ガスタービン回転主軸
【課題】締結機構による締結力を適正に保つことができるガスタービン回転主軸を提供する。
【解決手段】ガスタービン回転主軸１は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転する回転体Ｋ１，Ｋ２と、回転体Ｋ１，Ｋ２に対し同軸に並設されたリング７と、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７を軸線方向に挟持するように締結する締結ボルト機構１８と、を備えている。リング７は、回転軸Ｇを含む面での断面Ｓが、くさび形状とされている。よって、ガスタービン回転主軸１を回転すると、遠心力によってリング７が径方向外側に拡がるように移動する。これに伴って、締結ボルト機構１８で締結された回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長が回転数に応じて変化され、締結ボルト機構１８による締結力が回転数に応じて調整されることとなる。
【解決手段】ガスタービン回転主軸１は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転する回転体Ｋ１，Ｋ２と、回転体Ｋ１，Ｋ２に対し同軸に並設されたリング７と、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７を軸線方向に挟持するように締結する締結ボルト機構１８と、を備えている。リング７は、回転軸Ｇを含む面での断面Ｓが、くさび形状とされている。よって、ガスタービン回転主軸１を回転すると、遠心力によってリング７が径方向外側に拡がるように移動する。これに伴って、締結ボルト機構１８で締結された回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長が回転数に応じて変化され、締結ボルト機構１８による締結力が回転数に応じて調整されることとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの回転主軸であるガスタービン回転主軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン回転主軸としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。このようなガスタービン回転主軸は、中心軸回りに回転する圧縮機翼車及びタービン翼車（回転体）を備えている。そして、これら翼車は、その中央を貫通するように内挿されたタイボルト（締結機構）によって、軸線方向に挟持されるよう一体的に締結されている。
【特許文献１】特開平１０−１３１７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上述したようなガスタービン回転主軸では、回転による遠心力及び熱変形の影響のために、締結機構の締結力が変動する。その結果、締結力が過大になって回転主軸が変形したり、締結力が過小になって振動が発生したりするおそれがある。そのため、ガスタービン回転主軸においては、締結機構による締結力を適正に保つことが強く望まれている。
【０００４】
そこで、本発明は、締結機構による締結力を適正に保つことができるガスタービン回転主軸を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るガスタービン回転主軸は、中心軸回りに回転する回転体と、回転体に対し同軸に並設されたリング体と、回転体及びリング体を軸線方向に挟持するように締結する締結機構とを備え、リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされていることを特徴とする
【０００６】
このガスタービン回転主軸を回転すると、遠心力によってリング体が径方向外側に拡がるように移動する。ここで、リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされている。よって、リング体の径方向外側への移動に伴って、締結機構で締結された回転体及びリング体の軸線方向の実質的な長さ（以下、「軸長」という）が、回転数に応じて変化されることとなる。従って、本発明によれば、締結機構による締結力を回転数に応じて調整することができ、締結力を適正に保つことが可能となる。
【０００７】
また、リング体は、Ｃリング形状とされていることが好ましい。この場合、リング体には、その周方向の一部が切り欠かれたような切れ目が形成されることから、リング体を、遠心力で径方向外側に拡がるように移動させ易くなる。
【０００８】
また、回転体は、具体的には、コンプレッサインペラ及びタービンディスクの少なくとも一方である場合がある。
【０００９】
また、リング体の径方向内側に配設され、熱膨張性を有する熱膨張体をさらに備えることが好ましい。この場合、周囲温度による熱膨張体の熱膨張で、リング体が径方向に移動される。よって、回転体及びリング体の軸長を周囲温度に応じて変化させ、締結機構による締結力を調整することができる。
【００１０】
また、締結機構は、締結ボルト及びナットを含んで構成され、締結ボルトは、回転体及びリング体に対し同軸に内挿され、締結ボルト機構のボルト頭部又はナットは、その径方向外側にて軸線方向に突出する凸部を有することが好ましい。この場合、回転されることで生じる凸部の遠心力により曲げが生じ、締結ボルトの軸長が変化される。その結果、締結ボルトによる締結力が調整されることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、締結機構による締結力を適正に保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービン回転主軸を示す概略断面図、図２（ａ）は図１のリングの拡大断面図、図２（ｂ）はII−II線に沿っての断面図である。図１に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸１は、ガスタービンにおいて回転軸Ｇ回りに回転駆動する動翼としての回転主軸である。ここでのガスタービン回転主軸１は、圧縮部２とタービン部３とが一軸上に配置された一軸型のものである。
【００１４】
圧縮部２は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転するフロントシャフト４及びコンプレッサインペラ５を含んで構成されている。コンプレッサインペラ５は、上流側（図示左側）から流入する空気等のガスを遠心方向に圧送するためのものである。ここでは、コンプレッサインペラ５は、遠心式とされている。
