JP2000248901A - 中空ブレードおよびその固有振動数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空ブレードの重量増加や形状変化を伴うこ
となく、固有振動数をチューニングできること。 【解決手段】 中空構造の翼身部１は、テーパスキン３
の間にディンプルコア４を挟んで接合したものである。
ディンプルコア４は、頂部が平坦なディンプルを両側面
に複数形成したもので、コア全面に対して不均一に分布
し、当該コア面上にてディンプル数が疎な領域と密な領
域とを形成している。ディンプルの頂部と接合するテー
パスキン３内面には、当該頂部に対応したボス３１が分
布している。ボス３１の分布パターンは、ディンプルの
それと一致する。このため、中空ブレード１００の剛性
は、密領域で高く、疎領域で低くなり、かかる剛性分布
を不均一にすることで、中空ブレード１００の固有振動
数をチューニングすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、軸流圧縮機など
に用いられ、重量増加や形状変化を伴わず固有振動数を
チューニングできる中空ブレードおよびその固有振動数
調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】中空ブレードは、比較的大型の送風機や
圧縮機、蒸気タービン、ガスタービン等において、軽量
化を図るため積極的に用いられる。現在、中空ブレード
としては、前縁部分にＤスパーを用い、他の内部をハニ
カム構造にしたもの、押し出し加工により動翼内部にリ
ブを形成したもの、波板コアをスキンで挟んだ構造のも
の等が広く知られている。

【０００３】一般に動翼として用いる中空ブレードは、
翼身部と翼根部とから構成されており、前記翼身部は、
振動強度や空力特性からその形状が決定されている。特
に、疲労破壊に繋がる振動強度については、低次モード
での共振を考慮して調整されることになる。また、翼根
部は、ロータに対するはめ合い構造になっており、かか
る翼根部の形状としては、Ｔ形、タブテール形および鋸
歯形など種々のものが知られている。

【０００４】つぎに、従来の中空ブレードを図８におい
て例示し、詳しく説明する。同図は、中空ブレードのカ
ットモデルを示す斜視図である。この中空ブレード５０
０は、中空構造の翼身部５０１と、タブテール形の翼根
部２とから構成されている。なお、同構成の中空ブレー
ドとしては、特開平５−５２１０１号公報に開示された
もの等が知られている。

【０００５】前記翼身部５０１は、テーパスキン５０３
の間にディンプルコア５０４を挟んで接合したものであ
る。ディンプルコア５０４は、頂部５４１が平坦なディ
ンプル５４２を両側面に複数形成した構造である。ディ
ンプル５４２は、プレス加工や超塑性加工等により一括
成形する。ディンプル５４２の頂部５４１と接合するテ
ーパスキン内面には、当該頂部５４１に対応したボス５
３１が分布している。

【０００６】前記翼根部２は２分割構造である。翼根部
２は、ディンプルコア５０４をテーパスキン５０３で挟
んで固定した後、その根元部分に固定する。図９は、こ
の中空ブレード５００を示す組立図である。テーパスキ
ン内面のボス５３１とディンプル５４２の頂部５４１と
の接合には、ろう付け、液相拡散接合、固相拡散接合等
を用いる。図１０に、図８のＡ−Ａ断面図を示す。この
ように、頂部５４１とボス５３１との接合部５０５は、
テーパスキン内面において等間隔に均等分布している。
このため、中空ブレード５００の剛性分布は、ブレード
全体として均一になる。

【０００７】一般に、中空ブレードを設計するにあたっ
ては、その振動対策を十分に考慮しなければならない。
特に軸流圧縮機の動翼は、遠心力や流体力による静的な
力と、偏流や静翼構造に起因する不均一な流れ場を通過
する際に発生する変動力とを受けることになる。また、
ブレードには不安定振動であるフラッタが多発する。こ
れら振動応力が中空ブレードの固有振動数と一致した場
合、中空ブレードに共振が発生し、最終的には疲労破壊
をもたらすことになる。

【０００８】このため、使用領域で共振を発生させない
ように固有振動数をチューニングする必要があり、従来
から、このような固有振動数のチューニング手段として
板厚を増加させる方法やブレードチップのカットバック
法などが用いられていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、中空ブ
レードの固有振動数を調整するため板厚を大きくする
と、中空ブレードの重量が増加してしまう。このため、
中空構造を採用して軽量化を図るというメリットが損な
われるという問題点があった。また、ブレードチップを
カットバックすると、中空ブレードの形状が変化してし
まうため、初期の設計性能が実現できなくなるという問
題点があった。

