JP2006083849A - ガスタービンエンジンロータ組立体を組立てるための方法及び装置 - Google Patents

ガスタービンエンジンロータ組立体を組立てるための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン(10)用のロータ組立体を組立てる方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、翼形部(42)、プラットフォーム(44)、シャンク(46)及びダブテール(48)を含む第1のロータブレード(40)を設ける段階と、ダブテールを使用して第1のロータブレードをロータシャフト(18)に結合する段階と、第1及び第2のブレード間にシャンク空洞(98)が形成されるように第2のロータブレードをロータシャフトに結合する段階とを含む。さらに、第1及び第2のロータブレードプラットフォーム間に形成された間隙(97)を実質的にシールするように、第1の端部(400)と第2の端部(402)と円筒形本体(404)とを含み、かつその第1及び第2の端部の1つが、本体の断面積よりも小さい断面積を有するシールピン(58)をプラットフォーム水平シールピンスロット(202)内に挿入する段階を含む。
【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。
少なくとも幾つかの公知のロータ組立体は、幾つかの用途ではバケットとして知られる少なくとも1つの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及び負圧側面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さらに、ダブテールを含み、ダブテールは、プラットフォームと該ダブテールとの間で延びるシャンクから半径方向内向きに延び、ロータ組立体内でロータブレードをロータディスク又はスプールに取付けるのに使用される。少なくとも幾つかの公知のブレードは中空であり、翼形部、プラットフォーム、シャンク及びダブテールによって少なくともその一部が形成された内部冷却空洞を含む。
作動中、ブレードの列における円周方向に隣接するブレード間の間隙は、初期エンジン作動時及び/又は過渡作動時に、各ブレード間に配置したプラットフォームシールピンに拘束(バインディング)を引き起こす可能性がある。このようなバインディングは、プラットフォームシールピンを変形させ、プラットフォーム内に割れ発生を引き起こし、及び/又はブレードのシャンク領域と高温ガス路との間のシールを有効でないものにするおそれがある。シール効率を高めることにより、熱応力を最小にするのを可能にすることによってブレードの寿命を増大させることができる。従って、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、ブレードの端部カバープレート内に形成された対応するノッチと係合するように機械加工した円筒形ピンを使用して、ピンのバインディングを減少させるのを可能にしてきた。しかしながら、このようなピンもまた、作動中にバインディングを示している。

特開2004−521219号公報
1つの実施形態では、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、翼形部と、プラットフォームと、プラットフォームから半径方向内向きに延びかつプラットフォーム水平シールピンスロットを備えたシャンクと、シャンクから半径方向内向きに延びるダブテールとを含む第1のロータブレードを設ける段階と、ダブテールを使用して第1のロータブレードをロータシャフトに結合する段階と、第1及び第2のブレード間にシャンク空洞が形成されるように第2のロータブレードをロータシャフトに結合する段階とを含む。本方法はさらに、第1及び第2のロータブレードプラットフォーム間に形成された間隙を実質的にシールするように、第1の端部と第2の端部とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形本体とを含みかつスロットと摩擦係合するような寸法にされ、その第1及び第2の端部の少なくとも1つが、本体の断面積よりも小さい断面積を有するようになったシールピンをプラットフォーム水平シールピンスロット内に挿入する段階を含む。
別の実施形態では、ガスタービンエンジンロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、ロータシャフト、第1のブレード、第2のブレード及びシールピンを含む。第1のブレードは、ロータシャフトに結合され、第1のプラットフォームとプラットフォームから半径方向内向きに延びる第1のシャンクとを含む。第1のシャンクは、シールピンスロットを備えた少なくとも1つの側壁を含む。第2のブレードは、第2のプラットフォームと第2のプラットフォームから半径方向内向きに延びる第2のシャンクとを含む。第2のブレードは、第1及び第2のプラットフォーム間に間隙が形成されまた第1及び第2のシャンク間にシャンク空洞が形成されるように、第1のブレードに隣接してロータシャフトに結合される。シールピンは、シールピンスロット内に挿入され、第1の端部と第2の端部とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形本体とを含む。第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つは、本体の第1の断面積よりも小さい断面積を有する。
