JP2014202213A - ロータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ロータディスクのスタックの製造を容易にする。
【解決手段】第1のロータディスク1aと、第2のロータディスク1bとを備えるロータにおいて、第1のロータディスク1aは、少なくとも一方の側において第1の断続的なねじを提供しており、第2のロータディスク1bは、少なくとも一方の側において第2の断続的なねじを提供しており、第2のロータディスク1bの前記第2の断続的なねじは、前記第1のロータディスク1aの前記第1の断続的なねじに結合されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、ロータ、例えばガスタービン機関用のロータに関する。特に、本発明は、ロータのロータディスクの間の機械的な連結にも関する。
従来のガスタービン機関は、通常、3つのセクション、すなわち圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。燃焼器に進入する前に、作動媒体、通常は空気の圧力は、圧縮セクションによってほぼ増大される。次いで、圧縮された空気は、圧縮セクションから出て、燃焼器に進入し、燃焼器において燃料と混合され、燃焼プロセスが生じる。燃焼後、高温空気は燃焼器から出て、タービンへ供給される。
ガスタービン機関はロータを有する。ロータは、積み上げ作業においてディスクから組み立てることができ、この積み上げ作業において、圧縮機ディスク及びタービンディスクなどの構成部材は、回転軸線に沿って同軸に結合される。ロータのディスクを結合する様々な方法が提供されている。米国特許第3976399号明細書は、中央コネクティングロッドに積層されたロータディスクを開示している。米国特許第3976399号明細書のロータディスクは、締付リングによって締め付けられた半シェルによって所定の位置に保持されている。米国特許第3976399号明細書は、中央コネクティングロッドにロータディスクを熱収縮させることを開示している。米国特許第7384075号明細書は、ロータの構成部材間のねじ込み継手を開示している。ねじ込み継手は、付加的に、回転防止ロッキング機構によって固定される。米国特許第5537814号明細書及び米国特許第8100666号明細書は、タービンディスクを他のロータ構成部材と軸方向で締め付けるための、締付ナット及びタイシャフトを開示している。米国特許第4310286号明細書は、ロータのディスクを固定するためのボルト継手を開示している。
ガスタービン機関のロータディスクの間の機械的結合は、多くの競合する技術的要求を満たさなければならない:ガスタービン機関のロータはたわむことがあり、それにより、回転軸線とロータの質量中心とがもはや一致しなくなる。したがって、ガスタービン機関のロータディスクの間の結合は、ねじりに対して堅くされる。ガスタービン機関のロータディスクの間の結合は、1500又は15000rpmの作動速度をはるかに超えるロータの臨界速度のために設計される。
ガスタービン機関内の圧力は過酷となり得る。ガスタービン機関のロータは、対応する応力に耐えるよう設計される。
ロータディスクの新規のスタックは、その製造に伴う労力を最小限にする。特に、ロータディスクのスタックの製造は、特別な工具の使用を最小限にする。
ねじり剛性の前記要求にもかかわらず、ロータディスクの間の継手は、ロータが静止位置にあるときのディスクの容易かつ労力の少ない取外し及び交換を許容する。言い換えれば、メンテナンス又は修理の間にあらゆるロータディスクが容易に移動可能である。
米国特許第3976399号明細書 米国特許第7384075号明細書 米国特許第5537814号明細書 米国特許第8100666号明細書 米国特許第4310286号明細書
本発明は、前記必要性を提供すること及び前記困難を克服することに向けられている。
本開示は、ロータのディスクの間の改良された機械的結合に関する。ねじり剛性でかつ漏れ防止された結合を達成するために、相補的に結合されたロータディスクのそれぞれの側における断続的なねじが提案される。断続的なねじは、その表面が長手方向で複数のブランク若しくは切取りセクションに分割されているねじである。2つのロータディスクは、一回転の一部によって互いにロックされる。
2つのロータディスクを結合した後、第1のロータディスクの断続的なねじの表面と、第2のロータディスクの、相補的に形成されたナットの表面とが、整合する。2つの表面の整合は、ねじり剛性である結合を生じ、1500〜15000rpmをはるかに超えるロータの臨界速度を許容する。
相補的に結合されたロータディスクのそれぞれの側における断続的なねじは、同じ金属から形成することができる。それにより、異なる金属の使用による腐食の問題が排除される。
