JP4226566B2 - タービンエンジンおよびガスタービンエンジンの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、中央連結式（ｃｅｎｔｅｒ−ｔｉｅ）ロータ群（ロータスタック）を有するガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンは、典型的に、エンジンの１つまたは複数のセクションに関連する１つまたは複数のロータ群を含む。このようなロータ群は、セクションの連続する段における、長手方向に離間された複数のブレード保持ディスクを含みうる。ステータ構造は、長手方向でロータディスクの間に設けられるベーンの周方向の段を含みうる。ロータディスクは、相対的に回転しないように互いに固定されており、ロータ群は、共通のスプール（例えば、エンジンの低速／低圧および高速／高圧のスプール）上の他の構成要素に対して回転しないように固定されている。

ロータディスクを互いに連結するために種々の装置が使用されてきた。例示的な中央連結式装置では、ディスクはスリーブ様のスペーサによって互いに長手方向に離間して保持される。これらのスペーサは、隣接するディスクの一方または両方と一体に形成することができる。しかし、いくつかのスペーサは、隣接するディスクの対の少なくとも一方からは分離されている場合が多く、このディスクとは締まりばめおよび／またはキーイング機構を介して係合可能となっている。締まりばめまたはキーイング機構では、係合を維持するためにディスク群にわたって長手方向の圧縮力を維持する必要がありうる。圧縮力は、群の反対側の端部を、群を通過する中心シャフトに固定することによって得られる。群は、長手方向の予圧縮力によってシャフトに固定でき、等しい大きさの引張力が群の内部を通るシャフト部分を介して伝達される。

他の構造は、ディスクを互いに連結するために、ロータディスクのウェブ部を通って延在する周方向に離間された連結ロッドの列を使用することを含む。このような装置では、関連するスプールは、ロータの内部を通るシャフト部分を含まない場合もある。代わりに、分離したシャフトセグメントがロータ群の一方または両方の端部から長手方向外向きに延在しうる。

効率および出力に関する改善の要求は、タービンエンジン構造の開発を大きく前進させてきた。このような効率には、動作効率および製造効率の両方が含まれうる。

よって、当該技術において、改善の余地が残っている。

本発明の一形態は、複数のディスクと複数のスペーサを有するタービンエンジンを含む。各々のディスクは、内側開口部から外側周辺部までそれぞれ径方向に延在する。各々のスペーサは、ディスクの隣接する対の間にそれぞれ設けられる。中心シャフトが、ディスクとスペーサが軸を中心にユニットとして回転するように、これらのディスクとスペーサとを支持する。スペーサは、長手方向断面を有する１つまたは複数の第１のスペーサを含む。この長手方向断面は、静止状態において実質的に内側に凹となるように湾曲した第１の部分を有する。

種々の実施例では、第１の部分は、少なくとも２．０ｃｍの長手方向翼幅を有することができる。第１のスペーサの少なくとも１つは、ディスクの隣接する対のうちの少なくとも第１のディスクと実質的に一体に形成可能である。第１のスペーサの少なくとも１つは、ディスクの隣接する対の第１のディスクの部分内に実質的に締まりばめされた端部を有しうる。エンジンは、複数のディスクと複数のスペーサとを圧縮状態で保持する偏心連結部材を含まなくてもよい。長手方向断面の第１の部分は、少なくとも速度が５０００ｒｐｍの動作状態において、実質的に内側に凹となるように湾曲することができる。シャフトは、高速シャフトとすることができ、ディスクは、高速圧縮機セクションのディスクとすることができる。

本発明の他の形態は、第１の端部と、第２の端部と、実質的に環状の中間部と、を有するガスタービンエンジンのディスクスペーサを含む。第１の端部は、第１のディスクと一体に形成されているか、または第１のディスクと係合する面を有する。第２の端部は、第２のディスクと一体に形成されているか、または第２のディスクと係合する面を有する。中間部は、内側に凹となるように湾曲した長手方向断面中心線を有する。断面中心線は、シール歯がないと仮定して定められる。スペーサは、径方向内側に延在するボア周縁構造部を含まない。

