JPH10141002A

JPH10141002A - タービンの動翼接続具

Info

Publication number: JPH10141002A
Application number: JP29348896A
Authority: JP
Inventors: Masazumi Hayashi; 正純林
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1996-11-06
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】応力集中が小さく、最大応力を低減でき、か
つ半径方向長さを短くできるタービンの動翼接続具を提
供する。【解決手段】タービン動翼１１の内端部に設けられた
雄型接続具１２と、ディスク１３の外周部に設けられた
雌型接続具１４とからなる。雄型接続具と雌型接続具
は、互いに密着して嵌合しタービン動翼に作用する遠心
力を伝達し、かつ半径方向に間隔を隔てた少なくとも２
つの圧力面１６，１８と、圧力面間に構成され互いに隙
間を隔てて嵌合し前記遠心力を伝達しない少なくとも１
つの非圧力面１７，１９とを有する。非圧力面は、圧力
面を形成する２つの平面に隣接し相対的に大きい曲率半
径Ｒを有する２つの大円弧面１７ａ，１９ａと、該２つ
の大円弧面に隣接し相対的に小さい曲率半径ｒを有する
２つの小円弧面１７ｂ，１９ｂと、該２つの小円弧面を
連結する平面１７ｃ，１９ｃとで構成され、これにより
応力集中を小さくして最大応力を低減し、かつ半径方向
長さを短くできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービン動翼をデ
ィスクに連結する翼固定部に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４に示すように、一般にガスタービン
エンジンは、高圧圧縮機２、燃焼器３及び高圧タービン
４，等を備え、高圧タービン４により高圧圧縮機２を駆
動し、圧縮機２により圧縮された空気により燃焼器３で
燃料を燃焼させ、燃焼器３により生成された高温の燃焼
ガスにより高圧タービン４を駆動するようになってい
る。

【０００３】また、２軸のターボファンエンジンの場
合、前記に加え、高圧タービン４の排気ガスにより駆動
される低圧タービン５と、この低圧タービン５により駆
動されるファン１を備えている。図５はガスタービン部
の部分断面図である。この図において、図示しない圧縮
機で圧縮された空気の一部が燃焼器３に流入し、燃焼器
３で高温ガスを発生させ、この高温ガスで高圧タービン
４及び低圧タービン５を回転駆動し、この駆動力により
圧縮機を駆動するようになっている。タービン４，５の
外周部には、タービン翼４ａ，５ａが円周上に複数配置
され翼列を形成している。

【０００４】図６は、ガスタービン動翼４ａ，５ａをデ
ィスク４ｂ，５ｂに連結する翼固定部の従来例である。
この図に示すように、動翼固定の手段には、大別して、
円板の周方向に動翼を植え込むタンゼンシャルエントリ
形と、ロータ軸方向に動翼を植え込むアキシャルエント
リ形とがある。アキシャルエントリ形のダブテールは、
一般的に多くの場合、エンジン軸に対しある角度（ｓｋ
ｅｗ角）をもって（エンジン軸に対し、ねじれの方向）
に挿入される。

【０００５】図７は、アキシャルエントリ形の翼固定部
の一例であり、動翼及びディスクに互いに嵌合する舌状
部分（タング部と呼ぶ）を設け、このタング部を介して
動翼に作用する遠心力をディスクに伝達するようになっ
ている。アキシャルエントリ形の翼固定部をダブテール
部と呼び、タング部が２つのものをダブルタングダブテ
ール(Double Tang Dovetail)、単に２つ以上のものをマ
ルチタングダブテール(Multi Tang Dovetail) と呼ぶ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ダブテール部は、図７
に例示するように、動翼の遠心力をディスクに伝達する
平面（圧力面）と、遠心力の伝達に寄与しない面（非圧
力面）とからなる。従来のダブテール形状では、前記非
圧力面は、動翼とディスクの間で平行な間隔を形成する
平面と、圧力面を形成する平面に挟まれた単一な曲率半
径（ｒ_1,ｒ₂またはｒ₃）を有する円弧面（Ｒ面）によ
り構成される。

【０００７】しかし、圧力面と非圧力面を１つのＲ面で
継ぐと、Ｒ面の半径が小さくなり、Ｒ部における応力集
中が大きくなる問題点があった。そのため、従来のダブ
テール部では、従来以上の過酷な条件（回転速度，作動
温度等）で使用すると、Ｒ部の応力集中により、疲労強
度が低下し、寿命が低下したり、甚だしい場合にはダブ
テール部に疲労破壊が生じるおそれがあった。

