JP5705337B2 - 非フレア型圧縮機ブレード - Google Patents

Description

本発明は、一般に、振動問題と、翼前縁領域内で受ける高い応力とに対処し、一方、先端での耐摩擦性をも増大する、改良された翼プロファイル、およびスクィーラチップ(squealer tip)として知られる先端幾何形状を有する圧縮機構成部品に関する。

圧縮機ブレードなど翼を有する圧縮機構成部品は、回転するディスクまたはシャフト内で保持され、空気など通過する流体を圧縮するために高速で回転するように設計される。圧縮機は、一般に、直径の減少する複数の段または回転するブレードのディスクを備え、これらは、各段で作動流体の圧力および温度を上げ、圧縮機出口で所定のレベルにする。

複数の段を有する軸方向圧縮機は、一般にガスタービンエンジン内で使用され、空気の圧力および温度を所定のレベルに高め、その時点で燃料を空気と混合し、混合物に点火することができる。次いで、高温の燃焼ガスがタービンを通過し、推進出力または機械的出力をもたらす。

ブレードおよびベーンなど圧縮機構成部品は、エンジンの入口付近に位置し、したがって異物、汚物、および他の破片による衝撃にさらされ、これにより、翼、特にその前縁に沿って浸食が生じ、また全体効率が低下し、燃料消費率がより高くなり得る。出力を高めエンジンを洗浄するために、ガスタービンエンジンのオペレータは、しばしば圧縮機を水洗するが、これは、当業者なら理解するように、１日１回など定期的な洗浄間隔で、脱塩水流を圧縮機入口内に噴霧することである。あるいは、オペレータは、圧縮機の入口フォギングをも設置しており、これは、霧の小さな液滴を、特別な注入ノズルおよび高圧ポンプを通して入口内に注入するものである。これらの向上策は、出力を高める一方、翼に対する侵食をも増大する可能性がある。翼前縁の侵食が著しいと、前縁がブレードにとって寿命を制限する要因になり得る。さらに、ブレードは、回転するとき、ブレードの幾何形状に応じて高い応力領域を引き起こす可能性がある一連の振動モードを有することになる。高い応力領域が前縁侵食など他の寿命を制限する要因と同時に生じた場合、ブレードの疲労および破損が発生することが知られている。圧縮機ブレードが破損したとき、少なくともその翼部分が圧縮機を通って下流に移動し、後続段の圧縮機ブレードおよびベーンを損傷し、エンジンの停止、および大規模修理をせざるを得なくなるほど著しい損傷を引き起こす。

本発明によれば、翼の前縁に沿って振動応力を低減する、ブレード先端付近に厚さの低減された部分を含む再定義された翼プロファイルを有する圧縮機構成部品用の新規な改良型翼が提供される。翼幾何形状の変更の位置は、ブレードの空力的性質に対する影響を最小限に抑えてブレードの振動数をシフトするように、翼の翼弦長および翼幅に沿って見られる。翼は、翼前縁に加えられる応力を低減するように重ね直される。スクィーラチップとして知られる先端の厚さの低減されたセクションの追加により、ブレードはケーシングとの摩擦に、より耐性があるものになる。

本発明の一実施形態では、取付け部と、第１のプラットフォームと、第１のプラットフォームから半径方向外向きに延びる翼とを有する圧縮機構成部品が開示される。翼は、小数点以下３位までにすぎない表１に記載のＸ、Ｙ、Ｚのデカルト座標値に実質的による未コーティングのプロファイルを有し、ここでＹは、翼が装着される取付け部の第１のプラットフォームから半径方向に測定された距離である。

代替の一実施形態では、小数点以下３位までにすぎない表１に記載のＸ、Ｙ、Ｚのデカルト座標値に実質的による未コーティングのプロファイルを有する圧縮機ブレード用の翼が開示され、ここでＹは、インチを単位として測定された距離であり、Ｘ値およびＺ値は、複数の翼セクションを形成するように、滑らかに結ぶスプラインによって接合され、これらのセクションは、翼プロファイルを形成するように接合される。

他の実施形態では圧縮機が開示され、この圧縮機は、圧縮機ディスクと、圧縮機ディスクから半径方向外向きに延びる複数の圧縮機ブレードとを備える。圧縮機ブレードは、表１におけるＸ、Ｙ、Ｚのデカルト座標値に実質的による未コーティングの公称プロファイルを有する翼をそれぞれが有し、Ｙ座標値は、圧縮機ブレードのプラットフォームからの半径に対して垂直な平面からの垂直距離にあるものである。