種々の実施例では、中間部は、少なくとも２．０ｃｍの長手方向翼幅を有しうる。第１および第２の端部と中間部とは、金属材料で一体に形成可能である。スペーサは、径方向外側に延在する少なくとも１つのシール歯を含むことができる。スペーサは、第１および第２のディスクと組み合わせることができる。スペーサの第１の端部は、第１のディスクと一体に形成可能である。スペーサの第２の端部は、第２のディスクのカラー部内に締まりばめすることができる。

本発明のまた他の形態は、中心シャフトと、中心シャフトに支持されたロータと、を有するタービンエンジンを含む。ロータは、複数のディスクを含む。各々のディスクは、内側開口部から外側周辺部までそれぞれ径方向に延在する。連結手段が、ディスクを連結するとともに、ロータにわたる長手方向圧縮力を静止状態における第１の力から動作状態における第２の力へと増加させる。

種々の実施例では、動作状態は、５０００ｒｐｍを超える速度によって特徴づけることができる。圧縮力は、第１の力と第２の力との間で実質的に速度に応じて連続的に増加してもよい。第１の力は、５０〜２００ｋＮとすることができる。連結手段は、長手方向断面を有する環状のスペーサ部分を有することができ、この長手方向断面は、静止状態において、第１の値を有する特徴的な凹形状で内側に凹となるように湾曲しており、動作状態において、第１の値よりも小さい第２の値を有する特徴的な凹形状で内側に凹となるように湾曲している。連結手段は、環状のスペーサ部分を少なくとも３つ含むことができる。複数のディスクと複数のスペーサとを圧縮状態で保持する偏心連結部材を含まなくてもよい。

本発明のさらに他の形態は、エンジンの設計方法を含む。第１の速度によって特徴づけられる少なくとも第１の状態において、ロータ群にわたる第１の長手方向圧縮力が求められる。第２の速度によって特徴づけられる少なくとも第２の状態において、ロータ群にわたる第２の長手方向圧縮力が求められる。第２の長手方向圧縮力が第１の長手方向圧縮力を目標値だけ超えるように、ロータ群における複数のスペーサの少なくとも１つが変更される。

種々の実施例では、設計方法は、シミュレーションとして実行することができる。第１の速度は、ゼロとすることができる。設計方法は、初期構造から再設計構造へのエンジン構造の再設計として実行可能である。再設計構造の第１の長手方向圧縮力は、初期構造の第１の長手方向圧縮力よりも小さくすることができる。再設計構造の第２の長手方向圧縮力は、初期構造の第２の長手方向圧縮力と少なくとも同程度とすることができる。

本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の実施形態に開示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項によって明らかとなる。

図１は、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）セクション（図示省略）からコア流路５００に沿って移動する空気を受け入れて、この空気を燃焼器セクション２４に送る高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）セクション２２を有するガスタービンエンジン２０を示している。高速／高圧および低速／低圧のタービンセクション（ＨＰＴ，ＬＰＴ−図示省略）は、コア流路に沿って燃焼器の下流に位置する。エンジンは、さらに、他の装置および特徴部の中でも特に伝動駆動のファン（図示省略）およびオーグメンタ（図示省略）を含みうる。

エンジン２０は、エンジンの長手方向中心軸すなわち中心線５０２を中心に、エンジンの固定構造に対して複数のベアリング装置３０を介して回転可能に設けられた低速シャフト２６および高速シャフト２８を含む。各々のシャフト２６，２８は、（溶接などによって）完全にまたは部分的に一体化されたアセンブリとすることができる。低速シャフトは、低速スプールを構成するようにＬＰＣおよびＬＰＴのロータおよびそのブレードを保持する。高速シャフト２８は、高速スプールを構成するようにＨＰＣおよびＨＰＴのロータおよびそのブレードを保持する。図１は、高速シャフト２８に取り付けられたＨＰＣロータ群３２を示している。例示的なロータ群３２は、前方から後方すなわち上流から下流に向かって、関連するブレードの段３６Ａ〜３６Ｇを支持する７つのブレードディスク３４Ａ〜３４Ｇを含む。隣接するブレード段の各対の間には、コア流路５００に沿って関連するベーンの段３８Ａ〜３８Ｆが設けられている。これらのベーンは、コア流路の外側壁４０の一部を構成する外側プラットフォーム３９Ａ〜３９Ｆからコア流路の内側壁４６の一部を構成する内側プラットフォーム４２Ａ〜４２Ｆまで径方向内向きに延在する。

