JP2015513044A - ターボ機械のシャフト機構 - Google Patents

Abstract

ターボ機械が軸に沿って延在するタイシャフトを含む。複数のロータがタイシャフトに取り付けられる。第１および第２のクランプ部材がタイシャフトに取り付けられるとともに、複数のロータとクランプ部材との間の複数の境界面においてクランプ荷重を作用させる。境界面の一つにおけるクランプ荷重が、その境界面の一つにおける全設計クランプ荷重の５％を上回る半径方向クランプ荷重を含む。一例では、クランプ部材の一つが、対向する第１および第２の端部の間に延在する第１の脚部を含んだハブによって提供される。第１の端部は、タイシャフトによって支持されるように構成されたフランジを提供する。第２の端部は、それぞれ半径方向および軸方向に延在する、第１および第２のハブ面を含む。第１の脚部は、軸方向に関して１５?〜７５?傾斜する。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンなどの軸流ターボ機械に関する。特に、本発明は、複数のロータを互いに固定し、かつトルクを伝達するように用いられるタイシャフト機構（tie shaft arrangement）に関する。

ターボ機械は通常、少なくとも一つの圧縮機段と、それに続く少なくとも一つのタービン段と、を含む。ターボ機械の一種は、圧縮機セクションを有する半径流ターボ機械であり、圧縮機セクションでは、軸流が圧縮されて圧縮機セクションから半径方向に放出され、圧縮半径流を形成する。

従来技術の一つの半径流圧縮機セクションは、タイシャフト機構を用いて回転するように固定された複数の圧縮機段を含む。こうした機構では、複数の独立した圧縮機ロータが、タイシャフトに取り付けられた２つのクランプ部材の間に締結される。各ロータが周方向に取り付けられたブレードを支持し、それらのブレードがロータにトルクを伝える。一例では、クランプ部材の少なくとも一つはナットなどのねじ付き要素であり、タイシャフトに締結されて、ロータにトルク伝達を可能にする軸方向クランプ荷重を生じさせる。ナットとロータの間にハブが同様に用いられうる。従来技術のタイシャフト機構では、隣り合うロータの間のトルク伝達を可能にするように軸方向のクランプ荷重に完全に依存している。

ターボ機械が軸に沿って延在するタイシャフトを含む。複数のロータがタイシャフトに取り付けられる。第１および第２のクランプ部材がタイシャフトに取り付けられるとともに、複数のロータとクランプ部材との間の複数の境界面においてクランプ荷重を作用させる。境界面の一つにおけるクランプ荷重は、その境界面の一つにおける全設計クランプ荷重の５％を上回る半径方向クランプ荷重を含む。

上記の更なる実施例では、半径方向クランプ荷重は、全設計荷重の４０％までの荷重であり、その残余が軸方向クランプ荷重を有する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、タイシャフトは高圧スプールである。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、ロータは高圧圧縮機ロータである。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、ロータの一つが、それぞれ、半径方向および軸方向に延在する面を提供する、第１および第２のロータ面を含み、半径方向クランプ荷重は、第２のロータ面に作用する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、第１のロータ面が、第２のロータ面の半径方向内側に配置される。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、第１および第２のクランプ部材のうちの一つは、全クランプ荷重を生じさせるようにそれぞれ第１および第２のロータ面と係合する、第１および第２のハブ面を提供するハブである。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、ハブが、対向する第１および第２の端部を有する第１の脚部を含む。第２の端部が、第１および第２のハブ面を提供する。第１の端部が、タイシャフトによって支持されるフランジを提供する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、タイシャフトは、ねじ付き面を含み、そのねじ付き面に固定されるとともに第１の端部を通してクランプ荷重を印加するように構成されたナットを有する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、第１の脚部が、軸に関して１５°〜７５°傾斜する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、ハブが、第１の脚部に接合した第２の脚部を含む。このハブは、圧縮機セクションとタービンセクションとの間に配置されて、それぞれ、圧縮機セクションおよびタービンセクションに対し、圧縮機クランプ荷重およびタービンクランプ荷重を提供するように構成される。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、境界面にフリクション・モディファイヤが設けられる。

一例では、クランプ部材の一つが、対向する第１および第２の端部の間に延在する第１の脚部を含んだハブによって提供される。第１の端部は、タイシャフトによって支持されるように構成されたフランジを提供する。第２の端部は、それぞれ半径方向および軸方向に延在する、第１および第２のハブ面を含む。第１の脚部は、軸方向に関して１５°〜７５°傾斜する。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、ハブが、第１の脚部と一体であるとともに、第１の端部と第２の端部との間に配置された接合部から第３の端部へと概ね軸方向に延在する、第２の脚部を含む。

上記のいずれかにおける更なる実施例では、第１および第２のハブ面の少なくとも一方にフリクション・モディファイヤが設けられる。

検討する際に、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより本発明の開示をさらに理解することができる。

一例のガスタービンエンジンの概略断面図。 一例のタイシャフト機構の拡大断面図。 図２に示すタイシャフト機構の一部の拡大図。 境界面のフリクション・モディファイヤを示すタイシャフト機構の一部を更に拡大した図。

