JPH0424081Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はガスタービンエンジンに係り、更に詳
細にはガスタービンエンジンのロタ組立体に係
る。

ガスタービンエンジンはフアンセクシヨンと、
圧縮機セクシヨンと、燃焼室セクシヨンと、ター
ビンセクシヨンとを有している。圧縮機セグメン
トとタービンセグメントとを有するロータ組立体
がエンジン内をその軸線方向に延在している。タ
ービンセグメントはシヤフトにより圧縮機セグメ
ントと接続されている。圧縮機セグメントに於て
は数列のロータブレードがロータ組立体より半径
方向外方へ延在している。ロータ組立体はステー
タ組立体により囲繞されており、ステータ組立体
はアウタケースと、軸線方向に隣接する列のロー
タブレードの間にて半径方向内方へ延在する数列
のステータベーンとを含んでいる。支柱がアウタ
ケースより半径方向内方へ延在しており、二つ或
いはそれ以上の位置に軸受コンパートメントを支
持している。それぞれの軸受コンパートメントは
ロータ組立体を支持すべくエンジンの軸線上に軸
受を収容している。

圧縮機セグメントは軸線方向に隔置された複数
個のデイスクを有している。隣合つたデイスクは
それらの間に配置されたスペーサにより互いに隔
置されて連結されている。スペーサ及び各スぺー
サ間のそれぞれのデイスクの一部がエンジンのロ
ータバツクボーンを構成している。ある種のロー
タ構造に於ては、ロータバツクボーンを構成する
スペーサの一つが、それに隣接するデイスクと一
体であるウイング状部材に置換えられている。ロ
ータバツクボーンはエンジンの軸線と同心状に設
計されている。

エンジンの運転中に生じるロータ荷重やジヤイ
ロスコープ運動加重によりロータが所定の同心位
置よりずれることが知られている。かかるずれの
大きさはロータ組立体の重量及び軸受支持体間の
距離に直接比例する。かかる問題に対し軸受支持
体間の距離を低減することによりロータのずれを
低減しようとする試みがなされた。例えば米国特
許第3869820号に開示された構造体に於ては、ロ
ータのブレードを担持している領域にもう一つの
軸受を設けることにより、圧縮機セグメントの支
持されていない部分の長さが低減されている。ま
たロータの重量を低減するという試みがなされた
ものもある。

ロータが撓むと、ロータの回転軸線と質量中心
とが一致しなくなり、その中心線の周りに質量中
心のずれＥ（第２図）が生じる。質量中心のずれ
Ｅが生じると、ロータ組立体の回転速度の上昇と
共に増大する外向きの力が発生する。かかる外向
きの力によりロータ組立体は湾曲せしめられる。
一般に臨界速度と称されるある速度に於ては、非
平衡の外向きの力が撓みに抵抗するロータの弾性
による力を無効にしてしまう。かかる臨界速度に
於ては、それ以上速度が上昇しなくてもロータの
撓みが増大する。ロータブレードの先端はアウタ
ケースと摩擦接触するようになり、これによりか
なりの損傷が発生することがある。従つてガスタ
ービンエンジンのロータはロータの回転速度より
も充分高い臨界速度特性を有するよう設計されて
いる。

科学者やエンジニアはロータ組立体の運転速度
よりも充分高い臨界速度特性を有する軽量のロー
タ組立体の構造を研究している。

本考案の一つの主要な目的は、ロータ組立体の
運転速度よりも充分高い臨界速度特性を有するロ
ータ組立体を提供することである。良好な軸線方
向の剛性を有する軽量のロータ組立体が希求され
る。本考案の他の一つの目的は、デイスクがより
大きなブレード荷重を担持し得るようにするため
デイスク内の熱応力及び曲げ応力を低減すること
である。

本考案によれば、タンデムデイスクとタンデム
デイスクのリムより延在する円錐台状の部材とが
ロータ組立体内に組込まれて、所定の運転速度よ
りも充分高い臨界速度特性を有する構造体が構成
される。

本考案の主要な特徴はタンデムデイスクを含ん
でいるということである。タンデムデイスクはボ
アと、ウエブと、リムと、リムより半径方向外方
へ延在する二列のブレードとを有している。高圧
高温のガスよりボア及びウエブを遮蔽するため円
錐台状の部材がリムより半径方向内方へ延在して
いる。またウイング状の部材がデイスクのリムよ
り延在している。

本考案の主要な利点は、ロータ組立体の臨界速
度特性がロータの運転速度よりも充分高いという
ことである。かかる臨界速度特性は、良好な軸線
方向の剛性を有し且軽量であるロータ組立体によ
つて達成される。またロータ組立体が軽量である
ことによりエンジンの重量比推力特性が改善され
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本考案をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