【００１５】
タービン部３は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転するセンターシャフト６、リング（リング体）７、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０を含んで構成されている。
【００１６】
リング７は、センターシャフト６とタービンディスク８との間において、これらに当接するように配置されている。このリング７は、図２（ａ）に示すように、回転軸Ｇを含む面での断面Ｓがくさび形状とされている。具体的には、断面Ｓは、径方向外側に行くに従って狭まるような台形状のくさび形状とされている。
【００１７】
また、リング７は、図２（ｂ）に示すように、回転軸Ｇ方向から見てＣ字状のＣリング形状とされており、周方向の一部が切れてなる切れ目１１を有している。図１に戻り、タービンディスク８，９は、ガスの圧力や運動エネルギーを回転運動のエネルギーへと変換するためのものであり、ここでは、軸流式とされている。
【００１８】
このガスタービン回転主軸１においては、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５、センターシャフト６、リング７、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０は、次のように構成されている。すなわち、回転軸Ｇを中心軸として同軸にこの順で、回転軸Ｇ方向（以下、単に「軸線方向」という）に沿って並設されている。そして、締結機構としての締結ボルト機構１８によって同期回転可能に一体化されている。具体的には、タイボルト等の締結ボルト１５が同軸に内挿されるように設けられ、フロントシャフト４の上流側の端部１６（締結ボルト１５の頭部に相当）とナット１４とで軸線方向に挟持されるよう締結されている。
【００１９】
次に、本実施形態の作用について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、ガスタービン回転主軸１を模試化して説明する。具体的には、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５及びセンターシャフト６を第１回転体Ｋ１とし、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０を第２回転体Ｋ２として模式化する。
【００２０】
図３は、図１のガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。図中においては、ガスタービン回転主軸１が軸対称構造体であることから、断面において回転軸Ｇを介した一方側（図示上方側）のみを示している。
【００２１】
ガスタービン回転主軸１を回転すると、図３（ａ）に示すように、かかる回転の回転数に応じて遠心力が発生し、この遠心力によってリング７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動する。
【００２２】
ここで、リング７は、上述したように、その断面Ｓが径方向外側に行くに従って狭まるようなくさび形状とされている。よって、図３（ｂ）に示すように、リング７が径方向外側に移動するに伴って、締結ボルト機構１８で締結された回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸線方向における実質的な長さ（以下、「軸長」という）が伸長する。その結果、締結ボルト機構１８による締結力（以下、単に「締結力」という）が増加することとなる。
【００２３】
以上、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸１の回転で締結力が低下する場合であっても、その回転数及びくさび形状に応じて、締結力を増加させることができる。すなわち、ガスタービン回転主軸１の回転に応じた締結力調整が可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００２４】
また、本実施形態では、上述したように、リング７がＣリング形状とされ、その周方向の一部が切れてなる切れ目１１が形成されている。そのため、リング７は、回転による遠心力で径が拡がるように変形し易くなる。よって、リング７を、遠心力で径方向外側に容易に移動させることができる。
【００２５】
なお、本実施形態では、上記のように、センターシャフト６及びタービンディスク８間にリング７を配置したが、これに限定されるものではなく、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５、センターシャフト６、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０の何れの間にリング７を配置してもよい。ちなみに、本実施形態のように、外径の大きいセンターシャフト６及びタービンディスク８間にリング７を配置すると、リング７の径も大きくできるため、生じる遠心力を一層高めることが可能となる。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しつつ説明する。図４に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸２０が上記第１実施形態と異なる点は、リング７（図３参照）に代えて、リング２７を備えた点である。リング２７は、その断面Ｓが、径方向外側に行くに従って拡がるような台形状のくさび形状とされている。
【００２７】
このガスタービン回転主軸２０を回転すると、かかる回転の回転数に応じて生じる遠心力によって、リング２７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動する。ここで、リング２７の断面Ｓは、径方向外側に行くに従って拡がるようなくさび形状とされているため、かかるリング７の移動に伴って回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長が縮小し、締結力が低減することとなる。
【００２８】
