JPH07117087B2 - ガスタービン機関用の装置及び部材を共に締付ける装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は全般的に２つ又は更に多くの機械的な要素を
締付け又は圧接する装置に関する。更に具体的に云え
ば、この発明は、ガスタービン機関で２つ又は更に多く
の機械的な部品を固着するのに特に役立つ押えリングに
関する。

発明の背景 ガスタービン機関の分野で重要な関心を集めているの
は、回転自在のタービン円板の周縁に羽根を保持するこ
とである。典型的には、こういう羽根はあり継手によ
り、円板の周縁に半径方向及び円周方向に保持されてい
る。例えば、各々のタービン羽根の根元又は半径方向の
一番内側の端はあり形突起を持つことがあり、それが円
板の周縁にある相補形の溝孔に軸方向に挿入される。普
通、羽根はナット及びボルトを用いて、円板の片側又は
両側に結合された環状冷却板により、夫々の溝孔の中に
軸方向に保持される。然し、こういうナット及びボルト
は、特にガスタービン機関の回転自在の部品を固着する
のに使われる時、機関内の風損及び流体温度を高めるこ
とがある。更に、ボルト孔に応力集中が発生することが
あり、それに適当に対処しなければならない。更に、普
通は多数のナットとボルトが必要であり、この為円板に
対する冷却板の組立て及び分解が複雑になる。

タービン円板にボルト締めした冷却板を用いて、タービ
ン円板の周縁にタービン羽根を保持することに伴う問題
を避ける為、ボルトなしの押えが開発されている。

例えば米国特許第4,304,523号には、分割押えリングに
よってタービン円板内の凹部に固定されるボルトなしの
羽根押えが記載されている。タービン羽根に羽根押え及
び押えリングを組付けるには、圧縮及び締付け工具が必
要である。

米国特許第4,171,930号には、タービン円板に対してボ
ルトなしの羽根押えを軸方向に保持するＵ字形押えリン
グが記載されている。

上に引用した米国特許に記載されるボルトなしの押え
は、その所期の目的には満足し得るものであったが、こ
の発明によって開発されたボルトなしの押えリングは組
立てが一層容易で、永久的な機械的な変形に抵抗し、ナ
ットとボルトによる力に比肩し得る締付けの力を発生
し、然も従来のボルトなしの押えに要求される程厳密な
製造上の許容公差を必要としない。

従って、この発明の目的は、ナットとボルトを使わず
に、締付けの力を発生する作用を持つ新規な押え手段を
提供することである。

この発明の別の目的は、固着すべき機械的な部品に組込
む為に特別の工具を必要としない新規な押えリングを提
供することである。

この発明の別の目的は、永久的な機械的な変形に抵抗す
る新規な押えリングを提供することである。

この発明の別の目的は、リングの製造時に厳密な許容公
差を必要とせずに、少なくとも２つの部材を締付ける新
規な押えリングを提供することである。

発明の要約 この発明は押えリングを持つ押え手段を提供する。この
押えリングは、リングに対する半径方向の力の少なくと
も一部分を第１及び第２の部品に対する軸方向の締付け
の力に変換する。１実施例では、押えリングが分割され
ていて、冷却板及びタービン円板の環状フランジの様な
第１及び第２の部品に係合する全体的にくさび形の溝路
を持っている。

この発明に特有と考えられる新規な特徴は特許請求の範
囲に記載してあるが、この発明の好ましい実施例並びに
その他の目的及び利点は、以下図面について詳しく説明
する所から明らかになろう。

発明の詳しい説明 第１図はこの発明の１実施例によるガスタービン機関の
タービン羽根を有する円板集成体の略図である。タービ
ン集成体が、軸方向の中心軸線19の周りに回転し得るタ
ービン円板18を有する。円板18の周縁に複数個の半径方
向に伸びるタービン羽根10が取付けられている。羽根10
の半径方向の一番内側の端15が、例えば前に述べたあり
継手等の公知の方法で、円板18に半径方向及び円周方向
に固定される。前に引用した２つの米国特許には、この
様なあり継手の詳しい例が記載されている。

