JP2010270751A - タービンエンジン用のバランスを取ったロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンエンジンのバランスを取ったロータを提供する。
【解決手段】 周囲スロットを備えたロータディスク及び前記スロットに取り付けた一列のロータブレードを持ち、ブレード根部の下を延びるランド部と、このランド部からロータ構成要素の軸線に対して半径方向に延びる質量調節突出部とを持つバランスウェイトを有し、このバランスウェイトは、全体が、ブレード根部と隣接したブレードの根部との間に配置される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、タービンエンジンに設けられたタービンエンジン用のロータのバランスを取ることに関し、更に詳細には、コンプレッサ又はタービンのディスク（あるいは、ドラム又はリング）のバランスを取ることに関し、ディスク（あるいは、ドラム又はリング）は、内部にロータブレードの根部が配置される周囲スロットを有している。

図１を参照すると、ターボファンガスタービンエンジン１０は、流れ方向で、入口３２、ファン２、及びコアエンジン４を含む。コアエンジン４は、中圧コンプレッサ１２、高圧コンプレッサ１４、燃焼器１６、高圧タービン１８、中圧タービン２０、低圧タービン２２、及び排気部２４を含む。ファン２、コンプレッサ１２、１４、及びタービン１８、２０、２２は、全て、エンジンの共通の中央軸線１を中心として回転するように構成されている。空気は、矢印Ｂで示すように、環状入口３２を通してエンジン１０に吸い込まれ、ファン２に入る。ファン２は空気を圧縮し、一部が下流方向でコアエンジン４に流入し、ここで更に圧縮され、燃料と混合され、タービンでの膨張前に燃焼器１６内で燃焼し、コア排気部２４を通して矢印Ｄで示すように放出される。

本明細書全体に亘り、「下流」という用語及び「上流」という用語は、エンジン１０を通るガスの全体としての流れ方向に関して、使用されている。

コンプレッサは、エーロホイル（翼形状の）断面のロータブレードを支持する一つ又はそれ以上のロータアッセンブリを含む。ロータは、ケーシング構造によって支持されたベアリングによって配置される。ケーシングにはステータベーンが組み込まれている。ステータベーンもエーロホイル（翼形状の）断面となっている。これらステータベーンは、ロータブレードの後方で軸線方向に整合している。各ロータ及び下流のステータが、一つの段部を形成する。

ブレードは、通常は、根部固定部として公知の機械的取付具を使用して、コンプレッサディスクに取り付けられている。二つの主要な固定方法、即ち軸線方向固定と周方向固定とが、使用されている。軸線方向固定では、軸線方向に延びる一連の周囲スロットが、ディスクに機械加工によって形成される。これらのスロットは、スロットに滑り込ませたあり溝（ダブテール）形状又はもみの木（ファーツリー）形状のロータブレード固定部を受け入れることができるように、相補的形状をなしている。スロット毎に一つのブレードが固定され、これらのブレードは、ロックストラップ等の固定エレメントで固定される。周方向固定については、一つの周溝が、ディスクに機械加工によって形成される。この周溝は、スロットに滑り込ませたあり溝（ダブテール）形状又はもみの木（ファーツリー）形状のロータブレード固定部を受け入れることができるように、相補的形状をなしている。多数のブレードが、装入用スロットを介してスロットに装入される。装入用スロットは、次いで、係止デバイスで閉鎖される。単一の周囲スロットを形成する方が、多数の軸線方向スロットを形成するよりも容易である。従って、周方向固定の方が簡単であり且つ費用が掛からない選択肢であり、代表的なコンプレッサの多くの段で使用されている。しかしながら、軸線方向固定は、一般的には、異物による損傷を取り扱う上で比較的丈夫であり、可変ベーンの使用を容易にする。このような理由により、コンプレッサの前段は、軸線方向固定を使用する場合が多い。

