JP6247462B2 - ガスタービン円錐形フランジボルト継手 - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、回転要素を固定する際に使用するための円錐形フランジボルト継手に関する。

ガスタービンエンジンの従来のボルト継手は、通しボルト又はフランジボルトのいずれかである。通しボルト構造では、長尺ボルトが、ロータモジュールのすべての構成要素を貫通する。これは、すべての構成要素がメインロータ構造体に割り込む孔を有することを意味する。これらの割込みは、しばしば、ホイール上で最も応力が大きい位置となり、予測される最も低い低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命を有する。フランジボルト構造では、より短尺のボルトが、ロータホイール上のフランジ状付属物を貫通し、したがって、メインホイール構造体の割込みを避ける。これは、孔の存在によるＬＣＦ問題を軽減するが、この構成は、高サイクル疲労（ＨＣＦ）に関する他の課題をもたらす。例えば、ボルト継手のこの構成は、エンジンの運転中にフランジの基端部（ｈｅｅｌ）でこじ開けられる可能性がある。このこじ開けは、ディスクの中心線を揃えたままにする実はぎ溝干渉の存在、及びガスタービンロータの温度勾配の両方によりもたらされる。ガスタービンロータは極めて重く、重力によりロータはそれ自体の重量で垂れ下がり、ボルト継手が高サイクル疲労（ＨＣＦ）を受ける。エンジン運転中、フランジ後端部が開放しているとき、ホイールアーム及びボルトは、高レベルのＨＣＦ応力を受ける可能性がある。

米国特許第６６７２６３０号公報

ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体を開示する。ボルト付フランジ組立体は、２つの回転ホイールを含み、各ホイールは、２つの回転ホイール間に部分的に配置されるスペーサに向かって延びる少なくとも１つのアームを有し、各アームはスペーサに面するフランジ面を有する。各フランジ面又はスペーサの表面のいずれかは、円錐形であり、すなわちガスタービンの中心線に垂直でなく、その結果、例えばボルトが締結されていない非拘束状態では、各フランジ面の基端部は、各フランジ面の先端部よりもスペーサに近く、ボルトは、各回転ホイールのアーム及びスペーサを貫通して延びる。ボルト付フランジ組立体は、大きい応力がかかったホイールにボルトを貫通させることを必要とせず、したがって、ＬＣＦ問題を解決する。それに加えて、フランジの円錐形境界面は、高サイクル応力及びボルトの最終的なＨＣＦ破壊につながる可能性がある、フランジ基端部の開放を防ぐ。

本発明の第１の態様は、ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体を提供し、ボルト付フランジ組立体は、各ホイールが２つの回転ホイール間に部分的に配置されるスペーサに向かって延びる少なくとも１つのアームを有する２つの回転ホイールであって、各アームはスペーサに面するフランジ面を有し、各フランジ面の少なくとも一部分はガスタービンの中心線に垂直でなく、その結果、非拘束状態では、各フランジ面の基端部は各フランジ面の先端部よりもスペーサに近い、２つの回転ホイールと、各回転ホイールのアーム及びスペーサを貫通して延びるボルトとを含む。

本発明の第２の態様は、ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体を提供し、ボルト付フランジ組立体は、各ホイールが２つの回転ホイール間に部分的に配置される円錐形スペーサに向かって延びる少なくとも１つのアームを有する２つの回転ホイールであって、各アームは円錐形スペーサの表面に面するフランジ面を有し、各フランジ面はガスタービンの中心線に垂直であり、円錐形スペーサの表面はガスタービンの中心線に垂直でなく、その結果、非拘束状態では、各フランジ面の基端部は各フランジ面の先端部よりもスペーサに近い、２つの回転ホイールと、各ホイールのアーム及びスペーサを貫通して延びるボルトとを含む。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明を読めば、より容易に理解されるであろう。

本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体を含む、ガスタービンロータの一部分の断面斜視図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体の実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態によるボルト付フランジ組立体を使用する方法の図である。

