JP2012508347A - タービンエンジンのロータまたはステータ要素を締結するための環状フランジ - Google Patents

Abstract

本発明は、内周または外周に、締結ボルトを通すための開口部（５８）を備える中実部分（４８、４９）とほぼ平坦な底部（５４、７０、７３、８０）を有する中空部分（４６、６６、７２、７４、７６、８０）とを交互に含む半径方向環状フランジ（３８）であって、少なくとも１つのフールプルーフ中空部分（４６、７４）の底部（５４、７３）は、フランジの軸を中心とした円（６０、７５）の半径方向内側（または外側）および開口部（５８）の接線方向外側（または内側）に位置し、フールプルーフ中空部分（４６、７４）の両側に位置する２つの中空部分（６６、７６）は、他の中空部分の平坦な底部（５４、７０、７３、８０）に比べて半径方向外側（または内側）に位置する凹曲面形状の底部（６８、７８）を有するような環状フランジに関する。

Description

本発明は、タービンのロータまたはステータ要素を締結するための環状フランジに関し、さらにこのようなタービンを含むターボ機械に関する。

ターボ機械では、ロータディスク（例えば、タービンディスク）は、環状フランジによってそれらの半径方向内側周縁で互いに接続され、これらのフランジはボルト締めによって互いに押圧され締結される。

ラビリンスシールのための環状支持体のような他の要素も同様に、その内周に環状フランジを含む場合がある。このフランジは、ロータディスクと同じボルトによって２つの環状ロータディスクフランジ間で固定され締結される。

前記環状フランジは通常フェスツーン状にされる、すなわち、環状フランジは重量を低減するように交互に中実部分と中空部分とを有する。締結ボルトを通す穴は、中実部分を通って形成される。

複数の並んだフランジを互いに締結するために、フランジの１つの中空部分が他のフランジの中実部分に形成されたボルトが通る穴と位置合わせするのに角度的にずれないように、フランジの中実部分を通って形成された穴の全てが位置合わせされる必要がある。その結果、フランジは２つの他のフランジに締結されずに２つの他のフランジ間で固定される。

本出願人の仏国特許第０８／０２９１８号明細書では、内周にある中空部分の少なくとも１つの底部がフランジの軸を中心とした円の半径方向内側および中実部分のオリフィスの接線方向外側に配置されることが提案されている。したがって、フランジのオリフィスが他のフランジのオリフィスと位置合わせされない形でフランジが角度的にずれる場合には、前記フランジの少なくとも１つの中空部分の底部が少なくとも１つの締結ボルトの挿入路に位置して、ボルトが他のフランジのオリフィスに挿入されるのを妨げ、それによりフランジが不適切に組み立てられる危険性を避けることができる。

仏国特許第０８／０２９１８号明細書

キーイング機能を果たすこの中空部分はフランジにおける接線応力線を変化させ、そのことでキーイング機能中空部分に隣接する中実部分における応力集中が高くなることがわかった。これらの応力は、キーイング機能中空部分に隣接する中実部分の次の中空部分に接続されるゾーンで最大となる。また、キーイング中空部分に隣接する中実部分のオリフィスで応力が増加することもわかる。

このような局部的な応力集中は、応力が集中するゾーンに亀裂を形成し、それによりフェスツーン状フランジの寿命を制限してしまう可能性がある。

本発明の特定の目的は、上述の問題に対して、簡単で、費用がかからず、効果的な解決策を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明は、ターボ機械タービンのロータまたはステータ要素の半径方向環状フランジで、フランジは内周（または外周）に中実部分と中空部分とを交互に含み、中実部分は締結ボルトを通すためのオリフィスを含み、中空部分の底部はほぼ平坦であり、内周（または外周）の少なくとも１つのキーイング機能中空部分の底部はフランジの軸を中心とした円の半径方向内側（または外側）および中実部分のオリフィスの接線方向外側（または内側）に位置するようなフランジであって、キーイング機能中空部分の両側に位置する２つの中空部分は、他の中空部分の底部に比べて半径方向外側（または内側）に位置する凹曲面形状の底部を有することを特徴とするフランジを提供する。

キーイング機能中空部分の両側を平坦な底部に替えて凹曲面形状の底部にして、これらの凹曲面形状の底部を他の中空部分の平坦な底部に比べて半径方向外側（または内側）に位置決めすることによって、接線応力がそれぞれの凹曲面底部の長さ全体に分散するようになる。

したがって、本発明により、キーイング機能中空部分に隣接する中実部分のオリフィスの縁部、さらには前記隣接する中実部分を凹曲面形状の中空部分に接続するゾーンにおける接線応力の増加を避けることができる。

２つの中空部分の凹曲面底部は、半径Ｒ２の円弧の形であるのが好ましい。

本発明の別の特徴によれば、２つの中空部分の凹曲面底部は、半径Ｒ１の円弧によって隣接する中実部分に接続される。前記２つの中空部分の凹曲面底部の半径Ｒ２は隣接する中実部分への接続部の半径Ｒ１の３倍以上である。

