JP2001055996A

JP2001055996A - ロータブレード

Info

Publication number: JP2001055996A
Application number: JP2000226248A
Authority: JP
Inventors: Andrew J Lammas; アンドリュー・ジョン・ラマス; Nicholas Joseph Kray; ニコラス・ジョセフ・クレイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2001-02-27
Also published as: EP1074700A3; SG85715A1; US6290465B1; EP1074700A2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のロータブレードとベーンよりも曲がり
または座屈が容易となるように構成されたタービンエン
ジンのロータブレードとベーン。【解決手段】ブレード根元部（１０４、２０４）と、
ブレード根元部（１０４、２０４）から半径方向線Ｒ_AS
に沿って半径方向外方に延在するエーロフォイル部（１
０２、２０２）とを備えるタービンエンジン（１０）用
ロータブレード（１００、２００）。半径方向線Ｒ
_ASは、プラットホーム（１０６、２０６）上面に沿う平
面に対して垂直もしくは直角というよりもむしろある角
度で斜めに延びている。その結果、ブレードアウト発生
時に、転倒モーメントがエーロフォイル部（１０２、２
０２）根元に発生する。転倒モーメントにより、エーロ
フォイル部（１０２、２０２）の曲がりが容易となり、
ステータへの損害が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にタービン
エンジンに関し、さらに詳しくは、タービンエンジン用
コンプレッサのブレードに関する。

【０００２】

【従来の技術】タービンエンジンは、一般的に、ファン
とブースタということもある低圧コンプレッサとを備え
る。ファンは、複数のブレードを有するロータを備え
る。また、低圧コンプレッサは気流通路全体にわたって
半径方向外方に延在する複数のロータブレードを有する
ロータを備える。ファンロータはブースタロータと結合
される。一般に、ブレードは、ブレード根元部から半径
方向外方に取り付けられるエーロフォイル部を備える。
ロータはステータケース内に収納される。

【０００３】エンジン検定では、「ブレードアウト」テ
ストともいうテストが行われる。ブレードアウトテスト
では、ファンブレードはその根元で解放され、これによ
り、ファンロータに不均衡が発生する。ファンロータは
ブースタロータに結合されているため、ファンロータの
不均衡はブースタロータの動作に影響を与える。具体的
には、ブレード先端がケースを摩擦することがある。ブ
レード先端によりケースにかかる半径方向及び接線方向
の荷重によりケースに応力が発生し、この結果、突然、
ステータケース外板またはフランジに異常が発生するこ
とがある。

【０００４】このような応力に耐えるために、ステータ
ケースの強度を増すことができる。例えば、ステータケ
ース製造に使用する材料は、ロータブレードの摩擦によ
り引き起こされる応力に耐えうるだけの強度を与えるよ
うに選定することができる。また、他の材料を使用する
よりはむしろ、フランジ、ステータ外板の厚みのアッ
プ、ボルトの増設によりステータの強度を増すことがで
きる。しかしながら、ステータケースの強度を増すと、
一般的に、エンジンの重量が増え、コスト高となる。

【０００５】

【発明の開示】従来のロータブレードとベーンよりも曲
がりまたは座屈が容易となるように構成されたタービン
エンジンのロータブレードとベーンについて説明する。
例示的実施形態では、ロータブレードは、ブレード根元
部と従来のエーロフォイル部よりも曲がりまたは座屈が
容易となるように構成されたエーロフォイル部を備え
る。エーロフォイル部が従来のものより容易に曲がる
か、または、座屈すれば、ブレードアウト発生時のステ
ータ構成品にかかる力および損傷の低減が容易となる。

【０００６】１つの特定の実施形態では、ブレードエー
ロフォイル部は、ブレード根元部から半径方向線Ｒ_ASに
沿って半径方向外方に延在する。半径方向線Ｒ_ASは、エ
ーロフォイル部とブレード根元部間のプラットホームの
上面に沿う平面に対して垂直もしくは直角というよりも
むしろある角度で斜めに延びている。その結果、ブレー
ドアウト発生時に、転倒モーメントがエーロフォイル部
根元に発生する。転倒モーメントにより、エーロフォイ
ル部の曲がりが容易となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、タービンエンジンｌ０の
概略図である。エンジン１０は、ブースタともいう低圧
コンプレッサ１２と、ブースタ１２からすぐ上流に配設
されるファン１４とを備える。また、エンジン１０は、
高圧コンプレッサ１６と、燃焼器１８と、高圧タービン
２０と、低圧タービン２２とを備える。ブースタ１２と
ファン１４は、第一の軸２４により低圧タービン２２に
結合される。高圧コンプレッサ１６は、第二の軸２６に
より高圧タービン２０に結合される。

