JP5547292B2 - ブレードをディスクに係止する軸方向保持リングが取り付けられたタービンホイール - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンのブレード付きホイールに関し、特に、前記ブレードをホイールの軸に対して軸方向に保持することに関する。本発明の特定の適用分野は、航空機のガスタービンの分野および工業用ガスタービンの分野である。

従来のタービンホイールは、回転軸を有し、外周と側面とを有するディスクと、ディスクに取り付けられる複数のブレードであって、各ブレードはブレード根元部と根元部から軸方向に突出する第１のフックとを有し、前記第１のフックは半径方向に配向されタービンホイールの回転軸に向かって半径方向に開口する第１の溝を画定するブレードと、第１のフックと同じ側で側面から軸方向に突出する一連の第２のフックを含むディスクであって、各々の第２のフックは半径方向に配向されタービンホイールの回転軸に向かって半径方向に開口する第２の溝を画定するディスクと、少なくとも１つのタブを含みブレードをディスクに対して軸方向に保持するために第１の溝および第２の溝内に配置されるように設計された軸方向保持リングとを備える。

知られているタービンホイールの中で、例えば、仏国特許第２７２９７０９号明細書に開示されているように、リングは、リングの組み立ておよびディスク上でブレードを確実に保持するためにタービンホイールの異なる部分間で回転できないようにするタブを有する。

仏国特許第２７２９７０９号明細書

本発明の目的は、タービンホイールを組み立てる知られている構造の代替形態を提案することである。

上述の目的は、上述のタイプのタービンホイールにおいて、方位角方向のリングの移動を制限するようにタブが２つの隣接するブレード根元部間に配置されるように設計されることで達成される。

用語「根元部」は、ブレードをディスクに取り付けるためにブレードの基部に位置するブレードの一部を指すのに使用される。以下では、用語「ホイール」および用語「タービンホイール」は共に同一部品を指すのに同じ意味で使用されていることは理解されたい。したがって、組み立て位置において、タブの方位角方向の移動は２つの隣接するブレード根元部によって制限されることが理解できるであろう。そのためには、タブは２つのブレード根元部の一方または他方に当接することができる。その結果、リングの方位角方向の移動が制限される。

タブは、特にタブを受承する空間を設けるために特別な機械加工をする必要がないように、２つの隣接するブレード根元部間に延在する空間に配置される。したがって、同一の根元部を有するブレードの組をホイールに取り付けることができる。さらに、ブレードは全て同一であるので、ホイールの取り付けが容易である。技師は、タブに対して特有の根元部を有するブレードを配置するのに特別な注意を払う必要がない。

したがって、リングの方位角方向の移動は、最大でも２つの隣接する根元部間の空き空間の方位角方向の長さからタブの方位角方向の長さを差し引いた長さに等しい。タブが方位角方向の利用可能な長さの大部分にわたって延在する場合、有利には、リングが方位角方向にゼロでない最大の移動ができるようにして、特に、組み立てを容易にし、熱膨張差を調整することができる。第１の溝は第１のフックとブレード根元部との間に画定され、第２の溝は第２のフックとディスクとの間に画定されることに留意されたい。リングは、第１の溝および第２の溝内を方位角方向に移動する。

また、有利には、２つのブレード根元部間にタブを配置することで、特に、前記タブを２つのブレード根元部間に挿入することができるように前記タブを特別に機械加工せずに済むことに留意されたい。さらに、この２つのブレード根元部間の構造により、タブをいずれの組のブレード根元部間にも配置することができる。したがって、ディスクまたはブレード根元部に対するタブの好適な方位角位置はない。そのために、複数の方位角位置でリングを取り付けることができるので、汎用性の高いリングとなる。したがって、先行技術の装置とは異なり、本発明のタービンホイールは、タブひいてはリングをタービンホイールに対して単一位置で取り付けることに限定されない。

有利には、タブはリングの軸方向面から軸方向に突出する。

リングの「軸方向面」という用語は、タービンの回転軸に垂直なリングの面を指すのに使用される。すなわち、リングの軸方向面は、ディスクの側面にほぼ平行な面である。組み立て位置において、タブはディスクの側面から離れた軸方向に突出するのが好ましい。

有利には、タブはリングの内側環状部に配置される。

リングが内側周縁部および外側周縁部、さらに内側周縁部と外側周縁部との間で平行に延在する幾何学的中間線を有するとすると、リングの内側環状部はリングの内側周縁部と中間線とによって画定されるリングの一部であると考えられ、外側周囲部はリングの外側周縁部と中間線とによって画定されるリングの一部であると考えられる。したがって、タブは、リングの内側周縁部と中間線との間でリングの軸方向面から半径方向に延在すると理解できる。

