JP5883610B2 - 不均一な動翼及び静翼間隔を有する回転機械 - Google Patents

不均一な動翼及び静翼間隔を有する回転機械 Download PDF

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Description

本明細書で開示される主題は、回転機械に関し、より詳細には、それぞれのロータ又はステータの周りに配置された動翼及び静翼を有するタービン及び圧縮機に関する。
タービンエンジンは、流体流からエネルギーを抽出し、該エネルギーを有用な仕事に変換する。例えば、ガスタービンエンジンは、燃料−空気混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、次いで、該燃焼ガスがタービン動翼を流れてロータを駆動する。残念ながら、回転しているタービン動翼は伴流及び頭部波を生成し、これはガスタービンエンジンにおいて静止構造体を励振する可能性がある。例えば、伴流及び頭部波は、高温燃焼ガスの経路において静翼、ノズル、翼形部、ロータ、及び他の動翼、その他の振動、早期摩耗、並びに損傷を引き起こす恐れがある。更に、伴流及び頭部波の周期的性質は、ガスタービンエンジンにおいて共振挙動をもたらし、これによりガスタービンエンジンに益々大きな振幅の発振を生じさせる可能性がある。
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
第１の実施形態では、システムは、ステータと、該ステータに対して回転するように構成されたロータとを有し、該ロータがロータの外周の周りに不均一な間隔を有する複数の動翼を備える、回転機械を含む。
第２の実施形態では、装置は、軸線の周りを回転するように構成された複数の第１の動翼を備える第１の段と、軸線の周りを回転するように構成された複数の第２の動翼を備える第２の段と、を有する回転機械を含む。複数の第２の動翼は、軸線に沿って複数の第１の動翼に対してオフセットしており、複数の第１の動翼又は複数の第２の動翼のうちの少なくとも１つが軸線の周りに不均一な動翼間隔を有する。
第３の実施形態では、システムは、第１の軸線の周りを回転するように構成された複数の第１の動翼と、第２の軸線の周りを回転するように構成された複数の第２の動翼とを有し、複数の第１の動翼又は複数の第２の動翼のうちの少なくとも１つが不均一な動翼間隔を有する、タービンエンジンを含む。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
長手方向軸線に沿って切ったガスタービンエンジンの一実施形態の断面図。 動翼の間隔が不均一なロータの一実施形態の正面図。 動翼の間隔が不均一なロータの一実施形態の正面図。 動翼の間隔が不均一なロータの一実施形態の正面図。 各ロータが異なる不均一な動翼の間隔を有する３つのロータの一実施形態の斜視図。 動翼間に異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の正面断面図。 動翼間に異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の上面図。 動翼間に異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の上面図。 Ｔ字型幾何形状を有する動翼の一実施形態の正面図。 異なるサイズのベースを有する動翼を備えるロータの一実施形態の正面断面図。 異なるサイズのベースを有する動翼を備えるロータの一実施形態の平面図。 異なるサイズのベースを有する動翼を備えるロータの一実施形態の平面図。 静翼のベース間に異なるサイズのスペーサを有するステータの一実施形態の正面断面図。 異なるサイズのべーンベースを有するステータの一実施形態の正面断面図。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
開示される実施形態は、回転翼形部又は構造体による伴流及び頭部波の発生を低減するために、タービン又は圧縮機のような回転機械における動翼及び／又は静翼の不均一な間隔に関するものである。以下で検討するように、動翼及び／又は静翼の不均一な間隔により、伴流及び頭部波の周期的な性質が低減又は排除され、これにより回転機械における共振挙動の可能性が低減される。換言すると、動翼及び／又は静翼の不均一な間隔により、動翼及び／又は静翼の周期的間隔及びひいては伴流及び頭部波の周期的駆動力に起因して振幅が増大する伴流及び頭部波の能力を低減又は排除することができる。その代わりに、動翼及び／又は静翼の不均一な間隔は、伴流及び頭部波の非周期的な生成に起因した流路（例えば、静翼、動翼、ステータ、ロータ、その他）内での構造応答を減衰及び低減することができる。特定の実施形態では、動翼及び／又は静翼の不均一な間隔は、隣接動翼又は静翼間に異なるサイズのスペーサ、隣接動翼又は静翼の異なるサイズのベース、或いはこれらの何れかの組み合わせを用いて達成することができる。動翼及び／又は静翼の不均一な間隔は共に、特定の段（例えば、タービン又は圧縮機段）の外周の周りの動翼及び／又は静翼の不均一な間隔、段間の動翼及び／又は静翼の不均一な間隔、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。不均一な動翼及び／又は静翼間隔は、動翼及び／又は静翼によって生成される伴流及び頭部波を効果的に低減及び減衰し、これにより固定翼形部又は構造体上のこのような伴流及び頭部波によって引き起こされる振動、早期摩耗、及び損傷の可能性を低減する。以下の実施形態はガスタービンの関連において検討しているが、あらゆるタービンが不均一な動翼及び／又は静翼間隔を利用して、固定要素における共振挙動を減衰及び低減することができることは理解される。更に、本開示事項は、水、蒸気、その他など、空気以外の流体を移動させる回転機械を保護するものとする。
