JP6027224B2 - トラップ式バランスウェイトおよびロータ組立体 - Google Patents

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Description

本発明は一般に、回転機械に関し、より詳細にはロータを均衡させるための装置に関する。
ガスタービンエンジンは典型的には、複数のロータ段を含み、各々が、一列のエーロフォイル、すなわち圧縮器またはタービンブレードを担持するロータディスクを有する。タービンロータは、ベアリングおよび支持構造体に対する損傷および過剰な負荷、ならびにエーロフォイルと周辺構造体の間の隙間が失われることによって(例えばシュラウドが擦ることによって生じる)生じる効率の損失を避けるために均衡させる必要がある。
まずその構成する要素を均衡させようとする取り組みにも関わらず、タービンロータはなおも次に続く組立体を動的に均衡させる必要がある。この目的のために、必要に応じてロータの質量を再分配し、システムの不均衡を精密な要件に合致するように微調整させることを可能にするバランスウェイトを利用することが望ましい。分離可能なバランスウェイトは、大型のガスタービンエンジンにおいて一般的な手法であり。これらは、ボルト、ワッシャ、ナットおよび種々のサイズの他の締め具を含む。
一部のガスタービンロータにおいて、とりわけ小型のエンジンにおけるものでは、単一のボルトまたは1グループのボルト(「タイロッド」または「タイボルト」と呼ばれる)を使用して組立体の長さにわたってCURVIC継手および摩擦接合部が組み立てられる。タイボルト構成は、従来のボルト式接合より重量が小さいが、ボルト穴がないことにより、そうでなければ分離可能なバランスウェイトを装着するのに使用され得るロータディスク上の従来の機構がなくなっている。したがって小型タービンエンジンに関する分野の現在の状況は、回転する部品上の犠牲面を選択式に機械加工することによって組立体を均衡させることである。最大の不均衡な箇所において材料が除去されることでロータの質量を回転軸の周りに再分配する。この行程は、非可逆性であり、例えば一体式ブレードロータまたは「ブリスク」などの構成要素(これらは共に安全が重大な結果にかかわるものであり、高価である)を損傷させる恐れがある。
米国特許出願公開第2010/316496号明細書
従来技術のこのようなおよび他の欠点は、本発明によって対処され、本発明は、タービンロータのためのトラップ式ばねバランスウェイトを提供する。
本発明の一態様によると、タービンロータのためのバランスウェイトは、ブロック状の中心本体と、中心本体の対向する側部から横方向に延出する一組の弾性ばねアームであって、中心本体と弾性ばねアームが共同で弓形状を画定する弾性ばねアームと、バランスウェイトの半径方向の外面から延在する少なくとも1つの位置決め構造体と、弾性ばねアームの各々の遠位端から半径方向内向きに延出する制限タブとを含む。
本発明の別の態様によると、タービンロータ組立体は、環状のハブ面と、ハブ面を取り囲みハブ面から離間されることでポケットを画定する環状のフランジとを含むロータ要素と、ポケットの中に配設された少なくとも1つのバランスウェイトとを含み、このバランスウェイトは、ブロック状の中心本体と、中心本体の対向する側部から横方向に延出する一組の弾性ばねアームであって、中心本体と弾性ばねアームが共同で弓形状を画定する弾性ばねアームと、バランスウェイトの半径方向の外面から延在する少なくとも1つの位置決め構造体と、弾性ばねアームの各々の遠位端から半径方向内向きに延出する制限タブとを含んでおり、弾性ばねアームと中心本体が、フランジとハブ面に対して弾性式にそれぞれ支承されることでポケット内にバランスウェイトを保持する。制限タブの半径方向の高さは、弾性ばねアームが所定の限界を超えて曲げられたた場合、バランスウェイトのポケット内への挿入を阻止するように選択される。
本発明は、以下の記載を添付の図面と併せて参照することによって最適に理解することができる。