さらに別の実施形態では、ロータシャフトとロータシャフトに結合された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とを含むガスタービンエンジンロータ組立体用のロータブレードシールピンを提供する。各ロータブレードは、プラットフォームとシャンクとを含み、シャンクは、プラットフォームから半径方向内向きに延びる。ロータブレードシールピンは、第1の端部及び第2の端部と、プラットフォームに隣接して形成されたロータブレードシールピンスロットと摩擦係合するような寸法にされた第1の断面積を有するほぼ円筒形本体とを含む。第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つは、本体の第1の断面積よりも小さい第2の断面積を有する。
図1は、発電機16に連結された例示的なガスタービンエンジン10の概略図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンシステム10は、単一のロータ又はシャフト18を介して連結された、圧縮機12、タービン14及び発電機16を含む。別の実施形態では、シャフト18は、複数のシャフトセグメント(図示せず)に分割されており、各シャフトセグメントが隣接するシャフトセグメントに結合されてシャフト18を形成する。圧縮機12は、燃焼器20に加圧空気を供給し、燃焼器20において、空気は、ストリーム22によって供給された燃料と混合される。1つの実施形態では、エンジン10は、サウスカロライナ州グリーンビル所在のGeneral Electric Companyから購入可能な7FA+e型ガスタービンエンジンである。
作動時には、空気は圧縮機12を通って流れ、加圧空気が燃焼器20に供給される。燃焼器20からの燃焼ガス28は、タービン14を推進する。タービン14は、長手方向軸線30の周りで、シャフト18、圧縮機12及び発電機16を回転させる。
図2は、ガスタービンエンジン10(図1に示す)で使用することができる例示的なロータディスク36の下流側面の概略図である。ロータディスク36は、その中に形成された複数のブレードスロット38を含み、図2に示した複数のブレードスロット38の2つにおいて示すようにブレード40を受けるような寸法にされる。この例示的な実施形態では、隣接するブレード40は、ほぼ同一であり、その各々はロータディスク36から半径方向外向きに延びかつ翼形部42、プラットフォーム44、シャンク46及びダブテール48を含む。この例示的な実施形態では、翼形部42、プラットフォーム44、シャンク46及びダブテール48は、まとめてバケットとして知られている。
翼形部42は、プラットフォーム44から半径方向外向きに延び、シャンク46は、プラットフォーム44から半径方向内向きに延びる。シャンク46は、該シャンク46を貫通してプラットフォーム44とダブテール48との間でほぼ半径方向に延びる後縁ラジアルシールピンスロット50を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、後縁ラジアルシールピンスロット50は、シャンク46の下流側壁52内部に形成されかつシャンク46の凸面形側壁54に隣接している。
シャンクシールピンスロット50は、ラジアルシールピン56を受けて、隣接するロータブレード40がロータディスク36内に結合されたときに、隣接するロータブレードシャンク46間をシールするのを可能にするような寸法にされる。プラットフォーム水平シールピン58が、プラットフォーム水平シールピンスロット(図2には図示せず)内に配置されてシャンク46を高温燃焼ガス28からシールするのを可能にする。
図3は、ロータブレード40の第1の側面44から見た、ロータブレード40の拡大斜視図である。1つの実施形態では、ブレード40は、新たに鋳造したブレード40である。別の実施形態では、ブレード40は、本明細書で記載した特徴を含むように改造したブレード40である。
ロータ組立体10内に結合されたとき、各ロータブレード40は、ロータディスク36に結合され、従って、シャフト18(図1に示す)のようなロータシャフトに回転可能に結合される。別の実施形態では、ブレード40は、ロータスプール(図示せず)内に取付けられる。
各翼形部42は、第1の側壁70及び第2の側壁72を含む。第1の側壁70は、凸面形でありかつ翼形部42の負圧側面を形成し、第2の側壁72は、凹面形でありかつ翼形部42の正圧側面を形成する。側壁70及び72は、翼形部42の前縁74及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁76において互いに接合される。より具体的には、翼形部後縁76は、翼形部前縁74から翼弦方向かつ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70及び72はそれぞれ、プラットフォーム44に隣接して位置するブレード根元78から翼形部先端(図示せず)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。翼形部先端は、ブレード40内部に形成された内部冷却チャンバ(図示せず)の半径方向外側境界部を形成する。より具体的には、内部冷却チャンバは、翼形部42内部で側壁70及び72間に境界付けられ、プラットフォーム44を貫通し、シャンク46を貫通して、少なくともその一部がダブテール48内に延びる。
