JPH04224202A - ガスタービンエンジン・ブレード - Google Patents

ガスタービンエンジン・ブレード

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JPH04224202A
JPH04224202A JP3067691A JP6769191A JPH04224202A JP H04224202 A JPH04224202 A JP H04224202A JP 3067691 A JP3067691 A JP 3067691A JP 6769191 A JP6769191 A JP 6769191A JP H04224202 A JPH04224202 A JP H04224202A
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JP
Japan
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dovetail
blade
insert
cavity
transition
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Application number
JP3067691A
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English (en)
Inventor
Lori E Matula
ロリ・エレン・マテュラ
Thomas A Lindstedt
トーマス・アムス・リンドステッド
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/50Vibration damping features

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
この発明は、一般にガスタービンエンジン・ブレード、
特に移行部およびそこでの総応力を減らす手段を含むダ
ブテールを有するブレードに関する。
【0001】
【従来の技術】ガスタービンエンジンに用いる普通のブ
レードは、ブレードをロータディスクの外周に保持する
ためのダブテールを有する。ダブテールは対称形でも非
対称形でもよく、典型的な形状では、円周方向に離間し
た突出部(ローブ)を含み、これらの突出部をタービン
ロータディスクの外周に設けた相補形のチャンネルには
めてブレードを保持する。ダブテールの突出部はシャン
クを介してブレードのエアーホイル部分につながり、そ
の交差部には頸状移行部(フィレット)が形成される。 移行部は、代表的には、所定の半径の円の一部として定
義される円弧面であり、そこへの応力集中を軽減するた
め、その値を物理的拘束以内でできるだけ大きくする。
【0002】さらに詳しく説明すると、ガスタービンロ
ータのブレードは大きな遠心力を受け、これがブレード
に引張応力を発生する。ロータディスクに固着したダブ
テールはこの遠心荷重に対抗しなければならない。ブレ
ードに発生する引張応力はダブテール内にも見出され、
周知のようにそれは必ず移行部に集中する。したがって
、このような移行部での応力を許容範囲内に維持しなけ
ればならないので、移行部はロータブレードの設計上の
限定要因となる。
【0003】
【発明の目的】したがって、この発明の目的は、新規な
改良されたガスタービンエンジン・ロータブレードを提
供することにある。
【0004】この発明の別の目的は、そこからダブテー
ルが延在しているブレードのエアーホイル部分の回転に
基づく大きな遠心力を吸収するのに有効な新規な改良さ
れたダブテールを有するタービンブレードを提供するこ
とにある。
【0005】この発明の他の目的は、ダブテール内の遠
心力による引張応力を相殺する圧縮応力を発生する手段
を設けたブレードダブテールを提供することにある。
【0006】
【発明の概要】ガスタービンエンジン用のブレードは、
エアーホイルとそこから延在するダブテールとを含み、
ダブテールはブレードをエンジンディスクに保持するた
めの突出部(ローブ)を少なくとも1つ含む。突出部は
移行部(フィレット)を画定し、移行部はブレードの回
転時に遠心力による引張応力を受ける。この発明によれ
ば、圧縮手段をダブテールに設け、これにより移行部の
位置でのダブテール内の総応力を減らすのに有効な圧縮
応力を移行部に発生する。
【0007】この発明の構成をその目的および効果とと
もにさらに明瞭にするために、以下にこの発明の好適な
実施態様を添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明
する。
【0008】
【具体的な構成】図1に、この発明の好適な実施例によ
るブレード10を、ガスタービンエンジン・ロータディ
スク12に装着した状態で示す。ディスク12は、ガス