本発明の一態様によって構築されたガスタービンエンジンの断面図である。 図1に示されるエンジンの圧縮器の前方部分の拡大図である。 図1に示されるエンジンの圧縮器の尾翼部分の拡大図である。 本発明の一態様によって構築されたバランスウェイトの斜視図である。 図4のバランスウェイトの後方立面図である。 図1のエンジンのロータディスク内に設置された図4のバランスウェイトの斜視図である。 バランスウェイトと共に使用するためのスパナ工具の前方図である。 図7のスパナ工具の側面図である。 図7のスパナ工具の後方図である。 使用中の図7のスパナ工具の図である。 本発明の別の態様によって構築されたバランスウェイトの斜視図である。 図11のバランスウェイトの後方立面図である。 図1のエンジン内に設置された図11のバランスウェイトの斜視図である。 中にバランスウェイトが設置されたガスタービンエンジンの圧縮器の一部の断面図である。 図14のバランスウェイトの斜視図である。 図15のバランスウェイトの後方立面図である。 設置された状態の図15のバランスウェイトの斜視図である。
図面を参照すると、同一の参照番号は種々の図面を通して同様の要素を指しており、図1は、一例のガスタービンエンジン10を描いており、これは圧縮器12と、燃焼器14と、高圧またはガス生成器タービン16と、作用タービン18とを有しており、これらは全て直列に流れる関係で配列されている。圧縮器12、燃焼器14およびガス生成器タービン16はまとめて「コア」と呼ばれる。圧縮器12は、燃焼器14へと通過する圧縮空気を提供し、そこで燃料が投入され燃焼され、高温の燃焼ガスを生成する。高温の燃焼ガスは、ガス生成器タービン16へと吐出され、そこでそれらは膨張されてそこからエネルギーを抽出する。ガス生成器タービン16は、主軸20を介して圧縮器12を駆動する。ガス生成器タービン16を出る加圧された空気が、作用タービン18へと吐出され、そこでそれはさらに膨張されてエネルギーを抽出する。作用タービン18は内部シャフト22を駆動する。
図示の例において、エンジンは、ターボシャフトエンジンであり、内部シャフト22は、例えば減速歯車ケースまたはプロペラなどの外部負荷に結合されることになる。しかしながら本明細書に記載される原理は、ターボプロップ、ターボジェットおよびターボファンエンジン、ならびに他の車両または固定用途で使用されるタービンエンジンにも等しく適用可能である。これらの原理はまた、均衡を必要とするいずれの他のタイプの回転機械(例えば、ホイール、ギア、シャフトなど)も適用可能である。
図示の例において、圧縮器12は、5つの軸流ロータ段と、燃焼器14のすぐ上流に位置決めされた1つの混合流れ段とを含む。図2に最もよく見られるように、圧縮器12の第1段ロータ24は、一体式にブレードが付いたロータまたは「ブリスク」であり、この場合、ロータディスク26および複数のエーロフォイル形状の圧縮器ブレード28は、1つの一体式の構成要素として形成される。ロータディスク26の尾翼端部は、環状のハブ面30と、ハブ面30にわたって延在する環状のフランジ32とを含む。ハブ面30とフランジ32は協働してポケット34を画定する(図6に最もよく見られる)。フランジ32の内面36は、中に形成された一列の溝38を有する(これもまた図6を参照)。
図3に見られるように、圧縮器12の最終段は、複数のブレード42を担持するロータディスク40を含む。環状の主軸20が、ロータディスク40から軸方向尾翼に延出している。主軸20の中間セクションは、環状のハブ面46と、ハブ面46にわたって延在する環状のフランジ48とを含む。ハブ面46とフランジ48は協働してポケット50を画定する(図13に最もよく見られる)。フランジ48は、中に形成された環状の列のアパーチャを含む。例示の例において、図13に見られるように、この列は、穴54と交互になる開放端部スロット52を備える。
1つまたは複数の前方バランスウェイト60が、第1段ロータ24のポケット34の中に設置され、1つまたは複数の尾翼バランスウェイト160が、主軸20のポケット50の中に設置される。ウェイトの正確な数、位置および分布は、個々のエンジンによって変動する。図示される特定のエンジンでは、2つのバランスウェイトのみが使用される。ロータの不均衡の修正は、ウェイトを必要に応じて再度位置決めすることによって達成される。
図4および図5は、前方バランスウェイト60の1つをより詳細に図示している。それは概ね弓形の形状であり、ブロック状の中心本体62を備え、弾性ばねアーム64がそこから横方向外向きに延出している。中心本体62の半径方向内側の端部にノッチ66が形成される。各々の弾性ばねアーム64の遠位端において、軸方向に細長いレール68が、半径方向外向きに延在している。各々のレール68に対向して停止ブロック70が半径方向内向きに延在している。前方バランスウェイト60は、適切な密度と、弾性式に曲がることができる弾性ばねアームを形成する能力とを有する任意の材料から構築されてよい。例えば、金属合金を利用することができる。
