JPS6014882B2 - ガスタービンローターのクランプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、中心部に孔を設けたハブを有する第１のガス
タービンローター部村を、別のガスタービンローター部
材に対して回転軸心方向に締め付け、各ローター部材の
相対する端面に設けたトルク伝達機構を結合状態に維持
するガスタービンローターのクランプ装置に関するもの
である。

ラジアルフローガスタービンの羽根車は、製造に便利な
ように回転軸○方向に締め付けられて組立てられる２つ
のセクションでいまいま構成される。クランプは、例え
ばタービン羽根セクションである一方のセクションのハ
ブの端面に取付けられそこから突出しさらに排出羽根セ
クションである他方のセクション内の中心孔を通っての
びる結合手段によってなされる。鞠方向のクランブ又は
結合手段は、結合ボルト又はスリーブを取り囲む弾性圧
縮スリーブを含み、該圧縮スリーブの一方の端は排出羽
根セクションの孔内で第一の接合部と噛合い、他方の端
は緒合ボルト又はスリーブの端で第二の接合部と噛合っ
ている。このような組立てはアメリカ特許明細書第３，
６２８，８８６号とイギリス特許明細書第１，２９２，
８５８号で開示されている。ガスタービンが作動すると
、両セクション及び結合手段は熱を与えられて軸方向に
膨張する。

タービンがいまらく作動し続けると安定状態になり、そ
こでは結合ボルト又はスリーブは通常排出羽根セクショ
ンのハブより若干熱い。そして結合手段、すなわち結合
ボルト又はスリーブの温度Ｔｃｏｎｎと排出羽根セクシ
ョンのハブの温度Ｔｈ肋の温度差Ｔｃｏｎｎ−Ｔｈ血は
ガスタービンの負荷に依存し、全負荷のときに最大値を
示す。これは結合手段が高温の燃焼ガスに最初に触触す
るタービン羽根セクションのハブに直接連結されている
からである。しかし、ガスタービンを冷態状態から起動
した際、定常状態に到達するまでの過渡期には、タービ
ン羽根セクションから結合手段まで熱が伝導されるのに
若干の時間を要するため排出羽根セクションのハブの方
が温度が高い。すなわちＴｃｏｎｎ−Ｔｈｕｂ＜０であ
る。逆に、ガスタービソの負荷を全負荷から無負荷に減
少させた際、過渡的に結合手段の温度Ｔｃｏｎｎは全員
荷時の温度に近く、一方排出羽根を通る燃焼ガス温度は
出力に応じて低下するので、排出側のハブ温度Ｔｈ肋も
急速に低下する。従って、過渡期におけるＴｃｏｎｎ−
ｍ肋は、定常状態に到達した全員荷時のそれよりも大き
くなる。従って、Ｔｃｏｎｎ一丁ｈめく０となる。逆に
排出羽根セクションにおける温度ｍ肋は、タービンへの
負荷が完全な負荷から負荷ゼロへと減少すると、これら
の結合要素における温度Ｔｃｏｎｎより急に下がる。過
渡期における結合要素と排出羽根のハブとの温度差（Ｔ
ｃｏｎｎ一ｍ血）は、従って完全な負荷である安定した
状態よりなお大になるであろう。熱伸長によるこれらの
温度変化は、２つのセクションの間に結合手段によって
与えられる軸方向のクランプ力に大きな変化をもたらす
。

このように軸万向のクランプ力に関連して本質的な問題
が見られる。一方クランプ力は一定の最低値以下であっ
てはならない。もし他方、熱膨張による排出羽根セクシ
ョンのハブの伸長が結合スリーブに課される極限である
場合、降伏点を越える応力が結合スリーブに生じ、それ
によって結合スリーブの永久的な伸長と、結合スリーブ
が再びハブより熱くなった場合（Ｔｃｏｎｎ‐Ｔｈ如＞
０）にクランプ力の緩みをもたらす。これを回避するた
めに、排出羽根のハブの可能な限り少ない伸長のみを結
合スリーブに伝達すべきことを教えるためにアメリカ及
びィギＩＪス特許明細書に言及する。

