JPH1172002A - 回転する構成部分の摩擦接続・形状接続式の結合部 - Google Patents
回転する構成部分の摩擦接続・形状接続式の結合部Info
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- JPH1172002A JPH1172002A JP10187326A JP18732698A JPH1172002A JP H1172002 A JPH1172002 A JP H1172002A JP 10187326 A JP10187326 A JP 10187326A JP 18732698 A JP18732698 A JP 18732698A JP H1172002 A JPH1172002 A JP H1172002A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
-
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-
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- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
- F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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-
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- Mutual Connection Of Rods And Tubes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 回転する構成部分の互いに相対的な位置調整
ずれ、つまり互いに相対的な回動または移動を回避す
る。 【解決手段】 回転する構成部分１，２が、当該結合部
の範囲に回転時に互いに異なる膨張特性を有しており、
しかも形状接続が、段付けされたセンタリング座部３を
介して行われ、摩擦接続が、両構成部分１，２の間で、
軸方向にプレロードもしくは予荷重をかけられたエレメ
ントによって行われ、しかも両構成部分１，２の少なく
とも一方の構成部分が、内部に中空室６を有しており、
この中空室６内に、運転中にセンタリング座部３に半径
方向の力を加える封入リング７が配置されている。
ずれ、つまり互いに相対的な回動または移動を回避す
る。 【解決手段】 回転する構成部分１，２が、当該結合部
の範囲に回転時に互いに異なる膨張特性を有しており、
しかも形状接続が、段付けされたセンタリング座部３を
介して行われ、摩擦接続が、両構成部分１，２の間で、
軸方向にプレロードもしくは予荷重をかけられたエレメ
ントによって行われ、しかも両構成部分１，２の少なく
とも一方の構成部分が、内部に中空室６を有しており、
この中空室６内に、運転中にセンタリング座部３に半径
方向の力を加える封入リング７が配置されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転する構成部分
の摩擦接続・形状接続式の結合部であって、これらの構
成部分が、当該結合部の範囲に回転時に互いに異なる膨
張特性を有しており、しかも形状接続が、段付けされた
センタリング座部を介して行われ、摩擦接続が、両構成
部分の間で、軸方向にプレロードもしくは予荷重をかけ
られたエレメントによって行われるようになっており、
しかも両構成部分の少なくとも一方の構成部分が、内部
に中空室を有している形式のものに関する。
の摩擦接続・形状接続式の結合部であって、これらの構
成部分が、当該結合部の範囲に回転時に互いに異なる膨
張特性を有しており、しかも形状接続が、段付けされた
センタリング座部を介して行われ、摩擦接続が、両構成
部分の間で、軸方向にプレロードもしくは予荷重をかけ
られたエレメントによって行われるようになっており、
しかも両構成部分の少なくとも一方の構成部分が、内部
に中空室を有している形式のものに関する。
【０００２】本明細書中、「形状接続」とは主として嵌
合による係合を意味する。
合による係合を意味する。
【０００３】このような結合部は、たとえば高い熱負荷
を受けるガスタービンのロータディスクを嵌め合わせる
際に使用される。
を受けるガスタービンのロータディスクを嵌め合わせる
際に使用される。
【０００４】
【従来の技術】ターボ機械のロータは、一般に複数のロ
ータディスクから成っており、これらのロータディスク
は軸方向で互いに並設されていて、互いに同心的に位置
調整されている。これらのロータディスクは１つまたは
複数の抗張材によって互いに緊定されており、こうして
１つのコンパクトなユニットを形成している。ターボ機
械の運転のためには、ロータが極めて高い軸方向剛性度
