JPH08177403A - ターボマシーンのロータ - Google Patents

ターボマシーンのロータ

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JPH08177403A
JPH08177403A JP7233836A JP23383695A JPH08177403A JP H08177403 A JPH08177403 A JP H08177403A JP 7233836 A JP7233836 A JP 7233836A JP 23383695 A JP23383695 A JP 23383695A JP H08177403 A JPH08177403 A JP H08177403A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のロータブレードが、それらの鋸歯状の
輪郭の根部を前記根部の輪郭に合わせてロータリムに作
られた軸方向スロットにはめこむことによってロータリ
ムに固定されている、ターボマシン、特にガスタービン
の軸流タービンのロータを提供することを目的とする。 【解決手段】 複数のロータブレード（２）が、それら
の鋸歯状の輪郭の根部（３）によって前記根部（２）の
輪郭に合わせてロータリム（５）に作られた軸方向スロ
ット（４）に固定されている。ロータブレード（２）が
専ら重量が少ない。総てのロータブレードの根部（３）
が左右対称の、単一の鋸歯（Ｚ）の形の根部断面部を有
する。各ロータブレードの根部（３）は前記鋸歯（Ｚ）
形の根部断面部より縮小された形の根部断面部を有する
末端部（６）において対称に終わっている。各末端部
（６）はスロット（４）の底部に形成された凹部（７）
内に該末端部（７）の丸く形成された表面（Ｆ）によっ
て半径方向に可動に支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数のロータブレ
ードが、それらの鋸歯状の輪郭の根部を前記根部の輪郭
に合わせてロータリムに作られた軸方向スロットにはめ
こむことによってロータリムに固定されている、ターボ
マシーン、特にガスタービンエンジンの軸流タービンの
ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンに関して、例えば
低圧タービンにおける、高級合金からなる耐熱性ロータ
ブレード用材料の利用はロータリムに高いリム負荷を生
ぜしめ、それによってロータディスクの寿命が比較的激
しく損なわれる。ロータブレードは比較的高い比重を有
する。即ち、ロータブレードはニッケルまたはコバルト
を基材とする合金からなる精密鋳造品として作られる。
これらのロータブレードは、通常、多数の鋸歯形断面を
有する根部、所謂松笠または檜形の根部によって前記根
部の輪郭に合わせて作られた軸方向スロットに固定され
ている。この型のブレードおよびブレード根部に関して
は、常に存在する、鋸歯形の根部およびスロットの輪郭
の製造誤差はブレードの心出しに関して何ら問題になら
ない。前記高級合金からなるブレード用材料は充分な延
性と曲げ弾性を有するので、存在する製造誤差は、ロー
タの駆動中、相対的な局部的根部変形によって調整され
ることによる。それ故、ロータの駆動中、それぞれの根
部鋸歯と軸方向スロットの前記鋸歯と対向面の間の予め
定められた支承面において表面支持または接触が生じる
ことが予期される。製造誤差およびロータブレードの心
出し並びに力によって誘発される応力に対処するため
に、この構造の配置は、一定にまたは静的に決定できな
い。他の欠点はブレード根部と軸方向スロットの製造が
複雑であり、且つ製造費用がかかることである。
【０００３】所謂「軽量構造用材料」、例えば耐熱性セ
ラミックで作られたロータブレードの使用によりリム負
荷は減少される。しかし、この材料の延性と曲げ弾性が
不足し、しばしばもろく壊れやすいことは、実際に、樅
の木形のまたは樅の毬果形の根部および断面形の使用を
妨げる。また軽量構造用材料に関しては、製造誤差を調
整するように根部を変形させることはできない。
【０００４】一般に、ロータブレードに鳩尾形の根部を
設けることが知られている。しかし、このような型の根
