JP2013170577A - 複合タービン要素のための層間応力を低下させる構成 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の複合ブレードに関して、設置するための装着領域における層間応力を低下させるブレード設置構造体を提供する。
【解決手段】ターボ機械ブレードは、エーロフォイルと、エーロフォイルの根元から延びる軸部４０とを含んでおり、軸部４０は、マトリクス内に埋め込まれた強化用繊維を含む複合材料から構築されている。軸部４０は、一組の離間した側面５８を含んでおり、この側面５８は協働して、軸部４０の半径方向中央寄りの端部に配置され、離間し広がる面を備える蟻継ぎ３６と、蟻継ぎ３６の半径方向外側寄りに配置された凹面湾曲部を有し、軸部４０の厚さが局所的最小となる一次最小ネック６４を画定する第１ネック部６２と、第１最小ネック６２の半径方向外側寄りに配置され、凹面湾曲部を有し、軸部４０の厚さが局所的最小となる二次最小ネック７０を画定する第２ネック部６８とを画定する。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に、複合要素に関し、より詳細には、ターボ機械のエーロフォイルなどの複合要素を設置する機構の構成に関するものである。

ターボ機械ブレードなどのガスタービン要素は、好ましい強度と重量の比率を実現する複合材料から作製するのが望ましい。既知のタイプの複合材料には、典型的にはファンブレードに適しているポリマーマトリクス複合体（「ＰＭＣ」）と、典型的にはタービンブレードに適しているセラミックマトリクス複合体（「ＣＭＣ」）とが含まれる。

このような複合材料の全ては、マトリクス材料と、強化用繊維との積層物で構成されており、少なくともある程度は直交異方性であり、すなわち繊維の長さ（「繊維方向」）に平行な方向での材料の抗張力は、直交方向（「マトリクス」または「層間」方向）の抗張力より強大である。弾性係数やポアソン比などの物理特性もまた、繊維とマトリクスでは異なる。ターボ機械ブレードにおける一次繊維方向は典型的には、半径方向または翼長方向に整列されることで、回転するロータによって付与される求心性の負荷を保持するための最大の強度特性を実現する。したがって、より脆弱なマトリクス、すなわち二次または三次の（すなわち一次ではない）繊維方向が半径方向に直交することになる。

複合体は、ロータディスクに使用される金属合金と異なる熱膨張係数（「ＣＴＥ」）を有するため、全てのブレードの蟻継ぎは、２つの部品間での自由な熱膨張を可能にするような構成を利用する。しかしながら、このようなタイプの蟻継ぎ構成は、複合ブレードの軸部に付与される最大層間抗張応力につながり、これは、蟻継ぎの圧力面のすぐ上のより脆弱なマトリクス材料において担持される必要があり、一般にこの部分は「最小ネック」と呼ばれており、これはブレード設計において応力を限定する地点となる可能性がある。

マトリクス、すなわち非一次繊維方向の強度（本明細書では層間強度と呼ばれる）は典型的には、複合材料系の繊維方向の強度より弱く（すなわち１／１０以下）、複合ブレード、特にＣＭＣタービンブレードに対する設計を制限する特徴となる可能性がある。

米国特許第５４３５６９４号公報

よって、複合ブレードに関して、設置するための装着領域における層間応力を低下させるブレード設置構造体に対する要望がある。

この要望は、本発明によって対処されており、本発明は、作動中、低下した層間抗張応力を生成するよう構成された第１および第２最小ネックを含むターボ機械ブレード構造体を提供する。

本発明の一態様によると、ターボ機械ブレードは、エーロフォイルと、エーロフォイルの根元から延びる軸部とを含んでおり、軸部は、マトリクス内に埋め込まれた強化用繊維を含む複合材料から構築されており、この場合軸部は、一組の離間した側面を含む。この側面は協働して、軸部の半径方向中央寄りの端部に配置され、離間し分かれる面を備える蟻継ぎ、蟻継ぎの半径方向外側寄りに配置された凹面湾曲部を有し、軸部の厚さが局所的最小となる一次最小ネックを画定する第１ネック部、および第１最小ネックの半径方向外側寄りに配置され、凹面湾曲部を有し、軸部の厚さが局所的最小となる二次最小ネックを画定する第２ネック部を画定する。

