JP5019888B2 - 平衡用フライウエイト、それに備えられたロータディスク、ロータ、およびそれらを備える航空機エンジン - Google Patents

Description

本発明は、平衡用ターボ機械ロータの技術分野に関する。

本発明は、より詳しくはターボ機械ロータのための平衡用フライウエイトに関する。

本発明はまた、そのようなフライウエイトが備えられたターボ機械ロータのディスクに関する。

本発明はさらに、そのようなディスクを備えるターボ機械ロータに関する。

最後に、本発明はそのようなロータを備えるターボ機械に関する。ターボ機械は特に航空機エンジンであることができる。

以下の本文では、「軸方向の」という用語はターボ機械の軸方向を指し、「縦方向の」という用語は平衡用フライウエイトの縦方向を指し、また「横方向の」という用語はターボ機械または平衡用フライウエイトの横方向に対して用いる。

ターボ機械ロータの平衡を保たせるのに平衡用フライウエイトを使用することが知られている。従来、ロータはいくつかのディスクを備え、そのロータの、着脱可能なブレードを担持するディスクである下流の２つのディスクに、平衡用フライウエイトが搭載される。

図１は、従来技術の平衡用フライウエイトを示す。図２、図３、および図４は、知られているそのような平衡用フライウエイトが備えられたターボ機械ロータを示す。

軸方向断面で示す図２には、ターボ機械ロータ１１０、より詳しくはそのロータ１１０の連続した２つの段Ｎ、Ｎ−１に対応する２つのディスク１１２、１３２がある。

段Ｎのディスク１１２の周囲には、着脱可能なブレード１１８の根元部１１６をそれぞれが受容するセル１１４が分配される。平衡用フライウエイト１６０は、連続する２つのブレード根元部１１６、１１６’の間に形成される隙間１２０に配設される。同様に、段Ｎ−１のディスク１３２の周囲には、着脱可能なブレード１３８の根元部１３６をそれぞれが受容するセル１３４が分配される。平衡用フライウエイト１８０は、連続する２つのブレード根元部１３６、１３６’の間に形成される隙間１４０に配設される。

知られている形では、平衡用フライウエイト１６０、１８０は、各フライウエイトの１６０、１８０の２つの作用面１５６が、ロータ１１０が駆動されて回転するときの遠心力によって、対応するセル１１４、１３４の２つの作用側１０４と接触するように、隙間１２０、１４０に位置決めされる。

段Ｎのディスク１１４のフライウエイト１６０は全て相互に同一である。同様に、段Ｎ−１のディスク１３４のフライウエイト１８０も全て相互に同一である。従来技術の一般的な平衡用フライウエイト１６０、１８０を図１に斜視図で示す。直交軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）による局部的な座標系はそれに関連付けられる。それは、その質量を最適化するために、機械加工によって作られた窪み１５８を有する本体１６２、１８２を有する。それは、本体１８２から外向き横方向Ｙに延びる２つの位置付用ラグ１８４も有する。これらの位置付用ラグ１８４は、図４に示すようにフライウエイト１８０が間に配設されるブレード１３８、１３８’の根元部１３６、１３６’とは接触しない。位置付ラグ１８４は、ディスク１３２の損傷を招きかねない、考えられる取り付け誤差を防止することを可能にする。

図４は、図２のロータ１１０の段Ｎ−１のディスク１３２の、図２の線Ｂ−Ｂによる横方向断面図を示し、これは、ブレード根元部１３６および１３６’をそれぞれに有する隣接した２つの着脱可能なブレード１３８、１３８’と、ブレード根元部１３６および１３６’の間に形成される隙間１４０に配設される段Ｎ−１用の平衡用フライウエイト１８０とを、より詳しく示す。

フライウエイト１８０が、２つのブレード根元部１３６と１３６’の間の位置にあるとき、フライウエイト１８０の平面（Ｘ、Ｚ）は、図２の平面である軸方向断面平面と融合され、フライウエイト１８０の平面（Ｙ、Ｚ）は、図４の平面である横方向断面の平面と融合される。言い換えれば、フライウエイト１８０が２つのブレード根元部１３６と１３６’の間の位置にあるとき、その軸Ｘはターボ機械の軸方向と平行であり、その軸ＹおよびＺはターボ機械の横断面と平行な平面を画定する。

