JP5134225B2

JP5134225B2 - ガスタービン用のロータアセンブリ

Info

Publication number: JP5134225B2
Application number: JP2006249240A
Authority: JP
Inventors: アポストロス・パヴロス・カラフィリス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: EP1764476A2; US7334997B2; CN1932248B; US20070065291A1; EP1764476A3; CN1932248A; JP2007085339A

Description

本発明は、一般に、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービン用のロータアセンブリ及びガスタービン用ハイブリッドブリスクに関する。

ガスタービンは、その他の変形形態の中でもとりわけ、ガスタービン発電機器、およびガスタービン航空エンジンを含む。ガスタービンは、高圧圧縮機と、燃料と圧縮空気の混合気をその中で燃焼させて推進ガス流を発生させる燃焼器と、推進ガス流によって回転され、高圧圧縮機を駆動するために軸がそれに結合される高圧タービンとを有する、コアエンジンを備える。典型的なガスタービン航空エンジンは、ファンロータを駆動するために別の軸がそれに結合される、低圧タービンをさらに備える。ファンロータは、このタイプのエンジンの最も重い構成要素のうちの１つである。

ファンロータは、大抵１列のダブテイルスロット内に設置される、複数のエーロフォイル形状のブレードを有する。従来のガスタービンブレード設計は通常、完全に、金属製または炭素−エポキシ複合材などの複合材料製である。高価なワイドコード中空ブレードを含めた全金属製ブレードは、比較的重量が大きく、それによって燃料効率が低下し、かつより強固なブレード取付けが必要とされ、一方、比較的軽い全複合材ブレードは、鳥衝突による損傷をより受けやすい。知られているハイブリッドブレードとして、侵食および鳥の衝突の理由からその先端が金属によって保護された複合材ブレード、および非金属挿入物を備える金属ブレードなどが挙げられる。こうしたハイブリッドブレードによって、ファンロータの重量が低減されるが、それらは依然、ロータへの個別の機械的な取付けを必要とする。

したがって、軽量であり衝撃耐性を有するファンロータが必要とされている。

上述した要求は、環状流路面を有する金属ハブと、流路面から外側に延びる少なくとも１つのブレードとを備える、ガスタービンエンジン用のロータアセンブリを提供する一態様による本発明によって満たされる。ブレードは、シャンク部分と、対向する圧力面および負圧面を有するエーロフォイル部分とを画成する、ハブと一体である第１の密度を有する金属本体、ならびに、本体が有する第１の密度未満の、第２の密度を有する挿入部分を備える。挿入物および本体が合わさって、エーロフォイル形状を画成する。

本発明の別の態様によれば、ガスタービン用のロータアセンブリを製作するための方法は、環状流路面を有する金属ハブを形成することと、ハブと一体であり流路面から外側に延びる少なくとも１つのブレードを形成することとを含む。ブレードは、シャンク部分と、対向する圧力面および負圧面を有するエーロフォイル部分とを画成する、ハブと一体である第１の密度を有する金属本体、ならびに、本体が有する第１の密度未満の、第２の密度を有する挿入部分を備え、挿入物および本体が合わさって、エーロフォイル形状を画成する。

本発明は、以下の説明を添付の図面と併せて参照することにより最もよく理解することができる。

様々な図で、同一の参照番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、環状流路面１４を有する金属ハブ１２、およびそれに取り付けられた複数のエーロフォイル形ブレード１６を備える、本発明に従って構築された例示的なファンブリスク１０を示す。本明細書において用いられる、「ブリスク」という用語は、それと一体のブレードを有するハブを備える、何らかのガスタービンエンジン構成要素を指す。そのような構成要素は、「ブレード付きディスク」、または「一体ブレード付きロータ」と呼ばれることがある。本発明は、航空ガスタービンエンジンで低圧ファンとして使用されるブリスクとして特に有用であるが、いかなる種類のブリスク構造にも応用可能である。本明細書において、「一体の」という用語は、その構成要素が元々別個であっても単一工作物であっても、それらの間に機械的な不連続部なしで単一部材を効果的に形成する、２つの構成要素を指す。

図２および図３は、例示的なブレード１６をさらに詳細に示す。ブレード１６は、エーロフォイル部分２０およびシャンク部分２２を画成する、金属本体１８を備える。エーロフォイル部分２０は、対向する圧力面２４および負圧面２６、前縁２８、後縁３０、ならびに先端３２を有する。

