JP2002122002A - ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させるための方法及び装置 - Google Patents

ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させるための方法及び装置

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JP2002122002A JP2001248451A JP2001248451A JP2002122002A JP 2002122002 A JP2002122002 A JP 2002122002A JP 2001248451 A JP2001248451 A JP 2001248451A JP 2001248451 A JP2001248451 A JP 2001248451A JP 2002122002 A JP2002122002 A JP 2002122002A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジン（１０）用のロータ組
立体（１４）は、円周方向リム応力が減少した状態で作
動する。 【解決手段】 ロータ組立体は、複数のロータブレード
（１８）及び半径方向外側プラットホーム（４８）を備
えるロータ（１６）を含む。ロータブレードは、プラッ
トホームから半径方向外方に延びる。根元フィレット
（８０）は、ブレードとプラットホームの間で各ブレー
ドの周りに円周方向に延びる。プラットホームは、隣接
するロータブレード間に延びる複数のくぼみを備える外
側表面（５０）を含む。各くぼみは、プラットホームの
後縁（６２）におけるおよそゼロの深さまで傾斜する深
さ（７２）で、プラットホームの前縁（６０）からプラ
ットホームの後縁まで延びる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本出願は、一般的にガスター
ビンエンジンに関し、より具体的には、ロータ組立体を
通る流路に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンは、一般的に、ロ
ータディスクの周りに円周方向に橋絡する複数のプラッ
トホームから半径方向外方に延びる複数のロータブレー
ドを備える少なくとも１つのロータ組立体を含む。ロー
タブレードはプラットホームに取り付けられ、根元フィ
レットは、ロータブレードとプラットホームの間に延び
る。プラットホームの外側表面は、一般的にロータ組立
体を通って流れる空気の半径方向内側流路表面を形成す
る。回転するブレードにより生じる遠心力は、ロータブ
レードの下方のプラットホーム部分により担持される。
遠心力は、プラットホームとブレードの間に円周方向リ
ム応力集中を発生させる。
【０００３】その上に、過渡運転中のプラットホームと
ロータディスクの間の熱勾配が、ロータ組立体の低サイ
クル疲労寿命に悪影響を及ぼす可能性がある熱応力を発
生させる。さらに、プラットホームは流路空気に直接さ
らされるので、熱勾配及びリム応力集中が増大される可
能性がある。さらに、ロータブレードが回転するとき、
翼根元には、リム応力集中をさらに増大させる可能性が
ある局部的な力が生じる可能性がある。
【０００４】円周方向リム応力集中の影響を減少させる
ために、追加材料を各根元フィレットに取り付け、根元
フィレットの半径を増大させる。しかしながら、根元フ
ィレットは流路空気に曝されるので、根元フィレットに
取り付けられる追加材料は、流れ性能に有害である可能
性がある。
【０００５】他の既知のロータ組立体は、プラットホー
ム前縁と後縁の間でプラットホームの軸方向部分上に、
隣接するロータブレード間に延びる複数のくぼみを含
む。くぼみは、根元フィレット及びロータブレードと組
み合わされた一体の複合形状として形成され構成され
る。一般に、このようなくぼみは、電解加工（ＥＣＭ）
プロセスを用いて形成される。ＥＣＭプロセスに固有で
ある可能性のある寸法管理の限界のために、表面の凸凹
が不可避的に生じる可能性がある。かかる表面の凸凹
は、プラットホームに応力半径を生じ、それが結果とし
て表面応力集中を増大させる可能性がある。その結果、
表面の凸凹は、次に作業台を使った手作業でミル仕上げ
される。かかる作業台を使った手作業は、ロータ組立体
の製造コストを増大させる。さらに、このようなくぼみ
は、プラットホーム後縁にまで延びるので、隣接する下
流のステータ段において、前方に面する段が生じる。こ
のような段は、流れ性能に対して有害になる可能性があ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】例示的な実施形態におい
て、ロータ組立体は、エンジン運転中の円周方向リム応
力の減少を促進するための複数のくぼみを備える。より
