JP4267856B2 - 溝付きブリスクおよびそれを作る方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、該エンジンのブリスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、その圧縮機とタービンに、種々の段のブレード付きディスクを含み、該ブレード付きディスクは、圧縮機の場合には空気を加圧し、タービンの場合には高温の燃焼ガスを膨張させる。圧縮機ブレード又はタービンブレードは、典型的には、ダブテール部によって支持ディスクに取り付けられ、該ダブテール部は、該ディスク・リムの対応するダブテールスロット内で半径方向に保持される。
【０００３】
ブレードとディスクを、ブリスクとして知られる一体状、すなわち単一部品の構造で一体的に形成することにより、性能上、製造上、及び重量上の利点を得ることができる。１つの製造方法では、個々のブレード及び支持ディスクの形態が、共通の金属素材片から機械加工される。必要とされるブレード間の空気力学的な流路を精密に得るために、複雑な３次元の機械加工が必要とされる。
【０００４】
ブリスクは、その耐用寿命が満たされる前に、ガスタービンエンジンの作動の通常の過程において損傷を受ける場合があるので、ブリスクを修理することが望ましい。しかしながら、ブレードはディスクと一体的に形成されているので、ダブテール部を有するブレード状ディスクのやり方で、該ブレードを容易に個別に取り外すことができない。
【０００５】
したがって、損傷を受けた個々のブレードの部分を機械加工によって取り除き、対応するブレード部品と取り替えるか、或いは、損傷を受けたブレード全体を取り外し、取り替えるかのいずれかとなる。いずれの例においても、修理されたブリスクを、望ましくない早期の寿命終了に至ることなく本来の使用可能寿命を全うするように、もとの強度にできる限り近く戻さなければならない。
【０００６】
ブリスクの製造及び修理の別の形態では、個々のブレードをディスクに一体的に溶接するために、並進摩擦溶接を用いる。典型的には、ディスクには、最初にディスク・リムから半径方向外向きに延びる一体のスタブの列が形成される。各々のスタブは、摩擦溶接を可能にするために、対応する平滑なブレード根元部を補完する平滑な溶接面を有する。
【０００７】
各々のブレードは、初めにブレード根元部近くに取付け用カラーを含んでおり、溶接工程においてブレードが急速に反復動するとき、個々のブレードに押圧力及び並進力が加えられ、溶接面で摩擦が発生する。溶接面においてブレード及びスタブの材料は局部的に溶融して、摩擦溶接結合を形成し、その後、結果物として生じた溶接ばりと取付けカラーを通常の機械加工によって取り除き、ブレード及びリムの表面を所望の空気力学的輪郭にする。
【０００８】
摩擦溶接の力は非常に大きいので、摩擦溶接中におこるスタブとブレードの望ましくない塑性変形を防ぐために、リムのスタブは、初めは余分の材料を用いて大き目に形成される。そして、この余分な材料は、摩擦溶接工程に続く機械加工によって取り除くことが可能である。
【０００９】
しかしながら、ブリスクの修理が望まれ、ブレード全体を取り外さなければならない場合には、残りのスタブはもはや最初の余分な材料を含まない。したがって、対応するより小さなスタブは、ブレード交換の摩擦溶接工程の間、望ましくない変形に曝され、よって、ブリスクに損傷を与え、該ブリスクはエンジン内で再び使用できないようになる可能性がある。
【００１０】
ブリスクの摩擦溶接に関する別の問題は、溶接中にブレードが反復動する間に、溶接面の縁部に沿って環境に曝されることである。最初に大き目に形成されたスタブ及び対応した大き目に形成されたブレードの根元部は、付加的な表面面積を提供し、形成される溶接部が環境からの汚染を受ける可能性を減少させる。摩擦溶接の後、機械加工によって取り除かれる余分な材料は、通常は、溶接面の周りの望ましくないあらゆる不純物も一緒に除去する。修理作業においては、スタブは、余分な材料をもはや含まないので、溶接面は環境からの汚染に曝されやすい。
【００１１】
典型的な摩擦溶接についてのこれらの問題は、隣接するブレード間の流路の内側流路境界を定めるディスク・リムの軸方向の輪郭によって、さらに倍加される。ファン又は圧縮機ブリスクの典型的な入口段構成において、ブリスクリムは、前端部と後端部の間で直径が増加し、また、典型的には、それらの間で、ほぼＳ字形の弧状の輪郭を有する。したがって、スタブ溶接面は、典型的には、溶接面を可能な限り大きく維持するために、ディスク・リムの軸方向の輪郭に沿っている。
【００１２】
典型的な圧縮機ブレードは、その翼弦方向中間部において最大の厚さを有し、対応して前縁と後縁は薄く、また、典型的には、根元部から先端部へ厚さが減少する。したがって、リムのスタブとブレード根元部は、典型的には、摩擦溶接工程中に表面積を最大にし、変形を減少させるように、互いに補完し合う弧状の溶接面を有している。
【００１３】
