JP2012002357A

JP2012002357A - ロータトルク伝達のための方法及び装置

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Publication number: JP2012002357A
Application number: JP2011128762A
Authority: JP
Inventors: Kenneth D Black; ケネス・デーモン・ブラック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-01-05
Also published as: DE102011050838A1; FR2961569A1; CN102287237B; US20110311303A1; CN102287237A

Abstract

【課題】ロータトルク伝達のための方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスタービンのような回転機械では、ロータ（１００）の隣接する部品間でトルクが伝達される。捩り及び半径方向荷重の有効な伝達を可能にするために、複数の合わせ面（２１０、２２０）が、ロータ（１００）のディスク（１１０）の境界面（１１５）に分散配置される。合わせ面（２１０、２２０）は、少なくとも１つの第１の合わせ面（２１０）と少なくとも１つの第２の合わせ面（２２０）を有する。各々の第１の合わせ面（２１０）は、半径方向線（２３０）に対して第１の角度で角度オフセットしており、各々の第２の合わせ面（２２０）は、半径方向線（２３０）に対して第２の角度で角度オフセットしている。第２の角度は、半径方向線（２３０）からの方向が第１の角度と逆である。
【選択図】図２

Description

本発明の１以上の態様は、例えば回転機械におけるトルク伝達のための方法及び装置に関する。

ガスタービンのような回転機械は、発電及び機械的駆動用途に使用される。これらの機械は一般に、複数タービン及び／又は圧縮機段を含む。運転中に、ガスタービンロータの主要機能は、トルクを伝達して、圧縮機、発電機又はその他の機械装置を回転駆動することである。

ロータは一般に、互いに組立てられた複数のディスク及び／又はシャフトで構成されて、多段圧縮機又はタービンを形成する。ロータの隣接するディスク間でトルクが伝達されると、例えば隣接するディスクの熱膨張の差及び／又は機械的設置位置に関連する撓みの差のために、半径方向荷重もまた存在する可能性がある。隣接するディスク間の接合部における半径方向荷重を支えることができないロータシステム設計は、接合部における摺動連結部を通しての相対的半径方向移動に適合しなければならない。摺動が存在する場合にはいつでも、それらの全てが意図しないシステム挙動及び製品寿命の短縮を引き起こす可能性があるジョイント固着、表面かじり、摩耗などの発生の懸念が常に存在する。

捩り及び半径方向荷重の両方に適合する接合ジョイントを形成する従来の試みには、溶接ロータ及びＣＵＲＶＩＣ（ＧｌｅａｓｏｎＷｏｒｋｓ社（米国ニューヨーク州ロチェスター、ユニバーシティ・アベニュー１０００）の登録商標）設計が含まれる。両方のシステムとも、大きな費用を必要とする。また、溶接ロータの場合には、割れ又は損傷が生じた時に損傷したディスク自体のようなより小さい部品を交換するのではなくて、より大きな部分組立体を交換するのが、一般的な実施法である。

米国特許第６６７２９６６号明細書

本発明の非限定的な態様は、回転機械用ディスクに関する。本ディスクは、境界面に分散配置された複数の合わせ面（mating surface）を含む。複数の合わせ面は、少なくとも１つの第１の合わせ面と少なくとも１つの第２の合わせ面とを含む。各々の第１の合わせ面は半径方向線に対して第１の角度で角度オフセットしており、各々の第２の合わせ面は半径方向線に対して第２の角度で角度オフセットしている。第２の角度は、半径方向線からの方向が第１の角度と逆である。

