JP4179921B2 - 根元ノッチ付きタービンブレード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのタービンブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおいては、空気が、圧縮機内で加圧され燃焼器内で燃料と混合されて、高温の燃焼ガスを発生し、この高温の燃焼ガスがタービン段を通して下流に流れる。高圧及び低圧タービンは、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる対応するタービンロータブレードの列を含み、該ロータブレードによって高温燃焼ガスからエネルギーが取り出されディスクを回転させ、該ディスクの回転が、次に圧縮機及び典型的なターボファン式航空機エンジン用途における上流のファンに動力を与えるのに用いられる。
【０００３】
航空機エンジンに対する主要な設計目標は、重量を最小にしながらエンジンの性能を最大にすることである。従って、ガスタービンエンジンの様々な構成部品は、その許容応力限界を超えることなくそれら部品からできるだけ多くの重量を取り去るように設計される。
【０００４】
エンジンロータ構成部品は作動中に回転し、対応する応力をその中に発生する大きな遠心荷重を支持しなければならないので、特にエンジンロータ構成部品において重量を軽減することは、一層難しい。遠心荷重に加えて、ロータブレードは、空気が圧縮されていること又は燃焼ガスが圧縮機及びタービンを通して膨張することのために空気力学的荷重又は圧力荷重を受けやすい。
【０００５】
タービンロータブレードは作動中に高温燃焼ガスに曝されるので、該ロータブレードは、一般的に圧縮機から抽気される空気を用いて冷却される。典型的なタービンブレードは、内部に様々な冷却回路を有する中空の翼形部を含み、該冷却回路には、ブレードの支持ダブテールを貫通して半径方向に延びる入口開口を通してタービンブレードに流入する、圧縮機から得られた冷却空気が供給される。
【０００６】
タービンブレードのダブテールは、一般的にもみの木形状をした対応する上方及び下方ダブテールローブ即ちタングの対を含む。ロータディスクの周辺部は、相補形の上方及び下方支持ローブ即ちタングを有する対応するディスクポストの間に形成された軸方向のダブテールスロットの列を含む。
【０００７】
ディスクスロットは、一般的に通常のブローチ加工法を用いて製造され、このブローチ加工法においては、ディスクスロットの完成したもみの木形状が得られるまで、ロータ周辺部を貫通させて徐々に大きさが増す一連の切削工具を軸方向に移動させる。
【０００８】
従って、ディスクタングは、ディスクの前方端面と後方端面との間で軸方向に直線状である。また、対応するダブテールタングも、相補形のディスクタングと嵌り合うように軸方向に直線状である。
【０００９】
このように、二対のダブテールタングは、ディスクタングの対応する押圧面と係合する４つの軸方向に直線状の押圧面を形成して、作動中の各ブレードからの遠心荷重及び他の荷重を、ブレードを支持するディスクの周辺部に伝える。
【００１０】
他の設計では、ダブテールスロットは、エンジン中心線又は軸方向軸線に対してディスクリムを貫通して斜めにするか又は傾けられてもよく、それに対応してブレードダブテールは斜めにするか又は傾けられる。
【００１１】
ダブテールタングは、互いから円周方向に反対側に延びているので、下方及び上方タングの各対のすぐ上方に局部的に最小面積をもつ対応するネックが形成される。これらのダブテールのネックは、その面積がそこを横切る遠心荷重を拡散させてダブテール内に生じる最大応力即ちピーク応力を最小にするのに十分な寸法にされなければならない。ダブテール内のピーク応力は、作動中にブレードの適当な有効寿命を保証するように制限されなければならない。従って、ブレードダブテールは、その最大許容ピーク応力によって管理された最小の寸法を有する。
【００１２】
半径方向最内の即ち下方のダブテールタング対の強度を高めるために、ダブテールタングの根元端部は、その前方端面と後方端面との間でダブテールの軸方向長さ一杯に延び、かつ対応する対向したタングの底面端部の間でダブテールの横方向即ち円周方向の幅にわたって延びる長方形の付加的な材料のブロックを含むことができる。根元ブロックは、一般的に適当な半径をもつ、応力集中を減少させるための対応するフィレットにおいて下方タングに結合されている。
