JP5346126B2

JP5346126B2 - 高速ギア連結器

Info

Publication number: JP5346126B2
Application number: JP2012531515A
Authority: JP
Inventors: アネマアッテ
Original assignee: オプラテクノロジーズベスローテンフェンノートシャップ
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: WO2011039633A1; US20120092380A1; NO341243B1; US8167727B2; CN102597559B; US20110081975A1; NO20120480A1; JP2013506801A; CN102597559A

Description

本発明は、回転式原動機と減速機を相互接続する装置に関する。特に、本発明は、ガスタービンなど高速駆動体と動力伝達用の歯車式減速機を相互接続する装置に関する。

本出願は、２００９年１０月２日に提出された米国特許出願第１２／５８８０８５号に対する優先権を主張するものである。

ガスタービンなど高速駆動体を減速機と相互接続する際の支障には、駆動体の軸線と減速機の高速入力部の軸線との間の横方向及び（または）角度の不整列の可能性が含まれる。不整列は、不当な磨耗を生じ、可撓性部材が不整列を吸収する場合には疲労により相互接続装置の故障を生じる可能性がある。原動機及び（または）減速機に対する磨耗またはその他の損傷の可能性も生じる。

高速駆動体と減速機を相互接続する従来の装置は、その外円周で接合された１つまたはそれ以上の比較的薄い順応性のある環状ディスクを含む。それぞれの内円周は、通常、１または複数のシャフトによって駆動体及び減速機に接続される。Ｖｏｉｔｈ社が製造する“ＴｗｉｎＴｏｒ”連結器は、この種の従来のカップリング装置の一例である。このような従来のカップリング装置の欠点には、高いピーク負荷時の安全限界の低さ及び臨界（共振）周波数における励起の敏感度により、フレキシブルディスクが深刻な疲労故障を生じる可能性が含まれる。

本発明の１つの態様は、高速駆動体を減速機と相互接続する装置を含む。装置は、長手軸線を形成しかつ対向する第一端部及び第二端部を有する細長い歯車シャフトと、作用上歯車シャフトの第一端部を減速機に接続する手段とを含む。また、装置は、歯車シャフトの第二端部に配置された駆動体へのギアカップリングを含む。ギアカップリングは、軸線対称形であり、一連の半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを含む。一連のスプラインは噛み合って、歯車比１：１を与える。ギアカップリングは、さらに、駆動体へ接続する手段を含む。

本発明の別の態様は、発電装置を含む。発電装置は、駆動シャフトを有するガスタービンと、高速入力部を有する減速ギアボックスと、駆動シャフトを高速入力部に相互接続するカップリング装置とを含む。カップリング装置は、長手軸線を形成しかつ対向する第一端部及び第二端部を有する細長い歯車シャフトと、歯車シャフトの第一端部に配置されると共に減速ギアボックスの高速入力部に接続された太陽歯車と、ガスタービン駆動シャフトに隣接する歯車シャフトの第二端部に配置されるギアカップリングとを有する。ギアカップリングは、噛み合う一連の半径方向内向きスプラインと半径方向外向きスプラインを含み、歯車比１：１を有する。ギアカップリングは、さらに、ガスタービン駆動シャフトに相互接続されたフランジ組立体を含む。半径方向内向きスプラインは、フランジ組立体と結合され、半径方向外向きスプラインは歯車シャフトと結合される。

本発明の別の態様は、部分的に以下の説明に記載され、また部分的に説明から明らかであるか、または本発明の実施によって習得できる。本発明の目的及び利点は、特許請求の範囲において特に指摘される要素及び組合せによって実現できる。

上記の概要及び以下の詳細な説明はいずれも模範的かつ説明的なものに過ぎず、本発明を限定するものではないと解釈すべきである。

本明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を図解し、説明と一緒に、本発明の原理を説明する助けとなる。

本発明に係るカップリング装置を使用するガスタービン発電機の一部の断面図であり、カップリング装置がガスタービンと減速機を相互接続する図である。図１のカップリング装置の斜視図である。図２のカップリング装置のＡＡに沿って見た端面図である。図２のカップリング装置のＡＤに沿って見た部分的縦断面図である。図４Ａの細部の断面図である。図４Ｂの細部の断面図である。図４ＢのＡＣに沿って見た端面図である。

