JP6082099B2 - 可変プロファイルスプラインを用いたシャフトの結合 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトを結合するための装置、たとえばタービンシャフトと圧縮機シャフトとの間の結合のための装置に関する。

本発明は、特に、航空輸送手段を推進するタービンエンジンのタービンシャフトおよび圧縮機シャフトを結合するための装置に適用できる。

低圧タービンシャフトおよび低圧圧縮機シャフトは、通常、ギヤ結合装置によって結合される。その例が図１ａおよび図１ｂに示されている、この種の装置においては、圧縮機シャフト１０が終端する部分およびタービンシャフト２０が終端する部分は、相互に同軸に係合され、２つのシャフト１０、２０は、同じ回転軸線Ｘ−Ｘに沿って延びている。

部分の各々は、複数のスプライン１２、２２を備え、一方のスプラインは、他方のスプラインと係合する。各部分は、相補的な表面が互いに関して２つのシャフトの軸方向のセンタリングを可能にするスプライン１２、２２からそれぞれ下流１４ａ、２４ａに、かつ上流１４ｂ、２４ｂにいわゆるセンタリングゾーンをさらに有する。

スプラインは、通常、それの全長に沿って一定の輪郭を有する。

タービンエンジンの分野においては、回転軸の直径を減少させ、結合装置によって伝達されるトルクを増大させることが望ましい。

その結果は、シャフトスプラインの幾何学的半径に対する伝達されるべきトルクの比の増加、および最も大きな応力を受けるスプラインの下流部分の特にかなり大きな力であり、タービン−圧縮機結合の場合は、運動の伝達が、タービンエンジンの空気流に対して下流タービンから上流圧縮機に向かって行われる。

文献仏国特許第２９１８７２６号明細書においては、シャフトのうちの１つのスプラインが可変プロファイルを有する結合装置が提案された。

より詳細には、図２に概略的に示される低圧タービンシャフト２０の結合部のスプライン２２は、それの下流側端部において、それに沿ってスプラインの厚さｅ_２がスプラインの残りの部分の厚さｅ_１に対してより小さいゾーンを有する。スプラインのフランク２３が断面図において円に対するインボリュートの形の輪郭を有し、したがってスプラインの厚さがこれが測定される高さに従って変化するので、スプラインの厚さは、それの頂部２６においてスプラインのフランク２３間で測定される。

続いて、低圧圧縮機シャフト１０のスプライン１２は、それの全長に沿ってそれのフランク間で一定の厚さを有する。

このように、冷えている場合には、フランク間の厚さが最大であるスプラインのゾーンのみが他方のシャフトのスプラインに触れる。運転中に、加熱および伝達されるトルクがスプラインを変形させ、その結果、初期ギャップを閉じる。

この変形は、運転中にスプライン間の接触圧分布を改善するのに役立ち、それにより応力が低減される。

しかしながら、この解決策は、運転中に２つの臨界ゾーンを生じる。第１の臨界ゾーンは、スプラインのフランクの自由端縁で、低圧タービンシャフトのスプラインの下流側端部に、かつスプラインのフランクとスプラインの歯底との間の接合部に位置している。このゾーンは、引っ張り応力が蓄積するゾーンであり、シャフトの残りの部分に比べて少ない耐用年数しか有さない。したがって、このゾーンの存在は、シャフトの耐用年数の減少を伴う。

そのうえ、シャフトを軽くするために、キャビティ２５、すなわち厚さが横断面で低減されるシャフトのゾーンが、下流センタリングゾーンのシャフトの厚さに対して、スプラインの下流側端部と下流センタリングゾーン２４ａとの間に設けられている（図１ｂを参照されたい）。

このキャビティ２５は、慣性が低減される第２の臨界ゾーンを形成し、その結果、前記ゾーンをより弱くし、極端な負荷の場合には、たとえば（「Ｆａｎ Ｂｌａｄｅ Ｏｆｆ（ファンブレードオフ）」と呼ばれる）ファンブレードの破裂の場合にこのファンブレードの放出の場合にはそれの強度を低減する。