好ましくは、タブは２つの隣接するブレード根元部の第１のフック間に配置されるように設計されている。

したがって、タブはリングの方位角方向の移動を制限するためにブレード根元部の前記第１のフックと協働するのに適している。タブが延在する方位角方向の空間は、第１のフックによって方位角方向に画定されることが理解できる。したがって、第１のフックはタブに当接するゾーンを有する。

有利には、タブは、第２のフックの１つと半径方向に位置合わせして配置されるように設計されている。

第２のフックの１つは、２つの隣接するブレード根元部間の利用可能な方位角方向の空き空間に配置されることは理解できるであろう。この第２のフックとタブとは、ホイールのほぼ同一半径上に配置される。第２のフックは、タブよりもホイールの回転軸から半径方向にさらに離れて配置されている。したがって、第２のフックは、タブに向かって配向される。

好ましくは、タブとリングの外側周縁との間の最小間隔は第２の溝の１つの深さより大きい。

したがって、タブが第２のフックに位置合わせされた場合、リングの外側縁部は、例えば、タービンホイールが回転している時の遠心力の影響を受けて、第２の溝の底部に接触するのに適しているが、タブが第２のフックと協働する恐れはない。このことで、タブにおける半径方向の機械的応力を防ぐことができる。この応力はリングの方位角方向の移動を制限するようには働かない。このことでリングの寿命を改善することができる。また、タブに位置合わせして配置された第２のフックでは、タブと第２のフックとが接触しないようにすることで機械的曲げ応力も制限される。その結果、タブの有無に関係なく、ディスクの第２の溝のそれぞれにおいてリングは同様に協働する。

有利には、各ブレードの第１のフックは、前記ブレードの根元部から半径方向に突出する。

第１のフックのこの構造により、第１のフックの第１の溝をディスクの第２の溝と方位角方向に連続的に配置することを容易にすることができる。したがって、ブレードがディスクに取り付けられると、第１のフックはディスクの側面で画定される平面から軸方向に突出する。

好ましくは、各ブレードの根元部はディスクの周囲へと開口するハウジングに嵌め込まれ、ハウジングは歯によって分割され、各々の第２のフックは歯の１つから突出する。

ディスクの周囲では、歯はブレード根元部と交互になること、および第１のフックは第２のフックと交互になることが理解できる。したがって、リングを受承する円周方向溝は、交互に連続する第１の溝と第２の溝とによって形成される。円周方向溝は、必ずしも連続しているとは限らず、第１の溝と第２の溝との間に隙間があってもよいことは理解されたい。このような溝の構造により、ブレード保持力はディスクの周囲全体にわたって均一に分散される。このことで、リングをより十分に保持し、ひいては、振動のような溝構造に悪影響を及ぼす動的作用を防ぐこともできる。

有利には、タブは、リングの方位角方向の移動を制限するブレードの２つの根元部の支持面と平面同士で接触するのに適した接触面を有する。

タブに接触面を備え、根元部に支持面を備えることで、タブと根元部との間に界面が形成され、そのことでタブと根元部とが協働しやすくなる。したがって、タブは、根元部と協働すると、滑りにくくなり、根元部による方位角方向の係止から外れにくくなる。

リングは、タブとは正反対の位置にスロットを有するのが好ましい。

リングのスロットは、第１の溝および第２の溝にリングを取り付けやすくする役目をする。タブとは正反対のスロットの位置により、リングの機能信頼性を高めることができる。万一リングが破損すれば、破損はタブ付近に生じる可能性が高くなる。その場合、破損したリングはほぼ同じ長さの２つの半リングを形成し、これらは第１および第２のフックから外れる可能性がない。したがって、スロットの反対側に配置されるタブを１つだけ有することで、リングが受ける機械的応力をスロットの反対側の前記タブ付近に集中させることができ、その結果、リングの機能信頼性を高めることができる。さらに、スロットはタブとは正反対に位置するので、リングの半径方向の可撓性を利用することで、また最初から２つのブレード根元部間にタブを配置することで、リングを第１および第２の溝内に配置することができる。したがって、組み立てると、リングの方位角方向の移動は制限される。

