JP4100903B2 - ロータディスク用のボルト継手及びその中の熱勾配を減少させる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、かかるエンジン中の隣接するロータディスクを結合するためのボルト継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、加圧された空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、燃焼器中で空気は燃料と混合され、混合気は点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流の１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンがガスからエネルギーを取り出し、圧縮機を駆動し、飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行なう。圧縮機及びタービンセクションの各々は、エンジンの中心軸線の周りで回転するように、互いに結合された複数のロータディスクを含む。各ロータディスクは、中央の穴領域、複数の半径方向に延びる翼が支持されるディスクリム、及び穴とリムを結合するウェブを含む。穴及びウェブは、ディスクに掛かる応力を受け止めるために、一般的にディスクリムよりもずっと大きくて重量がある。
【０００３】
回転ディスク、特にエンジンの高圧タービンセクションの回転ディスクは、ディスクリムが高温のガスに曝されるために、過渡運転の間に高い半径方向の熱勾配を生じる。この場合に、ウェブ及び穴はそれらの相対的に大きい質量及びそれらの低い温度環境のために、よりゆっくりと熱応答するのに対して、ディスクリムは急速な熱応答（すなわち、温度上昇）を持つ。熱勾配は、ディスクのウェブ及び穴の中に大きい接線方向及び半径方向応力を生じ、それらが穴及びすみ肉等のような何らかの応力集中によって倍化される。
【０００４】
ディスク設計における重要な課題は、大きい応力を生じることなく多重のディスクを互いに接続することである。１つの接続方法は、隣接するディスクを接続するボルト継手を用いることによるものである。往々にして、ディスクの少なくとも１つは、空間の制約のためにディスクウェブを通してボルト止めされなければならない。その場合、ボルト穴は、大きい熱勾配の領域内に配置されるので、大きい応力集中を生じる。このことが、ロータハードウェアの運転の許容される時間を制限する。
【特許文献１】
特開平０５−２４８２６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ボルト穴応力を減少させることに対する１つの解決策は、穴のパターン設計、すなわち穴の数、穴の間隔の取り方、穴の直径、及び穴の長さを変更することにより、半径方向及び接線方向の応力を釣り合せることである。一般的に、ボルト継手の孔を増やすと、接線方向の機械的応力が低下するであろうが、半径方向の応力が高くなることになるであろう。あらゆる穴のパターン設計について、穴の上端または下端における接線方向の応力を穴の側面における半径方向の応力と釣り合せるであろう或る一定の穴の数が存在する。しかしながら、半径方向及び接線方向の応力を釣り合せるように穴のパターン設計を変更すると、一般的にディスク重量の増大し、ディスクウェブ及び穴の過渡時の熱応答をさらに遅くすることになる。従って、ボルト穴の応力を減少させる改良された方法の必要性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の必要性は、ガスタービンエンジン内の第１及び第２ロータディスクを接続するためのボルト継手を提供する、本発明により満たされる。ボルト継手は、第１ロータディスク内に形成されたボルト穴と、ボルトとボルト穴の間にチャネルが形成されるようにボルト穴に配置されたボルトを含む。第１当接部材がボルトの第１端に取り付けられ、また第２当接部材がボルトの第２端に取り付けられる。第１当接部材に組み込まれた第１通路がチャネルとの流体連通をもたらし、また第２当接部材に組み込まれた第２通路がチャネルとの流体連通をもたらす。チャネルを通過する高温流体は、第１ロータディスク内の熱勾配を減少させる。
