JP2013215088A - ロータ構成要素を結合するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ構成要素を結合する。
【解決手段】ロータ組立体、第１の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第１のセット及びボルト孔の第１のセットを有する第１のロータ構成要素と、第２の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第２のセット及びボルト孔の第２のセットを有する第２のロータ構成要素と、第１の設置構成でブッシュ受け部の第１及び第２のセットに配置されたブッシュの第１のセットを含む。ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、第１及び第２の回転軸を互いに整列させ、ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、ロータ組立体の回転中にトルクの少なくとも第１の部分を担持する。ロータ組立体はまた、ロータ組立体における第１のロータ構成要素、第２のロータ構成要素、及びブッシュの第１のセットを保持するようボルト孔の第１及び第２のセットを貫通して延びるボルトの第１のセットを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、回転構成要素の結合に関し、より具体的には、ターボ機械の結合に関する。

機械エネルギーは、シャフト又はロータなどの回転部品を用いることを含む、多くの方法で伝達することができる。回転部品は、他の部品と接触力によりトルクを伝達する。摩擦駆動装置では、トルクの伝達は、２つの部品間の表面摩擦及び部品間の圧縮力によって制限される場合がある。ボルトは、部品を圧縮して部品を回転させるのに用いることができる。しかしながら、ボルトの質量を支持するロータ構造体では、十分な圧縮力をもたらすために大きなボルトを利用することは、問題となる可能性がある。

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態において、システムは、第１の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第１のセット及びボルト孔の第１のセットを有する第１のロータ構成要素を備えたロータ組立体を含む。ロータ組立体はまた、第２の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第２のセット及びボルト孔の第２のセットを有する第２のロータ構成要素を含む。ロータ組立体は、第１の設置構成でブッシュ受け部の第１及び第２のセットに配置されたブッシュの第１のセットを含み、ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、第１及び第２の回転軸を互いに整列させるように構成され、ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、ロータ組立体の回転中にトルクの少なくとも第１の部分を担持するよう構成されている。ロータ組立体はまた、ロータ組立体における第１のロータ構成要素、第２のロータ構成要素、及びブッシュの第１のセットを保持するようボルト孔の第１及び第２のセットを貫通して延びるボルトの第１のセットを含む。

第２の実施形態において、システムは、ステータ及びロータ組立体を有するターボ機械を含む。ロータ組立体は、第１の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第１のセットを有する第１のロータ構成要素と、第２の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第２のセットを有する第２のロータ構成要素と、を含む。ロータ組立体はまた、第１の設置構成でブッシュ受け部の第１及び第２のセットに配置されたブッシュの第１のセットを含み、ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、前記第１及び第２の回転軸を互いに整列させるように構成されている。

第３の実施形態において、方法は、第１及び第２のロータ構成要素の第１の対向するブッシュ受け部に配置されたブッシュの第１のセットを用いて第１のロータ構成要素の第１の回転軸を第２のロータ構成要素の第２の回転軸と整列させるステップを含む。ブッシュの第１のセット及び第１の対向するブッシュ受け部は、第１及び第２の回転軸の周りに配列されている。本方法はまた、第１及び第２のロータ構成要素を有するロータ組立体の回転中にブッシュの第１のセットにおいてトルクの少なくとも第１の部分を担持するステップを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

ボルト及びブッシュを有する複数のロータ構成要素を備えたロータ組立体の１つの実施形態の側断面図。 図１の線２−２に沿ったロータ構成要素の１つの実施形態の断面図。 図１の線３−３に沿ったボルト、ブッシュ、及びブッシュ受け部の分解断面図。 ロータ組立体の１つの実施形態の分解図。 圧縮機、タービン、及び負荷を含む、タービンシステムのブロック図。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本明細書で記載されるロータ構成要素を結合するシステム及び方法は、少なくとも２つのロータ構成要素（例えば、２〜１００個のロータ構成要素）を備えたロータ組立体を有する。各ロータ構成要素は、ロータ構成要素の回転軸の周りに配列された、ブッシュ受け部のセットと、ボルト孔のセットとを有する。例えば、隣接するロータ構成要素の各ペアは、軸方向に面する側部を含むことができ、対向するブッシュ受け部内に配置されたブッシュと、対向するボルト孔を貫通して延びるボルトとを含む。各ロータ構成要素のブッシュ受け部のセット内に配置されたブッシュのセットは、各構成要素の回転軸を整列させ、結合されたロータ構成要素の回転中にトルクの少なくとも第１の部分を担持する。ボルトのセットは、ボルト孔のセットを通って延びて、ロータ組立体内にロータとブッシュのセットとを保持する。ブッシュのセットは、ボルトのセットよりも大きな総剪断強度を有することができる。ブッシュのセットは、通常の動作荷重と僅かな過剰トルクを担持するのに十分に大きな総剪断強度を有することができる。ブッシュのセットは、ボルトよりも実質的に大きなトルク量を担持することができる（例えば、総トルクの１０〜１００％）。ブッシュは、１４００ＭＰａよりも大きな総剪断強度を有することができるが、剪断強度は、用途毎に変わる場合がある。各ブッシュは、ボルト孔のない中実とすることができ、或いは、ロータ構成要素を軸方向に固定するボルトを通すため、又はロータ構成要素間のコンプライアンスを改善するための孔（例えば、ボルト孔）を含むことができる。ブッシュのセットは、ブッシュ受け部のそれぞれのセットに緊密嵌合又は締まり嵌めされ、回転軸を設置構成に整列させることができる。開示の実施形態は、隣接するロータ構成要素の単一のペアにおいてブッシュを利用することができるが、開示されたブッシュは、あらゆる数（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）の隣接するロータ構成要素の間に配置してもよく、ここでブッシュのセットは、隣接するロータ構成要素の各ペアの軸方向に面する側部の対向するブッシュ受け部内に配置することができる。一部の実施形態において、ロータ組立体は、タービン、圧縮機、発電機、ガスタービンエンジン、又は他のターボ機械の一部とすることができる。各ブッシュ受け部は、アンダーカット丸み部を含むことができる。

