JPS6146644B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転機械に係り、更に詳細にはガスタ
ービンエンジンのホイール組立体に係る。

本発明の概念が適用される主たる回転機械は最
新のガスタービンエンジンである。ガスタービン
エンジンに於ては作動媒体ガスがそのエンジンの
圧縮セクシヨンに於て圧縮され、燃焼セクシヨン
へ流され、ここで燃料がそのガスと混合されて燃
焼され流れている作動媒体にエネルギーが加えら
れる。かかる高エネルギーの作動媒体は次いでタ
ービンセクシヨンへ流され、ここでそのエネルギ
ーの一部が押出されてエンジンの圧縮機を駆動す
るために使用される。

軸流型ガスタービンエンジンのタービンセクシ
ヨン及び圧縮セクシヨンはロータブレードとステ
ータベーンとの複数個の交互の列を含んでいる。
それぞれの列のステータベーンはその下流側の列
のロータブレードに至る好ましい流入角に作動媒
体ガスを導く。ロータブレードはかかる作動媒体
ガスよりエネルギーを抽出してエンジンの圧縮機
を駆動する。それぞれの列のロータブレードは円
形のデイスク構造体の周縁の周りに装着されてい
る。ロータブレードとロータデイスクとの組合わ
せはホイール組立体として知られている。ガスタ
ービンエンジンの運転中のホイール回転速度は一
般に毎分7500回転（7500rpm）以上である。

ホイール組立体のそれぞれのロータブレード
は、対応する形状にてロータデイスクに設けられ
たデイスクスロツトに係合するルート部を有して
いる。巧妙なルート部形状がデイスクよりそれぞ
れのブレードへ求心方向の保持荷重を伝達するた
めに案出された。一つの広く使用されているルー
ト部形状はもみの木型をしている。第１図にかか
るもみの木型ルート部によるロータデイスクへの
ロータブレードの取付構造（以下これをアタツチ
メントという）が図示されており、かかるアタツ
チメントについてこれ以降本発明を説明する。

ロータブレード及びデイスクの寿命を制限する
一つの因子はそれぞれの構成要素が形成されてい
る材料の低サイクル疲労寿命（LCF寿命）であ
る。運転に各サイクルが構成要素を或る所与の応
力レベルにもたらす。これが繰返されると何サイ
クルも経た構成要素は究極的には疲労割れを生じ
る。非常に低い応力レベルに於ては割れが生じる
までのサイクルの数は無限に近い。高い応力レベ
ルに於てはサイクルの数は厳しく制限される。そ
れぞれの部材の疲労寿命はそのLCF寿命と呼ば
れる。

今日最も最近のエンジンに於て実施されている
アタツチメント技術の現状はもみの木型のアタツ
チメントの一部を示す第３図（従来技術）に図示
された如きものである。ブレードのルート部上の
歯はデイスクのデイスクスロツトに設けられた対
応する溝に係合するよう延在している。デイスク
に設けられたそれぞれの溝は単一の半径にて形成
されている。同様にデイスクスロツトに設けられ
た歯はブレードのルート部に設けられた対応する
溝に係合するよう延在している。ルート部に設け
られたそれぞれの溝は同じく単一の半径にて形成
されている。本発明の概念はこれ以降説明する態
様にて図示の従来技術の概念より逸脱したもので
ある。

本発明の一つの目的は、ホイール組立体に於け
るロータブレードのルート部とそれに対応するロ
ータデイスクのデイスクスロツトに十分な低サイ
クル疲労寿命を与えることである。

本発明の他の一つの目的は、ホイール組立体に
於けるロータブレードのルート部の長さ及びそれ
に対応するロータデイスクのデイスクスロツトの
デイスク半径方向深さを低減することである。

これらの目的は、本発明によれば、ロータデイ
スクと複数個のロータブレードとを有するホイー
ル組立体にして、前記ロータブレードの各々はそ
の歯と溝とを有するもみの木型のルート部が前記
ロータデイスクに形成された実質的に対応する形
状のデイスクスロツトに受けられた状態にて前記
ロータデイスクの半径方向外方に延在するよう前
記ロータデイスクにより支持されており、前記ロ
ータブレードの少なくとも一つの歯は前記ロータ
デイスクの一つの溝に係合しまた前記ロータデイ
スクの少なくとも一つの歯は前記ロータブレード
の一つの溝に係合しており、前記ロータブレード
の前記溝と前記ロータデイスクの前記溝の少なく
とも一方は対向する側面が互いに異なる曲率半径
に従つて形成された底部領域を有しており、当該
底部領域の曲率半径がより大きい側を含む当該溝
の側面がそれに対向する前記ロータデイスク或い
は前記ロータブレードの歯と接触することにより
前記ホイール組立体の回転中に前記ロータブレー
ドに生ずる遠心力が支持されることを特徴とする
ホイール組立体によつて達成される。

