JP2004353674A - ガスタービンエンジンのロータ組立体を設計するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン（１０）用のロータ組立体（４０）を設計することを可能にする方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、その各々が一対のブレード押圧面（９０及び９２）と該一対のブレード押圧面間で円弧状に延びるダブテール底面（９４）とを備えたダブテール（５２）を含む複数のロータブレード（４４）を準備する段階と、その中に複数のロータブレードを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロット（７０）を含むロータディスク（４６）及びロータスプールのうちの少なくとも１つを準備する段階と、各それぞれのロータブレードダブテールを用いて該複数のロータブレードを該ロータディスク及びロータスプールのうちの少なくとも１つに結合する段階とを含む。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンのロータ組立体を組立てるための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、空気を加圧するための圧縮機を含み、その空気は燃料と混合されて燃焼器に送られ、該燃焼器において混合気は燃焼室内で点火され、高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、下流方向にタービンに送られ、該タービンが、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給すると同時に、飛行中の航空機を推力するか又は発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

公知の圧縮機は、少なくとも１列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを備えたロータ組立体を含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された正圧側面と負圧側面とを備えた翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはまた、プラットフォームから半径方向内向きに延びるダブテールを含み、このダブテールを用いてロータ組立体内部でロータブレードがロータディスク又はスプールに取付けられる。より具体的には、少なくとも一部の公知のロータディスクでは、その中に複数のロータブレードを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロットを含む。

公知のロータブレードダブテールは、ディスクダブテールスロットとほぼ相補形の形状にされて、ロータブレードダブテールとロータディスクスロットとが互いに嵌まり合ってダブテール組立体を形成することができるようにする。ブレードダブテールは各々、少なくとも一対のタングを含み、これらダブテールタングは該タング間で延びる実質的に平面のダブテール底面まで延びる。ロータブレードダブテールタングは、対応するディスクスロットタング内部に受けられる。

運転時、ロータブレードダブテール及び面取りしたダブテールタングは、圧縮荷重を受けることになる。より具体的には、この圧縮荷重は、ダブテールによりロータブレード内に曲げ応力を生じさせることになる。このような曲げ応力を減少させるのを可能にするために、少なくとも一部の公知のロータブレードは、ロータブレードダブテールとダブテールスロットとの間が厳密な公差になるように製作される。しかしながら、スペース及び重量要件のため、全てのロータ組立体が、軸方向ダブテールスロットを用いてそれぞれのガスタービンエンジン内部に組立てることができるわけではない。

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のロータ組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、その各々が一対のブレード押圧面と該一対のブレード押圧面間で円弧状に延びるダブテール底面とを備えたダブテールを含む複数のロータブレードを準備する段階と、その中に複数のロータブレードを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロットを含むロータディスク（４６）及びロータスプールのうちの少なくとも１つを準備する段階と、各それぞれのロータブレードダブテールを用いて該複数のロータブレードを該ロータディスク及びロータスプールのうちの少なくとも１つに結合する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のダブテール組立体を提供する。本ダブテール組立体は、複数のロータブレードとディスクとを含む。ロータブレードの各々は、ダブテール底面と少なくとも一対のブレード押圧面とを備えたダブテールを含む。ダブテール底面は、該少なくとも一対のブレード押圧面間で円弧状に延びる。ディスクは、複数のロータブレードダブテールを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロットを含む。ダブテールスロットは、少なくとも一対の対向するディスクタングによって画成される。

さらに別の態様では、ロータディスクに結合された複数のロータブレードを備えたロータ組立体を含むガスタービンエンジンを提供する。複数のロータブレード各々は、翼形部とダブテールと該翼形部及びダブテール間で延びるプラットフォームとを含む。各ダブテールは、少なくとも一対のブレード押圧面と該少なくとも一対のブレード押圧面間で円弧状に延びるダブテール底面とを含む。ロータディスクは、複数のロータブレードダブテールを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロットを含む。

図１は、直列流れの配列で、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。エンジン１０は、吸入側２８及び排出側３０を有する。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のGeneral Electricから市販されているＣＦ−３４型エンジンである。