【００１３】
得られたブレードダブテールは、各ブレードからの全ての作動荷重をロータディスク中に伝達するために、該ブレードダブテールに必要とされるもみの木形状の観点からみて比較的複雑である。
【００１４】
個々のブレードダブテールの質量又は重量を軽減することは、現在はその最大許容ピーク応力によって制限されている。典型的なガスタービンエンジンは、各段の列内に多数のタービンブレードを含むので、ダブテールの許容ピーク応力を超えない限り、ダブテールの重量を対応して軽減させることによってエンジンの重量を更に軽減させることが望ましい。
【特許文献１】
米国特許第５１３９３８９号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、その最大許容ピーク応力を超えることなく、更に重量を軽減した改良されたダブテールを提供することが望まれている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
タービンブレードは、ダブテール付き翼形部を含む。ダブテールは、支持タングの対を含む。長方形の根元ブロックは、タングの根元端部の大部分にわたって該タングに跨る。ブロックは、ダブテールの１つの端面の手前で終わり、そこに選択的に重量を軽減するための根元ノッチを形成にする。
【００１７】
本発明を、好ましくかつ例示的な実施形態に従って、その更なる目的及び利点と共に、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明においてより具体的に説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に示すのは、ターボファン式ガスタービン航空機エンジンの例示的なタービンブレード１０である。エンジンは、空気１２を加圧するための通常の圧縮機(図示せず)を含み、該空気は燃焼器(図示せず)内で燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガス１４を発生し、この高温燃焼ガスは該ガスからエネルギーを取り出す高圧及び低圧タービンを通して下流に流れる。
【００１９】
図１に示す例示的なタービンロータブレード１０は、２段式高圧タービンの第２段に見られるものであり、この第２段はガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給する。低圧タービン(図示せず)が、ガスから付加的なエネルギーを取り出して、典型的なターボファン式航空機エンジン用途において圧縮機の上流に取り付けられたファン(図示せず)に動力を供給する。
【００２０】
各タービンブレード１０は、燃焼ガスの半径方向内側の境界を形成するプラットホーム２０において、軸方向挿入式のダブテール１８に一体に結合された好ましくは中空の翼形部１６を含む。
【００２１】
図２に更に示すように、各翼形部は、最初に燃焼ガスを受ける前縁２２及び軸方向に対向する後縁２４を含み、該前縁と後縁との間を延びるほぼ凹面形の正圧側面及び対向する凸面形の負圧側面が、燃焼ガスからエネルギーを取り出すように構成されている。
【００２２】
図２及び図３に示すように、ブレードダブテール１８の好ましい実施形態は、典型的なもみの木形状になった、横方向即ち円周方向に対向するローブ即ちタング２６の上方の対とタング２６の下方の対とを含み、図１及び図２に示すように支持ロータディスク３０の周辺部に形成された相補形の軸方向のダブテールスロット２８内に個々のブレードを支持する。各ダブテールスロット２８は、ダブルダブテールタングと相補形になっている軸方向に延びるローブ即ちタング３２を有する半径方向外方に延びるディスクポストの円周方向の間に形成されて、該ダブルダブテールタングの間に４つの押圧接触面を形成し、該押圧接触面を通してブレードからの遠心荷重及び他の荷重が支持ロータディスクに伝えられる。
【００２３】
