JP3948926B2 - ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させる方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ブリスクロータ組立体を通り抜ける流路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、一般的に、共通の環状リムから半径方向外方に延びる複数のロータブレードを備える少なくとも１つのロータを含む。具体的には、ブリスクロータでは、ロータブレードは、ダブテール継手でリムに取り付けられるのではなくて、環状リムと一体に形成される。リムの外面は、一般的にロータ組立体を通り抜けて流れる空気の半径方向内側流路表面を形成する。
【０００３】
回転するブレードにより生じる遠心力は、ロータブレードの下方のリムの部分により担持される。遠心力は、リムとブレードの間に円周方向リム応力集中を生じる。その上に、過渡運転中のリムとロータディスクの間の熱勾配が、ロータ組立体の低サイクル疲労寿命に悪影響を及ぼす可能性のある熱応力を発生させる。しかも、リムは流路空気に直接さらされるので、熱勾配及びリム応力集中は増大される可能性がある。さらに、ロータブレードが回転すると、ブレード根元は、リム応力集中をさらに増大させる懼れがある局部的な力を生じる可能性がある。
【特許文献１】
米国特許６，０１７，１８６公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
円周方向リム応力集中の影響を減少させるために、追加材料を各根元フィレットに取り付け、根元フィレットの半径を増大させる。しかしながら、根元フィレットは流路空気に曝されるので、根元フィレットに取り付けられる追加材料は、流れ性能に有害となる可能性がある。
【０００５】
他の既知のロータ組立体は、リム前縁と後縁の間のリムの軸方向部分にわたって隣接するロータブレード間に延びる複数のくぼみを備える。くぼみは、根元フィレット及びロータブレードと組み合わさって一体形の複合形状を構成し形成する。一般的に、かかるくぼみは、電解加工すなわちＥＣＭプロセスを用いて形成される。ＥＣＭプロセスに固有の寸法管理の限界のために、表面の凸凹が、不可避的に生じる可能性がある。かかる表面の凸凹は、リムに応力半径を生じ、それが結果として表面応力集中を増大させることになる可能性がある。従って、表面の凸凹は、作業台を使って手作業でミル加工される。かかる作業台を使った手作業は、ロータ組立体の製造原価を増大させる。さらに、かかるくぼみは、リム後縁まで延びているので、前方に面する段部が、隣接する下流のステータ段に生じる。かかる段部は、流れ性能に有害になる可能性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態において、ブリスクロータ組立体は、エンジン運転中に発生する円周方向リム応力の減少を促進するための湾曲した外面を備える外側リムを含む。より具体的には、例示的な実施形態において、ロータ組立体は、複数のロータブレード及び半径方向外側リムを備えるブリスクロータを含む。ロータブレードは、リムと一体に形成されて、リムから半径方向外方に延びる。根元フィレットが、ロータブレード／リム接合面に支持を与えて、ロータブレードとリムの間の各ロータブレード／リム接合面の周りを円周方向に延びる。リムは、隣接するロータブレード間に延びる凹状の湾曲したくぼみを有する外面を含む。各湾曲したくぼみは、ロータブレードの前縁からロータブレードの後縁に向かって延びて、複合半径を形成する。複合半径は、第１の半径及び第２の半径を含む。第１の半径は、各ロータブレードの正圧側面に隣接する根元フィレットにより形成され、また第２の半径は、第１の半径より大きく、第１の半径から延びる。各くぼみは、隣接するロータブレード間の外側リムの部分内における端部まで傾斜している。
【０００７】
