JP2007247407A

JP2007247407A - ファンブレードの保持構造

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Publication number: JP2007247407A
Application number: JP2006067623A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oka; 尚志岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-27
Also published as: WO2007105702A1; CA2637278A1; EP1995468A4; EP1995468A1; US20090053065A1; EP1995468B1

Abstract

【課題】ファンブレードの破断時において、軸方向前向きの荷重が作用した場合でも、ファンブレードがディスクから脱落するのを確実に防止することができ、応力の予測精度が高く設計が容易であり、締結用のボルトを従来よりも軽く小さいサイズでかつ少ない本数にでき、部品点数を少なくでき、これにより重量軽減とコスト低減を図ることができるファンブレードの保持構造を提供する。
【解決手段】ディスク１０が、周方向に一定の角度を隔てかつ軸方向に延びる複数のダブテール溝１２を有し、ファンブレード２０が、ダブテール溝に軸方向に嵌まり回転時の遠心力をディスクに伝達可能なダブテール部２２を有する。ファンブレード２０はさらにダブテール部２２より後方に位置しダブテール溝１２より周方向外側に張出した突起部２４を有する。突起部２４は、ダブテール部２２がダブテール溝１２の半径方向内方に位置するときにダブテール溝１２と干渉しない大きさに設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンブレードの破断時において、軸方向前向きの荷重が作用した場合でも、ファンブレードがディスクから脱落するのを防止するファンブレードの保持構造に関する。

図４は、航空機用のターボファンエンジン１１０の模式図である。このエンジン１１０は、中心軸１１６に対し同心に配置されたコアエンジン１１４で駆動されるファン組立体１１２を有している。エンジン１１０の運転中に、ファン組立体１１２により外気１１８が吸い込まれ、これにより航空機を飛行させるスラスト力を発生するようになっている。
上述したエンジン１１０を有する航空機が離陸又は着陸する時に、例えば比較的大きな鳥１２０がファン組立体１１２に吸い込まれることがある。この場合、鳥１２０はロータディスク１２４から半径方向外方に延びるファンブレード１２２に衝撃を与え、その一部が破損して飛散することがある。また、鳥に限らず前方から吸い込まれた異物による損傷や、想定外の過大荷重などに起因してファンブレート１２２またはその一部が破損して飛散することがある。以下、このような現象をＦＢＯ（ＦａｎＢｌａｄｅＯｆｆ）と呼ぶ。

ＦＢＯ時において、ファンブレード１２２の一部が飛散し隣接する別のファンブレード１２２に衝突し、そのファンブレード１２２に軸方向前向き（上流向き）の衝撃力を与えることがある。
ファンブレード１２２に作用するこのような軸方向前向きの衝撃力は、ファンブレード１２２をロータディスク１２４から抜く方向に作用するため、ファン組立体１１２はこのような衝撃力を受けてもファンブレード１２２をロータディスク１２４に保持できる構造を備える必要がある。

このような要望を満たすファンブレードリテイナ（Ｆａｎｂｌａｄｅｒｅｔａｉｎｅｒ）として、特許文献１が既に提案されている。

特許文献１において、ファンブレード１２２をロータディスク１２４に保持する保持組立体１２６が開示されている。この保持組立体１２６は、図５に示すように、ディスク１２４、第１ブレードリテイナ１３８及び第２ブレードリテイナ１４４を備える。

ディスク１２４は、周方向に間隔を隔てた複数のダブテールポスト１２８を有し、その間に軸方向に延びるダブテール溝１３０が設けられている。各ブレード１２２は、ダブテール溝１３０に軸方向に嵌まるダブテール１３２を有し、このダブテール１３２はダブテールポスト１２８により半径方向に移動しないように保持される。この構成により、ブレード１２２の回転により発生する遠心力は、ダブテールポスト１２８を介してディスク１２４に伝達される。