加えて、方法は、第１のロータ構成要素の第１の回転軸と第２のロータ構成要素の第２の回転軸とを、第１及び第２の回転軸の周りに配列された第１及び第２のロータ構成要素の対向するブッシュ受け部内に配置されるブッシュの第１のセットを用いて整列させるステップを含むことができる。本方法はまた、ロータ組立体の回転中にブッシュの第１のセットにおいてトルクの一部を担持するステップを含むことができる。本方法は、第３のロータ構成要素の第３の回転軸と第２の回転軸とを、第２及び第３の回転軸の周りに配列された別の対向するブッシュ受け部に配置されるブッシュの第２のセットを用いて整列させるステップと、ロータ組立体の回転中にブッシュの第２のセットにおいてトルクの一部を担持するステップとを含むことができる。また、本方法は、第１、第２、及び第３のロータ構成要素においてボルト孔を貫通して延びるボルトのセットでロータ組立体を保持するステップを含むことができる。

ここで図面に移り、図１は、トルク伝達ブッシュ組立体１１により共に結合されるロータ組立体１０の１つの実施形態を示している。シャフト１２が円周方向１４で回転すると、ロータ組立体１０の複数のロータ構成要素１６も円周方向１４に回転し、ブッシュ組立体１１は、隣接するロータ構成要素１６間でトルクの実質的に一部又は全てを担持する。シャフト１２は、少なくとも１つのロータ構成要素１６に結合ことができ、シャフト１２は、図１に示すように１つ又はそれ以上のロータ構成要素１６を貫通して延びることができる。一部の実施形態において、シャフト１２は、に結合された１つ又はそれ以上のロータ構成要素１６にトルクを伝達し、該トルクは、隣接するロータ構成要素１６及び／又はシャフト１２間で伝達される。ロータ構成要素１６は、タービンブレード、圧縮機ブレード、電機子、ギア、プーリー、プロペラ、遠心ポンプ、又はこれらの組み合わせを含むことができる。従って、ロータ組立体１０は、タービン、圧縮機、ポンプ、モータ、発電機、又は何らかの回転ターボ機械の全て又は一部を表すことができる。

図１には、４つのロータ構成要素１６が図示されているが、これよりも多い又は少ないものも想定される（例えば、２〜２５、３〜２０、４〜１５、又は５〜１０のロータ構成要素）。各ロータ構成要素１６は、ブッシュ受け部２２の少なくとも１つのセット、ボルト孔２４の少なくとも１つのセット、及び回転軸２６を含むことができる。第１のロータ構成要素１６、３０及び第２のロータ構成要素１６、４０は、種々の実施形態における隣接するロータ構成要素１６の何れかのペアを表すことができ、明確にするために図示されている。第１のロータ構成要素３０は、ブッシュ受け部２２の第１のセット３２、ボルト孔２４の第１のセット３４、及び第１の回転軸３６を有する。第２のロータ構成要素４０は、ブッシュ受け部２２の第２のセット４２、ボルト孔２４の第２のセット４４、及び第２の回転軸４６を有する。特定の実施形態において、一部のロータ構成要素１６は、ブッシュ受け部２２の１つよりも多いセットを含むことができる。例えば、第２のロータ構成要素４０は、図１に示すようなブッシュ受け部２２の第３のセット４８を有することができる。ロータ構成要素１６のブッシュ受け部２２の各セットは、別の隣接するロータ構成要素１６のブッシュ受け部２２の別のセットに対応し且つこれに対向することができる。例えば、ブッシュ受け部２２の第１のセット３２は、ブッシュ受け部２２の第２のセット４２と軸方向に面し且つこれと整列している。設置構成において、ブッシュ５０のセットは、ブッシュ受け部２２の対向するセットに配置され、ロータ構成要素１６の回転軸２６を整列させ、シャフト１２及びロータ組立体１０が回転したときにロータ構成要素１６間のトルクの少なくとも一部を担持することができる。１つの実施形態において、ブッシュ５０のセットは、設置構成でブッシュ受け部２２に締まり嵌めされ、ロータ構成要素１６を結合し整列することができる。例えば、ブッシュ５２の第１のセットは、ブッシュ受け部２２の対向する第１のセット３２及び第２のセット４２に配置され、以下で説明するように第１の回転軸２６及び第２の回転軸３６を互いに整列させることができる。図示の実施形態において、ブッシュ５０の３つのセットは、隣接するロータ構成要素１６において対向するブッシュ受け部２２の３つのセットに配置される。

