JP5561461B2 - 動翼保持構造 - Google Patents

Description

本発明は、動翼保持構造に関し、特に、耐久性に優れた動翼保持構造に関する。

動翼を有する流体機械には、例えば、コンプレッサやタービン等が存在し、これらの流体機械は、タービンエンジンの主たる構成要素として使用されている。タービンエンジンは、コンプレッサ、燃焼器及びタービンの構成によって、ターボジェットエンジン、ターボファンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン等に分類される。これらのタービンエンジンのファン、コンプレッサ及びタービンに使用される動翼は、一般に、流体を送る翼形部と、該翼形部から周方向に延設され流路面を構成するプラットホームと、該プラットホームの下方に配置され端部に膨らんだ部分（膨出部）が形成されたダブテールと、を有する。また、かかるファン、コンプレッサ及びタービンは、回転軸に接続されたロータディスクを有し、該ロータディスクは周面に略軸方向に形成された複数の溝部を有する。該溝部は、周面の開口部よりも径方向内方に向かって広くなるように形成されている。したがって、ロータディスクの溝部に動翼のダブテールを挿入すると、ロータディスクの開口部にダブテールの膨出部が係止され、動翼は径方向に拘束される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

また、ロータディスクの溝部にダブテールが挿入された動翼は、軸方向にも拘束されなければならない。特許文献１〜特許文献３に記載された動翼保持構造は、溝部の一端側をロータディスクに略径方向に形成された保持溝に挿入される板状の動翼保持部材（例えば、リテーナ、保持板、キー等）により塞ぎ、溝部の他端側をロータディスクに隣接して固定される環状のリング部材（例えば、コーンやプレート等）により塞いでいる。ここで、動翼保持部材は、ダブテールの押さえ面を構成する本体部と、本体部の背面（押さえ面の裏側）に配置されたフランジ部と、を有しており、特許文献１及び特許文献２に記載された動翼保持部材では、フランジ部にボルト孔が形成され、ダブテールと溝部の隙間に挿入されるスペーサや板バネとボルト・ナット等の締結具により連結されて位置決めされている。また、特許文献３に記載された動翼保持部材では、フランジ部に薄肉部が形成され、ディスクに連結される留め部材（タペット）の薄肉部が係合されて位置決めされている。

特開２００２−１９５１０３号公報 特開平６−３３７０２号公報 特開昭５９−１０１５９８号公報

上述したタービンエンジンは、鳥等の異物を吸い込む場合があり、その衝撃に耐えられるように設計されている。特に、動翼が１枚破損した場合であっても動力を供給できるか否かを確認するための試験をブレードアウト試験と称している。例えば、ターボファンエンジンのファンに特許文献１〜特許文献３に記載された動翼保持構造を採用した場合、上流の空気取入口側に動翼保持部材が配置されることが多い。また、ブレードアウト試験において、飛散した動翼が隣接した正常な動翼と接触した場合、流体を下流へ送るための翼形部の形状から、固定された正常な動翼は上流側に大きな荷重を受けることとなる。この現象は、鳥等の異物を吸い込んだ場合も同様である。したがって、異物の吸い込みに強いエンジンを設計したり、ブレードアウト試験をパスしたりするためには、動翼保持部材の強度が重要になってくる。

ところが、上述した特許文献１や特許文献２に記載された動翼保持部材は、本体部の両端がロータディスクの保持溝に挿入されて支持されているため、ダブテールとの接触により本体部が上流側に大きな荷重を受けた場合に、剪断力だけでなく、ロータディスクからの反力による曲げモーメントも生じることとなり、強度的に弱い部分となり易い。したがって、動翼保持部材を厚くしなければならず、そのため重量が大きくなってしまう、動翼保持部材を厚くするための空間の確保が難しい形状には適用できない等の問題がある。

また、特許文献３に記載された動翼保持部材は、ダブテールに形成されたヒールがディスクの上流側に支承された動翼を保持していることから、異物吸い込み時やブレードアウト試験時にはヒールと動翼保持部材とが接触することとなり、かかる接触部に衝撃力が集中し易いため、上述した問題がより顕著となってしまう。
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、軽量で強度に優れた動翼保持構造を提供することを目的とする。