よって、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸２０の回転で締結力が増大する場合であっても、その回転数及びくさび形状に応じて、締結ボルト１５の締結力を低減させることができる。従って、本実施形態においても、ガスタービン回転主軸２０の回転に応じた締結力調整が可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００２９】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について図５を参照しつつ説明する。図５に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸３０が上記第１実施形態と異なる点は、スペーサ（熱膨張体）３１をさらに備えた点である。スペーサ３１は、リング形状を呈している。このスペーサ３１は、リング７の内面７ａと締結ボルト１５の外面１５ａとの間にて、これらに当接するように配置されている。つまり、スペーサ３１は、リング７に対し径方向内側に配設されている。
【００３０】
このスペーサ３１は、例えば金属で形成され、熱膨張性を有している。具体的には、スペーサ３１は、その周囲温度で径方向に熱膨張可能な特性を有している。このスペーサ３１は、熱膨張係数が大きいものとされ、ここでは、リング７よりも熱膨張係数が大きいものとされている。
【００３１】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸３０では、スペーサ３１の熱膨張係数がリング７よりも大きいものとされている。そのため、リング７は、熱膨張したスペーサ３１によって径方向外側に押圧され、径方向外側に拡がるように移動されることとなる。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を伸長させ、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３２】
なお、本実施形態のように、スペーサ３１がタービン部３に配置されるように構成すると、タービン部３では周囲温度が高いことから、スペーサ３１が一層熱膨張するために好ましい。
【００３３】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について図６を参照しつつ説明する。図６に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸４０が上記第３実施形態と異なる点は、スペーサ３１（図５参照）に代えてスペーサ（熱膨張体）４１を備えた点である。スペーサ４１は、熱膨張係数が小さいものとされ、ここでは、リング７よりも熱膨張係数が小さいものとされている。
【００３４】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸４０では、熱膨張したスペーサ３１によって、リング７が径方向内側（矢印Ｂ方向）に実質的に移動されることとなる。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を縮小させ、締結力を低減させることが可能となる。すなわち、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ４１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３５】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について図７を参照しつつ説明する。図７に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸５０が上記第２実施形態と異なる点は、スペーサ３１をさらに備えた点である。このスペーサ３１は、リング２７よりも熱膨張係数が大きいものとされている。
【００３６】
本実施形態のガスタービン回転主軸５０では、熱膨張したスペーサ３１によって、リング２７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動される。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング２７の軸長を縮小させ、締結力を低減させることができる。すなわち、本実施形態においても、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３７】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について図８を参照しつつ説明する。図８に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸６０が上記第５実施形態と異なる点は、スペーサ３１（図５参照）に代えてスペーサ４１を備えた点である。このスペーサ４１は、リング２７よりも熱膨張係数が小さいものとされている。
【００３８】
本実施形態のガスタービン回転主軸６０では、熱膨張したスペーサ４１によって、リング２７が径方向内側（矢印Ｂ方向）に実質的に移動される。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を伸長させ、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、本実施形態においても、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３９】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について図９を参照しつつ説明する。図９に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸７０が上記第１実施形態と異なる点は、締結ボルト機構１８（図３参照）に代えて、締結ボルト機構（締結機構）７８備えた点である。
【００４０】
締結ボルト機構７８は、締結ボルト７５、フロントシャフト４の上流側の端部７２及びナット７３を含んで構成されている。ナット７３は、凸部７４ａを有している。凸部７４ａは、その軸線方向外側の端面７３ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向外側に突出するよう設けられている。端部７２は、凸部７４ｂを有している。凸部７４ｂは、その軸線方向外側の端面７２ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向外側に突出するよう設けられている。
