(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）一体に形成され、半径方向の外側に延伸して外側の端部で終端するウェブを有する、中央に配置されたディスクハブ（２１）を含み；
（ｂ）前記ディスクハブ（２１）が、エンジンの動作に際して温度勾配が増大することによって軸方向応力が増大する、半径方向に変位した環状のハブ表面（２２）を有し、
前記ハブ表面（２２）が、半径方向に変位した環状のハブ表面部と、前記ディスクの回転軸と平行な環状の円筒状表面部との双方を含み、
前記半径方向に変位した環状のハブ表面部が、前記ハブ表面（２２）の全部の軸方向の範囲の少なくとも３分の１を含んでいる、前記ディスクハブ（２１）の前側に形成された面取り部（２３）を含み、
前記半径方向に変位した環状のハブ表面（２２）が、前記ディスクハブ（２１）内の望ましくない軸方向応力の形成を緩和する軸方向の自由表面として作用する、ガスタービンエンジン用ディスク。
【請求項２】
前記面取り部（２３）の傾斜角度が、前記ハブ表面（２２）の面取りをしていない部分に対し、０度より大きく５０度より小さい範囲内にある、請求項１に記載のガスタービンエンジン用ディスク。
【請求項３】
前記面取り部（２３）が、Ｒをつけられた前部と後部の移行部を備える、請求項１又は２に記載のガスタービンエンジン用ディスク。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン用ディスクを有する、ガスタービンエンジン。
【請求項５】
（ａ）ガスタービンディスクハブ（２１）内の応力勾配を決定し、最大軸方向応力の領域を決定するステップと；
（ｂ）前記ディスクハブ（２１）上の最大軸方向応力の領域を前記ディスクハブ（２１）の幾何学的な中心部分と径方向に整列する位置の外にシフトして、それにより前記ディスクハブ（２１）上の前記軸方向応力の大きさを削減するために、前記ディスクハブ（２１）の幾何学的な中心の内部温度が最低の部分に対する前記軸方向応力の領域を軸方向に変位する、半径方向に変位し軸方向に延伸する環状の表面部を前記ディスクハブ（２１）のディスクハブ表面に形成するステップと
を含み、
前記半径方向に変位し軸方向に延伸する環状の表面部を前記ディスクハブ（２１）のディスクハブ表面に形成する前記ステップ（ｂ）は、
前記ディスクハブ（２１）の前側に、前記ディスクハブ表面の全部の軸方向の範囲の少なくとも３分の１を含んでいる面取り部（２３）を形成することを含む、ガスタービン用ディスクのディスクハブ（２１）における軸方向応力を削減する方法。
【請求項６】
前記面取り部（２３）の傾斜角度を、前記ハブ表面（２２）の面取りをしていない部分に対し、０度より大きく５０度より小さい範囲内とすることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記面取り部（２３）の前部と後部に、Ｒをつけられた移行部を形成することを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンエンジンに関し、特に、航空機のエンジンのガスタービン用ディスクハブにおける軸方向応力の削減に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願において、特に航空機のエンジンのガスタービン用ディスクハブの高圧タービン（「ＨＰＴ」）に関して、発明が開示され説明される。離陸に際してのＨＰＴディスクハブにおける深刻な温度勾配は、ハブ表面の中心における軸方向の高い圧縮応力に帰結することがある。この高い軸方向応力により、部品寿命の計算値がエンジンのプログラム要求値をかなり下回ることに帰結することがある。従来技術の解決方法は、温度勾配および／またはディスクリムの負荷を大きく削減し、またはハブのサイズを大きく増加させることを含んでいた。これらの解決方法は、エンジンの性能には悪影響を及ぼす。
【０００３】
特に、軸方向応力を削減する現在の対策は、ディスクハブの適切な寿命を得るために、ディスクリムの負荷、ハブのサイズまたはアイドルハブのフローを調整することを含む。このディスクリムの負荷の調整方法は、間接的である。ディスクにおけるフープ応力を削減するために、ブレードの重量は、ハブの高い軸方向応力にその部品寿命の要求が合致する点まで削減されている。この方法は、ブレードの寿命と性能の関係に対して悪影響を及ぼす。ハブのサイズの調整は、同様に間接的である。この対策はまた、フープ応力を削減し、受容しうる寿命を備えるディスクが大きな軸方向応力に適応するようになる。こ方法は、ディスクの重量と熱的な性能への衝撃に対して悪影響を及ぼす。エンジンのアイドルハブフローを増加させることは、離陸に先立ってディスクを暖めることにより、ハブへの軸方向応力を直接削減する。次にこれは、高い軸方向応力の原因となる温度勾配を削減する。しかしながら高いハブフローは、システムの性能との関係で、悪影響を及ぼす。
【特許文献１】米国特許第５，６３０，７０３号公報