添付の第１図に本考案によるターボフアンガス
タービンエンジンの一つの実施例が図示されてい
る。この種のエンジンはフアンセクシヨン１０
と、圧縮機セクシヨン１２と、燃焼室セクシヨン
１４と、タービンセクシヨン１６とを含んでい
る。圧縮機セクシヨン及びタービンセクシヨンを
貫通して軸線方向にロータ組立体１８が延在して
いる。このロータ組立体１８はステータ組立体２
０により囲繞されている。また作動触媒ガスを導
く環状流路２２がロータ組立体１８とステータ組
立体２０との間にて圧縮機セクシヨン１２を貫通
して軸線方向に延在している。

第２図は曲げ荷重が作用している状態に於ける
圧縮機セクシヨン１２内のロータ組立体１８の一
部を示す解図である。ロータ組立体１８はロータ
バツクボーン２４及びこのロータバツクボーンよ
り半径方向外方へ延在する数列のブレード２６の
如き回転要素を含んでいる。またロータ組立体１
８はシヤフト２８と、該シヤフトとロータバツク
ボーンとの間に延在する円錐台形の部材３０とを
含んでいる。上流側軸受支持体３２及び下流側軸
受支持体３４がロータ組立体１８のシヤフト２８
に係合してこれを支持している。ロータ組立体１
８は回転軸線Ａを有している。二点鎖線は静止状
態に於けるロータ組立体の自重によるロータ組立
体の変形状態を示している。またロータ組立体の
質量中心が線Mcにより示されている。ロータ組
立体の中央部に於ける質量中心のずれが図に於て
Ｅにて示されている。

第３図は圧縮機セクシヨン１２の後方部分に於
けるロータ組立体１８の一部を示している。ロー
タ組立体１８はタンデムデイスク３６とこれに近
接して配置された上流側デイスク３８とを含んで
いる。上流側デイスク３８はボア４０と、ウエブ
４２と、周縁方向に延在するリム４４とを含んで
いる。ボア４０は筒状孔４６を有している。リム
４４は該リムの周りに周縁方向に延在する溝４８
を有している。一列の上流側ロータブレード５０
が溝４８に係合するよう構成されている。タンデ
ムデイスク３６はボア５２と、ウエブ５４と、リ
ム５６とを含んでいる。ボア５２は筒状孔５８を
有している。リム５６は縁周方向に延在する第一
の溝６０と同じく周縁方向に延在する第二の溝６
２とを有している。第一列のロータブレード２６
がタンデムデイスク３６に形成された第一の溝６
０に係合するよう構成されており、第二の列のロ
ータブレード６４が第二の溝６２に係合するよう
構成されている。第二の溝６２は第一の溝６０よ
り軸線方向に隔置されており、両者の間に第一の
デイスク面６６が形成されている。また第二の溝
６２は上流側デイスク３８に形成された溝４８よ
り軸線方向に隔置されており、それらの間に第二
のデイスク面６８が形成されている。

ステータ組立体２０はアウタケース７０を含ん
でいる。一列の上流側ステータベーン７２が第二
のデイスク面６８に近接した位置までアウタケー
ス７０より半径方向内方へ延在している。また一
列の下流側ステータベーン７４が第一のデイスク
面６６に近接する位置までアウタケース７０より
半径方向内方へ延在している。更に一列のベーン
７６がアウタケース７０より半径方向内方へ延在
しており、ロータ組立体１８より軸線方向に隔置
されてそれらの間に間隙７８が設けられている。

タンデムデイスク３６は円錐台状の部材３０に
よりシヤフト２８に接続されている。部材３０は
シヤフト２８及びデイスク３６と一体的に形成さ
れており、タンデムデイスク３６のリム５６の部
分に於てデイスクに接続されている。タンデムデ
イスク３６は周縁方向に延在するウイング部８０
により上流側デイスク３８に接続されている。ウ
イング部８０はフランジ８２を有している。また
ウイング部８０は複数個のナツト８６及びボルト
８４により上流側デイスク３８に固定されてい
る。それぞれのボルト８４はウイング部のフラン
ジ８２に形成された孔８８及び上流側デイスクの
リム４４に形成された孔９０に挿通されている。

