JP6218232B2 - タービンホイール - Google Patents

Description

本発明は、外周に複数の溝部を形成したタービンディスクと、基端に形成した突起部が前記溝部に軸方向に嵌合して前記タービンディスクに固定される複数のタービンブレードと、前記タービンブレードおよびタービンディスクの軸方向一端面に固定されて前記溝部および前記突起部間の隙間をシールするシールプレートとを備えるタービンホイールに関する。

かかるタービンホイールは、下記特許文献１により公知である。このタービンホイールのシールプレートは、タービンブレードの軸方向一端面に形成されて径方向内向きに開放する外側環状溝に径方向外端部が係合し、タービンディスクの軸方向一端面に形成されて径方向外向きに開放する内側環状溝に径方向内端部が係合することで固定される湾曲した弾性板材からなり、その組み付け時に、弾性板材に形成された突起を押圧してシールプレートをタービンブレードあるいはタービンディスクの軸方向一端面に密着するように弾性変形させた状態で、シールプレートを径方向外側に移動させて径方向外端部を外側環状溝に係合させるようになっている。

特開２００５−１６３７３２号公報

しかしながら、上記従来のものは、シールプレートをタービンブレードおよびタービンディスクに組み付けるべく突起を押圧したとき、弾性板材からなるシールプレートが過剰に変形して塑性変形してしまい、シールプレートの弾性が失われて外側環状溝および内側環状溝から脱落してしまう可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、シールプレートの組み付け時における過剰な変形を抑制してタービンホイールからの脱落を未然に防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、外周に複数の溝部を形成したタービンディスクと、基端に形成した突起部が前記溝部に軸方向に嵌合して前記タービンディスクに固定される複数のタービンブレードと、前記タービンブレードの軸方向一端面に形成されて径方向内向きに開放する外側環状溝と、前記タービンディスクの軸方向一端面に形成されて径方向外向きに開放する内側環状溝と、径方向外端部が前記外側環状溝に溝底に当接して径方向内端部が前記内側環状溝の段部に係合することで前記タービンブレードおよび前記タービンディスクの軸方向一端面に固定され、前記溝部および前記突起部間の隙間をシールするシールプレートとを備えるタービンホイールであって、前記シールプレートは、径方向中間部が前記軸方向一端面に向かって凸に湾曲する弾性板材からなり、径方向外端寄りの位置に前記軸方向一端面に近づく方向に窪む組立用凹部を備えるとともに、径方向内端寄りの位置に前記軸方向一端面から遠ざかる方向に突出する分解用凸部を備えることを特徴とするタービンホイールが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記組立用凹部は前記シールプレートの周方向に延びる溝で構成され、その断面は円弧状であることを特徴とするタービンホイールが提案される。

請求項１の構成によれば、タービンホイールは、外周に複数の溝部を形成したタービンディスクと、基端に形成した突起部が溝部に軸方向に嵌合してタービンディスクに固定される複数のタービンブレードと、タービンブレードの軸方向一端面に形成されて径方向内向きに開放する外側環状溝と、タービンディスクの軸方向一端面に形成されて径方向外向きに開放する内側環状溝と、径方向外端部が外側環状溝に溝底に当接して径方向内端部が前記内側環状溝の段部に係合することでタービンブレードおよびタービンディスクの軸方向一端面に固定され、溝部および突起部間の隙間をシールするシールプレートとを備える。

シールプレートは、径方向中間部が軸方向一端面に向かって凸に湾曲する弾性板材からなり、径方向外端寄りの位置に軸方向一端面に近づく方向に窪む組立用凹部を備えるとともに、径方向内端寄りの位置に軸方向一端面から遠ざかる方向に突出する分解用凸部を備えるので、シールプレートの径方向内端部を内側環状溝の溝底に当接させた状態で組立用凹部を押圧して径方向外端部を外側環状溝に対向させ、更にシールプレートを径方向外側に移動させて径方向外端部を外側環状溝の溝底に当接させるとともに径方向内端部を内側環状溝の段部に係止することで、シールプレートをタービンホイールに組み付けることができる。また組み付けられたシールプレートの分解用凸部を押圧して径方向内端部と段部との係合を解除し、更にシールプレートを径方向内側に移動させて径方向内端部を内側環状溝の溝底に当接させると、径方向外端部が外側環状溝から外れてシールプレートの取り外しが可能になる。

シールプレートを組み付けるべく組立用凹部を押圧したとき、組立用凹部の先端がタービンブレードあるいはタービンディスクの軸方向一端面に当接してシールプレートの過剰な変形が抑制されるため、弾性板材からなるシールプレートの塑性変形が阻止されてタービンホイールからの脱落が未然に防止される。

