JP5314268B2 - 特にターボ機械の２個の回転シャフトの結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、２個の回転シャフト、特にターボ機械における、ターボ機械のタービンシャフトとコンプレッサシャフトとの間を結合する結合装置に関する。

航空機のターボファンまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械では、低圧タービンのシャフトが、低圧コンプレッサのシャフトを回転駆動し、これらの２つのシャフトは、直線スプラインのシステムによって回転結合され、直線スプラインのシステムは、たとえばタービンシャフトの外側円筒表面に形成され、かつコンプレッサのシャフトの内側円筒表面の相補的な直線スプラインに係合される。

動作時には、２個のシャフトのスプラインが、弾性的に捩れ変形し、応力が、雄シャフトのスプラインの長手方向の端で最大になり、こうした応力の集中によってこのシャフトの寿命が制限されることが、確認されている。

本発明は、特に、この問題に対して簡単で有効かつ経済的な解決方法を提供することを目的とする。

このため、本発明は、駆動シャフトおよび従動シャフトである２個の回転シャフトの結合装置を提供し、駆動シャフトの一端が、直線スプラインを有しかつ従動シャフトの雌部に係合され、雌部が、駆動シャフトの直線スプラインを補足する直線スプラインを有し、従動シャフトのスプライン領域が、少なくとも一つの円筒部分を有し、この円筒部分が、より大きな捩れ可撓性を有しかつスプライン領域の長手方向の一端付近に配置される。

このような結合装置では、駆動シャフトのスプラインの一端に近接する従動シャフト部分のより大きな捩れ可撓性により、動作時にこの端に加わる最大応力を低減し、約３０％の低減を可能にして、駆動シャフトの寿命を著しく延ばすことができる。

本発明の別の特徴によれば、従動シャフトのより大きな捩れ可撓性を有する一つまたは各円筒部分（および／または駆動シャフトの対応部分）が、スプラインを備えない。

そのため、従動シャフト（および／または駆動シャフト）は、より大きな可撓性を有する部分によって互いに長手方向に隔てられた、２個のスプライン部分を含み、これによって、このシャフトの端にある一方のスプライン部分のスプラインに加わる応力を低減し、一方、このシャフトの他方のスプライン部分のスプライン端に加わる応力を増すことを可能にする。

換言すれば、駆動シャフトおよび従動シャフトが、長手方向に隔てられた２個のスプライン部分をそれぞれ含む場合、最大応力は、スプライン部分の端に分配されるので、スプライン部分を一つしか含まない軸の場合よりも応力が小さくなる。

本発明の実施形態では、従動シャフトのスプライン部分が、より大きな可撓性を有する少なくとも２個の円筒部分を含み、この２個の円筒部分が、互いに隔てられている。

シャフトが、長手方向に隔てられた３個のスプライン部分をそれぞれ含む場合、動作時にスプラインに加わる最大応力は、３つのスプライン部分の端に分配されるので、この応力はさらに小さくなる。

変形実施形態では、従動シャフトのより大きな捩れ可撓性を有する一つまたは各部分および／または駆動シャフトの対応する部分が、トルクの伝達時に互いに全く接触しないように加工される。

従動シャフトの捩れ可撓性は、厚さおよび／または半径の低減により、および／または、たとえば穿孔等の加工により、一つまたは各円筒部分で増大されることができる。

より大きな可撓性を有する一つまたは各部分の長さは、スプラインを含む従動シャフト部分の全長の約１５％〜３０％である。

本発明は、また、コンプレッサを備える航空機のターボファンまたはターボプロップなどのターボ機械に関連し、コンプレッサのシャフトが、タービンシャフトにより回転駆動され、コンプレッサのシャフトとタービンシャフトとが、前述の装置によって結合される。

従動シャフトおよび駆動シャフトの前述のより大きな可撓性を有する円筒部分が、従動シャフトおよび駆動シャフトのスプライン領域の下流側端および上流側端付近にあることができる。

本発明は、添付図面に関して非限定的な例により与えられた以下の説明を読むことによって、より十分に理解され、本発明の他の特徴、詳細、および利点が明らかになるであろう。

