JP2013509545A - 保護されていない環境で駆動部品のカップリングの空気通路を保護する方法、実施のためのカップリング、およびこの種のカップリング付きのロータライン - Google Patents

Abstract

本発明は、駆動部品の間のカービックカップリングにおける空気通路の封鎖を防止し、また保護要素の弱体化時の前記駆動部品の潜在的な損傷を防止することを目的とする。このために、本発明は、カービックカップリングのリングギヤによって軸方向アバットメントを形成することを考える。本発明によれば、カップリングは、２つのリング（２２、２４）を備え、各リングは、一方の駆動部品（１２、１４）の端部にあり、空気（Ｆ２、Ｆ４）がベアリング領域Ｚａの後ろをリングの歯の雄部分と雌部分との間を通過できると同時に、中心軸（Ｘ’Ｘ）を中心とする回転を前記駆動部品に伝達するように他方と係合される。リング（２２、２４）は、他方のリング（２２、２４）の上に取り付けられる駆動部品（１４、１２）を取り囲む要素（１９、１６）にそれぞれ面する外側リング延長部分（２２ｅ）および内側リング延長部分（２４ｉ）を形成するように、互いに対して少なくとも部分的に半径方向に延在される。本発明は、タービンエンジンのロータラインにて使用される。

Description

本発明は、保護されていない環境で、−遠心圧縮機のインペラ、軸流圧縮機、またはタービンホイールなどの−ターボ機械の駆動部品のカップリングの空気の通路を保護する方法に関する。装置の環境は、装置の異常運転状態（故障状態とも呼ばれる）下では、前記通路の障害を生じ、かつ／または、要素、特に焼嵌めにより部品の環状部分に一般に固締される保護要素の、移動または分離によって駆動部品を損傷しやすい場合には、「保護されていない（ｕｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄ）」と呼ばれる。

また、本発明は、本方法で使用されるカップリング、およびこの種のカップリングが装着されるターボ機械トランスミッションロータラインまたはシャフトに関する。

本発明は、遠心圧縮機、タービンホイール、またはトランスミッションのカップリング、またはターボ機械のロータラインなどの、モータの回転駆動部品を組み立てるための歯付きカップリング機構に関する。これらの部品は、２次空気流れに必要な空気の流れを可能にするのと同時に高応力を受ける。

また、このタイプのカップリングは、「カービックカップリング（ｃｕｒｖｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」とも呼ばれ、これは、「直歯平歯車カップリング（ｓｔｒａｉｇｈｔ ｓｐｕｒ ｇｅａｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」を意味する。

インペラ、および／または圧縮機ホイール、および／またはタービンホイールの間のこの種のカップリングは、たとえば特許文献、米国特許第５６２８６２１号明細書および米国特許第６６７２９６６号明細書によって知られている。これらの文献では、カービックカップリングは、歯付きリングの間の空気の通路を妨げるように分離されまたは移動されやすい要素を含みやすい環境に明確に曝されない。さらに、ギヤの空気通路を保護するために、いかなる手段も設けられない。それと反対に、文献米国特許第５６２８６２１号明細書は、歯付きリングに設けられる環状ハウジングの中にシールを導入することを規定している。

次いで、インペラ、または圧縮機、またはターボ機械ホイール、またはタービンには、環状保護要素、たとえば熱保護要素、またはロータとステータとの間の接合要素が装着され得る。これらの保護部品は、シース、プレート、または環状シールの形をとる。これらの部品は、通常、保護されるべきロータ（インペラまたはホール）の面に焼き嵌めされる。

カービックカップリング結合の場合は、インペラのまたはタービンもしくは圧縮機ホイールのこれらの内側保護要素は、万一焼嵌めがばらばらになっても特に有益なカップリングを保護するために、舌部によって延長される。これらの舌部は、たとえば向心二次空気システムからカップリングの空気の通路が逆流または乱れなしに保護されるように、軸方向長さ、環状幅、ならびにカップリングおよび駆動部品からの半径方向距離を有する。

