JP3652373B2 - ロータブレードアッセンブリ用の傾斜したあり継ぎレール - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、そのロータブレードに関する。
背景技術
ガスタービンエンジンの広く使われている一形式として、ターボファンがある。このターボファンの本質的な特徴は、エンジンの前部における開口ダクト内に、軸流ファンが配設されていることである。このファンは、回転ブレードと固定ベーンとを備えている。個々のファンブレードは、翼部と、ファンディスクに保持されるあり継ぎ形状の基部と、を有している。ファンディスクには、このブレードのあり継ぎ型基部と係合するように、あり継ぎ形状をなすスロットが、周方向に複数個配列されている。このディスクとブレードは、一般に、合金にて形成されている。
気流による回転（windmilling）は、ガスタービンエンジンが晒される種々の条件の中の一つであり、不都合な結果をもたらす。この気流による回転は、航空機がエンジンを停止した状態で地上に駐機しているときに起こるものであり、風がエンジンの前部もしくは後部に流入し、接線方向（ディスクに対して）の動きをファンアッセンブリに伝え、これにより、ファンブレードがディスクのスロット内で揺動させられる。ファンブレードおよびディスクが回転すると、重力による力が、ブレードがエンジンのどちら側に配置されているかによって、各ブレードを接線方向反対側へ交互に引っ張ろうとする。気流による回転によってブレードが接線方向に往復動すると、ブレードはスロットの一側部からスロットの反対側の側部へ揺れ動き、このスロットの側部に衝突する。このように繰り返される衝撃は、ディスクとブレードの摩耗を引き起こす。ディスクおよびブレードは、いずれも摩耗防止用コーティングによって被覆されているが、それにも拘わらず、ディスクおよびブレードは、長い期間の間に、徐々に損傷を受ける。
あり継ぎ形状の基部は、その頂部がエンジン運転中の遠心力による荷重によって付加的に摩耗を生じるので、最も損傷を受けるのであるが、このあり継ぎ部の下面も、やはり摩耗する。このあり継ぎ部の下面における摩耗の問題は、ここに排出用開口部が位置することによって、さらに悪化する。この排出用開口部は、中空ファンブレードに特有でかつその製造上必要なものである。さらに、上記排出用開口部は、砂、塵埃、油等潜在的な汚染物質がブレードの中空キャビティ内に侵入しないように、シールしなければならない。この排出用開口部を塞ぐために用いられるシール材も、スロット内でのブレードの動きによる摩耗から保護されなければならない。
摩耗したブレードやディスクは、いずれも定期的に、補修、あるいは修理できないほどの損傷であれば、交換しなければならない。これらはいずれもコストが嵩む。気流による回転の際の接線方向の動きという問題は、翼幅中間部のシュラウド（mid−span shroud）を具備しない最近のブレードにおいて特に厳しいものとなる。この翼幅中間部のシュラウドは、構造的な支持を与え、かつ直立位置にある分離したブレードを保持しようとする。
Hondaらに付与され、かつUnited Technologies Corporationに譲渡された“ロータブレードアッセンブリ”という名称の米国再発行特許第33,954号には、各ディスクスロットの底面から外側へ延びた単一のウエッジ型突出部を有するとともに、対応するブレード基部の下面にテーパ面を備えたファンアッセンブリが開示されている。この構成は、ディスクからブレードを分解することを容易にするが、上述した気流による回転の際のブレードの接線方向の往復動を最小限にできるものではない。
エンジンの運転中に、ディスクは、周方向の（輪になった）応力を含め、最大の応力を受ける。このディスクにおける周方向の応力は、略円形をなし、ディスクの切れ目なく連続した外縁として画定される“有効な縁（live rim）”において、連続したものとして発生する。この周方向の応力は、ディスクスロットの底面における上述したウエッジ型突出部のような位置で発生すると、特に好ましくないものとなる。
このように、ディスクスロット内でのファンブレードの接線方向の往復動によって引き起こされる可能性があるファンブレードおよびディスクの損傷を、重量的な欠点を伴わずに、最小にする必要がある。さらに、ディスクスロットの底面近傍での環状応力（hoop stress）を低減する必要がある。
発明の開示
