JP2009103128A - タービンエンジンホイール - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードを有するディスクと、動作中に遠心力を吸収するためにディスク上に取り付けられた少なくとも１つの金属マトリクス複合材料のリングとを含む航空機ターボジェットのようなタービンエンジンのホイールにおける先行技術の欠点を克服すること。
【解決手段】ホイール（１０）は、端部から端部まで配置されたセクションによって形成された少なくとも１つの環状フランジ（２８、３０）をさらに含み、ディスク（１２）上へのリングの軸方向の保持を確保するために、各セクションは、ディスク（１２）の側面（３６、３８）に取り付けられた半径方向内側環状部と、リング（２０、２２）と接触する半径方向外側部とを含み、ホイール（１０）はまた、ディスク上にフランジセクションを半径方向に保持する手段（３２、３４、４０、４２）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機タービンエンジンのようなタービンエンジンホイールに関し、特に、このようなホイールへの遠心力吸収リングの取り付けに関する。

タービンエンジンの各ホイールは、回転軸に固定されたロータディスク上に取付けられた又は形成された一連のブレードを含む。動作中、ブレードは、ロータディスク上に非常に強い遠心力を働かせるため、ある程度の安全マージンを持って力に耐えることができるような大きさにディスクをサイジングする必要がある。この大型化は、ディスクの質量を増加させる。

この欠点を克服するために、動作中にディスク上のブレードによって働く遠心力に耐えるようにロータディスク上に取り付けられてディスクの軽量化を実現する金属マトリクス複合（ＭＭＣ）材料で作られたリングを使用することが知られている。

これらのリングは、軽量且つ非常に耐久性があるという特別な特徴を有するため、速い回転速度でのブレードの質量に起因する遠心力を吸収することができ、ディスクは適度な負荷を受けることになる。

金属マトリクス複合（ＭＭＣ）材料のリングを軸方向に保持するには、ネジ又はボルトを通過させるためにディスクを穿孔することが従来から必要であるが、その穿孔は、一般的に部品のサイジングを扱いにくくする過剰な応力の原因となり、又は、実行することが困難であって品質が低下するリスクを増加させるリングの機械加工を必要とするものである。

本発明は、特に、簡便で、経済的で、且つ、実効的なこれらの問題に対する解決策を提供し、先行技術の欠点を克服することができることが目的とされる。

本発明は、特に、穿孔又は取り付け手段を含まない矩形断面を持つリングのような、単純な形状を持ち機械加工によらないリングの使用を可能とする、金属マトリクス複合材料のリングを軸方向に保持するための装置に関する。

したがって、本発明は、ブレードを有する少なくとも１つのロータディスクと、動作中に遠心力を吸収するためにディスク上に取り付けられた少なくとも１つの金属マトリクス複合材料のリングとを含む航空機ターボジェットのようなタービンエンジンのホイールであって、端部から端部まで配置されたセクションによって形成された少なくとも１つの環状フランジを含み、ディスク上へのリングの軸方向の保持を確保するために、各セクションは、ディスクの側面に取り付けられた半径方向内側環状部と、リングと接触する半径方向外側部とを含み、ホイールはまた、ディスク上にフランジセクションを半径方向に保持する手段を含むことを特徴とするホイールを提供する。

本発明に係る環状フランジは、取り付け部材を含まない矩形断面を持つリングのような、単純な幾何形状を持つリングを軸方向に保持することを可能とする。

さらに、フランジのセクタリングは、ロータディスクの外周における組み立てを容易とする。

本発明の他の特徴によれば、フランジセクションを半径方向に保持する手段は、フランジセクションの内側環状部が内側から半径方向に係合されている、ディスク上に形成されたフックと、ディスク上とフランジセクションの半径方向内周上とに取り付けられた弾性環状スナップリングとを含む。

したがって、弾性環状スナップリングがフランジを内側に向かって半径方向に固定することを可能とする一方で、ディスクのフックは、フランジを外側に向かって半径方向に固定することを可能とする。

