JP6545156B2 - スピンドルボルトの寿命を延ばすための流体除去通路を備えるロータディスク - Google Patents

Description

関連出願とのクロスリファレンス
本願は、その全体が本明細書に組み入れられる２０１３年６月５日に出願された米国仮特許出願第６１／８３１４７０号明細書の利益を請求する。

発明の分野
本発明は、ガスタービンエンジンにおけるスピンドルボルト、特にガスタービンエンジンにおける使用中のスピンドルボルトの割れの可能性を低減するシステムに関する。

発明の背景
タービンエンジンは、スピンドルボルトの割れを生じやすい。スピンドルボルトの破損は、しばしば、様々なエンジン内の同じ位置において生じる。広範囲の分析が示すところでは、この破損は、ボルト割れの背後における水及び細片の堆積とともにフレッティング疲労が生ずることによる。通常はフレッティング疲労下で開始されるフレッティングき裂は、細片の存在により成長する。フレッティングき裂は、高サイクル疲労（ＨＣＦ）負荷下で伝播し、最終的に、スピンドルボルトは、軸方向ボルト予荷重による張力を受けて割れを生じる。

発明の概要
ガスタービンエンジンにおけるスピンドルボルトにおいて発生する割れの可能性を低減するように構成されたロータディスクが開示される。スピンドルボルトは、ロータアセンブリをガスタービンエンジンにおける所定の位置に保持するためにロータディスクを通って軸方向に延びている。ロータディスクは、スピンドルボルトを各スピンドルボルト穴に受け入れるようにサイズ決めされた複数の周方向に位置決めされたスピンドルボルト穴を有するロータディスクボディから形成されていてもよい。スカラップと呼ばれてもよい１つ又は複数の逃がし通路は、スピンドルボルト穴のうちの１つから半径方向外方へ延びていてもよい。逃がし通路は、スピンドルボルトと、スピンドルボルト穴を形成する面との間の空間からの凝縮物及び細片の除去を促進してもよく、逃がし通路を通り、スピンドルボルトと、スピンドルボルト穴を形成する面との間の空間内への空気の進入を妨げるように構成されていてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、ロータディスクは、スピンドルボルトを各スピンドルボルト穴に受け入れるようにサイズ決めされた複数の周方向に位置決めされたスピンドルボルト穴を有するロータディスクボディから形成されていてもよい。少なくとも１つの逃がし通路は、スピンドルボルト穴のうちの１つから半径方向外方へ延びていてもよく、逃がし通路は、半径方向外方へ向かって横断面積が減少していてもよい。逃がし通路は、少なくとも１つの逃がし通路の長さを横切るその幅の半分だけ横断面積が減少していてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、逃がし通路は、１０ｍｍの内側における半径と、５ｍｍの外側における半径とを有してもよい。逃がし通路は、スピンドルボルト穴から周方向にずらされていてもよい。特に、少なくとも１つの実施の形態では、逃がし通路は、スピンドルボルト穴から約５度〜約１０度だけ周方向にずらされていてもよい。さらに別の実施の形態では、逃がし通路は、スピンドルボルト穴から約７．５度だけ周方向にずらされていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、ロータディスクボディの周囲に互いに等間隔に複数の逃がし通路が設けられていてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、逃がし通路の長手方向軸線は、ロータディスクの中心点から延びる半径方向に延びる軸線に対して不一致かつ非直交であってもよい。逃がし通路の内側開口は、外側開口からロータディスクの回転方向に前進させられていてもよい。逃がし通路の長手方向軸線は、ロータディスクの中心点から延びる半径方向に延びる軸線に対して５５度〜８５度に位置決めされていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、逃がし通路の長手方向軸線は、ロータディスクの中心点から延びる半径方向に延びる軸線に対して７０度に位置決めされていてもよい。ロータは、スピンドルボルト穴のうちの少なくとも１つを少なくとも１つの逃がし通路と流体接続するように配置する周方向溝を有してもよい。逃がし通路は、逃がし通路の外側端部と流体接続したノズルを有してもよく、ノズルの半径方向外側端部は、逃がし通路の外側端部よりも小さな横断面積を有する。逃がし通路は、湾曲した長手方向軸線を有してもよい。ロータは、スピンドルボルト穴への凝縮物の進入を防止するために、スピンドルボルト穴に隣接したシールディスク面に接続されたボスを有してもよい。

タービンエンジン作動における使用中、スピンドルボルトと、スピンドルボルト穴を形成する面との間の空間に凝縮物が形成される。細片もまた、スピンドルボルトと、スピンドルボルト穴を形成する面との間のこの空間に捕集される。ロータディスクが回転すると、遠心力により凝縮物が周方向溝内に外方へ押し付けられ、凝縮物及び細片は、逃がし通路に流入し、外側開口を通ってロータディスクボディから排出される。