この発明によれば、一対の基部レールが、ガスタービンエンジンのブレードのあり継ぎ型基部の下面に設けられ、このブレード基部が保持されるあり継ぎ形状のスロットの中でのブレードの接線方向の往復動を最小にしようとしている。各基部レールは、ブレードの前縁から後縁へ向かって断面積が減少するようにテーパとなったウエッジ型をなしている。これらの基部レールによって、ブレードに広くかつ安定した基礎が与えられ、気流による回転の際におけるスロット内でのブレードの接線方向の往復動が最小限のものとなる。これらの基部レールの間に形成される基部溝によって、ブレードの重量は少なくなり、かつこの基部溝が、ブレードに形成されている複数の排出用開口部を、該開口部用のシール材とともに、スロット内でのブレードの接線方向の動きによる摩耗から保護している。
本発明の一つの面によれば、ディスクスロットの底面における一対のスロットレールが、ブレードの上記基部レールと合致する。各スロットレールは、ウエッジ型をなし、かつ対応するブレードの基部レールと逆のテーパ状をなしている。上記スロットレールの間に形成されるスロット溝によって、周方向の応力が、スロットレールの外側のへり（edge）から半径方向内側へ移動し、ディスクの疲労寿命が改善される。
本発明の上記の利点ならびに他の利点は、添付図面に示した実施例についての後述する詳細な説明によって、一層明確となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のロータブレードアッセンブリが用いられる形式のガスタービンエンジンの概略の部分断面図である。
図２は、本発明の一対の基部レールを有するファンブレードと、一対のスロットレールを有するファンディスクとを拡大して示す分解斜視図である。
図３は、図２のファンブレードおよびファンディスクの要部を前方から見た拡大断面図である。
図４は、図３の４−４線に沿った方向の部分断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１に示すように、ガスタービンエンジン10は、ファン部12と、コンプレッサ部14と、燃焼器部16と、タービン部18と、を備えている。空気20は、エンジン10の各部12〜18を、軸方向に沿って流れる。ファン部12は、エンジンによって生成される全体の推力に寄与するように、空気を加速する。この分野において良く知られているように、コンプレッサ部14で圧縮された空気は、燃料と混合されて燃焼器部16において燃焼し、かつタービン部18で膨張する。これにより、タービン部18が回転し、かつファン部12およびコンプレッサ部14が駆動する。
ファン部12は、１つのファンディスク32と、複数のファンブレード34とを、開口ダクト36内に備えている。ディスク32は、図２に示すように、ファンブレード34を保持するために、該ディスクの外周部に形成された複数のあり継ぎ型スロット40を有している。
各ファンブレード34は、翼型部42と、あり継ぎ型基部44と、を有している。上記翼型部42は、前縁50から後縁52へ翼弦方向に延びた凹面の壁面46と凸面の壁面48とを有している。上記あり継ぎ型基部44は、該基部44の下面56から突出した一対のウエッジ型の基部レール54を有している。上記基部レール54は、ブレード34の前縁50から後縁52へ向かって断面積が減少するようにテーパとなっている。この一対の基部レール54の間には、基部溝58が形成されている。上記ブレード34の内部には、図３に示すように、中空キャビティ60が設けられている。キャビティ60とあり継ぎ型基部44の下面56上の基部溝58とを連通するように、複数の排出用開口部62（これは製造上の理由で必要なものである）が、あり継ぎ型基部44内部に形成されている。基部溝58内で開口部62を覆うように設けられたシール材64が、該開口部62を閉鎖するために用いられており、汚染物質が中空キャビティ60内に侵入することを防止している。
上記あり継ぎ型スロット40のそれぞれは、底面70を有している。そして、スロット40がブレード34のあり継ぎ型基部44に完全に係合したときに、図４に示されているように、ブレード34の前縁50がディスク32の前端面73に揃い、かつブレード34の後縁52がディスク32の後端面74に揃うように、各スロット40は、ディスク32の前端面72から後端面74に延びている。ウエッジ型の一対のスロットレール76が、スロット40の底面70から突出している。上記スロットレール76は、上記基部レール54と合致するようにテーパとなっている。従って、上記スロットレール76の断面形状は、基部レール54のテーパとは逆に、前端面72から後端面74へ向かって徐々に増大している。このスロットレールの間には、スロット溝78が形成されている。