使用が異常な状態の下では、焼嵌めは、ばらばらになる場合がある。この場合、この種の保護部品は、カップリングのレベルにおいて形成される空気の流れの閉塞を生じることがある。図１のダイヤグラム−ヘリコプタターボ機械の圧縮機のインペラ１２とインペラ１４との間のカービックカップリング１０を部分的に表している −で示されるように、その周囲にわたって配置される舌部１８およびラビリンスシール１９が設けられるシース１６は、インペラ１２およびインペラ１４にそれぞれ焼き嵌めされる。表されている要素は、中心軸Ｘ’Ｘを中心とする円形である。

米国特許第５６２８６２１号明細書 米国特許第６６７２９６６号明細書

万一焼嵌めがばらばらになっても、シース１６またはシール１９が、空気の２次流れＦｓの通路部分を妨げるようになり、それにより、その空気の２次流れ、たとえば加圧、冷却、シール等によって形成される機能の低下、または喪失さえももたらされる。

さらに、舌部１８は、インペラ１２の対向面から著しく突出しており、このことは、たとえば平面搬送面の舌部に載っているその組立体を配置するときに、またはインペラ１４までこの組立体を嵌め込んでみるときに、インペラ１２およびそのシース１６の組立体の取扱いに問題を生じる。この場合、舌部は、損傷され、またはシースがインペラの中に押圧されるので重要部位を損傷することがある。

さらに、分離された部品１６および１９は、それぞれインペラ１４および１２に突き当たり、それを損傷することがある。特に、シール１９は、その寿命に重要であるインペラ１２の湾曲の領域１３と接触し得る。クラックが形成し始める場合があり、起こりうる帰結は、クラックの伝播後の部品の破壊である。

本発明は、駆動部品間のカービックカップリングにおける２次空気システムの空気通路の障害というこれらの問題と、軸方向アバットメントを形成するカービックカップリングの歯付きリングを規定することによるそれらの駆動部品の潜在的な損傷とを防止することを目的としている。

より正確に言えば、本発明は、焼き嵌めされた要素と関連する駆動部品のロータの間の直歯平歯車カップリングにおける空気通路の保護のための方法を提供する。カップリングは、同時に空気が通過できるように、これらの部品の先端部の相互の噛み合いによって中心軸を中心として部品を回転駆動する。より詳細には、カップリングの先端部は、他の先端部に取り付けられる駆動部品を包囲する要素に面する少なくとも１つの外側延長部分または内側延長部分を形成するように、他の先端部に対して半径方向に少なくとも部分的に長くされる。用語「外側の（ｅｘｔｅｒｎａｌ）」および「内側の（ｉｎｔｅｒｎａｌ）」は、それぞれ、−中心軸に対して半径方向に延在する円形要素に関して、−中心軸に最も近くにかつそれから最も遠くに配置される最周辺部を限定する。

焼き嵌めされた要素−これは、内側要素または外側要素であり得る−の軸方向の分離の場合には、歯付きリングの内側および／または外側延長部分（複数可）は、カップリングを通る空気の半径方向流れを自由にしかつ分離された要素の軸方向衝撃を防止するアバットメントを形成する。さらに、本解決策により、保護舌部の存在をなしで済ますことができ、これは、インペラの操作およびロータの噛み合いを容易にする。

好ましい実施形態では、
少なくとも１つの外側半径方向延長部分、および少なくとも１つの内側半径方向延長部分、
延長部分が中心軸を中心とする少なくとも部分的に円形である、単一の外側延長部分および単一の内側延長部分、が形成される。

