JP2013139809A

JP2013139809A - タービンの回転セグメントを軸方向に保持するためのシステム

Info

Publication number: JP2013139809A
Application number: JP2012283883A
Authority: JP
Inventors: Harish Bommanakatte; ハリッシュ・ボンマナカッテ; Sheo Narain Giri; シェオ・ナレイン・ギリ; David Randolph Spracher; デイヴィッド・ランドルフ・スプレイチャー; Zachary James Taylor; ザッカリー・ジェームズ・テイラー; Ryan Zane Ziegler; ライアン・ゼイン・ジーグラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103195515A; RU2012158317A; EP2613000A2; JP6063738B2; US20130177429A1; CN103195515B; US9051845B2; RU2607982C2; EP2613000B1; EP2613000A3

Abstract

【課題】ターボ機械内の回転セグメントの軸方向保持システムを提供すること。
【解決手段】ターボ機械システムは、回転軸を含むロータと、第１の装着位置においてロータの第１の軸方向マウントに連結される第１の嵌合軸方向マウントを有する第１の回転セグメントと、ロータ内の第１のスロットと第１の回転セグメント内の第１の嵌合スロットとの両方の中の第１の挿入位置に挿入するように構成された第１のピンとを含むターボ機械を含む。第１の挿入位置における第１のピンが、第１の軸方向マウントに対して第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される。また、ターボ機械は、第２の装着位置においてロータの第２の軸方向マウントに連結される第２の嵌合軸方向マウントを有する第２の回転セグメントを含む。第２の装着位置における第２の回転セグメントは、第１のピンが除去されるのを阻止するように構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題はターボ機械に関し、より詳細にはターボ機械の回転セグメントを軸方向に保持することに関する。

圧縮器およびタービンなど、種々のターボ機械は、回転ブレードを含む。例えば、ガスタービンまたは蒸気タービンなどのタービンは、ロータに連結された複数の回転ブレードを含むことができる。同様に、圧縮器は、ロータに連結された複数のロータを含むことができる。ガスタービンエンジンは、典型的には、圧縮器部、燃焼器部およびタービン部を含む。各種のターボ機械では、保持システムが、回転ブレードのロータへの連結状態を維持することを確実にするために使用されてよい。しかし、これらの保持システムは複雑であり、回転ブレードをロータに組み付けかつ／またはロータから分解するのを複雑にする可能性がある。

米国特許出願公開第２０１０／０１７８１６０号公報

ターボ機械の回転セグメントを軸方向に保持する。

本来特許請求される本発明の範囲に相応するいくつかの実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することだけを意図するものである。実際に、本発明は、以下に説明する実施形態と同じかまたは異なる種々の形態を包含することができる。

第１の実施形態によれば、ターボ機械システムは、ターボ機械を含む。ターボ機械は、回転軸を含むロータと、第１の装着位置においてロータの第１の軸方向マウントに連結される第１の嵌合軸方向マウントを有する第１の回転セグメントとを含む。また、ターボ機械は、ロータ内の第１のスロットと第１の回転セグメント内の第１の嵌合スロットとの両方の中の第１の挿入位置に挿入するように構成された第１のピンを含み、第１のスロットおよび第１の嵌合スロットが、回転軸に対して第１の円周方向に延び、第１の挿入位置における第１のピンが、第１の軸方向マウントに対して、第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される。ターボ機械は、第２の装着位置においてロータの第２の軸方向マウントに連結される第２の嵌合軸方向マウントを有する第２の回転セグメントをさらに含み、第２の装着位置における第２の回転セグメントが、第１のピンが除去される（removal）のを阻止するように構成される。

第２の実施形態によれば、ターボ機械システムは、ターボ機械ロータを含む。ターボ機械ロータは、ターボ機械ロータの回転軸周りに円周方向に離隔される複数の軸方向マウントを含み、複数の軸方向マウントが、互いに円周方向にオフセットして配置される第１の軸方向マウントと第２の軸方向マウントとを含み、第１の軸方向マウントが、第１の装着位置において第１の回転セグメントの第１の嵌合軸方向マウントに連結するように構成され、第２の軸方向マウントが、第２の装着位置において第２の回転セグメントの第２の嵌合軸方向マウントに連結するように構成される。また、ターボ機械ロータは、ターボ機械ロータの回転軸周りに円周方向に離隔される複数のピンスロットを含み、複数のピンスロットが、第１の軸方向マウントに隣接するロータ内に第１のピンスロットを含み、第１のピンスロットが回転軸に対して第１の円周方向に延び、第１の軸方向マウントに対して、第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するために、第１のピンスロットが、第１の挿入位置において第１のピンを支持するように構成され、第２の装着位置における第２の回転セグメントが、第１のピンが除去されるのを阻止するように構成される。

第３の実施形態によれば、組み立て方法は、第１の回転セグメントの第１の嵌合軸方向マウントを、ロータの第１の軸方向マウントに軸方向に挿入するステップを含む。また、方法は、第１のピンを、ロータの第１のスロットと第１の回転セグメントの第１の嵌合スロットとの中の第１の挿入位置に、ロータの回転軸に対して第１の円周方向に挿入するステップを含み、第１のピンが、第１の軸方向マウントに対して第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される。方法は、第１のピンが除去されるのを阻止するために、第２の回転セグメントの第２の嵌合軸方向マウントを、ロータの第２の軸方向マウントに軸方向に挿入するステップをさらに含む。

本発明の上記および他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面を参照して読めば、より深く理解されよう。図面を通して、同じ文字は同じ部品を表す。

