JP5576974B2 - ロータブレード - Google Patents

Description

例示的な実施形態は、総括的にはガスタービンエンジン構成要素に関し、より具体的には先端シュラウドを有するロータブレードに関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧することができ、加圧空気は、燃料と混合させかつ燃焼器に送ることができる。混合気は次に、点火されて高温燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、タービンに送ることができる。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力を供給すると共に、飛行中の航空機を推進させ又は発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行うことができる。

タービンは、ロータ組立体及びステータ組立体を含むことができる。ロータ組立体は、ディスクから半径方向外向きに延びる複数のロータブレードを含むことができる。各ロータブレードは、翼形部を含むことができ、翼形部は、プラットホームと先端との間で延びることができる。各ロータブレードはまた、プラットホームの下方に延びかつディスクの対応するスロット内に受けることができる根元を含むことができる。それに代えて、ディスクは、根元の必要性をなくすことができるブリスク又はブレード付きディスクとすることができ、翼形部は、ディスクから直接延びることができる。ロータ組立体を通る燃焼ガス流路は、ロータブレードプラットホームが半径方向内側の境界となり、また複数の先端シュラウドが半径方向外側の境界となり、各先端シュラウドは、少なくとも１つのシール歯を含むことができる。

一般的に、少なくとも１つのシール歯は、半径方向に隣接するハニカムと協働して流路をシールすることができる。少なくとも１つのシール歯は、該シール歯の残りの部分よりも断面積が大きい少なくとも一部分を有することができる。ハニカムに対するブレードの前進運動の間に、このより大きい部分は、シール歯の残りの部分に先立ってハニカムと係合し、該ハニカム内に摩耗痕跡を切り込むことができる。このことにより、シール歯は、非軸対称であることを必要とする可能性もある。

ロータブレードは、多様な材料で作ることができる。それらの材料の幾つかは、何らかの機械加工を必要とするにしても殆ど必要とせずに非軸対称シール歯を最終形状内に鋳造するのを可能にすることができる。しかしながら、その他のより軽量、より低コスト又はより長寿命の材料は、最終形状に鋳造される特性を有しておらず、機械加工することが必要である。それら材料を用いて非軸対称機構を機械加工することは、時間がかかりかつ材料の無駄を引き起こして、より長時間の作製サイクルを招くおそれがある。

１つの例示的な実施形態は、ロータブレードに関するものとすることができ、本ロータブレードは、先端シュラウドを有し、先端シュラウドは、組立て状態にある時にエンジン中心線に対してある角度で配置された少なくとも１つのシール歯を有することができる。別の例示的な実施形態では、シール歯は、前端縁部及び／又は後端縁部に対してある角度で配置することができる。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図であり、ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２、ブースタ１４、高圧圧縮機１６及び燃焼器１８を含む。エンジン１０はまた、高圧タービン２０及び低圧タービン２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の配列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。エンジン１０は、あらゆるガスタービンエンジンとすることができる。例えば、エンジン１０は、それに限定されないが、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０型ガスタービンエンジンとすることができる。ファン組立体１２、ブースタ１４及びタービン２２は、第１のロータシャフト３２によって結合することができ、また圧縮機１６及びタービン２０は、第２のロータシャフト３４によって結合することができる。

作動中、空気がファン組立体１２を通って流れ、加圧空気が、ブースタ１４を介して高圧圧縮機１６に供給される。高度に加圧された空気が燃焼器１８に送給され、燃焼器１８において、加圧空気は、燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１８から送られてタービン２０及び２２を駆動する。タービン２２は、シャフト３２によってファン組立体１２及びブースタ１４を駆動する。タービン２０は、シャフト３４によって圧縮機１６を駆動する。

図２は、それに限定されないが、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンで使用することができる例示的な回転組立体の部分切欠き断面図である。この例示的な実施形態では、ロータ組立体３６は、それに限定されないが、低圧タービン２０（図１に示す）のようなタービンとすることができる。しかしながら、本明細書に説明しかつ／又は図示した例示的な実施形態は、あらゆるロータ組立体で使用することができる。ロータ組立体３６は、軸方向中心線軸線（図示せず）の周りで継手４０によって互いに接合された複数のロータ３８を含む。各ロータ３８は、環状の半径方向外側リム４４、半径方向内側ハブ４６、及びそれらの間で半径方向に延びる一体形ウェブ４８を備えたロータディスク４２を含む。各ロータ３８はまた、外側リム４４から半径方向外向きに延びる複数のブレード５０を含む。１つ又はそれ以上のロータ３８の１つ又はそれ以上のブレード５０は、それぞれのリム４４と一体形に接合することができる。さらに、１つ又はそれ以上のロータ３８の１つ又はそれ以上のブレード５０は、それぞれのリム４４の相補形スロット（図示せず）内に取付けたブレードダブテイル（図示せず）を使用する公知の方法でそれぞれのリム４４に取外し可能に接合することができる。