プラットフォーム44は、各翼形部42が各それぞれのプラットフォーム44から半径方向外向きに延びるように翼形部42とシャンク46との間で延びる。シャンク46は、プラットフォーム44からダブテール48まで半径方向内向きに延び、ダブテール48は、シャンク46から半径方向内向きに延びてロータブレード40をロータディスク36に固定するのを可能にする。プラットフォーム44はまた、正圧側端縁部(図示せず)及び対向する負圧側端縁部96で互いに結合された上流側面又はスカート90及び下流側面又はスカート92を含む。ロータブレード40がロータ組立体内に結合されたとき、隣接するロータブレードプラットフォーム44間に間隙97が形成され、従って、この間隙はプラットフォーム間隙として知られている。
シャンク46は、該シャンク46の上流側壁124及び下流側壁126において互いに接合されたほぼ凹面形の側壁(図示せず)及びほぼ凸面形の側壁54を含む。従って、シャンクの凹面形側壁は、それぞれ上流及び下流側壁124及び126に対して陥凹しており、バケット40がロータ組立体内に結合されたとき、隣接するロータブレードシャンク46間にシャンク空洞98が形成されるようになる。
この例示的な実施形態では、前方エンゼルウィング130及び後方エンゼルウィング132が各々、それぞれのシャンク側面124及び126から外向きに延びて、ロータ組立体内部に形成された前方及び後方エンゼルウィングバッファ空洞(図示せず)をシールするのを可能にする。その上、前方下部エンゼルウィング134もまた、シャンク側面124から外向きに延びてバケット40とロータディスクとの間をシールするのを可能にする。より具体的には、前方下部エンゼルウィング134は、ダブテール48と前方エンゼルウィング130との間のシャンク46から外向きに延びる。
この例示的な実施形態では、プラットフォーム44の部分184は、プラットフォーム負圧側端縁部96に沿って面取されるか又はテーパ状にされる。別の実施形態では、プラットフォーム44は、面取り部分を含まない。より具体的には、面取り部分は、プラットフォームの下流スカート92に隣接したプラットフォーム半径方向外面186にわたって延びる。
この例示的な実施形態では、シャンク46は、前縁ラジアルシールピンスロット200と後縁ラジアルシールピンスロット50とを含む。別の実施形態では、シャンク46は、スロット200及び50の1つのみ含むか又はいずれも含まないようにすることができる。具体的には、各シールピンスロット200及び50は、シャンク46を貫通してプラットフォーム44とダブテール48との間でほぼ半径方向に延びる。より具体的には、前縁ラジアルシールピンスロット200は、シャンク凸面形側壁54に隣接してシャンク上流側壁124内部に形成され、また後縁ラジアルシールピンスロット50は、シャンク凸面形側壁54に隣接してシャンク下流側壁126内部に形成される。
各シャンクシールピンスロット200及び50は、その中にラジアルシールピン56を受けるような寸法にされて、ロータブレード40がロータ組立体10内に結合されたとき、隣接するロータブレードシャンク46間をシールするのを可能にする。前縁ラジアルシールピンスロット200は、その中にラジアルシールピン56を受けるような寸法にされているが、この例示的な実施形態では、ロータブレード40がロータ組立体内に結合されたとき、シールピン56は、後縁シールピンスロット50内に配置されるのみで、スロット200は空の状態のままである。
シャンク46はまた、該シャンク46を貫通してシャンク側面124及び126間でほぼ軸方向に延びるプラットフォーム水平シールピンスロット202を含む。より具体的には、プラットフォーム水平シールピンスロット202は、シャンク凸面形側壁54とプラットフォーム44との間に形成され、軸線30にほぼ平行である。プラットフォーム水平シールピンスロット202は、その中にプラットフォーム水平シールピン58を受けるような寸法にされて、シャンク46の低圧側面を燃焼ガス28からシールするのを可能にする。プラットフォーム水平シールピンスロット202は、一対の対向する半径方向に間隔をおいて配置された側壁210及び212によって形成され、シャンク側面124及び126間でほぼ軸方向に延びる。この例示的な実施形態では、側壁210及び212はほぼ平行である。
図4は、ガスタービンエンジン10(図1に示す)で使用することができる例示的なプラットフォーム水平シールピン58の概略拡大側面図である。図5は、ピン58の第1の端部400の拡大図である。プラットフォーム水平シールピン58は、端部400と第2の端部402とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形の本体404とを含む。本体404は、外周面405を有しかつ長手方向軸線406の周りでほぼ対称である。
