JP4058030B2 - ターボ機械のタービンホイール及びそのようなホイールの組立方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般に、タービンディスクとこのタービンディスクに取り付けられた複数のセグメントとを備えるタイプのターボ機械のタービンホイール（羽根車）に関する。

また、本発明は、そのようなタービンホイールのための組立方法に関する。

従来、従来技術で知られているように、ターボ機械のタービンホイールは、タービンディスクと、タービンディスクに取り付けられた複数のブレードとを備えており、各ブレードは、径方向内側部分から延在し且つ「リブ付き嵌合部（リブ・フィティング）」として知られる保持形状を成す根元部を備えている。

ブレードをタービンディスクに組み付けるため、タービンディスクには、通常、略軸方向に延びる一連の溝が設けられている。この溝は、径方向外側に開口するとともに、前述した「リブ付き嵌合部」の形状を補完する相補的な形状を成している。また、この場合、ブレードは、このタービンディスクによって所定の位置に保持されるように交互に挿入されても良い。

この解決策は、既存のターボ機械のタービンにおいては非常に一般的であるが、多くの重大な欠点を有している。

まず第１に、ブレードの根元部およびタービンディスクの相補的形状（すなわち歯）は、タービンホイールの回転中に生じる大きな径方向の力にもかかわらず、これらの部材が互いに対して所定位置に強固に保持されるようにするため、必然的に、比較的大型である。無論、これらの大きな体積により、重量が制約され、材料のコストが制約される。また、ブレードの「リブ付き」形状およびディスクによる製造の複雑化により、製造コストが無視できない程大きくなる。

また、従来におけるこの種の解決策を用いると、所定の根元部が多数のブレードを支持できないことは明らかであり、ブレードの数は、通常、２枚以下である。このことは、特に、より多くのブレードが同じ根元部に存在していると、根元部およびこれらのブレードをディスクに挿入するために必要な切り欠きが長く及び／又は厚くなってしまうという事実に起因している。この場合、製造コストの低減という相対的な利益を考慮すると、「ブレード−ディスク」アセンブリの重量が許容できないほど大きくなることは明らかである。

この場合、かなりの数のブレードをセグメントに取り付けることができず、したがって、周方向に長いセグメントを形成することができないという従来技術において起こり得ることが主な欠点である。セグメントの周長が短いため、タービンディスクの周囲に取り付けられるセグメントの数が増え、直接に隣り合う２つのセグメント間で封止（シール）される空間の数が増える。

また、この種の実施形態では、第１にタービンディスクとセグメントとの間で、また、第２にセグメント同士の間で、十分な封止を得ることができない。通常、フランジシステムによってタービンディスクに接続される上流側ラビリンスを加える必要がある。したがって、上流側ラビリンスは、取り付けられたタービンブレードのための軸方向ストッパとして機能することができ、また、ディスクとブレードとの間のクリアランスを通じてタービンホイールを通過できるタービン流から生じる高温ガスの望ましくないクロスオーバー（交差）からブレード冷却回路を保護することができる。従来技術にしたがって上流側ラビリンスを付加すると、ブレードに冷却空気を供給するための上流側での中間チャンバの形成に関与するため、タービンディスクとセグメントとの間での冷却空気の流通が大幅に減る。

しかしながら、必要とされる上流側ラビリンスは、重量がある大きな部品であり、製作するのが極めて複雑であるため、特に余計なコストがかかるという点では、その存在が非常に重大な欠点である。
西独国特許出願公開第１２４７３３５号明細書 米国特許第２８５７１３２号明細書 米国特許第２４０１８２６号明細書

したがって、本発明の目的は、タービンディスクとこのタービンディスクに取り付けられた複数のセグメントとを有するターボ機械のタービンホイールであって、従来技術に係る実施形態に関連する前述した欠点の少なくとも部分的に解消するタービンホイールを提供することである。

本発明の他の目的は、そのようなタービンホイールの組立方法を提供することである。

これを実現するため、本発明の第１の対象は、タービンディスクと、このタービンディスクに取り付けられる複数のセグメントとを備え、各セグメントが、根元部と、この根元部に固定された少なくとも１つのブレードとを備えているターボ機械のタービンホイールである。タービンディスクは上流側リブおよび下流側リブを備え、これらのリブはそれぞれ、ホイールの長手方向主軸を中心にほぼ環状方向に延びるとともに、ディスクの径方向端部に至るまで径方向に延び、タービンディスクに取り付けられた各セグメントは、根元部の一部を形成し且つ上流側リブの径方向外側端部を形成する相補的上流側係合手段と協働することができる上流側係合手段と、根元部の一部を形成し且つ下流側リブの径方向外側端部を形成する相補的下流側係合手段と協働することができる下流側係合手段とを使用して、タービンディスクにより外側径方向に保持される。また、タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブは、それらが離間された係合位置（エンゲージ・ポジション）から近接位置（クローズ・ポジション）へと或いはその逆方向へと移動できるように形成され、それにより、各セグメントをタービンディスクに組み立てる（組み込む）ことができるようになっている。本発明によれば、上流側リブまたは下流側リブのうちの少なくともいずれかは、リブに圧力を加え且つ加えた圧力を解放することによりそれぞれこれらのリブが離間位置から近接位置へ及び近接位置から離間位置へと移動できるように弾性的に形成されている。