回転セグメントに対する軸方向保持システム（axial retention system）を有するターボ機械システム（例えば、ガスタービンエンジン）の一実施形態の概略図である。図１のターボ機械（例えば、ガスタービンエンジン）の一実施形態の、縦軸に沿って取られた断面側面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システムを示す、図２のガスタービンエンジンの一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。複数の回転セグメント（例えば、ブレード／バケット）に対する軸方向保持システムを示す、図２のガスタービンエンジンの一実施形態の、線４−４に沿って取られた部分断面図である。複数の回転セグメント（例えば、タービン流路シール（flow path seal））に対する軸方向保持システムを示す、図２のガスタービンエンジンの一実施形態の、線４−４に沿って取られた部分断面図である。第１の回転セグメントをロータに挿入することを示す、ロータおよび回転セグメントの一実施形態の部分斜視図である。ピンをロータのスロットに挿入することを示す、ロータおよび第１の回転セグメントの一実施形態の部分斜視図である。ピンを、ロータのスロットと第１の回転セグメント内の嵌合スロットとの中に挿入することを示す、ロータおよび第１の回転セグメントの一実施形態の部分斜視図である。ピンを、ロータのスロットと第１の回転セグメント内の嵌合スロットとの中に固定するための、ロータならびに第１の回転セグメントおよび第２の回転セグメントの一実施形態の部分斜視図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、円形）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、楕円）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、Ｔ字形）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、Ｕ字形）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、五角形）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、複数ピン）を示す、図２のターボ機械の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。回転セグメントに対する軸方向保持システム（例えば、傾斜スロット）を示す、ロータの一実施形態の部分断面上面図である。軸方向保持システム（例えば、Ｌ字形ピン）を示す、ロータおよび回転セグメントの一実施形態の部分斜視図である。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的により、実際の実施のすべての特徴が、本明細書に説明されるものではない。任意のエンジニアリングまたは設計のプロジェクトにおけるように、そのような実際の実施のための開発においては、実施毎に変化する、システム関連およびビジネス関連の制約の順守など、開発者に特定の目標を達成するために、実施に特有の数多くの決定がなされなければならないことを理解されたい。そのうえ、そのような開発努力は、複雑で時間がかかるものであるにもかかわらず、本開示の便益を受ける当業者にとっては、設計、製作および製造のルーチン作業であることを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つの（a）」、「１つの（an）」「その（that）」および「前記（said）」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図される。用語「備える（comprising）」「含む（including）」および「有する（having）」は、包括的であり、列挙された要素以外に付加的な要素が存在してよいことを意味することが意図される。

本開示は、回転セグメント（例えば、ブレード／バケットまたは流路シール）が、ターボ機械の構成要素（例えば、圧縮器および／またはタービン）内のロータに連結されることを維持するための軸方向保持システムを含むターボ機械（例えば、ガスタービンエンジン）を対象にする。いくつかの実施形態では、ターボ機械は、回転軸を有するロータと、第１の装着位置においてロータの第１の軸方向マウントに連結される第１の嵌合軸方向マウントを有する第１の回転セグメントと、ロータ内の第１のスロット（例えば、陥凹軸方向スロット）と第１の回転セグメント内の第１の嵌合スロット（例えば、隆起軸方向ジョイント）との両方の中の第１の挿入位置に挿入するように構成された第１のピンとを含む。第１のスロットおよび第１の嵌合スロットが、回転軸に対して第１の円周方向に延び、第１の挿入位置における第１のピンが、第１の軸方向マウントに対して第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される。また、ターボ機械は、第２の装着位置においてロータの第２の軸方向マウントに連結される第２の嵌合軸方向マウントを有する第２の回転セグメントを含み、第２の装着位置における第２の回転セグメントが、第１のピンが除去されるのを阻止するように構成される。いくつかの実施形態では、第１のピンが、第１のスロットおよび第１の嵌合スロットの中に、第１の半径方向に、続いて回転軸に対して第１の円周方向に挿入するように構成される。例えば、第１の嵌合軸方向マウントが、第１の装着位置において第１の軸方向マウントに連結される場合に、第１のスロットが、第１の回転セグメントに隣接するロータ内に配置された、半径方向にアクセス可能な部分（portion）を有することができる。第２の嵌合軸方向マウントが、第２の装着位置において第２の軸方向マウントに連結される場合に、第２の回転セグメントが、第１のスロットの半径方向にアクセス可能な部分を覆うことができる。若干の実施形態では、ロータ内の第１のスロットが、第１の軸方向マウントと第２の軸方向マウントとの間の円周方向オフセットの一部分だけ延びる。遠心力負荷によって回転セグメントがロータから離脱するのを阻止するために、軸方向保持システムが、回転セグメントをロータ内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システムは、回転セグメントをロータに組み付けかつ／またはロータから分解するための簡素なシステムを提供することができる。

図１は、回転セグメント（例えば、ブレード／バケットまたはタービン流路シール）をロータ（例えば、ターボ機械ロータまたはタービンロータ）に軸方向に固定するように設計された軸方向保持システムを有するガスタービンエンジン１２を含むターボ機械システム１０の概略図である。いくつかの実施形態では、システム１０は、航空機、船舶、機関車、発電システム、またはそれらの組合せを含んでよい。加えて、以下に説明する軸方向保持システムは、ガスタービンエンジンを背景として説明することができるが、軸方向保持システムは、蒸気タービン、水力タービン、または単独型圧縮器など、他のターボ機械システムにおいて使用されてよい。図示のガスタービンエンジン１２は、吸気部１６、圧縮器１８、燃焼器部２０、タービン２２、および排気部２４を含む。タービン２２は、シャフト２６を介して圧縮器１８に連結される。軸方向保持システムは、圧縮器１８および／またはタービン２２の中で、回転セグメントをロータに固定するために使用されてよい。以下により詳細に説明するように、遠心力負荷によって回転セグメントがロータから離脱するのを阻止するために、軸方向保持システムが、回転セグメントをロータ内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システムは、回転セグメントをロータに組み付けかつ／またはロータから分解するための簡素なシステムを提供することができる。

