JP2005048771A - 所定の輪郭形状のディスクボアを有するディスク - Google Patents

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Abstract

【課題】ディスクボアに亘って受ける最大フープ応力を最小限に抑えるように構成されたタービンディスクが提供される。
【解決手段】タービンディスク１１は、中心線１２周りに配置されボア幅３５を有するディスクボア１３と、ディスクボア１３から径方向に延びるウェブ１６とを備えており、ディスクボア１３は断面において、所定の輪郭深さ３３を有する所定の輪郭形状を有する。ディスクボア１３は、ゆるやかに湾曲しているのが好ましい。ディスクボア１３は、半円形を含む、円錐曲線の形状を呈するのが好ましい。融合領域３１が、ディスクボア１３の曲線部分とディスクボア１３の平坦な縁部との間になだらかに湾曲している交差部を形成する。ディスクボア幅３５に対する輪郭深さ３３の比は、０．０４から０．１２である。最も好ましくは、ボア幅３５に対する輪郭深さ３３の比は、０．０５より大きい。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ディスクボアに亘って受ける最大フープ応力を最小限に抑えるように構成されたタービンディスクに関する。より詳細には、本発明は、性能を向上させかつ重量を低減するような形状とされたディスクボアを教示する。
当業技術内では、ガスタービンエンジン用、特に航空機ガスタービンエンジン用の高圧タービンディスクを製作することが知られている。図１を参照すると、当業技術内で知られる例示的なタービンディスクが示される。ディスク１１は、中心線１２を伴う断面で示されており、ディスク１１は、中心線１２回りに３６０°回転する。ディスク１１は、一般に、ウェブ１６を介してリム２０に接続された円筒形ディスクボア１３を備える。リム２０は、リム幅１９を有する。さらに、リム２０は、活リム半径（ｌｉｖｅ ｒｉｍ ｒａｄｉｕｓ）１５と死半径（ｄｅａｄ ｒａｄｉｕｓ）１７の間に延びる距離だけ中心線１２から離れて延びている。断面で示すように、ディスクボア１３は、中心線１２に平行な直線として現れている。３６０°回転するとき、ディスクボア１３は、ディスクボア１３の幅に延びている円筒面を形成する。
作動中にディスク１１は、高速で中心線１２回りに回転する。この回転の結果、ディスクボア１３は、周方向のフープ応力を受ける。このフープ応力は、ディスクボア１３に亘って一定ではなく、むしろ、ディスク１３の幅に亘って変わり得る。例示的な場合、ディスクボア１３の端部が受けるフープ応力は、１４０ＫＳＩになり、中心ディスクボア１３のフープ応力は、１６０ＫＳＩになり得る。これは、２０ＫＳＩのフープ応力差となる。ディスクボアに亘って存在するフープ応力に生じる差は、工学上の課題となる。ディスクボア１３に亘るフープ応力差があまりに大きすぎると、作動中にディスク１１の破損が生じ得る。従って、作動中にディスクボア１３に亘ってより均一なフープ応力を受けるディスクボア１３を生成することは有利である。換言すれば、ディスクボア１３に亘って受ける最大フープ応力差を最小限に抑えるのが好ましい。
図２を参照すると、ディスクボア１３に亘って受ける最大フープ応力差を最小限に抑えるという問題への解決の１つが例示される。詳細には、二重ウェブディスク１１が例示される。二重ウェブディスク１１は、ディスクボア１３をリム２０に取り付けるのに２つのウェブ１６、１６’を使用する。このような構成は、ディスクボア１３が受ける最大フープ応力差を最小限に抑えるのに確かに成功しているけれども、このように複雑なディスク１１を製作するのにさまざまな困難を与えるものであり、その結果、製作するには高価な構成となる。
従って、必要とされているのは、図２の二重ウェブディスクが行うような効率的な仕方で最大フープ応力差を最小限に抑えるように機能するにもかかわらず、製作するのが簡単であり従って構成するのが相対的に安価となる、図１に示すディスク１１に類似した単純な構成である。
従って、本発明の目的は、ディスクボアに亘って受ける最大フープ応力を最小限に抑えるように構成されたタービンディスクを提供することである。より詳細には、本発明は、性能を向上させかつ重量を低減するような輪郭とされたディスクボアを教示する。
本発明のさらなる目的は、中心線周りに配置されボア幅を有するディスクボアと、ディスクボアから径方向に延びるウェブとを備えるタービンディスクであって、ディスクボアは断面において、所定の輪郭深さを有する所定の輪郭形状を有する、タービンディスクを提供することである。