溶接面が弧状であるので、リムのスタブとブレードの根元部は、双方とも、完全な摩擦溶接を達成するための、密接に適合する表面を生成できるように、精密な３次元の機械加工が必要である。また、弧状の溶接面は、ディスク・リムの周りで周方向に、軸対称の方向に並進運動できるだけである。対応するスタブ上でのブレードの、この周方向即ち横方向の摩擦による反復動は、すでにスタブに溶接された２つの隣接するブレードの間で行なわれるとき、一層困難になる。
【特許文献１】
特開平１１−２４７６１５号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、最初の製造、ならびにその後の修理の間の両方における利点のため、溶接面の改良された輪郭を有するブリスクを提供することが望まれる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
ブリスクは、リムを有するディスクを含む。一体構造として、ブレードの列がリムから外向きに延びる。ブレードは、ブレードの間を軸方向に延びる溝付き内側流路チャンネルを定めるように、ディスク・リム内に間隔を離して配置され、ブレード間の対応する流路の境界をなしている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付された図面と共に好適かつ例示的な実施形態によって、さらなる目的及び利点と共に、以下の詳細な説明においてより詳細に説明される。
【００１７】
図１に示すのは、縦方向すなわち軸方向の中心軸１２まわりにほぼ軸対称である環状のブリスク１０の一部である。このブリスクは、ガスタービンエンジンにおいて使用される形状にされており、例示的な形態では、作動中に空気１４を加圧するための圧縮機又はファンのためのブリスクである。
【００１８】
ブリスクは環状のディスク１６を含み、該ディスクは、一体構造として、軸方向に広いリム１６ａと、より狭いウェブ１６ｂと、より広いハブ１６ｃとを有する。
【００１９】
リム１６ａとともに、一体状の、すなわち単一部品構造の、完成されたブリスクを形成するように、圧縮機ロータブレード１８の列がリム１６ａから半径方向外向きに延びる。上述のように、ブレードはディスクと一体であり、別な方法でブレードの簡単な取り外しと挿入が可能になる、従来のブレード状ディスクの形態に典型的なダブテール部を含まない。
【００２０】
各々のブレードは、作動中に空気を加圧するための通常の空気力学的形状のどのような形状を有するものでもよく、周方向に隣接するブレードとともに、作動中に空気１４が流れる対応する流路２０を定める。ディスク・リム１６ａは、各隣接ブレード対の間に内側流路チャンネル２２を有し、この内側流路チャンネルは、該ブレードに沿って、軸方向両側に位置するリムの前端部と後端部の間を軸方向に延びる。
【００２１】
内側チャンネル２２は、流路２０の半径方向内側の境界を定め、該流路の半径方向外側の境界は、典型的には、周囲を取り巻く環状ケーシングすなわちシュラウド２４によって定められ、この環状ケーシングは従来のどのような形状のものでもよい。このようにして、ブリスクが作動中に固定シュラウド２４の内部で回転するとき、対応する流路２０が各々のブレードの対の間に定められ、空気は該流路を通って流れ、加圧すなわち圧縮される。
【００２２】
各々のブレード１８は、相対向する前縁及び後縁３０、３２の間を軸方向すなわち翼弦方向に、かつ、根元部３４から先端部３６に、翼スパン軸に沿って半径方向に延びるほぼ凸状の負圧側２６及び周方向に相対向するほぼ凹状の正圧側２８とを含む。本発明によると、内側流路チャンネル２２は、製造、修理、及び空気力学的性能における重要な利点を提供するために、溝付けがなされる。
【００２３】
より具体的には、従来のブリスクは、軸方向中心軸の周りの回転面である、軸対称の内側流路を有する。軸対称の表面は、対応して外向きに凸状であり、製造工程中容易に機械加工される。
【００２４】
対照的に、溝付きチャンネル２２は、中心軸１２に対する回転面ではなく、したがって非軸対称であるが、代わりに、隣接するブレードの間が周方向に弧状であり、対応する弧状のフィレット３８においてブレードに接合する。さらに、各々の溝付きチャンネル２２は、溝に沿った、またディスク・リムの前端部と後端部の間での空気の主要な軸流方向に対して隣接するブレードの間で周方向に非対称であるのが好ましい。
【００２５】
各々の溝付きチャンネル２２は、中心軸１２に向かって半径方向内向きに延びるほぼ凹状の形状すなわち輪郭を有し、その輪郭は、ディスク・リムの前端部と後端部の間で境界をなしているブレード１８に沿って軸方向に変化する。ブリスクの典型的な軸対称の内側流路がほぼ凸状であるのに対し、溝付きチャンネルは、ほぼ凹状であり、それと反対である。
【００２６】
溝付きチャンネル２２の特定の利点は、ブリスクの最初の製造又は成形加工、及びその修理に関する対応する改良である。より具体的には、図１と図２に示すディスク・リム１６ａは、一体の又は一体状の平坦なスタブ４０を含み、各々の該スタブは、同じく平坦な、すなわち平らな対応するブレード根元部３４を補完する平坦な溶接面すなわち平らな面４２を有している。
【００２７】
