(57)【要約】【課題】軸流圧縮機用のロータブレードを提供する。【解決手段】本ロータブレード（３０）は、前縁（１７）を備えた翼形部（１２）と、そこから翼形部が十分に延びるその外側半径方向面であるプラットホーム（１８）を備えた根元部（１３）と、軸流圧縮機内に該ロータブレード（３０）を据付けた時に略上流方向に向いたその面であるダブテール前面（２２）を備えたダブテール（２０）とを含むことができる。本ロータブレード（３０）は、ダブテール前面（２２）上に形成されかつ翼形部（１２）の前縁（１７）及びプラットホーム（１８）の交差部を少なくとも部分的にアンダカットしたアンダカット溝（３２）を含むことができる。【選択図】      図２
2009287556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流圧縮機用のロータブレード（３０）であって、
前縁（１７）を備えた翼形部（１２）と、
そこから前記翼形部（１２）が延びるその外側半径方向面であるプラットホーム（１８）を備えた根元部（１３）と、
前記軸流圧縮機内に該ロータブレード（３０）を据付けた時に略上流方向に向いたその面であるダブテール前面（２２）を備えたダブテール（２０）と、
を含み、該ロータブレード（３０）が、
前記ダブテール前面（２２）上に形成されかつ前記翼形部の前縁（１７）及びプラットホーム（１８）の交差部を少なくとも部分的にアンダカットしたアンダカット溝（３２）を、さらに含む、
ロータブレード（３０）。
【請求項２】
前記翼形部（１２）が、翼形部負圧側面（１４）と翼形部正圧側面（１６）とをさらに含み、
前記翼形部（１２）の前縁（１７）が、前記翼形部負圧側面（１４）及び翼形部正圧側面（１６）間に形成されかつ前記軸流圧縮機内に該ロータブレード（３０）を据付けた時に略上流方向に向いた端縁部であり、
前記ダブテール要素が、少なくともその一部が該ロータブレード（３０）をロータホイールに連結するために使用され、
前記ダブテール（２０）が、その各々がそれぞれ該ロータブレード（３０）の翼形部負圧側面（１４）及び翼形部正圧側面（１６）と同じ側に対応するダブテール負圧側面（２４）及びダブテール正圧側面（２６）をさらに含む、
請求項１記載のロータブレード（３０）。
【請求項３】
前記アンダカット溝（３２）が、前記翼形部の前縁（１７）及びプラットホーム（１８）の交差部を完全にアンダカットする、請求項１記載のロータブレード（３０）。
【請求項４】
「前記翼形部（１２）の前縁（１７）及びプラットホーム（１８）の交差部を少なくとも部分的にアンダカットする」という前記表現が、前記アンダカット溝（３２）が該アンダカット溝（３２）の一部分が前記翼形部（１２）の前縁（１７）及びプラットホーム（１８）の交差部の少なくとも一部分と軸方向に整列するような深さまで前記ダブテール（２０）内に延びることを意味するものとして定義される、請求項１記載のロータブレード（３０）。
【請求項５】
前記アンダカット溝（３２）の最外側半径方向高さと前記プラットホーム（１８）の半径方向高さとの間の距離が、約０．１〜１．０インチである、請求項４記載のロータブレード（３０）。
【請求項６】
前記アンダカット溝（３２）が、前記ダブテール前面（２２）の中心部付近で始まりかつ該ダブテール前面（２２）とダブテール正圧側面（２６）とを分離する前記ダブテール（２０）の端縁部に向かって延びる、請求項４記載のロータブレード（３０）。
【請求項７】
前記アンダカット溝（３２）が、該アンダカット溝（３２）が前記ダブテール正圧側面（２６）を通して開放するように、該ダブテール正圧側面（２６）を貫通して延びる、請求項６記載のロータブレード（３０）。
【請求項８】
前記アンダカット溝（３２）が、該アンダカット溝（３２）の幅が前記ダブテール前面（２２）においてより狭くかつ該アンダカット溝（３２）が前記ダブテール（２０）内に延びるにつれてより広くなるように、テーパしている、請求項７記載のロータブレード（３０）。
【請求項９】
前記アンダカット溝（３２）が、前記ダブテール前面（２２）上において及び前記ダブテール正圧側面（２６）上において略矩形輪郭を含む、請求項１記載のロータブレード（３０）。
【請求項１０】