【００１０】この問題は、ディンプルコアを用いた上記
中空ブレード５００に限らず、ハニカムコア構造やリブ
構造の中空ブレードにも生じ得る。たとえば、上記特開
平５−５２１０１号公報では、ディンプルサイズを根元
付近で大きくした構造の中空ブレードを開示しているが
（同公報図４参照）、やはり、ブレード先端からその根
元付近にかけて剛性分布が均一になるため、固有振動数
のチューニングには、上記板厚を大きくする方法等を用
いなければならない。

【００１１】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、重量増加や形状変化を伴うことなく、固有振動
数をチューニングできるようにする中空ブレードおよび
その固有振動数調整方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明の請求項１にかかる中空ブレードは、頂
部を有するコア材の両面にスキンを接合することで中空
構造にすると共に、前記コア材の形状を部分的に変えて
ブレードの固有振動数を調整するようにしたものであ
る。

【００１３】たとえば、ディンプルコアやハニカムコア
などの頂部を有するコア材をスキンで挟んで接合する
と、ブレードを中空軽量で剛性の高い構造にすることが
できる。また、コア材の形状を部分的に変えると、ブレ
ードの剛性に不均一な分布をもたせることができる。ブ
レードの固有振動数はその剛性分布によって変化するか
ら、かかる分布状態によって固有振動数を調整すること
が可能になる。このようにすれば、ブレードの板厚を大
きくしたり、ブレードチップをカットバックする必要が
なくなる。

【００１４】この発明の請求項２にかかる中空ブレード
は、頂部を有するコア材の両面にスキンを接合すること
で中空構造にすると共に、ブレードの固有振動数を調整
するため、前記頂部とスキン内面との接合部の分布を疎
領域と密領域とに分けたものである。

【００１５】たとえば、ディンプルコアなどのコア材を
スキンで挟んで接合すると、ブレードが中空構造にな
る。また、頂部とスキン内面との接合部は、前記ディン
プルコアならスポット形状に、前記ハニカムコアなら蜂
の巣形状になる。この接合部の分布を疎領域と密領域と
に分けると、ブレードの剛性に不均一な分布を持たせる
ことができる。ブレードの固有振動数はその剛性分布に
よって変化するから、かかる分布状態によって固有振動
数を調整することが可能になる。従って、板厚を大きく
したり、ブレードチップをカットバックする必要がな
い。

【００１６】この発明の請求項３にかかる中空ブレード
は、上記中空ブレードにおいて、前記コア材をディンプ
ルコアとしたものである。コア材としては他にハニカム
コアや波板などが挙げられるが、これらは形状の自由度
が少なく剛性変化を任意に設定することが難しいので、
上記コア材としては設計の自由度が高いディンプルコア
が優れている。

【００１７】つぎに、この発明の請求項４にかかる中空
ブレードの固有振動数調整方法は、ブレードの共振を回
避するのに最適な固有振動数を得るため、コア材の形状
を部分的に変えることで固有振動数を調整するようにし
たものである。コア材の形状を部分的に変えると、上記
したように、ブレードの剛性分布を変化させることにな
る。ブレードの固有振動数はその剛性分布によって変化
するから、かかる分布状態によって固有振動数を調整す
ることが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の中空ブレードおよ
びその固有振動数調整方法にかかる実施の形態につき図
面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態
により本発明が限定されるものではない。

【００１９】実施の形態１．図１は、この発明の実施の
形態１にかかる中空ブレードのカットモデルを示す斜視
図である。この中空ブレード１００は、中空構造の翼身
部１と、タブテール形の翼根部２とから構成されてい
る。前記翼身部１は、テーパスキン３の間にディンプル
コア４を挟んで接合したものである。テーパスキン３の
材料には、鍛造チタン合金を用いるのが一般的である
が、ＦＲＰ、ＦＲＭその他の複合材料を用いることもで
きる。静翼の場合には、アルミ合金や鉄系合金を用い
る。他の加工法としては、ロストワックス法や真空鋳造
など種々の方法を用いることができる。また、単結晶翼
を製造するため一方向凝固法を用いてもよい。

