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JP2017187019A - 前縁要素を有する翼形部組立体 - Google Patents

前縁要素を有する翼形部組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】 3D幾何形状特徴部を有する改善された翼形部及びその製造方法を提供すること。【解決手段】 翼形部(102)は、翼弦(114)及びキャンバ(116)両方の変動を伴う3D前縁幾何形状(112)を定める前縁要素(104、204、304)に固定された、取付け縁(112)と後縁(116)とを有する複合材本体(111)を含む。前記前縁要素(104、204、304)及び後縁要素(108、208、308)は、異なる材料から作ることができる。前記前縁要素(104、204、304)を金属とすることができる。【選択図】 図2

Description

本発明は、タービンエンジン等の翼形部組立体に関する。
タービンエンジン、具体的にはガス又は燃焼タービンエンジンは、複数のブレードを有するファンを通過し、次いで回転ブレードと固定ベーンとの対を含む一連の圧縮機段に入り、燃焼器を通り、次いで回転ブレードと固定ベーンとの対を含む一連のタービン段を通る燃焼ガス流からエネルギーを抽出する、ロータリーエンジンである。
動作時、空気は圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生させ、これがタービン段を通って下流に流れる。燃焼ガス流路の極端な温度及び動作パラメータに起因して、タービン及び圧縮機両方のステータベーン及び回転ブレードには極度の機械的負荷及び熱負荷によって高い応力がかかる。ベーン及びブレード並びに他のエンジン構成要素は、これらの応力に対応できることが必要である。熱応力に対応しながら効率を高めるために重量が低減された複合翼形部が、ベーン及びブレード用に現在一般的に用いられている。
加えて、複合翼形部は、空気流の上流側突風又は翼形部を時折通過する異物の影響を低減するために製造された金属製の前縁要素を受け入れるように形成することができる。翼形部、特にベーン/ブレードの前縁は、突風に由来する非定常圧力及び騒音、並びに物体からの衝撃に耐え得る必要がある。
米国特許第8535008号明細書
1つの態様において、本発明の実施形態は、取付け縁と後縁とを有する本体と、取付け縁に固定され、翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を定める、前縁要素とを備えた、翼形部組立体に関する。
別の態様において、本発明の実施形態は、翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を有する前縁要素と、後縁要素と、前縁要素を後縁要素に固定する接続部と
を備えた、翼形部に関する。
別の態様において、本発明の実施形態は、翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を有する前縁要素を後縁要素に固定することを含む、翼形部を形成する方法に関する。
本発明の第1の実施形態による航空機用ガスタービンエンジンの概略面図。 ベーンセグメントの斜視図。 図2のベーンセグメントの分解断面図。 図2のベーンセグメントの断面図。 図2のベーンセグメントの第2の実施形態の分解断面図。 図2のベーンセグメントの第3の実施形態の分解断面図。
説明する実施形態は、例えば限定されないが回転装置で用いる翼形部の製造のための装置及び方法に関する。本明細書で説明する実施形態は、限定的なものではなく、単なる例示である。開示される実施形態は、限定されないがファンブレード、ロータブレード、ステータベーン、ダクテッドファンブレード、アンダクテッドファンブレード、ストラット、ベーン、ナセル入口、オープンロータ推進システム、風力タービンブレード、プロペラ、インペラ、ディフューザベーン、及び/又は戻り流路ベーンなどの、あらゆる型式の翼形部又は空気力学的表面に適用することができることを理解されたい。より詳細には、開示される実施形態は、あらゆる翼形部、又は空気力学的表面に適用することができる。
本発明で説明する実施形態は、タービンエンジン内で空気流を送ることに関連したシステム、方法、及び他の装置に関する。例証の目的で、本発明は航空機ガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、本発明はそれに限定されるものではなく、他の移動体用途、及び非移動体の工業、商業、及び住居用途といった非航空機用途において、一般的適用性を有することができることが理解されるであろう。ガスタービンエンジンは、陸上及び海上移動体用並びに発電用に用いられているが、最も一般的には、ヘリコプタを含む航空機などの航空用途に用いられる。航空機において、ガスタービンエンジンは航空機の推進用に用いられる。本発明は、これら用途の全てに適用可能である。
