(57)【要約】【課題】ディスクロータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】本ディスクロータ（１００）は、ボアを有するハブ（１０６、２０８、３０６）と、ハブから半径方向に延びかつその各々が該ハブに取付けられたベース部分（２０２、３０８）とリム部分（２０４、３０４）とを含む複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）とを含み、リム部分は、該リム部分上に一体形に形成された１以上の翼形部（１０２、２０６、３０２）を含み、複数のスポークセグメントは、全体でリングを形成する。【選択図】      図３
2009092064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアを有するハブ（１０６、２０８、３０６）と、
前記ハブから半径方向に延びかつその各々が前記ハブに取付けられたベース部分（２０２、３０８）とリム部分（２０４、３０４）とを含む複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）と、
前記各スポークセグメントのリム部分に取付けられた１以上の翼形部（１０２、２０６、３０２）と、を含み、
前記複数のスポークセグメントが、全体で環状リングを形成する、
ディスクロータ（１００）。
【請求項２】
前記１以上の翼形部（１０２、２０６、３０２）が、前記各スポークセグメント（１０４、２００、３００）のリム部分（２０４、３０４）上に一体形に形成される、請求項１記載のディスクロータ（１００）。
【請求項３】
前記各スポークセグメント（１０４、２００、３００）が、ベベル状である、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のディスクロータ。
【請求項４】
前記ハブ（１０６、２０８、３０６）が、該ハブの外径の周りで等距離に配置された複数のランド（３１０）をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のディスクロータ。
【請求項５】
前記ハブ（１０６、２０８、３０６）、複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）及び１以上の翼形部（１０２、２０６、３０２）の選択した１つ又は全てが、ステンレス鋼、ニッケル基合金、鉄基合金、コバルト基合金又はこれらの組合せを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項記載のディスクロータ。
【請求項６】
該ディスクロータ（１００）が、約１０００×１０９ｉｎ２−ｒｐｍ以上のＡＮ２値を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項記載のディスクロータ。
【請求項７】
ディスクロータ（１００）を製造する方法であって、
ボアを有するハブ（１０６、２０８、３０６）に複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）を取付けて、各スポークセグメントが前記ハブに取付けられたベース部分（２０２、３０８）とリム部分（２０４、３０４）とを含みかつ該複数のスポークセグメントが全体で環状リングを形成するようにするステップを含む、
方法。
【請求項８】
前記各スポークセグメント（１０４、２００、３００）のリム部分（２０４、３０４）上に１以上の翼形部（１０２、２０６、３０２）を一体形に形成するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）を取付けるステップが、該スポークセグメントのベース部分（２０２、３０８）上に配置された凹部を前記ハブ（１０６、２０８、３０６）の外径の周りで等距離に配置されたランド（３１０）と整列させるステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記ハブ（１０６、２０８、３０６）に前記複数のスポークセグメント（１０４、２００、３００）を取付けるステップが、溶接法、ストリップクラッディング法、ろう付け法又はこれらの組合せを含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ディスクロータに関し、より具体的には、圧縮機又はタービン用途のための特異なジオメトリを有するロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に圧縮機又はタービン用途では、軸流エンジンの軸線の周りで円周方向に組立てられたシュラウド内に、１以上のロータが配置される。固定シュラウド及びロータは、燃焼ガスがロータを回転させるために最大の効率で利用されるように、該燃焼ガスをガス流路に閉じ込める。一般的なロータは、ディスクハブに取付けられた複数の翼形部（つまり、ロータブレード）を含む。
