JP4490050B2 - ロータシャフトを製造する方法及び装置 - 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、ガスタービンエンジンに用いられるロータシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列の流れ状態で配列された、ファン組立体と、エンジンに流入する空気流を加圧する高圧圧縮機と、燃料と空気の混合物を燃焼させる燃焼器と、各々が燃焼器から流出する空気流から回転エネルギーを取り出す複数のロータブレードを備える低圧及び高圧タービンとを有するコアエンジンを含む。ファン組立体と低圧タービンとは、第１のシャフトにより連結され、また高圧圧縮機と高圧タービンとは、第２のシャフトにより連結される。
【０００３】
エンジンの作動中、ファン組立体及び低圧タービンは、高圧タービン及び圧縮機が受けるものとは異なる作動温度、圧力、及び応力を受ける。その結果、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジン内では、低圧構成部品を連結するロータシャフトは、高圧構成部品を連結するロータシャフトを製作するのに用いられるより重くかつ耐久力のある材料とは異なる材料で製作される。しかしながら、低圧側シャフトはガスタービンエンジンの長さ全体に延びるので、該低圧側シャフトの一部は、高圧タービン構成部品と同じ温度及び圧力に曝される。シャフトに生じる可能性がある作動応力を考慮してエンジン重量を最適化するのを助けるために、少なくとも一部の公知の低圧側シャフトは、第１の材料で製作された上流部分と第２の材料で製作された下流部分とを含む。例えば、ファン組立体に接続された低圧側シャフトの前方部分と低圧タービンに接続された低圧側シャフトの後方部分とは、ニッケル合金で製作されることができ、一方、圧縮機及び高圧タービンを貫通するシャフトの中間部分は、チタン合金で製作されることができる。このような材料は異種の材料であるので、爆発接合を用いて接合継手を作製し、次にこの接合継手を用いて、該接合継手がその間で延びるように２つのニッケルシャフト部分を中間のシャフトのチタン合金セクションに接合する。
【特許文献１】
米国特許第６３５２３８５号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
低強度の内部層材料を用いて、接合継手を形成するのに用いられるプレートを分離する。内部層材料は、接合継手にわたる有害な金属間化合物の生成を防止するのを助ける。より具体的には、低強度の内部層材料は、接合継手を横切って直径方向に延び、従って、ロータシャフト部分が接合継手において接合される時に、該材料の内部層がシャフトの中心対称軸線にほぼ垂直に延びるようになる。公知の接合継手の内部では、シャフトが回転されるとき、低強度の材料が、最大剪断応力平面内に全体的に位置する。その結果、エンジン作動中、内部層材料は、接合継手の性能を著しく制限する可能性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの形態において、ロータシャフトを製造する方法が提供される。この方法は、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第１のシャフト部分を製作する段階と、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第２のシャフト部分を製作する段階と、爆発接合継手により、第２のシャフト部分が第１のシャフト部分に対して実質的に同心に整列されるように、かつ該接合継手がロータシャフトの中心対称軸線に対して斜めに延びるように、該第２のシャフト部分を該第１のシャフト部分に接合する段階とを含む。
【０００６】
別の形態では、ロータシャフトが提供される。このロータシャフトは、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第１のシャフト部分と、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第２の部分とを含み、第１のシャフト部分は、該第１のシャフト部分が第２のシャフト部分に対して実質的に軸方向に整列されるように、接合継手において該第２の部分に接合される。接合継手は、ロータシャフトの中心対称軸線に対して斜めに延びている。
【０００７】
本発明の更に別の形態では、ガスタービンのロータシャフトが提供される。このガスタービンのロータシャフトは、第１のシャフト部分と、第２のシャフト部分と、該第１のシャフト部分と第２のシャフト部分との間で延びる接合継手とを含む。接合継手は、第１及び第２の部分に対して実質的に同心に整列され、ロータシャフトを通って軸方向に延びる中心対称軸線に対して斜めになっている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は更に、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０は、第１のシャフト２１により連結され、また圧縮機１４とタービン１８は、第２のシャフト２２により連結される。また、負荷(図示せず)が、第１のシャフト２１を用いてガスタービンエンジン１０に連結されることができる。１つの実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なＦ１１０型である。
