特許 5938474 航空機用エンジンのファンケース

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5938474

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】航空機用エンジンのファンケース

(51)【国際特許分類】

   F02K 3/04 20060101AFI20160609BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20160609BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   F02K3/04

   F02C7/00 C

   F02C7/00 A

   F02C7/00 D

   F02C7/00 E

   F02C7/00 F

   F01D25/24 T

   F01D25/24 D

   F01D25/24 N

   F01D25/24 R

   F01D25/24 S

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-521394(P2014-521394)

(86)(22)【出願日】2013年6月13日

(86)【国際出願番号】JP2013066295

(87)【国際公開番号】WO2013191070

(87)【国際公開日】20131227

【審査請求日】2014年12月5日

(31)【優先権主張番号】特願2012-139484(P2012-139484)

(32)【優先日】2012年6月21日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100086793

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅士

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154771

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(72)【発明者】

【氏名】大谷 和弥

(72)【発明者】

【氏名】宮本 裕晶

(72)【発明者】

【氏名】川▲崎▼ 卓巳

(72)【発明者】

【氏名】松原 剛

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 猛

【審査官】 齊藤 公志郎

(56)【参考文献】

【文献】 カナダ国特許出願公開第０２７１３６２７（ＣＡ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２７６３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９６１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４０７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０１６９２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｋ ３／０４

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０２Ｃ ７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣｉＮｉｉ

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファンブレードを備えるファンの外周を覆う航空機用エンジンのファンケースであって、
繊維と樹脂を含む第１の複合材料を含むケース部と、
繊維と樹脂を含む第２の複合材料を含み、前記ケース部の外周に形成される拘束部と、
を備え、
前記拘束部が繊維層間に気泡からなる樹脂未含浸部を含むことにより、前記拘束部の樹脂含有率が前記ケース部の樹脂含有率よりも低く設定されている航空機用エンジンのファンケース。

【請求項2】

請求項１に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記拘束部は、前記ケース部におけるファンブレードに径方向外側から対向する箇所の外周に形成されている航空機用エンジンのファンケース。

【請求項3】

請求項１または２に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記第１と第２の複合材料のそれぞれにおける繊維は同一の繊維で構成され、前記第１と第２の複合材料のそれぞれにおける樹脂は同一の樹脂で構成されている航空機用エンジンのファンケース。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記拘束部の樹脂含有率が１２〜１５重量％である航空機用エンジンのファンケース。

【請求項5】

請求項４に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記ケース部の樹脂含有率が３２〜４０重量％である航空機用エンジンのファンケース。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記第１または第２の複合材料を形成する繊維が、カーボン繊維、ガラス繊維およびアラミド繊維よりなる群から選ばれた繊維である航空機用エンジンのファンケース。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の航空機用エンジンのファンケースにおいて、前記第１または第２の複合材料を形成する樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂およびポリイミド樹脂よりなる群から選ばれた樹脂である航空機用エンジンのファンケース。

【発明の詳細な説明】

【関連出願】

【0001】

この出願は、２０１２年６月２１日出願の特願２０１２−１３９４８４の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

【技術分野】

【0002】

本発明は、航空機用エンジンにおけるファンの外周を覆うファンケースに関するものである。

【背景技術】

【0003】

航空機用エンジンでは、これの重量が航空機の燃費性能に大きな影響を与えることから、軽量化が従来からの重要な課題になっている。中でもターボファンエンジンやターボジェットエンジンにおいては、重量比率の比較的大きな部品であるファンケースを軽量化するための様々な試みがなされた結果、一定の成果が得られている。そのようなファンケースの代表として、従来から素材として一般的に用いられていた金属から他の素材に代えたもの、例えば、ＣＦＲＰ製ファンケースの他、アルミニウム製のケース部にケブラー(Kevlar：登録商標)繊維を多重に巻き付けたファンケース、さらにはケース部の外周が弾性の拘束ベルトで覆われたファンケース（特許文献１参照）などが存在する。

