JP2002161702A - ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させる方法及び装置 - Google Patents
ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させる方法及び装置Info
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Abstract
めに、根元フィレットの半径を増大させると、流れ性能
に有害となる。 【解決手段】 ロータ組立体は、環状リム(20)から
半径方向外方に延びる複数のロータブレード(26)を
備えるロータ(14)を含む。根元フィレット(80)
は、ブレードとリムの間で各ブレードの周りに円周方向
に延びる。リムは、隣接するロータブレード間に延び、
複合半径を形成する複数の凹状くぼみを備える外面(2
8)を含む。各くぼみは、ロータブレードの前縁(4
0)からロータブレードの後縁(42)に向かって延び
る。
Description
ビンエンジンに関し、より具体的には、ブリスクロータ
組立体を通り抜ける流路に関する。
通の環状リ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つのロータを含む。具体的
には、ブリスクロータでは、ロータブレードは、ダブテ
ール継手でリムに取り付けられるのではなくて、環状リ
ムと一体に形成される。リムの外面は、一般的にロータ
組立体を通り抜けて流れる空気の半径方向内側流路表面
を形成する。
ロータブレードの下方のリムの部分により担持される。
遠心力は、リムとブレードの間に円周方向リム応力集中
を生じる。その上に、過渡運転中のリムとロータディス
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のある熱応力を発生させる。し
かも、リムは流路空気に直接さらされるので、熱勾配及
びリム応力集中は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、ブレード根元は、リム応力
集中をさらに増大させる懼れがある局部的な力を生じる
可能性がある。
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
性能に有害となる可能性がある。
縁の間のリムの軸方向部分にわたって隣接するロータブ
レード間に延びる複数のくぼみを備える。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って一体
形の複合形状を構成し形成する。一般的に、かかるくぼ
みは、電解加工すなわちECMプロセスを用いて形成さ
れる。ECMプロセスに固有の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、リ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ことになる可能性があ
る。従って、表面の凸凹は、作業台を使って手作業でミ
ル加工される。かかる作業台を使った手作業は、ロータ
組立体の製造原価を増大させる。さらに、かかるくぼみ
は、リム後縁まで延びているので、前方に面する段部
が、隣接する下流のステータ段に生じる。かかる段部
は、流れ性能に有害になる可能性がある。
て、ブリスクロータ組立体は、エンジン運転中に発生す
る円周方向リム応力の減少を促進するための湾曲した外
面を備える外側リムを含む。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リムを備えるブリスクロータを含
む。ロータブレードは、リムと一体に形成されて、リム
から半径方向外方に延びる。根元フィレットが、ロータ
ブレード/リム接合面に支持を与えて、ロータブレード
とリムの間の各ロータブレード/リム接合面の周りを円
周方向に延びる。リムは、隣接するロータブレード間に
延びる凹状の湾曲したくぼみを有する外面を含む。各湾
曲したくぼみは、ロータブレードの前縁からロータブレ
ードの後縁に向かって延びて、複合半径を形成する。複
合半径は、第1の半径及び第2の半径を含む。第1の半
径は、各ロータブレードの正圧側面に隣接する根元フィ
レットにより形成され、また第2の半径は、第1の半径
より大きく、第1の半径から延びる。各くぼみは、隣接
するロータブレード間の外側リムの部分内における端部
まで傾斜している。
き、ブレードにより生じる遠心荷重は、各ロータブレー
ドの下方の外側リムの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、外側リムは、ロ
ータブレードと外側リムの間で生じる可能性がある熱勾
配の減少を促進するので、少なくとも一部の他の既知の
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)に影響を及ぼす可能性がある熱応力を
減少させる。湾曲した表面は、応力を遮蔽し、ロータブ
レード根元フィレットの下方の円周方向応力を遮断する
ことにより応力集中を減少させる。第2の半径は第1の
半径より大きいので、円周方向応力領域に生じる応力集
中は少なくなり、また少なくとも一部の他の既知のロー
タ組立体と比較して、リムとロータブレードの間に生じ
