JP4870954B2 - ガスタービンエンジンロータ組立体を組立てるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータ組立体を組立てるための方法及び装置に関する。

少なくとも幾つかの公知のロータ組立体は、幾つかの用途ではバケットとして知られる少なくとも１つの列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された正圧側面及び負圧側面を備えた翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはさらに、ダブテールを含み、ダブテールは、プラットフォームと該ダブテールとの間で延びるシャンクから半径方向内向きに延び、ロータ組立体内でロータブレードをロータディスク又はスプールに取付けるのに使用される。少なくとも幾つかの公知のブレードは中空であり、翼形部、プラットフォーム、シャンク及びダブテールによって少なくともその一部が形成された内部冷却空洞を含む。

作動中、ブレードの列における円周方向に隣接するブレード間の間隙は、初期エンジン作動時及び／又は過渡作動時に、各ブレード間に配置したプラットフォームシールピンに拘束（バインディング）を引き起こす可能性がある。このようなバインディングは、プラットフォームシールピンを変形させ、プラットフォーム内に割れ発生を引き起こし、及び／又はブレードのシャンク領域と高温ガス路との間のシールを有効でないものにするおそれがある。シール効率を高めることにより、熱応力を最小にするのを可能にすることによってブレードの寿命を増大させることができる。従って、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、ブレードの端部カバープレート内に形成された対応するノッチと係合するように機械加工した円筒形ピンを使用して、ピンのバインディングを減少させるのを可能にしてきた。しかしながら、このようなピンもまた、作動中にバインディングを示している。

特開２００４−５２１２１９号公報

１つの実施形態では、ガスタービンエンジン用のロータ組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、翼形部と、プラットフォームと、プラットフォームから半径方向内向きに延びかつプラットフォーム水平シールピンスロットを備えたシャンクと、シャンクから半径方向内向きに延びるダブテールとを含む第１のロータブレードを設ける段階と、ダブテールを使用して第１のロータブレードをロータシャフトに結合する段階と、第１及び第２のブレード間にシャンク空洞が形成されるように第２のロータブレードをロータシャフトに結合する段階とを含む。本方法はさらに、第１及び第２のロータブレードプラットフォーム間に形成された間隙を実質的にシールするように、第１の端部と第２の端部とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形本体とを含みかつスロットと摩擦係合するような寸法にされ、その第１及び第２の端部の少なくとも１つが、本体の断面積よりも小さい断面積を有するようになったシールピンをプラットフォーム水平シールピンスロット内に挿入する段階を含む。

別の実施形態では、ガスタービンエンジンロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、ロータシャフト、第１のブレード、第２のブレード及びシールピンを含む。第１のブレードは、ロータシャフトに結合され、第１のプラットフォームとプラットフォームから半径方向内向きに延びる第１のシャンクとを含む。第１のシャンクは、シールピンスロットを備えた少なくとも１つの側壁を含む。第２のブレードは、第２のプラットフォームと第２のプラットフォームから半径方向内向きに延びる第２のシャンクとを含む。第２のブレードは、第１及び第２のプラットフォーム間に間隙が形成されまた第１及び第２のシャンク間にシャンク空洞が形成されるように、第１のブレードに隣接してロータシャフトに結合される。シールピンは、シールピンスロット内に挿入され、第１の端部と第２の端部とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形本体とを含む。第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つは、本体の第１の断面積よりも小さい断面積を有する。

さらに別の実施形態では、ロータシャフトとロータシャフトに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードとを含むガスタービンエンジンロータ組立体用のロータブレードシールピンを提供する。各ロータブレードは、プラットフォームとシャンクとを含み、シャンクは、プラットフォームから半径方向内向きに延びる。ロータブレードシールピンは、第１の端部及び第２の端部と、プラットフォームに隣接して形成されたロータブレードシールピンスロットと摩擦係合するような寸法にされた第１の断面積を有するほぼ円筒形本体とを含む。第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つは、本体の第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有する。

図１は、発電機１６に連結された例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンシステム１０は、単一のロータ又はシャフト１８を介して連結された、圧縮機１２、タービン１４及び発電機１６を含む。別の実施形態では、シャフト１８は、複数のシャフトセグメント（図示せず）に分割されており、各シャフトセグメントが隣接するシャフトセグメントに結合されてシャフト１８を形成する。圧縮機１２は、燃焼器２０に加圧空気を供給し、燃焼器２０において、空気は、ストリーム２２によって供給された燃料と混合される。１つの実施形態では、エンジン１０は、サウスカロライナ州グリーンビル所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能な７ＦＡ＋ｅ型ガスタービンエンジンである。

