JP2019512639A - 航空機タービンエンジン用の翼台座及びファンディスク - Google Patents

Abstract

航空機タービンエンジン用の翼台座及びファンディスク。台座（３０）は、ファン（２）の隣接する２つの翼（２０）の間に介在するのに適しており、更に通路壁（３４）と、底壁（３６）と、軸方向及び半径方向保持面と、を具備する。通路壁（３４）は、ファン空気流路（２）を画定しており、底壁（３６）は、ファンディスク（４０）に当接するための主面（３６ａ）を有しており、軸方向及び半径方向の保持面は、台座（３０）の２つの軸方向端部に配置される。台座（３０）の上流側軸方向端部に配置された軸方向及び半径方向保持面（３８）は、底壁（３６）がディスク（４０）に支持される、方向において、底壁（３６）の主面（３６ａ）から半径方向に偏倚する。【選択図】図５

Description

本発明は、航空機タービンエンジンの一般的な分野に関し、より詳細には、航空機タービンエンジン用の翼台座の分野及びファンディスクの分野と、前記台座及び前記ディスクを具備するアセンブリ（組立体）と、更に前記アセンブリを含むファンとに関する。

タービンエンジンにおいて、ファンの翼台座は、幾つかの機能を実行する必要がある。空気力学的な観点から、台座の主な機能は、空気流通路を画定することである。台座はまた、出来る限り殆ど変形せず且つ台座を支えるディスクに固定される状態のままで保持されながら、大きな力に耐えることができる必要がある。

これらの様々な要求を満たすために、台座が、エンジンが回転している間に空気流路を画定し更に台座を保持するように作用する第１の部分と、遠心力の効果の下で第１の部分の任意の変形を制限して更にエンジンの停止時に台座を所定の位置に保持するように作用する第２の部分と、を保有する、特定の形態が提案されてきた。

既存の解決策において、台座は、ドラム（鼓形部）により下流でそしてシュラウド（覆い）により上流で保持される、二次元通路壁を有する箱体の形態であってもよく、その際シュラウドによる上流の保持は、ファンディスクの歯の上で行われる（シュラウドのフランジは、台座の上流側端部を軸方向及び半径方向の両方で塞ぐように作用する）。

シュラウドを用いてディスクの歯に亘って実施されるその様な上流側の保持は、大きなハブ比を課すという欠点を有しており、ハブ比は、回転軸線と、台座の表面に対して同一平面上にある翼の前縁の点との間で測定された半径を、回転軸線と前縁の最外点との間で測定された半径により除算した比である。更に、この上流側の保持は、歯の上、及びシュラウドとディスクとの間において接続が形成されるディスクの凹部において、過剰な応力を生じさせ得る。

ファンの、より一般的にはタービンエンジンの、性能を最適化するために、ファンディスクにおいてファン翼に取り付けられた台座を具備していて且つディスクの歯及び凹部における応力を制限しながら出来る限り小さいハブ比を有する、アセンブリを有することが望ましい。

本発明の一実施形態は、ファンの隣接する２つの翼の間に介在するのに適した台座を提供しており、台座は、ファン空気流路を画定するための通路壁と、ファンディスクに当接するための主面を有する底壁と、を具備しており、更に、台座は、台座の２つの軸方向端部に配置された、軸方向及び半径方向保持面を有しており、台座の上流側軸方向端部に配置された、半径方向保持面は、底壁がディスクに当接する方向において、底壁の主面から半径方向に偏倚することを、台座は特徴とする。

用語「軸方向」は、台座の最も長い方向を指定するように使用されており、そして用語「半径方向」は、軸方向及び底壁の主面に対して垂直な方向を意味するように使用される。

用語「上流」は、台座がファンディスクに当接する場合に、空気の流れ方向に対する上流を意味するように使用される。

台座は、通路壁と底壁とを一緒に組み立てることにより形成された箱体の形態であってもよい。通路壁は、ファン内に入る空気のための流路を画定するように作用する。底壁は、通路壁を所定の位置に保持するとともに、遠心力の影響下で、通路壁の任意の変形を制限するように作用する。底壁はまた、ファンディスクに当接可能な主面を有する。

