JP2010084760A

JP2010084760A - ガスタービンエンジンロータ及びそのバランスウェイト

Info

Publication number: JP2010084760A
Application number: JP2009218351A
Authority: JP
Inventors: Michael J Lee; マイケル・ジェイ・リー; Jamie A Cushman; ジェイミー・エイ・クッシュマン; Kevin Norcott; ケビン・ノーコット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: JP5345490B2; EP2169181A2; CA2680645C; EP2169181A3; US20100080689A1; EP2169181B1; CA2680645A1; US8186954B2

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンにおけるロータディスクのボルト無しバランスウェイトを提供すること。
【解決手段】ロータ用バランスウェイト（６２、１６２）は、（ａ）端壁（６８、１６８）によって相互に接続される前壁（６４、１６４）及び後壁（６６、１６６）を含み、前壁、後壁、及び端壁（６８、１６８）が全体としてほぼＵ字形の断面形状を定める弓状本体と、（ｂ）後壁（６６、１６６）から外向きに延び、ロータのフランジを貫通して延びるアパーチャを係合するように適合された突起（７０、１７０）とを含む。
【選択図】図８

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおけるタービンロータのバランシングに関し、より詳細には、こうしたエンジンのロータディスクのボルト無しバランスウェイトに関する。

ガスタービンエンジンは、１つ又はそれ以上のロータを含み、該ロータは、燃焼ガスからエネルギーを取り出す複数の翼形部形タービンブレードを保持するディスクを有する。ディスクの回転速度が高く、ディスク及びブレードの質量が大きいので、タービンのロータを適切にバランシングすることが重要である。場合によってはアンバランスになると、回転する組立体軸受及びエンジン運転に深刻な影響を及ぼす可能性がある。

ロータディスクをバランシングする１つの既知の方法は、追加材料を組み込んだ専用のバランスプレートを備えたディスクを提供することである。これらバランスプレートは、必要に応じて選択的に削り取ることができる。しかしながら、このプロセスは、効率的で再現性のある結果が得られるように実施することが困難である。

タービンディスクをバランシングする別の既知の方法は、ロータのボルト継手を選び出すためにワッシャ又は他のウェイトを付加することである。ディスクをバランシングするのに必要な重みワッシャの数、位置、及び質量は、バランシングされる各タービンディスクのバランス特性に依存する。バランス特性は、各ロータ上のバランス試験によって決定される。タービンロータのアンバランシングを見つけた後、ロータがバランシングされるまで、指定のボルト継手に重みワッシャが付加される。ボルト継手を備えたタービンロータにおいては、この方法は良好に機能しているが、全てのタービンロータがこうした継手を有しているとは限らない。

米国特許第５，０１８，９４３号公報米国特許第６，２７９，４２０号公報米国特許第５，２８０，７３６号公報米国特許第６，４７７，９１６号公報米国特許第６，４８１，９６９号公報米国特許第７，３７１，０４２号公報米国特許第４，４７７，２２６号公報米国特許第５，２０５，１８９号公報米国特許第３，７３６，８１１号公報米国特許出願公開第２００７／０１２８３８５号公報

従来技術のこれら及び他の欠点は、ボルト無しバランスウェイトをタービンロータに提供する本発明によって対処される。

本発明の１つの態様によれば、ロータ用バランスウェイトは、（ａ）端壁によって相互に接続される前壁及び後壁を含み、前壁、後壁、及び端壁が全体としてほぼＵ字形の断面形状を定める弓状本体と、（ｂ）後壁から外向きに延び、ロータのフランジを貫通して延びるアパーチャを係合するように適合された突起とを含む。

本発明の別の態様によれば、タービンロータ組立体は、（ａ）複数のタービンブレードをリムにて保持するよう適合された回転可能ディスクと、（ｂ）ディスクの表面から軸方向に延びるフランジアームと、（ｃ）フランジアームの遠位端に配置され、複数のアパーチャが貫通して延びた半径方向延伸フランジと、（ｄ）ディスク、フランジアーム、及びフランジにより協働的に定められたスロット内に配置されるバランスウェイトと、を備え、バランスウェイトが、（ｉ）端壁によって相互に接続される前壁及び後壁を含み、前壁、後壁、及び端壁が全体としてほぼＵ字形の断面形状を定める弓状本体と、（ｉｉ）後壁から外向きに延び、タービンロータのアパーチャの１つと係合して、バランスウェイトをタービンロータに固定するようにする突起と、を含む。