本体１８は、所望の形状に形成することができ、必要運転負荷に耐え、ハブ材料と適合する、金属合金で構築される。適当な合金の例は、これらに限定されないが、チタン、アルミニウム、コバルト、ニッケル、または鋼をベースとする、合金を含む。図示の例では、本体１８は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。本体１８およびハブ１２は（図１参照）、知られたやり方で、単一ブランク材料からそのそれぞれの輪郭を機械加工することによって形成される。少なくとも１つのポケット３４が、本体１８内に形成される。ポケット３４の数および位置は、特定の用途に合わせて変えることができる。図示の例では、本体１８は、エーロフォイル部分２０の圧力面２４内に形成された、単一の大きいポケット３４を備える。ポケット３４の寸法および形状は、ねじり剛性および周波数応答など、ブレード特性に影響を与えるように、知られたやり方で選択することができる。

挿入物３６が、ポケット３４内に配置され、それに結合される。挿入物３６は、ブレード１６の圧力面２４の一部を形成する、外面３８を有する。挿入物３６は、運転中の予想される空気負荷および温度に耐え、所望のプロファイルに形成することができる、いかなる材料製とすることもできる。挿入物３６は、ブレード１６の全体的な構造一体性に寄与してもしなくてもよい。

挿入材料は、全体が同一材料製のエーロフォイルに比べてブレード１６の全質量が低減されるように、金属本体１８より小さい密度を有する。適当な材料の例は、「炭素−エポキシ」系と呼ばれる、エポキシ樹脂バインダに埋め込まれた炭素繊維フィラメントなどの複合材、繊維−ビスマレイミド、繊維−ポリイミド、およびその他の繊維−エポキシ熱硬化性または熱可塑性樹脂、ならびにそれらの組合せを含む。その他の適当な材料は、エラストマー、硬質フォーム（たとえばポリマー、セラミック、シリコーン、または金属、あるいは材料全体に分散した発泡構造を有するそれらの混合物）、構造用フォーム（すなわち、発泡コアおよび一体の表皮）、ならびにシンタクチックフォーム（すなわち、硬質の微細粒子を流体ポリマー中に分散させ、それを硬化させることによって製作される発泡ポリマー）を含む。挿入物３６は、形成し、次いで接着剤または締結具によってポケット３４内に固定することができ、あるいは、形成し、ポケット３４内の定位置に直接結合されるように、そこで硬化させることができる。

図４および図５は、一代替ブレード１１６を示す。ブレード１１６は、外形が上記ブレード１６とほぼ同様であり、シャンク部分１２２およびエーロフォイル部分１２０を画成する金属本体１１８を備える。エーロフォイル部分１２０は、対向する圧力面１２４および負圧面１２６、前縁１２８、後縁１３０、ならびに先端１３２を有する。

本体１１８は、上記のような金属材料で構築される。本体１１８およびハブ１２（図１参照）は、知られたやり方で、単一ブランク材料からそのそれぞれの輪郭を機械加工することによって形成することができる。ブレード１１６は、主にポケットの配置がブレード１６と異なる。少なくとも１つのポケット１３４が、本体１１８内に形成される。図示の例では、本体１１８は、エーロフォイル部分１２０の圧力面１２４内に形成された複数の第１のポケット１３４Ａ、およびエーロフォイル部分１２０の負圧面１２６内に形成された複数の第２のポケット１３４Ｂを備える。第１のポケット１３４Ａは、複数の直立する圧力面リブ１４０Ａによって分割され、第２のポケット１３４Ｂは、複数の直立する負圧面リブ１４０Ｂによって分割される。リブ１４０Ａおよび１４０Ｂの寸法、断面積、およびパターンは、ねじり剛性および周波数反応などブレード特性に影響を与えるように、知られたやり方で選択することができる。

第１の挿入物１３６Ａは、それぞれの第１のポケット１３４Ａ内に配置され、そこに結合される。第２の挿入物１３６Ｂは、それぞれの第２のポケット１３４Ｂ内に配置され、そこに結合される。それぞれの第１の挿入物１３６Ａは、エーロフォイル部分１２０の圧力面１２４の一部を形成する外面１３８Ａを有し、それぞれの第２の挿入物１３６Ｂは、エーロフォイル部分１２０の負圧面１２６の一部を形成する外面１３８Ｂを有する。挿入物１３６は、予想される運転中の空気負荷に対処し、所望のプロファイルに形成することができる、いかなる材料製とすることもできる。挿入物１３６は、ブレード１１６の全体的な構造一体性に寄与してもしなくてもよい。挿入材料は、一様なエーロフォイルに比べてブレード１１８の全質量が低減されるように、本体１１８より低い密度を有する。挿入物１３６に適した材料の例は、挿入物３６に関して上述した。図５に示すように、リブ１４０は、挿入物１３６を完全に分割するように、エーロフォイル部分１２０の外面まで完全に延びる。あるいは、周囲方向で測定したリブ１４０の厚さは、連続的な単一挿入物１３６を使用してエーロフォイル部分１２０の同じ面上の全てのポケット１３４を充填することができるように、ポケット１３４の深さより小さくすることができる。