羽根が環状冷却板12により、円板18の周縁上で軸方向に
保持される。冷却板は円板18と同心であって、第１図に
示す様に、羽根10の端15を覆っている。冷却板12が、タ
ービン円板18と同心の環状のボルトなしの押えリング14
によって円板18に固定される。リング14はその円周の１
箇所ですき間16によって分割されている。後で詳しく説
明するが、すき間16は、円板18及び板12にリング14を組
付け易くすると共に、取外し易くする。

第１図にはタービン集成体の片側しか示してない。反対
側は、第１図に示すものと同様な環状冷却板及び押えリ
ングを持っていて、円板の両側で羽根を軸方向に固定す
ることが出来る。羽根は、円板の反対側でも、この他の
任意の公知の方法で軸方向に固定することが出来る。

第２図は第１図のタービン集成体の部分的な側面断面図
である。第２図は、前に述べたあり溝の１つに挿入され
た第１図の１つの羽根10の半径方向の一番内側の端を示
しており、このあり溝の頂部が第２図では破線11で示さ
れている。この実施例では、羽根10の底があり溝の底に
達せず、この為羽根をあり溝に挿入した後、溝の底には
空間13が残る。

冷却板12は全体的に環状である。板12の段21が円板18の
凹部23にはめ込まれて、段21が凹部23の軸方向に伸びる
壁25と摩擦係合する様にする。円板18が半径方向内向き
に伸びる環状フランジ20を持ち、これをリング14によっ
て板12の半径方向内向きに伸びる環状フランジ22に圧接
させ又は締付ける。この発明の１実施例では、リング14
は全体的に矩形断面であって、リング14の半径方向外側
の周面又はリム26にくさび形又は全体的にＹ字形の溝路
24（第３図）に持っている。溝路24がフランジ20,22を
締付けて、板12を円板18に固定すると共に、羽根10があ
り溝の片側から滑り出さない様にすることにより、羽根
10を円板18の周縁に軸方向に保持する。

溝路24は半径方向に十分深くなる様な予定の寸法であっ
て、フランジ20,22が溝路24の中にしっかりと挟み込ま
れた時、空間28が溝路24の底に残る様にする。溝路24の
形は、リング14を通る軸線19に対して全体的に垂直に、
リング14に対して半径方向に加わる半径方向の力に応答
して、リング14が軸線19と全体的に平行な方向にフラン
ジ20,22に軸方向の締付けの力を加えることが出来る様
にしている。

更に詳しく云うと、リング14は例えば市販のインコネル
18の様な任意の適当な材料で形成されていて、リング14
がすき間16と関連して、塑性変形せずに膨張し得る様
に、弾力成を持ち又は適当に弾性である様にする。リン
グ14のすき間16及び空間28は、半径方向の力に応じて、
リング14が必要に応じて半径方向外向きに膨張すること
が出来る様にする。この半径方向の力は、組立ての際の
押えリング14の初期の収縮により、タービン集成体の回
転によって発生される遠心力により、並びに押えリング
14に対するこの他の半径方向の力によって生ずる。

溝孔の底にある空間28は押えリングがこの様に膨張出来
る様にし、その結果フランジ20,22に対する所望の締付
けの力が生ずる。くさび形の溝路24及び空間28は、前掲
米国特許第4,171,930号に記載されているものゝ様なＵ
字形クリップを用いる装置に較べて、フランジ20,22の
寸法に対する製造上の許容公差を弛めることが出来る様
にする。

リング14がその内面32に矩形の凹部30を持っていてよ
く、その中で連続的な押えバンド34が適当に膨張する。
押えバンド34が、リング14を交換することが出来るま
で、リング14が故障した場合に、リング14をフランジ2
0,22に当てゝ所定位置に保持する外向きの力を加える。