本発明によれば、動翼のダブテールをロータディスクの周面に形成された溝部に挿入し、該溝部の両端部を塞ぐことにより前記動翼を前記ロータディスクに固定する動翼保持構造であって、前記溝部の少なくとも一端側に配置される動翼保持部材と、前記ダブテールと前記ロータディスクの隙間に挿入されるとともに前記動翼保持部材と結合されるスペーサと、を有し、前記動翼保持部材は、異物の吸い込み又は飛散した動翼の衝突によって、前記ダブテールとの接触により形成される剪断力を受ける面に前記ダブテールと前記動翼保持部材との接触により生じる曲げモーメントに基づいて形成された凸部を有し、前記動翼保持部材は、前記ロータディスクの略径方向に形成された保持溝に挿入され前記ダブテールの押さえ面を構成する本体部と、該本体部の背面に配置されるとともに前記スペーサとの結合部を有するフランジ部と、を備え、前記凸部は、前記本体部が前記保持溝よりも径方向外方に突出するとともに補強リブを備えた突出部により形成される、ことを特徴とする動翼保持構造が提供される。

また、前記溝部の他端側には、前記ロータディスクに固定される環状のリング部材が配置されていてもよい。

上述した本発明に係る動翼保持構造によれば、ダブテールと動翼保持部材との接触により形成される剪断力を受ける面に凸部を形成したことにより、動翼保持部材の断面２次モーメントを大きくすることができ、ブレードアウト試験や異物の吸い込み等により動翼保持部材に生じる曲げモーメントに対して動翼保持部材を曲がり難くすることができ、動翼保持構造の軽量化及び強度の向上を図ることができる。

本発明に係る動翼保持構造の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は外観図、（Ｂ）は動翼保持部材の外観図、である。 動翼保持構造の断面図を示す図であり、（Ａ）は図１に示した動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、（Ｃ）は従来の動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図２（Ｃ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、である。 本発明に係る動翼保持構造の全体構成を示す図である。 動翼保持部材の変形例を示す図であり、（Ａ）は動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図４（Ａ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、である。 本発明に係る動翼保持構造を備えたターボファンエンジンを示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明に係る動翼保持構造の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は外観図、（Ｂ）は動翼保持部材の外観図、である。また、図２は、動翼保持構造の断面図を示す図であり、（Ａ）は図１に示した動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、（Ｃ）は従来の動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図２（Ｃ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、である。

図１及び図２に示した動翼保持構造は、動翼１のダブテール１１をロータディスク２の周面に形成された溝部２１に挿入し、溝部２１の両端部を塞ぐことにより動翼１をロータディスク２に固定する動翼保持構造であって、溝部２１の一端側に配置される動翼保持部材３を有し、動翼保持部材３は、ダブテール１１との接触により形成される剪断力を受ける面にダブテール１１と動翼保持部材３との接触により生じる曲げモーメントに基づいて形成された凸部３５（図２参照）を有する。ここで、動翼保持部材３は、ロータディスク２の略径方向に形成された保持溝２５に挿入されダブテール１１の押さえ面を構成する本体部３１と、本体部３１の背面に配置されるとともにスペーサ４との結合部（ボルト孔３４）を有するフランジ部３２と、を備えており、フランジ部３２の略周方向の幅Ｆｘがダブテール１１の略周方向の幅Ｄｘよりも大きく形成することにより凸部３５が形成されている。なお、本発明において、略周方向とは、ロータディスク２の周面に沿った方向又はその接線方向を意味するものとする。

前記動翼１は、ターボジェットエンジン、ターボファンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン等のタービンエンジンを構成するコンプレッサ又はタービンに使用される動翼１であり、流体を送る翼形部１２と、翼形部１２から周方向に延設され流路面を構成するプラットホーム１３と、プラットホーム１３の下方に配置され端部に膨らんだ部分（膨出部１４）が形成されたダブテール１１と、を有する。

前記ロータディスク２は、コンプレッサ又はタービンの回転軸に接続されており、ロータディスク２の周面には軸方向に複数の溝部２１が形成されている。溝部２１は、周面の開口部２２よりも内側が広くなるように形成されている。したがって、溝部２１の間に位置し、溝部２１の側面を構成する柱状部２３は略Ｔ字状の断面を有する。かかる溝部２１に動翼１のダブテール１１を挿入すると、ダブテール１１の膨出部１４が係止され、動翼１は径方向に拘束される。なお、説明の便宜上、図１（Ａ）において、ダブテール１１の膨出部１４は点線で図示している。

また、ロータディスク２の柱状部２３は、ロータディスク２の軸方向に突出した突出部２４を有し、突出部２４の溝部２１と隣接した部分に略径方向に形成された保持溝２５が形成されている。そして、隣接した突出部２４に形成された保持溝２５と対になって動翼保持部材３を挿入可能なスロット部２６を形成している。かかるスロット部２６は、柱状部２３が略Ｔ字状の断面を有することから、ここでは径方向外方に向かって間隔が狭くなるように形成されている。