【0004】

一方、ファンケースには、ファンにおけるハブの外周面に放射状の配置で植設された多数のファンブレードの一部が何らかの原因で欠けて遠心力により飛散するＦＢＯ（Fan Blade Off)が生じた場合に、その飛散するファンブレード片を柔軟に受容して、ファンケースの外方ヘ飛び出すのを防止するコンテインメント機能が要求される。したがって、ファンケースは、コンテインメント機能を確保しながら軽量化を図る必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００２−５１６９４５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記金属製ファンケースは、金属素材からの削り出しにより製造されるシンプルなものであるが、コンテインメント機能を確保しながら十分な軽量化を達成するのは難しい。また、前記ＣＦＲＰ製ファンケースは、金属よりも比強度に優れた複合材料を用いることで軽量化を図ったものであり、さらに、前記アルミニウム／ケブラー繊維製ファンケースは、アルミニウムによりケースとして必要な剛性を与え、かつケブラー繊維によりコンテインメント機能を持たせたものである。これらＣＦＲＰ製ファンケースおよびアルミニウム／ケブラー繊維製ファンケースは、金属製ファンケースに比べてある程度の軽量化を達成することができるが、コンテインメント機能を十分確保しながら一層の軽量化を実現するのは難しい。

【0007】

さらに、アルミニウム／ケブラー繊維製ファンケースは、ＦＢＯ発生時にケース変形量が大きいために、外側のカウルなどの周辺部品に干渉するおそれがある。これに対し、ケース変形量を抑制するためにケブラー繊維の巻数の増大を図ると、軽量化が損なわれてしまう。

【0008】

そこで、本発明は、所要のコンテインメント性能を確保しながらも十分な軽量化を図ることができる航空機用エンジンのファンケースを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明に係る航空機用エンジンのファンケースは、ファンブレードを備えるファンの外周を覆うものであって、繊維と樹脂を含む第１の複合材料を含むケース部と、繊維と樹脂を含む第２の複合材料を含み、前記ケース部の外周に形成される拘束部とを備え、前記拘束部の樹脂含有率が前記ケース部の樹脂含有率よりも低く設定されている。

【0010】

拘束部は、ケース部よりも樹脂含有率が低いことから、各繊維の繊維間接着強度が弱いのに伴って繊維同士が互いにずれるフレキシブル性を有する。繊維間が接着状態であると、せん断による破壊が起きるが、繊維同士が互いにずれると、引っ張りによる破壊が起きる。したがって、拘束部では、飛散したファンブレード片が衝突した場合に破壊される全ての繊維の中で、引っ張りにより破壊される繊維の割合が増加し、せん断により破壊される繊維の割合が減少する。一般に、引っ張りによる破壊はせん断による破壊よりも所要エネルギーが大きいため、拘束部全体として吸収できるエネルギーが大きくなる。換言すると、拘束部は、ファンブレード片の貫通を阻止できる高いコンテインメント機能を有する。これにより、ケース部は、コンテインメント機能を有する必要がないので、ファンブレードの先端部に対するチップクリアランスの確保、および静翼の保持等を満足するための高い強度および高い剛性を有する範囲内で十分に軽量化を図ることができる。

【0011】

前記拘束部は、前記ケース部におけるファンブレードに径方向外側から対向する箇所の外周に形成されるのが好ましい。これにより、拘束部を形成する領域を小さくして、一層の軽量化を図ることができる。

【0012】

前記第１と第２の複合材料のそれぞれにおける繊維を同一の繊維で構成し、前記第１と第２の複合材料のそれぞれにおける樹脂を同一の樹脂で構成することができる。これにより、使用する繊維および樹脂の種類を少なくして、生産性を向上させることができる。

【0013】

前記拘束部の樹脂含有率は１２〜１５重量％であるのが好ましい。前記ケースの樹脂含有率は３２〜４０重量％程度であるのが好ましい。これにより、コンテインメント機能と軽量化とをバランスよく実現できる。

【0014】

例えば、前記第１または第２の複合材料を形成する繊維は、カーボン繊維、ガラス繊維およびアラミド繊維よりなる群から選ばれた繊維であり、樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂およびポリイミド樹脂よりなる群から選ばれた樹脂である。これらの材料により、軽量で高強度の複合材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係るファンケースが装着される航空機用エンジンを模式的に示した構成図である。

