JP2001234704A - ブレードの取付け - Google Patents

ブレードの取付け

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JP2001234704A
JP2001234704A JP2000396989A JP2000396989A JP2001234704A JP 2001234704 A JP2001234704 A JP 2001234704A JP 2000396989 A JP2000396989 A JP 2000396989A JP 2000396989 A JP2000396989 A JP 2000396989A JP 2001234704 A JP2001234704 A JP 2001234704A
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seating surface
blade
christmas tree
disk
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JP2000396989A
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Robert J Kildea
ジェー キルディア ロバート
Wayne D Wekenmann
ディー ウェケンマン ウェイン
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United Technologies Corp
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に航空機用ガスタービンエンジンのタービ
ンロータにおけるブレード取付け部を増強すること。 【解決手段】 ブレード１２のクリスマスツリー状部１
６の座面２６及び／又はディスク２０のブローチ削りス
ロット１６の座面２６は“クラウニング”されて、座面
２６の縁での応力を減少して荷重を一層均一に分配せし
める。座面２６の広さは、ブレードのクリスマスツリー
状部及び／又はディスクのブローチ削りスロットの従来
の平らな座面よりも、最初の接触点３０，５８が公称中
央部４０，４４から移動することにより、拡大される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は、ガスタービンエンジンのロータ
用ブレードに関し、より詳細には、ロータのディスクの
リムに形成したブローチ削りスロットに取付けられるブ
レードのクリスマスツリー状部の形状に関する。
【０００２】
【発明の背景】ガスタービンエンジン技術においてよく
知られているように、高性能航空機の進歩は、タービン
及び圧縮機のロータに重い荷重を課している。したがっ
て、これらロータの構成部品の設計において、応力がロ
ータ及びロータ構成部品の構造的一体性を害しないよう
にすることが義務とされている。ブレードのためのクリ
スマスツリー状取付け部に明白とされている問題のひと
つは、クリスマスツリー状取付け部がロータのブレード
とディスクのブローチ削りスロットとの接触部の座面に
平らな面を有することである。座面が平らであると、座
面における角度は、接触がロータの荷重のすべてのレベ
ルで全接触するように作られているときには、座面を通
して同じ公称角度である。その結果、この平らな面に重
い荷重が課せられ、これは座面の縁に高い支持及びせん
断応力を生じせしめる。そして、これらの高い縁荷重は
座面に隣接するブレード又はディスクのフィレット部の
集中応力を増大せしめ、これら構成部品の寿命に悪い影
響を及ぼす。
【０００３】上述した問題に加え、各座面はそれ自身の
公差を有しているので、座面の一方の縁での応力は他方
の縁よりも非常に高いか又は低く、より一層応力の散乱
が生じて更に寿命を制限する。このような応力の散乱を
補償するために、設計者はブレード取付け部を増強する
設計にしなければならず、これにより、許容応力は最大
設計寿命を達成するために減少される。明らかに、設計
許容応力を減少するためには、ブレード取付け部の重量
は増大される。当業者であれば認識できるように、エン
ジンの構成部品の重量は、重量対スラスト比に悪い影響
を及ぼし、その結果、エンジン性能を低下せしめる。
【０００４】本発明者は、この問題を除去し、ブレード
のクリスマスツリー状部及び／又はディスクのブローチ
