JP2017089649A

JP2017089649A - タービンブレード取り付け機構

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Publication number: JP2017089649A
Application number: JP2016217715A
Authority: JP
Inventors: マシュー・マーク・ウィーバー; Matthew Mark Weaver
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2017-05-25
Also published as: CN106812554B; EP3168424A1; CA2947438A1; US20170130593A1; US10227880B2; CN106812554A

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１０）用のタービンロータブレード組立体（７５）を提供する。
【解決手段】タービンロータブレード組立体（７５）は、タービンロータブレード（７４）及び取り付けピン（１１０）を含み、タービンロータブレード（７４）及び取り付けピン（１１０）は、ブレード（７４）とピン（１１０）との間の表面界面を提供するための特徴を有する。具体的には、取り付けピン（１１０）は、三角形の断面形状を有し、ブレード（７４）は、取り付けピン（１１０）を受け入れるためのピン孔（９０）を画成する。タービンロータブレード（７４）をガスタービンエンジン（１０）のタービンロータディスク（９４）に取り付けるための取り付けピン（１１０）も提供される。取り付けピン（１１０）は、１以上の平坦な表面を画成する本体（１１２）を含み、平坦な表面は、取り付けピン（１１０）とタービンロータブレード（７４）との間の表面接触界面を提供する。
【選択図】図１

Description

本主題は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンのブレードのための取り付け機構に関する。最も具体的には、本主題は、ガスタービンエンジンのセラミックマトリックス複合ブレードをタービンロータディスクに取り付けるための取り付け機構に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、互いに流体連通するように配置されたファン及びコアを含む。さらに、ガスタービンエンジンのコアは、一般的に、流れの順に、圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、及び排気セクションを含む。動作時には、ファンから圧縮機セクションの入口に空気が供給され、空気が燃焼セクションに到達するまで、１以上の軸流圧縮機が漸進的に空気を圧縮する。燃料が圧縮空気と混合され、燃焼セクション内で燃焼して、燃焼ガスを提供する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションまで送られる。タービンセクションを通る燃焼ガスの流れは、タービンセクションを駆動し、次に、排気セクションを通って、たとえば大気中に送られる。

より一般的には、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料などの非伝統的な高温材料が、ガスタービンエンジン内の様々な部品に使用されつつある。たとえば、ＣＭＣ材料は、比較的極端な温度に耐えることができるので、燃焼ガスの流路内の部品をＣＭＣ材料に置き換えることが特に関心を集めている。具体的には、ガスタービンエンジンのタービンセクションのロータブレードは、より一般的に、ＣＭＣ材料で形成されるようになっている。

ＣＭＣタービンロータブレードは、一般的に、ＣＭＣ材料の複数のプライから形成される。理想的には、プライは連続したＣＭＣ繊維、すなわち、プライの長さに沿って連続したＣＭＣ繊維を利用する。ＣＭＣ材料は、通常、ＣＭＣ繊維の方向に最も強いので、連続したＣＭＣ繊維プライを利用したタービンロータブレードは、タービンの運転中の応力により良好に耐えることができる。

しかし、連続した繊維プライを利用したＣＭＣブレードは、ピン及びクレビス型のアタッチメントを介してタービンロータディスクに取り付けられることが多い。より具体的には、ピンは、ロータディスクの一方の側面にあるピン孔に挿入され、ロータブレードに形成されたピン孔を貫通して、ディスクの反対側の側面にあるピン孔を貫通することができる。通常、ピンは、丸い又は円形の断面を有し、ブレードと線接触しているので、ピンとブレードとの間の接触、破砕、及び／又は他の応力が望ましくなく高くなることがある。

したがって、ＣＭＣ材料の層間能力に依存することを回避する、ＣＭＣロータブレードをロータディスクに取り付けるための取り付け機構が有用であろう。さらに、取り付け機構とブレードとの間の応力を最小にする、ＣＭＣロータブレードをロータディスクに取り付けるための取り付け機構が有益であろう。より具体的には、ピンとブレードとの間に面接触が提供されるように、ＣＭＣロータブレードをロータディスクに取り付けるためのピンが有利であろう。

米国特許出願公開第２０１３／００６４６６８号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、或いは説明から明らかになり、或いは本発明の実施を通して知ることができる。

本開示の例示的な一実施形態では、ガスタービンエンジン用のタービンロータブレード組立体が提供される。ガスタービンエンジンは、軸方向を規定し、タービンロータブレード組立体は、翼形部及びシャンク部分を有するタービンロータブレードを含む。翼形部及びシャンク部分は、セラミックマトリックス複合材料の複数のプライから形成されている。タービンロータブレード組立体は、取り付けピンをさらに含み、タービンロータブレードの翼形部及びシャンク部分を形成する複数のプライは、ブレードの正圧側面から、取り付けピンを受け入れるためのピン孔の周囲を回って、ブレードの負圧側面まで延在する。取り付けピンは、取り付けピンとブレードとの間の表面界面を形成するために三角形の断面形状を有する本体を含む。

