JP6554482B2

JP6554482B2 - タービンエンジンロータ用の回転対称部品、ならびに関連するタービンエンジンロータ、タービンエンジンモジュール、およびタービンエンジン

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Publication number: JP6554482B2
Application number: JP2016558366A
Authority: JP
Inventors: トラピエ，ニコラ
Original assignee: サフラン・エアクラフト・エンジンズ
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: EP3123001B1; CN106460530A; FR3018849A1; US10436043B2; RU2016140852A; RU2016140852A3; JP2017519143A; CA2943461C; FR3018849B1; BR112016021652A2; US20170122117A1; WO2015145016A1; EP3123001A1; RU2674859C2; BR112016021652B1; CN106460530B; CA2943461A1

Description

本発明は、タービンエンジンロータ用の回転対称部品に関し、より詳細には、外周に歯の環状列を備えた部品であって、前記歯がその間にロータブレードルートを保持するための溝を形成する、部品に関する。このタイプの部品は、たとえばロータディスクである。

従来技術には、欧州特許出願公開第２５４９０６１号明細書、仏国特許出願公開第４８５９４３号明細書、米国特許第４０９３３９９号明細書、米国特許第２９２０８６４号明細書、米国特許出願公開第２００７／０２０１０２号明細書、および米国特許第５４７４４２１号明細書の文献が含まれる。

タービンエンジンロータディスクは、その外周に、内部にロータブレードルートがしっかりと装入されるブローチ加工された溝の列を備えている。各ブレードは通常、プラットフォームによってルートに接続されたベーンを備えている。前記ルートは、バルブとして知られる径方向内側の部分と、スティルトとして知られる径方向外側の部分との２つの部分を備えている。ルートのバルブは、そのスティルトによってブレードのプラットフォームに接続されている。

ブレードのルートはモミの木または蟻継状に形成することができる。蟻継状のブレードルートの場合、ブレードルートのバルブは１つのローブを備え、モミの木状のブレードルートの場合、ブレードルートのバルブは２つまたは３つのローブを備える。各ローブは、ネック、換言すると、断面または厚みが小さい部分によって、別のローブまたは、ルートのスティルトに接続される。

ブローチ加工された締結具を有するこのタイプのディスクは、タービンエンジンのコンプレッサまたはタービンに使用することが可能である。

慣習的には、ブローチ加工されたモミの木状の締結具は、比較的高負荷のタービンに使用される。換言すると、高速のタービン、または、大きい遠心力に起因して応力が大きくなることからダクト断面積が大であるタービンに使用される。

前記締結具において、いくつかの機械的基準を考慮しなければならない。これら機械的基準は、
絶対的基準、換言すると、すべての通常の飛行条件下での、弾性限界を超えない範囲、ならびに、振動による疲労、小数輪生疲労（ｏｌｉｇｏｃｙｃｌｉｃｆａｔｉｇｕｅ）、およびクリープに対する耐性のある範囲における、ディスクのブレードおよび歯の強度と、
ロータ全体にわたる破損ヒエラルキに対応する相対的基準と、である。この理由は、ブレードおよびディスクにおいて、応力の階層化を考慮しなければならないためである。エンジンが故障した場合、最大引っ張り応力を有する断面が、最も破損のもとになりやすい断面となる。タービンを囲むハウジングは、タービンから発出し得るあらゆるデブリを保持しなければならず、このため、ブレードのデブリの量が大きいほど、前記デブリを含むことを可能にするために、ハウジングがより大きいものとなる。さらに、ハウジング内にはディスクの歯の破損は発生してはならず、この理由は、前記破損が、大部分ののブレードが外れることにつながる連鎖反応を生じ得るためである。まとめると、図３を参照すると、応力が最大の断面は、ブレード１０のベーンに位置するものとし、バルブ１６の下側ネック１２および上側ネック１４の断面は、ベーンの断面の応力よりも小である応力を有する（σｂｉ＜σｂｓ＜σｂｐ（低ベーン応力））ものとし、歯２２の下側ネック１８および上側ネック２０の断面は、ブレード１０の応力よりも比較的小さい応力を有するものとし、前記断面は、締結具の温度におけるディスク２４の材料の弾性限界に低減される（ディスクのσｄｉ，ｓ／σｅ（ディスクの材料の弾性限界）＜ブレードのσｂｐ／σｅ（ブレードの材料の弾性限界））。

いくつかのタービンエンジンでは、絶対的基準が考慮されるが、破損のヒエラルキは考慮されず、この理由は、断面がバルブ１６には十分であるが歯２２には不十分であるか、断面が歯２２には十分であるがバルブ１６には不十分であるかのいずれかであるためである。