従って、本発明の主要な目的は、製作するのが簡単かつ経済的であるにもかかわらず、ディスクボア１３に亘って実現される最大フープ応力を最小限に抑えるように機能し、かつ、ディスクボア１３に亘って存在する最大フープ応力差を最小限に抑える、ディスク１１の構成を教示することである。この目的は、ディスク１１の重量が、所定の輪郭形状を通してディスクボア１３の領域内に最大応力を分散させることにより低減される、ディスク１１の構成を教示することによって、達成される。
図３Ａを参照すると、本発明のディスク１１の断面が図示される。ディスク１１は、一般に、単一のウェブ１６を介してリム２０に接続されたディスクボア１３を備える。ディスクボア１３は、主にその構成の所定の輪郭の湾曲形状によって、上述した関連技術のディスクボアとは区別されることに注意のこと。
詳細には、ディスクボア１３は、断面において中心線１２に平行な直線を形成しない。理解できるように、ディスクボア１３は、所定の輪郭のゆるかやかに湾曲した大きな区域から形成される。構成されるように、ディスクボア１３は、中心線１２から離れてディスク１１内へ所定の輪郭深さ３３に等しい距離だけ延びている。中心線１２回りに３６０°回転するとき、ディスクボア１３により切り出される体積部分は、体積部分の両側が、平坦ではなく、中心線１２から離れる輪郭とされているので、円筒の体積部分から大幅に外れる。
所定の輪郭のディスクボア１３の形状は、ディスクボア１３に亘って受ける最大フープ応力を必ず減らすのに十分な任意の形状とすることができる。好ましい実施態様では、ディスクボア幅３５に対する輪郭深さ３３の比は、０．０４から０．１２である。最も好ましくは、ボア幅３５に対する輪郭深さ３３の比は、０．０５より大きい。
例示されるように、ディスクボア１３は、ゆるやかに湾曲しているのが好ましい。そういうものだから、ディスクボア１３は、限定される訳ではないが、半円形を含む、円錐曲線の形状を呈するのが好ましい。例示されるように、ディスクボア１３の曲線部分は、ディスクボア１３の縁部に存在するディスクボア１３の平坦部分と交差する。図３Ｂを参照すると、ディスクボア１３の曲線部分が、融合領域３１の実現を介してディスクボア１３の平坦部分内へ一体化される、ディスク１１の好ましい実施態様が例示される。融合領域３１は、ディスクボア１３の曲線部分とディスクボア１３の平坦な縁部との間になだらかに湾曲している交差部を形成する。
本発明のディスクボア１３を用いて実施される試験によれば、ディスク１１の重量全体のほぼ５％を除去するのに十分な深さ３３および幅３５を有する所定の輪郭によって、平坦なディスクボア１３を有するディスク１１に比較して、１６０００ＲＰＭにおける最大フープ応力差がほぼ２５％低減することになるのが示される。
本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する、ディスクボアに亘って受ける最大フープ応力を最小限に抑えるように構成されたタービンディスクが提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈で説明したが、他の代替物、変更物、および変形物が、上述した説明を読んだ当業者には明らかになるであろう。従って、これらの代替物、変更物、および変形物は、添付の請求項の広い範囲に含まれるように包含されることが意図される。
当業技術内で知られているタービンディスクの断面図である。 当業技術内で知られている二重ウェブタービンディスクの断面図である。 所定の輪郭のディスクボアを例示する、本発明のタービンディスクの断面図である。 所定の輪郭のディスクボアの代替の実施態様を例示する、本発明のタービンディスクの断面図である。
符号の説明
１１…ディスク
１２…中心線
１３…ディスクボア
１６…ウェブ
２０…リム
３１…融合領域
３３…輪郭深さ
３５…ディスクボア幅

Claims (8)

  1. 中心線周りに配置されボア幅を有するディスクボア、
    を備えるディスクであって、
    ディスクボアは、所定の輪郭深さを有する所定の輪郭形状を有することを特徴とするディスク。
  2. 前記輪郭形状は、なめらかな曲線であることを特徴とする請求項１記載のディスク。
  3. 前記なめらかな曲線は、円錐曲線であることを特徴とする請求項２記載のディスク。
  4. 前記なめらかな曲線は、半円形であることを特徴とする請求項３記載のディスク。
  5. 前記輪郭形状は、融合半径部を有することを特徴とする請求項１記載のディスク。
  6. 前記ボア幅で割った輪郭深さの比は、０．０４から０．１２であることを特徴とする請求項１記載のディスク。
  7. 前記比は、０．０５より大きいことを特徴とする請求項６記載のディスク。
  8. 前記輪郭深さおよびボア幅は、０に等しい輪郭深さを有するディスクボアに比較して、ディスクボアに亘る最大フープ応力差を低減することを特徴とする請求項１記載のディスク。
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