JP2005016520A - ターボマシン用ロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】プラットフォーム間の漏れを防止するブレードを提供する。
【解決手段】本発明のガスタービンエンジンのコンプレッサのブレードは、コンプレッサのロータの周溝に挿入されるハンマータイプの根元部と、根元部１１と一体に形成されエーロフォイル部１３を支持するプラットフォーム１２とを有し、プラットフォームが、ロータの軸に垂直な２つの端部２０、２１と、２つの曲線状のフランク２２、２３とを有する。フランクの曲線は、等式によって定義される少なくとも１つの曲線から成り、曲率半径が最も小さい曲線の点の曲率中心は、バンドＢ内に位置し、このバンドＢは、プラットフォームの中心に位置し、かつ平行する直線状の端部２０、２１の間で測定されるプラットフォーム１２の幅Ｄの６０％を占め、曲線を定義する等式は、数学的関数の意味において、連続的でありかつ連続する一次導関数を有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ターボマシンのロータへのブレードの固定に関し、特にガスタービンエンジン用の軸流コンプレッサのロータブレードに関する。

ターボジェットエンジンにおいて、コンプレッサの高圧段は、一般的にロータの周溝内に多数のブレードを含む。ブレードは根元部を有し、そこにエーロフォイル（ａｉｒｆｏｉｌ）部を支持するプラットフォームが取り付けられる。ブレードは、いわゆるハンマー根元部タイプのブレードと言われ、ロータの周溝の形状と合う形状を有し、これが遠心径方向にバックアップ面を形成するフランクを呈する。

図１からわかるように、従来技術のコンプレッサは、プラットフォーム２が矩形で、そのフランク３がロータ軸１と平行であった。

コンプレッサの改善されたスループットは、ブレードのピッチを小さくし、エンジン軸に対する傾斜角を増大させた。従って、図２からわかるように、より多くの数のブレードを収容するためには、プラットフォームのフランクを傾ける必要が生じた。

回転軸１に垂直に印加される、例えば慣性荷重および空力荷重などの荷重により、ブレードは、エーロフォイル部４の長手方向軸の周りを枢動される。プラットフォーム２は、図３に示すような位置を取るために、相互に摺動する。そして、プラットフォーム２は、最も短い周の寸法に従って、すなわち幅ｌ’に沿って、当初の幅ｌよりも小さいロータ５の面に対して積み重ねられるようになる。言い換えると、プラットフォーム２は、可動中はロータ５の面に対してその最も短い幅になる。

プラットフォーム２のこの摺動は、ブレードの根元部とそのハウジングとの間に存在する隙間、およびプラットフォーム２とそのハウジングとの間に存在する隙間によって可能となる。

しかし、この摺動には様々な欠点がある。

寸法ｌ’は寸法ｌよりも小さいため、プラットフォームに大きな隙間が生じ、それが漏れの原因となる。

これは、エーロフォイル部４の設定角度が増大する方向へブレードの回転を促すため、コンプレッサのスループットにとって不都合を生じる。

根元部が、正しく収まるよう構成された表面上のハウジング内に正しく収まらず、表面のハンマリング、およびディスクとブレード根元部内の局所的な荷重水準の増加をもたらす。

また、エーロフォイル部の端部２の長さを調整する動作中、遠心荷重は、ブレードを正しい位置に戻すのに十分ではないことにも留意されたい。低速では、ブレードは、枢動し摩擦によって不正な位置にロックされ、高回転速度になっても正しい位置に再び戻ることはできない。

そこで、プラットフォームのフランクに、接線荷重によって各ブレードにもたらされる同じ回転について、互いにスリップして接触荷重が回転と反対になるようなプロファイルを与えようと試みが成されてきた。

米国特許第４，８７８，８１１号明細書には、傾斜部によって接続された、回転軸に平行でオフセットされた２つの直線部をフランクが含むプラットフォームが記載されている。この解決方法の目的は、エーロフォイル部の回転を減少させ、プラットフォーム同士のスリップを制限することによってプラットフォーム間の漏れを防止することである。しかし、各フランクは幾つかの機械加工実体を伴うため、これにはプラットフォームの困難な機械加工が必要となる。
米国特許第４，８７８，８１１号明細書