図1は、航空機用のガスタービンエンジン10の概略断面図である。エンジン10は一般に、前方14から後方16へ延びる、長手方向に延びた軸線又は中心線12を有する。エンジン10は、下流に向かって直列流関係で、ファン20を含むファンセクション18と、ブースタ又は低圧(LP)圧縮機24及び高圧(HP)圧縮機26を含む圧縮機セクション22と、燃焼器30を含む燃焼セクション28と、HPタービン34及びLPタービン36を含むタービンセクション32と、排出セクション38とを含む。
ファンセクション18は、ファン20を囲むファンケーシング40を含む。ファン20は、中心線12の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード42を含む。HP圧縮機26、燃焼器30、及びHPタービン34は、エンジン10のコア44を形成し、燃焼ガスを発生する。コア44は、コアケーシング46によって囲まれ、これはファンケーシング40と連結することができる。
エンジン10の中心線12の周りに同軸で配置されたHPシャフト又はスプール48は、HPタービン34をHP圧縮機26に駆動接続する。LPシャフト又はスプール50は、直径がより大きい環状HPスプール48内でエンジン10の中心線12の周りに同軸に配置され、LPタービン36をLP圧縮機24及びファン20に駆動接続する。
LP圧縮機24及びHP圧縮機26はそれぞれ複数の圧縮機段52、54を含み、圧縮機ブレード56、58のセットが対応する固定圧縮機ベーン60、62(ノズルとも呼ばれる)に対して回転して、段を通過する流体のストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段52、54内に複数の圧縮機ブレード56、58をリング状に設けることができ、これらは中心線12に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができ、一方、対応する固定圧縮機ベーン60、62は、回転ブレード56、58の上流に隣接して配置することができる。図1に示すブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
圧縮機段のためのブレード56、58は、対応するHP及びLPスプール48、50の一方に取り付けられたディスク59、61に取り付けることができ、各段が各自のディスク59、61を有する。圧縮機段のためのベーン60、62は、コアケーシング46に円周方向配置で取り付けることができる。
HPタービン34及びLPタービン36は、それぞれ複数のタービン段64、66を含み、タービンブレード68、70のセットが対応する固定タービンベーン72、74(ノズルとも呼ばれる)に対して回転して、段を通過する流体のストリームからエネルギーを抽出する。単一のタービン段64、66内に複数のタービンベーン72、74をリング状に設けることができ、これらは中心線12に対して半径方向外向きに延びることができ、一方、対応する回転ブレード68、70は、固定タービンベーン72、74の下流に隣接して配置することができ、これもまた中心線12に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができる。図1に示すブレード、ベーン、及びタービン段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
タービン段のためのブレード68、70は、対応するHP及びLPスプール48、50の一方に取り付けられたディスク71、73に取り付けることができ、各段が各自のディスク71、73を有する。タービン段のためのベーン72、74は、コアケーシング46に円周方向配置で取り付けることができる。
スプール48、50のいずれか又は両方に取り付けられ、これと共に回転するエンジン10の部分は、個別に又は集合的にロータ53とも呼ばれる。コアケーシング46に取り付けられた部分を含むエンジン10の固定部分もまた、個別に又は集合的にステータ63と呼ばれる。
動作時、ファンセクション18を出た空気流は、分流されて、空気流の一部がLP圧縮機24に送られるようになっており、次にLP圧縮機24は加圧周囲空気76をHP圧縮機26に供給し、HP圧縮機26はさらに周囲空気を圧縮する。HP圧縮機26からの加圧された周囲空気76は、燃焼器30内で燃料と混合されて点火され、それにより燃焼ガスが発生する。HPタービン34によってこれらのガスから一部の仕事が抽出され、これがHP圧縮機26を駆動する。燃焼ガスはLPタービン36に排出され、LPタービン36は、更なる仕事を抽出してLP圧縮機24を駆動し、排出ガスは最終的に排出セクション38を介してエンジン10から排出される。LPタービン36を駆動することでLPスプール50が駆動されて、ファン20及びLP圧縮機24が回転する。