前記動翼保持部材３は、図１（Ａ）に示したように、一対の保持溝２５（すなわち、スロット部２６）に挿入されダブテール１１の端面を押えるプレート状の部材であり、リテーナや保持板と称されることもある。図１（Ｂ）に示したように、動翼保持部材３は本体部３１とフランジ部３２を有し、本体部３１は、スロット部２６に挿入可能な形状をなしている。例えば、本体部３１は、スロット部２６が径方向外方に向かって間隔が狭くなるように形成されている場合には、上部の間隔が狭くなるように両肩部にテーパ部３３が形成される。なお、本体部３１の外形はスロット部２６の形状に適合するように形成されるものであり、図示した形状に限定されるものではなく、長方形状や半円形状であってもよい。

また、フランジ部３２は、本体部３１の背面（押さえ面の裏側）の下部に略垂直に配置されている。かかるフランジ部３２には、ボルト孔３４が形成されており、ダブテール１１と溝部２１の隙間に挿入されるスペーサ４とボルト・ナット等の締結具５により連結できるように構成されている。なお、説明の便宜上、図１（Ａ）において、締結具５は図を省略してある。

そして、フランジ部３２の略周方向の幅をＦｘ、ダブテール１１（膨出部１４）の略周方向の幅をＤｘとすれば、図２（Ａ）に示すように、幅Ｆｘ＞幅Ｄｘの関係を有している。したがって、図２（Ａ）におけるＺ−Ｚ断面は、図２（Ｂ）に示すように、略Ｌ字形状をなす。ここで、Ｚ−Ｚ断面は、ダブテール１１（膨出部１４）の側端部が本体部３１の押さえ面と接触する部分の断面、すなわち、剪断力を受ける面を構成している。よって、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示した動翼保持部材３は、ダブテール１１と本体部３１との接触により形成される剪断力を受ける面にダブテール１１と本体部３１との接触により生じる曲げモーメントに基づいて形成された凸部３５が形成されるように、本体部３１及びフランジ部３２の形状が構成されていると言い換えることができる。

また、本体部３１の両端がスロット部２６に挿入されて支持されているため、ダブテール１１（膨出部１４）との接触により本体部３１が大きな荷重を受けた場合、剪断力を受ける面には、剪断力だけでなく、ロータディスク２からの反力による曲げモーメントも生じる。本発明は、この曲げモーメントに対する強度を向上させる発明である。かかる曲げモーメントは、例えば、鳥等の異物の吸い込みや飛散した動翼の衝突等により生ずる。

ところで、従来の動翼保持構造は、図２（Ｃ）に示したように、幅Ｆｘ＜幅Ｄｘの関係を有している。したがって、Ｚ−Ｚ断面は本体部のみの断面となり、図２（Ｄ）に示したように、長方形状をなす。一般に、物体の曲がり難さは断面２次モーメントで表現することができ、長方形状よりもＬ字形状の方が断面２次モーメントを大きくすることができる。すなわち、フランジ部の幅Ｆｘをダブテール１１の幅Ｄｘよりも大きく形成することにより、動翼保持部材３の断面２次モーメントを大きくすることができ、剪断力を受ける面に生じる曲げモーメントに対する剛性を向上させることができる。

また、本発明では剪断力を受ける面を略Ｌ字形状となるように構成しているため、ダブテール１１と本体部３１との接触により動翼保持部材３に生じる曲げモーメントを算出して本体部３１又はフランジ部３２の最適な形状を容易に選定することができる。例えば、フランジ部３２の軸方向長さＦｚ、本体部３１の軸方向長さＲｚ、本体部３１の径方向長さＲｙ等の条件を容易に設定することができる。特に、本発明では、本体部３１の軸方向長さＲｚやフランジ部３２の軸方向長さＦｚを従来の動翼保持部材よりも短くすることができるため、ロータディスク２の突出部２４の長さも短くすることができ、軸方向に接近して翼列が配置されるコンプレッサやタービンに適した動翼保持構造を提供することができる。特に、高性能なゼロハブチップレシオファンに有利である。