本発明は、添付の図面と併せて以下の記載を参照することによって、最適に理解することができる。

ガスタービンエンジンのタービンブレードの斜視図である。 従来技術のタービンブレードの軸部の概略横断面図である。 本発明の一態様によって構築されたタービンブレードの軸部の概略横断面図である。

図面を参照すると、同一の参照番号は、種々の図面を通して同一要素を指しており、図１は、例示の低圧タービン（すなわち「ＬＰＴ」）ブレード２２を示している。ＬＰＴブレードの文脈において示され説明されているが、本発明の原理は、ファンおよび圧縮機ブレード、高圧タービン（「ＨＰＴ」）ブレードまたは固定エーロフォイルなど他のタイプのターボ機械のエーロフォイルにも等しく適用可能であることを理解されたい。

タービンブレード２２は、ＣＭＣまたはＰＭＣ材料などの複合材料から構築されており、これについては以下でより詳細に記載する。タービンブレード２２は、既知のタイプのガスタービンエンジンロータディスク２４の蟻継ぎスロット３８（図３を参照）に係合するように構成された蟻継ぎ３６を含むことで、作動中それが回転する際、タービンブレード２２をロータディスク２４に対して半径方向に維持する。蟻継ぎ３６は、ブレード軸部４０の一体式の部品である。軸部４０の形状が、蟻継ぎ３６から湾曲したエーロフォイル形状へと移行することで、複合材料を積み重ねるのに円滑に移行することができる。軸部４０から横方向外向きにプラットフォーム４２が突出しており、軸部４０を囲んでいる。プラットフォーム４２は、タービンブレード２２と一体式であってよく、あるいは別個の要素であってもよい。エーロフォイル４４は、軸部４０から半径方向外向きに延びている。エーロフォイル４４は、凹面圧力側４６と、凸面吸込み側４８とを有し、これらの面は前縁５０および後縁５２において一緒に接合されている。エーロフォイル４４は、根元５４と、先端５６を有し、これは先端覆いを組み込むことができる。エーロフォイル４４は、高温ガス流からエネルギーを取り出し、ロータディスクを回転させるのに適した任意の構成を採ることができる。

比較する目的で、図２は、従来技術のタービンブレードの軸部１４０の概略図を示している。軸部１４０は、離間したほぼ平行な左と右の側面１５８を含む。半径方向内側の端部（すなわち中心寄りの端部）において、側面１５８は、一組の離間し広がる圧力面１６０を有する蟻継ぎ１３６を画定している。凹状に湾曲した移行部分１６６が、蟻継ぎ１３６のちょうど外側寄りに配置される。移行部分１６６が側面１５８の残りの部分と交わる軸部１４０の部分が、「最小ネック」１６４を構成する。接線方向「Ｔ」における軸部４０の厚さは、最小ネック１６４の位置において最小である。作動中、回転するタービンブレードに対する一次負荷は、半径（すなわち翼長）方向「Ｒ」である。ブレードの半径方向の力の結果として、タービンブレードは、接線方向Ｔの抗張応力も受けるが、これは圧力面１６０がタービンロータディスク１２４の蟻継ぎスロット１３８と相互作用することによって生じる。接線方向の応力は、翼長応力よりずっと小さな大きさであり、例えば、最大の半径方向の繊維応力は、最大の接線方向の応力のおよそ１０倍であり得る。等方性、またはほぼ等方性（すなわち一方向に凝固した）金属合金から構築された従来技術のタービンブレードでは、いずれの方向の強度も等しいため、これによって何の問題も提起されない。

しかしながら上に述べたように、複合材料は典型的には、少なくともある程度直交異方性である。例えば複合材料の降伏強度または最大抗張力は、半径（繊維）方向と接線（マトリクスまたは層間）方向間では１０：１または１５：１の比を呈する。

よって図１および図３に見られるタービンブレード２２の軸部４０は、タービンブレード２２を形成する複合材料における層間強度を低下させるように構成される。図３は、軸部４０の一部の概略図を示している。

軸部４０は、特定のやり方で起伏が付けられた離間した左と右の側面５８を含んでおり、これらの側面は、数個の別個の「部分」を有するものとして記載される場合もある。半径方向内側の端部（すなわち中央寄りの端部）において、側面５８は、一組の離間し広がる圧力面６０を含む蟻継ぎ３６を画定している。

