JP5117127B2 - ターボ機械ロータおよび当該ロータを備えるターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械ロータに関し、特に、ロータディスクに対するブレード、特にファンブレードの取り付けに関する。

従来、ターボ機械ロータは、一方で、等しい角度間隔で分布される複数の略軸方向のスロットをその外周に有するディスクを備えるとともに、他方で、上記ディスクの外周から径方向外側に延び且つそれぞれがスロットのうちの１つに収容されるブレードルートを備える複数の取り外し可能なブレードを備える。

ブレードのルートがスロット内に挿入されると、ブレードルートの下流側部分は、ロータに固定され且つスロットの下流側に位置する下流側フランジと接触する。ブレードルートは、軸方向端部ストッパとしての機能を果たす下流側フランジと当接する。軸方向の保持は、通常、保持リングの形態を成してもよい除去可能な上流側フランジを取り付けることにより確保される。この上流側フランジが例えばボルトを使用してディスクに対して固定されると、上流側フランジは、ルートがロータディスクのスロットから離脱することを防止する。上流側および下流側は、ロータを通じて空気が流れる主方向に対して画定される。このような軸方向保持システムは特に欧州特許第１４００６９８号明細書に記載されているが、この文献には下流側フランジが示されていない。

組み立ての理由のため、ブレードは、軸方向のクリアランスをもってディスク上に組み立てられる。ファンブレードがこのクリアランス内に偶然に位置されると、ロータがアンバランスとなり、動作中に振動が生じる。ファンブレードの空気力学的輪郭の翼弦が長ければ長いほど、この振動が大きくなる。動作時、ブレードが耐えなければならないかなりの遠心力により、ブレードが不意にこの軸方向のクリアランス内で軸方向に動き回る可能性もある。

ターボ機械が作動している間のブレードの任意の軸方向移動を防止するため、上流側フランジには、その下流側面上に、組み立て後に上記ブレードルートが下流側フランジに対して保持される十分な力をブレードルートの上流側面に及ぼすようになっているエラストマーブロック等の弾性手段が設けられている。このシステムにおいて、上流側フランジは、単一部品として形成されるとともに、環状の形状を成している。米国特許第５２５９７２８号明細書および米国特許第６４５７０４２号明細書によれば、軸方向保持は、スロット間に位置される複数の小さなフランジによって与えられる場合もある。

しかしながら、欧州特許第１４００６９８号明細書に記載されるシステムは完全に満足のいくものではない。これは、下流側フランジで摩耗が起こるからである。この摩耗は、下流側フランジに対するブレードルートの擦れによって引き起こされ、上記下流側フランジの寿命を低下させる。たいていの場合のように、この下流側フランジがコンプレッサケーシングの前方フランジ、すなわち、ファンブレードの下流側でコンプレッサブレードを支持する略円筒形状の部品からなる場合には、ブレードの損失が危険に瀕する。

この摩耗は、本質的に、ターボ機械が作動しているときではなく、ターボ機械が静止して風に晒されるとき、例えばこのようなターボ機械を備える航空機がパーキングエリアで静止しているときに現れる。一般に、大気の風により、ターボ機械ロータが通過する風の力だけ（ｗｉｎｄｍｉｌｌ）で回転する。ロータブレードは、それらが径方向に幾らか移動できるクリアランスをもってディスクのスロット内に装着されており、そのクリアランスは、ターボ機械が作動しているときに遠心力に起因して消失する。本発明において、ブレードが径方向移動を成すと言われる場合、これは、ロータの軸と略平行な軸を中心とするディスクのスロット内での上記ブレードの小振幅回転を意味するものと理解されなければならない。ロータが風によって駆動されてゆっくりと回転すると、ブレード、特にファンブレードは、特にこれらが水平位置に達すると、重力の結果として、それら自体の重量の作用下で径方向に移動する。一方におけるブレードの径方向移動の作用と、他方における下流側フランジに対するこのブレードの動きの作用との組み合わせにより、上流側のエラストマーブロックにより生成される力に起因して、摩耗が観察される。
欧州特許第１４００６９８号明細書 米国特許第５２５９７２８号明細書 米国特許第６４５７０４２号明細書

この摩耗は、ターボ機械ロータの繰り返し操作中、例えばメンテナンス作業中あるいはロータが非常に低い速度で回転しているときにも現れる可能性がある。一般に、この摩耗は、ブレードの径方向移動が起こり得るようにロータが回転している全ての状況で現れる。

