JPS5925844B2 - ガスタ−ビンエンジン用閉鎖チャネル型ディスク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンエンジンに係り、特にターボフ
ァンエンジンのファンブレードラ支持構るディスクに係
る。

ターボファンエンジンは、今日大型飛行機に最も汎用さ
れているタイプの動力装置である。

ターボファンエンジンに於ては、ターボジェットエンジ
ンと異なり、作動媒体ガスの一部はポンプにより一段あ
るいはそれ以上の圧縮段を通って軸線方向に送られ、エ
ンジンのコア部を通過することなく直接大気中へ排出さ
れる。

この大気中へ直接排出される圧縮段はファンステージと
称されており、一般にエンジンの前端部に位置している
。

エンジンのコア部を通って流れる空気流に対するファン
ステージを通って流れる空気量の比はバイパス比と称さ
れている。

このバイパス比は各動力装置に必要とされる性能に応じ
て個々のエンジンモデル毎に異なる値である。

しかし全てのターボファンエンジンに於て、ファンステ
ージは、主としてバイパス比によって異なってくるが、
離陸時に於ける全エンジン出力の３０〜７５係を受持つ
ものである。

ファンステージの大きさ及び重量はバイパス比に比例し
て変化する。

ある代表的なエンジン、即ちＰａｔｔ ＆Ｗｈｉｔｎｅ
ｙ Ａｉｒｃｒａｆｔ、 ａ Ｄｉｖｉｓ １ｏｎｏｆ
Ｕｎｉｔｅｄ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔ
ｉｏｎにより製造されたＪＴ９Ｄターボファンエンジン
に於ては、大きな流路面積を有する単段のファンステー
ジが約５のバイパス比による流れを受入れている。

ＪＴ９Ｄエンジンのファンステージを構成するブレード
及びディスクはチタンで作られているが、ブレード重量
は４５０Ｉｂ（２０４ｋｇ）に達し、またディスク重量
は４７０Ｉｂ（２１３１Ｖ）に達する。

今日商用されているほとんどのターボファンエンジンは
離陸時にこれと同程度の高いファンスラストを発生する
ものであり、ＪＴ９Ｄのディスクに相当する程のファン
ディスクを有している。

このような大型のディスクはエンジンの作動中に３２０
Ｏｒｐｍを越える速度にてディスク及びブレードが回
転することにより生ずる高いフープ応力が分散されるこ
とを必要とする。

更にかかるディスクは最も臨界的な励振状態にあっても
変型に抗するに充分な捩り及び曲げ剛性を有するように
その寸法が設計されていなげればならない。

同じ推進力レベルで作動するターボジェットエンジンと
比較してターボファンエンジンが有スる最も魅力的な特
徴の一つは、騒音発生レベルが比較的低いことである。

この騒音発生レベルの低さは排ガスと周囲媒体の間の剪
断的攪拌の強さを減することにより得られるものである
。

バイパス比を増大することによりより多くの運動エネル
ギがエンジンコアを流れるガス流より削除されてファン
ステージを駆動するために用いられる。

その結果エンジンコアからの排ガス流の速度が減少し、
剪断的攪拌の度合が低減されるのである。

従ってもしブレード支持構造の性能を犠牲にすることな
くファンディスクの重量を低減することができれば、よ
り大きなバイパス比を有し従ってより大きな寸法のファ
ンを有するエンジンを作ることによって、著しい性能の
向上が達成される。

本発明の主たる目的は、ガスタービンエンジンのブレー
ドに対する支持構造を提供することである。

本発明によれば、ガスタービンエンジンの少なくとも一
つの段に於てブレードを支持するディスクは閉鎖チャン
ネル構造を有し、該閉鎖チャンネル構造のディスクはデ
ィスク型部材の外周部に円環状のチャンネルを切込んで
そこに上流側ウェブと下流側ウェブを形成し、これら上
流側ウェブと下流側ウェブの間に両者を橋渡しする関係
に複数個の弓状プラグを挿入し、ディスクの外周部に実
質的に長方形の断面を有するトロイド構造を形成し、こ
れら弓状プラグを上流側ウェブ及び下流側ウェブに固定
し、更にディスクの外周部に上流側ウェブ及び下流側ウ
ェブ並びに弓状プラグを貫通する複数個のブレード保持
用溝を切込むことによって達成される。

本発明の一つの実施例に於ける主たる特徴は、前記上流
側ウェブ及び下流側ウェブと前記弓状プラグとの間の接
合部が、ブレード保持用の溝が弓状プラグの内周面を越
えて半径方向内側へより深く切込まれていることにより
、ディスクに生ずるフープストレスより隔離されている
ことである。

本発明の更に他の一つの重要な特徴は、前記上流側ウェ
ブ及び下流側ウェブの半径方向長さに対する上流側ウェ
ブと下流側ウェブの間の軸線方向距離の比がエンジン作
動中にブレードの振動的捩れを制限するに充分な捩り及
び曲げ剛性を与えるように定められることである。

