JP6074176B2 - ロータ組立体及びそのためのリバーシブルタービンブレードリテーナ - Google Patents

Description

本発明は、全体的にガスタービンロータ組立体に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンのロータ組立体用のブレード保持装置に関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を提供する圧縮機を含み、該燃焼器で空気が燃料と混合されて点火され、高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは下流側の１つ又はそれ以上のタービンに流れ、該タービンがガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給し、また飛行中の航空機への動力供給のような有用な仕事をもたらす。典型的にはコアエンジンの前面に配置されたファンを含むターボファンエンジンにおいては、高圧タービンがコアエンジンの圧縮機に動力を供給する。高圧タービンから下流側に低圧タービンが配置され、ファンに動力を供給する。各タービン段は、一般に、固定タービンノズル及びその後に続くタービンロータを含む。

タービンロータは、エンジンの中心軸線の周りを回転するロータディスクの外周に装着されたロータブレードの列を備える。各ロータブレードは通常、ロータディスクにブレードを装着するためのダブテールを有するシャンク部と、燃焼器から流出する高温ガスから有用な仕事を取り出す翼形部とを含む。ブレードプラットフォームが翼形部とシャンク部の接合部に形成され、高温ガスストリームの半径方向内側境界を定める。タービンノズルは通常、その円周囲りでセグメント化されて熱膨張に対応する。各ノズルセグメントは、高温ガスストリームをタービンロータに送るため内側バンドと外側バンドとの間に配置された１つ又はそれ以上のノズルベーンを有する。

タービンエンジン性能を向上させるため、流路温度及びブレード先端速度が増大する。これらの状況は、遠心荷重及び金属温度を増大させ、堅牢なタービンブレード及びブレードリテーナ設計を必要とする。ロータキャビティは、シールフランジの組み合わせによって形成されるオーバーラップシールによって流路温度から遮断され、該オーバーラップシールは「エンジェルウィング」とも呼ばれ、ブレード、ブレードリテーナ、又はステータ上に装着される。この構成は、１つ又はそれ以上のバッファキャビティへの流路ガスの吸い込みを分離する。加えて、内部からの低温の高圧空気が、半径方向外向きにバッファキャビティに導入され、高温ガスと混合してこれをキャビティの外にパージする。最外のオーバーラップは回転するタービンブレード上に位置付けられ、内寄りのオーバーラップは、静止ノズル上に位置付けられる。これらの構成要素は、高温に耐えることのできる材料から作られる。最内のオーバーラップは、温度性能が低い材料から作られた回転する冷却プレート上に位置付けられる。しかしながら、冷却プレートは、タービンブレードのシール及び軸方向保持を提供するため、バッファキャビティの高温ゾーン内に延びる必要があり、多くの低温の供給空気を必要とする材料の温度性能によって制限される場合が多い。この冷却空気の増大は性能に直接的に影響を及ぼす。

米国特許第７，２３８，００８号明細書

従って、高温作動に好適なタービンブレードリテーナに対する必要性がある。

この要求は、タービンブレードのアレイにブレードリテーナを保持し、これによりブレードをタービンディスクに対して軸方向位置で保持する冷却プレートを備えたタービンディスクを提供する本発明によって対処される。ブレードリテーナは、左右対称であり、従って、組み付けがリバーシブルである。

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用のブレードリテーナは、弓形外面、対向する内面、及び２つの間隔を置いて配置される端面を備えたプレート様部材を含む。部材は、外面に隣接して配置される外側部分と、内面に隣接して配置される内側部分と、を有し、凹型円弧状谷部を備えた楔形凹部が、各端面に隣接して内側部分に形成される。リテーナが左右対称である。

