JP2012521516A - タービンエンジン用の可変セッティングを有するブレードを持つ非流線型プロペラ - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンエンジン用の可変セッティングを有するブレードを持つ非流線型プロペラに関するものであり、プロペラのブレードは、ロータ要素（１２４）の半径方向凹部（１３６）にその軸を中心に回転可能に取り付けられ、各ブレードは、セクタ化リング（１５０）によって凹部に保持されるプレート（１４４）によって支持され、インターロックによってプレートの溝（１６２）に取り付けられる内側部分（１６０）を含み、リングセクタは、内側から凹部の中に挿入され、プレート上に螺合されるナットによってロックされる。

Description

本発明は、アンダクテッドファン（またはオープンロータ）を備えるタイプのタービンエンジン用の可変ピッチブレードを有するファンに関する。

このタイプのタービンエンジンは、それぞれ上流および下流に２つの外部同軸かつ二重反転式のファンを備え、このファンは、タービンエンジンのタービンによる回転によってそれぞれ駆動され、このタービンエンジンのナセルの外部に略半径方向に延在する。

各ファンは、タービンエンジンの長手方向軸の周りに配置される略半径方向の円筒形凹部を備える多角形ロータ要素を備え、ここに、ファンのブレードを支持するためのプレートが取り付けられる。各ブレードは、たとえば、プレートの相補的な形状の溝の中に挿入されるダブテール部を有する脚部を備える。

現在の技術では、各プレートは、円筒形リングの中に螺合される略円筒形の本体を備え、この円筒形本体は、スラスト軸受によってロータ要素の凹部に回転可能に心出しされ、案内される。

プレートおよびリングは、ロータ要素の凹部内で回転することができ、ブレードの角度設定を調整し、タービンエンジンの運転条件に応じて最適化するように、適切な手段によってブレードの軸を中心とした回転駆動される。

米国特許第５，２６３，８９８号明細書

運転中、ファンのブレードは、３０，０００ｄａＮに達する場合がある非常に大きな遠心力を受け、これらの力は、プレート、リング、およびスラスト軸受によってロータ要素に伝達され、リングにおいてプレートのねじを通過する。これらのねじは、通常、この種の力を伝達するように設計されておらず、急速に劣化してしまう恐れがあり、したがってファンの寿命を制限する。

本発明は、特に、目的を達成するためにこの問題に対する簡単で効果的なかつ経済的な解決策を提供しなければならない。

本発明は、目的を達成するために前述のタイプのファンを有し、このファンにおいて、各ブレード支持プレートとそのリングとの間の力の伝達は、比較的壊れやすいねじによってではなく、比較的丈夫な押し付けるための環状表面によって行われる。

この趣意で、本発明は、タービンエンジン用の可変ピッチブレードを備えるアンダクテッドファンにして、ファンのブレードが、環状ロータ要素の半径方向凹部にその軸を中心に回転可能に取り付けられ、各ブレードが、外側からロータ要素の半径方向凹部の中に挿入され、かつ内側から凹部に取り付けられまた軸受を使って凹部の内縁部に当てられる環状リングによって保持される円筒形の本体を備えるプレートにより支持されるアンダクテッドファンであって、リングが、セクタ化され、プレートの本体の外表面の環状溝にリングセクタをインターロックさせることによって取り付けられる半径方向内側部分を備えることを特徴とする、アンダクテッドファンを提案する。

本発明によれば、運転中にブレードに加えられる遠心力がプレートの溝にインターロックされるリングの部分で吸収され、かつロータ要素に軸受によって伝達されるように、各ブレード支持プレートの本体は、プレートの本体の環状溝にインターロックされ、かつ軸受によってロータ要素の凹部の内縁部に当てられるセクタ化されたリングによってロータ要素の凹部に保持される。これにより、ファンの寿命を注目に値する方法で増大させることができる。

