(57)【要約】【課題】　本発明は、ガスタービンエンジンのロータディスク組立体（１０）及びブレード（５７）を冷却するために冷却空気をダブテールスロットに導く冷却空気スロットに関する。【解決手段】　冷却空気スロット（３２）が、リム（２２）をほぼ半径方向に貫通し、中心線（１６）に対して周方向に斜めにされ、かつ中心線（１６）に垂直な基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜される。例示的な実施形態では、各冷却空気スロット（３２）は、中心線（１６）に対して周方向に斜めにされた平行な側壁面（３６）と該側壁面間で延びかつ基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜された後方壁面（３８）とを有する。側壁面（３６）は、中心線（１６）に対して約５度だけ周方向に斜めにされ、また後方壁面（３８）は、基準半径（ＮＲ）に対して約１８度だけ軸方向後方に傾斜される。【選択図】　　　図１
2004092644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心線（１６）の周りを囲む環状のハブ（１４）と、
　前記ハブ（１４）から半径方向外向きに延びる環状のウェブ（１８）と、
　前記ウェブ（１８）の半径方向外側端（２４）に配置された環状のリム（２２）と、
　前記リム（２２）をほぼ軸方向に貫通する複数のダブテールスロット（３０）と、
　前記リム（２２）をほぼ半径方向に貫通する複数の冷却空気スロット（３２）と、を含み、
　前記冷却空気スロット（３２）が、前記中心線（１６）に対して周方向に斜めにされ、かつ前記中心線（１６）に垂直な基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜されている、
ことを特徴とするガスタービンエンジンのロータディスク（１２）。
【請求項２】
前記冷却空気スロット（３２）の各々が、前記中心線（１６）に対して周方向に斜めにされた平行な側壁面（３６）と、該側壁面（３６）の間で延びかつ前記中心線（１６）についての前記基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜された後方壁面（３８）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のディスク（１２）。
【請求項３】
前記リムの周りに周方向に配置されかつ該リムの前方端（６６）から半径方向内向きに延びるリムタブ（６４）を更に含み、前記冷却空気スロット（３２）が、前記リムタブ（６４）の少なくとも幾つかの間で延びていることを特徴とする、請求項２に記載のディスク（１２）。
【請求項４】
前記側壁面（３６）の各々と前記後方壁面（３８）との間に、フィレット曲率半径（ＦＲ）を有するフィレット（４２）を更に含み、
　前記後方壁面（３８）が、湾曲しかつ壁面曲率半径（ＷＲ）を有し、
　前記壁面半径（ＷＲ）が、前記冷却空気スロット（３２）の前記壁面（３６）間の幅（Ｗ）にほぼ等しい、
ことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のディスク（１２）。
【請求項５】
前記壁面曲率半径（ＷＲ）が、前記フィレット曲率半径（ＦＲ）より約４倍大きいことを特徴とする、請求項４に記載のディスク（１２）。
【請求項６】
前記側壁面（３６）が、前記中心線（１６）に対して約５度だけ周方向に斜めにされ、また前記後方壁面（３８）が、前記中心線（１６）についての前記基準半径（ＮＲ）に対して約１８度だけ軸方向後方に傾斜されていることを特徴とする、請求項２，４又は５に記載のディスク（１２）。
【請求項７】
ガスタービンエンジンのロータディスク組立体（１０）であって、
　中心線（１６）の周りを囲む環状のハブ（１４）を有するディスク（１２）と、
　前記ハブ（１４）から半径方向外向きに延びる環状のウェブ（１８）と、
　前記ウェブ（１８）の半径方向外側端（２４）に配置された環状のリム（２２）と、
　前記リム（２２）をほぼ軸方向に貫通する複数のダブテールスロット（３０）と、
　前記リム（２２）をほぼ半径方向に貫通する複数の冷却空気スロット（３２）と、を含み、