図１は、航空機のターボファンまたはターボプロップなどのターボ機械における低圧タービンのシャフト１０と低圧コンプレッサのシャフト１２とを非常に概略的に示しており、タービンシャフト１０は、結合を作るためにスプラインを使用する従来技術による結合装置を用いて、ターボ機械の長手方向の軸１４を中心として、コンプレッサのシャフト１２を駆動している。

タービンシャフト１０の上流側端１６は、コンプレッサのシャフト１２の雌型の円筒通路１８に係合される雄型の円筒部分を形成し、その外側円筒表面に、断面がほぼ矩形または台形の複数の直線スプライン２０を有し、これらのスプラインは、軸１４を中心として均一に配分されて、シャフト１２の通路１８の内側円筒表面にある対応する直線スプライン２２と協働する。

タービンシャフト１０は、ターボ機械の燃焼室を出る高温ガスがもたらすエネルギーにより、軸１４を中心として回転駆動され、これら高温ガスは、タービンシャフト１０の下流側端に固定された低圧タービンのロータを駆動する。このタービンシャフト１０は、スプライン２０、２２を介して、ターボ機械のファンを上流側端で支持するコンプレッサのシャフト１２にトルクを伝達する。

トルクの伝達時に、シャフト１０、１２のスプライン２０、２２は、軸１４を中心として弾性的に捩れ変形されるので、タービンシャフト１０のスプライン２０の長手方向の端、特に長手方向の下流側端で大きな応力を発生し、これによりこのシャフト１０の寿命が短くなる。

本発明は、コンプレッサのシャフト１２のスプライン領域の少なくとも一部の捩れ可撓性を較正し、この部分を、シャフト１０のスプライン領域の下流側端付近に配置することにより、この問題を解決することができる。

図２および図３に示した例では、２本のシャフトのスプライン領域が、ほぼ同じ長さを有し、コンプレッサのシャフト１２のスプライン領域は、スプラインを備えない円筒部分２６を含む。この円筒部分は、シャフト１２のスプライン領域の下流側端付近に配置されて、このスプライン領域の残りの部分よりも大きな捩れ可撓性を有する。従って、シャフト１２のスプライン領域の下流側端部分は、シャフト１０のスプライン領域が加える捩れ応力に対してそれほど抵抗を生ぜず、そのため、シャフト１０のスプライン領域の下流側端部分で発生する応力を制限し、このシャフトの寿命を延ばす。

シャフト１２の円筒部分２６（破線で画定された部分）は、上流側のスプライン部分２８と下流側のスプライン部分３０との２つの独立したスプライン部分の間に配置されている。

シャフト１２の円筒部分２６に径方向にアラインメントされたタービンシャフトの部分３２は、同様にスプライン２２を備えず、上流側のスプライン部分３４と下流側のスプライン部分３６との２つの独立したスプライン部分の間に配置されている。

シャフト１２の円筒部分２６の捩れ可撓性は、動作時に、シャフト１０の２個のスプライン部分３４、３６の長手方向の上流側端および下流側端にわたって応力を配分する効果を有する。そのため、スプラインが受ける最大応力は、シャフトが、スプライン部分を一つしか含まない場合よりも少なくなる。

シャフト１２の円筒部分２６の捩れ可撓性は、このシャフトの厚さｅ、外径Ｒ、および／または軸方向の寸法Ｌを変えることによって較正される。円筒部分２６の厚さｅまたは外径Ｒが小さければ小さいほど、捩れ可撓性は大きくなる。シャフトの捩れ可撓性は、また、シャフト１２の円筒部分２６の加工によって、大きくすることもできる。

図３に示した例では、シャフト１２の円筒部分２６が、ターボ機械の軸１４を中心として規則正しく配分された、環状の２列の径方向の穿孔４０を含む。図４に示した本発明の変形実施形態では、シャフト１２の円筒部分２６が、環状の１列のみの径方向の穿孔４０’を含み、これらの穿孔４０’の直径は、図３の穿孔４０の直径よりも大きい。穿孔４０、４０’の数、配置、および大きさは、この円筒部分２６の可撓性を正確に較正するように決定される。