タービンエンジンおよびディスク12の軸線方向中心軸
線14のまわりに速度ωで回転可能である。タービンデ
ィスク12には、多数のブレード10を円周方向に間隔
をあけて装着するが、図1ではブレード10を1つだけ
示す。
【0009】ブレード10は、通常のエアーホイル16
を含み、このエアーホイル16に沿ってタービン燃焼ガ
スが流れロータディスク12を回転させるようになって
いる。エアーホイル16には所望に応じて、半径方向内
側の流路の一部を画定するプラットホーム18が通常通
りに一体に形成されている。この発明の好適な実施例に
よるダブテール20がエアーホイル16およびプラット
ホーム18(なくてもよい)と一体にかつ半径方向内方
に延在している。図1−3に示すように、ダブテール2
0は、エアーホイル16およびプラットホーム18から
半径方向内方へ延在する通常のシャンク22を含み、こ
のシャンク22は断面が大体長方形である。ダブテール
20は、シャンク22から半径方向内方へ延在し、横断
方向、すなわち円周方向26に互いに離れた1対の通常
の突出部(ローブ)24も含む。なお、円周方向26は
、軸線方向軸線14と、軸線方向軸線14からブレード
10を通って半径方向外方へ延在する半径方向軸線28
の両方とほぼ直交する関係にある。ダブテール10はさ
らに、その半径方向内端に、1対の突出部24をつなぐ
大体平坦な底部30を含む。1対の突出部24がシャン
ク22と交差するところに、半径rを有する円弧である
1対の対応するネック移行部(フィレット)32が画定
されている。
【0010】したがって、ダブテール20はシャンク2
2、1対の突出部24および底部30で画定される。ダ
ブテール20は、図1に示すように、ロータディスク1
2の外周面に大体軸線方向14に延在する相補形状のダ
ブテール溝34に摺動自在に挿入し、そこに定置する。
【0011】シャンク22は通常通り、1対の突出部2
4間の最大幅2W2 より小さい幅W1 を有し、ネッ
ク移行部32に頸状部を画定する。各突出部24は半径
方向外向きの上面36を含み、この上面36は、ダブテ
ール溝34の1対の相補形の半径方向内向きの下面38
の1つと接触して配置される。
【0012】なお、ここで「上」および「下」はディス
ク溝34内のダブテール20に対して便宜上用いた用語
で、相互に入れ換えても差し支えない。
【0013】使用中にロータディスク12を回転する時
、遠心力Fcがブレード10に発生し、ダブテール20
の上面36を介して、ブレード10をディスク12に保
持するダブテール溝34の下面38に伝達される。移行
部32は、引張応力が移行部32に集中する応力集中を
受けることが知られている。
【0014】この発明の好適な実施例によれば、圧縮手
段40をダブテール20に配置して、移行部32に圧縮
応力を発生する、すなわち圧縮プレストレスを与える。 なお、以下の説明で、種々の引張および圧縮応力は全応
力の成分であり、通常代数的に加算される。圧縮手段4
0は移行部32に圧縮応力を発生する作用をなし、その
圧縮応力が、遠心荷重Fcに基づくそこでの引張応力に
加算される結果、移行部32での応力が全体として減少
する。こうして、同じ所定のダブテール幾何形状に比べ
て大きな遠心荷重Fcを吸収することのできる改良され
たダブテール20が得られるか、あるいはダブテール2
0の寸法をその分小さくして重量および切削加工量を節
減しても、同じ量の遠心力Fcを吸収することができる
【0015】ダブテール20を図2および図3にさらに
詳しく示す。各突出部24は、上面36および下面42
で画定される通り、大体三角形で、上面36および下面
42は互いに斜めに頂点44で交差し、その頂点44を
ダブテール20の長さ方向軸線Lからの最大厚みW2 
を示す直線が通る。長さ方向軸線Lは突出部24および
シャンク22内をロータディスク12の半径方向軸線2
8に大体平行に延在する。図示の実施例では、突出部2
4および移行部32は長さ方向軸線Lに関して対称に配
置され、長さ方向軸線Lはそれらに対する中心線となる
。 最大幅W2 の直線は長さ方向軸線Lに直角である。
【0016】この発明の1実施例による圧縮手段40は
、ダブテール20の底部30に設けた空所または大体U
形のチャンネル46およびその空所46に配置されたイ
ンサートまたはキー48を含む。インサート48は最初
空所46より大きい寸法とし、したがってインサート4
8を空所46内に締まりばめし、移行部32に圧縮応力
を発生する。図示の実施例では、空所46は断面がほぼ
長方形で、インサート48も断面が相補形のほぼ長方形
である。ダブテール22は長さ方向軸線Lのまわりに対
称であるので、空所46をダブテール底部30において
1対の突出部24から等距離に配置するのが好ましい。 こうすれば圧縮手段40は両方の移行部32に対称的に
圧縮応力を加える。