本発明に係るタービンホイールの特定の構造は、特に、上流側および下流側リブを互いの方向へ移動させてこれらの部分を所定の位置に配置できるようにすることのみによって、タービンディスクに組み立てられることが有利である。効果的には、上流側および下流側リブがその近接位置に位置する際に、上流側リブおよび下流側リブが離間された係合位置にあるときに相補的上流側係合手段および相補的下流側係合手段が占める位置から、相補的上流側係合手段および相補的下流側係合手段が十分に離れるように、タービンディスクが有利に形成され、それにより、各セグメントおよびタービンディスクを互いに挿入して、セグメントを取り付けることができる。

すなわち、近接位置において、相補的上流側および下流側係合手段は、十分に近接しており、そのため、ホイールの内側に向けたセグメントの径方向移動によりセグメントがタービンディスク内に挿入される際、根元部にある上流側および下流側係合手段のためのストッパを形成しない。その結果、各セグメントは、セグメントの上流側係合手段よりも更に下流側にある相補的上流側係合手段およびセグメントの下流側係合手段よりも更に上流側にある相補的下流側係合手段によって、それぞれ妨げられることなく、タービンディスクに対して径方向に自由に移動することができる。

また、全てのセグメントがタービンディスクの所定の位置に位置決めされると、上流側および下流側リブは、再び、その離間された係合位置へと移動できる。この係合位置において、相補的上流側および下流側係合手段は、その主な機能を果たすことができる。すなわち、相補的上流側および下流側係合手段は、上流側および下流側係合手段と協働して各セグメントをタービンディスクから径方向外側に保持することができる。

なお、この場合、本発明に係るタービンホイールは、上流側および下流側リブが近接された後、その離間された係合位置へ移動されると直ぐに、タービンディスクに対するセグメントの組み立てを完了できるようになっており、あるいは、組み立てがその後に後述する別個の作業を伴うようになっている。

上流側および下流側リブがその離間された係合位置へと移動される際にセグメントの組み立てが終了する第１のケースにおいて、様々な係合手段は、上流側および下流側リブをその離間された係合位置へ単に移動させるだけでこれらの係合手段同士が自動的に係合するような構成を成していても良い。すなわち、上流側および下流側リブがその離間された係合位置を占めると、セグメントの上流側および下流側係合手段がタービンディスクの相補的上流側および下流側係合手段とそれぞれ協働し、それにより、セグメントがディスクに対して外側径方向に自動的にブロックされる。なお、この構成は、特に、タービンディスクに対してセグメントを径方向外側にブロックするだけでなく、これらのセグメントを径方向内側にもブロックする係合手段を設けることによって得られても良い。これにより、これらのセグメントのうちの幾つかの上流側および下流側係合手段が、重力によって相補的上流側および下流側係合手段から外れてしまうことを防止できる。したがって、これらの状態下で、組み立てが完了すると、セグメントは、タービンディスクに対して径方向に自由に移動できない。

また、逆に、セグメントが取り付けられた状態（上流側および下流側リブをその離間された係合位置へ移動させるだけで得られる）で、セグメントを限られた範囲内でタービンディスクに対して径方向に移動させることができ且つセグメントを様々な係合手段によって外側径方向に保持できるような構成を成すこともできる。このようにすると、特にホイールが回転していないときに、幾つかのセグメントの上流側および下流側係合手段は、重力に起因して、タービンディスクの相補的上流側および下流側係合手段と協働せず、これにより、これらの対応するセグメントは、タービンディスクと接触した状態で径方向内側に停止し、したがって、それらがタービンディスクによって外側径方向に保持される位置とは反対の位置に配置される。すなわち、この構成においては、ホイールが回転しているときだけ、形成される遠心力により、全てのセグメントの上流側および下流側係合手段とタービンディスクの相補的上流側および下流側係合手段とが係合し、その後、協働する。これらの動的条件下で、タービンディスクのこれらの相補的上流側および下流側係合手段は、セグメントの上流側および下流側係合手段のための径方向外側のストッパとして機能する。

第２のケースにおいては、上流側および下流側リブをその離間された係合位置へ移動させるだけでなく、後述するように全てのセグメントの上流側および下流側係合手段とタービンディスクの相補的上流側および下流側係合手段との間の恒久的な協働を得る目的で補助的な動作を行なうことにより、セグメントが組み立てられる。

このように、本発明に係るタービンホイールにおいて採用される構成とは関係無く、タービンホイールは、各セグメントに設けられるブレードの最大数に関して殆ど制限を課さない。そのため、これらのセグメントの数がかなり減少し、したがって、直接に隣り合う２つのセグメント同士の間で封止される空間の数も、従来技術に係る実施形態で使用される空間の数に比べて減少する。その結果、当然、タービンホイールの全体的な封止性も著しく向上する。

また、各セグメントに複数のブレードを設けることによってセグメントの数を減らすことができることにより、製造コストおよび組み立てコストを著しく低減することができる。

最後に、上流側係合手段と相補的上流側係合手段との間の協働を最初に果たし、次に、下流側係合手段と相補的下流側係合手段との間の協働を行なうことにより、タービンディスクとセグメントとの間で完全に満足できる上流側および下流側封止を得ることができ、それにより、冷却空気をブレードに供給するための上流側ラビリンスを形成する必要がもはや無くなる。