運転中、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動するように導かれ、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。タービン１８は、高圧圧縮機１４を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０に用いることができるロータ組立体４０の一部分の斜視図である。図３は、ロータ組立体４０に用いるロータブレード４４の一部分の、線３−３（図２に示す）に沿った拡大軸方向断面図である。ロータ組立体４０は、ロータディスク４６内部に取付けられかつ該ディスク４６から半径方向外向きに延びる複数のロータブレード４４を備えたディスク組立体４２を含む。別の実施形態では、ロータブレード４４は、ロータスプール内部に取付けられる。より具体的には、この例示的な実施形態では、複数のロータブレード４４は、圧縮機１４（図１に示す）のような圧縮機のロータ段（図示せず）を形成する。

各ロータブレード４４は、翼形部５０と各それぞれの翼形部５０をロータディスク４６に取付けるために用いる一体形のダブテール５２とを含む。より具体的には、各翼形部５０は、ダブテール５２と該翼形部５０との間で延びるプラットフォーム５３から半径方向外向きに延びる。各翼形部５０は、第1の輪郭付き側壁５４と第２の輪郭付き側壁５６とを含む。第１の側壁５４は翼形部５０の負圧側面を画成し、また第２の側壁５６は翼形部５０の正圧側面を画成する。側壁５４及び５６は、翼形部５０の前縁５８及び軸方向に間隔を置いた後縁６０において接合される。より具体的には、翼形部後縁６０は、翼形部前縁５８から翼弦方向で下流方向に間隔を置いて配置される。第１及び第２の側壁５４及び５６は、それぞれダブテール５２に隣接して位置するブレード根元６２から翼形部先端６４までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。

ロータディスク４６は、その周辺部に形成された円周方向のダブテールスロット７０を含む。スロット７０は、ロータディスク４６の周りでほぼ円周方向に延び、その中に複数の円周方向に隣接するロータブレード４４を受ける寸法にされて、ブレード４４が、各それぞれのブレードダブテール５２によってディスクスロット７０内部に着脱可能に取付けられるようになる。より具体的には、スロット７０は、その中に受ける各ダブテール５２の形状とほぼ相補形の形状にされ、従ってこの例示的な実施形態では、一対のディスクタング８０と該ディスクタング又はローブ８０間で延びるディスクスロット底面８２とを含む。ディスクタング８０は、連続する前部ディスクポスト８４及び連続する後部ディスクポスト８５によって画成される。この例示的な実施形態では、ディスクスロット７０はさらに、一対の対向するディスク押圧面８６及び８８を含む。別の実施形態では、スロット７０は、付加的なタング８０と押圧面８６及び８８とを含む。

各ブレードダブテール５２は、ダブテールスロット７０内部に取付けられ、該ダブテールスロット７０と協働してディスク組立体４２を形成する。この例示的な実施形態では、各ダブテールは、一対の対向するブレード押圧面９０及び９２と該押圧面９０及び９２間で延びるダブテール底面９４とを含む。ダブテールネック部９６が、ダブテール押圧面９０及び９２間で軸方向に延びる。押圧面９０及び９２は、それぞれのディスクタング８０内部に受けられる寸法にされ、ディスクスロット７０並びにポスト８４及び８５に係合して、ブレード４４が、ディスク４６内部で半径方向に保持されるようになる。別の実施形態では、各ブレードダブテールは、一対よりも多いディスクタング８０を含む。

ダブテール底面９４は、ブレード押圧面９０及び９２間で連続しかつ滑らかな湾曲で円弧状に延びる。より具体的には、ダブテール底面９４は、タング９０及び９２間で軸方向に延びるファニキュラ（ｆｕｎｉｃｕｌａｒ）輪郭を有する。底面９４の形状は、ダブテール荷重に基づいて実験的に決定される。より具体的には、有限要素分析法を用いて極めて撓みやすいビームにダブテールネック部９６の予想荷重分布を加える。これらの加えた荷重の下で得られた撓み形状が、ダブテール底面９４の形状を画成ために用いられる形状を定めるファニキュラ曲線である。従って、ダブテール底面９４は、従来型のロータブレードダブテール１００（図３に仮想線で示す）よりも小さい断面輪郭を有する。より具体的には、ダブテール底面９４は、従来型のダブテール１００よりも少ない材料で形成され、従って従来型のダブテール１００と比較してロータ組立体４０及びガスタービンエンジン１０の全体重量を軽減するのを可能にする。