ブレード１２２の軸方向前向き（上流向き）の移動を防止するために、第１ブレードリテイナ１３８を備える。第１ブレードリテイナ１３８は、ロータディスク１２４に固定された固定板１４０を有し、ダブテール溝１３０内でブレード１２２が軸方向に移動しないように保持する。固定板１４０は、隣接するポスト１２８に設けられた１対の溝１４２に半径方向外方に挿入されている。

第２ブレードリテイナ１４４は、ブレード１２２の軸方向移動を第１ブレードリテイナ１３８で防止できないときに、ブレード１２２が所定距離だけ移動した後、楔が作用して軸方向移動を防止するように設けられている。この構成により、第１ブレードリテイナ１３８と第２ブレードリテイナ１４４の両方で、ファンブレード１２２に作用する軸方向前向きの衝撃エネルギーを分散させ、ブレード１２２をダブテール溝１３０内に保持するようになっている。

米国特許第５，２８２，７２０号明細書、“Ｆａｎｂｌａｄｅｒｅｔａｉｎｅｒ”

図６は、従来のダブテール構造の模式図である。この図に示すように、ターボファンエンジンのファンブレードは、タービンにより回転駆動される円板状のディスク（ファンディスク又はスピンナーと呼ぶ）の周囲に取り付ける必要がある。そのため従来、ファンブレードの根元部に前後方向に延びるダブテール部を設け、このダブテール部をディスク周囲に設けたダブテール溝に嵌合させるダブテール構造が一般的に採用されている。

また、上述した軸方向前向きの力で、ファンブレードがダブテール溝から抜けるのを防止するため、従来、ブレード前側にリテイナと呼ばれる部材をディスクとボルト等で締結している。
このリテイナには、複数のブレードに対して機能する円環形状の形態と、ブレードごとに機能する板形状の形態がある。
しかし、円環形状リテイナの場合、荷重の作用部とボルト・ナット等の締結部の間隔が長いため、荷重によりボルトに作用する応力の予測、設計が難しい問題点があった。一方、板形状リテイナの場合、ブレードごとに組付けるため、組立時の作業性が悪い。そのため、円環形状リテイナ、板形状リテイナのいずれの場合も、軽量化が困難であり、かつコストが高い問題点があった。

また、上述した特許文献１の保持組立体の場合、第１ブレードリテイナ１３８と第２ブレードリテイナ１４４の両方で、ファンブレード１２２に作用する軸方向前向きの衝撃エネルギーを分散させて、ブレード１２２をダブテール溝１３０内に保持することができるが、構造が複雑であり、加工コストが高い問題点があった。
さらに、この保持組立体では、多数の第１ブレードリテイナ１３８及び第２ブレードリテイナ１４４を必要とするため、組立時の作業性が悪いというような問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ファンブレードの破断時において軸方向前向きの荷重が作用した場合でも、ファンブレードがディスクから脱落するのを確実に防止することができ、応力の予測精度が高く設計が容易であり、締結用のボルトを従来よりも軽く小さいサイズでかつ少ない本数にでき、部品点数を少なくでき、これにより重量軽減とコスト低減を図ることができるファンブレードの保持構造を提供することにある。

本発明によれば、タービンにより回転駆動されるディスクの外周部に、複数のファンブレードを取り付けるファンブレードの保持構造であって、
前記ディスクは、周方向に一定の角度を隔てかつ軸方向に延びる複数のダブテール溝を有し、
前記ファンブレードは、前記ダブテール溝に軸方向に嵌まり回転時の遠心力をディスクに伝達可能なダブテール部と、該ダブテール部より後方に位置しダブテール溝より周方向外側に張出した突起部とを有し、
該突起部は、前記ダブテール部がダブテール溝の半径方向内方に位置するときにダブテール溝と干渉しない大きさに設定されている、ことを特徴とするファンブレードの保持構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、前記ディスクに固定され、ファンブレードの軸方向前向きの移動を防止する補助リテイナを備える。