本発明の主たる利点は、ウェブ型の構造によりディスク
の重量を大きく低減することが可能とされることにある
。

同時にこのように重量を低減されたディスクを組込むこ
とにより、ガスタービンエンジンの軸の太さも同じ臨界
回転速度を維持しつつそれに相当して低減される。

以下に添付の図を参照して本発明を実施例についぞ詳細
に説明する。

ファンケース１２を有するターボファンエンジン１０の
簡略化された側面がファン組立体１４の一部を図示の目
的で破断して示す状態にて第１図に示されている。

ファン組立体はファンディスク１にに複数個のファンブ
レード１６を含んでいる。

ディスクの内側部はエンジンロータ組立体のシャフト２
０に取付けられている。

第２図に示す如く、それぞれのファンブレード１６は根
元部２２を有し、この根元部はディスク１８に形成され
た対応するブレード保持用の溝２４に係合している。

第３図に示す如く、ディスク１８は上流側ウェブ２６、
下流側ウェブ２８、及び基部３０を有する。

内側に円周状表面３４を有する弓状プラグ３２がディス
クの外周部３６にて上流側ウェブ及び下流側ウェブ間を
橋渡しし、これらを接合している。

ディスクは多数のブレードを支持すべく大きくて重い構
造である。

前述のＪＴ９Ｄターボファン千ンジノンジンは、各々の
重さが１ｏ ■ｂ （４，５ｋｙ）である４６枚のブレ
ードが３２００ ｒｐｍ以上の回転速度にてディスクに
より支持される。

エンジン作動中には各ブレードは遠心力により半径方向
外方に押されるのでブレードはディスク内に全体として
フープ応力を発生する。

如何なる点に於けるフープ応力の最大値も適当な横断面
積の材料を与えることにより許容される値に押えられる
。

材料の必要横断面積に加えて、最も重大な臨界振動周波
数をエンジン作動範囲以上の値に限定すべく、ディスク
は充分な捩り剛性及び曲げ剛性を有していなければなら
ない。

臨界振動条件下に於ては、強く励振されたディスクの扇
形部は上流側及び下流側へ軸線方向に振れ、ディスクを
構成する材料中に曲げ応力と捩り応力を生ずる。

ファンは歪んだディスクに従わされるので激しく又往々
にして破壊的な曲げ応力がファン中に発生する。

従来の構造に於ては、必要な剛性を与えるために充実デ
ィスクの軸方向の厚み及び横断面積が増大されていた。

捩り剛性及び曲げ剛性のために加えられたこの面積の増
分はフープ応力の分配に必要な面積を越えるものである
。

本発明によれば、ディスク材料をより賢明に使用するこ
とにより、従来生じていたこの面積の増大を回避するこ
とができる。

第３図に示す実施例に於ては、ディスクに生ずるフープ
応力の最大値を許容できる範囲にて減少された最小横断
面積が与えられている。

次にこのディスクの最小横断面積は所要の捩り剛性及び
曲げ剛性を有する構造を与えるような輪郭とされている
。

第３図に示す如く、上流側ウェブ２６と下流側ウェブ２
８を含むトロイド構造が必要な剛性を与える。

図示の如く上流側ウェブと下流側ウェブは軸線方向に距
離Ａだけ隔置され、またトロイドの内周面は半径方向距
離Ｂを有する。

前述のＪＴ９Ｄの構造に於ては、これらの寸法の比Ａ／
Ｂは約０．７とされるのが好ましく、この比は多くの場
合に０．４〜１．０の範囲内に定められている。

この比を１．０より太き（することは曲げ剛性を改善す
ると思われるが、軸線方向距離Ａはブレード根元部の幅
によって限られるものであり、このブレード根元部の幅
は各エンジンに於てブレードの強度と重量を最適にする
ように定められるものである。

従来のほとんどの構造の充実ファンディスクはチタンに
より構成されているが、本発明による閉塞チャンネルデ
ィスクを組込むことにより、ディスク重量、従ってエン
ジン重量は大幅に低減される。

ＪＴ９Ｄ及び比較的大きいエンジンに於ては、ディスク
重量は約１ｏｏＩｂ（４５，４ｂ）だけ減量される。

更に別の利益として、ディスク重量の低減はロータシャ
フトの如き支持部材にも対応する重量低減をもたらし、
これは同じ臨界速度を維持しつつロータシャフトの太さ
を低減することを可能にするものである。

ロータシャフトの如き支持部材について太さを低減する
ことにより同様の減量が得られることによって、全体と
しての重量低減がより一層促進される。

ファンディスクはディスク型部材の外周に先ず周方向の
チャンネルを形成し、外周の上流側に上流側ウェブ２６
をまた下流側に下流側ウェブ２８を形成することによっ
て作られる。

二個又はそれ以上の弓状のプラグ３２がディスクの外周
部に於ける上流側ウェブと下流側ウェブの間に形成され
たチャンネル内にその両側端をそれぞれ上流側ウェブ２
６と下流側ウェブ２８の対向する側面に接する態様に挿
入され、実質的に長方形の横断面を有するトロイド構造
がディスクの周縁部に形成される。