仏国特許出願公開第２９１８７２６号明細書

本発明の目的は、十分なトルク伝達に適したスプライン輪郭を開発し、かつ極端な負荷の場合には強度を確保することによって、上で説明した問題を改善するということである。

このために、本発明は、２つのシャフトのうちの一方の終端となり、他方のシャフトが終端する相補的結合部に同心に取り付けられることを目的としている結合部を備え、前記結合部が、その間に複数のスプラインが延びる２つのセンタリングゾーンを備える、歯車機構を使ってシャフトを結合するための装置にして、
前記結合部のスプラインが、
−結合部の中央ゾーンに沿って一定であり、
−前記中央ゾーンに続いて延びている第１のゾーンにおいて、中央ゾーンの同じスプラインの厚さと比べると、スプラインのフランク間でより小さな厚さを有する、
輪郭を有する、装置であって、
前記結合部のスプラインは、それらがより小さな厚さを有する第１のゾーンを越えて、中央ゾーンに対して前記第１のゾーンと同じ側にあるセンタリングゾーンまで続いており、前記スプラインおよびスプライン歯底は、前記センタリングゾーンとそれらがより小さな厚さを有する前記第１のゾーンとの間の結合ゾーンにおいて、前記スプラインおよびスプライン歯底を前記センタリングゾーンの表面に連続的に結合する輪郭を有する、装置に関する。

有利なことに、しかし任意選択的に、本発明は、次の特徴のうちの少なくとも１つをさらに含むことができる。すなわち、
−スプラインは、結合ゾーンにおいて、それらがより小さな厚さを有するゾーンからセンタリングゾーンに向かって厚さが増加する輪郭を有する。
−結合ゾーンにおいて、スプライン歯底の深さが、センタリングゾーンの表面まで徐々に減少する。
−スプラインの歯底は、結合ゾーンにおいて、曲線状輪郭を有する。
−前記結合部のスプラインはまた、第１のゾーンの反対の側に、それらがより小さな厚さの輪郭を有する第２のゾーンを続ける。
−中央ゾーンの長さは、スプラインの全長の０％と８０％との間にある。
−中間ゾーンは、スプラインの全長の０％と２５％との間の長さに沿って延びており、このゾーンに沿ったスプラインの厚さは、スプラインの最大厚さの０％から２５％だけ減少する。
−結合ゾーンは、スプラインの全長の１０％と４０％との間の長さに沿って延びている。
−スプラインのエンドゾーンは、スプラインの全長の０％と２５％との間の長さに沿って延びており、スプラインの厚さは、スプラインの最大厚さの０％から１５％だけ減少する。
−他方のスプラインの結合部のスプラインは、一定の輪郭を有する。

また、本発明は、他方のシャフトが終端する相補的結合部に同心に取り付けられることを目的としているもう１つのシャフトと結合するための部分を備える回転軸にして、前記結合部が、その間に複数のスプラインが延びる２つのセンタリングゾーンを備え、前記結合部のスプラインが、
−結合部の中央ゾーンに沿って一定であり、
−前記中央ゾーンに続いて延びている第１のゾーンにおいて、中央ゾーンの同じスプラインの厚さと比べると、スプラインのフランク間でより小さな厚さを有する、
輪郭を有する、回転軸であって、
前記結合部のスプラインは、それらがより小さな厚さを有する第１のゾーンを越えて、中央ゾーンに対して前記第１のゾーンと同じ側にあるセンタリングゾーンまで続いており、
前記スプラインおよびスプライン歯底は、それらがより小さな厚さを有する前記センタリングゾーンと前記第１のゾーンとの間の結合ゾーンにおいて、前記スプラインおよびスプライン歯底を前記センタリングゾーンの表面に連続的に結合する輪郭を有する、回転軸に関する。

さらに、本発明は、シャフトがタービンシャフトによって回転される圧縮機を備えるタービンエンジンであって、圧縮機シャフトおよびタービンシャフトが、本発明による装置によって結合され、結合部が、より小さな厚さの第１のゾーンを有し、結合ゾーンが、タービンシャフトのそれであり、前記第１のゾーンおよび結合ゾーンが、タービンエンジンの空気流の方向に対して中央ゾーンから下流に位置している、タービンエンジンに関する。

本発明のさらなる特徴、目的、および利点は、単に例示であり、限定するものではなく、かつ添付の図を参照して読まれるべき以下の説明から明らかになるであろう。

分解斜視図にて、先行技術によるシャフトを結合するための装置の図式表現である上記で説明した図である。 長手方向断面図にて、先行技術によるシャフトを結合するための装置の図式表現である上記で説明した図である。 先行技術による低圧タービンシャフトのスプラインを示す上記で説明した図である。 長手方向断面図でもって、結合装置が取り付けられるタービンエンジンを概略的に示す図である。 長手方向断面図でもって、本発明によるシャフトを結合するための装置を概略的に示す図である。 斜視図にて、結合装置のシャフトのスプラインを示す図である。 上面図にて、結合装置のシャフトのスプラインを示す図である。