第３図はリング14の部分的な詳しい断面図で、フランジ
20,22がそれから隔てゝ示されている。リング14は半径
方向の中心線35に対して対称的である。溝路24が全体的
にくさび形であって、２つの面又は側壁36を持ち、これ
らがフランジ20,22の面42,44に対して締付けの力を加え
る。各々の面36及び面42,44は、中心線35に対して予定
の角度Ａを持つ。図示の実施例では、角度Ａは約25゜で
あることが好ましい。云い換えれば、面36は相互に約50
゜の内角を持っていてよい。同様に、面42,44も中心線3
5に対して約25゜の角度、又は相互に約50゜の角度に配
置することが出来る。

角度Ａの数値が小さくなるにつれて、半径方向の力の１
単位あたりの軸方向の締付けの力の大きさが増加する
が、それに対応してリングの応力が増加する。角度Ａの
値が比較的小さい時、リング14は半径方向の荷重の為
に、フランジ20,22に膠着することがあって望ましくな
い。25゜の角度Ａは、こういう両者の折合いとして好ま
しい。

面36が溝路24の弯曲した底面によって接続される。フラ
ンジ20,22の長さ並びに面40の性質は、フランジ20,22が
溝路24の中でしっかりと締付けられる時、空間28（第２
図）が出来る様になっている。

リング14の外側のリング又は周縁に沿った１体の面46が
溝路24の開口を拡げて、フランジ20,22を溝路24に挿入
し易くする。面46は、第３図の中心線35に対して垂直の
水平線に対して予定の角度Ｂを持つ。角度Ｂは約45゜で
あることが好ましい。面46は弓形の様な他の形にして、
フランジ20,22に対するリング14の組立てを更に容易に
する為の面取りを施してもよい。

矩形の凹部30が半径方向内側の相隔たる２つの脚部材50
によってその間に限定されている。溝48が凹部30内の部
材50の各々の底でリング14の半径方向内側の面に設けら
れていて、リング14に押えバンド34を取付け、取外し易
くしている（２図）。こうして、凹部30にバンド34を挿
入又は取外す際、バンド34の縁が何れかの部材50にひっ
かゝることが避けられる。

押えリングでは、永久的な機械的な変形も避けるべきで
ある。運転中、フランジ20,22によってリング14に加わ
る反作用の力により、リング14には応力が発生する。こ
ういう応力は、矢印52,58で示す様に、底の点54,60の区
域にある延長部56,62（これらが溝路24を限定する）を
曲げる傾向を持つ。最大応力が底面40の点55,57又は61
の近くで発生する。25゜の好ましい角度Ａを持つリング
14の形は、その厚さ及び剛性が底の点54,60の平面に沿
って最大となり、こうして最大応力の点の近辺に於ける
応力が比較的小さくなる様に保証している。この為、リ
ング14は永久的な変形に抵抗する能力が強まる。

第4A図はタービン集成体から取外したリング14全体の斜
視図であり、第4B図及び第4C図に示す向きを理解する為
に示してある。

第4B図はリング14のすき間16を更に詳しく示している。
すき間16は、すき間16を通る平面が押えリング14の端面
63,65と平行であるが、軸線19に対して角度Ｃを持つ様
に、押えリングに形成される。すき間16をこの様に通る
平面がリングの幾何学的な中心をも通ることが好まし
い。角度Ｃは約22゜30′であってよい。この様にすき間
16に傾斜をつけて、組立て後、端面63,65の間に非常に
小さな距離、好ましくは約0.100吋の距離を使うことが
出来る様にする。端面の間の距離は小さくても、端面6
3,65を圧縮の際に互いに接して摺動させることが出来る
為に、組立ての際、リング14は半径方向に比較的大きく
圧縮することが出来る。その軸方向の変位は、互いに重
なり合う様にする為に、端面を軸方向に変位させる場合
に要求される変位よりも、実質的に小さい。軸方向に変
位させる場合、リングに永久的な機械的な変形の惧れが
ある。すき間16にこの様に傾斜をつけるのは、タービン
集成体からリング14を取外すには、半径方向及び軸方向
の両方の動きが必要になる様にする為でもある。

