JPH0366482B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ターボ機械ロータ組立体に関し、特
に、このような組立体におけるロータスプールに
圧縮機動翼とタービン動翼のような動翼を固定す
るための動翼装着手段に関する。本発明の動翼装
着手段は、周方向のダブテールおよびロータスプ
ール溝構造を有するガスタービンエンジン等の用
途に特に有用である。

軸流ガスタービンエンジンに用いる通常のロー
タ構造体は、ガスタービンの縦軸線に対して部分
的に半径方向外方に傾斜しかつガスタービン内に
環状流体流路を画成する表面を有する比較的薄い
ドラムまたはロータスプールと、このスプールに
周方向列をなして固着された複数の動翼部材とを
含む。流路はさらにガスタービン外側流路壁によ
つて画成され、この流路壁はしばしば、タービン
縦軸線に対してやはり半径方向外方に傾斜する一
部分を有する。外側流路壁の傾斜角は約15〜20度
を超えることがある。

通例、圧縮機とタービンの動翼列と、それらの
間の静翼列は、軸流ターボ機械のタービン部およ
び（または）圧縮機部において、各翼の縦軸線が
タービン縦軸線にほぼ垂直となるように方向づけ
られている。外側流路壁の大きな傾斜は動翼端に
対して鋭角をなし、その結果、流体流線は動翼端
に鋭角で衝突する。この構成の結果、乱流による
翼端空力損失が生じ、従つて、タービン部と圧縮
機部の効率が低下する。

動翼の空気力学的効率を高める一構成では、動
翼と静翼が流れに対して均一に傾斜しており、従
つて、動翼と静翼は流線に対する直交位置にさら
に接近するように方向づけられている。この傾斜
翼構成はターボ機械の圧縮機部および（または）
タービン部に利用し得るものである。例えば、軸
流ガスタービンエンジンのタービン部における傾
斜構成の使用は、本発明と関連する米国特許出願
「タービン装置」に開示されている。この引例は
本発明の譲受人に譲渡されたもので、参照により
ここに包含される。タービン傾斜翼構成の使用は
翼端損失を減らす効果があるので、タービン構造
体の空力効率を高める。しかし、タービン動翼を
傾斜させることにより、動翼に作用する遠心曲げ
力が生じ、その結果動翼装着部に余分な力がかか
る。

ロータスプールに動翼部材を保持するための従
来の動翼装着部の一種は、翼形部の基部と一体に
形成されかつロータスプールの外面とほぼ平行に
配置されたプラツトホームと、このプラツトホー
ムと一体に形成された根部またはダブテールとを
含み、このダブテールは１対の横方向逆向きに延
在する半径方向に対称のダブテール肩部また歯部
を画成するくびれ部を有する。ダブテールの下面
または基面はタービンの縦軸線または中心線にほ
ぼ平行である。

ダブテールは、慨して空気力学的機能を持たな
い動翼支持構造体に固着される。このような構造
体は、例えば、ダブテールと係合するように形成
された周方向溝を有する厚い環状ロータスプール
部である。該溝は、動翼がロータから半径方向に
飛出さないように動翼ダブテールを固定するのに
有効である。動翼ダブテールを動翼保持溝内に組
込むには、通常、スプールの外周に沿つて１個以
上の個別点において溝に切込んだ狭い装着用スロ
ツトによつて動翼ダブテールを挿入し、次いで動
翼を動翼保持構内で滑らせてそれぞれの位置につ
ける。

傾斜したロータスプールにおいて傾斜プラツト
ホーム付きの従来型ダブテール根部を有する動翼
を用いるためには、ロータスプールに材料を追加
する必要がある。さらに詳述すると、タービン流
体が周方向ダブテール溝を通過して漏れることを
抑制するために周方向ダブテール溝の両側に周方
向流体密封部またはロータスプールの動翼プラツ
トホームへの半径方向延長部を設ける必要があ
る。動翼ダブテールが対称的であり、タービン半
径方向軸線の方向に延在しそして一般に傾斜する
プラツトホームと鋭角で交差するという事実によ
り、前述の流体密封部の一方が他方より半径方向
に長くなり、それだけロータスプールの重量が増
大する。