図面の簡単な説明
明細書の一部に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に発明の原理を開示する。

ガスタービンエンジンと、貫通したスピンドルボルトを備えるロータアセンブリとの部分的な断面図である。 スピンドルボルトが取り外された、スカラップと呼ばれてもよい逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクの端面図である。 逃がし通路を有さないロータアセンブリの部分的な断面図である。 空気を半径方向内方へ流すことができる逃がし通路を備えたロータアセンブリの部分的な断面図である。 スピンドルボルトの近くに位置決めされた逃がし通路の部分的な断面図である。 スピンドルボルトが取り外され、ずらされた逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクの端面図である。 スピンドルボルトが取り外され、ずらされた逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクの詳細図である。 スピンドルボルトが取り外され、ずらされた逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクのさらに別の詳細図である。 逃がし通路の一部と、逃がしカットとの詳細図である。 スピンドルボルトが取り外され、ノズルを有するずらされた逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクの詳細図である。 スピンドルボルトが取り外され、ノズルを有するずらされた逃がし通路を備えるロータアセンブリのロータディスクの別の詳細図である。 スピンドルボルトが取り外され、ノズルとしても作用するように傾斜させられたずらされた逃がし通路を有する、ロータアセンブリのロータディスクの代替的な実施の形態の端面図である。 水しみマークを示していないスカラップを備えるボルトである。

発明の詳細な説明
図１から図１３までに示したように、ガスタービンエンジン１６におけるスピンドルボルト１２において発生する割れの可能性を低減するように構成されたロータディスク１０が開示される。スピンドルボルト１２は、ロータアセンブリ１４をガスタービンエンジン１６における所定の位置に保持するためにロータディスク１０を通って軸方向に延びている。ロータディスク１０は、スピンドルボルト１２を各スピンドルボルト穴２０に受け入れるようにサイズ決めされた複数の周方向に位置決めされたスピンドルボルト穴２０を有するロータディスクボディ１８から形成されていてもよい。スカラップと呼ばれてもよい１つ又は複数の逃がし通路２２は、スピンドルボルト穴２０のうちの１つから半径方向外方へ延びていてもよい。逃がし通路２２は、スピンドルボルト１２と、スピンドルボルト穴２０を形成する面との間の空間からの凝縮物及び細片の除去を促進してもよく、逃がし通路２２を通る、スピンドルボルト１２と、スピンドルボルト穴２０を形成する面との間の空間内への空気の進入を妨げるように構成されていてもよい。

逃がし通路２２は、ロータディスクボディ１８から半径方向外方に向かって減少する横断面積を有してもよい。このような構成により、逃がし通路２２の外側開口２４を通って逃がし通路２２に進入する空気の速度は、空気が内側開口２６に向かって移動するのに従って低下する。１つの実施の形態では、逃がし通路２２は、逃がし通路２２の長さを横切るその幅の半分だけ横断面積が減少していてもよい。逃がし通路２２は、１０ｍｍの内側における半径と、５ｍｍの外側における半径とを有してもよい。

図６〜８、図１０及び図１１に示したように、逃がし通路２２は、スピンドルボルト穴から周方向にずらされていてもよい。逃がし通路２２は、スピンドルボルト穴２０から約５度〜約１０度だけ周方向にずらされていてもよい。逃がし通路２２は、スピンドルボルト穴２０から約７．５度だけ周方向にずらされていてもよい。ずらされた逃がし通路２２は、逃がし通路２２がスピンドルボルト穴２０と一列になっていると生じる、スピンドルボルト１２の表面における細片及び水粒子の逆流を排除してもよい。

図１３に示したように、逃がし通路２２の長手方向軸線２８は、ロータディスク１０の中心点３２から延びる半径方向に延びる軸線３０に対して不一致かつ非直交であってもよい。カーブした逃がし通路２２は、ボルト穴２０から逃がし通路２２まで延びていてもよく、水をボルト穴２０から逃がし通路２２内へ逃がしてもよい。カーブした逃がし通路２２は、スピンドルボルト１２上の空気、水及び細片粒子の直接的な逆流をも排除する。逃がし通路２２の内側開口２６は、外側開口２４に対してロータディスク１０の回転方向３４に前進させられていてもよい。逃がし通路２２の長手方向軸線２８は、ロータディスク１０の中心点３２から延びる半径方向に延びる軸線３０に対して５５度〜８５度に位置決めされていてもよい。逃がし通路２２の長手方向軸線２８は、ロータディスク１０の中心点３２から延びる半径方向に延びる軸線３０に対して７０度に位置決めされていてもよい。逃がし通路２２は、図１３に示したように、ポンプインペラをシミュレーションし、かつ水除去の有効性を高めるために、カーブして機械加工されてもよい。

