JP5478613B2 - ターボ機械のファンローター - Google Patents

Description

本出願は、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械のためのファンローターに関する。

ターボ機械のファンは、外側周囲に羽根を担持するディスクを備え、羽根は、ディスクの外側周囲内のほぼ軸方向の溝内に係合された根元部を有する。羽根は、根元部の形状とディスク内の溝の形状の間の共働によってディスク上に径方向に保持され、羽根の根元部は、たとえばダブテイル形をしたタイプのものである。

羽根がディスク内で径方向に移動することを防止するために、スペーサーが、各羽根の根元部とディスク内の対応する溝の底部との間に挿入され、スペーサーは、上流側端部径方向に外向きに延びるニブを有し、ニブは、羽根を軸方向に上流方向に保持する目的で、羽根の根元部の上流側の径方向面に対する軸方向の支承面を形成する下流側の径方向の面を呈する。スペーサーは、ディスク上の羽根が、あらゆる不均衡を生み出すことを回避するために全て同じ軸方向の位置を有することを確実にし、また、ディスクの上流側端部に締め付けられた環状のチークプレートに対して軸方向に支承するのに適している。

ファンの羽根が失われるまたは破壊されるといっためったに起こらないことが望ましい事象では、羽根は、隣接する羽根に対して投げ出され、次いで、隣接する羽根は、非常に激しい上流側の軸方向の力にさらされ、これに影響を受けて、対応するスペーサーによって上流側のチークプレートに伝達される。スペーサーは、チークプレートに対して軸方向に支承するようになり、チークプレートは、軸方向の力の一部を減衰させ、したがってファンの他の羽根の損失を回避するために弾性的に変形するように設計される。羽根を上流側方向に保持するための軸方向の保持手段はまた、チークプレートの変形が特定の閾値に達した場合、軸方向の力の一部を吸収するために、ディスク上の、羽根から下流側にも装着される。

現況技術では、各スペーサーのニブは、上記で述べられた軸方向の力をすべて上流側のチークプレートに伝達するように設計されており、ニブは、軸方向の力が伝達されている間、軸方向の大きなせん断力にさらされる。したがって、ニブは、力に耐えることができるように軸方向に過大に寸法設定されることが必要であり、それにより、各ニブが、軸方向に大きなサイズとなり、ファンローターの総重量を増大させる。

スペーサーのニブの軸方向における過大な寸法設定を補償するために、対応する羽根の根元部の上流側端部を同じ程度まで切り取ることが可能である。それにも関わらず、このような解決策は不十分である。というのも、羽根の根元部が、ここでは、ディスク内の溝の軸方向寸法より短い軸方向寸法を呈し、ディスクの早期摩耗につながり得る高接触力を溝の側壁に対して及ぼすリスクがあるためである。

本発明の特定の目的は、従来技術のものより効果的であり、小型であり、かつ軽量であるファンの羽根用の軸方向の保持手段を使用して、簡単であり、効果的であり、かつ安価である方法で従来技術の上記で述べられた問題に対して解決策を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明は、ディスクの外側周囲内のほぼ軸方向の溝内に係合された根元部を有する羽根を担持するディスクと、各々がディスク内の溝の底部と対応する羽根の根元部との間に挿入されたスペーサーであって、各スペーサーの上流側端部が、ディスクに固定された保持チークプレートに対して支承するように設計され、径方向に外向きに延び、羽根の根元部の上流側端部を保持するように設計されたニブを含むスペーサーとを備える、ターボ機械のファンローターであって、各スペーサーのニブが、激しい力が発生した場合に羽根の根元部の上流側端部が支承する下流側の当接面を有し、下流側の当接面は、ローターの回転軸に対して傾斜していることを特徴とする、ローターを提供する。

ファンの羽根が失われた、または破壊された場合、失われたまたは破壊された羽根に隣接する羽根は、上流側に激しく突き出され、ファンの羽根の根元部の上流側端部は、スペーサーのニブに対して支承するようになり、ニブは、チークプレートに当接するまで上流側を移動される。さらに進むと、羽根は、スペーサーの傾斜面にわたって滑ることによってスペーサーのニブ上に載ることになる。それにも関わらず、羽根は、根元部をすでにディスク内の溝の壁に対して支承しているため、径方向に外向きに移動することができない。したがって、スペーサーのニブの傾斜面は、くさび効果を生じさせ、それによって羽根の根元部とディスク内の溝の壁の間にすでに存在する推力に加わる。負荷が追加されることにより、羽根上に及ぼされた軸方向の力の一部分を、羽根の根元部とディスク内の溝の壁の間の摩擦によって吸収することが可能になる。軸方向の力の残りの部分は、スペーサーおよび上流側のチークプレートによってローターのディスクに伝達される。

