JP2007247406A

JP2007247406A - ファンブレードの保持構造

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Publication number: JP2007247406A
Application number: JP2006067620A
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: CA2637277A1; EP1995467B1; CA2637277C; WO2007105701A1; EP1995467A1; US20090022593A1; EP1995467A4

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、締結用のボルトを軽く小さく、少ない本数で、部品点数を少なく、重量軽減とコスト低減を図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。ディスクは、さらにダブテール溝より前方に位置し半径方向外方に延びるフランジ部１４を有する。また、ダブテール部の前面２２ａとフランジ部の背面１６ａとの間に嵌まり、ファンブレードに作用する軸方向前向きの荷重をフランジ部の背面を介してディスクに伝達するリング状のリテイナ部材３０を有する。
【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部品の損傷や、想定外の過大荷重などに起因してファンブレード１２２又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締結ボルトナッ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、組み立て時の作業性が悪い。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、組み立て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を有し、
前記ディスクは、さらに前記ダブテール溝より前方に位置し半径方向外方に延びるフランジ部を有し、
さらに、前記ダブテール部の前面と前記フランジ部の背面との間に嵌まり、ファンブレードに作用する軸方向前向きの荷重をフランジ部の背面を介して前記ディスクに伝達するリング状のリテイナ部材を有する、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、前記ディスクのフランジ部は、周方向に一定の角度を隔てかつ半径方向外方に突出するディスク歯部を有し、
前記リテイナ部材は、ダブテール部の前面に当接する背面を有するリング部と、該リング部の内方に設けられ周方向に一定の角度を隔てかつ半径方向内方に突出するリテイナ歯部を有し、
該リテイナ歯部は、隣接するディスク歯部の間を軸方向に通過でき、かつ周方向同一位置でディスク歯部の背面に近接して重なる。

また、前記リテイナ歯部とディスク歯部を周方向同一位置に近接して重ねて固定する締結具を備える。

また、前記ディスク歯部は、隣接するダブテール溝の周方向中間位置に設けられる、ことが好ましい。

また、前記ディスク歯部は、ダブテール溝と周方向同一位置に設けられる、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、ダブテール部の前面とフランジ部の背面との間に嵌まるリテイナ部材を有するので、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、ダブテール部の前面からリテイナ部材とフランジ部の背面を介して前記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リテイナ部材に生じる応力は主として軸方向の圧縮応力であり、フランジ部に生じる応力は主として軸方向の引張応力であるので、リテイナ部材とフランジ部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、リテイナ部材及びフランジ部の破損を防ぎ、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、リング状のリテイナ部材を用いるので、部品点数を少なくできる。
また、軸方向荷重はリテイナ部材とフランジ部に伝達され、これらを締結する締結具（ボルト・ナット等）に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。

さらに、ディスクのフランジ部が半径方向外方に突出するディスク歯部を有し、リテイナ部材が、ダブテール部の前面に当接するリング部と、半径方向内方に突出するリテイナ歯部を有し、このリテイナ歯部は、隣接するディスク歯部の間を軸方向に通過でき、かつ周方向同一位置でディスク歯部の背面に近接するので、
リテイナ部材のリテイナ歯部を、隣接するディスク歯部の間を軸方向に通過させ、次いで周方向に同一位置まで旋回させてディスク歯部の背面に近接して重ねることで、ファンブレードの前面とフランジ部の背面との間にリテイナ部材を小さな隙間で容易に嵌めることができる。

また、締結具（ボルト・ナット等）でリテイナ歯部とディスク歯部を周方向同一位置に固定することにより、軸方向荷重は締結具に作用しないので、締結具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分離状態で示す全体斜視図である。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。

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、リテイナ部材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。

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。

図２（Ａ）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。また図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ部拡大図である。
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。

図１、図２に示すように、ディスク１０は、さらにダブテール溝１２より前方に位置し半径方向外方に延びるフランジ部１４を有する。フランジ部１４は、ディスク１０の半径方向内端部から前方に延びる中空円筒部１３により互いに一体に連結されている。
また、フランジ部１４は、周方向に一定の角度を隔てかつ半径方向外方に突出するディスク歯部１６を有する。

リテイナ部材３０は、中空円板状のリング部３２と、リング部３２の内方に一体に形成されたリテイナ歯部３４とを有する。
リング部３２は背面３２ａを有し、この背面３２ａは、ダブテール溝１２に挿入されたダブテール部２２の前面２２ａに当接する。
また、リテイナ歯部３４は、周方向に一定の角度を隔てて位置し、かつ半径方向内方に突出する。

図１に示すように、ディスク歯部１６は、この例では、周方向に隣接するダブテール溝１２の周方向中間位置に設けられ、ダブテール溝１２の延長線上に位置しないようになっている。またこれに対応して、リテイナ歯部３４は、この例では、ダブテール溝１２と同一ピッチで周方向にダブテール溝１２と同一数設けられている。
この構成により、ディスク歯部１６の半径方向位置をダブテール部２２とほぼ同じ高さにでき、ダブテール部２２からの軸方向前向きの荷重を周方向の２つのディスク歯部１６で確実に支持することができる。

なお、本発明はこの構成に限定されず、ディスク歯部をダブテール溝と周方向同一位置に設けてもよい。
この場合、ダブテール溝１２の延長線上に位置しないように、ディスク歯部１６の半径方向位置をダブテール部２２の底部より低くする必要があるが、ダブテール部２２からの軸方向前向きの荷重を周方向同一位置のディスク歯部１６で確実に支持することができる。
また、ディスク歯部１６とリテイナ歯部３４は、ダブテール溝１２と同一数設ける必要はなく、高速回転時のバランスをとれる限りで、２以上の任意数（例えば、４，８，１６等）であってもよい。