【０００７】
本発明及び従来技術より優れるその長所は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【０００８】
発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に特に明らかにされかつ明確に請求される。しかしながら、本発明は、添付の図面と関連してなされた以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
同一の参照符号が様々な図を通して同じ要素を表わしている図面を参照すれば、図１は、他の構造物の中でも、燃焼器１２、及び燃焼器１２の下流に設置されたタービンセクション１４を有するガスタービンエンジン１０の１部を示す。タービンセクション１４は、エンジン中心軸線に沿って順次に配列された第１段ノズル組立体１６、第１段タービンロータ１８、第２段ノズル組立体２０、及び第２段タービンロータ２２を含む。燃焼器１２は、燃焼チャンバ２８をその中に形成する外方ライナ２４及び内方ライナ２６を有するほぼ環状の中空本体を含む。圧縮機（図示せず）は、主として燃焼器１２中に流れ燃焼を支持する加圧空気を供給し、またその空気の一部は、燃焼器１２の周りを流れて燃焼器ライナ２４、２６及びさらに下流のターボ機械の両方を冷却するのに用いられる。燃料が、燃焼器１２の前方端に導入され、従来の方式で空気と混合される。その結果得られる燃料及び空気の混合気は、燃焼チャンバ２８中に流れ込み、そこで点火されて高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、タービンセクション１４に吐出され、そこで膨張してエネルギーが取り出される。
【００１０】
第１段ノズル組立体１６は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメント３２が取り付けられる内側ノズル支持体３０を含む。ノズルセグメント３２は、一緒になって完全な３６０°の組立体を形成する。各セグメント３２は、２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された翼３４（１つを図１に示す）を有し、その上を燃焼ガスが流れる。翼３４は、燃焼ガスを第１段タービンロータ１８に最適に指向させるような形状に作られる。内側ノズル支持体３０は、エンジン１０内に適切に支持される固定部材である。
【００１１】
第１段タービンロータ１８は、第１段ノズル組立体１６の後方に設置され、第１段ノズル組立体から軸方向に間隔を置いて配置されて第１ホイール空洞３６を形成する。第１段タービンロータ１８は、第１ロータディスク４０に適切に取り付けられ、かつ半径方向にタービン流路中に延びる複数のタービン翼３８（１つを図１に示す）を含む。第２段ノズル組立体２０は、第１段タービンロータ１８の後方に設置され、また第２段タービンロータ２２は第２段ノズル組立体２０の後方に設置され、それぞれ第２及び第３ホイール空洞４２及び４４を形成する。第２段タービンロータ２２は、第２ロータディスク４８に適切に取り付けられ、かつ半径方向にタービン流路中に延びる複数のタービン翼４６（１つを図１に示す）を含む。第２ロータディスク４８は、ボルト継手５２で第１ロータディスク４０の後部側面に結合されている前方に延びるフランジ５０を有する。従って、第１及び第２ロータディスク４０、４８は、エンジン中心軸線の周りで一緒に回転するように配列される。
【００１２】
環状の回転シール部材５４が、第１ロータディスク４０と共に回転するように、ボルト継手５２により第１ロータディスク４０の前方側面に固定される。回転シール部材５４は、内側ノズル支持体３０に接触して、タービン流路中の高温ガスから冷却用に抽出される圧縮機吐出空気をシールするための１つ又はそれ以上の前方シール部５６を形成する。１つの好ましい実施形態において、前方シール部５６は、回転ラビリンスシールであり、各々が固定シール部材５６から半径方向外方に延びる複数の薄い歯状の突起を含む。各突起の外周は、内側ノズル支持体３０に取り付けられた対応する環状の固定シール部材５８の内周のわずかな公差内で回転し、それによって冷却空気とタービン流路中の高温ガスとの間のシールを行なう。