【特許文献２】米国特許第５，２７５，５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願において開示され請求される発明は、この問題に新しい方法で対処し、それにより、従来技術の解決方法が受けた不利なトレードオフを伴うことなく、ＨＰＴディスクハブの軸方向応力を削減する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に従えば、ＨＰＴディスクハブにおける高い軸方向応力を緩和するための幾何学的な特徴がディスクハブに導入される。
【０００６】
本発明の他の態様に従えば、ディスクハブの内径に面取り部が形成される。
【０００７】
本発明の他の態様に従えば、ハブの表面に半径方向の溝が形成される。
【０００８】
本発明のさらに別の態様に従えば、軸方向応力の等位線に平行な線に沿って、ハブの材料が取り除かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
従来技術の典型的なディスクハブが参照番号１で図１に示され、ハブ表面２を含む。応力勾配線７−３は、ハブ表面２に向かって徐々により高い応力を示す。ハブ表面２の材料が高温化し、熱的に膨張するにつれて、これは発生する。ディスクハブ１の内部の材料は、ハブ１の表面２に近接し、より高温の材料の熱膨張を抑制する応力が削減された、相対的に低温の内部領域８により示されるように、より低温である。示されているように、応力は中心部において最高になり、膨張を可能にする軸方向の自由表面に起因して、その反対の端部で消失する。以下に記述されるように、ハブの中心から軸方向の自由表面までの距離を削減することは、軸方向中心部の応力の大きさを削減するために示されている。
【００１０】
図２は、航空機用高バイパス比ガスタービンエンジンのＨＰＴ部１０の一部分を示している。ＨＰＴ部１０は、それぞれのハブ２１、２４から外部に延伸するそれぞれのウェブ１８、２０を有する、第１段と第２段のディスク１４、１６を含む。第１段のディスクハブ２１は、以下により詳細に記述されるように、ハブ表面と面取り部２３を含む。ダブテールスロット２６、２８が、ウェブ１８、２０の外端上にそれぞれ形成されている。
【００１１】
第１段のディスク１４は、ウェブ１８と一体化された前部シャフト３０を含む。第１段のディスク１４のハブ２１は、ベアリング４４に圧入で係合された、後方に延伸する後部シャフト４２を含む。後部シャフト４２は、冷却空気が段間空間４８に入れるようにする複数の開口４６を含む。段間シール５０は、第１段のディスク１４と第２段のディスク１６との間に配置され、外部シェル５２と、ハブ５６を有する中央ディスク５４を含む。シェル５２は一般的に、シール歯６４を保持し、それぞれのディスク１４、１６に取り付けられた中央部６２から延伸し、前方と後方に延伸する曲線アーム５８、６０を備える円筒である。
【００１２】
ここで図３を参照すると、ディスクハブ２１の表面２２は、ハブ表面２２の前方端に、半径方向に変位する面取り部２３を備えている。これは、面取り部２３の自由表面、即ち「隅」をハブ２１の最も冷たい部分の直下に配置し、それにより軸方向応力を中心の外れた位置で最大にさせ、それによりその大きさを削減する。これは図３に示されており、「Ｘ」で示される最大応力の領域が、前方の中心を外れた位置にシフトされている。
【００１３】
面取り部の最適な形状、角度、サイズおよび寸法は、純粋に解析的な方法によるよりもむしろ、設計変更を実施して、結果の応力を観察するためのコンピュータ解析を通して、その変更の効果を検討することにより、経験的に決定される。この設計工程は、軸方向応力の削減と、それに伴うディスクハブ２１の断面積の低下に起因するフープ応力の増加とのバランスをとるために適用される。
【００１４】
好ましい変形態様では、面取り部２３が、最大の軸方向引っ張り応力の中心と同じ軸方向位置で、ハブ表面２２の面取りをしていない部分と交差する。面取り部２３は好ましくは、示されているように、Ｒがつけられた前部と後部の移行部を備える平面であり、約０度から５０度の間である。
【００１５】
ゼネラル・エレクトリック社のある特定のガスタービンエンジンの従来技術のディスクハブが、１１，０００回の低温始動サイクルで評価されている。図示され、以上に記述された面取り部がコンピュータシミュレーションに導入され、このエンジンがプログラム寿命の要求に合致することを可能にする、１５，３００回の低温始動サイクルへの改善に帰結した。
【００１６】
同様の改善が、種々の技術において取得される。図４に示されるように、ディスク７０は、一体に形成されたウェブ７２と、ハブ表面７６を備えるディスクハブ７４を含む。ディスク７０は、一体に形成された前部シャフト７８と、後方に延伸する後部シャフト８０を含む。ハブ表面７６は半径方向の溝８２、８４を備え、その形状は９つの図示された変数により定義される。ハブ７４内に、最小の応力を実現するための適宜の設計スペースを決定するために、熱構造的ＤＯＥが使用される。平均フープ応力、バーストマージンおよび選択されたリム応力は、考慮されなければならない他の変数である。溝８２、８４は、ハブ表面７６で軸方向応力経路を効果的に遮断する。図３に示される面取りされたハブ表面２２と比較して、所定量の応力の削減のために、ハブ７４からいくらか少量の材料が取り除かれ、それによりディスクの断面積の削減に由来するディスクフープ応力の増加を最小化する。