本発明の１つの態様に従って構成された２つのタービンロータ段を含むガスタービンエンジンの一部の断面図。ガスタービンロータで使用するバランスウェイトの前面斜視図。図２のバランスウェイトの後面斜視図。図２のバランスウェイトが設置されたディスクの部分斜視図。タービンロータで使用するバランスウェイトの後面斜視図。図５のバランスウェイトの前面斜視図。図５のバランスウェイトの側面図。図５のバランスウェイトが設置されたディスクの部分斜視図。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照するとより理解することができる。

種々の図全体を通じて同じ参照符号は同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、公知のタイプのガスタービンエンジンの一部である、ガス発生器タービン１０の一部を示している。ガス発生器タービン１０の機能は、上流側の燃焼器（図示せず）による高温の加圧燃焼ガスからエネルギーを取り出し、このエネルギーを既知の方法で機械仕事に変換することである。ガス発生器タービン１０は、シャフトを通じて上流側圧縮機（図示せず）を駆動し、加圧空気を燃焼器に供給するようにする。

図示の実施例において、エンジンはターボシャフトエンジンであり、作業タービン（図示せず）が、ガス発生器タービン１０の下流側に配置され、出力シャフトに結合されることになる。これは単に、実施可能なタービン構成の１つの例証に過ぎず、本明細書で記載される原理は、ターボファン及びターボジェットエンジンで使用される同じ又は異なる構成のロータ、並びに他の移動体もしくは定置用途で使用されるタービンエンジン、更に他のタイプの機械においてバランシングを必要とするロータに等しく適用可能である。

ガス発生器タービン１０は、円周方向に離間した複数の翼形部形中空第１段ベーン１４を備えた第１段ノズル１２を含み、該ベーン１４は、第１段弓状セグメント外側バンド１６と第１段弓状セグメント内側バンド１８との間で支持される。第１段ベーン１４、第１段外側バンド１６、及び第１段内側バンド１８は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメントに配列され、全体として全３６０°の組立体を形成する。第１段外側及び内側バンド１６、１８は、第１段ノズル１２を通って流れる高温ガス流に対する、外側及び内側半径方向流路境界をそれぞれ定める。第１段ベーン１４は、燃焼ガスを第１段ロータ２０に最適に配向するよう構成される。

第１段ロータ２０は、第１段ディスク２４から外向きに延びる翼形部形第１段タービンブレード２２のアレイを含み、エンジンの中心軸線を中心として回転する。セグメント化弓状第１段シュラウド２６は、第１段タービンブレード２２を近接して囲み、これにより第１段ロータ２０を通って流れる高温ガス流に対する外側半径流路を定めるように配列される。

第２段ノズル２８は、第１段ロータ２０の下流側に位置付けられ、円周方向に離間した複数の翼形部形中空第２段ベーン３０を備え、該ベーン３０は、弓状セグメント第２段外側バンド３２と弓状セグメント第２段内側バンド３４との間に支持される。第２段ベーン３０、第２段外側バンド３２、及び第２段内側バンド３４は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメントに配列され、全体として全３６０°の組立体を形成する。第２段外側及び内側バンド３２、３４は、第２段タービンノズル２８を通って流れる高温ガス流に対して外側及び内側半径方向流路境界をそれぞれ定める。第２段ベーン３０は、第２段ロータ３８に燃焼ガスを最適に配向するように構成される。

第２段ロータ３８は、第２段ディスク４２から半径方向外向きに延びる翼形部形第２段タービンブレード４０の半径方向アレイを含み、エンジンの中心軸線を中心として回転する。セグメント化弓状第２段シュラウド４４は、第２段タービンブレード４０を近接して囲み、これにより第２段ロータ３８を通って流れる高温ガス流に対する外側半径流路境界を定めるように配列される。

第１段ディスク２４は、半径方向に延びる環状フランジ４６を含む。フランジ４６は、第１段ディスク２４の後方側面から軸方向に延びるフランジアーム４８により支持される。第１段ディスク２４、フランジアーム４８、及びフランジ４６は全体として、環状スロット５２を定める。フランジ４６は、貫通して形成されたアパーチャ５４の環状アレイを有する（図４参照）。第２段ディスク４２は、第１段ディスク２４と構成が同様であり、環状フランジ５６、フランジアーム５８、及びスロット６０を含む。

図２及び３は、ディスク２４及び４２で使用するための例示的なバランスウェイト６２を示している。バランスウェイト６２は、ほぼＵ字形の断面であり、端壁６８により相互に接続された離間した前壁６４及び後壁６６を含む。バランスウェイト６２は、好適な合金から作られ、鋳造、スタンピング、又は機械加工などの方法によって形成することができる。バランスウェイト６２は、僅かに弾性があり、設置のため前壁６４及び後壁６６を互いに向かって圧縮することができるが、元の形状に跳ね返るようになる。

