JP4100902B2 - ロータディスク用のボルト継手及びその中の熱勾配を減少させる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、かかるエンジン中の隣接するロータディスクを結合するためのボルト継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、加圧された空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、燃焼器中で空気は燃料と混合され、混合気は点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流の１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンがガスからエネルギーを取り出し、圧縮機を駆動し、飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行なう。圧縮機及びタービンセクションの各々は、エンジンの中心軸線の周りで回転するように、互いに結合された複数のロータディスクを含む。各ロータディスクは、中央の穴領域、複数の半径方向に延びる翼が支持されるディスクリム、及び穴とリムを結合するウェブを含む。穴及びウェブは、ディスクに掛かる応力を受け止めるために、一般的にディスクリムよりもずっと大きくて重量がある。
【０００３】
回転ディスク、特にエンジンの高圧タービンセクションの回転ディスクは、ディスクリムが高温のガスに曝されるために、過渡運転の間に高い半径方向の熱勾配を生じる。この場合に、ウェブ及び穴はそれらの相対的に大きい質量及びそれらの低い温度環境のために、よりゆっくりと熱応答するのに対して、ディスクリムは急速な熱応答（すなわち、温度上昇）を持つ。熱勾配は、ディスクのウェブ及び穴の中に大きい接線方向及び半径方向応力を生じ、それらが穴及びすみ肉等のような何らかの応力集中によって倍化される。
【０００４】
ディスク設計における重要な課題は、大きい応力を生じることなく多重のディスクを互いに接続することである。１つの接続方法は、隣接するディスクを接続するボルト継手を用いることによるものである。往々にして、ディスクの少なくとも１つは、空間の制約のためにディスクウェブを通してボルト止めされなければならない。その場合、ボルト穴は、大きい熱勾配の領域内に配置されるので、大きい応力集中を生じる。このことが、ロータハードウェアの運転の許容される時間を制限する。
【０００５】
ボルト穴応力を減少させることに対する１つの解決策は、比較的高温の二次流路空気（圧縮機吐出空気のような）を各ボルト穴を通過させて、ボルト穴の内側からディスクを加熱することである。そうすることで、ボルト穴の区域内の温度分布はより均一になり、応力は劇的に減少する。この解決策でハードウェアにはかなりの利益がある一方、欠点もまたある。ディスクを加熱するためにボルト穴を通して空気を送ることの主な欠点は、加速のようなエンジンの過渡運転時に、継手を互いに締め付けるのに用いられているボルトが、ディスクに比して極めて急速に熱くなることである。この熱的な不一致が、ボルトをそれらの軸に平行な方向にディスクより大きく膨張させる。この軸方向の膨張差が、運転中にボルト内の締め付け荷重の低下を招き、ボルトに低サイクル疲労の問題を引き起こす可能性がある。締め付け荷重の低下に対する１つの解決策は、組立ての際にもともと与えられる締め付け荷重を単に増加させることである。しかしながら、多くの場合、軸方向の荷重は、本来はボルト材料の降伏強度に関連して設定されるもので、ボルトの降伏または低サイクル疲労問題の悪化の恐れなく、組立て締め付け荷重を増大させることは可能ではない。
【特許文献１】