有利には、静止状態におけるスナップリングは、フランジの内径よりも大きな直径を有し、半径方向に分割されている。

したがって、フランジセクションの半径方向内周と接触して位置付けるために、スナップリングは、圧縮されなければならず、その結果、スナップリングの弾性は、スナップリングをフランジセクションに対して押圧し、フランジセクションを外側に押し込む傾向がある。

スナップリングは、半径方向スロットの両側に配置され、フランジセクションの内周に形成された相補的な形状の凹部に挿入されるようにされた、少なくとも２つの突起部を備えるのが好ましい。

これらの突起部は、上記スナップリングと、スナップリングと接触しているディスク及びフランジの面の磨耗を低減するように、フランジに対してスナップリングが回転するのを防止することが目的とされる。

本発明の他の特徴によれば、動作中にフランジセクションに働く遠心力が、フランジセクションの半径方向外側部をリングに向かって回動させるように、フランジセクションの重心は、ディスク上に設けられた半径方向保持手段上のフランジセクションの接点から軸方向に間隔をあけて位置している。

したがって、フランジは、ディスク上のリングを保持する軸方向の力を働かせる。

フランジセクションの内周と、この内周と接触しているスナップリングの面とは、ディスクの側面と約４５度の角度をなしているのが好ましい。

このスナップリングとフランジセクションとの間の接触面の傾きは、フランジセクションの半径方向外側部がリングに向かって回動する傾向を増加させることができ、したがって、リング上のフランジによって働かされる軸方向の力を増加させることができる。

有利には、チタンもしくはニッケルの合金又は鋼鉄のような金属材料から作られているフランジは、６個から２０個のセクションを含むのが好ましい。

特に、セクションのこの数は、ディスクの外周上へのフランジの簡便な組み立てを可能とし、フランジを形成する材料の選択は、上記フランジが受ける可能性がある機械的及び熱的応力を考慮して都合の良いものとなる。

スナップリングはまた、チタン、ニッケル、又は鋼鉄の合金のような金属材料から作られているのが好ましい。

有利には、スナップリングは、フランジ及びディスクに接触している面上に、低摩擦係数のコーティングを備える。

このようなコーティングは、フランジ及びディスク上のスナップリングの摩擦と、摩擦によって生じる接触面の磨耗とを低減することができる。

本発明はまた、少なくとも１つのコンプレッサ、タービン、又は上述した特徴に係る遠心インペラホイールを含むことを特徴とするタービンエンジンに関する。

添付された図面を参照して例示に限定されることなく開示される以下の説明を読むことにより、本発明がより良く理解されることができ、本発明の他の詳細、利点、及び特徴がより明確になるであろう。

図１は、コンプレッサもしくはタービン又は遠心インペラホイールのようなタービンエンジンホイール１０を示している。このホイール１０は、ディスク１２を含み、ディスク１２は、従来からチタンもしくはニッケルの合金又は任意の適当な材料から作られ、その外周において、本例示においてはディスク１２に直接機械加工されたブレード１４を有する。しかしながら、ブレード１４は、本発明の範囲を逸脱せずに、例えば、「ブローチ」、「ハンマー」、又は「モミの木嵌合（ｆｉｒ ｔｒｅｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）」取り付けにより、ディスク上に取り付けることも可能である。

ディスク１２は、ディスクの回転時にブレード１４によって生成される遠心力を吸収することが目的とされた金属マトリクス複合（ＭＭＣ）材料の上流リング２０及び下流リング２２のそれぞれによって囲まれている上流環状端部１６及び下流環状端部１８を含む。

これらのリング２０、２２は、例えば、チタン基マトリクスにおける炭化ケイ素繊維から作られるが、ホウ素やアルミナ炭化物の繊維等の他のタイプの繊維や、例えばニッケル基マトリクス等の他のタイプのマトリクスを用いて作ることもできる。

この構造は、ディスク１２よりもリング２０、２２により良い機械的特性を与え、ディスク１２上のブレード１４によって伝達される遠心力を効果的に吸収することができる。これは、タービンエンジンホイールの高い回転速度を考慮すると非常に重要なことである。

