(57)【要約】【課題】負圧側と正圧側との間で応力集中の釣合がとれたタービンブレードを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用のタービンブレードは、プラットフォームと、プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイルと、高応力側と低応力側とを備えた非対称な根元ネック部を含んだ取付部と、を有する。タービンブレードは、ネック部からエーロフォイルが張り出した領域での歪みを発散させるように付加材料１２０と複合フィレット１２４とをさらに含む。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負圧側と正圧側との間で応力集中の釣合がとれたタービンブレードを提供する方法であって、
プラットフォームと、該プラットフォームの下にあるネック部を備えた取付部と、該プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイル部と、を備えたタービンブレードを形成する形成ステップと、
上記ネック部の低応力側へ向けてモーメントを調整する調整ステップと、
を含んだ方法。
【請求項２】
上記調整ステップは上記ネック部の低応力側から材料を除去することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記調整ステップは上記ネック部の高応力側へ材料を付加することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記調整ステップは、非対称なネック部となるように上記ネック部の低応力側から材料を除去しかつ上記ネック部の高応力側へ材料を付加することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記調整ステップは、上記ネック部の負圧側から材料を除去しかつ上記ネック部の正圧側へ材料を付加することを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記エーロフォイル部が上記ネック部から張り出した領域内で歪みを分散させる分散ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記分散ステップは上記取付部の根元部後面に付加材料を堆積するステップを含み、
上記根元部後面は第１端部において実質的に平坦な部分を有し、
上記堆積ステップは上記第１端部から離れた位置において開始する上記付加材料を付加するステップを含み、
上記付加ステップは、上記付加材料の厚さが上記第１端部から離れた位置から上記プラットフォームの面まで増大していくように上記付加材料を付加することを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記分散ステップは上記取付部の根元部の高応力側後縁上に複合フィレットを形成する形成ステップを含み、
上記形成ステップは平坦部を有したネック部エッジと上記平坦部に取り付けられた弓形移行部とを形成し、かつ、上記複合フィレットを形成するように上記移行部の端部に材料を付加することを含み、
上記形成ステップは、非対称なネック部となるように上記ネック部の低応力側から材料を除去することをさらに含んでいることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
プラットフォームと、
上記プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイルと、
高応力側と低応力側とを有した非対称な根元部ネックを含んだ取付部と、
を含んだタービンブレード。
【請求項１０】
上記高応力側は正圧側を含み、上記低応力側は負圧側を含むことを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
【請求項１１】
ピーク応力面の重心に対する制限部分より上の体積の重心についてのモーメントを上記非対称な根元部ネックの低応力側に向かって調整することを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
【請求項１２】
上記非対称な根元部ネックは上記根元部ネックの高応力側に付加された材料によって形成されることを特徴とする請求項１１に記載のタービンブレード。
【請求項１３】
上記非対称な根元部ネックは上記根元部ネックの低応力側から材料を除去することによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載のタービンブレード。
【請求項１４】
上記非対称な根元部ネックは上記根元部ネックの低応力側から材料を除去し、かつ、上記根元部ネックの高応力側に材料を付加することによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載のタービンブレード。
【請求項１５】