【０００３】
タービンエンジンにおけるような幾つかの用途の場合に、タービンロータは、高いＡＮ２値を必要とする。ＡＮ２値は、特定のタービンエンジン用途における特定のロータの能力を決定するために使用するタービンロータ基準である。「Ａ」は、環状面積、つまりディスクロータの翼形部分が掃引する面積を表している。「Ｎ」は、翼形部の回転速度を表している。この回転速度を二乗しかつ環状面積を乗算して、ＡＮ２値が得られる。タービン用途のための高い値を得るために、ロータは、長い翼形部を有しなくてはならず、かつ／又は高いｒｐｍ（毎分回転数）で駆動されなくてはならない。従来型のロータでは、翼形部は、ディスクロータのリムに対して機械的に取付けられる。翼形部が長くなればなるほど、又はロータの所望のｒｐｍが高くなればなるほど、この機械的取付けをより深くしなくてはならない。
【０００４】
先行技術についての図１及び図２は、タービンディスクロータを示している。先行技術の図１は、現行のディスクロータのロータセクション１０を示している。ロータセクション１０は、３つの領域、つまりリム１２、ウェブ１４及びディスクハブ１６からなる。リム１２に対して翼形部（図示せず）を機械的に取付けて、タービンロータ組立体が完成する。図１に示すように、リム内には、翼形部を機械的に取付けるための取付けスロット１８が機械加工される。取付けスロット１８間には、翼形部の荷重をリム１２に、そして最終的にはハブ１６に移行させるのに必要な荷重伝達ラグ２０が設けられる。前述したように、翼形部が大きくなればなるほど、取付けスロット１８は、リム１２内により深く延びる。幾つかの非常に大形のタービンブレードは、図１に示すような複数歯取付け部を必要とする。複数歯取付け部においては、大形翼形部をリムに固定するために、取付けスロット１８内に配置された３以上といった多数の歯が必要となる。取付けスロット１８は、リム１２から材料を取去っており、通常は翼形部の円周方向荷重を支持するために使用されることになる。さらに、ラグ２０は、取付けスロット１８の数及び深さのために円周方向（つまり、接線方向）応力によって荷重を支持することができず、「死荷重」又は寄生荷重として知られたものになる。さらに、より深い取付けスロットは、リムが該スロットに適応ためにより多くの材料を有することを必要とする。言い換えると、リムは、取付けスロットの必要深さを可能にするために半径方向により深くなくてはならない。この場合もまた、付加材料が荷重を支持することはない。
【０００５】
この現行方式で組立てたタービンロータの場合には、翼形部の円周方向応力を支持することができる唯一の区域は、図１に一点鎖線２２で示したような取付けスロット直下の区域である。この領域は、「ライブリム」として知られており、リムの荷重支持部分の有効な外側半径方向境界を表している。ライブリム半径は、矢印２４で示しており、ハブ１６からリム１２の一点鎖線２２まで延びる。線２２の外側の半径における全区域は、荷重応力を支持することができず、従って死荷重と見なされる。翼形部を機械的に取付けることによって、特に高ＡＮ２用途の場合には、リムの荷重支持能力が大幅に低下し、それによってロータのウェブ及びハブに応力が加わることになる。さらに、リムは、該リムが翼形部取付け個所によって反復して中断されるので、円周方向における強度を失う。先行技術の図２は、リム外周部の周りに配置された取付けスロット５２を有するディスクロータ５０全体を示しており、さらに多段設計構成におけるロータ組立体に個々のロータ段５０を固定するのに必要なボルト孔５４を示している。取付けスロット５２と同様に、ボルト孔５４はさらに、リムの荷重支持能力を低下させるおそれがある。
【特許文献１】米国特許第５９６２９４１号明細書
【特許文献２】米国特許第７１６８９１９号明細書
【特許文献３】米国特許第７２１７１０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、当技術分野では、コスト効果があり、最大のタービン効率をもたらすことになりかつ現行のタービン設計と容易に一体形にすることができる、圧縮機及びタービン用のディスクロータに対する、具体的にはディスクへの翼形部の取付けに対する改良の必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示するのは、現行のディスクロータよりも高いＡＮ２値を達成することができるディスクロータ及び該ディスクロータを製造する方法である。一実施形態では、本ディスクロータは、ボアを有するハブと、ハブから半径方向に延びかつその各々が該ハブに取付けられたベース部分とリム部分とを含む複数のスポークセグメントとを含み、リム部分は、該リム部分上に一体形に形成された１以上の翼形部を含み、複数のスポークセグメントは、全体でリングを形成する。