本開示の別の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンのタービンロータディスクにタービンロータブレードを取り付けるための取り付けピンが提供される。ガスタービンエンジンは、軸方向を規定し、取り付けピンは、第１の端部と第２の端部との間に延在する本体を有する。本体は、第１の端部と第２の端部との間に延在する１以上の平坦な表面を画成する。平坦な表面は、取り付けピンとタービンロータブレードとの間の表面接触界面を提供する。

本発明のこれらの、並びに他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の図面を参照すれば、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成しており、本発明の実施形態を例示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、以下の添付の図面を参照している。

本主題の様々な実施形態による例示的なガスタービンエンジンの概略的な断面図である。本主題の例示的な実施形態によるタービンロータブレードの斜視図である。本主題の例示的な実施形態によるタービンロータディスクの斜視図である。本主題の例示的な実施形態による、図３のタービンロータディスクに取り付けられたタービンロータブレード組立体の断面図である。本主題の例示的な実施形態による、図４のタービンロータブレード組立体の横方向の断面図である。本主題の例示的な実施形態による、図４及び図５のタービンロータブレード組立体の取り付けピンの側面図である。本主題の例示的な実施形態による、図６の取り付けピンの正面図である。本主題の別の例示的な実施形態による、図６の取り付けピンの正面図である。

本発明の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの１以上の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字及び文字の符号を用いる。図面及び説明の同様の又は類似の符号は、本発明の同様の又は類似の部材を指すために用いている。本明細書において、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」という用語は、１つの構成部品と別の構成部品とを区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成部品の位置又は重要性を示すことを意図しない。「上流」及び「下流」という用語は、流体経路における流体の流れについての相対的方向を示す。たとえば、「上流」は流体がそこから流れる方向を示し、「下流」は流体がそこへ流れる方向を示す。

ここで図面を参照するが、図面全体を通して同一符号は同一要素を示しており、図１は、本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略的な断面図である。より具体的には、図１の実施形態では、ガスタービンエンジンは、高バイパスターボファンジェットエンジン１０であり、本明細書では「ターボファンエンジン１０」と呼ぶ。図１に示すように、ターボファンエンジン１０は、軸方向ＡＤ（参照のために設けた長手方向中心線１２に対して平行に延びる）及び半径方向ＲＤを規定する。一般に、ターボファン１０は、ファン部１４、及びファン部１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６を含む。

図示する例示的なコアタービンエンジン１６は、一般的に環状入口２０を画成する実質的に管状の外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は、直列の流れの関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２２及び高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８及び低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズル部３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動的に連結する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動的に連結する。

図示する実施形態では、ファン部１４は、間隔を置くようにディスク４２に結合された複数のファンブレード４０を有する可変ピッチファン３８を含む。図示するように、ファンブレード４０は、ほぼ半径方向ＲＤに沿ってディスク４２から外向きに延在する。各ファンブレード４０は、ファンブレード４０のピッチを同時にまとめて変化させるように構成された適切な作動部材４４に動作可能に結合されたファンブレード４０により、ピッチ軸Ｐを中心としてディスク４２に対して回転することができる。ファンブレード４０、ディスク４２、及び作動部材４４は共に、動力ギヤボックス４６を横切るＬＰシャフト３６によって長手方向軸１２を中心として回転することができる。動力ギヤボックス４６は、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的な回転ファン速度に低下させる複数のギヤを含む。

さらに図１の例示的な実施形態を参照すると、ディスク４２は、複数のファンブレード４０を通る空気流を促進するために空気力学的に輪郭づけされた回転可能なフロントナセル４８で覆われている。さらに、例示的なファン部１４は、ファン３８及び／又はコアタービンエンジン１６の少なくとも一部を円周方向に取り囲む環状ファンケーシング又は外側ナセル５０を含む。ナセル５０は、円周方向に間隔を置いて配置された複数の出口案内翼５２により、コアタービンエンジン１６に対して支持されるように構成することができることを理解されたい。さらに、ナセル５０の下流部５４は、コアタービンエンジン１６の外側部分を覆うように延在してもよく、それらの間にバイパス空気流路５６を画成することができる。

ターボファンエンジン１０の動作時には、ある量の空気５８が、ナセル５０及び／又はファン部１４の関連する入口６０を通ってターボファン１０に入る。ある量の空気５８がファンブレード４０を通過する際に、空気５８の第１の部分は、矢印６２で示すように、バイパス空気流路５６内に導かれ又は送られ、空気５８の第２の部分は、矢印６４で示すように、ＬＰ圧縮機２２内に導かれ又は送られる。空気の第１の部分６２と空気の第２の部分６４との比は、バイパス比として一般的に知られている。次に、空気の第２の部分６４が高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６内に送られる際にその圧力が増加し、燃焼セクション２６で燃料と混合され、燃焼して、燃焼ガス６６を提供する。

