JP2001090691A - 応力の減少された圧縮機ブリスクの流れ通路 - Google Patents

応力の減少された圧縮機ブリスクの流れ通路

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JP2001090691A JP2000218146A JP2000218146A JP2001090691A JP 2001090691 A JP2001090691 A JP 2001090691A JP 2000218146 A JP2000218146 A JP 2000218146A JP 2000218146 A JP2000218146 A JP 2000218146A JP 2001090691 A JP2001090691 A JP 2001090691A
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Paul Michael Smith
ポール・マイケル・スミス
Daniel Gerard Suffoletta
ダニエル・ジェラルド・サフォレッタ
Steven Mark Ballman
スティーブン・マーク・ボールマン
Richard Patrick Zylka
リチャード・パトリック・ジルカ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リム応力を減少させてリムの低サイクル疲労
寿命を増大する。 【解決手段】 各ブレード（２４）とリムの間の円周方
向のリム応力集中を減少させる形状にした外側表面（２
０４）を備えた半径方向外側のリム（１８）を持つロー
タ（１２）を含むガスタービンエンジンのロータ組立
体。さらに、外側表面の形状が空気の流れをブレードと
リムとの接合界面から遠のくように導き、空気力学的性
能の損失を減少させる。例示的な実施形態においては、
リムの外側表面は、隣合ったブレード間に凹面形状（２
１０）を持ち、頂点はブレードとリムの接合界面に位置
している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概してガスタービ
ンエンジンに関し、より具体的には圧縮機ロータを通る
流れ通路に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、ガスタービンエンジンは、共
通の環状リムから半径方向外方へ延びる幾つもの圧縮機
ブレード即ち翼形の列を有する多数段の軸流圧縮機を含
む。空気が段から段へと圧縮されていくとき、ロータリ
ムの外側表面が一般的には圧縮機の半径方向内側の流れ
通路の表面を画成する。ブレードの回転によって発生す
る遠心力は、ブレード直下のリムの部分で担持される。
その遠心力がリムとブレードとの間に円周方向のリム応
力の集中を発生させる。
【０００３】さらに、過渡運転中の環状リムと圧縮機ボ
アとの間の温度勾配が、リムの低サイクル疲労（ＬＣ
Ｆ）寿命に悪影響を及ぼす熱応力を発生する。加えて一
体にブレードを配置したブリスクディスク構成において
は、リムは流れ通路の空気に直接曝され、そのことが温
度勾配とリム応力を増大させる。また、ブレード根元に
局部的な力が発生し、このことがさらにリム応力を増大
させる。
【０００４】
【発明の概要】１つの形態において、本発明は、外側の
リムとブレードとの間のリム応力を減少させ、かつ空気
の流れをブレードとリムの接合界面から離れるように導
きこれにより空気力学的性能の損失を減少するような形
状をした外側表面を備えた半径方向外側のリムを持つロ
ータを含むガスタービンエンジンのロータ組立体であ
る。より具体的には、かつ例示的実施形態においては、
ディスクは半径方向内側のハブ、及びハブとリムの間に
延びるウェブを含み、また円周方向に間隔を空けて設け
られた複数のロータブレードがリムから半径方向外方に
延びている。この例示的実施形態では、リムの外側表面
は隣接するブレード間に凹面形状を持ちその頂点はブレ
ードとリムとの間の接合界面にある。
【０００５】ロータリムの外側表面は、空気が段から段
へと圧縮されていくとき、圧縮機の半径方向内側の流れ
通路表面を画成する。リムの外側表面に隣接するブレー
ドの間で凹面形状を持たせることによって、ブレードと
リムとの間のリム応力が減少される。さらに、この凹面
形状は概して空気の流れをブレード／リムの接合界面の
直近から遠のけ、隣合うブレード間の流れ通路の中心部
へと導く。その結果、空気力学的性能の損失は減少され
る。このようなリム応力を減少させることはリムの低サ
イクル疲労寿命の増大を助ける。
【０００６】
【発明の実施の形態】第１図は圧縮機ロータ組立体１０
の一部の概略図である。ロータ組立体１０は、軸方向セ
ンターライン軸線（図示せず）の周りに同軸的にカップ
リング１４で結合された複数のロータ１２を含む。各ロ
ータ１２は１つまたはそれ以上のブリスク１６で構成さ
れ、各ブリスク１６は、半径方向外側のリム１８、半径
方向内側のハブ２０、およびそれらの間に延びる一体ウ
ェブ２２を含む。リム１８の内側の区域は時に、圧縮機
ボアと呼ばれる。各ブリスク１６はまたリム１６から半
径方向外方へ延びる複数のブレード２４を含む。第１図
に示される実施形態では、複数のブレード２４はそれぞ
れのリム１８に一体的に結合されている。それとは別