上記の如きホイール組立体の構成によれば、ロ
ータデイスクの回転中にロータブレードに生ずる
遠心力を支持すべく互いに係合するロータブレー
ドのルート部の歯とロータデイスクのデイスクス
ロツトの溝との係合部及びロータデイスクのデイ
スクスロツトの歯とロータブレードのルート部の
溝との間の係合の少なくとも一つについて見て、
当該溝の一方の側面部であつて遠心力を支持する
ための圧縮力が作用する側の側面の溝の底に隣接
する部分は、その曲率半径が他方の側のそれより
大きくされていることによつて、溝の底部に於て
最も大きくなる曲げ応力と剪断応力とに対する応
力集中の度合を大きく緩和され、この部分に起り
易い応力集中による低サイクル疲労の度合が大き
く低減される。

またこのようにホイール組立体の回転中に最も
高い応力集中を受ける溝の底部領域の一方の側に
於ける応力集中に対する強度がその部分の曲率半
径を大きくされることによつて確保されれば、こ
れと反対の側の溝の側面であつてその部分にはロ
ータブレードに作用する遠心力を支えるための曲
げ応力及び剪断応力は実質的に作用しない領域
は、より小さい曲率半径にて形成されてもよいの
で、この部分に於ける曲率半径をより小さくする
ことにより溝のデイスク半径方向の寸法をそれだ
け縮小することができ、これによつてロータブレ
ードとロータデイスクの間のアタツチメントに於
ける低サイクル疲労寿命を同一の値に確保した上
でこのアタツチメントに要するデイスク半径方向
の寸法をより小さくすることができる。

上記の如き溝の底部領域に於ける曲率半径をよ
り大きくされる側は、当該溝がロータブレードの
溝である時には、ロータブレードのルート部の自
由端により近い側である。

また上記の如く溝の底部領域に於ける一方の側
の曲率半経がより大きくされる溝がロータデイス
クの溝である時には、その曲率半径がより大きく
される側は当該溝のデイスク半径方向に於ける外
側である。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

添付の第１図にタービンのホイール組立体１０
の一部が図示されている。このタービンホイール
組立体はロータデイスク（以下単にデイスクとも
いう）１２とこれより半径方向外方へ延在する複
数個のロータブレード（以下単にブレードともい
う）１４とを含んでいる。各ロータブレードはル
ート部１６と翼部１８とを有している。それぞれ
のルート部はもみの木型のものである。各ブレー
ドのルート部は、デイスク１２の周縁に設けられ
た対応する形状に形成されたデイスクスロツト２
０に係合している。それぞれのデイスクスロツト
２０はブレードのルート部の下方まで延在してそ
のブレードとデイスクとの間にルートキヤビテイ
２２を形成している。少くとも一つのサイドプレ
ート２４がデイスク１２に当接してブレードを対
応するデイスクスロツト２０内に係上するように
なつている。対応するルートキヤビテイ２２を貫
通する複数個のリベツト２６がそれぞれのサイド
プレートをデイスク１２に固定している。

添付の第２図及び第４図にもみの木型のアタツ
チメントが詳細に図示されている。ブレードのル
ート部１６はデイスク１２に係合するよう延在し
た複数個の歯（以下ブレード歯ともいう）２８を
有している。ロータデイスク１２のデイスクスロ
ツトは同様にブレードのルート部１６に係合する
よう延在した複数個の歯（以下デイスク歯ともい
う）３０を有している。デイスクスロツト２０内
に設けられた対応する溝（以下デイスク溝ともい
う）３２がそれぞれのブレード歯２８を受入れて
いる。又ブレードに設けられた対応する溝（以下
ブレード溝ともいう）３４がそれぞれのデイスク
歯３０を受入れている。それぞれのデイスク溝３
２はその上方或は半径方向外方の領域３６に於て
は第一の半径R₁に形成されており且つその下方
或は半径方向内方の領域３８に於ては第二の半径
R₂が形成されている。一方それぞれのブレード
溝３４はその下方或は半径方向内方の領域４０に
於ては第一の半径R₁に形成されており且つその
上方或は半径方向外方の領域４２に於ては第二の
半径R₂が形成されている。第一の半径R₁は第二
の半径R₂よりも大きい。第４図はデイスク溝３
２及びブレード溝３４の形状を形成するかかる二
つの半径R₁及びR₂の関係を示している。

