JP2017096282A

JP2017096282A - ターボファンエンジンで使用するロータ組立体及び組み立て方法

Info

Publication number: JP2017096282A
Application number: JP2016222823A
Authority: JP
Inventors: ニコラス・ジョセフ・クレイ; Nicholas Joseph Kray; トッド・アラン・アンダーソン; Todd A Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2017-06-01
Also published as: US20170146020A1; BR102016026989A2; CN106930975B; US10125619B2; EP3170982A1; CN106930975A; CA2948262A1

Abstract

【課題】
環状スプールと係合したロータブレードを保持するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】
ターボファンエンジン（１０）に用いるロータ組立体（１００）が提供される。ロータ組立体（１００）は、その中に定められたブレード開口（１０４）を備える環状スプール（１０２）と、ブレード開口（１０４）を通じて半径方向に挿入可能なロータブレード（１１２）とを含む。ロータブレード（１１２）は、ダブテール形状の根元部分（１１４）を含み、根元部分（１１４）は、ブレード開口（１０４）に対して普通より小さい。少なくとも１つの二次ダブテール部材（１１８）は、ブレード開口（１０４）の中に配置され、締まりばめによって根元部分（１１４）をブレード開口（１０４）の中に結合するように構成される。
【選択図】図１

Description

本開示は、一般に、ターボファンエンジンに関し、より具体的には、環状スプールと係合したロータブレードを保持するシステム及び方法に関する。

ターボファンエンジン等の少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、ファン、コアエンジン、及び出力タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係で結合した少なくとも１つの圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを含む。詳細には、圧縮機及び高圧タービンは、駆動シャフトを介して連結して高圧ロータ組立体を形成する。コアエンジンに流入する空気は、燃料と混合して点火されて高エネルギーガス流を生成する。高エネルギーガス流は、高圧タービンを通過して高圧タービンを回転駆動するので、シャフトは圧縮機を回転駆動する。ガス流は、高圧タービンの後方に配置された出力又は低圧タービンを通過する際に膨張する。低圧タービンは、第２の駆動シャフトに結合したファンを有するロータ組立体を含む。低圧タービンは、第２の駆動シャフトを介してファンを回転駆動する。

最新の商用ターボファンの多くは、ファンの後方に配置されかつ第２の駆動シャフトに沿って連結された、ブースターと呼ばれる場合もある低圧圧縮機を含む。低圧圧縮機はブースタースプール及び複数のロータブレードを含み、ロータブレードのいずれかはブースタースプールに一体形成されるか又はこれに１又は２以上の保持特徴部を用いて連結される。例えば、ロータブレードは、該ロータブレードを最終着座位置に配置するためにブースタースプール内に形成された円周方向スロットの中に個別に挿入されて円周方向に回転する。しかしながら、タービンエンジンの構成要素は、ますます炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）等の軽量材料で作製されるので、ロータブレードを保持するためのより効率的かつ重量効率の良い手段が望まれる。

米国特許第９０３９３７９号明細書

１つの態様において、ターボファンエンジンに用いるロータ組立体が提供される。ロータ組立体は、その中に定められたブレード開口を備える環状スプールと、ブレード開口を通じて半径方向に挿入可能なロータブレードとを含む。ロータブレードは、ダブテール形状の根元部分を含み、根元部分は、ブレード開口に対して普通より小さい。少なくとも１つの二次ダブテール部材は、ブレード開口の中に配置され、締まりばめによって根元部分をブレード開口の中に結合するように構成される。

他の態様において、ターボファンエンジンが提供される。ターボファンエンジンは低圧圧縮機を備え、該低圧圧縮機は、その中に定められたブレード開口を備える環状スプールと、ブレード開口を通じて半径方向に挿入可能なロータブレードとを含む。ロータブレードは、ダブテール形状の根元部分を含み、根元部分は、ブレード開口に対して普通より小さい。少なくとも１つの二次ダブテール部材は、ブレード開口の中に配置され、締まりばめによって根元部分をブレード開口の中に結合するように構成される。

さらに他の態様において、ターボファンエンジンに用いるロータ組立体を組み立てる方法が提供される。本方法は、環状スプール中にブレード開口を定めるステップと、環状スプールの半径方向内側からブレード開口を通してロータブレードを挿入するステップとを含む。ロータブレード１１２は、ダブテール形状を有する根元部分を含み、根元部分は、ブレード開口に対して普通より小さい。また、本方法は、少なくとも１つの二次ダブテール部材をそれぞれのブレード開口の中に位置決めするステップを含む。少なくとも１つの二次ダブテール部材は、根元部分が締まりばめによってブレード開口の中に結合されるようなサイズである。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