矢で示すように、空気が、吸気部１６を通ってガスタービンエンジン１２に入り、燃焼器部２０内に入る前の空気を圧縮する圧縮器１８の中を流れる。図示の燃焼器部２０は、圧縮器１８とタービン２２との間に、シャフト２６周りに同心円状すなわち環状に配置された燃焼器筐体２８を含む。圧縮器１８からの圧縮空気は燃焼器３０に入り、燃焼器３０内で、圧縮空気は燃料と混合して燃焼し、タービン２２を駆動することができる。

燃焼器部２０から、高温の燃焼ガスがタービン２２を通って流れ、シャフト２６を介して圧縮器１８を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン２２内の回転セグメント（例えば、タービンロータブレード）に原動力を加えて、シャフト２６を回転させることができる。タービン２２を通って流れた後で、高温の燃焼ガスは、排気部２４を通ってガスタービンエンジン１２を出ることができる。

図２は、図１のガスタービンエンジン１２の一実施形態の、縦軸３２に沿って取られた断面側面図である。図示のように、ガスタービン２２は、３つの別々の段（stage）３４を含む。各段３４は、シャフト２６（図１）に回転可能に取り付けられてよいロータホイール３８に連結された一組のブレードまたはバケット３６を含む。ブレード３６は、ロータホイール３８から半径方向外向きに延び、高温の燃焼ガスの経路内に部分的に配置される。いくつかの実施形態では、一組の流路シール（例えば、タービン流路シール、図５参照）が、ロータホイール３８に連結されてよい。軸方向保持システムは、ブレード３６および／または流路シールをロータホイール３８に軸方向に固定する。ガスタービン２２は、３段タービンとして図示されるが、本明細書で説明する軸方向保持システムは、任意の数の段およびシャフトを有する任意の適切な種類のタービンの中で使用されてよい。例えば、軸方向保持システムは、単段ガスタービン、低圧タービンおよび高圧タービンを含む２段タービン（dual turbine）システム、または蒸気タービンの中に含まれてよい。さらに、本明細書で説明する軸方向保持システムはまた、図１および図２に示す圧縮器１８など、回転圧縮器の中で使用されてよい。

図１に関して上で説明したように、空気は、吸気部１６を通って入り、圧縮器１８で圧縮される。次いで、圧縮器１８からの圧縮空気は燃焼器部２０の中に案内され、そこで、圧縮空気は燃料と混合される。圧縮空気と燃料との混合物は、一般に、燃焼器部２０内で燃焼され、タービン２２内でトルクを発生するために使用される高温高圧の燃焼ガスを発生する。具体的には、燃焼ガスは、ブレード３６に原動力を加え、ホイール３８（すなわち、ロータ）を回転軸３２周りに回転させる。いくつかの実施形態では、遠心力負荷によって回転セグメントがロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システムが、回転セグメントをロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システムは、回転セグメントをロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。

図３は、回転セグメント４８に対する軸方向保持システム４６を示す、図２のガスタービンエンジン１２の一実施形態の、線３−３内に取られた部分断面図である。図示のように、回転セグメント４８は、ロータ３８（例えば、ホイール）に連結される。回転セグメント４８は、装着位置（図４および図５参照）においてロータ３８の軸方向マウント７８に連結された嵌合軸方向マウント８０を含む。ロータ３８は、回転軸３２を含む。例示を目的として、回転セグメント４８およびロータ３８の一部分だけを図示する。回転セグメント４８は、バケットもしくはブレード３６（図４参照）またはタービン流路シール（図５参照）を含んでよい。

軸方向保持システム４６は、ロータ３８内のスロット５２（例えば、ピンスロット）と回転セグメント４８内の嵌合スロット５４（例えば、ピン嵌合スロット）との両方の中の挿入位置５１に挿入されるピン５０（例えば、せん断ピン）を含む。スロット５２および嵌合スロット５４は、それぞれ、軸方向マウント７８に対して嵌合軸方向マウント８０が軸方向に移動するのを阻止するために、ピン５０を挿入位置５１の中で支持するように構成される。いくつかの実施形態では、ピン５０の形状（例えば、断面）は変化してよい。例えば、ピン５０は、正方形（図３に示すように）、矩形、楕円形、円形、三角形、Ｔ字形、Ｕ字形、または任意の他の形状を含んでよい。また、スロット５２および嵌合スロット５４の形状（例えば、断面）は、ピン５０の形状を収納するように変化してよい。若干の実施形態では、ピン５０ならびに個別のスロット５２および嵌合スロット５４の数は、回転セグメント４８とロータ３８との間で単一の界面５５に沿って変化してよい。ピン５０ならびに個別のスロット５２および嵌合スロット５４の数は、界面５５に沿って１から１０まで、１から５まで、１から３まで、または１から２まで、それぞれ変動してよい。例えば、ピン５０ならびに個別のスロット５２および嵌合スロット５４のそれぞれに対する数は、界面５５に沿って１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または任意の他の数であってよい。加えて、スロット５２および嵌合スロット５４の配置は、界面５５に沿って変化してよい。例えば、スロット５２および個別の嵌合スロット５４は、図示のように界面５５の中央部分５６に沿って配置されてよく、または中央部分５６から界面の外側部分５８に向かって、軸方向６０および６２にオフセットして配置されてよい。

