JP4101508B2 - ロータアセンブリ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレードを備えるロータアセンブリに関し、特に、ガスタービンエンジン用のブレードを備えるロータアセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】
ブレードを備えるロータアセンブリは、ガスタービンエンジンの圧縮機やタービン用のものなどが当該技術分野で周知である。このようなアセンブリでは、各ブレードが、ブレードの最も径方向内側の端部と一体となった根部によってロータディスクに取り付けられている。根部は、対応するブレード根部スロット内にぴったりとはまり、このスロットは、ディスクのリムを通ってほぼ軸方向に延びているが、ディスク軸の真の方向に対してある角度を有している。隣接する一対のスロット間に周方向に設けられたディスク材料は、しばしばディスクラグと呼ばれる。ブレード根部は、径方向外側に面する反作用面を含み、これが対応するブレード根部スロットの径方向内側に面する反作用面と接触する。ロータの動作中に、これらの接触面を通してディスクおよびディスクラグにブレード負荷が伝達される。典型的には、ブレード根部は、ディスクの前面から後面まで延在し、接触する負荷反作用面も、ディスクの前面から後面まで(すなわちスロットの全長にわたって)延在する。これは、ブレードを備えるディスクで、従来設計のタブテール形状の根部およびスロットやもみの木形状の根部およびスロットを有するものに当てはまる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
部材寿命を延長するためには、一般に、ディスクおよびブレード内の応力をできる限り低く保つことが望ましい。また、飛行のために設計されたガスタービンエンジンでは、効率的な動作、長い寿命、および安全性を得るために、ディスクやブレードなどの部材の重量を最小化することも望ましい。より軽量なブレードによって、発生する遠心力が比較的小さくなるので、ディスク内の応力も減少させることができる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ブレードを備えるロータディスクアセンブリは、複数の周方向に離間されたブレード根部スロットを含み、これらのスロットは、ディスクの軸方向に対してある角度でディスクを通って延びるとともに、スロットの全長よりも短い距離にわたって、スロット内に配置されたブレード根部の径方向外側に面する対応する負荷反作用面と接触して連続的に延びる径方向内側に面する負荷反作用面を有する。
【0005】
“負荷反作用面”とは、ロータの動作中にブレードからディスクに負荷を伝達するように互いに接触または係合するブレード根部およびブレード根部スロットの面である。これらの面は、接触時に“負荷伝達境界面”を形成する。
【0006】
より詳細には、本発明では、従来技術におけるブレード根部スロットの端部の近傍の負荷伝達境界面部分を除去し、残る負荷伝達境界面にわたる負荷によって、ディスクラグにかかるトルク負荷の減少につながるより対称的な負荷分布、ディスクラグやブレード根部にかかる全負荷の減少、およびディスクラグおよびブレード根部内の最大応力レベルの減少のうちの1つまたはそれ以上の利点が得られる。
【0007】
これらの利点が得られる1つの理由は、従来の根部およびスロット設計では、ブレード根部の一方側の負荷反作用面がスロットの全長にわたって延在すると、スロットのこの側において、最大でかつ最も集中した反作用負荷がスロットの一方の端部に隣接して生じるとともに、スロットの同じ側において、比較的低くかつ比較的集中していない(すなわちより均一な)反作用負荷がスロットの他方の端部に隣接して生じる。従って、反作用負荷がより低く、かつより均一なスロット端部では、負荷伝達境界面1平方インチ当たりのディスクラグ材料がブレード負荷の比較的小さい部分を支持しており、高反作用負荷端部では、負荷伝達境界面1平方インチ当たりのディスクラグ材料がブレード負荷の比較的大きい部分を支持している。スロットの両側の負荷が低い端部における負荷伝達境界面領域を除去することによって、スロットの両側における残りの負荷伝達境界面にわたる反作用負荷がより均一になるとともに最大応力が減少する。
【0008】
本発明の1つの実施例では、スロット端部に隣接し、かつ一般に根部反作用面の低負荷部分に面するスロットの両側の小さな領域が、該領域にわたって根部とスロットとの間に間隙が形成されるように上記低負荷領域から離間されている。他の全ての面では、ブレードおよびディスクアセンブリは、従来と同様であると見なすことができる。根部の両側における小さくなった負荷伝達境界面にわたる反作用負荷は、間隙がない場合よりも均一となるとともにディスクラグ内の最大応力が減少する。
【0009】
