JP4304263B2 - 非平行ダブテール面の製作方法及びダブテール組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的にガスタービンエンジンのロータ組立体に関し、より具体的には、取り外し可能なタービンブレードをタービンディスクに取り付けるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンにおいては、空気が、圧縮機中で加圧され、燃焼器中で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生する。高温の燃焼ガスは１つ又はそれ以上のタービンに導かれ、該タービンにおいてエネルギーが取り出される。ガスタービンは周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの少なくとも１つの列を含む。
【０００３】
ガスタービンエンジンのロータブレードは、前縁及び後縁と、正圧側面と、負圧側面とを有する翼形部を含む。正圧側面及び負圧側面は、翼形部前縁と後縁で接合され、ロータブレードのプラットホームから半径方向に延びる。各ロータブレードはまた、プラットホームから半径方向内向きのダブテールを含み、該ダブテールがロータブレードをロータディスクに取り付けるのを助ける。
【０００４】
各ガスタービンロータディスクは複数のダブテールスロットを含み、ロータブレードをロータディスクに結合するのを助ける。各ダブテールスロットは、ディスクフィレットと、ディスク圧力面と、ディスクリリーフ面とを含む。ロータブレードダブテールは、ロータブレードがロータディスクから半径方向外向きに延びるように、ロータディスクのダブテールスロット内に受けられる。
【０００５】
ダブテールは、一般的にダブテールスロットに対して相補形であり、互いに嵌まり合ってダブテール組立体を形成する。ダブテールは、ダブテールスロットのディスクフィレット中に取り付けられる少なくとも一対の爪を含む。ダブテール爪は、ディスク圧力面に対向するブレード圧力面と、ディスクリリーフ面に対向するブレードリリーフ面とを含む。矛盾する設計要因に適応するために、少なくとも一部の公知のダブテール組立体は、対向する圧力面が係合した時、対向するリリーフ面の間に延びるリリーフ間隙を含んでいる。
【０００６】
運転中に、タービンは、一般的に燃焼ガスにより回転される。時折、エンジンの内部の燃焼が終了した時、エンジンを通過する大気が、極めて低い速度でタービンを回転させることがある。このような状態は、「風車状態」と呼ばれる。風車状態の間は小さい遠心力が発生して、ブレード圧力面をディスク圧力面から離れさせる。ダブテールは、ブレードリリーフ面がディスクリリーフ面に係合するように、移動する。ダブテールの移動はまた、ブレード圧力面とディスク圧力面との間に圧力面間隙を形成する。ロータブレードの移動により、風車状態の間にプラットホーム下流側ウイングと第２段ノズルの前方部分との間の穏やかな接触によるノイズを含む可聴ノイズを発生する可能性がある。圧力面間隙を伴った状態で連続して運転すれば、対向する圧力面の間に塵埃又は異物が入り込む結果になり、そのことによりロータブレードの不整合と圧力面のブリネリング(Brinelling：繰り返し衝撃又は静的な過負荷によって起こされる表面損傷)とを引き起こす可能性がある。
【特許文献１】
米国特許５，６２２，４７５号
【０００７】
【発明の概要】
例示的な実施形態において、ダブテール組立体は、ガスタービンエンジンにおける圧力面のブリネリングを減少させるのを助ける非平行リリーフ面を含む。ダブテール組立体は、ダブテールを含む複数のロータブレードを含む。各ダブテールは、ブレードリリーフ面を含む少なくとも一対のブレード爪を含む。ダブテール組立体はまた、ダブテールを受ける寸法にされた複数のダブテールスロットを含むロータディスクを含む。各ダブテールスロットは、ディスクリリーフ面を含む少なくとも一対の対向するディスク爪により形成される。ダブテール組立体は、ダブテールがロータディスクに結合された時、ディスクリリーフ面がブレードリリーフ面に対して非平行になるような形状にされる。
【０００８】