【０００８】また、この問題を解決するために単にＲ面
の半径を大きくすると、以下の問題が発生する。第１
に、ダブテール部の半径方向長さが長くなることによ
り、ディスクの外周部遠心力が大きくなり、それに耐え
うる大きなディスクとする必要が生じる。第２に、ター
ビン回転軸を中心軸とする円筒面でタブテールを切った
断面の最小値が小さくなり、この断面の平均応力が大き
くなり、この断面近傍にある応力集中部応力が過大とな
る。

【０００９】本発明は、上述した種々の問題点を解決す
るために創案されたものである。すなわち本発明の目的
は、応力集中が小さく、圧力面に隣接する円弧面応力集
中部に発生する最大応力を低減でき、かつ半径方向長さ
が短いタービン動翼の翼固定部構造を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、タービ
ン動翼の内端部に設けられた雄型接続具と、ディスクの
外周部に設けられた雌型接続具とからなり、雄型接続具
と雌型接続具は、それぞれ互いに密着して嵌合しタービ
ン動翼に作用する遠心力を伝達し、かつ半径方向に間隔
を隔てた少なくとも２つの圧力面と、該圧力面間に構成
され互いに隙間を隔てて嵌合し前記遠心力を伝達しない
少なくとも１つの非圧力面とを有し、前記非圧力面は、
圧力面を形成する２つの平面に隣接し相対的に大きい曲
率半径Ｒを有する２つの大円弧面と、該２つの大円弧面
に隣接し相対的に小さい曲率半径ｒを有する２つの小円
弧面と、該２つの小円弧面を連結する平面とで構成され
ている、ことを特徴とするタービンの動翼接続具が提供
される。

【００１１】上記本発明の構成により、発生応力の観点
から以下の利点がある。タービン動翼とディスクの嵌合
い部（ダブテール部）では、圧力面近傍の円弧面部で、
くびれていることもあり、遠心力に起因する引張力と圧
力面の摩擦に起因する剪断力により大きな応力集中が発
生する。しかし、本発明の構成によれば、圧力面近傍の
円弧部を相対的に大きな曲率半径Ｒを有する大円弧面で
構成する。すなわち、ダブテールの曲面部において圧力
面に近いところの曲率半径を相対的に大きくする。この
ことにより、応力集中部の曲率半径が大きくなることで
応力集中率が低減できる。

【００１２】また、前記非圧力面を、圧力面を形成する
２つの平面に隣接し相対的に大きい曲率半径Ｒを有する
２つの大円弧面と、該２つの大円弧面に隣接し相対的に
小さい曲率半径ｒを有する２つの小円弧面と、該２つの
小円弧面を連結する平面とで構成する。すなわち、ダブ
テールの曲面部において圧力面から遠いところの曲率半
径を相対的に小さくする。このことにより、ダブテール
の半径方向長さを短くし、ディスクの外周部遠心力が小
さくなり、また、それに続くところの曲率半径を相対的
に小さくすることで、タービン回転軸を中心とする円筒
面でダブテールを切った断面の最小値が大きくし、この
断面の平均応力を低減でき、結果として最大発生応力を
低減でき、ディスクを軽くでき、ディスクに安価な材料
を使用でき、ディスクの寿命を伸ばすことができる。

【００１３】また、本発明の好ましい実施形態により、
加工上、以下の利点がある。非圧力面の平面は、タービ
ン回転軸を中心とする円筒面に接し雄型接続部の対称面
に垂直な平面に対し、約１０乃至２０度傾斜している。
この構成により、動翼のダブテール部を周方向から研削
加工する場合に、平面部が研削方向となす角度が小さい
と面粗さが悪化するが、約１０乃至２０度の角度をなす
ように設定することにより、ダブテール部の半径方向長
さの短縮と、面粗さの悪化防止を両立させることができ
る。