前記アンダカット溝（３２）を形成するために製作した前記ダブテール前面（２２）内への切込みの角度が、前記プラットホーム（１８）における前記翼形部（１２）の平均キャンバ線に対して約９０度である、請求項１記載のロータブレード（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的にはタービンエンジンの圧縮機ブレードに関する。より具体的には、それに限定されないが、本出願は、ブレードが侵食に一層耐えるように該ブレードの特定の領域に対する作動応力を低減するように設計されかつ構成された圧縮機ロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、圧縮機は一般的に、ロータブレード（一般に「ロータ翼形部」又は「圧縮機ブレード」とも呼ばれる）及びステータブレード（一般に「ステータ翼形部」とも呼ばれる）の列を有する複数段を含む。ロータブレードは、ロータの周りで回転し、従って圧縮機を通る空気流に運動エネルギーを与える。ロータブレードの列に直ぐ後続するのは、静止した状態を維持するステータブレードの列である。ロータブレード及びステータブレードは、それぞれ協働して空気流を方向転換させかつその速度を低下させ、それによって圧縮機を通る空気流の静圧を増大させる。通常、軸流圧縮機内では、複数のロータブレード及びステータブレード段を積み重ねて、必要な吐出対吸入空気圧力比を達成する。ロータ及びステータブレードは一般的に、ダブテール或いは根元部又は基部アタッチメントによってそれぞれロータホイール及びステータケースに固定される。
【０００３】
圧縮機性能を改善するために、定期的に水洗浄を実施して、ロータ及びステータブレードを清浄にする。このプロセスの間には、作動している圧縮機の入口内に直接に、水が噴霧される。水は、第１段ロータブレードに衝突し、次に圧縮機を通る空気の流れと共に運ばれて、残りのロータ及びステータブレードもまた清浄にする。ロータブレード、特に第１段のロータブレードの前縁に対する水の衝突は、浸食（侵食）を引き起こす。この侵食により一般的に、ロータブレードの前縁に沿って小さな穴及び／又は割れ目の形成が生じる。このプロセスが反復されると、これらの穴及び割れ目は、深くなりかつ幅広になる。
【０００４】
当業者には分かるように、ロータブレードは、圧縮機の回転速度により、作動中に高レベルの機械的応力を受ける。この高レベルの応力は、ロータブレードの前縁に対する侵食が発生する率に影響を与える。つまり、ロータブレードの前縁が受ける侵食の量は一般的に、その部位において受ける応力のレベルに比例する。応力が増大するにつれて、侵食率が増加する。時間の経過と共に、この高応力レベル及び発生侵食は、ロータブレード内に高サイクル疲労割れを招く可能性があり、それによって最終的には、ブレード破損が生じるおそれがある。言うまでもなく、作動中に発生したロータブレード破損は、タービンの下流構成要素に対して壊滅的な損傷を生じさせるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
その結果、そのような可能性に対してより良好に保護する改良型のシステム、方法及び装置に対する継続的な必要性が存在する。より具体的には、前縁における応力レベルを低下させた状態で機能してブレードが一層耐侵食性であるようにする改良型のロータブレードに対する必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本出願は、軸流圧縮機用のロータブレードについて記述しており、本ロータブレードは、前縁を備えた翼形部と、そこから翼形部が延びるその外側半径方向面であるプラットホームを備えた根元部と、軸流圧縮機内に該ロータブレードを据付けた時に略上流方向に向いたその面であるダブテール前面を備えたダブテールとを含むことができる。本ロータブレードは、ダブテール前面上に形成されかつ翼形部の前縁及びプラットホームの交差部を少なくとも部分的にアンダカットしたアンダカット溝を含むことができる。
【０００７】
本出願はさらに、軸流圧縮機用のロータブレードについて記述しており、本ロータブレードは、翼形部と、根元部とを含むことができる。翼形部は、翼形部負圧側面と、翼形部正圧側面と、該翼形部負圧側面及び翼形部正圧側面間に形成されかつ軸流圧縮機内にロータブレードを据付けた時に略上流方向に向いた端縁部である前縁とを含むことができる。根元部は、そこから翼形部が延びる該根元部の外側半径方向面であるプラットホームと、ロータブレードをロータホイールに連結するために使用されるダブテールとを含むことができる。ダブテールは、軸流圧縮機内にロータブレードを据付けた時に略上流方向に向いた該ダブテールの面であるダブテール前面と、ダブテール負圧側面と、ダブテール正圧側面とを含むことができる。ロータブレードはまた、ダブテール前面上に形成されかつ翼形部の前縁及びプラットホームの交差部を実質的にアンダカットしたアンダカット溝を含むことができる。アンダカット溝は、ダブテール前面の中心部付近で始まりかつ該ダブテール前面とダブテール正圧側面とを分離するダブテールの端縁部に向かって延びることができる。