本発明の別の態様においては、ガスタービンエンジン用のロータディスクを製作する方法は、ロータブレードの半径方向の移動を減少するのを助ける。ロータディスクは、少なくとも一対のディスク爪により形成されたダブテールスロットを含む。ロータブレードは、少なくとも一対のブレード爪を含むダブテールを含む。本方法は、ブレード圧力面を少なくとも１つのブレード爪上に形成する段階と、ロータブレードがロータディスク内に取り付けられた時、ディスク圧力面がブレード圧力面に対して実質的に平行になるように、ディスク圧力面を少なくとも１つのディスク爪上に形成する段階とを含む。本方法は、ブレードリリーフ面を少なくとも１つのブレード爪上に形成する段階と、ロータブレードがロータディスク内に取り付けられ、ディスク圧力面がブレード圧力面に係合した時、ディスクリリーフ面がブレードリリーフ面に対して実質的に非平行になるように、ディスクリリーフ面を少なくとも１つのディスク爪上に形成する段階とを更に含む。その結果、ブレードリリーフ面とディスクリリーフ面とは、減少したリリーフ間隙を形成し、それによってタービンの風車状態にある間に圧力面の間に異物が入り込むのを制限し、またロータブレードの落下により生じるノイズを減少させるのを助ける。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ケーシング２２とを含む。高圧タービン１８は、複数のロータブレード２４と、第１の軸２８に結合されたロータディスク２６とを含む。第１の軸２８は、高圧圧縮機１４と高圧タービン１８とを結合する。第２の軸３０が、低圧圧縮機１２と低圧タービン２０とを結合する。エンジン１０は、エンジン１０の上流側３４から後方にエンジン１０の下流側３６まで延びる対称軸線３２を有する。１つの実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチにあるGeneral Electric Companyから市販されているＧＥ９０型エンジンである。
【００１０】
運転中に、低圧圧縮機１２は、加圧した空気を高圧圧縮機１４に供給する。高圧圧縮機１４は高度に加圧した空気を燃焼器１６に供給する。燃焼器１６からの燃焼ガス３８はタービン１８及び２０を駆動する。
【００１１】
高圧タービン１８は、第１の軸２８、従って高圧圧縮機１４を回転させ、一方低圧タービン２０は第２の軸３０及び低圧圧縮機１２を軸線３２の周りで回転させる。
【００１２】
図２は、ロータディスク２６内に取り付けられた複数のロータブレード２４を含むディスク組立体３７の部分斜視図である。１つの実施形態において、複数のロータブレード２４は、ガスタービンエンジ１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。ロータブレード２４は、ロータディスク２６内に取り付けられて、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びる。
【００１３】
ガスタービンエンジンのロータブレード２４の各々は、翼形部４０と、プラットホーム４２と、ダブテール４４とを含む。各翼形部４０は、前縁４６と、後縁４８と、正圧側面５０と、負圧側面５２とを含む。正圧側面５０及び負圧側面５２は、翼形部４０の前縁４６と軸方向に間隔を置いて配置された後縁４８とにおいて結合される。翼形部４０は、プラットホーム４２から半径方向外向きに延びる。
【００１４】
プラットホーム４２は、上流側ウイング５４と下流側ウイング５６とを含む。ダブテール４４は、プラットホーム４２から半径方向内向きに延び、ロータブレード２４をロータディスク２６に固定するのを助ける。プラットホーム４２は、燃焼ガス３８の下流方向の流れの境界となり、かつそれを導く。
【００１５】
図３は、ダブテール４４とダブテールスロット６０の拡大断面図である。ダブテール４４は、ダブテールスロット６０内に取り付けられ、ダブテールスロット６０と協働してダブテール組立体６１を形成する。例示的な実施形態において、ダブテール４４は、ブレード上部の最小頚部６２と、ブレード下部の最小頚部６４と、上部の対のブレード爪６６及び６８と、下部の対のブレード爪７０及び７２とを含む。別の実施形態において、ダブテール４４は、一対のブレード爪６６及び６８のみを含む。ダブテール４４はまた、一対の上部ブレード圧力面７４及び７６と、一対の下部ブレード圧力面７８及び８０と、一対のブレードリリーフ面８２及び８４とを含む。各ブレード爪６６、６８、７０、及び７２は、ブレード面に隣接して設置されたブレード爪外側丸み８８、９０、９２、及び９４を含む。例えば、爪６６に関して言えば、外側丸み８８は、ブレード圧力面７４とブレードリリーフ面８２との間にある。ダブテール４４はまた、それぞれのブレード内側丸み１１０、１１２、１１４、及び１１６を含むブレードフィレット１００、１０２、１０４、及び１０６を含む。