図6を参照すると、前方バランスウェイト60は、以下のように第1段ロータ24内に設置される。弾性ばねアーム64が、中心本体62に対して半径方向内向きに曲げられる。それらは、適切な工具またはジグによってこの位置に保持することができる。その後前方バランスウェイト60は、適切な位置においてポケット34に入るように軸方向に摺動される。弾性ばねアーム64がその後解放される。解放された後、弾性ばね力が、弾性ばねアーム64をフランジ32に当たるように半径方向外向きに推し進め、中心本体62をハブ面30に当たるように推し進める。レール68が、フランジ32の内面における溝38と係合することで、接線方向の移動を阻止する。結合する構成要素(この場合、図2に見られる環状のシャフト72の前方端)が、ノッチ66に当接することで前方バランスウェイト60の軸方向の移動を阻止する。図6は、設置された状態の前方バランスウェイト60の1つを示している。エンジンが作動する際、遠心力による荷重が、前方バランスウェイト60をフランジ32に当たるように再度着座させる。
必要ならば平衡させる作用によって示されるように、圧縮器12が、例えばスパナーレンチの工具を利用することによって組み立てられる間、前方バランスウェイト60を円周方向に再度位置決めすることができる。例えば図7から図9は、好適な工具74を図示しており、これは細長いハンドル76と、その遠位端から半径方向内向きにかつ横方向に外向きに延在するスパナフィンガー80を備えた湾曲したヘッド78とを有する。図10に示されるように、工具74は、ポケット34の中に挿入され、弾性ばねアーム64を半径方向内向きに曲げ、レール68を溝38から外すために使用される。工具74はその後、接線方向に矢印の方向に移動され、スパナフィンガー80を前方バランスウェイト60と接触させ、それを新しい位置へと押すようにする。工具74がひとたび取り除かれると、レール68は、新たな位置で溝38に再度係合する。このような作用の間、弾性ばねアーム64を極端に曲げる試みが成された場合、停止ブロック70が環状のシャフト72に接触する。これにより弾性ばねアーム64の永続的な変形を回避する。
図11および図12は、尾翼バランスウェイト160の1つを詳細に図示している。それは概ね弓形の形状であり、ブロック状の中心本体162を備え、弾性ばねアーム164がそこから横方向外向きに延出している。回転防止つまみ166が、中心本体162から半径方向外向きに延出している。各々の弾性ばねアーム164の遠位端において、シャーピン168が半径方向外向きに延出している。各々のシャーピン168に対向して停止ブロック170が半径方向内向きに延在している。尾翼バランスウェイト160の前方面172は、主軸20内のポケット50の断面形状に相補的な凸面の輪郭を有する。尾翼バランスウェイト160は、適切な密度と、弾性式に曲がることができる弾性ばねアームを形成する能力とを有する任意の材料から構築されてよい。例えば、金属合金を利用することができる。
図13に見られるように、尾翼バランスウェイト160は、以下のように前方バランスウェイト60に関するものと同様の方法を利用して設置される。弾性ばねアーム164が、図12の矢印によって示されるように中心本体162に対して半径方向内向きに曲げられる。それらは適切な工具またはジグによってこの位置に保持することができる。その後尾翼バランスウェイト160は、適切な位置においてポケット50に入るように軸方向に摺動される。停止ブロック170は、弾性ばねアーム164が極端に曲げられた場合、ポケット50内へと挿入を阻止するようにサイズが決められ成形されており、これにより弾性ばねアーム164の永続的な変形を回避する。弾性ばねアーム164はその後解放される。解放された後、弾性ばね力が、弾性ばねアーム164をフランジ48に当たるように半径方向外向きに推し進め、中心本体162をハブ面46に当たるように推し進める。回転防止つまみ166が、フランジ48内の開放端部スロット52の1つに係合する。シャーピン168がフランジ48内の穴54に係合することで軸方向の移動を阻止する。図13は、設置された状態の尾翼バランスウェイト160の1つを示す。エンジンが作動する際、遠心力による荷重が、尾翼バランスウェイト160をフランジ48に当たるように再度着座させる。必要ならば、圧縮器ロータが、いずれの独自のジグまたは工具なしで組み立てられる間、尾翼バランスウェイト160を取り外し、再度位置決めすることができる。