また、ダブテールの基面はタービン縦軸線には
ほぼ平行であり、そしてロータスプールの輪郭は
それに対して傾斜しているので、ロータスプール
は一般に、動翼に作用しかつロータスプールに伝
えられる遠心力を支承するのに十分頑強な遷移コ
ーナまたは段を有する。流体密封部と遷移コーナ
の形成はロータスプールの機械加工をより複雑に
し、その結果、ロータスプールは、重さが増すと
ともに空気力学的に比較的平滑でない輪郭を持つ
ようになる。

運転中、ロータスプールと動翼が回転する時、
動翼に作用する遠心力は動翼ダブテールを経てロ
ータスプールに伝えられる。従つて、ダブテール
の肩または歯の半径方向外側接触面とロータスプ
ールの周方向溝の対応接触面との間に接触力が作
用する。

代表的なタービンエンジンでは、動翼の縦軸線
はタービンの半径方向軸線に慨して平行である。
この構成の結果、ダブテールの１対の歯の両方に
ほぼ等しい接触力が作用する。しかし、傾斜した
タービン動翼の設計では、動翼の縦軸線はタービ
ンの半径方向軸線に対して傾斜しており、その結
果、遠心的に誘起された曲げ力が動翼ダブテール
にかかる。この曲げ力は、ダブテールの両方の歯
に作用する時、一方の歯にかかる接触力を増すと
ともに他方の歯にかかる接触力を減らす。

一方の歯とロータスプールにおける対応接触面
との間の接触力が減ることにより、接触力の大き
さはゼロに近づく可能性がある。接触力がかなり
小さいかまたは実質的にゼロである時、溝内にお
けるダブテールのガタ運動が生ずる可能性があ
る。ガタ運動は、ガスタービンエンジンに生ずる
起振力が動翼に作用することによつてダブテール
歯がそのロータスプール溝内で振動的に無接触状
態になることである。ガタ運動が生ずると、ダブ
テールは高サイクル疲労破損をさらに受けやすく
なる。ダブテール歯が周溝を連打すると、ダブテ
ールに設けてあるかもしれない保護用の高サイク
ル疲労低減被覆の破損が急速に生ずる可能性があ
り、また、ダブテールの割れが生ずるおそれがあ
る。ひとたびダブテールに割れが生ずると、ダブ
テールの高サイクル疲労破損が急速に生ずるおそ
れがある。

軸方向に傾斜する動翼を設ける事による他の欠
点は、追加的な遠心曲げ力が生ずるために、動翼
装着手段が支承しなければならない総合力が増す
ことである。さらに詳述すると、軸方向に傾斜す
る動翼に作用する遠心力によつて動翼とダブテー
ルに引張荷重が生ずるだけでなく、傾斜動翼の使
用によつて生ずるモーメントアームによつて曲げ
荷重も発生する。ダブテールの荷重が高くなるに
つれてそれに生ずる応力も高くなり、このような
応力を許容するには、一般にダブテールの寸法と
それに対応するロータスプールの溝面積とを増加
しなければならない。

軸方向に傾斜する動翼に従来型のダブテールを
用いる場合、増大する力に対処するために通常よ
り大きなダブテールの設計が必要である。さら
に、ダブテールを配設するロータスプールも増大
する力に対処するためにより頑強に作らなければ
ならない。ロータスプールを頑強にすると、一般
にタービンの重量が増し、そして一般にタービン
の空気力学的効率は高くならない。事実上、従来
のダブテールを有する傾斜動翼を装着するように
設計したロータスプールは空気効率の損失を多く
する。ロータとダブテールの重量増加に加えて、
構造体の製造に要する機械加工の複雑さも増大す
る。

従つて、本発明の目的は、ダブテールの接触力
を維持しかつダブテールのガタ運動を防止する新
規改良動翼装着手段を有する新規改良ターボ機械
ロータ組立体を提供することである。

本発明の他の目的は、ダブテールの全接触力を
減らしかつダブテール接触力の遠心的に誘起され
た曲げ分力を減らすのに有効な傾斜動翼用の新規
改良動翼装着手段を提供することである。