上記取付部は根元部前面を有し、かつ、上記根元部ネック部は上記根元部前面から延びた平坦部を備えたエッジと、上記根元部前面の端部付近に配置された弓形移行領域と、上記移行領域の端部から延びた複合フィレットと、を有していることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
【請求項１６】
上記プラットフォームは後縁を有し、かつ、上記複合フィレットは上記移行領域の上記端部から上記高応力側と上記後縁との交差点付近の位置まで延びた湾曲面を有し、かつ、上記複合フィレットの高さは、上記複合フィレットが上記プラットフォームの面と隆起リッジとに交差する点から増大することを特徴とする請求項１５に記載のタービンブレード。
【請求項１７】
上記エーロフォイルが上記ネック部から張り出した領域における歪みを発散させる手段をさらに含んだ請求項９に記載のタービンブレード。
【請求項１８】
上記取付部は根元部後面を有し、上記歪みを発生させる手段は上記根元部後面に設けられた付加材料を備え、上記歪みを発生させる手段は上記プラットフォームの高応力側の端部上に複合フィレットをさらに備え、上記根元部後面は平坦部を有し、上記付加材料は上記平坦部のエッジから離れた前縁を有し、上記前縁は弓形をなし、上記付加材料の厚さは上記前縁から上記プラットフォームの面付近の位置まで増大していくことを特徴とする請求項１７に記載のタービンブレード。
【請求項１９】
プラットフォームと、
上記プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイルと、
ネック部と高応力側とを含んだ取付部と、
上記エーロフォイルが上記ネック部から張り出した領域において歪みを発散させる手段と、を含んだタービンブレード。
【請求項２０】
上記取付部は根元部後面を有し、かつ、上記歪みを発散させる手段は上記根元部後面上に付加材料を含んでいることを特徴とする請求項１９に記載のタービンブレード。
【請求項２１】
上記根元部後面は第１端部において開始する平坦部を有し、上記付加材料は上記第１端部から離れた前縁から、上記付加材料が上記底面と交差する位置まで延び、上記付加材料の厚さは上記前縁から上記位置まで増大していくことを特徴とする請求項２０に記載のタービンブレード。
【請求項２２】
上記歪みを発散させる手段は上記取付部の高応力側後縁において複合フィレットを備え、上記複合フィレットはリッジを有し、上記複合フィレットの厚さは上記プラットフォームの底面に接続する位置から上記リッジまで増大していき、上記取付部は平坦部を有し、上記歪みを発生させる手段は上記平坦部と上記複合フィレットとの間に湾曲した移行部をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載のタービンブレード。
【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用タービンブレードの設計の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、図１を参照すると、ガスタービンエンジンに通常用いられるタービンブレード１０は、プラットフォーム１２と、プラットフォーム１２の第１側から径方向に延びたエーロフォイル１４と、プラットフォーム１２の第２側つまり下側から延びた取付部つまり根元部１６と、を含む。根元部１６は、複数のセレーション（鋸歯状の縁部）が付いたダブテール部と、ダブテール部とプラットフォーム下側との間のネック部と、を通常含む。図１に示すように、エーロフォイル１４は根元部１６の設置面から張り出す。また、一般に鋳造構造であるポケット構造１８がタービンブレード１０に形成される。取付部つまり根元部１６のネック部はポケット構造１８の直ぐ下から開始し、この領域で大きな応力が作用しこの応力は適切に処理されてなければクラックや他の潜在的な故障モードの要因となり得るという意味において、このネック部は制限的な構造を形成する。ネック部の正圧側と負圧側との間の応力集中と、タービンエーロフォイル１４上の応力と、の釣合を保つことが非常に望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
低圧タービン翼の速度及び温度が低下するとの前提にたつと、根元部１６の根元部軸方向長さは、エーロフォイル翼弦部分の軸方向長さよりも一般に短くなる。また、大半の低圧タービン翼では、取付部根元ネック長さが短い。上記のように張り出したエーロフォイルと短いネック長さによって、多くの場合、根元部で応力が集中する荷重経路が形成される。これは図２に例示されている。幾つかの場合には、上記応力は許容できないものであり、クラックの要因となり得る。この課題への典型的な解決策は、根元部軸方向長さや幅を増大し、セレーション寸法を拡大させることである。この典型的な解決策は新しいディスク形状を必要とし、重量を増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のタービンブレードはタービンブレード根元部ネックの低応力側と高応力側との間で応力集中の釣合を向上させる。
【０００５】