特開昭５９−５８２６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、締め付け荷重の低下及び低サイクル疲労の問題を最小限に抑えながら、ボルト穴応力が減少するボルト継手の必要性がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の必要性は、ガスタービンエンジン内の第１及び第２ロータディスクを接続するためのボルト継手を提供する、本発明により満たされる。ボルト継手は、第１ロータディスク内に形成されたボルト穴と、管とボルト穴の間にチャネルが形成されるようにボルト穴に配置された管を含む。ボルトと管の間に間隙が形成されるように、ボルトが管の中に配置される。間隙は、ボルトをチャネル内の高温流体から断熱する。第１通路がチャネルと前方空洞との間を流体連通させ、また第２通路がチャネルと後方空洞との間を流体連通させる。チャネルを通過する高温流体は、第１ロータディスク内の熱勾配を減少させる。管は、ボルトを高温流体から熱遮蔽して、熱膨張差を最小にする。
【０００８】
本発明及び従来技術より優れるその長所は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【０００９】
発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に特に明らかにされかつ明確に請求される。しかしながら、本発明は、添付の図面と関連してなされた以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
同一の参照符号が様々な図を通して同じ要素を表わしている図面を参照すれば、図１は、他の構造物の中でも、燃焼器１２、及び燃焼器１２の下流に設置されたタービンセクション１４を有するガスタービンエンジン１０の１部を示す。タービンセクション１４は、エンジン中心軸線に沿って順次に配列された第1段ノズル組立体１６、第1段タービンロータ１８、第２段ノズル組立体２０、及び第２段タービンロータ２２を含む。燃焼器１２は、燃焼チャンバ２８をその中に形成する外方ライナ２４及び内方ライナ２６を有するほぼ環状の中空本体を含む。圧縮機（図示せず）は、主として燃焼器１２中に流れ燃焼を支持する加圧空気を供給し、またその空気の一部は、燃焼器１２の周りを流れて燃焼器ライナ２４、２６及びさらに下流のターボ機械の両方を冷却するのに用いられる。燃料が、燃焼器１２の前方端に導入され、従来の方式で空気と混合される。その結果得られる燃料及び空気の混合気は、燃焼チャンバ２８中に流れ込み、そこで点火されて高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、タービンセクション１４に吐出され、そこで膨張してエネルギーが取り出される。
【００１１】
第1段ノズル組立体１６は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメント３２が取り付けられる内側ノズル支持体３０を含む。ノズルセグメント３２は、一緒になって完全な３６０°の組立体を形成する。各セグメント３２は、２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された翼３４（１つを図１に示す）を有し、その上を燃焼ガスが流れる。翼３４は、燃焼ガスを第1段タービンロータ１８に最適に指向させるような形状に作られる。内側ノズル支持体３０は、エンジン１０内に適切に支持される固定部材である。
【００１２】
第1段タービンロータ１８は、第1段ノズル組立体１６の後方に設置され、第1段ノズル組立体から軸方向に間隔を置いて配置されて第１ホイール空洞３６を形成する。第1段タービンロータ１８は、第１ロータディスク４０に適切に取り付けられ、かつ半径方向にタービン流路中に延びる複数のタービン翼３８（１つを図１に示す）を含む。第２段ノズル組立体２０は、第1段タービンロータ１８の後方に設置され、また第２段タービンロータ２２は第２段ノズル組立体２０の後方に設置され、それぞれ第2及び第３ホイール空洞４２及び４４を形成する。第２段タービンロータ２２は、第２ロータディスク４８に適切に取り付けられ、かつ半径方向にタービン流路中に延びる複数のタービン翼４６（１つを図１に示す）を含む。第２ロータディスク４８は、ボルト継手５２で第１ロータディスク４０の後部側面に結合されている前方に延びるフランジ５０を有する。従って、第１及び第２ロータディスク４０、４８は、エンジン中心軸線の周りで一緒に回転するように配列される。
【００１３】