部については複数の鋸歯形の樅の毬果または樅の木形状
の根部に匹敵するロータブレードの心出しを達成するこ
とはできない。適当な心出しの不足のため、このような
ロータブレードは、特に比較的長い翼形のとき、その要
求される取り付け角に対して許容できない斜めの位置を
取る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、少ない外側の遠心力により誘発されたリム
に加えられる負荷は高い回転速度にかかわりなく低く、
比較的簡単な根部／スロットの構成を有する重量の少な
いロータの使用に関してリムにおける十分なロータの心
出しが可能である、複数のロータブレードが、それらの
鋸歯状の輪郭の根部によって前記根部の輪郭に合わせて
ロータリムに作られた軸方向スロットに固定されてい
る、ターボマシーン、特にガスタービンエンジンの軸流
タービンのロータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するもので、『複数のロータブレードが、それらの鋸歯
状の輪郭の根部によって前記根部の輪郭に合わせてロー
タリムに作られた軸方向スロットに固定されている、タ
ーボマシーン、特にガスタービンエンジンの軸流タービ
ンのロータであって、前記ロータブレードが専ら重量が
少なく、総てのロータブレードの根部が左右対称の、単
一の鋸歯の形の根部断面部を有し、各ロータブレードの
根部は前記鋸歯形の根部断面部より縮小された形の根部
断面部を有する末端部において対称に終わっており、各
末端部は前記スロットの底部に形成された凹部内に該末
端部の丸く形成された表面によって半径方向に可動に支
持されていることを特徴とする、ターボマシーンのロー
タ。』を要旨とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明によって比較的簡単に製造
可能なブレード根部の構造が得られる。即ち、根部／ス
ロット鋸歯を有し、且つ相互に力を伝達する面を有する
局部的根部断面部は、本質的に重量の少ないロータブレ
ードから生じる力に合わせられ、そして本質的に心出し
作用を無視して形成可能である。少ない重量の根部に
は、製造誤差に起因する取るに足らない変形が見られ
る。ブレードの心出し作用が優先的にブレード根部の当
該末端部に及ぼされる。その場合においてこの末端部
は、歯の支承面に対して最大の遠心力の部分を吸収す
る。本発明のブレード根部は本質的に静的に決定された
支持装置を提供する。その場合において、達成可能な根
部の心出しは、高級合金ブレード材料からなるどっしり
と重いブレードの場合多数の歯形の根部（例えば樅の木
形の）根部心出しに匹敵する。
【０００８】端部の半径方向の可動性は根部／スロット
の噛みあわせの存在するアセンブリの間隙によって提供
される。
【０００９】凹部内に半径方向に端部を導くのと同時に
現れる、存在する外側シュラウドにより翼形断面部を固
定するとき発生する捻じれモーメントが吸収される。こ
れはシュラウドはシュラウドの設計と本発明を有利に組
み合わせた請求項７に記載の発明の通りである。
【００１０】本発明を実施するための端部の種々の実施
態様に使用する基本的根部輪郭の有利な変形は、請求項
２、３及び５から明らかになるであろう。
【００１１】本発明を実施するのに適したその他の少な
い重量のブレード材料は、好ましくは請求項８乃至１４
の特徴から明らかになろう。
【００１２】以下図面を用いて本発明について例示的に
説明する。図面において、図１は横方向に切断されたタ
ービンケーシング部分のロータ部分を示す正面図であっ
て、複数の、周方向に一様な間隔をおいて、一部切り欠
かれたロータディスクのリムに分配され、軸方向スロッ
トの中に係止されたロータブレードのうちの３つを示
す。図２は、前記軸方向スロットに組み込むロータブレ
ードの従来の樅の木形の根部の局部的に切欠した根部の
横断面図を示し、局部的な遠心力に関して根部／スロッ
ト形状の面から静的に決定できない支承面部を明らかに
するものである。図３は、前記軸方向スロットに組み付
ける本発明のロータブレードの根部の切欠された、局部
的な心出しに関して得ることができるほぼ静的に決定さ