ロータディスクは、異なる金属、特に異なる鋼合金から形成することもできる。ガスタービン機関は、圧縮機のロータディスクと、燃焼器のロータディスクとに対して異なる合金が使用されることを要求する場合がある。本開示は、異なる金属又は合金から形成されたロータディスクが結合されることを許容する。
ロータを組み立てるために、2つ以上のロータディスクが係合させられ、一方のロータディスクが、他方のロータディスクに対して一回転の一部だけ回転させられる。この回転は、2つのロータディスクに共通の回転軸線を中心にして行われる。この軸線は、のちにロータの回転軸線となる。2つのディスクが結合されるやいなや、さらに別のロータディスクが、前に結合されたロータディスクのスタックに、前記ディスクとロータディスクのスタックとを係合させることによって結合される。このプロセスは、ロータの組立てが完了するまで継続する。
同様に、ロータの修理又はメンテナンスの間に、ディスクを一回転の一部だけ回転させることによってディスクはロータディスクのスタックから取り外される。この場合の回転方向は、2つのディスクが結合されたときの方向とは反対方向である。次いで、ディスクは、残りのスタックロータディスクから取り外すことができる。このプロセスは、ロータディスクのスタックが完全に分解されるまで継続してよい。
本発明の、前記課題、及び付随する利点の多くは、さらに容易に認められるであろう。なぜならば、それらは、添付の図面に関連して見た場合に以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるからである。
本出願によるロータディスクの断面図である。 前記ロータディスクの一方の側の三次元図である。 前記ロータディスクの他方の側の正面図である。 結合される前の2つのロータディスクの三次元図である。 ロータディスクのスタックの三次元図である。 本発明の別の実施の形態によるロータディスクの三次元図である。 他方の側からの図6のロータディスクの三次元図である。 図6及び図7による結合されたロータディスクの三次元図である。
図1は、本出願によるロータディスク1の断面図を示す。ロータディスク1は、リム3の外周に沿って配置された複数の突出部を有する。それぞれの側4,5において、ロータディスク1は、断続的なねじを提供している。ロータディスクのそれぞれの側部4,5における2つの断続的なねじは、相補的に形成されているので、ロータディスク1の一方の側4における断続的なねじは、別のロータディスクの反対の側5における断続的なねじと協働する。図1は、ロータディスクの一方の側5における断続的なねじが、複数のスロット6a,6b,6c,6dを有することを示している。スロット6a,6b,6c,6dは、好適にはロータディスク1の内周に沿って均等に配置されているので、隣接するスロットのそれぞれの対の間の距離は同じである。スロット6a,6b,6c,6dは、スロット6a,6b,6c,6dとリム3との間に配置された締付面7を提供している。スロット6a,6b,6c,6dは、支持部分8をも有する。支持部分8は、2つのロータディスクが結合されている及び/又は使用されているときにスロット6a,6b,6c,6dに加えられる機械的な力を支持する。好適な実施の形態において、各スロット6a,6b,6c,6dの支持部分8は、リム3と同じ材料から形成されている。
ロータディスク1の他方の側4において、セグメント9a,9b,9cが配置されている。ロータディスク1の一方の側4における各セグメントは、ディスク1の他方の側5におけるスロットと相補的である。好適な実施の形態では、セグメント9a,9b,9cは、ロータディスク1の他方の側5におけるスロット6a,6b,6c,6dと同様に均等に配置されている。
セグメント9a,9b,9c及びスロット6a,6b,6c,6dは、プラグ及びソケットのように作用するように配置されている。好適な実施の形態では、セグメント9a,9b,9cは、各スロット6a,6b,6c,6dによって提供された締付面7へ滑り込むことができる。この実施の形態では、スロット6a,6b,6c,6dの締付面7は、それらの端部のうちの一方に向かって狭まっている。セグメント9a,9b,9cは、同様に狭まっている。これにより、セグメント9a,9b,9cの表面と締付面7の表面とが係合するまで、セグメント9a,9b,9cは締付面7へ滑り込むことができる。セグメント9a,9b,9cが最終的にスロット6a,6b,6c,6d内に食い込まされると、2つの隣接するディスクの間に堅い結合が形成される。
別の実施の形態では、セグメント9a,9b,9cがスロット6a,6b,6c,6d内に滑り込むことができる前に、スロット6a,6b,6c,6dを備えたディスク1は加熱される。スロット6a,6b,6c,6dを備えたディスク1を加熱することにより、材料が膨張するので、各締付面7の内径が増大する。セグメント9a,9b,9cは、次いで、スロット6a,6b,6c,6d内に滑り込む。セグメント9a,9b,9cを導入した後、スロット6a,6b,6c,6dの温度は低下し、ねじり剛性を有するロータを提供する堅い結合が形成される。次いで、セグメント9a,9b,9cは、スロット6a,6b,6c,6dの締付面7に内向きの力をも加える。内向きの力は、ロータディスク1がロータの一部として回転するときに遠心力に反作用する。言い換えれば、熱処理は、ねじり剛性を生じるのみならず、ロータが使用されるときに遠心力の補償も生じる。
