JP2002188405A - ターボ機械用の流れ案内要素の列 - Google Patents

ターボ機械用の流れ案内要素の列

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 受動的なフラッタ制御を提供する、ターボ機
械用の改良された流れ案内要素の列を提供する。 【解決手段】 流れ案内要素の列は、ロータディスクに
固定された複数の流れ案内要素（１０，１２）を含む。
複数の流れ案内要素（１０，１２）には、前縁先端部領
域（２２）から材料を除去することで固有振動数を改善
した第１の流れ案内要素（１０）の第１の組と、翼幅中
間の前縁領域（２４）から材料を除去することで固有振
動数を改善した第２の流れ案内要素（１２）の第２の組
と、が含まれる。この列には、さらに、改良された流れ
案内要素とともに配列された非改良の流れ案内要素が含
まれ得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械用の流
れ案内要素の列に関し、特に、構造的な非同調によって
改善されたフラッタ耐性を有する改良されたロータブレ
ード列に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンや蒸気機関などの
ターボ機械装置は、回転ブレードと非回転ベーンとの交
互の列を用いて作動流体とエネルギ交換を行うことによ
って作動する。各ブレードおよびベーンは、作動流体と
相互に作用するエアフォイル部を有する。
【０００３】エアフォイルは、周波数および振動モード
の形の複雑さが増加する固有振動モードを有する。最も
単純でかつ最も低い振動モードは、一般に、一次曲げ、
二次曲げ、および一次捻りと呼ばれる。一次曲げは、エ
アフォイルの平面に垂直な運動であり、エアフォイルの
翼幅全体が同じ方向で移動する。二次曲げは、一次曲げ
と同様であるが、エアフォイルの翼幅に沿ったある位置
で運動方向が変化し、エアフォイルの上部と下部が反対
方向に動く。一次捻りは、エアフォイルの翼幅に平行な
弾性軸を中心とする捻り運動であり、弾性軸の両側でエ
アフォイルの翼幅全体が同じ方向に運動する。
【０００４】ブレードと作動流体との不安定な相互作用
により、ターボ機械のブレードが破壊的な振動を発生し
やすいことは知られている。このような振動の１つは、
フラッタとして知られており、ブレード上の流れとブレ
ードの固有振動特性との相互作用によって起こる空力弾
性の不安定状態である。最も低い周波数の振動モードで
ある一次曲げおよび一次捻りは、一般にフラッタを生じ
やすい振動モードである。フラッタが起こると、振動に
よってブレードに生じる不安定な空気力によって、この
振動にエネルギが追加されて振幅が増加する。振幅は、
ブレードの構造的な破損を引き起こす程度まで大きくな
るおそれがある。ターボ機械の昇圧および流量に関する
動作可能な範囲は、種々のフラッタ現象によって制限さ
れている。
【０００５】また、ディスク上の全てのブレードの振動
数が同一である場合に、ブレードがよりフラッタを生じ
やすくなることも知られている。製造技術の向上によっ
て、ほぼ均一な特性を有するブレードが製造されるよう
になった。このような均一性は、一貫した空力性能を確
実に得るためには望ましいが、フラッタが生じるおそれ
が大きくなる点では望ましくない。従って、フラッタ耐
性を得るために、製造工程においてブレードに意図的な
ばらつきを導入することが望ましい。このような意図的
なばらつきによって、空力性能を損なうまたは製造工程
に過度の複雑さを持ち込むことなく、ブレードの振動特
性に大きな影響を与えて構造的な非同調を導入すること
が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】取り付けられたブレー
ド列に関して、フラッタによる不安定性を防止するため
に不均一な振動数を利用することは、スミスに付与され
た米国特許第５，２８６，１６８号に開示されている。
この特許で説明された方法では、フラッタを防止するた
めに不均一な振動数を利用しているが、２つの別個の種
類のブレードを製造することが必要である。
【０００７】シュラウド付きの取り付けられたブレード