作動時には、空気は圧縮機１２を通って流れ、加圧空気が燃焼器２０に供給される。燃焼器２０からの燃焼ガス２８は、タービン１４を推進する。タービン１４は、長手方向軸線３０の周りで、シャフト１８、圧縮機１２及び発電機１６を回転させる。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる例示的なロータディスク３６の下流側面の概略図である。ロータディスク３６は、その中に形成された複数のブレードスロット３８を含み、図２に示した複数のブレードスロット３８の２つにおいて示すようにブレード４０を受けるような寸法にされる。この例示的な実施形態では、隣接するブレード４０は、ほぼ同一であり、その各々はロータディスク３６から半径方向外向きに延びかつ翼形部４２、プラットフォーム４４、シャンク４６及びダブテール４８を含む。この例示的な実施形態では、翼形部４２、プラットフォーム４４、シャンク４６及びダブテール４８は、まとめてバケットとして知られている。

翼形部４２は、プラットフォーム４４から半径方向外向きに延び、シャンク４６は、プラットフォーム４４から半径方向内向きに延びる。シャンク４６は、該シャンク４６を貫通してプラットフォーム４４とダブテール４８との間でほぼ半径方向に延びる後縁ラジアルシールピンスロット５０を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、後縁ラジアルシールピンスロット５０は、シャンク４６の下流側壁５２内部に形成されかつシャンク４６の凸面形側壁５４に隣接している。

シャンクシールピンスロット５０は、ラジアルシールピン５６を受けて、隣接するロータブレード４０がロータディスク３６内に結合されたときに、隣接するロータブレードシャンク４６間をシールするのを可能にするような寸法にされる。プラットフォーム水平シールピン５８が、プラットフォーム水平シールピンスロット（図２には図示せず）内に配置されてシャンク４６を高温燃焼ガス２８からシールするのを可能にする。

図３は、ロータブレード４０の第１の側面４４から見た、ロータブレード４０の拡大斜視図である。１つの実施形態では、ブレード４０は、新たに鋳造したブレード４０である。別の実施形態では、ブレード４０は、本明細書で記載した特徴を含むように改造したブレード４０である。

ロータ組立体１０内に結合されたとき、各ロータブレード４０は、ロータディスク３６に結合され、従って、シャフト１８（図１に示す）のようなロータシャフトに回転可能に結合される。別の実施形態では、ブレード４０は、ロータスプール（図示せず）内に取付けられる。

各翼形部４２は、第１の側壁７０及び第２の側壁７２を含む。第１の側壁７０は、凸面形でありかつ翼形部４２の負圧側面を形成し、第２の側壁７２は、凹面形でありかつ翼形部４２の正圧側面を形成する。側壁７０及び７２は、翼形部４２の前縁７４及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁７６において互いに接合される。より具体的には、翼形部後縁７６は、翼形部前縁７４から翼弦方向かつ下流方向に間隔を置いて配置される。

第１及び第２の側壁７０及び７２はそれぞれ、プラットフォーム４４に隣接して位置するブレード根元７８から翼形部先端（図示せず）までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。翼形部先端は、ブレード４０内部に形成された内部冷却チャンバ（図示せず）の半径方向外側境界部を形成する。より具体的には、内部冷却チャンバは、翼形部４２内部で側壁７０及び７２間に境界付けられ、プラットフォーム４４を貫通し、シャンク４６を貫通して、少なくともその一部がダブテール４８内に延びる。

プラットフォーム４４は、各翼形部４２が各それぞれのプラットフォーム４４から半径方向外向きに延びるように翼形部４２とシャンク４６との間で延びる。シャンク４６は、プラットフォーム４４からダブテール４８まで半径方向内向きに延び、ダブテール４８は、シャンク４６から半径方向内向きに延びてロータブレード４０をロータディスク３６に固定するのを可能にする。プラットフォーム４４はまた、正圧側端縁部（図示せず）及び対向する負圧側端縁部９６で互いに結合された上流側面又はスカート９０及び下流側面又はスカート９２を含む。ロータブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき、隣接するロータブレードプラットフォーム４４間に間隙９７が形成され、従って、この間隙はプラットフォーム間隙として知られている。