ここでは、シャフトの円筒部分２６の長さが、約３０ｍｍ、上流側および下流側のスプライン部分の長さは、それぞれ約１００ｍｍと１０ｍｍである。

図示されていない別の変形実施形態では、より大きな可撓性を有するシャフト１２の円筒部分２６と、シャフト１０の対応する円筒部分３２とが、複数のスプラインを含み、これらのスプラインの少なくとも幾つかを加工して、トルク伝達時に互いに全く接触しないようにされている。こうしたトルクは、円筒部分２６、３２の両側に配置されたスプライン２０、２２だけを介して伝達される。シャフトのスプライン２０、２２の断面は、正方形、矩形、または台形とすることができる。

コンプレッサのシャフト１２のスプライン領域は、より大きな可撓性を有する２個、さらにはそれ以上の円筒部分２６を含んでもよく、また、これらの円筒部分は、互いに隔てられており、シャフト１２のスプライン領域の上流側端および下流側端付近に設けることができる。

ターボ機械のタービンシャフトとコンプレッサとの間の、従来技術による結合装置の概略的な軸方向の半断面図である。 ターボ機械のタービンシャフトとコンプレッサシャフトとの間の、本発明による結合装置の概略的な軸方向の半断面図である。 図２に示されるコンプレッサシャフトの概略的な軸方向の拡大断面図である。 本発明の変形実施形態を示す、図３に対応する概略図である。

符号の説明

１０ 駆動シャフトまたはタービンシャフト
１２ 従動シャフトまたはコンプレッサのシャフト
１４ ターボ機械の長手方向の軸
１８ 通路
２０、２２ スプライン
２６、３２ 円筒部分
２８、３４ 上流側のスプライン部分
３０、３６ 下流側のスプライン部分
４０、４０’ 穿孔

Claims (10)

1. 駆動シャフトおよび従動シャフトである２個の回転シャフトの結合装置であって、駆動シャフトの一端が、直線スプラインを有しかつ従動シャフトの雌部に係合され、該雌部が、駆動シャフトの直線スプラインを補足する直線スプラインを有し、従動シャフトのスプライン領域が、少なくとも一つの円筒部分を有し、該円筒部分が、より大きな捩れ可撓性を有しかつスプライン領域の長手方向の一端付近に配置され、さらに、該円筒部分が、その捩れ可撓性を較正するように決定された配置および寸法の、環状の１列または２列の径方向の穿孔を有する、装置。
2. 従動シャフトのスプライン領域が、より大きな捩れ可撓性を有する少なくとも２個の円筒部分を含み、該２個の円筒部分が、互いに隔てられている、請求項１に記載の装置。
3. 従動シャフトの一つまたは各円筒部分が、スプラインを備えない、請求項１に記載の装置。
4. 駆動シャフトは、従動シャフトのより大きな捩れ可撓性を有する円筒部分に対応する一つまたは複数の円筒部分に、スプラインを備えない、請求項１に記載の装置。
5. より大きな捩れ可撓性を有する一つまたは各円筒部分において、従動シャフトのスプラインおよび／または駆動シャフトのスプラインが、トルク伝達時に互いに全く接触しないように加工される、請求項１に記載の装置。
6. 従動シャフトの捩れ可撓性が、厚さおよび／または半径の低減により、前記一つまたは各円筒部分で増加される、請求項１に記載の装置。
7. より大きな捩れ可撓性を有する一つまたは各円筒部分の長さが、スプラインを含む従動シャフト部分の全長の約１５％〜３０％である、請求項１に記載の装置。
8. コンプレッサを備える航空機のターボファンまたはターボプロップなどのターボ機械であって、コンプレッサのシャフトが、タービンシャフトにより回転駆動され、コンプレッサのシャフトとタービンシャフトとが、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置によって結合される、ターボ機械。
9. 従動シャフトおよび駆動シャフトのより大きな可撓性を有する円筒部分が、従動シャフトおよび駆動シャフトのスプライン領域の下流側端付近にある、請求項８に記載のターボ機械。
10. 従動シャフトおよび駆動シャフトのより大きな可撓性を有する円筒部分が、従動シャフトおよび駆動シャフトのスプライン領域の上流側端付近にある、請求項８または９に記載のターボ機械。

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