したがって、本発明は、ファンの羽根が失われた場合にスペーサーのニブにかけられたせん断力を低減する役割を果たす。これは、軸方向の寸法、したがって各スペーサーのニブの全体サイズを低減することを可能にし、それによってスペーサー、したがって全体としてファンローターをより軽量にすることを可能にする。１つの特定の構成では、６００グラム（ｇ）から７００ｇの範囲にある減量化がファンモジュール全体において観察され、すなわちモジュールの重量の１％より少し少ないものである。

従来技術の場合と同様に、上記で述べられた軸方向の力が、その力にさらされた羽根を突き出す先のスペーサーは、チークプレートに対して支承するようになり、チークプレートは、軸方向の力を減衰させるように変形する。スペーサー、したがってチークプレート上に及ぼされた軸方向の力を低減するということは、チークプレートが軸方向の力のほとんどすべてを減衰させ、したがってディスク上に装着された羽根のための、羽根から下流側にある軸方向の保持手段を省くことを予見することが可能である。

ニブの下流側当接面は、ローターの軸に対して、１０°から８０°の範囲、たとえば約２０°から７０°の範囲にある角度を形成する。特定の構成では、スペーサーのニブに伝達される軸方向の力は、αが６０°に等しいときは初期負荷の７５％だけであり、αが４５°に等しいときは初期負荷の５０％だけである。

本発明の別の特性によれば、ニブの下流側の当接面は、羽根の根元部の上流側の面に対向して位置しており、羽の根元部の上流側の面は、これもローターの回転軸に対して傾斜して延び、ニブの下流側の傾斜面に対してほぼ平行である。羽根の根元部の傾斜面は、スペーサーのニブの傾斜面に対して支承するように設計される。

応力がかけられていない状態では、ニブおよび羽根の根元部の対向する傾斜面は、１０°未満、たとえば約２°から５°の範囲にある角度で互いに対して傾けられており、このような角度は、激しい力が羽根にかけられた場合、ニブの弾性的変形によって消失する傾向がある。こうした状態で、ニブおよび羽根の根元部の対向する傾斜面は、より好ましくは、互いから離間される。したがって、ファンの正常作動では、羽根の根元部およびスペーサーの傾斜面は、少量の隙間によって分離されている。ファンの羽根が失われたまたは壊れている場合、隙間は、吸収されるように設計され、上記で述べられた傾斜面は、互いに対して支承し合うように設計される。羽根の根元部がスペーサーのニブに対して支承するとき、ニブの傾斜面は、羽根の根元部の対応する傾斜面に対して平行になるように変形されるようにニブは設計され、羽根の付け根の対応する傾斜面は、このとき、ニブの傾斜面の全表面積に対して支承する。

ニブは、径方向の外側端部に、応力がかけられていない状態において羽根の根元部の上流側端部を軸方向に位置決めするための下流側の径方向の面を含む。したがって、正常作動では、羽根の根元部は、ニブの径方向の外側端部に対して軸方向に支承し、それによってニブおよび羽根の根元部の傾斜面を互いから離間した状態に保つ。羽根が失われた場合、羽根の根元部は、ニブの端部上に軸方向の推力を及ぼし、ニブは、ニブおよび羽根の対向する傾斜面が互いに対して支承し合うようになるまで変形する。

ニブの下流側の軸方向の面は、好ましくは、横断溝を介してニブの傾斜面に接続され、横断溝は、羽根が壊れているまたは失われた場合にニブの弾性的変形を容易にするように設計される。溝は、凹型の曲線形状の断面を有することができる。横断溝はまた、ニブの脆弱部のゾーンを形成することもでき、ゾーンは、羽根によって伝達された軸方向の力が特定の閾値に達する場合、ニブの残りの部分から分離され得るようにニブの径方向の外側部分を脆弱化するように設計される。