　前記冷却空気スロット（３２）が、前記中心線（１６）に対して周方向に斜めにされ、かつ前記中心線（１６）に垂直な基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜されており、
　環状のフェースプレート（４０）が、前記ウェブ（１８）の軸方向前方に配置されかつ前記組立体の半径方向に間隔を置いた半径方向内側及び外側位置（４４及び４６）において前記ディスク（１２）と係合して、前記位置の間で前記ディスクと前記プレートとの間に環状の流路（５０）を形成している、
ことを特徴とする組立体（１０）。
【請求項８】
前記外側位置において前記ディスクと前記プレートとの間にバイオネット継手（５８）を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載の組立体（１０）。
【請求項９】
前記内側位置において前記ディスクと前記プレートとの間にボルト継手（６０）を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の組立体（１０）。
【請求項１０】
前記リムの周りに周方向に配置されかつ該リム（２２）の前方端（６６）から半径方向内向きに延びるリムタブ（６４）を更に含み、
　前記冷却空気スロット（３２）が、前記リムタブ（６４）の少なくとも幾つかの間で延びており、
　プレートタブ（６８）が、前記外側位置において前記プレート（４０）から半径方向外向きに延びている、
ことを特徴とする、請求項９に記載の組立体（１０）。
【請求項１１】
前記冷却空気スロット（３２）の各々が、前記中心線（１６）に対して周方向に斜めにされた平行な側壁面（３６）と、該側壁面（３６）の間で延びかつ前記中心線（１６）についての前記基準半径（ＮＲ）に対して軸方向後方に傾斜された後方壁面（３８）とを更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の組立体（１０）。
【請求項１２】
前記側壁面（３６）の各々と前記後方壁面（３８）との間に、フィレット曲率半径（ＦＲ）を有するフィレット（４２）を更に含み、
　前記後方壁面（３８）が、湾曲しかつ壁面曲率半径（ＷＲ）を有し、
　前記壁面半径（ＷＲ）が、前記冷却空気スロット（３２）の前記壁面（３６）間の幅（Ｗ）にほぼ等しい、
ことを特徴とする、請求項１１に記載の組立体（１０）。
【請求項１３】
前記バイオネット継手（５８）が、
　前記リム（２２）の周りに周方向に配置されかつ該リム（２２）の前方端（６６）から半径方向内向きに延びるリムタブ（６４）を更に含み、
　前記冷却空気スロット（３２）が、前記リムタブ（６４）の少なくとも幾つかの間で延び、
　プレートタブ（６８）が、前記外側位置（４６）において前記プレート（４０）から半径方向外向きに延びている、
ことを特徴とする、請求項１１又１２に記載の組立体（１０）。
【請求項１４】
前記壁面曲率半径（ＷＲ）が、前記フィレット曲率半径（ＦＲ）より約４倍大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の組立体（１０）。
【請求項１５】
前記側壁面（３６）が、前記中心線（１６）に対して約５度だけ周方向に斜めにされ、また前記後方壁面（３８）が、前記中心線（１６）についての前記基準半径（ＮＲ）に対して約１８度だけ軸方向後方に傾斜されていることを特徴とする、請求項１１、１３又は１４に記載の組立体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、ブレード根元を回転タービンディスクのリム内に保持するダブテールスロットに供給される冷却空気によって、ガスタービンエンジンのタービンロータディスク及びブレードを冷却することに関し、具体的には、冷却空気をダブテールスロットに導く冷却空気スロットに関する。
【背景技術】
【０００２】