運転中に、ロータブレードが回転するとき、ブレードにより生じる遠心荷重は、各ロータブレードの下方の外側リムの部分により担持される。空気が隣接するロータブレード間を流れるとき、外側リムは、ロータブレードと外側リムの間で生じる可能性がある熱勾配の減少を促進するので、少なくとも一部の他の既知のロータ組立体に比較して、ロータ組立体の低サイクル疲労寿命（ＬＣＦ）に影響を及ぼす可能性がある熱応力を減少させる。湾曲した表面は、応力を遮蔽し、ロータブレード根元フィレットの下方の円周方向応力を遮断することにより応力集中を減少させる。第２の半径は第１の半径より大きいので、円周方向応力領域に生じる応力集中は少なくなり、また少なくとも一部の他の既知のロータ組立体と比較して、リムとロータブレードの間に生じる円周方向リム応力集中は少なくなる。結果として、ロータ組立体は、高性能運転を可能にし同時に円周方向リム応力集中の減少を促進する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンエンジン１２に用いられるロータ組立体１０の１部の概略図である。１つの実施形態において、ガスタービンエンジン１２は、オハイオ州シンシナチのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＦ４１４エンジンである。例示的な実施形態において、ロータ組立体１０は、軸方向中心軸線（図示せず）の周りに同軸に軸継手１６により一体に結合されたロータ１４を含む。各ロータ１４は、１つ又はそれ以上のブリスク１８により形成され、各ブリスク１８は、環状の半径方向外側リム２０、半径方向内側ハブ２２及びそれらの間で半径方向に延びる一体のウェブ２４を備える。各ブリスク１８はまた、リム２０から半径方向外方に延びる複数のブレード２６を備える。ブレード２６は、図１に示す実施形態においては、それぞれのリム２０と一体に結合されている。それに代えて、また少なくとも１つの段について、各ロータブレード２６は、それぞれのリム２０中の相補形のスロット（図示せず）内に取り付けられるブレードダブテール（図示せず）を用いる既知の方法で、着脱可能にリム２０に結合されてもよい。
【０００９】
図１に示す例示的な実施形態には、５つのロータ段が示され、ロータブレード２６は、空気のような原動力となる流体、すなわち作動流体と協働できるように構成されている。図１に示す例示的な実施形態においては、ロータ組立体１０は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機であり、ロータブレード２６は連続する段において原動力となる流体空気を好適に圧縮することができるように構成されている。ロータリム２０の外面２８は、空気が段から段へと圧縮されるとき、圧縮機の半径方向内側の流路表面を形成する。
【００１０】
ブレード２６は、軸方向中心軸線の周りを特定の最大設計回転速度まで回転し、回転構成部品に遠心荷重を生じさせる。回転するブレード２６により生じる遠心荷重は、各ブレード２６のすぐ下方のリム２０の部分により担持される。ロータ組立体１０及びブレード２６の回転は、空気にエネルギーを与えて、空気は、最初は加速され次いで拡散により減速されてエネルギーを回復し、空気を加圧または圧縮する。半径方向内側流路では、隣接するロータブレード２６が円周方向の境界となり、またシュラウド（図示せず）が半径方向の境界となる。
【００１１】
ロータブレード２６の各々は、前縁４０、後縁４２及びその間に延びるボディー４４を含む。ボディー４４は、負圧側面４６及び円周方向に対向する正圧側面４８を含む。負圧側面４６及び正圧側面４８は、それぞれ軸方向に間隔を置いて配置された前縁４０と後縁４２の間でそれぞれ延び、かつロータブレード先端５０とロータブレード根元５２の間の半径方向スパン内に延びている。ブレードの翼弦５４は、それぞれロータブレード後縁４２とロータブレード前縁４０の間で測定される。ロータブレード２６はまた、ロータブレード前縁４０とリム先端６２の間に延びる前縁根元フィレット６０を含む。リム先端６２は軸対称である。１つの実施形態において、リム先端６２は旋盤で製作される。
【００１２】
図２は、外側リム２０から半径方向外方に延びるロータブレード２６を含むロータ組立体１０の１部の上面図である。図３は、図２に示す線３−３で切断されたロータ組立体１０の１部の断面図である。ロータブレード根元フィレット８０は、ロータブレード根元５２に隣接して各ロータブレード２６を取巻き、かつロータブレード２６とリム外面２８の間に延びる。各根元フィレット８０は、各根元フィレット８０がロータブレード根元フィレット８０に隣接する頂点８２から円周方向外方に傾斜するように、半径Ｒ₁により形成される。１つの実施形態において、根元フィレット半径Ｒ₁は、ロータブレード厚さＴのおよそ２５％から７５％までに等しい。
【００１３】