台座の２つの軸方向の端部に配置された軸方向及び半径方向保持面は、台座を保持し、更にディスクが動いている間に台座に当接する、ディスクに対して所定の位置に台座を保持するように作用する。

台座の上流側軸方向端部に配置された半径方向保持面は、底壁の主面に対して半径方向に偏倚する。用語「半径方向に偏倚する」は、底壁がディスクに当接する方向において偏倚することを意味するように使用される。半径方向保持面と底壁の主面は、お互いに実質的に平行であってもよい。半径方向保持面のこの偏倚は、既知の台座と比較して、通路壁の、及び従って台座の、上流側軸方向端部の形状を変更するように作用する。例えば、台座は、傾斜する箱体、即ち、底壁の主面に対して半径方向に偏倚したその上流側端部を有する箱体の形態であってもよい。台座の形状に対するこの変更は、台座がファン内に配置される時に空気流路を変更し、そして従ってハブ比を低減して、ファンの及び従って、ファンが取り付けられる、タービンエンジンの、性能を向上させるように作用する。

特定の実施の形態において、底壁は、底壁の主面に対して傾斜する傾斜面であって且つ台座の上流側軸方向端部に配置された半径方向保持面に底壁の主面を連続した状態で接続する、傾斜面を有する。

台座の上流側軸方向端部に配置された半径方向保持面は、底壁の主面に対して半径方向に偏倚するので、傾斜面は、半径方向保持面と底壁の主面との間の偏倚を補償するように作用する、底壁の区域に対応する。その結果、傾斜面がディスクに当接することが分かる。台座の上流側軸方向端部に配置された半径方向保持面と傾斜面と底壁の主面とは、一体であってもよく、更に底壁を構成してもよい。

この傾斜面の存在は、台座の形状を変更して、ハブ比を減少させるように最適化することを可能にして、それによりファン及びタービンエンジンの性能が改善される。

特定の実施の形態において、傾斜面は、直線状の壁部分である。

その結果、直線状壁部分は、半径方向保持面を底壁の主面に直線状に接続しており、それにより、ハブ比を減少させるように、台座の上流側軸方向端部の形状を変更する。この直線状壁部分は、簡単であって且つ例えば機械加工により製作が容易である、形状であるという利点を有する。

特定の実施の形態において、傾斜面は、曲線状壁部分である。

その結果、曲線状壁部分は、半径方向保持面を底壁の主面に漸進的に接続して、それにより台座の上流側軸方向端部の形状を変更して、ハブ比を減少させる。この曲線状壁部分は、直線状壁部分とは異なり、傾斜面と主面との間の接合部における任意の不連続が存在することを避けることにより、底壁の主面からの傾斜の変化を平滑化するという利点を有しており、それにより接合部における応力を減少させる。

特定の実施の形態において、傾斜面と通路壁は、実質的に平行である。

その結果、台座の上流側軸方向端部は、傾斜した形状を有しており、傾斜面及び通路部分は、台座がディスクに当接する方向において同様に半径方向に傾斜する。台座の上流側軸方向端部に関するこの形状は、ハブ比を減少させることを可能にする。

本開示はまた、ファンの台座及び翼を支持するのに適したディスクを提供しており、ディスクは、ファン台座を支持するために、ファン翼を受容するための一連のスロット及びスロット間に介在する一連の歯を有する外面と、ディスクの上流面と、ディスクの上流面上においてディスクの軸線の周りで半径方向に配置されていて且つファン台座保持フランジに固定されるのに適した、複数の軸方向突起と、を具備しており、突起が、ディスクの歯に対してディスクの内側に向かって半径方向に偏倚することを、ディスクは特徴とする。