とセンタリング（同心回転）とを有することが必要とさ
れる。つまり、種々の運転状態において重心ずれに基づ
き不安定な状態、振動または同心的でない回転が生ぜし
められ得ないことが必要となる。このことは、使用され
る互いに異なる材料の互いに異なる熱膨張率が不可避で
あるにもかかわらず達成されなければならない。ロータ
部分のこのような相互ずれを回避し得るようにするため
には、ロータディスクの端面にセレーションを配置する
ことが考えられる。しかし、このようなセレーションの
形成は極めて高価であって、高精密な機械を必要とす
る。別の手段、たとえば短いピン等は実際にはロータ部
分の相互ずれ、ひいてはロータおよびステータの破壊を
招く非同心的な回転を阻止することができない。
ータディスクから成っており、これらのロータディスク
は軸方向で互いに並設されていて、互いに同心的に位置
調整されている。これらのロータディスクは１つまたは
複数の抗張材によって互いに緊定されており、こうして
１つのコンパクトなユニットを形成している。ターボ機
械の運転のためには、ロータが極めて高い軸方向剛性度
とセンタリング（同心回転）とを有することが必要とさ
れる。つまり、種々の運転状態において重心ずれに基づ
き不安定な状態、振動または同心的でない回転が生ぜし
められ得ないことが必要となる。このことは、使用され
る互いに異なる材料の互いに異なる熱膨張率が不可避で
あるにもかかわらず達成されなければならない。ロータ
部分のこのような相互ずれを回避し得るようにするため
には、ロータディスクの端面にセレーションを配置する
ことが考えられる。しかし、このようなセレーションの
形成は極めて高価であって、高精密な機械を必要とす
る。別の手段、たとえば短いピン等は実際にはロータ部
分の相互ずれ、ひいてはロータおよびステータの破壊を
招く非同心的な回転を阻止することができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の、回転する構成部分の摩擦接続・形状接
続式の結合部を改良して、上記欠点が回避され、しかも
運転に基づく、構成部分の互いに相対的な位置調整ず
れ、つまり互いに相対的な回動または移動が回避される
ように形成されているか、またはこのような位置調整ず
れが回避されるように後装備され得るような摩擦接続・
形状接続式の結合部を提供することである。
で述べた形式の、回転する構成部分の摩擦接続・形状接
続式の結合部を改良して、上記欠点が回避され、しかも
運転に基づく、構成部分の互いに相対的な位置調整ず
れ、つまり互いに相対的な回動または移動が回避される
ように形成されているか、またはこのような位置調整ず
れが回避されるように後装備され得るような摩擦接続・
形状接続式の結合部を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、中空室内に、運転中にセンタリン
グ座部に半径方向の力を加える封入リングが配置されて
いるようにした。
に本発明の構成では、中空室内に、運転中にセンタリン
グ座部に半径方向の力を加える封入リングが配置されて
いるようにした。
【０００７】
【発明の効果】本発明によれば、上記欠点が回避され
て、運転に基づく、構成部分の互いに相対的な位置調整
ずれが十分に回避される。
て、運転に基づく、構成部分の互いに相対的な位置調整
ずれが十分に回避される。
【０００８】請求項２以下には、本発明の有利な構成が
記載されている。
記載されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。図面には、ガスタービンにお
ける使用例につき本発明の２つの実施例が示されてい
る。ただし図面には、本発明を理解する上で必要となる
構成要素しか図示されていない。特に自体公知であって
かつ変えられていないロータ部分や別のロータ詳細部等
は図示されていない。種々の実施例においても、機能の
同じ構成部分は同じ符号で表されている。
面につき詳しく説明する。図面には、ガスタービンにお
ける使用例につき本発明の２つの実施例が示されてい
る。ただし図面には、本発明を理解する上で必要となる
構成要素しか図示されていない。特に自体公知であって
かつ変えられていないロータ部分や別のロータ詳細部等
は図示されていない。種々の実施例においても、機能の
同じ構成部分は同じ符号で表されている。
【００１０】以下において、回転する構成部分１，２は
ロータディスク１，２と呼ばれている。ターボ機械のた
めのロータでは、個々のロータディスク１，２が軸方向
で並設されていて、少なくとも１つの抗張材（図示しな
い）によって互いに同心的に緊定されている。抗張材に
よって生ぜしめられる緊定力により、ロータディスクの
摩擦接続的な結合が得られる。しかし、緊定力によって
生ぜしめられる摩擦力が、ロータディスクの互いに相対
的な位置調整ずれを阻止するためには不十分となるよう
