JP4636746B2 - ロータ組立体の円周方向リム応力を減少させるための方法及び装置 - 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、ロータ組立体を通る流路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、一般的に、ロータディスクの周りに円周方向に橋絡する複数のプラットホー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つのロータ組立体を含む。ロータブレードはプラットホームに取り付けられ、根元フィレットは、ロータブレードとプラットホームの間に延びる。プラットホームの外側表面は、一般的にロータ組立体を通って流れる空気の半径方向内側流路表面を形成する。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プラットホーム部分により担持される。遠心力は、プラットホームとブレードの間に円周方向リム応力集中を発生させる。
【０００３】
その上に、過渡運転中のプラットホー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がある熱応力を発生させる。さらに、プラットホー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が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き、翼根元には、リム応力集中をさらに増大させる可能性がある局部的な力が生じる可能性がある。
【０００４】
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、流れ性能に有害である可能性がある。
【０００５】
他の既知のロータ組立体は、プラットホーム前縁と後縁の間でプラットホームの軸方向部分上に、隣接するロータブレード間に延びる複数のくぼみを含む。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れた一体の複合形状として形成され構成される。一般に、このようなくぼみは、電解加工（ＥＣＭ）プロセスを用いて形成される。ＥＣＭプロセスに固有である可能性のある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、プラットホー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可能性がある。その結果、表面の凸凹は、次に作業台を使った手作業でミル仕上げされる。かかる作業台を使った手作業は、ロータ組立体の製造コストを増大させる。さらに、このようなくぼみは、プラットホーム後縁にまで延びるので、隣接する下流のステータ段において、前方に面する段が生じる。このような段は、流れ性能に対して有害になる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態において、ロータ組立体は、エンジン運転中の円周方向リム応力の減少を促進するための複数のくぼみを備える。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プラットホームを備えるロータを含む。ロータブレードは、プラットホームに取り付けられ、プラットホームから半径方向外方に延びる。プラットホームは、ロータディスクに円周方向に取り付けられる。根元フィレットは、ロータブレード／プラットホーム接合部を支持し、ロータブレードとプラットホームの間で各ロータブレード／プラットホーム接合部の周りに円周方向に延びる。プラットホームは、隣接するロータブレード間に延びる複数のくぼみを有する外側表面を備える。各くぼみは、プラットホームの前縁からプラットホームの後縁まで延びる。各くぼみは、プラットホーム後縁においておよそゼロに等しい深さで終端するように傾斜している。
【０００８】
運転中に、ロータブレードが回転するとき、ロータ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プラットホーム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、プラットホームのくぼみは、プラットホームとロータディスクの間で発生する可能性がある熱勾配の減少を促進し、従って、他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）に悪影響を与える可能性がある熱応力を減少させる。くぼみは、応力遮蔽をもたらし、ロータブレード根元フィレットの下方において円周方向応力を遮ることにより応力集中を減少させる。各くぼみの半径は、各根元フィレットの半径より大きいので、円周方向応力場で発生する応力集中は低下し、他のロータ組立体に比較して、プラットホームとロータブレードの間で発生する円周方向リム応力集中はより少なくなる。結果として、ロータ組立体は、高効率運転を可能にし円周方向リム応力集中の減少を促進する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、対称軸１２を含むガスタービンエンジン１０の１部の概略図である。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、ロータ組立体１４を含む。ロータ組立体１４は、支持ロータディスク２０から半径方向外方に延びるロータブレード１８の列を備える少なくとも１つのロータ１６を含む。ロータ組立体の１つの実施形態である別の実施形態では、各ロータは、１つ又はそれ以上のブリスク（図示せず）により構成される。ロータブレード１８は、ディスク２０の周囲の対応するダブテールスロットに保持される軸方向ダブテールによるような既知の方法で、ロータディスク２０に取り付けられる。
【００１０】