図３は、図２のロータ１１０の段Ｎのディスク１１２の、図２の線Ａ−Ａによる横方向断面図を示し、これは、ブレード根元部１１６および１１６’をそれぞれに有する隣接した２つの着脱可能なブレード１１８、１１８’をより詳しく示す。

２つの異なった段Ｎ、Ｎ−１に属することから、この２つのディスク１１２、１３２は、詳しくはそれらの半径方向に沿って、異なった寸法のセル１１４、１３４を有する。事実、図２、図３、および図４から、段Ｎ−１（図２の右側）のディスク１３２のセル１３４の半径寸法が、段Ｎ（図２の左側）のディスク１１２のセル１１４の半径寸法よりも小さいことが分かる。その結果、ロータ１１０の段Ｎのディスク１１２、あるいは段Ｎ−１のディスク１３２のためのものであるかに応じて、僅かに異なった形状および／または寸法を有するフライウエイト１６０、１８０を提供することが必要となる。

この状況を図３に示すが、これは、連続した２つのブレード根元部１１６と１１６’の間に配置された、段Ｎ−１のディスク１３２に対して適合された平衡用フライウエイト１８０を示す。この２つのディスク１１２、１３２のセル１１４、１３４は異なった寸法を有することから、ブレード根元部１１６、１１６’を備えた位置付用ラグ１８４の重なり合う区域１０８によって図示するように、段Ｎ−１のディスク１３２に対して適合されたフライウエイト１８０は、段Ｎのディスク１１２に対しては適合されていない。段Ｎ−１の平衡用フライウエイト１８０が、そのような重なり合いを回避するように段Ｎの隙間１２０に配設されていたなら、その作用面１５６は、ディスク１１２の回転中にセル１１４の作用側１０４と接触することにはならない。

したがって、これらのフライウエイトが図１に示すフライウエイト１８０の形状を有するとき、２つの異なったディスク１１２、１３２のセル１１４、１３４と同一のフライウエイト１８０を配置することが不可能であることが分かる。
米国特許出願公開第２００５／０１９１１８１号明細書

本発明の目的は、段Ｎのディスクのセルにも、段Ｎ−１のディスクのセルにも同じように配置することができるような形状および寸法の平衡用フライウエイトを提供することである。

本発明の他の目的は、位置付用突起部を設ける必要なく、セルに正確に配置することができるような形状および寸法の平衡用フライウエイトを提供することである。

上述の目的および他の目的は、本発明による平衡用フライウエイトで達成される。

第１の態様によると、本発明は、ターボ機械ロータの平衡用フライウエイトであって、基部と頂部をそれぞれが有するピラミッド形状の２つの端部と、それらの端部の２つの基部同士を連結する中間部とを備える、平衡用フライウエイトに関する。

一特徴によると、それらの２つの頂部は縦方向軸に位置合わせされる。

一特徴によると、それらの２つの端部と中間部は、上記縦方向軸による断面で、上記縦方向軸を中心とする多角形状を有する断面を示す。

一特徴によると、上記平衡用フライウエイトは、上記縦方向軸に垂直の対称形の二等分面を備える。

一特徴によると、上記平衡用フライウエイトは丸みのある縁部と丸みのある頂部とを示す。

一特徴によると、上記平衡用フライウエイトは窪みを示す。上記窪みは、上記縦方向軸に対して垂直方向に配向された横行穴の形態であることが好ましい。

好ましい実施形態によると、上記多角形は、各端部が４つの面を備えたピラミッドの形状を有するような、および中間部が平行六面体の形状を有するような、四辺多角形である。

好ましい変形実施形態によれば、上記四辺多角形は長方形である。

好ましい実施形態の他の好ましい変形によれば、上記四辺多角形は正方形である。

この好ましい変形によれば、上記平衡用フライウエイトは、２つの端部の８つの面である８つの作用面を備える。

第２の態様によれば、本発明は、第１の態様による少なくとも１つの平衡用フライウエイトが備えられたターボ機械のロータディスクに関する。

より詳しくは、上記ターボ機械のロータディスクは、ディスクに対して接線方向に、隙間が間に形成されるブレード根元部が挿入されるセルを備え、上記セルは２つの作用側を有する。