例示的な実施例では、各々のディスクは、“ボア”５２Ａ〜５２Ｇと呼ばれる内側環状突出部から外側周辺部５４Ａ〜５４Ｇまで径方向外向きに延在する実質的に環状のウェブ５０Ａ〜５０Ｇを有する。ボア５２Ａ〜５２Ｇは、高速シャフト２８の部分５６がクリアランスを介して自由に通過するディスクの中心開口部５５Ａ〜５５Ｇ（図２参照）を囲む。ブレードは、(例えば、連続するミクロ構造を有する単一片として)周辺部５４Ａ〜５４Ｇと一体に形成するか、(例えば、溶接などにより)非一体に形成することができ、または周辺部の相補的なもみの木形溝に補足されるもみの木形ブレード根部などの取付特徴部を介して周辺部に取外し可能に取り付けることができる。

一連のスペーサ６２Ａ〜６２Ｆが、隣接するディスク３４Ａ〜３４Ｇの対を連結するとともに、関連するディスク間の内側／内部環状キャビティ６４Ａ〜６４Ｆと、ディスク間の外側／外部環状キャビティ６６Ａ〜６６Ｆと、を分離する。例示的な実施例では、前方端部７０および後方端部７２において、ロータ群は高速シャフト２８に取り付けられているが、（例えば、ディスクボアなどの）中間部ではシャフト２８から離れている。例示的な実施例では、前方端部７０において、円錐台状のスリーブ部７６の端部に設けられた環状のカラー部７４が、シャフトの外側面部分８０と接触する内側面部分７８と、以下でより詳細に説明する予圧縮リテーナ８４と接触する前方端部リム面８２と、を有する。例示的な実施例では、カラー部７４と円錐台状のスリーブ部７６は、（例えば、スリーブ部７６がそこから前方に延在する、少なくともウェブ５０Ａの内側部分などの）第１のディスク３４Ａの残りの部分と一体に形成されている。後方端部７２では、（高速シャフト２８の隣接部と一体に形成するか、一体化することができる）後部ハブ９０が、外側面９４と前方リム面９６とを有する環状の遠位端部９２まで径方向外側でかつ前方に延在する。外側面は、後方のディスク３４Ｇのウェブ５０Ｇと一体に形成されてここから後方に延在するカラー部１００の内側面９８に対して捕捉される。リム面９６は、ウェブ５０Ｇの背面と接触する。

例示的なエンジンでは、第１のスペーサ６２Ａは、第２のディスクウェブ５０Ｂの前面と第１のディスクウェブ５０Ａの背面との間に延在する実質的に円錐台状のスリーブとして形成される。例示的な第１のスペーサ６２Ａは、溶接部１０８で接合された前部１０４と後部１０６とにより構成される。前部は前方のディスク３４Ａの残りの部分と一体に形成され、後部１０６は第２のディスク３４Ｂの残りの部分と一体に形成される。例示的な第２のスペーサ６２Ｂも、溶接部１１４で接合された前部１１０と後部１１２とにより構成されるとともに、隣接するディスク３４Ｂ，３４Ｃの残りの部分とそれぞれ一体に形成される。しかし、以下でより詳細に説明するように、例示的なスペーサ６２Ｂの長手方向断面は、直線状ではなく実質的に内側に凹となるように湾曲した弓形形状である。例示的なエンジンでは、第３および第４のスペーサ６２Ｃ，６２Ｄは、第４のディスク３４Ｄの残りの部分と一体に形成される。