スロット５２および嵌合スロット５４は、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。いくつかの実施形態では、スロット５２および嵌合スロット５４は、円周方向６４に対して、ある角度で延びてよい。以下により詳細に説明するように、嵌合軸方向マウント８０が、装着位置において軸方向マウント７８に連結される場合に、スロット５２が、回転セグメント４８に隣接するロータ３８内に配置された半径方向にアクセス可能な部分を含む。ピン５０は、第１のスロット５２および第１の嵌合スロット５４の中に、半径方向６６に、続いて回転軸３２に対して円周方向６４に挿入するように構成される。挿入位置５１におけるピン５０は、ロータ３８の軸方向マウントに対して回転セグメント４８の嵌合軸方向マウントが、方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止するように構成される。以下により詳細に説明するように、ピン５０に隣接するロータ３８内に別の回転セグメントを装着することで、ピン５０が除去されることが阻止される。いくつかの実施形態では、遠心力負荷によって回転セグメント４８がロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システム４６が、回転セグメント４８をロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システム４６は、回転セグメント４８をロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。

図４は、複数の回転セグメント（例えば、ブレード／バケット３６）に対する軸方向保持システム４６を示す、図２のガスタービンエンジン１２の一実施形態の、線４−４に沿って取られた部分断面図である。上述のように、軸方向保持システム４６は、圧縮器１８および／またはタービン２２の中で、ロータ３８に取り付けられたブレード３６のために使用されてよい。各ロータ３８（例えば、円形ロータ）は、ロータ３８から半径方向７６外向きに延びるブレード３６を含む。ブレード３６の複数の嵌合軸方向マウント８０（例えば、隆起軸方向ジョイントまたは嵌合蟻継ぎジョイント（（dovetail joint）））を保持するために、ロータ３８は、複数の軸方向マウント７８（例えば、陥凹軸方向スロットまたは蟻継ぎスロット（dovetail slot））を含む。いくつかの実施形態では、約５０〜１５０のブレード３６が、ロータ３８および対応する回転軸３２の周りに円周方向６４に、搭載され、離隔またはオフセットされてよい。

図示のように、ブレード８２、８４および８６は、装着位置１００、１０２および１０４において、ロータ３８の軸方向マウント９４、９６および９８それぞれに連結された軸方向の嵌合軸方向マウント８８、９０および９２それぞれを有する。軸方向保持システム４６は、ロータ３８（例えば、ターボ機械ロータ）の回転軸３２周りに円周方向６４に離隔された複数のスロット５２（例えば、ピンスロット）を含む。ピン５０は、ロータ３８内のスロット５２とブレード８２、８４および８６内の嵌合スロット５４（例えば、ピン嵌合スロット）との両方の中の挿入位置５１にそれぞれ挿入される。上述のように、スロット５２およびそれらの個別の嵌合スロット５４のそれぞれは、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。挿入位置５１における各ピン５０は、軸方向マウント９４、９６および９８に対して嵌合軸方向マウント８８、９０および９２が方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止するように構成される。それらの個別の装着位置１０２および１０４におけるブレード８４および８６は、ブレード８２および８４それぞれに関するスロット５２および嵌合スロット５４からピン５０が除去されるのを阻止する。

スロット５２および嵌合スロット５４は、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。いくつかの実施形態では、スロット５２および嵌合スロット５４は、円周方向６４に対して、ある角度（例えば、約０〜６０度）で延びてよい。各スロット５２は、隣接する軸方向マウント７８の間の円周方向オフセット１０８の一部分１０６だけ延びる。いくつかの実施形態では、各スロット５２は、隣接マウント間の円周方向オフセット１０８の全体部分１０６に延びる（図１７参照）。加えて、個別の嵌合軸方向マウント８８、９０および９２が、装着位置１００、１０２および１０４において、個別の軸方向マウント９４、９６および９８に連結される場合に、各スロット５２が、各ブレード８２、８４および８６に隣接するロータ３８内に配置された半径方向にアクセス可能な部分１１０を含む。隣接するブレード８４および８６が装着位置１０２および１０４に配置されないとき、半径方向にアクセス可能な部分１１０（例えば、ブレード８２に関連する部分）が、ピン５０を挿入するためにアクセス可能になる。各ピン５０は、スロット５２および嵌合スロット５４それぞれの中に、半径方向６６に挿入し、次いで、回転軸３２に対して円周方向６４に挿入するように構成される。個別の嵌合軸方向マウント９０および９２が、装着位置１０２および１０４において個別の軸方向マウント９６および９８に連結される場合に、ブレード８４および８６が、スロット５２の半径方向にアクセス可能な部分１１０を覆う。遠心力負荷によってブレード３６がロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システム４６が、ブレード３６をロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システム４６は、ブレード３６をロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。

図５は、タービン流路シール１２０のための軸方向保持システム４６を有する複数のタービン流路シール１２０に連結されたロータ３８の一実施形態の部分断面図である。軸方向保持システム４６は、ロータ３８がタービン流路シール１２０に連結されることを除いては、図４で説明される通りである。いくつかの実施形態では、約５０〜１５０のタービン流路シール１２０が、ロータ３８および対応する回転軸３２の周りに円周方向６４に搭載され、離隔またはオフセットされてよい。遠心力負荷によってシール１２０がロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システム４６が、タービン流路シール１２０をロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システム４６は、シール１２０をロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。

