JP2004245222A - 異なるように調整される共振周波数を有するブレードインサートを有するターボマシン用タービンの製造、およびタービンブレードインサートの共振周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】望ましくない振動の発生を防ぐことが可能なターボマシン用タービンの製造方法を提案する。
【解決手段】タービンの可動ホイールまたは各可動ホイールにブレードインサートが用いられ、該インサートは各々、少なくとも２枚のブレードを備え、ブレードは、共通の外側プラットホームおよび内側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有する。インサートは、各々凹部が形成された中空根部を備えて用いられ、インサートの共振周波数を著しく異なる値に調整し、それによって同一ホイールのインサートおよび／または２つの異なるホイール間のインサートが同調しないことを確実にするように、同一のホイールに属するインサート根部および／または２つの異なるホイールに属するインサート根部は、意図的に該根部のインサートに異なる形状を与えられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ターボマシンに関し、特に、航空タービンおよび産業用ガスタービンに関する。より詳細には、本発明は、これらのターボマシンのタービンに関し、更により正確には、該タービンのブレードインサートの共振周波数の調整に関する。

通常、タービンのブレードインサートは、外側プラットホームと内側プラットホームの両方に接続された単一のブレードを含み、該内側プラットホームは、インサートをタービンロータに固定するよう根部によって延長される。

ターボマシンの様々な動作速度において、ターボマシンのタービンに望ましくない振動が発生しないよう、特に、共振現象による振動が発生しないようにすることが重要である。

残念ながら、ブレードに求められる空気力学プロファイルに応じる点での制約、および重量と大きさの制約を考えると、その形状に作用することによってブレードインサートの共振周波数の調整に利用できる選択肢は、限られている。

従って、フランス特許第１５７８５６２号明細書は、インサートがロータに取り付けられるレベルで、径方向の長さの異なるまたは寸法の異なる根部等、ホイール特性の異なる単一ブレードインサートを提供することを提案している。しかし、この解決方法は、インサートの重さの点で、およびロータの構築またはインサートをロータへの取り付ける複雑さという点で、不利である。

フランス特許第１５７８５６２号明細書

本発明の目的は、望ましくない振動の発生を防ぐことが可能な、ターボマシンタービンの製造方法を提供することである。

本発明の別の目的は、タービンブレードインサートの共振周波数の調整において、空気力学的特性または重さという観点から不利益を与えることなく、またはブレードインサートの搭載またはロータの構築を複雑にすることなく、大きな自由度を提供する方法を提案することである。

本発明の別の目的は、タービンの性能を損なうことなく、望ましくない振動発生のリスクを大幅に減少する、ターボマシン用タービンを提案することである。

第１の態様において、本発明は、ターボマシン用タービンの製造方法を提供し、タービンは、ブレードインサートを有する少なくとも１つの可動ホイールを備える。該方法において、該可動ホイールまたは各可動ホイールに用いられる各インサートは、少なくとも２枚のブレードを備え、このブレードは、共通の内側および外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有し、該インサートの少なくとも幾つかは、凹部が形成された中空根部を有する。ブレードインサートの共振周波数を著しく異なる値に調整し、それによって単一のホイールのブレードインサートおよび／または２つの異なるホイール間のブレードインサートが、同調しないことを確実にするように、同一のホイールに属するインサート根部および／または異なる２つのホイールに属するインサート根部は、意図的にその根部の凹部に異なる形状が与えられる。

従来の方法で単一のブレードインサートから構成されたホイールと比較すると、複数のブレードが共有する根部を用いることにより、ブレードインサートの共振周波数を調整する目的において、根部の凹部の形状に作用する選択肢が多くなる。

従って、単一の可動ホイールにおけるインサートの共振周波数が同調しないこと、または異なる可動ホイールに属するブレードインサートの共振周波数が同調しないことが、より簡単に保証され、振動発生のリスクが減少する。

本発明の別の態様において、本発明は、ターボマシン用タービンの可動ブレードインサートの共振周波数の調整方法を提供する。該方法において、インサートは、少なくとも２枚のブレードを有するよう製造され、ブレードは、共通の内側および外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有する。そしてインサートの共振周波数は、インサート根部に凹部を形成することによって調整される。