本発明の他の実施例では、通常ディスクラグに比較的低い負荷を伝達する従来のブレード根部の端部が除去され、ブレード根部の両側におけるより小さい負荷伝達境界面の残りの長さに沿って反作用負荷がより均一になることに加えて、ブレード重量の減少という利点が提供される。これにより、ディスクラグにかかる全反作用負荷、応力、および/またはトルクを減少させることができる。トルク負荷の減少は、ブレードラグの捻れが小さくなることを意味し、これに応じてブレードの捻れも小さくなる。
【0010】
本発明の上述の特徴および利点は、例示的な実施例に関する以下の詳細な説明および添付図面によってより明らかとなる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1,2を参照すると、本発明の例示的な実施例を含むガスタービンエンジンのロータアセンブリ100は、ロータディスク102と複数のロータブレード104を含むが、図では1つのロータブレード104だけが示されている。各ブレード104は、根部106、プラットフォーム108、およびエアフォイル110を備える。ディスク102は、回転軸111、後面112、前面114、およびリム116を備える。複数のブレード根部スロット118が方向D(図3参照)で後面112から前面114に延びている。隣接する対となったスロット118は、それぞれ間にディスクラグ120を定める。各ブレード104の根部106は、対応する1つのスロット118内に配置される。
【0012】
図3を参照すると、各スロット118は、ディスク軸111の方向に対して鋭角θの方向Dに延びている。この角度は、一般に約10°〜30°であり、この例では、θは24°である。図4で最もよく示されているように、ブレード根部106は、周知の“ダブテール”形状であるが、本発明はダブテール形根部を備えるブレードに限定されるものではない。各ブレードの根部106は、平らでかつ径方向外側に面した一対の負荷反作用面122A,122Bを有し、これらの負荷反作用面は、根部106の両側にそれぞれ1つずつ延びている。面122A,122Bは、平らでかつ径方向内側に面した対応するスロット負荷反作用面124A,124Bとそれぞれ接触する。これらの対となった接触面によって形成される境界面は、ロータの動作中にこれらの境界面にわたってブレード負荷がディスクラグに伝達されるので、以下で負荷伝達境界面と呼ぶ。
【0013】
従来技術では、ブレードの根部、ディスクスロット、および負荷伝達境界面は、同一の長さであり、この長さは、通常スロットの方向Dで測定されたスロットの全長L(図3参照)である。本発明では、ブレード根部負荷反作用面122A,122Bの少なくとも1つ、好ましくは両方は、スロット118の長さよりも短い。これは、図3に最もよく示されており、ブレード根部106は、完全にスロット118内に位置している一方で、スロットの方向Dに垂直でかつ反対向きの端面126,128を有している。従って、図5,6に最もよく示されているように、クロスハッチングされた負荷伝達境界面130A,130Bは、ブレード根部負荷反作用面122A,122Bの長さに対応する長さM,Nをそれぞれ有する。図7は、ブレード104を径方向外側から見た図であり、ブレードプラットフォーム108およびディスクの前面と後面114,112に対するブレード根部106の向きおよび位置を示している。
【0014】
従来技術に対する本発明の特定の利点を理解するために、図3,図5,図6も参照されたい。本発明では、根部負荷反作用面122A,122Bは、それぞれ点Yと点Z1の間、点Wと点X1の間でスロット負荷反作用面124A,124Bとそれぞれ接触する。説明のために、従来技術のロータアセンブリで一般的であるように、根部負荷反作用面の径方向範囲(すなわち図4においてR1からR2)にわたって根部端面126,128がディスクの前面と後面112,114と同一平面内に実質的に位置するように、ブレード根部負荷反作用面122A,122Bとスロット負荷反作用面124A,124Bがスロット118の全長にわたって延びている(すなわち角度αは、図3ではθと等しいが、この角度αが0°である)と仮定する。この場合には、ブレード負荷は、スロットの全長L、つまり一方側では点X2から点W、そして他方側では点Z2から点Yにわたってディスクラグに伝達される。このような従来技術の構成におけるそれぞれのブレード根部とスロットの反作用面の長さLに沿った反作用負荷の大きさは、曲線132,134によって表されており、これらの曲線は、上述の構成のコンピュータモデルによって生成されたものである。図3の曲線136,138は、(図1に全体として示した)本発明に従って改良された同じロータアセンブリのコンピュータモデルによって生成されたものであり、ブレード根部負荷反作用面122A,122Bの全長、つまり長さM(点X1から点W)および長さN(点Z1から点Y)に沿った反作用負荷の大きさを表している。曲線132,136から線X2−Wまでの垂直距離と、曲線134,138から線Z2−Yまでの垂直距離は、反作用負荷の大きさを示している。
【0015】