【００１３】
ノズル組立体１６はまた、２つの前方シール部５６の半径方向の間に配置された加速装置６０を含む。加速装置６０は、内部空気プレナムを形成する環状部材である。高圧圧縮機吐出空気は、内側ノズル支持体３０内に形成された空気穴６２を介して加速装置６０に供給される。高圧空気は、軸方向に加速装置６０を通過して、複数の後部ノズルを通してそこから第１ロータディスク４０の前方に設置されるチャンバすなわち空洞６３中に吐出される。この空気の１部分は、第１ロータディスク４０内に形成された通路６４を通過してさらに下流のターボ機械を冷却する。後でより詳細に述べるように、この高圧空気のいくらかは、ボルト継手５２を通して導かれ、第１ロータディスク４０内の熱勾配を減少させそれによってディスクの過渡時の応力を減少させる。
【００１４】
ここで図２及び図３を参照すると、ボルト継手５２がより詳細に記述されている。ボルト継手５２は、回転シール部材５４内の第１開口６８、第１ロータディスク４０内のボルト穴７０、及び第２ロータディスクフランジ５０内の第２開口７２を貫通して軸方向に延びるボルト６６を含む。ボルト６６の両端にはねじが切られており、第１ナット７４がボルト６６の前方端に螺合され、第２ナット７６がボルト６６の後方端に螺合される。第１ナットは、回転シール部材５４に対する固定当接部材であり、また第２ナット７６は、第２ロータディスクフランジ５０に対する固定当接部材である。従って、ナット７４、７６が適度に締め付けられると、第１ロータディスク４０、第２ロータディスク４８、及び回転シール部材５４は、互いに結合されて、エンジン中心軸線の周りで回転する。
【００１５】
ボルト６６は、ボルトのねじが切られた端部の中間に設置された第１及び第２隆起ショルダ７８及び８０をそれぞれ含む。隆起ショルダ７８、８０は、ボルト継手５２が、ボディ取付け機能をもたらすように、小さい公差でボルト穴７０及び第２開口７２の内側に嵌合する寸法に作られる。つまり、ボルト継手５２は、第１ロータディスク４０に対して第２ロータディスク４８を半径方向に位置決めして保持するであろう。第２すなわち後部隆起ショルダ８０は、その外周に形成された軸方向保持リップ８２を有する。軸方向保持リップ８２は、第２ロータディスクフランジ５０の前面に形成された凹みに当接し、それによって第１及び第２ロータディスク４０、４８に対して、ボルト６６を軸方向に位置決めする。こうすることで、通常はブラインド組立体であるボルト継手５２の組立てが容易になる。
【００１６】
ボルト６６は、軸方向に延びる環状のチャネル８４がその周りに形成されるような寸法に作られる。具体的には、隆起ショルダ７８、８０を除いては、ボルト６６は、それを取巻く構造物、すなわち第１ナット７４の穴、第１開口６８、ボルト穴７０、第２開口７２、及び第２ナット７６の穴より小さい直径を有する。従って、チャネル８４が、ボルト６６とそれを取巻く構造物の間の間隙により構成される。
【００１７】
１つ又はそれ以上の半径方向の入口通路８６が、第１ナット７４内に形成され、前方空洞６３とチャネル８４との間を流体連通させる。同様に、１つ又はそれ以上の半径方向の出口通路８８が、第２ナット７６内に形成され、第２及び第３ホイール空洞４２、４４とチャネル８４との間を流体連通させる。図３に最もよく示されるように、隆起ショルダ７８、８０の各々は、複数の軸方向に延びる平坦部９０がその上に形成されている。平坦部９０は空気がチャネル８４の全長に沿って流下するのを可能にし、同時に隆起ショルダ７８、８０の残りの部分は、ボルト穴７０及び第２開口７２の内側表面に係合して、ボディ取付け機能を果たす。
【００１８】