【０００９】
作動中、空気は、低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気は、燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を通ってガスタービンエンジン１０から流出する。
【００１０】
図２は、公知の爆発接合継手４０の部分斜視図である。図３は、爆発接合継手４０から作製された公知のシャフト接合継手セクション４１の拡大側面図である。接合継手４０は、異種の又は冶金学的に合わない金属を結合・接合することを可能にする爆発接合により形成されるので、シャフト２１のようなロータシャフトを複数の異なる材料で製作することができるようになる。
【００１１】
具体的には、シャフト２１の上流部分４８及びシャフト２１の下流部分５０を製作するのに用いられているのと同じそれぞれの材料で各々が製作された爆発接合されたプレート４４及びプレート４６のサンドイッチ構造を作製することによって、接合継手４０は製作される。より具体的には、プレート４４及びシャフト上流部分４８は、各々が第１の材料で製作され、またプレート４６及びシャフト下流部分５０は、各々が第２の材料で製作される。この例示的な実施形態では、第１の材料はニッケル合金であり、また第２の材料はチタン合金である。
【００１２】
プレート４４及び４６が互いに爆発接合される前に、低強度の内部層５２が、プレート４４と４６の間に配置されて、プレート４４と４６を分離する。加えて、層５２は、シャフト部分４８及び５０を製作するのに用いられたいずれの材料とも同じではない材料で製作されるので、層５２は、有害な金属間化合物の生成を防止するのを助ける。この例示的な実施形態では、層５２はニオブ合金で製作される。
【００１３】
プレート４４、プレート４６及び層５２が公知の爆発接合プロセスで互いに爆発接合された後に、シャフトセクション４１は、プレート４４及び４６から切断されて、シャフト部分４８とシャフト部分５０とを接合するのに用いられる。具体的には、シャフト部分４８と５０が互いに接合されると、シャフトセクション４１は、内部層５２がロータシャフト２１を横切って直径方向に延び、シャフト２１を通って延びる中心対称軸線６０にほぼ垂直になるように、該シャフト部分４８と５０の間で延びる。しかしながら、作動中、シャフト２１が回転すると、剪断応力がシャフト２１中に生じる。より具体的には、シャフト２１に対する内部層５２の配向のために、該内部層５２は、シャフト２１が回転するとき、最大剪断応力平面内に全体的に位置する。その結果、エンジン作動中に、内部層材料５２は、接合継手の性能を著しく制限することになる。
【００１４】
図４は、シャフト２１のようなロータシャフトに用いることができる接合継手１００の部分斜視端面図である。これとは別に、接合継手１００は、それに限定するのではないが、自動車エンジン内で用いられるシャフトのような、航空機産業では用いられないようなシャフト(図示せず)に用いることができる。図５は、爆発接合継手１００から作製されたシャフト接合継手セクション１０２の拡大側面図である。接合継手１００は、異種の又は冶金学的に合わない金属の結合・結合を可能にする爆発接合により形成されるので、シャフト２１のようなロータシャフトは、複数の異なる材料で製作することができるようになる。
【００１５】
具体的には、接合継手１００は、各々がシャフト２１の上流部分１０８及びシャフト２１の下流部分１１０を製作するのに用いられているのと同じそれぞれの材料で製作された爆発接合されたプレート１０４及びプレート１０６のサンドイッチ構造を作製することによって製作される。より具体的には、プレート１０４及びシャフト上流部分１０８は、各々が第１の材料で製作され、またプレート１０６及びシャフト下流部分１１０は、各々が第２の材料で製作される。図４及び図５の例示的な実施形態では、第１の材料はニッケル合金であり、また第２の材料はチタン合金である。
【００１６】
プレート１０４とプレート１０６とが互いに爆発接合される前に、低強度の内部層１１２が、プレート１０４と１０６の間に配置されてプレート１０４と１０６を分離する。加えて、層１１２はシャフト部分１０８及び１１０を製作するのに用いられるいずれの材料とも同じではない材料で製作されるので、層１１２は、有害な金属間化合物の生成を防止するのを助ける。１つの実施形態では、層１１２はニオブ合金で製作される。
【００１７】
プレート１０４、プレート１０６及び層１１２が公知の爆発接合プロセスで互いに爆発接合された後に、シャフトセクション１０２が、プレート１０４及び１０６から切断されて、シャフト部分１０８とシャフト部分１１０とを接合するのに用いられる。具体的には、シャフト部分１０８と１１０が互いに接合されると、シャフトセクション１０２は、内部層１１２がロータシャフト２１を横切って直径方向に延びるように、該シャフト部分１０８と１１０の間で延びる。しかしながら、内部層５２（図２及び図３に示す）とは異なり、内部層１１２は、シャフト２１を通って延びる中心対称軸線６に対して斜めに延びている。より具体的には、内部層５２は、中心線対称軸６に対して傾斜角度θで配置される。１つの実施形態では、角度θはおよそ１０５度である。
【００１８】