また、本発明は、本方法を使用するターボ機械の駆動部品のロータの間の直歯平歯車カップリングを提供する。そのカップリングは、歯をもつ２つのリングを含み、各リングは、１つの駆動部品の先端部にあり、中心軸を中心とする回転駆動を駆動部品に伝達するように他方と噛み合い、同時に、空気は、歯の雌部分の溝と雄部分の先端部との間を通過することができる。より詳細には、カップリングは、他方のリングに取り付けられる駆動部品を包囲する要素にそれぞれ面する少なくとも１つの外側リング延長部分または内側リング延長部分を形成するように、他方に対して少なくとも部分的に半径方向に延在される少なくとも１つのリングを含む。

特定の実施形態では、
各リングは、少なくとも１つの延長部分を有し、各延長部分は、外側および内側にあり、
一方のリングは、外側延長部分を有し、他方のリングは、内側延長部分を有し、
１つの駆動部品の延長した歯付きリングは、保護シースに堅固に固締され、この保護シースの特徴は、歯の雄部分と雌部分との間の溝のレベルのところの空気通路の軸方向深さに実質的に等しいかまたはそれよりも大きい長さの軸方向舌部であり、
延長部分は、プレーンベアリング係合で、または中心軸を中心とする回転面のセクタ上に配置される。

さらに、本発明は、燃焼によってエネルギーを変換するためのタービンと、燃焼を目的とする空気圧縮機とを含む、ターボ機械の軸線またはロータラインを提供し、ロータラインは、タービンによって供給されるエネルギーを圧縮機に伝達する。本発明によれば、ロータラインは、ターボ機械の圧縮機およびタービンの２つのロータ間に適切な数のカップリングを含んでいる。

本発明の他の利点および特徴は、添付の図を参照して与えられる次の詳細な説明によって明らかになり得る。

ターボ機械の圧縮機インペラの先行技術のカップリングの一部概略断面図である（既に注釈された）。 本発明のインペラのカップリングの例の概略一部断面図である。 本発明のインペラのカップリングの例の拡大して描かれた図である。 リングの歯の間の噛み合い部分の外側からの詳細半径方向図であり、空気通路を示す図である。 図２に示されるカップリングを含む２つのターボ機械ロータの間のカップリングの外側透視図である。 ラビリンスシールと、このシールのためのアバットメントとして役立ち得る対向する突出歯付きリングとの間の配置を示す、拡大して描かれた部分図である。 インペラのシースと、そのシースのためのアバットメントとして役立ち得る対向する突出歯付きリングとを含む、シャフトの異なる向きによる内部図である。 インペラのシースと、そのシースのためのアバットメントとして役立ち得る対向する突出歯付きリングとを含む、シャフトの異なる向きによる内部図である。 インペラのシースと、そのシースのためのアバットメントとして役立ち得る対向する突出歯付きリングとを含む、シャフトの異なる向きによる内部図である。

図２の概略断面図、および図２ａの拡大して描かれた対応する図を参照して、図１の要素によって繰り返されまたはそれに対応する要素は、同じ参照記号を使用している。インペラ１２および１４は、ブレードまたはベーンとも呼ばれるフィン１２ａおよび１４ａが設けられ、２つの歯付きリングを含む本発明のカップリング２０によって互いに噛み合う。これらのリングは、中心軸Ｘ’Ｘに面する外側延長部分２２ｅおよび内側延長部分２４ｉを有する。このカップリングは、図３を参照してより詳細に説明される。

さらに、シース１６は、インペラ１２の内側円筒状壁の部分と、歯付きリングがその先端部で形成するインペラの首部１２ｂとの上に焼き嵌めされる。インペラ１４の首部１４ｂの先端部で形成される他方の歯付きリングの内側延長部分２４ｉは、そのシースが分離されてくる場合に、シース１６のための軸方向アバットメントを形成する。

同様な方法で、ラビリンスシール１９−ステータ２５とシールを形作るように首部１４ｂの外側壁の上に焼き嵌めされる−は、万一シールが分離されてきても、インペラ１２のリングの外側延長部分２２ｅに当接するようになる。

