JP5480965B2 - 低圧タービン - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械のための低圧タービンであって、これらタービンディスクを軸方向に配置し、駆動トルクを伝達し、種々のシール部材を支持するように機能する駆動コーンによって羽根付きのディスクをタービンシャフトへと接続して有しているタービンに関する。

タービンディスクは、タービンディスクの内周および駆動コーンの外周にそれぞれ位置する花弁形（ｆｅｓｔｏｏｎｅｄ）の環状フランジによって駆動コーンへと取り付けられ、花弁形の環状フランジは、中空部および中実部を交互に備えており、中空部が重量を削減するように機能し、中実部がボルトなどの固定部材を通すための穴を有している。

一般に、花弁形のフランジの中実部は、凹状のフィレット（ｆｉｌｅｔ）によってタービンディスクの内周または駆動コーンの外周にそれぞれ接続された凸状のフィレットによって形成される。

ターボ機械が動作しているとき、駆動トルクがタービンディスクから駆動コーンを介してタービンシャフトへと伝達されるが、これによって花弁形のフランジの中実部の根元に応力の集中が生じ、応力が花弁形のフランジの各々の中実部の片側において引っ張りとなり、他方の側において圧縮となることで、これらの中実部が削ぎ落とされる恐れにつながる。

本発明の特段の目的は、このような従来技術の欠点を回避することにある。

この目的のため、本発明は、羽根付きのディスクを駆動コーンによってタービンシャフトへと接続して備えており、羽根付きのディスクおよび駆動コーンが、それぞれ内周および外周に交互の中実部および中空部によってそれぞれが形成された花弁形の環状のフランジを備えており、中実部が固定部材を通すための穴を備えているターボ機械のための低圧タービンであって、上述のフランジの各々の中実部が、非対称である２つの凹状のフィレットによって、ディスクまたは駆動コーンの外周または内周に接続されていることを特徴とするタービンを提案する。

フランジの中実部の接続部が非対称であることで、フランジのうちの動作時に最も応力が加わる領域を補強でき、したがって応力をフランジの各々の中実部の両側において釣り合わせ、その変形を抑え、寿命を延ばすことができる。

本発明の有利な実施形態においては、フランジの中実部をタービンディスクまたは駆動コーンの内周または外周へと接続する２つの凹状のフィレットが、異なる曲率半径を有し、駆動コーンにおいては、回転の方向に関して前方にある凹状のフィレットの曲率半径が、他方のフィレットの曲率半径よりも小さくされ、タービンディスクにおいては、この構成が逆にされる。

一実施形態においては、回転の方向に関して前側にある凹状のフィレットの曲率半径が、花弁形のフランジの中実部の他方の凹状のフィレットの曲率半径よりも２〜２．８倍小さい。

本発明はまた、ターボ機械の低圧タービンディスクであって、中実部が上述のように非対称かつ異なる曲率半径を有する２つの凹状のフィレットによってディスクの内周へと接続されている花弁形の環状のフランジを備えることを特徴とするディスクを提供する。

本発明はまた、ターボ機械の駆動コーンであって、中実部が上述のように非対称かつ異なる曲率半径を有する凹状のフィレットによって駆動コーンの外周へと接続されている花弁形の環状のフランジを備えている駆動コーンを提供する。

本発明はまた、上述のとおりの低圧タービンを備えることを特徴とするターボ機械を提供する。

添付の図面を参照しつつ例として行われる以下の詳細な説明を検討することによって、本発明をよりよく理解することができ、本発明の他の特徴、詳細、および利点がさらに明らかになるであろう。

本発明の低圧タービンの概略の片側縦断面図である。 タービンディスクと駆動コーンとを一体に固定するためのフランジを示している一部分の斜視断面図である。 駆動コーンの花弁形のフランジの中実部を拡大した概略の部分図である。

最初に、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械の本発明の低圧タービンの図である図１を参照する。

知られている様相で、低圧タービンは、ケーシング１０の内側に直列に配置された複数のタービンホイールを有しており、各々のホイールが、ステータノズル１２の下流に位置し、外周に羽根１６を保持したディスク１４を備えている。

図示の例では、低圧タービンが、４つのディスク１４を有しており、４つのディスク１４の羽根の長さが、ターボ機械の燃焼室を出るガスの流れの方向に関して上流から下流へと徐々に大きくなっている。

最も上流側のディスク１４が、このディスクをタービンの後続のディスクの上流側の環状のフランジへと固定する環状のフランジ１８を、下流側に有している。

最も下流側のディスク１４が、このディスクをタービンの先行のディスク１４の下流側の環状のフランジへと固定する上流側の環状のフランジ１８を有している。

２つの中間のディスク１４の各々が、タービンディスク１４の半径方向内側に配置され、タービンシャフトの環状のフランジ２６への固定のための環状のフランジ２４を半径方向内側の端部に備えている駆動コーン２２の環状のフランジ２０へと固定される環状のフランジ１８を有している。