バランスウェイト60および160は、「前方」および「尾翼」ウェイトとして記載されているが、これらの用語は単に、特定の実施形態の記載において簡便にする目的で使用されていることを理解されたい。固有のエンジン用とおよび接続するハードウェアによって、タービンロータディスクまたはシャフトの前方または尾翼面に対するどちらかの設計が使用される場合がある。さらに回転防止および軸方向の抑制機構は、修正されるまたは様々な組み合わせにおいて使用されることで特定の用途に適したバランスウェイトを形成することができる。
図14は、ガスタービンエンジンの圧縮器セクションの一部を図示しており、これは上記に記載するガスタービンエンジン10に対する作動原理と同様である。圧縮器セクションにおける第1段ロータ224は、一体式にブレードが付いたロータまたは「ブリスク」であり、この場合ロータディスク226と、複数のエーロフォイル形状の圧縮器ブレード228は一体式の構成要素として形成される。ロータディスク226の尾翼端部は、環状のハブ面230と、ハブ面230にわたって延在する環状のフランジ232とを含む。ハブ面230とフランジ232は協働してポケット234を画定する(図17に最もよく示される)。フランジ232の内面236は、中に形成された一列の溝238を有する(これもまた図17に示される)。
1つまたは複数のバランスウェイト260が、第1段ロータ224のポケット234の中に設置される。ウェイトの正確な数、位置および分布は、個々のエンジンによって変動する。ロータの不均衡の修正は、必要に応じてウェイトを再度位置決めすることによって達成される。
図15および図16は、バランスウェイト260の1つをより詳細に図示している。それは概ね弓形の形状であり、ブロック状の中心本体262を備え、弾性ばねアーム264がそこから横方向外向きに延出している。中心本体262の半径方向内側の端部にノッチ266が形成される。各々の弾性ばねアーム264の遠位端において、軸方向に細長いレール268が半径方向外向きに延在している。各々のレール268に対向して、停止ブロック270が半径方向内向きに延在している。制限タブ271が、各々の停止ブロック270から半径方向内向きに延在している。バランスウェイト260は、適切な密度と、弾性式に曲がることができる弾性ばねアームを形成する能力とを有する任意の材料から構築されてよい。例えば、金属合金を利用することができる。
図17を参照すると、バランスウェイト260は、以下のように第1段ロータ224の中に設置される。弾性ばねアーム264は、中心本体262に対して半径方向内向きに曲げられる。それらは、適切な工具またはジグによってこの位置に保持することができる。その後バランスウェイト260は、適切な位置においてポケット234に入るように軸方向に摺動される。停止ブロック270に対する各々の制限タブ271の半径方向の高さ「H」(図15を参照)は、弾性ばねアーム264が所定の限界を超えて曲がるのを阻止するように選択される。より具体的には、高さHは、弾性ばねアーム264をその塑性変形が生じるように十分に曲げることができるまでは、制限タブ271がハブ面230を妨害するように設定される。挿入後、弾性ばねアーム264は解放される。解放された後、残りのばね力が、弾性ばねアーム264をフランジ232に当たるように半径方向外向きに推し進め、中心本体262をハブ面230に当たるように推し進める。レール268が、フランジ232の内面における溝238と係合することで、接線方向の移動を阻止する。結合する構成要素(この場合、図14に示される環状のシャフト272の前方端)が、ノッチ266に当接することでバランスウェイト260の軸方向の移動を阻止する。図17は、設置された状態のバランスウェイト260の1つを示している。エンジンが作動する際、遠心力による荷重が、前方バランスウェイト260をフランジ232に当たるように再度着座させる。バランスウェイト260は、バランスウェイト60および160に関して上記に記載したように再度位置決めされてよい。バランスウェイト260に関して記載した制限タブ機構は、バランスウェイト60または160内に組み込まれる場合もあることにも留意されたい。