【００４１】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸７０では、回転で生じる凸部７４ａ，７４ｂの遠心力によって、ナット７３及び端部７２を軸線方向内側に曲げるような曲げモーメントＭ１が発生する。そして、この曲げモーメントＭ１によって締結ボルト７５の軸長が縮小されることとなる。これにより、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、本実施形態では、例えばガスタービン回転主軸７０の回転で締結力が低下する場合でも、その回転数に応じた締結力調整が凸部７４ａ，７４ｂにより可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、リング７に代えてリング２７を備えてもよく、また、スペーサ３１，４１の何れかをさらに備えていてもよい。（後述の第８実施形態にて同じ）。
【００４３】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について図１０を参照しつつ説明する。図１０に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸８０が上記第１実施形態と異なる点は、締結ボルト機構１８（図３参照）に代えて、締結ボルト機構（締結機構）８８を備えた点である。
【００４４】
締結ボルト機構８８は、締結ボルト８５、フロントシャフト４の上流側の端部８２及びナット８３を含んで構成されている。ナット８３は、凸部８４ａを有している。凸部８４ａは、その軸線方向内側の端面８３ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向内側に突出するよう設けられている。端部８２は、凸部８４ｂを有している。凸部８４ｂは、その軸線方向内側の端面８２ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向内側に突出するよう設けられている。
【００４５】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸８０では、回転で生じる凸部８４ａ，８４ｂの遠心力によって、ナット８３及び端部８２を軸線方向外側に曲げるような曲げモーメントＭ２が発生する。そして、この曲げモーメントＭ２によって、締結ボルト８５の軸長が伸長されることとなる。これにより、締結力を低減させることが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸７０の回転で締結力が増加してしまう場合でも、その回転数に応じた締結力調整が凸部８４ａ，８４ｂにより可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ガスタービン回転主軸を一軸型のものとしたが、二軸型のものであってもよい。また、上記実施形態では、コンプレッサインペラ５を遠心式とし、タービンディスク８，９を軸流式としたが、コンプレッサインペラ５を軸流式としてもよいし、タービンディスク８，９を遠心式としても勿論よい。
【００４７】
また、上記実施形態では、リング７，２７の断面Ｓを台形状のくさび形状としたが、三角形状のくさび形状としてもよい。くさび形状は、広義には、断面Ｓにおいて径方向内側の幅と外側の幅とが異なる形状を含んでいる。
【００４８】
また、上記実施形態では、スペーサ３１，４１をリング形状としたが、これに限定されず、リング７，２７よりも径方向内側に配設されていれば種々の形状であってもよい。また、上記第７実施形態では、凸部７４ａ，７４ｂの何れか一方が設けられていればよく、同様に、上記第８実施形態では、凸部８４ａ，８４ｂの何れか一方が設けられていればよい。
【００４９】
また、上記第８実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、凸部８４ａ，８４ｂの突出高さを、径方向外側に行くに従って高くなるように構成してもよい。この場合、ガスタービン回転主軸８０の回転による遠心力によって、回転体Ｋ１，Ｋ２が径方向外側（矢印Ｃ方向）に拡がるよう移動すると、締結ボルト機構８８の回転体Ｋ１，Ｋ２を挟持する挟持面８６，８７間の軸長が縮小するため、締結力が増加する。
【００５０】
また、上記第８実施形態においては、図１１（ｂ）に示すように、凸部８４ａ，８４ｂの突出高さを、径方向外側に行くに従って低くなるように構成してもよい。この場合、ガスタービン回転主軸８０の回転による遠心力によって、回転体Ｋ１，Ｋ２が径方向外側（矢印Ｃ方向）に拡がるよう移動すると、挟持面８６，８７間の軸長が伸長するため、締結力が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービン回転主軸を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１のリングの拡大断面図、（ｂ）はII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１のガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図１１】図１０のガスタービン回転主軸の他の例を模式化した断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０…ガスタービン回転主軸、４…フロントシャフト（回転体）、５…コンプレッサインペラ（回転体）、６…センターシャフト（回転体）、７，２７…リング（リング体）、８，９…タービンディスク（回転体）、１０…リアシャフト（回転体）、１４，７３，８３…ナット、１５，７５，８５…締結ボルト、１６，７２，８２…フロントシャフトの端部、１８，７８，８８…締結ボルト機構（締結機構）、３１，４１…スペーサ（熱膨張体）、７４ａ，７４ｂ，８４ａ，８４ｂ…凸部、Ｇ…回転軸（所定の軸線）、Ｋ１…第１回転体（回転体）、Ｋ２…第２回転体（回転体）、Ｓ…断面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの回転主軸であるガスタービン回転主軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン回転主軸としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。このようなガスタービン回転主軸は、中心軸回りに回転する圧縮機翼車及びタービン翼車（回転体）を備えている。そして、これら翼車は、その中央を貫通するように内挿されたタイボルト（締結機構）によって、軸線方向に挟持されるよう一体的に締結されている。