無論、上流側ラビリンスをもはや必要としないことにより、タービンホイールの製造コストも著しく低減できる。

タービンディスクの上流側および下流側リブはそれぞれ、弾性を有していることが好ましい。このようにすると、これらのリブの離間された係合位置が静止位置（レストポジション）に対応するようにタービンホイールを形成することにより、これらのリブに力を加えてこれらのリブを変形させるだけで、これらのリブを離間された係合位置から近接位置へと簡単に移動させることができる。また、前述したように、離間された係合位置への復帰は、加えた力を解放することにより、これらのリブの弾性によって自動的に行なわれる。

無論、本発明の概念から逸脱しない範囲で、２つの上流側および下流側リブのうちの一方だけに力を加えてリブを変形させ、その後、近接位置に達するために必要な力を加えるようにすることもできる。

相補的上流側および下流側係合手段は、ホイールの長手方向主軸を中心に環状を成して延びており、セグメントの各根元部の上流側および下流側係合手段は、セグメントの根元部全体にわたって周方向に延びる同じ軸を有する環状部をそれぞれが形成するように構成されていることが好ましい。これにより、様々な係合手段同士の協働長さが周方向で長くなるため、タービンホイールの回転中に形成される径方向の力に容易に抵抗し得るセグメントのための有効な機械的支持を得ることができる。また、このような構成により、第１にセグメント同士の間の封止を、また、第２にセグメントとタービンディスクとの間の封止を十分に確保することができる。

相補的上流側および下流側係合手段および各セグメントの根元部の上流側および下流側係合手段はそれぞれ、セグメントを外側径方向でブロックするのに非常に適したフック状の縦断面を有していることが好ましい。

また、相補的上流側係合手段が、上流側方向に突出し且つ径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口を形成するフック状の縦断面を有し、上流側係合手段が、下流側方向に突出し且つ径方向外側にほぼ方向付けられた係合開口を形成するフック状の縦断面を有し、相補的下流側係合手段が、下流側方向に突出し且つ径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口を形成するフック状の縦断面を有し、下流側係合手段が、上流側方向に突出し且つ径方向外側にほぼ方向付けられた係合開口を形成するフック状の縦断面を有するような構成を成すこともできる。

これらの条件下で、セグメントが所定の位置に位置決めされ且つ上流側および下流側リブが再びその離間された係合位置へと移動されると、この好ましい解決策により、各セグメントとタービンディスクとを相対的に径方向に移動させるだけで、様々な係合手段が互いに係合してその後に協働することができる。無論、各セグメントにおける径方向の相対移動は、ディスクを固定したまま、このセグメントを径方向外側に移動させることによって行なわれることが好ましい。

また、各セグメントは、それらがタービンディスクと協働するときにタービンディスクに取り付けられたセグメントの上流側および下流側係合手段とこのタービンディスクの対応する相補的上流側および下流側係合手段との間の恒久的な協働を維持するための保持手段を備えていることが好ましい。このようにすれば、様々な係合手段同士の恒久的な協働により、タービンディスクに対してセグメントを固定状態に保持する手段を有利に与えることができ、したがって、これらの各セグメントをタービンディスクに対して径方向および周方向に正確に位置決めすることができる。

これを実現するため、保持手段が、根元部の一部を形成する少なくとも１つの可撓性ストリップを備え、セグメントの自由端が、タービンディスクに当接するように形成され、上流側および下流側リブがその離間された係合位置へと移動された後にだけこれらの各可撓性ストリップがディスクと接触し、対応するセグメントが径方向外側に力を受けてディスクの相補的係合手段に支承されるようにすることができる。

タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブは、それらの間に、ホイールの長手方向主軸を中心に配置された環状空間を形成し、この環状空間は、セグメントの根元部に設けられた冷却通路に連通していることが好ましい。また、タービンディスクの上流側リブは、上流側リブを貫通し且つ環状空間の内側に開口する少なくとも１つの注入穴（インジェクション・ホール）を有し、各注入穴は、ターボ機械の冷却空気注入器（インジェクタ）と協働するように形成されている。

また、タービンディスクは、単一部品であることが好ましい。

本発明の他の対象は、本発明の主題でもある、前述したようなタービンホイールの組立方法である。この方法は、
・タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブを近接位置へと移動させる工程と、
・タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブが再びその離間された係合位置へ移動される際に、各セグメントの根元部の上流側および下流側係合手段がタービンディスクの相補的上流側および下流側係合手段と係合できるように、各セグメントをタービンディスクに対して位置決めする工程と、
・タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブをその離間された係合位置へと移動させる工程、
とから成る連続する工程を含む。

タービンディスクの上流側リブおよび下流側リブを近接位置へと移動させ、且つタービンディスクの上流側リブおよび下流側リブをその離間された係合位置へと移動させることから成る工程は、適当な工具を使用して上流側リブおよび下流側リブに圧力を加え、且つ加えた圧力を解放することによりそれぞれ行なわれる。

無論、前述したように、各セグメントをタービンディスクに対して位置決めすることから成る工程においては、上流側および下流側リブがその離間された係合位置へと移動される工程の最中、または、ホイールの回転後、あるいは、後に正確に述べるような事後動作を実行した後、様々な係合手段で直接係合できなければならないことは言うまでもない。

本発明の他の利点および特徴は、以下に与えられた非制限的な詳細な説明を読むことによって明らかになる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