【0017】図示の実施例では、チャンネル46は、長
さ方向軸線Lに大体平行に配置された2つの横方向に隔
たった平坦な側面50と、2つのチャンネル側面50を
通常の融合移行部54でつなぐ底面52とを含む。融合
移行部54は円弧からなり、これらの交差部で応力を減
らす作用をなす。インサート48は断面が大体長方形で
、2つの横方向に隔たった側面56と、これらをつなぐ
頂面58およびそれから長さ方向に隔たった底面60と
を有する。底面60と側面56との接合部62を面取り
して、インサート48を空所46に挿入する際のクリア
ランスをとる。ここでも、「頂」および「底」は、図2
−7に示すように、ダブテール20を逆さまに見たとき
のダブテール空所46に対して便宜上用いた用語で、相
互に入れ換えても差し支えない。
【0018】インサート48の寸法は、その2つの側面
56が2つのチャンネル側面50間で締まりばめにて圧
縮される寸法とする。このことは、図3に示すように、
インサート側面56間のインサート48の幅W3 をチ
ャンネル側面50間のチャンネル46の幅W4 より所
定の値だけ大きくすることにより、簡単に実現できる。 この発明の好適な実施例では、インサートの幅W3をチ
ャンネル46の幅W4 より約0.004インチ以下大
きくし、両方の移行部32に有効量の圧縮応力を与える
。勿論、圧縮応力は2つのチャンネル側面50でも発生
し、融合移行部54では引張応力が発生する。
【0019】インサート48を含めて図1−7に示す種
々のインサートは、チャンネル46のような収容空所に
対して隙間をあけて図示してある。隙間をあけたのは図
を見やすくするためだけで、このように図示しても以上
説明した通りの締まりばめになっていると理解されたい
【0020】図2に示すように、ダブテール20は、ダ
ブテール20の前端面64および後端面66間の厚みt
を有する。このダブテール20の厚みtは、ダブテール
20の長さ方向軸線Lおよび横方向軸線T両方に直交す
る軸線方向軸線Aに沿った厚みである。軸方向軸線Aは
ロータディスク12の軸線方向中心軸線14に大体平行
であり、ダブテール20の横方向軸線Tはディスク12
の横方向軸線26に大体平行であり、長さ方向軸線Lは
ディスク12の半径方向軸線28に大体平行である。図
示の実施例では、空所46およびインサート48は互い
に同延であり、ダブテール20の厚み全体にわたって延
在する。
【0021】図3に示すように、インサート底面60を
チャンネル底面52から離して、インサート48を空所
46に挿入するための適当な量のクリアランスをとる。 チャンネル側面50間でのインサート48の圧縮により
移行部32に圧縮応力を与えるので、インサート底面6
0とチャンネル底面52との接触は不要である。
【0022】インサート48および空所46両方の形状
は、ダブテール20の特定の設計輪郭に応じて、両方の
移行部32に最大量の圧縮応力を導入するのに最適なも
のとすることができる。移行部32に導入できる圧縮応
力の量の上限を決めるのは、インサート48と空所46
との締まりばめにより融合移行部54付近の空所46の
まわりに導入される最大許容局部引張応力である。この
局部応力は、大体使用した特定の材料の降伏応力以下と
なるように設計できる。この発明の1実施例では、空所
46内でのインサート48の締まりばめを達成するには
、ダブテール20を加熱して空所46を膨張させ、イン
サート48を最初に支障なく空所46に滑り込ませる。 所望に応じて、インサート48を最初に冷却して、加熱
空所46への挿入前にインサートを収縮させてもよい。 インサート48を空所46に配置し、ダブテール20を
常温まで冷却させ(またインサート48を常温まで昇温
させ)ると、インサート48との締まりばめが生まれる
。インサート48を空所46に挿入するのにこの方法を
選んだ場合、移行部32に導入できる圧縮応力の最大量
は、ダブテール20の材料が加熱により膨張する能力と
、特定の材料および幾何形状に従って通常通りに決定さ
れる移行部54付近での最大引張応力とによって限定さ
れる。
【0023】図4に示すこの発明の別の実施例では、ダ
ブテール20が、大体台形のチャンネル68および相補
形のインサート70を含む。インサート70およびチャ
ンネル68の寸法の小さい側をダブテール20の底部3
0に配置し、インサート70およびチャンネル68の寸
法の大きい側をそこから長さ方向内方へ配置する。この
配置は、ディスク12に装着したブレード10の回転中
、インサート70をダブテール20内に確実に保持する
手段となる。
【0024】図5に示すこの発明の別の実施例では、空
所46を、底部30の表面より下のダブテール20内に
配置した円筒72の形態とする。相補形の円筒形インサ
ート74を円筒形空所72内に締まりばめする。締まり
ばめは、インサート74の初期直径を円筒形空所72の