動翼又は静翼の不均一な間隔の開示された実施形態は、タービン、圧縮機、及び回転ポンプなどのあらゆる好適な回転機械で利用することができる。しかしながら、検討の目的で、開示された実施形態は、ガスタービンエンジンの関連において提示される。図１は、ガスタービンエンジン１５０の一実施形態の側断面図である。以下でより詳細に説明されるように、動翼又は静翼の不均一な間隔は、ガスタービンエンジン１５０内で利用され、流体流における伴流及び頭部波の周期的発振、振動、及び／又は高調波挙動を低減及び／又は減衰させることができる。例えば、動翼又は静翼の不均一な間隔は、ガスタービンエンジン１５０の圧縮機１５２及びタービン１５４で用いることができる。更に、動翼又は静翼の不均一な間隔は、圧縮機１５２及びタービン１５４の単一の段又は多段で用いることができ、また、段毎に異なることができる。
図示の実施形態では、ガスタービンエンジン１５０は、吸気セクション１５６、圧縮機１５２、１以上の燃焼器１５８、タービン１５４、及び排気セクション１６０を含む。圧縮機１５２は、複数の圧縮機断１６２（例えば、１から２０段）を含み、各々が複数の回転圧縮機動翼１６４及び固定圧縮機静翼１６６を有する。圧縮機１５２は、吸気セクション１５６から空気を吸い込み、段１６２における空気圧を漸次的に増大させるように構成される。最終的に、ガスタービンエンジン１５０は、圧縮機１５２からの加圧空気を１以上の燃焼器１５８に配向する。各燃焼器１５８は、加圧空気を燃料と混合し、燃料空気混合気を燃焼させ、タービン１５４に向けて高温燃焼ガスを配向するように構成される。従って、各燃焼器１５８は、１以上の燃料ノズル１６８と、タービン１５４へとつながる移行部品１７０とを含む。タービン１５４は、段１７４、１７６、及び１７８などの複数のタービン段１７２（例えば、１から２０段）を含み、各々が、複数の回転タービン動翼１８０及び固定ノズル組立体又はタービン静翼１８２を有する。更に、タービン動翼１８０は、それぞれのタービンホイール１８４に結合され、該タービンホイールは回転シャフト１８６に結合される。タービン１５４は、燃焼器１５８から高温燃焼ガスを吸い込み、該高温燃焼ガスからエネルギーを漸次的に取り出してタービン段１７２において動翼１８０を駆動するように構成される。高温燃焼ガスによりタービン動翼１８０の回転が生じると、シャフト１８６が回転し、圧縮機１５２及び発電機などの他の何れかの好適な負荷を駆動する。最終的に、ガスタービンエンジン１５０は、排気セクション１６０を通って燃焼ガスを拡散及び排出する。
以下で詳細に検討するように、不均一に離間した動翼又は静翼の様々な実施形態は、共振及び振動などの望ましくない挙動を低減するように流体ダイナミックスを調整するため圧縮機１５２及びタービン１５４に使用することができる。例えば、図２から１４を参照して検討するように、圧縮機動翼１６４、圧縮機静翼１６６、タービン動翼１８０、及び／又はタービン静翼１８２の不均一な間隔は、ガスタービンエンジン１５０において生成される伴流及び頭部波を低減、減衰又は周波数シフトするように選択することができる。これらの種々の実施形態では、動翼又は静翼の不均一な間隔は、特に、共振及び振動の可能性を低減し、これによりガスタービンエンジン１５０の性能を改善し寿命を延ばすように選択される。
図２は、不均一に離間した動翼を有するロータ２００の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２００は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械に配置することができる。例えば、ロータ２００は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせにおいて配置することができる。更に、ロータ２００は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間した動翼の同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２００は、中間線２０６を介して２つの等しいセクション２０２及び２０４（例えば、１８０度毎）にロータ２００を分割することによって説明できる、不均一に離間した動翼２０８を有する。特定の実施形態では、各セクション２０２及び２０４は、異なる数の動翼２０８を有し、これにより不均一な動翼間隔を生成することができる。例えば、図示の上側セクション２０２は、３つの動翼２０８を有するが、図示の下側セクション２０４は６つの動翼２０８を有する。従って、上側セクション２０２は、下側セクション２０４の半数の動翼２０８を有する。他の実施形態では、上側及び下側セクション２０２及び２０４は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ動翼２０８の数が異なることができる。例えば、下側セクション２０４に対する上側セクション２０２の動翼２０８のパーセンテージは、約５０から９９．９９パーセント、７５から９９．９９パーセント、９５から９９．９９パーセントの間にわたることができる。しかしながら、上側及び下側セクション２０２及び２０４間の動翼２０８の数のあらゆる差を利用して、流路中の構造体上の動翼２０８の回転に関連する伴流及び頭部波を低減及び減衰することができる。