本発明に従えば、タービンブレードはプラットフォームと、プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイルと、高応力側と低応力側とを有した非対称な根元部ネックを備えた取付部と、ネック部からエーロフォイルが張り出した領域での歪みを発散させる手段と、を含む。
【０００６】
さらに本発明に従えば、プラットフォームと、プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイルと、根元部後面と根元部高応力側とを備えたネック部を含んだ取付部と、を備えたタービンブレードが提供される。
【０００７】
また本発明は、負圧側と正圧側との間での応力集中の釣合が取れたタービンブレードを提供する方法に関する。この方法は、プラットフォームと、プラットフォーム下にあってネック部を備えた取付部と、プラットフォームから径方向に延びたエーロフォイル部と、を形成するステップと、ネック部の低応力側へ向かうようにモーメントを調整するステップと、を含む。
【０００８】
本発明のタービンブレードに係る他の詳細は、付随する他の目的及び利点とともに、以下の詳細な説明や添付図面に記載されている。添付図面においては、同一の参照符号は同一の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで図面を参照すると、図３〜図５は本発明に係るタービンブレード１００を示す。タービンブレード１００はプラットフォーム１０２と、プラットフォーム１０２の第１側１０６から径方向に延びたエーロフォイル部１０４と、プラットフォーム１０２の第２側１１０から延びた取付部つまり根元部１０８と、を有する。プラットフォーム１０２の両側にポケット構造１１２が設けられる。このポケット構造１１２のすぐ下に、根元部１０８の一部をなすネック部１１４がある。また、根元部１０８はタービンブレード１００を、回転ディスク等の回転部材（図示せず）に接続するために用いられるタブテール部１１６を有する。根元部１０８は根元部前面１１１と根元部後面１２２とを有する。
【００１０】
図５からよく分かるように、エーロフォイル１０４は根元部１０８の設置面１１８から張り出す。ここで図５と図９との双方を参照すると、タービンブレード１００の根元部１０８の応力集中を回避するために、張り出したエーロフォイル１０４によって生じた応力や歪みはある増大した領域に亘って分散される。この増大領域のある部分は根元部後面１２２に沿った付加材料１２０によって形成される。付加材料１２０は鋳造材料でも堆積された材料でもよく、タービンブレード１００を形成する材料と同じ材料でもよく、または、タービンブレード１００を形成する材料と適合する材料であってもよい。
【００１１】
図９から分かるように、根元部後面１２２はエッジつまり面１２７から延びた平坦部分１２５を有する。付加材料１２０の前縁１２９は面１２７から離れた位置において開始する。前縁１２９は、根元部後面１２２の第１側１３３から根元部後面１２２の第２側つまり反対側１３５までの間隔を好ましくは弓状に延びる。付加材料１２０の厚みは、付加材料が前縁１２９からプラットフォーム１０２の第２側１１０を交差する位置へ進むに従って増大する。これにより、図８に示すように、根元部後面１２２がプラットフォーム１０２に接触する位置において、根元部後面１２２は湾曲した非線形の形状１３７となる。
【００１２】
さらに、必要に応じて、応力や歪みを分散させる上記増大領域には、前方の根元部前面１１１とプラットフォーム１０２の後縁１２８との間の距離の約８８％に相当する位置１３９で開始する複合フィレット１２４を含む。複合フィレット１２４は、好ましくは、プラットフォーム１０２の高応力側１２６上に配置される。一般に、高応力側１２６は、プラットフォームの正圧側である。複合フィレット１２４はタービンブレード１００を形成する材料と同じ材料から形成された鋳造構造であってもよいし、タービンブレード１００を形成する材料と同じ材料からなる堆積材料、もしくはこれと異なるが適合可能な材料からなる堆積材料であってもよい。複合フィレット１２４は必要に応じて機械加工されてもよい。
【００１３】
根元ネック部１１４は、根元部前面１１１から、根元部前面１１１から後縁１２９までの距離のほぼ中間の位置２０４まで延びた平坦もしくは実質的に平坦な部分２０２を好ましくは有する。さらに、上側のエッジ２００は位置２０４から複合フィレット１２４の開始点２０８まで延びた弓形の移行領域２０６を有する。図５や図９から分かるように、複合フィレット１２４は、上記位置１３９から、上記プラットフォームの高応力側１２６と上記プラットフォームの後縁１２８との交差点やこの交差点付近の位置まで弓形に延びる。複合フィレット１２４は三次元的であり、プラットフォーム１０２の第２側１１０の上記平坦な部分から付加材料１２０と交差する隆起リッジ２１０まで隆起する。
【００１４】
付加材料１２０と複合フィレット１２４とを付加したことにより、荷重は、より増大した領域を通して正圧側のセレーション２１２と負圧側のセレーション２１４との間に一層分散される。さらに、根元ネック部１１４は、根元部１０８の後方に向かって根元部厚さが増大するように軸方向にテーパが付いている。これにより、ネック部１１４の中央での剛性の減少が促進される。