用語「上流面」は、ディスクがファン内に配置された時に空気の流れ方向に対する上流を意味するように使用される。

用語「軸方向突起」は、ディスクがファン内に配置された時に空気流方向において軸方向である、突起を意味するように使用される。

用語「半径方向に偏倚する」は、ディスクの内側に向かって、即ちディスクの回転軸線に向かって偏倚することを意味するように使用される。

ディスクは、ディスクが歯を有するのと同様に多数の軸方向突起を有してもよい。

各軸方向突起は、軸方向突起がファン台座保持フランジに、例えばねじ又はボルトを使用して固定可能であるように、開口部を具備可能である。

軸方向突起がディスクの歯に対してディスクの内側に向かって半径方向に偏倚するので、突起が台座保持フランジに固定される場合に、突起上に位置する固定区域は、従って、ディスクの歯に対して半径方向に偏倚する。このことは、外部要素（例えば、台座保持フランジ）がディスクに固定される場合に、ディスクの歯への応力を制限するという利点を有する。

更に、この固定区域はディスクの歯に対して半径方向に偏倚するので、このことは、ディスクの歯の上流側軸方向端部において空間を解放する、例えば、ディスクの歯を機械加工することが可能になる、という利点を有する。

特定の実施の形態において、軸方向突起は、ディスクの上流面において機械加工されたスタッド（柱材）である。

突起は、立方体の形状であってもよく、各々は、突起の上流面において軸方向に機械加工された固定開口部を有する。固定開口部は、例えばねじ又はボルトを使用して、外部要素、例えば保持フランジ又はシュラウド、をディスクに固定するように作用可能である。軸方向突起はまた、突起の外面において半径方向に機械加工された、それぞれの挿入開口部を具備してもよい。挿入開口部は、外側要素をディスクに固定するために、固定要素が挿入されることを可能にするように作用してもよい。

特定の実施の形態において、ディスクの歯の上流側軸方向端部は、面取りされた被面取り面を有する。

被面取り面は、ディスクの内側に向かって、ディスクの歯の主面に対して傾斜した、傾斜面の形態であってもよい。被面取り面は、例えば、ディスクの歯の上流側軸方向端部を機械加工することにより製作されてもよい。その様な機械加工は、ディスクの上流面における軸方向突起の半径方向偏倚により利用可能になる、空間により可能になる。この被面取り面の存在によって、ディスクの歯の形状を、歯に当接するべき、台座の形状に適合させることを可能となり、それにより、ファンの性能を向上させるために、ハブ比を減少させるという利点を有する。

本開示はまた、ディスクと少なくとも１つの台座とを具備する、アセンブリを提供しており、アセンブリは、台座の上流側端部を軸方向及び半径方向に保持するための少なくとも１つの上流側保持フランジを更に具備しており、上流側保持フランジは、ディスクの上流面の突起に固定される。

保持フランジがディスクに固定される場合に、ディスクの軸方向突起上におけるフランジの固定区域に対応する、ディスクとフランジとの間の接点面は、この面がディスクの歯の同じレベルに位置する、既知のシステムとの比較において、ディスクの歯に対してディスクの内側に向かって半径方向に偏倚する。この偏倚は、歯とディスクのスロットとの上流側軸方向端部における応力を制限するように作用する。更に、この接点面の偏倚は、ディスクの各歯の上流側軸方向端部における空間を解放するように作用して、歯を機械加工するための及び従って台座の形状を変更するための、より大きな可能性を提供して、更にそれによりハブ比を減少させる。

特定の実施の形態において、台座がディスクの歯を支持する時に、底壁の傾斜面は、ディスクの歯の被面取り面に接触しており、傾斜面と被面取り面は平行である。

保持フランジとディスクとの間の接点面が、ディスクの内側に向かって偏倚するので、ディスクの歯は、より自由に機械加工可能である。従って、歯の上流側軸方向端部は、被面取り面が台座の傾斜面に平行である状態において、台座の形状を機械加工するのに適した面取りを有してもよい。これは、ディスクの突起に固定された保持フランジにより、台座がディスクの歯に押し付けられる、コンパクトなアセンブリを形成するという利点を有する。