ロータブレード１８は、ロータディスク２０の周りに円周方向に間隔を置いて配置され、その間に流路２２を形成し、運転中にそれを通って空気２４が流れる。ファンディスク２０及びブレード１８の回転が、空気２４にエネルギーを与え、空気は初めに加速され、その後拡散により減速されて、エネルギーを回復し空気２４を加圧または圧縮する。流路２２は、隣接するロータブレード１８により円周方向に境界を付けられ、またシュラウド３０で半径方向に境界を付けられる。
【００１１】
ロータブレード１８は、前縁３２、後縁３４及びその間に延びる本体３６を備える。本体３６は、負圧側面３８及び円周方向に相対向する正圧側面４０を含む。負圧及び正圧側面３８及び４０は、それぞれ軸方向に間隔を置いて配置された前縁３２と後縁３４の間に延び、かつロータブレード先端４２とロータブレード根元４４の間に半径方向のスパンでそれぞれ延びる。
【００１２】
シュラウド３０は、ロータブレード先端４２の近傍で、隣接するロータブレード１８を円周方向に橋絡する半径方向外方の境界を形成する。複数のブレード間プラットホーム４８は、ロータブレード先端４２から半径方向内方に間隔を置いて配置され、かつロータディスク２０の半径方向外側に位置する。個々のプラットホーム４８は、ロータブレード根元４４において隣接するロータブレード１８を円周方向に橋絡し、既知の方法でロータディスク２０に取り付けられる。ロータブレード１８は、プラットホーム４８から半径方向外方に延び、ロータブレード１８とプラットホーム４８の間に延びる根元フィレット（図１には示さず）を備え、各ロータブレード１８に追加の支持を与える。１つの実施形態において、ロータブレード１８は、プラットホーム４８と一体に形成される。
【００１３】
各プラットホーム４８は、外側表面５０を備える。隣接するプラットホーム４８の外側表面５０は、空気２４の半径方向内側流路表面を形成する。各プラットホーム４８はまた、前縁６０、後縁６２、及びその間に延びて流路２２の面積を増大させるくぼみ６４を備える。
【００１４】
以下により詳細に説明するが、くぼみ６４は、プラットホーム前縁６０からプラットホーム後縁６２まで延びて、ロータ組立体１４中の円周方向リム応力集中を減少させる。各くぼみ６４は、プラットホーム外側表面５０からプラットホーム内面７０に向かって深さ７２だけプラットホーム４８中に延びる。深さ７２は、くぼみ６４の軸方向にわたって変化し、深さ７２が、プラットホーム後縁６２においておよそゼロに等しくなるように、傾斜する。各くぼみ６４は、各ロータブレード１８及びそのロータブレード根元フィレットとは独立して形成される。
【００１５】
図２は、プラットホーム４８から半径方向外方に延びるロータブレード１８を含むロータ組立体１４の１部の後面図である。図３は、図２に示される線３−３で切断したロータ組立体１４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４４に隣接する各ロータブレード１８を取巻き、ロータブレード１８とプラットホーム外側表面５０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な半径Ｒ₁を含むように空気力学的な輪郭にされている。
【００１６】
くぼみ６４は、円周方向に凹状であり、隣接するロータブレード１８間に延びる。より具体的には、各くぼみ６４は、隣接するロータブレード根元フィレット８０間に延びる。各くぼみ６４は、隣接するロータブレード根元フィレット８０の間で円周方向に測定された幅８４を有する。１つの実施形態において、くぼみ６４は、スカラップ形状をしている。くぼみ幅８４は、プラットホーム後縁６２における頂点８６に向かって先細になっている。
【００１７】
各くぼみ深さ７２はまた、プラットホーム前縁６０に隣接する最大深さ７２からプラットホーム後縁６２におけるおよそゼロに等しい深さ７２まで変化し、傾斜する。深さ７２は、プラットホーム後縁６２においておよそゼロであるので、隣接するステータ段（図示せず）において前方に面する段を生じない。各くぼみ６４は、凹状であり、根元フィレット半径Ｒ₁より大きい半径Ｒ₂を有する。１つの実施形態において、深さ７２は、プラットホーム前縁６０に隣接する位置においておよそ０．０５インチに等しく、また根元フィレット半径Ｒ₁は、くぼみ半径Ｒ₂のおよそ８分の１の大きさである。さらに、深さ７２は、くぼみ６４が各ロータブレード根元フィレット８０の下方に位置することを保証する。
【００１８】
くぼみ６４は、例えばミリング加工作業を用いて形成され、ロータブレード１８及びロータブレード根元フィレット８０とは独立して形成され製作される。くぼみ６４は、ロータブレード１８及びそのフィレット８０とは独立しているので、くぼみ６４は、電解加工プロセスが完了した後にミリング加工されることができる。くぼみ６４は、それぞれプラットホーム前縁６０と後縁６２の間の一連の軸方向部位において、半径方向位置及び基準半径、Ｒ₂により形成される。くぼみ６４は、ロータブレード１８とは独立して形成されるので、くぼみ６４は、現在市場にある部品（図示せず）に追加されて、かかる部品の有効寿命を延ばすことができる。
【００１９】
運転中は、ブレード１８が回転するとき、回転するブレード１８により生じる遠心荷重は、ロータブレード１８の下方のプラットホーム４８部分により担持される。プラットホーム４８の外側表面５０は、空気２４の半径方向内側流路表面を形成する。空気２４が隣接するブレード１８間を流れるとき、くぼみ６４は、プラットホーム４８とロータディスク２０の間の熱勾配の発生を減少させるのを促進し、従ってロータ組立体１４の低サイクル疲労寿命（ＬＣＦ）に悪影響を及ぼす可能性がある熱応力を減少させる。くぼみ６４は、応力遮蔽をもたらし、各ロータブレード根元フィレットの下方においてあるいは根元フィレットの深さより下方の深さにおいて円周方向応力を遮ることにより、応力集中の減少をさらに促進する。くぼみ半径Ｒ₂は、根元フィレット半径Ｒ₁より大きいので、同一の円周方向応力場で発生する応力集中が少なくなり、またくぼみ半径Ｒ₂が根元フィレット半径Ｒ₁より大きくない場合に発生する可能性があるブレード／プラットホーム接合部（図示せず）の位置においてプラットホーム４８とロータブレード１８の間で発生する円周方向リム応力集中よりも円周方向リム応力集中が少ない。接合部におけるそのような応力集中を減少させることで、プラットホーム４８のＬＣＦ寿命を延ばすことが促進される。