有利には、リングは全体の形状が軸を有する環状であり、前記リングの重心は前記軸に位置する。

バランスが保たれているリングは、ディスクとブレードとによって構成される回転アセンブリ全体のバランスに影響を与えないという利点がある。したがって、不均一な質量分布によるアンバランスを補償するためにタービンホイールに特別な機械加工を施す必要はない。したがって、方位角方向の均一な質量分布を乱すことなく、あらゆる可能な方位角方向の位置でリングを取り付けることができるので、よりタービンホイールの組み立てが容易になる。

本発明はさらに、本発明のタービンホイールを含むタービンエンジンを提供する。

本発明および本発明の利点は、非限定的な例として挙げられた一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、より良く理解できるであろう。以下に、添付図面を参照して説明する。

本発明のタービンホイールの一部を示す図である。 本発明のタービンホイールの保持リングの取り付け方法を図１の断面ＩＩで見た場合の図である。 本発明のタービンホイールの保持リングの取り付け方法を図１の断面ＩＩで見た場合の図である。 図１の保持リングの全体図である。 本発明のタービンホイールが取り付けられたヘリコプタのタービンエンジンを示す図である。

図１は、回転軸Ｘを有するタービンホイール１０の一部を示す図である。タービンホイール１０は、ディスク１２と複数のブレード１４とを備える。ディスク１２は、その周囲に、ハウジング１８によって離間された複数の歯１６を有する。タービンホイール１０の各ブレード１４は、ブレード根元部２０によってハウジング１８に嵌め込まれる。ブレード１４の各根元部２０は、軸方向に（軸Ｘに沿って）突出する第１のフック２２を有する。各ブレード１４では、第１のフック２２は半径方向に配向され、ホイール１０の回転軸Ｘに向かって半径方向に開口する第１の溝２４を形成する。用語「半径方向に配向される」は「タービンホイールの半径に沿って配向される」ことを意味するが、「軸方向に配向される」は「タービンの回転軸に沿って配向される」ことを意味する。

ディスク１２の各歯１６は、軸方向に（軸Ｘに沿って）突出する第２のフック２６を有する。各歯１６では、第２のフック２６は半径方向に配向されて、第２の溝２８を画定する。第１のフック２２と第２のフック２６とは、ディスク１２の側面１２ａによって画定される平面から軸方向に同じ側に延在する。第１の溝２４と第２の溝２８とは、方位角方向に位置合わせされている。方位角方向に、第１のフック２２は第２のフック２６と交互に位置する。用語「方位角方向」は、「タービンホイールの外周に沿った向き」の意味で使用される。

この例では、第１のフック２２は、ブレードの取り付け基部に位置し、第２のフック２６は歯１６の基部に位置する。変形形態では、第１のフック２２は、根元部の他の部分、例えば、ブレード１４のプラットフォームの下に配置される場合もある。その場合、第２のフック２６は、歯１６の先端と同じ高さに配置されることになる。すなわち、フックはさまざまな半径方向位置を占めてもよい。

ブレード１４をディスク１２上で軸方向に保持するために、第１の溝２４および第２の溝２８内に保持リング３０が配置される。この保持リング３０は、タービンの回転軸Ｘと一致する軸を中心とした環状である。保持リング３０は、ディスク１２の側面１２ａから外側のリング３０の軸方向面に配置される１つのタブ３２を有する。タブ３２は、２つの隣接するブレード１４の２つの隣接する根元部２０間に配置される。タブ３２の方位角方向端部３２ａは、両側で根元部２０、特に、第１のフック２２に当接するのに適した形であり、第１の溝２４および第２の溝２８内の保持リング３０の軸方向の移動を制限することができる。

また、タブ３２は、垂直方向に第２のフック２６と位置合わせして配置される。リング３０が受ける機械的条件に関係なく、タブ３２は第２のフック２６と半径方向にも方位角方向にも接触することはない。したがって、第１のフック２２は、第２のフック２６よりも半径方向に長くなり、第１のフック２２はタブ３２と協働するのに適した形になると同時に、第２のフック２６はタブ３２（ひいてはリング３０）を方位角方向に自由に移動させる形となる。その結果、第１のフック２２によって画定される第１の溝２４は、第２のフック２６によって画定される第２の溝２８より深くなる。

タブ３２が確実に第２のフック２６と接触できないようにするために、またリング３０が確実に第２の溝２８に嵌め込まれるようにするために、リング３０はタブ３２が延在しない外側環状部３０ａを有する。したがって、タブ３２はリング３０の内側環状部３０ｂを占める。この例では、内側環状部３０ｂは、外側環状部３０ａによって画定され、タブ３２を支持する軸方向面にある中間線３０ｃによって外側環状部３０ａと分割される。この中間線３０ｃは、タブ３２を支持する軸方向面の内側周縁部３０ｄに形成される面取り部３１ａを機械加工することで得られた跡である（図２、図４を参照）。