【図2】同上の航空機用エンジンを示す正面図である。

【図3】同上の航空機用エンジンにおけるファンおよびファンケースを示す縦断面図である。

【図4A】同上のファンケースにおけるケース部の内部構造を模式的に示した断面図である。

【図4B】同上のファンケースにおける拘束部の内部構造を模式的に示した断面図である。

【図5】欠けて飛散したファンブレード片が衝突したときのファンケースのケース部の内部構造を示す模式図である。

【図6】欠けて飛散したファンブレード片が衝突したときのファンケースの拘束部の内部構造を示す模式図である。

【図7A】本発明の実施例に係るファンケースにおけるケース部の内部構造を模式的に示した断面図である。

【図7B】本発明の実施例に係るファンケースにおける拘束部の内部構造を模式的に示した断面図である。

【図8】同実施例における拘束部の吸収エネルギを示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１において、航空機用のジェットエンジンＥは、２軸型のターボファンエンジンであり、圧縮機２、燃焼器３、タービン４およびファン１０を主要構成要素として備えている。圧縮機２から供給される圧縮空気に燃料を混合して燃焼器３で燃焼させ、その燃焼により発生する高温高圧の燃焼ガスがタービン４に供給される。タービン４は前段側の高圧タービン４１と後段側の低圧タービン４２とを有し、圧縮機２は、中空の高圧軸７を介して高圧タービン４１に連結されており、この高圧タービン４１により回転駆動される。

【0017】

ファン１０は、高圧軸７の中空部に挿通された低圧軸９を介して低圧タービン４２に連結されており、この低圧タービン４２により回転駆動される。このファン１０は低圧軸９の前端部に装着されて、ファンケースＦＣにより覆われている。高圧軸７および低圧軸９は共通のエンジン軸心Ｃを有する同心配置となっている。こうして、低圧タービン４２から噴射される燃焼ガスのジェット流と、ファン１０により生成される高速空気流とによりエンジン推力が得られる。

【0018】

図２に示すように、ファン１０は、低圧軸９（図１）に一体回転するように連結されたハブ１１の外周に、多数のファンブレード（動翼）１２がエンジンＥの径方向に沿った放射状の配置で植設されている。このファン１０は、その外周を覆う環状（円筒状）のファンケースＦＣ内に収納されており、一部のファンブレード１２が欠けて飛散した場合に、そのファンブレード片がエンジンＥから外側に飛び出さないようにファンケースＦＣ内に受容される。このファン１０およびファンケースＦＣを含むエンジンＥ全体はエンジンナセルＮにより覆われている。

【0019】

図３に示すように、ファン１０には、ファンブレード１２の下流側にファン静翼１３が配設されている。ファンケースＦＣは、円筒体の両端部からそれぞれ外方に延びるフランジ部２１ａ，２１ｂを有するケース部２１と、このケース部２１の外周面に装着された拘束部２２とを有している。拘束部２２は、ケース部２１におけるファンブレード１２に径方向外側から対向する箇所の外周のみに形成されており、その軸方向長さはファンブレード１２の先端部１２ａの軸方向長さよりも大きく設定されている。ケース部２１は繊維と樹脂を含む第１の複合材料により形成され、拘束部２２は繊維と樹脂を含む第２の複合材料により形成されている。この実施形態では、第１および第２の複合材料は同一の繊維および樹脂により形成されているが、拘束部２２の複合材料における樹脂含有率はケース部２１の樹脂含有率よりも低く設定されている。

【0020】

ケース部２１および拘束部２２の素材である、軽量で高強度の複合材料は、繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維またはアラミド繊維などを好適に用いることができる。この繊維による複数の層の間に充填されて隣接する二つの繊維層を互いに接着する母材となる樹脂として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂またはポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。製造にあたっては、積層用の型の上にケース部２１を形成するための複合材料を積層し、その上から拘束部２２を形成する複合材料を積層し、加熱して両複合材料を硬化させる。

【0021】

ファンケースＦＣのケース部２１は、各ファンブレード１２の先端部１２ａに対して所要の小さなチップクリアランスＴＣで対向する内径に設定されている。ケース部２１は、エンジン効率を高くするために、内径面が高い寸法精度で管理されており、小さな所要のチップクリアランスＴＣを常に確保できる強度および剛性が要求される。そこで、ケース部２１は、硬くて変形し難い高い剛性を有する複合材料で形成されている。すなわち、この実施形態では、ケース部２１の複合材料として、従来から一般的に用いられているものであって、径方向に重ねられた複数の繊維層の間に樹脂が十分に含有されて高い強度および高い剛性が得られる樹脂含有率に設定されたものが用いられている。