作動中、シャフト２１が回転すると、ねじり剪断応力がシャフト２１中に生じる。しかしながら、内部層１１２は傾斜角度θで配向されているので、層１１２及び接合継手１０２は、最大剪断応力平面から移動され、このことがシャフト２１の荷重能力を向上させるのを助ける。更に、内部層の角度θはまた、シャフト２１のねじり剛性及び曲げ剛性を向上させるのも助ける。その上に、角度θはまた、シャフト２１に対してトルク制限も与える。従って、シャフトセクション１０２及び接合継手１００は、シャフト２１の有効寿命を向上させるのを助ける。
【００１９】
上述の接合継手は、費用効果が良くかつ高い信頼性がある。接合継手を含むシャフトセクションは、シャフトの回転時に接合継手を最大剪断応力平面からずらすのを助ける傾斜角度で形成される。更に、接合継手の内部層はシャフトに対して斜めに配向されているので、該接合継手は、関連するシャフト２１に対してトルク制限を与える。その結果、接合継手は、費用効果が良くかつ信頼性のある方法でシャフトの有効寿命を延ばすのを助ける。
【００２０】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 公知の爆発接合継手の部分斜視図。
【図３】 図２に示す爆発接合継手から作製された公知のシャフト接合継手セクションの拡大側面図。
【図４】 図１に示すロータシャフトに用いることができる接合継手の部分斜視端面図。
【図５】 図３に示す爆発接合継手から作製されたシャフト接合継手セクションの拡大側面図。
【符号の説明】
２１ ロータシャフト
６０ 中心対称軸線
１０２ シャフト接合継手セクション
１０８ 第１のシャフト部分
１１０ 第２のシャフト部分
１１２ 内部層

Claims (8)

1. ロータシャフト（２１）を製造する方法であって、
   第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第１のシャフト部分（１０８）を第１の材料から製作する段階と、
   第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第２のシャフト部分（１１０）を第２の材料から製作する段階と、
   爆発接合継手（１０２）により、前記第２のシャフト部分が前記第１のシャフト部分に対して同心に整列されるように、かつ前記爆発接合継手が前記ロータシャフトの中心対称軸線（６）に対して斜めに延びるように、前記第２のシャフト部分を前記第１のシャフト部分に接合する段階と、
   を含み、
   前記第１及び第２の材料と異なる材料から製作された第３の材料の層（１１２）を前記接合継手の内部で延在させ、前記第１のシャフト部分を第２のシャフト部分から分離する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第２のシャフト部分（５０）を前記第１のシャフト部分（４８）に接合する前記段階は、作動中に前記ロータシャフト（２１）の内部に生じる最大剪断応力平面に対して斜めになっている爆発接合継手（１０２）を用いる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のシャフト部分を前記第１のシャフト部分に接合する前記段階は、前記ロータシャフト（２１）の曲げ剛性を増大させるように、爆発接合継手（１０２）を用いる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 第１の材料からなり、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第１のシャフト部分（４８）と、第２の材料からなる、第１の端部から第２の端部まで軸方向に延びる第２の部分（５０）とを含み、
   前記第１のシャフト部分は、該第１のシャフト部分が前記第２のシャフト部分に対して軸方向に整列されるように、接合継手（１０２）において該第２の部分に接合され、前記爆発接合継手がロータシャフトの中心対称軸線（６０）に対して斜めに延びており、
   前記接合継手は、該接合継手の内部で延在する第３の材料の層（１１２）を含み、該第３の材料の層（１１２）は、前記第１及び第２の材料と異なる材料から製作され前記第１のシャフト部分を第２のシャフト部分から分離する
   ことを特徴とするロータシャフト（２１）。
5. 前記第１のシャフト部分（４８）は、爆発接合により前記第２のシャフト部分（５０）に接合されていることを特徴とする、請求項４に記載のロータシャフト（２１）。
6. 前記爆発接合継手（１０２）は、前記ロータシャフトの内部に生じる最大剪断応力平面に対して斜めになっていることを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンのロータシャフト（２１）。
7. ガスタービンエンジンのロータシャフトである、請求項４に記載のロータシャフト（２１）。
8. 前記第１のシャフト部分はニッケル合金からなり、
   前記第２のシャフト部分はチタン合金からなり、
   前記接合継手内の前記第３の材料はニオブ合金である
   ことを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンのロータシャフト（２１）。

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