第２図、第4B図及び第4C図はフランジ20,22にリング14
を組立てる状態を示す。リング14をタービン集成体から
外して応力が加わっていない時、その直径は、タービン
集成体の中でフランジ20,22の下に組込んだ時よりも大
きい。組立ての際、リング14を半径方向に圧縮して、フ
ランジ20,22の下に配置し、その後膨張させる。リング1
4の弾力性による膨張により、リング14に半径方向の力
が生じ、この結果、溝路24内に割込んだ時のフランジ2
0,22に対して、初期の軸方向の締付けの力が生ずる。

タービン集成体にリング14を組込む１例の方法は、最初
に例えばドライアイスを用いて板12を冷却し、その寸法
を縮小させて、段21が第２図に示す様に、円板18の凹部
23にはまる様にする。冷却した板12を円板18に当てゝ、
第２図に示す様に、フランジ20,22が整合する様にす
る。冷却板の温度が通常に戻るにつれて、板12が膨張
し、その為凹部23内にしっかりと固定される。その後、
破線66で示す様に、リング14を手で圧縮して、リング14
に予備荷重を加える。この為、すき間16の片側にある端
74を、線66で示す様に、すき間16の反対側にある端72に
対して半径方向内側に且つ軸方向に離れる向きに動か
す。線66は、変位しない端72に対する変位した端74を表
わしている。第4B図及び第4C図から明らかな様に、すき
間16に傾斜をつけたことにより、端72,74の著しい軸方
向の変位を伴わずに、リング14を半径方向にかなり圧縮
することが出来ると同時に、端面63,65の間に相当量の
間隔を必要としない。この圧縮の後、端74（第4B図及び
第4C図）を、第２図の矢印75で示す様に、半径方向外向
き及びフランジ20,22の方へ軸方向に移動することによ
り、この端74をフランジ20,22と係合させる。リング14
の残りの部分がフランジ20,23に対して時計廻りに巻付
く。端72が最終的にフランジ20,22にはめられるが、こ
れはすき間16の角度Ｃの為に容易に行なわれる。

リング14の取外しは、上の手順を逆に行なうことによっ
て行なわれる。最初にリング14の端72を半径方向内向き
に且つ円板18から軸方向に遠ざかる向きに引張らなけれ
ばならない。その後リング14をフランジ20,22から離れ
る向きに反時計廻りに廻す。リング14を取外す為に半径
方向及び軸方向の動きを必要とすることにより、偶発的
に外れることがない。

第5A図乃至第5D図及び第6A図乃至第6C図は、押えリング
14の溝路の形の別の例を示す部分的な断面図である。数
多くの形式が考えられるが、幾つかの特徴は共通であ
る。各々の形式で、上に述べた実施例と同じく、溝路の
幅は、少なくとも深さの一部分にわたり、深さの増加と
共に減少する（即ちくさび形である。）こうしてフラン
ジ20,22を軸方向に締付けるくさび作用が得られる。各
々の例では、２つのフランジ20,22をリング14によって
しっかりと締付けた時、溝路の底40の近くに空間28があ
る。夫々の場合、少なくとも一方の延長部56,62は、深
さの増加と共に厚手にするのが好ましく、その底では、
最大応力の場所に於ける応力を減少して、変形に抵抗す
る様に、十分厚手にするのが好ましい。フランジ20,22
の面42,44は、締付けの力を得る為の所望のくさび作用
を実現する為に、面36に対して相補形することが好まし
い。