具体的には、例示的な実施形態において、ロータ組立体
は、複数のロータブレード及び半径方向外側プラットホ
ームを備えるロータを含む。ロータブレードは、プラッ
トホームに取り付けられ、プラットホームから半径方向
外方に延びる。プラットホームは、ロータディスクに円
周方向に取り付けられる。根元フィレットは、ロータブ
レード／プラットホーム接合部を支持し、ロータブレー
ドとプラットホームの間で各ロータブレード／プラット
ホーム接合部の周りに円周方向に延びる。プラットホー
ムは、隣接するロータブレード間に延びる複数のくぼみ
を有する外側表面を備える。各くぼみは、プラットホー
ムの前縁からプラットホームの後縁まで延びる。各くぼ
みは、プラットホーム後縁においておよそゼロに等しい
深さで終端するように傾斜している。
【０００８】運転中に、ロータブレードが回転すると
き、ロータブレードにより生じる遠心荷重は、各ロータ
ブレードの下方のプラットホーム部分により担持され
る。空気が隣接するロータブレード間を流れるとき、プ
ラットホームのくぼみは、プラットホームとロータディ
スクの間で発生する可能性がある熱勾配の減少を促進
し、従って、他のロータ組立体に比較して、ロータ組立
体の低サイクル疲労寿命（ＬＣＦ）に悪影響を与える可
能性がある熱応力を減少させる。くぼみは、応力遮蔽を
もたらし、ロータブレード根元フィレットの下方におい
て円周方向応力を遮ることにより応力集中を減少させ
る。各くぼみの半径は、各根元フィレットの半径より大
きいので、円周方向応力場で発生する応力集中は低下
し、他のロータ組立体に比較して、プラットホームとロ
ータブレードの間で発生する円周方向リム応力集中はよ
り少なくなる。結果として、ロータ組立体は、高効率運
転を可能にし円周方向リム応力集中の減少を促進する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、対称軸１２を含むガスタ
ービンエンジン１０の１部の概略図である。例示的な実
施形態において、ガスタービンエンジン１０は、ロータ
組立体１４を含む。ロータ組立体１４は、支持ロータデ
ィスク２０から半径方向外方に延びるロータブレード１
８の列を備える少なくとも１つのロータ１６を含む。ロ
ータ組立体の１つの実施形態である別の実施形態では、
各ロータは、１つ又はそれ以上のブリスク（図示せず）
により構成される。ロータブレード１８は、ディスク２
０の周囲の対応するダブテールスロットに保持される軸
方向ダブテールによるような既知の方法で、ロータディ
スク２０に取り付けられる。
【００１０】ロータブレード１８は、ロータディスク２
０の周りに円周方向に間隔を置いて配置され、その間に
流路２２を形成し、運転中にそれを通って空気２４が流
れる。ファンディスク２０及びブレード１８の回転が、
空気２４にエネルギーを与え、空気は初めに加速され、
その後拡散により減速されて、エネルギーを回復し空気
２４を加圧または圧縮する。流路２２は、隣接するロー
タブレード１８により円周方向に境界を付けられ、また
シュラウド３０で半径方向に境界を付けられる。
【００１１】ロータブレード１８は、前縁３２、後縁３
４及びその間に延びる本体３６を備える。本体３６は、
負圧側面３８及び円周方向に相対向する正圧側面４０を
含む。負圧及び正圧側面３８及び４０は、それぞれ軸方
向に間隔を置いて配置された前縁３２と後縁３４の間に
延び、かつロータブレード先端４２とロータブレード根
元４４の間に半径方向のスパンでそれぞれ延びる。
【００１２】シュラウド３０は、ロータブレード先端４
２の近傍で、隣接するロータブレード１８を円周方向に
橋絡する半径方向外方の境界を形成する。複数のブレー
ド間プラットホーム４８は、ロータブレード先端４２か
ら半径方向内方に間隔を置いて配置され、かつロータデ
ィスク２０の半径方向外側に位置する。個々のプラット
ホーム４８は、ロータブレード根元４４において隣接す
るロータブレード１８を円周方向に橋絡し、既知の方法
でロータディスク２０に取り付けられる。ロータブレー
ド１８は、プラットホーム４８から半径方向外方に延
び、ロータブレード１８とプラットホーム４８の間に延
びる根元フィレット（図１には示さず）を備え、各ロー
タブレード１８に追加の支持を与える。１つの実施形態
において、ロータブレード１８は、プラットホーム４８
と一体に形成される。
【００１３】各プラットホーム４８は、外側表面５０を
備える。隣接するプラットホーム４８の外側表面５０
は、空気２４の半径方向内側流路表面を形成する。各プ
ラットホーム４８はまた、前縁６０、後縁６２、及びそ
の間に延びて流路２２の面積を増大させるくぼみ６４を
備える。
【００１４】以下により詳細に説明するが、くぼみ６４
は、プラットホーム前縁６０からプラットホーム後縁６
２まで延びて、ロータ組立体１４中の円周方向リム応力
集中を減少させる。各くぼみ６４は、プラットホーム外
側表面５０からプラットホーム内面７０に向かって深さ