これは第一の接合部がトルク伝達噛合わせ領域の放射状
の平面から軸方向に僅かに離れるように該接合部を孔内
に置くことと、圧縮スリーブがハブの温度より結合スリ
ーブの温度にはるかに近い温度を得るように「ハブの孔
と結合スリーブに関して遊隙を有するよう弾性圧縮スリ
ーブの寸法を定めることによって達成される。このよう
に結合スリーブとハブの温度差がマイナスの最高値に達
すると、ハブの熱伸長の僅かな部分のみが結合スリーブ
に伝達され、圧縮スＩＪ−ブーも同時に結合スリーブを
助ける弾性部村として働ら〈ので結合スリーブに課せら
れる熱伸長は実質的に減少する。しかしながらより高い
温度を有する大型ラジアルフローガスタービンの開発に
関連して過渡的な温度変化には、このような圧縮スリー
ブによって得られるより実質的により大きな弾刀性を有
する弾性部材が必要であることが証明されている。

例えば内側及び外側の圧縮スリーブと中間のテンション
スリーブのような、端で相互にかみ合う一連の同軸スリ
ーブを用いてクランプの弾力性を増大し得ることも事実
である。しかし現在開発中のラジアルフローガスタービ
ンの寸法及び運転条件では、通常の圧縮スリーブによっ
て得られるよりも５から１の音の弾力性のある軸方向の
寸法における変化に適応させるための接続手段が必要で
あり、いくつかの同軸スリ−ブを使用するこの解決は利
用可能な以上の空間を必要とするので実用的ではない。
本発明の目的は、前記したアメリカ及びイギリス特許明
細書に開示されているように単独又は可能ならば圧縮ス
リーブと共に必要な弾力性を備え得る新規の弾性部材を
有する最初に言及した種類のクランプ装置を提供するこ
とにある。

クランプ装置に要求される回転軸心方向の寸法の変化は
、たとえ弾性部材がトルク伝達噛合わせ領域の放射状平
面より軸方向に僅かに離れた接合部と噛合う場合でも例
えば平均０．５〜１．物舷である。本発明に従いこの要
求は、軸万向で第一のローター部材のハブと噛合い且つ
内側に突出したフィンガーの環状の列を備えたリムの形
の弾性部材によってかなえられる。クランプ結合部材の
一部分を形成する別の都村、例えば該結合手段を取り囲
む圧縮スリーブはフィンガーの内端と鞠方向の力を伝達
する噛合わせ状態にある。リムは第一のロータ一部材の
ハブの孔内で放射状の接合部と噛合うことが望ましい。
フィンガーの孫みの結果として実質的な弾力性が得られ
るであろう。しかし同程度の弾力性がリムのねじれによ
って得られる。このねじれを容易にするために放射状の
接合部の内直径はリムの内直径より大になり、その結果
としてリムの横断面は接合部の自由な内縁の周囲を上下
動又は回転することになる。フィンガーは一般に放射状
の平面に伸び且つ相互に僅かに離れている。

それらはリムに向って外方向に幅と厚みを増すことが望
ましい。フィンガーの両平面は応力を一定にすべく円錐
形である。それによって原料は最大限に利用されること
になる。即ち本発明は、改良された弾性部村がガスター
ビンローターの２つの部材の間にクランプ結合内に備え
られ、弾性部村が内側に突出したフィンガーの環状の列
を備えたリム又は外側リングの形をとり、弾力の一部は
フィンガーの操みに又一部はフィンガーを有する外側リ
ングのねじれによるようにしたものである。

次に本発明の実施例について添付図面を参照しつつ説明
するが、この実施例にのみ限定されることなく本発明の
要旨を逸脱しない限り種々変更を加え得ることは勿論で
ある。

図示したタービン羽根車は比較的大型のタービンロータ
ーの一部分であり、各々ハブ３，４と翼又は羽根５，６
を有するタービン車セクション（別のガスタービンロー
ター部材）１と排出車セクション（第一のガスタービン
ローター部材）２の２つのセクションから組立てられら
る。