【００１６】
各ガスタービンロータディスク２６は、ロータブレード２４を取り付けるのを助ける複数のダブテールスロット６０を形成する。各ダブテールスロット６０は、半径方向に延びるスロット長さ１１８を定める。この例示的な実施形態において、ダブテールスロット６０は、一対の上部ディスク爪１２０及び１２２と、一対の下部ディスク爪１２４及び１２６と、一対の上部ディスクフィレット１２８及び１３０と、スロット底部１３２とを含む。ダブテールスロット６０はまた、一対の上部ディスク圧力面１４０及び１４２と、一対の下部ディスク圧力面１４４及び１４６と、一対のディスクリリーフ面１４８及び１５０とを含む。各ディスク爪１２０、１２２、１２４、及び１２６は、ディスク面に隣接して設置されたディスク爪外側丸み１５２、１５４、１５６、及び１５８を含む。例えば、ディスク爪外側丸み１５６は、ディスク圧力面１４４とディスクリリーフ面１４８との間にある。ダブテールスロットの上部ディスクフィレット１２８及び１３０は、ディスクフィレット内側丸み１６０及び１６２を更に含む。
【００１７】
複数のリリーフ間隙１７０及び１７２は、ブレード圧力面７４、７６、７８、及び８０がそれぞれのディスク圧力面１４０、１４２、１４４、及び１４６と接触している時、対向するブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０との間に延びる。リリーフ間隙１７０及び１７２は、ダブテール組立体の冷却と熱膨張を助ける。
【００１８】
ブレード圧力面７４、７６、７８、及び８０は、それぞれのディスク圧力面１４０、１４２、１４４、及び１４６に対して実質的に平行であり、係合を助け、かつタービン回転中に生じる負荷を支持する。それぞれの対向するブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０とは、互いに対して非平行である。非平行なブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０とは、リリーフ間隙１７０及び１７２を所定の距離まで減少させるのを助ける。例示的な実施形態において、各リリーフ間隙１７０及び１７２は、くさび形であり、ディスク爪外側丸み１５６及び１５８に隣接する頂点１７４及び１７６を含む。
【００１９】
ディスクフィレット内側丸み１６０及び１６２は、それぞれ複合丸みであり、それぞれのブレード爪６６及び６８よりもそれぞれ大きい。複合丸み１６０及び１６２は、スロット長さ１１８を短縮しながら、集中応力を上部ディスクフィレット１２８及び１３０中に分散するのを助ける。例示的な実施形態において、ディスクフィレット１２８のみについて考察すれば、例えば、複合丸み１６０は、より大きい丸み部分１８０とより小さい丸み部分１８２とを含む。より小さい丸み部分１８２がディスクフィレット１２８の大きさを制限しながら、より大きい丸み部分１８０が応力をロータディスク２６に分散する。リリーフ面１４８は、より小さい丸み部分１８２に隣接してリリーフ間隙１７０を減少させる。より大きい丸み部分１８０は、より大きいフィレットを助け、より小さい非複合丸みのフィレット（図示せず）に比較して上部ディスクフィレット１２８付近のロータディスク２６中の応力を減少させる。より小さい丸み部分１８２を有するディスクフィレット複合内側丸み１６０は、スロット長さ１１８を短縮するのを助けて、ロータディスク２６の強度を向上させる。
【００２０】
ディスク爪外側丸み１５６と１５８もまた、複合丸みである。ここでも、ディスク爪１２４のみについて考察すれば、外側丸み１５６は、より大きい丸み部分１８４とより小さい丸み部分１８６とを含み、下部ブレードフィレット１０４を受けて係合するのを助ける。ディスク爪複合外側丸み１５６は、ディスクリリーフ面１４８により切り詰められる。ディスク爪複合丸み１５６は、非平行なブレードリリーフ面８２の形成を助け、リリーフ間隙１７０及び１７２を減少させる。より小さい丸み部分１８６を有するディスク爪複合丸み１５６はまた、スロット長さ１１８を短縮するのを助け、従ってロータディスク２６の強度を向上させる。
【００２１】