従来技術の曲線132,134と本発明の曲線136,138とを比べると、従来技術のロータアセンブリ形状では、スロットの各側の長さに沿った負荷は、スロットの一方の端部で大きく、次第に減少して他方の端部で比較的低くなっている。これに反して、本発明のロータアセンブリ形状では、ブレード根部106の長さにわたって負荷がより均一であり、ブレード根部106の各端部126,128の近傍で負荷が高くなっているとともに端部間で負荷が比較的低くなっていることが曲線によって示されている。さらに、スロット118の各側における最大反作用負荷が、本発明のロータアセンブリにおいて相対的に低い。また、コンピュータモデリングにより、本発明のロータアセンブリにおけるディスクラグ120内の最大応力集中が、従来技術に比べて低いことが示されている。
【0016】
上述の実施例における主な利点は、ブレード根部106の長さを減少させることによって得られるブレード重量の減少である。これにより、ディスクラグ120にかかる全負荷および対応する応力レベルが減少し、また、根部106の長さにわたる負荷がより均一になることによって応力集中がさらに減少する。一見したところでは、負荷反作用表面積の減少によって、このような利点が打ち消されるように思えるが、スロット118端部の近傍における(図5,図6におけるクロスハッチングされていない部分である)従来の反作用面の除去部分は、スロット118の全長にわたる単位表面積当たりの平均負荷に対して、単位表面積当たり全負荷の比較的小さい部分のみを支持していたので、負荷反作用表面積の減少は特に悪影響を及ぼすものではない。
【0017】
上述の実施例では、ブレード根部端面126,128は、ブレード根部負荷反作用面122A,122Bに垂直であるが、これは必要条件ではない。しかし、対称性を保つためにブレード根部端面126,128が互いに平行であることが好ましい。従って、(図3に示すように)ブレード根部106が、(方向Dで)スロット長さLよりも短い長さを有する平行四辺形の断面形状を有する場合に、ブレード重量の減少によって従来技術に対して利点を有し得る。角度αは、好ましくは0°〜θの間である。ブレード根部端面126,128は、平行であることが好ましいが、必ずしも平行である必要がない。つまり、長さM,Nは、等しくなくてもよいが、これらの少なくとも一方が長さLよりも短くなくてはならない。
【0018】
図8,図9,図10には、本発明の他の実施例が示されている。ロータアセンブリ200は、ディスク202と複数のブレード204を含むが、ここでは1つのブレードのみを示している。ディスク軸には、参照番号211が付されている。ディスク202は、そのリム216に近接して平行でかつ反対向きの前面および後面214,212を備える。また、ディスク202は、ディスクラグ220によってこれらのラグの間に定められ、かつ前面214から後面212までディスクのリム216を通って延びる複数の周方向に離間されたブレード根部スロット218を備える。前の実施例と同様に、スロット218は、ディスク軸211に対してある角度で切られている。各ブレード204は、ダブテール形状の根部206、プラットフォーム208、およびエアフォイル210を含む。この実施例では、従来技術のロータアセンブリと同様に、ブレード根部206が対応するスロットの全長にわたって延在しており、根部端面226,228が、少なくとも根部負荷反作用面222A,222Bの径方向範囲にわたってディスクの対応する端面212,214と実質的に面一となっている。
【0019】
本発明のこの実施例では、ブレード根部206の両側のラグ220は、ブレード根部負荷反作用面222A,222Bと接触するスロット負荷反作用面224A,224Bの一部を形成する材料をカットバックすなわち除去するように、反対側の端面212,214のリム216に切られたポケット300,302をそれぞれ有する。
【0020】
従って、ブレード根部の断面がクロスハッチングされている図9に示すように、根部負荷反作用面222Aおよびスロット負荷反作用面224Aは、共にE1からFまで延在している。同様に、スロットの反対側の対応する反作用面222Bと224Bは、G1からHまで延在する。ポケット300,302は、基本的に、各ラグ220との間に間隙304,306と、以下で根部負荷反作用面222A,222Bの延長部(E1からE2までの長さを有する)308,(G1からG2までの長さを有する)310と呼ばれる部分と、をそれぞれ形成する。
【0021】
