JPH0299701A - ロータ本体を中空軸へ取外し可能に結合する機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はロータ本体の回転軸に結合する機構に関する。

この機構は経済的で機能的であり製作点検が簡単であっ
て、可成りの信頼性をもって高トルクを伝達することが
でき、結合すべきふたつの本体間にいかなる相対的軸線
方向移動も必要とせず、これらふたつの本体間に正確か
つ最適の６決めを行ない得てかつこれを維持でき、これ
によってこれらふたつの結合された本体の最終バランス
をとる必要をなりシ、このようにして各別にバランスを
とった回転可能な本体を単純に相互交換できるようにす
る。またこの結合機構は、容易に近寄ることのできる領
域から無制限の回数容易にかつじん速に係合離脱させる
ことができ、従って回転機械の分野、特にガスタービン
および回転ドビーの分野に適用するのに特に適している
。

当業界の現状では、たとえば、継手、インペラ、または
特にガスタービンのディスクロータのような被回転本体
がその結合が所定の容易に近寄ることのできる領域から
作用させることにより容易に離脱せしめられるように回
転軸に嵌め合わされ、かつアンバランスを生じないよう
に完全に同心にされて高トルクを伝達できるようにされ
ている時、回転軸を弱体化しアンバランスを導入するよ
うな既知のキーまたは溝プラグイン機構を用いないとす
れば、唯一の採用し得る結合方法は本願出願人の所有す
る１９８５年５月１４日特許の米国特許第４，５１６゜
９０６号明細書に記載されているような強制切頭円錐形
結合機構を用いることである。

この既知機構では、トルクは、結合すべきふたつの本体
のふたつの切頭円錐形表面間の半径方向干渉により回転
軸からロータ本体へ伝達される。

これは、前記ふたつの切頭円錐形表面を互いに軸線方向
に動かすことによって得られる。さらに詳細には、回転
軸の切頭円錐形端部は回転本体内の対応する切頭円錐形
軸線方向空所内に挿入される。

これは中空の回転軸内に設けた引きロッドによって鎖錠
され、結合しようとするふたつの本体を一緒に引張って
前記ふたつの切頭円錐形表面が互いに整合してはまり合
い、充分な半径方向干渉部分がこれらの間に形成されて
所要のトルクが摩擦によって伝達されるようにするので
ある。

しかしながら、このような結合機構は一連の重大な欠点
を有するものであり、このような欠点が屡々その採用を
さまたげるという問題を生じている。

主な欠点はうたがいもなく、ロータ本体の切頭円錐形空
所と回転軸の切頭円錐形端部（一般にこれは支持ベアリ
ングとスラストベアリングとを包含する固定要素である
）とが常に、互いに近付いたり離れたりする方向の相対
的軸線方向運動にさらされているという事実にある。た
とえば陸用ガスタービンにおける軸とロータとの間に動
力伝達の場合のような結合機構における寸法が大きい時
の上述の軸線方向運動はたとえば数ミリ程度の大きさと
なり得るので重大な問題が生ずるのである。

すなわち外端部が円錐面にすれすれに通ってゆく状態で
作動せしめられるブレードのようなロータのデリケート
な部品はすれ合ったりすることで破損したりシールを破
ったりするおそれがあるのである。事実、これらの危険
性のため、場合によってはガスタービンに強制切頭円錐
形結合機構は、機械外部から分解することを可能とする
のでタービンの保守が極めて簡単となるという否定でき
ない利点があるにもかかわらず、採用することがすすめ
られなくなる。

前述の既知結合機構の別の欠点は、結合しようとする表
面の切頭円錐形の形状から生ずる。この形状は形成する
のがむづかしく、かつロータ本体と回転ロータ軸との間
の最適６決めを果しているかの点検ができない。既知手
段によれば、これは結合した回転軸とロータ本体とのバ
ランスをあとからとることなく、強制切頭円錐形結合シ
ステムの使用を受は入れられなくするような、可成りの
アンバランスを組立体に与えることとなるのである。こ
のため、回転軸とは別個にバランスをとったロータをじ
ん速に交換するというようなことは不可能となる。