別の実施形態において、ダブテール４４は、ブレード爪６６及び６８上に複合丸みを備えて形成される。ブレードリリーフ面８２及び８４により切り詰められた状態で、ブレード爪外側丸み８８及び９０は、それぞれが複合丸みであり、受けるディスクフィレット内側丸み１６０及び１６２より大きい丸みを含む。リリーフ面８２及び８４はまた、複合丸みであるそれぞれのブレードフィレット内側丸み１１４及び１１６を切り詰める。
【００２２】
別の実施形態においては、ブレード爪６６、６８、７０、及び７２と、ブレードフィレット１００、１０２、１０４、及び１０６と、ディスク爪１２０、１２２、１２４、及び１２６と、ディスクフィレット１２８及び１３０とは、全て複合丸みを有してもよい。
【００２３】
運転中に、燃焼ガス３８は、ロータブレード２４に突き当たり、エネルギーを与えてタービン２０を回転させる。タービン２０の回転により生じる遠心力が、ブレード圧力面７４、７６、７８、及び８０をディスク圧力面１４０、１４２、１４４、及び１４６と係合させ、それらに負荷を掛ける。リリーフ間隙１７０及び１７２が、ブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０との間に形成される。
【００２４】
非平行なブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０とが、ロータブレード２４の移動を減少させるのを助け、異物が入り込む可能性を制限する。運転中には、燃焼ガス３８が、ロータブレード２４に突き当たり、ロータディスク２６を回転させる。ブレード圧力面７４、７６、７８、及び８０が、ディスク圧力面１４０、１４２、１４４、及び１４６に係合して、ブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０との間にリリーフ間隙１７０及び１７２を形成する。非平行なブレードリリーフ面８２及び８４とディスクリリーフ面１４８及び１５０とは、エンジン１０が風車状態になった時に、ロータブレード２４の移動を減少させ、異物が入り込む可能性を制限し、またロータブレード落下により生じるノイズを制限する。
【００２５】
その上に、複合丸みを有するディスク爪外側丸み１５６及び１５８は、公知のロータディスク及びダブテールと比較して、スロット長さ１１８を短縮するのを助ける。スロット長さを短縮することは、高速タービンロータ設計に有益である。
【００２６】
上述のロータブレードは、費用効果がよくかつ高い信頼性がある。ロータブレードは、ディスクダブテールスロット内に受けられるダブテールを含む。非平行リリーフ面が、ロータが風車状態にある時にロータブレードの移動を減少させるのを助ける。その結果、圧力面に生じる摩耗が少なくなり、費用効果が良くかつ信頼性のある方法でロータブレードの有効寿命を延長する。更に、ロータプラットホームと次段のノズルとの間に生じる不快なノイズを、減少させることも助ける。
【００２７】
本発明を、様々な特定の実施形態について説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができるロータブレードの部分斜視図。
【図３】 図２に示すロータブレードと共に用いることができるダブテールとダブテールスロットの拡大断面図。
【符号の説明】
２４ ロータブレード
２６ ロータディスク
３７ ディスク組立体
４０ 翼形部
４２ プラットホーム
４４ ダブテール
４６ 前縁
４８ 後縁
５０ 正圧側面
５２ 負圧側面
５４ 上流側ウイング
５６ 下流側ウイング
６０ ダブテールスロット

Claims (10)

1. ロータブレード（２４）及び該ロータブレードの半径方向の移動を減少させるのを助けるガスタービンエンジン（１０）用のロータディスク（２６）を製作するための方法であって、該ロータディスクはその中に前記ロータブレードを受ける形状にされた複数のダブテールスロット（６０）を含み、該ダブテールスロットの各々は少なくとも一対のディスク爪（１２０、１２２、１２４、１２６）により形成され、前記ロータブレードの各々は少なくとも一対のブレード爪（６６、６８、７０、７２）を含むダブテールを含んでおり、該方法は、
   ブレード圧力面（７４）を少なくとも１つのロータブレード爪上に形成する段階と、
   ディスク圧力面（１４０）を、前記ロータブレードが前記ロータディスクダブテールスロット内に取り付けられた時、該ディスク圧力面が前記ブレード圧力面に対して実質的に平行になるように、少なくとも１つのディスク爪上に形成する段階と、