る円周方向リム応力集中は少なくなる。結果として、ロ
ータ組立体は、高性能運転を可能にし同時に円周方向リ
ム応力集中の減少を促進する。
2に用いられるロータ組立体10の1部の概略図であ
る。1つの実施形態において、ガスタービンエンジン1
2は、オハイオ州シンシナチのGeneral Ele
ctric Companyから市販されているF41
4エンジンである。例示的な実施形態において、ロータ
組立体10は、軸方向中心軸線(図示せず)の周りに同
軸に軸継手16により一体に結合されたロータ14を含
む。各ロータ14は、1つ又はそれ以上のブリスク18
により形成され、各ブリスク18は、環状の半径方向外
側リム20、半径方向内側ハブ22及びそれらの間で半
径方向に延びる一体のウェブ24を備える。各ブリスク
18はまた、リム20から半径方向外方に延びる複数の
ブレード26を備える。ブレード26は、図1に示す実
施形態においては、それぞれのリム20と一体に結合さ
れている。それに代えて、また少なくとも1つの段につ
いて、各ロータブレード26は、それぞれのリム20中
の相補形のスロット(図示せず)内に取り付けられるブ
レードダブテール(図示せず)を用いる既知の方法で、
着脱可能にリム20に結合されてもよい。
ロータ段が示され、ロータブレード26は、空気のよう
な原動力となる流体、すなわち作動流体と協働できるよ
うに構成されている。図1に示す例示的な実施形態にお
いては、ロータ組立体10は、ガスタービンエンジン1
2の圧縮機であり、ロータブレード26は連続する段に
おいて原動力となる流体空気を好適に圧縮することがで
きるように構成されている。ロータリム20の外面28
は、空気が段から段へと圧縮されるとき、圧縮機の半径
方向内側の流路表面を形成する。
特定の最大設計回転速度まで回転し、回転構成部品に遠
心荷重を生じさせる。回転するブレード26により生じ
る遠心荷重は、各ブレード26のすぐ下方のリム20の
部分により担持される。ロータ組立体10及びブレード
26の回転は、空気にエネルギーを与えて、空気は、最
初は加速され次いで拡散により減速されてエネルギーを
回復し、空気を加圧または圧縮する。半径方向内側流路
では、隣接するロータブレード26が円周方向の境界と
なり、またシュラウド(図示せず)が半径方向の境界と
なる。
後縁42及びその間に延びるボディー44を含む。ボデ
ィー44は、負圧側面46及び円周方向に対向する正圧
側面48を含む。負圧側面46及び正圧側面48は、そ
れぞれ軸方向に間隔を置いて配置された前縁40と後縁
42の間でそれぞれ延び、かつロータブレード先端50
とロータブレード根元52の間の半径方向スパン内に延
びている。ブレードの翼弦54は、それぞれロータブレ
ード後縁42とロータブレード前縁40の間で測定され
る。ロータブレード26はまた、ロータブレード前縁4
0とリム先端62の間に延びる前縁根元フィレット60
を含む。リム先端62は軸対称である。1つの実施形態
において、リム先端62は旋盤で製作される。
延びるロータブレード26を含むロータ組立体10の1
部の上面図である。図3は、図2に示す線3−3で切断
されたロータ組立体10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5
2に隣接して各ロータブレード26を取巻き、かつロー
タブレード26とリム外面28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に、半径R1により形成される。1
つの実施形態において、根元フィレット半径R1は、ロ
ータブレード厚さTのおよそ25%から75%までに等
しい。
り、根元フィレット80から隣接するロータブレード2
6間に延びる。より具体的には、各湾曲表面90は、隣
接するロータブレードフィレット80間に延びて、各ロ
ータブレード正圧側面48に隣接して形成される。各湾
曲表面90は、ロータブレード前縁40からロータブレ
ード後縁42に向かって距離92だけ後方に延びる。距
離92は、ブレード根元の翼弦54より小さい。距離9
2で湾曲表面90が終わり、また外面28が隣接するロ
ータブレード根元フィレット80の間に延びて、湾曲表
面90を含まないように、湾曲表面90は傾斜してい
る。1つの実施形態において、距離92は、ブレード根
元の翼弦54(図1に示す)のおよそ10%から20%
の間である。
と共に複合半径を作り出す。複合半径は、各ロータブレ
ード正圧側面48に隣接しており、各複合半径は、根元
フィレット80により形成される第1の半径R1、及び第
1の半径R1より大きい第2の半径R2を含む。1つの実
施形態において、第2の半径R2は、第1の半径R1のお
よそ5倍から10倍の大きさである。湾曲表面90は、
例えば、フライス削りを用いて形成され、ロータブレー
ド26とは独立して形成され製作されることが可能であ
る。湾曲表面90は、ロータブレード26とは独立して
形成されるので、湾曲表面90は、現在市場にある部品
(図示せず)に追加して、かかる部品の有効寿命を延ば
すことができる。
タブレード26間のブレード根元フィレット80に隣接
する基準流路から半径方向内方に窪んでいる。リム外面
96は、さもなければ複合フィレット90により閉塞さ
れるはずの隣接するロータブレード26間の空気流を回
復することを可能にする。