ボルト１８（例えば、１〜１００、又はそれ以上）は、ボルト孔２４を貫通して延び、ロータ構成要素１６及びブッシュ５０を軸方向に圧縮、保持、及び支持することができる。各ボルト１８は、ボルトヘッド２０とファスナー７４（例えば、ナット）との間でロータ構成要素１６及びブッシュ５０を軸方向に圧縮することができる。一部の実施形態において、ボルト１８は、シャフト１２を支持し、ロータ組立体１０に作用する重力及び／又は荷重に起因したロータ組立体１０の撓みを低減する。１つの実施形態において、ブッシュ５０は、ボルト孔の第３のセット５４を有することができ、ボルト孔２４の第１のセット３４及び第２のセット４４に加えて、ここを貫通してボルト１８のセットの少なくとも一部が通過することができる。別の実施形態において、各ブッシュ５０は、どのようなボルト孔５４もなく、中実の本体を有することができる。

図２は、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間の摩擦界面部に沿ったトルク伝達ブッシュ組立体１１を示す、図１の線２−２に沿ったロータ組立体１０の１つの実施形態の断面図である。図２は、回転軸２６、３６の周りに半径方向距離６０で配列されたブッシュ受け部２２、３２の各セットを示している。ブッシュ組立体１１に関する以下の検討は、ロータ構成要素３０に関したものであるが、同じことがロータ組立体１０の各ロータ構成要素１６にも当てはまる。１つの実施形態において、各ブッシュ受け部３２は、回転軸３６から同じ半径方向距離６０に中心が配置される。或いは、ブッシュ受け部３２は、回転軸から異なる半径方向距離６０に配列されてもよい。ブッシュ受け部３２は、シャフト１２、軸２６、及び／又は他のロータ構成要素１６に対して第１のロータ構成要素３０を整列させるのに使用される一定の心振れ公差内で半径方向距離６０にて配置することができる。ブッシュ受け部３２は、限定ではないが、円形（例えば、座ぐり、皿穴）、弓形、三角形、又は矩形の形状を含む、あらゆる形状とすることができる。座ぐりのブッシュ受け部３２を備えた特定の実施形態は、受け部の公差範囲内の直径６２を有することができる。ブッシュ受け部３２の直径６２は、約２０〜１１０ミリメートル、３０〜８０ミリメートル、４０〜６５ミリメートル、又は４５〜５５ミリメートルの範囲にわたることができる。一部の実施形態において、ブッシュ受け部直径６２は、ロータ構成要素直径６６の約１〜２０％、２〜１５％、３〜１０％、又は５〜８％の範囲にわたることができる。対応するブッシュ５０、５２は、それぞれのブッシュ受け部２２、３２と実質的に同じサイズ及び形状とすることができる。一部の実施形態において、ブッシュ５２は、対応するブッシュ受け部３２よりも僅かに大きく、設置構成に配置されたときに締まり嵌めになることができる。ブッシュ５２はまた、以下で検討するようにブッシュ受け部３２に適切に嵌合してロータ構成要素１６を整列させるようにブッシュ公差内に作ることができる。図２は、上部及び下部ブッシュ受け部３２の第１のロータ構成要素３０における設置構成の２つのブッシュ５２を示している。１つの実施形態において、ブッシュ５２は、設置構成でブッシュ受け部３２の全てに配置され、第１のロータ構成要素３０を対向するロータ構成要素４０と整列させ、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間でトルクを伝達することができる。回転軸３６の周りに配列されたセット内のブッシュ受け部３２の数は、約２〜５０、５〜３０、７〜２５、又は１０〜２０の間とすることができる。一部の実施形態において、ブッシュ受け部３２は、円周方向１４に安定した回転を提供するよう、第１のロータ構成要素３０の回転軸３６の周りで均一な形状、サイズ、及び配列にすることができる。

１つの実施形態において、ボルト孔３４のセットはまた、第１のロータ構成要素３０の回転軸３６から、ブッシュ受け部３２のセットと同じ半径方向距離６０に配列される。ボルト孔３４は、限定ではないが、定められた幅又は直径６４を有する、円形、弓形、三角形、又は矩形形状を含む、あらゆる形状とすることができる。一部の実施形態において、ボルト孔直径６４は、約５〜９０ミリメートル、１０〜８０ミリメートル、２５〜６０ミリメートル、又は３０〜４５ミリメートルの範囲にわたることができる。一部の実施形態において、ボルト孔直径６４は、ブッシュ直径６２と相対的なサイズにすることができる。例えば、ボルト孔直径６４は、ブッシュ直径６２の約１〜７５％、５〜５０％、１０〜２５％、又は１０〜１５％の範囲にわたることができる。図２の実施形態において、ボルト孔３４のセットは、ブッシュ受け部３２と同心とすることができる。或いは、ボルト孔３４は、ブッシュ受け部３２と非同心とすることができる。加えて、ボルト孔３４は、第１のロータ構成要素３０を貫通して、回転軸３６からブッシュ受け部３２と同じ又は異なる半径方向距離６０でブッシュ受け部３２の外部に配置することができる。回転軸３６の周りに配列されるセットのボルト孔３４の数は、約２〜５０、５〜３０、７〜２５、又は１０〜２０の間とすることができる。しかしながら、ボルト孔３４の数は、ブッシュ受け部３２の数と同じか、又は異なっていてもよい。例えば、ボルト孔３４は、ブッシュ受け部３２の約２５、３３、５０、７５、又は１００％に配置することができる。一部の実施形態において、ボルト孔３４は、周方向１４に安定した回転を提供するよう、第１のロータ構成要素３０の回転軸３６の周りで均一な形状及び配列にすることができる。換言すると、ブッシュ受け部３２、ブッシュ５２、及び／又はボルト孔３４のサイズ及び／又は配列の均一性は、ロータ組立体１０の均衡取りを助けることができる。