リング２０、２２は、矩形断面を有し、ディスクの端部１６、１８の外周面２４、２６上に載置されている。これらのリングは、それぞれ上流フランジ２８及び下流フランジ３０の２つの環状フランジによって軸方向に固定されている。フランジ２８、３０は、ディスクの端部１６、１８の半径方向側面３６、３８上に、端部から端部まで取り付けられた一連の環状セクションによって形成されている。

このため、環状フランジ２８、３０のセクションは、ディスク１２の上流側面３６及び下流側面３８の上にそれぞれ形成されているフック３２、３４に係合されており、フランジセクションの外側への半径方向の固定を確保する。セクションは、ディスクの側面３６、３８上にそれぞれ取り付けられている２つの弾性環状スナップリング４０、４２によって半径方向に外側へと押し込まれている。

図２は、ディスクがフランジ及びリングを取り払って示された状態で、ホイール１０のディスク１２の上流側面３６を示している。この図２は、上記上流側面３６上に形成されたフック３２を特に識別することができ、各フック３２は、半径方向内側に延在するタブ４４を含み、上記フック３２の全ては、ともに環状溝４６を形成する。環状溝４６は、上流環状フランジ２８のセクションに略一致する形状を備えた半径方向内側環状部４８を受けるように設計されている。

図３は、上流環状フランジ２８のセクションを示しており、その半径方向内側環状部４８は、ディスク１２の環状溝４６の底面上に半径方向に取り付けられることが目的とされた外側曲面５０と、約４５度の傾斜にしたがって下流方向に向かって断面が増加するように、軸方向に延在する上流面５２及び傾斜した下流面５４を含む半径方向内側端部とを備える。傾斜面５４は、図４及び図５に最適に示されるように、弾性環状スナップリング４０の接触面を形成する。

フランジセクション２８はまた、半径方向内側環状部４８から半径方向外向きに延在するタブ５８を含み、各タブ５８は、それらの軸方向の固定を確保するために金属マトリクス複合材料のリング２０上に取り付けられることが目的とされた、下流に面した軸方向接触面６０を備える。

一般に、環状フランジ２８、３０のセクションを作る材料は、チタン又はニッケルの合金もしくは鋼鉄や、フランジが受ける機械的及び熱的応力に耐えることができる任意の他の金属材料であってもよい。

各フランジ２８、３０を形成するために必要なセクション数は、ディスク１２の寸法等、サイジングパラメータに依存し、いかなる場合においても、上記セクションの端部から端部までの組み立てを容易とするのに十分でなければならない。この数は、例えば８個から１２個の範囲である。

フランジセクション１つあたりのタブ５８の数とフランジの円周上のタブ５８の総数もまた、サイジングパラメータによって決定される。

図４は、弾性環状スナップリング４０に関連した環状フランジ２８のセクションを示しており、セクションとスナップリングは分離されている。図５は、ディスク１２の上流側面３６に取り付けられたセクション及びスナップリングを示している。

図８に最適に示されるように、スナップリング４０は、フランジセクションの傾斜面５４の形状に適合する略三角形の断面を有する。

張力を受けない状態の弾性環状スナップリング６２と、（この図においては示されていない）フランジ上に設置された弾性環状スナップリング４０を示している図６に示されるように、このスナップリングは、スロット６４を備え、静止状態におけるスナップリングの直径ｄ１は、フランジの下に設置された際の直径ｄ２よりも大きい。したがって、フランジ２８の内側端部の傾斜面５４と接触しているスナップリング４０の組み立ては、スナップリング４０に再度トルクを与える必要があり、その結果、その弾性は、上記スナップリングをフランジの内側端部に対して押圧する傾向があり、したがって、スナップリングがフランジの下の凹部から外に出てしまうのを防止しながら、ディスクの環状溝４６の底面上のフランジの面５０を押し込むことになる（図５参照）。

さらに、図７に略示されるように、スナップリング４０は、スナップリング４０がフランジ２８に対して回転するのを防止するために、スロット６４の両側に配置され、フランジセクション２８の対応する凹部６８と係合することが目的とされた２つの突起部６６を含む。