有利には、前記２つの中空部分の凹曲面底部の半径Ｒ２は隣接する中実部分への接続部の半径Ｒ１より大きい。

接続部の半径Ｒ１は４ｍｍから６ｍｍとし、前記２つの中空部分の凹曲面底部の半径は約１８ｍｍとしてもよい。

本発明はさらに、上述した少なくとも１つの環状フランジを含むことを特徴とするターボ機械用の低圧タービンを提供する。

本発明はさらに、上述したタイプの低圧タービンを含むことを特徴とする、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械を提供する。

非限定的な例として添付図面を参照して考察された以下の説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の他の詳細、利点、特徴が明らかになる。

低圧タービンの片側軸方向部分断面図である。 先行技術による中空キーイング機能部分を含む半径方向環状フランジの正確な角度位置決めを示した部分正面図である。 本発明の半径方向環状フランジの部分正面図である。 図３の細部ＩＩＩａの拡大図である。 本発明の半径方向環状フランジの別の実施形態の部分正面図である。

最初に、図１について説明する。図１は、外側ケーシング１６内に収容された可動ブレード１２と固定翼１４とを交互に備えた軸１０の低圧タービンロータを示す。可動ブレード１２の半径方向内側端部は、ロータディスク１８、２０、２２、２４の外周に締結される。各ディスク１８、２０、２２、２４は、半径方向内側に伸びてボルト３３によって互いに締結される環状フランジ３０、３２によって他のディスクと接続する外周に、上流側および下流側円錐台形壁２６、２８を有する。ディスクの組は、ディスク２０、２２の環状フランジ３０、３２の間で固定される環状フランジ３８を含む駆動コーン３６を介してタービンシャフト３４に接続される。

固定翼１４の列の内周とディスクの下流側および上流側円錐台形壁２６、２８との間の望ましくない空気流を防ぐために、外周にラビリンスシール４０を有する半径方向環状フランジ３８がディスクの上流側および下流側円錐台形壁２６、２８の半径方向フランジ３０、３２間に介在される。ラビリンスシール４０は、固定翼１４の列の内周に取り付けられたアブレイダブル材料４２のトラックと協働する。

上流側および下流側円錐台形壁２６、２８の半径方向環状フランジ３０、３２およびラビリンスシール４０の半径方向フランジ３８は、重量を低減するためにフェスツーン状であり、交互に中空部分と中実部分とを備える。図２は、ラビリンスシールの半径方向フランジ３８と組み立てられた上流側円錐台形壁の半径方向環状フランジ３０を示す。ラビリンスシールの半径方向フランジ３８の中空部分４４、４６および中実部分４８、４９、５０と半径方向環状フランジ３０の中空部分および中実部分がそれぞれ軸方向に位置合わせされる。

半径方向フランジ３８の中空部分４４、４６は、ほぼ平坦な底部５２、５４を有し、曲面ゾーン５６、５７を介して中実部分４８、４９に接続される。中実部分４８、４９は、円形であり、上流側および下流側円錐台形壁の環状フランジ３０、３２とラビリンスシールの環状フランジ３８とを締結することができる締結ボルトを受けるためのオリフィス５８を含む。

ラビリンスシールのフランジ３８の少なくとも１つの中空部分４６の底部５４がフランジ３８の軸を中心とした円６０の半径方向内側および中実部分のオリフィス５８の接線方向外側に配置されることで、確実にラビリンスシールのフランジ３８が円錐台形壁の環状フランジ３０、３２間に正確に位置決めされる（図２）。

したがって、中空部分４４、４６が円錐台形壁の環状フランジ３０、３２の中実部分５０と軸方向に位置合わせするように、円錐台形壁の２つの環状フランジ３０、３２間にラビリンスシールのフランジ３８を環状にオフセットして組み立てると、中空部分４６の底部５４はボルトの挿入路に位置し、このことで円錐台形壁の環状フランジの中実部分のオリフィス５８に締結ボルトを挿入できなくなる。

しかしながら、キーイング機能中空部分４６を組み込むことで、ラビリンスシールの半径方向フランジ３８における接線応力線６２を変化させる。少なくとも１つの中空部分４６の底部５４は半径方向内側にオフセットし、接線応力線６２もキーイング機能中空部分４６付近で半径方向内側にオフセットされる。

応力線のこの変化は、キーイング機能中空部分４６に隣接する中実部分４９における応力を増加させることになる。応力は、キーイング機能中空部分４６の両側に位置する中実部分４９と中空部分４４との間の接続ゾーン５７で最大になる。応力が最大である上述の接続ゾーン５７と周方向に位置合わせして配置された隣接する中実部分４９のオリフィス５８の縁部６４でも接線応力の増加が見られる。