図３は、トルク伝達ブッシュ組立体１１の１つの実施形態を示す、図１の線３−３に沿ったロータ組立体１０の一部を示す。図３は、ボルト１８、ボルト孔５４を有するブッシュ５０、５２、第１のブッシュ受け部２２、３２及び第１のボルト孔３４を有する第１のロータ構成要素１６、３０、並びに第２のブッシュ受け部２２、４２を有する第２のロータ構成要素１６、４０を含む、ロータ組立体１０の分解断面図を示す。図示の実施形態において、ブッシュ５２は、ブッシュ直径５６を有することができ、ブッシュ５２は、軸方向７０でブッシュ５２を貫通して延びた、直径５８を有するボルト孔５４を有することができる。ボルト孔５４は、図示のようにブッシュ５２とほぼ同心とすることができ、又はボルト孔５４は偏心していてもよい。

設置構成において、ブッシュ５２は、第１のブッシュ受け部３２及び第２のブッシュ受け部４２に挿入することができる。ボルト１８は、第１のボルト孔３４及び第２のボルト孔４４を通って挿入されて締結され、第１のロータ構成要素３０、第２のロータ構成要素４０、及びブッシュ５２を軸方向に圧縮及び保持することができる。特定の実施形態において、ボルト１８はまた、ブッシュ５２を貫通する第３のボルト孔５４を通って挿入することができる。設置構成では、ボルト１８は、ボルト１８及びボルトヘッド２０の遠位端７６においてナット７４又は他のファスナーにより軸方向７０でロータ組立体１０を軸方向に圧縮することができる。１つの実施形態において、トルクは、ブッシュ５２と受け部面７８の間及び／又はロータ構成要素３０、４０の摩擦界面部１７間の接触力により第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間で伝達することができる。この実施形態において、ボルト１８からの圧縮の増大は、ロータ構成要素３０、４０間の接触力により伝達されるトルクを増大させ、ブッシュ５２により保持されるトルクを減少させることができる。一部の実施形態において、ボルト孔直径６４及び／又は５８は、ボルト直径８０よりも実質的に大きいとすることができる。他の実施形態において、ボルト１８は、第１のボルト孔、第２のボルト孔４４、及び／又はブッシュボルト孔５４に精密嵌合することができる。一部の実施形態において、ボルト１８はまた、フランジ摩擦力及びブッシュ弾性強度を上回る過剰トルクが生じた場合、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間でトルクの一部を伝達することができる。

一部の実施形態において、ブッシュ直径５６は、ブッシュ受け部直径６２よりも僅かに大きく、従って、ブッシュ５２は、第１のブッシュ受け部３２及び／又は第２のブッシュ受け部４２において締まり嵌めすることができる。例えば、ブッシュ直径５６は、ブッシュ受け部直径６２よりも約０．５、１、２、３、４、５、１０％又はそれ以上大きくすることができる。しかしながら、ブッシュ５２は、ブッシュ５２とブッシュ受け部３２、４２との間の締まり嵌め無しで、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間でトルクを伝達することができる。締まり嵌めにおいて、ブッシュ５２は変形することができ、及び／又は第１のブッシュ受け部３２及び第２のブッシュ受け部４２は、締まり嵌めに対応するよう膨張することができる。締まり嵌めにおいて、受け部壁８２及びブッシュ５２は、円周方向１４及び／又は半径方向７２の動きをそれぞれ抑制することができる。締まり嵌めによって、ブッシュ５２は、締まり嵌めの無い場合よりも、少なくとも受け部壁８２を通って第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間でより良好にトルクを伝達することができる。締まり嵌めはまた、以下で検討するように、第１のロータ構成要素３０を第２のロータ構成要素４０とより良好に整列させることができる。一部の実施形態において、ブッシュ受け部３２、４２は、アンダーカット丸み部８６を有し、ブッシュ５２の締まり嵌め、ブッシュ５２によるトルク伝達、振動、又は他の力、もしくはこれらの組み合わせに起因した受け部内の局所的な応力を低減することができる。１つの実施形態において、アンダーカット丸み部８６は、ショットピーニング処理することができる。ショットピーニング処理されたアンダーカット丸み部は、第１のブッシュ受け部３２及び／又は第２のブッシュ受け部４２の高サイクル疲労を阻止するのを助けることができる。