燃焼ガス６６はＨＰタービン２８を通って送られ、そこで燃焼ガス６６からの熱及び／又は運動エネルギーの一部は、外側ケーシング１８に結合されたＨＰタービンステータベーン６８と、ＨＰシャフト又はスプール３４に結合されたＨＰタービンロータブレード７０と、の連続段を通して抽出され、ＨＰシャフト又はスプール３４を回転させ、それによってＨＰ圧縮機２４の動作を支援する。次に燃焼ガス６６はＬＰタービン３０を通って送られ、そこで熱及び運動エネルギーの第２の部分は、燃焼ガス６６から、外側ケーシング１８に結合されたＬＰタービンステータベーン７２と、ＬＰシャフト又はスプール３６に結合されたＬＰタービンロータブレード７４と、の連続段を通して抽出され、ＬＰシャフト又はスプール３６を回転させ、それによってＬＰ圧縮機２２の動作及び／又はファン３８の回転を支援する。

燃焼ガス６６は、次に、コアタービンエンジン１６のジェット排気ノズル部３２を通って送られ、推進力を提供する。同時に、空気の第１の部分６２がターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排出される前にバイパス空気流路５６を通って送られる際に、空気の第１の部分６２の圧力が実質的に増加し、また推進力を提供する。ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、及びジェット排気ノズル部３２は、コアタービンエンジン１６を通って燃焼ガス６６を送るための高温ガス経路７８を少なくとも部分的に画成する。

図２を参照すると、本主題の例示的な実施形態によるＬＰタービンロータブレード７４が示されている。図示する実施形態では、タービンロータブレード７４は、高温能力を有する非金属材料であるセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料で構成されている。このようなロータブレード７４に使用される例示的なＣＭＣ材料は、炭化ケイ素、ケイ素、シリカ、もしくはアルミナを母材とする材料及びそれらの組合せを含むことができる。セラミック繊維は、母材内に埋め込むことができ、たとえば、サファイア及び炭化ケイ素などのモノフィラメント（たとえば、Ｔｅｘｔｒｏｎ社のＳＣＳ−６）、並びに、炭化ケイ素（たとえば、日本カーボンのＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、宇部興産のＴＹＲＡＮＮＯ（登録商標）、ダウコーニング社のＳＹＬＲＡＭＩＣ（登録商標））、アルミナケイ酸塩（たとえば、Ｎｅｘｔｅｌ社の４４０及び４８０）、及びチョップされたホイスカーと繊維（たとえば、Ｎｅｘｔｅｌ社の４４０及びＳＡＦＦＩＬ（登録商標））を含むロービングと糸、並びに任意選択的にセラミック粒子（たとえば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ、及びこれらの組合せの酸化物）及び無機充填剤（たとえば、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、カイヤナイト、及びモンモリロナイト）を含む酸化安定強化繊維などのセラミック繊維である。ＣＭＣ材料は、約１０００〜１２００°Ｆの温度範囲で約１．３×１０^-6ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ〜約３．５×１０^-6ｉｎ／ｉｎ／°Ｆの範囲の熱膨張係数を有することができる。

図２に示すように、ロータブレード７４は、ＣＭＣ材料の複数のプライ８４から製造された翼形部８０及びシャンク部分８２を含む。以下でより詳細に説明するように、シャンク部分８２は、タービンロータディスク９４（図３）に固定されるように構成される。翼形部８０は、一般的に、シャンク部分８２から半径方向外向きに延在し、タービンセクション３０を通って流れる燃焼ガス６６の高温ガス経路内に突出している。たとえば、翼形部８０は、シャンク部分８２から翼形部先端（図示せず）まで半径方向外向きに延在することができる。さらに、翼形部８０は、一般的に空気力学的形状を画成することができる。例として、翼形部８０は、燃焼ガスの運動エネルギーを取り込んで使用可能な回転エネルギーに変換することを容易にするように構成された正圧側面８６及び負圧側面８８を有するように成形することができる。