図３は、第３のスペーサ６２Ｃが、第４のディスクの前面における近位の後方端部１２０から遠位の前方端部１２２まで延在しているのを示している。前方端部１２２は、第３のディスクウェブ５０Ｃの背面から後方に延在するカラー部１２８の内側面１２６に圧入された環状の外側面１２４を有する。前方端部１２２の前方リム面１３０が、第３のディスクウェブの背面の接触部１３２と接する。例示的な実施例では、対となった面１２４，１２６および１３０，１３２は、（以下でより詳細に説明するように）摩擦接触している。また、対となった面の一方または両方に、歯（例えば、歯車様の歯またはキャステレーション）などの嵌合するキーイング手段を任意に設けることができる。第３のスペーサ６２Ｃの中央部１４０が、端部１２０，１２２の間に延在する。この中央部１４０に沿って、長手方向断面が内側に凹となるように湾曲している。例えば、内側面１４２と外側面１４４との間の中心線５２０が内側に凹となるように湾曲している。スペーサは、外側面１４４から外向きに延在する一連の環状の歯１４６を有することができ、これらの歯は、関連するベーンの内側プラットフォームに支持されたアブレイダブルシール１４８とシールを構成する。中心線の例示的な定義では、シール歯は無視される。中央部１４０は、関連するディスクの間の翼幅すなわち離間距離Ｌ₂の大部分とすることができる長手方向の翼幅Ｌ₁を有しうる。Ｌ₁，Ｌ₂は、それぞれのスペーサで異なってもよい。例示的なＬ₂は、４〜１０ｃｍであり、例示的なＬ₁は、２〜８ｃｍである。中央部１４０に沿った例示的な厚みＴは、２〜５ｍｍである。

例示的なエンジンでは、第４のスペーサ６２Ｄは、近位の前部１５０と、遠位の後部１５２と、中央部１５４と、を有する。遠位部１５２は、第５のディスクから前方に突出するカラー部１５６と係合可能であり、これは、第３のスペーサの遠位部１２２とカラー部１２８との係合と同様の方法で実施可能である。例示的な実施例では、第５および第６のスペーサ６２Ｅ，６２Ｆは、第４のディスクに対する第３および第４のスペーサと同様に、第６のディスクの残りの部分と一体に形成される。第５および第６のスペーサは、第５および第７のディスクと係合し、これは、第３および第４のスペーサと第３および第５のディスクとの係合と同様の方法で実施される。スペーサの他の構成も可能である。例えば、スペーサは、隣接するディスクの１つと一体に形成する必要はなく、上述のように２つの隣接するディスクの関連するカラー部と同様に係合する２つの端部を有してもよい。

スペーサ６２Ｂ〜６２Ｆの弓形の性質は、種々の機能の１つまたは複数を有することができ、以下で説明する他の構成に関連して種々の結果の１つまたは複数を達成することができる。

例示的な製造方法では、ディスクは、（チタン合金やニッケル基またはコバルト基の超合金などの）合金から鍛造可能である。例示的な組立シーケンスでは、ハブ９０（図２参照）は、シャフト部５６とともに予形成される（例えば、シャフト部と一体に形成されるか、またはこれに溶接される）。シャフトは、ハブから上向きに突出するように方向づけることができる。ハブを冷却して熱収縮させ、第７のディスク３４Ｇを加熱して膨張させることができる。これにより、後方／最後のディスク３４Ｇをシャフト上に配置してハブに対して設置することができ、初期状態においてハブ面９６がディスクに接するように外側面９４がディスク面９８内に自由に通過可能となる。これらの２つ部品は、最終的に熱的に均等化され、ハブの膨張および／またはディスクの収縮により、これらの部品は面９４，９８の間で熱的に締まりばめされる。しかし、例示的な実施例では、第７のディスク３４Ｇがまだ高温のときに、第６のスペーサの遠位部分が第７のディスクのカラー部の径方向内側に収容されるように、予冷された第６のディスクを同様に定位置に適切に配置することができる。ここでも、続く熱的な均等化により締まりばめが生じる。同様に、第６のディスクがまだ低温のときに、予熱された第５のディスクを定位置に配置するとともに、予冷された第４のディスクを定位置に配置することができる。例示的な第１から第３のディスクは、溶接されたアセンブリとして予形成される。第４のディスクがまだ低温のときに、予熱されたアセンブリを定位置に設置することができる。