７２だけプラットホーム４８中に延びる。深さ７２は、
くぼみ６４の軸方向にわたって変化し、深さ７２が、プ
ラットホーム後縁６２においておよそゼロに等しくなる
ように、傾斜する。各くぼみ６４は、各ロータブレード
１８及びそのロータブレード根元フィレットとは独立し
て形成される。
【００１５】図２は、プラットホーム４８から半径方向
外方に延びるロータブレード１８を含むロータ組立体１
４の１部の後面図である。図３は、図２に示される線３
−３で切断したロータ組立体１４の１部の断面図であ
る。ロータブレード根元フィレット８０は、ロータブレ
ード根元４４に隣接する各ロータブレード１８を取巻
き、ロータブレード１８とプラットホーム外側表面５０
の間に延びる。各根元フィレット８０は、各根元フィレ
ット８０がロータブレード根元フィレット８０に隣接す
る頂点８２から円周方向外方に傾斜するような半径Ｒ1
を含むように空気力学的な輪郭にされている。
【００１６】くぼみ６４は、円周方向に凹状であり、隣
接するロータブレード１８間に延びる。より具体的に
は、各くぼみ６４は、隣接するロータブレード根元フィ
レット８０間に延びる。各くぼみ６４は、隣接するロー
タブレード根元フィレット８０の間で円周方向に測定さ
れた幅８４を有する。１つの実施形態において、くぼみ
６４は、スカラップ形状をしている。くぼみ幅８４は、
プラットホーム後縁６２における頂点８６に向かって先
細になっている。
【００１７】各くぼみ深さ７２はまた、プラットホーム
前縁６０に隣接する最大深さ７２からプラットホーム後
縁６２におけるおよそゼロに等しい深さ７２まで変化
し、傾斜する。深さ７２は、プラットホーム後縁６２に
おいておよそゼロであるので、隣接するステータ段（図
示せず）において前方に面する段を生じない。各くぼみ
６４は、凹状であり、根元フィレット半径Ｒ1より大き
い半径Ｒ2を有する。１つの実施形態において、深さ７
２は、プラットホーム前縁６０に隣接する位置において
およそ０．０５インチに等しく、また根元フィレット半
径Ｒ1は、くぼみ半径Ｒ2のおよそ８分の１の大きさであ
る。さらに、深さ７２は、くぼみ６４が各ロータブレー
ド根元フィレット８０の下方に位置することを保証す
る。
【００１８】くぼみ６４は、例えばミリング加工作業を
用いて形成され、ロータブレード１８及びロータブレー
ド根元フィレット８０とは独立して形成され製作され
る。くぼみ６４は、ロータブレード１８及びそのフィレ
ット８０とは独立しているので、くぼみ６４は、電解加
工プロセスが完了した後にミリング加工されることがで
きる。くぼみ６４は、それぞれプラットホーム前縁６０
と後縁６２の間の一連の軸方向部位において、半径方向
位置及び基準半径、Ｒ2により形成される。くぼみ６４
は、ロータブレード１８とは独立して形成されるので、
くぼみ６４は、現在市場にある部品（図示せず）に追加
されて、かかる部品の有効寿命を延ばすことができる。
【００１９】運転中は、ブレード１８が回転するとき、
回転するブレード１８により生じる遠心荷重は、ロータ
ブレード１８の下方のプラットホーム４８部分により担
持される。プラットホーム４８の外側表面５０は、空気
２４の半径方向内側流路表面を形成する。空気２４が隣
接するブレード１８間を流れるとき、くぼみ６４は、プ
ラットホーム４８とロータディスク２０の間の熱勾配の
発生を減少させるのを促進し、従ってロータ組立体１４
の低サイクル疲労寿命（ＬＣＦ）に悪影響を及ぼす可能
性がある熱応力を減少させる。くぼみ６４は、応力遮蔽
をもたらし、各ロータブレード根元フィレットの下方に
おいてあるいは根元フィレットの深さより下方の深さに
おいて円周方向応力を遮ることにより、応力集中の減少
をさらに促進する。くぼみ半径Ｒ2は、根元フィレット
半径Ｒ1より大きいので、同一の円周方向応力場で発生
する応力集中が少なくなり、またくぼみ半径Ｒ2が根元
フィレット半径Ｒ1より大きくない場合に発生する可能
性があるブレード／プラットホーム接合部（図示せず）
の位置においてプラットホーム４８とロータブレード１
８の間で発生する円周方向リム応力集中よりも円周方向
リム応力集中が少ない。接合部におけるそのような応力
集中を減少させることで、プラットホーム４８のＬＣＦ
寿命を延ばすことが促進される。
【００２０】上記のロータ組立体は、対費用効果がよく
しかも信頼性が高い。ロータ組立体は、円周方向リム応
力集中を減少させる形状を備えるプラットホームから半
径方向外方に延びる複数のロータブレードを含む。プラ
ットホームは、隣接するロータブレードの間でプラット
ホーム前縁からプラットホーム後縁まで延びる複数の円
周方向に凹状の形状のくぼみを含む。くぼみは、ロータ
ブレード及びそのロータブレード根元フィレットとは独
立しており、プラットホーム後縁においておよそゼロに
なるように傾斜した深さを有する。運転中に、くぼみ
は、応力遮蔽をもたらし、ロータブレード根元フィレッ