第1の端部400は第1の端面408を含み、第2の端部402は第2の端面410を含む。この例示的な実施形態では、各端面408及び410は、ほぼ平面であり、長手方向軸線406に対して斜めに延びる。別の実施形態では、端面408及び/又は410の少なくとも1つは、長手方向軸線406に対してほぼ垂直に形成される。さらに別の実施形態では、端面408及び/又は410の少なくとも1つは、非平面状に形成される。この例示的な実施形態では、第1の平坦面412が、第1の端面408から第2の端部402に向かってほぼ軸方向に第1の距離414だけ延びて、ほぼ平面状の面が面412によって形成されるようになる。別の実施形態では、ほぼ平面状の面を有する第2の平坦面418が、平坦面418及び412の面がほぼ平行になるように形成される。第2の平坦面418は、第1の端面408から第2の端部402に向かって軸方向に第2の距離420だけ延びる。
この例示的な実施形態では、第3の平坦面422が、第2の端面410から第1の端部400に向かって軸方向に第3の距離424だけ延びて、ほぼ平面状の面を形成する。別の実施形態では、ほぼ平面状の面を有する第4の平坦面426が、平坦面422及び平坦面426の面がほぼ平行になるように形成される。第4の平坦面426は、第2の端面410から第1の端部400に向かって軸方向に第4の距離428だけ延びる。
この例示的な実施形態では、平坦面412、418、422及び426を形成するようにフライス加工された本体404の部分は、約20ミルである。別の実施形態では、他の寸法を選択することができる。平坦面412、418、422及び426は、同様に形成されかつ同様に機能し、従って、平坦面412のみについて以下に説明する。図5を参照すると、この例示的な実施形態では、各平坦面412は、半径部分430と隣接する面取り部分432とを含む。半径部分430は、平坦面412を形成するために使用するフライス加工工具の直径によって形成され、面取り部分432は、フライス加工及び/又は他の機械加工工程により生じる可能性があるシャープエッジを実質的に排除するように形成される。半径部分430及び面取り部分432は共に、平坦面412と本体404の外周面405との間で延びるほぼテーパ状の面を形成する。
タービン14の組立時には、プラットフォーム水平シールピン58をプラットフォーム水平シールピンスロット202内にほぼ軸方向に挿入して、隣接するブレード40の各対のプラットフォーム92とシャンク空洞との間の燃焼ガス流のための通路をシールするのを可能にする。過渡作動及びエンジン始動工程の間には、燃焼ガス28の通路内の作動状態は、例えば燃焼ガスの温度が上昇又は低下することになるなど比較的急激に変化することになる。このような温度変化は、ブレード40及びロータディスク36の構成部品の間に温度勾配を引き起こし、このことにより、構成部品は、一般的に材料の差によって隣接する係合構成部品とは異なる速度で膨張又は収縮することになる。構成部品の膨張又は収縮は、例えばブレードプラットフォーム92などの隣接する構成部品間に相対運動を引き起こすことになる。プラットフォーム水平シールピン58もまた、このような温度過渡時にはプラットフォーム水平シールピンスロット202に対して運動することになる。このような運動の間に、外周面405は、側壁210及び212と摩擦係合状態で摺動する。摺動過程の間に、プラットフォーム水平シールピン58が、例えば側壁210及び212と係合するプラットフォーム水平シールピン58の端部によってプラットフォーム水平シールピンスロット202内に拘束(バインディング)されて、端部が側壁210及び212を堀込む又はえぐるようになり、それによって、プラットフォーム水平シールピン58がプラットフォーム水平シールピンスロット202内で摺動できなくなる。このような場合には、プラットフォーム水平シールピン58は変形することになり、付加的な応力がプラットフォーム水平シールピンスロット202に加わり、プラットフォーム水平シールピンスロット202近傍に割れが発生するようになる。本発明の1つの実施形態によると、本体404の一部分を除去して平坦面412、418、422及び426を形成しかつ外周面405と平坦面412、418、422及び426との間に傾斜面を形成することによって、プラットフォーム水平シールピン58が摺動不能な状態で側壁210及び212と係合するようになる可能性を減少させることが可能になる。
上記のプラットフォームシールピンは、隣接するブレードプラットフォームとシャンク空洞との間の間隙をシールする、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、プラットフォーム内部に生じる熱的及び機械的応力並びにプラットフォームの作動温度を低下させることが可能になる。従って、プラットフォームの割れ発生も減少させることが可能になる。その結果、ロータブレード水平シールピンにより、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かつガスタービンエンジンの作動効率を向上させることが可能になる。
以上、ロータブレードシールピン及び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。ロータブレードシールピンは、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、むしろ各ロータブレードシールピンの特徴は、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。例えば、各ロータブレードシールピンの特徴はまた、他のロータブレードと組合せて使用することもでき、また本明細書に記載したようなロータブレード40のみに実施することに限定されるものではない。むしろ、本発明は、他の多くのブレード及びロータ構成と組合せて実施及び利用することができる。