環状の回転シール部材５４が、第１ロータディスク４０と共に回転するように、ボルト継手５２により第１ロータディスク４０の前方側面に固定される。回転シール部材５４は、内側ノズル支持体３０に接触して、タービン流路中の高温ガスから冷却用に抽出される圧縮機吐出空気をシールするための１つ又はそれ以上の前方シール部５６を形成する。１つの好ましい実施形態において、前方シール部５６は、回転ラビリンスシールであり、各々が固定シール部材５６から半径方向外方に延びる複数の薄い歯状の突起を含む。各突起の外周は、内側ノズル支持体３０に取り付けられた対応する環状の固定シール部材５８の内周のわずかな公差内で回転し、それによって冷却空気とタービン流路中の高温ガスとの間のシールを行なう。
【００１４】
ノズル組立体１６はまた、２つの前方シール部５６の半径方向の間に配置された加速装置６０を含む。加速装置６０は、内部空気プレナムを形成する環状部材である。高圧圧縮機吐出空気は、内側ノズル支持体３０内に形成された空気穴６２を介して加速装置６０に供給される。高圧空気は、軸方向に加速装置６０を通過して、複数の後部ノズルを通してそこから第１ロータディスク４０の前方に設置されるチャンバすなわち空洞６３中に吐出される。この空気の１部分は、第１ロータディスク４０内に形成された通路６４を通過してさらに下流のターボ機械を冷却する。後でより詳細に述べるように、この高圧空気のいくらかは、ボルト継手５２を通して導かれ、第１ロータディスク４０内の熱勾配を減少させそれによってディスクの過渡時の応力を減少させる。
【００１５】
ここで図２を参照すると、ボルト継手５２がより詳細に記述されている。ボルト継手５２は、回転シール部材５４内の第１開口６８、第１ロータディスク４０内のボルト穴７０、及び第２ロータディスクフランジ５０内の第２開口７２を貫通して軸方向に延びるボルト６６を含む。ボルト６６の両端にはねじが切られており、第１ナット７４がボルト６６の前方端に螺合され、第２ナット７６がボルト６６の後方端に螺合される。ワッシャまたはスペーサ７８が、第１ナット７４と回転シール部材５４の間のボルト６６上に配置される。第１ナット７４及びスペーサ７８は、回転シール部材５４に対する固定当接部材として作用し、また第２ナット７６は、第２ロータディスクフランジ５０に対する固定当接部材である。従って、ナット７４、７６が適度に締め付けられると、第１ロータディスク４０、第２ロータディスク４８、及び回転シール部材５４は、互いに結合されて、エンジン中心軸線の周りで回転する。別の実施形態として、第１または第２ナット７４、７６の１つを、ボルト６６の対応する端部に一体に形成されたヘッドと置き換え、締め付けが２つのねじが切られたナットの代わりに一体のヘッドと単一のナットにより得られるようにすることができる。
【００１６】
環状フランジ８０が、第１ロータディスク４０の後部側面から軸方向に延びている。環状フランジ８０の半径方向内側表面が、第２ロータディスクフランジ５０の半径方向外側表面に係合し、その間に相互ジョイントを構成する。この相互ジョイントが、第１ロータディスク４０に対して第２ロータディスク４８を半径方向に位置決めする。
【００１７】
ボルト継手５２はまた、ボルト穴７０内に配置され、ボルト穴７０の後端をちょうど越えたところから第１開口６８を通って、スペーサ７８の穴の中に延びる管８２を含む。管８２は、軸方向に延びる環状のチャネル８４がその周りに形成されるような寸法に作られる。具体的には、管８２は、それを取巻く構造物、すなわちスペーサ７８の穴、第１開口６８及びボルト穴７０より小さい直径を有する。従って、チャネル８４は、管８２とそれを取巻く構造物との間の間隙により構成される。
【００１８】
