JP5579965B2 - ロータアセンブリを製造するための装置 - Google Patents

Description

本出願は、概ねガスタービンエンジンのロータブレードに関し、より詳細にはロータアセンブリを製造するための方法および装置に関する。

既知のガスタービンエンジンのコンプレッサロータブレードは、前縁、後縁、圧力側、吸込側、根元部分および端部を有するエアフォイルを包含する。圧力側および吸込側は、エアフォイルの前縁および後縁において接続し、根元部分と端部の間において半径方向に広がる。内側流路は、少なくとも部分的には根元部分によって形成され、外側流路は、少なくとも部分的にはロータブレードから半径方向外側に結合する固定ケーシングによって形成される。少なくとも幾つかの既知の固定ケーシングは、ケーシングの内部において周方向且つブレード端部から半径方向外側に離間される摩耗性材料を含む。少なくとも幾つかの既知のコンプレッサは、例えば、ロータディスクから半径方向且つ直交外向きに延在するロータブレードの複数の列を含む。

少なくとも幾つかの既知のコンプレッサロータブレードは、エアフォイル先端が摩耗性ケーシングに当たり摩擦が生じた場合に、ブレードの動的応答によって発生する高いエアフォイルの半径方向負荷および振動応答の影響を受け易い収束流路において結合する。より詳細には、そのような負荷および応力は、ロータブレードが摩耗性ケーシングを撓曲させ摩擦することにより生じ得る。ブレードの動的応答により、概ねエアフォイルは第１たわみモード形状を採り、結果、エアフォイルの根元部分近傍のピーク位置において高いエアフォイル応力が生じる。更にまた、端部摩擦による影響は概ね、圧力側よりも吸込側が摩耗性ケーシングに接触するときに、エアフォイルにとってより深刻であり得る。

１つの形態において、ロータアセンブリを製造する方法を提供する。当該方法は、第１および第２の側壁が前縁および後縁において接続し且つ根元部分から端部まで翼幅方向に延在する第１側壁および第２側壁を含むロータブレードを提供することと、端部からブレード材料を除去することにより端部レーキ角を形成し、端部を第１および第２の側壁の間において斜めに延在させることを可能にすることと、ロータブレードをシャフトに結合させて、端部レーキ角により端部摩擦の間にブレードに対して生じる半径方向負荷の削減を容易にすることとを含む。

もう１つの形態では、ロータアセンブリにおいて使用されるエアフォイルを提供する。エアフォイルは、第１側壁と、前縁および後縁において第１側壁に接続する第２側壁と、根元部分と、端部摩擦の間にエアフォイルに対して生じる半径方向負荷の削減を容易にする角度をなして第１および第２の側壁の間において斜めに延在する端部とを包含する。

更なるもう１つの形態において、ガスタービンエンジンにおいて使用されるロータアセンブリを提供する。ロータアセンブリは、ロータシャフトと、ロータシャフトに結合する複数のロータブレードとを包含し、各々のロータブレードは、第１側壁と、前縁および後縁において第１側壁に接続する第２側壁と、根元部分と、端部摩擦の間にエアフォイルに対して生じる半径方向負荷の削減を容易にする角度をなして第１および第２の側壁の間において斜めに延在する端部とを包含するエアフォイル部分を包含する。

本発明は、ガスタービンエンジンのコンプレッサロータブレードを製造するための例示的な装置および方法を提供する。詳細には、例示的な実施例では、第１側壁、第２側壁、根元部分および端部を含むブースタコンプレッサのロータブレードを提供する。例示的な実施例では、端部は、既定のエンジン作動中にロータブレードに対して生じる半径方向および軸方向の負荷の削減を容易にするよう、位置決めされる。

本文においては、本発明を図１に示したタービンエンジンに関連して説明するが、本発明の装置および方法は、適当な修正が加えられることを条件として本文の説明の如く機能し得るコンプレッサを備えたいかなるエンジンにも適用可能であることが、当業者および本文の教示を受けた者にとっては明白であろう。