蟻継ぎ３６のちょうど外側寄りに、第１ネック部６２がある。第１ネック部６２において、各々の側面５８は、凹状曲線を画定している。第１ネック部６２の半径方向外側の端部において、それは第１（すなわち一次）最小ネック６４を画定し、ここでの接線方向Ｔにおける軸部４０の厚さは、直接取り囲んでいる構造体に対して局所的に最小である。本明細書で使用される用語「最小ネック」は必ずしも、何らかの特定の寸法を示唆するものではない。第１すなわち一次最小ネック６４を画定する側面５８の一部は、第１半径「Ｒ１」を有する。

一次最小ネック６４のちょうど外側寄り（すなわち半径方向外側）に、第１移行部分６６がある。第１移行部分６６において、各々の側面５８は、円滑な凸状曲線を画定する。同様の結果を生み出す可能性のある側面５８の他の構成には、直線またはスプライン形状が含まれる。

第１移行部分６６の外側寄りに、第２、すなわち二次ネック部６８がある。二次ネック部６８において、各々の側面５８は、第２半径「Ｒ２」を有する円滑な凹状曲線を画定する。半径Ｒ２は、半径Ｒ１より大きい。二次ネック部６８は、第２（すなわち二次）最小ネック７０を画定しており、ここでの接線方向Ｔにおける軸部４０の厚さは、直接取り囲んでいる構造体に対して局所的に最小である。

第２移行部分７２が、二次ネック部６８の外側寄りに配置される。第２移行部分７２において、各々の側面５８は、円滑な凸状曲線を画定する。同様の結果を生み出す可能性のある側面５８の他の構成には、直線またはスプライン形状が含まれる。

外側寄り部分７４が、第２移行部分の外側寄りに配置される。外側寄り部分７４において、側面５８は、それらがエーロフォイルの幾何学形状に移行するため、互いにほぼ平行である。

側面５８の外形は、複合材料と適合することができるように成形される。強化用繊維は概ね、側面５８の輪郭をたどる（すなわち側面５８に平行である）。側面５８に起伏が付けられることで、外部カスプが配置された場所で繊維がよじれたり、しわがよったりすることがない。側面５８の外形は、例示の二次元断面で示されているが、実際の形状は、各々の軸方向の断面において異なる場合もあることに留意されたい。換言すると、実際の３Ｄブレード軸部に適用するには、上に記載した構成を採り入れることになるが、別の寸法を加えることで、この幾何学形状を調整する。

図示される例において、接線方向「Ｔ」における軸部４０の厚さは、二次最小ネック７０の位置において一次最小ネック６４における厚さより有意に小さい（機能的な見地より）。側面５８の正確な形状および寸法を変えることで、特定の用途および使用される特定の複合材料に適合させることができる。

一般にＰＭＣ材料は、高度に直交異方性である。既知のＰＭＣの一例は、炭素繊維強化エポキシ樹脂であり、これは典型的にはファンブレードで使用される。炭化ホウ素または炭化ケイ素などの他の繊維材料も知られている。例えばフェノール類、ポリエステルおよびポリウレタンなどの他のマトリクス材料も同様に知られている。

一般にＣＭＣ材料は、ＰＭＣ材料より直交異方性が低く、等方性に近い特性を有する可能性がある。既知のＣＭＣ材料の例には、例えばＳｉＣなどのセラミックタイプの繊維が含まれ、その形態は、窒化ホウ素（ＢＮ）などの適合材料で被覆されている。繊維は、セラミックタイプのマトリクス内に担持され、その一形態は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。ＣＭＣ材料は典型的には、タービンブレードに好適である。

一次最小ネック６４の上に二次最小ネック７０を加えることによって、軸部の層間剛性が軟化し、結果としての層間応力をより広い領域に分散させることで、最大層間抗張応力の値を低下させることができる。上記に記載される軸部構成が、最大層間抗張応力を、従来技術の構成と比較して相当量、例えばおよそ２０％から３０％下げることができることは、分析が示している。この構成を利用することで、ブレードの最小ネックにおける設計のゆとりを付加し、これにより、より大きなエンジン半径またはより高速の用途を介して、より多くの半径方向の負荷を保持することができる設計を可能にする、あるいは既存のブレード設計に層間応力のゆとりを付加することができる。