【０００８】タービンエンジンの典型的なコンプレッサ
ロータセンブリは、気流通路にわたって半径方向外方に
延在する複数のロータブレードを備える。従来の低圧コ
ンプレッサ用ロータブレード５０の例を図２に示す。ブ
レード５０は、ブレード根元部５４から半径方向外方に
延在するエーロフォイル部５２を備える。プラットホー
ム５６はエーロフォイル部５２とブレード根元部５４間
に配設され、プラットホーム５６は、ロータと作動媒体
間の境界の一部を画成する。ブレード５Ｏは、根元部５
４がリムのスロットに嵌り合って係合して、ロータディ
スクリムに通常取り付けられる。コンプレッサブレード
根元は、形状は曲線をなしてダブテール根元といい、こ
れとはまり合う適合スロットは、ダブテールスロットと
いう。

【０００９】ブレード５０の正面図である図３に示すよ
うに、ブレード５０が回転すると、ガス荷重Ｌ_Gがブレ
ード５０に作用する。ブレード５０は、ブレード５０が
角度的にオフセット、すなわち傾くように通常ロータデ
ィスクに取り付けられ、その結果、ガス荷重によって生
じるブレードの曲がりは、回転によりエーロフォイル部
根元に生じる曲がりによってバランスされ、すなわち相
殺される。

【００１０】次ぎに、ステータケース６４に対して位置
決めされる複数のブレード６２を備えたロータ６０の概
略図である図４と図５を参照する。「ブレードアウト」
発生時に、ロータ６０はケース６４に向った軌道を有
し、ブレード６２はケース６４に接する。荷重Ｎがケー
ス６４に接する各ブレード６２からケース６４に伝わ
り、ケース６４により支持される。矢印Ｄはロータ６０
の回転方向を示し、矢印Ｔはケース６４へのロータ６０
の軌道を示す。

【００１１】図６で示すように、摩擦成分μＮが、ブレ
ード６２を不安定にし、ブレード６２を座屈しやすくす
る。さらに詳しくは、力μＮと力Ｎにより強制的にブレ
ード６２が曲がって座屈し、図７に示すように、これに
よりロータ６０とステータケース６４間にさらに接近状
態ができる。ケース６４とのブレード６２の摩擦により
生じる力μＮと力Ｎによりケース６４が損傷するものと
考えられる。

【００１２】図８は本発明の１つの実施形態によるブレ
ード１００の概略正面図である。ブレード１００は、ブ
レード根元部１０４から半径方向外方に延在するエーロ
フォイル部１０２を備える。プラットホーム１０６はエ
ーロフォイル部１０２とブレード根元部１０４間に間に
配設され、プラットホーム１０６は、ロータと作動媒体
間の境界の一部を画成する。ブレード１００は、根元部
１０４がリムのスロットに嵌り合って係合して、ロータ
ディスクリムに通常取り付けられる。コンプレッサブレ
ード根元は、形状は曲線をなしてダブテール根元とい
い、これとはまり合う適合スロットは、ダブテールスロ
ットという。

【００１３】エーロフォイル部１０２は、プラットホー
ム１０６上面に沿う平面に対してある角度傾いた半径方
向線Ｒ_ASに沿って延在する。図８で示すブレード１００
の実施形態では、半径方向線Ｒ_ASは直線である。さらに
詳しくは、ブレード１００はエーロフォイル部１０２根
元に転倒モーメントを発生させ、このことがブレードエ
ーロフォイル部１０２の曲げをたすけ、ブレードアウト
発生時にステータ、例えば、ステータケースにかかる荷
重を低減する。転倒モーメントは、ＮＬ＋ μＮＨに等しい。ここで、Ｌ＝根元部１０４を通る半径方向線
Ｒ_RSからエーロフォイル部１０２の頂面１０８の中央点
を通る平行線Ｌ_pまでの長さ、すなわち距離。Ｈ＝プラ
ットホーム１０６上面からエーロフォイル部１０２頂面
１０８までの距離。Ｈの例示的な数値範囲は２インチか
ら１２インチであり、通常、４インチから９インチであ
る。オフセット量である長さＬは、ブレード根元の所望
の設計強度とブレードサイズに基づいて選択される。ブ
レード１００は、よく知られたブレード製作法を使用し
てチタンおよびアルミニウムなどの材料から作られる。