ト接点より下方において、円周方向応力を遮ることによ
り応力集中を減少させる。結果として、同一の円周方向
応力場で発生する応力集中が低下し、またロータブレー
ドとプラットホームの間で発生する円周方向リム応力集
中が少なくなる。従って、高い効率で作動し、しかも円
周方向リム応力集中が減少されたロータ組立体が得られ
る。
【００２１】本発明を、様々な特定の実施形態に関して
説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の技術思想
及び技術的範囲内の変形形態で実施することが可能であ
ることは、当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの１部の概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンに用いるこ
とができるロータ組立体の１部の後面図。
【図３】 図２に示すロータ組立体の１部の断面図。
【符号の説明】
１４ ロータ組立体 １８ ロータブレード ２０ ロータディスク ４４ ロータブレード根元 ４８ 外側プラットホーム ５０ 外側プラットホームの外側表面 ６０ 外側プラットホームの前縁 ６２ 外側プラットホームの後縁 ６４ くぼみ ８０ 根元フィレット ８４ くぼみ幅 ８６ 頂点

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外側プラットホーム（４８）及び該外側
    プラットホームから半径方向外方に延びる複数の円周方
    向に間隔を置いて配置されたロータブレード（１８）を
    備え、前記外側プラットホームは、外側表面（５０）、
    前縁（６０）及び後縁（６２）を備え、各ロータブレー
    ドは、前記外側プラットホーム外側表面と各ロータブレ
    ードの間に延びる根元フィレット（８０）を備えるロー
    タ（１６）を含むロータ組立体（１４）を、ガスタービ
    ンエンジン（１０）において円周方向リム応力集中の減
    少を促進するように組立てる方法であって、 隣接するロータブレード間に複数のくぼみ（６４）を形
    成する段階と、 該くぼみを前記外側プラットホーム前縁と後縁の間に延
    ばす段階と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段
    階は、隣接するロータブレード（１８）間に延びる円周
    方向に凹状の形状を有するように、複数のくぼみを形成
    する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段
    階は、前記外側プラットホーム前縁（６０）から前記外
    側プラットホーム後縁（６２）まで傾斜する深さ（７
    ２）を有するように、複数のくぼみを形成する段階をさ
    らに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段
    階は、各くぼみが、前記外側プラットホーム後縁（６
    ２）においておよそゼロに等しい深さ（７２）を有する
    ように、複数のくぼみを形成する段階をさらに含むこと
    を特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段
    階は、前記ロータ組立体（１４）を機械加工して前記複
    数のくぼみを形成する段階をさらに含むことを特徴とす
    る、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 ガスタービンエンジン（１０）用のロー
    タ組立体（１４）であって、複数のロータブレード（１
    ８）及び半径方向外側プラットホーム（４８）を備える
    ロータ（１６）を含み、前記複数のロータブレードは、
    前記プラットホームから半径方向外方に延びており、前
    記外側プラットホームは、外側表面（５０）、前縁（６
    ０）及び後縁（６２）を含み、前記外側表面は、前記前
    縁と前記後縁の間に延びる複数のくぼみ（６４）を含
    み、前記外側表面は、前記ロータブレードの各々と前記
    外側プラットホームの間で円周方向リム応力集中を減少
    させるように構成されていることを特徴とするロータ組
    立体（１４）。
  7. 【請求項７】 前記外側表面くぼみ（６４）は、隣接す
    る前記ロータブレード（１８）間に延びる円周方向に凹
    状の形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の
    ロータ組立体（１４）。
  8. 【請求項８】 前記外側表面くぼみ（６４）は、前記外
    側表面（５０）中に深さ（７２）で延びており、前記く
    ぼみ深さは、前記外側プラットホーム前縁（６０）と後