本発明の他の目的は比較的小形で軽量のダブテ
ールを用い得る新規改良動翼装着手段を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、空気力学的に機能しない
動翼支持構造体を極めて少なくした軽量ロータ構
造を提供することである。

本発明の一態様によれば、流路面を画成しかつ
少なくとも一つの周方向のダブテール形保持溝を
有するロータスプールを含む動翼装着手段を有す
るターボ機械ロータ組立体が提供される。ロータ
スプール保持溝内には、それぞれがダブテール根
部を有する複数の半径方向に延在する動翼部材が
配置されている。根部は１対の軸方向逆向きに突
出する非対称肩部を有し、両肩部は、ロータスプ
ールの保持溝の補完的な表面と係合するための半
径方向外方に面しかつ半径方向に相隔たる接触面
を有する。

次に添付図面を参照して本発明を他の目的およ
び利点とともに詳述する。

第１図は前述のような従来型式の動翼装着手段
を有する多段ターボ機械ロータ組立体１、例え
ば、軸流ガスタービンエンジンの圧縮機部を示
す。図から明らかなように、ガスタービン入口空
気１０は動翼１２と静翼１４とにそれらの縦軸線
に対して鋭角をなして衝突した後圧縮機を出る。
前述のような流体密封部１６と遷移コーナー１８
も明示してある。

第２図は本発明によつて形成された斜めダブテ
ール２２を有する動翼２０の一部分を示す。ダブ
テール２２は、第１図に示す前述の従来型ダブテ
ールの使用に伴う欠点を減らすのに有効である。

第２図に示すように、動翼２０はさらに、エン
ジンの半径方向軸線に対して角度αをなして傾斜
した翼形部２４を有し、この翼形部は一端が円滑
に拡大され、ダブテール２２と翼形部２４との間
に設けた慨して長方形のプラツトホーム２６に続
いている。第３図に示す全体的な組立体では、ダ
ブテール２２はエンジンの半径方向軸線と実質的
に平行に整合され、そしてプラツトホーム２６は
エンジンの縦軸線または中心線に対して角度φを
なすように向けられている。角度φはかなり大き
く、例えば、約15〜20度の範囲にある。

ダブテール２２は、プラツトホーム２６から半
径方向内方に延在する横方向にくびれた部分２８
を有し、そして２個の横方向逆向きに突出する非
対称ダブテール歯部または肩部３４，３６のそれ
ぞれの半径方向上側接触面３０，３２を画成する
ように横方向外方および半径方向内方に向かつて
広くなつている。ダブテール歯部または肩部３
４，３６は翼形部２４の前縁と後縁の方向に軸方
向逆向きに突出しており、そして慨して３角形で
あり、また半径方向下側表面３８，４０を有す
る。両下側表面３８，４０はそれぞれわん曲遷移
コーナー４２，４４において接触面３０，３２と
結合しており、そして半径方向かつ横方向に内方
に延びてダブテール２２の平らな基面４６に達し
ている。半径方向上側接触面３０，３２はそれぞ
れエンジンの半径方向軸線に対して角度β，β′を
なし、これらの角度は等しい値をもつが、傾斜は
逆向きである。基面４６は大体、エンジン中心線
に対して角度λをなしている。

ダブテール２２は縦軸線を有し、この軸線はエ
ンジンの半径方向軸線と合致し、そして接触面３
０，３２の２本の周方向に延在する合力接触線
（それぞれ破線３０′，３２′で示してある）から
等距離の位置にある。従来型ダブテール構造で
は、ダブテール歯３４，３６はダブテール縦軸線
に対して対称であり、そして２本の合力接触線３
０′，３２′はタービン中心線から半径方向外方に
等距離のところにある。従つて、もし従来の半径
方向に延在する翼形部をターボ機械ロータ組立体
に用いれば、ダブテール１対の歯にかかる合成接
触力は実質的に等しい。しかし、軸方向に傾斜す
る翼形部を用いた場合、ダブテールの１対の歯に
かかる合成接触力は一般に等しくない。