その翼弦長および翼幅に沿って翼に対してなされた向上策は、隣接するブレード間のスロート領域に対する影響がないようになされている。したがって、厚さの増大の大部分は、翼の正圧側または凹面側になされている。未コーティングである翼として開示されているが、本発明の代替の実施形態は、耐侵食コーティング、耐腐食コーティング、またはそれらの組合せで少なくとも部分的にコーティングされた翼を含むことができることが予見されている。この場合、表１にリストされている翼の座標は、コーティングが翼の任意の部分に付着される前のものとなる。

本発明の追加の利点および特徴は、一部には以下の説明に記載され、一部には以下を検討したとき当業者には明らかになり、または本発明を実施して学習することができる。次に、本発明について、添付の図面を特に参照して述べる。

以下、本発明について、添付の図面を参照して詳細に述べる。

本発明の一実施形態による翼を有する圧縮機ブレードの正面図である。 図１の圧縮機ブレードの側面図である。 図１の圧縮機ブレードの上面図である。 表１のデカルト座標によって生成された複数の翼セクションを示す透視図である。 図４の翼セクションによって生成された翼と従来技術の翼との比較の透視図である。 本発明の複数の翼セクションを従来技術の翼とオーバーレイする断面図である。 本発明の一実施形態による翼を従来技術の翼とオーバーレイする様々な断面の拡大図である。 本発明の一実施形態による翼を従来技術の翼とオーバーレイする様々な断面の拡大図である。 本発明の一実施形態による翼を従来技術の翼とオーバーレイする様々な断面の拡大図である。 翼のパーセント翼幅に対する翼厚さの変化を示すチャートである。

本明細書には、本発明の主題について、法定要件を満たすために具体的に記載されている。しかし、説明それ自体は、本発明の範囲を限定するものではない。それどころか、本発明者らは、他の現在または将来の技術と共に、本書に記載のものと同様な様々な構成部品、構成部品の組合せ、ステップ、またはステップの組合せを含めて、他の形でも、特許請求されている主題を実施することができることを企図している。

最初に図１〜３を参照すると、本発明の一実施形態による圧縮機ブレード１００が示されている。圧縮機ブレード１００は、根部とも呼ぶことができる取付け部１０２を備える。取付け部１０２は、一致するプロファイルを有する圧縮機ディスク（図示せず）内のスロットと対応するように配向される１つまたは複数の取付け部表面１０４を利用する。そのような係合によりブレードがディスク内で維持され、圧縮機ディスクの回転に伴う半径方向の引っ張り力によりブレードが半径方向外向きに移動するのを防止する。圧縮機ブレード１００に関しては、取付け部１０２の上部表面はプラットフォーム１０６として働き、プラットフォーム１０６は、ブレードディスクの外径上で隣接する表面と位置合わせされ、圧縮機に入来する空気流のための均一な内壁表面を提供する。

先端１１２を有する翼１０８がプラットフォーム１０６から半径方向外向きに延びる。圧縮機ブレード１００に関しては、翼は中実であり、マルテンサイト系鋼合金などの材料から作製される。翼は、下記の表１に記載された、小数点以下３位までの、インチを単位とする、各距離ＹについてのＸおよびＺのデカルト座標値に実質的による未コーティングのプロファイルを有する。距離Ｙは、プラットフォーム１０６を通って軸方向に延びるブレード根部中心平面から半径方向外向きに測定される。Ｘ座標およびＺ座標は、半径方向のＹ高さのそれぞれにおいて確立される座標平面原点に対する距離である。

複数の翼セクション１１０は、各Ｙ高さにおけるＸ座標値とＺ座標値の間に滑らかに続くスプラインを適用することによって確立される。翼セクション１１０のそれぞれを共に滑らかに接合することにより、翼１０８のプロファイルが形成される。翼１０８は、鍛造、鋳造、機械加工、および電解加工（ＥＣＭ）など、様々な製造技法によって作製することができる。したがって、翼は、翼１０８を公称状態から約±０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）と同程度変動させ得る位置、プロファイル、ねじれ、および翼弦に関する一連の製造公差を有する。