第１の回転軸３６と第２の回転軸４６との同心整列は、ロータ組立体１０のトルク伝達効率を向上させ、及び／又はシャフト１２、第１のロータ構成要素３０、第２のロータ構成要素４０、ボルト１８、ブッシュ５２、又はこれらの組み合わせに対する摩耗を低減することができる。同心整列されたロータ構成要素３０、４０及び整列した回転軸３６、４６は、ロータ組立体１０における不安定性、振動、及び／又は疲労の阻止を助けることができる。更に、同心及び整列したロータ組立体１０は、ロータ構成要素１６、ボルト１８、及びブッシュ５２に対する摩耗が低減されるので、保守整備及び補修に起因する停止時間を短縮することができる。一部の実施形態において、第１のブッシュ受け部３２又は第２のブッシュ受け部４２は、摩擦界面部１７内へのブッシュ受け部直径６２をより大きく座ぐり加工して、より大きな直径５６を有するブッシュ５２を利用することにより、補修又は修正することができる。ロータ構成要素３０、４０の同心整列は、それぞれの回転軸３６、４６からのブッシュ受け部３２、４２の半径方向距離６０の心振れ公差によって少なくとも部分的に決定付けることができる。ロータ構成要素１６のブッシュ受け部２２上の相補的パターンのピンを有するマスターツールを用いて、ロータ構成要素１６の心振れを決定することができる。マスターツールは、適合する半径方向距離６０のブッシュ受け部２２を有するロータ構成要素１６を選択するため、マスターツールの心振れ公差内のロータ構成要素１６の選別を可能にすることができる。例えば、マスターツールを用いて、ロータ組立体１０の総心振れが最小になるように累積できる、心振れ公差６０内のブッシュ受け部２２を有するロータ構成要素１６を決定することができる。

ブッシュ５２は、該ブッシュ５２と受け部壁８２との間の接触によって円周方向１４及び／又は半径方向７２での第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０の動きを抑制することができる。このようにして、ブッシュ５２はまた、第２のロータ構成要素４０に対して整列した位置に第１のロータ構成要素３０を位置付けて、第１の回転軸３６及び第２の回転軸４６がほぼ同軸になるようにすることができる。例えば、第１のブッシュ受け部３２は、第１の受け部軸７１を有し、ブッシュ５２は軸５９を有し、第２のブッシュ受け部４２は第２の受け部軸７３を有する。第１及び第２の受け部軸は、第１の回転軸３６及び第２の回転軸４６の半径方向距離６０（心振れ公差内）に存在することができる。ブッシュ５２は、ブッシュ受け部直径６２よりも大きな直径５６を有し、従って、設置構成で第１のブッシュ受け部３２及び第２のブッシュ受け部４２に締まり嵌めすることができる。締まり嵌めは、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間の相対移動を阻止し、ロータ組立体１０を設置構成に固定することができる。ブッシュ５２は、第１の受け部軸７１及び第２の受け部軸７３をブッシュ軸５９と整列させ、従って、第１の回転軸３６及び第２の回転軸４６をほぼ同軸になるように整列させることができる。同様の方法で、図１に見られるように、ブッシュ５０の第２のセットは、該ブッシュ５０の第２のセットを第２のロータ構成要素４０上のブッシュ受け部４８及び第３のロータ構成要素１６上の対向するブッシュ受け部２２に挿入することによって、第３のロータ構成要素１６の回転軸を第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０と同心状に整列させることができる。

１つの実施形態において、第１のボルト孔軸７５及び第２のボルト孔軸７７は、第１の受け部軸７１及び第２の受け部軸７３それぞれに対してほぼ同軸とすることができる。この実施形態において、ボルト孔３４、４４は、設置構成でほぼ同軸とすることができる。別の実施形態において、第１のボルト孔３４、第２のボルト孔４４、及びブッシュボルト孔５４は共通の軸線を共有していない場合があるが、第１の回転軸３６及び第２の回転軸４６は、設置構成でほぼ同軸である。例えば、ボルト１８は、ブッシュ５２を貫通することなく第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０を通って延びることができる。同軸の第１のボルト孔３４及び第２のボルト孔４４の無い実施形態において、ボルト１８は、第１のボルト孔３４及び第２のボルト孔４４よりも小さい直径８０を有し、ロータ組立体１０を通過して該ロータ組立体１０を保持し且つ軸方向に圧縮するクリアランスを有するよう構成することができる。この実施形態において、ボルトヘッド２０及びファスナー７４だけが第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０に接触することができる。第１のボルト孔３４及び第２のボルト孔４４を通るクリアランスを有するこのような小さな直径のボルト１８は、第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０間でトルクの一部を担持しない場合がある。

１つの実施形態において、受け部クリアランス６２、ブッシュクリアランス５６、及び心振れ公差６０は、ボルト１８と第１のボルト孔３４及び第２のボルト孔４４とのクリアランスよりも緊密となることができ、第１のブッシュ受け部３２及び第２のブッシュ受け部４２に配置されたブッシュ５２が、主として、第１の回転軸３６を第２の回転軸４６と整列させることができるようになる。この実施形態では、ブッシュ５２は、ボルト１８よりも、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間で実質的により大きな（又は全ての）量のトルクを伝達することができる。１つの実施形態において、第１のロータ構成要素３０と第２のロータ構成要素４０との間でブッシュ５２によって伝達されるトルクのパーセンテージは、約１〜１００％、２５〜１００％、４０〜９０％、又は５０〜７５％の間とすることができ、残りのパーセントのトルクは、存在する場合には、第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０及び／又はボルト１８の摩擦界面部１７によって伝達される。ブッシュ５２及び摩擦界面部１７は、通常作動及び僅かな過剰トルク作動中に第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０間でトルクを全て伝達することができる。ボルト１８は、フォールトトルク事象などの大きな過剰トルク作動中にトルクを担持することができる。例えば、ブッシュ５２は、トルクの約９０％を伝達することができ、摩擦界面部１７は、トルクの約５％を伝達することができ、ボルト１８は、トルクの約５％を伝達することができる。別の実施例として、ブッシュ５２は、トルクの約７５％を伝達することができ、摩擦界面部１７は、トルクの約２０％を伝達することができ、ボルト１８は、トルクの約５％を伝達することができる。上記で検討したように、一部の実施形態において、ブッシュ５２と第１及び第２のブッシュ受け部３２、４２は、ロータ組立体１０を整列させ、ボルト１８が主としてロータ組立体１０を軸方向に圧縮することができるようになる。１つの実施形態において、第１のロータ構成要素３０は、ブッシュ５２及び対向するブッシュ受け部３２、４２を順次に通って一致及び対向する第２のロータ構成要素４０と同軸に整列され、ブッシュ受け部３２、４２の心振れ公差、ブッシュ受け部公差６２、及びブッシュ公差５６に主として基づいた整列の累積公差でロータ組立体１０として組み立てることができる。