例示的なロータ群の組立後に、ロータ群を長手方向に予圧縮する必要がある。予圧縮の方法は、使用される特定のリテーナ８４の特性によって影響されうる。図４は、非圧縮状態の例示的なロータ群を示している。例示的な非圧縮状態では、例示的なリム面８２は、シャフト２８の内向きに延びる環状のさねはぎ溝２０２の後方面／末端２００のかなり前方に位置する。例示的なさねはぎ溝２０２は、前方面２０４と底面２０６とを含む。例示的なエンジンでは、底面２０６は、（例えば、５°〜２０°の）円錐形の半角θ₁で後方に徐々に末広となっている。例示的な前方面２０４および後方面２００は、ほぼ径方向（例えば、径方向から５°以内）である。圧縮力５２２が、取付具の部分４００を介して第１のディスクに加えられ、大きさが等しくかつ反対方向の引張力５２４が取付具の部分４０２を介してその前方のシャフト２８に加えられる。これにより、ロータ群が、図５に示す中間状態に予圧縮される。この中間状態では、リム面８２は、さねはぎ溝の後方面２００の後方に移動する。ロータ群が中間状態のときに、リテーナを定位置に配置することができる。例示的なリテーナは、一対のセグメント２１０Ａ，２１０Ｂを有するセグメント化された固定リングを使用する（図５，６参照）。例示的なリテーナは、２つのセグメントを含み、これらのセグメントは、隣接するセグメントの端部の間に一対の間隙２１１Ａ，２１１Ｂが残るように、１８０°より僅かに小さい弧をそれぞれ有する。間隙がある場合には、これらの間隙によってセグメントの干渉が防止されるとともに、これらのセグメントの完全な設置が可能となる。また、これらの間隙は、均衡の問題を最小化するように非常に小さいことが有利であり、誇張して図示されている。

例示的なセグメントは、溝と実質的に相補的であるとともに断面形状が実質的に台形状であり、前面２１２（図５参照）、背面２１４、内側面２１６、および外側面２１８を有する。応力除去のために、面の交差部を丸くするとともに、これに対応してさねはぎ溝の面の交差部にフィレット部を設けることができる。例示的なエンジンでは、さねはぎ溝は、上述したように完全な還とすることができる。また、さねはぎ溝は、セグメント化された還（例えば、リングセグメント２１０Ａ，２１０Ｂの嵌合部の周方向の翼幅に対応した凹部をそれぞれ有する、１８０°よりも僅かに小さい２つのセグメント）であってもよい。２つより多くのリテーナセグメントを設けることもできる。

セグメントを所定位置に配置した後、セグメント保持手段を提供することができる。例示的なリテーナでは、保持手段は完全な環状の保持リング２２０（図７参照）を含みうる。この保持リングは、外側面２２２と、段付きの内側面と、を有し、内側面は、セグメントの外側面２１８に対応する直径と範囲を有する後部２２４と、比較的小さい前部２２６と、を有する。前部２２６は、径方向のショルダ部２２８によって後部２２４から分離されているとともに、シャフトの隣接部２３０に対応する直径を有する。例示的な実施例では、保持リングは定位置に摺動（移動）され、その前方のベアリング装置用のベアリングリテーナ２３２を続いて設置することでこの位置に保持される。選択的にまたはこれに加えて、面部分２３０，２２６の間には、ねじまたは他の固定係合手段を設けることができる。このように予圧縮リテーナ８４を設置した状態で、ロータ群が僅かに伸長可能となるように加えた力を解除することができる。このような解除により、リム面８２とセグメントの背面２１４とが接触する。リム面８２がリテーナセグメント２１０Ａ，２１０Ｂに押し付けられた状態では、リテーナセグメントの背面２１２がさねはぎ溝の前方面２０４に押し付けられ、ロータ群とシャフト２８との間で力が伝達される。この結果、ロータ群に残りの予圧縮力が加わった状態となり、ロータ群の内部のシャフト２８の部分５６に等しくかつ反対方向の予引張力が加わった状態となる。例示的な予圧縮力は、５０〜２００ｋＮである。有利な力は、ロータ群の寸法によって決まり、比較的長い群では比較的大きな力が必要となる。これを達成するために、組立時の予圧縮力は（例えば、５〜２０％）僅かに大きくすることができる。