特定の実施の形態において、上流側保持フランジは、シュラウドである。

本開示はまた、ディスクのスロットに取り付けられた複数の翼と共に、本開示に記載の実施の形態のいずれかによるアセンブリを具備する、タービンエンジンファンを提供する。

本発明及びその利点は、非限定的な例として与えられる、本発明の様々な実施の形態の以下の詳細な説明を読むことにより、より良好に理解可能である。説明は、添付の図面を参照する。

図１は、本発明のタービンエンジンの図式的断面図である。 図２は、方向ＩＩに沿って見た図１のファンの図式図である。 図３Ａは、本発明の台座の長手方向断面図である。 図３Ｂは、本発明の台座の長手方向断面図である。 図４は、本発明のディスクの斜視図である。 図５は、本発明の保持フランジと台座とディスクとを具備する、アセンブリの長手方向断面図である。

本開示において、用語「長手方向」及びその派生語は、検討中の台座の主方向に対して定義されており、用語「半径方向」、「内側」、「外側」及びそれらの派生語は、タービンエンジンの主軸線に対して定義されており、最後に、用語「上流」及び「下流」は、タービンエンジンを通過する流体の流れ方向に対して定義される。更に及び反対に特定されない限り、様々な図において、同じ参照符号は、同じ特徴を指定する。

図１は、軸線Ａを中心とする本発明の複流式ターボジェット１の図式的長手方向断面図である。上流から下流へ、ターボジェット１は、ファン２と、低圧圧縮機３と、高圧圧縮機４と、燃焼室５と、高圧タービン６と、低圧タービン７とを具備する。

図２は、方向ＩＩ方向から見た図１のファン２の図式図である。ファン２は、その外周において形成された複数のスロット（長穴）４２を有する、ファンディスク４０を有する。これらのスロット４２は、直線状であり、スロット４２は、ディスク４０の全体に沿って上流から下流へ軸方向に伸びる。スロット４２はまた、ディスク４０の軸線Ａの周りに規則的に分布する。このようにして、各スロット４２は、隣接するスロットと協働して、ディスク４０全体に沿って上流から下流へ同様に伸びる、歯４４を画定する。同様に、スロット４２は、隣接する２つの歯４４の間に画定される。

ファン２はまた、曲線のある形状の複数の翼２０（４つの翼２０のみが図２において示される）を有する。各翼２０は、ファンディスク４０の対応するスロット４２に取り付けられた、根部２０ａを有する。この目的のために、翼２０の根部２０ａは、スロット４２の形状に適合するようにクリスマスツリー形状又はダブテール（ありつぎ）形状であってもよい。

最後に、ファン２は、ファンディスク４０に取り付けられた複数の台座３０を有しており、各台座３０は、ファン翼２０の根部２０ａの近傍において、隣接する２つのファン翼２０の間の隙間に取り付けられて、ファン２内への環状の空気入口通路の内側を画定しており、通路は、ファンケーシングにより外側において画定される。

図１及び図２はまた、内側半径ＲＩ及び外側半径ＲＥを示す。内側半径ＲＩは、回転軸線Ａと、台座３０の表面と同一平面上にある、翼２０の前縁の点との間で測定される半径に対応する。外側半径ＲＥは、回転軸線Ａと翼２０の前縁の最外点との間で測定される半径に対応する。これらの２つの半径ＲＩ及びＲＥは、本発明のアセンブリ（組立体）により減少されるべき、ハブ比ＲＩ／ＲＥを計算するために使用される半径である（特に、内側半径ＲＩを小さくすることにより）。言い換えれば、特に内側半径ＲＩを決定することによりハブ比を減少させることは、空気力学的な空気入口通路を、ファンディスクに対して出来る限り近くに移動することになる。

図３Ａ及び３Ｂは、台座３０の長手方向断面図である。本発明の台座３０は、通路壁３４と、底壁３６と、台座３０の２つの軸方向端部に配置された半径方向及び軸方向の保持面３８及び３９と、を具備する。通路壁３４及び壁３６により形成されたアセンブリは、台座３０を構成する箱体３２を形成する。底壁は、主面３６ａ及び傾斜面３６ｂにより構成される。傾斜面３６ｂは、台座の上流側軸方向端部に位置する保持面３８が主面３６ａに対して半径方向に偏倚するように、主面３６ａを保持面３８に連続的に接続する。図３Ａの例において、傾斜面３６ｂは、直線状壁部分である。図３Ｂの例において、傾斜面３６ｂは、曲線状壁部分である。