運転中、加速装置６０から前方空洞６３に供給される圧縮機吐出空気は、第１ナット７４内の入口通路８６を通ってチャネル８４の前方端中に流れ込む。この空気は、前方空洞６３と第２及び第３ホイール空洞４２、４４との間の圧力差により、チャネル８４のボルト穴部分を通過する。次いで、空気は、出口通路８８を通って第２及び第３ホイール空洞４２、４４に吐出され、そこで通路６４を通過してきた圧縮機吐出空気と再び合流して、さらに下流のターボ機械を冷却するのに寄与する。圧縮機吐出空気（第１ロータディスク４０のウェブ及びコアより一般的に高温である）が、チャネル８４のボルト穴部分を通って流れるとき、圧縮機吐出空気はボルト穴７０の周りの区域において第１ロータディスク４０を加熱する。第１ロータディスク４０を加熱することにより、圧縮機吐出空気は、ディスクのウェブ及び穴の熱応答を増大させ、それによってウェブ及び穴とディスクリムとの間の熱勾配を減少させる。熱勾配がこのように減少することで、集中していない熱作用応力の減少が生じ、結果としてハードウェアの寿命を延ばすことになる。ボルト穴７０に供給される空気量は、入口及び出口通路８６、８８の大きさ及び／又はの大きさにより決まる。従って、特定の装置のための望ましい程度のディスク加熱を行なうのに必要とされる空気量は、入口及び出口通路８６、８８及びショルダの平坦部の大きさを厳しく制御することにより得ることができる。
【００１９】
図４には、ボルト継手１５２の第２の実施形態を示す。第２の実施形態のボルト継手１５２は、回転シール部材５４内の第１開口６８、第１ロータディスク４０内のボルト穴７０、及び第２ロータディスクフランジ５０内の第２開口７２を貫通して軸方向に延びるボルト１６６を含む。ボルト１６６の前端は、一体に形成されたヘッド１７４を有し、またボルト１６６の後端は、ナット１７６が螺合されるように、ねじが切られている。第１ワッシャまたはスペーサ９２が、ヘッド１７４と回転シール部材５４の間でボルト１６６上に配置され、また第２ワッシャまたはスペーサ９４が、ナット１７６と第２ロータディスクフランジ５０の間でボルト１６６上に配置される。ヘッド１７４及び第１スペーサ９２は、回転シール部材５４に対する固定当接部材として作用し、またナット１７６及び第２スペーサ９４は、第２ロータディスクフランジ５０に対する固定当接部材として作用する。従って、ナット１７６が適度に締め付けられると、第１ロータディスク４０、第２ロータディスク４８、及び回転シール部材５４は、互いに結合され、エンジンの中心軸線の周りで回転する。それに代えて、２つのねじが切られたナットを、一体のヘッド及び単一のナットの代わりに用い（第１の実施形態におけるように）てもよい。
【００２０】
ボルト１６６は、それぞれ第１及び第２隆起ショルダ１７８及び１８０を含む。第１の実施形態におけるように、隆起ショルダ１７８、１８０は、ボルト継手１５２がボディ取付け機能を果たすように、小さい公差でボルト穴７０及び第２開口７２の内部に嵌合する寸法に作られ、また軸方向に延びる平坦部がその上に形成される。また、第１の実施形態と同様に、ボルト１６６は、軸方向に延びる環状のチャネル１８４がその周りに形成されるような寸法に作られる。具体的には、隆起ショルダ１７８、１８０を除いては、ボルト１６６は、それを取巻く構造物、すなわち第１スペーサ９２、第１開口６８、ボルト穴７０、第２開口７２、及び第２スペーサ９４より小さい直径を有する。従って、チャネル１８４は、ボルト１６６とそれを取巻く構造物の間の間隙により構成される。
【００２１】
１つ又はそれ以上の半径方向の入口通路１８６が、第１スペーサ９２内に形成され、前方空洞６３とチャネル１８４との間を流体連通させる。同様に、１つ又はそれ以上の半径方向の出口通路１８８が、第２スペーサ９４内に形成され、第２及び第３ホイール空洞４２、４４とチャネル１８４との間を流体連通させる。従って、圧縮機吐出空気は、入口通路１８６を通してチャネル１８４中に流れ込み、出口通路１８８を通してチャネル１８４から流出する。圧縮機吐出空気は、チャネル１８４のボルト穴部分を通って流れるとき、ボルト穴７０の周りの区域において第１ロータディスク４０を加熱する。
【００２２】
図５には、ボルト継手２５２の第３の実施形態を示す。第３の実施形態のボルト継手２５２は、回転シール部材５４内の第１開口６８、第１ロータディスク４０内のボルト穴７０、及び第２ロータディスクフランジ５０内の第２開口７２を貫通して軸方向に延びるボルト２６６を含む。
【００２３】