シャンク４６は、該シャンク４６の上流側壁１２４及び下流側壁１２６において互いに接合されたほぼ凹面形の側壁（図示せず）及びほぼ凸面形の側壁５４を含む。従って、シャンクの凹面形側壁は、それぞれ上流及び下流側壁１２４及び１２６に対して陥凹しており、バケット４０がロータ組立体内に結合されたとき、隣接するロータブレードシャンク４６間にシャンク空洞９８が形成されるようになる。

この例示的な実施形態では、前方エンゼルウィング１３０及び後方エンゼルウィング１３２が各々、それぞれのシャンク側面１２４及び１２６から外向きに延びて、ロータ組立体内部に形成された前方及び後方エンゼルウィングバッファ空洞（図示せず）をシールするのを可能にする。その上、前方下部エンゼルウィング１３４もまた、シャンク側面１２４から外向きに延びてバケット４０とロータディスクとの間をシールするのを可能にする。より具体的には、前方下部エンゼルウィング１３４は、ダブテール４８と前方エンゼルウィング１３０との間のシャンク４６から外向きに延びる。

この例示的な実施形態では、プラットフォーム４４の部分１８４は、プラットフォーム負圧側端縁部９６に沿って面取されるか又はテーパ状にされる。別の実施形態では、プラットフォーム４４は、面取り部分を含まない。より具体的には、面取り部分は、プラットフォームの下流スカート９２に隣接したプラットフォーム半径方向外面１８６にわたって延びる。

この例示的な実施形態では、シャンク４６は、前縁ラジアルシールピンスロット２００と後縁ラジアルシールピンスロット５０とを含む。別の実施形態では、シャンク４６は、スロット２００及び５０の１つのみ含むか又はいずれも含まないようにすることができる。具体的には、各シールピンスロット２００及び５０は、シャンク４６を貫通してプラットフォーム４４とダブテール４８との間でほぼ半径方向に延びる。より具体的には、前縁ラジアルシールピンスロット２００は、シャンク凸面形側壁５４に隣接してシャンク上流側壁１２４内部に形成され、また後縁ラジアルシールピンスロット５０は、シャンク凸面形側壁５４に隣接してシャンク下流側壁１２６内部に形成される。

各シャンクシールピンスロット２００及び５０は、その中にラジアルシールピン５６を受けるような寸法にされて、ロータブレード４０がロータ組立体１０内に結合されたとき、隣接するロータブレードシャンク４６間をシールするのを可能にする。前縁ラジアルシールピンスロット２００は、その中にラジアルシールピン５６を受けるような寸法にされているが、この例示的な実施形態では、ロータブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき、シールピン５６は、後縁シールピンスロット５０内に配置されるのみで、スロット２００は空の状態のままである。

シャンク４６はまた、該シャンク４６を貫通してシャンク側面１２４及び１２６間でほぼ軸方向に延びるプラットフォーム水平シールピンスロット２０２を含む。より具体的には、プラットフォーム水平シールピンスロット２０２は、シャンク凸面形側壁５４とプラットフォーム４４との間に形成され、軸線３０にほぼ平行である。プラットフォーム水平シールピンスロット２０２は、その中にプラットフォーム水平シールピン５８を受けるような寸法にされて、シャンク４６の低圧側面を燃焼ガス２８からシールするのを可能にする。プラットフォーム水平シールピンスロット２０２は、一対の対向する半径方向に間隔をおいて配置された側壁２１０及び２１２によって形成され、シャンク側面１２４及び１２６間でほぼ軸方向に延びる。この例示的な実施形態では、側壁２１０及び２１２はほぼ平行である。

図４は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる例示的なプラットフォーム水平シールピン５８の概略拡大側面図である。図５は、ピン５８の第１の端部４００の拡大図である。プラットフォーム水平シールピン５８は、端部４００と第２の端部４０２とそれらの端部間で延びるほぼ円筒形の本体４０４とを含む。本体４０４は、外周面４０５を有しかつ長手方向軸線４０６の周りでほぼ対称である。