前記突起部は、削り出し、溶接又は圧着により成形されている。

さらに、前記ダブテール部の下面とダブテール溝の底面との間に挿入され、ダブテール部を半径方向外方に位置決めするファンスペーサを備える、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、ファンブレードの回転中は、遠心力によりダブテール部がダブテール溝内において半径方向外方に押付けられた状態となる。また、ファンブレードは、ダブテール部より後方に位置しダブテール溝より周方向外側に張出した突起部を有するので、回転中はこの状態において、突起部はブレードとディスクの相対変位を拘束するため抜け止めとして機能する。
従ってファンブレードの破断時において、ファンブレードに軸方向前向きの荷重が作用した場合でも、ダブテール溝より周方向外側に張出した突起部がディスクの後面に当接してディスクに軸方向荷重を伝達することができる。
この軸方向荷重により突起部に生じる応力は主として軸方向のせん断応力であり、ディスクに生じる応力は主として軸方向の圧縮応力であるので、突起部とディスクの内部応力を軸方向荷重に応じて正確に予測できる。

またこの内部応力を十分小さい応力に設定することで、突起部及びディスクの破損を防ぎ、ファンブレードのディスクからの脱落を確実に防止することができる。

また、突起部はダブテール部がダブテール溝の半径方向内方に位置するときにダブテール溝と干渉しない大きさに設定されているので、エンジン停止時に、ブレードを半径方向内方に寄せることで、突起部とディスクの干渉がなくなり、組立、分解を容易に行うことができる。
従って、突起部をダブテール部と一体的に構成でき、部品点数を少なくできる。

また、ファンブレードの軸方向前向きの移動を防止する従来と同様の補助リテイナを併用した場合でも、遠心力が大きい場合は、上述の突起部がディスクの後面に当接してディスクに軸方向荷重を伝達するので、補助リテイナにはＦＢＯ時の前方向荷重は作用しない。
従って、この補助リテイナは、遠心力が小さくダブテール部がダブテール溝の半径方向内方に位置するときに生じる相対的に小さい前方向荷重を受ける強度を有すればよく、これを締結する締結具（ボルト・ナット等）に大きな力が作用しないので、締結用のボルトを従来よりも軽く小さいサイズでかつ少ない本数にでき、部品点数を少なくでき、これにより重量軽減とコスト低減を図ることができる。

また、エンジン停止時に、ブレードを半径方向内方に寄せて突起部とディスクの干渉をなくした状態で、ブレードの突起部を前から挿入してダブテール溝を通過させた後、ダブテール部の下面とダブテール溝の底面との間にファンスペーサを挿入することにより、ファンブレードのダブテール部を半径方向外方に位置決めすることができる。
従って、エンジン停止時にブレードを運転位置に固定して、組立を容易にでき、かつ、遠心力が小さいときにも突起部がディスクの後面に当接してディスクに軸方向荷重を伝達するので、補助リテイナおよびこれを締結する締結具（ボルト・ナット等）に軸方向荷重が作用しないので、締結用のボルトを更に軽く小さいサイズでかつ少ない本数にできる。

以下本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明のファンブレードの保持構造を備えたエンジンのファン部横断面図であり、回転軸の軸心１の上側のみを示している。本発明のファンブレード保持構造は、図示しないタービンにより回転駆動されるディスク１０の外周部に、複数のファンブレード２０を取り付けるものである。
なおこの図において、１はディスク１０及びファンブレード２０の回転軸の軸心、２は空気流路、３は空気流路の内周面、４は流入空気の流れ、５はＦＢＯ時においてファンブレード２０に作用する軸方向前向きの力である。

この図に示すように、本発明のファンブレード保持構造は、ディスク１０、ファンブレード２０、補助リテイナ３０及び締結具４０からなる。

ディスク１０は、周方向に一定の角度を隔てかつ軸方向に延びる複数のダブテール溝１２を有する。ダブテール溝１２は、ファンブレード２０と同数設けるのが好ましいが、複数（２以上）のファンブレード２０を１つのダブテール溝１２に取り付ける構造でもよい。
ダブテール溝１２は、この例では、回転軸の軸心１に平行であるが、軸心１に対し傾斜していてもよい。また、ファンブレード２０を前方から軸方向に挿入して嵌められる限りで、ダブテール溝１２は直線でも円弧でもよい。