運転時、遠心力によりロータブレード４４に外向きの力が加わり、ダブテール底面９４に圧縮荷重が生じる。ダブテール底面９４のファニキュラ形状は、圧縮荷重をダブテール底面９４から押圧面８６及び８８に移動させるのを可能にする。従って、ロータブレード４４及びダブテール５２に生じる曲げ応力は、同様の運転状態の下で従来型のダブテール１００により生じる場合のそれら応力と比較して減少させることが可能になる。その結果、ダブテール底面５２のファニキュラ形状と軽減した重量との組合せにより、対応して各それぞれのブレード４４の疲労寿命が増大し、ロータ組立体４０の有効寿命を延ばすことが可能になる。

上記のダブテールは、ロータディスクに生じる荷重が運転時に減少するようにロータブレードをロータディスクに結合する、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。より具体的には、ダブテール底面は、ファニキュラ形状になっており、一対の対向するブレード押圧面間で円弧状に延びる。ファニキュラ形状により、ロータブレードが従来型のブレードよりも少ない材料で製作されることが可能になり、またブレードに生じた圧縮荷重をダブテールスロット押圧面に移動させることが可能になる。従って、ダブテールに生じる曲げ応力もまた減少させることが可能になる。その結果、ダブテール底面は、費用効果がありかつ信頼性がある方法でロータ組立体の有効寿命を延ばし、ガスタービンエンジンの運転効率を改善するのを可能にする。

以上、ロータ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ロータ組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。各ロータ構成部品はまた、他のロータ組立体構成部品と組合せて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 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一部分の斜視図。 図２に示すロータ組立体に用いるロータブレードの、線３−３（図２に示す）に沿った拡大軸方向断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
４０ ロータ組立体
４４ ロータブレード
４６ ロータディスク
５０ 翼形部
５２ ダブテール
５３ プラットフォーム
５４ 翼形部負圧側面
５６ 翼形部正圧側面
５８ 翼形部前縁
６０ 翼形部後縁
６２ ブレード根元
６４ 翼形部先端
７０ ダブテールスロット
８０ ディスクタング
８２ ディスクスロット底面
８４ 前部ディスクポスト
８５ 後部ディスクポスト
８６、８８ ディスク押圧面
９０、９２ ブレード押圧面
９４ ブレード底面

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のダブテール組立体（５２）であって、
   その各々がダブテール底面（９４）と少なくとも一対のブレード押圧面（９０、９２）とを含み、前記ダブテール底面が前記少なくと一対のブレード押圧面間で円弧状に延びているダブテールを含む複数のロータブレード（４４）と、
   少なくとも一対の対向するディスクタング（８０）によって画成されかつ前記複数のロータブレードダブテールを受ける寸法にされた円周方向のダブテールスロット（７０）を含むディスク（４２）と、
   を含むダブテール組立体（５２）。
2. 前記ロータブレードの各々が正圧側面（５６）と負圧側面（５４）とを含み、前記ダブテール底面が前記ロータブレードの正圧及び負圧側面間で延びている、請求項１記載のダブテール組立体。
3. 前記ロータブレードのダブテール底面の各々が、エンジン運転時に前記それぞれのロータブレードの各々に生じる曲げ応力を最小にするのを可能にする、請求項１記載のダブテール組立体。
4. 前記ロータブレードのダブテール底面の各々が、ガスタービンエンジンの全体重量を軽減するのを可能にする、請求項１記載のダブテール組立体。
5. 前記ロータブレードのダブテール底面の各々が、前記ディスクの有効寿命を延ばすのを可能にする、請求項１記載のダブテール組立体。
6. 前記ロータブレードの少なくとも一対のブレード押圧面が、対称的に対向している、請求項１記載のダブテール組立体。
7. 前記ロータブレードのダブテール底面がファニキュラ形状である、請求項１記載のダブテール組立体。

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