本明細書に記載されるバランスウェイト設計は、小型エンジンに関する現行の最新技術に対していくつかの利点を有する。極度にストレスがかかる重要な回転部品に対する局所的なストレスの集中を招く第1段ロータ24からの直接的な材料の除去に比べて行程の管理が向上する。バランスウェイト60、160または260上に存在するいずれのストレス集中機構も、精密な機械加工技術を使用して形成されるためより最適に管理される。エンジンの清潔さも向上しており、これはバランスウェイトが、エンジンの組み立てにおいていかなる機械加工作業も必要としないためエンジンシステムを汚染させる可能性のある埃やちりが生じないためである。最後に、均衡行程のサイクルタイムが短縮され、これは、ロータがバランスウェイト機械内に装填される間、バランスウェイトを容易に再度位置決めすることができ、これにより材料を除去する均衡行程に関連する再加工ループをなくすことができるためである。
上記は、タービンロータに関するバランスウェイトと、平衡されたロータ組立体とを記載してきた。本発明の特有の実施形態が記載されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなくそれに対する種々の変更を行なうことができることは当業者には明らかである。したがって、本発明の好ましい実施形態の上述の記載および本発明を実施するための最適な方法は、制限する目的ではなく単に例示の目的で提供されており、本発明は特許請求の範囲によって定義されている。
10 ガスタービンエンジン
12 圧縮器
14 燃焼器
16 ガス生成器タービン
18 作用タービン
20 主軸
22 内部シャフト
24、224 第1段ロータ
26、40、226 ロータディスク
28、228 圧縮器ブレード
30、46、230 ハブ面
32、48、232 フランジ
34、50、234 ポケット
36、236 フランジの内面
38、238 溝
42 ブレード
52 開放端部スロット
60 前方バランスウェイト
160 尾翼バランスウェイト
260 バランスウェイト
62、162、262 中心本体
64、164、264 弾性ばねアーム
66、266 ノッチ
68、268 レール
70、170、270 停止ブロック
72、272 シャフト
74 工具
76 ハンドル
78 ヘッド
80 スパナフィンガー
166 回転防止つまみ
168 シャーピン
172 尾翼バランスウェイトの前方面
271 制限タブ
H 制限タブの半径方向の高さ

Claims (10)

  1. タービンロータのためのバランスウェイト(60、160、260)であって、
    ブロック状の中心本体(62、162、262)と、
    前記中心本体(62、162、262)の一方の側部及び該一方の側部に対して反対側の他方の側部とから横方向に延出する一組の弾性ばねアーム(64、164、264)であって、前記中心本体(62、162、262)と、前記弾性ばねアームと(64、164、264)とが共同で弓形を画定する弾性ばねアーム(64、164、264)と、
    前記バランスウェイト(60、160、260)の前記タービンロータの半径方向の外面から延出する少なくとも1つの位置決め構造体(68、268)と、
    前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々の遠位端から半径方向内向きに延在する停止ブロック(70、170、270)と、
    各々の前記停止ブロック(70、170、270)から半径方向内向きに延在し且つ前記タービンロータの軸方向で前記停止ブロックよりも短い制限タブ(271)と
    を備えるタービンロータのためのバランスウェイト(60、160、260)。
  2. 回転防止つまみ(166)が、前記中心本体(62、162、262)から半径方向外向きに延在する、請求項1に記載のバランスウェイト(60、160、260)。
  3. シャーピン(168)が、前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々の遠位端から半径方向外向きに延在する、請求項1又は2に記載のバランスウェイト(60、160、260)。
  4. 軸方向に細長いレール(68、268)が、前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々の遠位端から半径方向外向きに延在する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のバランスウェイト(60、160、260)。