第１の端部４００は第１の端面４０８を含み、第２の端部４０２は第２の端面４１０を含む。この例示的な実施形態では、各端面４０８及び４１０は、ほぼ平面であり、長手方向軸線４０６に対して斜めに延びる。別の実施形態では、端面４０８及び／又は４１０の少なくとも１つは、長手方向軸線４０６に対してほぼ垂直に形成される。さらに別の実施形態では、端面４０８及び／又は４１０の少なくとも１つは、非平面状に形成される。この例示的な実施形態では、第１の平坦面４１２が、第１の端面４０８から第２の端部４０２に向かってほぼ軸方向に第１の距離４１４だけ延びて、ほぼ平面状の面が面４１２によって形成されるようになる。別の実施形態では、ほぼ平面状の面を有する第２の平坦面４１８が、平坦面４１８及び４１２の面がほぼ平行になるように形成される。第２の平坦面４１８は、第１の端面４０８から第２の端部４０２に向かって軸方向に第２の距離４２０だけ延びる。

この例示的な実施形態では、第３の平坦面４２２が、第２の端面４１０から第１の端部４００に向かって軸方向に第３の距離４２４だけ延びて、ほぼ平面状の面を形成する。別の実施形態では、ほぼ平面状の面を有する第４の平坦面４２６が、平坦面４２２及び平坦面４２６の面がほぼ平行になるように形成される。第４の平坦面４２６は、第２の端面４１０から第１の端部４００に向かって軸方向に第４の距離４２８だけ延びる。

この例示的な実施形態では、平坦面４１２、４１８、４２２及び４２６を形成するようにフライス加工された本体４０４の部分は、約２０ミルである。別の実施形態では、他の寸法を選択することができる。平坦面４１２、４１８、４２２及び４２６は、同様に形成されかつ同様に機能し、従って、平坦面４１２のみについて以下に説明する。図５を参照すると、この例示的な実施形態では、各平坦面４１２は、半径部分４３０と隣接する面取り部分４３２とを含む。半径部分４３０は、平坦面４１２を形成するために使用するフライス加工工具の直径によって形成され、面取り部分４３２は、フライス加工及び／又は他の機械加工工程により生じる可能性があるシャープエッジを実質的に排除するように形成される。半径部分４３０及び面取り部分４３２は共に、平坦面４１２と本体４０４の外周面４０５との間で延びるほぼテーパ状の面を形成する。

タービン１４の組立時には、プラットフォーム水平シールピン５８をプラットフォーム水平シールピンスロット２０２内にほぼ軸方向に挿入して、隣接するブレード４０の各対のプラットフォーム９２とシャンク空洞との間の燃焼ガス流のための通路をシールするのを可能にする。過渡作動及びエンジン始動工程の間には、燃焼ガス２８の通路内の作動状態は、例えば燃焼ガスの温度が上昇又は低下することになるなど比較的急激に変化することになる。このような温度変化は、ブレード４０及びロータディスク３６の構成部品の間に温度勾配を引き起こし、このことにより、構成部品は、一般的に材料の差によって隣接する係合構成部品とは異なる速度で膨張又は収縮することになる。構成部品の膨張又は収縮は、例えばブレードプラットフォーム９２などの隣接する構成部品間に相対運動を引き起こすことになる。プラットフォーム水平シールピン５８もまた、このような温度過渡時にはプラットフォーム水平シールピンスロット２０２に対して運動することになる。このような運動の間に、外周面４０５は、側壁２１０及び２１２と摩擦係合状態で摺動する。摺動過程の間に、プラットフォーム水平シールピン５８が、例えば側壁２１０及び２１２と係合するプラットフォーム水平シールピン５８の端部によってプラットフォーム水平シールピンスロット２０２内に拘束（バインディング）されて、端部が側壁２１０及び２１２を堀込む又はえぐるようになり、それによって、プラットフォーム水平シールピン５８がプラットフォーム水平シールピンスロット２０２内で摺動できなくなる。このような場合には、プラットフォーム水平シールピン５８は変形することになり、付加的な応力がプラットフォーム水平シールピンスロット２０２に加わり、プラットフォーム水平シールピンスロット２０２近傍に割れが発生するようになる。本発明の１つの実施形態によると、本体４０４の一部分を除去して平坦面４１２、４１８、４２２及び４２６を形成しかつ外周面４０５と平坦面４１２、４１８、４２２及び４２６との間に傾斜面を形成することによって、プラットフォーム水平シールピン５８が摺動不能な状態で側壁２１０及び２１２と係合するようになる可能性を減少させることが可能になる。