列で、シュラウド角を不均一とすることによってフラッ
タによる不安定性を防止することは、イェーガ等に付与
された米国特許第５，６６７，３６１号に開示されてい
る。しかし、この方法は、シュラウドの使用による空力
性能の不利益を伴うので、最新のガスタービンエンジン
には適さない。
【０００８】従って、本発明の目的は、受動的なフラッ
タ制御を提供する、ターボ機械用の改良された流れ案内
要素の列を提供することである。
【０００９】本発明の目的は、さらに、２つの別個の種
類の流れ案内要素を必要としない、上述の改良された列
を提供することである。
【００１０】上記の目的は、本発明の改良された列によ
って達成される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によると、受動的
なフラッタ制御を提供する、ターボ機械用の流れ案内要
素の列が提供される。この列は、広い形態では、ロータ
ディスクに固定された複数の流れ案内要素を含み、これ
らの複数の流れ案内要素には、前縁先端部領域から材料
を除去することで固有振動数を改善した第１の流れ案内
要素の第１の組と、翼幅中間の前縁領域から材料を除去
することで固有振動数を改善した第２の流れ案内要素の
第２の組と、が含まれる。
【００１２】本発明の構造的に非同調とされた列の詳
細、および他の目的やこれに伴う利点は、以下の実施形
態と対応部および相当部に同一符号を付した添付図面に
示されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の目的は、異なる固有振動
数を有する構造的に非同調の要素すなわちブレードによ
って流れ案内要素の列を構成することで、受動的なフラ
ッタ制御を行うことである。構造的な非同調は、異なる
形状パラメータを有する流れ案内要素すなわちブレード
を製造することによって達成することができる。このよ
うなパラメータには、ブレード厚さ、翼弦長さ、キャン
バ、および翼形形状が含まれるが、これらに限定されな
い。複数の種類の流れ案内要素すなわちブレードの製造
は望ましくないので、構造的な非同調は、単一の種類の
流れ案内要素すなわちブレードを製造してから、流れ案
内要素すなわちブレードの固有振動数を変更する特徴を
これらの流れ案内要素すなわちブレードに機械加工する
ことによって達成可能である。このような特徴には、図
１ａ，図１ｂに示すような翼弦のブレンディング（なめ
らかな厚さの変更）や流れ案内要素すなわちブレードの
先端部に沿ったスクイーラカット（ｓｑｕｅａｌｅｒ
ｃｕｔ）が含まれるが、これらに限定されない。
【００１４】各流れ案内要素すなわちブレードの固有振
動数が隣接する流れ案内要素すなわちブレードの固有振
動数と異なるように列を構成することによって、流れ案
内要素すなわちブレードのフラッタ耐性が高まる。周波
数の分離基準は、隣接する流れ案内要素すなわちブレー
ドの周波数が、平均周波数の少なくとも１．０％だけ異
なっていることである。この分離基準は、フラッタのお
それがあるそれぞれの構造モード、一般に一次曲げおよ
び一次捻りに適用される。異なる流れ案内要素すなわち
ブレードの異なる構造モードは、また、異なる周波数を
有していることが好ましい。例えば、高周波の流れ案内
要素すなわちブレードの一次曲げ周波数は、低周波の流
れ案内要素すなわちブレードの一次捻り周波数と少なく
とも１．０％異なる必要がある。
【００１５】次に図１ａ，図１ｂを参照すると、２つの
流れ案内要素すなわちブレード１０，１２が示されてい
る。各流れ案内要素すなわちブレード１０，１２は、エ
アフォイル部１４、ハブ面１６、先端面１８、および前
縁２０を有している。流れ案内要素すなわちブレード１
０は、先端面１８と前縁２０の境をなす領域２２の材料
が除去されていることにより、比較的高い一次捻り周波
数を有する。流れ案内要素すなわちブレード１２は、翼
幅中間の前縁領域２４の材料が除去されていることによ
り、比較的低い一次捻り周波数を有する。これらの材料
は、当該技術分野で周知の適切な技術を用いて、領域２
２，２４から除去することができる。それぞれの領域２
２，２４から材料が除去されている以外には、流れ案内