  5. 前記中心本体(62、162、262)が、その半径方向内側の端部に形成されたノッチ(66、266)を含む、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバランスウェイト(60、160、260)。
  6. タービンロータ組立体であって、
    環状のハブ面(30、46、230)と、前記ハブ面(30、46、230)を取り囲み、前記ハブ面(30、46、230)から離間されることでポケット(34、50、234)を画定する環状のフランジ(32、48、232)とを含むロータ要素(40、226)と、
    前記ポケット(34、50、234)内に配設された少なくとも1つのバランスウェイト(60、160、260)とを備え、
    該バランスウェイト(60、160、260)が、
    ブロック状の中心本体(62、162、262)と、
    前記中心本体(62、162、262)の一方の側部及び該一方の側部に対して反対側の他方の側部とから横方向に延出する一組の弾性ばねアーム(64、164、264)であって、前記中心本体(62、162、262)と前記弾性ばねアーム(64、164、264)が共同で弓形状を画定する弾性ばねアーム(64、164、264)と、
    前記バランスウェイト(60、160、260)の前記タービンロータ組立体の半径方向の外面から延在する少なくとも1つの位置決め構造体(68、268)と、
    前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々の遠位端から半径方向内向きに延出する停止ブロック(70、170、270)と、
    各々の前記弾性ばねアーム(64、164、264)の停止ブロック(70、170、270)から半径方向内向きに延在し且つ前記タービンロータの軸方向で前記停止ブロックよりも短い制限タブ(271)と
    を備えるタービンロータ組立体であって、
    前記弾性ばねアーム(64、164、264)と、前記中心本体(62、162、262)が、前記フランジ(30、46、230)と、前記ハブ面(30、46、230)に対して弾性式にそれぞれ支承されることで前記バランスウェイト(60、160、260)を前記ポケット(34、50、234)内に保持し、
    前記制限タブ(271)の半径方向の高さが、前記弾性ばねアーム(64、164、264)が所定の限界を超えて曲げられたた場合、前記バランスウェイト(60、160、260)の前記ポケット(34、50、234)内への挿入を阻止するように選択され、
    前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々が、その遠位端から半径方向外向きに延出するシャーピン(168)を含み、前記シャーピン(168)が、前記フランジ(32、48、232)内のアパーチャに係合することで、前記タービンロータに対する前記バランスウェイト(60、160、260)の軸方向の移動を阻止する
    タービンロータ組立体。
  7. 回転防止つまみ(166)が、前記中心本体(62、162、262)から半径方向外向きに延出し、前記フランジ(32、48、232)内のアパーチャに係合することで、前記ロータディスク(26、40、226)に対する前記バランスウェイト(60、160、260)の軸方向の移動を阻止する、請求項6に記載のタービンロータ組立体。
  8. 前記弾性ばねアーム(64、164、264)の各々が、その遠位端から半径方向外向きに延在する軸方向の細長いレール(68、268)を含み、前記レール(68、268)が、前記フランジ(32、48、232)内の溝に係合する、請求項6又は7に記載のタービンロータ組立体。
  9. 前記ポケット(34、50、234)に当接する補助部材(72、272)をさらに備えることで、前記バランスウェイト(60、160、260)を前記ポケット(34、50、234)内で軸方向に保持する、請求項6乃至8のいずれか1項に記載のタービンロータ組立体。
  10. 前記中心本体(62、162、262)が、前記補助部材(72、272)に当接するその半径方向内側の端部に形成されたノッチ(66、266)を含む、請求項9に記載のタービンロータ組立体。
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