図６〜図９は、軸方向保持システム４６の組み立てを示す、ロータおよび１つまたは複数の回転セグメント４８の一実施形態の部分斜視図である。ロータ３８および回転セグメント４８は、上で説明した通りである。図６に示すように、第１の回転セグメント１３２（例えば、ブレード、バケットまたはタービン流路シール）の第１の嵌合軸方向マウント１３０（例えば、隆起軸方向ジョイントまたは嵌合蟻継ぎジョイント）は、第１の装着位置１３６においてロータ３８の第１の軸方向マウント１３４（例えば、陥凹軸方向スロットまたは蟻継ぎスロット）の中に、軸方向６２に挿入される。図示のように、ロータ３８はスロット５２（例えば、ピンスロット）を含み、第１の回転セグメント１３２は嵌合スロット５４を含む。いくつかの実施形態では、回転セグメント４８は、概して軸方向６２であるが、ロータ３８の回転軸３２に対してある角度でまたは歪曲されて挿入されてよい。図示のように、第１の嵌合軸方向マウント１３０が、第１の装着位置１３６において第１の軸方向マウント１３４に連結される場合に、スロット５２が、第１の回転セグメント１３２に隣接するロータ３８内に配置された半径方向にアクセス可能な部分１１０を含む。スロット５２および嵌合スロット５４は、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。第１の軸方向マウント１３４に対して、第１の嵌合軸方向マウント１３０が軸方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止するために、スロット５２および嵌合スロット５４がそれぞれ、挿入位置５１においてピン５０を支持するように構成される。

図７に示すように、次いで、ピン５０が、スロット５２の半径方向にアクセス可能な部分１１０の中に、回転軸３２に対して半径方向６６に挿入される。図８に示すように、半径方向６６に挿入することに続いて、ピン５０は、スロット５２および嵌合スロット５４の中に、回転軸３２に対して円周方向６４に挿入される。ピン５０は、全体としてスロット５２および嵌合スロット５４の中に挿入され、それによりピン５０のどの部分も、半径方向にアクセス可能な部分１１０の中に延びない。装着位置５１におけるピン５０は、第１の軸方向マウント１３４に対して第１の嵌合軸方向マウント１３０が軸方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止する。

図９に示すように、ピン５０をスロット５２および嵌合スロット５４の中に挿入することに続いて、第２の回転セグメント１４８（例えば、ブレード、バケットまたはタービン流路シール）の第２の嵌合軸方向マウント１４６（例えば、隆起軸方向ジョイントまたは嵌合蟻継ぎジョイント）が、第２の装着位置１５２においてロータ３８の第２の軸方向マウント１５０（例えば、陥凹軸方向スロットまたは蟻継ぎスロット）の中に、軸方向６２に挿入される。図示のように、第２の装着位置１５２における第２の回転セグメント１４８が、ピン５０が除去されるのを阻止する。加えて、第２の回転セグメント１４８は、第２の装着位置１５２に配置されている場合に、半径方向にアクセス可能な部分１１０を覆う。軸方向保持システム４６の分解は、軸方向保持システム４６の組み立ての順番の逆に発生する。図示のように、ロータ３８がスロット５２（例えば、ピンスロット）を含み、第１の回転セグメント１３２が嵌合スロット５４を含む。図示のように、第１の嵌合軸方向マウント１３０が、第１の装着位置１３６において第１の軸方向マウント１３４に連結される場合に、スロット５２が、第１の回転セグメント１３２に隣接するロータ３８内に配置された半径方向にアクセス可能な部分１１０を含む。スロット５２および嵌合スロット５４は、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。第１の軸方向マウント１３４に対して第１の嵌合軸方向マウント１３０が軸方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止するために、スロットおよび嵌合スロット５４はそれぞれ、ピン５０を挿入位置５１の中で支持するように構成される。

図１０〜図１７は、軸方向保持システム４６のピン５０、ロータ３８のスロット５２、および回転セグメント４８（例えば、ブレード、タービンまたはタービン流路シール）の嵌合スロット５４の構成および形状の種々の実施形態を示す。とりわけ、図１０〜図１６は、図２のタービンエンジン１２の一実施形態の、線３−３内に取られた、軸方向保持システム４６のピン５０、スロット５２および嵌合スロット５４の部分断面図である。上述のように、軸方向保持システム４６は、ロータ３８の軸方向マウントに対して回転セグメント４８の嵌合軸方向マウントが方向６０および６２に軸方向に移動するのを阻止するように構成される。とりわけ、遠心力負荷によって回転セグメント４８がロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システム４６が、回転セグメント４８をロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システム４６は、回転セグメント４８をロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。以下の実施形態は、限定することを意図するものではなく、ピン５０、スロット５２および嵌合スロット５４の種々の構成および形状のいくつかの例を提供することを意図している。

図１０〜図１４に示す軸方向保持システム４６は、単一のピン５０ならびに対応するスロット５２および嵌合スロット５４を含んでよい。図１０および図１１に示すように、ピン５０は、楕円の断面を含む。例えば、ピン５０は、図１０に円形の断面を、図１１に楕円形の断面を含む。対応するスロット５２および嵌合スロット５４は、楕円形の陥凹１６２を形成する。

あるいは、ピン５０は、図１２に示すようにＴ字形を含んでよい。ピン５０は、第１の部分１６４と第２の部分１６６とを含む。第１の部分１６４は、ロータ３８と回転セグメント４８との間で界面５５に沿って軸方向６０および６２に走る。第２の部分１６６は、半径方向６６に延びる。図示のように、ピン５０の第１の部分１６４が嵌合スロット５４（例えば、直線的陥凹１６８）と連携し、第２の部分１６６が嵌合スロット５２（例えば、直線的陥凹１７０）と連携する。いくつかの実施形態では、ピン５０の向きが逆になって逆Ｔ字形を形成してもよく、そこでは、第１の部分１６４がスロット５２と連携し、第２の部分１６６が嵌合スロット５４と連携する。

