JP2001152801A - タービンロータトルク伝達装置 - Google Patents

タービンロータトルク伝達装置

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JP2001152801A
JP2001152801A JP2000226247A JP2000226247A JP2001152801A JP 2001152801 A JP2001152801 A JP 2001152801A JP 2000226247 A JP2000226247 A JP 2000226247A JP 2000226247 A JP2000226247 A JP 2000226247A JP 2001152801 A JP2001152801 A JP 2001152801A
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slot
wheels
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William Lee Herron
ウィリアム・リー・ハーロン
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General Electric Co
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    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータ段間のポジティブなトルク伝達システ
ムを提供し、ガスタービンのトルク搬送能力を高め、こ
の能力のばらつきを抑える。 【解決手段】 １対の隣接する回転機械ホイール（３
８，４０）間の軸方向トルクカップリング（４４）にお
いて、第１ホイール（３８）が複数の第１軸線方向延在
ナックル（４８）を有し、これらの第１ナックル（４
８）が円周方向に離間されて第１ホイールの第１面のま
わりに環状配列をなし、第１スロット（５４）が第１ナ
ックル間に介在し、第２ホイール（４０）が複数の第２
軸線方向延在ナックル（５２）を有し、これらの第２ナ
ックル（５２）が円周方向に離間されて環状配列をな
し、第２スロット（５０）が第２ナックル間に介在し、
前記第１ナックル（４８）が前記第２スロット（５０）
にはまり、前記第２ナックル（５２）が前記第１スロッ
ト（５４）にはまり、前記第１ナックル（４８）それぞ
れが前記第２ナックル（５２）の隣接するものに単一の
半径方向表面（６６）でのみ係合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】ガスタービンおよび圧縮機ロータには、
昔から、「スタック」（積み重ね）構造のものがある。
一連の個別ホイールおよびシャフトを、スタックを軸線
方向に貫通する数組のボルトで一体に保持している。ボ
ルトの張力でホイールおよびシャフトを互いに締め付け
ており、ボルトの剪断強さに依存せずに、摩擦力により
トルクを界面を横切って伝達することができる。フラン
ジ面摩擦係数、ボルトアセンブリおよび機械の運転に大
きなばらつきがあるので、ロータのトルク搬送能力は大
きくばらつく。高温で連続運転するとボルトの応力が緩
和され、ロータのトルク能力はさらに劣化する。
【０００２】新しい、高圧縮比、高燃焼温度の機械での
高温運転は、摩擦駆動機械のトルク能力の限界に近づい
ている。さらに、低燃焼熱の合成燃料（「加工」燃料）
で運転すると、ロータ構造を何も変更せずに、所定の機
械からの利用可能な出力が増加する。ロータのトルク要
求が実際の能力を超過すると、ホイールが互いにすべ
り、代表的には螺旋状にねじ曲がったまたは「カム状」
のロータとなる。これから生じるアンバランスは、許容
範囲を超える振動のため、機械が停止する原因となり、
時間とコストのかかるロータ分解および再組立が必要と
なる。
【０００３】摩擦、ボルト剪断、半径方向歯とボルトの
組合せ、ホイール面の歯車歯とボルトの組合せ、などを
含む、トルク伝達に関する多数のアプローチが、工業用
ガスタービンその他の回転機械に適用されてきたが、い
ずれも固有の欠点がある。
【０００４】
【発明の概要】この発明は、ロータ段（タービンおよび
圧縮機段両方を想定している）間のポジティブなトルク
伝達システムを提供し、工業用ガスタービンのトルク搬
送能力を高め、この能力のばらつきを抑える。このよう
なシステムを導入すれば、ロータスタックに大きな圧縮
荷重を加える必要性も低減し、かくしてボルト張力およ
び／またはボルト径を小さくすることができる。一方、
このことから、ボルト設計余裕が増し、ロータへのデッ
ド荷重が低下し、正味のストレスまたは重量が低減す
る。
【０００５】具体的な実施例では、本発明によれば、一
連の軸線方向に延在する「ナックル」を、連結すべき隣
接ホイールに機械加工する。これらのナックルはフラン
ジ面でかみ合う。ナックル自身は半径方向または軸線方
向の接触部をもたず、したがって、ロータの半径方向同
心性を維持するラベットジョイント（さねはぎ継手）と
組み合わせて使用される。構造を一体に保持するのに軸
線方向ボルトはやはり必要である。しかし、ナックルが
円周方向荷重（トルク）を搬送するので、大きな圧縮荷
重は不要であり、ボルト応力または直径を現行のものか
ら減少させることができる。
【０００６】したがって、広義には、この発明は、１対
の隣接する回転機械ホイール間の軸方向トルクカップリ
