JP5099941B2 - 複合ブレード根元取付装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、ガスタービンエンジンのロータに複合ブレードを取り付ける根元取付装置に関し、特に複合ブレード根元に対するスロット壁と低摩擦ブレード根元の界面に関する。
【０００２】
【背景技術】
ガスタービンエンジンの複合ファンブレードは、そのダブテールまたは根元を金属ディスクまたはドラムロータのスロットに保持した構成である。作動中、高い圧縮荷重および根元とスロット壁（しばしばディスクポストと称される）との相対運動のもとで、摩耗や擦過エロージョンが見られ、特にロータにより保持されたブレード根元で顕著である。当業界で周知のように、複合ブレードは、強化ポリマー材料、たとえばグラファイト、ガラス、ホウ素などの繊維構造で補強したエポキシ母材のプライを積層してなる。このようなブレードの例が米国特許第３，７５２，６００号、第４，０４０，７７０号および第５，２９２，２３１号に記載されている。このような周知の構造において、金属アウトサートまたは金属シェルを、このようなアセンブリにおいて通常用いられるスプレー状のブレード根元と保持部材のダブテールスロットとの間に配置することがよく行われている。ブレードとスロットとの接合部で保持部材の金属スロットと金属アウトサートまたはシェルとが接触すると、その界面で摩耗や擦過エロージョンが生じる。
【０００３】
このような擦過やそれに伴うエロージョンを解決するために、米国特許第５，５７３，３７７号「複合ブレード根元とロータのアセンブリ」（本出願の譲受人と同じ譲受人であるゼネラル・エレクトリック・カンパニイに譲渡されており、本発明の先行技術として援用する）に記載されているように、複合ブレード根元およびロータアセンブリが開発されている。米国特許第５，５７３，３７７号には、ロータのブレード根元受け入れスロットにより保持されたブレード根元を含む複合ブレード複数個のアセンブリが開示され、ここでスロットはスロット壁を有し、その半径方向外側部分は、組み立て時に、離間されかつ並置されたブレード根元圧力面の半径方向外側表面から、アセンブリの作動時にブレードに働く所定量の遠心荷重の関数である量だけ発散し、かくして根元圧力面の半径方向外側表面の少なくとも一部が、作動中に、スロット壁の半径方向外側表面と接触するようになる。根元外側パッドは、金属ではなく実質的に非金属の複合プライ複数枚を、ブレード根元中に延在するエーロフォイル構造プライと結合してなる。低摩擦摩耗コートを根元外側圧力面に設けて、ブレード根元に摩擦により誘引される応力を軽減する。摩耗コートは圧力面に塗工し、硬化することができ、このような被覆材料としては、自己潤滑性フィルムや布、たとえばＴｅｆｌｏｎ材料繊維のようなポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維、ガラス繊維、Ｎｏｍｅｘ材料繊維のような有機アラミド繊維の織物がある。また、テフロン材料や他の形態のＰＴＦＥ材料を吹付けたものなどを用いることができる。低摩擦コーティングは、作動中のロータ減速時にブレードがロータスロット内にロックされるのを防止するのに有効である。この組合せに低摩擦コーティングを用いることから得られる別の利点として、ブレード根元は、予想可能な荷重条件にてスリップし、ブレードベースとロータスロット壁との間の相対運動による共振交差時や潜在的ブレード不安定時にブレードのために減衰をとることができる。
【０００４】
シムが低摩擦コートとスロットとの間に配置され、低摩擦摩耗コート材料からさらに改善された性能を引き出すのに適切な硬度と表面仕上げを有する。シムは、スロット壁が所望の摩耗特性がいつも得られるわけではないチタン合金製である場合、特に重要である。シムは、摩耗コートの寿命を延ばし、摩耗がスロット壁に生じるのを防止し、摩耗コートとスロット壁との間に配置され、ロータダブテールから取り外し可能かつ交換可能である。シムは単一材料、たとえば鋼、チタンまたはチタン合金から形成することができ、あるいは片側に銅または銅合金などの皮膜を設けた単一材料とすることができる。