【０００８】
別の実施形態では、本ディスクロータは、ボアを有するハブと、ハブから半径方向に延びかつその各々が該ハブに取付けられたベース部分とリム部分とを含む複数のスポークセグメントと、各スポークセグメントのリム部分に取付けられた１以上の翼形部とを含み、複数のスポークセグメントが、全体で環状リングを形成する。
【０００９】
本ディスクロータを製造する方法は、ボアを有するハブに複数のスポークセグメントを取付けて、各スポークセグメントが該ハブに取付けられたベース部分とリム部分とを含みかつ該複数のスポークセグメントが全体で環状リングを形成するようにするステップを含む。
【００１０】
上記の及びその他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な説明によって例証する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、同様な要素に同じ参照符号を付した図を参照する。
【００１２】
一実施形態では、一体形翼形部を有するディスクロータを開示する。別の実施形態では、ディスクロータを製造する方法を開示し、この方法では、翼形部は一体形でありかつディスクのハブに対して直接取付けられる。
【００１３】
次に図３を参照すると、圧縮機又はタービン用途（装置）内で使用するためのディスクロータの例示的な実施形態のロータセグメント１００を示している。翼形部（つまり、ブレード）１０２は、スポーク１０４と一体形である。図３に示すように、翼形部１０２及びスポーク１０４は、ハブ１０６に対して溶接することができる単一の部品を形成する。各スポークは、一般的なリム位置において分離されており、翼形部荷重をディスクロータのハブに直接伝達する。
【００１４】
上記したように、現行のディスクロータは、ウェブ及びディスクハブを囲む一体型リムを含む。次に、翼形部は、リム内に凹設された取付けスロットに対して、機例えばボルト止めによって械的に接合される。本明細書に開示したディスクロータは、個々の部品間に何らの機械的取付け部も含まない。具体的には、翼形部は、スポークと一体形であり、スポークは、ロータのハブに固定取付けされる。複数のスポークセグメント１０４が円筒形状のハブ１０６から半径方向に延びて、ロータのウェブ１０８領域及びリム部分１１０領域を形成する。例えば、図３のロータセグメント１００は、ハブ１０６に固定取付けされた５つのスポークセグメント１０４を含む。翼形部からの荷重は、スポークセグメント内に直接伝わり、荷重は次にハブに伝達される。本明細書に開示したようなディスクロータの荷重経路は、現行のディスクの荷重経路とは大きく異なっている。現行のディスクロータでは、翼形部からの遠心荷重は、半径方向及び接線方向応力によりライブリムに伝達され、次にウェブに伝達され、最終的にハブに伝達される。リムは、機械的取付けスロットのために接線方向応力を支持する能力が制限される。さらに、リムは、翼形部を着座させかつ取付けることができるのに十分な材料を必要とする。このことが、リムの重量を増大させる。しかしながら、付加された重量は、上述したように死荷重つまり寄生荷重である。ロータのハブは、最終的には全リム荷重に対する支持を与えなければならない。本明細書に記載するようなディスクロータの荷重経路の改善により、ディスクロータが、より少ない材料、より軽い重量かつ低減したコストで、従来型のディスクのそれと同量の可変荷重に対処することが可能になる。
【００１５】
次に図４を参照すると、スポークセグメント２００の例示的な実施形態を示している。スポークセグメント２００は一般的に、ベース部分２０２とリム部分２０４とを含む。一実施形態では、リム部分２０４は、その上に一体形に形成された１以上の翼形部２０６を含む。別の実施形態では、１以上の翼形部２０６は、リム部分２０４に対して冶金学的に取付けられる。そのような実施例では、翼形部とリム部分との間の冶金学的接合は、鍛造法、溶接法、ろう付け法等々によって達成することができる。図４には１つの翼形部のみを示しているが、各スポークセグメント２００は、複数の翼形部を含んで、効率的に製造するようにすることができる。各スポーク上の翼形部の数は、仕上がりディスクロータの意図した用途に応じて決定されることになる。スポークセグメント２００は、例えば溶接により別個のディスクハブ２０８に取付けて、スポークセグメント２００からロータのハブ２０８内への直接的な荷重経路を形成することができる。スポークセグメント２００は、ベース部分２０２においてハブ２０８に取付けることができる。
【００１６】