本発明の他の特徴によれば、セクタ化されたリングは、２つ、３つ、または４つのリングセクタ、および、さらにより多数のリングセクタで形成され、これらは、次の通りプレートの本体にインターロックされる。プレートの本体は、凹部の軸に沿って並進運動でプレートを変位させることによって、外側からロータ要素の凹部の中に挿入される。各リングセクタは、それがプレートの本体の環状溝に配置されるまで、凹部の軸に沿った並進運動を介して、プレートの本体と凹部の内側円筒形表面との間で内側から凹部の中に挿入される。次いで、各セクタは、その内側部分がプレートの本体の外溝にインターロックするように、外部から内部に向かって（凹部の軸に関して）半径方向並進運動で変位される。次いで、リングは、プレートの溝の内部側壁にその内側部分の側面を押圧することによって半径方向にプレートに保持される。前述のリングの内側部分は、環状内縁部によって形成され得る。

リングは、それぞれが約１８０°の角度範囲を有する２つのセクタ、またはそれぞれが約１２０°の角度範囲を有する３つのセクタ、またはそれぞれが約９０°の角度範囲を有する４つのセクタを備えることができる。

リングの環状部分は、非常に小さな組立て公差を有する調整によってプレートの本体の環状溝の中に挿入されることが有利である。

さらに、リングセクタは、凹部の内側からプレートの本体に固定される係止手段を介してプレートの本体の溝にロックされる。

本発明の一実施形態では、リングは、外部に向かって広がるテーパ付き外表面を備え、その上に、内側から凹部の中に挿入され、かつプレートの本体上に螺合されるナットによってリングに求められる１つのリングの略相補的なテーパ付き内表面が当てられる。ナットは、プレートの本体の溝の底部に向かってそのままが押圧されるリングのテーパ付き表面にリングを押し当てる状態に保つ。このナットは、リングを正しい位置に押圧し、維持することを可能にするために単に使用されるものであり、したがって、運転中にブレードによって伝達される力の伝達のためには求められない。

ロックワッシャが、リングとナットとの間に挿入されることができ、このワッシャは、プレートに関してナットの回転を固定するために、プレートの本体の相補的な手段と形状結合によって協働する第１の手段、および、ナットの相補的な手段と形状結合によって協働する第２の手段を備える。

別法として、リングは、外部に向かって広がるテーパ付き外表面を備え、その上に、プレートの本体に雌ねじを備えるリングの略相補的なテーパ付き内表面が当てられる。

リングは、凹部の軸に関して内部寄りに軸方向に延在し、かつプレートの本体の外部円筒形表面に当てられる円筒形端縁を備えることが有利である。したがって、リングは、略Ｌ字型の横断面を有し、その分岐は、プレートの溝の中に挿入される内部環状部分によって形成され、その他の分岐は、プレートの本体に押し当たる円筒形端縁によって形成される。ブレードに加えられる遠心力が比較的大きいものである場合には、プレートの本体の外表面にリングの内部円筒形端縁を押圧することで、プレートの溝にリングの内側部分を維持することが保証される。

リングの内側部分が、凹部の軸に関して外部に向かって半径方向にリングセクタを変位させることによりプレートの本体の溝から切り離され得るように、リングは、取付位置において、その半径方向寸法が凹部の軸に関してリングの内径および外径、ならびにそのセクタの角度範囲に応じて決定される環状空間によって、凹部の内部円筒形表面によって分離される。リングセクタが大きな角度範囲を有すれば有するほど、この角度空間の半径方向寸法は、それだけ大きくなる。

さらに、プレートは、他の軸受によってロータ要素の凹部の外面に当てられる。

さらに、本発明は、上で説明したように、すくなくとも１つのファンを備えることを特徴とする、タービンエンジンにも関する。

非限定的な例示として、かつ添付の概略的な図面を参照して与えられる次の説明を読むと、本発明はよりよく理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点が、より明らかになるであろう。