図１３に示すように、ピン５０はＵ字形を含む。ピン５０は、ベース部分（base portion）１７２ならびに延長部分（extension portion）１７４および１７６を含む。ベース部分１７２は、ロータ３８と回転セグメント４８との間で界面５５に沿って軸方向６０および６２に走る。延長部分１７４および１７６は、半径方向７６に延びる。図示のように、ピン５０のベース部分がスロット５２（例えば、直線的陥凹１７８）と連携し、延長部分１７４および１７６が嵌合スロット５４（例えば、直線的陥凹１８０および１８２）と連携する。いくつかの実施形態では、ピン５０の向きが逆になって逆Ｕ字形を形成してもよく、そこでは、ベース部分１７２が嵌合スロット５４と連携し、延長部分１７４および１７６がスロット５２と連携する。

図１４に示すように、ピン５０は五角形断面を含む。ピン５０は、ベース部分１８４および三角部分（triangular portion）１８６を含む。ベース部分１８４は、ロータ３８と回転セグメント４８との間で界面５５に沿って軸方向６０および６２に走る。三角部分１８６は、半径方向７６に先細りになるかまたは狭くなる。図示のように、ベース部分１８４がスロット５２（例えば、直線的陥凹１８８）と連携し、三角部分１８６が嵌合スロット５４（例えば、三角形陥凹１９０）と連携する。いくつかの実施形態では、ピン５０の向きが逆になってもよく、そこでは、三角部分１８６がスロット５２と連携して半径方向６６に先細りになるかまたは狭くなり、ベース部分１８４が嵌合スロット５４と連携する。

図１５に示すように、軸方向保持システム４６は、回転セグメント４８とロータ３８との間の単一の界面５５に沿って、複数のピン５０（例えば、ピン１９１および１９２）ならびに対応するスロット５２（例えば、スロット１９４および１９６）および嵌合スロット５４（例えば、嵌合スロット１９８および２００）を含む。各ピン１９０および１９２は、直線的断面（例えば、正方形）を含む。スロット１９４と嵌合スロット１９８、およびスロット１９６と嵌合スロット２００が、直線的嵌合２０２および２０４を形成する。上述のように、ピン５０ならびに個別のスロット５２および嵌合スロット５４の数は、界面５５に沿って、１から１０まで、１から５まで、１から３まで、または１から２まで、それぞれ変動してよい。例えば、ピン５０ならびに個別のスロット５２および嵌合スロット５４の数は、それぞれ、界面５５に沿って１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または任意の他の数であってよい。加えて、スロット５２および嵌合スロット５４の配置は、界面５５に沿って変化してよい。図示のように、スロット５２および個別の嵌合スロット５４は、界面の５５の中央部分５６から外側部分５８に向かって、軸方向６０および６２にオフセットして配置されてよい。いくつかの実施形態では、スロット５２および個別の嵌合スロット５４は、界面５５の中央部分５６に沿って配置されてよい（図１０〜図１４参照）。

図１６は、回転セグメント４８に対する軸方向保持システム４６（例えば、傾斜スロット）を示す、ロータ３８の一実施形態の部分断面上面図である。ロータ３８は、上で説明したようなスロット５２を含む。スロット５２は、部分２１４および半径方向にアクセス可能な部分１１０を含む。部分２１４および半径方向にアクセス可能な部分１１０は、隣接する回転セグメント４８の間の界面２１５の両側に配置される。第１の回転セグメント４８が装着位置に挿入されると、部分２１４が覆われる。上述のように、ピン５０は、最初に、スロット５２の半径方向にアクセス可能な部分１１０の中に、半径方向６６に挿入され、次いで、挿入位置５１におけるスロット５２の部分２１４の中に、円周方向６４に挿入されてよい。図１６に示すように、スロット５２（ならびに嵌合スロット５４）は、回転軸３２に対して円周方向６４に延びる。とりわけ、スロット５２および嵌合スロット５４は、円周方向６４に対して、ある角度２１６で延びてよい。角度２１６は、約０から６０度まで、０から４５度まで、０から３０度まで、０から１５度まで、１５から３０度まで、３０から４５度まで、およびそれらの中の任意の小領域（subrange）で変動してよい。例えば、角度２１６は、約０、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５もしくは６０度、または任意の他の角度であってよい。

図１７は、ロータ３８に対して回転セグメント４８が軸方向に移動するのを防止するために挿入位置にピン５０を有する、軸方向保持システム４６（例えば、Ｌ字形ピン）を示す、ロータ３８および回転セグメント４８の一実施形態の部分斜視図である。全体的に、図１７の軸方向保持システム４６は、上の実施形態で説明したように機能する。ピン５０は、上側部分（upper portion）２２６および下側部分（lower portion）２２８を含むＬ字形を含む。上側部分２２６は、ピン５０の上側部分２２６の端部２３２（例えば、テーパエンド）に向かって半径方向７６に全体的に先細りになるかまたは狭くなる傾斜側面（angled side）２３０を含む。図示のように、ピン５０の上側部分２２６は、嵌合スロット５４と連携する。嵌合スロット５４は、ピン５０が嵌合スロット５４に逆さに挿入されるのを防止する（すなわち、下側部分２２８が嵌合スロット５４に挿入されるのを防止する）テーパ部分２３６を含む陥凹２３４を含む。また、図示のように、ピン５０の下側部分２２８は、スロット５２と連携する。とりわけ、ピン５０の下側部分２２８は、挿入位置にある場合に、スロット５２の半径方向にアクセス可能な部分１１０の中に延びる。図示のように、いくつかの実施形態では、スロット５２は、隣接する軸方向マウント７８の間の円周方向オフセット１０８の全体部分１０６に延びる（図４参照）。ピン５０の下側部分２２８は、例えば、ロータ３８から回転セグメント４８を分解する間に、工具がピン５０を挿入位置から除去するのを可能にする穴２３８を含む。