タービンホイール組立体１０の回転中には遠心
方向に発生された力によりブレードがデイスクよ
り半径方向外方へ偏倚され、求心方向の保持力が
もみの木型のアタツチメントを介してデイスクに
より各ブレードに与えられる。従つてブレード及
びデイスクの歯は剪断応力及び曲げ応力に曝され
る。デイスク溝３２の上方領域３６及びブレード
溝３４の下方領域４０に於ては剪断応力及び曲げ
応力は互に相加作用をなす。デイスク溝３２の下
方領域３８及びブレード溝３４の上方領域４２に
於ては曲げ応力及び剪断応力は互に反対方向に作
用する。従つてかかる最大の組合わせ応力はかか
る二つの領域３６及び４０、より詳細には位置Ｓ
の近傍に於て発生する。

第２図及び第３図に本発明によるものみ木型の
アタツチメントが従来技術によるもみの木型のア
タツチメントに比較して図示されている。応力集
中の高い領域Ｓに於るブレード材料の周縁に於る
最大応力とデイスク材料の周縁に於る最大応力と
はほぼ等しい。従つてルート部深さＤを低減し得
る本発明の一つの実施例が図示されている。この
ようにルート部深さを低減することは、複合半径
R₁，R₂を使用してデイスク溝３２及びブレード
溝３４を形成することによつて可能とされる。こ
れらの溝は高応力集中部Ｓの領域に於てより大き
な半径R₁に形成されており、より小さな半径R₂
は低応力集中部の領域に於て採用されている。

デイスクの機能するリムの上方の機能しない材
料の量はルート部の深さＤを正比例する。ルート
部深さを低減することにより重量の小さなデイス
クを形成することができる。付帯的にルート部深
さを低減することにより、比較的直径の小さいデ
イスク上に多数のブレードを必要とする実施例に
於てブレードをより強固にデイスク内に装入する
ことができる。又デイスクの周縁に充分な材料を
維持しつつブレードをより稠密に設けることがで
きる。

他の実施例に於ては本発明によればブレード深
さＤの等しいものについて最大応力を低減するこ
とができる。かかる実施例に於ては半径R₁は第
２図に図示された半径よりも拡大され、半径R₂
は一定に維持される。

以上に於ては本発明をその特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はかかる実施例に限
定されるものではなく、本発明の範囲内にて種々
の修正並びに省略が可能であることは当業者にと
つて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はロータブレード組立体の一部を示す解
図である。第２図は本発明により形成された第１
図に図示されたブレードのルート部アタツチメン
トの一部を示す解図的拡大図である。第３図は従
来技術によるルート部アタツチメントの第２図に
対応する解図である。第４図はもみの木型のアタ
ツチメントの一部を示す解図的拡大図であり、本
発明の二重半径の局面を示している。 １０〜タービンホイール組立体、１２〜ロータ
デイスク、１４〜ロータブレード、１６〜ルート
部、１８〜翼部、２０〜スロツト、２２〜ルート
キヤビテイ、２４〜サイドプレート、２６〜リベ
ツト、２８，３０〜歯、３２，３４〜溝、３６〜
上方或は半径方向外方の領域、３８，４０〜下方
或は半径方向内方の領域、４２〜上方或は半径方
向外方の領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロータデイスクと複数個のロータブレードと
   を有するホイール組立体にして、前記ロータブレ
   ードの各々はその歯と溝とを有するもみの木型の
   ルート部が前記ロータデイスクに形成された実質
   的に対応する形状のデイスクスロツトに受けられ
   た状態にて前記ロータデイスクの半径方向外方に
   延在するよう前記ロータデイスクにより支持され
   ており、前記ロータブレードの少なくとも一つの
   歯は前記ロータデイスクの一つの溝に係合しまた
   前記ロータデイスクの少なくとも一つの歯は前記
   ロータブレードの一つの溝に係合しており、前記
   ロータブレードの前記溝と前記ロータデイスクの
   前記溝の少なくとも一方は対向する側面が互いに
   異なる曲率半径に従つて形成された底部領域を有
   しており、当該底部領域の曲率半径がより大きい
   側を含む当該溝の側面がそれに対向する前記ロー
   タデイスク或いは前記ロータブレードの歯と接触
   することにより前記ホイール組立体の回転中に前
   記ロータブレードに生ずる遠心力が支持されるこ
   とを特徴とするホイール組立体。 ２ 特許請求の範囲第１項のホイール組立体にし
   て、前記の異なる曲率半径に従つて形成された底
   部領域は前記ロータブレードの溝の底部領域であ
   り、その曲率半径の大きい側とは当該溝の当該ロ
   ータブレードのルート部の自由端に近い側である
   ことを特徴とするホイール組立体。 ３ 特許請求の範囲第１項のロータブレードにし
   て、前記の異なる曲率半径に従つて形成された底
   部領域は前記ロータデイスクの溝の底部領域であ
   り、その曲率半径の大きい側とは当該溝の前記ロ
   ータデイスクの半径方向外側に位置する側である
   ことを特徴とするホイール組立体。