この問題に対する解決策は、歯２２のネックのサイズを増大しつつ、バルブ１６のネック１２、１４の断面のサイズを増大させることにある。しかしながら、締結具（歯＋バルブ）の幅または外周全体の寸法が、ダクトの形状およびブレード１０の数によって直接規定される。ダクトを変更することにより、タービン性能の低下を生じ、エンジン性能の低下につながる。

欧州特許出願公開第２５４９０６１号明細書仏国特許出願公開第４８５９４３号明細書米国特許第４０９３３９９号明細書米国特許第２９２０８６４号明細書米国特許出願公開第２００７／０２０１０２号明細書米国特許第５４７４４２１号明細書

本発明は、この問題に対するシンプルで、効果的で、経済的な解決策を提供する。

本発明は、回転軸を有し、外周に歯の環状列を備え、前記歯がその間に、モミの木状のロータブレードルートを保持するための溝を形成するタービンエンジンロータ用の、ディスクなどの回転対称部品に関する。各歯は、ブレードルートを保持することが意図され、凹部によって相互に分割された少なくとも２つの凸部を備えた第１のサイド歯面と、隣接するブレードルートを保持することが意図され、凹部によって相互に分割された少なくとも２つの凸部を備えた第２のサイド歯面とを備えている。第１の歯面の前記少なくとも２つの凸部は、回転対称部品の回転軸に中心付けられた外周上に位置し、第２の歯面の前記少なくとも２つの凸部は、前記回転軸に中心付けられた外周上に位置する。前記部品は、各歯が、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、実質的に径方向の長手方向二等分面に対して非対称であることを特徴とする。各歯の第２の歯面の凸部の前記外周の少なくとも１つは、第１の歯面の凸部の外周間に位置し、前記外周から径方向に変移している。

本出願では、回転対称部品の要素（歯または溝など）の「実質的に径方向の長手方向二等分面」は、要素の長手軸に沿って延び、前記要素の中間点を実質的に通過する面であると理解される。前記平面は、部品の長手軸または回転軸に対して実質的に径方向の向きである。要素の長手軸は、部品の長手軸または回転軸に対してほぼ平行であり得る。この場合、上述の平面は、部品の長手軸に沿って延びる。

従来技術では、ディスクなどの回転対称ロータ部品の歯は、各々が実質的に径方向の長手方向二等分面に対して対称である。対照的に、本発明によれば、ロータ部品の各歯は、実質的に径方向の長手方向二等分面に対して対称ではない。このことにより、部品の歯における応力集中のよりよい分布を促すことで、上述の問題を解決することが可能になる。このことにより、たとえば、ディスクの歯のネックにおいて幅を広くするか、外周の寸法を大きくすることが可能になる。ディスクの断面積は、ブレードルートのバルブの断面積を低減することなく、増大させることが可能になる。

本発明により、具体的には、従来技術よりもかなり高負荷のタービンを設計することが可能になる。さらに、同様であるが、装入され、保持される寸法上の差異があるルート（モミの木状）を有することが可能になる。

径方向寸法が大であるスティルトを有するブレードおよび、同じロータディスクについてより小さい径方向寸法のスティルトを有するブレードが設けられる従来技術とは異なり、この場合、スティルトは同様の径方向寸法を有し得る。異なる高さに締結することは、最も大きいスティルトには不利であるが、この理由は、最も大きいスティルトはさらなる質量を構成し、したがってこのことが、より大きい締結具によって相殺される必要があるためである。このため、最も大きいスティルトを有するブレードの重量増大による不利益を過度に負うことなく、ディスクの歯の大型化をより大幅に達成するために、変移を制限することが特に有利である。主クレームに記載のように歯を配置することにより、本発明の目的が達成される。

部品の各溝は、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、実質的に径方向の長手方向二等分面に対して対称である。

本発明の特定の実施形態では、第２の歯面の少なくとも１つの前記凸部の外周は、第１の歯面の凹部を実質的に通過する。各歯の第２の歯面の２つの隣接する凸部の外周は、前記歯の第１の歯面の２つのそれぞれの凹部を実質的に通過し得る。

溝は様々な深さまたは径方向寸法を有し得る。

好ましくは、溝は、部品の回転軸周りに均等に配置された同一の溝の第１の組と、第１の組の溝とは異なり、部品の回転軸周りに均等に配置された、これら第１の組の溝の間の同一の溝の第２の組とを備え、第１の組の各溝が第２の組の２つの溝の間に位置し、第２の組の各溝が第１の組の２つの溝の間に位置する。