本発明の開示の図面は、原寸に比例していない可能性があることに留意されたい。図面は、本発明の開示の典型的な態様のみを示すものとし、したがって、本発明の開示の範囲を限定するものとみなすべきでない。図面において、図面の間で同様の番号は、同様の要素を表す。

従来のガスタービンボルト継手は、ガスタービン中心線に垂直に加工されたフランジ面（すなわちホイールのアームとスペーサとの間の境界面）と、ガスタービン中心線に平行に加工された実はぎ溝とを有する。典型的なガスタービン上の実はぎ溝面は、内径（ＩＤ）上にあり、ロータの組立て中及び運転中にロータの嵌合部品を同心状に保つために干渉嵌合を使用する。従来のボルト継手では、実はぎ溝干渉部により、フランジ基端部（内径において）がこじ開けられる傾向がある。フランジ基端部は、エンジン環境での熱運転中に、さらに持ち上げられる傾向がある。ガスタービンに使用する重いロータは、それ自体の重量で垂れ下がる傾向があり、大きい高サイクル疲労応力をもたらす可能性がある。フランジ基端部が開放しているとき、重力による垂下りによる交番荷重の大部分は、フランジによる積層圧縮ではもはや吸収されず、むしろ、ボルトによる追加の引張荷重で担持される。従来のボルト付組立体のＩＤ上の実はぎ溝干渉部は、この重力による垂下り荷重につながる余分な荷重パスをもたらす可能性がある。スペース的な理由及びロータ／ステータ構成により、すべてのガスタービンロータがＩＤ上の実はぎ溝を使用することができるわけではなく、実はぎ溝が外径（ＯＤ）上にあるとき、フランジ基端部が開放している場合、実はぎ溝は、重力による垂下り荷重を担持するのに役立たない。

図１を参照して、本発明の一実施形態による、ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体１００を示す。図１は、ガスタービンロータの一部分の断面斜視図を示し、回転要素の一部分を示す。具体的には、複数の回転ホイール１０２と、それぞれがホイール１０２間に少なくとも部分的に配置された複数のスペーサ１０４とを示す。

図１からわかるように、各回転ホイール１０２は、ホイール１０２の両側から延びる一対のアーム１０６を有する。アーム１０６は、図１に示すＬ字形などの任意の所望の形状とすることができる。各アーム１０６は、スペーサ１０４に向かって延びる。図２の簡略断面図に示すように、各アーム１０６は、スペーサ１０４に面するフランジ面１０８と、フランジ面１０８の反対側のナット接合面１２４とを有する。図２に示すように、フランジ面１０８は、第１の端部１１０（基端部とも呼ばれる）と、第２の端部１１２（先端部とも呼ばれる）とを有する。

図２に示すように、本発明の１つの実施形態によれば、フランジ面１０８とスペーサ１０４との間の境界面は、フランジ面１０８とスペーサ１０４との間の傾斜ギャップ１０５を含むことができる。例えば、各アーム１０６の各フランジ面１０８は、円錐形に、すなわちガスタービンの中心線（本明細書ではエンジン中心線ＥＣと呼び、図に示す）に垂直でなく、例えばアーム１０６が面するスペーサ１０４に対して角度アルファ（α）で加工することができる。言い換えれば、フランジ面１０８は、スペーサ１０４と平行ではない。このようにフランジ面１０８に傾斜をつけることにより、各フランジ面１０８の基端部１１０が各フランジ面１０８の先端部１１２よりもスペーサ１０４の近くに配置される。１つの実施形態では、角度αは、約０．１度〜約１．０度とすることができる。フランジ面１０８は、アーム１０６を加工することにより傾斜をつけられ、円錐形、又はガスタービン中心線に対して垂直でない角度をもたらす他の任意の形状にすることができる。