図１は、全体が番号１０で示される、高速駆動体を減速機と相互接続する回転式装置を示す。図示する装置において、高速駆動体は、出力部または駆動シャフト１４と、ケーシング１６とを有するガスタービンエンジン１２である。図１に示す減速機１８は、遊星歯車列２０と、歯車式高速入力接続部２２と、減速機ケーシング２４とを含む。図示する装置において、タービン駆動シャフト１４の発電速度を、約１５０００ＲＰＭから４０００ＲＰＭの間とし、ギアカップリング１０へ伝達されるパワーを、約５００ＫＷから３０００ＫＷの間とすることができる。図示するように、駆動体ケーシング１６と減速機ケーシング２４は、連結部２６において接続でき、発電セット２８を構成できる。分離可能な連結部２６は、組立て、保守などのためにカップリング装置１０への接近路を与える。

本発明によれば、カップリング装置は、長手軸線を形成しかつ対向する軸線方向の端部を有する細長い歯車シャフトを含む。本明細書において例示するように、また図１及び２を参照すると、カップリング装置１０は、長手軸線３２及び対向する軸線方向の端部３４及び３６を有する細長い歯車シャフト３０を有する。歯車シャフト３０は、中空（図示するように）または中実とすることができる。歯車シャフト３０の長さは、特定の用途に応じて決めることができる。歯車シャフト３０に適する材料は、浸炭鋼または窒化鋼など高強度鋼を含む。

さらに本発明によれば、カップリング装置は、作用上、歯車シャフトの第一端部を減速機に接続する手段を含む。本明細書に例示するように、軸線方向に対向する端部３４は、高速入力部２２において太陽歯車３８が遊星歯車列２０と噛み合うように構成される。太陽歯車の歯３８ａ及び好ましくは太陽歯車３８のフランクがクラウン形状をしていて、歯車シャフトの軸線３２と高速入力接続部２２の軸線との間の角度の不整列を調整することが好ましい場合がある。遊星歯車列２０の歯車の歯２０ａも、この点に関してクラウン形状をしていることが適切な場合がある。

当業者であれば、歯車シャフト端部３４が、高速入力部の構成次第で、減速機に接続するために太陽歯車３８以外の「手段」を含むことができることが分かるだろう。例えば、限定的にではなく、発電セット２８に使用される減速機が高速入力部としてスプライン付きシャフトを持つ場合、軸線方向の歯車シャフト端部３４は、半径方向内向きスプラインを持つ対応するカラーとして構成できる。

さらに本発明によれば、カップリング装置は、歯車シャフトの軸線方向の他方の端部に配置されたギアカップリングを含む。ギアカップリングは、軸線対称形であり、歯車比１：１の噛み合う、一連の半径方向外向きスプライン及び半径方向内向きスプラインを含む。ギアカップリングはまた、駆動体に接続する手段を含む。本明細書において例示するように、図４Ａ〜４Ｄを参照すると、全体が番号４０で示されるギアカップリングは、歯車シャフト端部３６の半径方向に延びる部分４４に配置された１組の半径方向外向きスプライン４２を含む。また、カップリングギア４０は、フランジ部材５２を含むフランジ組立体５０を含む。フランジ部材は、歯車シャフト端部３６の半径方向に延びる部分４４に軸線方向に隣接して配置された半径方向に延びる部分５４を有する。さらに、フランジ部材５２は、歯車シャフト端部３６から離間し、ガスタービン１２のスプライン付き駆動シャフト１４に接続するための半径方向内向きスプライン１０２を有するカラー部１００を含む（図１及び２参照）。当然、当業者には分かるように、タービン駆動シャフトの構成次第で、他のフランジ組立体−駆動体接続「手段」が可能である。例えば、タービン駆動シャフト１４が半径方向内向きスプラインを持つカラーを含む場合、ギアカップリングは、スプライン付きスタブシャフトを備えるフランジ組立体５０を含むことができる。

さらに、フランジ組立体５０は、リングギア部材５８を含み、これに１組の半径方向内向きスプライン６４が設置される。リングギア５８は、複数の角度をもって離間したボルト６０とナット締結具６２によってフランジ部材５２に取り付けられる。図４Ａ〜４Ｄから分かるように、一連のスプライン４２と６４は、噛み合って、ガスタービン駆動シャフト１４から歯車シャフト端部３６へ要求されるトルク／パワーを伝達するように構成される。噛み合う一連のスプライン４２と６４は、歯車比１：１を与える。また、図４Ａ〜４Ｄから明らかなように、フランジ組立体５０を含むギアカップリング４０は、軸線３２の周りで軸線対称形であり、高速回転を容易にする。