開示された実施形態の技術的効果は、回転セグメント４８（例えば、ブレード、バケットまたは流路シール）が、ターボ機械１０（例えば、ガスタービンエンジン１２）の構成要素（例えば、圧縮器１８および／またはタービン２２）内のロータ３８に連結されることを維持するために、軸方向保持システム４６を含む。具体的には、軸方向保持システム４６は、ロータ３８内のスロット５２（例えば、陥凹軸方向スロット）と回転セグメント４８内の嵌合スロット５４（例えば、隆起軸方向ジョイントで形成される）との両方の中の第１の挿入位置に挿入するように構成されるピン５０を含む。スロット５２および嵌合スロット５４は、ロータ３８の回転軸３２に対して円周方向６４に延び、挿入位置５１にあるピン５０は、ロータ３８に対して回転セグメント４８が軸方向に移動するのを阻止するように構成される。ピン５０に隣接する別の回転セグメント４８を挿入することで、ピン５０が除去されることが阻止される。遠心力負荷によって回転セグメント４８がロータ３８から離脱するのを阻止するために、軸方向保持システム４６が、回転セグメント４８をロータ３８内に軸方向にロックすることができる。加えて、軸方向保持システム４６は、回転セグメント４８をロータ３８に組み付けかつ／またはロータ３８から分解するための簡素なシステムを提供することができる。

本明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するため、ならびに同様に、当業者が、任意の機器もしくは装置を作製して使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含め、本発明を実行することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉に相違しない構造要素を有する場合、またはそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉とわずかに相違する、等価構造要素を含む場合に、本特許請求の範囲の中に存在することが意図されている。

１０ターボ機械システム
１２ガスタービンエンジン
１６吸気部
１８圧縮器
２０燃焼器部
２２タービン
２４排気部
２６シャフト
２８燃焼器筐体
３０燃焼器
３２縦軸
３４段
３６ブレード
３８ロータホイール
４６軸方向保持システム
４８回転セグメント
５０ピン
５１挿入位置
５２スロット
５４嵌合スロット
５５界面
５６中央部分
５８外側部分
６０軸方向
６２軸方向
６４円周方向
６６半径方向
７６半径方向に
７８複数の軸方向マウント
８０複数の嵌合軸方向マウント
８２ブレード
８４ブレード
８６ブレード
８８嵌合軸方向マウント
９０嵌合軸方向マウント
９２嵌合軸方向マウント
９４軸方向マウント
９６軸方向マウント
９８軸方向マウント
１００装着位置
１０２装着位置
１０４装着位置
１０６部分
１０８円周方向オフセット
１１０半径方向にアクセス可能な部分
１２０タービン流路シール
１３０第１の嵌合軸方向マウント
１３２第１の回転セグメント
１３４第１の軸方向マウント
１３６第１の装着位置
１４６第２の嵌合軸方向マウント
１４８第２の回転セグメント
１５０第２の軸方向マウント
１５２第２の装着位置
１６２楕円形の陥凹
１６４第１の部分
１６６第２の部分
１６８直線的陥凹
１７０直線的陥凹
１７２ベース部分
１７４延長部分
１７６延長部分
１７８直線的陥凹
１８０直線的陥凹
１８２直線的陥凹
１８４ベース部分
１８６三角部分
１８８直線的陥凹
１９０三角形陥凹
１９１ピン
１９２ピン
１９４スロット
１９６スロット
１９８嵌合スロット
２００嵌合スロット
２０２直線的陥凹
２０４直線的陥凹
２１４部分
２１６角度
２２６上側部分
２２８下側部分
２３０傾斜側面
２３２端部
２３４陥凹
２３６テーパ部分
２３８穴