図２について続けると、複数のプライ８４の各々は、ブレード７４の正圧側面８６からブレード７４の負圧側面８８まで延在する。図示する実施形態では、各プライ８４は、正圧側面８６から負圧側面８８まで包み込んで、ブレード７４を画成する。好ましくは、プライ８４は、連続したＣＭＣ繊維がピン孔９０を包み込むように、その長さに沿って連続したＣＭＣ繊維を含んでいる。連続した繊維のＣＭＣプライは、ブレードにかかる応力に耐えるためにブレード材料の層間能力に依存することを回避するのを助けることができ、連続した繊維は、ピン孔９０を各プライで包み込むことによって保持されるが、これについては以下でより詳細に説明する。一実施形態では、複数のプライ８４は、１以上のフィラーパック１０９が中に配置されたほぼ涙滴形状の開口部を形成するマンドレルの周りに巻き付けることができる。フィラーパック１０９は、たとえば、ロールアップしたプライ、母材内にチョップされたＣＭＣファイバ、又は他の任意の適切な材料を含むことができる。フィラーパック１０９がプライ８４により形成された開口部内に配置された後に、ピン孔９０を画成するようにフィラーパック１０９を機械加工することができるが、ピン孔９０は他の方法によってブレード７４に形成してもよい。いずれにしても、ブレード７４は、ブレード７４のシャンク部分８２を貫通して、ブレード７４の第１の側面８１から第２の側面８３まで延在するピン孔９０を画成する。

シャンク部分８２は、最下点又は部分９２、すなわち、ブレード７４の半径方向最も内側の点又は部分を規定することができる。例示的な実施形態では、最下点９２は、ブレードの先端（図示せず）から最も遠いブレード７４の点であってもよい。平面Ｐ（図４）は、平面Ｐが軸方向ＡＤに対してほぼ平行に延在するように、最下点９２を通って規定することができる。図２に示すように、フィラーパック１０９の少なくとも一部は、ピン孔９０の一部に隣接する平面Ｐに対して平行であってもよい。すなわち、フィラーパック１０９は、ピン孔９０の一側面又は一部を画成するほぼ平坦な平面であるピン表面９１を画成することができる。

図３は、本主題の例示的な実施形態によるタービンロータディスク９４を示す。図３に示すように、タービンロータディスク９４は、外縁部９６に沿って外周Ｃを画成し、ディスク９４は、外周Ｃに沿って第１の側面１００と第２の側面１０２との間に延在するスロット９８を画成する。第１の側面１００は、ロータディスク９４の後方側面であってもよいし、第２の側面１０２は、ロータディスク９４の前方側面であってもよい。複数の第１の開口部１０４が第１の側面１００に画成され、複数の第２の開口部１０６が第２の側面１０２に画成されている。第１の開口部１０４及び第２の開口部１０６は、図示するようにほぼ円形であってもよいが、他の実施形態では、第１の開口部１０４及び第２の開口部１０６は、別の形状、たとえば、取り付けピン１１０の断面形状と相補的な及び／又は対応した形状などを有することができる（図４）。取り付けピン１１０については、以下でより詳細に説明する。さらに、いくつかの実施形態では、第１の開口部１０４の形状は、第２の開口部１０６の形状と異なってもよい。さらに他の実施形態では、第１及び第２の開口部１０４、１０６は、同じ形状であってもよいが、異なるサイズであってもよく、たとえば、第１及び第２の開口部１０４、１０６がほぼ円形の形状である場合に、第１の開口部１０４が第２の開口部１０６よりも大きい半径（したがって、より大きな直径及び断面積）を有してもよい。第１及び第２の開口部１０４、１０６は、他の構成も有することができる。

図４は、本開示の例示的な実施形態による、タービンロータディスク９４に取り付けられたタービンロータブレード組立体７５を示す。図示する実施形態では、タービンロータブレード組立体７５は、タービンロータブレード７４及び取り付けピン１１０を含む。ピン１１０は、ブレード７４をディスク９４に取り付ける又は結合するために使用される。より具体的には、ブレード７４のシャンク部分８２は、スロット９８内に配置され、ブレード７４は、取り付けピン１１０によりスロット９８内の定位置に保持される。ピン１１０は、適切な剪断強度を有する材料などの任意の適切な材料から作製することができる。一般に、ロータディスク９４を製造するために通常使用される金属合金、たとえば、Ｒｅｎｅ１０８、そのファミリーとの合金、又は別の適切な合金は、ピン１１０の製造に適した材料であり得るが、他の材料を用いることもできる。

図４にさらに示すように、スロット９８のシャンク部分８２と半径方向最も内側の表面１０８との間に隙間Ｇがあってもよい。ピン１１０は、ディスク９４の第１の側面１００から、ブレード７４のピン孔９０を貫通して、ディスク９４の第２の側面１０２まで延在する。以下でより完全に説明するように、ピン１１０は、第１の側面１００の第１の開口部１０４に挿入され、ピン孔９０を貫通し、第２の側面１０２の第２の開口部１０６に向かうことができる本体１１２を有する。この結果、ブレード７４のディスク９４への取り付けは、ピン−クレビス構成として説明することができ、ディスク９４が一般的にクレビスを形成し、ディスク９４の各側面に形成された開口部に挿入されたピン１１０によりディスク９４の側面１００、１０２の間にブレード７４が固定される。

