(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも１０°である角度θを形成する方向Ｄで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Ｄで該スロットの一方側に位置する第１のラグ上に距離Ｍだけ延在する径方向内側に面する第１のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Ｄで該スロットの他方側に位置する第２のラグ上に距離Ｎだけ延在する径方向内側に面する第２のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Ｄで長さＬを有しており、
エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Ｄに距離Ｍだけ延在する径方向外側に面する第１の根部負荷反作用面と、方向Ｄに距離Ｎだけ延在する径方向外側に面する第２の根部負荷反作用面と、を有し、前記第１の根部負荷反作用面は、距離Ｍにわたって前記第１のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第２の根部負荷反作用面は、距離Ｎにわたって前記第２のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さＬは、距離Ｍおよび距離Ｎの少なくとも一方よりも長く、
前記ブレード根部は、前記方向Ｄに垂直で、かつそれぞれ反対方向に面する端面を備えていることを特徴とするロータアセンブリ。
【請求項２】
距離Ｍと距離Ｎは等しいことを特徴とする請求項１記載のロータアセンブリ。
【請求項３】
前記スロットの長さＬは、距離Ｍおよび距離Ｎの両方の距離よりも長いことを特徴とする請求項１記載のロータアセンブリ。
【請求項４】
前記ブレード根部のそれぞれの端面は、少なくとも前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって径方向の線と実質的に平行な平面部分を含み、前記平面部分は、互いに平行であるとともに距離Ｐだけ離間されており、距離Ｐは、前記ブレードスロットの長さＬよりも短いことを特徴とする請求項２記載のロータアセンブリ。
【請求項５】
距離Ｐ、距離Ｍ、距離Ｎは、実質的に等しいことを特徴とする請求項４記載のロータアセンブリ。
【請求項６】
回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも１０°である角度θを形成する方向Ｄで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Ｄで該スロットの一方側に位置する第１のラグ上に距離Ｍだけ延在する径方向内側に面する第１のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Ｄで該スロットの他方側に位置する第２のラグ上に距離Ｎだけ延在する径方向内側に面する第２のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Ｄで長さＬを有しており、
エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Ｄに距離Ｍだけ延在する径方向外側に面する第１の根部負荷反作用面と、方向Ｄに距離Ｎだけ延在する径方向外側に面する第２の根部負荷反作用面と、を有し、前記第１の根部負荷反作用面は、距離Ｍにわたって前記第１のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第２の根部負荷反作用面は、距離Ｎにわたって前記第２のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さＬは、距離Ｍおよび距離Ｎの少なくとも一方よりも長く、
前記ブレード根部の少なくとも１つの端面は、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって反対向きの前記前面または前記後面の一方と実質的に同一平面上にあり、前記根部負荷反作用面の少なくとも１つは、方向Ｄで前記少なくとも１つの端面までの延長部を含み、前記スロットは、前記根部負荷反作用面の延長部から離間されて間に間隙が残されることを特徴とするロータアセンブリ。
【請求項７】
回転軸と、反対向きの前面および後面と、リムと、前記回転軸と少なくとも１０°である角度θを形成する方向Ｄで前記前面から前記後面まで前記リムを通って延びるとともに周方向に離間された複数のブレード保持スロットと、を備えるディスクを含み、隣接するスロットの対は、それぞれ間にディスクラグを定めており、前記各スロットは、前記前面から方向Ｄで該スロットの一方側に位置する第１のラグ上に距離Ｍだけ延在する径方向内側に面する第１のスロット負荷反作用面と、前記後面から方向Ｄで該スロットの他方側に位置する第２のラグ上に距離Ｎだけ延在する径方向内側に面する第２のスロット負荷反作用面と、を有するとともに、前記前面から前記後面まで方向Ｄで長さＬを有しており、