ボルト６６は、管８２内に配置され、その上に形成された幾つかの隆起ショルダ８６を除いては、管８２の内径より小さい外径を有し、ボルト６６と管８２の間に空隙８８を形成する。最後部の隆起ショルダ８６は、その外周に形成された軸方向保持リップ９０を有する。軸方向保持リップ９０は、第２ロータディスクフランジ５０の前面に形成されかつ第２開口７２と同軸である凹み９２に当接する。このことにより第１及び第２ロータディスク４０、４８に対して、ボルト６６が軸方向に位置決めされるので、通常はブラインド組立体であるボルト継手５２の組立てが容易になる。管８２は、例えばインコネル（inconel:商標）のようなニッケル基合金のような何らかの適当な材料で作られ、ボルト６６の隆起ショルダ８６により支持される。管８２は、一端でスペーサ７８の穴の中に形成される隆起ショルダ９４に、またもう一方の端部で最後部の隆起ショルダ８６に据え込み又はかしめられるのが好ましい。もしくは、管８２は、ボルト穴７０内で軸方向に自由に動けるようにしてもよい。
【００１９】
１つ又はそれ以上の半径方向の入口通路９６が、スペーサ７８内に形成され、前方空洞６３とチャネル８４との間を流体連通させる。同様に、１つ又はそれ以上の半径方向の出口通路９８が、第２ロータディスクフランジ５０内に形成され、フランジ凹み９２を介して第２及び第３ホイール空洞４２、４４とチャネル８４との間を流体連通させる。
【００２０】
運転中、加速装置６０から前方空洞６３に供給される圧縮機吐出空気は、スペーサ７８内の入口通路９６を通ってチャネル８４の前方端中に流れ込む。この空気は、前方空洞６３と第２及び第３ホイール空洞４２、４４との間の圧力差により、チャネル８４のボルト穴部分を通過する。次いで、空気は、出口通路９８を通って第２及び第３ホイール空洞４２、４４に吐出され、そこで通路６４を通過してきた圧縮機吐出空気と再び合流して、さらに下流のターボ機械を冷却するのに寄与する。圧縮機吐出空気（第１ロータディスク４０のウェブ及びコアより一般的に高温である）が、チャネル８４のボルト穴部分を通って流れるとき、圧縮機吐出空気はボルト穴７０の周りの区域において第１ロータディスク４０を加熱する。同時に、管８２は、ボルト６６のための熱遮蔽として作用する。つまり、空隙８８は、絶縁媒体として機能し、また管８２とボルト６６の間の伝導機能も排除する。従って、ボルト６６は、第１ロータディスク４０に比して極めて急速には熱くならないので、これによってディスク４０に対する熱膨張差を防止する。
【００２１】
第１ロータディスク４０を加熱することにより、圧縮機吐出空気は、ディスクのウェブ及び穴の熱応答を増大させ、それによってウェブ及び穴とディスクリムとの間の熱勾配を減少させる。熱勾配がこのように減少することで、集中していない熱作用応力の減少が生じ、結果としてハードウェアの寿命を延ばすことになる。さらに、管８２によりもたらされる熱遮蔽は、ボルト６６の熱膨張差を防止し、締め付け荷重の低下及び低サイクル疲労問題を生じることなく、応力の減少を達成することができる。ボルト穴７０に供給される空気量は、入口及び出口通路９６、９８の大きさにより決まる。従って、特定の装置のための望ましい程度のディスク加熱を行なうのに必要とされる空気量は、入口及び出口通路９６、９８の大きさを厳しく制御することにより得ることができる。
【００２２】
図３には、別の実施形態を示す。この場合には、ボルト継手１５２は、回転シール部材５４内の第１開口６８、第１ロータディスク４０内のボルト穴７０、及び第２ロータディスクフランジ５０内の第２開口７２を貫通して軸方向に延びるボルト１６６を含む。ボルト１６６の両端にはねじが切られており、第１ナット１７４がボルト１６６の前方端に螺合され、また第２ナット１７６がボルト１６６の後方端に螺合される。第１ナット１７４は、回転シール部材５４に対する固定当接部材であり、第２ナット１７６は、第２ロータディスクフランジ５０に対する固定当接部材である。従って、ナット１７４、１７６が適度に締め付けられると、第１ロータディスク４０、第２ロータディスク４８、及び回転シール部材５４は、互い結合されて、エンジン中心軸線の周りで回転する。別の実施形態として、第２ナット１７６を、ボルト１６６の後端に一体に形成されたヘッドと置き換え、締め付けが２つのねじが切られたナットの代わりに一体のヘッドと第１ナット１７４により得られるようにすることができる。
【００２３】
