(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータ用釣合いおもりであって、
（ａ）ブロック状の中心体と、
（ｂ）前記中心体の対向し合う側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、前記中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、
（ｃ）該釣合いおもりの半径方向外側表面から延在する少なくとも１つの位置決め構造と、
を含む釣合いおもり。
【請求項２】
回転防止ラグが前記中心体から半径方向外方に延在している、請求項１に記載の釣合いおもり。
【請求項３】
シャーピンが各々の前記ばねアームの遠端部から半径方向外方に延在している、請求項１に記載の釣合いおもり。
【請求項４】
軸方向に細長いレールが各々の前記ばねアームの遠端部から半径方向外方に延在している、請求項１に記載の釣合いおもり。
【請求項５】
停止ブロックが各々の前記ばねアームの遠端部から半径方向内方に延在している、請求項１に記載の釣合いおもり。
【請求項６】
前記中心体は、自身の半径方向内端部に形成された切欠を含む、請求項１に記載の釣合いおもり。
【請求項７】
（ａ）環状の第１ハブ面と、前記第１ハブ面を囲繞する環状の第１フランジであって、前記第１ハブ面から離間して第１ポケットを形成する第１フランジと、を含むロータ要素と、
（ｂ）前記第１ポケット内に配置される少なくとも１つの釣合いおもりであって、
（ｉ）ブロック状の中心体と、
（ｉｉ）前記中心体の対向側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、前記中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、
（ｉｉｉ）該釣合いおもりから半径方向外方に延在する少なくとも１つの位置決め機構と、を含む少なくとも１つの釣合いおもりと、
を含み、
（ｃ）前記ばねアーム及び前記中心体が、それぞれ前記第１フランジと前記第１ハブ面とに弾性的に当接することにより、該釣合いおもりが前記第１ポケット内に保持される、タービンロータアセンブリ。
【請求項８】
回転防止ラグが前記中心体から半径方向外方に延在して前記第１フランジ内の孔部に係合することにより、前記ロータ要素に対する前記釣合いおもりの軸方向移動を阻止する、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項９】
各々の前記ばねアームが、自身の遠端部から半径方向外方に延在するシャーピンを含み、前記シャーピンが前記第１フランジ内の孔部に係合している、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１０】
各々の前記ばねアームが、自身の遠端部から半径方向外方に延在する軸方向に細長いレールを含み、前記レールが前記第１フランジ内の溝に係合している、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１１】
停止ブロックが各々の前記ばねアームの遠端部から半径方向内方に延在しており、所定の限度を超えて前記ばねアームが屈曲すると前記第１ポケット内への前記釣合いおもりの挿入が阻止されるように、前記停止ブロックの半径方向の高さが選択される、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１２】
前記第１ポケットに当接することにより、前記釣合いおもりを前記第１ポケット内で軸方向に保持する追加部材を更に含む、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１３】
前記中心体が、自身の半径方向内端部に形成された、前記追加部材に当接する切欠を含む、請求項１２に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１４】
（ａ）環状の第２ハブ面と、前記第２ハブ面を囲繞する環状の第２フランジであって、前記第２ハブ面から離間して第２ポケットを形成する第２フランジと、を形成する環状部材と、
（ｂ）前記第２ポケット内に配置される少なくとも１つの釣合いおもりであって、
（ｉ）ブロック状の中心体と、