スタブと根元部は、摩擦によって互いに溶接されて溶融すなわち溶接結合された接合部を形成し、全てのブレードをディスクに一体的に接合して、一体状すなわち単一部品の構造を形成する。このように、溶接されたブレードは、ディスクの一体の部分となり、機械加工又は切断操作をすることなしには、容易に取り外すことができない。
【００２８】
このブリスク構造において特に重要なことは、溶接面４２が、フィレットより半径方向外方に形成されるブレード又はスタブのより薄い部分に位置させられるのではなく、フィレット３８内に位置させられるということである。上述のように、並進摩擦溶接は、ブレードとリムのスタブの間に大きな摩擦力を必要とし、スタブが狭すぎたり、又は薄すぎたりする場合には、工程中にブレードとスタブの望ましくない変形が起こる場合があり、溶接されたブレードの最終構成に悪影響を及ぼすことがある。弱いスタブは変形しやすく、強いスタブが望まれる。
【００２９】
また、上述したように、スタブとブレード根元部を最初に適当に大き目に作って摩擦溶接工程に耐えるための強度を高めることはできるが、このような過大寸法を、スタブのその後の修理には利用できない。
【００３０】
したがって、最初に溶接面４２をスタブ４０のフィレット内に位置させることにより、フィレットにおけるスタブの付加された幅が、その強度を大幅に高め、大きな摩擦溶接の力に一層良好に耐えられるようにする。
【００３１】
しかしながら、溶接面をスタブのフィレット内に位置させることは、ディスク・リム１６ａの典型的な３次元構成を考慮すると、容易には達成されない。もしリムの外面が純粋に円筒形であるならば、均等で小さなフィレットを有する真っ直ぐなスタブを容易に使用できる。
【００３２】
しかしながら、図１及び図２に示すディスク・リム１６ａは、代表的な圧縮機のブリスクを表わすものであり、そこではリムは直径が前端部と後端部の間で増加し、単純に円筒形ではない。したがって、溝付きチャンネル２２は、対応するようにディスク・リムの前端部と後端部の間で半径方向外向きに拡がり、対応して、ブリスクの中心軸からの半径が増加する。軸方向にディスク・リムの輪郭が変化するにもかかわらず、溶接面４２は、平らな、すなわち平坦なままであり、ブリスクの中心軸、及びディスク・リムの両端の間に軸方向に延びる対応する溝付きチャンネル２２の双方からの半径方向の距離を変化させるように適当に傾けられる。
【００３３】
ディスク・リムの直径と輪郭が前端部と後端部の間で変化するので、所望の流路面積を維持しながら流路の空力学的性能を最大限にするため、該ディスク・リムに沿って相対的に小さく、かつ一定のフィレットを維持するように、従来のスタブもまた輪郭が変化している。しかしながら、その結果生じる輪郭が変化するスタブは、上述のいくつかの理由により、望ましくないものである。
【００３４】
ディスク・リムの変化する輪郭にほぼ適合している平坦なスタブを単純に導入することは、同様に望ましくなく、前縁又は後縁のいずれか、又は翼弦方向に前縁と後縁の間において、スタブのフィレットより半径方向外側の、相対的に薄いブレードの部分に、溶接面を必然的に位置させることになる。異なる直径方向位置にある溶接面に到達するように、フィレットの大きさを単に増加させることは、フィレットが、必要とされる流路面積を含む意味で、ブレードの空気力学的性能を直接的に損なうことになるので、望ましくない。
【００３５】
したがって、典型的な回転表面状の流路の代わりに、溝付きチャンネル２２を導入することによって、空気力学的性能を損なうことなく、溶接面を対応するフィレット内に位置させてスタブの構造的完全さ及び摩擦溶接への耐性を維持しながら、溶接面４２をブレードの前縁と後縁の間の全体の範囲にわたって平らのままとすることができる。図１と図２に示すように、溝付きチャンネル２２は、ディスク・リムの前端と後端の間において、半径方向の深さが非線形に変化することが好ましく、また、溶接面４２は、それに対応して、リムの軸方向両端の間で、フィレット３８より内側で半径方向の位置が変化することが好ましい。
【００３６】
先ず図１に示すように、溝付きチャンネル２２は、周方向の形状すなわち輪郭が変化しており、ブレードの負圧側２６に向かって、ディスク・リム１６ａの前端部と後端部の間で軸方向に斜めにされ、又は、湾曲させられた最大断面深さを有する。溝付きチャンネルのこの全体的な輪郭は、平坦な溶接面を対応する小さなフィレット内に置くことと、前端部と後端部との間でディスク・リムの直径及び軸方向の輪郭が変化すること、という矛盾した目的に叶うように、最初にブリスクを形成する方法から生じるものである。
【００３７】
より具体的には、図１はまた、好ましい実施形態によるブリスク１０の製造方法を概略的に示している。ブレードを有しないディスク１６は、最初に、鍛造及び機械加工のような従来の方法のいずれかにより、ディスク・リムから半径方向外向きに延びる所望の平坦なスタブ４０を有する形に製造されるが、この場合において、このスタブは、適度な大き目の寸法にすることが好ましい。
【００３８】
個々のブレード１８は、鍛造及び機械加工のような従来の方法のいずれかにより、所望のように製造される。このようにして、ブレードを個別に製造することは、ブリスクとブレードを共通の素材から機械加工するときに典型的に生じることになる、他のいずれかのブレード又はディスクが邪魔になるということなしに、該ブレードの種々の寸法の精密な制御を可能にする。