図３に最も良く示されているように、上方及び下方ダブテールタングは、タービンブレードの半径方向即ち縦方向の軸線に関して対称形であり、かつ上方及び下方タングの対の各々の上方に局部的な最小断面積の対応する長方形のネック３４を形成するように幅が狭くなっている。エンジンの回転作動中にブレードにより生じる遠心荷重は、最初に上方ネックを通して半径方向内方に上方ダブテールタング中に伝えられ、支持ロータディスク内のダブテールスロットの対応する上方タング中に伝達される。
【００２４】
これらの遠心荷重の一部はまた、ダブテールの下方ネックを通して下方ダブテールタングによりロータディスク内のダブテールスロットの対応する下方タング中に伝えられる。このように、二対のダブテールタングは、ロータ作動中にタービンブレード内に生じる遠心荷重及び他の荷重全体を支持ロータディスク中に支持するために合わせて用いられる。
【００２５】
個々のタービンブレードの重量を軽減するために、対応するダブテール１８は、可能な限り小さく作られるが、エンジンの作動中にブレードの適当な有効寿命を保証するためにダブテール内の最大許容ピーク応力により制限される。ダブテールネック３４は最小断面積を有するので、それらは一般的にダブテール内のピーク応力の位置である。
【００２６】
図１及び図３に示すように、ダブテールはまた、下方タング２６の根元端部の大部分にわたって該下方タング２６に横方向即ち円周方向に跨る一体の長方形の根元ブロック３６を含むのが好ましい。従来のブレードダブテールにおいては、根元ブロックは、ダブテールの前方端面で始まり、ダブテールの後方端面まで完全に延びてそこで終わっている。長方形のブロックは、ダブテールの構造健全性及び強度を高めるが、それによってもたらされる重量の増大を制限するために半径方向のスパンにおいて非常に薄くなっている。
【００２７】
例えば、図１に示すディスクタング３２の軸方向に直線的な形状により、その支持剛性が軸方向に変化を生じていることを発明者達は見出した。具体的には、ディスクタング３２は、ディスク周辺部の前面及び後面付近の軸方向に対向する該ディスクタングの端部におけるよりもその軸方向中央部分における方が実質的に剛性がある。
【００２８】
従って、ディスクタングの軸方向の剛性の変化は、結果としてダブテールタング２６とディスクタング３２との間で伝えられる遠心力の軸方向の変化を生じる。
【００２９】
図３に示すように、詳細応力分析によると、ピーク即ち最大応力ＳＭは、ダブテールの２つの対向する端面３８、４０間の該ダブテールの軸方向中央付近の下方ダブテールネック３４内で起こること示している。従って、図３に示すダブルタング式のダブテールの寸法は、従来の常法によっては、局部的な最大応力ＳＭに近づくが、ダブテールに用いられている特定の材料についての許容される又は受け入れられるピーク応力を超えないような寸法以上には、もはや減少させることができない。
【００３０】
これに対応して、発明者達はまた、ダブテール内の作動応力は、ディスクタングのその軸方向の剛性の変化のために、ダブテールの両端面３８、４０においては最大応力ＳＭよりかなり低くなっていることを見出した。
【００３１】
本発明によると、図３に示す根元ブロック３６は、ダブテールの根元端部の全体にわたって完全には延びおらず、その代わりに前方端面４０の手前で終わり、そこに対応する根元ノッチ４２を形成する。この選択的に設置された根元ノッチは、作動中における応力の局部的な増大に対応するダブテールの強度を局部的に減少させる。従って、所定の許容最大応力を超えてブレードダブテール内の最大応力を増大させることなく根元ノッチ４２の寸法を最大にすることによって、ダブテール１８内に大きな付加的な重量軽減をもたらすことができる。
【００３２】
図３に示すように、根元ブロック３６は、下方タング対の一体の延長部であり、該下方タングと共通の鋳造品として該下方タングの半径方向下方に配置されている。タービンブレード全体は、最初に高圧タービン内の過酷な温度及び圧力環境に耐えるような適当な超合金を鋳造することによって製造される。ダブルタング対を含むダブテールは、最初は過剰材料を備える状態で鋳造され、その過剰材料は、通常の精密研削加工により除去されて、その最終形状及び寸法並びにその滑らかな表面仕上げを得ることができる。
【００３３】