に、少なくとも複数段のうちの１段では、各ロータブレ
ードを、それぞれのリムにある対応する差込孔に取り付
けられるブレードダブテールを用いる公知の方法で、取
り外しできるようにリムに結合させることもできる。
【０００７】図１に示す例示的実施形態には、５つのロ
ータ段が図示され、ロータブレード２４が例えば空気と
いった動力流体即ち作動流体と協働するように構成され
ている。図１の例示的実施形態では、ロータ組立体１０
はガスタービンエンジンの圧縮機であって、そのロータ
ブレード２４は動力流体である空気を続く段で適切に圧
縮するよう構成されている。空気が段から段へと圧縮さ
れていくときに、ロータリム１８の外側表面２６が圧縮
機の半径方向内側の流れ通路表面を画成する。
【０００８】ブレード２４は軸方向センターライン軸線
のまわりを所定の最高設計回転速度まで回転し、回転部
品に遠心力荷重を発生する。ブレード２４の回転によっ
て発生する遠心力荷重は、各々のブレード２４直下のリ
ム１８の部分で担持される。
【０００９】第２図は公知の圧縮機の段のロータ１００
の部分の前面図である。ロータ１００はリム１０４から
延びる複数のブレード１０２を含む。リム１０４の半径
方向外側の表面１０６が半径方向内側の流れ通路を画成
し、空気は隣接するブレード１０２の間を流れる。環状
リム１０４と圧縮機ボア１０８との間の特に過渡運転中
の温度勾配は、リム１０４の低サイクル疲労寿命（ＬＣ
Ｆ）に悪影響を及ぼす熱応力を発生する。さらに、また
第１図に関連して説明したようなブリスク構成において
は、リム１０４は流れ通路の空気に直接曝され、そのこ
とがりリム１０４とボア１０８の間の温度勾配を増大さ
せる。この温度勾配の増大が円周方向のリム応力を増大
させる。また、ブレード１０２の根元１１０に局部的な
力と応力集中を発生させ、このことがさらにリム応力を
増大させる。
【００１０】本発明のある実施形態によると、リムの外
側表面はひいらぎの葉の形に構成されている。それぞれ
のブレードは、ひいらぎの葉の形状をしたリムの各頂点
に位置しており、これによりリムの応力のピークはブレ
ードとリムとの接合部には位置しないという利点が得ら
れ、応力集中が減少し、それがリムの低サイクル疲労寿
命の延長を助長する。
【００１１】より具体的には、第３図は本発明のある実
施形態による圧縮機段のロータ２００の一部の前面図で
ある。ロータ２００は外側リム表面２０４を持つリム２
０２を含む。複数のブレード２０６がリム表面２０４か
ら延びている。リム表面２０４は、該表面２０４が隣合
った頂点２０８間の凹面形状曲面２１０によって隔てら
れている複数の頂点２０８を含むことから、ひいらぎ葉
の形状である。
【００１２】リム表面２０４の所定の寸法形状は、具体
的な適用用途と所望のエンジンの運転性能に基づいて選
定される。第１の実施形態では、ひいらぎの葉の形状は
第１の半径Ａと第２の半径Ｂとをもつ複合半径として形
成されている。第１の半径Ａは約０．０４インチから
０．５インチの間であり、典型的には、第２の半径Ｂは
隣合うブレード２０６間の間隔の約２倍から１０倍の間
である。第２の実施形態では、第１の半径Ａは約０．０
６インチであり、第２の半径Ｂは約２．０インチであ
る。
【００１３】第４図は圧縮機段のロータ２００の一部の
後面図である。ここでもまた、リム表面２０４はひいら
ぎの葉の形状になっており、隣合う頂点２１４間の凹面
形状曲面２１６によって隔てられている複数の頂点２１
４を含む。第１の実施形態では、ひいらぎの葉の形状
は、第１の半径Ｃと第２の半径Ｄとをもつ複合半径とし
て形成されている。第１の半径Ｃは約０．０４インチか
ら０．５インチの間で、典型的には第２の半径Ｄは隣合
うブレード２０６間の間隔の約２倍から１０倍の間であ
る。第２の実施形態では、第１の半径Ｃは約０．０６イ
ンチであり、第２の半径Ｄは約２．０インチである。
【００１４】リムの表面２０４は上記の形状を備えるよ
うに鋳造することも機械加工することもできる。また、
リム表面２０４は、リム２０２の製作後、例えばブレー
ド２０６をリム２０２に隅肉溶接で取り付けることによ
って形成することができる。さらに、ブレード２０６を
リム２０２に摩擦溶接あるいは他の方法で固定する。具
体的には、隣合うブレード２０６間が流れ通路として望
ましい形状になるように溶接を施すことができる。
【００１５】運転中、空気が段から段へと圧縮されてい
るとき、ロータリム２０２の外側表面２０４が圧縮機の
半径方向内側の流れ通路表面を画成する。外側表面２０
４を隣合うブレード２０６間で凹面形状にすることによ
って、空気の流れは概してブレード／リムの接合部の直
近から遠のき、隣合うブレード２０６間の流れ通路の中
心へと導かれ、このことにより空気力学的性能の損失を
減少させる。さらに、ブレードとリムの接合界面の個所
でリム２０２とブレード２０６の間に発生する円周方向
のリム応力の集中が減少される。接合界面でのそれらの
減少は、リム２０２の低サイクル疲労寿命の延長を助長
する。
【００１６】上記の実施形態には種々の変更が可能であ
る。例えば、隣合うブレード間のリム外側表面を、凹面
複合半径の形状よりもっと複雑な形状とすることができ
る。一般的に、外側表面の形状は、リムに生じる円周方
向のリム応力の集中を効果的に減少させるように選定さ
れる。さらに、リムを望ましい形状を持つように製作し