本発明の別の非限定的な態様は、回転機械のロータに関する。本ロータは、それぞれの第１及び第２の境界面で互いに接合するように構成された第１及び第２のディスクを含み、第１及び第２のディスクの一方が回転した時に捩り及び半径方向荷重の両方が該第１及び第２のディスクの他方に伝達される。第１のディスクは、第１の境界面に分散配置された複数の合わせ面を含む。複数の合わせ面は、少なくとも１つの第１の合わせ面と少なくとも１つの第２の合わせ面とを含む。各々の第１の合わせ面は半径方向線に対して第１の角度で角度オフセットしており、各々の第２の合わせ面は半径方向線に対して第２の角度で角度オフセットしている。第２の角度は、半径方向線からの方向が第１の角度と逆である。第２のディスクは、第２の境界面に分散配置された複数の整合合わせ面を含む。複数の整合合わせ面は、少なくとも１つの第１の整合合わせ面と少なくとも１つの第２の整合合わせ面とを含む。各々の第１の整合合わせ面は半径方向線に対して第１の整合角度で角度オフセットしており、各々の第２の整合合わせ面は半径方向線に対して第２の整合角度で角度オフセットしている。第２の角度は半径方向線からの方向が第１の角度と逆である。第１及び第２の整合角度は、第１及び第２のディスクを組立てて互いに接合した時に対応する合わせ面が整列するようにされる。

本発明のさらに別の非限定的な態様は、回転機械用ディスクの製造方法に関する。本方法は、境界面に分散配置された複数の合わせ面を形成するステップを含む。複数の合わせ面は、少なくとも１つの第１の合わせ面と少なくとも１つの第２の合わせ面とを含む。各々の第１の合わせ面は半径方向線に対して第１の角度で角度オフセットしており、各々の第２の合わせ面は半径方向線に対して第２の角度で角度オフセットしている。第２の角度は、半径方向線からの方向が第１の角度と逆である。

次に、下記に特定した図面に関連させて、本発明を詳細に説明する。

ロータの非限定的な実施形態を示す図。ロータのディスクの非限定的な実施形態を示す図。ロータの隣接する合わせ面の関係の詳細図。ディスクの合わせ面としての陥凹スロットの非限定的な実施例を示す図。ディスクの合わせ面としての隆起面の非限定的な実施例を示す図。ロータのディスク及び整合ディスクの非限定的な実施形態を示す図。整合ディスクの整合合わせ面としての陥凹スロットの非限定的な実施例を示す図。整合ディスクの整合合わせ面としての隆起面の非限定的な実施例を示す図。対応する陥凹スロット間を接合させるようになったダウエルの非限定的な実施例としての使用を示す図。対応する陥凹スロット間を接合させるようになったダウエルの非限定的な実施例としての使用を示す図。対応する陥凹スロットとの隆起面の非限定的な実施例としての整合を示す図。対応する陥凹スロットとの隆起面の非限定的な実施例としての整合を示す図。ロータのディスク上に合わせ面を形成する非限定的な方法を示す図。隆起面、ダウエル及び陥凹スロットなどについての非限定的な実施例としての形状を示す図。隆起面、ダウエル及び陥凹スロットなどについての非限定的な実施例としての形状を示す図。隆起面、ダウエル及び陥凹スロットなどについての非限定的な実施例としての形状を示す図。ロータのディスクの別の非限定的な実施形態を示す図。

図１は、シャフト１０５並びに第１及び第２のディスク１１０及び１２０を備えたロータ１００の非限定的な実施形態を示している。ロータ１００は、２つの隣接する部品、例えば第１及び第２のディスク１１０、１２０間でトルクを有効に伝達することに加えて、隣接するディスク間で該ロータ１００がさらに半径方向荷重を有効に伝達する構造になるように構成される。半径方向荷重を有効に伝達することによって、ジョイント固着、表面かじり、摩耗及びその他の不具合が、最少になり、或いは防止されることにさえなる。第１及び第２のディスク間で捩り及び半径方向荷重を伝達することについて説明するが、２つのシャフト部分間並びにシャフト及びディスク間のようなあらゆる２つの隣接する部品に対して、様々な態様を適用可能である。

図１において、第１及び第２のディスク１１０及び１２０は、それぞれの境界面１１５及び１２５で互いに接合する。図２は、例えば回転機械用ディスクの非限定的な実施形態を示しており、具体的には、ディスクの境界面の態様を示している。図１の第１及び第２のディスク１１０、１２０の一方又は両方は、図２に示すディスクの構造を有することができる。