図５には、ベベル状になったスポークセグメント３００の例示的な実施形態を示している。スポークセグメント３００のベベル形状は、翼形部３０２を安定させるのを助けることができる。スポークセグメント３００のベベル形状は、そこではベベル端縁部が該スポークセグメント３００の他の部分に対して垂直でない該スポークセグメント３００のリム部分３０４で始まるようにすることができる。リム部分３０４は、実質的に同様なリム部分を有する複数の他のスポークと整列して完成ディスクロータのリムを形成するようになる。各スポークセグメントは、隣接するスポークセグメントと共にまとまって環状リングを形成し、最終的にロータのリムを形成する。リム部分３０４のベベル形状は、複数のスポークセグメントをハブ３０６に取付けた時に、形成されたリムに対して付加的な安定性を与える。ベベル形状は、スポークセグメント３００のリム部分３０４から下方にベース部分３０８まで連続する。図３は、どのようにして各スポークセグメント１０４のベベル形状が隣接するスポークと対応してリム１１０及びウェブ１０８を形成し、また各スポークが半径方向運動及びモード振動下において隣接するスポークを案内するかを示している。各スポークセグメント３００のベベル状端縁部は、隣接するスポークセグメント（図示せず）の半径方向変位が遠心荷重の作用下において一定した状態になることを保証するのを可能にする機械的相互噛合いと連続性とをもたらす。同様に、ベベル状特徴形状部は、側方つまり接線方向運動に対してスポークセグメントを安定させて、スポークセグメントの半径方向運動のみを保証する。要するに、スポークセグメントのベベル形状は、個々のセグメントを強制的に１個の連続ユニト（つまり、構造体）として作用させる。
【００１７】
ハブ３０６は、ディスクロータの回転に適したあらゆる形状を有することができる。例えば、ハブ３０６は、ほぼ円筒形状を有することができる。ハブ３０６は、ボア（図示せず）を備えることができる。ボアは、ディスクロータをバランスさせるように、ハブ３０６内に配置することができる。１つの実施例では、ボアは、ハブ３０６の中央に設置される。ディスクボアはさらに、軸、軸受、ハブシェル等々を含むことができる。ハブ３０６はさらに、ハブ３０６に溶接するのに先立ってスポークセグメント３００を位置決めするのを助ける複数のランド３１０を含むことができる。ランド３１０は、円筒形状のハブの外径の周りで等距離に配置することができる。ランド３１０は、スポークセグメントを位置決めするためのマーク又はマップを提供して、セグメントをハブに対して恒久的に取付けるのに先立って、各スポークセグメントの適正な整列を大いに助けることができる。各ランド３１０は、スポークセグメントの底面内に機械加工又は鋳造された嵌合凹部（図示せず）と嵌合する特異な非円形ジオメトリを有する。翼形部はスポークと一体形であるので、流体ストリームに対する翼形部の配向を制御することが極めて重要である。翼形部の配向を制御することに加えて、ランド３１０は、その後の冶金学的結合つまり溶接作業の間にスポークセグメント３００を位置決めした状態に維持する。ランド３１０の特異な非円形ジオメトリは、接合作業の間にスポークセグメントが回転するのを防止し、対応するスポーク凹部との間のランドの相互噛合い特性により、接合作業の間に軸方向及び接線方向の位置決めが維持される。一実施形態では、ランド３１０は、ハブ自体を成形する時にハブの外径上に一体形に形成することができる。別の実施形態では、ランドは、円筒形状のハブの外径に固定取付けすることができる。
【００１８】
再び図５を参照すると、翼形部３０２は、意図した用途に適するあらゆる寸法及び形状を有することができる。運動する流体が翼形部３０２に作用し、或いは翼形部３０２が流れに反応して、それら翼形部はロータを回転させかつ該ロータにエネルギーを与えるようにすることができる。翼形部３０２は、流体流れ状態の範囲に応じた効率的作動を可能にする可変ジオメトリを有することができる。例示的な実施形態では、翼形部３０２は、該翼形部全体にわたる流体の流れをより良好に捕らえてロータを回転させる曲線形状を有することができる。翼形部３０２の寸法は、上記したように、ディスクロータのＡＮ２値に応じて決まることになる。例えば、ロータが低い回転数ｒｐｍ（低いＮ）、例えば５０００ｒｐｍ以下で回転するような用途においては、翼形部は、ロータが航空機エンジンにおけるように１５０００ｒｐｍ（高いＮ）で回転するような用途における翼形部よりも大きな長さを有することになる。本明細書に記載するような溶接型ディスクロータは、高いＡＮ2翼形部を必要とする用途に特に適している。現行のディスクロータは、約６００〜７００×１０９平方インチ−ｒｐｍ（ｉｎ２−ｒｐｍ）のＡＮ2値を得ることができる。翼形部の深い機械的取付けによるリムの余分な重量及びその結果生じる死荷重は、従来型設計のディスクロータの場合に高いＡＮ2値を達成することに対する厳しい制約となる。本明細書に記載した溶接型ディスクロータは、約１０００×１０９ｉｎ2−ｒｐｍ以上の、幾つかのケースでは１２００×１０９ｉｎ2−ｒｐｍ以上のＡＮ2値を達成できる。溶接型スポークディスクロータの特異なジオメトリ設計は、現時点では現行のディスクロータの能力を超えた用途であるタービンロータのようなより高いＡＮ2値を必要とする用途におけるこのロータの使用を可能にする。