本発明によれば、合力接触力を減らしかつなる
べく等しくするために合力接触線３０′，３２′、
従つて、接触面３０，３２が半径方向に距離Ｄだ
け相互に離隔するようにして斜めまたは非対称ダ
ブテールを形成する。距離Ｄは翼形部２４の軸方
向傾斜度に比例する。すなわち、軸方向傾斜をも
たない段では相互離隔はなく、そして傾斜が最大
の段では相互離隔は最大である。従つて、エンジ
ンの半径方向軸線から軸方向に離れるように傾斜
する翼形部２４の側に位置するダブテール歯３６
はダブテール歯３４に対して半径方向内方に所定
距離だけずれている。ダブテール歯３４，３６が
半径方向に相隔たつているので、ダブテール２２
に作用する曲げ力に起因する接触力成分は従来の
対称的なダブテールに生ずるものより小さい。ダ
ブテール歯３４，３６にかかる曲げ接触力の成分
を減らすには、角度β，β′を好ましくは等しい大
きさにしそして約40度ないし約55度の範囲にある
ようにすべきであることがわかつている。さらに
特定的に述べると、角度β，β′は大きさが45度で
ありそして傾斜が逆向きであることが好ましい。

ダブテール歯３４，３６の半径方向厚さは、当
業者に周知の従来の標準器、例えば、せん断強度
標準器を用いて決定され、これに従つて下面３
８，４０の位置が定められる。エンジン中心線に
対するダブテール基面４６の角度λはゼロでもよ
いが、比較的滑らかなロータスプールを得るに
は、λをプラツトホーム２６の方向角度φにほぼ
等しくすることが好ましい。

第３図は、傾斜動翼を有するとともに傾斜ダブ
テールを用いた軸流ガスタービンエンジンの多段
ターボ機械ロータ組立体のブースタまたは前置圧
縮機部を示す。ガスタービン入口空気１０は圧縮
機段、すなわち動翼２０と静翼２１の列（本例で
はそれぞれ４列）を通過するにつれて圧縮され、
４７の箇所で排出される。

圧縮機ロータ組立体には慨して筒形の薄い中空
ロータスプールまたはドラム４８が含まれ、総体
的に５０で示す半径方向内側流路面または境界を
画成し、かつ端フランジ５２を有する。このフラ
ンジはタービン駆動軸またはそれと関連する回転
部材、例えば、フアンロータ（図示せず）に回転
自在に装着されている。ロータスプールの剛性を
高めてロータ系振動数の所定制御をなすためにデ
イスクウエブ５４が設けられている。また、半径
方向外側の傾斜流路面または境界５６がロータス
プール４８と動翼２０を囲み、そして静翼２１を
支持する。

ロータスプール４８は、その周方向に延在する
複数の相隔たる厚い環状部５８を有する動翼支持
構造体を含む。各環状部５８はその内部に周方向
に延在する動翼保持用ダブテール形スロツトまた
は溝６０を有する。スロツト６０は半径方向内側
の幅広いアンダカツト部６２を有し、このアンダ
カツト部は上方に延びて比較的狭い首部６４に続
いている。この首部は動翼２０のプラツトホーム
２６に向かつて外方に末広になつてプラツトホー
ムに近接しており、そして複数の動翼２０の根部
またはダブテール２２をしまりばめ式の滑動自在
に受入れる。このように、ロータスプール４８の
各スロツトは、第２図に示すような対応傾斜ダブ
テールと係合するための補完的な溝となつてい
る。

ロータスプール４８と外側境界５６の傾斜はタ
ーボ機械組立体の中心線に沿つて変わるので、流
線が翼形部２４にそれに対してほぼ直角をなして
衝突し得るように、諸段の動翼２０の翼形部２４
の方向角度αは段ごとに変わつている。

プラツトホーム２６は内側流路面の一部分をな
し、比較的滑らかな空気力学的輪郭をなすように
タービン流体流線とロータスプール４８の輪郭と
に対して慨して平行である。従つて、プラツトホ
ーム２６の角度φは翼形部２４の角度αにほぼ等
しい。