加えて、動翼２０８は、各セクション２０２及び２０４内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、上側セクション２０２の動翼２０８は、第１の円周方向間隔２１０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、下側セクション２０４の動翼２０８は、第２の円周方向間隔２１２（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２０２及び２０４は、等しい間隔を有し、円周方向間隔２１０は、円周方向間隔２１２とは異なっている。他の実施形態では、円周方向間隔２１０は、上側セクション２０２において動翼２０８それぞれで異なることができ、及び／又は円周方向間隔２１２は、下側セクション２０４において動翼２０８それぞれで異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一な動翼間隔は、回転翼形部又は構造体による伴流及び頭部波の周期的生成に起因して、固定翼形部及び構造体に対する共振の可能性を低減するように構成される。不均一な動翼間隔は、不均一な回転翼形部又は構造体による非周期的生成に起因して伴流及び頭部波を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一な動翼間隔は、例えば、静翼、動翼、ノズル、ステータ、ロータ、翼形部、その他などの様々な上流側／下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図３は、不均一に離間した動翼を有するロータ２２０の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２２０は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械内に配置することができる。例えば、ロータ２２０は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせ内に配置することができる。更に、ロータ２２０は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間した動翼の同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２２０は、中間線２３０及び２３２を介して４つの等しいセクション２２２、２２４、２２６、及び２２８（例えば、９０度毎）にロータ２００を分割することによって説明できる、不均一に離間した動翼２３４を有する。特定の実施形態では、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８の少なくとも１以上は、他のセクションに対して異なる数の動翼２３４を有し、これにより不均一な動翼間隔を生成することができる。例えば、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、それぞれのセクションにおいて１、２、３、又は４つの異なる数の動翼２３４を有することができる。図示の実施形態では、各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は異なる数の動翼２３４を有する。セクション２２２は、円周方向距離２３６で互いに等間隔に配置された３つの動翼を有し、セクション２２４は、円周方向距離２３８で互いに等間隔に配置された６つの動翼を有し、セクション２２６は、円周方向距離２４０で互いに等間隔に配置された２つの動翼を有し、セクション２２８は、円周方向距離２４２で互いに等間隔に配置された５つの動翼を有する。この実施形態では、セクション２２４及び２２６は、偶数であるが異なる数の動翼２３４を有し、セクション２２２及び２２８は、奇数であるが異なる数の動翼２３４を有する。他の実施形態では、少なくとも１つのセクションは残りのセクションに対して異なる数の動翼２３４を有するという条件下で、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、偶数及び奇数の動翼２３４のあらゆる構成を有することができる。例えば、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ互いに対して動翼２０８の数が異なることができる。
加えて、動翼２３４は、各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、セクション２２２の動翼２３４は、第１の円周方向間隔２３６（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２４の動翼２３４は、第２の円周方向間隔２３８（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２６の動翼２３４は、第３の円周方向間隔２４０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２８の動翼２３４は、第４の円周方向間隔２４２（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は等しい間隔を有するが、円周方向間隔２３６、２３８、２４０、及び２４２はセクション毎に異なっている。他の実施形態では、円周方向間隔は、各個々のセクション内で異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一な動翼間隔は、伴流及び頭部波の周期的生成に起因する共振の可能性を低減するように構成される。