さらに別の欠点は、このような結合システムによって伝
達されるべきトルクが非常に高いものではないことであ
る。

本発明の目的は、被結合本体間にいかなる相対的な軸線
方向の動きを必要とすることなく、ロータ本体を中空の
回転軸に有効にかつ簡単に離脱可能な結合を行なうこと
を可能とするシステムを提供することにより上述の欠点
をなくすことにある。

このシステムは可成りの信頼性があり、従って大きなト
ルクを伝達することができ、かつ回転軸とロータ本体と
の間の最適の心決めを、結合した組立体を新たにバラン
スをとり直すことなくロータ本体を別のロータ本体に容
易に交換することができるように、行なえるようにする
ことができる。

これは実質的に、切頭円錐形の結合面でなく、製作点検
が可成り簡単になることが知られている円筒形の結合面
を用いることで達成することかできる。この点において
、このような円筒形の結合面は完全なものとして製作し
点検することができるので、回転軸とロータ本体との間
の心決めないしは同心度を常に最適レベルに維持するこ
とが可能となり、アンバランスは無視し得る程度となり
、ロータ本体を回転軸とは別個にバランスをとった別の
ロータ本体に、何の最終的バランスをとり直す必要なく
簡単に、じん速にかつ経済的に交換することを可能とす
る。これにより連続生産における極度に重要な問題を解
決し、回転機械ことにガスタービンにおける新たな視界
を開いたのである。

前述の円筒形結合面の軸線方向移動の必要なく高い信頼
性をもって離脱せしめることができる結合システムが本
発明によって実現可能となる。これは、被結合ロータ本
体におけるキャビティの円筒面の直径および軸線方向長
さと同じ程度の直径および軸線方向長さを有するが自由
装架を許容する充分な公差を持つ回転軸円筒形結合面に
は、数十分の一ミリ程度の非常に浅い深さの長手方向溝
があり、これが後述するように圧力釈放スロットとして
作用する。この浅い溝は、被結合円筒面の全軸線方向長
さにわたって延び、機械加工から実質的に派生せしめら
れる鋭い縁部を有し、前記円筒面の円周縁に等距離に均
一に分布せしめられて溝付円筒形スタブを実質的に形成
し、この溝は分離せしめられる堅い部分に大略等しい長
さを有する。

円周を８−１２の長手方向溝に等距離に分割することに
よって最適の結果が得られることが経験上判明した。こ
の場合溝の数が多ければ結果として溝の幅が狭くなり有
効な結合が得られない。他方、荷の数が少なければ、溝
の幅は広くなり被結合ロータ本体に異常な余りにも大き
い応力を与えるような張力を生じさせることとなる。

この溝は、接触従って圧力伝達を妨げる目的の全く軽減
機能だけを有するものであるので、余りきびしい公差で
形成すべきではなく、また特別の表面を有するものとし
て形成すべきではない。これらの溝は構造単純で費用の
かからない形のものとし、それを非常に浅い深さとする
ことで回転軸の機械的強度を減じないようにするのであ
る。

回転軸のこの溝付円筒形スタブ内には、切頭円錐形の穴
が設けである。この穴はスタブの長さに等しい長さを有
し、またその径はスタブの自由端における径に等しいも
のとしである。この穴は引張りロッドの形とした対応す
る切頭円錐形プラグと協働する。この引張りロッドは中
空回転軸の全長にわたって延び、適宜なシリンダピスト
ンユニットにより、容易に近付ける領域において回転軸
の反対側端部から所定負荷の下にぴんと引張られ、この
ようにシリンダピストンユニットが所定負荷でぴんと張
り続けている間に鎖錠ナツトにより正規位置に鎖錠され
る。このようにして、印加した負荷の効果の下に、相対
的軸線方向の動きを前記プラグの切頭円錐面と前記穴と
の間に作り出す。

回転軸の前記溝付円筒形スタブ内の相互干渉によりこの
相対的軸線方向干渉は前記スタブを半径方向に膨張させ
て、このようにして所望どおり回転軸とロータ本体との
間に何の相対的軸線方向に動きを要求することなく、被
結合ロータ本体内の円筒形キャビティの面を半径方向に
圧縮するのである。