【００３９】
各々のブレード１８は、ブレードの平坦な根元部３４の半径方向の直ぐ上方に一体に取付けカラー４４を有するように製造することが好ましい。次に、従来の構成のいずれかの形態による並進摩擦溶接装置４６を用いて、カラー４４を軸方向すなわち翼弦方向に並進運動及び往復運動させ、平坦な根元部３４を、各々のブレードに対応する平坦なスタブ４０に摩擦溶接する。概略が図１及び図２に示し、詳細を図３に示すように、溶接装置は、カラー４４が並進力Ｔのもとで速い動きで反復動させられるとき大きな摩擦力を生じるように、カラー４４によって半径方向内向きの押圧力すなわち据え付け力Ｆを生成し、ブレードの根元部をリムのスタブとの間で局部的に溶融させ、溶接面に沿って溶接接合部を形成する。
【００４０】
図３及び図４に示すように、摩擦溶接工程中のブレード１８の並進運動は、大幅に狭い周方向の幅ではなく、スタブ４０の極大長さに沿って翼弦方向に生じさせることが好ましい。このようにすれば、図３に示すように、摩擦溶接中にブレードが反復動しているとき、根元部３４におけるブレードの相対向する前縁と後縁のわずかな部分のみが、周囲環境に曝され、実質的に溶接面の周囲環境による汚染を減少させる。ブレード根元部３４の両側は、溶接工程中、スタブ４０の両側に直接接触したままに維持されるので、それに対応して、そこでの環境による汚染の危険がほとんどなくない。
【００４１】
摩擦溶接工程が進むにつれて、ブレード根元部とスタブの金属表面が、互いに溶融し、平坦な溶接面の全範囲にわたって強固な溶接部を形成し、その結果、マッシュルーム状の溶接ばり４８が溶接接合部の全周まわりに横方向外向きに突き出るように形成され、摩擦溶接工程によってもたらされる環境によるあらゆる汚染を除去することができる。
【００４２】
次に、図１に示すように、通常のミリング又は研削工具５０を用いて、溶接面４２においてカラー４４及び溶接ばり４８を機械加工により取り除き、ブレード根元部及びフィレット３８を完成させ又は最終的な機械加工をすることができる。
【００４３】
図５は、ブレードの前縁付近における溝付き輪郭２２の例示的な切断面と、その好ましい製造工程をより詳細に示す。また、ブレード根元部３４の両側に局部的に付加された余分な材料５２と、所望ならば最初の製造において使用される対応形状のスタブ４０が、図５に示され、この余分な材料は、溝付き輪郭２２とフィレット３８の所望の最終的な寸法を達成するため、溶接工程の後に最終的に機械加工される。余分な材料５２を、スタブとブレード根元部の所望の場所に局部的に使用することができ、また、所望ならばディスク・リムの全体に設けてもよく、設けなくてもよい。
【００４４】
図５はまた、スタブのフィレット３８内に溶接面４２を位置させるようにディスクを製造する好ましい方法、及び、その結果物である、隣接するブレード及びスタブの間の内側流路チャンネルの溝付き輪郭を概略的に示す。
【００４５】
上に示したように、ブレード１８とその内側流路チャンネル２２は、大部分がそれらの間に位置する流路２０を定めており、作動中、空気は該流路を通って流れる。流路の形状は、ブレードと内側チャンネル２２の輪郭によって定められるものであり、ファン又は圧縮機の各々の段における最適な空気力学的性能を適切に達成する流路の形状を定めるための種々の解析手段が普通に利用可能である。
【００４６】
従来の解析手段は、段の特定の空気力学的必要条件及び性能に従った流路の構成及びブレードの形状を定めるための、２次元の空気力学的計算コード又はソフトウェアを含んでいる。
【００４７】
３次元の空気力学的計算コード又はソフトウェアもまた、所望の空気力学的性能の必要条件に従った流路の構成を求めるために、普通に利用可能である。しかしながら、３次元の計算は、実質的に２次元の計算よりもより複雑であり、それゆえ、計算により多くの労力と時間、及びそれに関連した費用を必要とする。
【００４８】
したがって、利用可能な計算ソフトウェアの種類にかかわらず、ディスク１６は、最初に、ブリスクが必要とするブレード間の流路２０の対応する流路面積及び表面の曲面すなわち輪郭を含む、所望の又は最適な空気力学的性能を達成するための、ディスク・リムのスタブ４０の間に定められる内側流路チャンネル２２の所望の溝付き輪郭を解析的に定めることによって、評価される。デジタル方式でプログラム可能な、コンピュータにおける３次元の計算コードを使用して、必要とされるチャンネル２２の溝付き輪郭と、溶接面４２がフィレット３８内に位置する条件とを同時に求めることができる。
【００４９】
必要とされる溝付き輪郭を予め定めることによって、溶接面４２をフィレット３８内に位置させるため解析的に求められた溝付き輪郭に対応するスタブ４０及びチャンネル２２をもった状態で、従来の方法のいずれによってでもディスク１６を製造することができる。図２と図４に示すように、溝付きチャンネル２２は、ディスク・リムの前端部と後端部の間で軸方向に延びており、したがって、該チャンネルの解析的定義は、ブレード及びスタブの双方が、空気力学的性能を損なわずに対応するフィレット内に平らなすなわち平坦な溶接面を維持できるように、該ブレードと該スタブの軸方向の全範囲にわたる全ての部分を含んでいなければならない。