第5A図乃至第5D図の例はくさび形溝路が真直ぐな面又は
側壁36を持っている。第5A図はＶ字形溝路76を示す。平
坦な底を持つ截頭Ｖ字形溝路78が第5B図に示されてい
る。第5C図は溝路の底に矩形又は四角の凹部82を持つＶ
字形溝路80を示す。凹部82は、合さって尖った縁84を形
成する面42,44を収容する為に必要である。Ｖ字形の半
分の形をした溝路88が第5D図に示されている。Ｖ字形の
半分の形をした溝路88は傾斜した１つの面36と傾斜しな
いで半径方向に伸びる壁86とを持っている。

第6A図乃至第6C図は、弯曲した面又は側壁36を持つくさ
び形溝路の別の実施例を示している。第6A図は半円形の
溝路90を示している。玉子形又は楕円形の面の様なこの
他の弯曲面も使うことが出来る。第6B図は平坦な底40を
持つ截頭半円形溝路92を示している。変形の弯曲した溝
路94が第6C図に示されている。溝路94は１つの弯曲面3
6、傾斜した底40及び半径方向に伸びる壁96の傾斜しな
い面を持ち、それらが溝路94を構成している。

第７図はタービン羽根10の一体のフランジ98をタービン
円板18のフランジ20に締付けるこの発明の１例の押えリ
ング14を示している。前に説明したこの発明の実施例の
冷却板12が第７図の実施例では使われていない。

第8A図乃至第8D図はこの発明の押えリングの別の例であ
る。第8A図のリング14は傾斜した側面100,102及び幅の
狭い底104を持ち、これによってリングを狭い空間に挿
入することが出来る。第8B図の押えリング14は弯曲した
底面106を持ち、これは前に述べた他のリング14よりも
加工が一層容易である。第8C図は丸くした角108,110を
持つ平坦な底のリング14を示しており、これも加工が比
較的容易である。第8D図のリング14は相補形の押えバン
ド（図に示してない）を収容する為の弯曲した凹部30を
持っている。

この発明の好ましい実施例を以上説明したが、当業者に
は以上の説明からこの他の変更が考えられよう。従っ
て、特許請求の範囲に含まれるこの様な全ての変更がこ
の発明の範囲内に属することを承知されたい。例えば、
押えリング14が封じを回転する低圧タービンの円板に固
定してもよいし、或いは任意の２つの回転部材を固着し
てもよい。更にリングは、リングの初期の圧縮及び膨張
により、半径方向の力だけを利用して、回転しない部材
を固着することも出来る。押えリング14の溝路は、この
溝路に割込ませた２つの部材を軸方向に締付ける様に、
深さが増加すると共にチャンネルの幅が減少する限り、
真直ぐな面及び弯曲した面の組合せを持つことが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例の押えリングを持つタービ
ン羽根を設けた円板集成体をその軸方向の中心線に対し
て法線方向から見た略図、 第２図は第１図の羽根押え手段を線２−２で切った部分
側面断面図、 第３図は第２図の構造の一部分の更に詳しい分解図、 第4A図乃至第4C図は押えリングのすき間の細部を示す図
で、タービン集成体に対するリングの組立てを示してお
り、具体的には第4A図は押えリング全体の斜視図、第4B
図は第4A図の矢印4B−4Bで示す方向に見た押えリングの
すき間領域の部分的な側面図、第4C図は第4A図の矢印4C
−4Cの方向に見た押えリングのすき間領域の部分的な正
面図、 第5A図乃至第5D図及び第6A図乃至第6C図はこの発明の別
の実施例を示す図、 第７図は冷却板を使わずに圧縮機又はタービンの羽根を
円板に保持するリングの部分的な側面図、 第8A図乃至第8D図はこの発明の別の実施例の押えリング
を示す略図である。 主な符号の説明 12:冷却板 14:押えリング 18:円板 20:フランジ 24:溝路