特に、ブレードインサートにバルブ形状の根部を設け、ネック形状の根部の部分と同じ高さの凹部のいずれかの側で、材料の厚みに作用させて共振周波数を調整することが可能である。

高圧コンプレッサー（ＨＰ）および低圧コンプレッサー（ＬＰ）を有するターボマシンで用いるタービンブレードインサートについては、各インサートの共振周波数はＮ_２−Ｎ_１に対応する励振モードよりも、少なくとも１４％大きい値に調整することが有利である。ここで、Ｎ_２およびＮ_１は、ＨＰおよびＬＰコンプレッサーの回転速度である。

本発明の更に別の態様において、本発明は、ターボマシン用の多段タービンを提供する。該タービンは、ブレードインサートが取り付けられた、少なくとも１つの可動ホイールを備え、各ブレードインサートが、少なくとも２枚のブレードを有し、これらのブレードは、共通の内側および外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有する。該タービンにおいて、同一の可動ホイールおよび／または異なる可動ホイールのインサートの少なくとも幾つかは、中空根部を有する。中空根部には、異なる形状を有する凹部が形成されているため、インサートは、互いに著しく異なる共振周波数を有する。

ブレードインサートの根部に形成される凹部は、根部の少なくとも一方の側に開口されても良く、また、ブラインド凹部でも良い。

ブレードインサートの中には、インサートのない中実の根部を有するものがあっても良い。

本発明は、添付の図面を参照して、非限定的に示される以下の説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。

図１は、例えば航空機用ターボジェットにおける、ターボマシンタービンの、極めて概略的な中央半断面図である。

知られている方法により、タービン１０は、図示しない高圧コンプレッサーを回転させるシャフト（図示せず）と連結された高圧タービン部（ＨＰタービン）１２、および低圧タービン部（ＬＰタービン）１６を備える。このＬＰタービンは、複数の段を含み、各段は、ロータ２６に接続された可動ブレードインサート４０のホイール２４と共に、外側ステータ２２に固定された固定羽根インサート２０のセット１８を含む。ロータ２６は、図示しない低圧コンプレッサー（ＬＰコンプレッサー）を回転させるためのシャフト（図示せず）に連結されている。

図２からより明確にわかるように、各固定羽根インサート２０は、羽根３０、羽根をステータ２２に接続させる外側プラットホーム３２、および内側プラットホーム３４を含む。内側プラットホームには、ロータ２６が保持するシーリングワイパ３８に面したアブレィダブル被覆３６が設けられる。

本発明の特性によると、可動ブレードインサート４０は各々、複数のブレードを有する。図３に示す例では、各可動ブレードインサート４０は、２枚のブレード４２、４４を含む。ブレード４２、４４の終端部は、これらが共有する外側プラットホーム４６と内側プラットホーム４８によって相互接続される。ブレード４２、４４が共有する根部６０は、インサート４０をロータ２６に接続するためにプラットホーム４８の内側から突出している。

外側では、外側プラットホーム４６が、ステータ２２（図２）に保持されるアブレィダブル被覆５２に面したシーリングワイパ５０を有する。

図示する実施形態において、根部６０は、バルブ形状の中空根部である。根部６０は、図４からわかるように、その厚みの部分に形成されたブラインド凹部６２を有し、凹部６２は、根部の一方の側６０ａ、具体的には下流側（タービン内の気体流の方向において）に開口している。また凹部は、根部６０の基部にあるオリフィス６３を介して外に開口している。結果、凹部６２に空気の流れが確立されることによって、インサートの根部および内側プラットホームが冷却される。中空根部は、ブレードインサートを鋳造することによって、直接設けることもできる。一方、凹部は、中実の根部を機械加工して作成することもできる。