【0022】

このファンケースＦＣでは、ケース部２１に加えて、その外周側に拘束部２２を別途備えており、この拘束部２２は、後述するように、ＦＢＯ発生時に欠けて飛散するファンブレード片がファンケースＦＣから外方へ飛散するのを防止するコンテインメント機能を備えている。したがって、ケース部２１は、コンテインメント機能を具備する必要がなく、所要のチップクリアランスＴＣの確保、静翼１３の保持などを実現できる強度と剛性が得られる範囲内で軽量化を図ることができる。実際、ケース部２１の剛性は拘束部２２の剛性よりも高くなっている。

【0023】

図４Ａに模式的に示すように、ファンケースＦＣにおけるケース部２１は、高い強度および剛性が得られる一般的な通常の樹脂含有率に設定されており、繊維２３Ａによる各層の間に樹脂２４Ａが十分に充填されて、各層の繊維２３Ａ同士が互いに強固に接着されていることにより、繊維２３Ａ同士が互いに分離（剥離）し難い状態になっている。

【0024】

一方、図４Ｂに模式的に示すように、ファンケースＦＣにおける拘束部２２は、図４Ｂに示すように、ケース部２１の通常の樹脂含有率よりも低い樹脂含有率に設定されており、接着材である樹脂２４Ｂが少ないために、繊維２３Ｂによる各層の間に樹脂２４Ｂが十分に行き渡らないのに伴って気泡のような樹脂未含浸部２７が多く発生する。その結果、各層の繊維２３Ｂ間をつなぐ繊維間接着強度が弱く、繊維２３Ｂ同士が互いに分離（剥離）し、ずれが生じ易い状態になっている。これにより、拘束部２２では、ケース部２１に比べて、繊維２３Ｂが柔軟に撓むことのできるフレキシブル性を有したものになる。

【0025】

図５および図６に、ＦＢＯ発生時に欠けたファンブレード片１２０が衝突した場合のケース部２１および拘束部２２の内部構造の変形状態が模式的に示されている。図５において、ケース部２１では、欠けたファンブレード片１２０が衝突したときに、繊維２３Ａ同士が剥離し難い状態であるため、繊維２３Ａが主として剪断力により破断する径方向の剪断領域Ｐ１が大きく、かつ繊維２３Ａが主として引っ張りにより破断する径方向の剥離領域Ｐ２が小さくなる。

【0026】

一方、図６に示すように、拘束部２２では、欠けたファンブレード片１２０が衝突したときに、繊維２３Ｂ同士が剥離し易いフレキシブルな状態であるため、剪断領域Ｐ１が小さく、剥離領域Ｐ２が大きくなる。つまり、拘束部２２では、繊維２３Ｂ間の接着力が弱いことから繊維２３Ｂが柔軟に移動できるため、繊維２３Ｂに加わる剪断力が小さくなるのに伴って引っ張りにより破断する繊維２３Ｂの割合が多くなる結果、剥離領域Ｐ２が大きくなる。

【0027】

一般に、繊維２３Ａ，２３Ｂの破断においては、引っ張りによる破断が剪断による破断に比べて必要とするエネルギ量が大きい。換言すると、欠けたファンブレード片１２０により繊維２３Ａ，２３Ｂが破断されるのに必要なエネルギ量は、剪断領域Ｐ１よりも剥離領域Ｐ２の方が大きい。そのため、拘束部２２よりも剪断領域Ｐ１が大きいケース部２１では、図５に図示したように、拘束部２２を有するのに伴って、ファンブレード片１２０の貫通を許容する構造とできるので、所要の強度および剛性を有する範囲内で軽量化を図ることができる。一方、ケース部２１よりも剥離領域Ｐ２の割合が大きい拘束部２２は、衝突するファンブレード片１２０に対する衝撃吸収エネルギが大きいことから、図６に図示したように、ケース部２１を貫通して進入するファンブレード片１２０が貫通するのを阻止する優れたコンテインメント機能を発揮する。