図４は、外面４０ａと上流面４０ｂとを有する、ファンディスクの斜視図である。外面４０ａは、スロット４２間に介在する歯４４によりファン翼２０の根元２０ａを受容するのに各々が適していて且つファン台座３０を支持するのに適する、一連のスロット４２を有する。各歯４４は、主歯面４４ａと、被面取り面４４ｂとを有する。被面取り面４４ｂは、被面取り面４４ｂの形状が台座３０の傾斜面３６ｂの形状と同一になるように、例えば、歯４４の上流側軸方向端部を機械加工することにより製作される。その結果、図５に示すように、台座３０が歯４４に当接する場合に、台座の主面３６ａは、歯４４ａの主面に接触しており、そして台座の傾斜面３６ｂは、歯の被面取り面４４ｂに接触する。

更に、その上流面４０ｂにおいて、ディスク４０は、立方体形状であって且つ軸線Ａの周りにおいて一定の間隔で周方向に配設されてもよい、複数の軸方向突起４６を有する。軸方向突起４６の数は、歯４４の数に等しくてもよく、各突起４６は、対応する歯４４と半径方向に整列する。更に、各軸方向突起４６は、対応する歯４４に対して、ディスクの内側に向かって、即ち軸線Ａに向かって、半径方向に偏倚する。例えば、軸線Ａと突起４６の外面４６ａとの間の距離は、軸線Ａとスロット４２との間の距離よりも短くてもよい。

各軸方向突起４６は、例えばねじ又はボルト等の固定手段４９を受容するのに適した、その上流面４６ｂ内の固定開口部４６０ｂを有してもよい。各軸方向突出部４６はまた、例えばタップ（雌ねじ切られた）穴を含むインサート等の、固定要素４７を受容するのに適した、その外面４６ａ内の挿入開口部４６０ａを具備してもよい。上流側保持フランジ５０、例えばシュラウドは、従って、例えば、フランジ５２内の開口部及び突起内の固定開口部４６０ｂを介して固定手段４９を挿入することにより、軸方向突起４６に固定可能であり、固定要素４９は、その後、突起の挿入開口部４６０ａを介して挿入された固定要素４７に、固定、例えばねじ固定される。保持フランジ５０がディスク４０に固定された状態で、フランジ５０の上面５４はその際に、台座３０に半径方向の保持を提供するように作用する。

ディスク４０と保持フランジ５０との間の固定区域が、軸方向突起４６に位置するので、そのことは、ファンが動作している間に、ディスクの歯４４の上流側軸方向端部及びスロット４２等の傷つき易い表面に作用する応力を制限することを可能にする。更に、既知の構造と比較して、ディスク４０と保持フランジ５０との間のこの接点面は、ディスクの歯に対して半径方向に偏倚するので、そのことは、ディスクの歯の上流側軸方向端部において空間を減少させることを可能にする。結果的に、歯４４の上流側軸方向端部、及び従って台座３０の上流側軸方向端部をより自由に変更することが可能であり、それにより、ファン、及び従ってファンが取り付けられるタービンエンジンの性能を最適化するようにハブ比を減少させることが可能である。一例として、図５は、ディスク４０の被面取り面４４ｂの及び台座３０の傾斜面３６ｂの結果として、箱体３２が、ディスク４０の内側に向かって傾斜する形状を有する、台座３０を示す。

本発明は、特定の実施の形態を参照して説明されるがしかし、特許請求の範囲により規定される本発明の一般的な範囲を逸脱することなく、修正及び変更が、特定の実施の形態に実施されてもよいことは明らかである。特に、図示された及び／又は言及された様々な実施の形態の個々の特徴は、別の実施の形態において組み合わせ可能である。従って、説明及び図面は、限定的よりむしろ例示的な意味において考慮されるべきである。

