JP3940107B2 - 一体型ブレード付きロータ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて使用される、有機マトリクス複合材料の一体型ブレード付きロータに関するものである。

一体型の、放射状に延在する各エアフォイルブレードと、各ブレードの放射状の外側領域を連結する一体型シュラウドとを有するガスタービンエンジンディスクは、従来公知である。この種の構造は、Ａｎｇｕｓに付与された米国特許第４，７８６，３４７号に示されている。Ａｎｇｕｓ特許では、エアフォイルブレードおよびディスクは、切断した炭素繊維を内部に有するエポキシ樹脂マトリクス材料から形成されている。

Ａｎｇｕｓに付与された米国特許第４，７４７，９００号には、シャフトと、一体型の放射状に延在した各エアフォイルブレードを有する少なくとも１つのディスクとを有する圧縮機ロータアセンブリが例示されており、ディスクはシャフトと一体になっている。このアセンブリは、複数の短い補強用繊維が内部に配置されたマトリクス材料を有してなり、補強用繊維は、シャフト内ではそれらの大部分が略軸方向に並べられる一方、エアフォイルブレード内ではそれらの大部分が略放射状に並べられる。少なくとも１つのフィラメント巻回支持リングが各エアフォイルブレードに対する放射状の支持を提供する。

ガスタービンエンジンにおいて、チタン製で、中空ブレードの、一体型ブレード付きファンロータを使用するのは公知である。しかしながら、この種のブレード付きファンロータは重い。よって、より軽量の一体型ブレード付きロータが求められている。

従って本発明の目的は、重量を大幅に低減できると共にコスト削減が図れる、一体型ブレード付きロータを提供することにある。

本発明の別の目的は、ブレードが完全に機能しなくなる可能性を排除できる、上記の一体型ブレード付きロータを提供することにある。
上述の各目的は本発明の一体型ブレード付きロータによって達成される。

本発明によれば、ガスタービンエンジンにおいて使用するために適合された、一体型ブレード付きロータが提供される。この一体型ブレード付きロータは、概略的には、複数の対（ペア）のエアフォイルブレード、つまり複数の対になったエアフォイルブレードを有してなる。各対のブレードはスパーを有しており、このスパーは、対におけるエアフォイルブレードのうちの第１のものの先端部から、対におけるエアフォイルブレードのうちの第２のものの先端部まで延在している。この一体型ブレード付きロータは、エアフォイルブレードの各対における第１先端部および第２の先端部に一体的に接合された外側シュラウドをさらに有しても、有さなくてもよい。

本発明の有機マトリックス複合材料（organic matrix composite）からなる一体型ブレード付きロータの他の詳細、並びにこれに伴う他の目的および特長は、以下の詳細な説明および添付図面に説明されている。添付図面において、同様な符号は同様な構成要素を表している。

図面を参照して、図１は本発明の一体型ブレード付きロータアセンブリ１０を例示している。アセンブリ１０は外側シュラウド１２、内径ハブ（内側ハブ）１４、内径ハブ内部の堆積層アセンブリ１６、および内径ハブ１４と外側シュラウド１２との間に延在している複数の対のエアフォイルブレード１８を含んでいる。

図２を参照して、エアフォイルブレード１８の各対はスパー２０を有している。このスパーは、対におけるエアフォイルブレード１８の第１のものの第１の先端部２２から、対におけるエアフォイルブレード１８の第２のものの先端部２４まで延在している。図２から明らかなように、中央領域において各スパー２０は、第１アーム２６と、第１アーム２６から離間されると共に第１アーム２６と共に開口部３０の範囲を規定ないし画定する第２のアーム２８とを有している。各開口部３０の大きさは１つのスパー２０と次のスパーとで異なる。これにより、各スパー２０を渦巻きパターン（螺旋パターンないし螺旋状）で絡み合わせたり、または交互に配置させることが可能となる。このことは図２においてスパー２０とスパー２０’を比較することで明らかである。スパー２０がブレード１８を貫通ないし通り抜けるので、スパー２０はブレード１８の先端部に向かってテーパ状つまり先細りになっている。

外側シュラウド１２および内径ハブ１４はエアフォイルブレード１８と一体的ないし一体化して形成しても良い。一体化して形成する場合には数多くの利点が得られる。その利点とは次の通りである。（１）ブレードのツイスト（ねじれ）とアンツイスト（ねじれ戻り）が制御ないし調整される。これはブレードのルート部分でのストレスの排除につながる。（２）ブレードの振動周波数（振動性周波数）が高くなり、その結果、構造条件の低減および重量の低減が図れる。（３）ブレード外側の格納容器が構造内に一体化される。（４）ブレード先端部の漏れがなくなる。一体化して形成された外側シュラウド１２は、ブレード１８がより強く前方に移動することが可能となる。