【００５０】
上に示したように、溝付きチャンネル２２の必要とされる輪郭を相互関連的に予測することは、通常は３次元の計算コードを使用し、相当な計算上の労力を必要とする。
【００５１】
溝付き輪郭２２を定めるために、単純化された手順を用いることができる。先ず、図５に示すように、溶接面４２の配置を考慮せずに、最適な又は所望の空気力学的性能、及び、流路２０の相対応する表面輪郭と流路面積を達成する空気力学的輪郭５４を定めるために、最初に空気力学的解析を実施することができる。
【００５２】
上述のように、デジタル方式でプログラム可能なコンピュータにおいて２次元のコンピュータコードを使用することが普通に可能であり、流路における所望の静圧分布を含む対応する空気力学的性能のための流路の内側境界を含む流路の空気力学的輪郭５４を定める形で、ブリスクの空気力学的性能を２次元で表わすことができる。所望ならば、最初の空気力学的輪郭５４を改良するために、３Ｄの空気力学的コードを使用することができる。
【００５３】
空気力学的輪郭５４は、典型的には、流路２０の内側流れ経路については回転面として定められ、ブリスクの中心軸のまわりに軸対称である。この空気力学的輪郭はまた、隣接するブレードの対応する正圧側と負圧側によっても定められる。
【００５４】
図２に示されるように、この空気力学的輪郭５４は、ディスク・リムの前端部と後端部の間での直径の増加に必然的に沿わなければならないので、結果として生じる軸方向の形状は、ほぼＳ字形であり、それに対応して、所望の真っ直ぐな又は平らな溶接面４２までの半径方向の距離に変化が生じることになる。
【００５５】
したがって、所望のフィレット内で内側流路の比較的近くに溶接面を位置させるという試みにおいて、解析的に生成された空気力学的輪郭５４に対し、試行錯誤又は堅実な機械工学的判断に基づく最適適合手法により、溶接面４２の位置を選択することができる。
【００５６】
このようにして、溶接面４２は、製造目的のために従来の構成の適当なフィレット３８内に位置させられるが、基準輪郭５６は、フィレットによって与えられるものを除いて、いかなる空気力学的有用性も持たない。フィレットは、通常、構造的要素の接合部における応力集中を減少させるために使用される。典型的なフィレットは、単一の半径又は多数の漸次移り変わる半径を有することができ、或いは、構造的要素の間の特定の接合部に対して望まれるように、無段階に変化する半径を有することができる。
【００５７】
典型的なブリスクの構造において、ブリスクのリムは、ブレードの間では共通の直径の回転面をもった軸対称であり、半径方向外向きに延びるブレードにおいて急激に変化する。この変化の急激さは、構造的及び空気力学的性能のために適当なフィレットを使用することによって改善される。
【００５８】
図５に示す基準輪郭５６はまた、軸対称すなわち回転面であり、図５、図６、及び図７に例示的な断面によって表わされるように、ディスク・リムの前端部と後端部の間のスタブの全ての軸方向の断面において、対応するフィレット内に溶接面４２を位置させることによって大部分が制御される。このようにして、溶接面４２は、機械工学的判断又は試行錯誤に従って、リムの両端の間にあるスタブの各々の部分において、対応するフィレット３８内に最良適合される。
【００５９】
ディスクの両端間にあるスタブの軸方向位置の各々において、基準輪郭５６によって定められる流路面積と、空気力学的輪郭５４によって定められる、空気力学的性能のために必要とされる面積との間に差異が生じる。
【００６０】
溝付きの輪郭２２は、最初に、空気力学的輪郭５４の流路面積と適合するように、基準輪郭５６のフィレット３８の間に定められる。図５に示すように、基準輪郭のフィレット３８は、空気力学的輪郭に対して、局部的な流路面積を減少させ（−）、溝付きの輪郭は、半径方向内向きに延びる凹状の溝又は凹所を有するような形状にされ、局地的に付加的な流路面積を提供し（＋）、所望のフィレットの形状による流路面積の減少を補う。
【００６１】
上で示したように、空気力学的輪郭５４と基準輪郭５６は、従来の手法により決定され、対応する半径Ａ、Ｂによって表わされるように、フィレットの間で軸対称すなわち回転面である。流路の軸方向の各々の断面についての実際の半径Ａ、Ｂが、各々の具体的な構成に対して求められ、一方が他方より大きく、かつ、ディスク・リムの前端部と後端部の間で配向が変わるであろうが、非常に似たものとすることができる。図５から図７は、これらの２つの輪郭５４及び５６を、説明の目的だけのために、大いに誇張して表わしたものである。
【００６２】
それにもかかわらず、２つの輪郭５４及び５６は、上述した設計上の実務により本来的に軸対称であり、一方、溝付き輪郭２２は、本来的に、２つの輪郭５４及び５６のように回転面でも軸対称でもなく、むしろ対照的に、典型的には２つの軸対称の輪郭に対し、かつ、溝付きチャンネル２２の軸流方向に沿って、非対称である。