応力線のこの変化は亀裂を形成する可能性があり、そのことで動作時にフランジの機械的挙動に悪影響をもたらす可能性がある。

本発明によれば、これらの欠点は、キーイング機能中空部分４６の両側に位置する２つの中空部分６６が他の中空部分７２の底部７０に比べて半径方向外側に位置する凹曲面形状の底部６８を有することで避けられる（図３）。

したがって、接線応力はキーイング機能中空部分４６の両側に位置する中空部分６６の凹曲面底部６８の長さ全体に分散され、このことで凹曲面底部６８をキーイング機能中空部分４６に隣接する中実部分４９に接続するゾーン５７における応力の増加を避けることができる。応力のレベルはまたこれらの隣接する中実部分４９のオリフィス５８の近傍で減少する。

図４に示された本発明の変形実施形態では、環状フランジの外周にフェスツーン加工が施される。この状況では、キーイング機能中空部分７４は、フランジの軸を中心とした円７５の半径方向外側および中実部分４８、４９のオリフィス５８の接線方向内側に位置する平坦な底部７３を有する。キーイング機能中空部分７４の両側に位置する中空部分７６は、他の中空部分８２の平坦な底部８０に比べて半径方向内側に位置する凹曲面形状の底部７８を有する。

内周または外周の凹曲面底部６８、７８は、半径Ｒ１の円弧５６、５７によって隣接する中実部分４８、４９に接続される半径Ｒ２の円弧である。半径Ｒ１は、凹曲面底部の半径Ｒ２未満である。

凹曲面底部６８、７８の半径Ｒ２は、隣接する中実部分４８、４９に接続する円弧５６、５７の半径Ｒ１の３倍以上である。

半径Ｒ１は、４ｍｍから６ｍｍとしてもよい。

本発明の別の変形実施形態では、環状フランジ３８は、内周または外周に少なくとも１つのキーイング機能中空部分４６、７４を含み、他の中空部分７２、８２の全てが上述した凹曲面底部６８、７８を有する。

本発明の特定の実施形態では、環状フランジの外周にフェスツーン加工が施され、２つの直径方向反対側にあるオリフィス５８の心間距離は５３０ｍｍである。凹曲面底部７８は、約１５ｍｍの弓形で、約１８ｍｍの半径Ｒ２を有する。

上述の凹曲面底部６８、７８は、キーイング機能中空部分４６、７４の両側に位置する中空部分６６、７６に追加の機械加工を施すだけで十分であるので、すでにキーイング機能中空部分４６、７４を有するフランジに単純な方法で作られる。

Claims (9)

1. ターボ機械タービンのロータまたはステータ要素の半径方向環状フランジ（３８）にして、フランジが内周（または外周）に中実部分（４８、４９）と中空部分（４６、６６、７２、７４、７６、８０）とを交互に含み、中実部分（４８、４９）が締結ボルトを通すためのオリフィス（５８）を含み、中空部分（４６、７２、７４、８０）の底部（５４、７０、７３、８０）がほぼ平坦であり、内周（または外周）の少なくとも１つのキーイング機能中空部分（４６、７４）の底部（５４、７３）がフランジの軸を中心とした円（６０、７５）の半径方向内側（または外側）および中実部分（４８、４９）のオリフィス（５８）の接線方向外側（または内側）に位置するようなフランジであって、キーイング機能中空部分（４６、７４）の両側に位置する２つの中空部分（６６、７６）が、他の中空部分（７２、８２）の底部（５４、７０、７３、８０）に比べて半径方向外側（または内側）に位置する凹曲面形状の底部（６８、７８）を有することを特徴とするフランジ。
2. 前記２つの中空部分（６６、７６）の凹曲面底部（６８、７８）が、半径Ｒ２の円弧の形であることを特徴とする、請求項１に記載のフランジ。
3. 前記２つの中空部分（６６、７６）の凹曲面底部（６８、７８）が、半径Ｒ１の円弧によって隣接する中実部分に接続されることを特徴とする、請求項２に記載のフランジ。
4. 前記２つの中空部分（６６、７６）の凹曲面底部（６８、７８）の半径Ｒ２が、隣接する中実部分への接続部（５６、５７）の半径Ｒ１より大きいことを特徴とする、請求項３に記載のフランジ。
5. 前記２つの中空部分（６６、７６）の凹曲面底部（６８、７８）の半径Ｒ２が、隣接する中実部分への接続部（５６、５７）の半径Ｒ１の３倍以上であることを特徴とする、請求項４に記載のフランジ。
6. 接続部（５６、５７）の半径Ｒ１が、４ｍｍから６ｍｍであることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のフランジ。
7. 前記２つの中空部分（６６、７６）の凹曲面底部（６８、７８）が、約１８ｍｍの半径を有することを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載のフランジ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の環状フランジ（３８）を少なくとも１つ含むことを特徴とする、ターボ機械の低圧タービン。
9. 請求項８に記載の低圧タービンを含むことを特徴とする、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械。

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