本発明の別の態様によれば、軸線の周りに配置されたロータ組立体は、外周に形成された軸方向に延びるスロットのアレイを有するディスクと、スロットの１つに配置されたダブテールを各々が有する複数のブレードと、ディスクに取り付けられた半径方向内側部分と、ディスクに向かって軸方向に延びる環状アームを含む半径方向外側部分とを有する環状冷却プレートと、ブレードに接して配置された面を各々が有する複数のブレードリテーナと、を備え、環状冷却プレートのアームが、ブレードに対して軸方向でブレードリテーナに対接し且つ保持し、リテーナの各々が左右対称である。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明に従って構成されたガスタービンエンジンのタービンセクションの概略断面図。 図１に示すタービンロータの後方立面図。 本発明と共に使用するためのブレードリテーナの斜視図。 図３のブレードリテーナの正面拡大図。 図３のブレードリテーナの側面図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、Ａで表記された長手方向軸線の周りに配置されるガスタービンエンジンのタービンロータ組立体１０の部分断面図を示す。本明細書で使用される用語「軸方向」又は「長手方向」とは、この軸線に平行な方向を指し、用語「半径方向」とは、この軸線に垂直な方向を指す。高圧タービンロータが図示されているが、本発明のブレード保持設計は、低圧タービンロータ又は圧縮機ロータのような他の組立体にも同様に適用可能である。燃焼ガスは、全体的にＢで表記された矢印の方向でロータ組立体１０の流路１２を通過する。ロータ組立体１０は、環状ディスク１４を含む。ディスク１４は、リムの周りに交互するダブテールスロット１６とダブテールポスト２０（図２を参照）とを有する。ダブテールスロット１６は、複数のタービンブレード１８を受ける。各タービンブレード１８は、翼形部２２、プラットフォーム２４、及びシャンク２６（「ダブテール」とも呼ばれる）と、を備え、該シャンクは、ダブテールスロット１６の形状に相補的なダブテール形状に形成される。タービンブレード１８は、軸方向前方にディスク１４に向かって延びた第１の環状固定シールフランジ３４を有する。用語「シールフランジ」とは、別の同様の延長部と協働しオーバーラップシールを形成するよう意図された環状フランジ又は延長部を指す。このタイプのフランジ又は延長部は、一般に、ターボ機械分野において「エンジェルウィング」と呼ばれる。

後続のタービン段のためのステータ（又はノズル）組立体２８は、ディスク１４の軸方向後方に配置される。ステータ組立体２８は、円周方向に延びる内側バンド３２に取り付けられる複数の翼形部３０（ノズルベーンとも呼ばれる）を備える。内側バンド３２は、軸方向前方にディスク１４に向かって延びた第２の環状固定シールフランジ３６を有する。第１及び第２の固定シールフランジ３４、３６は、燃焼ガス流路１２とロータキャビティ４８との間にほぼ「Ｃ字」の断面を有してバッファキャビティ４６を定めるように、互いに対して位置決めされる。この配列により、流路１２からロータキャビティ４８への燃焼ガスの漏洩が低減される。加圧冷却空気もまた、既知の実施構成に従ってロータキャビティ４８に提供することができる。

ディスク１４をより詳細に考察すると、タービンブレード１８は、ディスク１４に取り付けられたリテーナ組立体３０によりディスク１４のダブテールスロット１６に軸方向に保持される。ディスク１４の一部が環状フック５２内に形成され、該環状フック５２は半径方向に延びるフランジ５４を含む。環状キャビティ５６は、円周方向フック５２のフランジ５４とディスク１４の残りの部分との間に定められる。

環状冷却プレート５８がディスク１４に取り付けられる。冷却プレート５８は、ほぼディスク形の構成要素であり、軸方向に延びたほぼ円筒形のハブ６０を含む半径方向内側部分５９と、ディスク１４に向かって半径方向外向き及び軸方向に延びるアーム６２を定める半径方向外側部分６１とを有する。軸方向に延びるハブ６０は、ディスク１４のキャビティ５６内に受けられる。従来の分割リングのような保持リング６４がキャビティ５６に差し込まれる。保持リング６４は、円周方向フック５２のフランジ５４の一部である軸方向に面する軸受面６９に対接し、冷却プレート５８の軸方向後方の移動を阻止する。