残りの部分の空気流78は、LP圧縮機24及びエンジンコア44をバイパスして、固定ベーン列、より具体的には、ファン排出側84において、複数の翼形部ガイドベーン82を含む出口ベーン組立体80を通って、エンジン組立体10を出る。より詳細には、半径方向に延びた翼形部ガイドベーン82の円周方向列がファンセクション18に隣接して用いられ、空気流78に何らかの方向制御を与える。
ファン20によって供給される空気流の一部はエンジンコア44をバイパスすることができ、エンジン10の部分、特に高温部分を冷却するために用いられ、及び/又は航空機の他の態様を冷却するか又は動力を与えるために用いられる。タービンエンジンとの関連において、エンジンの高温部分は、通常、燃焼器30及び燃焼器30の下流の構成要素、特にタービンセクション32であり、HPタービン34は、燃焼セクション28の直下流にあるので最も高温の部分である。他の冷却流体源は、限定されないが、LP圧縮機24又はHP圧縮機26から排出される流体である場合がある。この流体は、ブリード空気77とすることでき、これはタービンセクション32の冷却源として燃焼器30をバイパスする、LP又はHP圧縮機24、26から引き出された空気を含むことができる。これは一般的なエンジン構成であり、限定を意味するものではない。
図2は、以下では単にブレード組立体と呼ぶ翼形部組立体100の斜視図であり、これは、物理的に分離した、前縁105を含む前縁要素104と、後縁106を有する後縁要素108とを有する、翼形部102として説明することができる。翼形部は、正圧側面107と負圧側面109と含み、負圧側面109は、正圧側面107よりも大きな長さを有する。翼形部102は、前縁105から後縁までの直線の長さで定められる翼弦114と、翼形部102の負圧側面109と正圧側面107との間の中間の点の集合をつないだ線長によって定められるキャンバ116とによってさらに特徴付けられる。
例示的な実施形態において、翼形部102は、一般に図1のエンジン組立体10に類似したエンジン組立体において用いることができる出口ガイド組立体80の翼形部ガイドベーン82である。代替的に、ブレード組立体100は、限定されないが、ヘリコプタ用のブレード組立体を含む、ロータブレード、及び/又はステータベーン/ブレードに用いることができる。
必須ではないが、前縁要素104及び後縁要素108は、前縁及び後縁要素104、108の様々な有用性に対して選択された異なる材料で作られることが想定される。後縁要素108は、取付け縁110を有し、後縁106に向かってテーパ付けられた本体111として、複合材で形成される。前縁要素104は、金属要素で作ることができ、複数の起伏118を含む、翼弦114及びキャンバ116両方が変動する3D前縁幾何形状112に機械加工され、取付け縁110に固定することができる。起伏118は、対称又は非対称とすることができ、翼形部の全長に沿って部分的に又は完全に延びることができ、平面図において見たときに波形を含むいずれかの適切な形状を有することができる。起伏の具体的な例は、引用により組み入れる米国特許出願番号第13/334609号に見いだすことができる。
起伏118は、翼弦114の長さを変動させる。この変動は、先端126から取付け縁110の端部128まで延びる線長として定められる距離を有する長さΨに依存する。先端126は、前縁105に沿ったどの箇所であってもよい。変動を例示するために、翼弦114は、2つの異なる長さで描かれ、一方は後縁106から起伏118の極大点115まで、もう一方は後縁106から起伏118の極小点117までの長さである。翼弦114の長さはこれらの変動に起因して変化するが、長さΨは、前縁要素104の3D前縁幾何形状112内のみの変動である。
図3に示すように、ブレード組立体100は、前縁要素104及び複合材本体111を含み、これらは接続部120によって接合され、接続部120は、当該分野で公知の手段で、例えば限定しないが接着剤によって突出部124を凹部122内に接合することによって、取付け縁110と前縁要素104とを固定する。例示的な実施形態において、接続部120は、前縁要素104の後方端部123に沿って形成された、取付け縁110から延びた突出部124を受け入れる凹部122を含む。凹部を取付け縁要素に設け、突出部を前縁要素に設けることもできる。
図4を参照すると、組み立てられた翼形部102が示されており、様々な変動が例示された前縁要素104の3D幾何形状112を含む。翼弦114の変動は長さΨによって特徴付けられるが、キャンバ116の変動は、中立軸127から円周方向両側に広がる角度δによって特徴付けられる。各変動δ、Ψは、半径方向スパンRの関数であり、3D前縁幾何形状を定める。δ、Ψ及びRに関する具体的な範囲は様々とすることができ、特定の実施構成によって規定され、本発明には密接に関連しない。しかしながら、例示的な幾何形状の詳細は、引用により組み入れた前述の米国特許出願番号第13/334609号に見いだすことができる。