簡単にするために、図２は、第１のディスク１１０の図であると仮定する。図示するように、第１のディスク１１０は、該ディスク１１０の境界面に分散配置された複数の合わせ面を含む。合わせ面は、少なくとも１つの第１の合わせ面２１０と少なくとも１つの第２の合わせ面２２０を有する。第１及び第２の合わせ面２１０及び２２０の数は、等しいのが好ましい。例えば、図２には、８つの第１の合わせ面２１０及び８つの第２の合わせ面２２０を示している（各々の２つに符号付けしている）。合わせ面２１０、２２０がリング２４０の周りに円周方向に間隔を置いて配置されていること並びに第１及び第２の合わせ面２１０、２２０がリング２４０上で交互になっていることを、さらに示している。そのような構成は好ましいものであると言えるが、必要条件ではない。

図３は、隣接する第１及び第２の合わせ面２１０及び２２０の関係の詳細図を示している。各々の第１の合わせ面２１０は、半径方向線２３０に対して第１の角度で角度オフセットしている。同様に、各々の第２の合わせ面２２０は、半径方向線２３０に対して第２の角度で角度オフセットしている。第２の角度は、半径方向線２３０からの方向が第１の角度と逆である。図３では、第１及び第２の角度の大きさは、互いにほぼ等しいものとして図示している。つまり、各々の第１の合わせ面２１０は、半径方向線２３０から角度αだけオフセットしており、各々の第２の合わせ面２２０は、角度-αだけオフセットしている。

各合わせ面は、陥凹させるか又は隆起させることができる。図４では、第１及び第２の合わせ面は全て、それぞれ対応する第１及び第２の陥凹スロット４１０及び４２０であるとして図示している。図５では、合わせ面は全て、対応する第１及び第２の隆起面５１０及び５２０であるとして図示している。合わせ面の構造は、全てそのようにするか又は全くそのようにしないかのいずれかとする必要はないことに留意されたい。隆起面及び陥凹スロットのあらゆる組合せが考えられる。例えば、１つの変形形態では、第１の合わせ面２１０は全て、第１の隆起面５１０又は第１の陥凹スロット４１０の１つとすることができ、第２の合わせ面２２０は全て、第２の陥凹スロット４２０又は第２の隆起面５２０の１つとすることができる。別の変形形態では、第１の合わせ面２１０は、第１の隆起面及び陥凹スロット５１０及び４１０の両方を含むことができる。同様に、第２の合わせ面２２０は、第２の隆起面及び陥凹スロット５２０及び４２０の両方を含むことができる。

図１に戻って参照すると、第１のディスク１１０が上記の構造を有する場合には、第２のディスク１２０は、整合（matching）構造を有する、つまり境界面１２５に分散配置された複数の整合合わせ面を含む。このことを、図６に示している。図示するように、第２のディスク１２０は、少なくとも１つの第１の整合合わせ面６１０と少なくとも１つの第２の整合合わせ面６２０を有する。各々の第１の整合合わせ面６１０及び第２の整合合わせ面６２０はそれぞれ、第１のディスク１１０の第１の合わせ面２１０及び第２の合わせ面２２０の各々に対応する。各々の第１の整合合わせ面６１０は、半径方向線２３０に対して第１の整合角度で角度オフセットしている（図示せず、図３参照）。同様に、各々の第２の整合合わせ面６２０は、半径方向線２３０に対して第２の整合角度で角度オフセットしている（図示せず、図３参照）。第１及び第２の整合角度によって、第１及び第２のディスクを組立てて互いに接合した時に対応する合わせ面が整列する。

第１のディスク１１０の合わせ面と同様に、第２のディスク１２０の整合合わせ面もまた、図７及び図８に示すように隆起面又は陥凹スロットとすることができる。これらの図には、第１及び第２の整合陥凹スロット７１０及び７２０並びに第１及び第２の整合隆起面８１０及び８２０を示している。ここでも同様に、第２のディスクは、隆起面及び陥凹スロットの組合せを含むことができることに注目されたい。