前方に面するシールワイヤボス７０は、アーム６２の半径方向外側端部付近に配置することができる。シールワイヤボス７０は、従来のシールワイヤ７２を公知の方式で受け入れる円周方向溝を有する。環状の後方フランジ７４がアーム６２から軸方向後方に延びる。後方フランジ７４は、ロータキャビティ４８からのあらゆるパージ流漏洩を軸方向後方に配向する阻止シールとして機能し、また、冷却プレート５８が遠心荷重を受けてブレードリテーナ８２（以下で説明する）に軸方向前方の力を作用させるようになる。

複数のブレードリテーナ８２がブレード１８の後方表面８４に接して配置される。各ブレードリテーナ８２は、ほぼ弓形の形状であり、対向する前面８６及び後面８８（図５を参照）を含む。ブレードリテーナ８２は、冷却プレート５８によって方向の後方表面８４に接して軸方向に固定される。

図３〜５は、例示的なブレードリテーナ８２をより詳細に示している。各ブレードリテーナ８２は、予想される動作温度において十分な強度を有するあらゆる好適な材料から鋳造又は機械加工することができる一体成形品である。高圧タービンロータでは、好適な材料の非限定的な実施例には、ニッケル又はコバルト基超合金が含まれる。

リテーナ８２は、弓形外面９０、対向する内面９２、及び間隔を置いて配置される端面９４を備えたプレート様部材である。外面９０に隣接する外側部分９６は、内面９２に隣接する内側部分９８と比べて軸方向の厚みが低減されている。凹型の円弧状谷部１０２を備えた楔形凹部１００が、各端面９４に隣接する内側部分９８に形成される。各凹部１００の１つの脚部がシール面１０４を表し、遠位端部から近接端部に半径方向外向きに「角度が付けられ」、換言すると、隣接する端面９４と鋭角を形成する。ブレードリテーナ８２の質量を低減するために、ノッチ１０６が内面９２内に形成されている。ブレードリテーナ８２全体及びその個々の特徴部の全ては左右対称性があり、よって、ブレードリテーナ８２は、ブレード１８の後方表面８４に対して前面８６及び後面８８の何れでも差し込むことができ、何れの場合でも全く同一に勘合し機能することになる。従って、ブレードリテーナ８２は、「リバーシブル」と呼ぶことができる。

図２は、ディスク１４において後方から前方を見た図を示している。この図において、冷却プレート５８及び他の詳細部は明確にするために取り除かれている。ブレードリテーナ８２は、ディスク１４の外周周りに円周方向アレイで配列される。ブレードリテーナ８２の前面８６（又は後面８８）は、ブレード１８の後方表面８４に対接しており、従って、ブレード１８の後方軸方向移動を阻止する。各ディスクポスト２０は、半径方向外側端部にて延長部１０８を含む。延長部１０８は、ディスクポスト２０の残りの部分を越えて軸方向後方に突出している。リテーナ８２のシール面１０４は、延長部１０８の半径方向外寄り面に対接する。これは、リテーナ８２を半径方向で支持する（すなわち、ディスク１４が転回していないときに、半径方向内寄りに落下するのを防ぐ）。角度付きシール面１０４は、延長部の外寄り表面と線接触又は半線接触で接し、翼形部漏洩を阻止する。リテーナ８２の内側部分９８の延長部１０８下方への半径方向内向きの突出により、ディスク１４に対するリテーナ８２の接線方向の動きが阻止される。

本明細書で説明されるブレードリテーナ８２及び関連するブレード保持組立体は、複数の有利な技術的効果を有する。詳細には、冷却プレート５８は、バッファキャビティ４６の高温の上側部分に半径方向外向きに延びる必要はなく、上側バッファキャビティの外側オーバーラップ部において高温ガス混合気への冷却プレート５８の露出を最小限にする。更に、ブレードリテーナ８２は、小型で、従って軽量であり、完全にリバーシブルで誤組み立てが防止される。

本発明のリテーナ組立体は、ロータ組立体の後方表面に関して説明してきたが、本発明は、ロータの前方表面での使用にも同様に好適である点に留意されたい。すなわち、本発明のリテーナ組立体は、ブレードの軸方向前方の動きを阻止するのに用いることができる。