上記のプラットフォームシールピンは、隣接するブレードプラットフォームとシャンク空洞との間の間隙をシールする、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。より具体的には、プラットフォーム内部に生じる熱的及び機械的応力並びにプラットフォームの作動温度を低下させることが可能になる。従って、プラットフォームの割れ発生も減少させることが可能になる。その結果、ロータブレード水平シールピンにより、費用効果がありかつ信頼性がある方法でロータ組立体の有効寿命を延ばしかつガスタービンエンジンの作動効率を向上させることが可能になる。

以上、ロータブレードシールピン及びロータ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ロータブレードシールピンは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各ロータブレードシールピンの特徴は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、各ロータブレードシールピンの特徴はまた、他のロータブレードと組合せて使用することもでき、また本明細書に記載したようなロータブレード４０のみに実施することに限定されるものではない。むしろ、本発明は、他の多くのブレード及びロータ構成と組合せて実施及び利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示したガスタービンエンジンで使用することができる例示的なロータディスクの下流側面の概略図。 ロータブレードの第１の側面から見た、図１に示したロータブレードの拡大斜視図。 図３に示したロータブレードで使用することができる例示的なプラットフォーム水平シールピンの概略拡大側面図。 図４に示したシールピンの端部の拡大図。

符号の説明

３６ ロータディスク
４０ ブレード
４２ 翼形部
４４ プラットフォーム
４６ シャンク
４８ ダブテール
５０ 後縁ラジアルシールピンスロット
５２ シャンクの下流側壁
５４ シャンクの凸面形側壁
５６ ラジアルシールピン
５８ プラットフォーム水平シールピン
９７ プラットフォーム間隙
９８ シャンク空洞
２００ 前縁ラジアルシールピンスロット
２０２ プラットフォーム水平シールピンスロット
４００、４０２ シールピンの端部
４０４ シールピンの本体
４１２、４１８、４２２、４２６ シールピンの平坦面

Claims (9)

1. ロータシャフト（１８）と、
   前記ロータシャフトに結合され、第１のプラットフォーム（４４）と前記プラットフォームから半径方向内向きに延びかつシールピンスロット（２０２）を備えた側壁（５４）を有する第１のシャンク（４６）とを含む第１のブレード（４０）と、
   第２のプラットフォームと前記第２のプラットフォームから半径方向内向きに延びる第２のシャンクとを含み、前記第１及び第２のプラットフォーム間に間隙（９７）が形成されまた前記第１及び第２のシャンク間にシャンク空洞（９８）が形成されるように、前記第１のブレードに隣接して前記ロータシャフトに結合された第２のブレードと、
   前記シールピンスロット内に挿入され、第１の端部（４００）と第２の端部（４０２）とそれらの端部間で延びる円筒形本体（４０４）とを含み、前記第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つが前記本体の断面積よりも小さい断面積を有するシールピン（５８）と、
   を含み、
   前記第１及び第２の端部の少なくとも１つは、前記本体の外周面（４０５）からテーパする半径部分（４３０）を有し、
   前記第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つが、平坦面（４１２、４１８、４２２、４２６）を含み、
   前記本体が、面取り部分（４０５）を備え、
   前記半径部分（４３０）及び前記面取り部分が前記平坦面及び前記本体の外周面（４０５）間でテーパ状になっていることを特徴とする、ガスタービンエンジンロータ組立体。
2. 前記シールピンスロットが、前記プラットフォームに隣接して形成され、前記ロータの長手方向軸線（３０）に平行に延びる、請求項１記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
3. 前記シールピンが、前記ロータブレード間を円周方向にシールするのを可能にする、請求項１記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
4. 前記第１の端部及び第２の端部が各々、平坦面を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
5. 前記第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つが、少なくとも２つの平坦面を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
6. 前記第１の端部及び第２の端部の少なくとも１つが、互いに平行な少なくとも一対の平坦面を含む、請求項５記載のガスタービンロータエンジン組立体。
7. 前記第１の平坦面が、前記第２の端部に向かって軸方向に第１の距離（４１４）だけ延び、前記第２の平坦面が、前記第２の端部に向かって軸方向に第２の距離（４２０）だけ延び、前記第１の距離が前記第２の距離とは異なっている、請求項６記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
8. 前記第１の端部及び第２の端部が各々、少なくとも２つの平坦面を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
9. 前記半径部分及び前記面取り部分が、前記シールピン（５８）が前記シールピンスロットの側壁（２１０、２１２）に摺動不能な状態で係合することを防止する、請求項１に記載のガスタービンエンジンロータ組立体。
   

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