回転アッセンブリは、高い許容差に合わせてバランスを取らなければならない。これは、バランスが取れていないと、振動や応力が発生し、これが回転速度の二乗で増大するためである。本発明は、ロータの改良バランス装置及び改良バランス方法を提供しようとするものである。

本発明によれば、タービンエンジン用のバランスを取ったロータにおいて、
軸線を中心として周囲に延びる、周囲スロットを持つロータ構成要素と、
ロータ構成要素の周囲から半径方向外方に延びる、各々の根部が周囲スロットに挿入された一列のロータブレードと、
周囲スロット内のバランスウェイトとを有し、
バランスウェイトは、ブレード根部の下を延びるランド部と、このランド部から、ロータ構成要素の軸線に対して半径方向に延びる質量調節突出部とを有し、
質量調節突出部は、全体が、ブレード根部と隣接したブレード根部との間を延びており、
質量調節突出部の軸線方向幅は、スロットの軸線方向幅よりも小さい、バランスを取ったロータが提供される。

好ましくは、ランド部は、ブレード根部及び隣接したブレード根部の下を延びる。

好ましくは、突出部は、ブレード根部に当てて配置された、ブレード根部に向かう方向でのウェイトの周方向移動を阻止する第１ストップ面を有する。好ましくは、突出部は、隣接したブレード根部に当てて配置された、隣接したブレード根部に向かう方向でのウェイトの周方向移動を阻止する第２ストップ面を有する。

ランド部は、周方向に延びる縁部を備えていてもよく、これらの縁部は、各々、ウェイトが根部に対して軸線方向に移動しないようにするため、夫々の根部の面取り部と整合したリップ部を有する。好ましくは、各リップ部は、ランド部から、質量調節突出部が延びる方向と同方向に延びている。

ロータ構成要素は、タービン又はコンプレッサ用の、ロータディスク、ドラム又はリングであってもよい。

本発明の第２の特徴によれば、タービンエンジンのロータのバランスを取るためのバランスウェイトにおいて、
軸線を中心として周囲に延びる、周囲スロットを持つロータ構成要素と、
一列のロータブレードとを備え、
前記ロータブレードは、ロータ構成要素の周囲から半径方向外方に延びており、
前記ロータブレードは、各々、ブレード根部を有しており、ブレード根部は、周囲スロットに挿入されている、バランスウェイトが提供される。バランスウェイトは、隣接したブレード根部の下を延びるように周方向に延びるランド部と、このランド部から延びる質量調節突出部とを有する。この質量調節突出部の周方向長さは、隣接したブレード根部間の距離よりも小さくなっている。質量調節突出部は、ブレード根部に当てて配置し、ウェイトが使用時に周方向に移動しないようにするための一つ又はそれ以上のストップ面を有する。

ランド部は、矩形であってもよく、スロット内で周方向に延びる比較的長い二つの縁部と、比較的短い二つの縁部とを有し、比較的長い二つの縁部は、各々、リップ部を有しており、リップ部は、ウェイトが根部に対して軸線方向に移動しないように夫々の根部の面取り部と整合できるように、ランド部から、質量調節突出部が延びる方向と同じ方向に延びている。

次に、本発明を、添付図面を参照して、単なる例として説明する。

図１は、ターボファンガスタービンエンジンの概略断面図である。 図２は、コンプレッサディスクに取り付けたブレードのアレイ（配列）を示す図である。 図３は、本発明による例示のバランスウェイトを示す図である。 図４は、本発明による別の例示のバランスウェイトを示す図である。 図５は、バランスウェイトを周囲ロータスロットに装入するための工程を示す図である。 図６は、バランスウェイトを周囲ロータスロットに装入するための工程を示す図である。 図７は、バランスウェイトを周囲ロータスロットに装入するための工程を示す図である。 図８は、バランスウェイトを周囲ロータスロットに装入するための工程を示す図である。 図９は、ロータスロット内で所定位置に配置したバランスウェイトを示す図である。