しかしながら、この弾性的な半径方向圧縮作用は、回転
軸の円筒形結合面に設けた長手方向の軽減化溝の効果に
より生ずる。従って、半径方向圧縮層が等距離非圧縮領
域を包含して、結果とじて生ずる弾性変形が釈放領域に
対応してロータ本体の円筒形キャビティの膨んだ部分を
生成せしめる。

この部分は回転軸の長手方向溝内に侵入する部分である
。トルク伝達中、これらの膨んだ部分は一連のマイクロ
キーとして振舞う。実験によれば、これらのマイクロキ
ーは等しい長さと平均的な直径を有する通常の強制切頭
円錐形結合システムで伝達できるトルクの２倍ないし３
倍のトルクを伝達することができることが示された。

これは、このシステムの適用分野を、従来の強制切頭円
錐形結合システムが回転軸のねじれ信頼性が不充分で用
い得ることができない場合にも拡げることができるので
ある。

また、ロータ本体の前述の膨んだ部分および溝付軸スタ
ブの前述の半径方向膨張は弾性変形によって発生せしめ
られるので、引張りロッドによる切頭円錐形プラグに印
加される負荷が取外しのために除去された場合、弾性変
形はゼロとなり、ロータ本体は固着することなく容易に
取外すことができ、このため本発明システムは実際上回
数に制限なく何度でも分解することが容易にできる。

以下本発明を添付図面に例示したその好適な実施例につ
いて詳述する。

図面において符号１はガスタービンのパワーステージ２
のステータケーシングを示す。このパワーステージのロ
ータ３は２枚のブレード担持ディスクから成るものとし
て示されており、ロータのハブ５により動力軸４上に突
出して支持されている。ハブ５は円筒形の軸線方向キャ
ビティ６　（第２図参照）を有する。このキャビティ６
はロータの内側結合面を形成するもので、ここに動力軸
４の対応する円筒形結合面７が挿入される。この動力軸
４は中空であって、ふたつの端部片８および９を有する
。端部片８はまた前述の円筒形結合面７を包含しており
、ここに干渉嵌めて装架された中央管１０により一緒に
結合されている。動力軸はふたつの支持ベアリング１１
および１２（第１図参照）さらには動力軸４の端部片８
のスラストリング１４と共働するスラストベアリング１
３で回転可能に支持されている。これらベアリングはガ
スタービンハウジング１６の構造体１５によって支持さ
れている。

ふたつの円筒形結合面６および７は同一軸線方向長さを
有すると共に大略等しい直径を有し、結合面６を結合面
７に簡単かつ自由に装架するこ七を可能とする、結合面
７にはその全軸線方向長さに沿って延びる非常に浅い深
さの、縁部の鋭い長手方向溝１７を設けである。溝１７
は円筒形結合面７の円周に沿９て等距離に均一に分布し
ており、実質的には溝付円筒形スタブ１８を形成し、好
適にはこれら溝をへだてる堅い部分１９の幅と等しい幅
を有している。

本発明の好適な実施例によれば、この溝の寸法は、スタ
ブ１８のまわりに８本ないし１２本の溝かできるように
選定する、溝付円筒形スタブ１８を貫通する軸線方向の
穴２０はこのスタブの自由端２Ｉにおいて大径を有する
切頭円錐形のものとする。この穴２０は引張りロッド２
３の一端に固定した対応する切頭円錐の形としたプラグ
と協働する。この引張りロッド２３は中空の軸４の内部
を貫いて飛び、シリンダピストンユニットより液圧的に
得られる所定負荷の下に半径方向干渉により前記円筒形
結合面６および７を一緒に鎖錠し、引張りロッド２３の
他方のねじ付端部２３′に作用し中空の動力軸４の端部
９の訂縁部２５と協働する鎖錠ナツト２４によりその鎖
錠状態を維持される。引張りロッド２３の引張りにより
生ずるプラグ２２の軸線方向の動きはスタブ１８を弾性
的に半径方向に膨張せしめて、この結果、結合面７の堅
い部分１９がロータ本体のハブ５の円筒形のキャビティ
６の内面を圧縮するのである。この断続的弾性圧縮はキ
ャビティ６の内面を隆起部２９をスタブ１８の溝内へと
膨張させ、隆起部２９はトルク伝達に当ってマイクロキ
ーとして作用する（第４図参照）。

