JP2009121460A - 取付け部品を覆瓦状に配置することによる径方向アームの円形フェルールへの接続 - Google Patents

Abstract

【課題】接続部の組み立てが容易であり、接続部品が単純であり、体積および重量が小さく、追加の負荷が回避され、加熱を受けにくくまた動かなくなりにくく、アームがフェルール面上にしっかりと維持される、径方向アームの円形フェルールへの接続を提供すること。
【解決手段】アームのフェルールへの接続部の組み立てが、アーム（１０）の端部とフェルール（１１）にボルト締めされたキー（２２）とから突出する側方翼部（２１、２３）を覆瓦状に配置することによって行われる。組み立ては位置決めピン（３０）で補われてもよい。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に航空ターボ機械における、取付け部品を覆瓦状に配置すること（ｉｍｂｒｉｃａｔｉｎｇ）による径方向アームの円形フェルールへの接続に関する。

このようなターボ機械のある装置は、内側ハブのフェルールと同心の外側フェルールであって、径方向アームによって内側フェルールに接合し、環状チャンバと、または同じく環状であるがその軸端部に開いたガスストリームの一部分と境界を画している外側フェルールを備える。その例を図１に表している。図１は、ターボ機械であって、ステータ１とロータ２との間に、連続した低圧コンプレッサ３および高圧コンプレッサ４と、燃焼室５と、高圧タービン６および低圧タービン７とを従来通りに備えたターボ機械を部分的かつ概略的に示している。ロータ２はタービン６と７との間で別個の２つの部分に区分けされることが可能であり、内側ハブ８は、ターボ機械内でガスストリーム９の滑らかな形状を維持するように、これら２つの部分の間に延在する。内側ハブ８は実質的に径方向アーム１０によって支持されており、それらは、内側ハブ８の（内側円形の）フェルールを、ステータ１に属した、また反対側の外側でガスストリーム９と境界を画した同心の外側フェルール１１に接合させている。アーム１０は、一般的に長方形の単純な断面形状を有する。これらのアーム１０は燃焼ガスによって達成される高温を受けると同時に燃焼ガスの流れに対して影響を及ぼす。アームから分離されたフェアリング１２は、熱から幾分保護されるように、かつガスに対して良好な空気力学的迂回プロファイルをもたらすように充分な隙間で囲まれるべきである。フェアリング１２は機械の構造的アームでもあることから、これらは強力な負荷を受ける。こうした負荷によって、アームとそれらの接続部との充分な強度が必要になる。

図４は、分離された状態の、タービンの外側フェルール１１、アーム１０、および内側ハブ８の組み立てを示している。明確にするために、ステータ１とロータ２に対する組み立てフランジ（参照符号なし）をここでは示している。

アーム１０のまわりに滑り込ませたフェアリング１２と外側フェルール１１との間の隙間が小さいものにすぎないことから、アーム１０が内側ハブ８と一体であっても、事前に内側ハブ８に組み立てられていても、アーム１０を外側フェルール１１に組み立てるのは困難である。

したがって、外側フェルール１１の組み立て位置へアーム１０をドッキングするように移動させることは、設置されたフェアリング１２に、組み立て体に必要な道具を挿入すること同様に困難である。アーム１０と外側フェルール１１との間の接続は、これらの応力に従うように、しかしまた、フェアリング１２にも関わらず動作中のアームによって受けられる強力な負荷と、アームが受ける高熱とに耐えるようにも設計されるべきである。

図２で示している従来型の組み立て体では、各アーム１０の端部に穴が開けられ、穴開けされたラグ１３が外側フェルール１１上に設けられ、その穴開け部をラグの穴開け部と位置合わせするようにアーム１０がラグ１３に対して位置決めされ、ボルト１４がそれらの穴開け部の位置合わせ部に通され、支持軸としての働きをする。しかし、組み立て体の張り出しのために、アーム１０によって受けられた負荷は、より強力な負荷を組み立て体部品に加え、特に曲げ負荷がボルトに加えられる。こうした負荷は望ましくなく、こうした負荷によって、接続部品が、２つのラグを用いた対称形構成の場合よりも大きな曲げ応力に耐えるように充分に大きく寸法決めされることが必要になる。こうした理由から、図３で示した別の設計では、外側フェルール１１には平行な２つのラグ１５と１６が設けられ、それらの間にアーム１０の端部が位置決めされ、ボルト１７がアーム１０と両ラグ１５および１６との穴開け部を通して取り付けられている。このように曲げ負荷が軽減され、接続がより軽くされることが可能になるが、ジレンマが存在する。ラグ１５と１６が離隔されている場合（これは、アーム１０がラグ１５と１６の面に平行ではない方向に移動することを必要とする組み立て体の結果である場合がある）、組み立て体は簡単であるが、ボルト１７は大きなせん断力および曲げ力を受け（対称形構成によって曲げが滑らかであっても）、組み立て体は隙間を有する。組み立てステップにおいて、ボルト１７を締めることによってラグ１５と１６を互いに接近させることは、内部応力が過剰となり、ボルト１７がより容易に動かなくなることから有利ではない。これとは反対にラグ１５と１６が互いに接近して構築されている場合、アーム１０の端部との隙間は小さくなり、または消滅さえし、ボルト１７の湾曲は解消されるが、ラグ１５と１６との間にアーム１０を挿入することが困難になり、さらには、アーム１０が機械の角度方向に傾斜をともなって方向付けられている場合には不可能となる。こうしたことは、極めて頻繁に起こる。ガス流修正がアームによって実施されなければならないことから、その場合に組み立てが、らせん運動にしたがって行われて、必要な負荷が挿入時に加えられるのを防止してしまうためである。