捻れ及び引張荷重を担持するようなサイズにされた延性金属のボルト１８は、主として引張荷重を担持するようなサイズにされた同じ金属のボルト１８よりも大きくなる場合がある。ボルト１８は、限定ではないが、鋼鉄（例えば、ステンレス鋼又は工具鋼）又は超合金（例えば、インコネル）を含む、多くの材料から作ることができる。ブッシュ５２が第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０間で伝達されるトルクの一部を担持することができる１つの実施形態において、ブッシュ５２は、コバルト合金（例えば、ＭＰ３５Ｎ又はＭＰ１５９）のような高強度低摩耗材料から作ることができる。ブッシュ５２を利用して第１のロータ構成要素３０及び第２のロータ構成要素４０間のトルクの少なくとも第１の部分を担持することにより、より小さなボルト１８を備えたロータ組立体１０を提供することができる。加えて、ブッシュ５２は、フォールトトルク事象（例えば、トルク急増）に耐えるようなサイズにすることができ、その結果、ボルト１８が残りのトルクを担持できるようにすることができる。ブッシュ５２がトルクの少なくとも第１の部分を担持するロータ組立体１０は、全てのトルクをボルト１８が担持するロータ組立体１０に比べてより安価で、軽量で、維持がより容易とすることができる。例えば、ブッシュ５２は、約１４００〜２０００ＭＰａ、１５００〜１９００ＭＰａ、１６００〜１８００ＭＰａ、又は１７００〜１７５０ＭＰａの間の総剪断強度を有することができる。ボルト１８は、約２５０〜１２００ＭＰａ、４００〜１０００ＭＰａ、５００〜７５０ＭＰａ、又は６００〜７００ＭＰａの間の総剪断強度を有することができる。特定の実施形態において、ブッシュ５２の第１のセットは、ボルト１８のセットの第２の総剪断強度よりも大きい第１の総剪断強度を有することができる。

図４は、上述のトルク伝達ブッシュ組立体１１のシャフト１２、ロータ構成要素１６、ボルト１８、及びブッシュ５０を有するターボ機械８８のロータ組立体１０の分解図を示す。シャフト１２は、ロータ構成要素１６と共に円周方向１４に回転することができる。シャフト１２は、少なくとも１つのロータ構成要素１６と一体的に、又は固定結合され、或いは取り外し可能に結合されて、ロータ構成要素１６及び全体のロータ組立体１０と共にトルクを伝達することができる。ターボ機械８８は、タービンロータ構成要素、圧縮機ロータ構成要素、発電機構成要素、負荷構成要素、又はこれらの組み合わせのようなロータ構成要素９０、９２、及び９４を有することができる。１つの実施形態において、ターボ機械８８は、第１のタービンロータ９０、第２のタービンロータ９２、及び圧縮機ロータ９４を有することができる。図４に示すように、シャフト１２は、第１のタービンロータ９０に結合され、第２のタービンロータ９２を貫通して延びてこれを支持し、また、他のロータ構成要素１６（例えば、圧縮機ロータ９４、ロードカップリング）を貫通して延びることができる。１つの実施形態において、ターボ機械８８のロータ組立体１０は、タービンロータ組立体に２つ又はそれ以上のロータ９０、圧縮機ロータ組立体に２つ又はそれ以上の圧縮機ロータ９４、又はロードカップリングロータ組立体に２つ又はそれ以上のロードカップリング、或いはこれらの組み合わせを有することができる。ターボ機械８８はまた、各々がトルク伝達ブッシュ組立体１１を有する、２つ又はそれ以上のロータ組立体１０を含むことができる。