第５図に示す変形例は伝達しようとするトルクがはるか
に小さいロータリドビーに特に適するものであるが、こ
の変形例においては中空の切頭円錐形プラグ２６が用い
られており、引張りロッド２７がこの中空プラグ内を貫
通し、このプラグと同じ端部から操作する鎖錠ナツト２
４により張力を加えられている。このため、引張りロッ
ド２７はこのナット２４をねじ込む一端部２３′を有し
、その他端部は回転軸４′へねじ込めるようにねじが切
っである。

従って回転軸４′は中空である必要がなくなっている。

４図面の簡単な説明 第１図は本発明による離脱可能な結合システムを適用し
たガスタービンの一部の長手方向断面図、第２図は第１
図に示したシステムを拡大して示す展開斜視図、第３図
は装架状態にある第２図のシステムの長手方向断面図、
第４図は本発明システムの弾性的半径方向膨張の効果を
示すシステムの一部拡大断面図、第５図はロータリドビ
ーに適用したシステムを示す本発明の変形例の部分長手
方向断面図である。

Ｉ・・ステータケーシング、２・・パワーステージ、３
・・ロータ、４・・動力軸、５・・ハブ、６・・キャビ
ティ、７・・結合面、８，９・・端部片、１０・・中央
管、１１．１２・・支持ベアリング、１３・・スラスト
ベアリング、１４・・スラストリング、Ｉ５・・構造体
、Ｌ６・・ガスタービンハウジング、１７・・長手方向
溝、１８・・スタブ、１９・・堅い部分、２０・・穴、
２１・・自由端、２２・・切頭円錐形プラグ、２３・・
引張りロッド、２４・・鎖錠ナツト、２５・・前縁部、
２６・・中空の切頭円錐形プラグ、２７・・引張りロッ
ド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　回転機械の中空軸へロータ本体を取外し可能に結合
   する機構であって、液圧シリンダピストンユニットおよ
   び鎖錠ナットによって得られる所定の負荷の下に半径方
   向干渉により前記ロータ本体の軸線方向キャビティの内
   部結合面に対し前記中空軸の結合面を鎖錠するように前
   記中空軸内で作用する引張りロッドを包含する結合機構
   において、前記結合面が、実質的に円筒形であって、そ
   の一方を他方に対して軸線方向に自由に装架することを
   許容するに充分な公差をもって大略同一直径、また同一
   軸線方向長さを有すること、前記中空軸の円筒形結合面
   に、この結合面の全軸線方向長さに沿って延びこの結合
   面の円周上に等距離で分布せしめた、非常に浅い深さの
   長手方向に鋭い縁部を有する溝をそなえ、これにより実
   質的に溝付円筒形スタブを形成し、このスタブの内部に
   、前記円筒形結合面の全長に等しい長さを有しこのスタ
   ブの自由端側が大径部である切頭円錐形の穴を設け、こ
   の穴を前記引張りロッドの一端に固定した対応する切頭
   円錐形プラグと協働せしめるようにしたことを特徴とす
   る結合機構。 ２　請求項１記載の結合機構において、前記長手方向溝
   がこれら溝を仕切る堅い部分の幅と大略等しい幅を有す
   るものとしたことを特徴とする結合機構。 ３　請求項１または２に記載の結合機構において、前記
   中空軸の円筒形結合面の円周上に等距離に間隔を隔てた
   前記長手方向溝の数を８ないし１２としたことを特徴と
   する結合機構。 ４　請求項１ないし３のいずれかに記載の結合機構にお
   いて、前記長手方向軸が１／１０ミリ程度の深さを有す
   るものとしたことを特徴とする結合機構。