【００６３】
図５に示すように、溶接面４２をフィレット内に位置させて摩擦溶接に対するスタブの強度を最大限にするために、フィレット３８を基準輪郭５６と関連して定めることができる。上述のように、厚さが対応して薄くなるため、スタブが摩擦溶接工程中に望ましくない変形をもたらす可能性があることを考慮すると、個々のスタブ４０の軸方向の範囲に沿ったいずれの場所においても、溶接面４２をフィレットより半径方向外側に位置させることは望ましくない。
【００６４】
しかしながら、基準輪郭５６は望ましいフィレット３８と対応するものではあるが、各流路２０における両側のフィレットの間にある該基準輪郭の残りの部分は、流路の最適な空力的性能を満たしておらず、典型的には、最適な流路面積とは異なる流路面積を含むものとなる。
【００６５】
したがって、基準輪郭５６から非軸対称の溝付き輪郭２２までフィレット３８の間の内部流れ経路を局所的に変え、解析的に求められた空気力学的輪郭５４と同じ流路面積を溝付きチャンネル２２について最初に得るようにすることによって、溝付きチャンネル２２の所望の輪郭を得ることができる。
【００６６】
溝付き輪郭２２の最初の輪郭を定めた後、３Ｄの空気力学的解析が実行され、ブレード間の流路に対して、その空気力学的性能が求められる。次に、空気力学的性能を最適化するために、フィレット３８間の溝付き輪郭２２の形状を、流路面積にかかわりなく、ブレードの形状と共に、相互関連的に変更することができる。
【００６７】
３次元の空気力学的解析は、溶接面４２を所望のようにフィレット３８内に維持し、かつ、対応する流路面積をもって最適の空気力学的性能を達成するのに内側流路内で必要とされる変更を決定するために用いられる。その結果物としての溝付きチャンネル２２は、典型的には、２つの輪郭５４と５６と比較して周方向の輪郭が異なる。
【００６８】
図５に示すように、中央の溝付きチャンネル２２の左側と右側のフィレット３８は、空気力学的輪郭５４の対応するする部分よりも、半径方向に高く、その結果、流路面積の局部的減少（−）が生じる。したがって、溝付きチャンネル２２の中央部分は、左側と右側のフィレットの下の流路面積の減少を補うように流路面積を局部的に増加（＋）させるために、空気力学的輪郭５４の対応する部分よりも多く半径方向内向きに延びている。このようにして、空気力学的輪郭５４に対して予測された全流路面積を維持するように、２つのフィレット３８の所望の輪郭の間にある内側流路の輪郭を調整することによって、流路面積を先ず維持することができる。その後、溝付きチャンネル２２の輪郭を、流路面積に制約されることなしに、さらに最適化することができる。
【００６９】
図５は、２つの隣接するスタブ４０の間のほぼ周方向中間に最大の深さを有するチャンネル２２を有する、ディスク・リムの前端部にあるブレード前縁付近の溝付きチャンネル２２の輪郭を示す。ディスク・リムの前端部が円形であり、溝付きチャンネル２２は、該リムから始まって、隣接するブレード間の流路の空気力学的性能を最適化するため必要とされるように下流方向に深さが増加することが好ましい。
【００７０】
図６は、ディスク・リムの前端部と後端部の間において、ブレードの翼弦方向中間部付近の、溝付きチャンネル２２の異なる輪郭を示しており、該溝付きチャンネルの最大深さは、隣接するブレードの正圧側２８に対し、ブレードの負圧側２６寄りに斜めになっている。左側の負圧側のフィレットの近くよりも、右側の正圧側のフィレットの近くの方が、流路流域の減少（−）が大きいことに注意されたい。また、空気力学的性能を増加させる局部的に高い流れ速度を有するブレードの負圧側と協働する、負圧側のフィレットの近くに局部的に付加された流路面積にも注意されたい。
【００７１】
図７は、ディスク・リムの後端部におけるブレード後縁付近の、溝付きチャンネル２２のさらに異なる輪郭を示す。溝付きチャンネルの最大深さは、ディスク・リムの円形の後端部と融合して大きさが減少し、隣接するブレードの正圧側のフィレット寄りに斜めになっている。右側の正圧側のフィレットの近くの流路面積におけるの増加（＋）を相殺している左側の負圧側のフィレットの近くの流路面積の減少（−）に注意されたい。
【００７２】
図４から図７までは、典型的にはディスク・リムの前端部と後端部の間で溝付きチャンネルの直径が増加するように変化するにもかかわらず、個々のスタブの全長に沿って各々のスタブ４０の境界を定めているフィレット内に、溶接面４２を位置させることができることを示す。溶接面４２は、溝付きチャンネルの半径が変化するにもかかわらず、スタブの軸方向の全長に対して、平らなままで、かつフィレット内に留まっており、該溝付きチャンネルの周方向の輪郭は、対応するフィレット３８を滑らかに融合させ、スタブを個々のブレードの対応する根元端部に移行させながら、ディスク・リムの軸方向の各部分における所望の最適な空気力学的性能を達成するために必要なように変化する。
【００７３】
図５から図７までに示す溝付きチャンネルの種々の輪郭において、フィレット３８の特定の形状は、溶接面４２の近くにおいて、少なくとも基準輪郭５６と同じ大きさであり、その後、流路の所望の空気力学的輪郭に対して流路面積を局部的に増加又は減少するように、周方向に滑らかに変化し、最適な空気力学的性能を達成する。