そして、弾性環状スナップリング４０は、例えば、チタンもしくはニッケルの合金又は鋼鉄から作ることができ、様々な部品間の摩擦を低減し、これらの部品間の磨耗を制限するために、フランジ及びディスクにそれぞれ接触している面上に、低摩擦係数の周知のタイプのコーティングも備えることができる。

上述されたように、弾性環状スナップリング４０、４２は、まず、特にタービンエンジンの停止時にフランジセクション２８、３０を半径方向に保持するのを確保することが目的とされており、タービンエンジンの動作中に、フランジセクションは、遠心力の影響によって各環状溝４６に押圧されない。

図８は、タービンエンジンの動作中における、ディスク１２上に取り付けられた上流環状フランジ２８のセクションの断面図であり、特に、フランジ２８に関連する様々な部品における遠心力の伝達を示している。

フランジセクション２８は、その回転から生じる遠心力７０と、弾性環状スナップリング４０によって上記フランジセクションに加えられる力７２とを受ける。

確かに、上記スナップリング４０もまた、その回転によって生じる遠心力７４を受け、対応する形状の外面５６を介してフランジセクションの内側端部の傾斜面５４へと成分７２を伝達する。ディスク１２のフック３２によって形成された環状溝４６への半径方向内側部４８の係合に起因してフランジセクション２８は軸方向に固定されることから、スナップリング４０によってフランジセクション２８に加えられる力７２は、合力として、外側に向けられる半径方向の力を有し、フランジセクション２８において生成された遠心力の合力に加えられる。

フランジセクション２８の重心７６は、上記フランジセクションの半径方向内側部４８の曲面５０とディスク１２の環状溝４６との間の接点７８の上流に軸方向に間隔をあけて位置しており、フランジセクション２８に加えられる力７０は、上記フランジセクションをディスクのフック３２上の接点７８のまわりに下流方向に回転させる傾向があるトルクを発生させる。これは、フランジセクション２８のタブ５８によって金属マトリクス複合材料のリング２０に加えられる、下向きの軸方向の力８０を生じさせ、ディスク上のリング２０の軸方向保持を補強することができる。

したがって、上述されたように、環状スナップリング４０、４２は、ディスク１２のフック３２によって形成された各環状溝４６における接触面７８のまわりの上流環状フランジセクション２８及び下流環状フランジセクション３０の回転トルクを高めることを含む第２の機能を実行する。

上述された例は、ディスクの上流及び下流にそれぞれ配置された金属マトリクス複合材料の２つのリング２０、２２によって外周が補強されたタービンエンジンホイールのディスク１２に関するものであるが、本発明はまた、上流又は下流のこのタイプの単一リングによって、又は、単一半径の上流及び／又は下流の複数のリング、及び／又は、異なる半径の段階的な複数のリングによって補強されたディスクにも適用することができる。

したがって、本発明は、生産するのが特に容易で経済的である、例えば矩形等の単純な断面を有する金属マトリクス複合材料のリングの使用を可能とする。上記リングの軸方向保持を確保する、本発明に係る環状フランジの組み立ては、フランジセクションがディスクの溝から外に出てしまうのを防止するために、環状フランジセクションをディスクの対応する溝に係合すること、及び、その後に各フランジの下に弾性環状スナップリングを取り付けることから簡便になるため、特に容易である。

本発明に係るタービンエンジンホイールの軸方向断面の部分略図である。 図１のタービンエンジンホイールの部分斜視略図である。 図１のタービンエンジンホイールの部分斜視略図である。 図１のタービンエンジンホイールの部分斜視略図である。 図１のタービンエンジンホイールの部分斜視略図である。 張力を受けない状態のスナップリングと、組み立て位置におけるスナップリングとの正面略図である。 フランジ上のスナップリングの組み立てを示す部分正面図である。 ディスク上のリングの軸方向保持を示す軸方向断面の部分略図である。