【００１４】また、相対的に大きな曲率半径を有する大
円弧面の曲率半径Ｒを、相対的に小さな曲率半径を有す
る小円弧面の曲率半径ｒの約１．５倍以上とすること
で、最大応力発生部における加工精度を高め、形状のい
びつさ等による応力増加を低減できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。図１は、本発明によるタービンの動翼接続具の構成
図であり、（Ａ）は全体構成、（Ｂ）はその接続部の詳
細を示している。この図に示すように、本発明のタービ
ンの動翼接続具１０は、タービン動翼１１の内端部に設
けられた雄型接続具１２と、ディスク１３の外周部に設
けられた雌型接続具１４とからなる。

【００１６】雄型接続具１２と雌型接続具１４は、それ
ぞれ半径方向に間隔を隔てた少なくとも２つの圧力面１
６，１８と、圧力面１６，１８の間にそれぞれ構成され
た少なくとも１つの非圧力面１７，１９とを有する。圧
力面１６，１８は、平面であり互いに密着して嵌合し、
タービン動翼１１に作用する遠心力（この図で上向き）
を伝達するようになっている。また、非圧力面１７，１
９は、互いに隙間を隔てて嵌合し、タービン動翼１１に
作用する遠心力を伝達しないようになっている。

【００１７】なお、図１は、ダブルタングダブテール
（圧力面が半径方向に２ケ所あるダブテール）の場合を
示しているが、本発明は、かかるダブルタングダブテー
ルに限定されず、タング部が２つ以上、すなわち圧力面
が３つ以上のマルチタングダブテールにそのまま適用す
ることができる。以下、ダブルタングダブテールの場合
について説明する。

【００１８】図１に示すように、非圧力面１７，１９
は、圧力面を形成する２つの平面１６，１８に隣接し相
対的に大きい曲率半径Ｒを有する２つの大円弧面１７
ａ，１９ａと、この２つの大円弧面１７ａ，１９ａに隣
接し相対的に小さい曲率半径ｒを有する２つの小円弧面
１７ｂ，１９ｂと、この２つの小円弧面１７ｂ，１９ｂ
を連結する平面１７ｃ，１９ｃとで構成されている。

【００１９】上記本発明の構成により、発生応力の観点
から以下の利点がある。タービン動翼１２とディスク１
３の嵌合い部（ダブテール部）では、圧力面近傍の円弧
面部で、くびれていることもあり、遠心力に起因する引
張力と圧力面の摩擦に起因する剪断力により大きな応力
集中が発生する。しかし、本発明の構成によれば、圧力
面近傍の円弧部を相対的に大きな曲率半径Ｒを有する大
円弧面７ａ，１９ａで構成する。すなわち、ダブテール
の曲面部において圧力面に近いところの曲率半径を相対
的に大きくする。このことにより、応力集中部の曲率半
径が大きくなることで応力集中率が低減できる。

【００２０】また、非圧力面１７，１９を、圧力面１
６，１８を形成する２つの平面に隣接し相対的に大きい
曲率半径Ｒを有する２つの大円弧面１７ａ，１９ａと、
この２つの大円弧面１７ａ，１９ａに隣接し相対的に小
さい曲率半径ｒを有する２つの小円弧面１７ｂ，１９ｂ
と、この２つの小円弧面１７ｂ，１９ｂを連結する平面
１７ｃ，１９ｃとで構成する。すなわち、ダブテールの
曲面部において圧力面から遠いところの曲率半径を相対
的に小さくする。このことにより、ダブテールの半径方
向長さを短くし、ディスクの外周部遠心力が小さくな
り、また、タービン回転軸を中心とする円筒面でダブテ
ールを切った断面の最小値が大きくなることで、この断
面の平均応力を低減でき、結果として最大発生応力を低
減でき、ディスクを軽くでき、ディスクに安価な材料を
使用でき、ディスクの寿命を伸ばすことができる。

【００２１】また、図１に示すように、非圧力面１７，
１９の平面１７ｃ，１９ｃは、タービン回転軸を中心と
する円筒面に接し雄型接続具の対称面に垂直な平面に対
し、約１０乃至２０度傾斜している。この実施形態によ
り、動翼１１のダブテール部を周方向から研削加工する
場合に、平面部１７ｃ，１９ｃが研削方向となす角度が
小さいと面粗さが悪化するが、約１０乃至２０度の角度
をなすように設定することにより、ダブテール部の半径
方向長さの短縮と、面粗さの悪化防止を両立させること
ができる。