ブレードインサート４０とロータ２６との間の接続は、ロータディスクの周囲に設けられた相補形状のハウジング内に根部６０を嵌合することによって達成される。インサートが、ロータに組み込まれ完全なホイールが形成されたら、内側プラットホーム４８の外側の面が、気体流のための連続する内側の面を形成し、その内側の面にブレード４２、４４が延長される。同数のブレードを備えるが、ブレードインサートが各々１枚のブレードしか含まないホイールと比較すると、隣接するインサート間のギャップの数は半減する。これにより、インサートのプラットホーム間の漏れを減らして、タービンの性能を改善することができる。隣接するインサートの対の内側プラットホーム間の接合点のシーリングは、デフレクタ形成片５４（図５）を用いて改良することができる。片５４は、２つの隣接する内側プラットホーム間の接合点を繋ぐ上下反対のチャネルセクションの環状扇形であり、該プラットホームの終端部の内側の面と接触し、片５４のフランジが、対向する２つの隣接するブレードインサートの根部６０のフランクを押圧する。

更に、インサート４０の外側プラットホーム４６は、単一ブレードしか含まないインサートの外側プラットホームよりも大きい円周方向に渡り延長される。これにより、円周方向に長い距離に渡り継続的に延長される、１つまたは複数のシーリングワイパ５０を実現でき、それによって、可動ブレードインサート４０の先端部と、これに対向するステータ２２上のアブレィダブル被覆との間のシーリングを改良することができる。

本発明の特定の特性によると、可動ブレードインサート４０の共振周波数は、インサート根部の形状に作用して調整される。

図３および図４の例に示されるような中空根部６０により、共振周波数は、ネック部６４、つまり根部の最も細くなった部分の材料の厚みを調整することによって調整可能であり、その厚みは、凹部の両側の厚み６４ａおよび６４ｂ（図４）の合計になる。厚みは、ネック部６４と同じ高さの凹部６２の幅に、一方向または他の方向へ作用することによって調整することができ、これは根部６０の外側の寸法に影響を及ぼすことはない。厚み６４ａおよび６４ｂは、必ずしも等しい必要はない。従って、空気力学的特性またはブレードインサートの寸法を損なうことなく、ブレードの共振周波数を調整するためのかなり広範囲な選択肢が利用できる。

また、中空根部を作ることにより、可動ブレードインサートの重さを減らすと同時に、内側プラットホーム付近に開口キャビティを有することで、冷却の可能性をもたらし、これが機械的性能を損なうことなく達成されることは、認識されるべきである。図示する例において、機械的性能、および、特に可動ブレードインサートに加わる応力に耐える能力は、主として、内側プラットホームの厚み、および根部６０のフランク６６ａ、６６ｂに応じ、また根部６０の基部６８に応じる。

図６において、曲線Ｉは、図３および図４に示すような航空機用ターボジェットのＬＰタービンにおける可動ブレードインサートの共振周波数Ｆを、ＬＰタービンの回転速度の関数として描いたものである。この周波数Ｆは、中空根部のネック部での材料の厚みを調整することによって調整可能である。同じグラフの曲線Ｎ_２−Ｎ_１は、最低周波数での主要励振モードを表しており、Ｎ_２およびＮ_１は各々、ＨＰタービンおよびＬＰタービンの回転速度である。

比較のため、曲線ＩＩは、従来技術の、同一の寸法および形状のブレードを有する単一ブレードの可動インサートの共振周波数Ｆ’を、共振周波数がＦに等しいインサートの２枚のブレードの各々として描いたものである。単一ブレードのインサートおよび２枚のブレードのインサートは、同じ寸法の相互交換可能なタービンホイールを構成するよう設計されている。

高回転速度では、共振周波数Ｆ’は、Ｎ_２−Ｎ_１励振モードに対応する値よりもわずか１４％しか大きい値を示さないことがわかる。残念ながら、単一ブレードのインサートの機械的および空気力学的特性を損なうことなく、Ｎ_２−Ｎ_１励振モードから離れるように共振周波数Ｆ’を高めることは、実際上は不可能であることがわかる。