翼形部102を形成する方法は、翼弦114及びキャンバ116の変動を伴う3D前縁幾何形状112を有する前縁要素104を後縁要素108に固定することを含む。前縁及び後縁要素104、108を固定することは、前縁要素104を後縁要素108に対して機械的に固定すること及び/又は接合することを含む。
前縁要素を後縁要素に固定する他の例示的な実施形態は、図5及び図6に示される。図5では、T形端部228が後縁要素208上に形成され、縁要素204上のT形凹部222と接続するようになっている。図6では、後縁要素308内にチャネル222が形成され、チャネル322に嵌合する突出部324が前縁要素304の一部として形成される。
金属前縁要素104を複合材後縁要素108に接合することで、接触面全体が装着管理(load management)に関与することが可能になる。これは、装着効率(load efficiency)を高め、金属及び複合材の両方の厚さ及び重量を低減することが可能になる。
前縁要素104を形成する金属は、3D前縁幾何形状112を成形するのが容易であり、前縁要素104を組み込んだ後に取外し可能であることは必ずしも必要ではないが、取外し可能な場合には、前縁105に対する衝撃損傷が生じた際にブレード組立体100全体ではなく前縁要素104だけを交換することを可能にするので有益である。
前縁105に損傷が生じた場合のシナリオにおいて前縁要素104を除去することは、後縁要素108又は複合材本体111に損傷を与えることなく可能である。前縁要素104は、周りのいずれの部品にも損傷を与えることなく取外して交換できるように設計される。
この開示された設計は、プライの配向を修正する必要なしに3D幾何形状特徴部を複合翼形部に付与することを可能にする。全ての3D特徴部は、接合された前縁要素104に応じて実装される。これらの3D特徴部は、騒音を低減すること及び性能を向上させるのに有効である。これらの3D特徴部は、半径方向スパンの関数としてのキャンバ及び翼弦両方の変動を含む。3D特徴部を金属前縁要素104上に設けると、プライのしわを引き起こして複合材の全体強度を低下させる場合がある、3D特徴部を伴う複合材製造に関連した問題が解消される。
開示された設計の用途は、ファン及びブースタセクションを有するタービンエンジンに限定されず、ターボジェット及びターボプロップエンジンにも同様に適用可能であることを認識されたい。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作し且つ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
[実施態様1]
取付け縁と後縁とを有する本体と、
上記取付け縁に固定され、翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を定める、前縁要素と、
を備えた、翼形部組立体。
[実施態様2]
上記本体は、複合材本体を含む、実施態様1に記載の翼形部組立体。
[実施態様3]
上記前縁要素は、機械加工によって上記3D前縁幾何形状にされた金属要素を含む、実施態様2に記載の翼形部組立体。
[実施態様4]
上記3D前縁幾何形状は、複数の起伏を含む、実施態様1に記載の翼形部組立体。
[実施態様5]
上記起伏は、平面図において非対称である、実施態様4に記載の翼形部組立体。
[実施態様6]
上記起伏は、平面図において複数の波形突出部を定める、実施態様4に記載の翼形部組立体。
[実施態様7]
上記取付け縁と上記前縁要素とを固定する接続部をさらに備えた、実施態様1に記載の翼形部組立体。
[実施態様8]
上記接続部は、上記取付け縁又は上記前縁要素の一方における凹部と、上記取付け縁及び上記前縁要素の他方から延びた突出部と備え、上記突出部は上記凹部に受け入れられる、実施態様7に記載の翼形部組立体。
[実施態様9]
上記凹部内に上記突出部を接合することさらに含む、実施態様8に記載の翼形部組立体。
[実施態様10]
上記突出部は、上記本体から延び、上記凹部は、上記前縁要素内に形成される、実施態様9に記載の翼形部組立体。
[実施態様11]
上記凹部は、上記前縁要素の後方端部に沿って形成される、実施態様10に記載の翼形部組立体。
[実施態様12]
ブレード組立体は、出口ガイドベーンのためのブレード組立体である、実施態様1に記載の翼形部組立体。
[実施態様13]
翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を有する前縁要素と、
後縁要素と、
上記前縁要素を上記後縁要素に固定する接続部と、
を備えた、翼形部。
[実施態様14]
上記前縁要素及び後縁要素は、異なる材料から作られる、実施態様13に記載の翼形部。
[実施態様15]
上記前縁要素は、金属である、実施態様14に記載の翼形部。
[実施態様16]
上記後縁要素は、複合材である、実施態様15に記載の翼形部。
[実施態様17]
上記3D前縁幾何形状は、複数の起伏を含む、実施態様13に記載の翼形部。
[実施態様18]
上記起伏は、平面図において非対称である、実施態様17に記載の翼形部。