れた支承面部を明らかにするものである。
【００１３】図１に本発明の根部−ディスク−結合を利
用したガスタービンエンジンの軸流タービンのロータ１
を示す。ロータブレード２はここではそのブレード根部
３によって前記根部に対応してロータリム５に作られた
軸方向スロット４に係止される。ロータブレード２は、
後ほど詳細に説明される少ない重量の、乃至比較的少な
い比重の所謂「軽量構造用材料」で作られている。ロー
タブレード２の縦方向中央対称線Ｅの両側にロータ根部
３に同形状の歯（Ｚ）が形成されている。この例におい
ては、ロータブレード２は根部台座Ｆを有する。半径方
向に内方へ見てロータ根部３は先ず根部台座Ｆの下で着
実に狭くなっている頸部横断面部を形成し、次いで該頸
部横断面部から曲部的な根部の歯Ｚの方へと同形に広が
っている。この点までは根部断面は本質的に鳩尾状の形
状を有する。各ロータ根部３は次いで半径方向内側のほ
うに対称に末端部分６に移行する。末端部分６はその両
側で、同様な丸いまたは球形の表面によってスロットの
底部に形成された軸方向凹部７の中に半径方向に移動可
能に支持されている。このようにして各ロータブレード
２についてのロータ中心部に対する最初の周方向の配置
が与えられる。
【００１４】２つのそれぞれ周方向に隣接する軸方向ス
ロット４の間に、均一の鋸歯形の対向面の輪郭部をブレ
ード根部３の歯Ｚに対して形成するロータリム５にディ
スク突出部８が止めておかれる。中央対称線Ｅに対して
相対的に同様に斜めの軸線方向に相対する着座面Ｓにお
いてブレード根部３がディスク突出部８の局部的に歯形
の部分に半径方向及び周方向に係止され、支えられる。
歯Ｚを有するブレード根部３の鳩尾状の基本的な輪郭
は、局部的に支配する、力を受けて生じる応力、特にブ
レードの遠心力による応力に調和する形に形成されてい
る。
【００１５】図３に略図示する根部の断面図について説
明する。末端部分６に接するブレード根部３によって優
勢にブレードの心出しが行われる。これは相対する着座
面Ｓにおいて生じる比較的小さな遠心力Ｋ′に対する相
対的に大きな周方向の遠心力Ｋを示す。力の平行四辺形
によれば、小さな遠心力部分Ｋ′は相対する着座面Ｓに
対して垂直に発生する支持力Ａから逸れる。したがって
図１および図３によって、本質的に根部とスロットの間
の相対する着座面Ｓに沿って並びに軸方向に線型に末端
部分６の表面Ｆと軸方向の凹部７の対向面（図１）に沿
って静的に決定された支持が与えられる。
【００１６】特に図３に示すように、当該末端部分６
は、両側で全長にわたって丸く形成された、または球形
の表面Ｆを有し、それによって凹部７の直線壁の内面へ
の軸方向の本質的に線型の表面接触が提供される（図
１）。
【００１７】図２（図２においては図１および図３にお
けるのと同じ符号が使用されている）は、相対する着座
面Ｓへの静的に決定できない根部／スロット支承部を有
する、従来の籾の木形根部を示す。当該中央の対称線Ｅ
の両側に形成された複数の根部の歯の一つによって着座
面Ｓに部材接触面に対する局部的遠心力Ｋ′が生ずる。
その場合において駆動中に現れる根部の変形によっての
み製造誤差に関してブレードの心出しが可能である。
【００１８】図１について説明する。半径方向外側の末
端部にロータブレード２はシュラウドセグメント(Deckb
andsegmente)９を有する。シュラウドセグメント９によ
ってロータブレード２は駆動中周方向に互いに支持され
る。シュラウドセグメント９によってロータブレード２
は第１に振動を和らげるように及び／または第２に捻じ
れを抑制するように配置される。
【００１９】上記の第１の振動減衰について説明する。
シュラウドセグメント９の相対する衝突縁が、一定量の
部材摩擦（図１には斜めの衝突縁Stを示す。）によって
振動が吸収されるように形成されている。
【００２０】上記の第２の捻じれ抑制について説明す
る。このために、（上から見たとき）鋸歯状に形成され
た衝突縁をシュラウドセグメント９に設けることができ
る。たとえば、ロータの軸線に対して一様に面取りされ
た、相対する衝突縁の部分を相対する斜めの部分を通っ
て位置ずれさせることができる。
【００２１】ロータブレード２は、少ない重量の、耐熱