例えば、ダブテール１１の周長Ｌが５４．１ｍｍ、動翼保持部材３のＺ−Ｚ断面積（剪断面積）Ｓが３０４．２ｍｍ^２、モーメントアームの長さＡが２．４ｍｍ、動翼保持部材３及びロータディスク２の高さＨが２４．７ｍｍとし、ブレードアウト試験等の飛散した動翼の衝突により生ずる曲げモーメントを動翼保持部材３に負荷させた場合、図２（Ｃ）及び（Ｄ）に示した従来の動翼保持部材では本体部の軸方向長さＲｚが９．２ｍｍも必要であったが、本発明で用いる動翼保持部材３では本体部３１の軸方向長さＲｚを７．６ｍｍに縮めることができた。このように、本体部３１の軸方向長さＲｚを１８％も縮めることができることは、同様に、ロータディスク２の突出部２４の長さも短くすることができることを意味し、動翼１を有するコンプレッサやタービンの設計上の自由度を向上させることができ、大型化や高性能化にも容易に対応させることができる。

次に、動翼保持構造の全体構成について説明する。ここで、図３は、本発明に係る動翼保持構造の全体構成を示す図である。なお、図１及び図２に示した実施形態と同じ構成部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。
図３に示したように、本発明に係る動翼保持構造は、動翼１のダブテール１１をロータディスク２の周面に形成された軸方向の溝部２１に挿入し、溝部２１の両端部を塞ぐことにより動翼１をロータディスクに固定する動翼保持構造であって、溝部２１の一端側に動翼保持部材３が配置され、溝部２１の他端側にロータディスク２に固定される環状のリング部材６が配置されている。ここでは、動翼保持部材３が上流側に配置され、リング部材６が下流側に配置されている場合を図示している。なお、図中、ロータディスク２の軸芯Ｌを一点鎖線で表示している。

図３に示したように、ダブテール１１と溝部２１の隙間には板状のスペーサ４が挿入されており、動翼１の径方向の移動を抑制している。かかるスペーサ４は、単に隙間を埋める板状の部材であってもよいし、動翼１を径方向外方に付勢する板バネにより構成してもよい。また、スペーサ４は、端部にボルト孔が形成されており、動翼保持部材３のフランジ部３２に形成されたボルト孔３４と位置合わせされて、ボルト・ナット等の締結具５によりフランジ部３２に結合される。

また、リング部材６は、少なくとも溝部２１を覆う面を有し、柱状部２３に相当する部分や溝部２１よりも径方向内方の部分に複数のボルト孔が形成されており、ボルト等の締結具６１により、ロータディスク２に固定されている。かかるリング部材６は、溝部２１を覆う環状のプレートを有するものであれば、専用部品であってもよいし、コーン等の他の部品の一部を構成する部分であってもよい。

次に、本発明に係る動翼保持構造で用いる動翼保持部材３の変形例について説明する。ここで、図４は、動翼保持部材の変形例を示す図であり、（Ａ）は動翼保持構造の略周方向平面における断面図、（Ｂ）は図４（Ａ）における動翼保持部材のＺ−Ｚ断面図、である。なお、図１及び図２に示した実施形態と同じ構成部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した動翼保持部材３の変形例は、本体部３１が保持溝２５よりも径方向外方に突出した突出部３６を有し、突出部３６に補強リブ３７が形成されている。具体的には、本体部３１の径方向長さＲｙを保持溝２５よりも長くすることにより突出部３６を形成する。かかる構成によれば、図４（Ｂ）に示したように、剪断力を受ける面を略ト字形状に構成することができる。また、かかる動翼保持部材３は、ダブテール１１と本体部３１との接触により形成される剪断力を受ける面に凸部３５が形成されていると言い換えることができる。補強リブ３７は、図示した位置や形状に限定されるものではなく、本体部３１の最上部に配置してもよいし、複数個配置してもよい。また、補強リブ３７を形成したことにより、径方向内方から動翼保持部材３をスロット部２６に挿入できない場合には、フランジ部３２の幅Ｆｘを柱状部２３の隙間よりも小さく形成し、径方向外方から動翼保持部材３をスロット部２６に挿入させるようにすればよい。

さらに、柱状部２３の隙間がダブテール１１（膨出部１４）の幅Ｄｘよりも大きい場合には、フランジ部３２の幅Ｆｘをダブテール１１（膨出部１４）の幅Ｄｘよりも大きく形成して、図１に示した実施形態と図４に示した変形例を組み合わせるようにしてもよい。
最後に、上述した本発明に係る動翼保持構造を備えたタービンエンジンについて説明する。ここで、図５は、本発明に係る動翼保持構造を備えたターボファンエンジンを示す概略構成図である。なお、図１及び図２に示した実施形態と同じ構成部品については同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

図５に示したターボファンエンジン７は、ファン７１、コンプレッサ７２、燃焼器７３、及びタービン７４を主たる構成要素としている。ここで、タービン７４は、前段に高圧タービン、後段に低圧タービンを備え、高圧タービンによりコンプレッサ７２を駆動させ、低圧タービンによりファン７１を駆動させている。なお、図中、ターボファンエンジン７の軸芯Ｌを一点鎖線で表示している。