削りスロットの取付け寿命を長くすることを見出した。
すなわち、本発明によれば、特定の位置の選択された座
面は、はっきりと認識される凸状、すなわち“クラウニ
ング”された座面に設計されている。
【０００５】
【発明の概要】本発明の目的は、ブレードをロータのデ
ィスクにクリスマスツリー状の形で取付ける取付け部を
増強することにある。
【０００６】本発明の特徴は、ブレードのクリスマスツ
リー状部とブローチ削りスロット付きのディスクとの取
付け部の座面を、取付け部の応力を減少せしめるような
形状にしたことにある。
【０００７】本発明の他の特徴は、ディスクのスロット
の座面及び／又はブレードのクリスマスツリー状部の座
面を、ロータの寿命を長くするような形状にしたことに
ある。ディスクのブローチ削りスロット及び／又はブレ
ードのクリスマスツリー状部をこのような形状にするこ
とにより、取付け部の重量は減少され、エンジン性能は
増大される。
【０００８】本発明の更に他の特徴は、ロータの総寿命
を長くするような形状とされるディスクのブローチ削り
スロット及び／又はブレードのクリスマスツリー状部の
座面を最適に選択すること及びこのような座面を作る方
法にある。本発明は、特に、航空機を駆動するガスター
ビンエンジンのタービンロータに有効なものである。
【０００９】以上述べた本発明の特徴は、下記の説明及
び添付図面からより一層明らかになるであろう。なお、
添付図面は単に本発明を一層明確に示すのに役立つもの
であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１０】
【実施例の詳細な説明】本発明は航空機を駆動するガス
タービンエンジンのために用いられるタービンロータの
ディスクのリムのブローチ削りスロットに取付けられる
ブレードのクリスマスツリー状部の取付けの好適な実施
例に関して示されるけれども、本発明は他のクリスマス
ツリー状の取付物にも有益であると認められることは当
業者にとって理解されるであろう。また、本発明の好適
な実施例は多数のブレードのクリスマスツリー状取付け
部のひとつにおける多数の座面のひとつを示すけれど
も、本発明はすべての座面又は選択した幾つかの座面に
本発明の技術を実施することができ、これにより、ロー
タのブレード及びディスクの全体に生じる応力に適合す
るようにして、ロータの最適な重量及び寿命を得ること
ができることは理解されよう。
【００１１】最初に、図１の従来のタービンロータの部
分図を参照するに、タービンロータは、参照符号１０に
より総括的に示され、複数の周方向に間隔を置いたター
ビンブレード１２を有する。これらのタービンブレード
１２は、参照符号１４により総括的に示されているクリ
スマスツリー状取付け部により取付けられている。この
取付け部は、ブレード１２の根元のクリスマスツリー状
部１６と、タービンディスク２０のリム１８のブローチ
削りスロット１６′とを包含する。この従来のブレード
はチップシュラウド２２を包含しているけれども、本発
明は、シュラウドを包含していない又は部分スパンシュ
ラウドを包含することができるタービンロータにも適用
可能なものである。
【００１２】次に図２及び図３を参照するに、図３は図
２の点線円部Ａを拡大して本発明の詳細を示す。図２に
示されるように、クリスマスツリー状取付け部１４の拡
大図はクリスマスツリー状取付け部の座面２６を示す。
水平点線Ｂは、“Ｚ”面を示すようにブレード上に描か
れており、これらの“Ｚ”面は、当業者には知られてい
るように、ブレードの寸法を確立するための基線として
用いられる面である。垂直点線Ｃは、座面の中心部に向
かっての方位線を示すように描かれている。すべての座
面を本発明の技術を実施して作ることができるので、ひ
とつのみの座面が本発明の詳細を説明するために選択さ
れ、この座面は点線円部Ａに示されている座面である。
図２に最も良く示されているように、座面２６の中央部
２８は垂直点線Ｃと水平点線Ｂとが点線円部Ａのところ
で交差する地点である。前述したように、公知のクリス
マスツリー状取付け部は高い応力を受け、この高応力は
特に座面の縁のところで著しいものであった。これら公
知の座面は、平らであった。図２及び図３において、図
２の点線円部Ａに示されているクリスマスツリー状部の
内径（ＩＤ）歯座面は、本発明にしたがって変更され、
所定の曲率Ｒで多少“クラウニング”された表面形状と
されている。したがって、明らかに、座面の接触面での
