JP2008133959A - ターボ機械における２個の回転シャフトの結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトのスプライン部分の長手方向の端に応力が集中する問題に対して簡単で有効かつ経済的な解決方法を提供する。
【解決手段】２個の回転シャフトの結合装置であって、一方の回転シャフトに形成され、かつ他方の回転シャフトの相補的な直線スプラインに係合される直線スプラインを備え、応力がない状態で、２個の回転シャフトのスプラインが、それらの長さの一部で平行であり、また、長手方向の少なくとも一端で離隔される。
【選択図】図２

Description

本発明は、２個の回転シャフトを結合する結合装置に関し、特にターボ機械においてタービンシャフトとコンプレッサのシャフトとを結合する結合装置に関する。

航空機のターボジェットまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械では、低圧タービンのシャフトが、低圧コンプレッサのシャフトを回転駆動させ、これら２つのシャフトは、たとえばタービンシャフトの外側円筒表面に形成され、かつコンプレッサシャフトの内側円筒表面の相補的な直線スプラインに係合される、直線スプラインシステムによって回転結合される。

動作時には、２個のシャフトのスプライン部分が、伝達トルクによって弾性的に捩れ変形し、最大応力が、これらのスプライン部分の長手方向の端にあることが確認されている。このようにシャフトのスプライン部分の長手方向の端に応力が集中すると、これらシャフトの寿命が短くなることがある。

本発明は、特に、この問題に対して簡単で有効かつ経済的な解決方法を提供することを目的とする。

このため、本発明は、２個の回転シャフトの結合装置を提案し、一方の回転シャフトの外側円筒表面に形成され、かつ他方の回転シャフトの内側円筒表面に形成される相補的な直線スプラインに係合される直線スプラインを備え、応力がない状態で、２個の回転シャフトのスプラインが、該スプラインの長さの一部にわたってほぼ平行であり、また、長手方向の少なくとも一端で離隔され、こうした離隔が、巡航速度では、２個の回転シャフトのスプラインの弾性変形によりなくなって、スプラインが、その全長にわたってほぼ平行になるように決定される。

長手方向の少なくとも一端におけるシャフトのスプラインの離隔は、巡航速度では、回転シャフトのスプライン部分の弾性的な捩れ変形により、この離隔がなくなって、２個の回転シャフトのスプラインが、その全長にわたってほぼ平行になるように、正確に決定される。それによって、回転トルクの伝達に関係する応力が、スプラインの全長にわたって配分されて、長手方向の端に集中されないので、シャフトの寿命を延ばすことができる。

本発明の例示的な実施形態では、シャフトのスプライン部分の長手方向の端が受ける応力が、半分に低減される。

本発明の別の特徴によれば、スプライン端におけるスプラインの離隔は、一方のシャフトだけのスプラインを加工することによって得られる。他方のシャフトのスプラインは、その全長にわたって直線であり、第１のシャフトのスプラインが、少なくともその一端で離隔される。

シャフトのスプラインは、直線状の溝によって分離される一連の直線状の歯から形成される。一方のシャフトのスプライン加工は、たとえば、このシャフトのスプラインの各歯の逃げ面に面取りを形成することを含む。好ましくは、スプラインの歯の逃げ面の面取りは、回転トルクの伝達時に応力の集中を生じない、凸隅肉でこの逃げ面に接続する。

たとえば、スプライン端の離隔部分の長さは、約１５ｍｍ〜２５ｍｍであり、スプライン端におけるスプラインの離隔が、約０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲にある。

本発明は、また、コンプレッサを備える航空機のターボジェットまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械に関し、コンプレッサのシャフトが、タービンシャフトに回転結合され、コンプレッサのシャフトとタービンシャフトとが、上記の装置により結合される。

本発明は、さらに、上記の装置のシャフトの外側円筒表面に直線スプラインを形成する方法に関し、
所定の速度で長手方向の軸を中心としてシャフトを回転させ、
シャフトにヘリカルフライスを近づけ、このヘリカルフライスが、シャフトの軸にほぼ直角に向けられたヘリカルフライスの長手方向の軸の周囲に延びる、少なくとも一つの螺旋切削エッジを含み、このヘリカルフライスが、所定の深さでシャフトに直線スプラインを加工するように、所定の速度でその軸を中心として回転駆動され、シャフトの軸に対して平行変位され、
次いで、より深いスプラインをこの端に形成するように、スプラインの長手方向の一端付近で、シャフトにフライスを接近させることからなる。

スプラインの歯の断面は台形であり、その逃げ面は、シャフトの回転軸を通る面に対して傾斜している。スプラインの溝が深ければ深いほど、これらの溝がより広くなり幅または周方向の寸法が大きくなる。従って、スプラインの溝が深い方の長手方向の端は、幅が残りの溝よりも広く、それによって、これらの溝を有する端が長手方向に対して離隔される。