【００１５】
タービンブレード１００は、プラットフォーム１０２の直ぐ下にあるネック部１１４の最上の部分である最大応力寿命制限部分１３０を有する。張り出したエーロフォイル１０４によって生じた応力集中は、上記制限部分１３０における低応力側１３２（通常、負圧側）と高応力側１３４（通常、正圧側）との間で釣合が保たれる。
【００１６】
本発明に従えば、応力荷重は、制限部分１３０より上のタービンブレード１００の部分の体積を調整せずに、ピーク応力面の重心ＣＧ１４２に対する制限部分より上の体積の重心（ＣＧ）１４０についてのモーメントを調整することで再度分配される。これは、制限部分の上にあるタービンブレード部分の体積によって生じたモーメントに影響を及ぼす上記面の重心ＣＧ１４２を調整することで達成される。上記モーメントを低応力側へ増大させることで、高応力側つまりピーク応力側での応力が著しく低下する。
【００１７】
ピーク応力側上の応力を上記の如く所望に低下させることは、制限部分１３０の低応力側（負圧側）１４４から材料を除去したり、高応力側（正圧側）１４６に材料を付加したりすることで達成され得る。このことは図８に示されており、これにより、ネック部１１４が非線形となる。上記面の重心ＣＧ１４２及び制限部分より上の体積の重心ＣＧ１４０の位置の変化は、図６及び図７に示されている。図７における体積の重心ＣＧ１４０と面の重心ＣＧ１４２との間の距離Ｄ２は、図６における体積の重心ＣＧ１４０と面の重心ＣＧ１４２との間の距離Ｄ１よりも大きい。これは、低応力側１４４へのモーメントの増大を示している。
【００１８】
本発明のある態様においては、約０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）厚さの材料が、上記側１４４の１つもしくは複数の害のない応力領域から除去されてもよい。さらに、０．０２０インチ（約０．５０８ｍｍ）増の厚さを付与する付加材料を高応力側つまり正圧側１４６に設けてもよい。付加材料は、タービンブレード１００を形成する材料と同一の材料あるいはこれと適合する材料からなってもよく、また、複合フィレット１２４及び、上記平坦もしくは実質的に平坦な部分２０２から複合フィレット１２４までの移行領域２０６の形をなしてもよい。前述したように、この付加材料は鋳造材料でもよいし、タービンブレード１００が形成された後に堆積されてもよい。
【００１９】
本発明を実施するにあたり、低応力側つまり負圧側１４４からの材料の除去は、エーロフォイル部１０４上の全体的な応力（Ｐ（力）／Ａ（面積））との釣合を保つべきである。さらに、一方の側のピーク応力を低下させるように曲げモーメントを他方に向かってさらに移動させるのが好ましい。
【００２０】
前述のように改良したネック部１１４の非対称の特徴は図８に示されている。本発明の非対称ネック部１１４はブローチ角の付いたブレードにおいて著しく効果的である。
【００２１】
図１０は従来のタービンブレードの正圧側の特に正圧側鋳造ポケット３００位置での応力を示す。図１１は本発明によって生じた低下応力を示す。図１１から分かるように、正圧側鋳造ポケット３００位置での応力は４２％低下している。正圧側の機械加工されたフィレット３０２での応力は３１％低下している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のタービンブレードの底面図である。
【図２】タービンブレードの根元部内の応力が集中する従来のタービンブレード内の荷重経路を示す図である。
【図３】本発明に係るタービンブレードの側面図である。
【図４】図３のタービンブレードの取付部の拡大図である。
【図５】本発明に係るタービンブレードの底面図である。
【図６】図１の従来のタービンブレードの制限部分の断面図である。
【図７】線７−７で破断した図３のタービンブレードの制限部分の断面図である。
【図８】本発明に係る非対称な根元ネック部を提供する技術を示す制限部分の断面図である。
【図９】本発明に係る根元ネック部において応力を分散する仕組みを示す本発明に係るタービンブレードの斜視図である。
【図１０】従来のタービンブレード上に作用する応力を示す図である。
【図１１】本発明に係るタービンブレード上に作用する応力を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１２０…付加材料
１２２…根元部後面
１２４…複合フィレット
１２５…平坦部分
１２６…高応力側
１２７…面
１２９…前縁
１３３…第１側
１３５…第２側
２１２…正圧側セレーション
２１４…負圧側セレーション
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007040296.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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