本発明は、これらの欠点を改善することを目的とする。

そのため、本発明はターボマシンのロータブレードに関し、ロータブレードは、ロータの長手方向の環状溝に挿入された根元部と、根元部と一体に形成されエーロフォイル部を支持するプラットフォームとを備え、このプラットフォームは、２つの長手方向端部および曲線を形成する２つの曲げられたフランクを有し、曲線は、等式によって定義される少なくとも１つの曲線から成り、曲率半径が最小となる曲線内の点の曲率中心は、バンド内に位置し、このバンドは、プラットフォームの中心に位置し、かつ平行する直線の端部の間で測定されるプラットフォームの幅の６０％を占め、曲線を定義する等式は、数学的関数の意味において、連続的でありかつ連続する一次導関数を有することを特徴とする。

プラットフォームの曲がったフランクのこの定義により、ブレードが正しく設置されなくても、ロータが回転するとブレードは自然に正しい位置に戻る。さらに、プラットフォームのフランクは、単一の機械加工実体で機械加工されることができる。

本発明は、特に、ガスタービンエンジンのコンプレッサ用のロータブレードに関するが、出願人は、本出願の権利の範囲を限定することを意図しない。

本発明は、添付の図面を参照し、本発明によるブレードの好適な実施形態に関する以下の説明を用いることによって、より良く理解されるであろう。

図４を参照すると、本発明のブレード１０は、上方に向かってテーパー状の長円形の基部を有するため、いわゆるハンマー根元部タイプである根元部１１を有し、根元部１１はブレード１３を支持するプラットフォーム１２と一体にされる。

根元部１１は、コンプレッサのロータ１５の環状溝１４内に挿入され、その上面１１’は、ロータ１５の回転時に遠心力によって溝の内壁に押し当てられる。

ブレード１３を支持するプラットフォーム１２の上部１７よりも幅の狭い下部１６は、ロータ１５のリム１８に対して側方に搭載され、隙間が形成される。隙間によって、溝１４内のブレード１０のアセンブリが可能となる一方、根元部１１の上面１１’がロータ１５の回転時に溝１４の内壁に接触するまで、ブレード１０の上昇が可能となる。

ブレード１０の根元部１１およびエーロフォイル部１３の幾何形状を定義するのが、当業者の義務であるが、本発明は、プラットフォーム１２の形状にある。

図５を参照すると、本発明のプラットフォーム１２は、上方から見た平面図として、ロータ軸に垂直の２つの直線状の横断方向端部２０、２１を有する。また、両端を連結する曲線状のフランク２２、２３を含む。

本発明の１つの目的は、フライスの迎角を変えずに、すなわち単一の機械加工実体を用いて、プラットフォーム１２のフランク２２、２３の機械加工を可能にすることである。従って、ブレード１２がブレード１３の長手方向軸６に沿って枢動すべきでないという背景において、本発明のプラットフォーム１２のフランク２２、２３の輪郭を描く曲線は、一定の条件を満たす。

従って、プラットフォーム１２のフランク２２、２３の輪郭を描く曲線は、以下の条件を満たす、等式によって定義される１つの曲線から、または等式によって定義される一組の曲線から構成されなければならない。この条件とは、曲線の最も曲げられた部分の曲率中心、すなわち最も小さい曲率半径に対応する曲率中心が、直線状の平行する端部２０、２１の間で測定されるプラットフォーム１２の幅Ｄの６０％を占める、プラットフォーム１２の中心のバンドＢ内に含まれなければならないというものである。更に、曲線は、数学的関数の意味において、連続的であり連続する一次導関数を伴う必要がある。

特に、プラットフォームのフランク２２、２３の輪郭を描く曲線は、接線円（ｔａｎｇｅｎｔ ｃｉｒｃｌｅ）のアセンブリによって定義されてもよく、最も半径の小さい円の中心は、上記したバンドＢ内にあるべきである。