ロータブレード５０は各々、前縁５２、後縁５４、及びそれらの間で延びる翼形部５６を含む。各翼形部５６は、負圧側面５８及び円周方向に対向する正圧側面６０を含む。負圧及び正圧側面５８及び６０はそれぞれ、軸方向に間隔を置いて配置されたそれぞれ前縁及び後縁５２及び５４間で延び、かつロータブレード先端シュラウド６２及びロータブレードプラットホーム６４間で半径方向スパンにわたって延びる。ブレード翼弦は、それぞれロータブレード前縁及び後縁５２及び５４間で測定される。プラットホーム６４の半径方向外側面６６は、ロータ組立体３６の半径方向内側流路面を形成し、またブレード先端シュラウド６２の半径方向内側面６８は、ロータ組立体３６の半径方向外側流路面を形成する。

図３は、図１に示すガスタービンのようなガスタービンエンジンで使用することができる例示的なロータブレードの一部分の斜視図である。図４は、図３に示すロータブレードの平面図である。１つの例示的な実施形態では、ロータブレード５０は、１つ又はそれ以上のシール歯７０を含むことができ、これらシール歯７０は、ステータシュラウド７２に隣接しかつ該ステータシュラウド７２と相互に作用することができる。１つ又はそれ以上のシール歯７０は、ステータシュラウド７２及びロータブレード先端シュラウド６２によって形成された空洞７４内に配置することができる。シール歯７０は、ステータシュラウド７２上の半径方向に隣接するハニカムと協働して流路をシールすることができる。ハニカムは、ステータシュラウド７２の半径方向下面上に配置することができる。各ブレード先端シュラウド６２は、図２〜図４ではその各々がシュラウド６２（図３に示す）の全円周方向幅にわたって延びる２つのシール歯を含むものとして図示しているが、各先端シュラウド６２は、その各々がシュラウド６２の円周方向幅のいずれかの部分にわたって延びることができるあらゆる数のシール歯７０を含むことができることに注目されたい。さらに、各先端シュラウド６２はまた、ロータ３８内で隣接するロータブレード５０のシュラウド６２を相互噛合いさせるのを可能にする一対の対向する相互噛合い面７６及び７８を含むことができる。各先端シュラウド６２は、前端縁部７７及び後端縁部７９を含むことができる。

図３及び図４に示すように、先端シュラウド６２は、シール歯８０のような１つ又はそれ以上のシール歯を含むことができる。シール歯８０は、隣接するブレードのシール歯８２が該シール歯８０からオフセットし、従ってブレード対ブレード接合面８４において「鋸歯」パターンを形成するように、ある角度で配置することができる。この角度は、組立て状態にある時にシール歯がエンジン中心線に対して垂直でない限り、あらゆる角度とすることができる。シール歯はまた、先端シュラウド８０の前端縁部７７及び／又は後端縁部７９に対してある角度で配置することができる。オフセットは、シール歯８０が接合面８４において「有効な」拡大部分を有するのを可能にして、シール歯８０が、付加的な材料を有しないでハニカム内に適切に切込むことができるようにする。オフセットはまた、シール歯８０が軸対称になるのを可能にし、そのことにより、製造する上での利点を得ることができる。シール歯８０及び８２の角度は、１つのシール歯が隣接するシール歯についてオフセットするようなあらゆる適切な角度とすることができる。１つの例示的な実施形態では、シール歯８０及びシール歯８２は、接合面８４において部分的に重なり合うことができる。１つの例示的な実施形態では、先端シュラウド６２は、付加的なシール歯８６を有することができる。シール歯８０と同様に、シール歯８６は、隣接するブレードのシール歯８８が該シール歯８６からオフセットし、従ってブレード対ブレード接合面９０において鋸歯パターンを形成するように、ある角度で配置することができる。シール歯８６及び８８の角度は、１つのシール歯が隣接するシール歯についてオフセットするようなあらゆる適切な角度とすることができる。１つの例示的な実施形態では、シール歯８０及び８２は、シール歯８６及び８８と同一の角度を有し、従って互いに平行にすることができる。別の例示的な実施形態では、シール歯８０及び８２は、シール歯８６及び８８の角度と異なる角度を有することができる。