更に、不均一な動翼間隔は、動翼２３４による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因して、回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波によって引き起こされる流路内の構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一な動翼間隔は、例えば、静翼、動翼、ノズル、ステータ、ロータ、翼形部、その他などの様々な上流側／下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図４は、不均一に離間した動翼を有するロータ２５０の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２５０は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械内に配置することができる。例えば、ロータ２５０は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせ内に配置することができる。更に、ロータ２５０は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間した動翼の同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２５０は、中間線２５８、２６０及び２６２を介して３つの等しいセクション２５２、２５４、及び２５６（例えば、１２０度毎）にロータ２５０を分割することによって説明できる、不均一に離間した動翼２６４を有する。特定の実施形態では、セクション２５２、２５４、及び２５６の少なくとも１以上は、他のセクションに対して異なる数の動翼２６４を有し、これにより不均一な動翼間隔を生成することができる。例えば、セクション２５２、２５４、及び２５６は、それぞれのセクションにおいて２又は３の異なる数の動翼２６４を有することができる。図示の実施形態では、各セクション２５２、２５４、及び２５６は異なる数の動翼２６４を有する。セクション２５２は、円周方向距離２６６で互いに等間隔に配置された３つの動翼を有し、セクション２５４は、円周方向距離２６８で互いに等間隔に配置された６つの動翼を有し、セクション２５６は、円周方向距離２７０で互いに等間隔に配置された５つの動翼を有する。この実施形態では、セクション２５２及び２５６は、奇数であるが異なる数の動翼２６４を有し、セクション２５４は、偶数の動翼２６４を有する。他の実施形態では、少なくとも１つのセクションは残りのセクションに対して異なる数の動翼２６４を有するという条件下で、セクション２５２、２５４、及び２５６は、偶数及び奇数の動翼２６４のあらゆる構成を有することができる。例えば、セクション２５２、２５４、及び２５６は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ互いに対して動翼２６４の数が異なることができる。
加えて、動翼２６４は、各セクション２５２、２５４、及び２５６内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、セクション２５２の動翼２６４は、第１の円周方向間隔２６６（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２５４の動翼２６４は、第２の円周方向間隔２６８（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２５６の動翼２６４は、第３の円周方向間隔２７０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２５２、２５４、及び２５６は等しい間隔を有しているが、円周方向間隔２６６、２６８、及び２７０はセクション毎に異なっている。他の実施形態では、円周方向間隔は、各個々のセクション内で異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一な動翼間隔は、伴流及び頭部波の周期的生成に起因する共振の可能性を低減するように構成される。更に、不均一な動翼間隔は、動翼２６４による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因して、回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波によって引き起こされる流路中の構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一な動翼間隔は、例えば、静翼、動翼、ノズル、ステータ、ロータ、翼形部、その他などの様々な上流側／下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図５は、３つのロータ２８０、２８２、及び２８４の一実施形態の斜視図であり、各ロータは、動翼２８６の異なる不均一な動翼間隔を有する。例えば、図示のロータ２８０、２８２、及び２８４は、図１に示すような圧縮機１５４又はタービン１５２の３つの段に対応することができる。図示のように、ロータ２８０、２８２、及び２８４の各々は、それぞれの上側セクション２８８、２９０、及び２９２とそれぞれの下側セクション２９４、２９６、及び２９８との間に不均一な間隔のブレーと２８６を有する。