動作時には、ロータ群が回転するにつれて、慣性力によってロータ群に応力が加わる。回転によって引き起こされる引張力は半径とともに増加する。例示的なエンジン速度は、比較的小型のエンジンでは５，０００〜２０，０００ｒｐｍであり、比較的大型のエンジンでは１０，０００〜３０，０００ｒｐｍである。高いエンジン速度では、単純な環状部品の外側部分に加わる慣性力により、部品の材料強度を超える引張力が生じるおそれがある。ディスクのボアが当該技術で広く普及しているのはこのためである。（臨界未満の応力レベルを受ける）比較的内側に多くの材料を配置することで、そうでなければディスクの外側部分に加わる超臨界応力の一部がボアに移動する。超臨界引張力は、スペーサでは特に重要である。弓形でないスペーサは、回転によって外側に凸となるように湾曲する傾向があり、スペーサの外側面の近傍で非常に高い引張応力が生じるおそれがある。このような応力により確実に破損が生じないように注意する必要があるので、弓形でないスペーサの使用は制限されうる。例えば、スペーサの長さおよび関連するディスク間の翼幅は実質的に制限される可能性がある。また、スペーサは、比較的内側の径方向位置に制限される可能性がある。このような従来のスペーサは、補強のためにそれ自体のボア（ボア周縁構造部）を有することが必要となりうる。

例示的なエンジンでは、第１のスペーサ６２Ａは、その向きおよび比較的内側の位置により弓形でない形状が可能となっている。残りのスペーサは、内側に凹となるように湾曲している。外向きの遠心荷重により、スペーサが部分的に直線状になる傾向があり、特徴的な凹状の湾曲の程度（例えば、特定の局部または平均の曲率半径の逆数）が減少してしまう。しかし、このような直線化は、ディスク群にかかる圧縮力によって防がれ、超臨界引張力状態ではなくスペーサにかかる圧縮力の増加を生じさせる。よって、回転速度の増加に従って、群にわたる圧縮力が増す傾向がある。このような圧縮力の増加は、いくつかの追加の影響を生じさせる。このような影響の１つは、スペーサの形状に関連する。スペーサが経験する慣性による引張力に対抗することで、直線状のスペーサを有する対応するエンジン（例えば、再設計される基準エンジン）に比べてスペーサを外側に移動させることができる。この外側への移動により、ロータの剛性が増加しうる。また、この外側への移動により、外側のディスク間キャビティの寸法を減少させることが可能になる。この寸法の減少は、これらのキャビティにおけるガスの再循環を減少させることで安定性の増加を補助しうる。これにより、ディスクへの伝熱を減少させることができる。さらに、弓形のスペーサにより、ディスク間の離間距離Ｌ₂の増加が可能となりうる。この離間距離の増加により、比較的長い翼弦を有するブレードおよびベーンのエアフォイルの使用が可能となりうる。例えば、ロータの所定の全長において、実質的に同様の性能を得るためにより少ないディスクを使用すること（例えば、７〜１０のディスクを含む基準ロータ群から１つまたは２つのディスクを削減すること）ができる。このディスク数の減少は、製造コストを減少させうる。

他の利点は、圧縮プロファイル（すなわち、速度とロータ群にわたる長手方向圧縮力との関係）の変更に関連しうる。例えば、再設計された装置では、静止状態から最大速度状態などの速度状態まで、エンジン速度に伴って圧縮力が実質的に連続的に増加しうる。この圧縮プロファイルは、静止状態のときに圧縮力が最大であり、速度の増加に伴って圧縮力が連続的に減少する基準構造から区別することができる。このような再設計により、１つまたは複数の利点または利点の組合せが得られる。第一に、再設計後の速度状態における長手方向圧縮力が、基準の速度状態における長手方向圧縮力よりも高い場合には、スペーサとディスクとの間の係合がより良好となり、これらの接合部におけるかじりや他の損傷／摩耗が減少して寿命が延びる。第二に、基準構造に比べて静止状態の予圧縮力を実質的に（例えば、基準の力の２０〜５０％に）減少させることができる。このような減少により、応力に関連する疲労が減少して寿命が延びる。また、予圧縮力の減少によって製造も容易になりうる。