　ガスタービンエンジンにおいて、燃料が、燃焼室の内部で燃焼されて、高温の燃焼ガスを発生する。そのガスは、タービンセクションの内部で膨張し、固定ステータベーンとタービンロータブレードとの交互する列を通るガス流を生成して、利用可能な動力を発生する。一般的に、ベーン及びブレードの最初の列におけるガス流の温度は、華氏２，０００度を超える。高温のガス流による損傷を受けやすいブレード及びベーンは、エンジン内部の上流で加圧されタービン部品に対して流される空気により冷却される。ディスクのリムに取付けられたブレードを有する回転タービンディスク組立体を冷却する１つの技術では、エンジン内部の静止した空洞からの冷却空気をタービンブレードの内部に分配するようにディスク組立体に対して噴射する。冷却空気噴射ノズルは、エンジンの圧縮機から加圧空気を受けて、旋回運動を与える周方向に間隔を置いて配置された通路を通して冷却空気を噴射するのに用いられる公知の装置であり、冷却空気の噴射流を回転タービンディスク組立体に対して接線方向に向ける。典型的なタービンディスク組立体は、ディスクのリムに取付けられたタービンブレードと、ディスクの前面又は後面に取付けられて該ディスクとの間に冷却空気通路を形成するディスクサイドプレートとを有する。プレートはまた、ディスクのリムにおけるダブテールスロット内にブレードを軸方向に保持し、1つ又はそれ以上の回転シールを支持するために用いられる。これらの機能を果たすために、ディスクサイドプレートは、通常、応力場が一般的に大きいリムの外側付近又はウェブ上でディスクにより軸方向に拘束されかつ半径方向に支持される。ディスクサイドプレートが内側及び外側回転シールを支持する場合、或いはディスクサイドプレートの外側セクションが更なる半径方向の支持を必要とする場合には、軸方向の保持及び半径方向の支持のための手段が、ディスクのより低い半径方向内側位置にも必要とされる場合がある。
【０００３】
　ダブテールスロットは、周方向にリムのポスト間に配置される。冷却空気は、ポスト間又は該ポストのブレード保持フランジ間におけるリム内の半径方向に延びる冷却空気スロットを通って流れる。冷却空気スロットは、ダブテールスロットまで延びているので、冷却空気をダブテールスロット内に導き、該ダブテールスロットを通して冷却空気がタービンブレード内の冷却空気通路に受けられる。冷却空気スロットは、通常、ディスクリム内、従ってディスクのフープ応力経路内にミル加工される。この領域での応力の増大は、低サイクル疲労による部品の全寿命に著しい影響を与える。この区域に見られる高い応力集中のために、冷却空気スロットの形状は、深さ、半径、位置、及び応力場に対するその全体的な整合におけるわずかな変化に極めて敏感である。
【０００４】
　空気スロットは、一般的に直線状のスロットカットを半径方向にミル加工することにより製造される。このような冷却空気スロット設計は、フィレット面、上部及び底部ブレークアウト位置、及びダブテールスロットの底部ブレーク縁に応力ピークを有する。応力ピークをフィレット面又はブレークアウト位置に有することは、これらの位置が製造過程において測定及び制御するのが難しいので望ましくない。このことにより、僅かな製造誤差にも極めて敏感であるために結果として堅牢でない設計となる可能性がある。その上、これらの区域における高いピーク応力は、低サイクル疲労による寿命の低下を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　一部のエンジンでは、冷却空気スロットは、部品の寿命を制限する形状部分になる場合がある。例を挙げると、ＣＦＭ５６−５Ｂ型、−５Ｃ型、及び−７型エンジン機種は、ＨＰＴディスク内に幾つかの計画的な寿命制限形状を有する。このようなエンジンでは寿命制限値をおよそ２０，０００サイクル又はそれ以上に増大させるのが望ましい。耐久性が改善され、スロットの全寿命に大きな向上をもたらし、かつ低サイクル疲労に対する感受性を低下させる冷却空気スロット設計を得ることは、非常に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　ガスタービンエンジンのロータディスク組立体は、中心線の周りを囲む環状のハブを有するディスクを含む。ディスクは、ハブから半径方向外向きに延びる環状のウェブを有し、また環状のリムが、ウェブの半径方向外側端に配置される。複数のダブテールスロットが、リムをほぼ軸方向に貫通する。複数の冷却空気スロットが、リムをほぼ半径方向に貫通し、中心線に対して周方向に斜めにされ、かつ中心線に垂直な基準半径に対して軸方向後方に傾斜されている。