例示的なターボファンエンジンの概略図。図１のターボファンエンジンに用いることができる例示的なロータ組立体の部分斜視図。図２に示すロータ組立体と共に用いることができる例示的なロータブレードの部分斜視図。図４に示す例示的なロータ組立体の一部のライン４−４に沿った断面図。

別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。）これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムで適用可能であると考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要とされる当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではない。

以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。

単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。

「任意（Ｏｐｔｉｏｎａｌ）」又は「場合により（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。

本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能である。このような範囲は、前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別されここに包含される部分範囲全てを含む。

本明細書で使用される用語「軸方向」及び「軸方向に」とは、タービンエンジンの長手方向軸線に実質的に平行に延びる方向及び向きを意味する。さらに、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、タービンエンジンの長手方向軸線に対して実質的に垂直に延びる方向及び向きを意味する。加えて、本明細書で使用される用語「円周方向」及び「円周方向に」とは、タービンエンジンの長手方向軸線の周りで弓状に延びる方向及び向きを意味する。

本開示の実施形態は、ターボファン等のタービンエンジン及びその製造方法に関する。詳細には、本明細書に記載のタービンエンジンは、これを通して半径方向に挿入可能なロータブレードを収容するための複数のブレード開口を有する環状スプールを含む。根元部分は、ブレード開口に対して普通より小さく形成されており、ロータブレードの重量効率及び製造容易性を高めるのを助けるようになっている。また、ロータ組立体は、ブレード開口の中に配置された少なくとも１つの二次ダブテール部材を含み、ロータブレードを内部にしっかりと結合し続けるのを保証するようになっている。多層複合材料で作製される場合、ロータブレードに大きな根元部分を形成することは、複雑かつ面倒なプロセスである。従って、少なくとも１つの二次ダブテール部材は、ロータブレードをブレード開口の中に適切に嵌装するが、同時にロータ組立体を組み立てる複雑性を低減しかつロータブレードを作製する複雑性を低減する。

図１は、ファン組立体１２、低圧又はブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６、及び燃焼器組立体１８を含む例示的なターボファンエンジン１０の概略図である。ファン組立体１２、ブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６、及び燃焼器組立体１８は、流れ連通状態で結合する。また、ターボファンエンジン１０は、燃焼器組立体１８及び低圧タービン２２に流れ連通状態で結合した高圧タービン２０を含む。ファン組立体１２は、回転ディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４のアレイを含む。低圧タービン２２は、第１の駆動シャフト２８を介してファン組立体１２及びブースター圧縮機１４に結合し、高圧タービン２０は、第２の駆動シャフト３０を介して高圧圧縮機１６に結合する。ターボファンエンジン１０は、吸気口３２及び排気口３４を有する。ターボファンエンジン１０は、中心線３６をさらに含み、ファン組立体１２、ブースター圧縮機１４、高圧圧縮機１６、並びにタービン組立体２０及び２２は、中心線３６の周りを回転する。

作動時、吸気口３２を通ってターボファンエンジン１０に流入する空気は、ファン組立体１２を通ってブースター圧縮機１４に向かう。圧縮空気は、ブースター圧縮機１４から吐出して高圧圧縮機１６に向かう。高度に圧縮された空気は、高圧圧縮機１６から燃焼器組立体１８に供給され、燃料と混合して混合気が燃焼器組立体１８の中で燃焼する。燃焼器組立体１８から発生した高温燃焼ガスは、タービン組立体２０及び２２に供給される。その後、燃焼ガスは、排気口３４を介してターボファンエンジン１０から放出される。

図２は、ターボファンエンジン１０（図１に示す）に用いることができる例示的なロータ組立体１００の部分斜視図である。例示的な実施形態において、ロータ組立体１００は、複数のブレード開口１０４が形成された環状スプール１０２を含む。詳細には、各ブレード開口１０４は、環状スプール１０２の中心線１０６の周りで円周方向に離間する。また、環状スプール１０２は、前方の第１の端部１０８及び第１の端部１０８よりも半径方向寸法が大きい後方の第２の端部１１０を含む。１つの実施形態において、ロータ組立体１００は、ブースター圧縮機１４（図１に示す）で用いるようにデザインされている。従って、ブースター圧縮機１４に用いる場合、環状スプール１０２は、第１の端部１０８がファン組立体１２の近くに配置され、第２の端部１１０が高圧圧縮機１６の近くに配置されるように配向される。さらに、環状スプール１０２は、半円形状で示されているが、完全な環状構造から形成されるか、又は２又は３以上の弧状セクションで形成されかつ連結されて完全な環状構造を形作ることを理解されたい。