図２は、ブレードディスク４０の斜視図である。ブレードディスク４０は、周囲スロット４２を有している。周囲スロット４２内に、ブレード４６が、その根部４４によって保持されている。ブレード４６の根部４４は、周囲スロット４２内に配置されている。周囲スロット４２は従来のスロットであり、あり溝（ダブテール）形状、もみの木（ファーツリー）形状、又は他の公知の形状を備えていてもよい。スロット４２は、適当な断面を持つ固定用の空洞に対して開放したネック部を有している。各ブレード４６はプラットホームを持ち、このプラットホームは、隣接したブレード４６のプラットホームに当接できる大きさを備えており、これによって、ブレードを通すための連続した半径方向内面が構成されている。少なくとも一つのプラットホームに切欠きが設けられており、この切欠きを通してジャッキねじを挿入し、ロックナット４８と係合できるようになっている。ジャッキねじを回すことにより、ロックナット４８をあり溝形状のネック部（ダブテールネック）のいずれかの側のオーバーハング（張出し部）に当てて保持する。ロックナットが固定されたため、スロット内でのブレードの周方向移動が阻止される。

ディスクのバランスを取るため、一つ又はそれ以上のバランスウェイトが周囲スロット内に設けられている。ウェイト３１は、全体として、図３及び図４を参照して説明する形態を有する。各ウェイト３１は、第１部分即ちランド部５０と、第２部分５２とを有している。第１部分即ちランド部５０は、ブレード根部の下に嵌合又は装着できるようになっており、ブレード根部の下でのバランスウェイトの半径方向位置を提供する。第２部分５２は、質量調節領域を提供しており、この第２部分５２には、必要な場合、バランス調整を行う。

ウェイト３１は、全体として、周囲スロット内に入れることができる寸法を有している。ウェイト３１は、使用時に、周囲スロット内に配置される。従って、寸法は、ブレードが使用される、エンジンの種類やコンプレッサ又はタービンの段部に応じて変化する。

ランド部５０は全体に平らであり、ブレード根部の下に嵌合又は装着できる高さを有している。ランド部５０の周方向に延びる縁部に沿って、これらの縁部は湾曲しており、又は角度をなしており、軸線方向に位置決めできる構造となっている。これらの軸線方向位置決め構造は、使用時に、ブレード根部に設けられた対応する構造に当接し、ウェイト３１がスロット内で軸線方向に移動しないようにする。

第２部分５２は、第１部分５０から突出しており、面５４を有している。面５４は、使用時にブレード根部の側面と当接し、ウェイト３１がブレードの下で摺動しないようにし、これによって、周方向位置を位置決めできる。第２部分５２の長さは、隣接した根部の側面間の距離と等しいのが好ましいが、隣接した根部の側面間の距離よりも小さい第２部分５２の長さを使用してもよい。いずれの場合でも、ブレード及びプラットホームをそれらの通常の使用間隔に戻すことは妨げられないことが重要である。

第２部分５２の軸線方向幅は、ネック幅よりも小さい。これによりバランスウェイトを任意の所望の周方向位置に配置できる。

第２部分５２を単一のブロックとして示したが、第２部分５２の幾つかの部分を、穿孔、切断、又は任意の他の適当な化学的又は機械的手段のいずれかによって除去し、第２部分の質量の削減又は調整できる。半円形又は切り子面を持つ半十角形形状等の他の断面形状を使用してもよい。

次に、あり溝形状のスロット（ダブテールスロット）を持つコンプレッサロータアッセンブリについてのウェイト３１の装着を図５乃至図８を参照して説明する。コンプレッサロータアッセンブリのブレードは、従来の方法で、装着用スロットを通して取り付けられており、次いで、周方向ロックナットによって固定されている。

バランスウェイトが配置されるべき周囲位置を任意の従来の手段によって決定した後、周方向ロックナットを取り外し、幾つかのブレードを装着用スロットを通して周囲スロットから取り外す。これによりブレードを周方向に摺動できる空間を装着用スロットに形成する。これにより、ブレード間に、ウェイト３１の長さよりも大きい隙間を開放できる。