これに対して、２枚のブレードのインサートを用いれば、両ブレードに共通の根部の形状に作用することによって共振周波数を調整し、Ｎ_２−Ｎ_１励振モードの周波数から十分に離れた値を取るようにして、望ましくない振動のリスクを避けることができる。特に、Ｎ_２−Ｎ_１励振モードに比べて１４％より大きい値、好ましくは２０％より大きな値を取ることが可能である。従って、図６に示すように、２枚のブレードのインサートを用いて得られる共振周波数Ｆは、Ｎ_２−Ｎ_１励振モードよりも３５％大きい値、つまり、単一ブレードのインサートの周波数よりも２１％大きい値を取るよう、調整することができる。

更に、本発明の別の特性によれば、可動インサートの共振周波数の調整に利用できる自由度によって、この周波数が、同一の可動ホイールに属するインサート、および／またはＬＰタービンを構成する異なる可動ホイールに属するインサートと、著しく異なる値を取ることが可能となる。本明細書においては、周波数の値が少なくとも１％異なる値の場合に、共振周波数は著しく異なると言う。上述のように、様々な周波数が、低周波数Ｎ_２−Ｎ_１励振モードよりも１４％大きい値、好ましくは２０％大きい値に調整されると、有利である。

従って、少なくとも幾つかの可動ホイールにおいて、また好ましくはＬＰタービンの段を形成する全ての可動ホイールにおいて、共振周波数の異なるインサートを用いて、可動ホイールが同調しないよう保証することが可能である。多様な共振周波数は、根部の凹部の形状または寸法を変えることによって達成される。また、単一のホイールにおいて、凹部のない中実の根部を有するブレードインサートとともに、中空根部を有するブレードインサートを組み立てることも可能である。異なる部品の数を制限するために、いかなるホイールにおいても、インサートの根部にわずか幾つかの異なる形状を用いることも可能である。これは、ホイールの全てのインサートで同時に振動が発生するのを防ぐ役割をする。

また、１つの可動ホイールのブレードインサートに、他の可動ホイールのブレードインサートとは異なる共振周波数を与え、異なる可動ホイールが、相互に同調しないよう保証することも可能である。共振周波数は、特にインサート根部の凹部の形状および／または寸法に作用することにより、ホイール毎に変化させることができる。また、幾つかの可動ホイールが、凹部のない中実の根部を有するブレードインサートを含むよう、製造することも可能である。これは、タービンの全ての可動ホイールで同時に振動が発生するのを防ぐ役割をする。

上記の２つの可能性は、組み合わせることが可能である。つまり、複数の可動ホイールにおいて、少なくともその幾つかは、ホイール毎に異なるブレードインサートの共振周波数のセットで同調しないようにすることが可能である。

上記の実施形態に、本発明の範囲を越えることなく他の変更を加えることもできる。

従って、図７に概略的に示す別の実施形態では、インサート１４０は、インサートの根部１６０が、クリスマスツリー形をしているという点のみにおいて、図３および図４の実施形態と異なっている。上述の通り、周波数は、根部１６０に形成される好ましくはブラインドの凹部１６２に特定の形状を与えることによって、調整することができる。根部１６２は、根部１６０の基部でオリフィス１６３を介して外に開口されても良い。

別の実施形態において、可動ブレードインサートは、共通の外側プラットホームおよび内側プラットホームで統合されて、共通の根部に結合される、２枚より多いブレードを有しても良い。

上記の説明はターボマシンのＬＰタービンに関するものだが、本発明は、ターボマシンのＨＰタービンの可動ホイールにも適用できる。本発明は、また、航空タービンだけでなく、産業用タービンにも適用できる。

ターボマシンの一部を示す、部分断面図である。 図１の部分を拡大して示す図である。 本発明を適用したタービンブレードインサートの概略斜視図である。 図３のインサートの内側の終端部を拡大して示す図である。 タービンの可動ホイールで隣り合って配置された、図３に示す２つのインサートの内側の終端部の隣り合った構成を拡大して示す概略図である。 図３に示すインサートおよび単一ブレードのインサートの共振周波数を表す曲線を、回転速度の関数として描いたグラフである。 本発明の別の実施形態における、可動ブレードインサートの内側の終端部を拡大して示す概略図である。