全体的に、歯付きリング２２および２４が形成される対向する円筒状首部１２ｂおよび１４ｂは、他方のインペラ１２に対する一方のインペラ１４の縮小された内径および外径を除いて、ほぼ同じ半径方向厚さを有する。リングの歯は、技術的制約および運転状態を考慮すると十分に信頼性のある噛み合いを生じるのに十分な共通のレベルＨに亘って、ベアリング係合によって噛み合う。この場合、リングの間のカップリング２０は、リングの対応する半径方向減少量に表われ、したがって、インペラ１２のリングの外部周囲の特徴は、インペラ１４のリングに対する半径方向突出部２２ｅであり、他方のリングの内側周囲の特徴は、第１のものに対する内側半径方向突出部２４ｉである。

図２ａは、特に、リング２２およびリング２４の歯の間のハンチングが施されたベアリング領域Ｚａと、この図では矢印Ｆ１の間、および矢印Ｆ２の間を通過する２次空気の流れＦとを示している。示される例において向心流であるこの流れＦは、ベアリング領域Ｚａから出て行く。より正確に言えば、上から見た図３に見られるように、流れＦは、一方では、歯付きリング２２または歯付きリング２４の歯Ｄ２および歯Ｄ４の雌部分の溝底部Ｇ２および溝底部Ｇ４と、他方では、他方のリングの、それぞれ、対向する歯２４または歯２２の雄部分の先端部Ｍ４および先端部Ｍ２との間を通過する。対向する歯の溝底部と先端部との間の距離は、流れＦ１および流れＦ２の通路部分に対応するΔと後に呼ばれる。また、上からのこの図は、ラビリンスシール１９の端縁部分も示している。

図４および図４ａの外側正面図および拡大して描かれた図では、それぞれ、延長したインペラ１２の歯付きリング２２に面する、リング２４で終端するインペラ１４の首部の上に焼き嵌めされるラビリンスシール１９の位置が見られる。万一シールが分離されてきても、リング２２は、シール１９用のアバットメントとして役立つことができる。この場合、ラビリンスシール１９は、リング２２の延長部分２２ｅによって動けなくされるので、空気の流れの部分Ｆ２だけを妨げることができる。流れの他方の部分Ｆ１は、乱されない。

空気の流れの部分的な妨害を防ぐために、シールの特徴は、その外周に配置される環状舌部であることもある。この種の解決策は、シース１６に採用される。図２ａ、および拡大して描かれた内部表現を参照し、異なる角度で見られる図５ａから図５ｃのさらなる詳細図では、残りの舌部１８ｒは、シース１６の先端部で固定用ビード１６ａから突出している。

このように、先行技術の舌部１８（図１を参照されたい）は、それらの残る長さが流れＦ１の部分に対応する軸方向距離Δに少なくとも等しいように、切り取られている（図３を参照されたい）。したがって、万一焼嵌めがばらばらになっても、空気の流れは、実質的に乱されておらず、舌部１８ｒの間の空間Ｅにより、流れの部分Ｆ２は通過することができ、流れの部分Ｆ１は、リング２４の内側延長部分２４ｉによって保護される。図５ａから図５ｃでは、残りの舌部１８ｒの切れ目が、舌部１８ｒ、次の舌部（図示せず）とシース１６の先端部との間に生じる空間Ｅを作り出す。

本発明は、説明され、表現された実施形態に限定されるものではない。たとえば、他方のリングのこれらの雄部分と雌部分との間を通過する空気の流れの閉塞を防ぐように、それらの外側先端部または内側先端部にアバットメント軸方向前方突出部を有するリングの歯の雄部分を設けることができる。

同様に、他の形状、異なる大きさのカップリングの外側および内側半径方向延長部分、異なる部分の空気の流れが通過できる異なる溝底部距離、あるいは単一の外側または内側延長部分の存在を有する歯を設けることができる。形態に応じて、カップリングは、限定された範囲のものであることができ、または円形であるには及ばず、たとえばプレーンベアリング係合で構成される。