上記ロータディスクは、上記隙間に配設される、第１態様による少なくとも１つの平衡用フライウエイトが備えられることを特徴とする。

上記平衡用フライウエイトは、端部の一方にそれぞれ配設される２つの作用面を備えることが好ましい。

これらの２つの作用面は、フライウエイト（５０）の２つの頂部（６６）同士を連結する縦方向軸に垂直の対称形の二等分面に関して、相互に対称形であることが好ましい。

上記作用面は、上記ロータディスクが駆動されて回転するとき、セルの作用面の一方とそれぞれ接触することを目的とすることが好ましい。

第３の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様による平衡用フライウエイトおよび／または第２の態様によるロータディスクを備える、ターボ機械ロータに関する。

第４の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様による平衡用フライウエイトおよび／または第２の態様によるロータディスクおよび／または第３の態様によるロータを備えるターボ機械に関する。より詳しくは、ターボ機械は航空機エンジンである。

本発明は、添付図面を参照して例示としてここに掲げる、決して限定をするものではない、本発明の実施形態についての以下の詳しい記述を読めば、よりよく理解されよう。

最初に図５を参照すると、本発明による平衡用フライウエイト５０が斜視図で示してある。平衡用フライウエイト５０は、縦方向軸Ｘに沿って延びるほぼ楕円の形状を有する。基準軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の局部的な直交座標系は、平面（Ｙ、Ｚ）が平衡用フライウエイト５０の横方向二等分面であるように、また平面（Ｚ、Ｘ）が二等分面（Ｙ、Ｚ）に対して垂直な縦方向平面であるように、それに関連付けられる。

平衡用フライウエイト５０を、図６に縦方向平面（Ｘ、Ｚ）による断面図で示す。これは連続する３つの部分、即ち中間部６４によって相互に連結される２つの端部６２を備える。２つの端部６２はそれぞれに基部７０、頂部６６、および４つの面５６を有するピラミッド様の形状である。中間部６４は、同じ寸法の４つの面７２を有する平行六面体の形状を有する。中間部６４は、２つの端部の２つの基部７０を、連続的で規則的な形で、２つの頂部６６がその上に位置合わせされる縦方向軸Ｘと平行に連結する。中間部６４の面７２は端部６２のそれぞれの面５６の延長部にある。

平衡用フライウエイト５０は、縦方向軸Ｘに対して垂直な、図７で示すように正方形状を有する横方向断面を有するが、図７は、平衡用フライウエイト５０を、中間部６４と端部６２の一方との接合部の、図６の線Ｃ−Ｃに対応する横方向平面（Ｙ、Ｚ）による断面で示す。軸ＹおよびＸは、それぞれが中間部６４の２つの対向面７２の中心を通過するように位置決めされる。

その様々な面５６、７２の間で、平衡用フライウエイト５０は丸みのある縁部を有することが好ましい。それはまた丸みのある頂部６６を有することが好ましい。

端部６２の面５６の傾斜は、要件によって値が変わる角度αによって画定される。この角度αは３０度から６０度の範囲に、好ましくは４０度から５５度の範囲内に含まれる。さらに好ましい形では、角度αの値は４５°に設定される。

先に述べたばかりの形状を有する平衡用フライウエイト５０の１つの利点は、それがいくつかの対称面を有し、それが縦方向軸Ｘのまわりで９０°回転されたとき、縦方向平面（Ｚ、Ｘ）で同一形状を保持するということである。

図８は平衡用フライウエイト５０の変形実施形態を示す。平衡用フライウエイト５０はその質量を修正および／または最適化するように、好ましくは機械加工によって形成される窪み５８を有する。ここに図示する実施例では、窪み５８は、縦方向軸Ｘに対して垂直方向に配向された、横方向軸ＹまたはＺの一方または他方を通過する横行穴５８の形態である。窪み５８の形状および位置は、横方向平面（Ｘ、Ｙ）または（Ｚ、Ｘ）の一方または他方で見たときの平衡用フライウエイト５０の形状には影響しない。

本発明の１つの利点は、全ての平衡用フライウエイト５０に、それらが据え付けられるディスク１２、３２がどのようなものであっても、独自の形状および独自の寸法が備えられるということである。これは、平衡用フライウエイトの製造を単純化し、その製造コストを軽減するのを可能にする。

本発明による平衡用フライウエイトは、ニッケルベースの合金、チタニウムベースの合金、アルミニウムベースの合金、および鉄鋼によって構成される一群から選択される材料から作られることが好ましい。