符号の説明

１０ タービンエンジンホイール
１２ ディスク
１４ ブレード
１６ 上流環状端部
１８ 下流環状端部
２０ 上流リング
２２ 下流リング
２４、２６ 外周面
２８ 上流環状フランジ
３０ 下流環状フランジ
３２、３４ フック
３６ 上流側面
３８ 下流側面
４０、４２、６２ 弾性環状スナップリング
４４、５８ タブ、半径方向外側部
４６ 環状溝
４８ 半径方向内側環状部
５０ 外側曲面
５２ 上流面
５４ 下流面、半径方向内周、傾斜面
５６ 外面
６０ 軸方向接触面
６４ スロット
６６ 突起部
６８ 凹部
７０、７４ 遠心力
７２ 力、成分
７６ 重心
７８ 接点
８０ 軸方向の力
ｄ１、ｄ２ 弾性環状スナップリング直径

Claims (13)

1. ブレード（１４）を有する少なくとも１つのロータディスク（１２）と、動作中に遠心力を吸収するためにディスク（１２）上に取り付けられた少なくとも１つの金属マトリクス複合材料のリング（２０、２２）とを含む航空機ターボジェットのようなタービンエンジンのホイール（１０）であって、端部から端部まで配置されたセクションによって形成された少なくとも１つの環状フランジ（２８、３０）を含み、ディスク上へのリングの軸方向の保持を確保するために、各セクションが、ディスク（１２）の側面（３６、３８）に取り付けられた半径方向内側環状部（４８）と、リングと接触する半径方向外側部（５８）とを含み、ホイール（１０）がまた、ディスク上にフランジセクションを半径方向に保持する手段（３２、３４、４０、４２）を含むことを特徴とする、タービンエンジンホイール（１０）。
2. フランジセクション（２８、３０）を半径方向に保持する手段が、ディスク（１２）上に形成されたフック（３２、３４）を含み、フランジセクションの内側環状部（４８）は、内側から半径方向に係合されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
3. フランジセクション（２８、３０）を半径方向に保持する手段が、ディスク（１２）上とフランジセクションの半径方向内周（５４）上とに取り付けられた弾性環状スナップリング（４０、４２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
4. 静止状態におけるスナップリング（４０、４２）が、フランジ（２８、３０）の内径よりも大きな直径を有し、半径方向に分割されていることを特徴とする、請求項３に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
5. スナップリング（４０、４２）が、半径方向スロット（６４）の両側に配置され、フランジセクションの内周（５４）に形成された相補的な形状の凹部（６８）に挿入されるようにされた、少なくとも２つの突起部（６６）を備えることを特徴とする、請求項４に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
6. フランジセクションの内周（５４）と、この内周と接触しているスナップリング（４０、４２）の面（５６）とが、ディスク（１２）の側面（３６、３８）と約４５度の角度をなしていることを特徴とする、請求項３に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
7. 動作中にフランジセクションに働く遠心力（７０）が、フランジセクション（２８、３０）の半径方向外側部（５８）をリング（２０、２２）に向かって回動させるように、フランジセクションの重心（７６）が、ディスク（１２）上に設けられた半径方向保持手段（３２、３４）上のフランジセクションの接点（７８）から軸方向に間隔をあけて位置していることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
8. フランジ（２８、３０）が、チタンもしくはニッケルの合金又は鋼鉄のような金属材料から作られていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
9. フランジ（２８、３０）が、６個から２０個のセクションを含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
10. スナップリング（４０、４２）が、チタンもしくはニッケルの合金又は鋼鉄のような金属材料から作られていることを特徴とする、請求項３に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
11. スナップリング（４０、４２）が、フランジ（２８、３０）及びディスク（１２）に接触している面上に、低摩擦係数のコーティングを備えることを特徴とする、請求項３に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
12. ロータディスク（１２）の上流側面及び下流側面にそれぞれ取り付けられた、金属マトリクス複合材料のリング（２０、２２）を少なくとも２つ含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジンホイール（１０）。
13. 少なくとも１つのコンプレッサ、タービン、又は請求項１に記載の遠心インペラホイール（１０）を含むことを特徴とする、タービンエンジン。

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