な運転状態が生じる恐れがある。このことは特に、ロー
タディスクが回転時に互いに異なる膨張特性を有してい
る場合に云える。すなわち、ロータディスクは種々異な
る材料から成っているからである。
ロータディスク１，２と呼ばれている。ターボ機械のた
めのロータでは、個々のロータディスク１，２が軸方向
で並設されていて、少なくとも１つの抗張材（図示しな
い）によって互いに同心的に緊定されている。抗張材に
よって生ぜしめられる緊定力により、ロータディスクの
摩擦接続的な結合が得られる。しかし、緊定力によって
生ぜしめられる摩擦力が、ロータディスクの互いに相対
的な位置調整ずれを阻止するためには不十分となるよう
な運転状態が生じる恐れがある。このことは特に、ロー
タディスクが回転時に互いに異なる膨張特性を有してい
る場合に云える。すなわち、ロータディスクは種々異な
る材料から成っているからである。
【００１１】それゆえに、図１に示したロータの第１実
施例では、互いに隣接したロータディスクの摩擦接続的
な結合に対して付加的に、半径方向で働く形状接続・摩
擦接続式の結合部が、半径方向の軸ずれを防止する軸ず
れ防止体として設けられている。この場合、「形状接
続」とは主として嵌合による係合を意味する。この形状
接続・摩擦接続式の結合部はセンタリング座部３として
形成されており、このセンタリング座部３はそれぞれ２
つの互いに並設されたロータディスクの間に設けられて
いて、封入リング７によってプレロードもしくは予荷重
をかけられている。この場合、センタリング座部３は互
いに隣接した両ロータディスクにおいて、環状の同心的
な段部を有しており、この段部はロータディスク１に設
けられたポジティブな、つまり凸設されたセンタリング
段部４と、ロータディスク２に設けられたネガティブ
な、つまり凹設されたセンタリング段部５とを有してい
る。
施例では、互いに隣接したロータディスクの摩擦接続的
な結合に対して付加的に、半径方向で働く形状接続・摩
擦接続式の結合部が、半径方向の軸ずれを防止する軸ず
れ防止体として設けられている。この場合、「形状接
続」とは主として嵌合による係合を意味する。この形状
接続・摩擦接続式の結合部はセンタリング座部３として
形成されており、このセンタリング座部３はそれぞれ２
つの互いに並設されたロータディスクの間に設けられて
いて、封入リング７によってプレロードもしくは予荷重
をかけられている。この場合、センタリング座部３は互
いに隣接した両ロータディスクにおいて、環状の同心的
な段部を有しており、この段部はロータディスク１に設
けられたポジティブな、つまり凸設されたセンタリング
段部４と、ロータディスク２に設けられたネガティブ
な、つまり凹設されたセンタリング段部５とを有してい
る。
【００１２】封入リング７は、センタリング座部３に対
して相対的に内側に位置するロータディスク１に配置さ
れており、しかもこの場合、封入リング７は中空室６内
に配置されている。封入リング７はプレロードまたは予
荷重をかけられており、このことは組付け時に熱収縮に
よって行うことができる。回転時に封入リング７は、質
量に基づき生ぜしめられる遠心力により、センタリング
座部３に対して相対的に内側に位置するロータディスク
１を、外側に位置するロータディスク２に押圧し、ひい
ては形状接続・摩擦接続的な結合を生ぜしめる。このセ
ンタリング座部３のポジティブなセンタリング段部４と
ネガティブなセンタリング段部５とは、主として円筒状
の接触面８を有しており、この接触面８はロータ軸線に
対して同心的に位置している。当然ながら、接触面８を
少しだけ円錐状に向けることも可能である。センタリン
グ座部３は半径方向のずれを阻止し、そして押圧力に基
づき、両ロータディスクの互いに相対的な軸方向のずれ
に対しても、高められた抵抗が得られる。このようなず
れは、ガスタービンの高い運転温度における熱膨張や熱
応力に基づき生じ得る。
して相対的に内側に位置するロータディスク１に配置さ
れており、しかもこの場合、封入リング７は中空室６内
に配置されている。封入リング７はプレロードまたは予
荷重をかけられており、このことは組付け時に熱収縮に
よって行うことができる。回転時に封入リング７は、質
量に基づき生ぜしめられる遠心力により、センタリング
座部３に対して相対的に内側に位置するロータディスク
１を、外側に位置するロータディスク２に押圧し、ひい
ては形状接続・摩擦接続的な結合を生ぜしめる。このセ
ンタリング座部３のポジティブなセンタリング段部４と
ネガティブなセンタリング段部５とは、主として円筒状
の接触面８を有しており、この接触面８はロータ軸線に
対して同心的に位置している。当然ながら、接触面８を
少しだけ円錐状に向けることも可能である。センタリン
グ座部３は半径方向のずれを阻止し、そして押圧力に基
づき、両ロータディスクの互いに相対的な軸方向のずれ
に対しても、高められた抵抗が得られる。このようなず