また請求項２の構成によれば、組立用凹部はシールプレートの周方向に延びる溝で構成され、その断面は円弧状であるので、シールプレートの製造時に組立用凹部の肉厚管理が容易になって強度が確保されるだけでなく、シールプレートをタービンブレードの外側環状溝に組み付けるべく組立用凹部を押圧したときに応力が集中し難くなり、かつ組立用凹部の先端がタービンブレードあるいはタービンディスクの軸方向一端面に広い面積で当接することで、シールプレートの塑性変形を一層確実に防止することができる。

ツインスプール型ターボファンエンジンの全体構造を示す図。 低圧タービンの要部を示す図１の２方向矢視図。 シールプレートを取り外した状態に対応する図２の３方向矢視図。 シールプレートの斜視図。 シールプレートの組み付け手順の説明図。

以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のツインスプール型ターボファンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃料ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもターボファンエンジンの運転が継続される。

ターボファンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

図２に示すように、本実施の形態の低圧タービン３２は２個の低圧タービンホイール３６，３６を備えるが、２個の低圧タービンホイール３６，３６は実質的に同一構造であるため、以下、その一方について説明する。

図２および図３に示すように、低圧タービンホイール３６は、低圧系シャフト１５の外周にスプライン結合したボス４１の外周にボルト４２…で固定された環状のタービンディスク４３と、タービンディスク４３の外周に放射状に固定された複数のタービンブレード４４…とを備える。タービンブレード４４の基端部に突設した突起部４４ａを、タービンディスク４３の外周部に形成した溝部４３ａに軸方向後方から嵌合する、いわゆるクリスマスツリー構造により、タービンブレード４４は遠心力に耐え得るようにタービンディスク４３に支持される。タービンブレード４４の突起部４４ａがタービンディスク４３の溝部４３ａから軸方向に脱落するのを防止し、かつ突起部４４ａおよび溝部４３ａが嵌合する部分の隙間をシールするために、２個のタービンブレード４４，４４につき１枚のシールプレート４５がタービンディスク４３の後面に装着される。

即ち、タービンディスク４３の後面の径方向内側部分には、径方向外側に向けて開放する内側環状溝４３ｂが形成されるとともに、タービンブレード４４の突起部４４ａに臨む部分の後面には、向径方向内側に向けて開放する外側環状溝４４ｂが形成される。外側環状溝４４ｂは前後方向に一定の幅を有しているが、内側環状溝４３ｂは径方向中間位置に段部４３ｃが形成され、段部４３ｃを境にして径方向外側部分の前後方向幅が大きくなっている。

図４に示すように、シールプレート４５は、概ね矩形状の弾性金属板からなり、径方向両端部に対して径方向中間部がタービンブレード４４およびタービンディスク４３後端面に向けて凸に湾曲している。そしてシールプレート４５の径方向外端部４５ａに沿ってタービンブレード４４およびタービンディスク４３の後端面に向かって軸方向に窪む溝状の組立用凹部４５ｃが周方向に形成され、かつ径方向内端部４５ｂに沿ってタービンブレード４４およびタービンディスク４３の後端面に向かって軸方向に突出する畝状の分解用凸部４５ｄが周方向に形成される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

タービンディスク４３の溝部４３ａにタービンブレード４４の突起部４４ａを軸方向に嵌合した状態で、溝部４３ａおよび突起部４４ａ間の隙間をシールすべく、２個のタービンブレード４４，４４について１枚の割合でシールプレート４５が装着される。

図５はシールプレート４５の装着手順を示すもので、図５（Ａ）に示すように、先ず円弧状に湾曲するシールプレート４５の凸部側をタービンブレード４４およびタービンディスク４３の後端面に向けた状態で、シールプレート４５の径方向内端部４５ｂをタービンディスク４３の内側環状溝４３ｂに挿入する。

続いて図５（Ｂ）に示すように、シールプレート４５の径方向内端部４５ｂを内側環状溝４３ｂの溝底に当接させた状態で、工具４６の先端でシールプレート４５の組立用凹部４５ｃを押圧して曲率が減少するように弾性変形させ、その径方向外端部４５ａをタービンディスク４３の外側環状溝４４ｂの開口部に対向させる。