【００２２】また、相対的に大きな曲率半径を有する大
円弧面１７ａ，１９ａの曲率半径Ｒを、相対的に小さな
曲率半径を有する小円弧面１７ｂ，１９ｂの曲率半径ｒ
の約１．５倍以上とすることで、最大応力発生部におけ
る加工精度を高め、形状のいびつさ等による応力増加を
低減できる。

【００２３】

【実施例】図１に示した本発明のタービンの動翼接続具
を有限要素法を用いてコンピュータ解析を行った。この
結果から、従来の形状と本発明の提供する形状の相違か
ら、ほとんどのケースでピーク応力（最大主応力及び V
on Mises応力）が許容応力を十分下回ることがわかっ
た。

【００２４】図２は、図１のダブテール部の変形解析例
である。この図から、全体の変形により遠心力を伝達し
ていることがわかる。また、図３は、ダブテール部の応
力解析例であり、（Ａ）は本発明のダブテール部、
（Ｂ）は単一な曲率半径を有する円弧面と直線面で構成
された従来のダブテール部の場合である。この図から、
本発明の場合、動翼及びディスクに発生する最大応力
が、従来（Ｂ）の場合の約８０ｋｇ／ｍｍ²から本発明
（Ａ）では約４０ｋｇ／ｍｍ²まで低減しており、本発
明の構成により、応力集中を大幅に緩和できることがわ
かる。

【００２５】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。例えば、上述した例では、タービン
の動翼接続具についてのみ説明したが、本発明はターボ
マシン全てに適用でき、特に翼重量が大きく、冷却翼を
必要とするタービンロータ部で有効である。また、ダブ
ルタング以上のマルチタングダブテールにも適用可能で
ある。

【００２６】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、ダブ
テール部の圧力面に隣接する円弧面部における最大応力
を低減でき、かつ半径方向長さ短縮によるディスク外周
部遠心力を低減できる。これらにより、動翼およびディ
スクの最大発生応力を低減でき、当該部の安全性向上、
ディスク重量軽減、ディスク材に安価な材料の適用、デ
ィスク寿命の延長が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービンの動翼接続具の構成図で
ある。

【図２】本発明によるダブテール部の変形解析例であ
る。

【図３】本発明によるダブテール部の応力解析例であ
る。

【図４】ガスタービンエンジンの全体構成図である。

【図５】ガスタービン部の部分断面図である。

【図６】従来のタービンの翼固定部の構成図である。

【図７】従来のアキシャルエントリ形の翼固定部の一例
を示す構成図である。

【符号の説明】

１ファン２高圧圧縮機３燃焼器４高圧タービン５低圧タービン４ａ，５ａタービン動翼１０タービンの動翼接続具１１タービン動翼１２雄型接続具１３ディスク１４雌型接続具１６，１８圧力面１７，１９非圧力面１７ａ，１９ａ大円弧面１７ｂ，１９ｂ小円弧面１７ｃ，１９ｃ平面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タービン動翼の内端部に設けられた雄型
接続具と、ディスクの外周部に設けられた雌型接続具と
からなり、雄型接続具と雌型接続具は、それぞれ互いに密着して嵌
合しタービン動翼に作用する遠心力を伝達し、かつ半径
方向に間隔を隔てた少なくとも２つの圧力面と、該圧力
面間に構成され互いに隙間を隔てて嵌合し前記遠心力を
伝達しない少なくとも１つの非圧力面とを有し、前記非圧力面は、圧力面を形成する２つの平面に隣接し
相対的に大きい曲率半径Ｒを有する２つの大円弧面と、
該２つの大円弧面に隣接し相対的に小さい曲率半径ｒを
有する２つの小円弧面と、該２つの小円弧面を連結する
平面とで構成されている、ことを特徴とするタービンの
動翼接続具。
【請求項２】前記雄型接続具と前記雌型接続具の形状
は、共に対称形状であることを特徴とするタービンの動
翼接続具。
【請求項３】前記非圧力面の平面は、タービン回転軸
を中心とする円筒面に接し雄型接続具の対称面に垂直な
平面に対し、約１０乃至２０度傾斜している、ことを特
徴とする請求項１に記載のタービンの動翼接続具。
【請求項４】前記大円弧面の曲率半径Ｒは、小円弧面
の曲率半径ｒの約１．５倍以上である、ことを特徴とす
る請求項１又は２に記載のタービンの動翼接続具。