図1に示したようにスロット6a,6b,6c,6dの締付面7がディスク1の回転軸線から外方を向いていることが言及されるべきである。別の実施の形態では、スロット6a,6b,6c,6dの締付面7は、内方を向いていてもよい。この実施の形態は、その表面が外方を向いているセグメント9a,9b,9cを必要とする。
図2は、本出願によるロータディスク1の三次元図を提供する。この三次元図は、一方の側4から見た図1のロータディスク1を示している。図2は、等間隔に配置された合計で6つのセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fを示している。この特定の実施の形態では、ロータディスク1の回転軸線から測定された2つの隣接するセグメントの間の角度は、60°である。また、図2に示されたセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fは、曲がった円筒の形状を有する。別の実施の形態では、セグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fの断面は、三角形又は矩形であってよい。
図3は、図1のロータディスク1の正面図を示す。図3は、他方の側5から見た図1のロータディスク1を示す。図3は、ロータディスク1の内周に沿って均等に分布させられた合計で6つのスロット6a,6b,6c,6d,6e,6fを示す。スロット6a,6b,6c,6d,6e,6fは、隣接するロータディスクの他方の側4における、相補的に形成されたセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fと合致するように配置されている。
図4は、結合される前の一対のロータディスク1a,1bを示す。2つのロータディスク1a,1bは、図1〜図3に示されたディスクに対応する。第1のロータディスク1aは、第2のロータディスク1bのセグメント9a,9b,9cの配置に合致するスロット6a,6b,6cの配置を提供している。2つのロータディスク1a,1bを結合するために、ディスク1a,1bの相補的な面は係合させられ、一方のディスクは、他方のディスクに対して一回転の一部だけ回転させられる。図4に示された特定の実施の形態では、合計で6つのセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9f及び6つのスロット6a,6b,6c,6d,6e,6fが設けられているので、一方のディスクは他方のディスクに対して60°だけ回転させられる。
スロット6a,6b,6c,6d,6e,6fの締付面7と、セグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fの表面とは、ディスク1a,1bが結合されたときに締め付けられる。したがって、好適な実施の形態では、ディスク1a,1bの間の締め付けられた継手は、基本的に漏れが防止される。
2つのロータディスク1a,1bを解離させるために、上述のプロセスは逆の順序で行われる。熱処理を用いることもできる。スロット6a,6b,6c,6d,6e,6fを備えたディスク1aは、他方のディスク1bよりも速い速度で加熱されなければならない。熱処理がスロット6a,6b,6c,6d,6e,6fの表面とセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fの表面との間に隙間を生じるやいなや2つのディスク1a,1bは解離される。ディスク1aを他方のディスク1bよりも速く加熱するために、誘導加熱が用いられてよい。ロータディスク1a,1bの解離は上記プロセスを逆の順序で行うことだけを必要とするので、ロータの容易な取外しを提供する。
図4は、接合される前の一対のロータディスクを示しているが、図5は、上述のように結合された5つのロータディスク1a,1b,1c,1d,1eのスタックを示している。図5によれば、それぞれの側における、相補的な、断続的なねじによって複数のロータディスクを結合することができる。結合されたロータディスクの結果として生じたスタックは、その臨界速度が1500〜15000rpmをはるかに超える、ねじり剛性のロータを形成する。
図5は、ロータディスクのスタックがロータディスクの共通の中心軸線に沿って開口を提供していることも示している。全てのロータディスクに共通の開口は、シャフトなどの他のエレメントが開口内に配置されることを可能にする。これにより、圧縮機用と、ガスタービン機関のタービンセクション用の別個のシャフトを配置するための、ロータディスクのスタック内の十分なスペースが存在する。