続いて図５（Ｃ）に示すように、工具４６の先端を径方向外側に移動させてシールプレート４５の径方向外端部４５ａをタービンディスク４３の外側環状溝４４ｂに溝底に当接させると、シールプレート４５が自己の弾性で元の湾曲形状に復元しようとすることで、その径方向内端部４５ｂがタービンディスク４３の内側環状溝４３ｂの段部４３ｃに係合して径方向内側への移動が阻止されることで、シールプレート４５がタービンブレード４４およびタービンディスク４３の後端面に固定される。

シールプレート４５を取り外す場合には、図５（Ｃ）に鎖線で示すように、シールプレート４５の分解用凸部４５ｄの径方向外側部分を押圧して径方向内端部４５ｂとタービンディスク４３の内側環状溝４３ｂの段部４３ｃとの係合を解除した後、工具４６の先端を径方向内側に移動させてシールプレート４５の径方向内端部４５ｂをタービンディスク４３の内側環状溝４３ｂの溝底に当接させれば、シールプレート４５の径方向外端部４５ａがタービンディスク４３の外側環状溝４４ｂから離脱するため、シールプレート４５がタービンブレード４４およびタービンディスク４３から分離される。

さて、図５（Ｂ）に示すように、シールプレート４５を装着すべく工具４６で組立用凹部４５ｃを押圧したとき、弾性板材よりなるシールプレート４５が過剰に変形すると、シールプレート４５が塑性変形して弾性が失われてしまい、図５（Ｃ）に示す装着状態において、径方向内端部４５ｂがタービンディスク４３の内側環状溝４３ｂの段部４３ｃから外れてシールプレート４５が脱落してしまう可能性がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、工具４６で組立用凹部４５ｃを押圧したとき、組立用凹部４５ｃの先端がタービンブレード４４あるいはタービンディスク４３の後端面に当接して過剰な変形が阻止されるため（図５（Ｂ）参照）、シールプレート４５の塑性変形が防止されてタービンブレード４４およびタービンディスク４３からの脱落が未然に防止される。

また組立用凹部４５ｃはシールプレート４５の周方向に延びる溝で構成され、その断面はなだらかな円弧状であるので（図４参照）、それが例えば四角形の箱状の突起で構成されている場合に比べて、シールプレート４５の製造時に組立用凹部４５ｃの肉厚管理が容易になって強度が確保されるだけでなく、シールプレート４５をタービンブレード４４の外側環状溝４４ｂに組み付けるべく組立用凹部４５ｃを押圧したときに応力が集中し難くなり、かつ組立用凹部４５ｃの周囲がタービンブレード４４あるいはタービンディスク４３の後端面に広い面積で当接することで、シールプレート４５の塑性変形を一層確実に防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では２個のタービンディスク４３に対して１枚のシールプレート４５を装着しているが、それに限定されるものではない。

４３ タービンディスク
４３ａ 溝部
４３ｂ 内側環状溝
４３ｃ 段部
４４ タービンブレード
４４ａ 突起部
４４ｂ 外側環状溝
４５ シールプレート
４５ａ 径方向外端部
４５ｂ 径方向内端部
４５ｃ 組立用凹部
４５ｄ 分解用凸部

Claims (2)

1. 外周に複数の溝部（４３ａ）を形成したタービンディスク（４３）と、基端に形成した突起部（４４ａ）が前記溝部（４３ａ）に軸方向に嵌合して前記タービンディスク（４３）に固定される複数のタービンブレード（４４）と、前記タービンブレード（４４）の軸方向一端面に形成されて径方向内向きに開放する外側環状溝（４４ｂ）と、前記タービンディスク（４３）の軸方向一端面に形成されて径方向外向きに開放する内側環状溝（４３ｂ）と、径方向外端部（４５ａ）が前記外側環状溝（４４ｂ）に溝底に当接して径方向内端部（４５ｂ）が前記内側環状溝（４３ｂ）の段部（４３ｃ）に係合することで前記タービンブレード（４４）および前記タービンディスク（４３）の軸方向一端面に固定され、前記溝部（４３ａ）および前記突起部（４４ａ）間の隙間をシールするシールプレート（４５）とを備えるタービンホイールであって、
   前記シールプレート（４５）は、径方向中間部が前記軸方向一端面に向かって凸に湾曲する弾性板材からなり、径方向外端寄りの位置に前記軸方向一端面に近づく方向に窪む組立用凹部（４５ｃ）を備えるとともに、径方向内端寄りの位置に前記軸方向一端面から遠ざかる方向に突出する分解用凸部（４５ｄ）を備えることを特徴とするタービンホイール。
2. 前記組立用凹部（４５ｃ）は前記シールプレート（４５）の周方向に延びる溝で構成され、その断面は円弧状であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイール。

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