【０００５】
新しいエンジンのファンロータは、レッドライン速度までのエンジン回転速度運転範囲にわたってバランスをとっている。摩耗ストリップのすり合わせと関連したスロットにおけるファンブレードダブテール着座のばらつきに起因する相対的なファンブレード半径方向および円周方向モーメント重量変化があるので、困難が生じる。エンジン合格判定試験中に、いったん運転したロータは、数度のエンジンならしサイクル、たとえば１０サイクル後にバランス調整しなおさなければ、適正なファンブレードダブテール着座を実現することができない。これらのならしサイクル後にファンロータを再バランス調整する必要をなくすことが強く望まれている。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、複合ブレード根元とエンジンのロータに設けた根元受け入れスロットの壁との間に用いるガスタービンエンジンのブレード根元シムを提供する。１実施態様のシムは、横方向に離間した第１および第２末端を有する長さ方向に延在するベースと、前記第１端および第２端から鋭角にベースに向かって内向きに曲げられた長さ方向に延在する第１および第２レッグと、前記第１および第２レッグの外向きに面する第１および第２表面上の低摩擦係数の第１および第２コーティングとを備える。本発明に用いるコーティングとしては、ポリテトラフルオロエチレン粉末を樹脂バインダに分散してなるコーティングや、ポリテトラフルオロエチレンを含有する他のコーティングが適当である。
【０００７】
本発明の別の実施態様によれば、支持部材としてのロータにより保持された複数の複合ブレードを有するロータアセンブリが提供される。各複合ブレードは複数の複合プライを結合してなり、エーロフォイルおよびロータによる保持に適当な形状のブレード根元を有する。ブレード根元はこの根元上に配置されロータにより保持された複合根元外側圧力パッドを有し、この複合根元外側圧力パッドは複数の非金属複合プライを互いにかつ前記ブレード根元と結合してなる。複数のブレード根元受け入れスロットが、ロータのまわりでディスクまたはドラムに円周方向に配置されている。各スロット壁は、少なくともその一部がブレード根元を受け入れる形状とされ、前記スロット壁は、半径方向内方部分と半径方向外方部分とを含み、前記複合根元圧力パッドの根元外側圧力面の少なくとも一部を受け入れかつ保持する形状とされている。複合根元外側圧力パッド上の根元外側圧力面は、根元端から延在する半径方向内側表面と、この内側表面との接合境界からブレードエーロフォイルに向けて延在する半径方向外側表面とを有する。内側表面は前記スロット壁に向けて押圧されかつスロット壁により保持される。根元圧力面の半径方向外側表面とスロット壁の半径方向外側部分とは、組み立て時に、徐々に広がる間隔をあけた並置関係にあり、この間隔をあけた並置関係は、前記根元圧力面内側表面および外側表面間の接合境界で始まって、そこから概して半径方向外方へ、ロータアセンブリの作動時にブレードにかかる所定量の遠心荷重の関数である発散量にて発散している。これにより作動中に、前記根元外側圧力面の半径方向外側表面の少なくとも一部が前記スロット壁の半径方向外側表面に向けて押しつけられる。低摩擦摩耗コートが前記根元外側圧力面上にかつ前記圧力面と前記スロット壁との間に配置される。シムが前記スロット壁により保持され、前記低摩擦摩耗コートと前記スロット壁との間に配置される。シムは、前記低摩擦摩耗コートと接触しているシムの外向き表面上に低摩擦係数コーティングを有する。
【０００８】
シムのレッグ上の低摩擦係数のコーティングは、ブレード根元がロータのスロット内に適切に着座するのを可能にし、エンジンの組み立てまたは再組み立ておよび試験中にロータを再バランス調整する必要をなくす。
【０００９】
【好適な実施態様】
この発明を特徴付けると考えられる新規な特徴は特許請求の範囲に記載し、明確にしたとおりである。この発明の構成をその目的および効果とともに、添付の図面を参照しながら、以下に具体的に説明する。
【００１０】