図６および図７は、別の代替ブレード２１６を示す。ブレード２１６は、上記ブレード１６と外形がほぼ同様であり、シャンク部分２２２およびエーロフォイル部分２２０を備える。エーロフォイル部分２２２は、対向する圧力面２２４および負圧面２２６、前縁２２８、後縁２３０、ならびに先端２３２を備える。

エーロフォイル部分２２２は、金属本体２１８を備える。金属本体２１８に適した金属合金の例は、これらに限定されないが、チタン、アルミニウム、コバルト、ニッケル、または鋼をベースとする、合金を含む。図示の例で、本体２１８は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金製である。本体２１８は、第１の質量密度を有し、シャンク部分からブレード先端２３２へと径方向に延びる。

エーロフォイル部分２２２は、本体２１８より小さい第２の質量密度を有し本体２１８に結合された、少なくとも１つの挿入物２３６を備える。本体２１８はまた、挿入物２３６の間に配置されそれに結合された、リブ２４０を備える。本体２１８および挿入物２３６は、合わさってエーロフォイル形状を画成する。

上記のように、挿入物２３６は、予想される運転中の空気負荷に対処し、所望のプロファイルに形成することができる、いかなる材料製とすることもできる。適当な材料の例は上述した。挿入物２３６は、形成し、次いで接着剤または締結具を用いて本体２１８に固定することができ、あるいは、所定の位置で形成し、硬化させることができる。

挿入物２３６を被覆しそれに結合される表皮２４２を、エーロフォイル部分２２２に任意で形成することができる。そのような表皮２４２は、複合材または金属構造のものとすることができる。表皮２４２は、個別の複合材層の積層、または編組み構造のものとすることができる。図示の例において、表皮２４２は、エポキシ樹脂マトリックスバインダに埋め込まれた、炭素、ガラス、またはアラミドフィラメントからなる。好ましくは、いかなる表皮複合材の結合も、個々の接着フィルム材料の使用、あるいはレジントランスファー成形またはレジンインジェクションによって達成することができる。結合のその他の例は、限定ではなく、複合樹脂自体と基板の間の接着を含む。通常、表皮２４２は薄い層であり、本体２１８を（図７に示すように）同様に被覆してもしなくてもよい。存在する場合、表皮２４２の目的は、いかなる衝突による力も拡散させるために、挿入物に硬質の表面を与えることである。

エーロフォイル部分２２２は任意で、表皮２４２を全体的に被覆しそれに結合される、侵食被膜２４４を備えることができる。例示的な構造では、侵食被膜２４４は、一般に前縁２２８にのみ配置された、金属領域２４４’を含む。侵食被膜２４４はまた、金属領域２４４’から一般に後縁２３０まで配置された、非金属領域２４４’’を含む。非金属領域２４４’’用の材料の一例は、ポリウレタンであり、金属領域２４４’用の材料の一例は、チタンである。