図5に示されたロータディスク1a,1b,1c,1d,1eは全て同じ直径を有する。別の実施の形態では、本出願によるロータディスクは、ロータディスクの直径が異なる場合に結合される。
図6は、本出願の別の実施の形態によるロータディスク1を示す。図6のロータディスク1は、突出したリム10を有する。リム10は、側壁に配置された複数のウェッジ11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11hを提供している。好適な実施の形態では、ウェッジ11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11hは、外側リム10の側壁の周囲に沿って均等に配置されている。この図6は、合計で8つのウェッジを示している。リム10と、ウェッジ11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11hとは、図3のスロット6a,6b,6c,6d,6e,6fのように、断続的なねじを形成している。
図7は、図6に示された断続的なねじと相補的な断続的なねじを備えたロータディスク1を示す。ロータディスク1は、側壁に沿って複数のウェッジ13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13hを備えた溝12を提供している。これらのウェッジは、図2に示されたセグメント9a,9b,9c,9d,9e,9fに置き換わっている。好適な実施の形態では、突出したリム10のウェッジ11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11hと、溝12のウェッジ13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13hとは、同じ材料から形成されている。異なる材料も可能である。
図6及び図7に示されたロータディスクを結合するために、図6の突出したリム10は、図7に示された溝12に導入される。次いで、リム10における外面と溝12の側壁とが締め付けられるまで、ディスクのうちの一方が他方のディスクに対して一回転の一部分だけ回転させられる。次いで、2つのロータディスクは堅く結合される。図8は、接合された後の2つのこのようなロータディスクを示す。2つのロータディスクを解離させるために、このプロセスは逆の順序で行われる。
図8は、個々のロータディスク1又はロータディスクのスタックを貫通した複数の冷却ダクト14も示す。ロータディスクの間の締め付けられた結合は、ディスクの間の溶接された結合を回避する。もはやロータディスクを溶接する必要がないので、溶接の間に誤って冷却ダクト14を塞いでしまうリスクが一切排除され、冷却チャネルの設計上のより大きな自由度が達成される。
ロータディスクを結合するプロセスは、ロータディスクのスタックが形成されるまで継続されてよい。図5はこのようなスタックを示す。また、上で説明したような熱処理は、ロータディスク間の結合の剛性を高め、遠心力対抗手段として作用する残留焼ばめ応力による材料の最大限の利用が提供される。
この開示は、ガスタービン機関に関する断続的なねじを備えたロータディスクから形成されたロータを説明している。別の実施の形態では、同じロータ及び同じロータディスクは、タービン発電機のロータの一部を形成する。水車発電機などのその他の用途も想定されている。
本発明は、好適な実施の形態に関して完全に説明されたが、本発明の範囲に変更が加えられてよく、本出願をこれらの実施の形態によって限定されるものと考えず、しかし以下の請求項の内容による。
1 ロータディスク
1a,1b,1c,1d,1e,1f 個々のロータディスク
2 突出部
3 リム
4 ロータディスクの側
5 ロータディスクの側
6 スロット
6a,6b,6c,6d,6e,6f 個々のスロット
7 締付面
8 支持部分
9 セグメント
9a,9b,9c,9d,9e,9f 個々のセグメント
10 突出したリム
11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h ウェッジ
12 溝
13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13h ウェッジ
14 冷却ダクト

Claims (15)

  1. 第1のロータディスク(1a)と、
    第2のロータディスク(1b)と、を備えるロータにおいて、
    前記第1のロータディスク(1a)は、少なくとも一方の側(4)において第1の断続的なねじを提供しており、
    前記第2のロータディスク(1b)は、少なくとも一方の側(5)において第2の断続的なねじを提供しており、
    前記第2のロータディスク(1b)の前記第2の断続的なねじは、前記第1のロータディスク(1a)の前記第1の断続的なねじに結合されていることを特徴とする、ロータ。