【００１９】
溶接型ディスクロータ用の適当な高温可能材料には、ガスタービンエンジンのような用途において見られる作動中の高温液体流路で生じる高温に耐えることができる材料がある。例示的な材料には、それに限定されないが、超合金類及び鋼類が含まれる。適当な超合金類は一般的に、その超合金中でニッケル、鉄又はコバルトの量が重量で唯一最大の元素であるニッケル基、鉄基又はコバルト基合金である。例示的なニッケル基超合金は、少なくともニッケル（Ｎｉ）を含み、かつコバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群からの１種以上の成分を含む。ニッケル基超合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．製のＨａｙｎｅｓ（登録商標）及びＨａｓｔｅｌｏｙ（登録商標）、Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｃｏｒｐ．製のＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）並びにＲｅａｄｅ製のＲｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８０、Ｒｅｎｅ（登録商標）９５、Ｒｅｎｅ（登録商標）１４２及びＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金）といった商品名で指定され、また方向性凝固及び単結晶超合金を含む。例示的なコバルト基超合金は、Ｃｏを含み、かつＮｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＦｅからなる群からの１種以上の成分を含む。コバルト基超合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ製のＮｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｄｅｌｏｒｏ  Ｓｔｅｌｉｔｅ  Ｃｏ．製のＳｔｅｌｉｔｅ（登録商標）並びにＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）材料といった商品名で指定される。例示的な鉄基超合金は、Ｆｅを含み、かつＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ及びマンガン（Ｍｎ）からなる群からの１種以上の成分を含む。鉄基超合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、Ｇ．Ｏ．Ｃａｒｓｏｎ，Ｉｎｃ．製のＮｉｔｒｏｎｉｃ（登録商標）といった商品名で指定される。適当な鋼としては、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｒｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＡＩＳＩ）鋼類のようなステンレス鋼類、つまりＡＩＳＩ  ３０４ステンレス鋼、３１０ステンレス鋼、ＡＩＳＩ  ３４７ステンレス鋼、ＡＩＳＩ  ４１０ステンレス鋼、合金４５０ステンレス鋼等々が含まれる。
【００２０】
溶接型ディスクロータ構成要素（つまり、翼形部、スポークセグメント、ハブ等々）を製造するのに、最初に密閉鍛造法、シームレスリング鍛造法、それらの変形鍛造法等々のような方法で高温可能材料のプリフォームを鍛造することによって、１以上の構成要素を形成することができる。溶接型ディスクロータ構成要素を形成する特定の方法を、限定しようとするものではない。構成要素を形成したら、ハブの外径に対してスポークセグメントを固定取付けすることができる。高温可能材料の取付けは、あらゆる手段とすることができ、例えば溶接法、ストリップクラッディング法、ろう付け法等々のような方法を含む。
【００２１】