アンダクテッドファンを有するタービンエンジンの概略軸方向断面図である。 先行技術のアンダクテッドファンの概略かつ部分断面図であり、その本体の上に、このファンのロータ要素の凹部に心出しされかつ案内されるリングが螺合される、ブレード支持プレートを示す図である。 本発明によるファンのロータ要素の概略斜視図である。 図３のロータ要素を部分的に除去し拡大した、本発明によるブレード支持プレートおよびリングが取り付けられる凹部における概略部分斜視図であり、リングがセクタ化され、プレートの本体に取り付けられかつ固定された図である。 分解して斜視し、かつ図４のリングおよびロータ要素を部分的に除去した概略部分図であり、分かりやすさを高めるためにプレートが除去された図である。 図４に対応する図であり、本発明の他の実施形態を示す図である。 図６の他の実施形態についての図５に対応する図である。

最初に、アンダクテッドファン（または「オープンロータ」を有するタービンエンジン１０を示す図１について参照すると、このタービンエンジン１０は、上流から下流の方へタービンエンジンの内部のガスの流れの方向に、圧縮機１２、環状燃焼室１４、高圧タービン１６、および、２つの低圧タービン１８、２０を備えており、この低圧タービン１８、２０は、二重反転する、すなわちタービンエンジンの長手方向軸Ａを中心に２つの反対の方向に回転する。

これらの下流タービン１８、２０のそれぞれは、タービンエンジンのナセル２６の外部に半径方向に延在する外側ファン２２、２４と一体回転し、このナセル２６は、略円筒形であり、圧縮機１２、燃焼室１４、およびタービン１６、１８、および２０の周りに軸Ａに沿って延在する。

次いで、タービンエンジンの中に貫入する空気２８の流れが燃料と混合され、燃焼室１４で燃焼され、次いで燃焼ガスが、タービンエンジンによって発生させられる推力の主要部分を供給するファン２２、２４を回転駆動するためにタービンを通過する。タービンを出て行く燃焼ガスは、推力を増大させるために管３２を通して噴出される（矢印３０）。

ファン２２、２４は、互いに背後に同軸に配置され、タービンエンジンの軸Ａを中心に均等に配置される複数のブレードを備えている。これらのブレードは、略半径方向に延在し、可変ピッチ型のものであり、すなわちこれらのブレードは、タービンエンジンの運転条件に応じて角度位置を最適化するように、軸を中心に回転することができる。

図２に示され、米国特許第５，２６３，８９８号明細書で説明されている公知の組立体では、各ファンは、軸Ａの周りに延在し、かつファンのブレード３８を取り付ける手段が挿入される複数の略円筒形の半径方向凹部３６を備える多角形リング３４によって形成されるロータ要素を備えている。

各ブレード３８は、その半径方向内側端部にダブテール型の部分を有する脚部４０を備え、この脚部４０は、プレート４４の溝４２に挿入され、保持される。

プレート４４は、タービンエンジンの長手方向軸Ａに関して、内側から多角形リング３４の凹部３６の中に挿入されるリング５０の中に外側から螺合するための雄ねじ４８を有する、円筒形本体４６を備えている。

プレート４４およびリング５０は、２つのころ軸受５２、５４によって凹部３６の中に回転可能に心出しされ、案内される。リングの凹部３６は、リングの環状内縁部５６によって、それぞれ半径方向に内側および外側の２つの部分に分割される。第１のころ軸受５２は、この端縁とプレート４４との間で、この端縁５６の外部に半径方向に取り付けられる。第２のころ軸受５４は、この端縁とリング５０との間で、この端縁５６の内部に半径方向に取り付けられる。プレート４４およびリング５０は、ブレード３８がこの軸を中心に回転し、その角度設定を最適化するようになるために、図示されていない適切な手段によって凹部３６の半径方向軸Ｂを中心とした回転駆動される。