図２は、本発明のファンブレードを分離状態で示す斜視図である。
図１及び図２において、ファンブレード２０は、半径方向内端部にダブテール溝１２に嵌まるダブテール部２２を有する。このダブテール部２２は、ダブテール溝１２に軸方向に前方から挿入して嵌めることができ、ファンブレード２０に作用する回転時の遠心力をディスク１０に伝達可能に構成されている。

ファンブレード２０は、さらに、ダブテール部２２より後方に位置しダブテール溝１２より周方向外側に張出した突起部２４を有する。
この突起部２４は、ダブテール部２２がダブテール溝１２の半径方向内方に位置するときにダブテール溝１２と干渉しない大きさに設定されている。
また、この突起部２４は、削り出しによりダブテール部２２と一体に成形しても、ダブテール部２２に溶接又は圧着により一体化してもよい。

図１において、補助リテイナ３０は、ディスク１０の前縁に締結具４０で固定され、その後縁がダブテール部２２の前面に当接し、ファンブレード２０の軸方向前向きの移動を防止するようになっている。この補助リテイナ３０は、複数のダブテール部２２に対して機能する円環形状の形態であっても、ダブテール部２２ごとに機能する板形状の形態であってもよい。
締結具４０は、ボルト４１とナット４２であり、補助リテイナ３０に設けられた貫通孔と、ディスク１０のフランジ部１４に設けられた貫通孔を通して互いに螺合する。

図１において、本発明のファンブレード保持構造は、さらにファンスペーサ４４を備える、ファンスペーサ４４は、ダブテール部２２の下面とダブテール溝１２の底面との間に挿入され、ダブテール部２２を半径方向外方に位置決めする。

図３は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、（Ａ）はファンブレード２０の組付け中、（Ｂ）はファンブレード２０の組付け完了時を示している。
上述したように、ファンブレード２０の突起部２４は、ファンブレード２０のダブテール部２２がダブテール溝１２の半径方向内方に位置するときに、図３（Ａ）に示すように、ダブテール溝１２と干渉しない大きさに設定されている。
従って、エンジン停止時に、ブレード２０を半径方向内方に寄せて突起部２４とディスク１０の干渉をなくした状態で、ブレード２０の突起部２４をディスク１０の前から挿入してダブテール溝を１２通過させることができる。またその後、ダブテール部２２の下面とダブテール溝１２の底面との間にファンスペーサ４４を挿入することにより、図３（Ｂ）に示すように、ファンブレード２０のダブテール部２２を半径方向外方に位置決めすることができる。
なお、本発明において、ファンスペーサ４４は必須ではないが、これを用いることにより、エンジン停止時にブレード２０を運転位置に固定して、組立を容易にできる。

上述した本発明の構成によれば、ファンブレード２０の回転中は、遠心力によりダブテール部２２がダブテール溝１２内において半径方向外方に押付けられた状態となる。また、ファンブレード２０は、ダブテール部２２より後方に位置しダブテール溝より周方向外側に張出した突起部２４を有するので、回転中はこの状態において、図３（Ｂ）に斜線部で示す突起部２４はブレード２０とディスク１０の相対変位を拘束するため抜け止めとして機能する。
従ってファンブレード２０の破断時において、ファンブレード２０に軸方向前向きの荷重が作用した場合でも、ダブテール溝１２より周方向外側に張出した突起部２４がディスク１０の後面１０ｂに当接してディスク１０に軸方向荷重を伝達することができる。
この軸方向荷重により突起部２４に生じる応力は主として軸方向のせん断応力であり、ディスク１０に生じる応力は主として軸方向の圧縮応力であるので、突起部２４とディスク１０の内部応力を軸方向荷重に応じて正確に予測できる。