ング（連結装置）を提供し、第１ホイールが複数の第１
軸線方向延在ナックルを有し、これらの第１ナックルが
円周方向に離間されて第１ホイールの第１面のまわりに
環状配列をなし、第１スロットが第１ナックル間に介在
し、第２ホイールが複数の第２軸線方向延在ナックルを
有し、これらの第２ナックルが円周方向に離間されて環
状配列をなし、第２スロットが第２ナックル間に介在
し、前記第１ナックルが前記第２スロットにはまり、前
記第２ナックルが前記第１スロットにはまり、前記第１
ナックルそれぞれが前記第２ナックルの隣接するものに
単一の半径方向表面でのみ係合する。
【０００７】
【好適な実施態様】図１に、本発明を適用する環境を概
略図示する。具体的には軸流圧縮機１０およびガスター
ビン１２を図面に示す。圧縮機１０からの空気を、ロー
タ１６のまわりに円周方向に配置された複数の通常の燃
焼器１４の配列に向けて吐き出す。図面では圧縮機の後
端に位置する最後の５段のみが示され、符号１８で総称
してある。軸線方向に延在するタイボルト２０の一部も
示されており、このようなボルト数本をロータのまわり
に円周方向に配置し、圧縮機段またはホイール１８を一
体に保持する。
【０００８】同様に、ガスタービン段またはホイール２
２，２４，２６および２８は、スペーサホイール３０，
３２および３４でサンドイッチ状に挟まれ、同様に配列
したタイボルト（図示せず）により一体に保持されてい
る。１本のボルトの軸線を３６で示す。
【０００９】図２および図３に、この発明を特徴付ける
「ナックル」形状を示す。具体的には、２つの隣接する
ホイール３８および４０は、半径方向外側のトルク駆動
装置４４と半径方向内側の軸線方向センタリング・ラベ
ットジョイント（さねはぎ継手）４６との間に半径方向
に延在する表面４２に沿った界面で係合している。トル
ク駆動装置４４は、円周方向に離間した相互噛合歯また
はナックルの配列を含み、ホイール３８に形成されたナ
ックル４８が、ホイール４０上の隣接するナックル５２
間のスペース５０に収容される。同様に、ホイール４０
に形成されたナックル５２が、ホイール３８上の隣接す
るナックル４８間のスペース５４に収容される。ナック
ル４８，５２およびスペース５０，５４は同一であるの
で、以下ホイール３８のみを詳述する。
【００１０】図４も参照すると、ナックル４８がホイー
ル３８から軸線方向に突出し、環状配列体を成している
ことがわかる。半径方向内側表面５６（ナックル４８よ
り下）は、半径方向外側表面５８（ナックル４８より
上）より軸線方向に突出し、ナックル間かつ円周方向に
軸線方向レッジまたはフランジ６０を形成する。このフ
ランジ６０はナックルの半径方向内側表面６２と同一面
内にある。しかし、ホイール４０上のナックル５２は表
面６０に着座しない。実際、ナックル４８および５２は
半径方向または軸線方向接触部をもたず、ロータの回転
方向において向かい合った円周方向表面６４，６６（図
３参照）に沿ってのみ係合し、ナックルの反対側では向
かい合った表面６８，７０は互いにわずかに離間した状
態に置かれている。言い換えると、スペース５０，５４
の軸線方向長さはナックル４８，５２の軸線方向長さよ
り大きく、軸線方向接触（干渉）を防止する。同様に、
スロットまたはスペース５０，５４は、ナックル４８，
５２の半径方向内側表面より半径方向にわずかに深く切
削して、ホイール同士の半径方向接触（干渉）を防止す
る。ラベットジョイント４６は半径方向干渉／センタリ
ング機能を果たし、確実にホイールのすべてをロータの
中心軸線上に心合わせする。
【００１１】スペースまたはスロット５０，５４および
ナックル４８，５２の側面はホイールに半径方向に機械
加工され、それらが互いにすべり、隣接するホイールの
半径方向膨張差を吸収する。この膨張差は機械的または
熱的負荷のせいで起こる。この特徴はロータの半径方向
心合わせに使用されないので、この相対運動による摩耗
は最小になるはずである（通常のカップリングに生じる
摩耗より小さい）。
【００１２】スロット／ナックルの数は、（図２に仮想
線で７３で示すタイボルト用の）ボルト穴７２の数の整
数倍として、ロータバランスに必要とされるクロック配
向にてロータを組み立てることを可能にする、必要があ
る。実際の数は、ナックルの剪断強さが必要なロータト
ルクを伝達するのに適切な剪断強さとなるように設定す
ればよい。なお、スロット／ナックルの円周方向配向は
ボルト穴配向に対して制御しなければならない。
【００１３】スロットまたはスペース５０，５４をナッ
クル４８，５２よりわずかに幅広に機械加工して、初期
機械始動時のホイールの円周方向スリップを回避するの
で、組立手順では、ホイールを円周方向に位置決めし、
そして隣接するホイールに挿入する際に、各ホイールを
作動時にかかるトルクの方向にひねる必要がある。この
ようにして、厳密に制御する必要のあるスロットおよび
ナックルの寸法は、ボルト穴位置に対する荷重付加面の
向きだけである（スロット深さ、高さ、幅は制御する重
要性がきわめて低い）。たとえば、直径５フィートのホ
イールの場合、ナックルは軸線方向長さ０．５〜約１イ
ンチ、円周方向幅約３インチとすればよい。しかし、こ
れらの寸法は、特定の用途に応じて変えることができ
る。
【００１４】本発明は、圧縮機およびタービン両方の隣
接するホイール間の界面毎に適用することができる。他
方、圧縮機の後端の界面およびタービンの前端の界面
で、本発明のトルク駆動装置は特に有利である。たとえ