一連の半径方向外向きスプライン４２は、例えばハードコーティングによって一連の半径方向内向きスプライン６４に比べて表面硬化されて、スプライン６４に優先的に磨耗を与える。スプライン６４は、磨耗すると、現場保守を含めて定期保守の際にボルトを外してリングギア５８を交換することによって、簡単に交換できる。それに比べて、磨耗した一連のスプライン４２を交換するためには、よりコスト高な部品である歯車シャフト３０を交換する必要がある。スプライン４２に適する硬化コーティングは、ＢａｌｚｅｒｓＢａｌｉｎｉｔＣ₁などＤＬＣ（ダイアモンド様炭素コーティング）である。さらに、リングギア５８の比較的に「開放的」な形状によって、一連のスプライン６４を、場合によりドイツ工業規格「品質等級５」まで、精密に機械加工できる。

明確に言うと、リングギア５８の開放的形状によって、切削によってしか歯を作れない構成に比べて、一連のスプライン６４の内側歯の研磨が可能である。研磨は、歯の寸法及び逃げ（ｒｕｎ−ｏｕｔ）に非常に優れた精度を与える。磨耗及びアンバランスが減少し、寿命が延びる。

図示する実施形態において、一連の半径方向外向きスプライン４２は、歯車シャフト３０と「結合」されるのに対して、一連の半径方向内向きスプライン６４は、フランジ部材５２に取り付けられるフランジ組立体５０と「結合」される。この「結合」は、作動時に一連の半径方向内向きスプライン６４から一連のスプライン４２へパワーが流れることを意味する。他の構成（図示せず）において、半径方向内向きスプラインを持つリングギアが歯車シャフトに直接取り付けられ、半径方向外向きスプラインがフランジ組立体の別の部材に直接取り付けられるなど、それぞれの「結合」を逆転させることが好ましい場合がある。このような構成も、広義において本発明の範囲に属すると考えられる。

さらに、回転作動時に一連の半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを潤滑する潤滑システムを与えると好ましい場合がある。本明細書において例示されかつ図４Ａ〜４Ｄに示すように、ギアカップリング１０は、油潤滑システム７０を含む。油潤滑システム７０は、リングギア５８を取り付けるために使用されたのと同じ貫通ボルト６０とナット締結具６２によってフランジ部材５２に取り付けられた環状オイルキャッチャ７２を含む。オイルキャッチャ７２は、フランジ部材５２に隣接して配置された固定潤滑油供給源７４によって供給された潤滑油を捕捉するように構成される。オイルキャッチャ７２は、固定供給源７４のノズル７８から回転するフランジ部材５２に噴霧または滴下された潤滑油を捕捉するように配置された半径方向内向きの湾曲リップ７６を有する。回転するフランジ部材５２によって与えられた遠心力は、潤滑油をオイルキャッチャ７２へ向けて推進して、図４Ｂにおいて矢印Ｆで示すように、ノズルからフランジ５２へ、その後オイルキャッチャ７２への潤滑油流路を生じる。フランジ部材５２は、噴霧または滴下された潤滑油に当接しその位置を定めるために環状レリーフ８０を備えることができる。

さらに、油配給システム７０は、フランジ部材部分５４において複数の軸線方向の貫通穴８２を含む。貫通穴５４は、回転作動時に、オイルキャッチャ７２のオイルリザーバ８３から、一連のスプライン４２及び６４に隣接し部分的にリングギア５８によって形成される環状オイルコレクタスペース８４へ潤滑油を供給するよう作用する。すなわち、当業者には分かるように、オイルリザーバ８３もオイルコレクタ８４も、遠心力に依存して潤滑油を所定の位置に保持し、潤滑油が一連のスプラインへ向かって流れるようにする。作動時にコレクタ８４において「保持された」潤滑油は、例えば、２〜３ミリメートルの厚みの環状形状になるだろう。

さらに、油潤滑システム７０は、一連の噛み合うスプライン４２及び６４を通過する潤滑油の流れの方向に沿って噛み合う一連のスプライン４２及び６４の下流側に配置された保持リング８６を含む。保持リング８６は、ＳｍａｌｌｅｙＳｔｅｅｌＲｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ（イリノイ州レイクチューリッヒ）から入手可能なものなど、半径方向外向きのばね付勢力を有する半径方向に伸張可能なスパイラル型リングとすることができる。保持リング８６は、一連のスプライン６４に形成された環状溝８８に着座する。保持リング８６はばね荷重によって溝８８に着座するので、溝の深さにおける直径が、実際の保持リング８６の外径８７を決定する。図４Ｄに示すように、溝８８の深さ、ひいては保持リング８６の外径８７は、噛み合う一連のスプライン４２及び６４を通過する潤滑油の流れを調節するために根元の開口（ｒｏｏｔｏｐｅｎｉｎｇ）９２を与えるように、スプライン６４の谷径９０に相対的に設定できる。根元の開口９２を通過する潤滑油の流れは、その後、遠心力によって、ケーシング１６及び２４によって形成された空洞（図１）の中へ注入され、収集されて、排出されて潤滑油供給源（図示せず）へ戻される。保持リング８６は、歯車シャフト３０の軸線方向の振れを防止する役割をする。