ここで図５を参照すると、タービンロータブレード組立体７５の断面図を示し、ピン１１０の本体１１２は、三角形の断面形状を有している。三角形の断面形状は、二等辺三角形又は正三角形にほぼ対応することができるが、他の三角形の形状を適切に用いてもよい。さらに、本体１１２の断面形成する三角形の角は、ほぼ丸くすることができ、そうすることでピン１１０の本体１１２内及び／又はブレード７４の応力を最小にするのを助けることができるので、本体１１２の三角形の断面は、丸みを帯びた角又は角部を有している。図２、図４及び図５に示すように、ピン孔９０は、一般的に、取り付けピン１１０の本体１１２に対して相補的な形状である。より具体的には、図示する実施形態では、ピン孔９０も三角形の断面形状を有するように、ピン孔９０は実質的に本体１１２と同一の断面形状を有する。さらに、ピン孔９０は、取り付けピン１１０とブレード７４との間に最小の隙間が形成されるように構成される。

図５にさらに示すように、半径Ｒを有する円Ｉは、本体１１２の三角形の断面に内接してもよい。内接円Ｉの少なくとも一部は、本体１１２の外周部１１１沿っている、又は交差する。図示する実施形態では、内接円Ｉの一部は、本体１１２の三角形の断面を形成する三角形の丸みのある角を含む外周部１１１の一部に沿っており、かつ、丸みのある角の反対側の三角形の辺まで延在している。すなわち、三角形の断面は、円の直径すなわち半径Ｒの２倍（２Ｒ）に実質的に等しい高さを有する。

本主題の例示的な実施形態によれば、図６は、図４及び図５に示す取り付けピン１１０の側面図である。図６に示すように、取り付けピン１１０の本体１１２は、第１の端部１１６と第２の端部１１８との間に延在する。本体１１２の断面形状は、図４に示すように、少なくともブレード７４のシャンク部分８２の長さＬ_shankについては一定である。ピン１１０の本体１１２は、ブレード７４のシャンク部分８２と面接触する、より具体的には、シャンク部分８２のピン表面９１と面接触する底面１１４をさらに含む。底面１１４は、シャンク部分８２の長さＬ_shankに実質的に等しい長さを有する。より具体的には、底面１１４は、第１の端部１１６と第２の端部１１８との間で本体１１２に沿って延在し、軸方向ＡＤに実質的に平行である。

図５を再び参照すると、底面１１４は、本体１１２の三角形状の断面の丸みのある角のうちの２つを結ぶ線分によって規定される幅Ｗ_surfaceを有する。図示するように、底面１１４の幅Ｗ_surfaceは、本体１１２の三角形状の断面に内接する円Ｉの半径Ｒの約２倍である、すなわち、底面１１４の幅Ｗ_surfaceは２Ｒ、すなわち内接円Ｉの直径に実質的に等しい。底面１１４は寸法Ｌ_shank及びＷ_surfaceを有し、ほぼ平坦な表面であり、底面１１４は、シャンク部分８２の最下点９２によって規定される平面Ｐに対して平行に延在する。

より具体的には、図５及び図６に示すように、取り付けピン１１０の本体１１２は、第１の端部１１６と第２の端部１１８との間に延在する３つの実質的に平坦な表面、すなわち底面１１４、第１の表面１１５、及び第２の表面１１７を画成する。図示するように、第１の表面１１５及び第２の表面１１７は半径方向ＲＤに対して傾斜しており、底面１１４は半径方向ＲＤに対して垂直に延在する。各平坦な表面は、ピン１１０がブレード７４内に挿入された場合に、ピン１１０とブレード７４との間の表面接触界面を提供する。他の実施形態では、取り付けピン１１０は、ピン１１０の本体１１２が３より少ない、又は３より多い接触表面を画成するように、他の形状を有してもよい。さらに、第１の端部１１６から第２の端部１１８まで延在するものとして示しているが、代替的な実施形態では、本体１１２によって画成される１以上の平坦な表面が第１の端部１１６と第２の端部１１８との間の長さの一部のみに沿って延在してもよい。

いくつかの実施形態では、図６に示す実施形態のように、ピン１１０は、第１の端部１１６に隣接する第１のプラグ部分１２０と第２の端部１１８に隣接する第２のプラグ部分１２２とを含むことができる。第１のプラグ部分１２０は第１の開口部１０４の形状に対応することができ、第２のプラグ部分１２２は第２の開口部１０６の形状に対応することができる。第１のプラグ部分１２０は、第１の開口部１０４を充填して、たとえばシャンクを横切ってロータの後方へのロータパージリークを防止するのを助けることができる。すなわち、第１の開口部１０４の形状は円形であり、第１のプラグ部分１２０の形状を円柱状にして、第１の開口部１０４を充填するのに十分な断面積を有することができる。同様に、第２のプラグ部分１２２は第２の開口部１０６を充填することができ、すなわち、第２の開口部１０６の形状は円形であって、第２のプラグ部分１２２の形状を円柱状にして、第２の開口部１０６を充填するのに十分な断面積を有することができる。他の実施形態では、第１及び第２のプラグ部分１２０、１２２は、他の形状又は構成を有してもよく、さらに他の実施形態では、プラグ部分１２０、１２２を省略してもよい。