ニブの傾斜面および／または根元部の傾斜面は、滑らかになり得る。一変形例では、溝または歯が、ニブの傾斜面および／または羽根の根元部の傾斜面上に形成されてよく、溝または歯は、傾斜面が互いに対して支承し合うようになるとき、摩擦および平板化によって追加のエネルギーを吸収する役割を果たす。

本発明はまた、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械であって、上記で説明されたようなファンローターを含むことを特徴とするターボ機械も提供する。

最後に、本発明は、上記で明記されたタイプのファンローターのための羽根の根元部スペーサーであって、一方の端部に、羽根の根元部を位置決めするための径方向の第１の面と、羽根の根元部を保持するための傾斜する第２の面とによって形成された、羽根の根元部に対して支承するための２つの面を有するニブを含むことを特徴とする、羽根の根元部スペーサーを提供する。これらの２つの面は、凹型の曲線形状を有する断面の横断溝を介して互いに接続される。

以下の説明を非限定的な例として、添付の図を参照して読むことによって、本発明は、より良好に理解され得、本発明の他の詳細、特性、および利点は、より明確に現れる。

従来技術のターボ機械ファンローターの軸方向断面の片側の部分図である。 本発明のターボ機械のファンローターの軸方向断面の片側の部分図である。 図２の一部を示す拡大図である。

最初に、本発明に先立って従来技術のターボ機械のファンローター１０を示す図１が参照される。

ファンローター１０は、ディスク１４によって担持され、中間羽根プラットフォーム１６が間に挿入された羽根１２を備え、ディスク１４は、上流側端部において、ターボ機械のシャフト（図示せず）に締め付けられている。

各ファンの羽根１２は、根元部１８に径方向の内側端部を接続させた翼を備え、根元部１８は、羽根をディスク上で径方向に保持する役割を果たすディスク１４内の相補的形状のほぼ軸方向の溝２０内に係合される。

中間羽根プラットフォーム１６は、ターボ機械に入る気流の流れ２１の内側を画定する壁を形成し、プラットフォームをディスクに締め付けるためにディスク１４上の溝２０の間に設けられた対応する手段と共働する手段を含む。

羽根が溝内で径方向に移動することを防止するために、スペーサー２２が、各羽根の根元部１８とディスク内の対応する溝２０の底部との間に挿入される。各スペーサー２２は、径方向に外向きに延びるニブ２４を上流側端部に担持する細長い棒によって形成される。

ニブ２４は下流側の径方向の面２６を有し、面２６は、図１に示される組み立てられた位置では、羽根をディスク１４上で軸方向に上流側方向に保持し、かつ前記羽根のディスクに対する正確な軸方向の位置を規定するために、羽根の根元部１８の上流側端部の径方向の面に対して軸方向に支承する。

環状チークプレート２８が、ディスク１４の上流側端部上に同軸方向に締め付けられ、このときチークプレート２８の外側周囲は、スペーサー２２のニブから上流側に、そこから少しの軸方向の距離に離れて位置している。チークプレート２８は、ディスクのドッグ３１内に係合するドッグ２９によってディスク１４上に保持され、チークプレート２８はまた、内側周囲に、環状フランジ３０も有し、環状フランジ３０は、ディスク１４の上流側の環状フランジ３２とディスク１４および羽根１０から上流側に配置されたスピナーまたはキャップ３６の内側環状フランジ３４との間に挿入される。フランジ３０、３２、および３４は、ボルト３７を通すための軸方向のオリフィス等の、フランジを互いにクランプ締めするためのものを有する。

キャップ３６は、下流側に広がるほぼ円錐台の形状であり、キャップ３６の壁は、キャップを軸方向に延ばす中間羽根プラットフォーム１６によって画定されている。キャップ３６は、釣合錘４０を装着するための径方向の穴３８を有する。

ファンの羽根１２が失われた場合、羽根は、隣接するファンの羽根を打ちつけ、羽根は、次いで、非常に激しい上流側の軸方向の力にさらされ、軸方向の力は、羽根に付随するスペーサー２２によって上流側チークプレート２８に伝達される。軸方向の力にさらされた羽根の根元部１８は、スペーサーのニブ２４の面２６を軸方向に（矢印Ｆ）押さえ付けることから始め、次いで、ニブ２４はさらに、チークプレート２８に対して軸方向に支承するようになり、チークプレート２８は、上記で述べられた軸方向の力の一部を減衰させるために弾性的に変形する。羽根１２をディスク上で軸方向に保持するための保持手段はまた、下流側のディスク上にも装着される。