図１は、支持部材、たとえばガスタービンエンジン・ロータ１２のディスクまたはドラムにより、ダブテールスロット１４を介して保持された本発明の複合ファンブレード１０の分解図である。ブレード１０は、ロータの円周方向に配置されたブレード受け入れダブテールスロット１４に植設された複数の円周方向に配置されたブレードを代表するもので、複合エーロフォイル１６およびスプレー状ダブテール根元１８を有し、ブレードはこの根元１８を介してロータ１２に保持されている。
【００１１】
さらに図２および図３を参照すると、ブレード１０は、エーロフォイル１６における複数の第１の構造的兼荷重支持エーロフォイルプライ２０および根元１８における複数の第２の根元プライ２２を含む、複数の積層複合プライを含む。根元プライ２２は、当業界で周知の方法などにより互いに結合され、１対の根元外側圧力パッド２８を形成している。
【００１２】
複合ブレード１０は、非金属根元外側圧力パッド２８を、ダブテール根元１８の各ローブ２９に一つ、合計２つ有し、これらパッド２８はダブテールスロット１４のスロット壁３４により保持される形状となっている。圧力パッド２８は、根元の半径方向内側部分に沿って根元外側圧力面３２に向かって延在する根元端３０を有する。スロット壁３４はそれぞれ、組み立て時に、外側圧力面３２と協動してブレード根元１８を保持する。本発明の実施例では、外側パッド２８を含むブレード根元１８は、エンジン作動中に受けると予想される遠心力による応力の関数として設計されている。
【００１３】
圧力パッド２８の根元外側圧力面３２は半径方向内側表面３３を有し、この内側表面３３は、組み立て時に、ダブテールスロット壁の半径方向内方部分３７と接触関係で協動する。外側圧力面３２は、圧力面の内側表面と外側表面との接合境界３６から半径方向外向きに延在する半径方向外側表面３５も有する。外側表面３５は、ダブテールスロット壁の半径方向外側部分３９と間隔をあけた並置関係にあり、概して接合境界３６から半径方向外向きに、内側表面３３と外側表面３５との接合境界３６にて始まる、たとえば約１°〜２°のような小さな角度にて発散している。この形状の特徴は、ブレードおよびロータの組立体に関して「クラウニング」（ｃｒｏｗｎｉｎｇ）と称されることもあり、ロータの作動中、作動時の遠心力荷重により誘引される破砕応力を、圧力面３２の全長に沿って根元圧力パッドとブレード構造（エーロフォイル）プライ両方に分散させることを可能にする。遠心力荷重は、内側表面３３および外側表面３５を互いに接近させるように作用する。
【００１４】
ブレード根元１８の外側圧力面３２上の低摩擦摩耗コート３８を用いて、ブレード根元における摩擦誘引応力を軽減する。このような摩耗コートは通常圧力面３２に塗工し、硬化する。このような被覆材料としては、自己潤滑性フィルムまたはクロス、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維、有機アラミド繊維またはガラス繊維の織物などがある。たとえば米国特許第５，５７３，３７７号参照。市販の布を用いてもよい。また、テフロン材料や他の形態のＰＴＦＥ材料を吹付けたものなどを用いることができる。低摩擦被覆と上述した「クラウニング」とを組合せると、作動中のロータ減速時にブレードがロータスロット内にロックされるのを防止するのに有効である。
【００１５】
シム４０が低摩擦摩耗コート３８とスロット壁３４との間に配置され、このシム４０は、所望の硬度と表面仕上げを有し、低摩擦摩耗コート材料からさらに改善された性能を引き出し、摩耗コートの寿命を延ばし、スロット壁に摩耗が起こるのを防止する。この構成の特徴は、スロット壁が所望の摩耗特性がいつも得られるわけではないチタン合金である場合、特に重要である。シム４０は取り替え、取り外しいずれも可能であり、スロット壁３４の一部を構成するポスト５０と通常称される部分の頂部に重ね合わされる。ロータディスクの場合、ポストはディスクポストと称される。
【００１６】