本発明は、上述の環状部品と、部品の溝にしっかりと装入されたモミの木状のルートに接続されたベーンを各々が備えたブレードの環状列であって、各ルートが径方向外側スティルトおよび径方向内側バルブを備えた、ブレードの環状列とを備え、ブレードの列が、径方向寸法Ｄ５のスティルトを有するブレードの第１の組と、Ｄ５より大である径方向寸法Ｄ６のスティルトを有するブレードの第２の組とを備え、第１の組の各ブレードが第２の組の２つのブレードの間に位置し、第２の組の各ブレードが第１の組の２つのブレードの間に位置することを特徴とする、タービンエンジンロータにも関する。

本発明は、上述の環状部品の少なくとも１つまたはロータの少なくとも１つを備えた、コンプレッサまたはタービンなどのタービンエンジンモジュールにも関する。

最後に、上述の環状部品の少なくとも１つまたはロータの少なくとも１つを備えたタービンエンジンに関する。

添付図面を参照して、非限定的な例として与えられる以下の詳細な説明を読むことで、本発明がよりよく理解され、本発明の他の詳細、特徴、および利点がより明確に明らかになる。

図１は、従来技術に係るタービンエンジンロータ、より詳細にはロータホイールの概略斜視図である。図２は、図１のロータホイールのディスクの拡大した部分概略斜視図である。図３は、従来技術に係るロータディスクの歯の概略図である。図４は、本発明に係るロータディスクの歯の概略図である。図５は、図４と同様であり、本発明の変形形態を示す概略図である。

最初に、タービンエンジンのロータホイール２６を示す図１および図２を参照すると、前記ホイールが、外周にブレード１０の環状列を保持するディスク２４を備えている。

各ブレード１０は、プラットフォーム３０によってルート３２に接続されたベーン２８を備えている。ルート３２は、ディスク２４の外周で溝３４にしっかりと装入されている。

ディスク２４はその外周に、ブレード１０のルート３２を受領するための溝３４を間に形成する歯２２の環状列を備えている。したがって、ディスク２４の溝３４または歯２２の数は、ディスク２４が保持することができるブレード１０の数と等しい。

溝３４はディスク２４の外周にブローチ加工することによって得られ、この場合、溝３４はディスク２４の長手軸または回転軸Ａとほぼ並行な向きである。

図３により明確に見ることができるように、ブレードルート３２はこの場合、モミの木状であり、２つのローブ３６を有する。ブレードルート３２は、径方向外側スティルト３８と、スティルト３８によってブレード１０のプラットフォームに接続された径方向内側バルブ１６とを備えている。

各ブレードルート３２は、２つのネック１２、１４（または厚みもしくは断面積の小さい部分）、すなわち、バルブ１６の２つのローブ３６間の下側ネック１２と、上側ローブとスティルト３８との間の上側ネック１４とを備えている。各ルート３２は、実質的に径方向の長手方向二等分面Ｐ１に対して対称である。

ディスク２４の各歯２２は、２つのサイド歯面４０を備えている。サイド歯面４０は、隣接するブレード１０のルート３２と協同し、ルート３２を溝３４内に径方向に保持するような形状になっている。

歯２２の各歯面４０は、この場合、２つの表面４２、それぞれ上側表面と下側表面とを備えている。上側表面４２は、ブレードルートの上側ローブの側面のための支持面を形成し、下側表面４２は前記ブレードルートの下側ローブの側面のための支持面を形成する。

歯面４０の表面４２は、図１に見ることができるように、歯２２の長手方向の寸法のほぼ全体にわたって延びる凸部によって形成される。歯面４０の表面４２は、やはり歯２２の長手方向の寸法のほぼ全体にわたって延びる凹部によって相互に分割されている。

従来技術では、図３に見られるように、各歯２２は実質的に径方向の長手方向二等分面Ｐ２に対して対称である。前記対称のために、１つの歯２２の歯面４０の凹部は、軸Ａ上に中心付けられた同じ外周Ｃ１上に実質的に位置している。前記凹部は、歯２２の上側ネック２０を形成する。歯２２は、歯２２の下側表面４２と溝３４の底部との間に下側ネック１８を備えている。

歯２２のネック１８、２０のサイズを増大させつつ、バルブ１６のネック１２、１４の断面のサイズを増大させることは不可能であることを理解されたい。歯の凹部（外周Ｃ１）の領域における歯の幅が小さく、これにより、凹部の歯がもろくなる傾向にあることをも理解されたい。

図４に見ることができるように、本発明により、ディスク２４’の各歯２２’が、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、実質的に径方向の長手方向二等分面Ｐ２に対して非対称であるという事実により、この問題を克服することが可能である。