（ｉｉ）前記中心体の対向し合う側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、前記中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、
（ｉｉｉ）該釣合いおもりから延在する少なくとも１つの位置決め機構と、を含む少なくとも１つの釣合いおもりと、
を含み、
（ｃ）前記ばねアーム及び前記中心体が、それぞれ前記第２フランジと前記第２ハブ面とに弾性的に当接することにより、前記釣合いおもりを前記第２ポケット内に保持する、請求項７に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１５】
前記環状部材が、前記ロータディスクの下流において圧縮機内に配置されるインペラ軸である、請求項１４に記載のタービンロータアセンブリ。
【請求項１６】
環状ハブ面と、前記ハブ面を囲繞する環状フランジであって、前記ハブ面から離間してポケットを形成する環状フランジと、を形成する環状部材を含む、タービンロータアセンブリを釣り合せる方法であって、
（ａ）少なくとも１つの釣合いおもりを初期位置において前記ポケット内に挿入するステップであって、前記釣合いおもりは、
（ｉ）ブロック状の中心体と、
（ｉｉ）前記中心体の対向し合う側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、前記中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、
（ｉｉｉ）前記釣合いおもりから延在する少なくとも１つの位置決め機構と
を含み、
前記ばねアーム及び前記中心体が、それぞれ前記フランジと前記ハブ面とに弾性的に当接することにより、前記釣合いおもりを前記ポケット内に保持する、ステップと、
（ｂ）前記ロータアセンブリで釣り合せ作業を行い、前記釣合いおもりの新しい位置を決定するステップと、
（ｃ）工具を前記ポケット内に挿入して、前記釣合いおもりを前記ポケットから係合解除するステップと、
（ｄ）前記工具を用いて、前記釣合いおもりを前記ポケット内の前記新しい位置に移動させるステップと、
（ｅ）前記工具を取り外して、前記ばねアーム及び前記中心体をそれぞれ前記フランジと前記ハブ面とに弾性的に当接させることにより、前記釣合いおもりを前記ポケット内に保持するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記工具は、
（ａ）細長ハンドルと、
（ｂ）前記ハンドルの端部に配置される湾曲ヘッドと、
（ｃ）前記ハンドルの遠端部から横方向に延在する一対のスパナフィンガと、を含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して回転機械に関し、特にロータを釣り合わせる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは通常、幾つかのロータ段を含み、各ロータ段は、配列状のエアフォイル（即ち、圧縮機又はタービンブレード）を担持するロータディスクを有する。軸受及び支持構造の損傷と過剰な負荷、並びに（例えば、シュラウドの擦れにより生じる）エアフォイルと周囲構造との間隙の減少によってもたらされる効率の低下を防ぐためには、タービンロータを釣り合わせる必要がある。
【０００３】
タービンロータの構成部品をまず釣り合わせようとする努力にもかかわらず、タービンロータは尚、動的な釣合い追従機構を必要とする。そのためには、ロータの質量を再分配するための再配置が必要に応じて可能で、正確な要件を満たすようにシステムの不釣合いを微調整できるようにする釣合いおもりを用いることが望ましい。大型のガスタービンエンジンでは、取り外し可能な釣合いおもりが一般的である。これらの釣合いおもりには、様々な大きさのボルト、ワッシャ、ナット、及びその他の締結具が含まれる。
【０００４】