直径より大きくすることにより簡単に達成できる。単に
インサート74を円筒形空所72にプレスばめすれば、
インサート74の全外面に沿って締まりばめを得ること
ができる。この実施例では、2つの突出部24がダブテ
ール20において対称に配置されているので、円筒形空
所72およびインサート74を2つの突出部24間に等
距離に配置する。
【0025】図6に示すこの発明の他の実施例は、長さ
方向に間隔をあけて配置された2対の突出部78、80
および対応する移行部82、84を有する通常のクリス
マスツリー型ダブテール76の例である。圧縮手段(4
6、48)をダブテール76の底部30に配置して、移
行部84のほかにもう一つある移行部82に圧縮応力を
加える。図6に示すクリスマスツリー型ダブテール76
には、追加の圧縮手段40、たとえば図5に示したのと
同じ円筒形空所72と円筒形インサート74からなる圧
縮手段も下側突出部80間に等距離に設けて、移行部8
4に圧縮応力を与える。
【0026】図7に示すこの発明のさらに他の実施例は
、2つの突出部88および90を長さ方向軸線Lに対し
て非対称に配置したダブテール86の例である。さらに
詳しくは、突出部88および90は長さ方向軸線Lに直
交する横方向では長さ方向軸線Lから等距離離れている
が、長さ方向軸線Lに沿って半径方向に互いに離間して
いる。突出部88および90とシャンク22との接合部
に対応する移行部92が形成される。この実施例では、
圧縮手段40は、図5に示したのと同じ円筒形空所72
およびそれに締まりばめされた円筒形インサート74か
ら構成する。圧縮手段40を長さ方向軸線Lおよび底部
30に対して所定通りに配向して、少なくとも上側突出
部88に隣接する移行部92に圧縮応力を与える。 圧縮手段40を、両方の突出部88および90に隣接す
る両方の移行部92にほぼ等しい圧縮応力が得られる位
置に配置することができ、そのような位置は試行錯誤に
より決定すればよい。
【0027】図3に示したものとほぼ同様の輪郭を有す
るプラスチック製の薄い対称な2突出部付きダブテール
モデルに、長さ方向軸線に沿った単軸張力下で、通常の
二次元(2D)光弾性試験を行った。チャンネル46内
のインサート48の締まりばめを0.001−0.00
4インチの範囲にわたって評価した。試験結果から、移
行部32での最大応力が、試験した幾何形状(0.00
4インチ締まりばめ)について最高約34%減少するこ
とがわかった。周知の重ね合せの理論により、チャンネ
ル46内でのインサート48の締まりばめにより移行部
32に導入される圧縮プレストレスが、移行部32に加
えられる引張応力に重なる時、移行部32での最大総応
力を小さくする。
【0028】この発明の好適な実施態様を説明したが、
当業者であれば以上の教示から他の変更が想起できるで
あろう。たとえば、圧縮手段40の形状は、特定のダブ
テール幾何形状に応じて、移行部32での圧縮応力を最
大にする一方、圧縮手段40のまわりの局部応力を最小
にするのに最適な形状とすることができる。同様に、ダ
ブテール20への圧縮手段40の配置も、移行部32に
最大量の圧縮応力を与えるように最適化することができ
る。
【0029】図2および図3に示した実施例では、ダブ
テール20が対称であり、大体均一な遠心荷重Fcのみ
を受けるものとして説明した。しかし、運転中、ブレー
ド10のエアーホイル16は空気力学的荷重や熱的荷重
も受け、これらからダブテール20を含めたブレード1
0には追加の応力がかかる。これらの追加の応力には、
たとえば、ブレード10の半径方向軸線またはダブテー
ル20の長さ方向軸線Lのまわりの曲げ応力がある。曲
げ応力が圧縮応力と引張応力両方を含むことは周知であ
る。
【0030】このような訳で、特定の設計例およびダブ
テール20に発生する特定の定常状態応力に応じて、移
行部32での応力は同じではない。したがって、圧縮手
段40を突出部24および移行部32に対して所定の間
隔および形状として、ブレード10により生起する引張
応力を受ける移行部32に圧縮応力を導入するのがよい
。ある移行部32に別の移行部32とは異なる量の圧縮
応力を導入して、これらの他の荷重による移行部32に
名目的にかかる応力の量の差を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の1実施例によるロータブレードを装
着したガスタービンエンジン・ロータディスクを一部破
断して示す斜視図である。
【図2】図1に示したガスタービンエンジン・ブレード
をロータディスクに保持するのに用いる、この発明の1
実施例によるダブテールの斜視図である。
【図3】図2に示したダブテールの拡大端面図である。
【図4】この発明の別の実施例によるダブテールの端面
図である。
【図5】この発明の他の実施例によるダブテールの端面
図である。