アームと外側フェルールとの間の接続の別の設計では、フェルールとアームの両方に組み立てられる中間部品を使用している。その例が米国特許第５２７２８６９号明細書にある。このような設計は以下のような欠点、即ち過大寸法によって組み立てステップが複雑になること、またこうした中間部品が一般的にアームにボルト締めされており、ボルトが動かなくなった場合にアームが取り外されるのを防止してしまうことがある、などの欠点を有する場合が多い。

この後者の欠点は、アームが、直接フェルールに、それを通過してアームの方向と平行に位置決めされるボルトによって結合される他の接続部でもなお存在する。この例が米国特許第６４３９８４１号明細書にある。ここではネジが、アームの穴開け部内のクリンプ（ｃｒｉｍｐ）されたネジ式挿入物の中に係合され、または、アームの滑らかな穴開け部の中に隙間をもって係合されることが可能であり、これらの穴開け部は、ナットとボルトが挿入されてネジ締めされることが可能な開口部に通じている。

最後に、一部の装置では、アームに、翼部またはサイドスカートが、フェルールにボルト締めされたブロッキング部品の中に保持されて設けられており、それらの翼部は、フェルールとブロック部品から突出する他の翼部との間で保持されている。このような設計は、特に英国特許出願第２２６２５７３号明細書および欧州特許出願第０５５０１２６号明細書で適用されている。この設計は、それまでの設計のほぼ全ての欠点を回避しているが、１つの欠点を有する。即ち、フェルール面におけるアームの位置を保証しないという欠点を有する。これは、アームが一般的に、同心の２つのフェルールの間に組み立てられる構造的アームであることから、アームが、不正確に組み立てられる可能性、またはアームが受ける負荷のために動作中に移動する可能性があることによる。上述の明細書はどちらかと言えば、構造抵抗がなく軽微な負荷しか受けられない管または中空かつ軟性のスリーブに関するものである。

米国特許第５２７２８６９号明細書 米国特許第６４３９８４１号明細書 英国特許出願第２２６２５７３号明細書 欧州特許出願第０５５０１２６号明細書 仏国特許出願第２１０６５６１号明細書 米国特許第２８３４５３７号明細書 英国特許出願第２１１５４８７号明細書 米国特許第２６９３９０４号明細書 欧州特許出願第０１７１３２９号明細書

一般的に述べると、本発明は、円形フェルールと、フェルールを他の同心のフェルールに接合させる実質的に径方向のアームと、アームのフェルールへの接続部とを備えた装置であって、接続部は、アームの両側から突出する翼部と、突出する翼部を備えたキーと、フェルールの穴開け部とキーの穴開け部と、それぞれフェルールの穴開け部の１つとキーの穴開け部の１つを備えた位置合わせ部を通過してキーをフェルールに対して保持するボルトとを備え、アームの翼部はそれぞれキーの翼部とフェルールとの間に保持されている、装置に関する。

前述の定義による、キーと翼部の覆瓦状配置を備えたボルト締め接続によって得られる利点は、以下のように説明することができる。フェアリングによってアクセスが低下しても接続部の組み立てが容易である。接続部品が単純であり、体積および重量が小さい。張り出しまたは組み立ての変形による追加の負荷が回避される。ボルトがアームから分離されて、温かくない部品と接触し、したがって加熱を受けにくく、また動かなくなりにくい。

装置は、フェルールの他の穴開け部とアームの穴開け部の位置合わせ部を備え、これらの位置合わせ部はセンタリングピンによって占められていることを特徴としている。このようなボルト接続とセンタリングピンを備えた装置とを組み合わせることによって、アームがフェルール面上の恒久的な側部位置にしっかりと維持されることが可能になり、また、軸方向負荷がネジによって吸収され、せん断負荷がピンによって吸収されることから、アームに加えられた負荷が分解されることも可能になる。

本発明によると、ここに示した通りのアームに接続されるフェルールは、通常通りに外側フェルール１１であることが可能であるが、内側ハブ８の円形フェルールであることも可能である。その装置は、一部の寸法の修正を除いては、同じことになる。

本発明の他の態様は、以上に説明した接続の装置を備えたターボ機械である。

次に、以下の図面を参照して、特定の実施形態の態様で、本発明について詳しく記述する。

本発明が提供されたターボ機械を示す図である。 従来技術による実施形態または組み立て体を示す図である。 従来技術による実施形態または組み立て体を示す図である。 フェルールとアームの組み立て体の他の図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す全体図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、特定の個別要素を示す図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、特定の個別要素を示す図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、図５の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、図５の線ＩＸ−ＩＸに沿った図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、翼部の代替え的構造を示す図である。 フェルールとアームの接続部をより精確に示す、翼部の代替え的構造を示す図である。