図３及び図４に示すように、根元ブロック３６は、そこでの応力集中を最小にするような適当に大きい半径Ａを有する第１のフィレット４４において下方タング２６に結合されるのが好ましい。図３に示すように、根元ノッチ４２は、平坦であり、これもまたそこでの応力集中を減少させるような対応する大きい半径Ｂを有する第２のフィレット４６において根元ブロックにつながっている。例えば、第１のフィレットの半径は、約５０ミル（１．２７mm）とすることができ、また第２のフィレットの半径は、約１００ミル（２．５４mm）とすることができる。
【００３４】
根元ブロックは、第１のフィレット４４との接線から延びる高さＣを有しており、また第２のフィレット４６は、高さＤがブロックの高さＣと少なくとも同じ大きさであるのが好ましい。このように、許容される最大許容応力を超えてダブテール応力を極端に増大させることなく、ダブテールの前方端において過剰材料を最大限に除去するために、根元ノッチの深さは、最大にすることができる。
【００３５】
この好ましい実施形態では、第２のフィレット４６及び対応する根元ノッチ４２は、その深さＤがブロックの高さＣよりも大きい。また、図４に示すように、第２のフィレット４６は、根元ブロック３６の直線状側壁との第１のフィレットの接線を僅かに越えて第１のフィレット４４中に入り込む。
【００３６】
このように、ダブテールタングを支持する対応するディスクタングの減少した剛性と対応した前方端面４０付近のダブテールの根元端部から、最大限の材料を局部的に除去することができる。根元ノッチは、結果として前方端面付近の下方ネック３４内の局部的応力を対応して増大させる。
【００３７】
図３に示すように、根元ブロック３６は、該根元ブロックの対応する第１のフィレット４４における下方タング２６間を円周方向に横方向に延びる幅Ｅを有する。これに対応して、根元ノッチ４２は、ノッチの局部的領域内で除去される材料の量を最大にするような、ブロックの幅Ｅに等しい幅を有している。
【００３８】
根元ノッチ４２はまた、前方端面４０から第２のフィレット４６まで延びる軸方向の長さＦを有し、このノッチの長さＦはブロック幅Ｅの程度である。このように、根元ノッチは、円周方向即ち横方向の最大幅を備えた状態で軸方向には比較的短く、ディスクタングの比較的低剛性部分によって対応して支持されるダブテールの前方端面４０に直接隣接して局部的に配置される。
【００３９】
根元ノッチ４２の深さＤ及び長さＦは、ダブテール全体の重量を軽減するだけでなく根元ノッチのすぐ上方の下方ネック３４の部分において、下方ネックの残りの部分内の最大応力ＳＭに非常に近づくがそれを超えない応力ＳＬを生じるような寸法に全体として作られる。
【００４０】
上に示すように、ディスクタングの軸方向の形状により、それらのタングの軸方向に対向する端部におけるよりも該タングの軸方向中央付近においてより大きい剛性が生じることになる。このことは、図３に示すように、一般的に最大ダブテール応力ＳＭを下方ネック３４内のダブテールの軸方向中央付近で生じさせることになる。前方端面付近の下方ネック内の応力ＳＬは、それに応じて最大応力ＳＭよりも小さくなり、根元ノッチ４２を導入することで、下方部分の応力ＳＬの大きさは、増大するがネックの中央における最大応力ＳＭを超えないように制限される。
【００４１】
このように、前方端面付近の下方ネック内の応力を対応して増大させる、前方端面４０における根元ノッチ４２を局部的に導入することによって、ダブテール質量の大きな軽減を得ることができる。それにも拘わらず局部的応力ＳＬは最大応力ＳＭより小さいので、タービンブレードの有効寿命が短縮されることはなく、大きな重量軽減が得られる。
【００４２】
例えば、根元ノッチ４２は、下方タングの根元端部の全幅Ｅにわたって、ノッチの深さＤが約４０ミル（１mm）、ノッチの長さＦが約４００ミル（１０ｍｍ）であるような比較的小さいものとすることができる。例示的な第２段のロータブレードでは、このことは、結果として約１％のダブテール質量の軽減になり、航空機ターボファン式エンジンにおいては大きな量になる。
【００４３】
図３に示す根元ブロック３６は、特にダブテールを強化するために導入されるものであるので、該根元ブロックの過剰な除去は望ましくなく、制限されるのが好ましい。この好ましい実施形態では、根元ブロックは、根元ノッチ４２の導入位置において完全に終わり、根元ノッチは、重量軽減による過剰な局部的応力を生じることなく重量軽減を最大にするために、根元ブロックの高さより大きい深さを有している。別の実施形態では、根元ブロックは、根元ブロックの高さより小さい深さを有する対応する浅い根元ノッチの導入位置において一部のみが終わり、重量軽減をより少なくしながら応力の局部的増大を減少させることができる。