例えば、ロータ２８０は、上側セクション２８８に３つの動翼２８６と、下側セクション２９５に５つの動翼２８６とを含み、ロータ２８２は、上側セクション２９０において４つの動翼２８６と、下側セクション２９６において６つの動翼２８６とを含み、ロータ２８４は、上側セクション２９２において５つの動翼２８６と、下側セクション２９８において７つの動翼２８６とを含む。従って、上側セクション２８８、２９０、及び２９２は、各それぞれのロータ２８０、２８２、及び２８４において下側セクション２９４、２９６、及び２９８と比べてより多くの数の動翼２８６を有する。図示の実施形態では、動翼２８６の数は、上側セクション毎に１つの動翼２８６ずつ増大し、また、下側セクション毎に１つの動翼２８６ずつ増大している。別の実施形態では、上側及び下側セクションは、各個々のロータ内で及び／又はロータ毎に約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ動翼２６４の数が異なることができる。加えて、動翼２８６は、各セクション２８８、２９０、２９２、２９４、２９６、及び２９８内で均等又は不均等に離間していてもよい。
これらの実施形態の各々において、不均一な動翼間隔は、伴流及び頭部波の周期的生成に起因した共振の可能性を低減するように構成される。更に、不均一な動翼間隔は、動翼２８６による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因した回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波によって引き起こされる流路中の構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一な動翼間隔は、例えば、静翼、動翼、ノズル、ステータ、ロータ、翼形部、その他などの様々な上流側／下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。図５の実施形態では、不均一な動翼間隔が各個々のロータ２８０、２８２、及び２８４内と、更にロータ間毎との両方に設けられる。従って、ロータ間の不均一性により、回転機械における伴流及び頭部波の周期的生成によって引き起こされる共振の可能性を更に低減することができる。
図６は、動翼３１６のベース３１４間の異なるサイズのスペーサ３１２を有するロータ３１０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのスペーサ３１２は、等しいサイズのベース３１４及び／又は動翼３１６を有する様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にし、これにより動翼３１６の製造コストを低減する。不均一な動翼間隔を提供するためにあらゆる数及びサイズのスペーサ３１２を用いることができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３１２を含む。図示のスペーサ３１２は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３１２のサイズは、小型スペーサの寸法３１８、中型スペーサの寸法３２０、及び大型スペーサの寸法３２２で示されるように、円周方向で異なることができる。特定の実施形態では、複数のスペーサ３１２は、隣接するベース３１４間に配置することができ、ここでスペーサ３１２は等しいサイズ又は異なるサイズの何れかである。換言すると、異なるサイズのスペーサ３１２は、より大きな間隔を生成するために複数の小型スペーサを用いた単一構成又は多部品構成とすることができる。何れの実施形態ではも、寸法３１８、３２０、及び３２２は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ロータ３１０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのスペーサ３１２を含むことができる。異なるサイズのスペーサ３１２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図７は、動翼３２８のベース３２６間に異なるサイズのスペーサ３２４を有するロータ３２２の一実施形態の上面図である。図６の実施形態と同様に、異なるサイズのスペーサ３２４は、等しいサイズのベース３２６及び／又は動翼３２８を有する様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にし、これにより動翼３２８の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ３２４を用いて不均一な動翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３２４を含む。図示のスペーサ３２４は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３２４のサイズは、図５を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのスペーサ３２４（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、スペーサ３２４は、角度付き接合面３３０にて動翼３２８のベース３２６と界接する。例えば、角度付き接合面３３０は、線３３４で示すように、ロータ３２２の回転軸線に対して角度３３２の向きにされる。角度３３２は、約０から６０度、５から４５度、又は１０から３０度の範囲にわたることができる。図示の角度付き接合面３３０は、直線縁部又は平坦面である。しかしながら、接合面３３０の他の実施形態は、非直線状の幾何形状を有することができる。