傾斜ダブテール２２の基面４６の方向角度λは
プラツトホーム２６の方向角度φにほぼ等しくそ
してロータスプール４８の輪郭と圧縮機流体流線
とに対してほぼ平行であるから、動翼２０の両側
の流体密封部１６は長さがほぼ等しい。流体密封
部はまた、対をなす非対称ダブテール歯３４，３
６のコンパクトな構成によつて長さが短く、従つ
て、ロータスプール４８の重さを極めて少なくす
る。また、この構成はロータスプール４８の遷移
コーナ１８を完全に不要にする。その結果、ロー
タスプール４８は第１図に示した型の従来のロー
タより軽量になり、そしてロータスプールの製造
に要する機械加工は比較的少なくてすむ。また、
傾斜ダブテール２２を用いることにより、ターボ
機械ロータ組立体に比較的小形軽量のダブテール
を用いても、動翼２０をロータスプール４８内に
適切に保持しうる。

さらに詳述すると、本発明による傾斜ダブテー
ルとロータスプールの設計の結果、機械効率の良
い構造体が得られる。当業者に明らかなように、
本発明によれば、互いに逆向きに突出するダブテ
ール歯を半径方向に隔てることにより、翼形部２
４にかかる曲げモーメントは斜めのダブテール歯
によつて一層効果的に支承される。動翼２０をロ
ータスプール４８内に係止するに要する反力と、
それに関連する接触力は、対称的な横向きのダブ
テール歯を利用する場合に要するそれらの力より
大きさが少ない。なぜなら、所与の曲げモーメン
トに対し、反作用偶力の個々の分力の大きさは、
個々の分力間の距離が増加するにつれて減少する
からである。傾斜ダブテール２２の歯を半径方向
に互いにずらすことにより、それと関連する反力
相互間の距離が増加し、その結果、傾斜動翼２０
の回転によつて生ずる曲げモーメントをつり合せ
るための反力の成分が減少する。

従つて、傾斜ダブテール２２は従来の対称ダブ
テールより機械効率が高いので、用途に応じて小
形軽量のダブテールを用い得る。傾斜ダブテール
２２の保持に要する力が減るので、ロータスプー
ル４８における動翼保持溝６０を含む支持構造体
５８は、比較的薄くてもこのような力を支承で
き、その結果ロータスプールは軽量になる。

傾斜ダブテール設計は接触力の曲げ成分を減ら
すのに有効であるから、１対のダブテール歯にか
かる接触力は、ゼロでない値において比較的対等
になり、従つて、ダブテール歯のガタ運動のおそ
れが減り、傾斜ダブテール２２の高サイクル疲労
強度が高まる。

非対称傾斜ダブテールの使用により実現する他
の利点は、組立て中に動翼をタービン機械の不適
当な段に配置することを回避しうることである。
さらに詳述すると、動翼の傾斜は一般に各段で異
なるので、それと関連する傾斜ダブテールの形状
もそれに応じて異なるようにあらかじめ定められ
る。このように、ターボ機械の相異なる段の動翼
は相異なるので、段間の互換性をもたない。従つ
て、動翼をロータスプールに誤つて組付けること
は、傾斜ダブテールの使用によつて必然的に回避
される。