回転するブレード26により生じる遠心荷重は、ロータ
ブレード26の下方のリム20の部分により担持され
る。リム20の外面28は、空気が段から段へと圧縮さ
れるとき、ロータ組立体10の半径方向内側流路表面を
形成する。リム外面28が、凹状の湾曲表面90を含む
ことにより、空気流は、直近のブレード26から離れる
ように隣接するブレード26間の流路の中央部(図示せ
ず)に向かって全体的に導かれ、このことが空気力学的
性能の損失を減少させる。より具体的には、凹状の湾曲
表面90のために、ロータブレード正圧側面48の周り
を流れる空気は、ロータブレード負圧側面46の周りを
流れる空気よりもリム外面28に対してより高い半径方
向高さにある。各窪んだリム外面部分96は、さもなけ
れば複合フィレット90により閉塞されるはずの隣接す
るロータブレード26間の空気流を回復することを可能
にする。
ィレット80の深さより下方の深さにおいて円周方向応
力を遮断することにより、周方向応力集中の減少をさら
に促進する。湾曲表面半径R2は、根元フィレット半径
R1より大きいので、同じ円周方向応力領域で生じる応
力集中は少なくなり、またブレード/リム接合面(図示
せず)の位置におけるリム20とロータブレード26の
間で生じる円周方向リム応力集中が、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生じる可
能性がある応力集中より少なくなる。接合面でのかかる
応力集中を減少させることで、リム20のLCF寿命を
延ばすことが促進される。
る。例えば、凹状複合半径の形状と異なるより複雑な形
状を、隣接するブレード26間のリム外面28に対して
選定することが可能である。一般的に、外面28の形状
は、リム20中に生じる円周方向リム応力集中を効果的
に減少させるようにに選定される。さらに、湾曲表面9
0を含むようにリム20を製作するかまたはフィレット
溶接を用いて湾曲表面90を形成するのに代えて、各ロ
ータブレード26は、ブレード/リム接合面の位置に所
望の湾曲表面90を設けるように製作することができ
る。
く、しかも信頼性が高い。ロータ組立体は、凸面形状を
備える外側リ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。リムは、隣接するロータブレード間に
おいて、ロータブレード前縁からロータブレード後縁に
向かって、ロータブレード負圧側面に沿って延びる複数
の円周方向に凹状のくぼみを含む。くぼみは、ロータ前
縁と後縁の間で外側リム外面内に傾斜する。運転中に、
湾曲表面の複合半径が、応力を遮蔽し、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
遮断することにより応力集中を減少させる。結果とし
て、ロータブレードとリムの間に生じる円周方向リム応
力集中が少なくなる。さらに、くぼみは、ブレード間の
空気流の増加を促進する。
説明してきたが、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。
部の概略図。
Claims (20)
- 【請求項1】 ガスタービンエンジン(12)におい
て、半径方向外側リム(20)及び該外側リムから半径
方向外方に延びる複数のロータブレード(26)を備
え、前記外側リムは外面(28)を備え、各ロータブレ
ードは前縁(40)及び後縁(42)を備えるロータ
(14)を含むロータ組立体(10)を円周方向リム応
力集中の減少を促進するように製作する方法であって、 隣接するロータブレード間に、複合半径を備える複数の
円周方向に凹状のくぼみ(90)を形成する段階と、 前記くぼみを前記外側リム内に前記ロータブレード前縁
から前記ロータブレード後縁に向かって延ばす段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 複数のくぼみ(90)を形成する前記段
階は、第1の半径及び第2の半径を含む前記複合半径を
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。 - 【請求項3】 複数のくぼみ(90)を形成する前記段
階は、前記第1の半径が前記第2の半径のおよそ10倍
の大きさになるように、前記複合半径を形成する段階を
さらに含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 各ロータブレード(26)は、前記外側
リム外面(28)と前記ロータブレードの間に延びる根
元フィレット(80)を含み、複数のくぼみ(90)を
形成する前記段階は、前記第2の半径が前記ロータブレ
ード根元フィレットにより形成されるように、前記複合
半径を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請
求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 各ロータブレード(26)は、正圧側面
(48)及び円周方向に対向する負圧側面(46)を含
み、複数のくぼみ(90)を形成する前記段階は、各ロ
ータブレード負圧側面に隣接して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。 - 【請求項6】 ガスタービンエンジン(12)用のロー