たり、隅肉溶接を用いて形状を成形するかわりに、ブレ
ード自体をブレード／リムの接合界面の箇所で望ましい
形状になるように製作することもできる。リムの内側表
面の形状もリムの応力を減少するような輪郭にすること
ができる。
【００１７】本発明を種々の具体的な実施形態により説
明してきたが、当業者には本発明がその精神及び請求の
範囲内において変形形態で実施できることが解るであろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧縮機ロータ組立体の一部の概略図。
【図２】 公知の圧縮機段ロータ組立体の一部の前面
図。
【図３】 本発明の１つの実施形態による圧縮機段ロー
タ組立体の一部の前面図。
【図４】 第３図に示す圧縮機段ロータ組立体の一部の
後面図。
【符号の説明】
１０ 圧縮機ロータ組立体 １２ ロータ １４ カップリング １６ ブリスク １８ 半径方向外側リム ２０ 半径方向内側ハブ ２２ 一体ウェブ ２４ 複数のロータブレード ２６ ロータリムの外側表面 １００ 公知の圧縮機段ロータ １０２ 複数のブレード １０４ リム １０６ リムの半径方向外側の表面 １０８ 圧縮機ボア １１０ ブレード根元 ２００ 圧縮機段ロータ ２０２ リム ２０４ 外側リム表面 ２０６ 複数のブレード ２０８ 複数の頂点 ２１０ 凹面形状曲面 ２１４ 複数の頂点 ２１６ 凹面形状曲面
フロントページの続き (72)発明者 ジェームズ・エドウィン・ローダ アメリカ合衆国、オハイオ州、メーソン、 シンダー・ロード、9837番 (72)発明者 デビッド・エドワード・ブルマン アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ケンウッド・ロード、5746番 (72)発明者 クラッグ・パトリック・バーンズ アメリカ合衆国、オハイオ州、メーソン、 イーグル・コート、6311番 (72)発明者 ポール・マイケル・スミス アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、ケンパーグロウブ・レーン、9446番 (72)発明者 ダニエル・ジェラルド・サフォレッタ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ハイデン・ドライブ、30番 (72)発明者 スティーブン・マーク・ボールマン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、モートブリッジ・コート、 7830番 (72)発明者 リチャード・パトリック・ジルカ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ジグ・ザク・ロード、10138番 (72)発明者 ローレンス・ジェイ・エガン アメリカ合衆国、オハイオ州、メーソン、 ラニング・フォックス・レーン、5744番

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半径方向外側のリム（１８）、半径方向
    内側のハブ（２０）、及びそれらの間に延びるウェブ
    （２２）を含み、円周方向に間隔を空けて設けられた複
    数のロータブレード（２４）が前記リムから半径方向外
    方に延びており、前記外側のリムの外側表面が前記ブレ
    ードの各々と前記リムとの間の円周方向のリム応力の集
    中を減少させる形状を持つ、ロータ（１２）を備えたガ
    スタービンエンジンにおける円周方向のリム応力の集中
    を減少させる方法であって、 前記ブレードの各々と前記リムとの間の円周方向のリム
    応力の集中を減少させる形状を持つ外側リムの外側表面
    を設ける段階を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記外側リム（１８）の外側表面（２０
    ４）を設ける前記段階が、前記外側リムの前記外側表面
    に凹面（２１０）複合半径を付ける段階を含む請求項１
    に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記外側リム（１８）の前記外側表面
    （２０４）に複合半径を付ける前記段階がさらに、約
    ０．０４インチから０．５インチの間の第１の半径を付
    ける段階を含む請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記外側リム（１８）の前記外側表面
    （２０４）に複合半径を付ける前記段階がさらに、円周
    方向に間隔を空けて設けられたロータブレード間の距離
    の約２倍ないし１０倍の第２の半径を付ける段階を含む
    請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記外側リム（１８）の外側表面（２０
    ４）を設ける前記段階がさらに、複合半径を含む形状を
    持つリム表面を含むようにリムを鋳造する段階を含む請
    求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記外側リム（１８）の外側表面（２０
    ４）を設ける前記段階がさらに、複合半径を含む形状を