れは、ガスタービンの高い運転温度における熱膨張や熱
応力に基づき生じ得る。
【００１３】センタリング座部３は図３に示したよう
に、接触面８の手前にも背後にも、凹面状のアンダカッ
ト部１０を備えている。このアンダカット部１０の、接
触面８に面した丸みは接触面８内で終わっている。この
手段により、材料内部での機械的な応力経過を、機械的
な最大負荷の区域が、つまり最大応力勾配の区域が、接
触面８の範囲から変位されるように変化させることがで
きる。それと同時に、それぞれ一方のロータディスク
１；２の、特定の運転条件下に亀裂を開く、つまり亀裂
増大を助成する、表面平行な引張応力が生じる恐れのあ
るような区域も、それぞれ他方のロータディスク２；１
との接触範囲から取り出される。これにより、この接触
範囲にはフレッティング亀裂（Ｆｒｅｔｔｉｎｇ−ｃｒ
ａｃｋｓ）が生じなくなる。さらに、それぞれ他方のロ
ータディスクに設けられたアンダカット部の前縁部が、
両ロータディスクの接触面の、予想され得る相対運動お
よび組付け誤差を克服する延長部によってカバーされて
いることに基づき、前記の特定の運転条件下において接
触範囲には亀裂を閉じる、つまり亀裂増大を阻止する、
表面平行な圧縮応力しか生じないことが達成される。
に、接触面８の手前にも背後にも、凹面状のアンダカッ
ト部１０を備えている。このアンダカット部１０の、接
触面８に面した丸みは接触面８内で終わっている。この
手段により、材料内部での機械的な応力経過を、機械的
な最大負荷の区域が、つまり最大応力勾配の区域が、接
触面８の範囲から変位されるように変化させることがで
きる。それと同時に、それぞれ一方のロータディスク
１；２の、特定の運転条件下に亀裂を開く、つまり亀裂
増大を助成する、表面平行な引張応力が生じる恐れのあ
るような区域も、それぞれ他方のロータディスク２；１
との接触範囲から取り出される。これにより、この接触
範囲にはフレッティング亀裂（Ｆｒｅｔｔｉｎｇ−ｃｒ
ａｃｋｓ）が生じなくなる。さらに、それぞれ他方のロ
ータディスクに設けられたアンダカット部の前縁部が、
両ロータディスクの接触面の、予想され得る相対運動お
よび組付け誤差を克服する延長部によってカバーされて
いることに基づき、前記の特定の運転条件下において接
触範囲には亀裂を閉じる、つまり亀裂増大を阻止する、
表面平行な圧縮応力しか生じないことが達成される。
【００１４】別の実施例では、両ロータディスクの互い
に相対的なセンタリングを２つの円錐状の座部を介して
行うことができる。その場合、センタリング座部３が二
重円錐状に形成されて、対応する二重円錐状に延びる接
触面９が形成されると有利である。この場合には、ロー
タディスク２がポジティブなセンタリング段部４を有し
ていて、ロータディスク１はネガティブなセンタリング
段部５を備えている。許容誤差は、運転時に両円錐状の
面のそれぞれ一方の面が完全に負荷され、他方の円錐状
の面の段部が単に部分的にしか接触しないように設定さ
れる。
に相対的なセンタリングを２つの円錐状の座部を介して
行うことができる。その場合、センタリング座部３が二
重円錐状に形成されて、対応する二重円錐状に延びる接
触面９が形成されると有利である。この場合には、ロー
タディスク２がポジティブなセンタリング段部４を有し
ていて、ロータディスク１はネガティブなセンタリング
段部５を備えている。許容誤差は、運転時に両円錐状の
面のそれぞれ一方の面が完全に負荷され、他方の円錐状
の面の段部が単に部分的にしか接触しないように設定さ
れる。
【００１５】有利な実施例では、封入リング７が全面で
ロータディスク１に接触しているのではなく、その外側
の表面の一部でのみロータディスク１に接触している。
このことは、封入リング７につば１１を設けることによ
り達成することができる。このつば１１の直径および軸
方向の延在長さは、つばの両側で封入リング７とロータ
ディスク１との間に小さなギャップ１２が形成されるよ
うに設定されている。これにより小さくなった作用面
は、ロータディスクから封入リングへの、減じられた好
都合な熱伝達を生ぜしめる。
ロータディスク１に接触しているのではなく、その外側
の表面の一部でのみロータディスク１に接触している。
このことは、封入リング７につば１１を設けることによ
り達成することができる。このつば１１の直径および軸
方向の延在長さは、つばの両側で封入リング７とロータ
ディスク１との間に小さなギャップ１２が形成されるよ
うに設定されている。これにより小さくなった作用面
は、ロータディスクから封入リングへの、減じられた好
都合な熱伝達を生ぜしめる。
【００１６】封入リング７が収納されている中空室６を
有しているロータディスク１が、比較的低い膨張率を有
するフェライト系鋼から成っていて、ロータディスク２
が、比較的高い膨張率を有するオーステナイト系鋼から
成っていることを前提とすると、封入リング７のための
材料としては、やはり比較的高い膨張率を有する材料が