要素すなわちブレード１０，１２は同じ種類のものであ
る。
【００１６】領域２２，２４から除去される材料の量
は、（１）非改良の流れ案内要素すなわちブレードと、
それぞれの流れ案内要素すなわちブレード１０，１２
と、の間の一次捻り周波数の差が、平均一次捻り周波数
の１．０％を超えるとともに、（２）非改良の流れ案内
要素すなわちブレードと、それぞれの流れ案内要素すな
わちブレード１０，１２と、の間の一次曲げ周波数の差
が、平均一次曲げ周波数の１．０％を超えるように決定
する必要がある。
【００１７】図２は、ガスタービンエンジンや蒸気機関
などのターボ機械装置用の流れ案内要素の列の一実施例
を示している。このような装置は、一般に、ロータブレ
ードなどの流れ案内要素の複数の列を有し、これらの列
は、固定のベーンまたはブレードの列と交互に設けられ
る。このようなロータ列とベーン列との組み合わせは、
段と呼ばれる。図２の実施例では、流れ案内要素は、高
周波および低周波の流れ案内要素すなわちブレード１
０，１２が交互に設けられた列に並んでいる。この図か
ら分かるように、流れ案内要素すなわちブレード１０，
１２は、ディスク３２に取り付けられている。このディ
スク３２は、当該技術分野で周知の適切なロータディス
クとすることができる。さらに、ブレード１０，１２
は、当該技術分野で周知の適切な手段を用いてディスク
３２に取り付けることができる。
【００１８】図３は、ターボ機械装置用の流れ案内要素
の列の他の実施例を示している。この図で示しているよ
うに、流れ案内要素すなわちブレードは、列に並んでお
り、ディスク３２に取り付けられた高周波流れ案内要素
１０、非改良の流れ案内要素３６、および低周波流れ案
内要素１２を順に含んでいる。上述の実施例と同様に、
ディスク３２は、当該技術分野で周知の適切なロータデ
ィスクとすることができる。流れ案内要素すなわちブレ
ード１０，１２，３６は、当該技術分野で周知の適切な
手段によってディスクに取り付けることができる。
【００１９】図４は、ターボ機械装置用の流れ案内要素
の列のさらに他の実施例を示している。列４０は、高周
波の流れ案内要素すなわちブレード１０、非改良の流れ
案内要素すなわちブレード３６、低周波の流れ案内要素
すなわちブレード１２、および非改良の流れ案内要素す
なわちブレード３６、の順で複数の流れ案内要素すなわ
ちブレードを含んでいる。流れ案内要素すなわちブレー
ド１０，３６，１２は、円状のパターンに配列されてい
る。また、流れ案内要素すなわちブレード１０，３６，
１２は、ディスク３２に固定されている。このディスク
３２は、当該技術分野で周知の適切なロータディスクと
することができる。ブレード１０，３６，１２は、当該
技術分野で周知の適切な手段によってディスク３２に取
り付けることができる。
【００２０】上述したように、本発明の流れ案内要素の
列の種々の実施例は、受動的なフラッタ制御を提供する
ように多様なターボ機械で使用することができる。
【００２１】本発明によって、上述の手段、目的、およ
び利点を完全に満たす、受動的なフラッタ制御のための
非同調ロータブレード列が提供されたことは明らかであ
る。本発明をその詳細な実施例に基づいて説明したが、
当業者には、上述の説明によって他の変更、代用、およ
び改良が明らかとなるであろう。従って、請求の範囲に
含まれるこのような変更、代用、および改良は、本発明
の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の列で使用される流れ案内要素の側面図
である。
【図２】本発明に係る流れ案内要素の列の第１の実施例
の説明図である。
【図３】本発明に係る流れ案内要素の列の他の実施例の
説明図である。
【図４】本発明に係る流れ案内要素の列のさらに他の実
施例の説明図である。
【符号の説明】