第４図は円錐台状の部材を介してタンデムデイ
スクをシヤフトへ接続する他の一つの構造を有す
る本考案によるロータ組立体の他の一つの実施例
を示している。

円錐台状の部材３０は内方部材９２と外方部材
９４とを含んでいる。内方部材９２はインナフラ
ンジ９６とアウタフランジ９８とを有している。
外方部材９４はインナフランジ１００とアウタフ
ランジ１０２とを有している。シヤフト２８はフ
ランジ１０４を有しており、このフランジは複数
個のナツト１０６及びボルト１０８の如き連結手
段により円錐台状の部材３０の内方部材９２に機
械的に連結されている。部材３０の内方部材９２
は複数個のボルト１１０及びナツト１１２の如き
連結手段により円錐台状の部材３０の外方部材９
４に接続されている。円錐台状の部材３０の外方
部材９４は半径方向外方へ延在しており、タンデ
ムデイスク３６のリム５６に連結されている。ま
た円錐台状の部材３０の外方部材９４は複数個の
ボルト１１４及びナツト１１６の如き連結手段に
よりタンデムデイスク３６に機械的に連結されて
いる。

かかるボルト連結によればロータ組立体の組付
けや保守が容易になる。各ボルト連結部には従来
の小さな平板状構造部分が設けられるので、ボル
ト連結部の数が減少しこれによりロータ組立体の
軸線方向の剛性が増大する。

ガスタービンエンジンの運転中にはフアンセク
シヨン１０及び圧縮機セクシヨン１２により空気
が圧縮され、高圧高温の作動媒体に形成される。
この作業媒体は圧縮機セクシヨン１２より燃焼室
セクシヨン１４へ流入する。燃焼室セクシヨンに
於ては燃料が作業媒体と混合されて燃焼され、そ
の媒体にエネルギが付与される。圧縮段階に於て
も燃焼段階に於ても作動媒体の温度が急激に増大
する。

高温の作動媒体は対流や輻射によりエンジンの
構成要素に熱を奪われる。かかる熱損失の割合は
作動媒体の温度に正比例する。タンデムデイスク
３６の近傍の如く圧縮機セクシヨン１２の後方段
に於ては、作動媒体の温度は500℃にも達し、ま
たその圧力は約20barに達する。かかる高圧下に
於ける作動媒体の一部はタンデムデイスク３６の
リム５６と一列のベーン７６との間の間隙７８を
経て漏洩する。かかる高圧媒体はリム５６の近傍
に於てタンデムデイスクを接続する円錐台状の部
材３０によりタンデムデイスクのウエブ５４に接
触しないようになつている。円錐台状の部材３０
を使用することにより、作動媒体の圧力荷重がウ
エブ５４に作用することに起因してロータバツク
ボーン２４に発生する望ましからざる曲げ応力が
回避されるようになつている。ウエブ５４は平板
状構造体であり、かかる軸線方向の荷重を受け易
いものである。円錐台状の部材３０は高温のガス
よりウエブへ直線熱が伝達されるのを阻止するこ
とにより、そのデイスク内に大きな温度勾配が生
じるのをも阻止する。もし高温のガスがウエブや
デイスクのボアに接触すれば、大きな温度勾配が
生じて熱応力が生じる。かかる問題は冷却空気が
デイスクのボアに設けられた孔５８を通過するこ
とによつて悪化される。熱応力を抑制し又ガスに
より誘発される曲げ応力の発生を防止することに
より、その全応力がデイスクの疲労強度よりも充
分低い値に低減され、これによりデイスクは更に
機械的応力に絶え得るようになり、しかも充分な
繰返し疲労寿命を有するものとなる。

本考案の概念は、第二の列のブレード６４がタ
ンデムデイスク３６に追加されることによりタン
デムデイスクに追加の機械的応力が負荷されて
も、タンデムデイスク３６がそれに耐え得ること
を利用するものである。即ち一列のロータブレー
ドを支持するためには通常一つの新たなデイスク
が必要とされるのであるが、第二の列のロータブ
レード６４により生じる機械的荷重の主要な部分
をデイスク３６により担持させ、残りの機械的荷
重を上流側デイスク３８及び円錐台状の部材３０
により担持させることにより、本考案によれば、
タンデムデイスクは第二の列のブレードが追加さ
れても該追加の機械的加重を担持するためにその
重量を増大する必要がなく、本考案によるロータ
組立体は同数のロータブレード列を有する従来の
ロータ組立体よりも軽量であり、従つてその臨界
的速度特性は改善されている。高温のガスが燃焼
室セクシヨン１４を出てタービンセクシヨン１６
内を流れる時、エネルギがその高温ガスよりロー
タ組立体１８へ伝達される。ロータ組立体はシヤ
フト２８及び円錐台状の部材３０を介してタービ
ンセクシヨンより圧縮機セクシヨンへ13000rpm
の速度にて回転エネルギを伝達する。この場合円
錐台状の部材３０はリム５６の近傍に於て圧縮機
セクシヨンのタンデムデイスク３６に接続されて
いる。かくして円錐台状の部材をリムの近傍に於
てデイスクに接続することにより、従来のタービ
ンエンジンの円錐台状の部材とデイスクのリムと
の間に設けられていた平板状構造が排除されてい
る。平板状構造に固有の軸線方向の可撓性を排除
することによりかかる構造体に関連するロータ臨
界速度特性が増大される。