本発明の１つの目的は、ロータブレードと下流側フランジとの間での摩耗を排除することである。

本発明は、特に、その外周に複数のスロットを有するディスクと、それぞれがスロットのうちの１つに収容されるブレードルートを備える複数の取り外し可能なブレードと、上記ディスクに固定され且つ各ブレードルートが当接する下流側フランジとを備えるターボ機械ロータに関する。本発明によれば、ロータは、ブレードルートと下流側フランジとの間に隙間を維持するようになっている弾性バッファを各ブレードルートと下流側フランジとの間に備える。

弾性バッファは、ブレードルートの下流側部分上にクリップできる形状を成していることが有益である。理想的には、このバッファは、ブレードルートの下流側面と当接するベースと、ブレードルートの側面と当接する２つのブランチとを備えるＵ形状を成している。ベースは、グリップ強化スタッドとしての機能を果たす少なくとも１つのスパイクをその下流側面上に備えてもよい。

この弾性バッファは、ブレードルートの下流側部分の代わりに、下流側フランジ上に同様にうまくクリップしてもよい。

また、本発明は、そのようなロータを備えるターボ機械に関する。

以下の詳細な説明を読むことにより、本発明を明確に理解できるとともに、本発明の利点が更に明らかとなる。説明は添付図面を参照する。

図１はターボファンタイプのターボ機械１を示している。従来の態様のターボ機械は、ステータを構成する固定アセンブリと、ロータを構成する回転アセンブリとを備える。均等に離間された図１のドット（点）は、本発明の対象を形成するロータの位置に対応している。

図２は、ターボ機械のロータを構成する主要な部品、特にファンブレード２を装着するために使用できるボルト以外の部品を分解図で示している。

ブレード２は、ねじれたベーンの形態を成す空気力学的輪郭２１と、ブレードルート２２とを備える。ブレードルート２２は、空気力学的な流れと相互作用しないブレード２の下側部分である。通常、空気力学的輪郭２１およびブレードルート２２は、ブレードに対して取り外し可能なあるいは固定されるプラットフォーム５により画定される。

ブレードルート２２は、ロータディスク４上に装着されると、ディスク４の略軸方向スロット４１のうちの１つに挿入され、スロット４１の下流側端部４３に位置される下流側フランジ７に当接する。図２に示される下流側フランジ７は、環状の形状を成しており、略円筒形状を成し且つコンプレッサブレード（図示せず）を収容するようになっている周方向スロット７５を備えるコンプレッサケーシング７０に対して固定されている。下流側フランジ７は、ドラム７から同様にうまく独立してもよく、また、環形状の一体部品のみからなりあるいは互いに独立した複数の環状部品からなってもよい。下流側フランジ７は、主に、径方向に延び且つその内周上および外周上に内側固定フランジ要素７２および外側固定フランジ要素７３がそれぞれ設けられたリング７１を備える。下流側フランジ７およびディスク４はボルト（図示せず）を使用して互いに固定されてもよい。前述した摩耗は、主に、参照符号７４が付された局部表面における各フランジ要素７２または７３間のリング７１上で見つけられる。

プラットフォーム５は、空気力学的な流れを作り直すために、２つの連続するブレード２間に位置される。これらのプラットフォーム５は、それらのフランジ要素５１により、ディスク４のフランジ要素４４に対して取り付けられる。ブレードルート２２とディスク４のスロット４１の閉端との間にスペーサ３が挿入されることも一般的な方法である。

軸方向保持を行なうため、取り外し可能な上流側フランジ６がスロットの上流側端部４２に対して固定される。図２に示される上流側フランジ６は環状の形状を成している。上流側フランジは、ブレード２が上流側端部４２を通じてスロット４１から外れることを防止する。更なる第２の環状フランジ６１がフランジ６の上流側に位置されてもよく、また、第２の環状フランジ６１には、その下流側の面に、弾性手段、例えば欧州特許第１４００６９８号明細書に記載されるようなエラストマーブロックが設けられてもよい。第２の環状フランジはボルト（図示せず）を使用してディスク４に対して固定される。

図３は、ブレードルート２２の下側の下流側部分を示している。ブレードルート２２は、ディスク４のスロット４１内に収容されるように設計されたほぞ２３をその基部に備える。ブレードルート２２の下流側部分２４は、表面２５と、表面２５とほぞ２３との間に位置する凹部２６とを備える。この凹部２６の初期の機能は、この領域で応力を避けることである。ブレードルート２２と下流側フランジ７との間の隙間を維持するため、この凹部２６内には軸方向バッファが有利に収容されてもよい。