図９は本発明によるターボ機械ロータ１０の軸方向断面図、より詳しくは、そのロータ１０の連続した２つの段、Ｎ、Ｎ−１に対応する２つのディスク１２、３２を示す。

着脱可能なブレード１８の根元部１６をそれぞれが受容するセル１４は、段Ｎのディスク１２の周囲に分配される。本発明による平衡用フライウエイト５０は、連続した２つの根元部１６の間に形成される隙間２０に配設される。同様に、着脱可能なブレード３８の根元部１６をそれぞれが受容するセル３４は、段Ｎ−１のディスク３２の周囲に分配される。本発明による平衡用フライウエイト５０は、連続する２つの根元部３６の間に形成される隙間４０に配設される。

図１０は、図９のロータ１０の段Ｎのディスク３２の、図９の線Ｄ−Ｄによる横方向断面図であり、ブレードの根元部１６および１６’をそれぞれ有する隣接した２つの着脱可能なブレード１８および１８’と、それらの間に形成される隙間２０に配設される平衡用フライウエイト５０とを、より詳しく示す。

同様に、図１１は、図９のロータ１０の段Ｎ−１のディスク３２の、図９の線Ｅ−Ｅによる横方向断面図であり、ブレードの根元部３６および３６’をそれぞれ有する隣接した２つの着脱可能なブレード３８および３８’と、それらの間に形成される隙間４０に配設される平衡用フライウエイト５０とを、より詳しく示す。

段Ｎのディスク１１４のフライウエイト１６０は全て相互に同一である。同様に段Ｎ−１のディスク１３４のフライウエイト１８０も全て相互に同一である。さらに、段Ｎのディスクに配設されるフライウエイト５０（図１０および図９の左側部）は、段Ｎ−１のディスクに配設されるフライウエイト５０（図１１および図９の右側部）と同一である。

平衡用フライウエイト５０、５０は、ロータ１０が駆動されて回転するとき（図９）、各フライウエイト５０の２つの作用面５６、５６が、対応するセル１４、３４の２つの作用側４、４と遠心力によって接触するように、隙間２０、４０で連続した２つのブレード根元部１６、１６’、３６、３６’の間に位置決めされる（図１０、図１１）。対応するセル１４、３４の作用側４、４と接触する２つの作用面５６、５６は、平衡用フライウエイト５０の対称な二等分面（Ｙ、Ｚ）に対して相互に対称である。

図１０および図１１により詳しく示すように、隙間２０、４０は、ディスク１２、３２の横方向平面で実質的に正方形状を有する。中間部６４の断面を画定するのに、等しい４辺を有する多角形、即ち正方形を選択することによって、平衡用フライウエイト５０がセル１４、３４内に位置決めされた後、その縦方向軸Ｘのまわりでそれが回転するのが防止される。その結果、セル１４、３４および／またはフライウエイト５０を損傷するリスクが軽減される。こうしたリスクは、平衡用フライウエイト５０に丸みのある縁部６８と丸みのある頂部６６とが設けられるという事実によって、さらに軽減される。

縦方向の２つの対称平面（Ｙ、Ｚ）および（Ｚ、Ｘ）を有するその特殊な形状によって、各平衡用フライウエイト５０は、突起部を挿入および／または位置付けする特定方向を設ける必要なく、隙間２０、４０に配設することができる。事実、端部６２の面５６は全て同一である。したがってそれらは全て、対応するセル１４、３４の作用側４、４と接触する作用面の役割を果たすことができる。その結果、平衡化しなければならないロータのディスク全てに対して、同じ形状の平衡用フライウエイトを想定することができる。共通の平衡用フライウエイトの寸法を、最小の半径寸法を有するセル、即ち段Ｎ−１のディスク３２のセル３４を、それが図９の右側に入れることができるように選択すればよい。その結果、そのような平衡化フライウエイト５０は、ディスク１２と３２の組み立て時に、時間を節約できる。

本発明は、先に述べた実施形態に制限されない。特に、各ピラミッド面の数は４つに制限されない。

従来技術による平衡用フライウエイトの斜視図である。 従来技術による平衡用フライウエイトが設けられたターボ機械ロータの、軸方向断面での連続した２つの段である。 図２の線Ａ−Ａによる横方向断面図である。 図２の線Ｂ−Ｂによる横方向断面図である。 本発明による平衡用フライウエイトの斜視図である。 本発明による平衡用フライウエイトの他の縦方向断面図である。 本発明による平衡用フライウエイトの、図６の線Ｃ−Ｃによる他の横方向断面図である。 本発明による平衡用フライウエイトの、図５に類似の変形実施形態の図である。 本発明による平衡用フライウエイトが設けられたターボ機械ロータの、連続する２つの段の軸方向断面図である。 図９の線Ｄ−Ｄによる横方向断面図である。 図９の線Ｅ−Ｅによる横方向断面図である。