スパー２０および２０’のそれぞれは好ましくは伸びた状態で中央を貫通する強化繊維を有した有機マトリックス複合材料より形成される。連続した補強繊維（強化繊維）が配置され、スパー２０および２０’内にあるそれらの大部分がスパーの縦軸に略整列されるように配置される。スパー２０および２０’を形成するために使用される材料の１つは、内部に炭素繊維を有したエポキシマトリックス材料である。使用されるその他の材料は、金属、ポリアミド、およびビスマルアミド（bismaliamide）、および／またはガラスやホウ素、繊維ガラスやケブラーから形成される繊維強化材などの非有機材料から形成されるマトリックスを有しているものである。

図３、４を参照して、ロータ１０の中央部は充填材層アセンブリ１６により充填されている。アセンブリ１６はほぼ等方性の布（織物）のレイアップつまり貼り合わせにより形成された複数の堆積された充填材層３２により形成される。図３および４から明らかなように、各充填材層３２はスパー２０および２０’のパターンと合致ないしこれに補足的である渦巻きパターンで配置される。充填材層アセンブリ３０はロータ１０の中央部を充填することに加え、ブレード上の負荷の分配を助ける。

本発明のロータのデザインないし構造は数多くの利点を提供するものである。例えば、対向するブレード１８間に内径ハブ１４を貫通させたスパー２０を備えることで、異なる材料におけるブレード／ハブ設計において見られる負荷伝達の問題がなくなる。更に、中空チタンでできた一体型ブレード付きロータの場合と比較した場合、大幅な重量の低減、つまり３０％の重量低減や、コストの削減、つまり７５％のコスト削減が達成される。また、慣性モーメントが大幅に低減し、また改良されたスプールアップおよびスプールダウンレスポンスをもたらす。

本発明によれば、上述した各目的、手段、および特長を完全に満足する有機マトリックス複合物の一体型ブレード付きロータが提供されることは明らかである。以上の説明では本発明をその特定の実施形態に基づいて説明したが、以上の説明から当業者にはその他の代替、変更、および変形が明らかである。従って、添付の特許請求の範囲の広い範囲はこれらの代替、変更および変形を包含するように意図されている。

本発明の一体型ブレード付きロータアセンブリの斜視図である。 図１の一体型ブレード付きロータアセンブリの部分的な断面図である。 図１のロータアセンブリにおいて使用される充填材層アセンブリの斜視図である。 図１の一体型ブレード付きロータアセンブリの分解図である。

符号の説明

１０ 一体型ブレード付きロータアセンブリ
１２ 外側シュラウド
１４ 内径ハブ
１６ 堆積層アセンブリ
１８ エアフォイル
２０ スパー
３０ 開口部

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンにおいて使用される一体型ブレード付きロータであって、
   エアフォイルブレードの複数の対を有してなり、
   各ブレードの対が、前記対における前記エアフォイルブレードの第１のものの外側端にある第１の先端部から前記対における前記エアフォイルブレードの第２のものの外側端にあり反対側で対向する第２の先端部まで延在するスパーを有してなり、
   エアフォイルブレードの各対における第１の先端部および第２の先端部に一体的に接合された外側シュラウドをさらに有してなり、
   各前記スパーが、前記スパーの中央部において、第１のアームと、前記第１のアームから離間した第２のアームとを有してなり、
   前記第１のアームと前記第２のアームが開口部を画定し、および前記開口部において各前記スパーが絡み合っており、
   前記ロータの中央部を充填する充填材層アセンブリを有してなる、ことを特徴とする一体型ブレード付きロータ。
2. 内径ハブをさらに有してなり、およびエアフォイルブレードの各前記対における前記スパーが前記内径ハブを貫通している、ことを特徴とする請求項１記載の一体型ブレード付きロータ。
3. 前記エアフォイルブレードの対に対応する各前記スパーが絡み合っており、および前記充填材層アセンブリが複数の堆積された充填材層を有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の一体型ブレード付きロータ。
4. 前記スパーが渦巻き状に絡み合っており、前記複数の堆積された充填材層が補足的な態様で渦巻き状に配置されている、ことを特徴とする請求項３記載の一体型ブレード付きロータ。
5. 前記充填材層アセンブリが、略等方性で、連続的に織られた布のレイアップによって形成される、ことを特徴とする請求項１記載の一体型ブレード付きロータ。
6. エアブレードの前記各対における前記スパーが複合材料より形成される、ことを特徴とする請求項１記載の一体型ブレード付きロータ。

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