接触は最初に座面の中央部３０で作られる（図３に見ら
れるように、線接触は図３の紙面に対して垂直な方向で
ある）。ロータの回転速度が増大すると、クリスマスツ
リー状部及びブローチ削りスロットは回転及びエンジン
の作動媒体との接触により課される荷重の下で変形し、
接触区域はブレードクリスマスツリー状部の２つの隣接
する歯底丸み間に付けた寸法３２により示されている区
域に広がる。曲率Ｒの選定は周知の解析により決定さ
れ、ロータが最大荷重であるときに、座区域が寸法３２
の距離により示されている所望する広さにわたって広が
るようにされる。
【００１３】本発明によれば、座面２６の広さは、この
座面をクラウニングすることにより生じる隙間３６のた
めに、従来の取付け部よりも拡大させることができる。
これは、非荷重状態を生じさせる。座面の広さを拡大す
るために、最初の接触点３０は従来の平らな座面の場合
における公称中央部４０から寸法３８により示されてい
る所定距離移動されている。この最初の接触点３０のわ
ずかの移動は、座区域を、寸法３８により示されている
距離の実質的に２倍だけ拡大せしめる。この変更の結果
として、ロータの重量及びエンジン性能の全体の改善に
反映される同じ耐荷重能力のためには、小さな取付け部
となる。
【００１４】図２及び図３に示されているブレード１２
のクリスマスツリー状部１６の歯座面２６のクラウニン
グと同様に、図２の点線円部Ｄに示されているディスク
２０のブローチ削りスロット１６′を画成する壁の座面
４８も、本発明にしたがって変更され、図５に示される
ように、所定の曲率Ｒで多少“クラウニング”された表
面形状とされている。したがって、明らかに、座面４８
の接触面での接触は最初に座面の中央部５８で作られる
（図５に見られるように、線接触は図５の紙面に対して
垂直な方向である）。ロータの回転速度が増大すると、
クリスマスツリー状部及びブローチ削りスロットは回転
及びエンジンの作動流体との接触により課される荷重の
下で変形し、接触区域はブローチ削りスロットの２つの
隣接する歯底丸み間に付けた寸法４６により示されてい
る区域に広がる。曲率Ｒの選定は周知の解析により決定
され、座区域が寸法４６の距離により示されている所望
する広さにわたって広がるようにされる。
【００１５】本発明によれば、図３に示されている実施
例と同様に、図５に示されている実施例の座面４８の広
さも、この座面をクラウニングすることにより生じる隙
間５０のために、従来の取付け部よりも拡大させること
ができる。これは、非荷重状態を生じさせる。座面の広
さを拡大するために、最初の接触点５８は、従来の平ら
な座面の場合における公称中央部４４から寸法５２によ
り示されている所定距離移動されている。この最初の接
触点５８のわずかの移動は、座区域を寸法５２により示
されている距離の実質的に２倍だけ拡大せしめる。
【００１６】以上本発明は座面に対して所定曲率Ｒを選
定してクラウニングすることを述べてきたけれども、同
じ効果は曲率Ｒによって得られる曲率に近似するように
座の広さに沿う一連の平らな面を作ることにより、又
は、同様に、一連の平らな面のセグメントと曲率との結
合によって、成し遂げることができ、これらも本発明の
範囲内とされるものである。
【００１７】図４は、本発明と従来公知とのクリスマス
ツリー状取付け部の比較を示すグラフである。このグラ
フは、圧縮荷重（ポンド）と正規距離とをプロットした
ものであり、曲線Ｅは従来の平らな座面を示し、また曲
線Ｇは本発明のクラウニングした座面を示し、各曲線は
図３の距離３２に沿う接触圧力分布の変化を示す。曲線
Ｅ及びＧを見て明らかなように、座面の縁における圧縮
荷重は、座面をクラウニングした結果として非常に減少
され、全体の幅、すなわち広さにわたって一層均一な荷
重分布が得られている。座面の弾性変形は座面を押し広
げることにより生じるので、ばね定数は、座面により支
持される最終荷重を図３の隙間３６により示されている
クラウニングの量で割った値に近似するように導かれ
る。
【００１８】クリスマスツリー状部の歯のすべてをクラ
ウニングすることにより、ばね定数は個々の座面間の公
差により生じる個々の歯間の荷重分担変化を最少にす
る。座面の縁での接触力は減少されるので、隣接するフ
ィレット面の集中応力は減少され、その結果ロータの寿
命が長くなるという直接の利点が得られる。
【００１９】以上述べた本発明の技術の利点のひとつ
は、次の点にある。すなわち、従来の平らな座面の場合