一部のガスタービンロータ、特に小型エンジンのガスタービンロータにおいては、カービックカップリングと摩擦接合部が、アセンブリの全長にわたる単一のボルト又は１群のボルト（「タイロッド」又は「タイボルト」とよばれる）を用いて組み立てられる。タイボルト構造は、従来のボルト接合部よりも軽量であるが、ボルト穴が無いことにより、取り外し可能な釣合いおもりの取り付けに使用可能な、ロータディスク上の便利な機構が排除されてしまう。そこで、小型タービンエンジン向けの現行の技術では、回転部材上の犠牲表面を選択的に加工することによりアセンブリを釣り合せる。回転軸を中心とするロータの質量の再分配にあたり、最大不釣合い箇所の材料が除去される。このプロセスはやり直しがきかないため、一体的なブレードを有するロータ（即ち「ブリスク」）等の、安全上不可欠で高価な部品が損傷する危険性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４８１７４５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、タービンロータ用の係着式ばね釣合いおもりを提供することにより、従来技術の上記及びその他の欠点に対処するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、タービンロータ用釣合いおもりは、（ａ）ブロック状の中心体と、（ｂ）中心体の対向し合う側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、（ｃ）釣合いおもりの半径方向外側表面から延在する少なくとも１つの位置決め構造とを含む。
【０００８】
本発明の別の態様によると、タービンロータアセンブリは、（ａ）環状の第１ハブ面と、この第１ハブ面を囲繞する環状の第１フランジであって、第１ハブ面から離間して第１ポケットを形成する第１フランジと、を含むロータ要素と、（ｂ）第１ポケット内に配置される少なくとも１つの釣合いおもりであって、（ｉ）ブロック状の中心体と、（ｉｉ）中心体の対向し合う側部から横方向に延在する一対の弾性ばねアームであって、中心体と一緒に弓形状を形成する弾性ばねアームと、（ｉｉｉ）釣合いおもりから半径方向外方に延在する少なくとも１つの位置決め機構とを含む少なくとも１つの釣合いおもりとを含む。ばねアーム及び中心体は、それぞれ第１フランジと第１ハブ面とに弾性的に当接することにより、釣合いおもりを第１ポケット内に保持する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の態様に従って構成されたガスタービンエンジンの断面図である。
【図２】図１に示すエンジンの圧縮機の前部の拡大図である。
【図３】図１に示すエンジンの圧縮機の後部の拡大図である。
【図４】本発明の態様に従って構成された釣合いおもりの斜視図である。
【図５】図４の釣合いおもりの背面図である。
【図６】図１のエンジンのロータディスクに配設された図４の釣合いおもりの斜視図である。
【図７】釣合いおもりに用いるスパナ工具の正面図である。
【図８】図７のスパナ工具の側面図である。
【図９】図７のスパナ工具の背面図である。
【図１０】使用中の図７のスパナ工具の図である。
【図１１】本発明の別の態様に従って構成された釣合いおもりの斜視図である。
【図１２】図１１の釣合いおもりの背面図である。
【図１３】図１のエンジンに配設された図１１の釣合いおもりの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面に関連して下記の説明を参照することにより、本発明を最もよく理解できよう。
【００１１】
様々な図面を通して同一の参照符号で同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、高圧タービン又はガス発生タービン１６、及びワークタービン１８を有し、これらの全てが直列的な流れの関係で配置されている、例示的なガスタービンエンジン１０を示す。圧縮機１２、燃焼器１４、及びガス発生タービン１６を纏めて、「コア」と称する。圧縮機１２が圧縮空気を供給し、この圧縮空気は燃焼器１４内へと送られ、燃焼器において燃料が導入されて燃焼し、高温の燃焼ガスが生成される。この高温の燃焼ガスは、ガス発生タービン１６へと放出され、ここで膨脹してエネルギーが取り出される。ガス発生タービン１６は、インペラ軸２０を介して圧縮機１２を駆動させる。ガス発生タービン１６から流出する加圧空気は、ワークタービン１８へと放出され、そこで更に膨脹してエネルギーが取り出される。ワークタービン１８は、内側軸２２を駆動させる。
【００１２】