また、ロータ組立体１００は、各ブレード開口１０４を通して半径方向に挿入可能な少なくとも１つのロータブレード１１２を含む。以下に詳細に示すように、ブレード開口１０４は、ロータブレード１１２の保持特徴部に対して必要以上に大きい。詳細には、例示的な実施形態において、少なくともロータブレード１１２の一部は、捻れた形状を有するので、ブレード開口１０４を通じて半径方向に挿入される際にロータブレード１１２の方向が変わる。従って、ロータブレード１１２の非対称形状によって、ブレード開口１０４は、ロータブレード１１２に対して必要以上に大きくされている。

図３は、ロータ組立体１００（図２に示す）と共に用いることができる例示的なロータブレード１１２の部分斜視図であり、図４は、例示的なロータ組立体１００の一部のライン４−４に沿った断面図である。図３を参照すると、例示的な実施形態において、ロータブレード１１２は、根元部分１１４及び該根元部分１１４から延びるブレード部分１１６を含む。前述のように、ブレード部分１１６は、捻れた形状である（図示せず）。さらに、根元部分１１４は、ロータ組立体１００の作動時にロータブレード１１２がブレード開口１０４（図２に示す）の中に適切に嵌装された状態を保証するための保持特徴部を含む。根元部分１１４は、ロータ組立体１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、何らかの保持特徴部を含むことができる。例示的な実施形態において、根元部分１１４は、ダブテール形状を有し、ブレード開口１０４に対して普通より小さい。ダブテール形状は、テーパー付けされており、根元部分１１４と周囲の構造体との間の滑らかな荷重移行でもって、環状スプール１０２の回転により引き起こされる遠心力を打ち消すのを助けるようになっている。

図４を参照すると、ロータブレード１１２は、ブレード開口１０４の中に半径方向に挿入され、ロータ組立体１００は、ブレード開口１０４の中に配置された少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８をさらに含む。詳細には、ブレード開口１０４は、環状スプール１０２の半径方向内側部分１２２に定められたブレード入口１２０と、環状スプール１０２の半径方向外側部分１２６に定められたブレード出口１２４とを含む。ブレード入口１２０のサイズはブレード出口１２４よりも大きく、ブレード開口１０４は、ブレード入口１２０からブレード出口１２４に向かって断面サイズが漸減する。前述のように、ロータブレード１１２の根元部分１１４は、ブレード開口１０４に対して普通より小さいので、根元部分１１４とブレード開口１０４の側壁１２８との間に少なくとも１つの間隙（図示せず）が形成される。１つの実施形態において、根元部分１１４は、ブレード出口１２４に対して普通より小さいので、根元部分１１４の保持特徴部は、ブレード開口１０４の中でロータブレード１１２を保持することができない。

例示的な実施形態において、少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８は、ブレード開口１０４の中に配置され、根元部分１１４とブレード開口１０４の側壁１２８との間に定められた少なくとも１つの間隙を満たすようになっている。詳細には、少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８は、ブレード開口１０４の中で根元部分１１４の反対側に設けられた、第１の二次ダブテール部材１３０と第２の二次ダブテール部材１３２とを含むので、第１の二次ダブテール部材１３０及び第２の二次ダブテール部材１３２は、根元部分１１４と側壁１２８との間に配置される。少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８は、根元部分１１４が締まりばめでブレード開口１０４の中に結合されるような大きさである。例えば、二次ダブテール部材１１８は、所定の厚さを有し、ロータブレード１１２がブレード開口１０４の中にしっかりと結合するのを保証するように輪郭形成される。従って、作動時、環状スプール１０２の回転により引き起こされた遠心力により、根元部分１１４は、二次ダブテール部材１１８に対して半径方向外向きに押し付けられ、これにより二次ダブテール部材１１８は、ブレード開口１０４の側壁１２８に対して押し付けられ、ロータブレード１１２はブレード開口１０４の中にしっかり固定される。別の実施形態において、単一の二次ダブテール部材１１８がブレード開口１０４の中に配置され、単一の二次ダブテール部材１１８は、側壁１２８と根元部分１１４の第１の側面との間に結合され、根元部分１１４は、反対側の側面において側壁１２８に対して直接結合する。