以上、ブレード保持組立体及びひいてはブレードリテーナについて説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。

１０ ロータ組立体
１２ 流路
１４ ディスク
１６ ダブテールスロット
１８ ブレード
２０ ダブテールポスト
２２ 翼形部
２４ プラットフォーム
２６ シャンク
２８ ステータ（又はノズル）組立体
３０ 翼形部
３２ 内側バンド
３４ 固定シールフランジ
３６ 固定シールフランジ
４６ バッファキャビティ
４８ ロータキャビティ
５２ 環状フック
５４ フランジ
５６ 環状キャビティ
５８ 環状冷却プレート
５９ 半径方向内側部分
６０ ハブ
６１ 半径方向外側部分
６２ アーム
６４ 保持リング
６９ 軸受面
７０ シールワイヤボス
７２ シールワイヤ
７４ 後方フランジ
８２ ブレードリテーナ
８４ 後方表面

Claims (7)

1. 軸線の周りに配置されたロータ組立体であって、
   外周に形成された軸方向に延びるスロット（１６）のアレイを有するディスク（１４）を備え、
   前記各スロット（１６）の両側にダブテールポスト（２０）が配置され、該ダブテールポスト（２０）が、半径方向外側端部に配置された延長部（１０８）を含み、該延長が、前記ダブテールポスト（２０）の残りの部分から軸方向に突出し、
   前記ロータ組立体は、さらに、
   前記スロット（１６）の１つに配置されたダブテール（２６）を各々が有する複数のブレード（１８）と、
   前記ディスク（１４）に取り付けられた半径方向内側部分（５９）と、前記ディスク（１４）に向かって軸方向に延びる環状アーム（６２）を含む半径方向外側部分（６１）とを有する環状冷却プレート（５８）と、
   複数のブレードリテーナ（８２）と、
   を備え、
   前記各ブレードリテーナ（８２）が、弓形外面（９０）、対向する内面（９２）、及び間隔を置いて配置される端面（９４）を備えたプレート様部材（８２）であり、
   前記各端面（９４）に隣接して前記内側部分（９８）に凹型円弧状谷部（１０２）を備えた楔形凹部（１００）が形成され、
   前記各ブレードリテーナ（８２）の凹部（１００）少なくとも一部が前記延長部（１０８）のうちの１つに当接し、
   前記各ブレードリテーナ（８２）は、前記ブレード（１８）に接して配置可能な第１の面（８６）及び第２の面（８８）を有し、
   前記環状冷却プレート（５８）のアーム（６２）が、前記ブレード（１８）に対して軸方向で前記ブレードリテーナ（８２）に対接し且つ保持し、
   前記各ブレードリテーナ（８２）は、前記第１及び第２の面の何れでも前記ブレード（１８）に接して配置でき何れの場合でも同一に嵌合して機能できるよう、その全体が左右対称に形成されている、ロータ組立体。
2. 前記外面（９０）に隣接して配置された前記各ブレードリテーナ（８２）の外側部分（９６）が、前記内面（９２）に隣接して配置された内側部分（９８）と比べて軸方向厚みが実質的に低減されている、請求項１に記載のロータ組立体。
3. 前記各凹部（１００）の一部が、隣接する前記端面（９４）と鋭角を形成するシール面（１０４）を含む、請求項１又は２に記載のロータ組立体。
4. 前記内面（９２）にノッチ（１０６）が形成される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータ組立体。
5. 前記環状冷却プレート（５８）の半径方向内側部分（５９）が、前記ディスク（１４）に形成された環状キャビティ（５６）に受けられる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータ組立体。
6. 前記環状冷却プレート（５８）に隣接する環状キャビティ内に配置された保持リング（６４）を更に備える、請求項５に記載のロータ組立体。
7. 前記環状冷却プレート（５８）の半径方向内側部分（５９）が、ほぼ円筒形の軸方向に延びるハブ（６０）を定める、請求項５又は６に記載のロータ組立体。
   

Images