図３は、図２（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視図であり、（Ａ）はリテイナ部材の組付け中、（Ｂ）はリテイナ部材の組付け完了時を示している。
図１〜図３において、リテイナ部材３０の背面３２ａからリテイナ歯部３４の前面３４ａまでの軸方向距離（厚さ）は、組付け位置におけるダブテール部２２の前面２２ａから組付け位置におけるディスク歯部１６の背面１６ａまでの軸方向距離より小さく設定されている。この隙間は、リテイナ部材の組付け時に、リテイナ部材３０を軸心１を中心に円滑に旋回できる程度に設定するのがよい。

また、リテイナ歯部３４は、図３（Ａ）に示すように、隣接するディスク歯部１６の間を軸方向に通過でき、かつ図３（Ｂ）に示すように、リテイナ部材３０を軸心１を中心に一定角度（この例では約３０°）旋回させることにより、周方向同一位置でディスク歯部１６の背面に近接して重なる。この近接時の隙間は、エンジンの使用温度範囲で、互いに干渉しない限りで小さく設定するのがよい。

図１、図２において、締結具４０は、ボルト４１とナット４２であり、リテイナ部材３０に設けられた貫通孔３５と、ディスク１０のフランジ部１４に設けられた貫通孔１７を通して互いに螺合し、リテイナ歯部３４とディスク歯部１６を周方向同一位置に固定する。

なお、この例では、フランジ部１４を半径方向内方にも延ばして、この部分に貫通孔１７を設け、リテイナ部材３０にこれと接する逆Ｌ字部分を設けて、この部分に貫通孔３５を設けている。
しかし、本発明はこの構成に限定されず、例えば、逆Ｌ字部分を省略してリテイナ部材３０をリング状の平板とし、この平板をディスク１０に直接固定する構成であってもよい。

上述した構成により、リング状のリテイナ部材３０は、図３（Ｂ）に示すリテイナ部材の組付け完了時及びエンジンの運転中において、リテイナ歯部３４とディスク歯部１６が周方向同一位置に固定されて位置する。
また、リテイナ部材３０は、ダブテール部２２の前面２２ａとディスク歯部１６の背面１６ａとの間に嵌まり、ファンブレード２０に作用する軸方向前向きの荷重をディスク歯部１６の背面１６ａを介してディスク１０に伝達することができる。

上述した本発明の構成によれば、ダブテール部２２の前面２２ａとフランジ部１４（ディスク歯部１６）の背面１６ａとの間に嵌まるリテイナ部材３０を有するので、ファンブレード２０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、ダブテール部２２の前面２２ａからリテイナ部材３０とフランジ部の背面１６ａを介してディスク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リテイナ部材３０に生じる応力は主として軸方向の圧縮応力であり、フランジ部１４に生じる応力は主として軸方向の引張応力であるので、リテイナ部材３０とフランジ部１４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、リテイナ部材３０及びフランジ部１４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、リング状のリテイナ部材３０を用いるので、部品点数を少なくできる。
また、軸方向荷重はリテイナ部材３０とフランジ部１４に伝達され、これらを締結する締結具４０（ボルト・ナット等）に力が作用しないので、締結用のボルト４０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る。

さらに、ディスク１０のフランジ部１４が半径方向外方に突出するディスク歯部１６を有し、リテイナ部材３０が、ダブテール部２２の前面２２ａに当接するリング部３２と、半径方向内方に突出するリテイナ歯部３４を有し、このリテイナ歯部３４は、隣接するディスク歯部１６の間を軸方向に通過でき、かつ周方向同一位置でディスク歯部１６の背面１６ａに近接するので、リテイナ部材３０のリテイナ歯部３４を、隣接するディスク歯部１６の間を軸方向に通過させ、次いで周方向に同一位置まで旋回させてディスク歯部１６の背面に近接させることで、ファンブレードの前面２２ａとフランジ部の背面１６ａとの間にリテイナ部材３０を容易に嵌めることができる。

また、締結具４０（ボルト・ナット等）でリテイナ歯部３４とディスク歯部１６を周方向同一位置に固定することにより、軸方向荷重は締結具４０に作用しないので、締結具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分離状態で示す全体斜視図である。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。図２（Ｂ）のＣ−Ｃ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）、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、
３０リテイナ部材、３２リング部、３２ａ背面、
３４リテイナ歯部、３４ａ前面、
４０締結具、４１ボルト、４２ナット

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を有し、
前記ディスクは、さらに前記ダブテール溝より前方に位置し半径方向外方に延びるフランジ部を有し、
さらに、前記ダブテール部の前面と前記フランジ部の背面との間に嵌まり、ファンブレードに作用する軸方向前向きの荷重をフランジ部の背面を介して前記ディスクに伝達するリング状のリテイナ部材を有する、ことを特徴とするファンブレードの保持構造。
前記ディスクのフランジ部は、周方向に一定の角度を隔てかつ半径方向外方に突出するディスク歯部を有し、
前記リテイナ部材は、ダブテール部の前面に当接する背面を有するリング部と、該リング部の内方に設けられ周方向に一定の角度を隔てかつ半径方向内方に突出するリテイナ歯部を有し、
該リテイナ歯部は、隣接するディスク歯部の間を軸方向に通過でき、かつ周方向同一位置でディスク歯部の背面に近接して重なる、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。
前記リテイナ歯部とディスク歯部を周方向同一位置に近接して重ねて固定する締結具を備える、ことを特徴とする請求項２に記載のファンブレードの保持構造。
前記ディスク歯部は、隣接するダブテール溝の周方向中間位置に設けられる、ことを特徴とする請求項２に記載のファンブレードの保持構造。
前記ディスク歯部は、ダブテール溝と周方向同一位置に設けられる、ことを特徴とする請求項２に記載のファンブレードの保持構造。