ば、１実施例では、１８段圧縮機の後部５段およびター
ビンの少なくとも２段と３段に本発明を組み込むことが
できる。さらに、圧縮機がタービンと接合する場所の
「マリッジジョイント」も同様に装備することができ
る。
【００１５】以上、この発明を、現在のところもっとも
実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明
したが、本発明は、開示の実施例に限定されず、本発明
の要旨に含まれる種々の変更例や均等な配置を包含す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の軸流圧縮機およびガスタービンの部分的
断面図である。
【図２】本発明によるロータセクション間のトルク駆動
装置の部分的断面図である。
【図３】図２に示すトルク駆動装置の部分的平面図であ
る。
【図４】図２および図３に示すトルク駆動装置の部分的
斜視図である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １対の隣接する回転機械ホイール（３
    ８，４０）間の軸方向トルクカップリング（４４）にお
    いて、第１ホイール（３８）が複数の第１軸線方向延在
    ナックル（４８）を有し、これらの第１ナックル（４
    ８）が円周方向に離間されて第１ホイールの第１面のま
    わりに環状配列をなし、第１スロット（５４）が第１ナ
    ックル間に介在し、第２ホイール（４０）が複数の第２
    軸線方向延在ナックル（５２）を有し、これらの第２ナ
    ックル（５２）が円周方向に離間されて環状配列をな
    し、第２スロット（５０）が第２ナックル間に介在し、
    前記第１ナックル（４８）が前記第２スロット（５０）
    にはまり、前記第２ナックル（５２）が前記第１スロッ
    ト（５４）にはまり、前記第１ナックル（４８）それぞ
    れが前記第２ナックル（５２）の隣接するものに単一の
    半径方向表面（６６）でのみ係合する、軸方向トルクカ
    ップリング。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２ホイールそれぞれが
    半径方向内側表面（５６）および半径方向外側表面（５
    ８）を有し、前記半径方向内側表面（５６）が前記半径
    方向外側表面（５８）より軸線方向に突出している、請
    求項１に記載の軸方向トルクカップリング。
  3. 【請求項３】 前記半径方向内側表面（５６）および前
    記半径方向外側表面（５８）を分離する軸線方向表面
    （６０）が、前記ナックル（４８）それぞれの内面（６
    ２）と同一平面にあり、前記スロット（５４）の底部を
    形成する、請求項２に記載の軸方向トルクカップリン
    グ。
  4. 【請求項４】 さらに前記第１および第２ホイール間に
    ラベットジョイント（４６）を含む、請求項１に記載の
    軸方向トルクカップリング。
  5. 【請求項５】 前記第１および第２ホイール（３８，４
    ０）がガスタービン（１２）の第１段および第２段（２
    ２，２４）を構成する、請求項１に記載の軸方向トルク
    カップリング。
  6. 【請求項６】 前記複数の第１および第２ナックル（４
    ８，５２）が前記ラベットジョイント（４６）より半径
    方向外側に位置する、請求項４に記載の軸方向トルクカ
    ップリング。
  7. 【請求項７】 さらに、少なくとも前記第１および第２
    ホイール（３８，４０）間に軸線方向に延在する複数の
    タイボルト（７３）を含む、請求項６に記載の軸方向ト
    ルクカップリング。
  8. 【請求項８】 前記タイボルト（７３）が、半径方向
    に、前記第１および第２ナックル（４８，５２）と前記
    ラベットジョイント（４６）との間に位置する、請求項
    ７に記載の軸方向トルクカップリング。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２ホイール（３８，４
    ０）が圧縮機（１０）の隣接する段（１８）を構成す
    る、請求項１に記載の軸方向トルクカップリング。
  10. 【請求項１０】 複数の圧縮機段（１８）および複数の
    タービン段（２２，２４，２６，２８）を備えるタービ
    ン（１４）において、少なくとも２つの隣接する圧縮機
    段間および少なくとも２つの隣接するタービン段間に、
    軸方向トルクカップリング（４４）が設けられ、この軸
    方向トルクカップリング（４４）が互いに噛合する軸線
    方向延在歯（４８，５２）を有し、隣接する歯がその半
    径方向表面（６４，６６）に沿ってのみ係合する、ター
    ビン。
  11. 【請求項１１】 さらに、前記少なくとも２つの隣接す
    る圧縮機段間および前記少なくとも２つの隣接するター
    ビン段間にラベットジョイント（４６）を含む、請求項
    １０に記載のタービン。
  12. 【請求項１２】 さらに、前記少なくとも２つの隣接す
    る圧縮機段および前記少なくとも２つの隣接するタービ
    ン段をそれぞれ軸線方向に一体に保持する複数組のタイ
    ボルト（２０，７３）を含む、請求項１１に記載のター
    ビン。
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