  2. 各ロータディスク(1a,1b)は、前記ロータの回転軸線に関して実質的に対称的である、請求項1記載のロータ。
  3. 前記ロータディスク(1a,1b)は、互いに直接に結合されるのに適している、請求項1又は2記載のロータ。
  4. 前記ロータディスク(1a,1b)のうちの少なくとも一方は、両方の側(4,5)において2つの断続的なねじを提供している、請求項1から3までのいずれか1項記載のロータ。
  5. 前記第1のロータディスク(1a)は、側壁を備えた突出したリム(10)を備えた第1の断続的なねじを提供しており、前記突出したリム(10)の側壁に沿ってウェッジ(11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h)の第1のセットが配置されており、
    前記第2のロータディスク(1b)は、側壁を備えた溝(12)を有する第2の断続的なねじを提供しており、前記溝(12)の側壁に沿ってウェッジ(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13h)の第2のセットが配置されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のロータ。
  6. 前記ウェッジ(11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h)の第1のセットは、前記突出したリム(10)の前記側壁に沿って均等に配置されており、前記ウェッジ(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13h)の第2のセットは、前記溝(12)の前記側壁に沿って均等に配置されている、請求項5記載のロータ。
  7. 前記ウェッジ(11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h)の第1のセットは、8つのウェッジを含み、前記ウェッジ(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g,13h)の第2のセットは、8つのウェッジを含む、請求項5又は6記載のロータ。
  8. 前記第1のロータディスク(1a)は、複数のスロット(6a,6b,6c,6d,6e,6f)を有する断続的なねじを提供しており、前記第2のロータディスク(1b)は、複数のセグメント(9a,9b,9c,9d,9e,9f)を有する断続的なねじを提供している、請求項1から4までのいずれか1項記載のロータ。
  9. 各スロット(6a,6b,6c,6d,6e,6f)は、締付面(7)を有する、請求項8記載のロータ。
  10. 前記第1のロータディスク(1a)のスロット(6a,6b,6c,6d,6e,6f)は、前記第1のロータディスク(1a)の内周に沿って均等に配置されており、前記第2のロータディスク(1b)のセグメント(9a,9b,9c,9d,9e,9f)は、前記第2のロータディスク(1b)の内周に沿って均等に配置されている、請求項8又は9記載のロータ。
  11. 前記第1のロータディスク(1a)は、6つのスロット(6a,6b,6c,6d,6e,6f)を提供しており、前記第2のロータディスク(1b)は、6つのセグメント(9a,9b,9c,9d,9e,9f)を提供している、請求項8から10までのいずれか1項記載のロータ。
  12. 請求項1から11までのいずれか1項記載のロータを備えるガスタービン機関。
  13. 請求項1から11までのいずれか1項記載のロータを備えるタービン発電機。
  14. 第1のロータディスク(1a)と第2のロータディスク(1b)とを直接に接合する方法であって、
    前記第1のロータディスク(1a)は、少なくとも一方の側(4)において、断続的なねじを提供しており、
    前記第2のロータディスク(1b)は、少なくとも一方の側(5)において、断続的なねじを提供しており、
    前記第2のロータディスク(1b)の前記断続的なねじは、前記第1のロータディスク(1a)の前記断続的なねじと相補的である、方法において、該方法は、
    前記第1のロータディスク(1a)の前記第1の断続的なねじを前記第2のロータディスク(1b)の前記第2の断続的なねじと係合させることによって前記第1のロータディスク(1a)を前記第2のロータディスク(1b)と結合させ、
    前記第1のロータディスク(1a)を前記第2のロータディスク(1b)に対して一回転の一部だけ回転させることを含むことを特徴とする、第1のロータディスクと第2のロータディスクとを直接に接合する方法。
  15. 一方のロータディスク(1a,1b)の前記断続的なねじのサイズが、2つのロータディスク(1a,1b)の前記断続的なねじを係合させる前に加熱することによって増大される、請求項14記載の方法。
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