図４に示すように、第１及び第２のタービンロータ９０、９２は、ブッシュ５２の第１のセットよりも僅かに小さい直径の対向するブッシュ受け部２２を有する。第２のタービンロータ９２は、圧縮機ロータ９４上のブッシュ受け部２２に対応する第１のタービンロータ９０と反対側の摩擦界面部１７上にブッシュ受け部２２の追加のセットを有する。ブッシュ５３の第２のセットはまた、第２のタービンロータ９２及び圧縮機ロータ９４の対応するブッシュ受け部２２よりも僅かに大きな直径を有することができる。ボルト１８のセットは、ロータ構成要素９０、９２、９４のボルト孔２４、５４及びブッシュ５２、５３の両セットを通って延びてナット７４のセットと締結し、設置構成においてロータ構成要素９０、９２、９４及びブッシュ５２、５３を軸方向に圧縮して保持することができる。設置構成では、ブッシュ５２の第１のセットは、対応するブッシュ受け部２２に締まり嵌めされて第１及び第２のタービンロータ９０、９２を結合し、ブッシュ５３の第２のセットは、対応するブッシュ受け部２２に締まり嵌めされて第２のタービンロータ９２及び圧縮機ロータ９４を結合する。ブッシュ５２、５３はまた、共通の回転軸２６の周りで順次に同心状に整列し、ロータ構成要素９０、９２、９４間でトルクを伝達することができる。

上述のロータ組立体１０は、回転部品を有するあらゆるシステムで利用することができる。例えば、発電機又はガスタービンエンジンのようなターボ機械は、少なくとも１つのステータ１２４と、トルク伝達ブッシュ組立体１１を備えた１つ又はそれ以上のロータ組立体１０とを有することができる。図５に示すように、上述のロータ組立体１０を備えたガスタービンシステム１００は、吸気口１１４からの空気を加圧して燃焼器１１６に配向する圧縮機１１２を有することができる。圧縮機１１２は、空気を加圧するための回転圧縮機ブレードを有する。燃焼器において、加圧空気が燃料と燃焼して高温の排出ガス１１８を生成し、これがタービン１２０を通って配向される。排出ガス１１８は、タービン１２０のタービンブレードを回転させるようにする。圧縮機１１４及びタービン１２０の両方は、それぞれの回転ロータ構成要素１６（例えば、タービン又は圧縮機ロータ）間でトルクを伝達するロータ組立体１０を有することができる。一部の実施形態において、ガスタービンシステム１００は、圧縮機１１４又は負荷１２２（例えば、発電機）などのガスタービンシステム１００の別の構成要素のロータ組立体１０とタービン１２０のロータ組立体１０とを結合する共通シャフト１２を有する。１つの実施形態において、圧縮機１１４、タービン１２０、及び／又は負荷１２２は、共通のロータ組立体１０を有することができる。ステータ１２４は、シャフト１２に結合されなくてもよく、複数の非回転圧縮機ブレード、複数の非回転タービンブレード、非回転電機子、又は他の非回転構成要素、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。

上述のロータ組立体１０は、少なくとも２つのロータ構成要素１６、ブッシュ５０のセット、対向するブッシュ受け部２２のセット、ボルト孔２４のセット、及びボルト１８のセットを有することができる。一部の実施形態において、ロータ組立体１０は、対向するブッシュ受け部２２においてブッシュ５０のそれぞれのセットにより同心状に整列及び結合された２〜２５、３〜２０、４〜１５、又は５〜１０個の間のロータ構成要素１６を有することができる。ボルト１８の１つ又はそれ以上のセットは、ロータ構成要素１６の全て又はサブセットを軸方向に圧縮、保持、及び支持することができる。例えば、１２個のロータ構成要素１６を備えたロータ組立体１０は、１２個のロータ構成要素１６全てを貫通して延びるボルト１８の第１のセットと、最初の４個のロータ構成要素１６を貫通して延びるボルト１８の第２のセットと、最初の６個のロータ構成要素１６を貫通して延びるボルト１８の第３のセットと、最後の４個のロータ構成要素１６を貫通して延びるボルト１８の第４のセットとを有することができる。加えて、上記で検討したように、ボルト１８の各セットは、ブッシュ５０の１つ又はそれ以上のセットを貫通して延びることができる。

開示された実施形態の技術的効果は、ブッシュ５０を備えた少なくとも２つのロータ構成要素１６を整列させてこれらの間のトルク伝達をすることである。ブッシュ５０は、それぞれのロータ構成要素１６の回転軸２６の周りに配列された対向するブッシュ受け部２２に配置することができる。ブッシュ直径５６は、ブッシュ受け部２２の直径６２よりも僅かに大きくすることができ、従って、ブッシュ５０は、締まり嵌めされてロータ構成要素１６を整列させ、且つロータ構成要素１６の半径方向及び円周方向の移動を抑制することができる。ボルト１８は、ロータ構成要素１６及び／又はブッシュ５０を貫通して延び、ロータ構成要素１６及びブッシュ５０を軸方向に圧縮、保持、及び支持することができる。ブッシュ５０は、ロータ構成要素１６間で伝達されるトルクの部分をボルト１８よりもより多く担持することができる。ボルト１８は、トルクの小さな部分（存在する場合）を担持できるので、ボルト１８がトルクのより大きな部分を担持した場合よりもより小さなサイズにすることができる。加えて、ロータ構成要素１６の整列にブッシュ５０を利用することにより、ボルト孔２４を互いに同軸でないロータ構成要素１６に通して作ることができるようになる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ロータ組立体
１１ トルク伝達ブッシュ組立体
１２ シャフト
１６ ロータ構成要素
２２ ブッシュ受け部
２４ ボルト孔

Claims (20)