本発明は、添付図面を参照しながら非限定な例として与えられる以下の説明を読むことにより、いっそう理解され、本発明の他の特徴、詳細、および利点が、より明らかになるであろう。

図１は、航空機のターボジェットまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械における、低圧タービンのシャフト１０と低圧コンプレッサのシャフト１２とを回転結合する手段を非常に概略的に示している。タービンシャフト１０は、スプライン結合装置を介して、ターボ機械の長手方向の軸１４を中心としてコンプレッサのシャフト１２を回転駆動する。

タービンシャフト１０の上流側端１６は、コンプレッサのシャフト１２の雌型の円筒通路１８に係合される雄型の円筒部分を形成し、その外側円筒表面に、断面がほぼ台形の複数の直線スプライン２０を含み、これらスプラインは、軸１４を中心として均一に配分されて、シャフト１２の通路１８の内側円筒表面にある相補的な直線スプライン２２と協働する。

タービンシャフト１０は、ターボ機械の燃焼室から送られる高温ガスにより、軸１４を中心として回転駆動され、高温ガスは、タービンシャフト１０の下流側端に固定された低圧タービンのインペラを駆動する。タービンシャフト１０は、スプライン２０、２２を介して、ターボ機械のファンホイールを上流側端で支持するコンプレッサのシャフト１２に回転トルクを伝達する。

ターボ機械の動作時に、シャフト１０、１２のスプライン部分は、エンジン速度に応じて、軸１４を中心として多少とも弾性的に捩れ変形を受け、回転トルクの伝達によって生じる応力の大部分を、スプラインの長手方向端で支えるので、シャフトの寿命が短くなる。

本発明は、少なくとも長手方向の一端で、シャフトのスプライン２０、２２間に離隔を形成することによって、上記の問題を解決することができ、この離隔は、巡航速度では、殆どなくなって、２個のシャフトのスプラインが、ほぼ全長にわたって互いに接するように決定されているので、スプラインの長手方向端にかかる応力が著しく低減される。

シャフト１０のスプライン２０は、断面が台形の一連の直線状の歯からなり、これらの歯は、同様に断面が台形の直線状の溝により分離され、この溝に、シャフト１２のスプライン２２の歯が係合される。

図２に示した本発明の例示的な実施形態では、２個のシャフトの一方、たとえばタービンシャフト１０のスプラインの溝が、より大きな幅または周方向の寸法を有する下流側端部分２４をそれぞれ有し、溝の残りの幅は、ほぼ一定である。図示されていない他方のシャフトのスプライン２２は、シャフト１０のスプライン２０とほぼ同じ長さであり、溝幅は、それらの全長にわたってほぼ一定である。

応力がかからない場合、タービンシャフト１０のスプライン２０の歯およびコンプレッサのシャフトのスプライン２２の歯の逃げ面２６は、スプライン２０、２２の上流側端部分および中央部分において、互いにほぼ平行であって互いに接触する。タービンシャフトのスプライン２０の下流側端２４に、スプライン２０の歯の逃げ面が、コンプレッサシャフトのスプライン２２の歯の逃げ面から離れて離隔し、周方向の小さな隙間ｅを双方の間に有するが、この隙間は、動作時にシャフトのスプライン部分の弾性捩れ変形により占められる。

図示された例では、各スプライン２０の下流側端における離隔は、その下流側端から測定される短い長さにわたる、このスプライン２０の歯の逃げ面２６に加工された面取り２８から生じる。面取り２８は、回転トルクの伝達時に、結合が、頂部リッジとの二面角の形態であるときに生じる応力集中を避けるために、凸隅肉２９で長手方向逃げ面２６に接続する。

動作時に、シャフト１０、１２のスプライン部分の捩れ変形は、スプライン２０の歯が、捩れ変形されて隙間ｅを段階的に占め、スプライン２０の歯の面取り２８が、シャフト１２のスプライン２２の歯の逃げ面に押圧される（破線２６’で示す）。このようにして、スプライン２０、２２は、ほぼ全長にわたって接触し、回転トルクの伝達に伴う応力が、スプラインの全長にわたって適切に配分されるので、寿命を著しく延ばすことができる。

面取り２８は、たとえば約１５ｍｍ〜２５ｍｍに及ぶ長さＬを有し、これは、スプラインの全長のおよそ１０％〜３０％にあたる。面取り２８は、歯２０の逃げ面２６を、約０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍの周方向の厚さｅにわたって加工することによって形成されており、歯の高さは約３ｍｍである。

好ましい実施形態では、面取り２８は、長さが２０ｍｍ、寸法ｅが０．０８ｍｍである。

変形実施形態では、タービンシャフト（またはコンプレッサのシャフト）のスプラインの長手方向上流側端および下流側端のそれぞれが、上記のタイプの面取り２８を含む。

面取り２８は、スプラインの歯の逃げ面の一つだけに形成すれば十分である。

しかしながら、実際には、スプラインの加工時に、連続する歯の対向する逃げ面に、同時にこれらの面取りを形成することができ、この方法は、スプラインの歯の逃げ面に後で面取りを加工するよりも、ずっと簡単で迅速かつ経済的である。

