JP2004285931A - ガスタービンエンジンの振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でタービンエンジンのブレードの励振を抑制する。
【解決手段】タービンロータ１のディスク部２の外周面に複数のブレード３を放射状に一体に設け、複数のブレード各突出端を外囲しかつ隣り合うブレード間で分割された複数のティップシュラウド４を一体に設け、ティップシュラウドの隣り合う縁部４ａ間に所定の幅の間隙を設けると共に、隣り合う縁部間にピン係合孔を形成し、ピン係合孔にピンを軸線方向に抜け止めして取り付けかつ軸線方向及び径方向にがたをもって保持する。タービンロータの上流に配置されたベーンの後流及び正圧分布により周期的に揚力が変化して各ブレードが励振しようとする場合に、互いに分割された各ティップシュラウド間にピンががたをもって保持されていることから、ティップシュラウドに設けたピン係合孔にピンが摺接することによる減衰効果が得られるため、ブレードの励振を抑制し得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの振動抑制装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおけるタービンロータにあっては、回転軸に一体的に形成されたディスクの外周部に個別に製造された複数のブレードが設けられており、そのディスクとブレードとの結合構造にファーツリー構造（クリスマスツリー構造）を用いているものがある。また、ガスタービンエンジンの運転中には、タービンロータの上流に配置されたベーンの後流及び正圧分布により周期的に揚力が変化して各ブレードが励振する。この時、励振力の周波数とロータの固有振動数とが一致すると、強度上好ましくない共振が発生する。
【０００３】
上記共振時の部材応力の低減を目的に、従来、ブレードの基部やミッドスパン部やティップ部に機械的な摩擦構造を設けたり、隣り合うブレード間に機械的な摩擦構造を設けたりして、振動の減衰を行うようにした各種のダンパー構造が考案されかつ適用されてきた。例えば、ティップ部をティップシュラウド（ブレードの頂部で周方向両側に張り出す部分を有する形状）として形成し、隣り合うティップシュラウド間に埋め込み型のピンを挿入したものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、上記ファーツリー構造にあっても、ディスクとブレードとの機械的な接触によりブレードの保持を行う構造であるため、減衰構造として機能し得る。
【０００４】
【特許文献１】
ＵＳＰ３，７５２，５９９（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それに対して、ディスクと共にブレード及びティップシュラウドまでを鋳造により一体に形成するブリスク型ロータのものにあっては、完全な一体構造であってファーツリー構造を持たないことから、振動減衰に対してはより厳しい構造である。同時に、上記したような減衰構造の多くは、構造や加工の面から、その適用が困難であるという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、簡単な構造でブレードの励振を抑制することを実現するために、本発明に於いては、タービンロータ（１）のディスク部（２）の外周面に放射状に一体に設けられた複数のブレード（３）と、前記複数のブレード（３）の各突出端を外囲するように前記複数のブレード（３）に一体に設けられかつ隣り合う前記ブレード（３）間で分割された複数のティップシュラウド（４）とを有し、前記複数のティップシュラウド（４）の隣り合う縁部（４ａ）間に所定の幅の間隙を設けると共に、前記隣り合う縁部（４ａ）間にピン係合孔（６）を形成し、前記ピン係合孔（６）にピン（５）を軸線方向に抜け止めして取り付け、前記ピン（５）が、前記ピン係合孔（６）に対してその軸線方向及び径方向にがたをもって保持されているものとした。
【０００７】
これによれば、タービンロータにブレード及びティップシュラウドを一体に設けた構造のものにおいてタービンロータの上流に配置されたベーンの後流及び正圧分布により周期的に揚力が変化して各ブレードが励振しようとする場合に、互いに分割された各ティップシュラウド間にピンががたをもって保持されていることから、ティップシュラウドに設けたピン係合孔にピンが摺接することによる減衰効果が得られるため、ブレードの励振を抑制し得る。