ロータブレード１１２及び二次ダブテール部材１１８は、ロータ組立体１００が本明細書に記載のように機能するのを可能にする何らかの材料で作製することができる。例示的な実施形態において、ロータブレード１１２及び二次ダブテール部材１１８は、その間の適合性を保証するために同じ材料で形成される。例えば、ロータブレード１１２が炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）等の非金属材料で形成される場合、二次ダブテール部材１１８は、同様に非金属材料で形成される。しかしながら、ロータブレード１１２及び二次ダブテール部材１１８は、同じ非金属材料で作製する必要はない。例示的な実施形態において、二次ダブテール部材１１８を作製するために用いる材料は軽量であり、好ましい圧縮弾性率特性を有する。１つの実施形態において、二次ダブテール部材１１８を作製するために用いる材料は、ロータブレード１１２を作製するために使用した材料よりも密度が低く、ロータ組立体１００の重量効率を高くするのを助ける。二次ダブテール部材１１８を作製するために用いることができる例示的な材料としては、限定されるものではないが、複合材料、熱可塑性プラスチック材料、及びプラスチック材料を挙げることができる。別の実施形態において、ロータブレード１１２は、金属材料から作製され、二次ダブテール部材１１８は、同様に金属材料から作製される。

例示的な実施形態において、ロータ組立体１００は、ロータブレード１１２の半径方向内側に配置された保持部材１３４を含むこともできる。作動時、環状スプール１０２が所定の閾値未満で回転する場合、根元部分１１４を二次ダブテール部材１１８に対して押し付ける遠心力は、ロータブレード１１２をブレード開口１０４の中に維持することができない。保持部材１３４は、ロータブレード１１２の環状スプール１０２に対する半径方向の動きを制限するために配置される。詳細には、１つの実施形態において、保持部材１３４は、実質的に環状形状であり、ロータブレード１１２の根元部分１１４を付勢する半径方向外面１３６を有する。従って、保持部材１３４は、環状スプール１０２の回転速度が所定の閾値未満の場合にロータブレード１１２をブレード開口１０４の中に維持するのを助ける。

本明細書には、ターボファンエンジン１０に用いるロータ組立体１００を組み立てる方法が記載される。本方法は、環状スプール１０２の中にブレード開口１０４を定めるステップと、環状スプール１０２の半径方向内側からブレード開口１０４を通してロータブレード１１２を挿入するステップとを含む。ロータブレード１１２は、ダブテール形状を有する根元部分１１４を含み、根元部分１１４は、ブレード開口１０４に対して普通より小さい。また、本方法は、少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８をそれぞれのブレード開口１０４の中に位置決めするステップを含む。少なくとも１つの二次ダブテール部材１１８は、根元部分１１４が締まりばめを用いてブレード開口１０４の中に結合されるようなサイズである。

本明細書に記載のシステム及び方法の例示的な技術的効果は、以下の少なくとも１つを含む。すなわち、（ａ）ターボファンエンジンの全体重量を低減すること、（ｂ）個々のロータブレードを含むロータ組立体を組み立てるのに必要な時間及び複雑性を低減すること、（ｃ）ターボファンエンジンのブースター圧縮機の中に複合材料を組み込むのを可能にすること、（ｄ）複合／ポリマー材料の使用による改善された消散に起因して、組立体の減衰特性を改善すること、及び（ｅ）スプールの個別のロータブレードの保守管理及び整備の複雑性を低減すること、である。

前記ではターボファンエンジン及び関連の構成要素の例示的な実施形態を詳細に説明した。システムは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法ステップは、本明細書に記載の他の構成要素及び／又はステップとは独立して別々に用いることができる。例えば、本明細書に記載の構成要素の構成は、他のプロセスと組み合わせて使用することができ、ターボファンエンジン及び本明細書に記載の他の関連する方法でのみ実施するように限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、ロータ組立体の簡単な組み立てが望まれる多くの用途に関連して実施及び利用することができる。

種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本開示の実施形態を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本開示の実施形態を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ターボファンエンジン
１２ファン組立体
１４ブースター圧縮機
１６高圧圧縮機
１８燃焼器組立体
２０高圧タービン
２２低圧タービン
２４ファンブレード
２６回転ディスク
２８第１の駆動シャフト
３０第２の駆動シャフト
３２吸気口
３４排気口
３６中心線
１００ロータ組立体
１０２環状スプール
１０４ブレード開口
１０６中心線
１０８第１の端部
１１０第２の端部
１１２ロータブレード
１１４根元部分
１１６ブレード部分
１１８二次ダブテール部材
１２０ブレード入口
１２２半径方向内側部分
１２４ブレード出口
１２６半径方向外側部分
１２８側壁
１３０第１の二次ダブテール部材
１３２第２の二次ダブテール部材
１３４保持部材
１３６半径方向外面