ボルト２６６の両端はねじが切られており、第１ナット２７４がボルト２６６の前端に螺合され、また第２ナット２７６が、ボルト２６６の後端に螺合されて、第１ロータディスク４０、第２ロータディスク４８、及び回転シール部材５４を結合する。先の実施形態の場合と同様に、ボルト２６６は、軸方向に延びる環状のチャネル２８４がその周りに形成されるような寸法に作られる。しかしながら、この実施形態においては、チャネル２８４のための入口及び出口通路は、ナット中にもスペーサ中にも形成されない。代わりに、１つ又はそれ以上の溝またはスロット２８６が、第１ナット２７４に隣接して回転シール部材５４の前部表面に形成される。従って、第１ナット２７４及びスロット２８６が、前方空洞６３とチャネル２８４との間を流体連通させる入口通路を形成する。同様に、１つ又はそれ以上の溝またはスロット２８８が、第２ナット２７６に隣接して第２ロータディスクフランジ５０の後部表面に形成される。従って、第２ナット２７６及びスロット２８８が、第２及び第３ホイール空洞４２、４４とチャネル２８４との間を流体連通させる出口通路を形成する。従って、圧縮機吐出空気は、入口スロット２８６を通してチャネル２８４中に流れ込み、出口スロット２８８を通してチャネル２８４から流出する。圧縮機吐出空気は、チャネル２８４のボルト穴部分を通って流れるとき、ボルト穴７０の周りの区域において第１ロータディスク４０を加熱する。この実施形態は、図示されるように、スペーサを備えても備えなくても実施でき、また、一体のヘッド及び単一のナットを備える、あるいはそれに代えて２つのねじが切られたナット２７４、２７６を備えるボルトによって実施することができる。この第３の実施形態は、固締具の製作を簡略化し、かつ全体の部品数を減少させることができるが、その一方でロータの構造部品内の応力集中を増大させる可能性がある。
【００２４】
以上、並列の空気供給システムを用いてディスクウェブ及び穴の熱応答を増大させるボルト継手を説明してきた。増大した熱応答は、ロータディスク中の熱勾配を減少させ、それが次にディスクの過渡時応力を減少させる。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、それに対する様々な変形形態が、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、なされ得ることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のボルト継手を有するガスタービンエンジンの部分断面図。
【図２】 図１のボルト継手の拡大断面図。
【図３】 図１のボルト継手から取出したボルトの斜視図。
【図４】 ボルト継手の第２の実施形態の拡大断面図。
【図５】 ボルト継手の第３の実施形態の拡大断面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１６ 第１段ノズル組立体
１８ 第１段タービンロータ
２０ 第２段ノズル組立体
２２ 第２段タービンロータ
２４ 外方ライナ
２６ 内方ライナ
２８ 燃焼チャンバ
３０ 内側ノズル支持体
３６ 第１ホイール空洞
４０ 第１ロータディスク
４２ 第２ホイール空洞
４４ 第３ホイール空洞
４８ 第２ロータディスク
５０ 第２ロータディスクフランジ
５２ ボルト継手
５４ 回転シール部材
５６ 前方シール部
５８ 固定シール部材
６０ 加速装置
６３ 前方空洞
６４ 通路

Claims (10)

1. 第１及び第２構成部品（４０、４８）を接続するためのボルト継手（５２）であって、
   前記第１構成部品（４０）中に形成されたボルト穴（７０）と、
   前記第２構成部品（４８）中に形成された第２開口（７２）と、
   該ボルト穴（７０）及び前記第２開口（７２）中に配置されたボルト（６６）と、
   該ボルト穴（７０）及び前記第２開口（７２）と前記ボルト（６６）との間に形成されたチャネル（８４）と、
   該ボルト（６６）の第１端に取り付けられ、前記チャネル（８４）と流体連通する第１通路（８６）を形成する第１当接部材（７４）と、
   前記ボルト（６６）の第２端に取り付けられ、前記チャネル（８４）と流体連通する第２通路（８８）を形成する第２当接部材（７６）と、
   を含むことを特徴とするボルト継手（５２）。
2. 前記第１当接部材（７４）は、前記ボルト（６６）の前記第１端に螺合される第１ナット（７４）を含み、前記第１通路（８６）は前記第１ナット（７４）内に形成され、また第２当接部材（７６）は、前記ボルト（６６）の前記第２端に螺合される第２ナット（７６）を含み、前記第２通路（８８）は、前記第２ナット（７６）内に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