【００２０】図２に、ディンプルコアの平面図を示す。
ディンプルコア４は、頂部４１が平坦なディンプル４２
を両側面に複数形成した構造である。ディンプル４２
は、卵のパッケージのような形状であって、プレス加工
や超塑性加工等により一括成形する。このディンプル４
２はコア全面に対して不均一に分布し、当該コア面上に
てディンプル数が疎な領域と密な領域とを形成する。具
体的には、ブレードの長手方向に２列の密領域４ａを形
成し、これと直交する方向に１列の密領域４ｂを形成す
る。密領域４ａ、４ｂ以外が疎領域４ｃとなる。ディン
プルコア４には、チタン合金、高力アルミニウム合金な
どの超塑性材料を用いる。

【００２１】ディンプル４２の頂部４１と接合するよう
に、テーパスキン３内面には、当該頂部４１に対応した
ボス３１が分布している。ボス３１の分布パターンは、
ディンプル４２のそれと一致する。図３は、図１のＢ−
Ｂ断面図である。テーパスキン３内面にボス３１を形成
したのは、テーパスキン３とディンプルコア４との接合
部５に応力集中してクラックが発生するのを防止するた
めである。

【００２２】テーパスキン３内面のボス３１とディンプ
ル４２の頂部４１との接合には、ろう付け、液相拡散接
合、固相拡散接合等を用いる。同図に示すように、ボス
３１と頂部４１との接合部間隔を比較すると、疎領域で
接合部間隔Ｌ１が広く、密領域で接合部間隔Ｌ２が狭く
なる。このため、中空ブレード１００の剛性は、密領域
で高く、疎領域で低くなり全体として不均一になる。

【００２３】前記翼根部２は、２分割構造のタブテール
形である。翼根部２は、ディンプルコア４をテーパスキ
ン３で挟んで溶接接合した後、その根元部分に接合す
る。この他、翼根部２は、Ｔ形、クリスマスツリー形、
鋸歯形などにしてもよい。また、テーパスキンと翼根部
を一体構造にしてもよい。

【００２４】中空ブレード１００の剛性分布を不均一に
することで、固有振動数を変化させることができる。物
体の重量を変えずにその構造を変えた場合の固有振動数
の変化について、簡単な構造を例示してみる。たとえ
ば、断面積が同一（＝重量同一）である、図４（ａ）に
示す断面Ｉ形の梁５０と、同図（ｂ）に示す断面Ｈ形の
梁６０とが有する１次モード（振動が問題になるのは低
次の基本モードである）の固有振動数を比較すると、後
者である断面Ｈ形の梁６０の方が固有振動数が高くな
る。すなわち、このモデルから、物体の重量を増加させ
ず、固有振動数を変化させることができるのが判る。

【００２５】以上から、この中空ブレード１００では、
ボス３１と頂部４１との接合部５の分布パターンを変更
することで、中空ブレード１００の固有振動数をチュー
ニングすることができる。このため、中空ブレードの板
厚を大きくしたり、ブレードチップをカットバックする
ことを必要とせず、タービン使用域における共振を回避
できる。また、前記接合部の分布パターンは無限に存在
するが、設計対象のブレードで要求される目標固有振動
数・固有振動モードが異なるため、好ましい分布パター
ンの割合や形態は特定できない。

【００２６】このため、そのブレードに与えられた条件
から最適解を探索して分布パターンを設定することにな
る。また、上記実施の形態において、個々のボス３１お
よび頂部４１の大きさを変えることによって中空ブレー
ド１００に剛性の高い領域と低い領域とを設け、固有振
動数をチューニングするようにしてもよい。上記中空ブ
レードは、たとえばガスタービンなどの軸流圧縮機の動
翼に好適である。

【００２７】実施の形態２．図５は、この発明の実施の
形態２にかかる中空ブレードのカットモデルを示す斜視
図である。実施の形態２にかかる中空ブレード２００
は、上記実施の形態１にかかる中空ブレード１００のデ
ィンプルコア４に代えてハニカムコア２０４を用いた点
に特徴がある。この中空ブレード２００の翼身部２０１
は、テーパスキン２０３の間にハニカムコア２０４を挟
んで接合した構造であり、穴２４１のサイズがコア全面
において不均一になっている。図６に、ハニカムコアの
平面図を示す。具体的には、ブレードの長手方向に２列
の密領域２０４ａが形成され、これと直交する方向に１
列の密領域２０４ｂが形成される。密領域以外が疎領域
２０４ｃとなる。

