュラウドの外周面にタービン動翼が設けられた回転体のファン動翼に作用する応力を示す図であり、（ａ）に従来の回転体を示し、（ｂ）に本発明の実施形態に係る回転体を示す。図６（ａ）に示す従来の回転体２０は、本実施形態に係る回転体１と同様な構成を有するチップタービンファン用の回転体であるが、回転体２０のファン動翼２１のスタッキングラインは、ファン動翼２１の径方向と直交するいずれの方向から見ても直線となるように構成されており、遠心力によって伸張する伸張構造を有していないものである。
【００３０】
まず、図５（ａ）に示すように、ファン動翼５１の径方向外側にチップシュラウド５２が設けられ、タービン動翼が設けられていない一般的な回転体５０にあっては、回転時に遠心力によってファン動翼に応力Ｓが作用する。このような回転体５０では、図５（ｂ）に示すように、チップシュラウド５２がファン動翼５１を支持して、その内部で周方向の引張応力（フープ応力）Ｈを発生させることにより、ファン動翼５１に作用する応力の一部をチップシュラウド５２に分散させることができる。これによって、ファン動翼５１に作用する応力Ｓを低減することができる。
【００３１】
しかし、図６（ａ）に示すように、チップシュラウド２２の外周面にタービン動翼２３が設けられている回転体２０にあっては、タービン動翼２３に高温の作動流体が供給されるため、チップシュラウド２２が高温となってしまう。高温となった場合、このチップシュラウド２２は、熱膨張によって周方向に伸びようとするが、ファン動翼２１に支持されて伸びることができないため、その内部で周方向の圧縮応力Ｃが発生してしまう。その結果、フープ応力Ｈと圧縮応力Ｃとが打ち消しあうことによって、チップシュラウド２２の内部における周方向の引張応力、すなわちファン動翼２１の応力のうちチップシュラウド２２に分散される応力が減少してしまい、ファン動翼２１に作用する応力を十分に低減できない場合がある。特に、フープ応力Ｈと圧縮応力Ｃの絶対値が同一となった場合は、チップシュラウド２２内に発生する応力が実質的に無くなり、チップシュラウド２２に分散されるはずの応力が全てファン動翼２１に作用してしまう可能性がある。
【００３２】
ここで、本実施形態に係るチップタービンファンの回転体１では、ファン動翼２が、回転による遠心力が作用することによって径方向に伸張する伸張構造を有している。従って、回転時にファン動翼２が径方向に伸張しようとすることによって、その伸張を支持しようとするチップシュラウド４に、大きなフープ応力Ｈを作用させることができる。これによって、チップシュラウド４が高温となって圧縮応力Ｃが発生したとしても、チップシュラウド４の内部における周方向の引張応力、すなわちファン動翼２の応力のうちチップシュラウド４に分散される応力を十分に確保することができ、ファン動翼２に作用する応力Ｓを低減することができる。
【００３３】
また、ファン動翼２の形状がＳ字状のスタッキングラインＳＬを備えることによって、伸張構造が構成されているため、ファン動翼２をたわみ易くすることができ、回転時に、ファン動翼２を容易に径方向へ伸張させることができる。
【００３４】
また、スタッキングラインＳＬが曲がっていることにより、ファン動翼２の回転時の周方向への変形に対しては、スタッキングラインＳＬの径方向外側の曲がり幅による影響よりも径方向内側の曲がり幅による影響の方が大きくなる。従って、スタッキングラインＳＬの径方向内側の曲がり幅を径方向外側の曲がり幅よりも小さくすることによってファン動翼２全体としてバランスをとり、スタッキングラインＳＬが曲がっていることによるファン動翼２の周方向への変形の影響を小さくすることができる。
【００３５】
また、ファン動翼２の径方向外側の端部２ｂにおけるスタッキングラインＳＬが、チップシュラウド４のチップ面４ａに対して垂直となっているため、端部２ｂ付近のファン動翼２に作用する応力を低減することができる。更に、ファン動翼２の径方向内側の端部２ａのスタッキングラインＳＬをハブ３のハブ面３ａに対して垂直とすることによって、端部２ａ付近のファン動翼２に作用する応力を低減することができる。
【００３６】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
例えば、本実施形態においては、中心軸線Ａの延在方向から見てスタッキングラインＳＬをＳ字状とすることによって伸張構造を構成しているが、中心軸線Ａと直交する方向（図２における（ｂ）の方向）から見てＳ字状としてもよく、あるいは斜めから見てＳ字状であってもよく、要は、ファン動翼２の径方向と直交する方向からみてＳ字状であればよい。
【００３８】
また、スタッキングラインＳＬをＳ字状に構成するに限らず、スタッキングラインＳＬを曲げることによって、ファン動翼が遠心力で伸張しやすくなれば、どのような形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るチップタービンファンの斜視図である。
【図２】図１の一点鎖線で示す部分の拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は周方向の断面図を示す。
【図３】図２に示すファン動翼を径方向から見た断面図である。
【図４】図２に示すファン動翼のスタッキングラインの形状を示す線図である。
【図５】一般的な回転体のファン動翼に作用する応力を示す図である。
【図６】チップシュラウドの外周面にタービン動翼が設けられた回転体のファン動翼に作用する応力を示す図であり、（ａ）に従来の回転体を示し、（ｂ）に本発明の実施形態に係る回転体を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１…チップタービンファンの回転体、２…ファン動翼、２ａ…径方向内側の端部、２ｂ…径方向外側の端部、３…ハブ、３ａ…ハブ面（外周面）、４…チップシュラウド、４ａ…チップ面（内周面）、６…タービン動翼、Ａ…中心軸線、Ｇｎ…断面中心、ＣＦｎ…断面、ＳＬ…スタッキングライン。
【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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