圧縮機ブレード１００は、一般に１５−５ＰＨなど鋼合金から作製され、１５−５ＰＨは、約３１５．５６℃（６００°Ｆ）までの温度で耐腐食性および高い強度を必要とする部分に使用される析出硬化マルテンサイトステンレス鋼合金である。他の合金を使用することもできるが、動作条件ゆえに高温鋼合金を選択することが好ましい。圧縮機ブレードは、取付け部と、少なくとも１つのプラットフォームと、翼とを有するものとして論じられているが、ブレードのこれらの特徴のすべてが、一般に同じ材料から作製され、互いに一体化される可能性が最も高いことを理解されたい。

翼１０８のサイズ全体に影響を及ぼす製造公差に加えて、翼１０８をより大きい、またはより小さい翼サイズにスケーリングすることも可能である。しかし、以下でさらに論じるように、剛性および応力の点で、この翼の形状およびサイズの利点を維持するためには、Ｘ方向およびＺ方向で均一に翼をスケーリングすることが必要であるが、Ｙ方向は別々にスケーリングされてもよい。

先に論じたように、表１のＸ、Ｙ、Ｚ座標によって生成されるプロファイルは、未コーティングのプロファイルである。本発明の一実施形態は未コーティングの圧縮機ブレード１００であるが、代替の実施形態では、翼１０８の少なくとも一部分にコーティングを追加することが可能である。このコーティングは、最大約０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の厚さを有することになる。そのようなコーティングは、侵食に対する耐性を改善するために、または温度能力を高めるために翼に付着させることができる。

図３を参照すると、プラットフォームの反対側のブレードの先端に、スクィーラチップ１１３が配置されており、スクィーラチップ１１３は、ブレード先端１１２に位置する金属の量を最小限に抑えるように凹部を有する。金属の量を最小限に抑えることにより、圧縮機ブレード１００を、周囲の圧縮機ケースとより密にフィットするように半径方向にサイズ設定することができ、その結果、公差を低減し、圧縮機の効率を高めることができる。スクィーラチップ１１３が圧縮機ケースと接触し、ケースを擦り始めた場合、ブレード先端１１２に材料の量がより少ないため、ブレードはそれほど高温にならない。

ブレード構成に応じて、第２のプラットフォームを翼１０８の先端１１２に配置することができる。先端１１２に位置する第２のプラットフォームは、一般にシュラウドと呼ばれ、隣接するブレードのシュラウドと連動する。シュラウドは、空気がブレード先端１１２の上を通過するのを防止することによって効率を高め、翼１０８の振動を低減するようにも働く外側空気経路シールを提供する。第２のプラットフォームまたはシュラウドの使用は、比較的長い半径方向長さを有する翼において一般的である。

圧縮機ブレードは、一般に比較的低温の合金から作製されるが、それは圧縮機の空気の温度が３７１．１１℃（７００°Ｆ）以上に達するにすぎないからである。圧縮機ブレード１００用の１つのそのような材料は、マルテンサイトステンレス鋼合金である。本発明の代替の一実施形態では、圧縮機は、圧縮機ディスクから半径方向外向きに延びる複数の圧縮機ブレード１００を有する少なくとも１つの圧縮機ディスク（図示せず）を備える。当業者なら理解するように、圧縮機は、一般に、通過する流体の圧力および温度を上昇させる回転翼と静止翼の複数の交互段を備える。翼１０８を有する圧縮機ブレード１００は、圧縮機のサイズに応じて圧縮機内の様々な位置で動作することができるが、このブレードに適した１つのそのような場所は、圧縮機の入口に隣接したところである。

この位置における圧縮機ブレードに関しては、従来技術のブレードによって示される一般的な耐久性問題は、ブレード前縁の侵食である。ブレードの前縁（図１および図２の１１４参照）は、翼の凹表面および凸表面が共に集まる、ブレードの前方または上流端にある概して半径方向に延びる縁部である。この縁部は、到来する空気流を最初に受け、また圧縮機に入るものがあればそれによって最初に衝撃を受ける。時間の経過につれてこの前縁は侵食され、翼を弱くする可能性がある。