符号の説明

１０ タービン
１２ 高圧（ＨＰ）タービン部
１６ 低圧（ＬＰ）タービン部
２０ 固定羽根インサート
１８ セット
２２ ステータ
２４ ホイール
２６ ロータ
３０ 羽根
３２、４６ 外側プラットホーム
３４、４８ 内側プラットホーム
３６、５２ アブレィダブル被覆
４０ ブレードインサート
４２、４４ ブレード
３８、５０ シーリングワイパ
５４ 片
６０、１６０ 根部
６２、１６２ 凹部
６４ ネック部
６０ａ 一方の側
６４ａ、６４ｂ 厚み
６６ａ、６６ｂ フランク
６８ 基部
１４０ インサート
１６３ オリフィス

Claims (10)

1. ターボマシンタービンの製造方法であって、前記タービンが、ブレードインサートを有する少なくとも１つの可動ホイールを備え、該可動ホイールまたは各可動ホイールに用いられるインサートは各々、少なくとも２枚のブレードを備え、該ブレードが、共通の内側プラットホームおよび外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有し、
   前記インサートの少なくとも幾つかが、凹部が形成された中空根部を有し、前記ブレードインサートの前記共振周波数を著しく異なる値に調整し、それによって単一ホイールのブレードインサートおよび／または２つの異なるホイール間のブレードインサートが同調しないことを確実にするように、同一のホイールに属するインサート根部および／または２つの異なるホイールに属するインサート根部が、意図的に根部の前記凹部に異なる形状を与えられる方法。
2. ブレードインサートが、凹部のない中実の根部を持つブレードインサートを少なくとも幾つか含んで用いられる、請求項１に記載の方法。
3. ターボマシンタービン用の可動ブレードインサートの共振周波数を調整する方法であって、前記インサートが、少なくとも２枚のブレードを備えるよう製造され、該ブレードが、共通の内側プラットホームおよび外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有し、前記インサートの前記共振周波数が、前記インサート根部に凹部を形成することによって調整される方法。
4. 前記インサートが、バルブ形状の根部を有するよう製造され、前記インサートの共振周波数が、ネック部を形成する前記根部の部分と同じ高さの前記凹部のいずれかの側の材料の厚みに作用することによって調整される、請求項３に記載の方法。
5. 前記インサートの前記共振周波数が、高圧タービン（ＨＰ）および低圧タービン（ＬＰ）の回転速度をＮ_２およびＮ_１とする場合に、Ｎ_２−Ｎ_１に対応する励振モードよりも１４％大きな値に調整される、高圧タービン（ＨＰ）および低圧タービン（ＬＰ）を有するターボマシンタービンのブレードインサートの前記共振周波数を調整するための請求項３に記載の方法。
6. ターボマシン用の多段タービンであって、該タービンが、ブレードインサートが取り付けられた、少なくとも１つの可動ホイールを備え、各ブレードインサートが、少なくとも２枚のブレードを備え、該ブレードが、共通の内側プラットホームおよび外側プラットホームによって相互接続され、かつ共通の根部を共有し、
   同一の可動ホイールおよび／または異なる可動ホイールの前記インサートの少なくとも幾つかは、前記インサートが著しく異なる共振周波数を持つように、各々異なる形状に形成される凹部を有する中空根部を備えるタービン。
7. 前記凹部が、前記根部の少なくとも一方の側に開口する、請求項６に記載のタービン。
8. 前記凹部が、ブラインドであり、前記根部の一方の側にしか開口していない、請求項７に記載のタービン。
9. 前記インサートの幾つかが、凹部のない根部を有する、請求項６に記載のタービン。
10. タービンの各可動ブレードインサートが、高圧タービン（ＨＰ）および低圧タービン（ＬＰ）の回転速度をＮ_２およびＮ_１とする場合に、Ｎ_２−Ｎ_１に対応する励振モードよりも１４％大きな値を有する、高圧タービン（ＨＰ）および低圧タービン（ＬＰ）を有するターボマシン用の請求項６に記載のタービン。

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