図１は、長手方向軸１２を有する例示的なエンジンアセンブリ１０の概略図である。エンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１３と、ブースタコンプレッサ１４と、コアガスタービンエンジン１６と、ファンアセンブリ１３およびブースタコンプレッサ１４に結合する低圧タービン２６とを包含する。コアガスタービンエンジン１６は、高圧コンプレッサ２２と、燃焼室２４と、高圧タービン１８とを含む。ブースタコンプレッサ１４は、第１ドライブシャフト３１に結合するロータディスク２０から実質的に半径方向外側に延在する複数のロータブレード４０を含む。エンジンアセンブリ１０は、吸気側２８および排気側３０を有する。コンプレッサ２２および高圧タービン１８は、第２ドライブシャフト２９によって互いに結合する。

作動中、空気は吸気側２８からエンジン１０中に入り、ファンアセンブリ１３通り、ファンアセンブリ１３からブースタコンプレッサ１４および高圧コンプレッサ２２に圧縮空気が供給される。複数のロータブレード４０は空気を圧縮し、その圧縮空気をコアガスタービンエンジン１６に搬出する。気流は、高圧コンプレッサ２２によって更に圧縮され、燃焼室２４に搬出される。燃焼室２４からの気流は、回転式タービン１８および２６を駆動させ、排気側３０からガスタービンエンジン１０の外へ排出される。

図２は、ブースタコンプレッサ１４（図１に示す）において使用され得る例示的なロータブレード４０の断面図である。図３は、ロータブレード４０の一部の斜視図である。ロータブレード４０は、エアフォイル部分４２と、プラットフォーム部分５５と、ロータブレード４０をロータディスク２０に取り付けるために使用される一体ダブテール部分４３とを包含する。エアフォイル部分４２は第１輪郭側壁４４と第２輪郭側壁４６とを包含する。例示的な実施例では、第１側壁４４は、実質的に凹状であってロータブレード４０の圧力側を形成し、第２側壁４６は、実質的に凸状であってロータブレード４０の吸込側を形成する。側壁４４および４６は、前縁４８において且つ軸方向に離間した後縁５０において互いに接合する。後縁５０は翼弦方向において前縁４８の下流に離間される。第１および第２の側壁４４および４６はそれぞれ、ダブテール４３に隣接して位置決めされるブレード根元部分５４からブレード端部６０まで、翼幅５２において長手方向または半径方向外側に延在する。端部６０は、側壁４４および４６の間に形成され、端部表面６２と、凹状エッジ６４と、凸状エッジ６６とを包含する。ダブテール部分４３は、根元部分５４に位置決めされて、第１および第２の側壁４４および４６のそれぞれから周方向外側に延在するプラットフォーム５５を包含する。例示的な実施例では、ダブテール４３は根元部分５４に隣接して実質的に軸方向に位置決めされる。代替的な実施例では、ダブテール４３は、根元部分５４に隣接して実質的に周方向に位置決めされても良い。ロータブレード４０は、ダブテール４３またはプラットフォーム５５の有無に関わらず、任意の従来的な形態を有しても良い。例えば、ロータブレード４０は、ダブテール４３およびプラットフォーム５５を包含しないｂｌｉｓｋ型構成におけるディスクを備えて一体形成されても良い。

例示的な実施例では、摩耗性材料３２は、ロータブレード４０の回りにおける周方向においてケーシングに結合する。プラットフォーム５５はブースタコンプレッサ１４を通り延在する流路３５の内側境界３４を形成し、摩耗性材料３２は流路３５の半径方向の外側境界３６を形成する。代替的な実施例では、内側境界３４は、ロータディスク２０（図１に示す）によって形成されても良い。隙間３３は材料３２とブレード４０の間において形成されるように、材料３２は各々のロータブレード端部６０から間隔Ｄ１およびＤ２を置いて離間される。詳細には、摩耗性材料３２は、凸状エッジ６６から間隔Ｄ１を置き、且つ凹状エッジ６４から間隔Ｄ２を置いて離間される。例示的な実施例では、隙間３３は実質的に周方向に一様であり、間隔Ｄ１および間隔Ｄ２は実質的に等しい。間隔Ｄ１およびＤ２が選択されることにより、エンジン作動中におけるロータブレード４０と材料３２の間の端部摩擦の防止が容易となる。例示的な実施例では、ブレード４０は直交ロータブレードであるので、流路３５の内側境界３４は流路３５の外側境界３６に対して平行でなく、スタッキング軸８０もまた外側境界３６に対して垂直でない。