図２からわかるように、スペーサ１０４は、アーム１０６間に少なくとも部分的に配置することができ、例えば、各スペーサ１０４は、アーム１０６のフランジ面１０８間の内側部分１１６と、内側部分１１６とほぼ垂直な外側部分１１８とを有することができる。図２に最も良く示すように、外側部分１１８は、各アーム１０６の表面１２２との干渉嵌合をもたらす実はぎ溝１２０を有することができる。上述のように、実はぎ溝１２０は、先端部１１２に配置される。１つの実施形態では、実はぎ溝１２０は、外径（ＯＤ）上すなわちボルト１１４から半径方向外側に配置され、別の実施形態では、実はぎ溝１２０は、内径（ＩＤ）上すなわちボルト１１４から半径方向内側に配置される。

図１及び２に示すように、各ボルト組立体１００は、各回転ホイール１０２の各アーム１０６と、アーム１０６間のスペーサ１０４とを貫通して延びるボルト１１４を含む。組立体１００は、ボルト１１４の各端部に取り付けるように構成された少なくとも１つのナット１２５をさらに含み、ナット（複数可）１２５が取り付けられる際、ナット（複数可）１２５はアーム１０６のナット接合面１２４に接触する。図２〜６は、非拘束状態の組立体１００、すなわちボルト１１４が未だ締結されていない組立体１００を示す。非拘束状態では、各フランジ面１０８の先端部１１２とスペーサ１０４との間にギャップ１０５（図３に極端に示す）が存在し、フランジ面１０８の基端部１１０とスペーサ１０４との間にギャップはほとんど存在しない。言い換えれば、基端部領域は閉鎖しているが、先端部領域は開放している。ボルト１１４が締結されると、各フランジ面１０８とスペーサ１０４との間のギャップはほとんどなくなり、すなわち、基端部領域も先端部領域も閉鎖される。

１つの実施形態では、図３に示すように、アーム１０６は、垂直でないフランジ面１０８に加えて、エンジン中心線ＥＣに垂直でないナット接合面１２４をさらに含み、例えば、ナット接合面１２４は、円錐形となり、すなわち垂直面から角度シータ（θ）だけ離れて傾斜する可能性がある。この円錐形のナット接合面１２４は、組立体１００を使用すれば発生しがちである、ボルト１１４のどんな屈曲も軽減するように機能することができる。１つの実施形態では、角度θは、約０．１度〜約１．０度とすることができる。

別の実施形態では、図４に示すように、スペーサ１０４の表面は、エンジン中心線に垂直でないが、アーム１０６のフランジ面１０８は、エンジン中心線にほぼ垂直である。例えば、スペーサ１０４は、円錐形、又はエンジン中心線に垂直でないスペーサ１０４の表面をもたらす他の任意の形状に加工することができる。このように、各フランジ面１０８の先端部１１２とスペーサ１０４との間にギャップ１０５が再び形成されるが、各フランジ面１０８の基端部１１０とスペーサ１０４との間にはギャップがほとんど存在しない。

別の実施形態では、図５に示すように、スペーサ１０４は、図４にあるように、エンジン中心線に垂直にならないように傾斜し、スペーサ１０４とアーム１０６との間に傾斜ギャップ１０５を形成する。しかし、図５では、図４と異なり、フランジ面１０８は、エンジン中心線にほぼ垂直であるが、ナット接合面１２４は、エンジン中心線に垂直にならないように傾斜する。

図２〜５は、内側端部から外側端部まで境界面全体にわたって傾斜する傾斜面を示すが、スペーサ１０４とフランジ面１０８との間の各境界面の一部分のみが平行でない可能性があることが理解されることにも留意されたい。例えば、図６に示すように、フランジ面１０８間の境界面の一部分は、ほぼ平坦な、すなわちギャップのない両平面を含むことができるが、一部分は、傾斜した、すなわちエンジン中心線に垂直でない少なくとも表面を含むことができる。例えば、距離Ｄと表示した、スペーサ１０４とアーム１０６との間の境界面の一部分は、エンジン中心線に垂直な両表面１０４、１０８を含むことができる。先端部領域にギャップ１０５が存在し、基端部領域にギャップがほとんど存在しない限り、組立体が非拘束状態にある際、組立体１００は、要求通りに機能する。