またこの内部応力を十分小さい応力に設定することで、突起部２４及びディスク１０の破損を防ぎ、ファンブレード２０のディスク１０からの脱落を確実に防止することができる。

また、突起部２４はダブテール部２２がダブテール溝１２の半径方向内方に位置するときにダブテール溝１２と干渉しない大きさに設定されているので、エンジン停止時に、ブレード２０を半径方向内方に寄せることで、突起部２４とディスク１０の干渉がなくなり、組立、分解を容易に行うことができる。
従って、突起部２４をダブテール部２２と一体的に構成でき、部品点数を少なくできる。

また、ファンブレード２０の軸方向前向きの移動を防止する従来と同様の補助リテイナ３０を併用した場合でも、遠心力が大きい場合は、上述の突起部２４がディスク１０の後面１０ｂに当接してディスク１０に軸方向荷重を伝達するので、補助リテイナ３０にはＦＢＯ時の前方向荷重はほとんど作用しない。
従って、この補助リテイナ３０は、遠心力が小さくダブテール部２２がダブテール溝１２の半径方向内方に位置するときに生じる相対的に小さい前方向荷重を受ける強度を有すればよく、これを締結する締結具（ボルト・ナット等）に大きな力が作用しないので、締結用のボルトを従来よりも軽く小さいサイズでかつ少ない本数にでき、部品点数を少なくでき、これにより重量軽減とコスト低減を図ることができる。

また、ダブテール部２２の下面とダブテール溝１２の底面との間にファンスペーサ４４を挿入することにより、ファンブレード２０のダブテール部２２を半径方向外方に位置決めすることができる。
従って、エンジン停止時にブレードを運転位置に固定して、組立を容易にでき、かつ、遠心力が小さいときにも突起部がディスクの後面に当接してディスクに軸方向荷重を伝達するので、補助リテイナおよびこれを締結する締結具（ボルト・ナット等）に軸方向荷重が作用しないので、締結用のボルトを更に軽く小さいサイズでかつ少ない本数にできる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のファンブレードの保持構造を備えたエンジンのファン部横断面図である。本発明のファンブレードを分離状態で示す斜視図である。図１のＡ−Ａ矢視図である。航空機用のターボファンエンジンの模式図である。特許文献１のファンブレードリテイナの構成図である。従来のダブテール構造の模式図である。

符号の説明

１回転軸の軸心、２空気流路、３空気流路の内周面、
４流入空気の流れ、５軸方向前向きの力、
１０ディスク（ファンディスク）、１０ｂ後面、１２ダブテール溝、１４フランジ部、
１６ディスク歯部、１６ａ背面、
２０ファンブレード、２２ダブテール部、２２ａ前面、
２４突起部、３０補助リテイナ、
４０締結具、４１ボルト、４２ナット、
４４ファンスペーサ

Claims

タービンにより回転駆動されるディスクの外周部に、複数のファンブレードを取り付けるファンブレードの保持構造であって、
前記ディスクは、周方向に一定の角度を隔てかつ軸方向に延びる複数のダブテール溝を有し、
前記ファンブレードは、前記ダブテール溝に軸方向に嵌まり回転時の遠心力をディスクに伝達可能なダブテール部と、該ダブテール部より後方に位置しダブテール溝より周方向外側に張出した突起部とを有し、
該突起部は、前記ダブテール部がダブテール溝の半径方向内方に位置するときにダブテール溝と干渉しない大きさに設定されている、ことを特徴とするファンブレードの保持構造。
さらに、前記ディスクに固定され、ファンブレードの軸方向前向きの移動を防止する補助リテイナを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のファンブレードの保持構造。
前記突起部は、削り出し、溶接又は圧着により成形されている、ことを特徴とする請求項１に記載のファンブレードの保持構造。
さらに、前記ダブテール部の下面とダブテール溝の底面との間に挿入され、ダブテール部を半径方向外方に位置決めするファンスペーサを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のファンブレードの保持構造。