シムは単一材料、たとえば鋼、チタンまたはチタン合金から形成することができ、あるいは片側に銅または銅合金などのコーティングを設けた単一材料とすることができる。別の形態では、シムは、バイメタル材料、たとえば鉄基合金（具体的には鋼）の帯板またはシートをそれより軟質な材料（具体的には銅または銅合金）の帯板またはシートに張り合わせたものとすることができる。片側に比較的硬質な鉄基合金を有し、他方の側に比較的軟質な銅または銅合金を有するバイメタルシムの場合、軟質側をスロット壁に向かい合わせ、スロット壁とシムとの相対運動を防止し、スロット壁の擦過や摩耗を回避する。本発明によれば、上述した形態のシムは、低摩擦コートに向かい合う側に、このようなコーティングの性能を向上する材料特性と表面仕上げを有する。スロット壁およびロータに向かい合うシムの他方の側は異なる材料製とすることができ、この他方の側の材料を犠牲材料とすれば、シムがスロット圧力面の摩耗や擦過の原因とならない。シムのスロット壁に向かい合う側に比較的軟質な材料を用いることにより、壁とシムとの相対運動を防止し、スロット壁の擦過や摩耗を防止する。また、摩擦係数がわかっている、低摩擦摩耗コートとシムとの間にほぼすべての運動が起こり、ブレード根元応力の最適化を十分に利用することができる。応力および重量軽減用穴９０をベース６０に貫通配置し、シム４０の寿命を短縮するおそれのある応力を緩和する。
【００１７】
シムは、横方向に離間した第１および第２末端６４および６８を有する長さ方向に延在するベース６０と、第１および第２末端６４および６８からベースに向かって内方へ鋭角に曲げられた、長さ方向に延在する第１および第２レッグ７０および７２と、第１および第２レッグ７０および７２の第１および第２外向き表面８４および８６上の第１および第２低摩擦係数コーティング７８および８０とを含む。本発明に用いるコーティングとしては、樹脂バインダにポリテトラフルオロエチレン粉末を分散したものや、ポリテトラフルオロエチレンを含有する他のコーティングが適当である。
【００１８】
以上、本発明を種々の実施態様、例および組合せについて説明した。しかし、当業者であれば、本発明には、その要旨から逸脱することなく、種々の変更、改変が可能であることが理解できるはずである。本発明の好適なかつ例示の実施態様とみなされるものを説明したが、当業者には、ここでの教示内容から本発明の他の変更例が明らかであり、したがって、このような変更例もすべて本発明の要旨の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合ファンブレードおよびシムを、ガスタービンエンジン・ロータのダブテールスロットに組み立てた状態にて示す分解図である。
【図２】図１の組立体における複合ブレードおよびシムを一部断面にて示す斜視図である。
【図３】ダブテールスロット内のブレード根元およびシムの組立体を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ 複合ファンブレード
１２ エンジンロータ
１４ スロット
１６ エーロフォイル
１８ 根元
２０ エーロフォイルプライ
２２ 根元プライ
２８ 圧力パッド
２９ ローブ
３０ 根元端
３２ 圧力面
３４ スロット壁
３３ 内側表面
３５ 外側表面
３７ 内方位置
３９ 外方位置
３６ 接合境界
３８ 摩耗コート
４０ シム

Claims (7)

1. 支持部材としてのロータにより保持された複数の複合ブレードを含み、各複合ブレードは複数の複合プライを結合してなってエーロフォイルおよび前記ロータによる保持に適当な形状のブレード根元を有し、前記ブレード根元は前記根元上に配置され前記ロータにより保持された複合根元外側圧力パッドを有し、この複合根元外側圧力パッドは複数の非金属複合プライを互いにかつ前記ブレード根元と結合してなり、
   スロット壁を有する複数の円周方向に配置されたブレード根元受け入れスロットを含み、少なくともスロット壁の一部がブレード根元を受け入れる形状とされ、前記スロット壁は、半径方向内方部分と半径方向外方部分とを含みそして前記複合根元圧力パッドの根元外側圧力面の少なくとも一部を受け入れかつ保持する形状とされており、
   前記ブレードは、前記複合根元外側圧力パッド上に根元外側圧力面を含み、この圧力面は、根元端から延在する半径方向内側表面と、この内側表面との接合境界から前記ブレードエーロフォイルに向けて延在する半径方向外側表面とを有し、前記内側表面は前記スロット壁に向けて押圧されかつスロット壁により保持され、