Claims (10)

1. ファン（２）の隣接する２つの翼（２０）の間に介在するのに適した台座（３０）であって、前記台座（３０）は、
   ファン空気流路を画定するための通路壁（３４）と、
   ファンディスク（４０）に当接するための主面（３６ａ）を有する底壁（３６）と、を具備しており、
   前記台座（３０）は、前記台座（３０）の２つの軸方向端部に配置された、軸方向及び半径方向保持面を有しており、
   前記台座（３０）の上流側軸方向端部に配置された、前記軸方向及び半径方向保持面（３８）は、前記底壁（３６）が前記ファンディスク（４０）に当接する方向において、前記底壁（３６）の前記主面（３６ａ）から半径方向に偏倚しており、
   前記底壁（３６）は、前記底壁（３６）の前記主面（３６ａ）に対して傾斜する傾斜面（３６ｂ）であって且つ前記台座の上流側軸方向端部に配置された前記半径方向保持表面（３８）と連続する状態で、前記底壁（３６）の前記主面（３６ａ）に接続する、傾斜面（３６ｂ）を有する、ことを特徴とする台座（３０）。
2. 前記傾斜面（３６ｂ）は、直線状壁部分である、ことを特徴とする請求項１に記載の台座（３０）。
3. 前記傾斜面（３６ｂ）は、曲線状壁部分である、ことを特徴とする請求項１に記載の台座（３０）。
4. 前記傾斜面（３６ｂ）と前記通路壁（３４）は、実質的に平行である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の台座（３０）。
5. ファン（２）の台座（３０）及び翼（２０）を支持するのに適したディスク（４０）であって、前記ディスク（４０）は、
   前記ファンの台座（３０）を支持するために、ファン翼（２０）を受容するための一連のスロット（４２）と、前記一連のスロット（４２）の間に介在する一連の歯（４４）と、を有する外面（４０ａ）と、
   前記ディスクの上流面（４０ｂ）と、
   前記ディスク（４０）の前記上流面（４０ｂ）上において前記ディスクの軸線（Ａ）の周りで半径方向に配置されていて且つファン台座保持フランジ（５０）に固定されるのに適した、複数の軸方向突起（４６）と、を具備しており、
   前記複数の軸方向突起（４６）が、前記ディスク（４０）の前記歯（４４）に対して前記ディスク（４０）の内側に向かって半径方向に偏倚する、ディスク（４０）において、
   前記ディスク（４０）の前記歯（４４）の上流側軸方向端部が、面取りされた被面取り面（４４ｂ）を有する、ことを特徴とするディスク（４０）。
6. 前記軸方向突起（４６）は、前記ディスク（４０）の前記上流面（４０ｂ）において機械加工された、スタッドである、ことを特徴とする請求項５に記載のディスク（４０）。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の少なくとも１つの台座（３０）と、請求項５又は６に記載のディスクと、を具備するアセンブリにおいて、
   前記アセンブリは、前記台座（３０）の上流側端部を軸方向及び半径方向において保持するための少なくとも１つの上流側保持フランジ（５０）を更に具備しており、
   前記上流側保持フランジ（５０）は、前記ディスク（４０）の前記上流面（４０ｂ）の軸方向突起（４６）に固定される、ことを特徴とするアセンブリ。
8. 前記台座（３０）が前記ディスク（４０）の歯（４４）に当接した時に、前記底壁（３６）の前記傾斜面（３６ｂ）は、前記ディスクの前記歯（４４）の前記被面取り面に接触しており、更に、前記傾斜面（３６ｂ）と前記被面取り面（４４ｂ）は平行である、ことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記上流側保持フランジ（５０）は、シュラウドである、ことを特徴とする請求項７又は８に記載のアセンブリ。
10. 前記ディスク（４０）の前記一連のスロット（４２）に設置された複数の翼（２０）と、請求項７〜９のいずれか一項に記載のアセンブリとを具備する、ことを特徴とするタービンエンジンファン（２）。

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