図２においてよりよく見て取ることができるとおり、ディスク１４の環状のフランジ１８および駆動コーン２２の環状のフランジ２０は、花弁形であり、すなわち交互の中実部および中空部によって形成されており、中実部が、凸状の丸みを帯びた形状を有し、ボルトなどの固定部材を通すための開口２８を備えている。

タービンディスク１４または駆動コーン２２の花弁形のフランジの各々の中実部３０は、２つの凹状のフィレット３２および３４によってディスク１４または駆動コーンの外周（内周）へと接続されている（図３）。

本発明によれば、これら２つの凹状のフィレット３２および３４が非対称であり、この非対称の目的は、ターボ機械の動作時のタービンディスクからタービンシャフトへの駆動トルクの伝達に起因する中実部３０の根元３６の応力を、より一様にすることにある。

図３に矢印Ｆで表わされているタービンの回転方向において、回転の方向に関して前側に位置する凹状のフィレット３４の近傍に集中する応力が、圧縮応力である一方で、回転の方向に関して後ろ側に位置する凹状のフィレット３２の近傍に集中する応力は、引っ張り応力である。凹状のフィレット３２の近傍における引っ張り応力は、回転の遠心力に起因する引っ張り応力に加算される。この応力の集中が、ある長さの時間に及ぶ動作の後で中実部３０の根元にせん断破壊を生じさせる可能性がある。

この欠点を避けるために、花弁形のフランジの中実部の２つの凹状のフィレット３２および３４が、非対称であり、特に単純な実施形態においては、異なる曲率半径を有する。このフィレット３２および３４の曲率半径の相違が、タービンディスクから駆動コーンへの駆動トルクの伝達の際に、２つの凹状のフィレットの周囲の応力をより一様にする。

一実施形態においては、被駆動部品である駆動コーンの前側の凹状のフィレット３４の曲率半径が、回転の方向に関して後ろ側に位置する凹状のフィレット３２の曲率半径よりも２〜２．８倍小さい（前側に位置する凹状のフィレット３４が、当該技術分野における通常行われていることに相当する場合）。

本発明の一実施形態においては、駆動コーン２２が、５３０ミリメートル（ｍｍ）の直径を有し、駆動コーンの花弁形の環状のフランジの中実部３０が、５２０ｍｍの外側半径を有し、前側のフィレット３４の曲率半径が、５ｍｍであり、後ろ側の凹状のフィレット３２の曲率半径が、１２ｍｍである。

駆動部品であるタービンディスクの花弁形の環状のフランジ１８の中実部は、図３の構成に比べて反対にされた構成を有しており、すなわち中実部をディスクの内周へと接続している凹状のフィレットが、非対称であり、回転の方向に関して前側に位置する凹状のフィレットが、中実部の反対側に位置する凹状のフィレットの曲率半径よりも大きい曲率半径を有する。

駆動コーンの花弁形のフランジ２０の中実部の前側に位置する凹状のフィレット３４の曲率半径が、後ろ側に位置する凹状のフィレットの曲率半径よりも２〜２．８倍小さい場合に、タービンのディスクへと花弁形のフランジの中実部を接続している凹状のフィレットであって、回転の方向に関して後ろ側にあるフィレットは、前側に位置する凹状のフィレットの曲率半径よりも２〜２．８倍小さい曲率半径を有する。

これにより、動作時の中実部の変形が抑えられ、これらの中実部の両側の応力が釣り合い、駆動コーンおよびタービンディスクの環状の固定フランジの寿命が長くなる。

Claims (7)

1. 羽根付きのディスク（１４）を駆動コーン（２２）によってタービンシャフトへと接続して備えており、羽根付きのディスク（１４）および駆動コーンが、それぞれ内周および外周に交互の中実部（３０）および中空部によってそれぞれが形成された花弁形の環状のフランジ（１８、２０）を備えており、中実部が固定部材を通すための穴（２８）を備えている、ターボ機械のための低圧タービンであって、各々の中実部（３０）が、非対称である２つの凹状のフィレット（３２、３４）によって、ディスク（１４）または駆動コーン（２２）の内周または外周に接続されていることを特徴とする、タービン。
2. ２つの凹状のフィレット（３２、３４）が、異なる曲率半径を有していることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 駆動コーンについて、方向Ｆに関して前方にある凹状のフィレット（３４）の曲率半径が、他方の凹状のフィレット（３２）の曲率半径よりも小さい（タービンディスクについては、この反対）ことを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
4. 駆動コーンについて、回転の方向Ｆに関して前方にある凹状のフィレット（３４）の曲率半径が、他方の凹状のフィレット（３２）の曲率半径よりも２〜２．８倍小さい（タービンディスクについては、この反対）ことを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の花弁形の環状のフランジを備えていることを特徴とする低圧タービンディスク。
6. ターボ機械の低圧タービンの駆動コーンであって、請求項１から４のいずれか一項に記載の花弁形の環状のフランジ（２０）を備えていることを特徴とする、駆動コーン。
7. 航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械であって、請求項１から４のいずれか一項に記載の低圧タービンを備えていることを特徴とする、ターボ機械。

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