ロータ１００は、１以上のダウエルを含むことができる。第１のディスク１１０の合わせ面及び第２のディスク１２０の整合合わせ面が両方とも陥凹スロットである場合には常に、ダウエルが使用される。そのことは、図９及び図１０に示しており、これらの図では、少なくとも１つの第１の合わせ面２１０（少なくとも１つの第２の合わせ面２２０）が第１の陥凹スロット４１０（第２の陥凹スロット４２０）でありかつ整合（対応）する少なくとも１つの第１の整合合わせ面６１０（少なくとも１つの第２の整合合わせ面６２０）が第１の整合陥凹スロット７１０（第２の整合陥凹スロット７２０）であると仮定する。次に、陥凹スロット内に嵌合するように、ダウエル９１０を使用する。図９及び図１０はそれぞれ、合わせ面を接合する前と後を示している。

一般に、ロータは、少なくとも１つのダウエル９１０を含むことができる。第１及び第２のディスクの対応する合わせ面間に空間を形成した場合には常に、それら合わせ面間内にダウエルを挿入する。つまり、ダウエルは、すべての第１の陥凹スロット４１０の対応する第１の整合陥凹スロット７１０との間内にまたすべての第２の陥凹スロット４２０の対応する第２の整合陥凹スロット７２０との間内に挿入される。

図６に戻って参照すると、ディスクの合わせ面が隆起面である場合には、他方のディスク上の整合合わせ面は、陥凹スロットである。つまり、各々の第１又は第２の隆起面５１０、５２０は、対応する第１又は第２の整合陥凹スロット７１０、７２０と整合する。逆に、各々の第１又は第２の接合隆起面８１０、８２０は、対応する第１又は第２の陥凹スロット４１０、４２０と整合する。このことは、図１１及び１２に示しており、これらの図は、接合の前後における隆起面の整合陥凹スロットとの接合を示している。

上記において、第１及び第２のディスク１１０及び１２０の各々は隆起面及び陥凹スロットの組合せを有することができることを説明した。しかしながら、ディスクを製作するのを容易にするためには、少なくとも１つのディスク、より好ましくは両方のディスクが全て合わせ面として陥凹スロットを有するのが好ましい。図１３は、第１又は第２のディスク１１０、１２０のようなロータディスクを製作する非限定的な実施例としての方法を示している。この図には、陥凹スロット４１０、４２０、７１０、７２０の断面を示している。

陥凹スロットは、図示する方向に回転する研削ホイール１３１０によって形成することができる。１つの変形形態では、高速機械加工が行なわれる。つまり、ホイール１３１０をターニングさせないで、複数の陥凹スロットを研削する。別の利点は、研削ホイールのエッジを使用して研削を行なうことができることである。これにより、研削ホイールの連続的ドレッシングを可能にして、該ホイールの作動を停止させずにホイールのエッジ形状を正確に維持することができる。このことは次に、研削ホイールが連続的に作動するのでスロットを迅速に形成するのを可能にしかつスロットを均一な形状にするのを可能にする。このタイプの研削は、研削のような他のタイプの機械加工作業よりも安価である。

この方法はまた、機械加工誤差が発生した場合に利点を有する。例えば、ＣＵＲＶＩＣ（登録商標）設計では、隣接する部品間の不十分な接触の結果として機械加工誤差が生じた場合には、その部品を廃棄処分にしなければならないか、或いは材料を積層しかつ次に機械加工し直すかのいずれかである。そのような機械加工し直すことは、部品の望ましくない寸法変更のリスクを負うことになる。しかしながら、この上記方法において機械加工誤差が発生した場合には、損傷陥凹スロットは単純にオーバサイズ化しかつその位置に設置したより大きい寸法のダウエルと噛合わせることができる。