図示の例では、エンジンはターボシャフトエンジンであり、内側軸２２が減速ギヤボックス又はプロペラ等の外部負荷に結合されている。しかし、本明細書に記載の原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボファンエンジンだけでなく、その他の輸送手段又は定置用途に用いられるタービンエンジンにも同様に適用可能である。これらの原理は、釣合いを必要とするあらゆるその他の種類の回転機械（例えば、車輪、歯車、軸等）にも適用可能である。
【００１３】
図示の例において、圧縮機１２は、５つの軸流ロータ段と、燃焼器１４のすぐ上流に配置される１つの混流段とを含む。図２に最もわかりやすく示すように、圧縮機１２の第１段ロータ２４は、ロータディスク２６と複数のエアフォイル状の圧縮機ブレード２８とが１つの一体部品として形成されたブレード一体型ロータ、即ち「ブリスク」である。ロータディスク２６の後端部には、環状ハブ面３０と、このハブ面３０の上に延在する環状フランジ３２とが含まれる。ハブ面３０とフランジ３２とが一緒に、ポケット３４を形成する（図６に最もわかりやすく示す）。フランジ３２の内面３６は、自身内に形成された配列状の溝３８を有する（同じく図６参照）。
【００１４】
図３に示すように、圧縮機１２の最終段は、複数のブレード４２を担持するロータディスク４０を含む。環状インペラ軸２０は、ロータディスク４０から軸方向後方に延在する。インペラ軸２０の中間部分は、環状ハブ面４６と、このハブ面４６の上に延在する環状フランジ４８とを含む。ハブ面４６とフランジ４８とは一緒に、ポケット５０を形成する（図１３に最もわかりやすく示す）。フランジ４８は、自身内に形成された環状配列の孔部を含む。図示の例においては、図１３に示すように、この配列体は、穴５４と交互に配置される、開放端部を有するスロット５２を含む。
【００１５】
１つ以上の前部釣合いおもり６０が第１段ロータ２４のポケット３４内に配設され、１つ以上の後部釣合いおもり１６０がインペラ軸２０のポケット５０内に配設される。おもりの厳密な個数、位置、及び分布は、個々のエンジンによって異なる。図示の特定のエンジンでは、２つの釣合いおもりのみを使用する。ロータの不釣合いの補正は、これらのおもりの配置を必要に応じて変更することにより行われる。
【００１６】
図４及び５に、前部釣合いおもり６０の１つをより詳細に示す。前部釣合いおもりは略弓形状であり、弾性ばねアーム６４が自身から横方向外方に延在しているブロック状の中心体６２を含む。切欠６６が中心体６２の半径方向内端部に形成される。各ばねアーム６４の遠端部において、軸方向に細長いレール６８が半径方向外方に延在する。各レール６８の反対側には、停止ブロック７０が半径方向内方に延在する。前部釣合いおもり６０は、弾性的に屈曲可能なばねアームを形成するための適切な密度及び特性を有する、いかなる材料によっても構成可能である。例えば、金属合金を用いることができる。
【００１７】
図６を参照すると、前部釣合いおもり６０は、第１段ロータ２４内に以下のように配設される。ばねアーム６４を中心体６２に対して半径方向内方に屈曲させる。適切な工具又は冶具により、ばねアームをこの位置に保持できる。次に、前部釣合いおもり６０を適切な位置においてポケット３４内へと軸方向に挿入する。その後、ばねアーム６４を解放する。解放後に、残留ばね力がばねアーム６４を半径方向外方に付勢してフランジ３２に当接させ、中心体６２をハブ面３０に当接させる。レール６８がフランジ３２の内面の溝３８に係合することにより、接線方向の移動を阻止する。嵌合部品（この場合は、図２に示す環状軸７２の前端部）が切欠６６に当接することにより、前部釣合いおもり６０の軸方向の移動を阻止する。図６に、配設された状態の、前部釣合いおもり６０の１つを示す。エンジン運転時には、遠心負荷によって前部釣合いおもり６０がフランジ３２に当接する。
【００１８】
釣り合せ作業からわかるように、必要に応じて、圧縮機１２の組立時に、例えばスパナレンチ工具を用いることにより、前部釣合いおもり６０の配置を周方向に変更できる。例えば、図７〜９に、細長ハンドル７６と、スパナフィンガ８０を自身の遠端部から半径方向内方且つ横方向外方に延在させた湾曲ヘッド７８と、を有する適切な工具７４を示す。図１０に示すように、工具７４をポケット３４内に挿入し、この工具を用いてばねアーム６４を半径方向内方に屈曲させることで、レール６８を溝３８から係合解除する。その後、工具７４を接線方向に矢印の方向に移動させることで、スパナフィンガ８０を前部釣合いおもり６０に接触させると、前部釣合いおもりを新しい位置につけることができる。工具７４を取り外すと、レール６８が新しい位置で溝３８に再び係合する。この作業時に、ばねアーム６４を過剰に屈曲させようとすると、停止ブロック７０が環状軸７２に接触する。これにより、ばねアーム６４の永久的な変形を防止する。