４、１０４ セルの作用側
１０、１１０ ターボ機械ロータ
１２、３２、１１２、１３２ ディスク
１４、３４、１１４、１３４ セル
１６、３６、１１６、１３６ ブレード根元部
１８、３８、１１８、１３８ ブレード
２０、４０、１２０、１４０ 隙間
５０、１６０、１８０ 平衡化フライウエイト
５６、７２、１５６ 作用面
５８ 窪み
６２ 端部
６４ 中間部
６６ 頂部
６８ 縁部
７０ 基部
１６２、１８２ 本体
１８４ 位置付用ラグ

Claims (19)

1. ターボ機械ロータ（１０）の平衡用フライウエイト（５０）であって、基部（７０）と頂部（６６）をそれぞれが有するピラミッド形状の２つの端部（６２）と、端部（６２）の２つの基部（７０）同士を一緒に連結する中間部（６４）とを備え、前記２つの頂部（６６）が縦方向軸（Ｘ）に位置合わせされ、２つの端部（６２）と中間部（６４）が、前記縦方向軸（Ｘ）に対して垂直の平面（Ｙ、Ｚ）による断面で、前記縦方向軸（Ｘ）を中心とする多角形状を有する断面を示す、前記平衡用フライウエイト（５０）。
2. 窪み（５８）を有する、請求項１に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
3. 前記窪み（５８）が、２つの頂部（６６）を連結する縦方向軸（Ｘ）に垂直の方向に配向される横行穴の形態である、請求項２に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
4. 前記多角形が、各端部（６２）が４つの面を備えたピラミッドの形状を有するように、および中間部（６４）が平行六面体の形状を有するように、四辺多角形である、請求項１から３のいずれか一項に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
5. 前記四辺多角形が長方形である、請求項４に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
6. 前記四辺多角形が正方形である、請求項４に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
7. ２つの端部（６２）の８つの面（５６）である８つの作用面（５６）を有する、請求項６に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
8. 丸みのある縁部と丸みのある頂部とを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
9. ニッケルベースの合金、チタニウムベースの合金、アルミニウムベースの合金および鉄鋼によって構成される一群から選択される材料から作られる、請求項１から８のいずれか一項に記載の平衡用フライウエイト（５０）。
10. ターボ機械のロータディスクであって、請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの平衡用フライウエイト（５０）が備えられた、ロータディスク。
11. ターボ機械のロータディスク（１２、３２）であり、前記ディスク（１２、３２）は、ディスク（１２、３２）に対して接線方向に、隙間（２０、４０）が間に形成されるブレード根元部（１６、１６’、３６、３６’）が挿入されるセル（１４、３４）を備え、前記セル（１４、３４）が２つの作用側（４、４）を有する、ロータディスク（１２、３２）であって、前記隙間（２０、４０）に配設される請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの平衡用フライウエイト（５０）が設けられる、ロータディスク（１２、３２）。
12. 前記平衡用フライウエイト（５０）が、端部（６２）の一方に配設された２つの作用面（５６、５６）を備える、請求項１１に記載のロータディスク（１２、３２）。
13. これらの２つの作用面（５６、５６）が、フライウエイト（５０）の２つの頂部（６６）を連結する縦方向軸（Ｘ）に垂直の二等分面（Ｙ、Ｚ）に対して相互に対称である、請求項１２に記載のロータディスク（１２、３２）。
14. 前記作用面（５６、５６）が、前記ロータディスク（１１２、１３２）が駆動されて回転するとき、セル（１１４、１３４）の作用側（４、４）の一方とそれぞれに接触することを目的とする、請求項１３に記載のロータディスク（１２、３２）。
15. 請求項１０から１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのロータディスク（１２、３２）を備える、ターボ機械ロータ（１０）。
16. 請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの平衡用フライウエイト（５０）を備える、ターボ機械。
17. 請求項１０から１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのロータディスク（１２、３２）を備える、ターボ機械。
18. 請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの平衡用フライウエイト（５０）を備える、航空機エンジン。
19. 請求項１０から１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのロータディスク（１２、３２）を備える、航空機エンジン。

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