ロータディスク１０は、スピンドルボルト穴２０のうちの少なくとも１つを少なくとも１つの逃がし通路２２と流体接続するように配置する周方向溝を有してもよい。逃がし通路２２は、ロータディスクボディ１８の周囲に互いに等間隔に配置された複数の逃がし通路２２を含んでもよい。ロータディスク１０は、図１に示したように、まず第１にスピンドルボルト１２とスピンドルボルト穴２０との間の空間に水が進入するのを防止するためのボス４０又は通路を有してもよい。

図９から図１２までに示したように、逃がし通路２２は、逃がし通路２２の外側端部４４と流体接続されたノズル３８を有してもよい。ノズル３８の半径方向外側端部４６は、逃がし通路２２の外側端部４４よりも小さな横断面積を有してもよい。これにより、ノズル３８は、逃がし通路２２を横切って負の圧力降下を生ぜしめ、この圧力降下は、一切の付加的な空気流を導入することなく凝縮物及び細片をより効果的に引き込むための水ポンプとして作用する。

使用中、スピンドルボルト１２と、スピンドルボルト穴２０を形成する面との間の空間に凝縮物が形成される。細片もまた、スピンドルボルト１２と、スピンドルボルト穴２０を形成する面との間のこの空間に捕集される。ロータディスクが回転すると、遠心力により凝縮物が周方向溝３６内に外方へ押し付けられ、凝縮物及び細片は、逃がし通路２２に流入し、外側開口２４を通ってロータディスクボディ１８から排出される。作動中に生ぜしめられる力は、図３及び図４に示されている。

前記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (14)

1. タービンエンジン（１６）用のロータディスク（１０）において、
   スピンドルボルト（１２）を各スピンドルボルト穴（２０）に受け入れるようにサイズ決めされた複数の周方向に位置決めされたスピンドルボルト穴（２０）を有するロータディスクボディ（１８）と、
   前記スピンドルボルト穴（２０）のうちの１つから半径方向外方へ延びる少なくとも１つの逃がし通路（２２）と、
   前記スピンドルボルト穴（２０）のうちの少なくとも１つを前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）と流体接続するように配置する周方向溝（３６）と、を備え、
   前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、半径方向外方へ向かって横断面積が減少していることを特徴とする、ガスタービン（１６）用のロータディスク（１０）。
2. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、該少なくとも１つの逃がし通路（２２）の長さを横切るその幅の半分だけ横断面積が減少している、請求項１記載のロータディスク（１０）。
3. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、１０ｍｍの内側における半径と、５ｍｍの外側における半径とを有する、請求項２記載のロータディスク（１０）。
4. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、前記スピンドルボルト穴（２０）から周方向にずらされている、請求項１から３までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。
5. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、前記スピンドルボルト穴（２０）から５度〜１０度だけ周方向にずらされている、請求項４記載のロータディスク（１０）。
6. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、前記スピンドルボルト穴（２０）から７．５度だけ周方向にずらされている、請求項４記載のロータディスク（１０）。
7. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）の長手方向軸線（２８）は、前記ロータディスク（１０）の中心点（３２）から延びる半径方向に延びる軸線（３０）に対して不一致かつ非直交である、請求項１から６までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。
8. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）の内側開口（２６）は、外側開口（２４）から前記ロータディスク（１０）の回転方向（３４）に前進させられている、請求項７記載のロータディスク（１０）。
9. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）の長手方向軸線（２８）は、前記ロータディスク（１０）の中心点（３２）から延びる半径方向に延びる軸線（３０）に対して５５度〜８５度に位置決めされている、請求項７記載のロータディスク（１０）。
10. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）の長手方向軸線（２８）は、前記ロータディスク（１０）の中心点（３２）から延びる半径方向に延びる軸線（３０）に対して７０度に位置決めされている、請求項７記載のロータディスク（１０）。
11. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、前記ロータディスクボディ（１８）の周囲に互いに等間隔に配置された複数の逃がし通路（２２）を含む、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。
12. 前記逃がし通路（２２）の外側端部（４４）と流体接続したノズル（３８）を有し、該ノズル（３８）の半径方向外側端部（４６）は、前記逃がし通路（２２）の外側端部（４４）よりも小さな横断面積を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。
13. 前記少なくとも１つの逃がし通路（２２）は、カーブした長手方向軸線（２８）を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。
14. 前記スピンドルボルト穴（２０）への凝縮物の進入を防止するために、前記スピンドルボルト穴（２０）に隣接したシールディスク面に接続されたボス（４０）を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載のロータディスク（１０）。

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