性セラミック材料で造ることができる。セラミック材料
について、自己焼結または熱間プレスされる炭化珪素が
あげられる。セラミック材料について、さらに反応焼結
されたまたは自己焼結されたまたは熱間プレスされた窒
化珪素があげられる。
【００２２】二者択一的にロータブレード２は少ない重
量の、耐熱性の球状セル構造を有する軽量構造用材料で
作ることができる。このためにロータブレード２は重量
の少ない金属間結合およびその合金からなる。
【００２３】「球状の」セル構造は中空に作られた材料
を意味する。複数の金属性中空玉は密に詰められ、予備
焼結によってだいたい結合される。その後、球の間の中
空空間は粉末状金属合金で埋められ、次の焼結におい
て、中空玉によって残された中間の間隙に金属間化合物
の中間部が得られる。これに続いて後焼結が、玉と充填
財粉末からなる予備焼結された材料が適当な温度で、軽
量構造用材料を形成するように局部的に互いに金属間結
合されるように行われる。
【００２４】中間化合物は、チタンアルミニウム化合物
(TiAl)からなる。
【００２５】二者択一的に金属間化合物はニッケルアル
ミニウム化合物（NiAl）からなる。
【００２６】所謂セラミックまたは金属材料に関して、
繊維強化したセラミックまたは金属マトリックスが適当
である。
【００２７】ロータブレード２用の軽量構造用材料の別
の実施態様によれば、炭化珪素繊維によって強化チタン
マトリックスが提供される。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、少ない外側の遠心力に
より誘発されたリムに加えられる負荷は高い回転速度に
かかわりなく低く、比較的簡単な根部／スロットの構成
を有するロータの重量は少なく、またリムにおけるロー
タの心出しが十分に可能であるターボマシーン、特にガ
スタービンエンジンの軸流タービンのロータを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】横方向に切断されたタービンケーシング部分の
ロータ部分を示す正面図であって、複数の、周方向に一
様な間隔をおいて、一部切り欠かれたロータディスクの
リムに分配され、軸方向スロットの中に係止されたロー
タブレードのうちの３つを示す。
【図２】前記軸方向スロットに組み込むロータブレード
の従来の樅の木形の根部の局部的に切欠した根部の横断
面図を示し、局部的な遠心力に関して根部／スロット形
状の面から静的に決定できない支承面部を明らかにする
ものである。
【図３】前記軸方向スロットに組み付ける本発明のロー
タブレードの根部の切欠された、局部的な心出しに関し
て得ることができるほぼ静的に決定された支承面部を明
らかにするものである。
【符号の説明】
１ ロータ ２ ロータブレード ３ ブレード根部 ４ 軸方向スロット ５ ロータリム ６ 末端部分 ７ 軸方向凹部 ８ ディスク突出部 ９ シュラウドセグメント Ｆ 根部台座 Ｓ 着座面
フロントページの続き (71)出願人 391028384 エムテーウー・モートレン−ウント・ツル ビーネン−ウニオン・ミュンヘン・ゲセル シャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハ フツング ＭＴＵ ＭＯＴＯＲＥＮ−ＵＮＤ ＴＵＲ ＢＩＮＥＮ−ＵＮＩＯＮ ＭＵＥＮＣＨＥ Ｎ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮ Ｇ ドイツ連邦共和国、80995 ミュンヘン、 ダッハウアー・シュトラーセ 665 ＃ ＤＡＣＨＡＵＥＲ ＳＴＲＡＳＳＥ 665, 80995 ＭＵＥＮＣＨＥＮ，ＧＥＲＭＡＮ Ｙ (72)発明者 ウォルフガング・クリーゲル ドイツ連邦共和国 85293 リヒャルトシ ャウセン，ヴァルドストラッセ 11

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のロータブレード（２）が、それら
    の鋸歯状の輪郭の根部（３）によって前記根部（３）の
    輪郭に合わせてロータリム（５）に作られた軸方向スロ
    ット（４）に固定されている、ターボマシーン、特にガ