図１および図２の両方を参照して、この発明の第１の好ましい実施形態に係るタービンマシンのタービンホイール１について説明する。

タービンホイール１は、長手方向主軸２を有するとともに、好ましくは単一部品のタービンディスク４と、ディスク４に取り付けられた幾つかのセグメント６とを備えており、これらのセグメント６のうちの１つだけが図２に示されている。

各セグメント６は、１つのブレード１０、好ましくは幾つかのブレード１０によって径方向外側に延在する根元部８を備えている。例えば、各セグメント６には、根元部８の径方向外側部分１１に固定された３つのブレード１０が設けられており、例えば、厚さが変えられる金属板から成るこの部分１１は、長手方向主軸２と同じ軸を持つ円筒体の円弧部分（アンギュラセクタ）の形状をほぼ成していても良い。また、タービンホイールは、３つのブレード１０を持つセグメント６を約２０個有するように形成されても良い。これらのセグメント６は、長手方向主軸２を中心に均等に分布されてタービンディスク４に装着される。更に、互いに隣り合う２つのセグメント６同士の間の各空間（図示せず）は、当業者に知られた手段を用いて従来と同様に封止される。

タービンディスク４は、好ましくは中実体から成る内側本体１２、あるいは、従来と同様に必要に応じて中心穴を穿孔して例えば低圧タービンシャフトを挿通させることができるようにした本体を備えている。この内側本体１２は、長手方向主軸２を中心としている。内側本体１２は、第１に上流側リブ１４ａにより、第２に下流側リブ１４ｂにより、径方向外側へ延びている。図１に明確に示されるように、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂはそれぞれ、ホイール１の長手方向主軸２を中心にほぼ環状を成して延びるとともに、ディスク４の径方向端部に至るまで径方向に延びている。

無論、本明細書全体にわたって、用語「上流」および「下流」は、タービンホイール１を通る主なガスの流れ方向に関して規定されている。この方向は、図１に矢印Ｄｐで概略的に示されている。

上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂが共に弾性を有し、それにより、これらのリブを、図１および図２に示されるような離間された係合位置から近接する位置まで、あるいは、その逆へ、容易に移動できるようにすることが好ましい。この固有の特徴により、後述するように、セグメント６を単一部品のディスク４に取り付けることができる。

図１および図２に示される取付状態において、セグメント６は、矢印Ｒｅで概略的に示される外側径方向に保持されるだけでなく、矢印Ｒｉで概略的に示される内側径方向にも保持される。このように、本発明のこの第１の好ましい実施形態の固有の性質は、本明細書の残りの部分から明らかとなるように、セグメント６がタービンディスク４に対して径方向に自由に移動できないという点である。

タービンディスク４によりセグメント６を外側径方向Ｒｅに保持するため、各セグメント６は、上流側係合手段１６ａと下流側係合手段１６ｂとを備えており、これらの係合手段は、根元部８の部分１１から径方向内側に延びるとともに、この部分１１に対して強固に固定されている。これらの上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂは、上流側リブ１４ａの径方向外側端部を形成する相補的上流側係合手段１８ａおよび下流側リブ１４ｂの径方向外側端部を形成する相補的下流側係合手段１８ｂと協働する。無論、用語「協働」は、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂが実際に各セグメント６をディスク４に対して外側径方向Ｒｅに保持することを意味している。その結果、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂが互いに協働する取付状態において、セグメント６は、径方向外側の限界ストッパにおいて、タービンディスク４と接触し、それにより、これらのセグメント６は、この同じディスク４に対して外側径方向Ｒｅに移動することができない。

図３は、互いに協働している際の様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂを詳細に示している。

本発明のこの第１の好ましい実施形態において、相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂ、各セグメント６の根元部８の上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂは、縦断面がフック状を成している。

更に正確には、相補的上流側係合手段１８ａは、上流側方向に突出するフック状の縦断面を有している。すなわち、相補的上流側係合手段１８ａは、上流側リブ１４ａの残りの部分から上流側方向に突出している。また、これらの手段１８ａは、図３に明確に示されるようにホイール１の方向へと径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口２０ａを形成している。

更に、縦断面において、フックの自由端２２ａは、ホイール１の方向へと径方向内側に向いていることが好ましい。

また、ホイール１の各セグメント６における上流側係合手段１６ａも、縦断面がフック形状を成している。このフックは、下流側方向に向けて突出している。更に、これらの手段１６ａは、ホイール１から外側径方向にほぼ配置される係合開口２４ａを形成している。更に、縦断面において、フックの自由端２６ａは、ホイール１から径方向外側に向いていることが好ましい。

このように、相補的上流側係合手段１８ａが各セグメント６の上流側係合手段１６ａと協働する状態に対応する取付状態において、自由端２２ａは、係合開口２４ａを通じて、上流側係合手段１６ａのフック底部２８ａと接触する。同様に、自由端２６ａは、係合開口２０ａを通じて、相補的上流側係合手段１８ａのフック底部３０ａと接触する。実際の製造にあたっては、本発明の範囲を逸脱することなく、２つの接触部２８ａ、３０ａのうちの一方を選ぶようにしても良い。