ハブ３，４は、放射状の平面にあり且つ公知のカップリ
ング７（Ｈｉｒｔｈｃｏｕｐｌｉｎｇ）の環状噛合わせ
領域を越えて相互にしっかりしたトルク伝達陣合わせ状
態に保たれている。ハブ３は結合スリーブ９の結合要素
の中心に突出してねじ切りされたスタブシャフト８を有
する。該スリーブ９は前述のアメリカ及びイギリス特許
明細書で示したように両セクション間の結合手段におけ
るテンション要素を形成し得るが、図示した実施例では
結合スリーフ９は必要に応じて張力によるストレスを低
くし且つ代りにトルクの伝達を可能にすべ〈比較的薄い
壁で作られる。外側の端（第１図の右側）で結合スリー
ブ９は、ハブ３上のねじ切りされたスタブシャフト８を
包み得るよう外側が六角形の細長いヘッド部分１２を有
する。

該ヘッド部分１２は、極めて小さな間隙を伴って結合ス
リーブ９を取り囲むか或いはすべり結合し、常に結合ス
リーブ９とほぼ同温である圧縮スリーブ１３と噛合う接
合部を形成する。この圧縮スリーブ１３は、僅かに大き
い端部分を有し又比較的かたい結合スリーブ９により座
屈を防止されている。圧縮スリーブ１３の一方の端部、
すなわちヘッド部分１２に対し反対側にある端部は、弾
性部材１５のフィンガー１４の内側端部に当接する。該
フィンガー１４は弾性部材１５の外側の環状部分又はリ
ム１６から放射状に内側に突出している。譲りムー６は
ハブ４における孔１８内で放射状の平面にのびる接合部
１７と噛合う。該接合部１７はリム１６の内直径より大
きい内直径を有し、その結果リム１６の側面は接合部１
７の内縁１９の周囲を上下動又は回転する。このように
セクション１，２をカップリング７を介して相互に集中
及びトルク伝達噛合わせ状態に保つに必要な麹方向の力
は、結合スリーブ９のヘッド部分１２から圧縮スリーブ
１３と弾性部材１５を介して接合部１７に伝達される。
接合部１７の面と、カップリング７を設けたハブ４の端
面間の回転軸心方向の距離が小さく、また、ハプ４のこ
の部分の熱膨脹分がリム１６に作用するので弾性部村１
６および圧縮スリーブ１３の変形量が小さくて済む。従
って接合スリーブ９に関するハブ４の軸方向の収縮はハ
ブ４の温度が結合スリーブ９の温度より低いと（Ｔｃｏ
ｎｎ−ｍ肋＞０）、一定範囲のみハブ間のクランブ力に
影響を及ぼす。それでもなお結合手段における実質的な
弾力性が、結合スリーブ９とハブ４の温度の間に極度の
プラスの差異がある場合にカップリング７に充分な軸方
向のクランプ力を与えるために、又他方言及した温度の
間に極度のマイナス差異がある場合に結合手段の部材の
いずれかに降伏点を越えて圧力を加える過度の鼠方向の
クランプ力を生じさせないために要求される。図示した
圧縮スリーブ１３は軸万向の圧縮による若干の弾力性を
備えているが、しかし最も大きな弾力性は弾性部材１５
によって与えられる。先ずフィンガー１４がそれらを燐
ませる純粋な曲げ応力をこうむる。同機に重要なことは
、リムの直径はフィンガーの横断面より大であるので弾
性部材１５のリム１６が、内縁１９の周囲を上下動又は
回転する横断面をかなりねじることである。このように
弾性部材１５の全曲がりは、フィンガー１４の長さと一
致する合じれ又は上下動角度とフィンガーそれ自体の純
粋な孫みから成る。第２図から明らかなようにフィンガ
ー１４はそれらの間の一様の幅のスロットによってかろ
うじて相互に離され、それゆえフィンガー１４‘まリム
１６への外方向へ増大する幅又は円周を有している。