上記で述べられた軸方向の力が伝達されているとき、スペーサーのニブ２４は、点線４２によって図で表された平面内で大きなせん断力にさらされる。これらのせん断力に耐えるために、ニブ２４は、軸方向に過大に寸法設定され、それによってサイズおよび重量に関する欠点をもたらす。

本発明は、羽根の根元部が支承するようになるニブ上に傾斜面を設けることによってこれらの欠点を解決する役割を果たし、傾斜面は、羽根の根元部とディスク内の溝の側壁との間の摩擦力および支承力を増大させるくさび効果を生み出し、それによって、ファンの羽根の損失または破損から生じる衝撃の一部を吸収する役割を果たす。

図２および図３に示される実施形態では、ディスク１４、チークプレート２８、およびキャップ３６は、図１のものと同一である。

羽根１２’は、根元部１８に関して、根元部１８の上流側端部にスペーサー２２のニブ２４’に対して支承するための面４４’を含むという点で図１とは異なり、面４４’は、以下でより詳細に説明されるように、ファンの軸Ａに対して傾斜して延びている。傾斜面４４’は、羽根の根元部の径方向の内側端部に形成され、根元部の上流側径方向の面４６’と根元部の径方向の内側の長手方向面４８’を接続する。

図に示されるように組み立てられた位置にあり、応力がかけられていない状態の羽根の根元部１８’の上流側径方向の面４６’は、ニブ２４’の径方向の外側端部部分上に設けられた下流側の径方向の面２６’に対して軸方向に支承し、羽根の根元部を、軸方向に正確に、ディスク上で位置決めする役割を果たす。

径方向の面４６’の内側の径方向に、ニブ２４’はまた、面５０’も含み、面５０’は、ファンの羽根１２’が失われたまたは破壊された場合に、前記面４４’に対して支承することによってそれと共働するために、羽根の根元部の面４４’に対向して位置している。面５０’は、ファンの長手方向軸Ａに対して傾斜して延び、羽根の根元部の傾斜面４４’に対してほぼ平行である。

ニブの傾斜面５０’とファンの軸の間に形成された角度αは、１０°から８０°の範囲、好ましくは２０°から７０°の範囲である。図示される例では、これは、約４０°から５０°である。

図に示されるように応力がかけられていない状態では、羽根の根元部と、ニブの傾斜面４４’および５０’は、それらの間に、１０°未満、好ましくは約２°から５°の範囲にある角度βを形成する。面４４’および５０’は、下流側に向かって互いから分岐する。

歯または溝５２’または表面の不規則性が、以下で説明されるように、ニブの傾斜面５０’上に形成され得る。

ニブの傾斜面５０’は、横断溝５４’を介してニブの径方向の面２６’に接続される。横断溝５４’は、図示される例では、凹型の曲線形状の断面を有する。

溝５４’は、羽根の根元部が、ニブの径方向の面２６’に対して軸方向に支承する場合にニブ２４’の上流側方向の弾性的変形を容易にし、このとき、ニブは、溝５４’内に屈曲している。溝５４’はまた、スペーサーによって伝達された軸方向の力が特定の閾値に達したとき、ニブの径方向の外側部分が破断され得るようにニブ２４’を脆弱化するための手段も形成する。点線５６’は、ニブ２４’の径方向の外側部分の破損面を図で表している。

ファンの羽根が失われた場合、失われた羽根に隣接する羽根１２’は、軸方向に上流側に押され、大きな軸方向の力を、特定の閾値まで弾性的に変形するニブ２４’の径方向の外側端部上にかけ、それによって羽根の根元部１８’が、根元部の傾斜面４４’を介してニブの傾斜面５０’を、これらの２つの傾斜面４４’および５０’が相互に平行になり、それらの全範囲にわたって互いに押し付け合うようになるまで支承する。羽根１２がさらされる衝撃の一部分（矢印Ｆ）が、ディスクの溝２０の側壁に対する羽根の根元部の推力および摩擦（矢印ｆ_ｆ）によって吸収される。軸方向の力の残りの部分は、スペーサーのニブ２４’によってチークプレート２８に伝達され、チークプレート２８は、さらに、軸方向の力をドッグ２９および３１を介してディスク１４に伝達し、ニブ２４’は、図１のものより小さいせん断力（矢印ｆ_ｃ）にさらされる。溝５２’または表面の不規則性は、羽根の根元部の傾斜面４４’が、スペーサーの傾斜面５０’に対して押し付けられる間、摩擦および平板化による衝撃エネルギーの追加の部分を吸収する役割を果たす。