【００４４】
図５に示すように、翼形部の前縁２２は、根元ノッチ４２と縦方向即ち半径方向に整列されてダブテールの前方端面４０の上方に配置される。翼形部１６は、空気力学的な理由により捻られているので、後縁２４は、ダブテールの後方端面３８から横方向即ち円周方向に偏位されており、ダブテールの側面を越えた張り出し部を形成している。
【００４５】
張り出した後縁は、ダブテールタングを通してディスクポスト中への荷重の伝達に影響を及ぼす。応力分析によると、後縁の張り出し部による、後方端面付近のダブテールの下方ネック内の応力は、その大きさが、前方端面における下方ネック内の応力よりもダブテールの中央付近の下方ネック内の最大応力ＳＭにより近いということを示している。
【００４６】
従って、この好ましい実施形態において、根元ノッチ４２は、前方端面においてのみ根元ブロック内に配置されており、後方端面においては配置されていない。また、根元ブロック３６は、根元ノッチから完全に後方端面まで輪郭が一様であることが好ましい。
【００４７】
このように、根元ブロック３６の構成は、ダブテールの強度を最大にするために後方端面から最大にされて前方端面の手前で終わるようにされ、根元ノッチは、ディスクタングの軸方向の剛性が減少した位置に一致するダブテール内の軸方向位置に対応して、ダブテールの局部的な重量軽減をもたらす。
【００４８】
図１及び図２に示すタービン翼形部１６は、中空であるのが好ましく、また任意の従来の構成を有することができる内部冷却回路４８を含む。それに対応して、ダブテールは、軸方向に整列された複数の、例えば４つの入口開口５０を含み、これら入口開口５０は、翼形部の冷却回路と流体連通してダブテールを貫通して縦方向即ち半径方向に延びている。エンジン圧縮機から抽気された冷却空気１２は、ディスクスロット２８を通して適当に導かれてダブテールを通して翼形部中に冷却空気を供給するための幾つかの入口開口５０に流入する。
【００４９】
図３に示す好ましい実施形態では、根元ノッチ４２は、ダブテールの前方端面４０に最も近接する第１の入口開口５０内の長さで終わる。
【００５０】
応力分析によると、根元ノッチが図３に示す第１の入口開口と第２の入口開口との間のリブで終わる場合、望ましくない局部的な圧縮応力がリブ内で起こり、このことによりタービンブレードの有効寿命が短縮するおそれがあることを示している。根元ノッチを開口間リブの手前で、例えば第１の開口の中央で終わらせることにより、作動中にその最大応力を超えることなくかつ開口間リブ内の望ましくない応力を生じることなく、ダブテールにおいて大きな重量軽減を得ることができる。
【００５１】
この例示的なタービンロータブレードにおけるダブルタングダブテールの複雑な構成にもかかわらず、その当初の配置における最大応力を超えることなくかつブレードの有効寿命を短縮させるおそれがある過剰な局部的応力を生じることもなく、該ブレードにおいて大きな重量軽減を得ることができる。根元ノッチは、該根元ノッチと関連する応力集中を減少させるための協働する第１及び第２のフィレットを備える好ましい形態において、ダブテールの前方端面付近にのみ選択的に導入される。得られたタービンブレードは、根元ノッチをもたない対応するブレードと同様の長い寿命を享受することができるが、大きな重量軽減という付加的な利点を有する。
【００５２】
本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを本明細書で説明してきたが、本発明の他の変更形態が、本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれる全てのそのような変更形態が添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。
【００５３】
なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 軸方向のダブテールにより支持ロータディスクの周辺部に取り付けられた１対の隣接するタービンロータブレードの部分断面斜視図。