選択されると有利である。高い熱負荷を受けるガスター
ビンの場合には、ロータディスク１，２のためのこのよ
うな材料組合せが極めて汎用的である。
有しているロータディスク１が、比較的低い膨張率を有
するフェライト系鋼から成っていて、ロータディスク２
が、比較的高い膨張率を有するオーステナイト系鋼から
成っていることを前提とすると、封入リング７のための
材料としては、やはり比較的高い膨張率を有する材料が
選択されると有利である。高い熱負荷を受けるガスター
ビンの場合には、ロータディスク１，２のためのこのよ
うな材料組合せが極めて汎用的である。
【図１】本発明の第１実施例による、互いに隣接した２
つのロータディスクの一部を示す断面図である。
つのロータディスクの一部を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施例による、互いに隣接した２
つのロータディスクの一部を示す断面図である。
つのロータディスクの一部を示す断面図である。
【図３】図１に示したセンタリング座部の拡大図であ
る。
る。
１，２ ロータディスク、 ３ センタリング座部、
４，５ センタリング段部、 ６ 中空室、 ７ 封入
リング、 ８ 接触面、 ９ 接触面、 １０アンダカ
ット部、 １１ つば、 １２ ギャップ
４，５ センタリング段部、 ６ 中空室、 ７ 封入
リング、 ８ 接触面、 ９ 接触面、 １０アンダカ
ット部、 １１ つば、 １２ ギャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミカエル フリクルンド スウェーデン国 ノルケーピング スメジ ェガタン １セー (72)発明者 ローランド ニルソン スウェーデン国 フィンスポング フェス コグスヴェーゲン 53 (72)発明者 ペール セルンブラード スウェーデン国 ノルケーピング レート ガタン ３セー (72)発明者 ハンス ヴェットシュタイン スイス国 フィスリスバッハ クラーラシ ュトラーセ 12
Claims (9)
- 【請求項１】 回転する構成部分（１，２）の摩擦接続
・形状接続式の結合部であって、これらの構成部分が、
当該結合部の範囲に回転時に互いに異なる膨張特性を有
しており、しかも形状接続が、段付けされたセンタリン
グ座部（３）を介して行われ、摩擦接続が、両構成部分
の間で、軸方向にプレロードもしくは予荷重をかけられ
たエレメントによって行われるようになっており、しか
も両構成部分の少なくとも一方の構成部分が、内部に中
空室（６）を有している形式のものにおいて、中空室
（６）内に、運転中にセンタリング座部（３）に半径方
向の力を加える封入リング（７）が配置されていること
を特徴とする、回転する構成部分の摩擦接続・形状接続
式の結合部。 - 【請求項２】 封入リング（７）が、その軸方向延在長
さの一部でのみ、封入リング（７）と協働する構成部分
（１）に接触している、請求項１記載の結合部。 - 【請求項３】 封入リング（７）がプレロードもしくは
予荷重をかけられている、請求項１記載の結合部。 - 【請求項４】 中空室（６）への封入リング（７）の組
込みが、熱収縮により行われる、請求項３記載の結合
部。 - 【請求項５】 センタリング座部（３）に設けられたセ
ンタリング段部（４，５）が、少なくともほぼ円筒状に
形成されているか、または軽度の円錐状に形成されてい
る、請求項１記載の結合部。 - 【請求項６】 センタリング座部（３）が、接触面
（８）の手前にも背後にも、凹面状のアンダカット部
（１０）を備えており、該アンダカット部（１０）の、
接触面（８）に面した丸みが、接触面（８）内で終わっ
ている、請求項５記載の結合部。 - 【請求項７】 ネガティブなセンタリング段部（５）を
備えた構成部分（２）と、封入リング（７）とが、該封
入リング（７）が収納されている中空室（６）を有す
る、ポジティブなセンタリング段部（４）を備えた構成
部分（１）の材料よりも高い膨張率を有する材料から成
っている、請求項５記載の結合部。 - 【請求項８】 センタリング座部（３）が、二重円錐状
の接触面（９）を有しており、ポジティブなセンタリン
グ段部（４）を備えた構成部分（２）と、封入リング
（７）とが、該封入リング（７）が収納されている中空
室（６）を有する、ネガティブなセンタリング段部
（５）を備えた構成部分（１）の材料よりも高い膨張率
を有する材料から成っている、請求項１記載の結合部。 - 【請求項９】 当該結合部が、互いに同心的に並設され
た個々のロータディスクが、ロータ内部で、１つまたは
複数のボルトによって互いにねじ締結されている、ター
ボ機械のロータディスク、特に高い熱負荷を受けるガス
タービンのロータディスクを嵌め合わせるために使用さ
れる、請求項１から８までのいずれか１項記載の結合
部。
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