【００１９】
図１１及び１２に、後部釣合いおもり１６０の１つをより詳細に示す。後部釣合いおもりは、略弓形状であり、弾性ばねアーム１６４を自身から横方向外方に延在させたブロック状の中心体１６２を含む。回転防止ラグ１６６が、中心体１６２から半径方向外方に延在している。各ばねアーム１６４の遠端部において、シャーピン１６８が半径方向外方に延在している。各シャーピン１６８の反対側には、停止ブロック１７０が半径方向内方に延在している。後側釣合いおもり１６０の前面１７２は、インペラ軸２０のポケット５０の断面形状と補完的な凸形状を有する。後部釣合いおもり１６０は、弾性的に屈曲可能なばねアームを形成するための適切な密度と特性とを有するいかなる材料によっても構成可能である。例えば、金属合金を用いることができる。
【００２０】
図１３に示すように、後部釣合いおもり１６０は前部釣合いおもり６０と同様の方法を用いて以下のように配設される。図１２に矢印で示すように、ばねアーム１６４を中心体１６２に対して半径方向内方に屈曲させる。適切な工具又は冶具により、ばねアームをこの位置に保持することができる。次に、後部釣合いおもり１６０を適切な位置においてポケット５０内へ軸方向に挿入する。停止ブロック１７０が、ばねアーム１６４が過剰に屈曲するとポケット５０内に挿入できなくなるような寸法及び形状になっているので、ばねアーム１６４の永久的な変形を防止する。その後、ばねアーム１６４が解放される。解放後は、残留ばね力が、ばねアーム１６４を半径方向外方に付勢してフランジ４８に当接させると共に、中心体１６２をハブ面４６に当接させる。回転防止ラグ１６６は、フランジ４８のスロット５２の１つに係合する。シャーピン１６８がフランジ４８の穴５４に係合することで、軸方向の移動が阻止される。図１３に、配設された状態の後部釣合いおもり１６０の１つを示す。エンジン運転時には、遠心負荷によって後部釣合いおもり１６０がフランジ４８に当接する。圧縮機ロータの組立時に、冶具又は工具を全く用いずに、必要に応じて後部釣合いおもり１６０を取り外してその配置を変更できる。
【００２１】
釣合いおもり６０及び１６０を「前部」及び「後部」おもりとして説明したが、これらの用語は特定の実施形態の説明において便宜的に用いられているにすぎないことは、理解されよう。個々のエンジン用途と嵌合部材に応じて、いずれの設計をタービンロータディスク又は軸の前面又は後面に用いてもよい。更に、個々の用途に適する釣合いおもりを作製するにあたり、回転防止機構及び軸方向拘束機構を改変すること又は異なる組合せで使用することができる。
【００２２】
本明細書に記載の釣合いおもり設計は、小型エンジン用の現行技術を上回る幾つかの利点を有する。第１段ロータ２４から直接的に器具を除去すると高い応力を受ける重要な回転部品への局所的応力集中に繋がるが、それに比べてプロセス制御が改善される。釣合いおもり６０及び１６０上の、応力が集中するいかなる機構も、精密加工技術を用いて創出することで、更なる制御が可能と思われる。釣合いおもりは、エンジン組立時にいかなる加工も必要とせず、エンジンシステムを汚染しかねない粉塵又はグリットを創出しないので、エンジンの清浄度も高まる。最後に、ロータを釣合い試験機に載せている間に釣合いおもりの配置を容易に変更でき、材料を除去する釣り合せプロセスを伴う補修ループが無くなるので、釣り合せプロセスのサイクル時間が短縮される。
【００２３】
以上、タービンロータ及び釣合いロータアセンブリ用の釣合いおもりについて説明した。本発明の具体的な実施形態を説明したが、当業者には明らかなように、本発明の概念及び範囲から逸脱することなく、これらの実施形態には様々な改変が可能である。したがって、本発明は請求項により定義されるが、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最適な態様についての以上の説明は、限定目的ではなくあくまでも説明目的において提示されたものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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