【図6】この発明のさらに他の実施例によるダブテール
の端面図である。
【図7】この発明のさらに他の実施例によるダブテール
の端面図である。
【符号の説明】
10  ブレード 12  ロータディスク 16  エアーホイル 18  プラットホーム 20  ダブテール 22  シャンク 24  突出部 30  底部 32  移行部 34  ダブテール溝 36  上面 40  圧縮手段 42  下面 46、68  空所 48、70  インサート 50  側面 52  底面 54  融合移行部 56  側面 58  頂面 60  底面 72  円筒形空所 74  円筒形インサート

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスタービンエンジン・ディスクに装着す
    るブレードにおいて、エアーホイルと、上記エアーホイ
    ルから延在するダブテールであって、ブレードをエンジ
    ンディスクに保持するための少なくとも1つの突出部を
    含み、この突出部が上記ディスク内のブレードが回転す
    る際に遠心引張応力を受ける移行部を画定しているダブ
    テールと、上記ダブテールに配置され、上記移行部に圧
    縮応力を発生する圧縮手段とを備えるガスタービンエン
    ジン・ブレード。
  2. 【請求項2】上記圧縮手段は、上記ダブテールに設けた
    空所と、その空所内に配置したインサートとからなり、
    上記インサートの寸法を最初上記空所より大きくしてお
    き、上記インサートを上記空所に締まりばめ配置して上
    記空所および上記移行部に圧縮応力を発生する請求項1
    に記載のブレード。
  3. 【請求項3】上記空所は断面がほぼ長方形で、上記イン
    サートは断面がほぼ長方形である請求項2に記載のブレ
    ード。
  4. 【請求項4】上記ダブテールが対称形で、各1対の離間
    した突出部および移行部を含み、上記突出部がダブテー
    ルの底部で一緒になり、上記空所はダブテールの底部に
    おいて上記1対の突出部から等距離に位置し、上記圧縮
    手段が上記移行部両方に圧縮応力を加える請求項3に記
    載のブレード。
  5. 【請求項5】上記空所が円筒形で、上記インサートが円
    筒形である請求項2に記載のブレード。
  6. 【請求項6】上記ダブテールが上記移行部で上記突出部
    を上記エアーホイルに接合するシャンクを含み、上記突
    出部およびシャンクに延在する長さ方向軸線、この長さ
    方向軸線に直交する軸線方向軸線および上記長さ方向軸
    線および軸線方向軸線両方に直交する横方向軸線を有し
    、上記突出部の頂点が上記長さ方向軸線に直交して配置
    された最大幅の直線の上に位置し、上記ダブテールはさ
    らに上記突出部に接して底部を含み、上記圧縮手段を構
    成する空所が上記ダブテール底部に延在するU形チャン
    ネルである請求項2に記載のブレード。
  7. 【請求項7】上記チャンネルが上記長さ方向軸線に大体
    平行に配置された2つの横方向に離間した平坦な側面お
    よびこれら2つの側面をつなぐ底面を含み、上記インサ
    ートが大体長方形の断面を有し、2つの横方向に離間し
    た側面およびこれらをつなぐ頂面および頂面から長さ方
    向に離間した底面を含み、上記インサートは、インサー
    トの2つの側面がチャンネルの2つの側面間で締まりば
    め関係で圧縮されるような寸法である請求項6に記載の
    ブレード。
  8. 【請求項8】上記ダブテールが上記軸線方向軸線に沿っ
    て厚みを有し、上記空所および上記インサートが同延で
    あり、上記ダブテールの厚みにわたって延在する請求項
    7に記載のブレード。
  9. 【請求項9】上記インサートの底面が上記チャンネルの
    底面から離れている請求項7に記載のブレード。
  10. 【請求項10】2つの突出部および2つの移行部を含み
    、底部が2つの突出部間に延在し、上記チャンネルが上
    記底部に2つの突出部から等距離に位置する請求項7に
    記載のブレード。
  11. 【請求項11】2つの突出部および2つの移行部を含み
    、これらが上記長さ方向軸線に対して対称に配置されて
    いる請求項2に記載のブレード。
  12. 【請求項12】2つの突出部および2つの移行部を含み
    、これらが上記長さ方向軸線に対して非対称に配置され
    ている請求項2に記載のブレード。
  13. 【請求項13】上記圧縮手段の空所が2つの突出部の間
    に位置し、両方の移行部に圧縮応力を発生する請求項1
    2に記載のブレード。
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