リテーナ８４の構成は、ロータ群の有利な特性から独立してまたはこれと組み合わさって１つまたは複数の利点を有しうる。例示的なリテーナ８４は、単純なナット式リテーナと対比することができる。このようなナット式リテーナを使用した場合には、ナット式リテーナに対してロータ群が押し付けられて、そのねじを通してシャフトに予圧縮力が伝達される。このようなナット式リテーナを、本発明のロータ群の特徴と組み合わせて使用することができる。しかし、本発明のリテーナによって軽減または解消される難点の１つは、シャフトおよびリテーナねじのかじりや疲労による損傷である。この損傷の原因を解消または軽減することは、エンジン寿命を延長することを補助しうる。他の潜在的な利点は、組立の容易さおよび／または組立時の損傷のおそれの減少を含みうる。例えば、ねじのすべりによるねじの損傷のおそれをなくすことができる。

本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の変更が可能であることが理解されるであろう。例えば、既存のエンジン構造の再設計として適用された場合には、既存の構造の詳細が特定の実施の詳細に影響を与えうる。よって、他の実施例も請求項の範囲に含まれる。

ガスタービンエンジンの長手方向部分断面図である。 図１のエンジンの高圧圧縮機ロータ群の長手方向断面図である。 図２のロータ群の一部の詳細な説明図である。 図１のエンジンのシャフトへの設置の第１の段階におけるロータ群の前縁部分の長手方向断面図である。 設置の第２の段階におけるロータ群の前縁部分の長手方向断面図である。 ロータ群をシャフトに固定するリテーナリングの横方向断面図である。 設置の第３の段階におけるロータ群の前縁部分の長手方向断面図である。

符号の説明

５０Ａ…ウェブ
５２Ａ〜５２Ｇ…内側環状突出部
５４Ａ〜５４Ｇ…外側周辺部
５５Ａ〜５５Ｇ…ディスクの中心開口部
５６…シャフトの部分
６２Ａ〜６２Ｆ…スペーサ
６４Ａ〜６４Ｆ…内部環状キャビティ
６６Ａ〜６６Ｆ…外部環状キャビティ
７０…前方端部
７２…後方端部
７４…カラー部
７６…スリーブ部
７８…カラー部の内側面部分
８０…シャフトの外側面部分
８２…前方端部のリム面
８４…予圧縮リテーナ
９０…後部ハブ
９２…遠位端部
９４…遠位端部の外側面
９６…遠位端部のリム面
９８…カラー部の内側面
１００…カラー部
１０４，１１０…前部
１０６，１１２…後部
１０８，１１４…溶接部
２１０Ａ…リングセグメント

Claims (21)