外側フェルール１１に近接したアーム１０の端部は、その長い側部から突出する２つの側方翼部２１を担持している（図６）。組み立て体は、キー２２と呼ばれる２つの取付け部品であって、同様の形であり対称的に配設され、突出する翼部２３がそれぞれに設けられた２つの取付け部品も基本的に備える（図７）。キー２２の翼部２３は、アーム１０の翼部２１の下に位置付けられ、したがって達成された覆瓦状配置が、アーム１０の端部を外側フェルール１１に対して維持する（図５）。組み立て体は、外側フェルール１１を通る穴開け部２５とキー２２を通る穴開け部２６の位置合わせ部を通過するボルト２４によって完成される。穴開け部の４つの位置合わせ部と４つのボルト２４とが存在し、うち各キー２２に対して２つずつである。

外側フェルール１１には、アーム１０の接続部のそれぞれで隆起部２７（図５）が設けられ、その表面は平面状または円筒状であり、円筒は、ターボ機械の軸線と一致した軸線を有する。隆起部２７は、それらが、一般的には円錐形状である外側フェルール１１の形状を局部的に簡略化していることから、興味深い。したがって、アーム１０と内側ハブ１２との組み合わせを、より容易に組み立て体位置に挿入することができる。

本明細書で外側フェルール１１とアーム１０の端部（図９）とをそれぞれ通過している穴開け部２８と２９に対して、他の位置合わせ部も存在する。そうした位置合わせ部は、アーム１０のセンタリングピン３０を受け取ることによって、それが固定位置内に維持されることを保証する。このような穴開け部の位置合わせ部は２つあってよい。

アーム１０とキー２２の翼部２１と２３に対する支持は、いくつかの方法で実施されてもよく、即ち、全てが互いにかつ外側フェルール１１に対して平行の面（図１０の３２）、あるいは傾斜付きの方向を有する傾斜付きの面（図７および図１１の３１）であって、互いに角度付けされ、かつアーム１０から傾斜されてディスク１０の翼部２１上の面３１となり、キー２２から傾斜されてキー２２の翼部２３上の面３１となる面のいずれによっても実施されてもよい。いくつかの段付き面による複雑な支持も可能である。翼部２１と２３と相互に接触する面は、一般的に、表面全体が接触されることを保証するように同じ方向を有する。

本発明は他の状況、特に他のターボ機械において使用することも可能である。高圧タービン６と低圧タービン７との間に位置付けられる代わりに、本発明を他の場所、例えば低圧コンプレッサ３と高圧コンプレッサ４との間に位置決めされることも可能である。

１ ステータ
２ ロータ
３ 低圧コンプレッサ
４ 高圧コンプレッサ
５ 燃焼室
６ 高圧タービン
７ 低圧タービン
８ 内側ハブ
９ ガスストリーム
１０ アーム
１１ 外側フェルール
１２ フェアリング
１３、１５、１６ ラグ
１４、１７、２４ ボルト
２１、２３ 翼部
２２ キー
２５、２６、２８、２９ 穴開け部
２７ 隆起部
３０ センタリングピン
３１、３２ 面

Claims (6)

1. 円形フェルール（１１）と、円形内側ハブ（８）と、フェルール（１１）を他の同心のフェルール（８）に接合させる実質的に径方向のアームと（１０）、アームのフェルールへの接続部とを備えた装置にして、接続部が、アーム（１０）の両側から突出する翼部（２１）と、突出する翼部（２３）を備えたキー（２２）と、フェルール（１１）の穴開け部（２５）とキーの穴開け部（２６）と、それぞれフェルール（１１）の穴開け部の１つとキーの穴開け部の１つを備えた位置合わせ部を通過してキーをフェルール（１１）に対して保持するボルト（２４）とを備え、アーム（１０）の翼部（２１）がそれぞれキー（２２）の翼部（２３）とフェルール（１１）との間に保持されている、装置であって、フェルール（１１）の他の穴開け部（２８）とアーム（１０）の穴開け部（２９）との位置合わせ部を備え、これらの位置合わせ部がセンタリングピン（３０）によって占められることを特徴とする、装置。
2. キーの翼部とアームの翼部とが、全て互いに平行な面（３２）を介して接触していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. キーの翼部とアームの翼部とが、角度を間に形成した面（３１）を介して接触し、キーの翼部とアームの翼部とが、キーとアームとから傾斜されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置を備えることを特徴とする、ターボ機械。
5. アーム（１０）がフェアリング（１２）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項４に記載のターボ機械。
6. フェルール（１１）、他方のフェルール（８）、およびアームが高圧タービン（６）と低圧タービン（７）との間に位置付けられ、アーム（１０）が燃焼ガスのストリーム（９）を通過することを特徴とする、請求項４または５に記載のターボ機械。

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