【０００７】
　本明細書に示した例示的な実施形態では、各冷却空気スロットは、中心線に対して周方向に斜めにされた平行な側壁面と、該側壁面の間で延びかつ中心線に垂直である基準半径に対して軸方向後方に傾斜された後方壁面とを有する。フィレットが、側壁面の各々と後方壁面との間に形成される。各フィレットは、フィレット曲率半径を有する。後方壁面は、湾曲しかつ壁面曲率半径を有する。壁面半径は、冷却空気スロットの側壁面間の幅にほぼ等しい。壁面曲率半径は、フィレット曲率半径より約4倍大きい。側壁面は、中心線に対して約５度だけ周方向に斜めにされ、また後方壁面は、中心線に垂直である基準半径に対して約１８度だけ軸方向後方に傾斜されている。
【０００８】
　軸方向にカットバックされかつ周方向に斜めにされた冷却空気スロットは、空気スロット中の応力を低下させて、低サイクル疲労を減少させかつディスクの全寿命を改善する。軸方向にカトバックされかつ周方向に斜めにされた冷却空気スロットは、応力ピークを空気スロットの後方壁面に移動させることによる製造のばらつきに対する感受性の減少により、一層堅牢な設計をもたらすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　本発明の上述の態様及び他の特徴を、添付の図面に関連してなされた以下の記述において説明する。
【００１０】
　図1及び図２に示すのは、ガスタービンエンジンのロータディスク組立体１０内のディスク１２についての例示的な実施形態である。ディスク１２は、中心線１６の周りを囲む環状のハブ１４を含む。環状のウェブ１８が、ハブ１４から半径方向外向きに延び、環状のリム２２が、ウェブの半径方向外側端２４に配置される。リム２２は、ウェブ１８を越えて軸方向後方及び前方に延びる。複数のダブテールスロット３０が、リム２２をほぼ軸方向に貫通して、該リブ間にディスクポスト２３を形成する。複数の冷却空気スロット３２が、ウェブ１８の前方でリム２２をほぼ半径方向に貫通し、図３及び図５に示すように、中心線１６に対して周方向にスキューされ（斜めにされ）、かつ図４に示すように中心線１６に垂直な基準半径ＮＲに対して軸方向後方に傾斜されている。
【００１１】
　図３、図４、及び図５に示すのは、各冷却空気スロット３２の１つの例示的な実施形態であり、該冷却空気スロット３２は、図示するように、中心線１６に対して、冷却空気スロット３２の中央線９４と中心線１６との間のスキュー角度１００だけ周方向にスキューされた（斜めにされた）平行な側壁面３６を有する。側壁面間で延びる後方壁面３８は、図示するように、中心線に垂直である基準半径ＮＲに対して、図４に示すような後方壁面３８と基準半径ＮＲとの間の傾斜角度１０２だけ軸方向後方に傾斜されている。フィレット４２が、側壁面３６の各々と後方壁面３８との間に形成される。各フィレット４２は、フィレット曲率半径ＦＲを有する。後方壁面３８は、湾曲しかつ壁面曲率半径ＷＲを有する。
【００１２】
　ここに示す例示的な実施形態では、冷却空気スロット３２及び側壁面３６は、中心線１６に対してスキュー角度１００の値である約５度だけ周方向に斜めにされており、また後方壁面３８は、中心線１６に垂直である基準半径ＮＲに対して、傾斜角度１０２の値である約１８度だけ軸方向後方に傾斜されている。壁面半径ＷＲは、冷却空気スロット３２の側壁面３６間の幅Ｗにほぼ等しい。壁面曲率半径ＷＲは、フィレット曲率半径ＦＲより約４倍大きい。
【００１３】
　再び図１及び図２を参照すると、ディスク１２は、該ディスクとウェブ１８の軸方向前方に配置された環状のフェースプレート４０とを含むガスタービンエンジンのロータディスク組立体１０に用いるように設計されている。環状のフェースプレート４０は、組立体の半径方向に間隔を置いた半径方向内側及び外側位置４４及び４６においてディスク１２と係合しかつ該ディスク１２に当接してシールして、前記２つの位置の間でディスクとフェースプレートとの間に環状の流路５０を形成する。冷却空気５４は、プレート４０内の穴５６を通って流路５０に入り、リム２２に向かって半径方向外向きに流れる。バイオネット継手５８が、外側位置４６においてプレート４０をディスク１２に固定する。プレート４０内のボルト穴６３とディスク１２の延長部６７のフランジ６５とにより示されているボルト継手６０が、内側位置４４においてプレート４０をディスク１２に固定する。