溶接型ディスクロータ部品の１つ又は全ては、１以上の金属インゴットから形成することができる。一実施形態では、円筒形状の金属インゴットは、機械プレスによって或いは圧縮空気、電気、油圧又は蒸気により駆動されるハンマによってかのいずれかでプレス加工される。インゴットがプレス加工されるにつれて直径が増大し、金属は、その元の円筒形状からディスク形状に成形される。ディスク形状のインゴットは次に、熱処理されかつ機械加工されて、所望の部品を形成することができる。異なる部品は高い応力及び高い温度環境において機能するためには異なる材料特性を必要とするので、ディスク形状のインゴットに対する熱処理のタイプは、製造することになる部品に応じて決まることになる。例えば、スポークセグメントは、熱処理して高いクリープ強度特性を有する粒状組織を備えた金属を得ることができ、一方、ディスクハブは、異なる熱処理を行って金属が高い強度を有するようにすることができる。
【００２２】
翼形部は、ガス経路が個々の翼形部を通って流れる時に最も高温に曝される。さらに、翼形部はディスクロータの外周部に位置するので、それら翼形部はまた、最も大きな量の遠心力も受ける。従って、クリープ強度は、リムの材料にとって重要な特性である。クリープというのは、材料が応力を解放するために恒久的に移動又は変形する傾向を記述するために使用する用語である。従って、ディスクロータのリム及び翼形部分が高いクリープ強度特性を有すること、つまりタービン又は圧縮機の熱及び応力環境下においてクリープを起こす傾向を持たないことが重要である。金属において高いクリープ強度特性を得るための１つの方法は、その金属を熱処理することである。金属材料は、「結晶粒」又は結晶子と呼ばれる小さな結晶のミクロ構造からなる。結晶粒の性質（つまり、結晶粒のサイズ及び組成）は、当該金属の機械的挙動全体を決定する。熱処理は、ミクロ構造内における拡散速度及び冷却速度を制御することによって、当該金属の特性を操作する有効な方法を提供する。微細結晶粒のミクロ構造は、当該金属のクリープ強度特性を向上させることになる。
【００２３】
それに代えて、ディスクロータのハブにとっては、クリープ強度特性よりも荷重支持強度の方がより重要である。溶接型ディスクロータの特異な荷重経路により、ハブセクションは、それから半径方向に延びる材料全ての荷重を支持する。この構成要素にとって強度は重要な因子ではあるが、異なる熱処理又は全く異なる材料さえも使用することができる。粗い結晶粒ミクロ構造を有する金属は一般的に、ハブに適した十分な荷重強度を有する。
【００２４】
ディスクロータに鍛造する間に、スポークセグメント及びハブは、別個の金属インゴットからプレス加工しかつ熱処理することができるか、或いはこれら２つの構成要素は、二重熱処理を行うことができる１つの鍛造金属片から形成することができる。１以上の構成要素は次に、機械加工して、ディスクのハブセクション又は輪郭のようなディスクの特徴形状部を形成することができる。
【００２５】
ディスクロータを製造する方法はさらに、複数のスポークセグメントをハブに固定取付けして、スポークセグメント及び翼形部が１つの一体型部品となるようにするステップを含む。別の実施形態では、翼形部は、スポークセグメントに対して冶金学的に取付けられ、翼形部及びスポークは、共にディスクハブに取付けられる。さらに別の実施形態では、スポークセグメントは、溶接ランドを備えたディスクハブ上に位置決めして、該ハブの外周部の周りにおけるスポークの適正な間隔／分布を保証するようにする。
【００２６】
上記したように、翼形部及びスポークセグメントは、単一の高温材料片から鍛造しかつ機械加工することができる。単一の翼形部−スポーク構成要素の利点は、何らの機械的取付け手段も必要とせずまたディスクロータにとっての潜在的損傷個所としての継目又は接合部が何ら存在しないことである。しかしながら、幾つかの用途では、翼形部及びスポークセグメントが別々に形成されかつ次に互いに固定取付けされるのが望ましい場合もある。スポークセグメント及び翼形部の取付けは、冶金学的接合部を形成できるあらゆる手段によるものとすることができ、それら手段には、溶接組立て法、ストリップクラッディング法、ろう付け法等々のような方法が含まれる。翼形部及びスポークセグメントを別個の構成要素として有することの１つの利点は、過度の摩耗又は損傷時に翼形部の交換が容易なことである。さらに、特定の用途において望ましい可能性があるが、これら２つの構成要素は、クリープ強度、荷重支持強度等々のような異なる特性を有する異なる高温材料で形成することもできる。
【００２７】
ハブに対するスポークの取付けは、冶金学的接合部を形成できるあらゆる手段によるものとすることができ、それら手段には、溶接法、ろう付け法等々のような方法が含まれる。スポークセグメント及び翼形部と同様に、スポーク及びハブは、異なる材料で形成することができる。従って、現行のディスクロータとは異なり、本明細書に記載したディスクロータは、３以上といった多くの異なる高温材料で形成することができる。このことは、ディスクロータが該ロータの異なる領域において異なる材料特性を有するのを可能にする利点がある。
【００２８】