図８は、動翼３４６のベース３４４間の異なるサイズのスペーサ３４２を有するロータ３４０の一実施形態の平面図である。図６及び８の実施形態と同様に、異なるサイズのスペーサ３４２は、等しいサイズのベース３４４及び／又は動翼３４６を有する様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にし、これにより動翼３４６の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ３４２を用いて不均一な動翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３４２を含む。図示のスペーサ３２４は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３４２のサイズは、図６を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのスペーサ３４２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、スペーサ３４２は、非直線状接合面３５０にて動翼３４６のベース３４４と界接する。例えば、接合面３５０は、第１の湾曲部分３５２と第２の湾曲部分３５４とを含むことができ、これらは互いに同じ又は異なるものとすることができる。しかしながら、接合面３５０はまた、異なる角度の複数の直線状セグメント、１以上の突出部、１以上の凹部、又はこれらの組み合わせなど、他の非直線状幾何形状を有することができる。図示のように、第１及び第２の湾曲部分３５２及び３５４は、互いに反対方向に湾曲している。しかしながら、湾曲部分３５２及び３５４は、他の何れかの湾曲幾何形状を定めることができる。
図９は、開示された実施形態による、不均一な動翼間隔において配列することができる、Ｔ字型幾何形状３６１を有する動翼３６０の一実施形態の正面図である。図示の動翼３６０は、ベース部分３６２と、動翼部分３６４とを含み、これらは互いに一体化（例えば、単一構成）することができる。ベース部分３６２は、第１のフランジ３６６と、第１のフランジ３６６からオフセットした第２のフランジ３６８と、フランジ３６６と３６８間に延びるネック部３７０と、フランジ３６６及び３６８間に配置された対向するスロット３７２及び３７４と、を含む。組立中、フランジ３６６及び３６８並びにスロット３７２及び３７４は、ロータの周りの円周方向レールと相互連結するように構成される。換言すると、フランジ３６６及び３６８並びにスロット３７２及び３７４は、ロータ内の所定場所に円周方向に滑動し、これにより軸方向及び半径方向で動翼３６０を固定するように構成される。図６から８の実施形態では、これらの動翼３６０は、同様のベース部分を有する異なるサイズの複数のスペーサによって円周方向に間隔を置いて配置され、これにより動翼３６０の不均一な動翼間隔を提供することができる。
図１０は、動翼３８８の異なるサイズのベース３８６を有するロータ３８４の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのベース３８６は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にする。異なるサイズのベース３８６と共にスペーサが使用される場合、該スペーサは、不均一な動翼間隔においてより融通性を提供するような等しいサイズ又は異なるサイズとすることができる。あらゆる数の異なるサイズのベース３８６を用いて不均一な動翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース３８６を含む。図示のベース３８６は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース３８６のサイズは、小型ベースの寸法３９０、中型ベースの寸法３９２、及び大型ベースの寸法３９４で示されるように、円周方向で異なることができる。例えば、３つの寸法３９０、３９２、及び３９４は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ロータ３８４は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのベース３８６を含むことができる。異なるサイズのベース３８６（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図１１は、異なるサイズの動翼ベース４０２の支持動翼４０４を有するロータ４００の一実施形態の上面図である。図１０の実施形態と同様に、異なるサイズのベース４０２は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にする。あらゆる数及びサイズのベース４０２を用いて不均一な動翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４０２を含む。図示のベース４０２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４０２のサイズは、図１０を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのベース４０２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、ベース４０２は、角度付き接合面４０６にて互いに界接する。例えば、角度付き接合面４０６は、線４０９で示すように、ロータ４００の回転軸線に対して角度４０８の向きにされる。角度４０８は、約０から６０度、５から４５度、又は１０から３０度の範囲にわたることができる。図示の角度付き接合面４０６は、直線縁部又は平坦面である。しかしながら、接合面４０６の他の実施形態は、非直線状の幾何形状を有することができる。