図２は、第１の溝２４に嵌め込まれたリング３０を図１の断面ＩＩで見た場合の図である。図３は、第２の溝２８に嵌め込まれたリング３０を図１の断面ＩＩＩで見た場合の図である。図３に示されるように、第２の溝２８の深さはリング３０の外側周縁部３０ｅとタブ３２との間の間隔より小さく、リング３０の外側周縁部３０ｅが第２の溝２８の底部２８ｃと協働するようになっており、タブ３２は、第２のフック２６の縁部２６ａから最小間隙ｊ１だけ半径方向に離間される。すなわち、間隙ｊ１は、タービンホイール１０の動作時のタブ３２におけるリング３０の半径方向変形量より大きい。

さらに、第１の溝２４の底部２４ｃは、第２の溝２８の底部２８ｃよりもタービンホイール１０の回転軸Ｘから半径方向に離れて位置し、リング３０の外側周縁部３０ｅは第１の溝２４の底部２４ｃから最小間隙ｊ２だけ離間した状態になると同時に、第２の溝２８の底部２８ｃと協働するようになる。すなわち、間隙ｊ２は、第１のフック２２と第２のフック２６の２つの間のリング３０の半径方向変形量より大きい。したがって、リング３０は第２のフック２６によってのみ半径方向保持されると同時に、第１のフック２２および第２のフック２６の両方と軸方向に協働する。また、リング３０は、ディスク１２の側面１２ａと協働する。すなわち、リング３０は、半径方向に第２の溝２８の底部２８ｃとのみ協働するとは言え、第１の溝２４の側面２４ａ、２４ｂ、第２の溝２８の側面２８ａ、２８ｂ、さらにディスク１２の側面１２ａと半径方向に協働することになる。したがって、リング３０は、第２のフック２６とのみ半径方向に協働する。このことは、第１のフック２２、特に第１の溝２４の底部に生じる接触摩耗を抑える利点がある。したがって、この組み立てにより、ブレード１４の第１のフック２２が破損する危険性を取り除くことができる。

リング３０は、第１の溝２４および第２の溝２８内に挿入しやすくするために、外側周縁部３０ｅに、軸方向面の面取り部３１ｂ、３１ｃを有することに留意されたい。タブ３２を支持する軸方向面に形成される面取り部３１ｂの幅は、ディスク１２の側面１２ａに面する軸方向面に形成される面取り部３１ｃの幅より小さい。面取り部の、用語「幅」は、リングの面取り部分で半径方向に延在する面取り部の寸法の意味で使用されている。

図４は、保持リング３０の斜視図である。リング３０は、タブ３２の正反対位置にスロット３４を有する。スロット３４は角度が付けられている、すなわち、リング３０の半径に対して斜めに延在する。この傾斜スロット３４により、リング３０を第１の溝２４および第２の溝２８内に挿入するためにリング３０を半径方向に曲げやすくなる。特に、スロット３４の傾斜した形状により、スロット３４の縁部を画定するリング３０の両端部が相互作用するのを防ぐことができる。このような相互作用は、組み立て時にリング３０の弾性変形を妨げて制限してしまう恐れがある。ホイール１０が動作していない時は、リング３０は固有の弾性によって第１の溝２４および第２の溝２８内で保持されるが、タービンホイール１０の動作時は、リング３０は遠心力によって第１の溝２４および第２の溝２８内で保持されることに留意されたい。

リング３０がタービンホイール１０に取り付けられると、スロット３４は第１の溝２４または第２の溝２８内に位置して、第１のフック２２または第２のフック２６がスロット３４を画定するリング３０の両端部の軸方向の移動を制限するおよび／または防ぐようにするのが好ましい。好ましくは、リングがタービンホイール１０に取り付けられると、スロットは第２のフック２６の１つの下にある第２の溝２８の１つに位置する。有利には、タブ３２の方位角方向の長さは、リングの方位角方向の最大許容移動によってスロット３４が第１の溝２４または第２の溝２８に嵌め込まれるような長さである。すなわち、タブ３２の方位角方向の長さは、タブ３２が両側で根元部２０の１つに当接する時でもスロット３４が第１の溝２４または第２の溝２８から外れないような長さである。