運転中、ブレード３８は、ブレードから多角形リング３４まで、プレートおよびリングのねじ４８によって伝達される、かなりの遠心力（最大３０、０００ｄａＮ）を受けるが、ブレード３８は、通常、この種の力に耐えるように設計されていない。これらの力に耐え得るようにこれらのねじ（いわゆる、「のこ歯ねじ」ねじピッチ）の寸法を過度に決めることが可能になるが、機械的に、これらの力を伝達するために（その形状にかかわらず）ねじを押圧することは、航空用部品に要求される寿命および信頼性を提供するための最良の解決策ではない。

本発明は、リングをセクタ化し、プレートの本体の外部環状溝にリングセクタをインターロックするおかげで、この問題の解決策を提供している。

図３から図５は、本発明によるアンダクテッドファンの一実施形態を示しており、このファンのブレードは、分かりやすさを高めるために示されておらず、知られている技術と同じ方法でブレードの支持手段に取り付けられている。

本発明によるファンの多角形リング１３４を図３で全体を見ることができる。多角形リング１３４は、後に続くものの中にさらに詳細に説明されるように、そのそれぞれにプレートおよびリングが取り付けられることが意図される、たとえば１２個の略半径方向の円筒形凹部１３６を備える。

多角形リング１３４は、リングの軸Ｃの周りに均等に配置され、かつリングを軽くするためにリングの円筒形壁に形成される複数の凹部１５８を備えている。各凹部１５８は、２つの連続的な半径方向凹部１３６の間に配置される。

図４および図５は、軸方向の横断面がリングの円筒形凹部１３６の略中央で切り出されている、この多角形リング１３４を拡大した部分図である。

先行技術の場合のように、リングの凹部１３６は、リングの環状内縁部１５６によって、それぞれ半径方向に内側および外側の２つの部分に分割される。図示された例のボールタイプの第１の軸受１５２は、回転によって案内および心出しを行うために、この端縁とプレート１４４との間に、この端縁１５６の外部において半径方向に取り付けられる。ここに、やはりボールタイプのものである第２の軸受１５４は、回転によって案内および心出しを行うために、この端縁とリング１５０との間に、この端縁１５６の内部において半径方向に取り付けられる。

プレート１４４は、軸受１５２によって端縁１５６の外側面に当てられ、リング１５０は、軸受１５４によってこの端縁１５６の内側面に当てられる。

本発明によれば、リング１５０は、セクタ化され、凹部の軸Ｄに関して、内部に向かって半径方向に延在する環状端縁１６０を備え、これは、プレート１４４の本体の外部に向かって開口する環状溝１６２にインターロックすることによって挿入される。プレートの溝にリングセクタ１５０を取り付けることについては、後述部において詳細に説明される。

図示された例では、リング１５０は、一方を図５で見ることができる２つのセクタを備えている。

リング１５０の端縁１６０の幅または（軸Ｄに沿って測定された）軸方向寸法は、端縁１６０が非常に小さな組立て公差での調整によって、および、僅かな力が加えられるだけでも溝１６２の中に挿入されるように、プレート１４４の溝１６２の幅または（同じ軸に沿って測定された）軸方向寸法よりも大きいか、あるいはそれに等しい。

さらに、リング１５０の端縁１６０の内径は、図４に示される取付位置において、この端縁１６０が（軸Ｄに関して）その半径方向内面によって溝１６２の底部に押し当たっているように、溝１６２の内径にほぼ等しく、かつさらにそれよりも小さい。

さらに、リング１５０は、その外周縁部において、リング１３４の軸Ｃに関して外部に向かって半径方向に広がるテーパ付き外表面１６４を備え、このテーパ付き外表面１６４は、プレートの本体上に螺合されるナット１７０によって（軸Ｃに関して）外部に向かって求められる一体型リング１６８の略相補的な形状のテーパ付き内表面１６６と協働する。リング１６８はそのまま、ナット１７０によってリング１５０に当てられる。プレート１４４の本体にナット１７０を締め付けることにより、凹部の軸Ｄに関してこの場合内部に向かって半径方向に求められるリング１５０のテーパ付き表面１６４に、リング１６８のテーパ付き表面１６６を摺動させる。これにより、プレート１４４の溝１６２の底部に対してリング１５０の内縁部１６０を維持することができる。