    縁（６２）の間で変化することを特徴とする、請求項６
    に記載のロータ組立体（１４）。
  9. 【請求項９】 前記くぼみ（６４）深さは、前記くぼみ
    の各々が前記外側プラットホーム後縁においておよそゼ
    ロに等しい深さ（７２）を有するように、前記外側プラ
    ットホーム前縁（６０）から前記外側プラットホーム後
    縁（６２）まで傾斜していることを特徴とする、請求項
    ８に記載のロータ組立体（１４）。
  10. 【請求項１０】 前記くぼみ（６４）は、前記外側表面
    （５０）中に機械加工されることを特徴とする、請求項
    ６に記載のロータ組立体（１４）。
  11. 【請求項１１】 前記ロータ（１６）は、各前記ロータ
    ブレード（１８）と前記外側表面（５０）の間に延びる
    複数の根元フィレット（８０）をさらに含み、前記くぼ
    みは、隣接する前記ロータブレード根元フィレット間に
    位置することを特徴とする、請求項６に記載のロータ組
    立体（１４）。
  12. 【請求項１２】 前記複数の根元フィレット（８０）の
    各々は、第１の半径を有し、前記複数のくぼみ（６４）
    の各々は、前記根元フィレットの第１の半径より大きい
    第２の半径を有することを特徴とする、請求項１１に記
    載のロータ組立体（１４）。
  13. 【請求項１３】 ロータ組立体（１４）を含むガスター
    ビンエンジン（１０）であって、前記ロータ組立体（１
    ４）は、複数のロータブレード（１８）及び半径方向外
    側プラットホーム（４８）を備えるロータ（１６）を含
    み、前記複数のロータブレードは、前記ロータ組立体外
    側プラットホームから半径方向外方に延びており、前記
    ロータブレードの各々は、前記ロータブレードの各々と
    前記ロータ組立体外側プラットホームの間に延びる根元
    フィレット（８０）を含み、前記ロータ組立体外側プラ
    ットホームは、外側表面（５０）、前縁（６０）及び後
    縁（６２）を含み、前記外側表面は、前記前縁と前記後
    縁の間に延びる複数のくぼみ（６４）を含み、前記外側
    表面は、前記ロータ組立体ロータブレードの各々と前記
    ロータ組立体外側プラットホームの間で円周方向リム応
    力集中を減少させるように構成されることを特徴とす
    る、ガスタービンエンジン（１０）。
  14. 【請求項１４】 前記ロータ組立体外側表面くぼみ（６
    ４）は、隣接する前記ロータブレード（１８）間に円周
    方向に凹状の形状を有することを特徴とする、請求項１
    ３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  15. 【請求項１５】 前記外側表面くぼみ（６４）は、スカ
    ラップ形状であり、前記外側表面（５０）中に深さ（７
    ２）で延びており、前記くぼみ深さは、前記外側プラッ
    トホーム前縁（６０）と後縁（６２）の間で変化するこ
    とを特徴とする、請求項１３に記載のガスタービンエン
    ジン（１０）。
  16. 【請求項１６】 前記外側表面くぼみ（６４）は、前記
    外側表面（５０）中に深さ（７２）で延びており、前記
    くぼみ深さは、前記くぼみの各々が前記外側プラットホ
    ーム後縁においておよそゼロに等しい深さを有するよう
    に、前記外側プラットホーム前縁（６０）から前記外側
    プラットホーム後縁（６２）まで傾斜していることを特
    徴とする、請求項１３に記載のガスタービンエンジン
    （１０）。
  17. 【請求項１７】 前記くぼみ（６４）は、前記外側表面
    （５０）中に機械加工されることを特徴とする、請求項
    １３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  18. 【請求項１８】 前記複数の根元フィレット（８０）の
    各々は、第１の半径を有し、前記複数のくぼみ（６４）
    の各々は第２の半径を有することを特徴とする、請求項
    １３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  19. 【請求項１９】 前記くぼみ（６４）の第２の半径は、
    前記根元フィレット（８０）の第１の半径より大きいこ
    とを特徴とする、請求項１８に記載のガスタービンエン
    ジン（１０）。
  20. 【請求項２０】 前記くぼみ（６４）は、隣接する前記
    根元フィレット（８０）間に延びることを特徴とする、
    請求項１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
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