JP2015514192A - ねじの荷重配分 - Google Patents

Abstract

締結装置は、第１の端部から第２の端部まで延びるねじ山を備えるねじ切部材を有する。ねじ山は、山頂および谷底によって互いに接続された荷重側フランク面および遊び側フランク面によって提供されるねじ山形状を有する。おねじ部材では、山頂は山頂径を提供し、谷底は谷底径を提供するとともに隣接するねじ山の間に設けられる。第１の端部の近傍の少なくとも１つのねじ山は、他のねじ山に比べてねじ山の剛性を減少させる柔軟なねじ山形状を有し、ねじ山の間で軸方向荷重をより均一に分散させる。

Description

本発明は、例えば、タイシャフト連結部を用いて組み立てられた圧縮機ロータおよびタービンロータを含むガスタービンエンジンに関する。

本発明は、２０１２年４月２日出願の米国特許出願第１３／４３７１１２号の優先権を主張するものである。

ガスタービンエンジンは、空気を圧縮して燃焼部まで下流に送る圧縮機を含む。空気は、燃焼部で燃料と混合されて燃焼される。燃焼の生成物は、タービンロータを下流に通過し、タービンロータを回転させる。

例示的な一実施例では、圧縮機部は、スタックとして設けられた複数のロータ段またはロータ部を含む。従来は、これらの段は溶接によって分離不能なアセンブリとして、あるいはボルトフランジや取付けボルトを受ける他の構造体を用いたボルト締めによって分離可能なアッセンブリとして、１つずつ順に連結される。他の連結方法は、協働してロータ部を互いに締結するタイシャフトとねじ切部材を使用する。

ねじ切部材は、タイシャフトから持ち上がる、すなわち外向きに広がる傾向がある。これは、スタックに軸方向荷重がかかる箇所の近傍のねじ切部材の基部で典型的に起こる。持ち上がりは、ねじの不均一な軸方向荷重による。解決法の１つは、より均一なねじ荷重を得るためにタイシャフトとねじ切部材とで異なるねじピッチを使用することである。

本開示内容の例示的な形態による締結装置は、特に、第１の端部から第２の端部まで延びる第１のねじ切部材を含む。ねじ山は、山頂および谷底によって接続された荷重側フランク面および遊び側フランク面によって提供されるねじ山形状を有する。山頂は山頂径を提供し、谷底は谷底径を提供するとともに隣接するねじ山の間に位置する。第１の端部の近傍の少なくとも１つのねじ山が、他のねじ山に比べて剛性が減少した柔軟なねじ山形状を有する。

上述の締結装置の他の限定的でない実施例では、第１のねじ切部材は、おねじを提供し、第２のねじ切部材は、めねじを提供する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第１のねじ切部材は、おねじを提供するシャフトであり、第２のねじ切部材は、めねじを提供するハブまたはナットの一方である。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第２のねじ切部材のねじ山は、第１のねじ部分と第２のねじ部分を提供し、第１のねじ部分の谷底径は一定であり、第２のねじ部分の谷底径は第１のねじ部分から離れる方向で増加する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第２のねじ切部材のねじ山は、一定の山頂径を有する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第２のねじ切部材の第２のねじ部分は、谷底角に沿って先細となる谷底深さを有する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、谷底角は約３°である。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第２のねじ部分の山頂は第２の端部に向かって減少する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、ねじ山は一定のピッチを有する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、締結装置は、第１のねじ切部材に固定された第２のねじ切部材を含むことができ、第２のねじ切部材は第１のねじ切部材と同じピッチを有する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、ねじ山は軸に沿って延び、荷重側フランク面は第１のねじ切部材の軸の垂線周りに傾斜しており、遊び側フランク面は互いにほぼ平行である。第２のねじ切部材は、螺合する第１のねじ切部材の対応する荷重側フランク面と接触する荷重側フランク面を有する。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、ねじ山は軸に沿って延び、第２のねじ切部材の山頂径は、変化するとともに上記軸に対して山頂角に沿って延びる。山頂は、山頂角に沿って設けられる。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、締結装置は、第１のねじ切部材の荷重側フランク面とねじ山接触面で接触する荷重側フランク面を有する第２のねじ切部材を含みうる。第２の端部におけるねじ山接触面は、他のねじ山接触面よりも小さい。

上述のいずれかの締結装置の他の限定的でない実施例では、第２のねじ切部材の谷底径は一定であり、第１のねじ切部材と第２のねじ切部材は、一定である同じピッチを有する。

本開示内容は、添付図面とともに以下の実施形態を検討することによってさらに理解される。

タイシャフトを有する例示的なガスタービンエンジンの部分断面図である。 相対的に均一なねじ荷重を促進する第１および第２のねじ切部材の一形態の概略図である。 相対的に均一なねじ荷重を促進する第１および第２のねじ切部材の他の形態の概略図である。