は、公差が座面の一方の側部又は他方の側部で最初に生
じ、その結果対向する端に隙間が生じる。もし最初の接
触がブレードのフィレット端で生じる場合には、ブレー
ドの寿命は減少される。一方、ディスクのフィレット端
での最初の接触はディスクの取付け部の寿命を減少せし
める。これは、寿命データを一層広げてしまう。これに
対し、本発明のクラウニングした取付け歯に基礎を置い
た経験に基づく寿命予測方法はより高い設計許容を許
し、その結果、同じ寿命予期のためには軽量のクリスマ
スツリー状部の設計となる。
【００２０】本発明によれば、本発明の範囲内で、クラ
ウン部は図３に示されるようにブレードのクリスマスツ
リー状部及び図５に示されるようにディスクのブローチ
削りスロットのどちらか一方又は両方に設けることがで
きる。設計者は、広い区域にわたって荷重を分配して小
さな取付け部及びエンジン性能の増大を得るために座面
の大きさを増大するために接触中央部を移動するに加え
て、上述したように応力を最少にするために、座面の幾
つか又は全てを選択して、これらの座面をクラウン部を
持つ形状にすることができる。以上述べた実施例では好
適な形状としてクラウン部をブレード及びディスクの両
方に設けることを示しているけれども、クラウン部は製
作を考慮すればブレードの側に設けられる。すなわち、
ブローチング工具は、非常に高価であり、また非常に摩
耗しやすいものである。これに対して、ブレードのクリ
スマスツリー状部は、通常、研削ホイールをクリスマス
ツリー状部の形状に仕上げるようにダイヤモンドホイー
ルを使用することにより、研削される。ブローチング工
具と比較してこの工具の摩耗は、重要でない問題であ
り、他の場所での曲率が小さくなる特徴により通常決定
される。
【００２１】以上本発明をその実施例に関して図示し詳
述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱する
ことなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更が
できることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブレードのクリスマスツリー状部及びディスク
のリムに設けられてブレードのクリスマスツリー状部と
相補するブローチ削りスロットを備える従来のタービン
ロータの一部分の斜視図である。
【図２】ディスクのブローチ削りスロット、ブレードの
クリスマスツリー状根元及びそれらの取付けを示す部分
図である。
【図３】図２の点線円部Ａの座面の拡大図であって、本
発明の詳細を示す。
【図４】従来公知のブレード取付けと本発明のブレード
取付けとの比較を示す圧縮荷重対座面の正規距離のグラ
フである。
【図５】図２の点線円部Ｄの座面の拡大図であって、本
発明の詳細を示す。
【符号の説明】
１０ タービンロータ １２ タービンブレード １４ クリスマスツリー状取付け部 １６ ブレードのクリスマスツリー状部 １６′ ディスクのブローチ削りスロット １８ リム ２０ ディスク ２２ チップシュラウド ２６ 座面 ２８ 座面の中央部 ３０ 最初の接触点 ３６ 隙間 ４０ 公称中央部 ４４ 公称中央部 ４８ 座面 ５０ 隙間 ５８ 最初の接触点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ジェー キルディア アメリカ合衆国 フロリダ州 33408 ノ ース・パーム・ビーチ アスコット・サー クル 2063 (72)発明者 ウェイン ディー ウェケンマン アメリカ合衆国 フロリダ州 33458 ジ ュピター ウィンゲート・ドライブ 109

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ブレードのクリスマスツリー状部と、ブロ
    ーチ削りスロット及びこのブローチ削りスロットを画成
    する壁を有するディスクとを有するロータのためのブレ
    ードの取付けであって、前記ブローチ削りスロット付き
    ディスクの前記ブローチ削りスロットにはめ込まれる前
    記ブレードのクリスマスツリー状部は、前記ディスクの
    ブローチ削りスロットを画成する前記壁に当接する座面
    を有し、この座面は前記ロータが回転して遠心荷重をブ
    レード取付け部に及ぼしたときに前記壁の一部分に接触
    し、かつ前記座面はクラウニングされて、前記座面が前