１０，１２…流れ案内要素 １４…エアフォイル部 １６…ハブ面 １８…先端面 ２０…前縁 ２２…前縁先端部領域 ２４…翼幅中間の前縁領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダヴリュー．ケリー ビーン アメリカ合衆国，フロリダ，ノース パー ム ビーチ，アイビス ウェイ 719 (72)発明者 レイチェル ジェイ．ブロック アメリカ合衆国，サウス カロライナ，グ リール，メアリー ローズ レーン 203 (72)発明者 ペーター ディー．シルコウスキー アメリカ合衆国，コネチカット，ミドルタ ウン，ブルー アクル ロード １ (72)発明者 スリラム スリニヴァサン アメリカ合衆国，コネチカット，ヘブロ ン，ワイルドフラワー ドライヴ ５

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロータディスクに固定された複数の流れ
    案内要素を含み、前記複数の流れ案内要素には、 前縁先端部領域から材料を除去することで固有振動数を
    改善した第１の流れ案内要素の第１の組と、 翼幅中間の前縁領域から材料を除去することで固有振動
    数を改善した第２の流れ案内要素の第２の組と、が含ま
    れていることを特徴とするターボ機械用の流れ案内要素
    の列。
  2. 【請求項２】 流れ案内要素の第１の組および第２の組
    は、隣接する流れ案内要素が同じ振動数を有することの
    ないように、交互のパターンで配列されていることを特
    徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の
    列。
  3. 【請求項３】 流れ案内要素の第１の組は、第２の流れ
    案内要素の一次曲げ、一次捻り、二次曲げの振動モード
    周波数とは異なる一次曲げ、一次捻り、二次曲げの振動
    モード周波数を有することを特徴とする請求項１記載の
    ターボ機械用の流れ案内要素の列。
  4. 【請求項４】 さらに、第３の非改良の流れ案内要素を
    含むことを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流
    れ案内要素の列。
  5. 【請求項５】 前記流れ案内要素は、隣接する流れ案内
    要素が同じ振動数を有することのないように、１つの第
    １の流れ案内要素、１つの非改良の流れ案内要素、１つ
    の第２の流れ案内要素の順のパターンで配列されている
    ことを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案
    内要素の列。
  6. 【請求項６】 前記流れ案内要素は、１つの第１の流れ
    案内要素、１つの非改良の流れ案内要素、１つの第２の
    流れ案内要素、１つの非改良の流れ案内要素の順序で配
    列されていることを特徴とする請求項４記載のターボ機
    械用の流れ案内要素の列。
  7. 【請求項７】 非改良の流れ案内要素と第１の流れ案内
    要素との一次捻り周波数の差が、非改良の流れ案内要素
    の平均一次捻り周波数の１．０％を超えるように、各第
    １の流れ案内要素から十分な材料が除去されていること
    を特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要
    素の列。
  8. 【請求項８】 非改良の流れ案内要素と第２の流れ案内
    要素との一次捻り周波数の差が、非改良の流れ案内要素
    の平均一次捻り周波数の１．０％を超えるように、各第
    ２の流れ案内要素から十分な材料が除去されていること
    を特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要
    素の列。
  9. 【請求項９】 第１、第２、および第３の流れ案内要素
    は、１列に並んでいることを特徴とする請求項４記載の
    ターボ機械用の流れ案内要素の列。
  10. 【請求項１０】 第１および第２の流れ案内要素は、１
    列に並んでいることを特徴とする請求項１記載のターボ
    機械用の流れ案内要素の列。
  11. 【請求項１１】 前記列は、エンジン用のロータブレー
    ドアセンブリを含むことを特徴とする請求項１記載のタ
    ーボ機械用の流れ案内要素の列。
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