1. ロータ組立体を備えたシステムであって、前記ロータ組立体が、
   第１の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第１のセット及びボルト孔の第１のセットを有する第１のロータ構成要素と、
   第２の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第２のセット及びボルト孔の第２のセットを有する第２のロータ構成要素と、
   第１の設置構成で前記ブッシュ受け部の第１及び第２のセットに配置されたブッシュの第１のセットと、
   を含み、前記ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、前記第１及び第２の回転軸を互いに整列させるように構成され、前記ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、前記ロータ組立体の回転中にトルクの少なくとも第１の部分を担持するよう構成されており、
   前記ロータ組立体が更に、
   前記ロータ組立体における前記第１のロータ構成要素、前記第２のロータ構成要素、及び前記ブッシュの第１のセットを保持するよう前記ボルト孔の第１及び第２のセットを貫通して延びるボルトの第１のセットと、
   を備える、システム。
2. 前記ブッシュの第１のセットが、通常作動荷重及び僅かに過剰トルク荷重を担持するのに十分な第１の総剪断強度を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ブッシュの第１のセットの各ブッシュが、約１４００ＭＰａ以上の剪断強度を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ブッシュの第１のセットが、前記ボルトの第１のセットよりも実質的に大きいトルク量を担持するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ブッシュの第１のセットが、ボルト孔の第３のセットを含み、前記ボルトの第１のセットが、前記ボルト孔の第１、第２、及び第３のセットを通って延びる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ブッシュの第１のセットの各ブッシュが、ボルト孔の無い中実本体を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ブッシュの第１のセットが、前記第１の設置構成において前記ブッシュ受け部の第１及び第２のセットに締まり嵌めされる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ロータ組立体が、
   前記第２のロータ構成要素内のブッシュ受け部の第３のセットと、
   前記第３のロータ構成要素の第３の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第４のセット及びボルト孔ボルト孔の第４のセットを有する前記第３のロータ構成要素と、
   第２の設置構成において前記ブッシュ受け部の第３及び第４のセットに配置されたブッシュの第２のセットと、
   を含み、前記ブッシュの第２のセットの第２の設置構成が、前記第２及び第３の回転軸を互いに整列させるよう構成され、前記ブッシュの第２のセットの第２の設置構成が、前記ロータ組立体の回転中に前記トルクの少なくとも第２の部分を担持するよう構成され、
   前記ボルトの第１のセットが、前記ボルト孔の第１、第２、及び第４のセットを通って延びて、前記第１のロータ構成要素、前記第２のロータ構成要素、前記第３のロータ構成要素、前記ブッシュの第１のセット、及び前記ブッシュの第２のセットを前記ロータ組立体内に保持する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ロータ組立体を有するタービン又は圧縮機を備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記ロータ組立体を有する発電機を備える、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ロータ組立体を有するガスタービンエンジンを備える、請求項１に記載のシステム。
12. ターボ機械を備えたシステムであって、該ターボ機械が、
    ステータと、
    ロータ組立体と、
    を備え、該ロータ組立体が、
    第１の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第１のセットを有する第１のロータ構成要素と、
    第２の回転軸の周りに配列されたブッシュ受け部の第２のセットを有する第２のロータ構成要素と、
    第１の設置構成で前記ブッシュ受け部の第１及び第２のセットに配置されたブッシュの第１のセットと、
    を含み、前記ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、前記第１及び第２の回転軸を互いに整列させるように構成されている、システム。
13. 前記ブッシュの第１のセットの第１の設置構成が、前記ロータ組立体の回転中にトルクの少なくとも第１の部分を担持するよう構成されている、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ターボ機械が、タービン、圧縮機、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記ブッシュの第１のセットが、前記第１の設置構成において前記ブッシュ受け部の第１及び第２のセットに締まり嵌めされる、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記ブッシュ受け部の第１及び第２のセットの各ブッシュ受け部が、アンダーカット丸み部を含む、請求項１２に記載のシステム。
17. 第１及び第２のロータ構成要素の第１の対向するブッシュ受け部に配置されたブッシュの第１のセットを用いて第１のロータ構成要素の第１の回転軸を第２のロータ構成要素の第２の回転軸と整列させるステップを含む、方法であって、前記ブッシュの第１のセット及び前記第１の対向するブッシュ受け部が前記第１及び第２の回転軸の周りに配列され、
    前記方法が更に、
    前記第１及び第２のロータ構成要素を有するロータ組立体の回転中に前記ブッシュの第１のセットにおいてトルクの少なくとも第１の部分を担持するステップを含む、方法。
18. 前記第２及び第３のロータ構成要素の第２の対向するブッシュ受け部に配置されたブッシュの第２のセットを用いて前記第３のロータ構成要素の第３の回転軸を前記第２のロータ構成要素の第２の回転軸と整列させるステップを含み、前記ブッシュの第２のセット及び前記第２の対向するブッシュ受け部が、前記第１、第２、及び第３の回転軸の周りに配列され、
    前記方法が更に、
    前記ブッシュの第２のセットにおいて、前記第１、第２、及び第３のロータ構成要素を有するロータ組立体の回転中に前記トルクの少なくとも第２の部分を担持するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１及び第２のロータ構成要素においてボルト孔を通って延びるボルトの第１のセットを用いて前記ロータ組立体を保持するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
20. マスターツールを用いて複数のロータ構成要素を選別し、該複数のロータ構成要素から前記第１のロータ構成要素及び前記第２のロータ構成要素を選択するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。