当業者なら理解するように、圧縮機ブレードが圧縮機ディスクによって回転されると、ブレードの重量は、ディスク上で半径方向外向きに引かれる。しかし、空気流の所望の圧縮、ブレード材料、および圧縮機のサイズなどブレードの設計問題により、真の半径方向の引っ張り荷重（ｐｕｌｌｉｎｇ ｌｏａｄ）が唯一の荷重であることはめったにない。大型のシュラウドなしブレードに関しては、通常、翼根部から翼先端にかけて、かなりの量のブレードねじれがある。ブレードの引っ張り荷重により、翼は、ねじれを戻す傾向があり、または真っ直ぐになろうとすることになる。空気流の圧縮もまた、翼がプラットフォームに接続するところでブレードを曲げようとする、翼に対する荷重を生み出す。ブレードの引っ張り、ねじれの戻り、および空気荷重（ａｅｒｏ ｌｏａｄｉｎｇ）は、従来技術のブレードで見られるように、ブレードの翼根部前縁およびブレード取付け部付近で発生し得る、集中した定常的応力を引き起こす。翼の非定常的応力は、ブレードの振動する性質により発生し得る。ブレードのための特定の振動形状により、翼で応力集中が生じる。ブレードの定常的な応力集中と非定常的な応力集中が共に発生したとき、ブレード破損が発生する可能性がある。高い定常的、非定常的応力の位置で侵食が形成された場合には、ブレード破損の可能性が高まる。

異物損傷および侵食を受ける圧縮機ブレードに関しては、本発明は、ブレードの固有振動数を共振振動数から離すように翼剛性を高める翼を提供する。翼剛性は、基礎的な空力的性能を維持しながら翼の厚さを選択的に増減することによって達成した。材料は、０％翼幅（プラットフォーム１０６に隣接）から約７５％翼幅まで追加し、材料は、この位置から、翼１０８の先端１１２に対して半径方向外向きに除去された。翼１０８の下部領域に質量を追加すると、翼１０８が曲げを受けにくくなることにより、翼１０８の剛性が増大した。厚さの増大は、約６３％翼幅まで概して均一である。前縁１１４および後縁１１６の厚さは変更されなかった。厚さの大部分は、翼１０８の凹面側または正圧側で翼弦長に沿って追加された。

翼の取付け部に見出される応力集中を低減し、この応力を再分配するために、翼１０８は、従来技術の翼に対して重ね直された。翼セクションを重ね直す（すなわち、翼セクションの半径方向スタックの傾斜または傾きを変える）ことにより、約７０％翼幅（０％翼幅＝翼前縁１１４、および１００％翼幅＝翼後縁１１６）で圧縮曲げ応力が前縁に加えられ、引っ張り曲げ応力が後縁に加えられる。翼形状の歪みを最小限に抑えるように、放物線状の反り／傾きが翼セクション１１０に適用され、これは根部／取付け部での曲げ応力を最小限に抑えることになる。前縁１１４における応力を低減し、その応力を後縁１１６での凸面側で加えることにより、応力集中が低減された。したがって、侵食損傷が前縁１１４に対して発生した場合でも、ブレード１００は、適切な疲労能力を有する。

厚さおよび重ね直しの点での従来技術の翼に対する修正を、図５〜１０で詳細に見ることができる。図５は、破線で示されている従来技術の翼２００に比べて、本発明の翼１０８を実線で示す透視図である。図５から、翼１０８が増大された厚さを有するところを見ることができる。図６は、図５の翼１０８、２００を通ってとられた、複数のセクションを示す。セクションのこのオーバーレイから、翼の厚さがいかに増大され、翼セクションが、曲げ応力を変えるようにいかに重ね直されたかをも見ることができる。図７〜９は、図６に示されている特定のセクションを拡大したものであり、図７は、約Ｙ＝１．１の半径方向高さでとられ、図８は、約Ｙ＝７．７の半径方向高さでとられ、図９は、約Ｙ＝１６．１の半径方向高さでとられたものである。

次に図１０を参照すると、剛化するために翼１０８の厚さがいかに変更されるかを見るための別の方法が示されている。このチャートは、パーセント翼幅に対する相対的な翼厚さ（単位インチ）の図を示す。実線は、本発明の翼１０８についてパーセント翼幅にわたる厚さの増大または減少を示す。この実施形態の場合、翼の厚さは、約６０％翼幅まで増大され、次いで、厚さ増大の量は少なくなり、７０％〜８０％翼幅間からブレード先端まで厚さが減少し始める。

本発明について特定の実施形態に関連して述べたが、これらは、あらゆる点で例示的なものであり、限定するものではない。本発明が関連する技術分野の当業者には、その範囲から逸脱することなしに、代替の実施形態が明らかになろう。