ウェイト３１をブレード間のスロット内に配置（図５参照）し、周方向に摺動する。その結果、ランド部の一方がブレード根部の一方の下で摺動し、盛り上がった第２部分５２の面５４が、ブレード根部の側部に図６に示すように当接する。次いで、ブレード間の隙間を、隣接したブレードのプラットホーム５８が互いに当接するまで、再び閉鎖する（図７及び図８参照）。有利には、この構成では、二つのブレードを周方向にユニットをなしてそれらの作動位置まで移動でき、ウェイト３１は、これらのブレードとともにその作動位置まで移動する。ランド部は、ブレード根部の周方向全長に亘ってその下で延びていなくてもよいということは理解されよう。

全てのウェイト３１をブレード間のそれらの作動位置に配置した後、取り外したブレードをスロットに再装着でき、ロックナットを固定して全てのブレードをそれらの周方向位置に保持することができる。

これは、多数のブレードを取り外す必要なしに、周囲スロットにブレードが取り付けられたディスクのバランスをとるための優れた方法であるということは理解されよう。基本的には、チップの研削後に一つ又はそれ以上のバランスウェイトを装着できる。チップの研削は、アッセンブリの回転時に行われ、比較的長いブレードのチップを研削により機械加工し、チップ隙間を均等にする。

バランスウェイトの位置を図９に示す。ウェイト３１は、ランド部がブレード根部４４の下に配置された状態で示してある。ブレード根部４４の軸線方向上流部と軸線方向下流部には面取り部５３が施してある。ウェイト３１の上方に湾曲した縁部５６は、バランスウェイトの全長に沿って延びていなくてもよいが、面取り部５３と整合しており、ウェイト３１がブレード根部に対して軸線方向に移動しないようにし、同様にウェイト３１がスロットに対して軸線方向に移動しないようにする。ウェイト３１の中央部分５２が破線で示してあり、その大きさが根部の下に装着するには大き過ぎるということを示し、従って、ブレード根部４４を越えて移動することが面５４によって阻止される（図３及び図４参照）。これは、バランスウェイト用の周方向ストッパーを提供するのに役立つ。

バランスウェイトの半径方向負荷は、あり溝形状、もみの木形状、又は他の適当な形状を備えたブレード根部によって支持される。バランスウェイトは、任意の周方向位置に装着されてもよいが、装入用スロットと隣接して設けるのは困難であるということがわかっている。この位置でバランスをとる必要がある場合には、質量が比較的小さいウェイトを、装入用スロットのいずれかの側で当該スロットに設けてもよい。これらのウェイトの質量は、ベクトル和を使用して決定される。

ブレード根部と、周囲スロットの半径方向内面との間の隙間が、比較的大きい場合には、ランド部のうち質量調節部分とは反対側の面に、別体の、種子状の小突起部又は突出部を設けることができる。これらの小突起部又は突出部は、ランド部をスロットの内面から離し、ランド部及びこのランド部に設けられたリップ部を、ブレード根部に確実に接触させることができる。

必要なバランス補正を行うため、様々な材料をウェイトに使用できる。別の態様では、ウェイトは、これらのウェイトがスロット内に装着され、ランド部が根部の下に置かれるのであれば、所望の質量を提供するため、様々な高さ又は長さを備えていてもよい。特定の範囲を容易に確認できるように、又は様々な用途又は使用される製品の種類について、ウェイトを確認するため、熱処理や塗装によってウェイトの色を変えてもよい。

３１ ウェイト
４０ ブレードディスク
４２ 周囲スロット
４４ 根部
４６ ブレード
４８ ロックナット
５０ 第１部分
５２ 第２部分

Claims (13)