【００７４】
上述のように、内側流路チャンネル２２を再構成するための第一の理由は、並進摩擦溶接工程を使用して個々のブレードの交換をすることにより、ブリスクのその後の修理を可能にすることである。図８に概略的に示すように、ブリスクは、１つ又はそれ以上の損傷を受けたブレード１８ｄのいずれをも、最初の溶接面４２における又はその近くのディスク・リムから取り外すことによって修理することができる。横方向に過大寸法にされていないことを除いては、平坦なスタブ４０が最初のスタブとほぼ同じ構成のままにされているために、損傷を受けたブレードをリムから適当に切り離し、溶接面４２において、例えば従来のミリング工具５０を使用して精密にミル加工することができる。
【００７５】
交換用ブレード１８ｒは、元のブレードとほぼ同一であり、その根元端部の近くに取り付けカラー４４を含み、この取り付けカラー４４を並進摩擦溶接機械４６に適切に取り付け、該機械を用いて、図１に関して上で説明したのと同じ方法で、該カラーを翼弦方向に並進運動させることにより、交換用ブレードをスタブに摩擦溶接する。
【００７６】
溶接面４２が、両側にある相対向するフィレット３８内に位置させられているので、スタブ４０は相対的に剛性があり、大きな据え付け荷重が加えられるもとでも、望ましくない変形を生じることなく摩擦溶接を可能にする。
【００７７】
交換用ブレードから取付けカラー４４を機械加工で取り除き、溶接面から溶接ばり４８を機械加工で取り除き、ブレード根元部を元のフィレット３８とほぼ同一の輪郭、或いは修理に必要とされるようにわずかに小さい輪郭に戻すことによって、個々のブレードの修理が完了する。
【００７８】
ブリスクの隣接するブレード間の内側流路境界を定める溝付きチャンネル２２を単に導入することにより、溶接面４２を、軸方向の全長にわたって平ら又は平面とすることができ、また、構造的補強となっている両側のフィレット３８内に留めることができる。個々のブレードの、対応するスタブへの並進摩擦溶接は、上述の利点と共に容易に達成され、一方、結果物としてのブリスクは、最適な空気力学的性能を維持する。
【００７９】
溝付きチャンネル２２を使用することの付加的な利点は、典型的なブリスクにおける従来の軸対称な内側流路から得られる可能性以上にブリスクの空気力学的性能を増加させるように、その３次元輪郭を有利に使用できることである。
【００８０】
非軸対称の流路によって許容される付加的な自由度を用い、最適化された流路面積及び表面湾曲分布によって、ハブ付近のより良い流れの制御を行って空気力学的性能を向上させることができる。溶接部に対するフィレットの配置を維持するという重要な付加的な制約のもとで、この向上された性能を得ることができる。そして、ディスク・リムの最高定常フープ応力に対する溶接部の配置を注意深く制御することにより、主要な流れ方向に対して垂直な断面に沿った流路の形状を、フィレット内における最大フープ応力を減少させるのに有効なものとすることができる。
【００８１】
ここでは、本発明の好ましい実施形態及び例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本発明の他の変更が、当業者には、本明細書中の教示から明らかであり、それゆえ、本発明の技術思想及び技術的範囲に含まれるような全てのそのような変更が、添付の特許請求の範囲において保護されることが望まれる。
【００８２】
したがって、本出願によって保護されることを望むものは、冒頭の特許請求の範囲に記載し特定した発明である。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】 ガスタービンエンジンにおける圧縮機ブリスクの一部及びその概略的な製造方法の斜視図。
【図２】 図１に示すブリスク及びその並進摩擦溶接の半径方向の断面図。
【図３】 図２において符号３が付された破線円内を示す、ブレードとディスクの間の溶接接合部の一部の拡大正面図。
【図４】 ３つの隣接するブレードが、それらの間の幅で周方向に延びている対応する溝付き内側流路チャンネルを有する状態を示す、図２に示すブリスクの一部の平面図。
【図５】 図４に示すブレードの前縁付近で線５−５に沿って切り取った例示的な溝付き流路チャンネルの半径方向の断面図。
【図６】 図４に示すブレードの翼弦中間領域で線６−６に沿って切り取った溝付きチャンネルの半径方向の断面図。
【図７】 図４に示すブレードの後縁領域付近で線７−７に沿って切り取った溝付きチャンネルの半径方向の断面図。
【図８】 例示的な実施形態によるブリスクが修理されているところを示す、図１と同様な斜視図。
【符号の説明】
１０ ブリスク
１２ 中心軸
１６ ディスク
１６ａ ディスク・リム
１８ ブレード
２０ 流路
２２ 内側流路チャンネル
２６ 負圧側
２８ 正圧側
３０ 前縁
３２ 後縁
３４ 根元部
３８ フィレット
４０ スタブ
４２ 溶接面
４４ 取付けカラー
４６ 並進摩擦溶接装置
４８ 溶接ばり

Claims (9)

1. リム（１６ａ）を含むディスク（１６）と、