【０００８】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することにより、明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の目的並びに利点は、添付の図面と共に本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を慎重に検討することによって、一層完全に理解されかつ評価されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一般的な圧縮機ロータブレードの斜視図。
【図２】本出願の例示的な実施形態によるアンダカット溝を示す圧縮機ロータブレードの斜視図。
【図３】本出願の別の実施形態によるアンダカット溝を示す圧縮機ロータブレードの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様な部品を表わしている図を参照すると、図１は、従来型のロータブレード１０を示している。当業者には分かるように、ロータブレード１０は、ロータの周りで回転することにより圧縮機を通って流れる空気に運動エネルギーを与える翼形部１２と、基部又は根元部１３とを含むことができる。翼形部１２は一般的に、負圧側面（すなわち、凸面形側面）１４と、正圧側面（すなわち、凹面形側面）１６とを含む。翼形部１２はさらに、負圧側面１４及び正圧側面１６間に形成されかつ軸流圧縮機内にロータブレード１０を据付けた時に略上流方向に向いた端縁部である前縁１７を有する。
【００１２】
根元部１３は、そこから翼形部１２が延びる該根元部１３の外側半径方向面であるプラットホーム１８を含む。プラットホーム１８は、ロータブレード１０の根元部１３に一体形に接合することができる。プラットホーム１８は、翼形部１２を横切る空気流の半径方向内側境界面を形成する。当業者には分かるように、根元部１３は一般的にさらに、ロータホイール内の相補形グルーブ（図示せず）を介して連結してロータブレード１０を圧縮機内の適切な位置に固定するダブテール２０を含む。ダブテール２０は、該ダブテール２０の前面、すなわち据付けた時に圧縮機内で略上流方向に向いた該ダブテール２０の面を構成するダブテール前面２２を含むことができる。ダブテール２０はさらに、ダブテール負圧側面２４（翼形部負圧側面１４と同じ側にある）と、ダブテール正圧側面２６（翼形部正圧側面１６と同じ側にある）とを含むことができる。
【００１３】
使用中に、図１のロータブレード１０のダブテール２０は、ロータが回転し始めるまでは、対応する圧縮機ホイールスロット内に幾分緩く嵌合している。ホイールが回転すると、遠心力により、ダブテール２０が圧縮機ホイール内のスロット（又は、その他の保持機構）に対して半径方向外向きにしっかりと押圧される。回転ブレード１０によって発生する遠心力を相殺する反力が、ホイールの圧力面に生じる。遠心力は、ロータブレード１０内に応力を発生させる。当業者には分かるように、応力は一般的に、翼形部１２内において特定の部位に集中する。集中応力部位の１つは、翼形部１２の前縁１７の内側半径方向部分（すなわち、前縁１７がプラットホーム１８に連結した位置付近の前縁１７部分）である。この集中応力部位は、今後は明細書全体にわたって「前縁の基部」又は「前縁基部」（図には符号２８として示す）と呼ぶことにする。上記のように、作動時の前縁基部２８における高応力は、水浸食（侵食）を引き起こして、この部位においてロータブレード１０を一層急速に劣化させかつ弱体化させる。この劣化は、ロータブレード１０の有効寿命に悪影響を与えるおそれがある。
【００１４】
図２に示すような、本出願の例示的な実施形態では、例えば産業用ガスタービンエンジンの軸流圧縮機で使用するロータブレードのようなロータブレード３０は一般的に、負圧側面１４及び正圧側面１６を備えた翼形部１２と、プラットホーム１８を備えた根元部１３と、ブレードを圧縮機ホイール（図示せず）に連結するために使用するダブテール２０（ダブテール前面２２、ダブテール負圧側面２４及びダブテール正圧側面２６を含む）とを含む。一般的に、ダブテール２０は、ホイールの周辺部の周りにロータブレード１０の列を配置してブレード１０の環状列を形成するように、ホイールのリムに対してロータブレード１０を取付ける。
【００１５】