【００２８】テーパスキン２０３内面とハニカムコア２
０４との接合には、上記同様、ろう付け、液相拡散接
合、固相拡散接合等を用いる。図７は、図５のＣ−Ｃ断
面図である。同図に示すように、穴２４１の頂部２４２
とテーパスキン内面２３２との接合部間隔を比較する
と、小さな穴２４１の接合部間隔Ｌ３よりも大きな穴２
４１の接合部間隔Ｌ４の方が大きくなる。このため、中
空ブレード２００の剛性は、サイズが異なる穴の分布パ
ターンにより大きな領域と小さな領域とに分かれる。

【００２９】以上の中空ブレード２００もその剛性分布
を不均一にできるから、分布パターンを変更することに
より固有振動数をチューニングすることができる。この
ため、中空ブレードの板厚を大きくしたり、ブレードチ
ップをカットバックする必要がなく、タービン使用域に
おける共振を回避できる。

【００３０】（他の実施の形態）上記ディンプルコア４
やハニカムコア２０４の他、不均一な波形を形成した波
板コアを用いてもよい。また、テーパスキンとの接合部
が不均一になるコア材であれば、その形状は特に限定さ
れない。たとえば、複雑形状のエンボス加工を施し、そ
の凸部とテーパスキンとの接合部を不均一に配置するよ
うにしてもよい。また、テーパスキンの間に設けるリブ
を不均一に配置するようにしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明にかかる
中空ブレードおよびその固有振動数調整方法（請求項１
および請求項４）では、コア材の形状を部分的に変えて
ブレードの固有振動数を調整するようにしたので、板厚
を大きくしたり、ブレードチップをカットバックする必
要がない。このため、重量増加や形状変化を伴うことな
く、固有振動数をチューニングできる。

【００３２】また、この発明にかかる中空ブレード（請
求項２）では、コア材とスキンとの接合部の分布を疎領
域と密領域とに分けることによりブレードの固有振動数
を調整するようにしたので、板厚を大きくしたり、ブレ
ードチップをカットバックする必要がない。このため、
上記同様、重量増加や形状変化を伴うことなく、固有振
動数をチューニングできる。

【００３３】また、この発明にかかる中空ブレード（請
求項３）では、前記コア材をディンプルコアとしたの
で、設計の自由度が高くなり、固有振動数のチューニン
グ領域を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１にかかる中空ブレード
のカットモデルを示す斜視図である。

【図２】図１に示したディンプルコアを示す平面図であ
る。

【図３】図１に示したＢ−Ｂ断面図である。

【図４】簡単な構造例による固有振動数の変化を示す説
明図である。

【図５】この発明の実施の形態２にかかる中空ブレード
のカットモデルを示す斜視図である。

【図６】図５に示したハニカムコアを示す平面図であ
る。

【図７】図５に示したＣ−Ｃ断面図である。

【図８】従来における中空ブレードの一例を示す斜視図
である。

【図９】この中空ブレードを示す組立図である。

【図１０】図９に示したＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１００ 中空ブレード １ 翼身部 ２ 翼根部 ３ テーパスキン ３１ ボス ４ ディンプルコア ４１ 頂部 ４２ ディンプル ４ａ、４ｂ 密領域 ４ｃ 疎領域 ５ 接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 見田 政二 愛知県小牧市大字東田中1200番地 三菱重 工業株式会社名古屋誘導推進システム製作 所内 Ｆターム(参考） 3G002 BA02 BB03 CA02 CA15 CB00

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頂部を有するコア材の両面にスキンを接
   合することで中空構造にすると共に、前記コア材の形状
   を部分的に変えてブレードの固有振動数を調整するよう
   にしたことを特徴とする中空ブレード。
2. 【請求項２】 頂部を有するコア材の両面にスキンを接
   合することで中空構造にすると共に、ブレードの固有振
   動数を調整するため、前記頂部とスキン内面との接合部
   の分布を疎領域と密領域とに分けたことを特徴とする中
   空ブレード。
3. 【請求項３】 前記コア材がディンプルコアであること
   を特徴とする請求項１または２に記載の中空ブレード。
4. 【請求項４】 ブレードの共振を回避するのに最適な固
   有振動数を得るため、コア材の形状を部分的に変えて固
   有振動数を調整するようにしたことを特徴とする中空ブ
   レードの固有振動数調整方法。