図３では、台形の断面を有する直線スプライン２０をタービンシャフト１０に形成するシステムを簡単に示した。このシステムは、長手方向の軸１４を中心としてシャフト１０を回転させる（矢印３１）回転手段３０を含み、シャフト１０および回転手段３０は、軸１４に対して矢印３４で示した垂直方向に変位可能なベッド３２により支持されている。

スプライン２０は、フライスの長手方向の軸３８の周囲に延びる少なくとも一つの螺旋切削エッジ３６を備えた、ヘリカルフライスを使用してシャフト１０の外側円筒表面に加工される。このフライスは、シャフト１０の軸１４に対してほぼ直角に向けられており、適切な手段４２により軸３８を中心として回転駆動される（矢印４０）。フライスは、また、スプライン加工のために、矢印４４で示したシャフトの軸１４に平行な方向に変位可能である。

本発明による方法は、所定の速度でシャフト１０をその軸を中心として回転駆動させてから、シャフト１０から所定の距離のところに、フライスをシャフト１０に接近させて、所定の深さＰ（図４）でシャフトにスプラインを加工する。次いで、フライスを、シャフトの回転軸１４に平行な方向に変位させて、所望の長さにわたってこの深さのスプライン２０を形成する。

加工されたスプラインの深さによって、スプラインの溝の幅または周方向の寸法Ｄ、Ｄ’（図４）が決定される。その後、フライスを、スプライン２０の長手方向の一端付近で、シャフトに接近させて、より深い深さＰ’を有するスプラインをこの端に形成する。これによって、同時にスプライン２０の各歯の２個の逃げ面に面取り２８が形成する。これらの面取りの寸法ｅは、差（Ｄ’−Ｄ）／２により決定される。

ターボ機械のタービンシャフトとコンプレッサシャフトの結合装置を示す概略的な軸方向片側断面図である。 図１のタービンシャフトのスプライン部分を示す概略的な一部拡大図である。 タービンシャフトへの直線スプラインの加工システムを示す概略的な斜視図である。 図３のシャフトのスプラインを示す概略的な一部拡大横断面図である。

符号の説明

１０ タービンシャフト
１２ コンプレッサのシャフト
１４ ターボ機械の長手方向の軸
１８ シャフトの通路
２０、２２ スプライン
２４ 下流側端部分
２６ スプラインの歯の逃げ面
２８ 面取り
２９ 凸隅肉
３０ 回転手段
３２ プレート
３６ 螺旋切削エッジ
３８ フライスの長手方向の軸

Claims (9)

1. ２個の回転シャフトの結合装置であって、一方の回転シャフトの外側円筒表面に形成され、かつ他方の回転シャフトの内側円筒表面に形成される相補的な直線スプラインに係合される直線スプラインを備え、応力がない状態で、２個の回転シャフトのスプラインが、該スプラインの長さの一部にわたってほぼ平行であり、また、長手方向の少なくとも一端で離隔され、該離隔が、巡航速度では、２個の回転シャフトのスプラインの弾性変形によりなくなって、スプラインが、その全長にわたってほぼ平行になるように決定される、装置。
2. スプラインの端における離隔が、一方の回転シャフトのスプラインの加工によって得られる、請求項１に記載の装置。
3. 加工が、一方の回転シャフトのスプラインの各歯の逃げ面への面取りの形成を含む、請求項２に記載の装置。
4. スプラインの歯の逃げ面の各面取りが、凸隅肉で逃げ面に接続する、請求項３に記載の装置。
5. スプラインの離隔端部分の長さが、約１５ｍｍ〜２５ｍｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. スプライン端におけるスプラインの離隔が、約０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲にある、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 一方の回転シャフトのスプラインが、直線であり、他方の回転シャフトのスプラインが、少なくとも一端で離隔している、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. コンプレッサを備える航空機のターボジェットまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械であって、コンプレッサのシャフトが、タービンシャフトに回転結合され、コンプレッサのシャフトとタービンシャフトとが、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置により結合される、ターボ機械。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の装置のシャフトの外側円筒表面にスプラインを加工する方法であって、
   所定の速度で長手方向の軸を中心としてシャフトを回転させ、
   シャフトにヘリカルフライスを近づけ、ヘリカルフライスが、シャフトの軸にほぼ直角に向けられたヘリカルフライスの長手方向の軸の周囲に延びる、少なくとも一つの螺旋切削エッジを含み、ヘリカルフライスが、所定の深さでシャフトにスプラインを加工するように、所定の速度で軸を中心として回転駆動され、かつシャフトの軸に対して平行変位され、
   次いで、より深いスプラインを長手方向の一端に形成するように、スプラインの長手方向の一端付近で、フライスをシャフトに接近させることからなる、方法。

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