確実にリング３０のバランスが保たれるために、すなわち、確実にリング３０の重心Ｇがリング３０の軸に位置するために（リングの軸はタービンホイール１０の回転軸Ｘと一致する）、リング３０の半径方向厚さＥは、リング３０の外周にわたって変化する。タブ３２で表わされる余分な材料分およびスロット３４で表わされる材料の欠如を補償するために、リング３０の半径方向厚さＥは、タブ３２における最小半径方向厚さＥｍｉｎとスロット３４における最大半径方向厚さＥｍａｘとの間で連続的に徐々に変化する。半径方向厚さＥの変化は、基本的には、リング３０の内側環状部３０ｂで生じる。したがって、リング３０の重心Ｇは、リング３０の軸上の、好ましくは、リング３０の中央平面との交点にある。用語「中央平面」は、リングに対して、リング３０の軸方向厚さの中間を通る平面を指すのに使用されている。当然、変形形態として、リングは面取り部３１ａ、３１ｂ、３１ｃの形状を調整することで方位角方向のバランスが取られてもよい。当然、（面取り部および半径方向厚さの）両方の調整が一緒に使用されてもよい。さらに、タブ３２の偏心加工によってリングのバランスを調整することも可能である。タブは１つだけあるので、この機械加工による調整は容易に迅速に行うことができる。また、タブ３２がホイール１０内の方位角方向の好適な位置を持たないので、ホイール１０の全体のバランスを改善するようにタブ３２の方位角方向の位置を選択するステップを含む、いわゆる「第３の」作業を行うことができる。

図５は、タービンホイール１０が取り付けられたヘリコプタのタービンエンジン１００を示している。当然、有利には、本発明に従って第２のタービンホイール１１０が作られることが可能だが、必須ではない。

Claims (13)

1. 回転軸（Ｘ）を有し、かつ
   外周および側面（１２ａ）を有するディスク（１２）と、
   ディスク（１２）に取り付けられる複数のブレード（１４）であって、各々が根元部（２０）と根元部から軸方向に突出する第１のフック（２２）とを有し、前記第１のフック（２２）が、半径方向に配向されタービンホイール（１０）の回転軸（Ｘ）に向かって半径方向に開口する第１の溝（２４）を画定するブレード（１４）と、
   第１のフック（２２）と同じ側で側面（１２ａ）から軸方向に突出する一連の第２のフック（２６）を含むディスク（１２）であって、各々の第２のフック（２６）が、半径方向に配向されタービンホイール（１０）の回転軸（Ｘ）に向かって半径方向に開口する第２の溝（２８）を画定するディスク（１２）と、
   少なくとも１つのタブ（３２）を含み、ブレード（１４）をディスク（１２）に対して軸方向に保持するために第１の溝（２４）および第２の溝（２８）内に配置されるように設計された軸方向保持リング（３０）と
   を備えるタービンホイール（１０）であって、
   タブ（３２）が、リング（３０）の方位角方向の移動を制限するために、隣接するブレード（１４）の２つの根元部（２０）間に配置されるように設計されていることを特徴とするタービンホイール（１０）。
2. タブ（３２）が、リング（３０）の軸方向面から軸方向に突出することを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイール（１０）。
3. タブ（３２）が、リング（３０）の内側環状部（３０ｂ）に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンホイール（１０）。
4. タブ（３２）が、ブレード（１４）の２つの隣接する根元部（２０）の第１のフック（２２）間に配置されるように設計されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
5. タブ（３２）が、第２のフック（２６）の１つと半径方向に位置合わせして配置されるように設計されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
6. タブ（３２）とリング（３０）の外側周縁部（３０ｅ）との間の最小間隔が、第２の溝（２８）の１つの深さより大きいことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
7. 各ブレード（１４）の第１のフック（２２）が、前記ブレード（１４）の根元部（２０）から半径方向に突出することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
8. 各ブレード（１４）の根元部（２０）が、ディスク（１２）の外周へと開口するハウジング（１８）に嵌め込まれ、ハウジング（１８）が歯（１６）によって分割され、各々の第２のフック（２６）が歯（１６）の１つから突出することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
9. タブ（３２）が、リング（３０）の方位角方向の移動を制限するブレード（１４）の２つの根元部（２０）の支持面と平面同士で接触するのに適した接触面を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
10. リング（３０）が、タブ（３２）とは正反対の位置にスロット（３４）を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
11. リング（３０）が、全体が軸（Ｘ）を有する環状であり、前記リング（３０）の重心（Ｇ）が前記軸（Ｘ）上に位置することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
12. リング（３０）が、第２のフック（２６）とのみ半径方向に協働することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のタービンホイール（１０）を含むタービンエンジン（１００）。

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