    持つリム表面を製作するために、リムを機械加工する段
    階を含む請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記外側リムの外側表面を設ける前記段
    階がさらに、複合半径を含む形状を持つリム表面を製作
    するために、隅肉溶接又は摩擦溶接によってブレードを
    リムに固定する段階を含む請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記エンジンがさらに、前記ブレードの
    各々と前記リムとの間の円周方向のリム応力の集中を減
    少させる形状を持つ内側リムを含む方法であって、 前記ブレードの各々と前記リムとの間の円周方向のリム
    応力の集中を減少させる形状を持つ前記内側リムの外側
    表面を設ける段階を含む請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 半径方向外側のリム（１８）、半径方向
    内側のハブ（２０）、及びそれらの間に延びるウェブ
    （２２）を含み、円周方向に間隔を空けて設けられた複
    数のロータブレード（２４）が前記リムから半径方向外
    方に延びており、前記外側のリムの外側表面（２０４）
    が前記ブレードの各々と前記リムとの間の円周方向のリ
    ム応力の集中を減少させる形状を持つ、ロータ（１２）
    を備えたガスタービンエンジンのロータ組立体。
  10. 【請求項１０】 前記外側リム表面（２０４）が、隣合
    うブレード（２４）間の円周上に凹面形状（２１０）を
    持つ請求項９に記載のガスタービンエンジンのロータ組
    立体。
  11. 【請求項１１】 前記ロータ（１２）が複数のブリスク
    （１６）を含む請求項９に記載のガスタービンエンジ
    ン。
  12. 【請求項１２】 前記外側リムの形状（２０４）が、前
    記ブレード（２４）の各々と前記リム（１８）との間の
    接合界面から遠のくように空気の流れを導く請求項９に
    記載のガスタービンエンジン。
  13. 【請求項１３】 前記外側リム（１８）の前記外側表面
    （２０４）が複合半径を含む請求項９に記載のガスター
    ビンエンジン。
  14. 【請求項１４】 前記複合半径が第１の半径及び第２の
    半径を含み、前記第１の半径が約０．０４インチから
    ０．５インチの間にある請求項１３に記載のガスタービ
    ンエンジン。
  15. 【請求項１５】 前記第２の半径が前記円周方向に間隔
    を空けて設けられたロータブレード（２４）間の距離の
    約２倍ないし１０倍である請求項１３に記載のガスター
    ビンエンジン。
  16. 【請求項１６】 第１ロータ（１２）と第２ロータを含
    み、前記第１ロータは前記第２ロータに結合されてお
    り、前記ロータのうち少なくとも一つが、半径方向外側
    のリム（１８）、半径方向内側のハブ（２０）、及びそ
    れらの間に延びるウェブ（２２）を含み、半径方向に間
    隔を空けて設けられた複数のロータブレードが前記リム
    から半径方向外方に延びており、前記外側のリムの外側
    表面（２０４）が前記ブレードの各々と前記リムとの間
    の円周方向のリム応力の集中を減少させる形状を持つ、
    ガスタービンエンジンのロータ組立体。
  17. 【請求項１７】 前記１つのロータ（１２）の前記外側
    リム表面（２０４）が隣合うブレード（２４）間に凹面
    形状（２１０）を持つ請求項１６に記載のガスタービン
    エンジンのロータ組立体。
  18. 【請求項１８】 前記ロータ（１２）の前記少なくとも
    一つが複数のブリスク（１６）を含む請求項１６に記載
    のガスタービンエンジンのロータ組立体。
  19. 【請求項１９】 前記外側リム（１８）の前記外側表面
    （２０４）が、第１の半径と第２の半径を含む複合半径
    を含む請求項１６に記載のガスタービンエンジンのロー
    タ組立体。
  20. 【請求項２０】 前記第１の半径が約０．０４インチか
    ら０．５インチの間であり、前記第２半径が前記円周方
    向に間隔を空けて設けられたロータブレード（２４）間
    の距離の約２倍から１０倍である請求項１９に記載のタ
    ービンエンジンのロータ組立体。
JP2000218146A 1999-09-23 2000-07-19 応力の減少された圧縮機ブリスクの流れ通路 Expired - Fee Related JP4856302B2 (ja)

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US09/405308 1999-09-23
US09/405,308 US6511294B1 (en) 1999-09-23 1999-09-23 Reduced-stress compressor blisk flowpath

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EP (1) EP1087100B1 (ja)
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