エアフォイルと該エアフォイルと一体の根部をそれぞれ備える複数のブレードを有し、前記根部は、前記スロットのうちの対応するスロット内に配置されるとともに、方向Ｄに距離Ｍだけ延在する径方向外側に面する第１の根部負荷反作用面と、方向Ｄに距離Ｎだけ延在する径方向外側に面する第２の根部負荷反作用面と、を有し、前記第１の根部負荷反作用面は、距離Ｍにわたって前記第１のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記第２の根部負荷反作用面は、距離Ｎにわたって前記第２のスロット負荷反作用面と接触するように設けられており、前記スロットの長さＬは、距離Ｍおよび距離Ｎの少なくとも一方よりも長く、
前記根部の端面の一方が、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって前記前面と実質的に同一平面上にあり、前記根部の端面の他方が、前記根部負荷反作用面の径方向範囲にわたって前記後面と実質的に同一平面上にあり、前記根部負荷反作用面は、方向Ｄで対応する前記根部の端面までの延長部を含み、前記スロットは、前記根部負荷反作用面の各延長部から離間されて間にそれぞれ間隙が残されることを特徴とするロータアセンブリ。
【請求項８】
距離Ｍと距離Ｎは、等しいことを特徴とする請求項７記載のロータアセンブリ。
【請求項９】
前記根部は、ダブテール形の根部であることを特徴とする請求項７記載のロータアセンブリ。
【請求項１０】
前記根部は、ダブテール形の根部であることを特徴とする請求項１記載のロータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレードを備えるロータアセンブリに関し、特に、ガスタービンエンジン用のブレードを備えるロータアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブレードを備えるロータアセンブリは、ガスタービンエンジンの圧縮機やタービン用のものなどが当該技術分野で周知である。このようなアセンブリでは、各ブレードが、ブレードの最も径方向内側の端部と一体となった根部によってロータディスクに取り付けられている。根部は、対応するブレード根部スロット内にぴったりとはまり、このスロットは、ディスクのリムを通ってほぼ軸方向に延びているが、ディスク軸の真の方向に対してある角度を有している。隣接する一対のスロット間に周方向に設けられたディスク材料は、しばしばディスクラグと呼ばれる。ブレード根部は、径方向外側に面する反作用面を含み、これが対応するブレード根部スロットの径方向内側に面する反作用面と接触する。ロータの動作中に、これらの接触面を通してディスクおよびディスクラグにブレード負荷が伝達される。典型的には、ブレード根部は、ディスクの前面から後面まで延在し、接触する負荷反作用面も、ディスクの前面から後面まで（すなわちスロットの全長にわたって）延在する。これは、ブレードを備えるディスクで、従来設計のタブテール形状の根部およびスロットやもみの木形状の根部およびスロットを有するものに当てはまる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
部材寿命を延長するためには、一般に、ディスクおよびブレード内の応力をできる限り低く保つことが望ましい。また、飛行のために設計されたガスタービンエンジンでは、効率的な動作、長い寿命、および安全性を得るために、ディスクやブレードなどの部材の重量を最小化することも望ましい。より軽量なブレードによって、発生する遠心力が比較的小さくなるので、ディスク内の応力も減少させることができる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ブレードを備えるロータディスクアセンブリは、複数の周方向に離間されたブレード根部スロットを含み、これらのスロットは、ディスクの軸方向に対してある角度でディスクを通って延びるとともに、スロットの全長よりも短い距離にわたって、スロット内に配置されたブレード根部の径方向外側に面する対応する負荷反作用面と接触して連続的に延びる径方向内側に面する負荷反作用面を有する。
【０００５】
“負荷反作用面”とは、ロータの動作中にブレードからディスクに負荷を伝達するように互いに接触または係合するブレード根部およびブレード根部スロットの面である。これらの面は、接触時に“負荷伝達境界面”を形成する。
【０００６】
より詳細には、本発明では、従来技術におけるブレード根部スロットの端部の近傍の負荷伝達境界面部分を除去し、残る負荷伝達境界面にわたる負荷によって、ディスクラグにかかるトルク負荷の減少につながるより対称的な負荷分布、ディスクラグやブレード根部にかかる全負荷の減少、およびディスクラグおよびブレード根部内の最大応力レベルの減少のうちの１つまたはそれ以上の利点が得られる。
【０００７】