凹状形状の湾曲した表面９０は、窪んでおり、根元フィレット８０から隣接するロータブレード２６間に延びる。より具体的には、各湾曲表面９０は、隣接するロータブレードフィレット８０間に延びて、各ロータブレード正圧側面４８に隣接して形成される。各湾曲表面９０は、ロータブレード前縁４０からロータブレード後縁４２に向かって距離９２だけ後方に延びる。距離９２は、ブレード根元の翼弦５４より小さい。距離９２で湾曲表面９０が終わり、また外面２８が隣接するロータブレード根元フィレット８０の間に延びて、湾曲表面９０を含まないように、湾曲表面９０は傾斜している。１つの実施形態において、距離９２は、ブレード根元の翼弦５４（図１に示す）のおよそ１０％から２０％の間である。
【００１４】
各湾曲表面９０は、各根元フィレット８０と共に複合半径を作り出す。複合半径は、各ロータブレード正圧側面４８に隣接しており、各複合半径は、根元フィレット８０により形成される第１の半径Ｒ₁、及び第１の半径Ｒ₁より大きい第２の半径Ｒ₂を含む。１つの実施形態において、第２の半径Ｒ₂は、第１の半径Ｒ₁のおよそ５倍から１０倍の大きさである。湾曲表面９０は、例えば、フライス削りを用いて形成され、ロータブレード２６とは独立して形成され製作されることが可能である。湾曲表面９０は、ロータブレード２６とは独立して形成されるので、湾曲表面９０は、現在市場にある部品（図示せず）に追加して、かかる部品の有効寿命を延ばすことができる。
【００１５】
リム外面２８の部分９６は、隣接するロータブレード２６間のブレード根元フィレット８０に隣接する基準流路から半径方向内方に窪んでいる。リム外面９６は、さもなければ複合フィレット９０により閉塞されるはずの隣接するロータブレード２６間の空気流を回復することを可能にする。
【００１６】
運転中に、ブレード２６が回転するとき、回転するブレード２６により生じる遠心荷重は、ロータブレード２６の下方のリム２０の部分により担持される。リム２０の外面２８は、空気が段から段へと圧縮されるとき、ロータ組立体１０の半径方向内側流路表面を形成する。リム外面２８が、凹状の湾曲表面９０を含むことにより、空気流は、直近のブレード２６から離れるように隣接するブレード２６間の流路の中央部（図示せず）に向かって全体的に導かれ、このことが空気力学的性能の損失を減少させる。より具体的には、凹状の湾曲表面９０のために、ロータブレード正圧側面４８の周りを流れる空気は、ロータブレード負圧側面４６の周りを流れる空気よりもリム外面２８に対してより高い半径方向高さにある。各窪んだリム外面部分９６は、さもなければ複合フィレット９０により閉塞されるはずの隣接するロータブレード２６間の空気流を回復することを可能にする。
【００１７】
湾曲表面９０は、応力を遮蔽して、根元フィレット８０の深さより下方の深さにおいて円周方向応力を遮断することにより、周方向応力集中の減少をさらに促進する。湾曲表面半径Ｒ₂は、根元フィレット半径Ｒ₁より大きいので、同じ円周方向応力領域で生じる応力集中は少なくなり、またブレード／リム接合面（図示せず）の位置におけるリム２０とロータブレード２６の間で生じる円周方向リム応力集中が、くぼみ半径Ｒ₂が根元フィレット半径Ｒ₁より大きくない場合に生じる可能性がある応力集中より少なくなる。接合面でのかかる応力集中を減少させることで、リム２０のＬＣＦ寿命を延ばすことが促進される。
【００１８】
上記の実施形態の種々の変更が可能である。例えば、凹状複合半径の形状と異なるより複雑な形状を、隣接するブレード２６間のリム外面２８に対して選定することが可能である。一般的に、外面２８の形状は、リム２０中に生じる円周方向リム応力集中を効果的に減少させるようにに選定される。さらに、湾曲表面９０を含むようにリム２０を製作するかまたはフィレット溶接を用いて湾曲表面９０を形成するのに代えて、各ロータブレード２６は、ブレード／リム接合面の位置に所望の湾曲表面９０を設けるように製作することができる。
【００１９】
上記のロータ組立体は、対費用効果がよく、しかも信頼性が高い。ロータ組立体は、凸面形状を備える外側リムから半径方向外方に延びる複数のロータブレードを含む。リムは、隣接するロータブレード間において、ロータブレード前縁からロータブレード後縁に向かって、ロータブレード負圧側面に沿って延びる複数の円周方向に凹状のくぼみを含む。くぼみは、ロータ前縁と後縁の間で外側リム外面内に傾斜する。運転中に、湾曲表面の複合半径が、応力を遮蔽し、ロータブレード根元フィレット接点より下方において、円周方向応力を遮断することにより応力集中を減少させる。結果として、ロータブレードとリムの間に生じる円周方向リム応力集中が少なくなる。さらに、くぼみは、ブレード間の空気流の増加を促進する。
【００２０】