【特許文献１】特開平１０−１３１７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上述したようなガスタービン回転主軸では、回転による遠心力及び熱変形の影響のために、締結機構の締結力が変動する。その結果、締結力が過大になって回転主軸が変形したり、締結力が過小になって振動が発生したりするおそれがある。そのため、ガスタービン回転主軸においては、締結機構による締結力を適正に保つことが強く望まれている。
【０００４】
そこで、本発明は、締結機構による締結力を適正に保つことができるガスタービン回転主軸を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るガスタービン回転主軸は、中心軸回りに回転する回転体と、回転体に対し同軸に並設されたリング体と、回転体及びリング体を軸線方向に挟持するように締結する締結機構とを備え、リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされていることを特徴とする
【０００６】
このガスタービン回転主軸を回転すると、遠心力によってリング体が径方向外側に拡がるように移動する。ここで、リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされている。よって、リング体の径方向外側への移動に伴って、締結機構で締結された回転体及びリング体の軸線方向の実質的な長さ（以下、「軸長」という）が、回転数に応じて変化されることとなる。従って、本発明によれば、締結機構による締結力を回転数に応じて調整することができ、締結力を適正に保つことが可能となる。
【０００７】
また、リング体は、Ｃリング形状とされていることが好ましい。この場合、リング体には、その周方向の一部が切り欠かれたような切れ目が形成されることから、リング体を、遠心力で径方向外側に拡がるように移動させ易くなる。
【０００８】
また、回転体は、具体的には、コンプレッサインペラ及びタービンディスクの少なくとも一方である場合がある。
【０００９】
また、リング体の径方向内側に配設され、熱膨張性を有する熱膨張体をさらに備えることが好ましい。この場合、周囲温度による熱膨張体の熱膨張で、リング体が径方向に移動される。よって、回転体及びリング体の軸長を周囲温度に応じて変化させ、締結機構による締結力を調整することができる。
【００１０】
また、締結機構は、締結ボルト及びナットを含んで構成され、締結ボルトは、回転体及びリング体に対し同軸に内挿され、締結ボルト機構のボルト頭部又はナットは、その径方向外側にて軸線方向に突出する凸部を有することが好ましい。この場合、回転されることで生じる凸部の遠心力により曲げが生じ、締結ボルトの軸長が変化される。その結果、締結ボルトによる締結力が調整されることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、締結機構による締結力を適正に保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービン回転主軸を示す概略断面図、図２（ａ）は図１のリングの拡大断面図、図２（ｂ）はII−II線に沿っての断面図である。図１に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸１は、ガスタービンにおいて回転軸Ｇ回りに回転駆動する動翼としての回転主軸である。ここでのガスタービン回転主軸１は、圧縮部２とタービン部３とが一軸上に配置された一軸型のものである。
【００１４】
圧縮部２は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転するフロントシャフト４及びコンプレッサインペラ５を含んで構成されている。コンプレッサインペラ５は、上流側（図示左側）から流入する空気等のガスを遠心方向に圧送するためのものである。ここでは、コンプレッサインペラ５は、遠心式とされている。
【００１５】
タービン部３は、中心軸としての回転軸Ｇ回りに回転するセンターシャフト６、リング（リング体）７、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０を含んで構成されている。
【００１６】
リング７は、センターシャフト６とタービンディスク８との間において、これらに当接するように配置されている。このリング７は、図２（ａ）に示すように、回転軸Ｇを含む面での断面Ｓがくさび形状とされている。具体的には、断面Ｓは、径方向外側に行くに従って狭まるような台形状のくさび形状とされている。
【００１７】
また、リング７は、図２（ｂ）に示すように、回転軸Ｇ方向から見てＣ字状のＣリング形状とされており、周方向の一部が切れてなる切れ目１１を有している。図１に戻り、タービンディスク８，９は、ガスの圧力や運動エネルギーを回転運動のエネルギーへと変換するためのものであり、ここでは、軸流式とされている。
【００１８】
このガスタービン回転主軸１においては、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５、センターシャフト６、リング７、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０は、次のように構成されている。すなわち、回転軸Ｇを中心軸として同軸にこの順で、回転軸Ｇ方向（以下、単に「軸線方向」という）に沿って並設されている。そして、締結機構としての締結ボルト機構１８によって同期回転可能に一体化されている。具体的には、タイボルト等の締結ボルト１５が同軸に内挿されるように設けられ、フロントシャフト４の上流側の端部１６（締結ボルト１５の頭部に相当）とナット１４とで軸線方向に挟持されるよう締結されている。
【００１９】
次に、本実施形態の作用について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、ガスタービン回転主軸１を模試化して説明する。具体的には、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５及びセンターシャフト６を第１回転体Ｋ１とし、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０を第２回転体Ｋ２として模式化する。
【００２０】