図３は、本発明による結合装置１を備えるタービンエンジン１００を示している。タービンエンジン１００は、従来、タービンエンジンの空気流に対して上流で低圧圧縮機１１０および高圧圧縮機１３０、ならびに下流で低圧タービン１２０および高圧タービン１４０を備える。

高圧圧縮機１３０の出口の排気ガスが、タービン１２０、１４０を回転させる。結合装置１により、低圧タービン１２０は圧縮機１１０を回転させることができるようになり、トルクが歯車機構を使って伝達される。

図４は、たとえば、それぞれタービンエンジン１００の低圧タービン１２０シャフト２０によって回転される低圧圧縮機１１０シャフト１０という２つのシャフト１０、２０を結合するための装置１を示している。

シャフト１０、２０はそれぞれ、他方のシャフトが終端する相補的結合部に同心に取り付けられることを目的としている結合部を有する。それの結合部を含めて、シャフトは、回転軸線Ｘ−Ｘを中心に同心に配置される。

第１のシャフト、この場合、圧縮機シャフト１０は、それの内側表面に、複数のスプライン１２を有する。第２のシャフト、この場合、タービンシャフト２０は、それの外側表面に、第１のシャフト１０のスプライン１２と係合するのに適した複数のスプライン２２を有する。

各シャフト１０、２０について、スプライン１２、２２は、２つのセンタリングゾーン、すなわち１つの下流センタリングゾーン１４ａ、２４ａと１つの上流センタリングゾーン１４ｂ、２４ｂとの間に延びる。

シャフトの上流および下流センタリングゾーンは、相補的であり、タービンシャフト２０に対して圧縮機シャフト１０を正確に位置決めすることを可能にする。

たとえば、上流センタリングゾーンは、円周方向隆起およびこれに対応する円周方向溝の形をとる。

各シャフトの下流センタリングゾーンはそれぞれ、回転軸線Ｘ−Ｘと平行な軸線を有する円筒形表面を有し、これは、シャフトの残りの部分に対して、特にスプラインの歯底に対して高くされる。

図５ａおよび図５ｂを参照して、結合装置１のシャフトの、好ましくは低圧タービンシャフト２０のスプラインが示されている。

各スプライン１２、２２は、２つの側方フランク１３、２３、およびフランクを接続する１つの頂部１６、２６を有する。同じシャフトの２つの連続するスプラインの間で、スプライン歯底１７、２７が、伝動を可能にするように他方のシャフトのスプラインで占められる。

第１のシャフトのスプライン１２は、スプラインの全長に沿って実質的に一定であるフランク間に厚さｅを有することが好ましい。上記のように、スプライン１２、２２の厚さは、スプラインの頂部１６、２６で測定される。

そのうえ、第２のシャフト２０の各スプライン２２は、可変プロファイルを有する。

図５ｂを参照して、各スプラインは、下記のものを有する：
−それに沿ってスプラインがそれのフランク間に一定の厚さｅ_ｍを有する中央ゾーンＺＭ。
−中央ゾーンＺＭに続いて延びている、タービンエンジンの場合はそれから下流に位置しており、それに沿ってスプラインの厚さｅ_ｉが中央ゾーンのスプラインの厚さｅ_ｍに対してより小さい、第１のゾーン、または中間ゾーンＺＩ。この厚さｅ_ｉは、中央ゾーンＺＭから下流センタリングゾーンに向かって減少することが好ましい。
−中央ゾーンに対して中間ゾーンＺＩと同じ側に（この場合、タービンエンジンの場合は中間ゾーンＺＩから下流に向かって）中間ゾーンＺＩに続いて延びている、スプライン２２の下流側端部を形成する、いわゆる結合ゾーンＺＲ。

結合ゾーンＺＲは、中間ゾーンＺＩをシャフト２０の下流センタリングゾーン２４ａに接続する。このために、シャフトの２つの連続するスプラインの頂部２６およびセンタリングゾーン２４ａの表面が合流し、連続的な表面を形成するまで、スプラインは、このゾーンにおいて、中間ゾーンＺＩからセンタリングゾーン２４ａまで増加するそれのフランク２３間の厚さｅ_ｒを有する。