これらの利点が得られる１つの理由は、従来の根部およびスロット設計では、ブレード根部の一方側の負荷反作用面がスロットの全長にわたって延在すると、スロットのこの側において、最大でかつ最も集中した反作用負荷がスロットの一方の端部に隣接して生じるとともに、スロットの同じ側において、比較的低くかつ比較的集中していない（すなわちより均一な）反作用負荷がスロットの他方の端部に隣接して生じる。従って、反作用負荷がより低く、かつより均一なスロット端部では、負荷伝達境界面１平方インチ当たりのディスクラグ材料がブレード負荷の比較的小さい部分を支持しており、高反作用負荷端部では、負荷伝達境界面１平方インチ当たりのディスクラグ材料がブレード負荷の比較的大きい部分を支持している。スロットの両側の負荷が低い端部における負荷伝達境界面領域を除去することによって、スロットの両側における残りの負荷伝達境界面にわたる反作用負荷がより均一になるとともに最大応力が減少する。
【０００８】
本発明の１つの実施例では、スロット端部に隣接し、かつ一般に根部反作用面の低負荷部分に面するスロットの両側の小さな領域が、該領域にわたって根部とスロットとの間に間隙が形成されるように上記低負荷領域から離間されている。他の全ての面では、ブレードおよびディスクアセンブリは、従来と同様であると見なすことができる。根部の両側における小さくなった負荷伝達境界面にわたる反作用負荷は、間隙がない場合よりも均一となるとともにディスクラグ内の最大応力が減少する。
【０００９】
本発明の他の実施例では、通常ディスクラグに比較的低い負荷を伝達する従来のブレード根部の端部が除去され、ブレード根部の両側におけるより小さい負荷伝達境界面の残りの長さに沿って反作用負荷がより均一になることに加えて、ブレード重量の減少という利点が提供される。これにより、ディスクラグにかかる全反作用負荷、応力、および／またはトルクを減少させることができる。トルク負荷の減少は、ブレードラグの捻れが小さくなることを意味し、これに応じてブレードの捻れも小さくなる。
【００１０】
本発明の上述の特徴および利点は、例示的な実施例に関する以下の詳細な説明および添付図面によってより明らかとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１，２を参照すると、本発明の例示的な実施例を含むガスタービンエンジンのロータアセンブリ１００は、ロータディスク１０２と複数のロータブレード１０４を含むが、図では１つのロータブレード１０４だけが示されている。各ブレード１０４は、根部１０６、プラットフォーム１０８、およびエアフォイル１１０を備える。ディスク１０２は、回転軸１１１、後面１１２、前面１１４、およびリム１１６を備える。複数のブレード根部スロット１１８が方向Ｄ（図３参照）で後面１１２から前面１１４に延びている。隣接する対となったスロット１１８は、それぞれ間にディスクラグ１２０を定める。各ブレード１０４の根部１０６は、対応する１つのスロット１１８内に配置される。
【００１２】
図３を参照すると、各スロット１１８は、ディスク軸１１１の方向に対して鋭角θの方向Ｄに延びている。この角度は、一般に約１０°〜３０°であり、この例では、θは２４°である。図４で最もよく示されているように、ブレード根部１０６は、周知の“ダブテール”形状であるが、本発明はダブテール形根部を備えるブレードに限定されるものではない。各ブレードの根部１０６は、平らでかつ径方向外側に面した一対の負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂを有し、これらの負荷反作用面は、根部１０６の両側にそれぞれ１つずつ延びている。面１２２Ａ，１２２Ｂは、平らでかつ径方向内側に面した対応するスロット負荷反作用面１２４Ａ，１２４Ｂとそれぞれ接触する。これらの対となった接触面によって形成される境界面は、ロータの動作中にこれらの境界面にわたってブレード負荷がディスクラグに伝達されるので、以下で負荷伝達境界面と呼ぶ。
【００１３】
従来技術では、ブレードの根部、ディスクスロット、および負荷伝達境界面は、同一の長さであり、この長さは、通常スロットの方向Ｄで測定されたスロットの全長Ｌ（図３参照）である。本発明では、ブレード根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂの少なくとも１つ、好ましくは両方は、スロット１１８の長さよりも短い。これは、図３に最もよく示されており、ブレード根部１０６は、完全にスロット１１８内に位置している一方で、スロットの方向Ｄに垂直でかつ反対向きの端面１２６，１２８を有している。従って、図５，６に最もよく示されているように、クロスハッチングされた負荷伝達境界面１３０Ａ，１３０Ｂは、ブレード根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂの長さに対応する長さＭ，Ｎをそれぞれ有する。図７は、ブレード１０４を径方向外側から見た図であり、ブレードプラットフォーム１０８およびディスクの前面と後面１１４，１１２に対するブレード根部１０６の向きおよび位置を示している。
【００１４】