    記ロータが静止しているときには前記壁と点接触し、こ
    れにより前記座面の縁での応力が減少されるようにした
    ブレードの取付け。
  2. 【請求項２】請求項１記載のブレードの取付けにおい
    て、前記クラウン部の中央部は前記壁に接触する前記座
    面の広さを広げるように位置決めされ、これにより前記
    座面の荷重分布は前記ロータが回転しているときに拡大
    した広さにわたって広げられるようにされているブレー
    ドの取付け。
  3. 【請求項３】ブレードのクリスマスツリー状部と、ブロ
    ーチ削りスロット及びこのブローチ削りスロットを画成
    する座面を有する壁を有するディスクとを有するロータ
    のためのブレードの取付けであって、前記ブレードのク
    リスマスツリー状部は、前記ブローチ削りスロット付き
    ディスクの前記ブローチ削りスロットにはめ込まれてい
    る座面を有し、前記壁の前記座面と前記ブレードのクリ
    スマスツリー状部の前記座面とは前記ロータが回転して
    遠心荷重をブレード取付け部に及ぼしたときに接触する
    関係であり、前記壁の前記座面はクラウニングされて、
    前記壁の前記座面が前記ロータが静止しているときには
    前記ブレードのクリスマスツリー状部の前記座面と点接
    触し、これにより前記壁の前記座面の縁での応力が減少
    されるようにしたブレードの取付け。
  4. 【請求項４】請求項３記載のブレードの取付けにおい
    て、前記クラウン部の中央部は前記ブレードのクリスマ
    スツリー状部の前記座面に接触する前記壁の前記座面の
    広さを広げるように位置決めされ、これにより前記壁の
    前記座面の荷重分布は前記ロータが回転しているときに
    拡大した広さにわたって広げられるようにされているブ
    レードの取付け。
  5. 【請求項５】ディスクと、このディスクに支持された複
    数の周方向に間隔を置いたブレードとを有するガスター
    ビンエンジン用ロータであって、前記ブレードの各々は
    根元部分とエアフォイル部分とを有し、前記根元部分は
    クリスマスツリー状の形状とされ、前記ディスクは、こ
    のディスクへ前記ブレードの各々を取付ける取付け部を
    画成するために前記クリスマスツリー状部と相補するブ
    ローチ削りスロットと、このブローチ削りスロットを画
    成する壁とを有し、前記ブレードのクリスマスツリー状
    部は前記壁に当接する座面を有し、この座面は前記ロー
    タが回転して遠心荷重を前記取付け部に及ぼしたときに
    前記壁の一部分に接触し、かつ前記座面はクラウニング
    されて頂部を有する凸面を画成し、前記座面の前記頂部
    が前記ロータが静止しているときには前記壁と点接触
    し、これにより前記座面の縁での応力は前記ロータが回
    転しているときに減少されるようにしたロータ。
  6. 【請求項６】請求項５記載の、ディスクとこのディスク
    に支持された複数の周方向の間隔を置いたブレードとを
    有するロータにおいて、前記ブレードはタービンブレー
    ドであるロータ。
  7. 【請求項７】請求項６記載の、ディスクとこのディスク
    に支持された複数の周方向に間隔を置いたブレードとを
    有するロータにおいて、前記クラウン部の中央部は前記
    壁に接触する前記座面の広さを広げるように位置決めさ
    れ、これにより前記座面の荷重分布は前記ロータが回転
    しているときに拡大した広さにわたって広げられるよう
    にされているロータ。
  8. 【請求項８】ディスクと、このディスクに支持された複
    数の周方向に間隔を置いたブレードとを有するガスター
    ビンエンジン用ロータであって、前記ブレードの各々は
    根元部分とエアフォイル部分とを有し、前記根元部分は
    クリスマスツリー状の形状とされ、前記ディスクは、こ
    のディスクへ前記ブレードの各々を取付ける取付け部を
    画成するために前記クリスマスツリー状部と相補するブ
    ローチ削りスロットと、このブローチ削りスロットを画
    成する壁とを有し、前記壁は前記クリスマスツリー状部
    に当接する座面を有し、この座面は前記ロータが回転し
    て遠心荷重を前記取付け部に及ぼしたときに前記クリス
    マスツリー状部の一部分に接触し、前記座面はクラウニ