【００１４】図９は、本発明の別の実施形態によるブレ
ード２００の概略図である。ブレード２００は、ブレー
ド根元部２０４から半径方向外方に延在するエーロフォ
イル部２０２を備える。プラットホーム２０６は、エー
ロフォイル部２０２とブレード根元部２０４間に配設さ
れ、プラットホーム２０６は、ロータと作動媒体間の境
界の一部を画成する。ブレード２００は、根元部２０４
がリムのスロットに嵌り合って係合するロータディスク
リムに通常取り付けられる。

【００１５】エーロフォイル部２０２は弓状に曲がり、
プラットホーム２０６上面に沿う平面に対してある角度
傾いた半径方向線Ｒ_ASに沿って延在する。図９に示すブ
レード２００の実施形態では、半径方向線Ｒ_ASは曲線で
ある。エーロフォイル部２０２を弓状に曲げることによ
って、エーロフォイル部２０２の重心がブレード根元部
２０４の上に位置し、これにより、根元部応力が低減さ
れるが、エーロフォイル部２０２は依然として座屈す
る。

【００１６】さらに、本発明の別の実施形態によれば、
エーロフォイル部（例えば、エーロフォイル部１０２、
２０２）の厚みはまた、その長さ方向に沿って変わる。
厚みが変わるエーロフォイル部は、ブレード部１０２に
ついては半径方向直線Ｒ_ASに沿って、または、ブレード
部２０２については半径方向曲線に沿って延在すること
ができる。

【００１７】さらに詳しくは、図１０は、エーロフォイ
ル部に沿って、基準点、すなわち、０％（エーロフォイ
ル部根元）から１００％（エーロフォイル部先端）を示
す。図１１は、エーロフォイル部の断面図であり、エー
ロフォイル部厚みＴ_m(ax)と距離Ｃの測定値を示す。図
１２は、エーロフォイル部の長さ方向全体（０％から１
００％）におけるＴ_m（図１１ではＴ_m(ax)と図示）／Ｃ
の比率を比較するグラフ図である。厚みが変わるエーロ
フォイル部の比率は破線で示し、従来のエーロフォイル
部の比率は実線で示す。図１２に示すように、厚みが変
わるブレードは、その長さ方向の約０％から３０％の距
離については従来のブレードよりも厚みが小さい。

【００１８】図１３は、本発明の１つの実施形態による
ブレードとベーンの配置３００の概略図である。配置３
００はブレード２００とベーン３０２を備える。ベーン
３０２は、ベーン３０２がロータ３０６よりむしろステ
ータケース３０４に固定される点を除き、ブレード２０
０と同じ曲線、即ち、弓状に曲げられた形状を有する。
ベーン３０２は、ベーン３０２がブレード２００と対向
する、すなわち、ブレード２００とベーン３０２の凹面
３０８と３１０はそれぞれ互いに向かい合うように配置
される。また、この特定の配置は航空力学上の励起を低
減させると考えられる。

【００１９】本発明を様々な特定の実施形態に関して説
明したが、当業者は、本発明はその技術的思想と技術的
範囲内で変更形態を実施できることが解るであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】タービンエンジンの概略図。