ブレード１６、１１６、または２１６は、上記のようにハブ１２と一体に形成することができ、あるいは、別個に構築してハブ１２に恒久的に取り付けることができる。ブレード１６、１１６、または２１６がハブ１２と一体である場合、金属本体１８、１１８、または２１８は、いかなるポケットも含む所望の形状に形成され、挿入物３６、１３６、または２３６が、その中に取り付けられ、または形成される。ブレード１６、１１６、または２１６が別個に製作される場合、ブレード１６、１１６、または２１６をハブ１２に接合する前に、挿入物３６、１３６、または２３６が取り付けられる。ブレード１６、１１６、または２１６をハブ１２に接合する知られている方法は、並進摩擦圧接、拡散接合、および融接を含む。各ブレード１８、１１８、または２１８それぞれのシャンク部分２２、１２２、または２２２は、予想されるタイプの結合に対応するのに適当な形状およびサイズで形成される。たとえば、図２に示すように、ブレード１６のシャンク部分２２は、直方体または平行六面体形状の細長いブロック部分２３を備える。これによって、ブレード１６を挟み、操作し、結合することが可能になり、また、接合プロセスの熱影響域（ＨＡＺ）によってブレード１６の非金属部分が損傷を受けることを防止するための、ヒートシンクとして機能することが可能になる。選択された接合プロセス（たとえば、並進摩擦圧接）は、挿入物３６のエンジニアリング特性に悪影響を及ぼさないように、十分に狭いゾーンに限定され、こうして、本体１８をハブ１２に結合する前に、挿入物３６を、接着によって本体１８に取り付けることができる。ＨＡＺが挿入物３６のエンジニアリング特性に悪影響を及ぼす場合、本体１８をハブ１２に結合した後に、挿入物３６を本体１８に取り付ける（またはその中に形成する）ことができる。

ブレードを別個に製作してハブに取り付ける場合、ブレードは、そこから選択的に材料を除去することによって軽量化することができる。たとえば図８は、ブレード１１６と同様の、シャンク部分１２２’およびエーロフォイル部分１２０’を有する、代替ブレード１１６’を示す。中空キャビティ３００が、シャンク部分１２２’内に形成され、エーロフォイル部分内に部分的に、上向きに延びる。図示の例で、キャビティ３００は、ガンドリルで穿孔された１組の穴３０２によって共同で形成されるが、その他の機械加工方法を用いることもできる。キャビティ３００の存在は、ブレードの重量を増すがブレードのねじり剛性または曲げ耐性に大きく寄与しない材料を、ブレード１１６’のシャンク部分１２２’の中央から除去することを助ける。必要に応じて、キャビティ３００は、並進摩擦圧接時に、機械加工されたキャビティ内に材料がはみ出すことを防ぐために、並進摩擦圧接プロセスの前に、溶接またはろう付けされた栓３０４によって底部で塞ぐことができる。

完成したブリスク１０によって、いくつかの利点がもたらされる。挿入物３６の主な目的は、エーロフォイル部分上の金属を置き換え、したがってブリスク１０の重量を低減させることである。この重量上の利点は、従来のダブテイルブレードの重量またはその複雑な取付けなしで得られる。この構成によってまた、ブリスク１０の無損傷の金属部分を修理したり、ブリスク１０全体を交換したりする代わりに、損傷がある場合に挿入物３６を交換することを可能にすることのみによって、ブリスク１０の修理可能性が改善される。

以上で、ハイブリッドブリスク、およびそのようなブリスクの製作プロセスについて説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなくその様々な修正を行うこと可能であることが、当業者には理解されるであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態、および本発明を実施するための最良のモードについての上記説明は、単なる例示目的で行うものに過ぎず、特許請求の範囲によって定義される本発明を制限する目的で行うものではない。

本発明に従って構築されたファンブリスクを示す斜視図である。図１のブリスクのファンブレードのうちの１つを示す側面図である。図２の線３−３に沿った図である。図１のブリスクと共に使用するための一代替ファンブレードを示す側面図である。図４の線５−５に沿った断面図である。図１のブリスクと共に使用するための別の代替ファンブレードを示す側面図である。図６の線７−７に沿った断面図である。図１のブリスクと共に使用するためのさらに別の代替ファンブレードを示す側面図である。

符号の説明

１０ファンブリスク
１２ハブ
１４環状流路面
１６エーロフォイル形ブレード
１８金属本体
２０エーロフォイル部分
２２シャンク部分
２４圧力面
２６負圧面
２８前縁
３０後縁
３２先端
３４ポケット
３６挿入物
３８外面
１１６代替ブレード
１１８金属本体
１２０エーロフォイル部分
１２２シャンク部分
１２４圧力面
１２６負圧面
１２８前縁
１３０後縁
１３２先端
１３４ポケット
１３４Ａ複数の第１のポケット
１３４Ｂ複数の第２のポケット
１３６Ａ第１の挿入物
１３６Ｂ第２の挿入物
１３８外面
１３８Ｂ外面
１４０リブ
１４０Ａ圧力面リブ
１４０Ｂ負圧面リブ
２１６代替ブレード
２１８金属本体
２２０エーロフォイル部分
２２２シャンク部分
２２４圧力面
２２６負圧面
２２８前縁
２３０後縁
２３２先端
２３６挿入物
２４０リブ
２４２表皮
２４４侵食被膜
２４４' 金属領域
２４４” 非金属領域