バランスウェイト６２の後壁６６は、外向きに突出するディンプル７０を含む。図示の実施例において、前壁６４は、ディンプル７０の横方向及び半径方向位置と整列している切り欠き部を含み、ディンプル７０を成型ダイ又は他の同様のツールを用いて後壁６６内に形成することが可能になる。製造方法に応じて、切り欠き部７２は排除することができる。バランスウェイト６２の全体の寸法、材料厚み、及び特定の断面輪郭は、特定の用途に対する必要性に応じてその質量を増減させるためにサイズを変えることができる。

図４は、バランスウェイト６２がどのようにして設置されるかを示している。設置プロセスは、第１及び第２のディスク２４、４２で同一であり、従って、ディスク２４に関してのみ検討することは理解されるであろう。バランスウェイト６２は、第１段ディスク２４の後方側面５０とフランジ４６との間を摺動するように、バランスウェイト６２を圧縮することによってスロット５２内に位置付けられる。バランスウェイト６２は、ディンプル７０がフランジ４６内のアパーチャ５４の１つと整列するように位置付けられる。ディンプル７０がアパーチャ５４と整列されると、ディンプル７０がスロット５２内で膨張できるようにバランスウェイト６２が解放され、ディンプル７０をアパーチャ５４内に押し付けることによりバランスウェイト６２を固定する。

静止状態では、バランスウェイト６２は、ディンプルの係合及び摩擦力により保持されることになる。タービン１０の運転中、バランスウェイト６２は更に、第１段ディスク２４の回転によって引き起こされる回転力によりスロット５２内に固定される。詳細には、バランスウェイト６２の端壁６８とフランジアーム４８の内径との間には小さなスペースがある。エンジン運転中、これによりバランスウェイト６２は、遠心力による「ハンマーヘッド」効果で後方に回転可能になり、ディンプル７０をアパーチャ５４内に付勢することで、第１段ディスク２４における付加的な保持力を提供する。

図５〜７は、バランスウェイト６２と構造が類似しており、端壁１６８により相互に接続された、離間した前壁１６４及び後壁１６６を含む代替のバランスウェイト１６２を示している。バランスウェイト１６２は、好適な合金から作られ、鋳造、スタンピング、又は機械加工などの方法により形成することができる。バランスウェイト１６２は、僅かに弾性があり、設置のため前壁１６４及び後壁１６６を互いに向かって圧縮することができるが、元の形状に跳ね返るようになる。

後壁１６６は、外向きに突出するピン１７０を含む。ピン１７０は、ろう付け又は溶接により後壁１６６に取り付けられた別個の要素とすることができ、或いは、後壁１６６と共に一体的に形成することができる。図示のように、ピン１７０の後面１７２は、バランスウェイト１６２の設置を容易にするために半径方向外向きに角度が付けられ、又は傾斜しているが、後面１７２はまた、平坦であっても又は他の何らかの好適な幾何形状を有することもできる。

リップ１７４は、後壁１６６の半径方向内側縁部から軸方向後方に延びる。リップ１７４は、バランシングに必要とされる質量に応じた大きさにすることができ、バランスウェイト１６２が設置されたときの安定性を付加することもできる。バランスウェイト１６２の全体の寸法、材料厚み、及び特定の断面輪郭は、特定の用途に対する必要性に応じてその質量を増減させるためにサイズを変えることができる。

図８は、バランスウェイト１６２がどのようにして設置されるかを示している。バランスウェイト６２と同様に、設置プロセスは、第１及び第２段のディスク２４、４２で同一であり、従って、ディスク２４に関してのみ検討することは理解されるであろう。バランスウェイト１６２は、第１段ディスク２４の後方側面５０とフランジ４６との間を摺動するように、バランスウェイト６２を圧縮することによってスロット５２内に位置付けられる。バランスウェイト１６２は、ピン１７０がフランジ４６内のアパーチャ５４の１つと整列するように位置付けられる。ピン１７０がアパーチャ５４と整列されると、ピン１７０がスロット５２内で膨張できるようにバランスウェイト６２が解放され、ピン１７０をアパーチャ５４内に押し付けることにより、バランスウェイト１６２を固定する。

静止状態では、バランスウェイト１６２は、ピンの係合及び摩擦力により保持されることになる。タービン１０の運転中、バランスウェイト１６２は更に、第１段ディスク２４の回転によって引き起こされる回転力によりスロット５２内に固定される。詳細には、バランスウェイト１６２の端壁１６８とフランジアーム４８の内径との間には小さなスペースがある。エンジン運転中、これによりバランスウェイト１６２は、遠心力による「ハンマーヘッド」効果で後方に回転可能になり、ピン１７０をアパーチャ５４内に付勢することで、ディスクにおける付加的な保持力を提供する。