他の実施形態では、リングは、軸方向または半径方向の深さと同じ程度の形状で異なる形態から成る歯を有する。

Claims (9)

1. 包囲要素（１６、１９）と関連する駆動部品（１２、１４）のロータの間のカップリングで空気の通路を保護する方法であり、同時に空気（Ｆ、Ｆ１、Ｆ２）が通過できるように、カップリング（２０）が、部品の先端部（２２、２４）の相互の噛み合いによって中心軸（Ｘ’Ｘ）を中心として部品を回転駆動する方法であって、カップリングの一方の先端部（２２、２４）が、他方の先端部（２４、２２）に取り付けられる駆動部品（１４、１２）を包囲する要素（１９、１６）に軸方向に面する少なくとも１つの外側延長部分（２２ｅ）または内側延長部分（２４ｉ）を形成するように、他方の先端部（２４、２２）に対して半径方向に少なくとも部分的に延在されることを特徴とする、保護方法。
2. 少なくとも１つの外側半径方向延長部分（２２ｅ）および少なくとも１つの内側半径方向延長部分（２４ｉ）が形成される、請求項１に記載の保護方法。
3. 単一の外側延長部分および単一の内側延長部分が形成され、延長部分が、中心軸（Ｘ’Ｘ）を中心とする少なくとも部分的に円形である、請求項２に記載の保護方法。
4. 歯（Ｄ２、Ｄ４）をもつ２つのリング（２２、２４）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法を使用する機械の駆動部品のロータの間の直歯平歯車カップリングにして、各リングが、一方の駆動部品（１２、１４）の先端部にあり、中心軸（Ｘ’Ｘ）を中心とする従動回転を駆動部品に伝達するように他方と噛み合い、同時に、空気（Ｆ２、Ｆ４）が、歯（Ｄ２、Ｄ４）の雌部分の溝（Ｇ２、Ｇ４）と雄部分の先端部（Ｍ２、Ｍ４）との間を通過できる、直歯平歯車カップリングであって、他方のリング（２２、２４）に取り付けられる駆動部品（１４、１２）を包囲する要素（１９、１６）にそれぞれ軸方向に面する少なくとも１つの外側リング延長部分（２２ｅ）または内側リング延長部分（２４ｉ）を形成するように、他方に対して少なくとも部分的に半径方向に延在される少なくとも１つのリング（２２、２４）を含むことを特徴とする、直歯平歯車カップリング。
5. 各リングが、少なくとも１つの延長部分（２２ｅ、２４ｉ）を有し、延長部分が、外側および内側にある、請求項４に記載の直歯平歯車カップリング。
6. 一方のリング（２２）が、単一の円形外側延長部分（２２ｅ）を有し、他方のリングが、単一の円形内側延長部分（２４ｉ）を有する、請求項５に記載の直歯平歯車カップリング。
7. １つの駆動部品の延長した歯付きリングが、保護シース（１６）に堅固に固締され、この保護シース（１６）の特徴は、歯の雄部分と雌部分との間の溝（Ｇ２、Ｇ４）のレベルのところの空気通路の軸方向深さ（Δ）に実質的に等しいかまたはそれよりも大きい長さの軸方向舌部（１８ｒ）である、請求項４から６のいずれか一項に記載の直歯平歯車カップリング。
8. プレーンベアリング係合の形の、または中心軸を中心とする円形の延長部分が、局所化される、請求項４および５のいずれかに記載の直歯平歯車カップリング。
9. 燃焼によってエネルギーを変換するためのタービンと、燃焼を目的とする空気の圧縮機とを含むターボ機械ロータラインであって、請求項４から８のいずれか一項に記載する、ターボ機械の圧縮機およびタービンの２つのロータ間に適切な数のカップリング（２０）を含むことを特徴とする、ターボ機械ロータライン。

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