ロックワッシャ１７２が、プレート１４４に関してこのナットの回転を固定するために、リング１６８とナット１７０との間に挿入される。

このワッシャ１７２は、その内周縁部において、プレートに関してワッシャの回転を固定するために、プレートの本体の相補的な形状のノッチ１７６の中に挿入される第１のラグ１７４を備えている。さらに、ワッシャ１７２は、その外周縁部において、ナット１７０にワッシャの回転を固定するために、折り返されて、ナット１７０の外周縁部の相補的な形状のノッチ１８０の中に挿入されることが意図された第２のラグ１７８を備える。

ワッシャ１７２は、内側から、軸Ｄに沿って並進運動によって凹部１３６の中に挿入され、ナット１７０は、内側からプレート１４４の本体の上に螺合される。

図示されていない別法では、前述のリングおよびナットは、単一体から形成され得る。リングは、この場合、プレートの本体の上に螺合され、リングのテーパ付き外表面にそのテーパ付き内表面を介して押し当たる。

プレート１４４およびリング１５０は、次の方法でロータ要素１３４の凹部１３６に取り付けられる。軸受１５２は、外側から凹部１３６の中に挿入され、凹部の内縁部１５６の外側面に押し当たる。プレート１４４は、その本体が凹部１３６の中に挿入され、その半径方向外側端部を介して軸受１５２に押し当たるまで、凹部の軸Ｄに位置合わせされ、次いで外側からこの軸に沿って並進運動によって変位される。第２の軸受１５４は、内側から凹部１３６の中に挿入され、凹部の端縁１５６の内側面に押し当たる。リングセクタ１５０は、それらがプレートの溝１６２に配置されるまで、プレート１４４の本体と凹部１３６の内部円筒形表面１８４との間に延在する環状通路１８２の中に内側から次々に挿入される。この場合に、表面１８４は、内縁部１５６から凹部１３６の半径方向内側端部まで延在する。次いで、各リングセクタ１５０は、その内縁部１６０が溝１６２の中に挿入され、この溝１６２の底部に押し当たるように、（軸Ｄに関して）内部に向かって半径方向並進運動で変位される。

前述の環状通路１８２は、軸Ｄに沿って内側から並進運動によって各リングセクタ１５０の挿入を認めるに十分な（軸Ｄに関する）半径方向寸法Ｆを有する。この半径方向寸法Ｆ（図４）は、特に、リングの内径および外径、ならびにそのセクタの角度範囲に応じて決定される。さらに、図４の取付位置では、外部に向かって軸Ｄに関して半径方向並進運動でリングセクタを変位させることによって溝１６２の環状端縁１６０を引っ込めるために、環状空間が、リングセクタ１５０の周りに必要である。空間は、軸Ｄに関して半径方向寸法Ｅを有する（図５）。

本発明の一実施形態の特定の例では、リング１５０は、６９ｍｍの内径（その内縁部１６０の内径に対応する）、および７４．５ｍｍの外径を有する。リングセクタがそれぞれ９０°の角度範囲を有する場合、空間の半径方向寸法Ｅは、約７．５ｍｍでなければならない。それらの角度範囲が１２０°の場合、この寸法Ｅは約１０ｍｍであり、それらの角度範囲が１８０°の場合、この寸法Ｅは約２８ｍｍである。

運転時に、ファンのブレードが受ける遠心力は、プレート１４４、リング１５０、ならびに軸受１５４によって多角形リング１３４に伝達される。プレートとリングとの間の力の伝達は、（軸Ｄに平行な方向に）リングの端縁１６０の半径方向内面に溝１６２の半径方向内部側壁を押し付けることによって行われ、溝１６２および端縁１６０は、前述の力に耐えるように設計される。