図２はさらに、本発明の例示的な実施形態によるアンダカット溝３２を示しており、このアンダカット溝３２は、使用中に、前縁基部２８（上述の通り、前縁１７がプラットホーム１８に連結した位置付近の該前縁１７の領域である）において翼形部１２が受ける応力を低減する利点を有することができる。アンダカット溝３２は一般的に、プラットホーム１８の半径方向高さの直ぐ半径方向内側においてかつ前縁１７及び該プラットホーム１８の交差部の略下方（すなわち、その半径方向内側）において、ダブテール前面２２内に形成された溝を含むことができる。アンダカット溝３２の位置の説明は、全体的に、前縁１７がプラットホーム１８に連結した位置に関して、またさらにダブテール前面２２、ダブテール正圧側面２６及びダブテール負圧側面２４に関して溝の位置を記述しようとしていることに注目されたい。一部の状況下では、上の説明で特定したロータブレード構造要素は、僅かに異なる形態を取ることができまた別の呼び方で呼ぶことができる（例えば、ホイールにロータブレード１０を連結する方法が、上記のダブテールスロット構成とは異なる場合）。アンダカット溝３２の基本形状及び相対的位置が実質的に同じ状態に維持されている限り、本出願が依然としてそのようなロータブレードに適用可能であることは、当業者には容易に分かるであろう。従って、ロータブレード１０の特定の特徴形状を記述するために、本明細書では「ダブテール」のような特定の名称を使用しているが、これらの名称は限定することを意図するものではなく、また実質的に同じ特徴形状を有するロータブレードに適用可能な状態を維持すべきであることを意図している。
【００１６】
本出願の１つ又はそれ以上の実施形態では、全ての実施形態にはそれらの特性の各々を含んでいない場合もあるが、アンダカット溝３２は、以下の特性を含むことができる。アンダカット溝３２は一般的に、プラットホーム１８及び前縁１７の交差部がアンダカットされるように、ダブテール前面２２を貫通してダブテール２０内に延びる溝である。図２のロータブレード１０の斜視図及び配向によると、アンダカットは、プラットホーム１８及び前縁１７の交差部の下方におけるかつ該交差部に近接近したダブテール２０のボリュームが少なくとも部分的に（また、その他の実施形態では大幅に又は完全に）取除かれるようにアンダカット溝３２がダブテール２０内に延びることになるように形成することができる。ダブテール２０の取除いたボリュームの部位はまた、プラットホーム１８に近接近した状態にありかつ該プラットホーム１８及び前縁１７の交差部よりも一層半径方向内側に位置したボリュームとして記述することができる。つまり、アンダカット溝３２は、該アンダカット溝３２がプラットホーム１８及び前縁１７の交差部の少なくとも一部分と軸方向に整列するような深さまでダブテール内に延びる。
【００１７】
図示するように、アンダカット溝３２は、ダブテール前面２２の略中心部付近で始まりかつ該ダブテール前面２２とダブテール正圧側面２６とを分離するダブテール２０の端縁部に向かって延びることができる。従って、また図２に示すように、アンダカット溝３２は、ダブテール正圧側面２６を貫通して開放することができる。
【００１８】
アンダカット溝３２は、ダブテール前面２２上において及びダブテール正圧側面２６上において見た時に、近似した輪郭を形成することができる。図２に示すように、ダブテール前面２２上において、輪郭は、略矩形（アンダカット溝３２がダブテール前面２２とダブテール正圧側面２６とを分離するダブテール２０の端縁部を貫通して延びていることにより、矩形の１つの側辺は欠けていることに注目されたい。）とすることができる。幾つかの実施形態ではまた図２に示すように、コーナ部におけるフィレット領域、及びダブテール正圧側面２６を貫通する開口部のために、この矩形形状は、近似「Ｕ字形」形状を形成する可能性があるが、図２の斜視図で見た時に、この「Ｕ字形」は、恰もその「Ｕ字形」を反時計方向に約９０°回転させたように見える。その他の実施形態では、図２の斜視図から分かるように、この回転角度は、９０°よりも僅かに大きく又は小さくすることができることに注目されたい。
【００１９】
ダブテール正圧側面２６上において、この輪郭もまた、幾らか矩形（上記と同様に、矩形の側辺の１つがまた欠けている）とすることができる。コーナ部におけるフィレット領域のために、ダブテール正圧側面２６上の矩形形状もまた、近似「Ｕ字形」形状を形成する可能性があるが、このケースでは、図２の斜視図で見た時に、この「Ｕ字形」は、恰もその「Ｕ字形」がその側面上に横たわる、すなわち恰もその「Ｕ字形」を時計方向に約９０°回転させたように見える。その他の実施形態では、図２の斜視図から分かるように、この回転角度は、９０°よりも僅かに大きく又は小さくすることができることに注目されたい。
【００２０】