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線の周りに回転可能な円板と、 該円板に取り付けられていると共に該円板の外周から半
   径方向外向きに延在している複数の羽根と、 前記軸線の周りに回転可能であると共に前記円板と同心
   であり、前記羽根が軸方向に変位するのを防止する環状
   板と、 傾斜したすき間を有しており、前記軸線の周りに回転可
   能であると共に前記円板と同心であり、当該押えリング
   が回転するときに当該押えリングに加えられる遠心力の
   作用に応答して、前記環状板を前記円板に対して軸方向
   に締付ける押えリングであって、内面と、該内面に半径
   方向内向きに向いている凹部とを有している押えリング
   と、 前記凹部に設けられており、前記リングの締付け作用を
   強化するために該リングに半径方向外向きの力を及ぼし
   ている押えバンドとを備えたガスタービン機関用の装
   置。
2. 【請求項２】ガスタービン機関において、互いに同軸に
   配置されていると共に共通軸線の周りに共同で回転可能
   な第１及び第２の部材を共に締付ける装置であって、 単一の横方向すき間を有している半径方向に圧縮可能な
   連続的な分割リングであって、前記第１及び第２の部材
   に対して同軸に配置されていると共に外周面を含んでい
   る分割リングと、 前記周面に形成されており、前記第１及び第２の部材の
   部分を共同で受け入れるように構成されている半径方向
   外向きに向いている溝路であって、該溝路の幅は、前記
   リングが前記部材と共に回転するときに該リングに作用
   する遠心力を、前記締付けをもたらす軸方向に向いた力
   に変換するように、半径方向内向きの方向に減少してい
   る、溝路とを備えた部材を共に締付ける装置。
3. 【請求項３】前記第１の部材は、円板を含んでおり、該
   円板は、該円板に取り付けられていると共に該円板の外
   周から半径方向外向きに延在している複数の羽根を有し
   ており、 前記第２の部材は、前記羽根が軸方向に変位するのを防
   止するために、該羽根に対して軸方向に押付けられてい
   る環状板を含んでおり、 前記部材の部分は、相互に接触している一対のフランジ
   を含んでおり、該フランジは、半径方向内向きに延在し
   ていると共に前記溝路の長さにわたって該溝路の側壁に
   接触するように構成されている特許請求の範囲第２項に
   記載の装置。
4. 【請求項４】前記溝路は、前記フランジが前記側壁と係
   合するときに該フランジの半径方向内側の空間をもたら
   すような形状を成している一様な断面を有している特許
   請求の範囲第３項に記載の装置。
5. 【請求項５】前記溝路の断面は、全体的にくさび形であ
   り、 前記フランジは、前記側壁と一致するように傾斜が付け
   られている特許請求の範囲第４項に記載の装置。
6. 【請求項６】前記溝路の断面の側面は、弯曲している特
   許請求の範囲第５項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記溝路の断面の少なくとも側面の部分
   は、真直ぐである特許請求の範囲第５項に記載の装置。
8. 【請求項８】前記側面の前記真直ぐな部分により画定さ
   れている角度は、約50゜である特許請求の範囲第７項に
   記載の装置。
9. 【請求項９】前記側面の各々は、前記真直ぐな部分と前
   記外周面との間に面取りした面を含んでいる特許請求の
   範囲第８項に記載の装置。
10. 【請求項１０】前記横方向すき間は、前記共通軸線を含
    んでいる半径方向平面に対して傾斜している特許請求の
    範囲第４項に記載の装置。
11. 【請求項１１】前記すき間は、前記リングの実質的に平
    行で平坦な２つの端面を画定しており、該端面の各々
    は、前記半径方向平面に関して約22゜の角度を成してい
    る特許請求の範囲第10項に記載の装置。
12. 【請求項１２】前記リングは、内面を含んでおり、 半径方向内向きに向いている凹部が、前記内面に形成さ
    れている特許請求の範囲第４項に記載の装置。
13. 【請求項１３】前記凹部に設けられている押えバンドを
    更に含んでおり、該バンドは、前記リングを前記フラン
    ジに対して保持するために該リングに半径方向外向きの
    力を及ぼしている特許請求の範囲第12項に記載の装置。