【００１７】
他の代替案が図５に示され、それではディスク９０は、一体に形成されたウェブ９２と、ハブ表面９６を備えるディスクハブ９４を含む。ディスク９０は、一体に形成された前部シャフト９８と後方に延伸する後部シャフト１００を含む。ハブ表面９６は、凹形の環状の窪みを備え、その形状は、変数Ａ、Ｒ１およびＲ２により定義されている。ハブ９４内に、最小の応力を実現するための適切な設計スペースを決定するために、熱構造的ＤＯＥが使用される。ディスク温度に対するインパクトが適度である一方で、この設計は、ハブ９４内部の温度勾配を減少することにより、顕著に軸方向応力を削減する。
【００１８】
ここで図６を参照すると、さらに変形された設計が図示されている。ディスク１１０は、一体に形成されたウェブ１１２と、ハブ表面１１６を備えるディスクハブ１１４を含む。ディスク１１０は、一体に形成された前部シャフト１１８と、後方に延伸する後部シャフト１２０を含む。ハブ表面１６６は、凹形の環状の窪みを備え、その形状は、基本的に図５と同様に変数により定義されている。ハブ１１４内に、最小の応力を実現するための適切な設計スペースを決定するために、熱構造的ＤＯＥが使用される。ディスク温度に対するインパクトが適度である一方で、この設計は、温度勾配がハブ１１４内部のその上に形成される距離を増加することにより、顕著に軸方向応力を削減する。この設計は、平面の軸の円筒表面以外の任意の表面が、ピークの軸方向応力の削減を達成する原理を示している。この目的は、他の望ましくない条件の補償の変動を最小化しつつ、ピークの軸方向応力を削減することである。例えば、ハブ表面内の円筒の溝はピークの軸方向応力を削減するが、同時にディスクの動作寿命には極めて有害な非常に高い応力点を尖った隅に導入する。以上のことから明白であるように、ディスクハブ表面の半径方向に変位した部分は、例えば図２、図３のように平面であってもよく、または例えば図４−図６のように平面ではなくてもよく、因子を決定する原理は、ＤＯＥの調査により達成される結果、およびディスクハブ表面の半径方向に変位した部分が、軸方向応力、フープ応力、バーストマージンとリム応力に及ぼす効果である。
【００１９】
軸方向応力が削減されたディスクハブ、およびディスクハブの軸方向応力を削減する方法が、以上に開示された。本発明の種々の詳細が、本発明の範囲を逸脱することなく変更されてもよい。さらに、本発明の好ましい態様と本発明を実施するための最良の実施形態の上記の記述は、限定の目的ではなく単なる例としての目的で提供され、本発明は、請求項により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術のＨＰＴディスクハブの設計に従う、軸方向の温度勾配を示したＨＰＴディスクハブの部分縦断面図である。
【図２】ガスタービンエンジンのＨＰＴ部の長さ方向に沿った断片の断面図である。
【図３】本発明の一態様に従った、ＨＰＴディスクハブ設計に従う、軸方向の温度勾配を示したＨＰＴディスクハブの部分縦断面図である。
【図４】本発明の他の態様に従う、ＨＰＴディスクハブの部分縦断面図である。
【図５】本発明の一態様に従う、ＨＰＴディスクハブの部分縦断面図である。
【図６】本発明の一態様に従う、ＨＰＴディスクハブの部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  ディスクハブ
２  ハブ表面
８  低温の内部領域
１０  ＨＰＴ部
１４  第１段ディスク
１６  第２段ディスク
１８  各ウェブ
２０  各ウェブ
２１  第１段ディスクハブ
２３  面取り部
２４  ハブ
２６  ダブテールスロット
２８  ダブテールスロット
３０  前部シャフト
４２  後部シャフト
４４  ベアリング
４６  開口
４８  段間空間
５０  段間シール
５２  外部シェル
５４  中央ディスク
５６  ハブ
５８  曲線アーム
６０  曲線アーム
６２  中央部
６４  シール歯
７０  ディスク
７２  ウェブ
７４  ディスクハブ
７６  ハブ表面
７８  前部シャフト
８０  後部シャフト
８２  半径方向の溝
８４  半径方向の溝
９０  ディスク
９２  ウェブ
９４  ディスクハブ
９６  ハブ表面
９８  前部シャフト
１００  後部シャフト
１１０  ディスク
１１２  ウェブ
１１４  ディスクハブ
１１６  ハブ表面
１１８  前部シャフト
１２０  後部シャフト
１６６  ハブ表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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