3. 前記第１当接部材（７４）は、前記ボルト（６６）の前記第１端に一体に形成されるヘッド（１７４）及び該ヘッド（１７４）に隣接して前記ボルト（６６）上に配置される第１スペーサ（９２）を含み、前記第１通路（８６）は前記第１スペーサ（９２）内に形成され、また前記第２当接部材（７６）は、前記ボルト（６６）の前記第２端に螺合されるナット（１７６）及び該ナット（１７６）に隣接して前記ボルト（６６）上に配置される第２スペーサ（９４）を含み、前記第２通路（８８）は前記第２スペーサ（９４）内に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
4. 前記第１当接部材（７４）は、前記ボルト（６６）の前記第１端に螺合される第１ナット（７４）及び該第１ナット（７４）に隣接して前記ボルト（６６）上に配置される第１スペーサ（９２）を含み、前記第１通路（８６）は前記第１スペーサ（９２）内に形成され、また前記第２当接部材（７６）は、前記ボルト（６６）の前記第２端に螺合される第２ナット（７６）及び該第２ナット（７６）に隣接して前記ボルト（６６）上に配置される第２スペーサ（９４）を含み、前記第２通路（８８）は前記第２スペーサ（９４）内に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
5. 前記第１通路（８６）は、前記第１当接部材（７４）に隣接するボルト止めされた構造物内に形成される第１溝（２８６）を含み、また前記第２通路（８８）は、前記第２当接部材（７６）に隣接するボルト止めされた構造物内に形成される第２溝（２８８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
6. 前記ボルト（６６）は、前記ボルト穴（７０）に係合するように少なくとも１つの隆起ショルダ（７８、８０）がその上に形成され、該隆起ショルダ（７８、８０）は、流体が前記チャネル（８４）を通過することができるように少なくとも１つの平坦部（９０）がその上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
7. 前記ボルト（６６）の上に形成され、前記第２構成部品（４８）に当接する保持リップ（８２）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のボルト継手（５２）。
8. 第１ロータディスク（４０）、第２ロータディスク（４８）、前記第１ロータディスク（４０）に隣接する第１空洞（３６）、及び前記第２ロータディスク（４８）に隣接する第２空洞（４２）を備えるガスタービンエンジン（１０）において、
   前記第１ロータディスクが前記第１構成部品（４０）であり、前記第２ロータディスクが前記第２構成部品（４８）であり、前記第１空洞が前記第１外部空洞（６３）であり、前記第２空洞が前記第２外部空洞（４２）であり、
   前記第１及び第２ロータディスク（４０、４８）を接続するためのボルト継手（５２）は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のボルト継手である、ガスタービンエンジン（１０）。
9. 第１ロータディスク（４０）及び第２ロータディスク（４８）を接続するためのボルト継手（５２）を有し、前記ボルト継手（５２）が前記第１ロータディスク（４０）内に形成されるボルト穴（７０）内に配置されるボルト（６６）を含むガスタービンエンジン（１０）において、前記第１ロータディスク（４０）内の熱勾配を減少させる方法であって、
   前記ボルト（６６）と前記ボルト穴（７０）との間にチャネル（８４）を設ける段階と、
   比較的高温の流体を前記チャネル（８４）を通過させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記比較的高温の流体は、圧縮機吐出空気であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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