図７は、例示的な実施形態によるピン１１０の端面図を示す。図示するように、ピン１１０の本体１１２は第１の断面積Ａ₁を有することができ、第１のプラグ部分１２０は第２の断面積Ａ₂を有することができ、第２のプラグ部分１２２は第３の断面積Ａ₃を有することができる。図示する実施形態では、第２の断面積Ａ₂は第１の断面積Ａ₁より大きく、第２の断面積Ａ₂及び第１の断面積Ａ₁は両方とも第３の断面積Ａ₃より大きい。さらに、プラグ部分１２０、１２２は、図７に示すように、ほぼ円形状の断面形状を有することができるが、他の実施形態では、プラグ部分１２０、１２２は、本体１１２の三角形状の断面形状と同様の断面形状を有してもよい。さらに他の実施形態では、第１及び第２のプラグ部分１２０、１２２は、たとえば図８に関して後述するように、他の形状又は構成を有してもよいし、別の実施形態では、プラグ部分１２０、１２２を省略してもよい。

さらに図７を参照すると、図示する実施形態では、第２のプラグ部分１２２の形状は、図５に示す内接円Ｉに実質的に対応している。したがって、図示する実施形態では、第２のプラグ部分１２２は、半径Ｒ、すなわち内接円Ｉと同じ半径を有する。

戻って図４を参照すると、タービンロータブレード組立体７５はまた、第１及び第２の開口部１０４、１０６並びにピン孔９０内にピン１１０を保持するための分割リング保持機構１２４を含むことができる。タービンの動作中にディスク９４が回転すると、ピン１１０は、ピン１１０がピン孔９０及び開口部１０４、１０６から抜けることを引き起こすおそれのある様々な力又は振動などを受ける場合がある。したがって、分割リング保持機構１２４などの機構は、ピン１１０を定位置に保持するのを助ける。

図４に示すように、分割リング保持機構１２４は、第１の側面１００に隣接して配置される。タービンロータディスク９４の第１の側面１００は、リップ１２６が第１の側面１００と一体になるように、リップ１２６を含む。リップ１２６は、半径方向内向きに延在して、波形の部分１２８を画成し、ピン１１０を挿入するための、第１の開口部１０４へのアクセスを可能にする。ピン１１０を挿入した後、分割リング保持機構１２４は、ピン１１０とリップ１２６との間に配置される。より具体的には、機構１２４の分割リング設計は、たとえば、ピン１１０とリップ１２６との間に機構１２４を設けるために機構１２４が収縮又は変形し、次にピン１１０が開口部１０４、１０６及びピン孔９０から外れるのを防止するために拡大又は変形することを可能にする。当然のことながら、ピン１１０を開口部１０４、１０６及びピン孔９０内に保持するために、他の適切な保持機構を使用することができる。

或いは、開口部１０４、１０６及びピン孔９０内にピン１１０を保持するために、他の適切な手段を用いてもよい。一例として、開口部を覆うために、第１の開口部１０４及び／又は第２の開口部１０６に隣接するロータディスク９４の表面に材料のストリップを取り付けてもよく、材料のストリップは、材料のストリップが隣接するブレード７４のピン１１０を定位置に保持するのに役立つように、ディスク９４の表面の周りに延在することができる。ピン１１０を定位置に固定するための他の手段を用いてもよい。

上述したように、ロータブレード７４をロータディスク９４に取り付け又は結合するために使用されるタービンロータブレード組立体７５の取り付けピン１１０は、たとえば底面１１４などの１以上の平坦な表面を有しており、ブレード７４のピン孔９０を画成する複数のプライ８４は、ピン孔９０の一部を画成するピン表面９１を有している。図４及び図５に示すように、ピン１１０がピン孔９０に挿入されると、ピン１１０の底面１１４はピン孔９０のピン表面９１に隣接する。このようにして、ピン１１０及びブレード７４が底面１１４及びピン表面９１に沿って接続するので、ピン１１０とブレード７４との間の接触応力は表面に沿って担持される。より具体的には、半径方向ＲＤに沿った接触応力の一部は、底面１１４とピン表面９１との間の面接触界面にわたって分散され得る。したがって、取り付けピンとブレードとの間の線接触を有する代替的な設計、たとえば円形状の断面の本体を有するピンを用いた設計などでは、半径方向に沿った応力の成分が表面にわたって分散するのではなく、線接触に沿って集中するが、そのような設計と比較して、ピン１１０とブレード７４との間の接触応力を低減することができる。したがって、例示的な実施形態では、本体１１２は、１以上の平坦な表面を画成し、具体的には、本体１１２は、半径方向ＲＤに対して垂直に延在する１以上の平面状の表面を画成する。他の実施形態では、本体１１２は３以上の平坦な表面を画成し、たとえば、本体１１２は図５及び図７に示す実質的に三角形の断面形状又は他のほぼ多角形の断面形状を有するが、本体１１２は他の断面形状を有してもよい。このような実施形態では、本体１１２は、好ましくは、半径方向ＲＤに対して垂直に延在する１以上の平坦な表面を有しているが、他の実質的に平坦な表面が半径方向に対してある角度で延在してもよい。