図４に示されるように、ブレードルート２２の略平坦な表面２５は、下流側フランジ７のリング７１の表面７４と接触する。この接触が前述した摩擦摩耗の原因となる。

この摩耗を減らすためあるいは排除するため、本発明は、少なくともロータが作動していないときにブレード２と下流側フランジ７との間の隙間を維持するようになっている弾性バッファ８を各ブレード２と下流側フランジ７との間に挿入することによりターボ機械ロータを改良することを提案する。

図５および図６は、図３および図４のそれぞれに対応しているとともに、前述した弾性バッファ８を特徴付けている。弾性バッファ８は、ブレードルート２の下流側部分２４上にクリップ装着できる形状、すなわち、それ自体を下流側部分２４に取り付けるために下流側部分２４を把持できる形状を成している。これを成すため、弾性ストッパは、理想的には、ブレード２の下流側部分２４と当接するベース８１と、ブレード２の側面２７と当接する２つのブランチ８２とを備えるＵ形状を成している。弾性バッファ８のクリップ留め能力は、その特定の部品に容易に近づくことができないターボ機械１およびロータの組み立てを更に容易にするためのものである。

ブランチ８２は略平坦な形状を成している。また、ベース８１は、略平坦な形状を成すとともに、上流側面８１ａおよび下流側面８１ｂを備える。これらの形状は、弾性バッファ８により占められる空間の大きさおよび弾性バッファ８の重量を制限することができ（これらは航空用途において不可欠な制約である）有益である。したがって、このような弾性バッファ８は、結果として他の隣接する構成要素に改良を加えることなく、殆どのロータに対して加えることができる。

ブレード２が径方向に移動できる可能性を有する場合、弾性バッファ８はブレードルート２２と下流側フランジ７との間の隙間を保つ。この隙間は、摩耗を引き起こす摩擦を防止する。適切な隙間は０．１ｍｍ〜０．８ｍｍである。ロータが作動しているとき、すなわち、ターボ機械１を駆動するためにスロットルが開かれているときには、ロータブレード２が径方向に移動することを遠心力が防止し、そのため、これらのブレード２と下流側フランジ７との間でもはや摩擦が生じない。これらの状態下では、ブレードルート２２と下流側フランジ７との間に隙間を維持する必要はない。弾性バッファの硬度はこれらの状態を考慮に入れてもよい。

また、弾性バッファの硬度は、下流側フランジ７に対するブレード２の圧力に起因する軸方向移動を阻むことができなければならない。弾性バッファ８における適切な硬度は、それが４０ショアＤ〜８０ショアＤ、好ましくは６５ショアＤ〜７５ショアＤの範囲にあるときに得られる。例えば、バッファは、７１ショアＤ〜７３ショアＤの硬度を有するポリウレタンエラストマーなどの第１の材料からなってもよく、あるいは、Ｐｅｅｋ（登録商標）樹脂によって形成されてもよい。

弾性バッファ８と下流側フランジ７との間の付着力を高めるために、下流側面８１ｂは、その硬度が第１の材料の硬度よりも低い、好ましくは５０ショアＤ〜７０ショアＡの範囲の硬度を有する第２の材料、例えば６０ショアＡの硬度を有するシリコンエラストマーによって形成されてもよい。

本発明の第１の実施形態において、弾性バッファ８の下流側面８１ｂは平坦である。弾性バッファ８と下流側フランジ７との間の付着力を高めるため、第２および第３の実施形態で詳述される構造的なアレンジが成されてもよい。

本発明の第２の実施形態によれば、弾性バッファ８は、少なくとも１つのスパイク８３、好ましくは図７に見られる３つのスパイクを備えてもよい。グリップ強化スタッドとしての機能を果たす各スパイク８３は、ベース８１の下流側面８１ｂによって画定される平面から突出して、ベース８１の下流側面８１ｂ上の円形凹部８４内に位置している。

本発明の第３の実施形態によれば、弾性バッファ８は、図８に示されるような少なくとも１つのリブ８５を備えてもよい。弾性バッファ８と下流側フランジ７との間で良好な付着力を得るために他の形状が想起されてもよい。