曲線はまた、例示目的において、螺旋、エピサイクロイド（ｅｐｉｃｙｃｌｏｉｄ）、またはサークルインボリュート（ｃｉｒｃｌｅ ｉｎｖｏｌｕｔｅ）などの曲線を用いて定義されてもよい。

図５の３つのプラットフォーム１２が、ブレード１３の長手方向軸６の周りを枢動した後をシミュレートする図６を参照すると、ブレードアセンブリ５の面に対するプラットフォーム１２によって示される幅Ｌ’は、正しく設けられた場合のブレード１２によって示される長さＬよりも大きく、すなわち隣同士のプラットフォームのフランク２２、２３が隣接し、その端部２０、２１が同一直線上にあることが分かる。幅Ｌ’は幅Ｌよりも大きく、前提部分で述べた通り、図５に示すように、プラットフォームはロータ回転時に正しい位置に戻る傾向にある。

図５の３つのプラットフォーム１２がシミュレートされる図７を参照すると、隣接するフランク２２、２３に沿って相互に摺動した後、すなわち隣接するものが互いに同線上を維持することなく端部２０、２１をオフセットすることによって、ブレードアセンブリ５の面に対するプラットフォーム１２によって示される幅Ｌ’’は、正しく設けられたブレードによって示される長さＬよりも大きいことが分かる。同様に、この場合、ブレードはロータ回転時に正しい位置に戻る傾向がある。

本発明によるブレード１０のロータ１２の周りの構成は、ブレード１０が溝１４に１つずつ挿入され、一定数のロックで周囲をブロックされていることから、従来のものである。

本発明のプラットフォーム１２の下部１６は、フランク２２、２３で上部１７と隣接し、端部２０、２１では上部１７の幅が小さい。

従来技術のコンプレッサの回転軸に平行なフランクを有するブレードを下から見た概略図である。 従来技術のコンプレッサの回転軸に対して平行なフランクを有するブレードを上から見た概略図である。 従来技術のコンプレッサの回転軸に対して傾斜している平行なフランクを有するブレードの摺動を上から見た概略図である。 本発明によるブレードの側方概略図である。 本発明の３枚のブレードを下から見た概略図である。 エーロフォイル部の長手方向軸に沿って回転した後の、本発明の３枚のブレードを上から見た概略図である。 フランクに沿って摺動した後の、本発明の３枚のブレードを上から見た概略図である。

符号の説明

１ ロータ軸
２、１２ プラットフォーム
３ フランク
４、１３ エーロフォイル部
５、１５ ロータ
６ 長手方向軸
１０ ブレード
１１ 根元部
１１’ 上面
１４ 周溝
１７ 上部
１６ 下部
１８ リム
２０、２１ 端部
２２、２３ フランク
Ｂ バンド
Ｄ、ｌ、ｌ’、Ｌ、Ｌ’、Ｌ’’ 幅

Claims (4)

1. ターボマシンのロータのブレード（１０）であって、ロータ（１５）の周溝（１４）に挿入されるハンマータイプの根元部（１１）と、根元部（１１）と一体に形成されエーロフォイル部（１３）を支持するプラットフォーム（１２）とを含み、該プラットフォーム（１２）が、ロータの軸に垂直な２つの端部（２０、２１）と、２つの曲線のフランク（２２、２３）とを有し、フランクの曲線が、等式によって定義される少なくとも１つの曲線から成り、曲率半径が最も小さい曲線の点の曲率中心が、バンド（Ｂ）内に位置し、該バンド（Ｂ）が、プラットフォームの中心に位置し、かつ平行する直線状の端部（２０、２１）の間で測定されるプラットフォーム（１２）の幅（Ｄ）の６０％を占め、曲線を定義する等式が、数学的関数の意味において、連続的でありかつ連続する一次導関数を有することを特徴とする、ブレード。
2. 曲線が接線円のアセンブリからなる、請求項１に記載のブレード（１０）。
3. 曲線が、螺旋、エピサイクロイド、またはサークルインボリュート等の曲線によって定義される、請求項１または２に記載のブレード（１０）。
4. ガスタービンエンジンのコンプレッサのロータブレードである、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。

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