図６および図７に示される本発明の好ましい実施形態では、リング１５０だけが、図４および図５のリングと異なり、このリングは、軸Ｄに沿って内部に向かって延在する円筒形端縁１８６をさらに備えている。この端縁１８６は、溝１６２とこの本体の半径方向内側端部との間に延在するプレートの本体の外部円筒形表面１８８に、その内部円筒形表面を介して押し当たる。この押圧により、ブレードに加えられる遠心力が相当なものである場合に、プレートの溝１６２にリング１５０の内縁部１６０を正しい位置に維持することができる。

図示されていない他の別法では、リングセクタの数は、３つまたは４つに等しく、また、さらに多数である。

Claims (11)

1. タービンエンジン用の可変ピッチブレードを有するアンダクテッドファンにして、ファンのブレードが、環状ロータ要素（１３４）の半径方向凹部（１３６）にその軸を中心に回転可能に取り付けられ、各ブレードが、外側からロータ要素の半径方向凹部の中に挿入され、かつ内側から凹部に取り付けられまた軸受（１５４）を使って凹部の内縁部に当てられる環状リング（１５０）によってこの凹部に保持される円筒形の本体を備えるプレート（１４４）により支持されるアンダクテッドファンであって、リングが、セクタ化され、プレートの本体の外表面の環状溝（１６２）の中にリングセクタをインターロックさせることによって挿入される半径方向内側部分（１６０）を備えることを特徴とする、アンダクテッドファン。
2. リング（１５０）が、それぞれが約１８０°の角度範囲を有する２つのセクタ、またはそれぞれが約１２０°の角度範囲を有する３つのセクタ、またはそれぞれが約９０°の角度範囲を有する４つのセクタを備えることを特徴とする、請求項１に記載のファン。
3. リング（１５０）の半径方向内側部分（１６０）が、非常に小さな組立て公差での調整によってプレート（１４４）の本体の環状溝（１６２）に取り付けられることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のファン。
4. プレート（１４４）の本体の溝（１６２）にリング（１５０）をロックする手段が、凹部（１３６）の内側からプレートの本体の上に固定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のファン。
5. リング（１５０）が、外部に向かって広がるテーパ付き外表面（１６４）を備え、その上に、内側から凹部（１３６）の中に挿入され、かつプレート（１４４）の本体上に螺合されるナット（１７０）によってリングに求められる１つのリング（１６８）の略相補的なテーパ付き内表面（１６６）が当てられることを特徴とする、請求項４に記載のファン。
6. ロックワッシャ（１７２）が、リング（１６８）とナット（１７０）との間に挿入され、プレートに関してナットの回転を固定するために、プレート（１４４）の本体の相補的な手段（１７６）と形状結合によって協働する第１の手段（１７４）と、ナットの相補的な手段（１８０）と形状結合によって協働する第２の手段（１７８）とを備えることを特徴とする、請求項５に記載のファン。
7. リングが、外部に向かって広がるテーパ付き外表面を備え、その上に、プレートの本体に雌ねじを備えるリングの略相補的なテーパ付き内表面が当てられることを特徴とする、請求項４に記載のファン。
8. リング（１５０）が、凹部（１３６）の軸（Ｄ）に関して内部寄りに軸方向に延在し、かつプレートの本体の外部円筒形表面の上に当てられる円筒形端縁（１８６）を備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のファン。
9. リングの内側部分が、凹部の軸に関して外部に向かって半径方向にリングセクタを変位させることによりプレートの本体の溝から切り離され得るように、取付位置において、リング（１５０）が、半径方向寸法（Ｅ）が凹部の軸（Ｄ）に関してリングの内径および外径、ならびにそのセクタの角度範囲に応じて決定される角度空間によって、凹部の内側円筒形表面によって分離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ファン。
10. プレート（１４４）が、他の軸受（１５２）によってロータ要素（１３４）の凹部（１３６）の外面に当てられることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のファン。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のファンをすくなくとも１つ備えることを特徴とする、タービンエンジン。

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