図３は、図１のガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。図中においては、ガスタービン回転主軸１が軸対称構造体であることから、断面において回転軸Ｇを介した一方側（図示上方側）のみを示している。
【００２１】
ガスタービン回転主軸１を回転すると、図３（ａ）に示すように、かかる回転の回転数に応じて遠心力が発生し、この遠心力によってリング７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動する。
【００２２】
ここで、リング７は、上述したように、その断面Ｓが径方向外側に行くに従って狭まるようなくさび形状とされている。よって、図３（ｂ）に示すように、リング７が径方向外側に移動するに伴って、締結ボルト機構１８で締結された回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸線方向における実質的な長さ（以下、「軸長」という）が伸長する。その結果、締結ボルト機構１８による締結力（以下、単に「締結力」という）が増加することとなる。
【００２３】
以上、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸１の回転で締結力が低下する場合であっても、その回転数及びくさび形状に応じて、締結力を増加させることができる。すなわち、ガスタービン回転主軸１の回転に応じた締結力調整が可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００２４】
また、本実施形態では、上述したように、リング７がＣリング形状とされ、その周方向の一部が切れてなる切れ目１１が形成されている。そのため、リング７は、回転による遠心力で径が拡がるように変形し易くなる。よって、リング７を、遠心力で径方向外側に容易に移動させることができる。
【００２５】
なお、本実施形態では、上記のように、センターシャフト６及びタービンディスク８間にリング７を配置したが、これに限定されるものではなく、フロントシャフト４、コンプレッサインペラ５、センターシャフト６、タービンディスク８，９及びリアシャフト１０の何れの間にリング７を配置してもよい。ちなみに、本実施形態のように、外径の大きいセンターシャフト６及びタービンディスク８間にリング７を配置すると、リング７の径も大きくできるため、生じる遠心力を一層高めることが可能となる。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しつつ説明する。図４に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸２０が上記第１実施形態と異なる点は、リング７（図３参照）に代えて、リング２７を備えた点である。リング２７は、その断面Ｓが、径方向外側に行くに従って拡がるような台形状のくさび形状とされている。
【００２７】
このガスタービン回転主軸２０を回転すると、かかる回転の回転数に応じて生じる遠心力によって、リング２７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動する。ここで、リング２７の断面Ｓは、径方向外側に行くに従って拡がるようなくさび形状とされているため、かかるリング７の移動に伴って回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長が縮小し、締結力が低減することとなる。
【００２８】
よって、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸２０の回転で締結力が増大する場合であっても、その回転数及びくさび形状に応じて、締結ボルト１５の締結力を低減させることができる。従って、本実施形態においても、ガスタービン回転主軸２０の回転に応じた締結力調整が可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００２９】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について図５を参照しつつ説明する。図５に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸３０が上記第１実施形態と異なる点は、スペーサ（熱膨張体）３１をさらに備えた点である。スペーサ３１は、リング形状を呈している。このスペーサ３１は、リング７の内面７ａと締結ボルト１５の外面１５ａとの間にて、これらに当接するように配置されている。つまり、スペーサ３１は、リング７に対し径方向内側に配設されている。
【００３０】
このスペーサ３１は、例えば金属で形成され、熱膨張性を有している。具体的には、スペーサ３１は、その周囲温度で径方向に熱膨張可能な特性を有している。このスペーサ３１は、熱膨張係数が大きいものとされ、ここでは、リング７よりも熱膨張係数が大きいものとされている。
【００３１】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸３０では、スペーサ３１の熱膨張係数がリング７よりも大きいものとされている。そのため、リング７は、熱膨張したスペーサ３１によって径方向外側に押圧され、径方向外側に拡がるように移動されることとなる。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を伸長させ、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３２】
なお、本実施形態のように、スペーサ３１がタービン部３に配置されるように構成すると、タービン部３では周囲温度が高いことから、スペーサ３１が一層熱膨張するために好ましい。
【００３３】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について図６を参照しつつ説明する。図６に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸４０が上記第３実施形態と異なる点は、スペーサ３１（図５参照）に代えてスペーサ（熱膨張体）４１を備えた点である。スペーサ４１は、熱膨張係数が小さいものとされ、ここでは、リング７よりも熱膨張係数が小さいものとされている。