第１の実施形態におけるように、ボルト継手１５２は、ボルト穴７０内に配置され、ボルト穴７０の後端をちょうど越えたところから、第１開口６８を通って第１ナット１７４の穴の中に延びる管１８２を含む。管１８２は、軸方向に延びる環状のチャネル１８４がその周りに形成されるような寸法に作られる。具体的には、管１８２は、それを取巻く構造物、すなわち第１ナット１７４の穴、第１開口６８及びボルト穴７０より小さい直径を有する。従って、チャネル１８４は、管１８２とそれを取巻く構造物との間の間隙により構成される。ボルト１６６は、管１８２内に配置され、その上に形成された幾つかの隆起ショルダ１８６を除いては、管１８２の内径より小さい外径を有し、ボルト１６６と管１８２の間に空隙１８８を形成する。管１８２は、一端で第１ナット１７４の穴の中に形成される隆起ショルダ１９４に、またもう一方の端部で最後部の隆起ショルダ１８６に据え込み又はかしめられるかのが好ましい。ボルト１６６及び管１８２は、他の点では第１の実施形態のボルト及び管と同じであるので、ここではこれ以上詳細には述べない。
【００２４】
ボルト継手１５２は、第１ナット１７４と回転シール部材５４の間にはスペーサが配置されないという点で、第１の実施形態とは異なる。従って、半径方向の入口通路は、スペーサ中には形成することはできない。代わりに、１つ又はそれ以上の半径方向の入口通路１９６が、第１ナット１７４内に形成され、前方空洞６３とチャネル１８４との間を流体連通させる。第１の実施形態におけると同様に、１つ又はそれ以上の半径方向の出口通路９８が、第２ロータディスクフランジ５０内に形成され、第２ロータディスクフランジ５０内に形成される凹み９２を介して、第２及び第３ホイール空洞４２、４４とチャネル１８４との間を流体連通させる。従って、圧縮機吐出空気は、入口通路１９６を通してチャネル１８４中に流れ込み、出口通路９８を通してチャネル１８４から流出する。圧縮機吐出空気は、チャネル１８４のボルト穴部分を通って流れるとき、ボルト穴７０の周りの区域において第１ロータディスク４０を加熱する。管１８２は、ボルトを高温空気から断熱し、熱膨張差を防止し、締め付け荷重の低下及び低サイクル疲労問題を生じることなく、応力の減少を達成することができる。
【００２５】
上述の２つの実施形態のいずれにおいても、管とボルトの間の間隙には、ボルトを絶縁する可撓性の断熱材を充填してもよい。その上に、ボルトには、管の熱遮蔽を補うために既知の熱障壁コーティングを施してもよい。
【００２６】
以上、並列の空気供給システムを用いてディスクウェブ及び穴の熱応答を増大させるボルト継手を説明してきた。増大した熱応答は、ロータディスク中の熱勾配を減少させ、それが次にディスクの過渡時応力を減少させる。ボルトは、断熱されて、締め付け荷重の低下及び低サイクル疲労問題を最小限にする。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、それに対する様々な変形形態が、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、なされ得ることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のボルト継手を有するガスタービンエンジンの部分断面図。
【図２】 図１のボルト継手の拡大断面図。
【図３】 ボルト継手の第２の実施形態の拡大断面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１６ 第1段ノズル組立体
１８ 第1段タービンロータ
２０ 第２段ノズル組立体
２２ 第２段タービンロータ
２４ 外方ライナ
２６ 内方ライナ
２８ 燃焼チャンバ
３０ 内側ノズル支持体
３６ 第１ホイール空洞
４０ 第１ロータディスク
４２ 第２ホイール空洞
４４ 第３ホイール空洞
４８ 第２ロータディスク
５０ 第２ロータディスクフランジ
５２ ボルト継手
５４ 回転シール部材
５６ 前方シール部
５８ 固定シール部材
６０ 加速装置
６３ 前方空洞
６４ 通路

Claims (9)

1. 第１及び第２構成部品（４０、４８）を接続するためのボルト継手（５２）であって、
   前記第１構成部品（４０）中に形成されたボルト穴（７０）と、
   該ボルト穴（７０）中に配置され、それと該ボルト穴（７０）との間にチャネル（８４）を形成する管（８２）と、