潤滑油供給システム７０の他の構成及び設置位置が可能であるが、リングギア５８に対向するフランジ部材部分５４の側にオイルキャッチャ７２を配置することによって、フランジ組立体５０を平衡化して、高速作動時の歪みを防止できる。すなわち、軸線３２へ向かってフランジ部材部分５４が「フラワリング（ｆｌｏｗｅｒｉｎｇ）」または傾斜するのを防止して、高速作動時に一連のスプライン４２に対する一連のスプライン６４の平行性を維持するために、オイルキャッチャ７２をサイズ設定しかつ構成することができる。さらに、保持リング５８及びオイルキャッチャ７２は、作動時に、フランジ部材部分５４のリム９４によって心合わせできる。さらに、開示する潤滑システム７０の構成において、フランジ部材部分５４における貫通穴８２の位置及び数は、スプライン６４のパターンとはほとんど関係ないので、より大幅な設計上の融通性が可能になる。

本発明の他の実施形態は、明細書の検討及び本明細書に開示する発明の実施から当業者には明白になる。明細書の例は、単なる代表的なものと見なされるものであり、本発明の真の範囲及び趣旨は特許請求の範囲によって指示される。

Claims

高速駆動体を減速機と相互接続する装置であって、
長手軸線を形成しかつ対向する第一端部及び第二端部を有する細長い歯車シャフトと、
前記歯車シャフトの前記第一端部を前記減速機へ接続する手段と、
前記歯車シャフトの前記第二端部に配置される、前記駆動体へのギアカップリングであって、軸線対称形でありかつ一連の半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを含み、前記一連の半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインが噛み合って、歯車比１：１を与え、前記ギアカップリングがさらに、前記歯車シャフトの軸線方向の逃げを妨げる保持リングと、前記駆動体へ接続する手段とを含む、ギアカップリングと、
回転運動時に、潤滑油を用いて前記噛み合う半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを潤滑するシステムであって、噛み合うスプラインを軸線方向に通過するように潤滑油を流すシステムと、
を備え、
前記保持リングが、半径方向外向きスプラインを軸線方向に当接させるように配置され、
前記保持リングがサイズ設定されかつ構成されて、前記噛み合う半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを軸線方向に通過する潤滑油の流れを調節する半径方向内向きスプラインの根元の開口が形成される、
装置。
前記減速機が、高速入力部を持つ遊星歯車列を有し、
前記第一端部を接続する前記手段が、前記歯車シャフトの前記第一端部に配置された太陽歯車を含み、
前記太陽歯車が前記遊星歯車列と噛み合うように構成される、
請求項１に記載の装置。
前記太陽歯車と前記遊星歯車列の噛み合わされるスプラインとの両方が、起こり得る角度の不整列を調整するようにクラウン形状をしている、
請求項２に記載の装置。
前記半径方向外向きスプラインが、前記半径方向内向きスプラインと比較して前記半径方向外向きスプラインを硬くするコーティングを有し、
前記ギアカップリングが交換可能部材を含み、前記交換可能部材の上に前記半径方向内向きスプラインが配置される、
請求項１に記載の装置。
前記潤滑システムが、潤滑油の固定供給源を含み、
前記潤滑システムがさらに、前記ギアカップリングに配置されると共に前記固定供給源から供給された潤滑油を捕捉するように構成されたオイルキャッチャを含み、
前記開口が、前記オイルキャッチャと流通可能になっている、
請求項１に記載の装置。
前記潤滑システムがさらに、
前記一連のスプラインに対して潤滑油を供給するための、前記半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインに隣接して配置されたオイルコレクタと、
前記オイルキャッチャと結合されたオイルリザーバと、
前記オイルリザーバと前記オイルコレクタとを相互接続させる、ギアカップリング部材に位置する１または複数の貫通孔と、
を含み、
前記開口が、前記オイルリザーバ、前記貫通孔及び前記オイルコレクタを介して前記オイルキャッチャと流通可能なっている、
請求項５に記載の装置。
前記半径方向外向きスプラインが前記歯車シャフトの前記第二端部に配置され、