図１２は、異なるサイズの動翼ベース４１２の支持動翼４４４を有するロータ４１０の一実施形態の上面図である。図１０及び１２の実施形態と同様に、異なるサイズのベース４１２は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一な動翼間隔構成の実装を可能にする。あらゆる数及びサイズのベース４１２を用いて不均一な動翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４１２を含む。図示のベース４１２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４１２のサイズは、図１０を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのベース４１２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、ベース４１２は、非直線状接合面４１６にて互いに界接する。例えば、接合面４１６は、第１の湾曲部分４１８と第２の湾曲部分４２０とを含むことができ、これらは互いに同じ又は異なるものとすることができる。しかしながら、接合面４１６はまた、異なる角度の複数の直線状セグメント、１以上の突出部、１以上の凹部、又はこれらの組み合わせなど、他の非直線状幾何形状を有することができる。図示のように、第１及び第２の湾曲部分４１８及び４２０は、互いに反対方向に湾曲している。しかしながら、湾曲部分４１８及び４２０は、他の何れかの湾曲幾何形状を定めることができる。
上記の検討はロータに注目していたが、本発明の原理はステータにも等しく適用可能である。図１３は、静翼４４６のベース４４４間に異なるサイズのスペーサ４４２を有するステータ４４０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのスペーサ４４２は、等しいサイズのベース４４４及び／又は静翼４４６を有する様々な不均一な静翼間隔構成の実装を可能にし、これにより静翼４４６の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ４４２を用いて不均一な静翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ４４２を含む。図示のスペーサ４４２は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ４４２のサイズは、小型スペーサの寸法４４８、中型スペーサの寸法４５０、及び大型スペーサの寸法４５２で示されるように、円周方向で異なることができる。特定の実施形態では、複数のスペーサ４４２は、隣接するベース４４４間に配置することができ、ここでスペーサ４４２は等しいサイズ又は異なるサイズの何れかである。換言すると、異なるサイズのスペーサ４４２は、より大きな間隔を生成するために複数の小型スペーサを用いた単一構成又は多部品構成とすることができる。何れの実施形態ではも、寸法４４８、４５０、及び４５２は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ステータ３１０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのスペーサ４４２を含むことができる。異なるサイズのスペーサ４４２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図１４は、静翼４６４の異なるサイズのベース４６２を有するステータ４６０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのベース４６２は、スペーサの有無に関係なく様々な不均一な静翼間隔構成の実装を可能にする。異なるサイズのベース４６２と共にスペーサが使用される場合、該スペーサは、不均一な静翼間隔においてより融通性を提供するような等しいサイズ又は異なるサイズとすることができる。あらゆる数の異なるサイズのベース４６２を用いて不均一な静翼間隔を提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４６２を含む。図示のベース４６２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４６２のサイズは、小型ベースの寸法４６６、中型ベースの寸法４６８、及び大型ベースの寸法４７０で示されるように、円周方向で異なることができる。例えば、３つの寸法４６６、４６８、及び４７０は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ステータ４６０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのベース４６２を含むことができる。異なるサイズのベース４６２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