【００３４】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸４０では、熱膨張したスペーサ３１によって、リング７が径方向内側（矢印Ｂ方向）に実質的に移動されることとなる。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を縮小させ、締結力を低減させることが可能となる。すなわち、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ４１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３５】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について図７を参照しつつ説明する。図７に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸５０が上記第２実施形態と異なる点は、スペーサ３１をさらに備えた点である。このスペーサ３１は、リング２７よりも熱膨張係数が大きいものとされている。
【００３６】
本実施形態のガスタービン回転主軸５０では、熱膨張したスペーサ３１によって、リング２７が径方向外側（矢印Ａ方向）に拡がるように移動される。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング２７の軸長を縮小させ、締結力を低減させることができる。すなわち、本実施形態においても、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３７】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について図８を参照しつつ説明する。図８に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸６０が上記第５実施形態と異なる点は、スペーサ３１（図５参照）に代えてスペーサ４１を備えた点である。このスペーサ４１は、リング２７よりも熱膨張係数が小さいものとされている。
【００３８】
本実施形態のガスタービン回転主軸６０では、熱膨張したスペーサ４１によって、リング２７が径方向内側（矢印Ｂ方向）に実質的に移動される。その結果、回転体Ｋ１，Ｋ２及びリング７の軸長を伸長させ、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、本実施形態においても、周囲温度に応じた締結力調整がスペーサ３１によって可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００３９】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について図９を参照しつつ説明する。図９に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸７０が上記第１実施形態と異なる点は、締結ボルト機構１８（図３参照）に代えて、締結ボルト機構（締結機構）７８備えた点である。
【００４０】
締結ボルト機構７８は、締結ボルト７５、フロントシャフト４の上流側の端部７２及びナット７３を含んで構成されている。ナット７３は、凸部７４ａを有している。凸部７４ａは、その軸線方向外側の端面７３ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向外側に突出するよう設けられている。端部７２は、凸部７４ｂを有している。凸部７４ｂは、その軸線方向外側の端面７２ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向外側に突出するよう設けられている。
【００４１】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸７０では、回転で生じる凸部７４ａ，７４ｂの遠心力によって、ナット７３及び端部７２を軸線方向内側に曲げるような曲げモーメントＭ１が発生する。そして、この曲げモーメントＭ１によって締結ボルト７５の軸長が縮小されることとなる。これにより、締結力を増加させることが可能となる。すなわち、本実施形態では、例えばガスタービン回転主軸７０の回転で締結力が低下する場合でも、その回転数に応じた締結力調整が凸部７４ａ，７４ｂにより可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、リング７に代えてリング２７を備えてもよく、また、スペーサ３１，４１の何れかをさらに備えていてもよい。（後述の第８実施形態にて同じ）。
【００４３】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について図１０を参照しつつ説明する。図１０に示すように、本実施形態のガスタービン回転主軸８０が上記第１実施形態と異なる点は、締結ボルト機構１８（図３参照）に代えて、締結ボルト機構（締結機構）８８を備えた点である。
【００４４】
締結ボルト機構８８は、締結ボルト８５、フロントシャフト４の上流側の端部８２及びナット８３を含んで構成されている。ナット８３は、凸部８４ａを有している。凸部８４ａは、その軸線方向内側の端面８３ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向内側に突出するよう設けられている。端部８２は、凸部８４ｂを有している。凸部８４ｂは、その軸線方向内側の端面８２ａの外縁部（径方向外側）において、軸線方向内側に突出するよう設けられている。
【００４５】
以上、本実施形態のガスタービン回転主軸８０では、回転で生じる凸部８４ａ，８４ｂの遠心力によって、ナット８３及び端部８２を軸線方向外側に曲げるような曲げモーメントＭ２が発生する。そして、この曲げモーメントＭ２によって、締結ボルト８５の軸長が伸長されることとなる。これにより、締結力を低減させることが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、例えばガスタービン回転主軸７０の回転で締結力が増加してしまう場合でも、その回転数に応じた締結力調整が凸部８４ａ，８４ｂにより可能となり、締結力を適正に保つことができる。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ガスタービン回転主軸を一軸型のものとしたが、二軸型のものであってもよい。また、上記実施形態では、コンプレッサインペラ５を遠心式とし、タービンディスク８，９を軸流式としたが、コンプレッサインペラ５を軸流式としてもよいし、タービンディスク８，９を遠心式としても勿論よい。
【００４７】