図11,図12は、上述した実施例の図5,図6と類似し、図8の実施例におけるスロットの両側の負荷伝達境界面230A,230Bを示している。L,M,Nは、図5,図6と同様の長さを指し示す。これらの2つの実施例によって、同一の負荷伝達境界面を得ることができることが直ちに分かる。図1の実施例は、ブレード根部106の長さを実際に短くすることによってこれを達成し、図8の実施例は、スロット表面の材料を除去してラグ220の一部とブレード根部206の一部との間に間隙を形成することでこれを達成する。いずれの場合でも、従来技術の負荷伝達境界面の“除去された”部分は、従来技術において反作用負荷が比較的低い領域に位置していた部分である。さらに、両方の実施例において、負荷伝達境界面の長さに沿って伝達される負荷は、従来技術よりも均一であり、これにより、ラグの最大応力を低下させることができる。従って、図3の曲線136,138の全体的な形状は、図8でも同様に得られるが、図1の実施例は、ブレード重量の減少およびこれに対応してラグに伝達されるブレードの全負荷が比較的低いという追加の利点を有する。
【0022】
本発明は、例示的な実施例に基づいて説明および図示したが、当業者であれば分かるように、上述および種々の他の変更、省略、および追加は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに行うことができる。例えば、ブレード根部とスロットとの間の間隙304,306に類似する間隙を、ディスクラグではなくブレード根部負荷反作用面から少量の材料を除去することによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るロータアセンブリの後方からの部分説明図である。
【図2】ロータディスク軸を含む、図1の2−2線に沿ったロータディスクラグの断面図である。
【図3】従来技術のディスクアセンブリと本発明の一実施例のディスクアセンブリにおけるスロットの長さに沿った反作用負荷の変動を示す、図2の3−3線に沿った断面図である。
【図4】ブレード根部スロットの長さに平行な図3の方向Dからの説明図である。
【図5】図1の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図4の5−5線に沿った説明図である。
【図6】図1の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図4の6−6線に沿った説明図である。
【図7】図1の実施例におけるブレード根部の断面形状とディスクの前面、後面およびブレードプラットフォームに対する全体的な位置を示す、図2の7−7線に沿った断面図である。
【図8】本発明の他の実施例を含むロータアセンブリを示す、図2の断面図と同様のロータアセンブリの断面図である。
【図9】図8の9−9線に沿った概略断面図である。
【図10】ディスクの後面に垂直な図9の方向Sからの、ブレードを取り除いた状態の説明図である。
【図11】図8の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図9の11−11線に沿った説明図である。
【図12】図8の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図9の12−12線に沿った説明図である。
【符号の説明】
106…ブレード根部
118…ブレード根部スロット
122A,122B…ブレード根部負荷反作用面
124A,124B…スロット負荷反作用面

Claims (10)

  1. 回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも10°である角度θを形成する方向Dで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Dで該スロットの一方側に位置する第1のラグ上に距離Mだけ延在する径方向内側に面する第1のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Dで該スロットの他方側に位置する第2のラグ上に距離Nだけ延在する径方向内側に面する第2のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Dで長さLを有しており、
    エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Dに距離Mだけ延在する径方向外側に面する第1の根部負荷反作用面と、方向Dに距離Nだけ延在する径方向外側に面する第2の根部負荷反作用面と、を有し、前記第1の根部負荷反作用面は、距離Mにわたって前記第1のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第2の根部負荷反作用面は、距離Nにわたって前記第2のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さLは、距離Mおよび距離Nの少なくとも一方よりも長く、
    前記ブレード根部は、前記方向Dに垂直で、かつそれぞれ反対方向に面する端面を備えていることを特徴とするロータアセンブリ。
  2. 距離Mと距離Nは等しいことを特徴とする請求項1記載のロータアセンブリ。
  3. 前記スロットの長さLは、距離Mおよび距離Nの両方の距離よりも長いことを特徴とする請求項1記載のロータアセンブリ。