エンジン10の運転中に、ディスク32には、スロットレール76の外側のへり（edge）80の領域における周方向（環状）の高い応力を含めて、最大の応力が加わる。一対のスロットレール76の間のスロット溝78は、ディスク32内部の障害物となるので、環状応力の位置が、スロット底面の半径方向内側に移動する。このように、上記溝78は、スロットレール76のへり80における高い応力が集中する領域よりも半径方向内側に、周方向応力を移動させるので、ディスク32の疲労寿命を改善し、かつディスク32を、スロット溝78を具備しないディスクよりも多くの回数使用できるようにする。
気流による回転は、航空機がエンジンを停止した状態で地上に駐機しているときに起こるものであり、風がエンジンの前部もしくは後部に流入し、接線方向（ディスク32に対して）の動きをファン12に与える。ファン12が回転すると、重力による力が、ブレードがエンジンのどちら側に配置されているかによって、各ブレード34を接線方向反対側へ交互に引っ張ろうとする。一対の基部レール54によって、一層広く安定した基礎が与えられることによりスロット40内で再調整作用が得られ、ブレード34の接線方向の往復揺動が最小化する。基部溝58によって、材料が除去されるため、ブレード34全体の重量が少なくなり、かつ開口部62およびシール材64が、エンジンの気流による回転中におけるスロット40との接触から保護される。上述した着想は、ファンブレードに限定されず、ファン以外のブレードにも適用できるものである。

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンに使用するためのブレードであって、上記ブレードが、翼部と該翼部と一体となったあり継ぎ型基部とを有し、かつ上記翼部が前縁と後縁とを有するものにおいて、
   気流による回転の際のブレードの動きを最小にするように、上記あり継ぎ型基部の下面上に該下面と一体に一対の基部レールが設けられているとともに、
   この基部レールの間に基部溝が画定されていることを特徴とするブレード。
2. 上記の一対の基部レールは、ウエッジ型の外形を有し、かつ上記前縁から上記後縁へ向かって断面積が小さくなる方向にテーパをなしていることを特徴とする請求項１記載のブレード。
3. 上記基部溝内に複数の排出用開口部が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のブレード。
4. 複数のファンブレードと、この複数のファンブレードを受容する複数のあり継ぎ型スロットを備えたファンディスクと、を有し、かつガスタービンエンジンに使用するためのファンであって、各ファンブレードが、翼部と該翼部と一体となったあり継ぎ型基部とを有し、上記翼部が、前縁と後縁とを有し、上記ファンディスクが、上記ブレードの上記前縁に対応する前端面と上記ブレードの上記後縁に対応する後端面とを有し、さらに、上記あり継ぎ型基部が上記あり継ぎ型スロットに保持されているファンにおいて、
   気流による回転の際のブレードの動きを最小にするように、上記ブレードの上記あり継ぎ型基部の下面上に該下 面と一体に一対の基部レールが設けられているとともに、
   上記あり継ぎ型スロットの底面上に該底面と一体に一対のスロットレールが設けられ、かつ上記一対のスロットレールが上記一対の基部レールに合致し、
   上記一対の基部レールの間に基部溝が画定されていることを特徴とするファン。
5. 上記の一対の基部レールは、ウエッジ型の外形を有し、かつ上記翼部の上記前縁から上記後縁へ延びているとともに、上記ブレードの上記前縁から上記後縁へ向かって断面積が小さくなる方向にテーパをなしており、
   上記の一対のスロットレールは、ウエッジ型の外形を有し、かつ上記ディスクの上記前端面から上記後端面へ延びているとともに、上記ファンディスクの上記前端面から上記後端面へ向かって断面積が大きくなる方向にテーパをなしていることを特徴とする請求項４記載のファン。
6. 高い環状応力が半径方向内側に位置するように、上記一対のスロットレールの間に、スロット溝が画定されていることを特徴とする請求項４または５に記載のファン。

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