図１は、概略的に示した燃焼部１２を含むガスタービンエンジン１０の例示的な部分、特に高圧スプールを概略的に示している。圧縮機部１４は、圧縮機スタックを提供するように設けられた複数の圧縮機ロータ１６を含む。タービン部１８が、タービンスタックを提供する複数のタービンロータ２０を有する。圧縮機ロータ１６およびタービンロータ２０は、一体を成すようにまたは別々に取り付けられたエアフォイルをそれぞれ支持する。図示のように、上流ハブ２２が、圧縮機ロータ１６の上流でタイシャフト２４と螺合する。図示の配置では、上流ハブ２２の左側（すなわち上流に）低圧圧縮機およびファン部を設けることができる。

上流ハブ２２は、圧縮機スタックの上流端部に配置され、下流ハブ２６が圧縮機スタックの下流側に配置されて最も下流の圧縮機ロータ１７と係合する。よって、圧縮機ロータのスタックは、上流ハブ２２と下流ハブ２６との間に挟まれ、タイシャフト２４によって締結されるとともに中間ナットすなわち中間接触部材２８によって固定される。図示の例では、下流ハブ２６は、タービンスタックに接する。タービンスタックは、下流ハブ２６とタービンナット２５との間に挟まれる。上流ハブ２２およびナットは、タイシャフト２４に設けられたおねじと協働するめねじを有する。

ねじにかかる応力を減少させて持ち上がりを防ぐために、ねじにかかる軸方向荷重を均一に分散させることが望ましい。このために、締結装置にねじ山が設けられており、いくつかのねじ山は少なくとも１つのねじ山の剛性を他のねじ山に比べて減少させる柔軟な（ｗｅａｋｅｎｅｄ）ねじ山形状を有し、これにより、ねじ山の間で軸方向荷重がより均一に分散される。

図２は、ねじ切タイシャフトの接続面のための例示的な締結装置の一例を示している。荷重側フランクおよび遊び側フランクの向きは、荷重の方向によって決まり、図示したものの対称の配置とすることもできる。締結装置は、第１のねじ切部材３０および第２のねじ切部材３２を含む。一例では、第１のねじ切部材３０はおねじであり、第２のねじ切部材３２はめねじである。一例では、第２のねじ切部材３２は、第１のねじ切部材と同じピッチを有する。第２のねじ切部材３２は、第１の端部３４と第２の端部３６との間で軸方向Ｘに延びるねじ山を含む。

第２のねじ切部材３２は、山頂４６および谷底４４で互いに接続された荷重側フランク面４８と遊び側フランク面５１によって提供されるねじ山形状を有する。第１のねじ切部材３０は、第２のねじ切部材３２の荷重側フランク面４８と接触する荷重側フランク面５０を備えるねじ山を有する。例では、荷重側フランク面４８，５０は、軸Ｘの垂線に対して傾斜しており、遊び側フランク面５１，５３は、互いにほぼ平行である。第１の端部３６におけるねじ山は、噛み合う荷重側フランク４８，５０の接触箇所に沿って総軸方向荷重の最も大きい部分を受け、第１の端部３４と第２の端部３６との間の続くねじ山は、徐々に総軸方向荷重のより少ない部分を受ける。

第２のねじ切部材の山頂４６は、一般に“山頂径”と呼ばれる内径４０を提供する。谷底４４は、一般に“谷底径”と呼ばれ、隣接するねじ山の間に設けられる谷の径４２を提供する。第１の端部３４の近傍に位置する少なくとも１つのねじ山は、ねじ山の剛性を第１のねじ山に比べて減少させる柔軟なねじ山形状を有し、これにより、続くねじ山に軸方向荷重が伝達され、ねじ山の間で軸方向荷重がさらに均一に分散される。

第２のねじ切部材３２のねじ山は、互いに異なる第１の部分３８と第２の部分３９とを有する。これらの部分は、一定の内径４０を有する。第１の部分３８の谷の径４２は一定である。第２の部分３９の谷の径は、第１の部分３８から離れる方向で第１の端部３４に向かって増加する。さらに、第１のねじ切部材３０および第２のねじ切部材３２の遊び側フランク面５１の間の間隙が第１の端部３４に向かって増加する。第２のねじ部分３９は、例えば約３°である谷底角５２で増加して先細となる谷底深さを有する。製造時には、谷底深さを増加させるために、ねじ山を形成する切削工具が第２のねじ部分３９に沿って一定の速度で径方向に前進される。谷底深さが増加し、かつピッチが一定なので、第２のねじ部分３９の山頂５４，５６は、第２の端部３４に向かって減少する。すなわち、山頂５６は、山頂５４よりも小さい。変化する谷の径は、徐々に薄くなる比較的弱くかつ柔軟な歯を提供し、これにより、第２の端部３４に比較的近いねじ山に比較的高い応力が分け与えられるとともに、典型的に応力が最も高い第１の端部３６におけるねじ山の応力が減少する。