前記ファン７１は、タービン７４（低圧タービン）により駆動されるスピナー７５に埋め込まれて固定された動翼７１ａを有する。より具体的には、動翼７１ａは、スピナー７５の一部を構成するロータディスク（図示せず）に固定されており、この固定手段として上述した本発明に係る動翼保持構造が適用されている。また、ファン７１は、その駆動により前面の空気取入口７６から空気をエンジンカウル７７内に取り入れ、流入空気の一部をバイパスノズル７８から噴出させ、残りの流入空気をコンプレッサ７２に供給している。

前記コンプレッサ７２は、タービン７４（高圧タービン）により駆動されるロータディスク（図示せず）に固定された複数の動翼７２ａを有する。かかる動翼７２ａの固定手段として上述した本発明に係る動翼保持構造を適用してもよい。また、コンプレッサ７２は、ファン７１から供給された空気を圧縮して燃焼器７３に圧縮空気を供給する。
前記燃焼器７３は、コンプレッサ７２から供給された圧縮空気に燃料を供給して点火して燃料を燃焼させる。そして、かかる燃焼により生じた高速の排気ジェットは、タービン７４に供給されてタービン７４を駆動し、最終的にコアノズル７９から噴出される。

前記タービン７４は、燃焼器７３から排出された排気ジェットにより駆動されるロータディスク（図示せず）に固定された複数の動翼７４ａを有する。かかる動翼７４ａの固定手段として上述した本発明に係る動翼保持構造を適用してもよい。
かかるターボファンエンジン７におけるファン７１の動翼７１ａ等に本発明に係る動翼保持構造を適用することにより、動翼保持部材３の断面２次モーメントを大きくすることができ、ブレードアウト試験や異物の吸い込み等により動翼保持部材３に生じる曲げモーメントに対して動翼保持部材３を曲がり難くすることができ、動翼保持構造の軽量化及び強度の向上を図ることができ、ひいてはターボファンエンジン７の性能を向上させることができる。

特に、ファン７１のハブ側の動翼を上流側に向かって迫り出した構成のゼロハブチップレシオファンのように、せり出した部分を構成するスピナー動翼とその直後に配置されるファン動翼のように近接して配置される動翼を備えた構成の後側の動翼（ファン動翼）の固定手段として、本発明に係る動翼保持構造を適用すると効果的である。
本発明は上述した実施形態に限定されず、ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン等の動翼に適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１…動翼
２…ロータディスク
３…動翼保持部材
４…スペーサ
５…締結具
６…リング部材
７…ターボファンエンジン
１１…ダブテール
１２…翼形部
１３…プラットホーム
１４…膨出部
２１…溝部
２２…開口部
２３…柱状部
２４…突出部
２５…保持溝
２６…スロット部
３１…本体部
３２…フランジ部
３３…テーパ部
３４…ボルト孔
３５…凸部
３６…突出部
３７…補強リブ
６１…締結具
７１…ファン
７１ａ…動翼
７２…コンプレッサ
７２ａ…動翼
７３…燃焼器
７４…タービン
７４ａ…動翼
７５…スピナー
７６…空気取入口
７７…エンジンカウル
７８…バイパスノズル
７９…コアノズル

Claims (2)

1. 動翼のダブテールをロータディスクの周面に形成された溝部に挿入し、該溝部の両端部を塞ぐことにより前記動翼を前記ロータディスクに固定する動翼保持構造であって、
   前記溝部の少なくとも一端側に配置される動翼保持部材と、前記ダブテールと前記ロータディスクの隙間に挿入されるとともに前記動翼保持部材と結合されるスペーサと、を有し、
   前記動翼保持部材は、異物の吸い込み又は飛散した動翼の衝突によって、前記ダブテールとの接触により形成される剪断力を受ける面に前記ダブテールと前記動翼保持部材との接触により生じる曲げモーメントに基づいて形成された凸部を有し、
   前記動翼保持部材は、前記ロータディスクの略径方向に形成された保持溝に挿入され前記ダブテールの押さえ面を構成する本体部と、該本体部の背面に配置されるとともに前記スペーサとの結合部を有するフランジ部と、を備え、
   前記凸部は、前記本体部が前記保持溝よりも径方向外方に突出するとともに補強リブを備えた突出部により形成される、
   ことを特徴とする動翼保持構造。
2. 前記溝部の他端側には、前記ロータディスクに固定される環状のリング部材が配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の動翼保持構造。