   前記リムから一体構造として半径方向外向きに延び、対応する流路（２０）を間に定めるブレード（１８）の列と、を含み、
   前記ディスク・リムが、前記流路（２０）の境界をなすように、前記ブレードの間で軸方向に延びる溝付き内側流路チャンネル（２２）を含み、該内側流路チャンネル（２２）が、前記ブレード間で周方向に弧状であり、且つ凹状の輪郭を有し、
   前記内側流路チャンネル（２２）の各々が、対応する弧状のフィレット（３８）において前記ブレードを接合し、
   前記ディスク・リム（１６ａ）が一体のスタブ（４０）を含み、該スタブの各々が、対応するブレード（１８）の平坦な根元部（３４）に溶接された溶接面（４２）を有し、該溶接面が前記フィレット（３８）内に配置されている
   ことを特徴とするブリスク（１０）。
2. 前記ディスク・リム（１６ａ）は、軸方向に相対向する前端部と後端部を含み、前記溝付きチャンネル（２２）は、両端部の間で半径方向外向きに拡がり、前記溶接面（４２）は、前記リムの前端部と後端部の間で、前記溝付きチャンネルからの半径方向の距離が軸方向に変化することを特徴とする、請求項１に記載のブリスク。
3. 請求項１に記載のブリスク（１０）を作る方法であって、
   前記ディスク（１６）に前記リム（１６ａ）から外向きに延びる平坦なスタブ（４０）を形成し、
   前記ブレード（１８）の各々に一体に、前記平坦な根元部（３４）の上方に位置する取付けカラー（４４）を形成し、
   各々の前記ブレードについて、前記カラー（４４）を翼弦方向に並進運動させることによって、前記平坦な根元部（３４）を前記平坦なスタブ（４０）に摩擦溶接し、
   前記溶接面（４２）において前記カラーと溶接ばり４８を機械加工して、前記フィレット（３８）を完成させる、
   ことを特徴とする方法。
4. 前記ディスク（１６）が、
   前記ブリスクによって必要とされる空気力学的性能を達成するために、前記スタブ（４０）の間の前記溝付きチャンネル（２２）の輪郭を、前記ブレード間の前記流路の対応する流路面積と表面輪郭を含めて解析的に定め、
   前記溶接面を前記フィレット（３８）内に位置させるために、前記ディスク（１６）に前記溝付き輪郭に対応する前記スタブ（４０）とチャンネル（２２）を形成する、
   ことにより形成されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 最初に前記解析が、前記溶接面の位置を考慮せずに、前記空気力学的性能と流路面積を達成するための空気力学的輪郭（５４）を定めるように実行され、
   前記溶接面が前記フィレット（３８）内に最良適合するように前記基準輪郭（５６）が定められ、
   前記フィレットの間の前記チャンネル（２２）の前記基準輪郭が、前記空気力学的輪郭（５４）の対応する流路面積に合うように変えられ、それによって前記溝付きチャンネル（２２）を定める、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記空気力学的輪郭（５４）と前記基準輪郭（５６）が、前記フィレット（３８）の間で軸対称であり、前記溝付きチャンネル（２２）が、それらに対して非対称であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 請求項１に記載のブリスクを修理する方法であって、
   前記溶接面（４２）において、前記ブレード（１８ｄ）の１つを前記ディスク・リムから取り外して平坦なスタブを残し、
   平坦な根元部（３４）の上方で交換用ブレード（１８ｒ）に一体に接合されたカラー（４４）を翼弦方向に並進運動させることにより、該交換用ブレードを前記スタブに摩擦溶接する、
   ことを特徴とする方法。
8. 軸方向に前端部と後端部を有するリム（１６ａ）を含むディスク（１６）と、
   前記リムから一体構造として半径方向外向きに延び、対応する流路（２０）を間に定めるブレード（１８）の列と、を備え、
   前記ディスク・リムが、前記ブレードの相対向する負圧側（２６）と正圧側（２８）間に、且つ前記ブレードの前縁と後縁の間に流路（２０）の境界をなすために、溝付き内側流路チャンネル（２２）を含み、該溝付き内側流路チャンネル（２２）は、前記リム（１６ａ）の前端部と後端部との間で半径方向外向きに拡がり、且つ前記リムの前端部と後端部の間で軸方向に変化し、弧状のフィレットで前記ブレードを接合し、
   前記ディスク・リム（１６ａ）が一体のスタブ（４０）を含み、該スタブの各々が、対応するブレード（１８）の平坦な根元部（３４）に溶接された溶接面（４２）を有し、該溶接面が前記フィレット（３８）内に配置され、
   前記溶接面（４２）は、前記リムの前端部と後端部の間で、前記溝付きチャンネルからの半径方向の距離が軸方向に変化する
   ことを特徴とするブリスク（１０）。
9. 前記溝付きチャンネル（２２）が、前記ブレード間の周方向中間で最大の深さの輪郭を有することを特徴とする、請求項８に記載のブリスク。

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