エンジンの通常作動中、ロータディスク２０は、実質的に長手方向軸１２を中心とする軌道直径内において回転する。従って、ロータブレード４０は、隙間３３を実質的に維持するように長手方向軸１２の回りを回転する、すなわち、端部６０は、エンジン１０の僅かなアンバランスにより僅かに変動する以外は、摩耗性材料３２からの間隔Ｄ１を維持する。隙間３３はまた、エンジン作動中、端部６０を通過し導出され得る空気量すなわち先端流出の削減を容易にするよう調節される。

図２において隠線で示すように、ブレード４０の撓曲の際は、端部６０は摩耗性材料３２と摩擦し、よって凹状エッジ６４よりも凸状ブレード６６が摩耗性材料３２に接触する。そのような端部摩擦の間、凸状エッジ６６は、摩耗性材料３２を切削するのではなく摩耗性材料３２に押し込まれ、よってロータブレード４０に対して半径方向および軸方向の負荷が生じる。頻出するこの種の端部摩擦により、ロータブレード４０に対する半径方向負荷およびブレード振動が増大する。そのような負荷および振動応力により、ブレード４０の動的応力は増大し永続化し、よってエアフォイル部分４２は素材疲労を受ける。素材疲労を伴う連続作動により、時間と共に、第１撓曲応力領域３８においてブレード亀裂が生じおよび／またはロータブレード４０の耐用年数が短くなる。

図４は、ロータブレード４０（図２および図３に示す）と実質的に同様である例示的なブースタコンプレッサブレード１４０を示す。図５は、ブースタコンプレッサ１４中に設置されるブレード１４０の断面図を示す。図２および図３における参照番号は、図４および図５においても同様のコンポーネントを示す。詳細には、例示的な実施例では、端部摩擦がエンジン作動中に生じる場合、ロータブレード端部６０は、ブレード１４０に対して生じる半径方向負荷の削減を容易にする例示的なコンプレッサのブレード端部１６０を形成するように修正される。更にまた、例示的な実施例では、端部１６０は、修正した端部表面１６２と、凹状エッジ６４と、修正した凸状エッジ１６６とを包含する。代替的な実施例では、凹状エッジ６４は、修正した凹状エッジ１６４（図４および図５に示す）を形成すべく修正されても良い。

例示的な実施例では、ブレード１４０はスタッキング軸８０を有する。更にまた、例示的な実施例では、スタッキング軸８０は、根元部分５４から端部１６０まで翼幅方向においてブレード１４０を通り延在する。全般的に、且つ幾つかの実施例では、軸８０は、エアフォイル４２の翼弦方向横断面（図示せず）を実質的に中心とする翼幅方向において、ブレード１４０を通り延在する線（図示せず）に対して実質的に平行である。端部表面１６２は、エアフォイルの側面４４および４６の間において斜めに延在する。より詳細には、端部表面１６２は、レーキ角θにより方向付けされる。端部表面１６２のレーキ角θは、スタッキング軸８０に対して実質的に垂直であるロータブレード１４０を通り延在する平面８２に対して測定される。以下で更に詳細に説明されるように、平面８２により端部表面１６２の形成および方向付けが容易となる。１つの実施例において、製造工程中、平面８２は、ブレード１４０の外側表面上に定められる複数の基準点を用いて形成される。代替的には、ブレード端部表面１６２は、ブレード１４０を本文に説明したように機能させ得る任意のレーキ角θにより方向付けされても良い。

例示的な実施例では、端部表面１６２はレーキ角θにより方向付けられ、よって隙間３３はブレード端部１６０に対して均一ではない。詳細には、例示的な実施例では、端部表面１６２がレーキ角θにより方向付けされるので、凸状エッジ１６６における隙間３３の高さＤ１は、凹状エッジ１６４の隙間３３の高さＤ２より大きい。例示的な実施例では、表面１６２はレーキング処理により形成される。代替的には、表面１６２は、機械加工を包含するがそれには限定されない任意のその他既知の製造工程を用いて、レーキ角θにより形成されても良い。

例示的な実施例では、既存のブレード４０を、端部１６０を包含すべく修正しても良い。詳細には、レーキング処理により既存のブレード端部６０の余剰ブレード材料を除去することによって、最大ブレード動的応答期間における凸状エッジ１６６と摩耗性材料３２との接触防止を容易にする対応レーキ角θをなす端部１６０を形成する。より詳細には、例示的な実施例では、レーキ角θは５°から１５°である。代替的な実施例では、ブレード１４０は、既知の鋳造法によりレーキ角θをなす端部１６０を備えて形成され、よって端部１６０は、所望のレーキ角θをなして形成される。