   該管（８２）中に配置され、前記管（８２）との間に間隙（８８）が形成されることで、前記チャネル（８４）中の高温流体から断熱されるボルト（６６）と、
   前記チャネル（８４）と第１外部空洞（６３）との間を流体連通させる第１通路（９６）と、
   前記チャネル（８４）と第２外部空洞（４２）との間を流体連通させる第２通路（９８）と、
   前記ボルト（６６）の一端に螺合されるナット（７４）と、
   該ナット（７４）に隣接して前記ボルト（６６）上に配置されたスペーサ（７８）と
   を含み、
   前記第１通路（９６）は前記スペーサ（７８）内に形成される
   ことを特徴とするボルト継手（５２）。
2. 前記管（８２）は、前記スペーサ（７８）に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の前記ボルト継手（５２）。
3. 前記第２通路（９８）は、前記第２構成部品（４８）内に形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のボルト継手（５２）。
4. 第１及び第２構成部品（４０、４８）を接続するためのボルト継手（５２）であって、
   前記第１構成部品（４０）中に形成されたボルト穴（７０）と、
   該ボルト穴（７０）中に配置され、それと該ボルト穴（７０）との間にチャネル（８４）を形成する管（８２）と、
   該管（８２）中に配置され、前記管（８２）との間に間隙（８８）が形成されることで、前記チャネル（８４）中の高温流体から断熱されるボルト（６６）と、
   前記チャネル（８４）と第１外部空洞（６３）との間を流体連通させる第１通路（９６）と、
   前記チャネル（８４）と第２外部空洞（４２）との間を流体連通させる第２通路（９８）と、
   前記ボルト（６６）の一端に螺合されるナット（１７４）と
   を含み、
   前記第１通路（９６）が前記ナット（１７４）内に形成されることを特徴とするボルト継手（５２）。
5. 前記ボルト（６６）は、前記管（８２）を支持するために少なくとも１つの隆起ショルダ（８６）がその上に形成されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のボルト継手（５２）。
6. 前記ボルト（６６）上に形成され、かつ前記第２構成部品（４８）に当接する保持リップ（９０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のボルト継手（５２）。
7. 前記第１構成部品としての第１ロータディスク（４０）、
   前記第２構成部品としての第２ロータディスク（４８）、
   前記第１ロータディスク（４０）に隣接する、前記第１外部空洞としての第１空洞（６３）、及び
   前記第２ロータディスク（４８）に隣接する、前記第２外部空洞としての第２空洞（４２）
   を含むガスタービンエンジン（１０）において、
   前記第１及び第２ロータディスク（４０、４８）を接続するためのボルト継手（５２）は、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のボルト継手である、ガスタービンエンジン（１０）。
8. 第１ロータディスク（４０）と第２ロータディスク（４８）を接続するためのボルト継手（５２）を有し、該ボルト継手（５２）が前記第１ロータディスク（４０）内に形成されたボルト穴（７０）内に配置されるボルト（６６）を含むガスタービンエンジン（１０）において、前記第１ロータディスク（４０）内の熱勾配を減少させる方法であって、
   前記ボルト（６６）と前記ボルト穴（７０）との間にチャネル（８４）を設ける段階と、
   比較的高温の流体を前記チャネル（８４）を通過させる段階と、
   前記ボルト（６６）を前記チャネル（８４）内の前記高温流体から断熱する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記比較的高温の流体は、圧縮機吐出空気であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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