前述のように、各歯２２’は、隣接するブレード１０’、１０’’のルート３２と協同し、前記ルートを溝３４’、３４’’内に径方向に保持するような形状にされている２つのサイド歯面４０’、４０’’を備えている。

歯２２’の各歯面４０’、４０’’は、２つの表面４２、それぞれ上側表面と下側表面とを備えている。上側表面４２は、ブレードルートの上側ローブの側面のための支持面を形成し、下側表面４２は前記ブレードルートの下側ローブの側面のための支持面を形成する。

歯面４０’、４０’’の表面４２は、図１に見ることができるように、歯の長手方向のほぼ全体にわたって延びる凸部によって形成されている。歯面４０’、４０’’の表面４２は、やはり歯の長手方向の寸法のほぼ全体にわたって延びる凹部によって相互に分割されている。歯面４０’、４０’’の下側表面４２は、やはり歯の長手方向の寸法のほぼ全体にわたって延びる別の凹部によって対応する溝３４’、３４’’の底部から分割されている。

図面に見ることができるように、１つの歯２２’の歯面４０’、４０’’の上側凸部は、同じ外周上には位置していない。このことは、歯２２’の歯面４０’、４０’’の下側凸部について、歯２２’の歯面４０’、４０’’の上側凹部について、および歯２２’の歯面４０’、４０’’の下側凹部についても同様である。対照的に、図示の例では、第１の歯面４０’’の上側凸部（この場合、歯２２’の左側歯面）は、第２の歯面４０’’（歯２２’の右側歯面）の上側凸部を通る外周Ｃ４よりも直径が大である外周Ｃ３上に位置している。前記外周Ｃ４は、第１の歯面４０’’の上側凹部を通る外周Ｃ５の直径より大である直径を有し、外周Ｃ５自体は、第２の歯面４０’の上側凹部を通る外周Ｃ６の直径よりも大である直径を有する。前記外周Ｃ６は第１の歯面４０’’の下側凸部を通る外周Ｃ７の直径よりも大である直径を有し、外周Ｃ７自体は、第２の歯面４０’の下側凸部を通る外周Ｃ８の直径よりも大である直径を有する。前記外周Ｃ８は、第１の歯面４０’’の下側凹部を実質的に通り、第２の歯面４０’の下側凹部を通る外周Ｃ９の直径よりも大である直径を有する。

各歯の歯面の凹部間の径方向の変移により、前記凹部の領域での歯幅を増大させることが可能になり、したがって、歯の機械的強度が向上される。

さらに、図面に見ることができるように、ディスク２４’の溝３４’、３４’’は、すべて同じではない。ディスク２４は、深さまたは径方向寸法Ｄ１を有する溝３４’’、および、Ｄ１より大である深さまたは径方向寸法Ｄ２を有する溝３４’を備えている。

溝３４’は、ディスク２４’の長手軸周りに均等に配置され、各溝３４’は、２つの溝３４’’間に位置している。同様に、溝３４’’は、ディスク２４’の長手軸周りに均等に配置され、各溝３４’’は、２つの溝３４’間に位置している。

従来技術のように、ディスク２４’の各溝３４’、３４’’は、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、ディスクの実質的に径方向の長手方向二等分面Ｐ１に対して対称である。

ディスク２４’とともにロータホイールを形成するブレード１０’、１０’’はすべて同じではない。ホイールは、ルートの各々が径方向寸法Ｄ３を有するブレード１０’と、ルートの各々が、Ｄ３より大である径方向寸法Ｄ４を有するブレード１０’’とを備えている。

ブレード１０’はディスク２４’の長手軸周りに均等に配置され、各ブレード１０’は２つのブレード１０’’間に位置している。同様に、ブレード１０’’はディスク２４’の長手軸周りに均等に配置され、各ブレード１０’’は２つのブレード１０’間に位置している。

ブレード１０’のバルブ１６’は、ブレード１０’’のバルブとほぼ同じである。したがって、ブレード１０’のルートは、そのスティルト３８’、３８’’、具体的には、そのスティルト３８’、３８’’の径方向寸法により、ブレード１０’’のルートとは異なる。ブレード１０’のスティルト３８’は、ブレード１０’’のスティルト３８’’の径方向寸法Ｄ６よりも小である径方向寸法Ｄ５を有する。

ブレード１０’、１０’’は、ルートが最大径方向寸法Ｄ４を有するブレード１０’’が、最大径方向寸法Ｄ２を有する溝３４’に装入するような方式でディスク２２’の溝３４’、３４’’にブレードのルートをしっかりと装入させることにより、従来技術のようにディスク２４’に取り付けられている。したがって、それにより、ブレード１０’のルートが、最小径方向寸法Ｄ３を有し、最小径方向寸法Ｄ１を有する溝３４’’に装入されるようになっている。