    スタービンエンジンの軸流タービンのロータ（１）であ
    って、 前記ロータブレード（２）が専ら重量が少なく、 総てのロータブレードの根部（３）が左右対称の、単一
    の鋸歯（Ｚ）の形の根部断面部を有し、 各ロータブレードの根部（３）は前記鋸歯（Ｚ）形の根
    部断面部より縮小された形の根部断面部を有する末端部
    （６）において対称に終わっており、 各末端部（６）は前記スロット（４）の底部に形成され
    た凹部（７）内に該末端部（６）の丸く形成された表面
    （Ｆ）によって半径方向に可動に支持されていることを
    特徴とする、ターボマシーンのロータ。
  2. 【請求項２】 前記末端部（６）が鳩尾形のロータブレ
    ードの根部（３）に形成されていることを特徴とする請
    求項１に記載のロータ。
  3. 【請求項３】 前記末端部（６）がロータブレードのつ
    ち形根部（３）に形成されていることを特徴とする請求
    項１に記載のロータ。
  4. 【請求項４】 その全長にわたって左右対称に丸く形成
    されたまたは球形の表面（Ｆ）を有する各末端部（６）
    が軸方向におよび半径方向に真っ直ぐに形成された凹部
    （７）の中に位置することを特徴とする請求項１乃至３
    の何れか一項に記載のロータ。
  5. 【請求項５】 各ロータブレード（２）の根部が−上方
    外側から下方内側に見て−最初首のように狭まった根部
    断面部から両側の鋸歯形の根部断面部（Ｚ）に移行して
    いることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
  6. 【請求項６】 各末端部の丸い表面は少なくとも部分的
    に楕円形のまたはつぼ形または円形の末端部断面部で作
    られていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一
    項に記載のロータ。
  7. 【請求項７】 ロータブレード（２）が、シュラウド構
    造物を介して前記ロータブレードの外側翼端に、捻じれ
    を阻止するようにおよび／または振動を減衰させるよう
    に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のロ
    ータ。
  8. 【請求項８】 総てのロータブレード（２）が重量の少
    ない、セラミック製耐熱性材料で作られていることを特
    徴とする請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 総てのロータブレード（２）が重量の少
    ない、球状セル構造を有する耐熱性の軽量構造用材料で
    作られていることを特徴とする請求項１に記載のロー
    タ。
  10. 【請求項１０】 総てのロータブレード（２）が重量の
    少ない、金属間化合物およびそれらの合金で作られてい
    ることを特徴とする請求項１又は９に記載のロータ。
  11. 【請求項１１】 金属間化合物がチタンアルミニウム化
    合物（TiAl）からなることを特徴とする請求項１０に記
    載のロータ。
  12. 【請求項１２】 金属間化合物がニッケルアルミニウム
    化合物（NiAl）からなることを特徴とする請求項１０に
    記載のロータ。
  13. 【請求項１３】 ブレードの材料またはセラミックマト
    リックスまたは金属マトリックスがファイバで強化され
    ていることを特徴とする請求項８または１０に記載のロ
    ータ。
  14. 【請求項１４】 ロータブレード（２）の軽量構造用材
    料が炭化珪素繊維強化チタンマトリックスからなること
    を特徴とする請求項１に記載のロータ。
JP07233836A 1994-09-16 1995-09-12 ターボマシーンのロータ Expired - Fee Related JP3084215B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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