  4. 前記ブレード根部のそれぞれの端面は、少なくとも前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって径方向の線と実質的に平行な平面部分を含み、前記平面部分は、互いに平行であるとともに距離Pだけ離間されており、距離Pは、前記ブレードスロットの長さLよりも短いことを特徴とする請求項記載のロータアセンブリ。
  5. 距離P、距離M、距離Nは、実質的に等しいことを特徴とする請求項記載のロータアセンブリ。
  6. 回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも10°である角度θを形成する方向Dで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Dで該スロットの一方側に位置する第1のラグ上に距離Mだけ延在する径方向内側に面する第1のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Dで該スロットの他方側に位置する第2のラグ上に距離Nだけ延在する径方向内側に面する第2のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Dで長さLを有しており、
    エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Dに距離Mだけ延在する径方向外側に面する第1の根部負荷反作用面と、方向Dに距離Nだけ延在する径方向外側に面する第2の根部負荷反作用面と、を有し、前記第1の根部負荷反作用面は、距離Mにわたって前記第1のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第2の根部負荷反作用面は、距離Nにわたって前記第2のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さLは、距離Mおよび距離Nの少なくとも一方よりも長く、
    前記ブレード根部の少なくとも1つの端面は、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって反対向きの前記前面または前記後面の一方と実質的に同一平面上にあり、前記根部負荷反作用面の少なくとも1つは、方向Dで前記少なくとも1つの端面までの延長部を含み、前記スロットは、前記根部負荷反作用面の延長部から離間されて間に間隙が残されることを特徴とするロータアセンブリ。
  7. 回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも10°である角度θを形成する方向Dで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Dで該スロットの一方側に位置する第1のラグ上に距離Mだけ延在する径方向内側に面する第1のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Dで該スロットの他方側に位置する第2のラグ上に距離Nだけ延在する径方向内側に面する第2のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Dで長さLを有しており、
    エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Dに距離Mだけ延在する径方向外側に面する第1の根部負荷反作用面と、方向Dに距離Nだけ延在する径方向外側に面する第2の根部負荷反作用面と、を有し、前記第1の根部負荷反作用面は、距離Mにわたって前記第1のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第2の根部負荷反作用面は、距離Nにわたって前記第2のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さLは、距離Mおよび距離Nの少なくとも一方よりも長く、
    前記根部の端面の一方が、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって前記前面と実質的に同一平面上にあり、前記根部の端面の他方が、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって前記後面と実質的に同一平面上にあり、前記根部負荷反作用面は、方向Dで対応する前記根部の端面までの延長部を含み、前記スロットは、前記根部負荷反作用面の各延長部から離間されて間にそれぞれ間隙が残されることを特徴とするロータアセンブリ。
  8. 距離Mと距離Nは、等しいことを特徴とする請求項記載のロータアセンブリ。
  9. 前記根部は、ダブテール形の根部であることを特徴とする請求項記載のロータアセンブリ。
  10. 前記根部は、ダブテール形の根部であることを特徴とする請求項1記載のロータアセンブリ。
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