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することができることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
ガスタービンエンジンの概略図。 図1に示したガスタービンエンジンで使用することができる例示的なロータディスクの下流側面の概略図。 ロータブレードの第1の側面から見た、図1に示したロータブレードの拡大斜視図。 図3に示したロータブレードで使用することができる例示的なプラットフォーム水平シールピンの概略拡大側面図。 図4に示したシールピンの端部の拡大図。
符号の説明
36 ロータディスク
40 ブレード
42 翼形部
44 プラットフォーム
46 シャンク
48 ダブテール
50 後縁ラジアルシールピンスロット
52 シャンクの下流側壁
54 シャンクの凸面形側壁
56 ラジアルシールピン
58 プラットフォーム水平シールピン
97 プラットフォーム間隙
98 シャンク空洞
200 前縁ラジアルシールピンスロット
202 プラットフォーム水平シールピンスロット
400、402 シールピンの端部
404 シールピンの本体
412、418、422、426 シールピンの平坦面

Claims (10)

  1. ロータシャフト(18)と、
    前記ロータシャフトに結合され、第1のプラットフォーム(44)と前記プラットフォームから半径方向内向きに延びかつシールピンスロット(202)を備えた側壁(54)を有する第1のシャンク(46)とを含む第1のブレード(40)と、
    第2のプラットフォームと前記第2のプラットフォームから半径方向内向きに延びる第2のシャンクとを含み、前記第1及び第2のプラットフォーム間に間隙(97)が形成されまた前記第1及び第2のシャンク間にシャンク空洞(98)が形成されるように、前記第1のブレードに隣接して前記ロータシャフトに結合された第2のブレードと、
    前記シールピンスロット内に挿入され、第1の端部(400)と第2の端部(402)とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形本体(404)とを含み、前記第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つが前記本体の断面積よりも小さい断面積を有するシールピン(58)と、
    を含むガスタービンエンジンロータ組立体。
  2. 前記シールピンスロットが、前記プラットフォームに隣接して形成され、前記ロータの長手方向軸線(30)にほぼ平行に延びる、請求項1記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  3. 前記第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つが、平坦面(412、418、422、426)を含む、請求項1記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  4. 前記本体が、半径部分(430)と前記平坦面及び前記本体の外周面(405)間でテーパ状になった面取り部分(432)とを含む、請求項3記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  5. 前記面取り部分が、前記ロータブレード間を円周方向にシールするのを可能にする、請求項4記載のガスタービンエンジン組立体。
  6. 前記第1の端部及び第2の端部が各々、平坦面を含む、請求項3記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  7. 前記第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つが、少なくとも2つの平坦面を含む、請求項3記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  8. 前記第1の端部及び第2の端部の少なくとも1つが、互いにほぼ平行な少なくとも一対の平坦面を含む、請求項7記載のガスタービンロータエンジン組立体。
  9. 前記第1の平坦面が、前記第2の端部に向かって軸方向に第1の距離(414)だけ延び、前記第2の平坦面が、前記第2の端部に向かって軸方向に第2の距離(420)だけ延び、前記第1の距離が前記第2の距離とは異なっている、請求項8記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
  10. 前記第1の端部及び第2の端部が各々、少なくとも2つの平坦面を含む、請求項3記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
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