陥凹スロット又は隆起面のいずれが設けられているかに拘わらず、合わせ面は、図３に示すように半径方向の方向から角度オフセットしている。利点の限定的なリストには以下が含まれる。第１に、陥凹スロット及び／又は隆起面は形成するのが比較的簡単である。第２に、捩れ及び半径方向荷重の両方が隣接する部品間に摺動がない状態で支持される。非半径方向合わせ面では、半径方向負荷が内向き及び外向きの両方に伝達され、それにより、同心性の喪失の可能性が排除されるか又は少なくとも最小化される。第３に、隣接する部品は、中心線を喪失せずに分解及び再組立てすることができる。さらに、非半径方向に配向されたダウエル及び隆起スロットにより部品が心合せ状態に保たれるので、ラベットが全く必要でない。ラベットがない場合には、組立て時における部品の加熱又は冷却が必要ない。

図１〜図１３では、合わせ面の幅が、該合わせ面の長さにわたってほぼ一定である。また、隆起面及び陥凹スロットの断面形状は半円形であるものとしてまたダウエルは円形断面を有する円筒形であるものとして図示している。しかしながら、合わせ面の形状は、それに限定されるものではない。あらゆる合わせ面の断面は、曲面を備えた、端縁部を備えた及び／又は丸み端縁部を備えた形状とすることができる。図１４、図１５及び図１６は、六角形、三角形（菱形）、及び丸み付き矩形形状を示している。これらの図の各々では、整合隆起面、ダウエル及び陥凹スロットは上面から底面に見て示している。これらは単に実施可能な形状の幾つかに過ぎない。

上記の実施形態では、ディスク１１０、１２０のリング２４０、６４０は、所定の量だけ軸方向に突出している。このことは、図１３においてより明確に見ることができる。軸方向に突出したリングは、厳密な必要条件ではない。しかしながら、突出していることは、研削ホイールによって陥凹スロットがより容易に形成される点で有利である。さらに、軸方向突出部は、機械加工誤差が発生した時に陥凹スロットのオーバサイズ化を可能にする。その上さらに、１つのディスクが隣接するディスクよりも多く又は少なく半径方向に膨張した時に、軸方向突出部は、リガメントの曲がりによる減衰をもたらす。これにより、接合部におけるその関連する応力が減少する。

上記の実施形態では、単一のリングを説明している。しかしながら、図１７に示すように、複数リングを設けることができる。この図では、第１のリング２４０（水平ハッチング）に加えて第２のリング２５０（垂直ハッチング）を含む第１のディスク１１０の変形形態を示している。簡単にするために、リングのみをハッチングで強調しており、合わせ面は図示していない。実施形態では、複数の合わせ面はまた、第２のリング２５０上に円周方向に分散配置された少なくとも１つの第３の合わせ面と少なくとも１つの第４の合わせ面（図示せず）を含む。第３及び第４の合わせ面は、それぞれ半径方向線に対して第３及び第４の角度で角度オフセットしており、その場合に第４の角度は半径方向線からの方向が第３の角度と逆である。さらに、第３及び第４の合わせ面は、陥凹スロット又は隆起面の各１つである。１つの変形形態では、第３及び第４の角度の大きさは、互いにほぼ等しい。別の変形形態では、第３及び第４の角度の大きさは、第１及び第２の角度の大きさとほぼ等しい。これらの変形形態は、第２のディスク１２０にも適用可能であることを留意されたい。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる関連又は組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１００ロータ
１０５シャフト
１１０、１２０ディスク
１１５、１２５境界面
２１０、２２０、６１０、６２０合わせ面
２３０半径方向線
２４０、２５０、６４０リング
４１０、４２０、７１０、７２０陥凹スロット
５１０、５２０、８１０、８２０隆起面
９１０ダウエル
１３１０研削ホイール