   前記根元圧力面の半径方向外側表面と前記スロット壁の半径方向外側部分とは、組み立て時に、徐々に広がる間隔をあけた並置関係にあり、この間隔をあけた並置関係は前記根元圧力面内側表面および外側表面間の接合境界で始まって、そこから概して半径方向外方へ、ロータアセンブリの作動時にブレードにかかる所定量の遠心荷重の関数である発散量にて発散し、これにより作動中に前記根元外側圧力面の半径方向外側表面の少なくとも一部が前記スロット壁の半径方向外側表面に向けて押しつけられるようにし、
   前記根元外側圧力面上にかつ前記圧力面と前記スロット壁との間に配置された低摩擦摩耗コートを含み、そして
   前記スロット壁により保持されて前記低摩擦摩耗コートと前記スロット壁との間に配置されたブレード根元シムを含み、
   前記ブレード根元シムは、横方向に離間した第１末端および第２末端を有する長さ方向に延在するベースと、前記第１末端から鋭角に前記ベースに向かって内向きに曲げられた長さ方向に延在する第１レッグと、この第１レッグの外向き第１表面上の低摩擦係数の第１コーティングとを備え、
   前記低摩擦摩耗コートと前記ブレード根元シムの外向きに面する表面上の低摩擦係数コーティングとが接触し、
   前記ブレード根元シムは、片側に銅又は銅合金を有し且つ他方の側に前記銅又は銅合金よりも硬質な鉄基合金を有するバイメタルシムであり、前記片側を前記スロット壁に向かい合わせる
   ことを特徴とする、ロータアセンブリ。
2. ロータにより保持された複数の複合ブレードを含み、各複合ブレードは複数の複合プライを結合してなってエーロフォイルおよび前記ロータによる保持に適当な形状のブレード根元を有し、
   スロット壁を有する複数の円周方向に配置されたブレード根元受け入れスロットを含み、少なくともスロット壁の一部がブレード根元を受け入れる形状とされ、前記ブレードが前記スロット壁に面する根元外側圧力面を含み、
   前記根元外側圧力面上にかつ前記圧力面と前記スロット壁との間に配置された低摩擦摩耗コートを含み、そして
   前記スロット壁により保持されて前記低摩擦摩耗コートと前記スロット壁との間に配置されたブレード根元シムを含み、
   前記ブレード根元シムは、横方向に離間した第１末端および第２末端を有する長さ方向に延在するベースと、前記第１末端から鋭角に前記ベースに向かって内向きに曲げられた長さ方向に延在する第１レッグと、この第１レッグの外向き第１表面上の低摩擦係数の第１コーティングとを備え、
   前記低摩擦摩耗コートと前記ブレード根元シムの外向きに面する表面上の前記第１コーティングとが直接接触し、
   前記ブレード根元シムは、片側に銅又は銅合金を有し且つ他方の側に前記銅又は銅合金よりも硬質な鉄基合金を有するバイメタルシムであり、前記片側を前記スロット壁に向かい合わせる
   ことを特徴とする、ロータアセンブリ。
3. 前記第１コーティングがポリテトラフルオロエチレン粉末を樹脂バインダ中に分散してなる、請求項１又は２に記載のロータアセンブリ。
4. 前記第１コーティングがポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項１又は２に記載のロータアセンブリ。
5. 前記ブレード根元シムは、さらに、前記第２末端から鋭角に前記ベースに向かって内向きに曲げられた長さ方向に延在する第２レッグと、この第２レッグの外向き第２表面上の低摩擦係数の第２コーティングとを備える、請求項１又は２に記載のロータアセンブリ。
6. 前記第１及び第２コーティングがポリテトラフルオロエチレン粉末を樹脂バインダ中に分散してなる、請求項５に記載のロータアセンブリ。
7. 前記第１及び第２コーティングがポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項５に記載のロータアセンブリ。

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