したがって、スプラインは、結合ゾーンにおいて、前記スプラインおよびスプラインの歯底２７を前記センタリングゾーン２４ａの表面に連続的に結合する輪郭を有する。

したがって、スプライン２２の下流側端部は、下流センタリングゾーン２４ａと共に結合される。このように、スプライン２２のフランク２３は、応力が蓄積されることになる下流でいかなる自由端縁も有さない。したがって、提案されたスプラインは、先行技術による結合装置のスプラインに対して増加した耐用年数を有する。

そのうえ、先行技術による下流側端部に隣接するキャビティ２５は、スプライン２２からセンタリングゾーン２４ａまで延びる結合ゾーンＺＲによって置き換えられる。したがって、タービンシャフト２０に低慣性のゾーンはなく、それによりこれは強化され、耐用年数が増大される。

そのうえ、より詳細には図５ａに見られるように、スプライン歯底２７は、中間ゾーンの最大深さからセンタリングゾーン２４ａのゼロ深さまで、結合ゾーンＺＲにおいて減少する厚さを有する。

スプライン歯底２７は、長手方向断面図において、有利なことに曲率半径が連続的である曲線状輪郭を有することが好ましい。

このように、スプライン歯底２７によって、および隣接するフランクによって形成される表面は、とかく応力蓄積を生じやすい不連続性を全く有さない。

再び図５ｂを参照して、スプライン２２はまた、中央ゾーンＺＭに隣接し、かつ中央ゾーンＺＭから上流方向に延びる上流側端部ゾーンＺＥを有することができる。このゾーンでは、各スプラインは、中央ゾーンの厚さｅ_ｍに対してより小さな厚さｅ_ｅを有する。

スプライン２２のさまざまなゾーンの相対的割合は、次の通りである：
−上流側端部ゾーンＺＥは、スプラインの全長の０％と２５％との間の長さを有する。それの上流側端部における、−およびしたがってゾーンの端部における−スプラインの厚さｅ_ｅは、スプラインの最大厚さの０％から１５％だけ減少され、この最大厚さは、中央ゾーンＺＭにおいて厚さｅ_ｍである。
−中央ゾーンＺＭは、スプラインの全長の０％と８０％との間の長さを有する。スプラインの厚さｅ_ｍは、一定であり、それの最大値に等しく、これは、ＡＮＳＩ規格Ｂ９２−１−１９９６で規定され、タービンエンジンに依存している。
−中間ゾーンＺＩは、スプラインの全長の０％と８０％との間の長さを有する。このゾーンに沿って、スプラインの厚さｅ_ｉは、それの最大厚さに対して０％から２５％だけ減少する。スプラインの厚さｅ_ｉは、結合ゾーンＺＲとの接合部において、このゾーンの下流側端部で最小であることが好ましい。
−最後に、結合ゾーンＺＲは、スプラインの全長の１０％と４０％との間の長さを有する。スプラインの厚さｅ_ｒは、２つの連続的なスプラインのフランクが結合されるまで増加する。

結合装置の１つの特定の実施形態によれば、中央ゾーンは６０ｍｍの長さを有することができ、中間ゾーンは２５ｍｍの長さを有することができ、結合ゾーンは３０ｍｍの長さを有することができる。この実施形態では、スプライン２２は上流側端部ゾーンＺＥを有さず、すなわち、スプラインの上流側端部は、中央ゾーンＺＭの上流側端部に相当する。

このように、幾何学的形状がより大きなトルクを伝達するのに適しておりかつ先行技術に対して増大された耐用年数を提供する、シャフトを結合するための装置が提案されている。

本装置は、それに限定されることなく、タービンエンジンにおける設置に適している。

Claims (12)