１以上の平坦な表面、より具体的には、半径方向ＲＤに対して垂直に延在する底面１１４を有する本体１１２のもう１つの利点は、平坦な表面が、たとえば、ブレード７４は、ピン１１０の長手方向の中心線に沿って延在するピン１１０の軸の周りで回転することができないように、動作中にブレード７４の位置を一定に保持する選択肢を与えることである。図８に示す一例として、第１のプラグ部分１２０は、ほぼ平坦な表面１２１を画成することができ、第１の開口部１０４は、表面１２１を画成する第１のプラグ部分１２０の形状に対応する形状を有することができる。表面１２１は、ピン１１０が第１の開口部１０４内で回転することを防止する、すなわち、表面１２１は、ブレード７４がタービンロータディスク９４に対して回転することを防止する。このような位置の制約は、断面が円形のピンでは不可能である。さらに、図８に示す第１のプラグ部分１２０の形状の変形例はまた、ピン１１０及びブレード７４の回転を防止し、それによってブレード７４の位置を一定に保持するために使用できることが容易に理解されよう。

前述に基づいて、ピン１１０及びブレード７４の様々な形状の具体的な寸法は、ブレード７４に加わる種々の応力、たとえば、ブレード７４に加わる接触／破砕応力及び／又はシャンク応力を所望のレベルまで低減し、ＣＭＣ材料の層間能力に依存することを回避するように選択することができる。一例として、ＣＭＣブレード７４に加わる接触／破砕応力を、取り付けピン１１０の剪断応力とほぼ等しい値にまで制限することが望ましい場合がある。ピンの剪断応力とほぼ同等な接触応力を得るために、底面１１４の幅Ｗ_surfaceは、内接円Ｉの半径Ｒの約２倍にすべきであり、説明したように半径Ｒはまた第２のプラグ部分１２２の半径であり、ピン１１０の底面１１４の長さＬ_shankは、半径Ｒの２π倍にほぼ等しくすべきである。すなわち、
Ｌ_shank≒２πＲ
Ｗ_surface≒２Ｒ
別の例としては、シャンク応力、すなわちシャンク部分８２に加わる引張応力をピンの剪断応力の約３分の１（１／３）に制限することが望ましい。このような実施形態では、シャンク部分８２（図５）の幅Ｗ_shankは半径Ｒの約３倍とすべきであり、シャンク部分８２（図４）の長さＬ_shankは半径Ｒの約２π倍とすべきである。すなわち、
Ｗ_shank≒３Ｒ
Ｌ_shank≒２πＲ
これらの形状の幾何学的スケーリング、すなわち、ピン１１０の底面１１４の長さＬ_shank、シャンク部分８２の幅Ｗ_shank、及びシャンク部分８２の長さＬ_shankは、ブレード７４、ディスク９４、及びピン１１０の他の設計上の制約の範囲内で容易に対応することは容易に理解できよう。さらに、ブレード７４、ピン１１０、及び／又はディスク９４内の又はそれに加わる種々の応力に対する他の所望される制限によって、各部品の種々の寸法間の異なる関係が生ずる可能性がある。

以上、ターボファンエンジン１０のＬＰタービンロータブレード７４について説明したが、前述の説明は他のガスタービンエンジン部品にも適用されることが容易に理解されよう。具体的には、以上の説明は、ターボファンエンジン１０のＨＰタービンロータブレード７０及び他の適切な部品にも適用されることが理解されよう。

この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を含む場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。