また、上記実施形態では、リング７，２７の断面Ｓを台形状のくさび形状としたが、三角形状のくさび形状としてもよい。くさび形状は、広義には、断面Ｓにおいて径方向内側の幅と外側の幅とが異なる形状を含んでいる。
【００４８】
また、上記実施形態では、スペーサ３１，４１をリング形状としたが、これに限定されず、リング７，２７よりも径方向内側に配設されていれば種々の形状であってもよい。また、上記第７実施形態では、凸部７４ａ，７４ｂの何れか一方が設けられていればよく、同様に、上記第８実施形態では、凸部８４ａ，８４ｂの何れか一方が設けられていればよい。
【００４９】
また、上記第８実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、凸部８４ａ，８４ｂの突出高さを、径方向外側に行くに従って高くなるように構成してもよい。この場合、ガスタービン回転主軸８０の回転による遠心力によって、回転体Ｋ１，Ｋ２が径方向外側（矢印Ｃ方向）に拡がるよう移動すると、締結ボルト機構８８の回転体Ｋ１，Ｋ２を挟持する挟持面８６，８７間の軸長が縮小するため、締結力が増加する。
【００５０】
また、上記第８実施形態においては、図１１（ｂ）に示すように、凸部８４ａ，８４ｂの突出高さを、径方向外側に行くに従って低くなるように構成してもよい。この場合、ガスタービン回転主軸８０の回転による遠心力によって、回転体Ｋ１，Ｋ２が径方向外側（矢印Ｃ方向）に拡がるよう移動すると、挟持面８６，８７間の軸長が伸長するため、締結力が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービン回転主軸を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）は図１のリングの拡大断面図、（ｂ）はII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１のガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係るガスタービン回転主軸を模式化した断面図である。
【図１１】図１０のガスタービン回転主軸の他の例を模式化した断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０…ガスタービン回転主軸、４…フロントシャフト（回転体）、５…コンプレッサインペラ（回転体）、６…センターシャフト（回転体）、７，２７…リング（リング体）、８，９…タービンディスク（回転体）、１０…リアシャフト（回転体）、１４，７３，８３…ナット、１５，７５，８５…締結ボルト、１６，７２，８２…フロントシャフトの端部、１８，７８，８８…締結ボルト機構（締結機構）、３１，４１…スペーサ（熱膨張体）、７４ａ，７４ｂ，８４ａ，８４ｂ…凸部、Ｇ…回転軸（所定の軸線）、Ｋ１…第１回転体（回転体）、Ｋ２…第２回転体（回転体）、Ｓ…断面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸回りに回転する回転体と、
前記回転体に対し同軸に並設されたリング体と、
前記回転体及び前記リング体を軸線方向に挟持するように締結する締結機構と、を備え、
前記リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされていることを特徴とするガスタービン回転主軸。
【請求項２】
前記リング体は、Ｃリング形状とされていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン回転主軸。
【請求項３】
前記回転体は、コンプレッサインペラ及びタービンディスクの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン回転主軸。
【請求項４】
前記リング体の径方向内側に配設され、熱膨張性を有する熱膨張体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のガスタービン回転主軸。
【請求項５】
前記締結機構は、締結ボルト及びナットを含んで構成され、
前記締結ボルトは、前記回転体及び前記リング体に対し同軸に内挿され、
前記締結ボルト機構のボルト頭部又は前記ナットは、その径方向外側にて軸線方向に突出する凸部を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のガスタービン回転主軸。
【請求項１】
中心軸回りに回転する回転体と、
前記回転体に対し同軸に並設されたリング体と、
前記回転体及び前記リング体を軸線方向に挟持するように締結する締結機構と、を備え、
前記リング体は、軸線を含む面での断面がくさび形状とされていることを特徴とするガスタービン回転主軸。
【請求項２】
前記リング体は、Ｃリング形状とされていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン回転主軸。
【請求項３】
前記回転体は、コンプレッサインペラ及びタービンディスクの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン回転主軸。
【請求項４】
前記リング体の径方向内側に配設され、熱膨張性を有する熱膨張体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のガスタービン回転主軸。
【請求項５】
前記締結機構は、締結ボルト及びナットを含んで構成され、
前記締結ボルトは、前記回転体及び前記リング体に対し同軸に内挿され、
前記締結ボルト機構のボルト頭部又は前記ナットは、その径方向外側にて軸線方向に突出する凸部を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のガスタービン回転主軸。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−６５５３８（Ｐ２０１０−６５５３８Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２９８６２（Ｐ２００８−２２９８６２）
【出願日】平成２０年９月８日（２００８．９．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月８日（２００８．９．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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