本発明は、スペーサーのニブ２４’を従来技術よりも軽量化することを可能にするが、理由としては、羽根が失われた場合、スペーサーのニブ２４’がさらされるせん断力は、従来技術におけるものよりもかなり小さいためである。本発明はまた、羽根の下流側に装着された軸方向の保持手段を省き、したがってファン１０の重量を有意に低減することも可能にする。

Claims (13)

1. ディスクの外側周囲内のほぼ軸方向の溝（２０）内に係合された根元部（１８’）を有する羽根（１２’）を担持するディスク（１４）と、各々がディスク内の溝の底部と対応する羽根の根元部の間に挿入されたスペーサー（２２’）であって、各スペーサーの上流側端部が、ディスクに固定された保持チークプレート（２８）に対して支承するように設計され、径方向に外向きに延び、羽根の根元部の上流側端部を保持するように設計されたニブ（２４’）を含むスペーサー（２２’）とを備えるターボ機械のファンローターであって、各スペーサーのニブが、激しい力が発生した場合に羽根の根元部の上流側端部が支承する下流側の当接面（５０’）を有し、下流側の当接面が、ローターの回転軸（Ａ）に対して傾斜していることを特徴とする、ローター。
2. ニブ（２４’）の下流側の当接面（５０’）が、ローターの軸（Ａ）に対して、１０°から８０°の範囲、たとえば約２０°から７０°の範囲にある角度（α）を形成することを特徴とする、請求項１に記載のローター。
3. ニブ（２４’）の下流側の当接面（５０’）が、ローターの回転軸（Ａ）に対して同様に傾斜して延びかつニブの下流側の傾斜した面に対してほぼ平行である、羽根の根元部（１８’）の上流側の面（４４’）に対向して位置することを特徴とする、請求項１または２に記載のローター。
4. 応力がかけられていない状態では、ニブ（２４’）および羽根の根元部（１８’）の対向する傾斜した面（４４’、５０’）が、１０°未満、たとえば約２°から５°の範囲にある角度（β）で互いに対して傾けられており、この角度が、激しい力が羽根にかけられた場合、ニブの弾性的変形によって消失する傾向があることを特徴とする、請求項３に記載のローター。
5. ニブ（２４’）が、径方向の外側端部に、羽根の根元部（１８’）の上流側端部を軸方向に位置決めするための下流側の径方向の面（２６’）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のローター。
6. 応力がかけられていない状態では、ニブ（２４’）および羽根の根元部（１８’）の対向する傾斜した面（４４’、５０’）が、ニブの下流側の径方向の面（２６’）に対して支承する羽根の根元部（１８’）によって互いから離間した状態に保たれることを特徴とする、請求項５に記載のローター。
7. ニブ（２４’）の下流側の径方向の面（２６’）が、ニブの径方向の外側部分の上流側方向の弾性的変形を容易にするように設計された横断溝（５４’）を介して、前記ニブの傾した斜面（５０’）に接続されることを特徴とする、請求項５または６に記載のローター。
8. 溝（５４’）が、凹型の曲線形状の断面を有することを特徴とする、請求項７に記載のローター。
9. ニブ（２４’）の傾斜した面（５０’）が、平滑であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のローター。
10. 溝（５２’）または歯が、ニブ（２４’）の傾斜した面（５０’）に形成されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のローター。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のファンローター（１０）を含むことを特徴とする、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のファンローターのための羽根の根元部スペーサーであって、一方の端部に、羽根の根元部を位置決めするための径方向の第１の面（２６’）と、羽根の根元部を保持するための傾斜する第２の面（５０’）とによって形成された、羽根の根元部に対して支承するための２つの面を有するニブ（２４’）を含むことを特徴とする、スペーサー。
13. 径方向の面および傾斜した面（２６’、５０’）が、凹型の曲線形状の断面を有する横断溝（５４’）を介して互いに接続されることを特徴とする、請求項１２に記載のスペーサー。

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