図３を参照すると、第２のねじ切部材１３２のねじ山は、軸Ｘに沿って延びるとともに谷底１４４および遊び側フランク面１５１を含む。荷重側フランクおよび遊び側フランクの向きは、荷重の方向によって決まり、図示のものの対称の配置とすることができる。第２のねじ切部材の内径１４０、すなわち第２のねじ切部材の山頂径は、第１の部分１３８にわたって一定であり、第２の部分１３９にわたって軸Ｘに対して山頂角６０に沿って延びる。第１のねじ切部材１３０の山頂径および谷底径は、接合部の全長において軸Ｘに平行である。第２のねじ切部材のねじの山頂１５４，１５６は、山頂角６０に沿って設けられる。第１のねじ切部材１３０および第２のねじ切部材１３２は、ねじ山接触面５８で互いに接触する荷重側フランク面１４８，１５０を有する。ねじ山接触面５９は、他のねじ山接触面５８に比べて第２の端部３４において徐々に小さくなる。従って、山頂１５４，１５６は、第２の端部３４に向かって増加する。山頂１５６は、山頂１５４よりも大きい。徐々に径方向に短くなるねじ山が提供され、このようなねじ山は、第２の端部３４に比較的近いねじ山により高い応力を分け与えるとともに、第１の端部３６におけるねじ山にかかる応力を減少させ、ねじ山の間で軸方向荷重をより均一に分散させる。

第２のねじ切部材の谷の径１４２、すなわち谷底径は、一定であり、第１のねじ切部材１３０および第２のねじ切部材１３２は、一定である同じピッチを有する。製造時には、第２のねじ切部材１３２の谷底径の切削工具は、山頂角６０を形成するために、例えば、一定の速度で径方向に前進されるが、他の機械加工法も使用可能である。

例示的な実施例を開示したが、当業者であればわかるように、請求の範囲には特定の変更が含まれる。例えば、第１のねじ切部材および第２のねじ切部材は、タイシャフトやガスタービンエンジン以外の用途で使用可能である。第２の部材に関連して説明された谷底および山頂の変更は、第１の部材にも使用できる。ねじ山形状は、図２，図３に示したのこ歯ねじ形状と異なっていてもよい。上述およびその他の理由から、真の範囲および内容を定めるために以下の請求項の検討が必要である。

Claims (13)

1. 第１の端部から第２の端部まで延びるねじ山を備える第１のねじ切部材を有し、前記ねじ山は、山頂および谷底によって互いに接続された荷重側フランク面および遊び側フランク面によって提供されるねじ山形状を有し、前記山頂は山頂径を提供し、前記谷底は谷底径を有するとともに隣接するねじ山の間に位置しており、第１の端部の近傍の少なくとも１つのねじ山が、他のねじ山に比べて剛性が減少した柔軟なねじ山形状を有することを特徴とする締結装置。
2. 第１のねじ切部材はおねじを提供し、第２のねじ切部材はめねじを提供することを特徴とする請求項１記載の締結装置。
3. 第２のねじ切部材のねじ山は、第１のねじ部分および第２のねじ部分を提供し、第１のねじ部分の谷底径は一定であり、第２のねじ部分の谷底径は第１のねじ部分から離れる方向で増加することを特徴とする請求項１記載の締結装置。
4. 前記のねじ山は、一定の山頂径を有することを特徴とする請求項３記載の締結装置。
5. 第２のねじ部分は、谷底角に沿って先細となる谷底深さを有することを特徴とする請求項３記載の締結装置。
6. 前記谷底角は、約３°であることを特徴とする請求項５記載の締結装置。
7. 第２のねじ部分の山頂は、第２の端部に向かって減少することを特徴とする請求項３記載の締結装置。
8. 前記のねじ山は、一定のピッチを有することを特徴とする請求項１記載の締結装置。
9. 第１のねじ切部材に固定された第２のねじ切部材を備え、第２のねじ切部材は、第１のねじ切り部材と同じピッチを有することを特徴とする請求項８記載の締結装置。
10. 前記のねじ山は、軸に沿って延びており、前記荷重側フランク面は、第１のねじ切部材の軸の垂線周りで傾斜しており、前記遊び側フランク面は、互いに平行であり、第２のねじ切部材は、螺合する第１のねじ切部材の対応する荷重側フランク面と接触する荷重側フランク面を有することを特徴とする請求項９記載の締結装置。
11. 前記のねじ山は、軸に沿って延びており、第２のねじ切部材の山頂径は、変化するとともに前記軸に対して山頂角に沿って設けられていることを特徴とする請求項１記載の締結装置。
12. ねじ山接触面で第１のねじ切部材の荷重側フランク面と接触する荷重側フランク面を有する第２のねじ切部材を備え、前記ねじ山接触面は、第２の端部に向かって小さくなることを特徴とする請求項１１記載の締結装置。
13. 第２のねじ切部材の谷底径は一定であり、第１のねじ切部材および第２のねじ切部材は、一定である同じピッチを有することを特徴とする請求項１２記載の締結装置。

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