通常エンジン作動中、ロータディスク２０は、長手方向軸１２を実質的に中心とする軌道直径内において回転する。従って、ロータブレード１４０は長手方向軸１２の回りにおいて回転し、十分な隙間３３がロータブレード端部１６０と摩耗性材料３２の間において維持される。ブレード１４０が撓曲する場合、端部１６０は偶発的に摩耗性材料３２と摩擦し得る。図５において隠線で示すように、端部摩擦の間、端部１６０はレーキ角θにより方向付けされるので、凹状エッジ１６４は凸状エッジ１６６よりも摩耗性材料３２に接触する。その結果、端部摩擦の間ロータブレード１４０に対して生じる半径方向および軸方向の負荷の削減は、その他のロータブレード４０に比べて促進される。更にまた、素材疲労により第１撓曲応力個所３８においてブレード亀裂が生じ得るブレード１４０に対して生じる動的応力の削減もまた、促進される。詳細には、凸状エッジ１６６が端部摩擦の間、摩耗性材料３２と摩擦することが実質的に防止されるので、ブレード１４０に対して生じる負荷および振動応力が削減される。

例示的な実施例では、レーキ角θは、ブレード端部表面１６２と摩耗性材料３２との接触の防止を容易にするよう選択される。より詳細には、レーキ角θにより端部摩擦の間、概ね凹状エッジ１６４のみが摩耗性材料３２と接触し、更にまた、その接触角はエッジ１６４を材料３２に押し込むのではなく、材料３２を切削して除去することを容易にする。その結果、半径方向のブレード負荷およびブレードの動的応力の削減が容易になる。

上述のロータブレードは、ロータブレードと摩耗性材料の間における偶発的な端部摩擦の間にブレードに対して生じる半径方向および軸方向の負荷の削減を容易にする。詳細には、端部は、エアフォイルの凸状エッジではなく凹状エッジを摩耗性材料と接触させ得るレーキ角θにより方向付けされる。凹状エッジと摩耗性材料を接触させることにより、ブレードの撓曲および振動だけでなく、ブレードに対して生じる半径方向および軸方向の応力の削減が容易になる。ブレードの撓曲および振動を削減することにより、ブレードに対する動的応答を削減し、第１撓曲応力位置において素材疲労が生じる可能性を低減する。それ故、ブレードの耐用年数を費用効果的且つ確実に増大することが容易になる。

以上、ロータブレードの例示的な実施例を詳細に説明する。ロータブレードは、本文に説明した特定の実施例には限定されることなく、各々のアセンブリの構成要素は、本文に説明したその他の構成要素から別個独立に利用され得る。例えば、各々のロータブレードの構成要素は、その他のブレードシステム構成要素、ガスタービンエンジンまたはノンガスタービンエンジンと組み合わせても使用され得る。

本発明を様々な特定の実施例に関連して説明してきたが、本発明は特許請求の範囲の精神およびその範囲内の修正を加えて実行され得ると当業者には認識されるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示したガスタービンエンジンと共に使用され得る直交ロータブレードの断面図である。 図２に示したロータブレードの一部の斜視図である。 修正した端部を包含する図３に示したロータブレードの斜視図である。 図４に示したロータブレードの断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 長手方向軸
１３ ファンアセンブリ
１４ ブースタコンプレッサ
１６ コアガスタービンエンジン
１８ 高圧タービン
２０ ロータディスク
２２ 高圧コンプレッサ
２４ 燃焼室
２６ 低圧タービン
２８ 吸気側
２９ 第２ドライブシャフト
３０ 排気側
３１ 第１ドライブシャフト
３２ 摩耗性材料
３３ 隙間
３４ 内側境界
３５ 流路
３６ 外側境界
３８ 第１撓曲応力個所
４０ ロータブレード
４２ エアフォイル部分
４３ ダブテール
４４ 第１輪郭側壁
４６ 第２輪郭側壁
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ 翼幅
５４ 根元部分
５５ プラットフォーム
６０ 端部
６２ 端部表面
６４ 凹状エッジ
６６ 凸状エッジ
８０ スタッキング軸
８２ 平面
１４０ ブースタコンプレッサブレード
１６０ ブレード端部
１６２ 端部表面
１６４ 凹状エッジ
１６６ 凸状エッジ