【図２】低圧コンプレッサロータブレードの斜視図。

【図３】図２に示すブレードの概略正面図。

【図４】ステータケースに対する複数のロータブレー
ドの概略図。

【図５】ステータケースとブレードの接触を示す図。

【図６】ブレード接触時に発生する力をさらに詳細に
示す図。

【図７】ブレードアウト発生時に対応するブレードを
（誇張して）示す図。

【図８】本発明の１つの実施形態によるブレードの概
略正面図。

【図９】本発明の別の実施形態によるブレードの概略
図。

【図１０】エーロフォイル部に沿った基準点を示す
図。

【図１１】図１０に示すエーロフォイル部の横断面
図。

【図１２】従来のエーロフォイル部の厚みとエーロフ
ォイル部の長さ、即ち、翼弦を比較するグラフ図。

【図１３】本発明の１つの実施形態によるブレードと
ベーン配置の概略図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブレード根元部（１０４、２０４）と、前記ブレード根元部（１０４、２０４）から半径方向線
Ｒ_ASに沿って半径方向外方に延在するエーロフォイル部
（１０２、２０２）と、前記エーロフォイル部（１０２、２０２）と前記ブレー
ド根元部（１０４、２０４）間のプラットホーム（１０
６、２０６）とを備え、前記半径方向線Ｒ_ASは、前記プ
ラットホーム（１０６、２０６）の上面に沿う平面に対
してある角度で斜めに延びているタービンエンジン（１
０）用ロータブレード（１００、２００）。
【請求項２】前記半径方向線Ｒ_ASが直線である、請求
項１記載のロータブレード（１００）。
【請求項３】前記半径方向線Ｒ_ASが曲線である、請求
項１記載のロータブレード（２００）。
【請求項４】ブレードアウト発生時に、転倒モーメン
トを前記エーロフォイル部（１０２、２０２）根元に発
生する、請求項１記載のロータブレード（１００、２０
０）。
【請求項５】前記転倒モーメントがＮＬ＋ μＮＨに等しく、ここで、Ｎ＝ステータ表面に向かう前記ステ
ータ表面に直角なブレード先端の力、Ｌ＝前記根元部
（１０４、２０４）を通る半径方向線Ｒ_RSから前記エー
ロフォイル部（１０２、２０２）頂面の中央点を通る平
行線Ｌ_pまでの長さ、μ＝前記ブレード先端と前記ステ
ータ表面間の摩擦係数、及びＨ＝前記プラットホーム
（１０６、２０６）上面から前記エーロフォイル部（１
０２、２０２）の前記頂面までの距離である、請求項４
記載のロータブレード（１００、２００）。
【請求項６】前記エーロフォイル部（１０２、２０
２）の厚みがその長さ方向に沿って変わる、請求項１記
載のロータブレード（１００、２００）。
【請求項７】ロータを備えるタービンエンジン（１
０）であって、ロータディスク（６０）と、前記ロータディスク（６０）に固定されるブレード（１
００、２００）とを備え、前記ブレード（１００、２０
０）は、ブレード根元部（１０４、２０４）と、前記ブ
レード根元部（１０４、２０４）から半径方向線Ｒ_ASに
沿って半径方向外方に延在するエーロフォイル部（１０
２、２０２）と、前記エーロフォイル部（１０２、２０
２）と前記ブレード根元部（１０４、２０４）間のプラ
ットホーム（１０６、２０６）とを備え、前記半径方向
線Ｒ_ASが前記プラットホーム（１０６、２０６）の上面
に沿う平面に対してある角度で斜めに延びているタービ
ンエンジン（１０）。
【請求項８】前記半径方向線Ｒ_ASが直線である、請求
項７記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項９】前記半径方向線Ｒ_ASが曲線である、請求
項７に記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】ブレードアウト発生時に、転倒モーメ
ントを前記エーロフォイル部（１０２、２０２）根元に
発生し、前記転倒モーメントがＮＬ＋ μＮＨに等しく、ここで、Ｎ＝ステータ表面に向かう前記ステ
ータ表面に直角なブレード先端の力、Ｌ＝前記根元部
（１０４、２０４）を通る半径方向線Ｒ_RSから前記エー
ロフォイル部（１０２、２０２）頂面の中央点を通る平
行線Ｌ_pまでの長さ、μ＝前記ブレード先端と前記ステ
ータ表面間の摩擦係数、及びＨ＝前記プラットホーム
（１０６、２０６）上面から前記エーロフォイル部（１
０２、２０２）の前記頂面までの距離である、請求項７
記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項１１】前記エーロフォイル部（１０２、２０
２）の厚みがその長さ方向に沿って変わる、請求項７記
載のタービンエンジン（１０）。
【請求項１２】前記ロータが低圧コンプレッサ（１
２）の構成品である、請求項７記載のタービンエンジン
（１０）。
【請求項１３】前記低圧コンプレッサ（１２）がさら
に少なくとも１つのベーン（３００）を備える、請求項
１２記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項１４】前記ベーン（３００）は凹面（３１
０）を備え、前記ブレード（２００）は凹面（３０８）
を備え、前記ベーンの凹面（３１０）が前記ブレードの
凹面（３０８）に対向する、請求項１３記載のタービン
エンジン（１０）。