1. タービンエンジン用のバランスを取ったロータであって、
   軸線を中心として周囲に延びる、周囲スロットを持つロータ構成要素と、
   前記ロータ構成要素の周囲から半径方向外方に延びる、一列のロータブレードとを備え、該ロータブレードは、各々、ブレード根部を有しており、該ブレード根部は、前記周囲スロットに挿入されており、
   前記ロータは、また、
   前記周囲スロット内に設けられたバランスウェイトを備え、
   前記バランスウェイトは、前記ブレード根部の下を延びるランド部と、前記ランド部から、前記ロータ構成要素の軸線に対して半径方向に延びる質量調節突出部とを有し、
   前記質量調節突出部は、全体が、前記ブレード根部と、隣接したブレード根部との間を延び、
   前記質量調節突出部は、その軸線方向幅が前記周囲スロットの軸線方向幅よりも小さい、バランスを取ったロータ。
2. 請求項１に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記ランド部は、前記ブレード根部及び前記隣接したブレード根部の下を延びる、バランスを取ったロータ。
3. 請求項１又は２に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記質量調節突出部は、前記ブレード根部に当接された、前記ブレード根部に向かう方向での前記バランスウェイトの周方向移動を阻止する第１ストップ面を有する、バランスを取ったロータ。
4. 請求項３に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記質量調節突出部は、前記隣接したブレード根部に当接された、前記隣接したブレード根部に向かう方向での前記バランスウェイトの周方向移動を阻止する第２ストップ面を有する、バランスを取ったロータ。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記ランド部は周方向に延びる縁部を有し、
   前記縁部は、各々、リップ部を有しており、
   該リップ部は、前記バランスウェイトが前記ブレード根部に対して軸線方向に移動しないように、対応するブレード根部の面取り部と整合した、バランスを取ったロータ。
6. 請求項５に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   各リップ部は、前記ランド部から、前記質量調節突出部が延びる方向と同方向に延びている、バランスを取ったロータ。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記周囲スロットは、半径方向内側にある固定用空洞部に開放した半径方向外側にあるネック部を有し、前記質量調節突出部の前記幅は、前記周囲スロットの前記ネック部の幅よりも小さい、バランスを取ったロータ。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   前記バランスウェイトは、一部品からなる、バランスを取ったロータ。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のバランスを取ったロータにおいて、
   複数のバランスウェイトを含む、バランスを取ったロータ。
10. 請求項９に記載のバランスを取ったロータにおいて、
    前記バランスウェイトのうちの少なくとも二つのバランスウェイトは、質量が異なる質量調節突出部を持つように選択される、バランスを取ったロータ。
11. ロータのバランスを取る方法であって、
    前記ロータは、
    軸線を中心として周囲に延びる、周囲スロットを持つロータ構成要素と、
    前記ロータ構成要素の周囲から半径方向外方に延びる一列のロータブレードとを備え、前記ロータブレードは、各々、ブレード根部を有しており、該ブレード根部は、前記周囲スロットに挿入されており、
    前記方法は、
    バランスウェイトを配置するための周方向位置を決定する工程と、
    前記列の前記ロータブレードのうちの二つのロータブレードを移動して離す工程と、
    バランスウェイトを前記二つのロータブレード間の前記周囲スロット内に挿入する工程とを備え、
    前記バランスウェイトは、
    前記二つのロータブレードのうちの一方のロータブレードのブレード根部の下を延びるランド部と、
    前記ランド部から、前記ロータ構成要素の軸線に対して半径方向に延びる質量調節突出部とを有し、
    前記質量調節突出部は、全体が、前記ブレード根部と前記二つのロータブレードのうちの他方のロータブレードのブレード根部との間にあり、
    前記方法は、更に、
    前記二つのロータブレードを一緒に移動する工程とを備えた、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    前記質量調節突出部の前記軸線方向幅は、前記周囲スロットの前記軸線方向幅よりも小さい、方法。
13. 請求項１１又は１２に記載の方法において、
    前記方法は、さらに、
    前記バランスウェイトを配置するための周方向位置を決定するため、前記ロータを回転させ計測を行う工程を備えた、方法。

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