Claims (10)

1. ロータアセンブリにおいて使用されるエアフォイル（４２）であって：
   凹状の第１側壁（４４）と；
   前縁（４８）および後縁（５０）において前記第１側壁に結合する、凸状の第２側壁（４６）と；
   根元部分（５４）と；
   端部摩擦の間に前記エアフォイルに対して生じる半径方向負荷の削減を容易にするように、前記第１の側壁に対して鋭角を形成し且つ前記第２の側壁に対して鈍角を形成するよう方向づけられた端部表面（１６２）を有する端部（１６０）と
   を含み、
   ケーシング内に取り付けられたとき、前記第１側壁（４４）における前記端部のエッジ（１６４）と前記ケーシングとの間において測定される間隔（Ｄ２）が、前記第２側壁（４６）における前記端部のエッジ（１６６）と前記ケーシングとの間において測定される間隔（Ｄ１）よりも小さい
   ことを特徴とする、ロータアセンブリにおいて使用されるエアフォイル（４２）。
2. スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、前記端部表面（１６２）が前記平面（８２）に対して５°から１５°の角度をなす、
   請求項１記載のエアフォイル（４２）。
3. 内側流路および外側流路を更に包含する、
   請求項１又は２記載のエアフォイル。
4. 前記内側流路が外側流路に対して平行ではない、
   請求項３記載のエアフォイル（４２）。
5. スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、前記端部表面（１６２）の前記平面（８２）に対する角度がレーキング処理により形成される、
   請求項１記載のエアフォイル（４２）。
6. 摩耗性ケーシングがロータアセンブリの回りにおいて周方向に延在し、
   前記エアフォイル部分（４２）の各々が、スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、前記端部表面（１６２）の前記平面（８２）に対する角度により、前記第１側壁（４４）が摩耗性ケーシングと接触することを容易にしつつ、前記第２側壁（４６）が端部摩擦の間に摩耗性ケーシングに接触することを回避する、
   請求項１記載のエアフォイル（４２）。
7. ガスタービンエンジン（１０）において使用するロータアセンブリであって：
   ロータシャフトと複数のロータブレード（４０）を含み、
   前記複数のロータブレード（４０）が前記ロータシャフトに結合し、
   各々の前記ロータブレードが、エアフォイル部分（４２）を包含し、
   該エアフォイル部分（４２）の各々が、
   凹状の第１側壁（４４）と、
   前縁（４８）および後縁（５０）において前記第１側壁に結合する、凸状の第２側壁（４６）と、
   根元部分（５４）と、
   端部摩擦の間に前記エアフォイルに対して生じる半径方向負荷の削減を容易にするように、前記第１の側壁に対して鋭角を形成し且つ前記第２の側壁に対して鈍角を形成するよう方向づけられた端部表面（１６２）を有する端部（１６０）と
   を備え、
   前記ロータアセンブリが前記タービン（１０）のケーシング内に取り付けられたとき、
   前記第１側壁（４４）における前記端部のエッジ（１６４）と前記ケーシングとの間において測定される間隔（Ｄ２）が、前記第２側壁（４６）における前記端部のエッジ（１６６）と前記ケーシングとの間において測定される間隔（Ｄ１）よりも小さい
   ことを特徴とする、ロータアセンブリ。
8. 摩耗性ケーシングがロータアセンブリの回りにおいて周方向に延在し、
   前記エアフォイル部分（４２）の各々が、スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、
   前記端部表面（１６２）の前記平面（８２）に対する角度により、前記第１側壁（４４）が摩耗性ケーシングと接触することを容易にしつつ、前記第２側壁（４６）が端部摩擦の間に摩耗性ケーシングに接触することを回避する、
   請求項７記載のロータアセンブリ。
9. 前記エアフォイル部分（４２）の各々が、スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、
   前記端部表面（１６２）が前記平面（８２）に対して５°から１５°の角度をなす、
   請求項７記載のロータアセンブリ。
10. 前記エアフォイル部分（４２）の各々が、スタッキング軸（８０）と前記スタッキング軸に対して実質的に垂直な角度をなす平面（８２）とを更に包含し、
    前記端部表面（１６２）の前記平面（８２）に対する角度がレーキング処理により形成される、
    請求項７記載のロータアセンブリ。
    

Images