したがって、相補的上流側係合手段１８ａは、ホイール１の長手方向主軸２を中心に環状を成して延びていることが好ましく、また、各セグメント６の上流側係合手段１６ａは、周長Ｌにわたって根元部８全体を周方向に延びる同じ軸を持つ環状部を形成するように構成されており、その結果、特に良好な上流側封止を得ることができる。なお、ホイール１の回転中に形成される遠心力により、第１に、自由端２６ａとフック底部３０ａとの間に、及び／又は、第２に、自由端２２ａとフック底部２８ａとの間に、高圧が生じる。両方の場合において、実際の支持は、長手方向主軸２と同じ軸を有する円周であり、したがって、直面する必要性を満たす上流側封止を完全に得るのに大きく寄与し得る。

同様に、相補的下流側係合手段１８ｂは、下流側方向に突出するフック状の縦断面を有している。すなわち、相補的下流側係合手段１８ｂは、下流側リブ１４ｂの残りの部分から下流側方向に突出している。また、これらの手段１８ｂは、図３に明確に示されるようにホイール１の方向へと径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口２０ｂを形成している。

更に、縦断面において、フックの自由端２２ｂは、ホイール１の方向へと径方向内側に沿っていることが好ましい。

また、ホイール１の各セグメント６において、下流側係合手段１６ｂも、縦断面がフック形状を成している。このフックは、上流側方向に向けて突出している。更に、これらの手段１６ｂは、ホイール１からほぼ外側径方向に係合開口２４ｂを形成している。更に、縦断面において、フックの自由端２６ｂは、ホイール１から径方向外側に向いていることが好ましい。

このように、相補的下流側係合手段１８ｂが各セグメント６の下流側係合手段１６ｂと協働する状態に対応する取付状態において、自由端２２ｂは、係合開口２４ｂを通じて、下流側係合手段１６ｂのフック底部２８ｂと接触する。同様に、自由端２６ｂは、係合開口２０ｂを通じて、相補的下流側係合手段１８ｂのフック底部３０ｂと接触する。この場合も、実際の製造にあたっては、本発明の範囲を逸脱することなく、２つの接触部２８ａ、３０ａのうちの一方を選ぶようにしても良い。

したがって、相補的下流側係合手段１８ｂも、ホイール１の長手方向主軸２を中心に環状を成して延びていることが好ましく、また、各セグメント６の下流側係合手段１６ｂは、上流側係合手段１６ａの長さと同じ周長にわたって根元部８に沿って周方向に延びる同じ軸を持つ環状部を形成するように構成されており、その結果、特に良好な下流側封止を得ることができる。この場合も、ホイール１の回転中に形成される遠心力により、第１に、自由端２６ｂとフック底部３０ｂとの間に、また、第２に、自由端２２ｂとフック底部２８ｂとの間に、高圧が生じる。

また、タービンホイール１の各セグメント６には、これらのセグメント６を内側径方向Ｒｉに保持して、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ同士の恒久的な協働を可能にし、したがって自由端２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂとフック底部２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂとの間のそれぞれの恒久的な接触を可能にする保持手段３２ａ、３２ｂが設けられている。

ここで再び図１および図２を参照すると、実際に、各セグメント６のための保持手段３２ａは、ホイール１の方向へと径方向内側に延びる上流側可撓性ストリップの形態を成している。上流側可撓性ストリップ３２ａの一端がセグメント６の上流側係合手段１６ａに固定され、また、他端３４ａが自由端となっており、この自由端に切り欠き３６ａが設けられていることが好ましい。したがって、図１および図２に示される取付状態においては、上流側リブ１４ａに固定され且つ上流側リブから上流側方向に突出するピン３８ａが、ホイール１の方向へと径方向内側に開口する切り欠き３６ａの底部の所まで挿入される。そのため、ピン３８ａは、関連するセグメント６のための径方向内側ストッパとしての機能を果たす。

同様に、各セグメント６のための保持手段３２ｂは、下流側可撓性ストリップの形態を成しており、このストリップは、ホイール１の方向へと径方向内側に延びている。下流側可撓性ストリップ３２ｂは、セグメント６の下流側係合手段１６ｂに固定される一端と、切り欠き（図示せず）を有する自由端３４ｂとを有していることが好ましい。したがって、取付状態においては、下流側リブ１４ｂに固定され且つ下流側リブから下流側方向に突出するピン３８ｂが、ホイール１の方向へと径方向内側に開口する上記切り欠きの底部内に挿入される。そのため、このピン３８ｂも、関連するセグメント６のための径方向内側ストッパとしての機能を果たす。

図からはっきりと分かるように、好ましくは、フック底部２８ａ、２８ｂを形成する上流側および下流側係合手段１６ａ、１６ｂの一部で、上流側可撓性ストリップ３２ａが上流側係合手段１６ａに接続されていても良く、また、下流側可撓性ストリップ３２ｂが下流側係合手段１６ｂに接続されていても良い。すなわち、可撓性ストリップ３２ａ、３２ｂと係合手段１６ａ、１６ｂとの間の接合部は、タービンホイール１の径方向内側に最も近いこれらの手段１６ａ、１６ｂの部分に形成される。

このように、可撓性ストリップ３２ａ、３２ｂが所定の位置に配置されると、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ間で成される接触および自由端３４ａ、３４ｂとピン３８ａ、３８ｂとの間の接触により、各セグメント６をタービンディスク４に対して径方向および周方向に位置決めすることができる。

この第１の好ましい実施形態において、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂは、それらがその離間された係合位置にあるときに、長手方向主軸２を中心に配置される環状空間４０を形成する。したがって、径方向外側に開口するこの環状空間４０は、セグメント６の根元部８、更に正確には、この根元部の径方向外側部分１１に設けられた冷却通路４２に連通する。