一実施形態では、ディスクロータの冶金学的接合部は、溶接部とすることができる。冶金学的接合部を形成するために、電子ビーム法、レーザ法及びタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）法のような様々な溶接法を使用することができる。例えば、冶金学的接合部を形成するのに適した金属又は合金は、集束電子ビーム（ＥＢ）を使用して溶融させることができる。電子ビーム溶接法は、接合しようとする部品に対してビームを平行移動させかつ金属材料を局所的に溶融させることによって行われる。溶加材を加える又は消費する必要は全くなく、溶接は、実質的に材料厚に拘わりなく一度のパスで達成される。その結果、達成可能な溶接の品質及び特性は、ただ金属材料の組成によってのみ制御される。
【００２９】
ニッケル合金、ニッケル、ニッケル／銅合金及びニッケル／鉄合金は、電子ビーム（ＥＢ）溶接法を用いて冶金学的に接合することができる。本明細書に記載するようなディスクロータの場合には、上述しかつ良好な耐高温クリープ性を有するように設計した高温合金は、ＥＢ溶接法を用いて溶接することができる。幾つかケースでは、ＥＢ溶接法は、該ＥＢ法によって生じる最小限の冶金学的擾乱及び低い熱歪みの故に、アーク溶接法よりも好ましいものとなる場合がある。細心の注意を払って、溶接時における熱影響部（ＨＡＺ）の液化並びに高温合金の溶接後熱処理の間における割れ発生を回避すべきである。
【００３０】
別の実施例では、冶金学的接合部を形成するために、レーザ溶接法を採用することができる。レーザ溶接法は、レーザを使用して光エネルギーを発生させ、この光エネルギーを材料内に吸収させて熱エネルギーに変換することができる。電磁スペクトルの可視又は赤外線部分内の光ビームを使用することによって、エネルギーを集束させかつそのエネルギーを非常に小さい正確な個所に向けることができる送出光学装置を用いて、エネルギーをその供給源から材料に伝達することができる。レーザは干渉性放射線を放出するので、エネルギーのビームは、最小限の発散を有し、ビームの品質又はエネルギーを大きく低下させずに大きな距離を伝わることができる。レーザ溶接法は、熱エネルギーを小面積に効率よく加えるための代表的なものである。レーザ溶接法には、２つの異なる方式がある。１つの方式は、比較的薄い材料に対して使用される低出力法である。他の方式は、高出力法である。両方のケースとも、溶加材は殆ど使用されないので、溶接しようとする部品間の緊密な仮付け溶接（ディスクロータのケースでは、ハブに対するスポークセグメント、或いはスポークセグメントに対する翼形部）が必要である。
【００３１】
ＴＩＧ溶接法は、冶金学的接合部を形成できる手段のさらに別の実施例である。ニッケル合金は、ＴＩＧのようなガス遮蔽法を用いて融接することができる。この方法は、飛び散りがなくかつ部品歪みの少ない溶接を可能にする。溶接部は、溶加材金属を使用して又は使用することなく形成することができる。ＴＩＧ溶接法は、タングステンで作られた永久的不溶融電極を使用する。溶加材金属は、別個に加えられ、それによりこの方法に一層の融通性をもたせることができる。交流（ＡＣ）ＴＩＧ溶接法は、多くの場合に遮蔽ガスとしてアルゴンを使用する。ＡＣ−ＴＩＧ溶接法は、これもまた付加的な融通性をもたらす多目的の方法である。タングステン電極の直径を変更することによって、異なる材料厚において実質的に広範囲の熱入力で溶接を行うことができる。陰極を用いた直流（ＤＣ）ＴＩＧ溶接法は、約４ｍｍよりも大きい溶接厚さに対して使用される。しかしながら、陰極は、ＡＣ−ＴＩＧ溶接法又は金属−不活性ガス（ＭＩＧ）溶接法と比較した場合に、酸化物浄化性が弱い。従って、接合面の特別な浄化が必要となる場合がある。ＤＣ−ＴＩＧ溶接法は、ヘリウム遮蔽ガスを使用することができる。ヘリウム遮蔽ガスは、厚い材料セクション内へのより良好な溶込みを提供することができる。
【００３２】
本明細書に開示した溶接法は、単に例示的なものであって、限定的なものではない。ディスクロータの冶金学的接合部を形成するために選ばれる方法は、様々であって、それに限定されないが、材料特性、部品厚さ、部品ジオメトリ等々のような因子に応じて決めることができる。
【００３３】