一例のガスタービンエンジン１０を図１に概略的に示す。エンジン１０は、共通の軸Ａを中心として回転可能な低スプール１２および高スプール１４を含む。２つのスプール機構を示したが、本発明のタイシャフト機構に関連して追加の、またはそれよりも少ないスプールが用いられうることを理解されたい。

低圧圧縮機セクション１６および低圧タービンセクション１８が低スプール１２に取り付けられる。ギアトレイン２０が低スプール１２をファンセクション２２に連結しており、ファンセクション２２は、ファンケース３０内に配置される。本発明のタイシャフト機構は、他種のエンジンにも使用されうることを理解されたい。

高圧圧縮機セクション２４および高圧タービンセクション２６が高スプール１４に取り付けられる。燃焼器セクション２８が高圧圧縮機セクション２４および高圧タービンセクション２６の間に配置される。低圧圧縮機セクション１６、低圧タービンセクション１８、高圧圧縮機セクション２４、高圧タービンセクション２６、および燃焼器セクション２８は、コアケース３４内に配置される。

図１に示すエンジン１０が、コアケース３４を通る軸流路を提供する。タイシャフト３６が、図示の例では高スプール１４を提供するが、開示のタイシャフトがその他のスプールに用いられてもよい。開示のクランプ機構がエンジン１０の圧縮機セクションおよび／またはタービンセクションに用いられる。実施例のタイシャフト機構では、高圧圧縮機セクション２４の「ロータ３８」と集合的に称される、複数の高圧圧縮機ロータ３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄが互いにクランプ締めされて、ロータ３８をタイシャフト３６に固定するとともにトルクを伝達する。高圧タービンセクション２６のタービンロータ６２，６３が同様にタイシャフト３６に固定される。

図２を参照すると、高圧圧縮機セクション２４をより詳細に示す。ロータ３８がトルクを発生させるエーロフォイルを支持する。エーロフォイルは一体式のブレード３８ａ，３８ｂ，３８ｃでも独立式のブレード４０でもよい。第１および第２のクランプ部材４２，４４がタイシャフト３６に固定され、ロータ３８とクランプ部材４０，４２との間で、それらの部品の間の複数の境界面３９においてクランプ荷重を作用させる。軸方向境界面および半径方向境界面との間の摩擦を通してトルクがロータからロータへと伝達される。

実施例では、第１のクランプ部材４２は、タイシャフト３６の一端にねじ状に固定された前方ハブによって提供される。第２のクランプ部材４４が、タイシャフト３６の他方の部位に取り付けられた後方ハブによって提供されて、前方ハブおよび後方ハブの間でロータ３８をクランプ締めする。組立て時にタイシャフト３６のねじ切り面４９にねじ状に締結されたナット５０がロータのスタックに必要なクランプ予荷重を誘導する。

第２のクランプ部材４４は、一例では、接合部６０で互いに固定された第１および第２の脚部５２，５４を含む。第２のクランプ部材４４とタイシャフト３６との間に半径方向の作用のロス（loss of radial reaction）を生じさせ、延いては振動を生じさせうる、第１の脚部５２の下部の転がり（rolling）が、ナット５０によって防止される。この例では、第１および第２の脚部５２，５４は互いに一体式であり、単一構造を提供する。第１の脚部５２の第２の端部５６は、第１の端部４８の反対側に設けられる。第２の端部５６が最後部のロータ３８Ｄに接する。第２の脚部５４が概ね軸方向に延在するとともに、タービンロータ６２と係合してその高圧圧縮機セクション２４とのクランプ締結を提供する第３の端部を含む。主予荷重経路（main preload path）が第２の脚部５４と、第１の脚部５２の上部と、を通過する。第１の脚部５２の下部により、高スプールベアリング（図示せず）と、ナット５０の境界面との間に圧縮機セクション２４およびタービンセクション２６の径間支持部（midspan support）を提供し、ナット５０は、高圧圧縮機の組立て時に主予荷重経路を通して最終的な予荷重がかけられる前に一時的な予荷重を生じさせるように用いられる。ナット６５は、タービンロータ６２，６３を第２の脚部５４に主予荷重経路に沿ってクランプ締めする。

タイシャフト機構は、ハブ、ロータ、およびタイシャフトの間でトルクを伝達するように軸方向クランプ荷重および半径方向クランプ荷重の組合せに依存しており、それにより従来技術においては通常、完全に軸方向にかけられる全クランプ荷重を低減する。この目的を達成するため、第１の脚部５２の上部は、シャフト３６に対する半径方向荷重を生じさせ、転がりを防止するように、軸Ａに関して１５°〜７５°傾斜した角度Ｂで配置される。第１の脚部５２の下部により、第２の端部５６に半径方向クランプ荷重がもたらされるとともに、タイシャフトの境界面に半径方向荷重がもたらされる。この形状により、顕著な半径方向荷重が促されて、軸方向クランプ荷重の割合が低減され、上流の境界面の接触応力が低減される。第２の脚部５４は軸Ａに関して相対的に小さい角度をなし、この例では、軸Ａに関してほぼ平行である。