この構成はまた、従来技術のスケッチに示される通り、一次最小ネックにおける、またはその付近に（すなわち最初の屈曲または１Ｆ）屈折部を有するブレードの振動モードを可能にし、次いで二次最小ネックの薄くなった有効部分の周りで内側に曲がることで、（この二次最小ネックは、より大きな半径、および関連するより低い応力集中要因により、より低い半径方向の静的応力を有する）より大きなＨＣＦ応力を許容することを可能にすることによって、ブレードの付加的な高サイクル疲労（「ＨＣＦ」）耐性を可能にする。

上記は、複合タービン要素に関する層間応力を低下させる構成を記載してきた。本発明の特定の実施形態を記載してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正をそれに対して行なうことができることは当業者に明らかであろう。よって本発明の好ましい実施形態の上の記載および本発明を実施するための最適な態様は、単に例示する目的で提供されており、限定する目的ではない。

２２ 低圧タービンブレード
２４ タービンロータディスク
３６ 蟻継ぎ
３８ 蟻継ぎスロット
４０ 軸部
４２ プラットフォーム
４４ エーロフォイル
４６ 圧力側
４８ 吸込み側
５０ 前縁
５２ 後縁
５４ 根元
５６ 先端
５８ 側面
６０ 圧力面
６２ 第１ネック部
６４ 一次最小ネック
６６ 第１移行部分
６８ 二次ネック部
７０ 二次最小ネック
７２ 第２移行部分
７４ 外側寄り部分
１２４ タービンロータディスク
１３６ 蟻継ぎ
１３８ 蟻継ぎスロット
１４０ 軸部
１５８ 側面
１６０ 圧力面
１６４ 最小ネック
１６６ 移行部分
Ｒ 半径方向
Ｔ 接線方向
Ｒ１ 第１半径
Ｒ２ 第２半径

Claims (10)

1. エーロフォイルと、
   前記エーロフォイルの根元から延び、マトリクス内に埋め込まれた強化用繊維を含む複合材料から構築された軸部とを備えるターボ機械ブレードであって、前記軸部が、一組の離間した側面を含んでおり、前記側面が協働して、
   前記軸部の半径方向中央寄りの端部に配置され、離間し広がる面を備える蟻継ぎ、
   前記蟻継ぎの半径方向外側寄りに配置された凹面湾曲部を有し、前記軸部の厚さが局所的最小となる一次最小ネックを画定する第１ネック部、および
   前記第１最小ネックの半径方向外側寄りに配置され、凹面湾曲部を有し、前記軸部の厚さが局所的最小となる二次最小ネックを画定する第２ネック部を画定するターボ機械ブレード。
2. 前記第１ネック部が第１半径を有し、
   前記第２ネック部が、前記第１半径より実質的に大きい第２半径を有する、請求項１記載のターボ機械ブレード。
3. 前記第２ネック部における前記軸部の厚さが、前記第１ネック部における厚さより有意に小さい、請求項１記載のターボ機械ブレード。
4. 前記エーロフォイルが、根元と先端の間に延在する前縁および後縁と、前記前縁および後縁において一緒に接合される対向する圧力側および吸込み側とを含む、請求項１記載のターボ機械ブレード。
5. 第１移行部分が前記第１ネック部と前記第２ネック部の間に配置され、前記側面が、前記第１移行部分内において凸状に湾曲する、請求項１記載のターボ機械ブレード。
6. 第２移行部分が前記第２ネック部の外側寄りに配置され、前記側面が前記第１移行部分内において凸状に湾曲する、請求項５記載のターボ機械ブレード。
7. 外側寄り部分が前記第２移行部分の外側寄りに配置され、前記側面が前記外側寄り部分内において概ね互いに平行である、請求項６記載のターボ機械ブレード。
8. 前記複合材料が、少なくともおよそ１０対１の繊維方向とマトリクス方向の強度比を有する、請求項１記載のターボ機械ブレード。
9. 前記複合材料がポリマーマトリクス複合体である、請求項１記載のターボ機械ブレード。
10. 前記複合材料がセラミックマトリクス複合体である、請求項１記載のターボ機械ブレード。