   ブレードリリーフ面（８２）を少なくとも１つのブレード爪上に形成する段階と、
   ディスクリリーフ面（１４８）を、前記ロータブレードが前記ロータディスクダブテール内に取り付けられ、前記ディスク圧力面が前記ブレード圧力面に係合した時、該ディスクリリーフ面が前記ブレードリリーフ面との間のリリーフ間隙（１７０、１７２）が断面くさび形となり、該ディスクリリーフ面が前記ブレードリリーフ面に対して実質的に非平行になるように、少なくとも１つのディスク爪上に形成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. ディスクリリーフ面（１４８）を形成する前記段階は、前記少なくとも１つのディスク爪（１２４）上に複合丸み（１５６）を形成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ロータディスク（２６）は少なくとも一対のディスクフィレット（１２８、１３０）を含んでおり、ディスクリリーフ面（１４８）を形成する前記段階は、少なくとも１つのディスクフィレット上に複合丸み（１６０）を形成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. ディスクリリーフ面（１４８）を形成する前記段階は、前記ディスク圧力面（１４０）が前記ブレード圧力面（７４）に係合した時、各ディスクリリーフ面が各ブレードリリーフ面から所定の距離だけ離れるように、それぞれのディスクリリーフ面（１４８）とブレードリリーフ面（８２）との間にリリーフ間隙（１７０）を形成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. ガスタービンエンジン（１０）用のダブテール組立体（６１）であって、
   その各々が、少なくとも一対のブレード爪（６６、６８、７０、７２）を含み、該ブレード爪の少なくとも１つが一対のブレードリリーフ面（８２、８４）を含むダブテール（４４）を含む、複数のロータブレード（２４）と、
   前記ロータブレードダブテールを受ける寸法にされ、その各々が少なくとも一対の対向するディスク爪（１２０、１２２、１２４、１２６）により形成された複数のダブテールスロット（６０）を含む、ディスク（２６）と、
   を含み、
   前記ディスク爪の少なくとも１つは、一対のディスクリリーフ面（１４８、１５０）を含んでおり、前記ロータブレードリリーフ面は、前記ダブテールが前記ダブテールスロット内に取り付けられた時、該ディスクリリーフ面が前記ブレードリリーフ面との間のリリーフ間隙（１７０、１７２）が断面くさび形となり、前記ディスクリリーフ面に対して非平行である、
   ことを特徴とするダブテール組立体（６１）。
6. 前記一対のディスク爪（１２０、１２２）は、対称に対向することを特徴とする、請求項５に記載のダブテール組立体（６１）。
7. 前記ディスク爪（１２４、１２６）の少なくとも１つは、複合外側丸み（１５６、１５８）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のダブテール組立体（６１）。
8. 前記ダブテールスロット（６０）は、少なくとも一対のディスクフィレット（１２８、１３０）を更に含み、該ディスクフィレットの少なくとも１つは、複合内側丸み（１６０、１６２）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のダブテール組立体（６１）。
9. 前記ダブテール（４４）は、ブレードフィレット内側丸み（１１０、１１２、１１４、１１６）を含む少なくとも一対のブレードフィレット（１００、１０２、１０４、１０６）を更に含み、前記ディスク爪複合外側丸み（１５６、１５８）は、前記ブレードフィレット内側丸みより大きい少なくとも１つの丸み（１８４）を含むことを特徴とする、請求項８に記載のダブテール組立体（６１）。
10. 翼形部（４０）と、プラットホーム（４２）と、請求項５ないし請求項９のいずれか一項に記載のダブテール組立体（６１）とを含むことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。

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