【００２０】
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、円周方向リム応力集中を減少させる形状を備えるプラットホー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。プラットホームは、隣接するロータブレードの間でプラットホーム前縁からプラットホーム後縁まで延びる複数の円周方向に凹状の形状のくぼみを含む。くぼみは、ロータブレード及びそのロータブレード根元フィレットとは独立しており、プラットホーム後縁においておよそゼロになるように傾斜した深さを有する。運転中に、くぼみは、応力遮蔽をもたらし、ロータブレード根元フィレット接点より下方において、円周方向応力を遮ることにより応力集中を減少させる。結果として、同一の円周方向応力場で発生する応力集中が低下し、またロータブレードとプラットホームの間で発生する円周方向リム応力集中が少なくなる。従って、高い効率で作動し、しかも円周方向リム応力集中が減少されたロータ組立体が得られる。
【００２１】
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、本発明は、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の１部の概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンに用いることができるロータ組立体の１部の後面図。
【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】
１４ ロータ組立体
１８ ロータブレード
２０ ロータディスク
４４ ロータブレード根元
４８ 外側プラットホーム
５０ 外側プラットホームの外側表面
６０ 外側プラットホームの前縁
６２ 外側プラットホームの後縁
６４ くぼみ
８０ 根元フィレット
８４ くぼみ幅
８６ 頂点

Claims (6)

1. 外側プラットホーム（４８）及び該外側プラットホームから半径方向外方に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード（１８）を備え、前記外側プラットホームは、外側表面（５０）、前縁（６０）及び後縁（６２）を備え、各ロータブレードは、前記外側プラットホーム外側表面と各ロータブレードの間に延びる根元フィレット（８０）を備えるロータ（１６）を含むロータ組立体（１４）を、ガスタービンエンジン（１０）において円周方向リム応力集中の減少を促進するように組立てる方法であって、
   隣接するロータブレード間に複数のくぼみ（６４）を形成する段階と、
   該くぼみを前記外側プラットホーム前縁と後縁の間に延ばす段階と、
   を含み、
   前記複数のくぼみ（６４）を、前記外側プラットホーム前縁（６０）に隣接する最大深さから前記外側プラットホーム後縁（６２）におけるゼロに等しい深さまで傾斜する深さ（７２）を有するように形成する
   ことを特徴とする方法。
2. 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段階は、隣接するロータブレード（１８）間に延びる円周方向に凹状の形状を有するように、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。
3. 複数のくぼみ（６４）を形成する前記段階は、各くぼみが、前記外側プラットホーム後縁（６２）においてゼロに等しい深さ（７２）を有するように、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. ロータ組立体（１４）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、
   前記ロータ組立体（１４）は、複数のロータブレード（１８）及び半径方向外側プラットホーム（４８）を備えるロータ（１６）を含み、
   前記複数のロータブレードは、前記ロータ組立体外側プラットホームから半径方向外方に延びており、
   前記ロータブレードの各々は、前記ロータブレードの各々と前記ロータ組立体外側プラットホームの間に延びる根元フィレット（８０）を含み、
   前記ロータ組立体外側プラットホームは、外側表面（５０）、前縁（６０）及び後縁（６２）を含み、
   前記複数のくぼみ（６４）は、前記外側プラットホーム前縁（６０）に隣接する最大深さから前記外側プラットホーム後縁（６２）におけるゼロに等しい深さまで傾斜する深さ（７２）を有し、
   前記外側表面は、前記前縁と前記後縁の間に延びる複数のくぼみ（６４）を含み、前記外側表面は、前記ロータ組立体ロータブレードの各々と前記ロータ組立体外側プラットホームの間で円周方向リム応力集中を減少させるように構成される
   ことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
5. 前記ロータ組立体外側表面くぼみ（６４）は、隣接する前記ロータブレード（１８）間に円周方向に凹状の形状を有することを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
6. 前記外側表面くぼみ（６４）は、スカラップ形状であり、前記外側表面（５０）中に深さ（７２）で延びており、前記くぼみ深さは、前記外側プラットホーム前縁（６０）と後縁（６２）の間で変化することを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１０）。

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