Claims

ガスタービン用のロータアセンブリであって、
環状流路面（１４）を有する金属ハブ（１２）と、
前記流路面（１４）から外側に延びる少なくとも１つのブレード（１６、１１６、２１６）と、
少なくとも１つのキャビティと
を備え、
前記ブレード（１６、１１６、２１６）が、
シャンク部分（２２、１２２、２２２）、ならびに、対向する圧力面および負圧面を有するエーロフォイル部分（２０、１２０、２２０）を画成し、前記ハブ（１２）と一体である、第１の密度を有する金属本体（１８、１１８、２１８）と、
前記第１の密度より小さい第２の密度を有し、前記本体の前記エーロフォイル部分に形成されたポケットによって支持される非金属挿入物であって、前記挿入物と前記本体とが合わさって、前縁及び対向する後縁を有するエーロフォイル形状を画成する、非金属挿入物（３６、１３６、２３６）と、
前記本体の前記エーロフォイル部分の周囲に配置された非金属の外皮と、
前記外皮の少なくとも一部の周囲に配置され、前記前縁に隣接した金属部分と前記圧力面および前記負圧面に沿って前記金属部分から前記後縁に延びる非金属部分とを有する浸食被膜と、
を備え、
前記少なくとも１つのキャビティが、前記本体の前記シャンク部分内に形成され、前記エーロフォイル部分に向かって延びる、
ロータアセンブリ。
前記本体（１８、１１８、２１８）および前記ハブ（１２）が、単一の連続的なブランク材料から形成される、請求項１記載のロータアセンブリ。
前記本体（１８、１１８、２１８）が、前記ハブ（１２）と別個に形成され、次いで前記ハブ（１２）に接合される、請求項１記載のロータアセンブリ。
前記エーロフォイル部分（２０、１２０、２２０）が、前記圧力面および負圧面のうち選択された一方の内部に形成された少なくとも１つのポケット（３４、１３４）を備え、前記挿入物（３６、１３６、２３６）が、前記ポケット（３４、１３４）内に配置される、請求項１記載のロータアセンブリ。
ガスタービンエンジン用のロータアセンブリを製作するための方法であって、
環状流路面（１４）を有する金属ハブ（１２）を形成することと、
前記ハブ（１２）と一体であり前記流路面（１４）から外側に延びる、少なくとも１つのブレード（１６、１１６、２１６）を形成することと、
少なくとも１つのキャビティを形成すること
を含み、
前記ブレード（１６、１１６、２１６）が、
シャンク部分（２２、１２２、２２２）、ならびに、対向する圧力面および負圧面エーロフォイル部分（２０、１２０、２２０）を画成し、前記ハブ（１２）と一体である第１の密度を有する、金属本体（１８、１１８、２１８）と、
前記第１の密度未満の第２の密度を有し、前記本体の前記エーロフォイル部分に形成されたポケットによって支持される非金属挿入物であって、前記挿入物と前記本体とが合わさって、前縁及び対向する後縁を有するエーロフォイル形状を画成する、非金属挿入物（３６、１３６、２３６）と、
前記本体の前記エーロフォイル部分の周囲に配置された非金属の外皮と、
前記外皮の少なくとも一部の周囲に配置され、前記前縁に隣接した金属部分と前記圧力面および前記負圧面に沿って前記金属部分から前記後縁に延びる非金属部分とを有する浸食被膜と、
を備え、
前記少なくとも１つのキャビティが、前記本体の前記シャンク部分内に形成され、前記エーロフォイル部分に向かって延びる、
方法。
前記本体（１８、１１８、２１８）および前記ハブ（１２）を、単一の連続的なブランク材料から形成することと、
前記挿入物（３６、１３６、２３６）を、前記本体（１８、１１８、２１８）に取り付けることとをさらに含む、請求項５記載の方法。
前記本体（１８、１１８、２１８）を、前記ハブ（１２）と別個に形成することと、
前記挿入物（３６、１３６、２３６）を、前記本体（１８、１１８、２１８）に取り付けて、ブレード（１６、１１６、２１６）を形成することと、
前記ブレード（１６、１１６、２１６）を、前記ハブ（１２）に取り付けることとをさらに含む、請求項５記載の方法。
前記ブレード（１６、１１６、２１６）が、固体状態接合プロセスによって前記ハブ（１２）に取り付けられる、請求項７記載の方法。