従来技術に対する本発明の特定の利点を理解するために、図３，図５，図６も参照されたい。本発明では、根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂは、それぞれ点Ｙと点Ｚ1の間、点Ｗと点Ｘ1の間でスロット負荷反作用面１２４Ａ，１２４Ｂとそれぞれ接触する。説明のために、従来技術のロータアセンブリで一般的であるように、根部負荷反作用面の径方向範囲（すなわち図４においてＲ1からＲ2）にわたって根部端面１２６，１２８がディスクの前面と後面１１２，１１４と同一平面内に実質的に位置するように、ブレード根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂとスロット負荷反作用面１２４Ａ，１２４Ｂがスロット１１８の全長にわたって延びている（すなわち角度αは、図３ではθと等しいが、この角度αが０°である）と仮定する。この場合には、ブレード負荷は、スロットの全長Ｌ、つまり一方側では点Ｘ2から点Ｗ、そして他方側では点Ｚ2から点Ｙにわたってディスクラグに伝達される。このような従来技術の構成におけるそれぞれのブレード根部とスロットの反作用面の長さＬに沿った反作用負荷の大きさは、曲線１３２，１３４によって表されており、これらの曲線は、上述の構成のコンピュータモデルによって生成されたものである。図３の曲線１３６，１３８は、（図１に全体として示した）本発明に従って改良された同じロータアセンブリのコンピュータモデルによって生成されたものであり、ブレード根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂの全長、つまり長さＭ（点Ｘ1から点Ｗ）および長さＮ（点Ｚ1から点Ｙ）に沿った反作用負荷の大きさを表している。曲線１３２，１３６から線Ｘ2−Ｗまでの垂直距離と、曲線１３４，１３８から線Ｚ2−Ｙまでの垂直距離は、反作用負荷の大きさを示している。
【００１５】
従来技術の曲線１３２，１３４と本発明の曲線１３６，１３８とを比べると、従来技術のロータアセンブリ形状では、スロットの各側の長さに沿った負荷は、スロットの一方の端部で大きく、次第に減少して他方の端部で比較的低くなっている。これに反して、本発明のロータアセンブリ形状では、ブレード根部１０６の長さにわたって負荷がより均一であり、ブレード根部１０６の各端部１２６，１２８の近傍で負荷が高くなっているとともに端部間で負荷が比較的低くなっていることが曲線によって示されている。さらに、スロット１１８の各側における最大反作用負荷が、本発明のロータアセンブリにおいて相対的に低い。また、コンピュータモデリングにより、本発明のロータアセンブリにおけるディスクラグ１２０内の最大応力集中が、従来技術に比べて低いことが示されている。
【００１６】
上述の実施例における主な利点は、ブレード根部１０６の長さを減少させることによって得られるブレード重量の減少である。これにより、ディスクラグ１２０にかかる全負荷および対応する応力レベルが減少し、また、根部１０６の長さにわたる負荷がより均一になることによって応力集中がさらに減少する。一見したところでは、負荷反作用表面積の減少によって、このような利点が打ち消されるように思えるが、スロット１１８端部の近傍における（図５，図６におけるクロスハッチングされていない部分である）従来の反作用面の除去部分は、スロット１１８の全長にわたる単位表面積当たりの平均負荷に対して、単位表面積当たり全負荷の比較的小さい部分のみを支持していたので、負荷反作用表面積の減少は特に悪影響を及ぼすものではない。
【００１７】
上述の実施例では、ブレード根部端面１２６，１２８は、ブレード根部負荷反作用面１２２Ａ，１２２Ｂに垂直であるが、これは必要条件ではない。しかし、対称性を保つためにブレード根部端面１２６，１２８が互いに平行であることが好ましい。従って、（図３に示すように）ブレード根部１０６が、（方向Ｄで）スロット長さＬよりも短い長さを有する平行四辺形の断面形状を有する場合に、ブレード重量の減少によって従来技術に対して利点を有し得る。角度αは、好ましくは０°〜θの間である。ブレード根部端面１２６，１２８は、平行であることが好ましいが、必ずしも平行である必要がない。つまり、長さＭ，Ｎは、等しくなくてもよいが、これらの少なくとも一方が長さＬよりも短くなくてはならない。
【００１８】
図８，図９，図１０には、本発明の他の実施例が示されている。ロータアセンブリ２００は、ディスク２０２と複数のブレード２０４を含むが、ここでは１つのブレードのみを示している。ディスク軸には、参照番号２１１が付されている。ディスク２０２は、そのリム２１６に近接して平行でかつ反対向きの前面および後面２１４，２１２を備える。また、ディスク２０２は、ディスクラグ２２０によってこれらのラグの間に定められ、かつ前面２１４から後面２１２までディスクのリム２１６を通って延びる複数の周方向に離間されたブレード根部スロット２１８を備える。前の実施例と同様に、スロット２１８は、ディスク軸２１１に対してある角度で切られている。各ブレード２０４は、ダブテール形状の根部２０６、プラットフォーム２０８、およびエアフォイル２１０を含む。この実施例では、従来技術のロータアセンブリと同様に、ブレード根部２０６が対応するスロットの全長にわたって延在しており、根部端面２２６，２２８が、少なくとも根部負荷反作用面２２２Ａ，２２２Ｂの径方向範囲にわたってディスクの対応する端面２１２，２１４と実質的に面一となっている。