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、発明は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施することが可能であることは、当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジン用のロータ組立体の１部の概略図。
【図２】 図１に示すロータ組立体の１部の上面図。
【図３】 図２に示すロータ組立体の１部の断面図。
【符号の説明】
２０ 外側リム
２６ ロータブレード
２８ 外側リム外面
４０ 前縁
４２ 後縁
４６ 負圧側面
４８ 正圧側面
５０ ロータブレード先端
５２ ロータブレード根元
８０ 根元フィレット
９０ 湾曲表面
９６ 窪んだリム外面部分

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１２）において、半径方向外側リム（２０）及び該外側リムから半径方向外方に延びる複数のロータブレード（２６）を備え、前記外側リムは外面（２８）を備え、各ロータブレードは前縁（４０）及び後縁（４２）を備えるロータ（１４）を含むロータ組立体（１０）を円周方向リム応力集中の減少を促進するように製作する方法であって、隣接するロータブレード間に、複合半径を備える複数の円周方向に凹状のくぼみ（９０）を形成する段階と、前記くぼみを前記外側リム内に前記ロータブレード前縁から前記ロータブレード後縁に向かって延ばす段階と、を含むことを特徴とする方法。
2. 複数のくぼみ（９０）を形成する前記段階は、第１の半径及び第２の半径を含む前記複合半径を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各ロータブレード（２６）は、正圧側面(４８)及び円周方向に対向する負圧側面（４６）を含み、複数のくぼみ（９０）を形成する前記段階は、各ロータブレード負圧側面に隣接して複数のくぼみを形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. ガスタービンエンジン（１２）用のロータ組立体（１０）であって、半径方向外側リム（２０）及び該半径方向外側リムから半径方向外方に延びる複数のロータブレード（２６）を備えるロータ（１４）を含み、前記外側リムは、外面（２８）、前縁（４０）及び後縁（４２）を含み、前記外側リム外面は、複合半径を備える円周方向に凹状の形状を含み、該凹状形状は、隣接する前記ロータブレード間で前記外面の１部分にわたって前記ロータブレード前縁から前記ロータブレード後縁に向かって延びており、前記ロータブレードと前記半径方向外側リムの間の円周方向リム応力集中を減少させるように構成されていることを特徴とするロータ組立体（１０）。
5. 前記ロータ（１４）は、複数のブリスク（１８）をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載のロータ組立体（１０）。
6. 前記複合半径は、第１の半径及び第２の半径を含み、前記第１の半径は、前記第２の半径の１０倍の大きさであることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のロータ組立体（１０）。
7. 前記複数のロータブレード（２６）の各々は、正圧側面（４８）及び負圧側面（４６）をさらに含み、前記正圧側面は、前記負圧側面に円周方向に対向しており、前記凹状形状は、前記ロータブレード負圧側面の各々に沿って延びていることを特徴とする、請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載のロータ組立体（１０）。
8. 前記複数のロータブレード（２６）の各々は、前記外側リム外面（２８）と前記ロータブレードの間に延びる根元フィレット（８０）をさらに含むことを特徴とする、請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載のロータ組立体（１０）。
9. 前記外側リムの凹状形状は、前記ロータブレード（２６）の各々と前記外側リムの間の接合面から離れるように空気流を導くことを特徴とする、請求項４ないし請求項８のいずれか一項に記載のロータ組立体（１０）。
10. 請求項４ないし請求項９のいずれか一項に記載されるロータ組立体（１０）を含むガスタービンエンジン（１２）。

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