【図２】 選択的に重量を軽減するためにその中に根元ノッチを有する軸方向のダブテールによりディスク内に取り付けられた、図１に示すブレードのダブテール部分の拡大図。
【図３】 その中に根元ノッチの好ましい実施形態を有する、図２に示すブレードダブテールの拡大斜視図。
【図４】 図３に示すブレードダブテールの一部分及び根元ノッチの拡大端面図。
【図５】 下にあるダブテールの上方に配置された翼形部の配向を示す、図１に示すブレードの１つの平面図。
【符号の説明】
１０ タービンブレード
１６ 翼形部
１８ ダブテール
２０ プラットホーム
２２ 前縁
２４ 後縁
２６ タング
２８ ダブテールスロット
３０ ロータディスク
３２ タング
３４ ネック
３６ 根元ブロック
４０ ダブテールの前方端面
４２ 根元ノッチ
４８ 内部冷却回路
５０ 入口開口

Claims (9)

1. ダブテール（１８）に一体に結合され、かつ前縁（２２）及び軸方向に対向する後縁（２４）を備える翼形部（１６）を、含み、
   前記ダブテールは、横方向に対向する上方タングの対と、該上方タングとの間のネック（３４）により該上方タングに結合された下方タング（２６）の対とを含み、前記ダブルタングの対は、ロータディスク（３０）の周辺部の相補形のスロット（２８）内にブレードを支持するように対称形になっており、
   前記ダブテールは、該ダブテールの根元端部の大部分にわたって前記下方タングに跨りかつ該ダブテールの後方端面（３８）において始まり該ダブテールの軸方向に対向する前方端面（４０）の手前で少なくとも部分的に終わりそこに根元ノッチ（４２）を形成する長方形の根元ブロック（３６）を更に含み、
   前記翼形部（１６）は中空であり、また前記ダブテールは、該ダブテールを貫通して縦方向に延びて前記翼形部と流体連通する複数の入口開口（５０）を含み、
   前記根元ノッチ（４２）は、前記ダブテールの第２の端面（４０）に最も近接する前記入口開口（５０）内で終わる
   ことを特徴とするタービンブレード（１０）。
2. 前記根元ブロック（３６）は、第１のフィレット（４４）において前記下方タング（２６）に結合され、また前記根元ノッチ（４２）は、第２のフィレット（４６）において前記ブロックにつながっていることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 前記根元ブロック（３６）は、前記第１のフィレット（４４）から延びる高さを有し、また前記根元ノッチ（４２）は、深さが前記ブロックの高さと少なくとも同じ大きさであることを特徴とする、請求項２に記載のブレード。
4. 前記根元ブロック（３６）は、対応する第１のフィレット（４４）において前記下方タング（２６）の間を横方向に延びる幅を有し、また前記根元ノッチ（４２）は、前記ブロックの幅に等しい幅を有することを特徴とする、請求項３に記載のブレード。
5. 前記根元ノッチ（４２）は、前記ダブテールの前記前方端面においてのみ前記根元ブロック（３６）内に配置され、前記後方端面においては配置されておらず、また前記根元ブロックは、前記ノッチから完全に前記後方端面まで輪郭が一様であることを特徴とする、請求項４に記載のブレード。
6. 前記第２のフィレット（４６）は、深さが前記ブロックの高さより大きく、かつ前記第１のフィレット（４４）の中まで延びていることを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
7. 前記根元ノッチ（４２）は、前記ブロックの幅の程度だけ前記前方端面（４０）から前記第２のフィレット（４６）まで延びる長さを有することを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
8. 前記根元ノッチの深さ及び長さは、前記ネックの最大応力に非常に近づくがそれを超えない応力が前記ノッチの上方の該ネック内に生じるような寸法に全体として作られていることを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
9. 前記ノッチの深さは約１ｍｍであり、また前記ノッチの長さは約１０ｍｍであることを特徴とする、請求項５に記載のブレード。

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