また、上流側リブ１４ａには、少なくとも１つの注入穴４４が設けられている。この注入穴４４は、上流側リブ１４ａを貫通するとともに、環状空間４０の内側に開口している。このようにすれば、各注入穴４４がターボ機械の冷却空気注入システム（図示せず）と協働するため、上流側ラビリンスを必要とすることなく、ブレード１０の冷却が容易になる。この場合、注入器から吐き出される冷却空気は、注入穴４４と、環状空間４０とを順に通過し、その後、ブレード１０の内側に形成された冷却回路（図示せず）に連通する冷却通路４２を通過することができる。

図６Ａから図６Ｄは、前述した本発明の好ましい実施形態に係るタービンホイール１を組み立てるための方法における様々な工程を示している。

まず最初に図６Ａを参照すると、この方法の第１の工程は、図示のように、上流側リブ１４ａと下流側リブ１４ｂとを離間された係合位置から近接位置へと移動させることから成る。これは、参照符号４６で概略的に示される適当な工具を用いて行なわれる。これにより、単一部品のディスク４の上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂに圧力が作用し、これらのリブが変形して互いに接近する方向に移動する。２つのリブ１４ａ、１４ｂには、長手方向主軸２を中心に、上流側リブ１４ａの上流側の面および下流側リブ１４ｂの下流側の面に対して、環状の圧力が作用することが好ましい。

近接位置は、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂが離間された係合位置にあるときに相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂが占める位置から、相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂが十分に離れるときに得られ、これにより、各セグメントおよびタービンディスクを互いの内側に挿入して、セグメント６を取り付けることができる。

次の工程は、図６Ｂに示されるように、様々なセグメント６をタービンディスク４に対して所定の位置に位置決めすることから成る。このような位置決めは、各セグメント６をホイール１に向かって径方向内側に移動させ、相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂを、上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂによって妨げられることなく、これらのセグメント６の内側に挿入することにより行なわれることが好ましい。したがって、この場合、各セグメント６毎に、上流側係合手段１６ａと下流側係合手段１６ｂと関連するセグメント６の根元部８の径方向外側部分１１とによって協働して画定された空間内に、相補的係合手段１８ａ、１８ｂを導入することができる。

また、この位置決め工程は、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂが再びその離間された係合位置へと移動された際に、各セグメント６の根元部８の上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂが、これらの様々な要素の相対的な径方向の移動中にタービンディスク４の対応する相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂと係合できるように、セグメント６がディスク４に対して十分に径方向内側に位置された場合にのみ終了される。

具体例として、図６Ｂに示されるように相補的係合手段１８ａ、１８ｂが各セグメント６の根元部８の部分１１と接触する状態になる場合にだけ、この位置決め工程を終了することができる。このようにすれば、相補的係合手段１８ａ、１８ｂがセグメント６のための径方向内側ストッパとして機能し、実際にセグメント６を正確に所定の位置に配置することができる。

その後、適当な工具４６を使用して上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂに加えられた圧力を単に解放することにより、これらのリブをその離間された係合位置へと移動させる工程が行なわれる。

図６Ｃから分かるように、この離間された係合位置において、自由端２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂは、対応する係合開口２４ａ、２４ｂ、２０ａ、２０ｂと所定距離離間して対向し、相補的係合手段１８ａ、１８ｂは、依然として根元部８の径方向外側部分１１と接触されたままであることが好ましい。また、この図６Ｃは、可撓性ストリップ３２ａ、３２ｂがピン３８ａ、３８ｂの端部とそれぞれ接触していることを示しているが、これらのピンは、方法のこの工程で存在する径方向の差に起因して、未だ切り欠き３６ａと協働していない。

また、この組立方法の次の工程は、各セグメント６をディスク４から外側径方向Ｒｅへと移動させることにより、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ同士を係合させること、すなわち、自由端２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂを係合開口２４ａ、２４ｂ、２０ａ、２０ｂ内に挿入することから成っていても良い。

無論、図６Ｄから分かるように、この径方向の移動は、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ同士の協働によって、すなわち、自由端２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂがフック底部２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂとそれぞれ接触することによって、停止される。

最後に、この径方向移動動作中に各セグメント６が周方向に予め位置決めされ、それにより、可撓性ストリップ３２ａ、３２ｂの径方向が対応するピン３８ａ、３８ｂの径方向と一致している場合には、図６Ｄに示されるように、移動の終端において、これらのピン３８ａ、３８ｂは、可撓性ストリップ３２ａ、３２ｂの弾性により、自動的に切り欠きの底部内に嵌め込まれる。無論、これらのきり欠き３６ａ（図６Ｄには図示せず）とピン３８ａ、３８ｂとの間の協働によって、セグメント６が周方向および径方向で位置決めされ、これらのセグメントがタービンディスク４に対してブロックされる。

なお、タービンディスク４に対するセグメント６の組み立ては、この時点で完了する。それにもかかわらず、ホイール１のための組立方法は、従来の事前工程または事後工程、例えば、根元部８および２つの隣り合うセグメント６同士の間に図２に示されるようなシールタブ３９を挿入することにより、セグメント６内に形成された様々な空間を気密に保持する工程を含んでいても良い。無論、この工程は、ディスク４におけるこれらのセグメントの位置決め前に行なわれる。