1. ２つのシャフトのうちの一方（２０）の終端となり、他方のシャフト（１０）が終端する相補的結合部に同心に取り付けられることを目的としている結合部を備え、前記結合部が、その間に複数のスプライン（２２）が延びる２つのセンタリングゾーン（２４ａ、２４ｂ）を備える、歯車機構を使って２つのシャフトを結合するための装置（１）にして、
   前記結合部のスプライン（２２）が、
   結合部の中央ゾーン（ＺＭ）に沿って一定であり、
   前記中央ゾーン（ＺＭ）に続いて延びている第１のゾーン（ＺＩ）において、中央ゾーン（ＺＭ）の同じスプライン（２２）の厚さ（ｅ_ｍ）と比べるとスプライン（２２）のフランク（２３）の間に、より小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する、
   輪郭を有する、装置（１）であって、
   前記結合部のスプライン（２２）は、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する第１のゾーン（ＺＩ）を越えて、中央ゾーン（ＺＭ）に対して前記第１のゾーン（ＺＩ）と同じ側にあるセンタリングゾーン（２４ａ）まで続いており、
   前記スプライン（２２）およびスプライン歯底（２７）は、前記センタリングゾーン（２４ａ）とそれらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する前記第１のゾーン（ＺＩ）との間の結合ゾーン（ＺＲ）において、前記スプライン（２２）およびスプライン歯底（２７）を前記センタリングゾーン（２４ａ）の表面に連続的に結合する輪郭を有することを特徴とする、装置（１）。
2. スプライン（２２）が、結合ゾーン（ＺＲ）において、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有するゾーン（ＺＩ）からセンタリングゾーン（２４ａ）に向かって厚さが増加する輪郭を有する、請求項１に記載の装置（１）。
3. 結合ゾーン（ＺＲ）において、スプライン歯底（２７）の深さが、センタリングゾーン（２４ａ）の表面まで徐々に減少する、請求項１または２のいずれかに記載の装置（１）。
4. スプラインの歯底（２７）が、結合ゾーン（ＺＲ）において、曲線状輪郭を有する、請求項３に記載の装置（１）。
5. 前記結合部のスプライン（２２）がまた、第１のゾーン（ＺＩ）の反対の側に、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｅ）の輪郭を有する第２のゾーン（ＺＥ）を続ける、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 中央ゾーン（ＺＭ）の長さが、スプライン（２２）の全長の０％と８０％との間にある、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 第１のゾーン（ＺＩ）が、スプライン（２２）の全長の０％と２５％との間の長さに沿って延びており、このゾーン（ＺＩ）に沿ったスプライン（２２）の厚さが、スプライン（２２）の最大厚さ（ｅ_ｍ）の０％から２５％だけ減少する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１）。
8. 結合ゾーン（ＺＲ）が、スプライン（２２）の全長の１０％と４０％との間の長さに沿って延びている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置（１）。
9. スプライン（２２）がより小さな厚さ（ｅ_ｅ）を有する第２のゾーン（ＺＥ）が、スプライン（２２）の全長の０％と２５％との間の長さに沿って延びており、スプラインの厚さ（ｅ_ｅ）が、スプラインの最大厚さ（ｅ_ｍ）の０％から１５％だけ減少する、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置（１）。
10. 他方のスプライン（１０）の結合部のスプライン（１２）が、一定の輪郭を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置（１）。
11. 他方のシャフト（１０）が終端する相補的結合部に同心に取り付けられることを目的としているもう１つのシャフト（１０）と結合するための部分を備える回転軸（２０）にして、前記結合部が、その間に複数のスプライン（２２）が延びる２つのセンタリングゾーン（２４ａ、２４ｂ）を備え、
    前記結合部のスプライン（２２）が、
    結合部の中央ゾーン（ＺＭ）に沿って一定であり、
    前記中央ゾーン（ＺＭ）に続いて延びている第１のゾーン（ＺＩ）において、中央ゾーン（ＺＭ）の同じスプライン（２２）の厚さと比べるとスプライン（２２）のフランク（２３）の間に、より小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する、
    輪郭を有する、回転軸（２０）であって、
    前記結合部のスプライン（２２）は、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する第１のゾーン（ＺＩ）を越えて、中央ゾーン（ＺＭ）に対して前記第１のゾーン（ＺＩ）と同じ側にあるセンタリングゾーン（２４ａ）まで続いており、
    前記スプライン（２２）およびスプライン歯底（２７）は、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する前記センタリングゾーン（２４ａ）と前記第１のゾーン（ＺＩ）との間の結合ゾーン（ＺＲ）において、前記スプライン（２２）およびスプライン歯底（２７）を前記センタリングゾーン（２４ａ）の表面に連続的に結合する輪郭を有することを特徴とする、回転軸（２０）。
12. シャフト（１０）がタービン（１２０）シャフト（２０）によって回転される圧縮機（１１０）を備えるタービンエンジン（１００）であって、圧縮機（１１０）シャフト（１０）およびタービン（１２０）シャフト（２０）が、請求項１０に記載の装置によって結合され、結合部は、それらがより小さな厚さ（ｅ_ｉ）を有する第１の厚さゾーン（ＺＩ）を有し、結合ゾーン（ＺＲ）が、タービンシャフトのそれであり、前記第１のゾーン（ＺＩ）および結合ゾーン（ＺＲ）が、タービンエンジン（１００）の空気流の方向に対して中央ゾーン（ＺＭ）から下流に位置していることを特徴とする、タービンエンジン（１００）。

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