    ングされて頂部を有する凸面を画成し、前記座面の前記
    頂部が前記ロータが静止しているときには前記クリスマ
    スツリー状部と点接触し、これにより前記座面の縁での
    応力は前記ロータが回転しているときに減少されるよう
    にしたロータ。
  9. 【請求項９】請求項８記載の、ディスクとこのディスク
    に支持された複数の周方向の間隔を置いたブレードとを
    有するロータにおいて、前記ブレードはタービンブレー
    ドであるロータ。
  10. 【請求項１０】請求項９記載の、ディスクとこのディス
    クに支持された複数の周方向に間隔を置いたブレードと
    を有するロータにおいて、前記クラウン部の中央部は前
    記クリスマスツリー状部に接触する前記座面の広さを広
    げるように位置決めされ、これにより前記座面の荷重分
    布は前記ロータガ回転しているときに拡大した広さにわ
    たって広げられるようにされているロータ。
  11. 【請求項１１】ロータのディスクのブローチ削りスロッ
    トにおける取付け部のブレードのクリスマスツリー状座
    面の各々の縁の応力を減少する方法であって、前記クリ
    スマスツリー状座面をクラウニングする段階を包含し、
    これにより、前記ロータが静止しているときに前記座面
    の中央部で点接触し、また前記座面は前記ロータが回転
    して全荷重になったときに前記ディスクのブローチ削り
    スロットの壁に当接して、荷重が取付け部に伝達される
    ようにした方法。
  12. 【請求項１２】請求項１１記載の方法において、前記ク
    ラウン部の中央部を公称中央部から前記座面の広さを広
    げるように位置決めする段階を包含し、これにより前記
    座面の荷重分布は前記ロータが回転しているときに拡大
    した広さにわたって広げられるようにされている方法。
  13. 【請求項１３】ロータのディスクのブローチ削りスロッ
    トにおける取付け部のブレードのクリスマスツリー状座
    面の各々の縁の応力を減少する方法であって、前記クリ
    スマスツリー状部が前記ブローチ削りスロットの座面に
    はめ込まれる前記ブローチ削りスロットを画成する壁を
    クラウニングする段階を包含し、これにより、前記ロー
    タが静止しているときに前記座面の中央部で点接触し、
    また前記座面は前記ロータが回転して全荷重になったと
    きに前記ブレードのクリスマスツリー状部の座面に当接
    して、荷重が取付け部に伝達されるようにした方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３記載の方法において、前記ク
    ラウン部の中央部を公称中央部から前記座面の広さを広
    げるように位置決めする段階を包含し、これにより前記
    座面の荷重分布は前記ロータが回転しているときに拡大
    した広さにわたって広げられるようにされている方法。
  15. 【請求項１５】ロータのブローチ削りスロット付きディ
    スクの壁の座面の縁及び前記ディスクに取付けたブレー
    ドのクリスマスツリー状部の座面の縁での応力を減少す
    る方法であって、クリスマスツリー状取付け部を持つ複
    数のブレードを形成する段階と、ディスクに複数のスロ
    ットをブローチ削りする段階と、前記ブレードを前記ブ
    ローチ削りスロットに取付ける段階と、前記クリスマス
    ツリー状部の選択した座面の縁上の応力を減少せしめる
    ためと、ブレード取付け部の大きさ及びロータの重量を
    減少せしめるようにこの座面上の荷重分布を広げるよう
    にするために、この座面をクラウニングする段階と、前
    記ブローチ削りスロットの座面を画成する壁の選択した
    座面の縁上の応力を減少させるために、この座面をクラ
    ウニングする段階とを包含する方法。
  16. 【請求項１６】請求項１５記載の方法において、前記ク
    ラウン部の中央部を公称中央部から前記座面の広さを広
    げるように位置決めする段階を包含し、これにより前記
    座面の荷重分布は前記ロータが回転しているときに拡大
    した広さにわたって広げられるようにされている方法。
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