１０ターボファンジェットエンジン
１２長手方向又は軸方向中心線
１４ファン部
１６コアタービンエンジン
１８外側ケーシング
２０入口
２２低圧圧縮機
２４高圧圧縮機
２６燃焼セクション
２８高圧タービン
３０低圧タービン
３２ジェット排気ノズル部
３４高圧シャフト／スプール
３６低圧シャフト／スプール
３８ファン
４０ブレード
４２ディスク
４４作動部材
４６動力ギヤボックス
４８ナセル
５０ファンケーシング又はナセル
５２出口案内翼
５４下流部
５６バイパス空気流路
５８空気
６０入口
６２空気の第１の部分
６４空気の第２の部分
６６燃焼ガス
６８ステータベーン
７０タービンロータブレード
７２ステータベーン
７４タービンロータブレード
７５タービンロータブレード組立体
７６ファンノズル排気セクション
７８高温ガス経路
８０翼形部
８１第１の側面
８２シャンク部分
８３第２の側面
８４複数のプライ
８６正圧側面
８８負圧側面
９０ピン孔
９１ピン表面
９２最下点
９４タービンロータディスク
９６外縁部
９８スロット
１００第１の側面
１０２第２の側面
１０４第１の開口部
１０６第２の開口部
１０８スロットの最も内側の表面
１０９フィラーパック
１１０取り付けピン
１１１本体の外周部
１１２本体
１１４底面
１１５第１の表面
１１６第１の端部
１１７第２の表面
１１８第２の端部
１２０第１のプラグ部分
１２２第２のプラグ部分
１２４分割リング保持機構
ＲＤ半径方向
ＡＤ軸方向
Ｐ平面
Ｃディスクの外周
Ｇ隙間
Ｌ_body 本体の長さ
Ｌ_surface底面の長さ
Ｗ_surface 底面の幅
Ｉ内接円
Ｒ内接円の半径
Ａ₁ 第１の断面積
Ａ₂ 第２の断面積
Ｌ_shank シャンク部分の長さ
Ｗ_shank シャンク部分の幅

Claims

ガスタービンエンジン（１０）用のタービンロータブレード組立体（７５）であって、ガスタービンエンジン（１０）は軸方向（ＡＤ）を規定し、タービンロータブレード組立体（７５）は、
翼形部（８０）及びシャンク部分（８２）を含むタービンロータブレード（７４）であって、翼形部（８０）及びシャンク部分（８２）は、セラミックマトリックス複合材料の複数のプライ（８４）から形成されている、タービンロータブレード（７４）と、
取り付けピン（１１０）とを含み、
タービンロータブレード（７４）の翼形部（８０）及びシャンク部分（８２）を形成する複数のプライ（８４）は、ブレードの正圧側面（８６）から、取り付けピン（１１０）を受け入れるためのピン孔（９０）の周囲を回って、ブレードの負圧側面（８８）まで延在し、
取り付けピン（１１０）は、取り付けピン（１１０）とブレード（７４）との間の表面界面を形成するために三角形の断面形状を有する本体（１１２）を含む、タービンロータブレード組立体（７５）。
取り付けピン（１１０）の本体（１１２）は、タービンロータディスク（９４）の第１の側面（１００）にある第１の開口部（１０４）内に挿入され、タービンロータブレード（７４）のピン孔（９０）を貫通して、タービンロータディスク（９４）の第２の側面（１０２）にある第２の開口部（１０６）に向かって延在する、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
取り付けピン（１１０）の本体（１１２）は、軸方向（ＡＤ）と平行に延在する平面（Ｐ）に対して平行に延在する底面（１１４）を含む、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
ピン表面（９１）を画成する１以上のフィラーパック（１０９）をさらに含み、ピン表面（９１）はピン孔（９０）の一部分を画成し、取り付けピン（１１０）は、ピン表面（９１）に隣接する底面（１１４）を含み、底面（１１４）及びピン表面（９１）は、取り付けピン（１１０）とブレード（７４）との間の表面界面を画成する、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
本体（１１２）の三角形の断面に内接する円（Ｉ）は半径Ｒを有し、底面（１１４）の幅（Ｗ_surface）は半径の約２倍である、請求項４に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
底面（１１４）の長さは、本体の第１の端部（１１６）と本体の第２の端部（１１８）との間の取り付けピン（１１０）の本体（１１２）によって規定され、底面（１１４）の長さは、軸方向（ＡＤ）に対して実質的に平行である、請求項４に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
取り付けピン（１１０）の本体（１１２）は、第１の端部（１１６）及び第２の端部（１１８）を含む、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
ピン孔（９０）は、取り付けピン（１１０）の本体（１１２）と同じ断面形状を有する、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
タービンロータブレード（７４）のシャンク部分（８２）は、タービンロータディスク（９４）に画成されたスロット（９８）内に配置され、スロット（９８）は、ディスク（９４）の第１の側面（１００）と第２の側面（１０２）との間のタービンロータディスク（９４）の外周（Ｃ）に沿って画成される、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。
ピン孔（９０）は、取り付けピン（１１０）とブレード（７４）との間に最小の隙間が形成されるように構成される、請求項１に記載のタービンロータブレード組立体（７５）。