【００１９】
本発明のこの実施例では、ブレード根部２０６の両側のラグ２２０は、ブレード根部負荷反作用面２２２Ａ，２２２Ｂと接触するスロット負荷反作用面２２４Ａ，２２４Ｂの一部を形成する材料をカットバックすなわち除去するように、反対側の端面２１２，２１４のリム２１６に切られたポケット３００，３０２をそれぞれ有する。
【００２０】
従って、ブレード根部の断面がクロスハッチングされている図９に示すように、根部負荷反作用面２２２Ａおよびスロット負荷反作用面２２４Ａは、共にＥ１からＦまで延在している。同様に、スロットの反対側の対応する反作用面２２２Ｂと２２４Ｂは、Ｇ１からＨまで延在する。ポケット３００，３０２は、基本的に、各ラグ２２０との間に間隙３０４，３０６と、以下で根部負荷反作用面２２２Ａ，２２２Ｂの延長部（Ｅ1からＥ2までの長さを有する）３０８，（Ｇ1からＧ2までの長さを有する）３１０と呼ばれる部分と、をそれぞれ形成する。
【００２１】
図１１，図１２は、上述した実施例の図５，図６と類似し、図８の実施例におけるスロットの両側の負荷伝達境界面２３０Ａ，２３０Ｂを示している。Ｌ，Ｍ，Ｎは、図５，図６と同様の長さを指し示す。これらの２つの実施例によって、同一の負荷伝達境界面を得ることができることが直ちに分かる。図１の実施例は、ブレード根部１０６の長さを実際に短くすることによってこれを達成し、図８の実施例は、スロット表面の材料を除去してラグ２２０の一部とブレード根部２０６の一部との間に間隙を形成することでこれを達成する。いずれの場合でも、従来技術の負荷伝達境界面の“除去された”部分は、従来技術において反作用負荷が比較的低い領域に位置していた部分である。さらに、両方の実施例において、負荷伝達境界面の長さに沿って伝達される負荷は、従来技術よりも均一であり、これにより、ラグの最大応力を低下させることができる。従って、図３の曲線１３６，１３８の全体的な形状は、図８でも同様に得られるが、図１の実施例は、ブレード重量の減少およびこれに対応してラグに伝達されるブレードの全負荷が比較的低いという追加の利点を有する。
【００２２】
本発明は、例示的な実施例に基づいて説明および図示したが、当業者であれば分かるように、上述および種々の他の変更、省略、および追加は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに行うことができる。例えば、ブレード根部とスロットとの間の間隙３０４，３０６に類似する間隙を、ディスクラグではなくブレード根部負荷反作用面から少量の材料を除去することによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るロータアセンブリの後方からの部分説明図である。
【図２】ロータディスク軸を含む、図１の２−２線に沿ったロータディスクラグの断面図である。
【図３】従来技術のディスクアセンブリと本発明の一実施例のディスクアセンブリにおけるスロットの長さに沿った反作用負荷の変動を示す、図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】ブレード根部スロットの長さに平行な図３の方向Ｄからの説明図である。
【図５】図１の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図４の５−５線に沿った説明図である。
【図６】図１の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図４の６−６線に沿った説明図である。
【図７】図１の実施例におけるブレード根部の断面形状とディスクの前面、後面およびブレードプラットフォームに対する全体的な位置を示す、図２の７−７線に沿った断面図である。
【図８】本発明の他の実施例を含むロータアセンブリを示す、図２の断面図と同様のロータアセンブリの断面図である。
【図９】図８の９−９線に沿った概略断面図である。
【図１０】ディスクの後面に垂直な図９の方向Ｓからの、ブレードを取り除いた状態の説明図である。
【図１１】図８の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図９の１１−１１線に沿った説明図である。
【図１２】図８の実施例におけるブレード根部スロットの一方側に沿ったディスクおよびブレードの負荷伝達境界面を示す図９の１２−１２線に沿った説明図である。
【符号の説明】
１０６…ブレード根部
１１８…ブレード根部スロット
１２２Ａ，１２２Ｂ…ブレード根部負荷反作用面
１２４Ａ，１２４Ｂ…スロット負荷反作用面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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