【００１４】
　バイオネット継手５８は、リム２２の周りに周方向に配置されかつ該リムの前方端６６から半径方向内向きに延びるリムタブ６４（図４も参照）を含む。冷却空気スロット３２は、リムタブ６４の少なくとも幾つかの間で延びる。プレートタブ６８は、外側位置４６においてプレート４０から半径方向外向きに延びる。組立時に、プレート４０は、プレートタブ６８をリムタブ６４と係合させた状態で旋回させられて、該プレートがディスク１２に固定される。半径方向内側及び外側シール歯状突起９０及び９２は、プレート４０の穴５６の半径方向内側及び外側の位置から半径方向外向きに延びる。
【００１５】
　冷却空気スロット３２は、冷却空気５４が環状の流路５０からダブテールスロット３０に流れるための流体通路を形成し、このダブテールスロット３０から冷却空気５４が、タービン流路６２を横切って配置されたタービンブレード５７に供給される。タービンブレード５７は、ダブテール根元５９によりダブテールスロット３０内に取付けられる。冷却空気スロット３２は、環状の流路５０からダブテールスロット３０に向かう冷却空気５４の遠心力による半径方向のポンピング作用をもたらす。冷却空気５４は、ダブテールスロット３０からブレード５７内の冷却空気通路６１を通って流れ、タービン流路６２内に排出される。冷却空気流路６１とそれを横切ってブレード５７が配置されているタービン流路６２との間の圧力差により、環状の流路５０からダブテールスロット３０への冷却空気５４の追加の流れがもたらされる。
【００１６】
　軸方向にカットバックされかつ周方向にスキューされた冷却空気スロットは、空気スロット中の応力を低下させて、低サイクル疲労を減少させかつディスクの全寿命を改善する。軸方向にカットバックされかつ周方向にスキューされた冷却空気スロットは、応力ピークを空気スロットの後方壁面に移動させることによる製造のばらつきに対する感受性の低下により、一層堅牢な設計を得ることを可能にする。また、ダブテールスロットの底部位置は、空気スロットを計測するのにより容易な位置であり、従って、寸法点検で見逃される可能性がより少ない。
【００１７】
　本発明を、例示的な方法で説明してきた。用いてきた用語は、限定するのではなく説明する語句の性質をおびたものとすることを意図していることを理解されたい。本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本発明の他の変更形態が本明細書の教示から当業者には明らかになるはずである。なお、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】
【００１８】
【図１】周方向に斜めにされかつ軸方向後方に傾斜された冷却空気スロットを備えるタービンディスクの例示的な実施形態を有するガスタービンエンジンのタービンセクションの一部分についての軸方向部分断面図。
【図２】図１に示すタービンディスクのセクタについての斜視図。
【図３】図２に示すタービンディスク部のリムの一部分についての半径方向内向きに見た斜視図。
【図４】図１に示すディスクのリムについての軸方向拡大断面図。
【図５】図３に示す冷却空気スロットの１つについての半径方向内向きに見た平面図。
【符号の説明】
【００１９】
　１０　ガスタービンエンジンのロータディスク組立体
　１２　ロータディスク
　１４　環状のハブ
　１６　中心線
　１８　ウェブ
　２２　リム
　３０　ダブテールスロット
　３２　冷却空気スロット
　４０　フェースプレート
　５０　環状の流路
　５４　冷却空気
　５６　穴
　５７　タービンブレード
　５８　バイオネット継手
　６０　ボルト継手
　６１　冷却空気通路
　６２　タービン流路
　６４　リムタブ
　６８　プレートタブ
【図１】
2004092644.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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