スロットは過度な応力を起こさぬよう底部で丸くなって
いる。第１図は同様にフィンガー１４の厚さ又は軸の寸
法がリム１６に向って外側へと増大することを図示して
いる。このリム１６に向う外方向でのフィンガー１４の
幅と厚さの増大は、横断面はフィンガー１４がこうむる
応力に適合するから、フィンガー１４における材料の最
適な使用をもたらす。弾性部村１５は“Ｎｉｍｏｎｌｃ
９び１又は“Ｗａｓｐａｌｏｙ”のような合金より製造
される。弾性部材１５全体は極めて高い応力を加えられ
且つ過渡期には６３０℃の降伏点に近い応力をこうむる
。しかし、これらの過渡期は比較的短かく、全速力の安
定した状態の作業では荷重は実質的により低く、その結
果クリ−プ（ｃｒｅｅｐ）は充分小さくなるであろう。
弾性部材１５の製造は簡単でも安価でもないが、しかし
現在開発されている大型の放射状フローガスタービンに
必然的に伴う高い負荷と温度における過度のクリープな
いこ必要な弾力性を有する信頼に足る弾性の都材を提供
する。

リム１６の横断面は弾性部材１５に生じる応力と得られ
る変形に影響を及ぼすであろう。

寸法が小さいと通常は変形は大になり且つ応力は高くな
る。又リム１６の形と寸法は通常変形と応力を考慮し折
り合いとして選択され紬よならない。本発明は、もちろ
ん特定数のフィンガー１４に限定されるものではない。
又これに関連して応力と変形の折り合いが生じ、フィン
ガー１４は一般に応力又は製造上の困難が過度にならな
い限り多く選択される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービンローターのクランプ装置
を使用したラジアルフローガスタービン用のタービン羽
根車の軸方向断面図、第２図は本発明のガスタービンロ
ーターのクランプ装置における弾性部材を示す断面図で
ある。 １……タービン車セクション、２……排出車セクション
、３，４・…・・ハブ、５，６・・・・・・羽根、７…
…カップリング、８……スタブシヤフト、９……結合ス
リーブ、１２……該スリーブ９のヘッド部分、１３・・
・・・・圧縮スリーブ、１４…・・・フィンガー、１５
・・・・・・弾性部村、１６・・・…ＩＪム、１７・・
・・．・接合部、１８・・・・・・孔、１９・・・・・
・内縁。 メスメクノ７スリメ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心部に孔を設けたハブを有する第一のガスタービ
   ンローター部材を、別のガスタービンローター部材に対
   して回転軸心方向に締め付け各ローター部材の相対する
   側面に設けたトルク伝達機構を結合状態に維持するクラ
   ンプ装置において、前記クランプ装置が、別のガスター
   ビンローター部材に固定されその端部から第一のガスタ
   ービンローター部材ハブ中心部の孔に突出する結合装置
   と、環状のリムを有し該リム内側にリム中心に向って突
   出する複数個の指状の突起物を設けた弾性部材とを備え
   、該弾性部材のリムの一方の面および突起物の反対側の
   面をそれぞれハブ中心孔の内壁および前記結合装置に設
   けた圧縮可能なスリーブ端部に係止させ弾性部材を軸心
   方向に変形し得るように支持したことを特徴とするガス
   タービンローターのクランプ装置。 ２ リムが当接するハブ中心孔の内壁が、回転軸心にほ
   ぼ垂直に設けられ且つリム内直径より大きい内直径を有
   する円形の開口を有する平面で形成され、リムが前記開
   口の周辺で上下動または回転し得るように構成されてい
   る特許請求の範囲第１項に記載のガスタービンローター
   のクランプ装置。 ３ 複数の指状の突起物がリムを含む平面内に、且つ相
   互に小さいすき間を隔てて配列されている特許請求の範
   囲第１項または第２項に記載のガスタービンローターの
   クランプ装置。 ４ 指状の突起物が、リムに近い外方に向って幅又は円
   周方向の寸法を増大させるように構成されている特許請
   求の範囲第１項〜第３項のうちいずれか１つに記載のガ
   スタービンローターのクランプ装置。 ５ 指状の突起物が、リムに近い外方に向って厚み又は
   軸心方向の寸法を増大させるように構成されている特許
   請求の範囲第１項〜第３項のうちいずれか１つに記載の
   ガスタービンローターのクランプ装置。