前記ギアカップリングが交換可能な部材を有するフランジ組立体を含み、前記交換可能部材に前記半径方向内向きスプラインが配置される、
請求項１に記載の装置。
前記半径方向外向きスプラインが前記歯車シャフトの前記第二端部に配置され、
前記ギアカップリングが、前記一連の半径方向内向きスプラインを有するリングギアを有するフランジ組立体を含み、
前記フランジ組立体がさらに、前記リングギアを前記駆動体に接続するフランジ部材を含み、
前記リングギアが、前記フランジ部材から交換可能に取り外しできるように構成される、
請求項１に記載の装置。
前記フランジ部材が、前記歯車シャフトの前記第二端部から離間されると共に前記駆動体に接続できるように構成されたスプライン付きカラーを含む、
請求項８に記載の装置。
前記フランジ組立体がさらにオイルキャッチャを含み、
前記フランジ部材が、前記リングギア及び前記オイルキャッチャを半径方向に拘束するように構成された半径方向外側のリムを有し、
前記フランジ部材、前記リングギア及び前記オイルキャッチャが、高速作動時に自動心合わせするように構成される、
請求項８に記載の装置。
前記フランジ組立体がさらに、作動時に固定供給源から供給された潤滑油を捕捉するオイルキャッチャを含み、
前記リングギアと前記オイルキャッチャが、前記フランジ部材の軸線方向に対向する側に固定され、
前記リングギア、前記フランジ部材及び前記オイルキャッチャが、高速作動時に、前記半径方向外向きスプラインに対する前記半径方向内向きスプラインの平行性を維持するように構成される、
請求項８に記載の装置。
前記リングギアが、作動時に潤滑油を収集すると共に前記半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインに前記潤滑油を供給するオイルコレクタを持つように構成され、
前記オイルコレクタ及びオイルキャッチャリザーバが、前記フランジ部材の複数の貫通穴を介して流通可能になっている、
請求項８に記載の装置。
前記半径方向内向きスプラインがリングギアに配置され、
前記リングギアが、前記半径方向内向きスプラインに形成されると共に前記半径方向内向きスプラインの根元直径から所定の半径方向距離に前記保持リングの外径を着座させるように構成された環状溝を含む、
請求項１に記載の装置。
発電装置であって、
駆動シャフトを有するガスタービンエンジンと、
高速入力部を有する減速ギアボックスと、
前記駆動シャフトを前記高速入力部へ相互接続するカップリング装置であって、
（ａ）長手軸線を形成すると共に互いに対向する第一及び第二端部を有する細長い歯車シャフトと、
（ｂ）前記歯車シャフトの前記第一端部に配置されると共に前記減速ギアボックスの前記高速入力部に接続された太陽歯車と、
（ｃ）前記ガスタービンの前記駆動シャフトに隣接する前記歯車シャフトの前記第二端部に配置されたギアカップリングであって、噛み合う一連の半径方向内向きスプラインと半径方向外向きスプラインを含み、歯車比１：１を有し、前記ギアカップリングが、さらに、前記ガスタービンの前記駆動シャフトに相互接続された、フランジ部材を有するフランジ組立体を含み、前記半径方向外向きスプラインが前記歯車シャフトに配置され、前記ギアカップリングがリングギアを含み、前記半径方向内向きスプラインが前記リングギアに配置され、前記ギアカップリングがさらに、前記歯車シャフトの軸線方向の逃げを妨げるように構成されかつ配置された保持リングを含む、ギアカップリングと、
を含むカップリング装置と、
回転運動時に、潤滑油を用いて前記噛み合う半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを潤滑するシステムと、
を含み、
前記保持リングが、半径方向外向きスプラインを軸線方向に当接させるように配置され、
前記保持リングと前記半径方向内向きスプラインの根元とが、前記噛み合う半径方向内向きスプライン及び半径方向外向きスプラインを通過する潤滑油の流れを調節する開口を形成する、
装置。
前記駆動シャフトの作動速度が、約１５０００ＲＰＭ〜約４００００ＲＰＭである、
請求項１４に記載の装置。
前記駆動シャフトを介して伝達されるパワーが、約５００ＫＷ〜約３０００ＫＷである、
請求項１４に記載の装置。
前記リングギアが、前記半径方向内向きスプラインに形成されると共に前記半径方向内向きスプラインの根元直径から所定の半径方向距離に前記保持リングの外径を着座させるように構成された環状溝を含む、
請求項１４に記載の装置。