Claims

少なくとも１つの第１の合わせ面（２１０）と少なくとも１つの第２の合わせ面（２２０）とを含む複数の合わせ面（２１０、２２０）が境界面（１１５）に分散配置されている回転機械用ディスク（１１０）であって、
各々の第１の合わせ面（２１０）が半径方向線（２３０）に対して第１の角度で角度オフセットしており、各々の第２の合わせ面（２２０）が前記半径方向線（２３０）に対して第２の角度で角度オフセットしており、第２の角度が前記半径方向線（２３０）からの方向が第１の角度と逆である、ディスク（１１０）。
各々の第１の合わせ面（２１０）が第１の陥凹スロット（４１０）又は第１の隆起面（５１０）の１つであり、各々の第２の合わせ面（２２０）が第２の陥凹スロット（４２０）又は第２の隆起面（５２０）の１つである、請求項１記載のディスク（１１０）。
第１の合わせ面（２１０）の数及び第２の合わせ面（２２０）の数が等しい、請求項１記載のディスク（１１０）。
第１及び第２の角度の大きさが等しい、請求項１記載のディスク（１１０）。
第１の合わせ面（２１０）と第２の合わせ面（２２０）とが交互になるように前記複数の合わせ面（２１０、２２０）が円周方向に分散配置される、請求項１記載のディスク（１１０）。
回転機械のロータ（１００）であって、当該ロータが、
第１の境界面（１１５）に分散配置された複数の複数の合わせ面（２１０、２２０）を備える第１のディスク（１１０）であって、該複数の複数の合わせ面（２１０、２２０）が、各々半径方向線（２３０）に対して第１の角度で角度オフセットした少なくとも１つの第１の合わせ面（２１０）と各々前記半径方向線（２３０）に対して該半径方向線（２３０）からの方向が第１の角度と逆の第２の角度で角度オフセットした少なくとも１つの第２の合わせ面（２２０）とを含んでいる第１のディスク（１１０）と、
第２の境界面（１２５）に分散配置された複数の整合合わせ面（６１０、６２０）を備える第２のディスク（１２０）であって、該複数の整合合わせ面（６１０、６２０）が、各々前記半径方向線（２３０）に対して第１の整合角度で角度オフセットした少なくとも１つの第１の整合合わせ面（６１０）と各々前記半径方向線（２３０）に対して第２の整合角度で角度オフセットした少なくとも１つの第２の整合合わせ面（６２０）とを含んでいる第２のディスク（１２０）と
を備えており、第１及び第２の整合角度が、第１及び第２のディスク（１１０、１２０）を組立てて互いに接合した時に、対応する合わせ面（２１０、２２０、６１０、６２０）が整列するようになっており、第１及び第２のディスク（１１０、１２０）が、それぞれの第１及び第２の境界面（１１５、１２５）で互いに接合するように構成されて、該第１及び第２のディスク（１１０、１２０）の一方が回転した時に捩り及び半径方向荷重の両方が該第１及び第２のディスク（１１０、１２０）の他方に伝達される、ロータ（１００）。
各々の第１の合わせ面（２１０）が第１の陥凹スロット（４１０）又は第１の隆起面（５１０）の１つであり、各々の第２の合わせ面（２２０）が第２の陥凹スロット（４２０）又は第２の隆起面（５２０）の１つであり、各々の第１の整合合わせ面（６１０）が第１の整合陥凹スロット（７１０）又は第１の整合隆起面（８１０）の１つであり、各々の第２の整合合わせ面（６２０）が第２の整合陥凹スロット（７２０）又は第２の整合隆起面（８２０）の１つである、請求項６記載のロータ（１００）。
少なくとも１つのダウエル（９１０）をさらに含み、該ダウエル（９１０）が、すべての第１の陥凹スロット（４１０）と対応する第１の整合陥凹スロット（７１０）との間及びすべての第２の陥凹スロット（４２０）と対応する第２の整合陥凹スロット（７２０）と間に形成された空間内に挿入される、請求項７記載のロータ（１００）。
第１の合わせ面（２１０）の数、第２の合わせ面（２２０）の数、第１の整合合わせ面（６１０）の数及び第２の整合合わせ面（６２０）の数が等しい、請求項６記載のロータ（１００）。
第１及び第２の角度並びに第１及び第２の整合角度の大きさがほぼ等しい、請求項６記載のロータ（１００）。