図４および図５は、この発明の第２および第３の好ましい実施形態に係るターボ機械のためのタービンホイール１００、２００をそれぞれ部分的に示している。

これらの２つの好ましい実施形態同士の間の共通点は、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂがそれらの離間された係合位置へと移動されると直ぐに、タービンディスク４に対するセグメント６の組み立てが完了し、その結果、第１の好ましい実施形態で前述したようなセグメント６を径方向へ移動させるための工程が組み立てにおいて不要になるという点である。無論、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂがその離間された係合位置に戻されて位置決めされると、したがって、ディスク４におけるセグメント６の組み立てが完了すると直ぐに、従来の仕上げ工程、例えばセグメント６間に形成された様々な空間を封止することを意図した工程を行なうことができることは言うまでもない。

すなわち、図４に示される第２の好ましい実施形態に係るタービンホイール１００は、前述した第１の好ましい実施形態に係るホイール１とかなり類似している。主な違いは、様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ同士の間の恒久的な協働を得るための保持手段がホイール１００のセグメント６に全く設けられていないという点であり、また、これらの手段は、タービンホイール１に関して前述したそれと非常に類似している。このように、取付状態においては、図４から明らかなように、ホイール１が回転しないと、幾つかのセグメントは、重力により、径方向内側のストッパにおいて相補的係合手段１８ａ、１８ｂと接触する。したがって、ホイール１が回転するときだけ、形成された遠心力により、全てのセグメント６の上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂとタービンディスク４の相補的上流側係合手段１８ａおよび相補的下流側係合手段１８ｂとが係合してその後に協働するようになる。

無論、この解決策は、ディスク４に対してセグメント６を径方向および周方向に正確に位置決めすることができないという点では、第１の好ましい実施形態の解決策ほど有益ではない。

図５に示される第３の好ましい実施形態に係るタービンホイール３００は、上流側リブ１４ａおよび下流側リブ１４ｂをその離間された係合位置へ戻すと同時に様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ同士が係合して協働するという意味では、タービンホイール１、１００と異なる。また、これらの様々な係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、それらが互いに協働するときに、外側径方向Ｒｅおよび内側径方向Ｒｉでセグメント６をディスク４に対して保持するように形成されている。したがって、セグメント６は、タービンホイール１に関して前述したような保持手段を全く必要としない。

これを果たすため、図５に示されるように、上流側係合手段１６ａおよび下流側係合手段１６ｂはそれぞれ、下流側および上流側に向けてそれぞれ開口する環状溝４８ａ、４８ｂを備えていても良い。また、相補的係合手段１８ａ、１８ｂにはそれぞれ、上流側方向および下流側方向にそれぞれ突出し且つ所定の位置に正確に保持されるように環状溝４８ａ、４８ｂの形状を補完する相補的形状を成す環状突起５０ａ、５０ｂが設けられていても良い。したがって、この構成によれば、係合手段１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、もはや、フック状の縦断面を有する必要はない。

無論、当業者であれば、タービンホイール１、１００、２００および単なる非制限的な例として前述した組立方法に対して様々な変形を成すことができる。

この発明の第１の好ましい実施形態に係るタービンホイールの取付状態における縦半断面図である。 図１に示されるタービンホイールの部分斜視図である。 図１の部分拡大図である。 この発明の第２の好ましい実施形態に係るタービンホイールの取付状態における部分縦半断面図である。 この発明の第３の好ましい実施形態に係るタービンホイールの取付状態における部分縦半断面図である。 この発明の好ましい実施形態に係る、図１および図２に示されたタービンホイールの組立方法の様々な工程の１つを示す図である。 この発明の好ましい実施形態に係る、図１および図２に示されたタービンホイールの組立方法の様々な工程の他の１つを示す図である。 この発明の好ましい実施形態に係る、図１および図２に示されたタービンホイールの組立方法の様々な工程の更に他の１つを示す図である。 この発明の好ましい実施形態に係る、図１および図２に示されたタービンホイールの組立方法の様々な工程の更に他の１つを示す図である。

符号の説明

１、１００、２００、３００ タービンホイール
２ 長手方向主軸
４ タービンディスク
６ セグメント
８ 根元部
１０ ブレード
１１ 径方向外側部分
１２ 内側本体
１４ａ 上流側リブ
１４ｂ 下流側リブ
１６ａ 上流側係合手段
１６ｂ 下流側係合手段
１８ａ 相補的上流側係合手段
１８ｂ 相補的下流側係合手段
２０ａ、２０ｂ、２４ａ、２４ｂ 係合開口
２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂ、３４ａ、３４ｂ 自由端
２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ フック底部
３２ａ、３２ｂ 可撓性ストリップ
３６ａ 切り欠き
３８ａ、３８ｂ ピン
３９ シールタブ
４０ 環状空間
４２ 冷却通路
４４ 注入穴
４６ 工具
４８ａ、４８ｂ 環状溝
５０ａ、５０ｂ 環状突起

Claims (12)