以上、タービンロータのバランスウェイトについて説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく、種々の修正を行い得ることは理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態に関する上記の説明並びに本発明を実施するための最良の形態は、限定の目的ではなく単なる例証として提供される。

２４第１段のディスク
４６フランジ
４８フランジアーム
５０後方側面
５２スロット
５４アパーチャ
１６２バランスウェイト
１６８端壁
１７０ピン
１７４リップ

Claims

ロータ用バランスウェイト（６２、１６２）であって、
（ａ）端壁（６８、１６８）によって相互に接続される前壁（６４、１６４）及び後壁（６６、１６６）を含み、前記前壁、後壁、及び端壁（６８、１６８）が全体としてほぼＵ字形の断面形状を定める弓状本体と、
（ｂ）前記後壁（６６、１６６）から外向きに延び、前記ロータのフランジを貫通して延びるアパーチャを係合するように適合された突起（７０、１７０）と、
を備えた、
バランスウェイト（６２、１６２）。
前記突起（７０、１７０）が、前記後壁（６６、１６６）に形成されたディンプルである、
請求項１に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
前記突起（７０、１７０）が、前記後壁（６６、１６６）に固定されたピンである、
請求項１に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
前記突起（７０、１７０）が、前記後壁（６６、１６６）と一体的に形成されたピンである、
請求項１に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
前記ピンは、該ピンが前記アパーチャに容易に係合できるように適合された外向きの半径方向で整列された後面を有する、
請求項４に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
前記本体が、互いに向かう又は互いから離れる前記前壁及び後壁の弾性撓みを可能にする材料で構成される、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
前記後壁（６６、１６６）の半径方向内側縁部から軸方向後方にリップ（１７４）が延びる、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のバランスウェイト（６２、１６２）。
タービンロータ組立体であって、
（ａ）複数のタービンブレードをリムにて保持するよう適合された回転可能ディスク（２４）と、
（ｂ）前記ディスク（２４）の表面から軸方向に延びるフランジアーム（４８）と、
（ｃ）前記フランジアーム（４８）の遠位端に配置され、複数のアパーチャ（５４）が貫通して延びた半径方向延伸フランジ（４６）と、
（ｄ）前記ディスク（２４）、前記フランジアーム（４８）、及びフランジ（４６）により協働的に定められたスロット内に配置されるバランスウェイト（６２、１６２）と、
を備え、
前記バランスウェイト（６２、１６２）が、
（ｉ）端壁（６８、１６８）によって相互に接続される前壁（６４、１６４）及び後壁（６６、１６６）を含み、前記前壁、後壁、及び端壁（６８、１６８）が全体としてほぼＵ字形の断面形状を定める弓状本体と、
（ｉｉ）前記後壁（６６、１６６）から外向きに延び、前記タービンロータのアパーチャ（５４）の１つと係合して、前記バランスウェイト（６２、１６２）を前記タービンロータに固定するようにする突起（７０、１７０）と、
を有する、
タービンロータ組立体。
前記突起（７０、１７０）が、前記バランスウェイト（６２、１６２）の後壁（６６、１６６）に形成されたディンプルである、
請求項８に記載のタービンロータ組立体。
前記突起（７０、１７０）が、前記バランスウェイト（６２、１６２）の後壁（６６、１６６）に固定されたピンである、
請求項８に記載のタービンロータ組立体。
前記突起（７０、１７０）が、前記バランスウェイト（６２、１６２）の後壁（６６、１６６）と一体的に形成されたピンである、
請求項８に記載のタービンロータ組立体。
前記ピンは、該ピンが前記アパーチャ（５４）に容易に係合できるように適合された外向きの半径方向で角度が付けられた後面を有する、
請求項１１に記載のタービンロータ組立体。
前記前壁及び後壁が前記ディスク（２４）及び前記フランジ（４６）にそれぞれ接して付勢されるように、前記前壁及び後壁の弾性撓みを可能にする材料で前記本体が構成されている、
請求項８乃至１２のいずれか１項に記載のタービンロータ組立体。
前記バランスウェイト（６２、１６２）の後壁（６６、１６６）の半径方向内側縁部から軸方向後方にリップ（１７４）が延びる、
請求項８乃至１３のいずれか１項に記載のタービンロータ組立体。
前記前壁（６４、１６４）が前記タービンロータに隣接するように前記バランスウェイト（６２、１６２）が位置付けられ、前記後壁（６６、１６６）が、前記フランジ（４６）の内側表面に隣接して位置付けられる、
請求項８乃至１４のいずれか１項に記載のタービンロータ組立体。