本発明の開示された実施形態の技術的効果は、圧縮機又はタービンなどの回転機械のそれぞれのロータ及びステータ上の動翼及び／又は静翼を不均一に間隔する（離間させる）能力を含む。動翼及び静翼の不均一な間隔は、隣接する動翼及び静翼間の異なるサイズのスペーサ、動翼及び静翼を指示する異なるサイズのベース、又はこれらの組み合わせを用いて達成することができる。不均一な動翼及び静翼間隔はまた、複数のタービン段又は複数の圧縮機断のような、回転機械の複数の段に適用することができる。例えば、各段は、他の段と同じ又は異なることができる不均一な動翼又は静翼間隔を有することができる。これらの実施形態の各々において、不均一な動翼及び静翼間隔は、伴流及び頭部波の周期的生成に起因した共振の可能性を低減するように構成される。更に、不均一な間隔は、動翼によるこれらの非周期的生成に起因して伴流及び頭部波により影響を受ける構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一な動翼及び／又は静翼間隔は、例えば、静翼、動翼、ノズル、ステータ、翼形部、ロータ、その他などの様々な下流側／上流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１５０ ガスタービンエンジン
１５２ 圧縮機
１５４ タービン
１５６ 吸気セクション
１５８ 燃焼器
１６０ 排気セクション
１６２ 圧縮機段
１６４ 圧縮機動翼
１６６ 圧縮機静翼
１６８ 燃料ノズル
１７０ 移行部品
１７２ タービン段
１７４ 段
１７６ 段
１７８ 段
１８０ タービン動翼
１８２ タービン静翼
１８４ それぞれのタービンホイール
１８６ 回転シャフト
２００ ロータ
２０２ セクション
２０４ セクション
２０６ 中間線
２０８ 動翼
２１０ 円周方向間隔
２１２ 円周方向間隔
２２０ ロータ
２２２ セクション
２２４ セクション
２２６ セクション
２２８ セクション
２３０ 中間線
２３２ 中間線
２３４ 動翼
２３６ 円周方向間隔
２３８ 円周方向間隔
２４０ 円周方向間隔
２４２ 円周方向間隔
２５０ ロータ
２５２ セクション
２５４ セクション
２５６ セクション
２５８ 中間線
２６０ 中間線
２６２ 中間線
２６４ 動翼
２６６ 円周方向間隔
２６８ 円周方向間隔
２７０ 円周方向間隔
２８０ ロータ
２８２ ロータ
２８４ ロータ
２８６ 動翼
２８８ 上側セクション
２９０ 上側セクション
２９２ 上側セクション
２９４ 下側セクション
２９６ 下側セクション
２９８ 下側セクション
３１０ ロータ
３１２ スペーサ
３１４ ベース
３１６ 動翼
３１８ 寸法
３２０ 寸法
３２２ 寸法
３２４ スペーサ
３２６ ベース
３２８ 動翼
３３０ 角度付き接合面
３３２ 角度
３３４ 線
３４０ ロータ
３４２ スペーサ
３４４ ベース
３４６ 動翼
３５０ 接合面
３５２ 湾曲部分
３５４ 湾曲部分
３６０ 動翼
３６１ Ｔ字型幾何形状
３６２ ベース部分
３６４ 動翼部分
３６６ フランジ
３６８ フランジ
３７０ ネック部
３７２ スロット
３７４ スロット
３８４ ロータ
３８６ 異なるサイズのベース
３８８ 動翼
３９０ 寸法
３９２ 寸法
３９４ 寸法
４００ ロータ
４０２ ベース
４０４ 支持動翼
４０６ 角度付き接合面
４０８ 角度
４０９ 線
４１０ ロータ
４１２ ベース
４１４ 支持動翼
４１６ 接合面
４１８ 湾曲部分
４２０ 湾曲部分
４４０ ステータ
４４２ スペーサ
４４４ ベース
４４６ 静翼
４４８ 寸法
４５０ 寸法
４５２ 寸法
４６０ ステータ
４６２ 異なるサイズのベース
４６４ 静翼
４６６ 寸法
４６８ 寸法
４７０ 寸法

Claims (6)

  1. 回転機械（１５０）を備えるシステムであって、該回転機械（１５０）が、
    ステータ（４４０）と、
    前記ステータに対して回転するように構成されたロータ（２００）であって、少なくとも４つのセクタ（２２２、２２４、２２６、２２８）を含んでいて、それらのセクタの各々が異なる数の動翼（２０８）を含んでいるロータ（２００）と、
    を備えている、システム。
  2. 前記複数の動翼（２０８）の不均一な間隔が、前記回転機械（１５０）における共振挙動を低減するように構成される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記回転機械（１５０）が、前記ステータ（４４０）及び前記ロータ（２００）を有するタービン（１５４）を含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記回転機械（１５０）が、前記ステータ及び前記ロータ（２００）を有する圧縮機（１５２）を含む、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記ロータ（３１０）の外周の周りで円周方向に異なる幅を有する複数のスペーサ（３１２）によって定められる不均一な間隔を有する複数の動翼（３１６）を含んでいて、前記各スペーサ（３１２）が、前記複数の動翼（３１６）のうちの隣接動翼（３１６）間に円周方向に配置される、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記ロータ（３８４）の外周の周りで円周方向に異なる幅を有する複数の動翼プラットフォーム（３８６）によって定められる不均一な間隔を有する複数の動翼（３１６）を含んでいて、前記複数の動翼の各動翼（３８８）が、前記複数の動翼プラットフォーム（３８６）のそれぞれのプラットフォーム（３８６）に結合される、請求項１に記載のシステム。
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