Claims

回転軸を含むロータと、
第１の装着位置において前記ロータの第１の軸方向マウントに連結される第１の嵌合軸方向マウントを有する第１の回転セグメントと、
前記ロータ内の第１のスロットと前記第１の回転セグメント内の第１の嵌合スロットとの両方の中の第１の挿入位置に挿入するように構成された第１のピンであって、前記第１のスロットおよび前記第１の嵌合スロットが、前記回転軸に対して第１の円周方向に延び、前記第１の挿入位置における前記第１のピンが、前記第１の軸方向マウントに対して前記第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される、第１のピンと、
第２の装着位置において前記ロータの第２の軸方向マウントに連結される第２の嵌合軸方向マウントを有する第２の回転セグメントであって、前記第２の装着位置における前記第２の回転セグメントが、前記第１のピンが除去されるのを阻止するように構成される、第２の回転セグメントと
を備えるターボ機械を備える、ターボ機械システム。
前記ターボ機械がガスタービンエンジンを備える、請求項１記載のシステム。
前記第１および前記第２の軸方向マウントがそれぞれ、陥凹軸方向スロットを備え、前記第１および前記第２の嵌合軸方向マウントがそれぞれ、隆起軸方向ジョイントを備える、請求項１記載のシステム。
前記第１のピンが、前記第１のスロットおよび前記第１の嵌合スロットの中に、第１の半径方向に、続いて前記回転軸に対して前記第１の円周方向に挿入するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記第１の嵌合軸方向マウントが、前記第１の装着位置において前記第１の軸方向マウントに連結される場合に、前記第１のスロットが、前記第１の回転セグメントに隣接する前記ロータ内に配置された、第１の半径方向にアクセス可能な部分を有する、請求項４記載のシステム。
前記第２の嵌合軸方向マウントが、前記第２の装着位置において前記第２の軸方向マウントに連結される場合に、前記第２の回転セグメントが、前記第１のスロットの前記第１の半径方向にアクセス可能な部分を覆う、請求項５記載のシステム。
前記ロータ内の前記第１のスロットが、前記第１の軸方向マウントと前記第２の軸方向マウントとの間の円周方向オフセットの一部分だけ延びる、請求項１記載のシステム。
前記第１および前記第２の回転セグメントが、ブレードまたは流路シールを備える、請求項１記載のシステム。
前記ターボ機械が、
前記ロータ内の第２のスロットと前記第２の回転セグメント内の第２の嵌合スロットとの両方の中の第２の挿入位置に挿入するように構成された第２のピンであって、前記第２のスロットおよび前記第２の嵌合スロットが、前記回転軸に対して第２の円周方向に延び、前記第２の挿入位置における前記第２のピンが、前記第２の軸方向マウントに対して前記第２の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される、第２のピンと、
第３の装着位置において前記ロータの第３の軸方向マウントに連結される第３の嵌合軸方向マウントを有する第３の回転セグメントであって、前記第３の装着位置における前記第３の回転セグメントが、前記第２のピンが除去されるのを阻止するように構成される、第３の回転セグメントと
を備える、請求項１記載のシステム。
ターボ機械ロータの回転軸周りに円周方向に離隔される複数の軸方向マウントであって、互いに円周方向オフセットに配置される第１の軸方向マウントと第２の軸方向マウントとを備え、前記第１の軸方向マウントが、第１の装着位置において第１の回転セグメントの第１の嵌合軸方向マウントに連結するように構成され、前記第２の軸方向マウントが、第２の装着位置において第２の回転セグメントの第２の嵌合軸方向マウントに連結するように構成される、複数の軸方向マウントと、
前記ターボ機械ロータの前記回転軸周りに円周方向に離隔される複数のピンスロットであって、前記第１の軸方向マウントに隣接する前記ロータ内に第１のピンスロットを備え、前記第１のピンスロットが前記回転軸に対して第１の円周方向に延び、前記第１のピンスロットが、前記第１の軸方向マウントに対して前記第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するために、第１の挿入位置において前記第１のピンを支持するように構成され、前記第２の装着位置における前記第２の回転セグメントが、前記第１のピンが除去されるのを阻止するように構成される、複数のピンスロットと
を備えるターボ機械ロータを備える、ターボ機械システム。
前記ターボ機械ロータが、タービンロータを備える、請求項１０記載のシステム。
前記第１および前記第２の軸方向マウントがそれぞれ、蟻継ぎジョイントを備え、前記第１および前記第２の嵌合軸方向マウントがそれぞれ、嵌合蟻継ぎジョイントを備える、請求項１０記載のシステム。
前記ターボ機械ロータ内の前記第１のピンスロットが、前記第１の軸方向マウントと前記第２の軸方向マウントとの間の円周方向オフセットの一部分だけ延びる、請求項１０記載のシステム。
前記第１の回転セグメントが前記第１の装着位置に配置され、前記第２の回転セグメントが前記第２の装着位置に配置されない場合に、前記第１のピンスロットが、前記ターボ機械ロータ内に配置された第１の半径方向にアクセス可能な部分を有し、前記第２の回転セグメントが前記第２の装着位置に配置される場合に、前記第１の半径方向にアクセス可能な部分が、前記第２の回転セグメントによって覆われるように構成される、請求項１０記載のシステム。
前記第１のピンスロットが、前記第１のピンを、第１の半径方向に、続いて前記回転軸に対する前記第１の円周方向に受けるように構成される、請求項１０記載のシステム。
前記第１のピンと、前記第１の回転セグメントと、前記第２の回転セグメントとを備え、前記第１のピンが、前記ロータ内の前記第１のピンスロットと前記第１の回転セグメント内の第１の嵌合ピンスロットとの両方の中の前記第１の挿入位置に挿入するように構成される、請求項１０記載のシステム。
第１の回転セグメントの第１の嵌合軸方向マウントを、ロータの第１の軸方向マウントに軸方向に挿入するステップと、
第１のピンを、前記ロータの第１のスロットと前記第１の回転セグメントの第１の嵌合スロットの中の第１の挿入位置に、前記ロータの回転軸に対して第１の円周方向に挿入するステップであって、前記第１のピンが、前記第１の軸方向マウントに対して前記第１の嵌合軸方向マウントが軸方向に移動するのを阻止するように構成される、ステップと、
前記第１のピンが除去されるのを阻止するために、第２の回転セグメントの第２の嵌合軸方向マウントを、前記ロータの第２の軸方向マウントに軸方向に挿入するステップと
を含む、組み立て方法。
前記第１のピンが上側部分および下側部分を有するＬ字形を含み、前記下側部分が、前記第１のピンを前記第１のスロットから除去することを可能にするように構成された穴を含み、前記上側部分がテーパエンドを含み、前記第１の嵌合スロットが、前記第１のピンの前記上側部分の前記テーパエンドを前記第１の嵌合スロットに挿入することを可能にし、前記第１のピンの前記下側部分を前記第１の嵌合スロットに挿入することを防止するように構成されたテーパ部分を有する陥凹を含む、請求項１７記載の方法。
前記第１のピンを、前記ロータの前記第１のスロットの半径方向にアクセス可能な部分に、前記ロータの前記回転軸に対して半径方向に挿入するステップを含む、請求項１７記載の方法。
第２のピンを、前記ロータの第２のスロットと前記第２の回転セグメントの第２の嵌合スロットとの中の第２の挿入位置に、前記ロータの前記回転軸に対して第２の円周方向に挿入するステップと、
前記第２のピンが除去されるのを阻止するために、第３の回転セグメントの第３の嵌合軸方向マウントを、前記ロータの第３の軸方向マウントに軸方向に挿入するステップと
を含む、請求項１７記載の方法。