アンダカット溝３２は、該溝３２の半径方向外側端縁部がプラットホーム１８の直ぐ下方に（又は、半径方向内側に）位置するように形成することができる。一般的に、アンダカット溝３２の半径方向外側端縁部とプラットホームとの間の距離は、約０．１〜１．０インチとすることになるが、この範囲外の測定値もまた実施可能である。アンダカット溝３２の半径方向外側端縁部は、該外側端縁部がダブテールプラットホーム１８に略平行になるように配向することができる。アンダカット溝３２を形成する際に、ダブテール前面２２内への切込みの角度及び切込みの寸法は、最適にすることができる。幾つかの実施形態ではまた図２で分かるように、ダブテール前面２２内への切込みの角度は、プラットホーム１８セクションにおける翼形部１２の平均キャンバ線に対して約９０°とすることができる。このようにして、作動中におけるアンダカット溝３２への荷重は、該溝の長さに沿って全体的に分散される。
【００２１】
アンダカット溝３２の深さは、それによって作動応力が翼形部１２の前縁基部２８から移動した状態になる距離に影響を与えることになる。より深い溝は一般的に、前縁基部２８が作動中により低い応力を受けることになることを意味している。幾つかの実施形態では、アンダカット溝３２は、該溝３２が作動中にブレード荷重によって生じる前縁基部２８における圧縮機ロータブレードの応力線に侵入するような深さを有することになる。つまり、アンダカット溝３２の深さは、プラットホーム１８及び前縁１７の交差部の半径方向内側に位置するダブテール内の領域が少なくとも部分的に（また、その他の実施形態では大幅に又は完全に）取除かれるようにされる。
【００２２】
作動中に、アンダカット溝３２は一般的に、負荷経路方向に対して前縁１７から離れるような変更を生じさせる。この溝は、翼形部１２の前縁１７に、特に翼形部１２がプラットホーム１８に取付けられる前縁基部２８に発生する応力を低減する。一般的に、当業者には分かるように、応力低減は、前縁基部２８が本質的にダブテール２０から直接的に切り離されることにより、生じる。上記のように、前縁１７及び／又は前縁基部２８における応力を低下させることは、それらの部位における侵食を減少させかつロータブレード１０の部品寿命を延長することを意味する。さらに、アンダカット溝３２の形状は、製作するのが比較的簡単である。
【００２３】
当業者には分かるように、作動中には、アンダカット溝３２をプラグ（図示せず）で充填することが望ましいといえる。図３に示すように、別の実施形態では、アンダカット溝３２は、挿入プラグを保持するのを助ける形状を有することができる。そのような実施形態では、アンダカット溝３２は、該アンダカット溝３２の幅がダブテール前面２２においてより狭くかつ該アンダカット溝３２がダブテール２０内に延びるにつれてより広くなるように、テーパさせることができる。つまり、アンダカット溝３２は、該溝３２がダブテール２０内に延びるにつれて該溝３２がより幅広になるように、ダブテール前面２２における開口部から外向きにフレアしている。この構成では、アンダカット溝３２内に比較的ぴったりと嵌合するように形成されたプラグは、溝開口部が非常に狭いので、ダブテール前面２２からはアンダカット溝３２を抜け出ることができないことになる。しかしながら、そのようなプラグは、都合良くダブテール正圧側面２６から挿入するようにすることが可能になる。プラグは、圧縮機内の過酷な条件に耐えることができるあらゆる材料で製作することができ、例えばプラグは、ナイロンで製作することができる。
【００２４】
幾つかの実施形態では、アンダカット溝３２は、多くの場合に侵食が最も厳しい第１段ロータブレードで使用することができる。その他の実施形態では、アンダカット溝３２は、圧縮機の全ての段で使用することができる。
【００２５】
上記の本発明の好ましい実施形態の説明から、当業者には、多くの改良、変更及び修正が想起されるであろう。当業者によるそのような改良、変更及び修正は、提出した特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、前述の説明は、単に本出願の記述実施形態のみに関するものであること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、本明細書において多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２６】
１０  従来型のロータブレード
１２  翼形部
１３  根元部
１４  負圧側面
１６  正圧側面
１７  前縁
１８  プラットホーム
２０  ダブテール
２２  ダブテール前面
２４  ダブテール負圧側面
２６  ダブテール正圧側面
２８  前縁基部
３０  ロータブレード
３２  アンダカット溝
【図１】
2009287556.tif 000003
【図２】
2009287556.tif 000004
【図３】
2009287556.tif 000005