Claims

ターボファンエンジン（１０）で用いるロータ組立体（１００）であって、
その中に定められたブレード開口（１０４）を備える環状スプール（１０２）と、
前記ブレード開口（１０４）を通じて半径方向に挿入可能なロータブレード（１１２）であって、前記ロータブレード（１１２）は、ダブテール形状の根元部分（１１４）を備え、前記根元部分（１１４）は、前記ブレード開口（１０４）に対して普通より小さい、ロータブレード（１１２）と、
前記ブレード開口（１０４）の中に配置され、締まりばめによって前記根元部分（１１４）を前記ブレード開口（１０４）の中に結合するように構成された少なくとも１つの二次ダブテール部材（１１８）と、
を備える、ロータ組立体（１００）。
前記ブレード開口（１０４）は、前記環状スプール（１０２）の半径方向内側部分（１２２）に定められたブレード入口（１２０）と、前記環状スプール（１０２）の半径方向外側部分（１２６）に定められたブレード出口（１２４）とを備え、前記ブレード開口（１０４）は、前記ブレード入口（１２０）から前記ブレード出口（１２４）に向かって断面サイズが漸減する、請求項１に記載のロータ組立体（１００）。
前記根元部分（１１４）は、前記ブレード出口（１２４）に対して普通より小さい、請求項２に記載のロータ組立体（１００）。
前記ロータブレード（１１２）の半径方向内側に配置された保持部材（１３４）をさらに備え、前記保持部材（１３４）は、前記ロータブレード（１１２）の前記環状スプール（１０２）に対する半径方向の動きを制限するために配置される、請求項１に記載のロータ組立体（１００）。
前記保持部材（１３４）は、前記環状スプール（１０２）の半径方向内側部分（１２２）の周りを円周方向に延びる、請求項４に記載のロータ組立体（１００）。
前記少なくとも１つの二次ダブテール部材（１１８）は、ブレード開口（１０４）の中で前記根元部分（１１４）の反対側に配置された、第１の二次ダブテール部材（１３０）及び第２の二次ダブテール部材（１３２）を備える、請求項１に記載のロータ組立体（１００）。
前記ロータブレード（１１２）及び前記少なくとも１つの二次ダブテール部材は、非金属材料で作製される、請求項１に記載のロータ組立体（１００）。
低圧圧縮機（１４）を備えるターボファンエンジン（１０）であって、前記低圧圧縮機（１４）は、
その中に定められたブレード開口（１０４）を備える環状スプール（１０２）と、
前記ブレード開口（１０４）を通じて半径方向に挿入可能なロータブレード（１１２）であって、前記ロータブレード（１１２）は、ダブテール形状の根元部分（１１４）を備え、前記根元部分（１１４）は、前記ブレード開口（１０４）に対して普通より小さい、ロータブレード（１１２）と、
前記ブレード開口（１０４）の中に配置され、締まりばめによって前記根元部分（１１４）を前記ブレード開口（１０４）の中に結合するように構成された少なくとも１つの二次ダブテール部材（１１８）と、
を備える、ターボファンエンジン（１０）。
前記ブレード開口（１０４）は、前記環状スプール（１０２）の半径方向内側部分（１２２）に定められたブレード入口（１２０）と、前記環状スプール（１０２）の半径方向外側部分（１２６）に定められたブレード出口（１２４）とを備え、前記ブレード開口（１０４）は、前記ブレード入口（１２０）から前記ブレード出口（１２４）に向かって断面サイズが漸減し、前記根元部分（１１４）は、前記ブレード出口（１２４）に対して普通より小さい、請求項８に記載のターボファンエンジン（１０）。
前記ロータブレード（１１２）の半径方向内側に配置された保持部材（１３４）をさらに備え、前記保持部材（１３４）は、前記ロータブレード（１１２）の前記環状スプール（１０２）に対する半径方向の動きを制限するために配置され、前記保持部材（１３４）は、前記環状スプール（１０２）の半径方向内側部分（１２２）の周りを円周方向に延びる、請求項８に記載のターボファンエンジン（１０）。