本発明は、ファンブレードなどの大きなブレードを備えるロータに適している。

ターボ機械の概略図である。 ターボ機械ロータの分解図である。 従来技術によるブレードルートの下流側部分の図である。 下流側フランジに当接する従来技術によるブレードルートの下流側部分の図である。 本発明によるブレードルートの下流側部分の図である。 下流側フランジに当接する本発明によるブレードルートの下流側部分の図である。 下流側フランジに当接する本発明の第２の実施形態によるブレードルートの下流側部分の図である。 下流側フランジに当接する本発明の第３の実施形態によるブレードルートの下流側部分の図である。

符号の説明

１ ターボ機械
２ ブレード
３ スペーサ
４ ディスク
５ プラットフォーム
６ 上流側フランジ
７ 下流側フランジ
８ 弾性バッファ
２１ 空気力学的輪郭
２２ ブレードルート
２３ ほぞ
２４ 下流側部分
２５、７４ 表面
２６ 凹部
４１、７５ スロット
４２ 上流側端部
４３ 下流側端部
４４、５１ フランジ要素
６１ 第２の環状フランジ
７０ コンプレッサケーシング
７１ リング
７２ 内側固定フランジ要素
７３ 外側固定フランジ要素
８１ ベース
８１ａ 上流側面
８１ｂ 下流側面
８２ ブランチ
８３ スパイク
８４ 円形凹部
８５ リブ

Claims (19)

1. ターボ機械ロータであって、
   外周に複数のスロット（４１）を有するディスク（４）と、
   それぞれブレードルート（２２）を有する複数の取り外し可能なブレード（２）とを備え、ブレードルート（２２）は、スロットのうちの１つに収容されるほぞ（２３）を基部に有し、前記ターボ機械ロータがさらに、
   前記ディスクに固定され且つ各ブレードルートが当接する下流側フランジ（７）を備え、
   前記ターボ機械ロータが、ブレードルートと下流側フランジとの間に隙間を維持するようになっている弾性バッファ（８）を、各ブレードルートの下流側部分（２４）と下流側フランジとの間に含み、
   各ブレードルートの前記下流側部分が、前記ブレードルートのほぞの径方向外側にある、ターボ機械ロータ。
2. 弾性バッファが、ブレードルートの下流側部分上にクリップできる形状を成している、請求項１に記載のターボ機械ロータ。
3. 弾性バッファが、下流側フランジ上にクリップできる形状を成している、請求項１に記載のターボ機械ロータ。
4. 弾性バッファが、ブレードの下流側部分と当接するベースと、ブレードルートの側面と当接する２つのブランチとを備えるＵ形状を成している、請求項２に記載のターボ機械ロータ。
5. Ｕの各ブランチが略平坦な形状を成している、請求項４に記載のターボ機械ロータ。
6. Ｕのベースが、略平坦な形状を成すとともに、上流側面および下流側面を備える、請求項４または５に記載のターボ機械ロータ。
7. ベースが、グリップ強化スタッドとしての機能を果たす少なくとも１つのスパイクをその下流側面上に備える、請求項６に記載のターボ機械ロータ。
8. ベースが、３つのスパイクをその下流側面上に備える、請求項７に記載のターボ機械ロータ。
9. スパイクが、ベースの下流側面によって画定される平面から突出している、請求項７または８に記載のターボ機械ロータ。
10. スパイクが、ベースの下流側面上の円形凹部内に位置されている、請求項７から９のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
11. ベースの下流側面の硬度が５０ショアＡ〜７０ショアＡの範囲である、請求項６から１０のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
12. ベースの下流側面が６０ショアＡの硬度を有する、請求項１１に記載のターボ機械ロータ。
13. ベースの下流側面がシリコンエラストマーによって形成されている、請求項６から１２のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
14. 弾性バッファの硬度が４０ショアＤ〜８０ショアＤの範囲である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
15. 弾性バッファの硬度が６５ショアＤ〜７５ショアＤの範囲である、請求項１４に記載のターボ機械ロータ。
16. 弾性バッファの硬度が７１ショアＤ〜７３ショアＤの範囲である、請求項１５に記載のターボ機械ロータ。
17. 弾性バッファがポリウレタンエラストマーによって形成されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
18. ブレードがファンブレードである、請求項１から１７のいずれか一項に記載のターボ機械ロータ。
19. 請求項１から１８のいずれか一項に記載されるロータを備える、ターボ機械。

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