図３を参照すると、ロータ３８Ｄが例えば第１および第２のロータ面６４，６６を含む。第２の端部５６は、それぞれ、第１および第２のロータ面６４，６６と係合する、第１および第２のハブ面６８，７０を含む。第１のロータ面６４は、第２のロータ面６６の半径方向内側に配置されるが、必要に応じてその逆の配置を用いてもよい。トルク伝達は、それぞれ、軸方向予荷重を受ける垂直合わせ面と、締り嵌めから生じる半径方向荷重を受ける留め具（スナップ）と、の間の、軸方向摩擦と、半径方向摩擦との組み合わせによって達成される。第２のクランプ部材４４の構成は、ロータ面６６とハブ面７０との間に、一例では第２の端部５６とロータ３８Ｄとの間の全設計クランプ荷重の、例えば５〜４０％の半径方向荷重を発生させる。その結果、軸方向のクランプ荷重に完全に依存するタイシャフト機構に比べて、タイシャフト機構の部品寸法、厚さ、および／または重量が低減される。

隣接する部品間のトルク伝達をさらに向上させるように、基材の摩擦を増加させるフリクション・モディファイヤ（friction modifier）を境界面３９に使用してもよく、これは例えばニッケル合金である。フリクション・モディファイヤは、例えば、粗面処理、グリットブラスト、コーティング、噴霧、プラズマ、コロイド粒子、接着剤、ペースト、および／または添加剤によって提供される。フリクション・モディファイヤ７２が、図４に示す例の、第１および第２のハブ面６８，７０に概略的に示される。

例示の実施例について開示したが、特許請求の範囲内である程度の変更が行われうることが当業者にとって理解されるであろう。例えば、本発明のタイシャフトおよびクランプ機構は、その他のターボ機械にも使用しうる。したがって、本発明の真の範囲および要旨を画定するために以下の特許請求の範囲を検討すべきである。

Claims (15)

1. 軸に沿って延在するタイシャフトと、
   前記タイシャフトに取り付けられた複数のロータと、
   前記タイシャフトに固定された第１および第２のクランプ部材であって、前記複数のロータと該クランプ部材との間の複数の境界面においてクランプ荷重を作用させる、第１および第２のクランプ部材と、
   を備え、
   前記境界面の一つにおける前記クランプ荷重が、該境界面の一つにおける全設計クランプ荷重の５％を上回る半径方向クランプ荷重を含むことを特徴とする、ターボ機械。
2. 前記半径方向クランプ荷重は、前記全設計クランプ荷重の４０％までの荷重であり、その残余が軸方向クランプ荷重を備えることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記タイシャフトが、高圧スプールであることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記ロータが、高圧圧縮機ロータであることを特徴とする請求項３に記載のターボ機械。
5. 前記ロータの一つが、それぞれ、半径方向および軸方向に延在する面を提供する、第１および第２のロータ面を含み、前記半径方向クランプ荷重が、前記第２のロータ面に作用することを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
6. 前記第１のロータ面が、前記第２のロータ面の半径方向内側に配置されることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
7. 前記第１および第２のクランプ部材のうちの一つが、前記全設計クランプ荷重を生じさせるようにそれぞれ前記第１および第２のロータ面と係合する、第１および第２のハブ面を提供するハブであることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
8. 前記ハブが、対向する第１および第２の端部を有する第１の脚部を含み、前記第２の端部が前記第１および第２のハブ面を提供し、前記第１の端部が前記タイシャフトに支持されるフランジを提供することを特徴とする請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記タイシャフトが、ねじ付き面を含み、かつ、そのねじ付き面に固定されるとともに、前記第１の端部を通して前記クランプ荷重を印加するように構成された、ナットを備えることを特徴とする請求項８に記載のターボ機械。
10. 前記第１の脚部が、前記軸に関して１５°〜７５°傾斜していることを特徴とする請求項８に記載のターボ機械。
11. 前記ハブが、前記第１の脚部に接合した第２の脚部を含むとともに、このハブが、圧縮機セクションとタービンセクションとの間に配置されて、それぞれ、前記圧縮機セクションおよび前記タービンセクションに対し、圧縮機クランプ荷重およびタービンクランプ荷重を提供するように構成されることを特徴とする請求項８に記載のターボ機械。
12. 前記境界面にフリクション・モディファイヤが設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
13. 対向する第１および第２の端部の間に延在する第１の脚部を含むハブを備えたタイシャフトクランプ部材であって、前記第１の端部は、タイシャフトに支持されるように構成されたフランジを提供し、前記第２の端部は、それぞれ半径方向および軸方向に延在する、第１および第２のハブ面を含み、前記第１の脚部は、前記軸方向に関して１５°〜７５°傾斜することを特徴とする、タイシャフトクランプ部材。
14. 前記ハブが、前記第１の脚部と一体であるとともに、前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置された接合部から第３の端部へと概ね前記軸方向に延在する、第２の脚部を含むことを特徴とする請求項１３に記載のタイシャフトクランプ部材。
15. 前記第１および第２のハブ面の少なくとも一方にフリクション・モディファイヤが設けられることを特徴とする請求項１３に記載のタイシャフトクランプ部材。

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