【0028】

以上説明したように、図３のファンケースＦＣは、ファン１０を覆うケース部２１と、コンテインメント機能を得るための拘束部２２とを設け、拘束部２２を、ケース部２１の樹脂含有率よりも低い樹脂含有率に設定するだけで柔軟性の向上を図ってコンテインメント機能を具備させている。これにより、既存のファンケースと同一重量とした場合は、既存のものよりコンテインメント能力の高いものとなる。また、既存のファンケースと同等のコンテインメント能力を有したものとした場合は、既存のものより軽量化を達成することができる。さらに、拘束部２２は、ケース部２１におけるファンブレード１２の径方向外側に対向する箇所のみに配設するので、この点からも一層の軽量化を図ることができる。また、前記実施形態では、ケース部２１と拘束部２２として、同一種類の組み合わせの複合材料が使用されており、その樹脂含有率を変えるだけであるから、２種類の複合材料を用意する必要がないので、生産性が高い。

【0029】

つぎに、本発明の実施例を説明する。
（ケース部２１の実施例）
図７Ａに示すように、ケース部２１は、下記の繊維２３Ａを敷き詰めた上に予め一定量の樹脂２４Ａを含有させたプリプレグ２８Ａのみを多数重ね合わせて構成されている。プリプレグ２８Ａの樹脂含有率は一般的なプリプレグと同程度の３５重量％（以下、単に「％」と表記する場合がある。）である。
繊維２３Ａ＝カーボン繊維
樹脂２４Ａ＝エポキシ樹脂

【0030】

（拘束部２２の実施例）
図７Ｂに示すように、ケース部２１に使用したプリプレグ２８Ａの間に任意の頻度で、一方向に下記の繊維２３Ｂを敷き詰めた上に、これと直交する方向に繊維２３Ｂを敷き詰め、これらをポリエステルの糸で縫い合わせた中間繊維層２８Ｂを挟み込んでいる。中間繊維層２８Ｂは樹脂が含浸していない繊維であるから、これを含む拘束部２２は、プリプレグのみで構成されるケース部２１と比較して、全体的に樹脂の量が少なくなり、繊維の量が多くなる。すなわち、樹脂含有率が低くなる。なお、プリプレグ２８Ａが含有している樹脂は加熱硬化時に流動的となり、中間繊維層２８Ｂの内部にも広がることにより、加熱硬化後の樹脂の分布は一様状態に近づく。また、中間繊維層２８Ｂに含まれる前記ポリエステルの糸は、重量比率が微小であり、無視できる。こうして拘束部２２の樹脂含有率を１２％に設定した。
中間繊維層２８Ｂの繊維２３Ｂ＝カーボン繊維

【0031】

図７Ｂの拘束部２２の面密度を１．２ｇ／cm²としたとき、実験により得られた樹脂含有率（重量％）の変化に対する吸収エネルギの変化を図８に示す。図８からわかるとおり、拘束部２２の樹脂含有率は、１５％以下において、一般的な複合材料の樹脂含有率３５％の場合よりも、１０％以上大きな吸収エネルギが得られる。樹脂含有率が１２％未満では、樹脂と繊維の結合が弱くなり、複合材料の形状が維持できない。したがって、拘束部２２の樹脂含有率は１２〜１５％が好ましい。

【0032】

ケース部２１の樹脂含有率は、高い剛性を維持するために、３５％の前後を含む３２〜４０％程度が好ましい。このような複合材料をケース部２１と拘束部２２に使用することにより、コンテインメント機能と軽量化とをバランスよく実現できる。

【0033】

なお、前記実施形態では、ケース部２１と拘束部２２とを同一の繊維と樹脂を組み合わせた複合材料で形成する場合を例示しているが、これに限らず、ケース部２１と拘束部２２とで、繊維と樹脂の少なくとも一方を異ならせた複合材料を用いてもよい。

【0034】

本発明は上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

１０ ファン
１２ ファンブレード
２１ ケース部
２２ 拘束部
２３Ａ，２３Ｂ 繊維
２４Ａ，２４Ｂ 樹脂
２８Ａ プリプレグ
２８Ｂ 中間繊維層
１２０ ファンブレード片
ＦＣ ファンケース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】