前述したように、本明細書に記載するようなディスクロータは、現行のディスクロータよりも高いＡＮ２値を達成できる。さらに、本明細書に記載するような溶接型ディスクロータは、スポークセグメントがハブに対して固定取付けされた状態で、スポークセグメントと一体形になった翼形部を含む。従って、翼形部からの荷重は、スポーク内へ直接伝わることができ、そこから荷重は次に、ディスクハブに伝達される。リムが翼形部のための深い機械的取付けスロットを必要としないので、リムの有効荷重支持部分は、現行のディスクロータよりも改善される。リムの連続性を中断する多数の取付けスロットが無い状態で、本開示のリムは、より少ない材料を使用して、より大きな遠心荷重支持能力をロータに与える。従って、リムにおける死荷重つまり寄生荷重は、現行のディスクロータよりも低くなり、溶接型ディスクロータはまた、より少ない材料で同量又はより大きな量の可変外的荷重（つまり、翼形部荷重）に対処することができる利点がある。ディスクロータ当たりの使用材料がより少量であることによって、材料コスト、鍛造及び処理コスト、またプラント施設コストすらも、現行のディスクロータのそれよりも低減することができる。さらに、航空機用途の場合には、より軽量のディスクロータが、全エンジン重量を減少させることによって、燃料消費量を改善しかつ航空機飛行距離を増大させるのを助けることができる。
【００３４】
本明細書に開示した範囲は、包含的かつ組合せ可能である（例えば、「最大で約２５重量％まで、又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」という範囲は、「約５重量％〜約２５重量％」等の範囲の端点及び全ての中間値を包含する）。「組合せ」というのは、配合物、混合物、合金類、反応生成物等々を包含する。さらに、本明細書における「第１の」、「第２の」等々という用語は、何らの順位、数量又は重要度を意味するものではなく、１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞のない表現は、数量の限定を意味するものでははく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量と関連して使用する「約」という修飾語は、そこに提示した数値を包含しかつ文脈によって定まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に関連するある程度の誤差を含む）。本明細書で使用する場合における「１以上の」という表現は、それが修飾する用語の対象物の単数及び複数の両方を含むことを意図しており、それ故に１以上の用語の対象物を含む（例えば、１以上の着色剤という表現は、１以上の着色剤を含む）。本明細書全体にわたって使用する「一実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」等々という表現は、その実施形態に関連して記述した特定の要素（例えば、特徴、構造及び／又は特性）が、本明細書に記載した１以上の実施形態に含まれ、またその他の実施形態内には存在させることも又は存在させないこともできることを意味している。加えて、記述した要素は、様々な実施形態においてあらゆる適当な方法で組合せることができることを理解されたい。
【００３５】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができることまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることを理解されたい。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、それを実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】翼形部を機械的に取付けるための取付けスロットを備えた先行技術のディスクロータセクションの断面図。
【図２】翼形部を機械的に取付けるための取付けスロット及びボルト孔を備えた先行技術のディスクロータの斜視図。
【図３】その上に一体形翼形部を有する例示的なディスクロータのセグメントの前面斜視図。
【図４】一体形翼形部を有しかつディスクハブに固定取付けされたスポークセグメントを側面斜視図。
【図５】その上に一体形に形成された翼形部を備えたベベル形状を有する例示的なスポークセグメントの別の斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ロータセクション
１２  リム
１４  ウェブ
１６  ディスクハブ
１８  取付けスロット
２０  荷重伝達ラグ
２２  円周方向支持区域を示す一点鎖線
２４  ライブリム半径を示す矢印
５０  ディスクロータ
５２  取付けスロット
５４  ボルト孔
１００  ロータセグメント
１０２  翼形部
１０４  スポークセグメント
１０６  ハブ
１０８  ウェブ
１１０  リム部分
２００  スポークセグメント
２０２  ベース部分
２０４  リム部分
２０６  翼形部
２０８  ハブ
３００  スポークセグメント
３０２  翼形部
３０４  リム部分
３０６  ハブ
３０８  ベース部分
３１０  ランド
【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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