[実施態様19]
上記起伏は、平面図において複数の波形突出部を定める、実施態様17に記載の翼形部。
[実施態様20]
上記接続部は、上記後縁要素又は上記前縁要素の一方における凹部と、上記後縁要素及び上記前縁要素の他方から延びた突出部と備え、上記突出部は上記凹部に受け入れられる、実施態様13に記載の翼形部。
[実施態様21]
上記凹部内に上記突出部を接合することをさらに含む、実施態様20に記載の翼形部。
[実施態様22]
上記突出部は、上記後縁要素から延び、上記凹部は、上記前縁要素内に形成される、実施態様21に記載の翼形部。
[実施態様23]
上記凹部は、上記前縁要素の後方端部に沿って形成される、実施態様22に記載の翼形部。
[実施態様24]
翼弦及びキャンバ両方の変動を伴う3D前縁幾何形状を有する前縁要素を後縁要素に固定するステップを含む、翼形部を形成する方法。
[実施態様25]
上記固定するステップは、上記前縁及び後縁要素を一緒に機械的に固定することを含む、実施態様24に記載の方法。
[実施態様26]
上記固定するステップは、上記前縁部及び後縁部要素を一緒に接合することを含む、実施態様25に記載の方法。
10:エンジン
12:中心線
14:前方
16:後方
18:ファンセクション
20:ファン
22:圧縮機セクション
24:LP圧縮機
26:HP圧縮機
28:燃焼セクション
30:燃焼器
32:タービンセクション
34:HPタービン
36:LPタービン
38:排出セクション
40:ファンケーシング
42:ファンブレード
44:コア
46:コアケーシング
48:HPスプール
50:LPスプール
51:ロータ
52:HP圧縮機段
53:ディスク
54:HP圧縮機段
56:LP圧縮機ブレード
58:HP圧縮機ブレード
60:LP圧縮機ベーン
61:ディスク
62:HP圧縮機ベーン
63:ステータ
64:HPタービン段
66:LPタービン段
68:HPタービンブレード
70:LPタービンブレード
71:ディスク
72:HPタービンベーン
73:ディスク
74:LPタービンベーン
76:加圧周囲空気
77:ブリード空気
78:空気流
80:出口ガイドベーン組立体
82:翼形部ガイドベーン
84:ファン排出側
100:翼形部組立体
102:翼形部
104:前縁要素
105:前縁
106:後縁
107:正圧側面
108:後縁要素
109:負圧側面
110:取付け縁
111:本体
112:幾何形状
114:翼弦
115:極大
116:キャンバ
118:起伏
120:接続部
122:凹部
123:後方端部
124:突出部
126:先端
128:端部
204:前縁要素
208:後縁要素
222:T形凹部
228:T形端部
304:前縁要素
308:後縁要素
322:チャネル
324:突出部

Claims (10)

  1. 翼弦(114)及びキャンバ(116)両方の変動を伴う3D前縁幾何形状(112)を有する前縁要素(104、204、304)と、
    後縁要素(108、208、308)と、
    前記前縁要素(104、204、304)を前記後縁要素(108、208、308)に固定する接続部と、
    を備えた、翼形部(102)。
  2. 前記前縁要素(104、204、304)及び後縁要素(108、208、308)は、異なる材料から作られる、請求項1に記載の翼形部(102)。
  3. 前記前縁要素(104、204、304)は、金属である、請求項2に記載の翼形部(102)。
  4. 前記後縁要素(108、208、308)は、複合材である、請求項3に記載の翼形部(102)。
  5. 前記3D前縁幾何形状(112)は、複数の起伏(118)を含む、請求項1に記載の翼形部(102)。
  6. 前記起伏(118)は、平面図において非対称である、請求項5に記載の翼形部。
  7. 前記起伏(118)は、平面図において複数の波形突出部を定める、請求項5に記載の翼形部(102)。
  8. 前記接続部は、前記後縁要素(108、208、308)又は前記前縁要素(104、204、304)の一方における凹部(122、222、322)と、前記後縁要素(108、208、308)及び前記前縁要素(104、204、304)の他方から延びた突出部(124、324)と備え、前記突出部(124、324)は前記凹部(122、222、322)に受け入れられる、請求項1に記載の翼形部(102)。
  9. 前記凹部(122、222、322)内に前記突出部(124、324)を接合することをさらに含む、請求項8に記載の翼形部(102)。
  10. 前記突出部(124、324)は、前記後縁要素(108、208、308)から延び、前記凹部(122、222、322)は、前記前縁要素(104、204、304)内に存在しかつ前記前縁要素(104、204、304)の後方端部に沿って形成される、請求項9に記載の翼形部(102)。
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