タ組立体(10)であって、半径方向外側リム(20)
及び該半径方向外側リムから半径方向外方に延びる複数
のロータブレード(26)を備えるロータ(14)を含
み、前記外側リムは、外面(28)、前縁(40)及び
後縁(42)を含み、前記外側リム外面は、複合半径を
備える円周方向に凹状の形状を含み、該凹状形状は、隣
接する前記ロータブレード間で前記外面の1部分にわた
って前記ロータブレード前縁から前記ロータブレード後
縁に向かって延びており、前記ロータブレードと前記半
径方向外側リムの間の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
(10)。 - 【請求項7】 前記ロータ(14)は、複数のブリスク
(18)をさらに含むことを特徴とする、請求項6に記
載のロータ組立体(10)。 - 【請求項8】 前記複合半径は、第1の半径及び第2の
半径を含み、前記第1の半径は、前記第2の半径のおよ
そ10倍の大きさであることを特徴とする、請求項6に
記載のロータ組立体(10)。 - 【請求項9】 前記複数のロータブレード(26)の各
々は、正圧側面(48)及び負圧側面(46)をさらに
含み、前記正圧側面は、前記負圧側面に円周方向に対向
しており、前記凹状形状は、前記ロータブレード負圧側
面の各々に沿って延びていることを特徴とする、請求項
6に記載のロータ組立体(10)。 - 【請求項10】 前記複数のロータブレード(26)の
各々は、前記外側リム外面(28)と前記ロータブレー
ドの間に延びる根元フィレット(80)をさらに含むこ
とを特徴とする、請求項6に記載のロータ組立体(1
0)。 - 【請求項11】 前記複合半径は、第1の半径及び第2
の半径を含み、前記第1の半径は、前記第2の半径のお
よそ10倍の大きさであり、前記第2の半径は、前記根
元フィレット(80)により形成されることを特徴とす
る請求項10に記載のロータ組立体(10)。 - 【請求項12】 前記外側リムの凹状形状は、前記ロー
タブレード(26)の各々と前記外側リムの間の接合面
から離れるように空気流を導くことを特徴とする、請求
項6に記載のロータ組立体(10)。 - 【請求項13】 前記外側リムの凹状形状は、隣接する
前記ブレード(26)間の空気流を増大させるように構
成されていることを特徴とする、請求項6に記載のロー
タ組立体(10)。 - 【請求項14】 半径方向外側リム(20)及び該半径
方向外側リムから半径方向外方に延びる複数のロータブ
レード(26)を備えるロータ(14)を含み、前記外
側リムは外面(28)を含み、前記複数のロータブレー
ド(26)の各々は、前縁(40)及び後縁(42)を
含み、前記外側リム外面は、複合半径を備える凹状の形
状を含み、該凹状形状は、隣接する前記ロータブレード
間で前記外面の1部分にわたって前記ロータブレード前
縁から前記ロータブレード後縁に向かって延びており、
前記ロータブレードと前記半径方向外側リムの間の円周
方向リム応力集中を減少させるように構成されているロ
ータ組立体(10)を含むことを特徴とするガスタービ
ンエンジン(12)。 - 【請求項15】 前記ロータ組立体の外側リム表面(2
8)は、隣接する前記ロータブレード(26)間に円周
方向に凹状の形状をさらに含むことを特徴とする、請求
項14に記載のガスタービンエンジン(12)。 - 【請求項16】 前記ロータ組立体の複合半径は、第1
の半径及び第2の半径を含み、前記ロータ組立体の第1
の半径は、前記第2の半径のおよそ10倍の大きさであ
ることを特徴とする。請求項14に記載のガスタービン
エンジン(12)。 - 【請求項17】 前記ロータブレード(26)の各々
は、前記ロータ組立体の外側リム(20)と前記ロータ
ブレードの間に延びる根元フィレット(80)を含み、
前記ロータ組立体の複合第2の半径は、前記ロータブレ
ード根元フィレットにより形成されることを特徴とす
る、請求項16に記載のガスタービンエンジン(1
2)。 - 【請求項18】 前記複数のロータブレード(26)の
各々は、正圧側面(48)及び負圧側面(46)をさら
に含み、前記凹状形状は、前記ロータブレードの負圧側
面の各々に沿って延びていることを特徴とする、請求項
14に記載のガスタービンエンジン(12)。 - 【請求項19】 前記ロータ組立体のロータ(14)
は、複数のブリスク(18)をさらに含むことを特徴と
する、請求項14に記載のガスタービンエンジン(1
2)。 - 【請求項20】 前記ロータ組立体の外側リム(20)
の凹状形状は、前記ロータ組立体のロータブレード(2
6)の各々と前記ロータ組立体の外側リムの間の接合面
から離れるように空気流を導くことを特徴とする、請求
項14に記載のガスタービンエンジン(12)。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/693,570 US6471474B1 (en) | 2000-10-20 | 2000-10-20 | Method and apparatus for reducing rotor assembly circumferential rim stress |
US09/693570 | 2000-10-20 |
Publications (3)
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