以上要するに、円錐台状の部材とタンデムデイ
スクとを組合せることにより、(1)従来のロータ組
立体に比べロータ組立体の重量を低減し、(2)ロー
タ組立体の圧縮機セクシヨンの部分とロータ組立
体のシヤフトとの間に軸線方向に剛固な接続部を
設けるという二つの方法により、ロータ組立体の
運転速度よりも充分高い臨界速度特性を有するロ
ータ組立体を構成することができる。

ロータ組立体の重量及び軸線方向に剛固な接続
部の剛性を調整することにより、ロータ組立体の
臨界速度を微妙に調整し得ることが理解されよ
う。かかるロータ組立体に於ては、運転速度は二
つの臨界速度の間の速度或いはロータ組立体の第
一の臨界速度よりも充分高い速度であつてよい。

以上に於ては、本考案をその特定の実施例につ
いて詳細に説明したが、本考案はかかる実施例に
限定されるものではなく、本考案の範囲内にて
種々の修正及び省略か可能であることは当業者に
とつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はロータ／ステータ組立体の一部を示す
べく圧縮機セクシヨンの一部が破断された状態に
てターボフアンエンジンを示す解図的な正面図で
ある。第２図はロータ組立体の自重により生じる
撓み及び質量中心のずれを示すロータ組立体の解
図である。第３図は第１図に図示されたロータ／
ステータ組立体の一部を示す解図的拡大部分断面
図である。第４図は本考案によるロータ組立体の
ための一つの実施例を示す解図的拡大断面図であ
る。 １０……フアンセクシヨン、１２……圧縮機セ
クシヨン、１４……燃焼室セクシヨン、１６……
タービンセクシヨン、１８……ロータ組立体、２
０……ステータ組立体、２２……流路、２４……
ロータバツクボーン、２６……ブレード、２８…
…シヤフト、３０……円錐台状の部材、３２……
上流側軸受支持体、３４……下流側軸受支持体、
３６……タンデムデイスク、３８……上流側デイ
スク、４０……ボア、４２……ウエブ、４４……
リム、４６……孔、４８……溝、５０……ロータ
ブレード、５２……ボア、５４……ウエブ、５６
……リム、５８……筒状孔、６０……第一の溝、
６２……第二の溝、６４……ロータブレード、６
６……第一のデイスク面、６８……第二のデイス
ク面、７０……アウタケース、７２……上流側ス
テータベーン、７４……下流側ステータベーン、
７６……ベーン、７８……間隙、８０……ウイン
グ部、８２……フランジ、８４……ボルト、８６
……ナツト、８８，９０……孔、９２……内方部
材、９４……外方部材、９６……インナフラン
ジ、９８……アウタフランジ、１００……インナ
フランジ、１０２……アウタフランジ、１０４…
…フランジ、１０６……ナツト、１０８，１１０
……ボルト、１１２……ナツト、１１４……ボル
ト、１１６……ナツト。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 作動媒体ガスが流れる軸線方向に延在する流路
   を有する航空機用ガスタービンエンジンのための
   ドラム型ロータ組立体にして、 ロータシヤフトと、 前記流路を横切つて半径方向外方へ延在し円周
   方向に互いに隔置された複数個のブレードを含む
   多段のロータブレード列を各々担持する多段のロ
   ータデイスクと、 孔とウエブと第一のロータブレード列を受入れ
   る第一の溝及び第二のロータブレード列を受入れ
   る第二の溝を含むリムとを有し圧縮機セクシヨン
   の高圧出口側に位置する最終端部ロータデイスク
   と、 前記ロータシヤフトより前記最終端部ロータデ
   イスクの前記リムまで半径方向外方に延在し、前
   記最終端部ロータデイスクの前記孔及び前記ウエ
   ブを前記流路を通つて流れるエンジンの作動媒体
   ガスより遮蔽し、これによつて前記最終端部ロー
   タデイスク内に生ずる熱応力及び作動媒体ガス圧
   に起因する曲げ応力を軽減する円錐台形状の部材
   と、を含み、 前記の曲げ応力の軽減により前記最終端部ロー
   タデイスクが前記第二の列のロータブレード列に
   よる付加的な機械的応力に耐えるよう構成されて
   いることを特徴とするロータ組立体。