図５は、図４の実施形態と同様の、本発明の変形形態を示している。図４に関する前述の記載は、以下により矛盾していなければ、図５に適用される。

図示の例では、各歯の歯面４０’、４０’’の内の１つの凸部が、ほぼ周方向に、前記歯の他の歯面の凹部と整列されており、この各歯の歯面４０’、４０’’の内の１つの凹部も、他の歯面の凸部とほぼ周方向に整列されている。

第２の歯面４０’の上側凸部は、第１の歯面４０’’の上側凹部を通る外周に位置している。第１の歯面４０’’の下側凸部は、第２の歯面４０’の凹部を通る外周上に位置している。第２の歯面４０’の下側凸部は、第１の歯面４０’’の下側凹部を通る外周上に位置している。

この構成により、各歯が、歯の径方向の範囲全体にわたって比較的一定の幅または周方向の寸法を有することが可能になり、このことは、歯の機械的強度に関して有利である。

Claims

回転軸（Ａ）を有し、外周に歯（２２’）の環状列を備え、歯がその間に、モミの木状のロータブレードルート（１０’、１０’’）を保持するための溝（３４’、３４’’）を画定する、タービンエンジンロータ用の、ディスク（２４’）などの回転対称部品であって、各歯は、ブレードルートを保持することが意図され、凹部によって相互に分割された少なくとも２つの凸部を備えた第１のサイド歯面（４０’’）と、隣接するブレードルートを保持することが意図され、凹部によって相互に分割された少なくとも２つの凸部（４２）を備えた第２のサイド歯面（４０’）とを備え、第１の歯面の前記少なくとも２つの凸部は、回転対称部品の回転軸に中心付けられた外周（Ｃ３、Ｃ７）上に位置し、第２の歯面の前記少なくとも２つの凸部は、前記回転軸に中心付けられた外周（Ｃ４、Ｃ８）上に位置し、各歯が、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、実質的に径方向の長手方向二等分面（Ｐ２）に対して非対称であり、各歯の第２の歯面における凸部が位置する前記外周の少なくとも１つ（Ｃ４）は、第１の歯面における凸部が位置する外周（Ｃ３、Ｃ７）間に位置し、前記外周から径方向に変移しており、各溝（３４’、３４’’）が、その長手方向の寸法のほぼ全体にわたって、実質的に径方向の長手方向二等分面（Ｐ１）に対して対称であることを特徴とする、回転対称部品。
各歯の第２の歯面（４０’）の少なくとも１つの前記凸部が位置する外周（Ｃ８）が、前記歯の第１の歯面（４０’’）の凹部を実質的に通過することを特徴とする、請求項１に記載の回転対称部品。
各歯の第２の歯面の２つの隣接する凸部が位置する外周が、前記歯の第１の歯面の２つのそれぞれの凹部を実質的に通過することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転対称部品。
溝（３４’、３４’’）が様々な径方向寸法（Ｄ１、Ｄ２）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回転対称部品。
溝（３４’、３４’’）が、部品の回転軸周りに均等に配置された同一の第１の組の溝（３４’）と、第１の組の溝とは径方向寸法が異なる溝（３４’’）であって、部品の回転軸周りに均等に配置された同一の第２の組の溝（３４’’）とを備え、第１の組の各溝が第２の組の２つの溝の間に位置し、第２の組の各溝が第１の組の２つの溝の間に位置することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回転対称部品。
請求項１から５のいずれか一項に記載の回転対称部品と、部品の溝にしっかりと装入されたモミの木状のルートに接続されたベーンを各々が備えたブレード（１０’、１０’’）の環状列であって、各ルートが径方向外側スティルト（３８’、３８’’）および径方向内側バルブを備えた、ブレード（１０’、１０’’）の環状列とを備え、ブレードの列が、径方向寸法Ｄ５のスティルトを有するブレードの第１の組と、Ｄ５より大である径方向寸法Ｄ６のスティルトを有するブレードの第２の組とを備え、第１の組の各ブレードが第２の組の２つのブレードの間に位置し、第２の組の各ブレードが第１の組の２つのブレードの間に位置することを特徴とする、タービンエンジンロータ。
請求項１から５のいずれか一項に記載の回転対称部品の少なくとも１つ、または請求項６に記載のロータの少なくとも１つを備えた、コンプレッサまたはタービンなどのタービンエンジンモジュール。
請求項１から５のいずれか一項に記載の回転対称部品の少なくとも１つ、または請求項６に記載のロータの少なくとも１つを備えたタービンエンジン。