本明細書に開示する本発明の実施形態を使用する方法を図７に示す。ステップＳ１に示すように、スペーサ１０４は２つの隣接するホイール１０２の２つのアーム１０６間に少なくとも部分的に配置される。フランジ面１０８及びスペーサ１０４の少なくとも一方は、エンジン中心線に垂直でない。図７に示す実施形態では、図２に示す構成と同様の構成を示し、スペーサ１０４は、ほぼ直線の、すなわちエンジン中心線に垂直な外部表面を有し、フランジ面１０８は、円錐形であり、すなわちエンジン中心線に垂直でない。しかし、図３〜６に示す構成を使用することもできることが理解される。ステップＳ１に示すように、ボルト１１４は、アーム１０６及びスペーサ１０４を通して挿入される。

ステップＳ２では、スペーサ１０４は、実はぎ溝１２０干渉を克服するために加熱される。スペーサ１０４が加熱されるとき、スペーサ１０４は膨張する。ステップＳ２に示すように、フランジ面１０８及びスペーサ１０４の少なくとも一方（図７に示す例ではフランジ面１０８）は、エンジン中心線に垂直でないので、スペーサ１０４とフランジ面１０８との間にギャップ１０５が存在する。言い換えれば、アーム１０６とスペーサ１０４との間の境界面の基端部は、閉鎖しており、すなわちギャップがないが、先端部にはギャップ１０５が存在する。ステップＳ３では、スペーサ１０４を冷却することができ、スペーサ１０４とアーム１０６との間の実はぎ溝１２０が係合する。ステップＳ４では、ボルト１１４が締結され、ギャップ１０５が閉鎖される。ステップＳ４に示すように、基端部領域は、閉鎖したままであり、ボルト１１４が締結され、部品が冷却されたので、先端部領域にもギャップが存在しなくなる。

本発明の開示の装置及び方法は、ガスタービンに限定されず、固定することが必要な回転部品を含む任意の装置に使用することができる。

本明細書に使用する用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明の開示を限定するものではない。本明細書に使用する、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、コンテクストが別途明確に示さなければ、複数形も含むものとする。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用する際、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を明示するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことがさらに理解されよう。

記載した本説明は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために、さらに、任意の装置又はシステムを作成及び使用し、任意の組み合わされた方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施することができるように例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的な差がない均等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１００ ボルト付フランジ組立体
１０２ 回転ホイール
１０４ スペーサ
１０５ 傾斜ギャップ
１０６ アーム
１０８ フランジ面
１１０ 第１の端部／基端部
１１２ 第２の端部／先端部
１１４ ボルト
１１６ 内側部分
１１８ 外側部分
１２０ 実はぎ溝
１２２ 表面
１２４ ナット接合面
１２５ ナット

Claims (11)

1. ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体（１００）であって、
   各ホイール（１０２）が２つの回転ホイール（１０２）間に部分的に配置されるスペーサ（１０４）に向かって延びる少なくとも１つのアーム（１０６）を有する、２つの回転ホイール（１０２）を含み、
   前記２つの回転ホイール（１０２）は、各アーム（１０６）に設けられたフランジ面（１０８）を有し、該フランジ面は前記スペーサ（１０４）に面しており、
   各フランジ面（１０８）の少なくとも一部分は前記ガスタービンの中心線に垂直でなく、
   前記スペーサ（１０４）は、前記２つのホイールの前記アーム（１０６）間の第１の部分と、前記第１の部分にほぼ垂直な第２の部分とを有し、
   前記第１の部分は、半径方向外向きに各アームの前記フランジ面よりも延び、
   前記第２の部分と前記各フランジ面（１０８）の先端部（１１２）との間に実はぎ溝（１２０）干渉嵌合部が存在するよう、前記第２の部分は各アームの前記フランジ面より半径方向外側に設けられ、
   非拘束状態では、各フランジ面（１０８）の基端部（１１０）は各フランジ面（１０８）の前記先端部（１１２）よりも前記スペーサ（１０４）に近く、
   前記ボルト付フランジ組立体（１００）は、さらに、前記フランジ面を含み各回転ホイール（１０２）の前記アーム（１０６）及び前記スペーサ（１０４）を貫通して延びるボルト（１１４）を含む、
   ボルト付フランジ組立体（１００）。
2. 各アーム（１０６）の前記フランジ面（１０８）の少なくとも一部分は、０．１度〜１．０度の角度で前記スペーサ（１０４）に対して傾斜している、請求項１に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
3. 各アーム（１０６）は、前記フランジ面（１０８）と反対側のナット（１２５）接合面（１２４）をさらに含み、
   前記ナット（１２５）接合面（１２４）の少なくとも一部分は、前記ガスタービンの前記中心線に垂直でない、
   請求項１に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
4. 各アーム（１０６）の前記ナット（１２５）接合面（１２４）は、０．１度〜１．０度の角度で前記スペーサ（１０４）に対して傾斜している、請求項３に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
5. 各アーム（１０６）は、ほぼＬ字形である、請求項１に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
6. 前記ボルト（１１４）が締結されていない場合、各フランジ面（１０８）の前記先端部（１１２）と前記スペーサ（１０４）との間にはギャップが存在し、
   各フランジ面（１０８）の前記基端部（１１０）と前記スペーサ（１０４）との間にはギャップがほとんど存在せず、
   前記ボルト（１１４）が締結された場合、各フランジ面（１０８）と前記スペーサ（１０４）との間にギャップがほとんど存在しない、
   請求項１に記載のボルト付フランジ組
   立体（１００）。
7. ガスタービンの回転要素を固定するためのボルト付フランジ組立体（１００）であって、
   各ホイール（１０２）が２つの回転ホイール（１０２）間に部分的に配置される円錐形スペーサ（１０４）に向かって延びる少なくとも１つのアーム（１０６）を有する、２つの回転ホイールを含み、
   前記２つの回転ホイール（１０２）は、各アーム（１０６）に設けられたフランジ面（１０８）を有し、該フランジ面は前記円錐形スペーサ（１０４）の表面に面しており、
   各フランジ面（１０８）は前記ガスタービンの中心線に垂直であり、前記円錐形スペーサ（１０４）の前記表面は前記ガスタービンの前記中心線に垂直でなく、
   前記円錐形スペーサ（１０４）は、前記２つのホイールの前記アーム（１０６）間の第１の部分と、前記第１の部分にほぼ垂直な第２の部分とを有し、
   前記第１の部分は、半径方向外向きに各アームの前記フランジ面よりも延び、
   前記第２の部分と前記各フランジ面（１０８）の先端部（１１２）との間に実はぎ溝（１２０）干渉嵌合部が存在するよう、前記第２の部分は各アームの前記フランジ面より半径方向外側に設けられ、
   非拘束状態では、各フランジ面（１０８）の基端部（１１０）は各フランジ面（１０８）の前記先端部（１１２）よりも前記円錐形スペーサ（１０４）に近く、
   前記ボルト付フランジ組立体（１００）は、さらに、前記フランジ面を含む各ホイール（１０２）の前記アーム（１０６）及び前記円錐形スペーサ（１０４）を貫通して延びるボルト（１１４）を含む、
   ボルト付フランジ組立体（１００）。
8. 前記円錐形スペーサ（１０４）は、０．１度〜１．０度の角度で各アーム（１０６）の各フランジ面（１０８）に対して傾斜している、請求項７に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
9. 各アーム（１０６）は、前記フランジ面（１０８）と反対側のナット（１２５）接合面（１２４）をさらに含み、
   前記ナット（１２５）接合面（１２４）の少なくとも一部分は、前記ガスタービンの前記中心線に垂直でない、
   請求項７に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
10. 各アーム（１０６）の前記円錐形ナット（１２５）接合面（１２４）は、０．１度〜１．０度の角度で前記アーム（１０６）の前記フランジ面（１０８）に対して傾斜している、請求項９に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。
11. 各アーム（１０６）は、ほぼＬ字形である、請求項７に記載のボルト付フランジ組立体（１００）。