1. タービンディスク（４）と、該タービンディスク（４）に取り付けられた複数のセグメント（６）とを備えるターボ機械のタービンホイール（１、１００、２００）であって、各セグメント（６）が、根元部（８）と、該根元部（８）に固定された少なくとも１つのブレード（１０）とを備え、タービンディスク（４）は、上流側リブ（１４ａ）と下流側リブ（１４ｂ）とを備え、これらのリブがそれぞれ、ホイールの長手方向主軸（２）を中心にほぼ環状方向に延びるとともに、ディスク（４）の径方向端部まで径方向に延びており、タービンディスク（４）に取り付けられた各セグメント（６）は、根元部（８）の一部を形成し且つ上流側リブ（１４ａ）の径方向外側端部を形成する相補的上流側係合手段（１８ａ）と協働することができる上流側係合手段（１６ａ）と、根元部（８）の一部を形成し且つ下流側リブ（１４ｂ）の径方向外側端部を形成する相補的下流側係合手段（１８ｂ）と協働することができる下流側係合手段（１６ｂ）とを使用して、タービンディスクにより外側径方向（Ｒｅ）に保持され、タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）は、それらが離間された係合位置から近接位置へと或いはその逆方向へと移動できるように形成されて、各セグメント（６）をタービンディスク（４）に組み立てることができるようになっており、上流側リブ（１４ａ）または下流側リブ（１４ｂ）のうちの少なくともいずれかが、リブ（１４ａ、１４ｂ）に圧力を加え且つ加えた圧力を解放することにより、それぞれこれらのリブ（１４ａ、１４ｂ）が離間位置から近接位置へ及び近接位置から離間位置へと移動できるように弾性をもって形成されていることを特徴とする、タービンホイール（１、１００、２００）。
2. タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）のそれぞれが、弾性を有していることを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
3. 相補的上流側および下流側係合手段（１８ａ、１８ｂ）が、ホイールの長手方向主軸（２）を中心に環状を成して延びており、セグメント（６）の各根元部（８）の上流側および下流側係合手段（１６ａ、１６ｂ）が、セグメント（６）の根元部（８）全体にわたって周方向に延びる同じ軸を有する環状部をそれぞれが形成するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
4. 相補的上流側および下流側係合手段（１８ａ、１８ｂ）および各セグメント（６）の根元部（８）の上流側および下流側係合手段（１６ａ、１６ｂ）が、フック状の縦断面を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンホイール（１、１００）。
5. 相補的上流側係合手段（１８ａ）が、上流側方向に突出し且つ前記ホイールの方向へと径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口（２０ａ）を形成するフック状の縦断面を有し、上流側係合手段（１６ａ）が、下流側方向に突出し且つ前記ホイールから径方向外側にほぼ方向付けられた係合開口（２４ａ）を形成するフック状の縦断面を有し、相補的下流側係合手段（１８ｂ）は、下流側方向に突出し且つ前記ホイールの方向へと径方向内側にほぼ方向付けられた係合開口（２０ｂ）を形成するフック状の縦断面を有し、下流側係合手段（１６ｂ）は、上流側方向に突出し且つ前記ホイールから径方向外側にほぼ方向付けられた係合開口（２４ｂ）を形成するフック状の縦断面を有することを特徴とする、請求項４に記載のタービンホイール（１、１００）。
6. 各セグメント（６）は、それらがタービンディスク（４）と協働するときにタービンディスク（４）に取り付けられたセグメント（６）の上流側および下流側係合手段（１６ａ、１６ｂ）と、このタービンディスク（４）の対応する相補的上流側および下流側係合手段（１８ａ、１８ｂ）との間の恒久的な協働を維持するための保持手段（３２ａ、３２ｂ）を備えていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンホイール（１）。
7. 各セグメント（６）毎に、保持手段が、根元部（８）の一部を形成する少なくとも１つの可撓性ストリップ（３２ａ、３２ｂ）を備え、セグメントの自由端（３４ａ、３４ｂ）は、タービンディスク（４）に当接するように形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のタービンホイール（１）。
8. タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）は、それらの間に、ホイールの長手方向主軸（２）を中心に配置された環状空間（４０）を形成し、前記環状空間（４０）が、セグメント（６）の根元部（８）に設けられた冷却通路（４２）に連通していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
9. タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）は、上流側リブを貫通し且つ環状空間（４０）の内側に開口する少なくとも１つの注入穴（４４）を有し、各注入穴（４４）は、ターボ機械の冷却空気注入器と協働するように形成されていることを特徴とする、請求項８に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
10. 前記ホイールの各セグメント（６）は、根元部（８）に固定された少なくとも２つのブレード（１０）を備えていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
11. 前記ディスク（４）が単一部品であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービンホイール（１、１００、２００）。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のタービンホイール（１、１００、２００）を取り付けるための方法であって、
    タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）を近接位置へと移動させる工程と、
    タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）が再びその離間された係合位置へ移動される際に、各セグメント（６）の根元部（８）の上流側および下流側係合手段（１６ａ、１６ｂ）がタービンディスク（４）の相補的上流側および下流側係合手段（１８ａ、１８ｂ）と係合できるように、各セグメント（６）をタービンディスク（４）に対して位置決めする工程と、
    タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）をその離間された係合位置へと移動させる工程と
    から成る連続する工程を含み、
    タービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）を近接位置へと移動させ、且つタービンディスク（４）の上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）をその離間された係合位置へと移動させることから成る工程は、適当な工具（４６）を使用して上流側リブ（１４ａ）および下流側リブ（１４ｂ）に圧力を加え且つ加えた圧力を解放することによりそれぞれ行なわれることを特徴とする、方法。

Images