前述より、本発明は、本システムおよび方法に対して自明かつ固有である他の利点と共に、上記の目的すべてを達成するように十分に適合されたものであることがわかるであろう。ある種の特徴およびサブコンビネーションは有用なものであり、他の特徴およびサブコンビネーションを参照することなしに使用されてもよいことを理解されたい。これは、特許請求の範囲によって、またその範囲内で企図されている。

Claims (18)

1. 取付け部と、
   前記取付け部から半径方向外向きに延びる第１のプラットフォームと、
   前記プラットフォームから半径方向外向きに延びる翼と、を有する圧縮機構成部品であって、
   前記翼が、表１に記載された、小数点以下３位までの、インチを単位とする各距離ＹについてのＸおよびＺのデカルト座標値に実質的による未コーティングのプロファイルを有し、ここでＹは、ブレード根部中心平面から半径方向外向きに測定された距離であり、前記Ｘ座標値と前記Ｚ座標値が、滑らかに続くスプラインで接合され翼セクションを形成し、前記翼セクションが、滑らかに接合され前記プロファイルを形成する、圧縮機構成部品。
2. 前記翼が、約±０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の製造公差を有する、請求項１に記載の圧縮機構成部品。
3. 前記翼が、根部端と、前記根部端の反対側に配置された先端とを有する、請求項１又は２に記載の圧縮機構成部品。
4. 前記先端にスクィーラチップをさらに備える、請求項３に記載の圧縮機構成部品。
5. 前記翼が、前記先端に近接して非フレア型である、請求項３又は４に記載の圧縮機構成部品。
6. 回転ブレードである、請求項１から５までのいずれか１項に記載の圧縮機構成部品。
7. 圧縮機の入口ガイドベーンに隣接して位置する、請求項６に記載の圧縮機構成部品。
8. 前記翼セクションが均一にスケーリングされ得る、請求項１から７までのいずれか１項に記載の圧縮機構成部品。
9. 圧縮機ブレード用の翼であって、
   表１に記載された、小数点以下３位までのＸ、Ｙ、Ｚのデカルト座標値に実質的による未コーティングのプロファイルを有し、ここでＹはインチを単位とする距離であり、前記Ｘ座標値と前記Ｚ座標値が、滑らかに続くスプラインで接合され翼セクションを形成し、前記翼セクションが、滑らかに接合され前記プロファイルを形成する、翼。
10. 前記翼が、約±０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の製造公差を有する、請求項９に記載の翼。
11. 圧縮機ブレードのプラットフォームに接続された第１の端部を有する、請求項９又は１０に記載の翼。
12. 前記第１の端部の反対側の翼の第２の端部に配置されたスクィーラチップをさらに備える、請求項１１に記載の翼。
13. 前記翼セクションが均一にスケーリングされ得る、請求項９から１２までのいずれか１項に記載の翼。
14. 圧縮機ディスクと、
    前記圧縮機ディスクから半径方向外向きに延びる複数の圧縮機ブレードと、を備える圧縮機であって、
    前記複数の圧縮機ブレードのそれぞれが、インチを単位として表１に記載されたＸ、Ｙ、Ｚのデカルト座標値に実質的による未コーティングの公称プロファイルを有する翼を有し、前記Ｙ座標値が、ブレード根部中心平面からの半径に対して垂直な平面からの垂直距離にあるものであり、前記Ｘ座標値とＺ座標値を、滑らかに続くスプラインで接続することによって、翼セクションが各距離Ｙで画定され、前記翼セクションが、滑らかに接合され前記翼プロファイルを形成する、圧縮機。
15. 前記複数の圧縮機ブレードが、ガスタービンエンジンの軸周りで回転する、請求項１４に記載の圧縮機。
16. 前記複数の圧縮機ブレードが、それぞれ前記翼の先端に配置されたスクィーラチップを有する、請求項１４又は１５に記載の圧縮機。
17. 前記複数のブレード用の前記翼が、ガスタービンエンジンの複数のサイズにスケーラブルである、請求項１４から１６までのいずれか１項に記載の圧縮機。
18. 前記翼プロファイルが、前記翼に対して垂直な方向で±２．２９ｍｍ（０．０９０インチ）内である、請求項１４から１７までのいずれか１項に記載の圧縮機。

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