1. 内側開口部から外側周辺部までそれぞれ径方向に延在する複数のディスクと、
   前記ディスクの隣接する対の間にそれぞれ設けられる複数のスペーサと、
   前記複数のディスクと前記複数のスペーサとを含むロータ群の両端部を支持し、かつ軸を中心にこのロータ群と共に一体に回転するとともに、該ロータ群から中間部で離間された中心シャフトと、を有し、
   前記スペーサは、長手方向断面を有する１つまたは複数の第１のスペーサを含み、前記長手方向断面は、静止状態において内側に凹となるように湾曲した第１の部分を有することを特徴とするタービンエンジン。
2. 第１の部分は、２．０ｃｍ以上の長手方向長さを有することを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
3. 第１のスペーサの少なくとも１つは、前記ディスクの隣接する対のうちの少なくとも第１のディスクと一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
4. 第１のスペーサの少なくとも１つは、前記ディスクの隣接する対の第１のディスクの部分内に締まりばめされた端部を有することを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
5. 複数のディスクと複数のスペーサとを圧縮状態で保持する偏心連結部材を含まないことを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
6. 前記長手方向断面の第１の部分は、少なくとも速度が５０００ｒｐｍの動作状態において、内側に凹となるように湾曲していることを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
7. 前記シャフトは、高速シャフトであり、
   前記複数のディスクは、高速圧縮機セクションのディスクであることを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
8. 前記ディスクの隣接する対の第１のディスクと一体に形成されているか、または第１のディスクと係合する面を有する第１の端部と、
   前記ディスクの隣接する対の第２のディスクと一体に形成されているか、または第２のディスクと係合する面を有する第２の端部と、
   内側に凹となるように湾曲した長手方向断面中心線を有する環状の中間部と、を有し、前記長手方向断面中心線は、シール歯がないと仮定して定められ、
   径方向内側に延在するボア周縁構造部を含まないことを特徴とする請求項１に記載のスペーサ。
9. 前記中間部は、２．０ｃｍ以上の長手方向長さを有することを特徴とする請求項８記載のスペーサ。
10. 第１および第２の端部と前記中間部とは、金属材料で一体に形成されており、
    前記スペーサは、径方向外側に延在する少なくとも１つのシール歯をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のスペーサ。
11. 第１および第２のディスクと請求項８のスペーサとを組み合わせた装置であって、
    前記スペーサの第１の端部は、第１のディスクと一体に形成されており、
    前記スペーサの第２の端部は、第２のディスクのカラー部内に締まりばめされていることを特徴とする装置。
12. 中心シャフトと、
    前記中心シャフトと一体に回転するように該シャフトに両端部で支持されるとともに、該中心シャフトの中間部から離間されたロータと、を有し、
    前記ロータは、
    内側開口部から外側周辺部までそれぞれ径方向に延在する複数のディスクと、
    前記複数のディスクを連結するとともに、前記ロータにわたる長手方向圧縮力を静止状態における第１の力から動作状態における第２の力へと増加させるスペーサと、を含み、このスペーサは、長手方向断面を有する１つまたは複数の第１のスペーサを含み、前記長手方向断面は、静止状態において内側に凹となるように湾曲した第１の部分を有することを特徴とするタービンエンジン。
13. 前記動作状態は、５０００ｒｐｍを超える速度によって特徴づけられ、
    前記圧縮力は、第１の力と第２の力との間で速度に応じて連続的に増加することを特徴とする請求項１２記載のタービンエンジン。
14. 第１の力は、５０〜２００ｋＮであることを特徴とする請求項１２記載のタービンエンジン。
15. 前記スペーサの長手方向断面は、
    前記静止状態において、第１の値を有する特徴的な凹形状で内側に凹となるように湾曲しており、
    前記動作状態において、第１の値よりも小さい第２の値を有する特徴的な凹形状で内側に凹となるように湾曲していることを特徴とする請求項１２記載のタービンエンジン。
16. 前記スペーサを少なくとも３つ含むことを特徴とする請求項１５記載のタービンエンジン。
17. 前記複数のディスクと複数のスペーサとを圧縮状態で保持する偏心連結部材を含まないことを特徴とする請求項１２記載のタービンエンジン。
18. 請求項１に記載のタービンエンジンの設計方法であって、
    第１の速度によって特徴づけられる少なくとも第１の状態において、前記ロータ群にわたる第１の長手方向圧縮力を求め、
    第２の速度によって特徴づけられる少なくとも第２の状態において、前記ロータ群にわたる第２の長手方向圧縮力を求め、
    第２の長手方向圧縮力が第１の長手方向圧縮力を目標値だけ超えるように、前記複数のスペーサの少なくとも１つを変更することを含むことを特徴とするタービンエンジンの設計方法。
19. シミュレーションとして実行されることを特徴とする請求項１８記載のタービンエンジンの設計方法。
20. 第１の速度は、ゼロであることを特徴とする請求項１８記載のタービンエンジンの設計方法。
21. 初期構造から再設計構造へのエンジン構造の再設計として実行される請求項１８記載のタービンエンジンの設計方法であって、
    再設計構造の第１の長手方向圧縮力は、初期構造の第１の長手方向圧縮力よりも小さく、
    再設計構造の第２の長手方向圧縮力は、初期構造の第２の長手方向圧縮力と少なくとも同程度であることを特徴とするタービンエンジンの設計方法。

Images