以上本発明の好適例について説明したが、もち
ろん本発明の範囲において幾多の改変が可能であ
る。例えば、本発明の傾斜式周方向ダブテール構
成はターボ機械エンジンのタービン部と圧縮機部
のいずれにも用い得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の動翼装着手段を有する従来の多
段軸流ターボ機械の部分断面図、第２図は本発明
の傾斜ダブテールの３次元的な部分図、第３図は
本発明のターボ機械ロータ組立体の断面図であ
る。 ２０……動翼、２２……斜めダブテール、２４
……翼形部、２６……プラツトホーム、３４，３
６……ダブテールの肩（歯）、４６……基面、４
８……ロータスプール、６０……動翼保持溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 動翼装着手段を有するターボ機械ロータ組立
   体であつて、 所定流路面を画成し且つ少なくとも一つの周方
   向のタブテール形保持溝を有するロータスプール
   と、 半径方向に延在する複数の動翼部材とを包含
   し、各動翼部材は翼形部及び前記保持溝内に配置
   された根部を有し、この翼形部の縦方向軸線は前
   記ロータスプールの半径方向軸線に対して所定の
   角度をなして延在して翼形部は半径方向軸線に対
   して傾斜し、この根部は、軸方向逆向きに突出し
   た１対の非対称肩部を有し、この非対称肩部は半
   径方向外方に面し且つ半径方向に相隔たる接触面
   を有し、 前記ロータスプールの前記保持溝は前記根部の
   半径方向外方に面する接触面と係合する半径方向
   内方に面する接触面を有しているターボ機械ロー
   タ組立体。 ２ 前記根部の前記１対の肩部の前記接触面は、
   逆向きに傾斜しそしてロータスプールの前記半径
   方向軸線に対して約45度の方向に向けられてい
   る、特許請求の範囲第１項記載のターボ機械ロー
   タ組立体。 ３ 各動翼部材は実質的に長方形のプラツトホー
   ムをさらに含み、このプラツトホームは前記動翼
   部材の前記翼形部と前記根部との間にそれらと一
   体に配設されており、前記根部は前記プラツトホ
   ームと前記ロータスプールの前記流路面とにほぼ
   平行に整合された基面を有する、特許請求の範囲
   第１項記載のターボ機械ロータ組立体。 ４ 前記タブテール形保持溝は前記ロータスプー
   ルにアンダカツト部を有し、このアンダカツト部
   は半径方向外向きに比較的狭い首部に延在し、そ
   の間に前記半径方向内方に面する接触面を画成し
   ている特許請求の範囲第１項記載のターボ機械ロ
   ータ組立体。 ５ 前記根部の１対の肩部の接触面は逆向きに傾
   斜し、前記ロータスプールの半径方向軸線に対し
   て約40度乃至約55度の向きである特許請求の範囲
   第１項記載のターボ機械ロータ組立体。 ６ 前記根部は前記翼形部から半径方向内方に延
   在する横方向にくびれた部分を有し、前記１対の
   非対称肩部の半径方向外方に面する接触面を画成
   するよう横方向外方および半径方向内方に向つて
   広くなつている特許請求の範囲第２項記載のター
   ボ機械ロータ組立体。 ７ 前記半径方向軸線から軸方向に離れるように
   傾斜する翼形部の側に位置する、前記根部の１対
   の肩の第１の片方は、前記根部の１対の肩の他方
   に対して半径方向内方に所定距離だけずれている
   特許請求の範囲第１項記載のターボ機械ロータ組
   立体。 ８ 翼形部と、ターボ機械ロータスプールの周面
   に設けた実質的に補完的な周方向のダブテール形
   動翼保持溝内に配置しうる一体根部とを有するタ
   ーボ機械動翼であつて、前記根部は前記翼形部の
   前縁と後縁の方向に軸方向逆向きに突出した１対
   の非対称肩部を含み、両肩部は前記保持溝内の協
   働接触面と係合するための半径方向外方に面しか
   つ半径方向にずれている接触面を有し、前記動翼
   の翼形部の中心軸は前記根部の縦方向軸線に対し
   て所定の角度をなして、前記ロータスプールに搭
   載された時翼形部は半径方向軸線に対して傾斜し
   ているターボ機械動翼。 ９ 前記根部の前記１対の肩部の前記接触面は逆
   向きに傾斜しそして前記根部の縦方向軸線に対し
   て約45度の方向に向けられている、特許請求の範
   囲第８項記載のターボ機械動翼。 １０ 前記翼形部と前記根部との間にそれらと一
   体に配設された実質的に長方形のプラツトホーム
   をさらに含み、前記根部は前記プラツトホームに
   ほぼ平行に整合された基面を有する、特許請求の
   範囲第８項記載のターボ機械動翼。 １１ 前記根部が前記翼部から半径方向内方に延
   在する横方向にくびれた部分を有し、前記１対の
   非対称肩部の半径方向外方および半径方向内方に
   向つて広くなつている特許請求の範囲第８項記載
   のターボ機械動翼。 １２ 前記翼形部は前記根部に対して傾斜して、
   前記根部の１対の肩の片方は傾斜の方向で前記翼
   形部の側に位置し、前記１対の肩の他方に対して
   半径方向内方に所定距離だけずれている特許請求
   の範囲第８項記載のターボ機械動翼。