ロータブレード及び／又は先端シュラウドは、当技術分野で公知のあらゆる材料で作ることができる。１つの例示的な実施形態では、ブレード及び／又は先端シュラウドは、ニッケル又はコバルト基超合金で作ることができる。別の例示的な実施形態では、ブレード及び／又は先端シュラウドは、それに限定されないがチタンアルミナイドのようなチタン合金で作ることができる。加えて、ブレード、先端シュラウド及び／又はシール歯は、当技術分野で公知のあらゆる皮膜で被覆することができる。１つの例示的な実施形態では、ブレード及び／又は先端シュラウドは、環境皮膜で被覆することができる。シール歯は、それに限定されないが酸化アルミニウムのようなアブレイシブ皮膜で被覆することができる。

ブレード及び／又は先端シュラウドは、その最終形状に形成するか、又は形成後にその最終形状に機械加工することができる。先端シュラウドの外面を機械加工する必要がある場合には、角度付きのシール歯の使用により、ハニカムに「切込む」機構を可能にしながら機械加工の容易な軸対称形態を可能にすることができる。一般的に、先端シュラウドは、その回転軸線がエンジン中心線である弓形経路上に機械加工することができる。先端シュラウドの外面がほぼ円筒形である（すなわち、断面においてエンジン中心線にほぼ平行である）場合に、外面を形成する弓形経路の回転軸線は、隣接シール歯間でオフセットを達成するのに十分なほどに回転したエンジンの中心線とすることができる。外面がほぼ円錐形である場合には、回転軸線は、エンジン中心線に対して角度を付けるだけでなくオフセットさせる必要がある可能性がある。これは、先端シュラウドの端縁部における厚さが望ましくないほど薄く又は厚くならないことを保証するために、必要となる可能性がある。

様々な特定の例示的な実施形態について本出願を説明してきたが、これらの例示的な実施形態が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図。 図１に示すガスタービンエンジンのようなガスタービンエンジンで使用することができる例示的なガスタービン組立体の部分切欠き断面図。 図１に示すガスタービンエンジンのようなガスタービンエンジンで使用することができる例示的なロータブレードの一部分の斜視図。 図３に示すロータブレードの平面図。

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１４ ブースタ
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 低圧タービン
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３２ 第１のロータシャフト
３４ 第２のロータシャフト
３６ ロータ組立体
３８ ロータ
４０ 継手
４２ ロータディスク
４４ 外側リム
４６ 内側ハブ
４８ ウェブ
５０ ブレード
５２ 前縁
５４ 後縁
５６ 翼形部
５８ 負圧側面
６０ 正圧側面
６２ 先端シュラウド
６４ プラットホーム
６６ 外側面
６８ 内側面
７０ シール歯
７２ ステータシュラウド
７４ 空洞
７６ 第１の相互噛合い面
７７ 前端縁部
７８ 第２の相互噛合い面
７９ 後端縁部
８０ シール歯
８２ シール歯
８４ 接合面
８６ シール歯
８８ シール歯
９０ 接合面

Claims (4)

1. ロータブレード（５０）であって、
   翼形部（５６）と、
   前記翼形部（５６）から延びる先端シュラウド（６２）と、
   を含み、
   前記先端シュラウド（６２）が、
   組立て状態にある時にほぼ周方向に延び且つエンジン中心線に対して垂直でない角度で配置された少なくとも１つのシール歯（８２）と、
   ロータ（３８）内で前記ロータブレード（５０）と周方向に隣接するロータブレードのシュラウドと相互噛合いさせるのを可能にする一対の対向する相互噛合い面（７６、７８）と
   を有し、
   前記少なくとも１つのシール歯（８０）が軸対称であり、
   前記少なくとも１つのシール歯（８０）は、周方向に隣接する前記ロータブレードと共に組立て状態にある時に、各シール歯（８０、８２）間の接合面（８４）において付加的な材料なしで拡大部として機能するよう該周方向に隣接するロータブレードのシール歯（８２）からオフセットし且つ部分的に重なり合う
   ことを特徴とする、ロータブレード（５０）。
2. 前記先端シュラウド（６２）が、組立て状態にある時にエンジン中心線に対して垂直でない角度で配置された第２のシール歯（８６）をさらに含む、請求項１記載のロータブレード（５０）。
3. 前記ロータブレード（５０）が、チタンアルミナイドで形成される、請求項１記載のロータブレード（５０）。
4. ロータ（３８）と、
   前記ロータ（３８）から半径方向に延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータブレード（５０）と
   を含む、ロータ組立体（３６）。