一つの実施例に於ては、この弓状プラグは第３図に示す
接合領域３８にて溶接−より上流側ウェブ及び下流側ウ
ェブに固定される。

但しこの結合は拡散結合、ろう付けその他の結合方法に
よって行われてもよい。

ボルトあるいはリベットの如き機械的結合手段はディス
クの重量を増加させるが、ある種の実施例に於てはかか
る機械的結合手段により弓状プラグが上流側ウェブ及び
下流側ウェブに固定されてもよい。

かくして取付けられた弓状プラグは振動条件下に於ける
ディスクの剛性と軸方向のずれに対する抵抗を増大させ
る。

第２図に示す如く、ディスク１８の外周部３６ににはそ
の外周面より弓状プラグ３２の内周面３４を越えて半径
方向内側に至る深さまでブレード保持用の溝２４が切込
まれている。

従って弓状プラグをディスクの上流側ウェブ及び下流側
ウェブに接合する溶接部あるいは結合部にはディスクの
周縁部に生ずるフープ応力は作用しない。

周方向に隣接して配置された弓状プラグの周方向に向か
い合った端面部は、図には示されていないが、ファン保
持用の溝２４が形成される部分に配置されており、従っ
て溝２４が形成されるとき、弓状プラグの向かい合った
端部は溝２４に沿って切除される。

尚弓状プラグ３４は隣接する溝２４間の個々の領域に対
して個々に一個ずつ設けられている必要はなく、全体と
して二個乃至それ以上の弓状プラグが用いられてよい。

ただその場合の周方向に隣接する弓状プラグの間の接合
部は全て溝２４が形成される位置に合せられればよい。

以上に於ては本発明を好ましい実施例について説明した
が、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の修
正が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディスクを組込んだターボファン
エンジンの一つの実施例を図示の目的でその一部を破断
して示す概略側面図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う断面図である。 第３図は第２図の線３−３に沿う断面図である。 １０・・・ターボファンエンジン、１２・・・ファンケ
ース、１４・・・ファン組立体、１６・・・ファンブレ
ード、１８・・・ファンディスク、２０・・・シャフト
、２２・・・根元部、２４・・・ブレード保持用溝、２
６・・・上流側ウェブ、２８・・・下流側ウェブ、３０
・・・基部、３２・・・弓状プラグ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンのためのディスクにして、該
   ディスクの外周部にて沿ってその上流側に形成された上
   流側ウェブと、該ディスクの外周部に沿ってその下流側
   に形成された下流側ウェブと、前記上流側ウェブと前記
   下流側ウェブの外周部の間に延在しこれら両者の外周部
   を橋渡しする複数個の弓状プラグとを含み、該ディスク
   の外周部に実質的に軸線方向に延在するよう切込まれた
   複数個のブレード保持用の溝を有することを特徴とする
   ディスク。 ２、特許請求の範囲第１項記載のディスクにして、前記
   弓状プラグは内周面を有し、前記溝は前記ディスクの外
   周面より前記弓状プラグの前記内周面を越えて半径方向
   内側へ延在するよう切込まれていることを特徴とするデ
   ィスク。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項記載のディスクに
   して、前記上流側ウェブと前記下流側ウェブの間の軸線
   方向距離をＡとし、前記上流側ウェブと前記下流側ウェ
   ブが互に接続するそれらの根元部より前記弓状プ、う夕
   の内周面に至る半径方向距離をＢとすると、些Ａ／Ｂは
   ０．４〜１．０の範囲にあることを特徴とするディスク
   。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のディスクにして、前記
   比Ａ／Ｂは０．７であることを特徴とするディスク。 ５ ガスタービンエンジンのためのディスクを製造する
   方法に於て、 ディスク型部品の外周に円環状のチャンネルを形成する
   ことにより外周部に沿って上流側ウェブと下流側ウェブ
   を有するディスクを形成することと、前記チャンネルの
   外周部に複数個の弓状プラグを挿入し前記上流側ウェブ
   と前記下流側ウェブの外周部間を橋渡しすることにより
   ディスクの外周部に沿って実質的に長方形の横断面を有
   するトロイド構造を形成することと、 前記弓状プラグを前記上流側ウェブと前記下流側ウェブ
   に固定することと、 前記上流側ウェブと前記下流側ウェブとその間に装着さ
   れた前記弓状プラグとを貫通する複数個のブレード保持
   用の溝を該溝の半径方向内側端部が前記弓状プラグの半
   径方向内周面より半径方向内側まで伸びるように切込む
   こと、 を含むことを特徴とする製造方法。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の製造方法にして、前記
   溝は実質的に前記ディスクの軸線方向に沿って延在する
   よう切欠かれることを特徴とする製造方法。 ７ 特許請求の範囲第５項又は第６項記載の製造方法に
   して、前記溝は互に隣接する前記弓状プラグの間の接合
   部を通って切欠かれることを特徴とする製造方法。