【０００８】
特に、前記ピン（５）が、小径頭部（５ａ）と、大径胴部（５ｂ）と、前記小径頭部（５ａ）及び前記大径胴部（５ｂ）間に設けられたテーパ状肩部（５ｄ）とをそれぞれ同軸に有し、前記ピン係合孔（６）が、前記ティップシュラウド（４）の内周側に前記大径胴部（５ｂ）に対応して設けられた大径孔部（６ｂ）と、前記ティップシュラウド（４）の外周側に前記小径頭部（５ａ）に対応して設けられた小径孔部（６ａ）と、前記肩部（５ｄ）と面接触し得るように前記大径孔部（６ｂ）及び記小径孔部（６ａ）間に設けられた凹状テーパ面からなる段部（６ｄ）とを有すると良い。これによれば、運転中の遠心力によりピンの肩部がピン係合孔の段部に押し付けられ、両者間の摺接により減衰効果を発揮し得るため、簡単な構造でブレードの励振を抑制し得る。
【０００９】
さらに、前記ピンの（５）前記ピン係合孔（６）に対する抜け止めが、前記ピン（５）の小径頭部（５ａ）を前記小径孔部（６ａ）に挿入後に前記小径孔部（６ａ）よりも拡径させる塑性変形によるものであることによれば、ピンのピン係合孔への取り付け作業を、ティップシュラウドの内周側からピンをピン係合孔に挿入し、その挿入後に小径頭部の拡径という簡単な加工で行うことができる。小径頭部の拡径は、停止中のピンの抜け止めのためであり、大きな強度を必要としないため簡単な加工で良く、取り付け作業が容易である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明が適用されたガスタービンエンジンのタービンロータの一部を拡大して示す要部斜視図である。本タービンロータ１にあっては、図示されない回転軸に周方向から見てＴ字状断面のディスク部２が一体に形成されており、そのディスク部２の外周面には半径方向外向きに放射状に突出するように設けられた複数のブレード３が一体に形成され、さらにブレード３の突出端を外囲するようには複数のブレード３の各突出端にティップシュラウド４が一体に設けられている。これらディスク部２・ブレード３・ティップシュラウド４の形成は鋳造によるものであって良い。
【００１２】
ティップシュラウド４は、各ブレード３に合わせて周方向に等分割されてもうけられている。その分割線は、図２に示されるようにタービンロータ１の軸線ＣＬに対して斜めに交差している。また、各ティップシュラウド４の隣り合うもの同士間であって軸線ＣＬ方向中間部の位置にはピン５が装着されている。このようにすることにより、各ティップシュラウド４の軸線ＣＬ方向への変位を互いに防止することができる。
【００１３】
図３（ａ）に示されるように、ピン５は、小径頭部５ａと大径胴部５ｂとを同軸に有する略凸型断面形状をなし、隣り合うティップシュラウド４の分割線に臨む縁部（隣り合うもの同士の合わせ部）４ａ間のピン５を装着する部分にはピン５の略凸型断面形状に対応するピン係合孔としての段付き孔６が形成されている。小径頭部５ａには、その突出端面に形成されたすり鉢状凹部５ｃが設けられている。また、ピン５の小径頭部５ａと大径胴部５ｂとの間にはテーパ状肩部５ｄが設けられている。この肩部５ｄは大径胴部５ｂから小径頭部５ａに向けて縮径する扁平な円錐面からなり、その肩部５ｄの頂角αは例えば１００〜１７０度であって良い。
【００１４】
図３（ｂ）に示されるように平面視で円形をなす段付き孔６は、例えば放電加工により、あるいはドリルやエンドミルを用いて、ピン５の小径頭部５ａと大径胴部５ｂとの各径に適合する大きさに形成されている。すなわち、小径頭部５ａの外径よりも若干大きい小径孔部６ａと、大径胴部５ｂの外径よりも若干大きい大径孔部６ｂと、さらに小径孔部６ａの大径孔部６ｂ側とは相反する側に形成された窪み部としてのテーパ孔６ｃとにより段付き孔６が形成されている。上記径違いにより、それぞれの径方向に若干のクリアランス（がた）がある。なお、段付き孔６の上記肩部５ｄに対応する段部６ｄも同一頂角の凹状テーパ面に形成されている。
【００１５】
このようにして構成されたピン５及び段付き孔６を用いたティップシュラウド４間の結合要領について以下に示す。図３（ａ）の矢印Ａに示されるようにピン５を段付き孔６に挿入すると、ピン５の肩部５ｄが段付き孔６の段部６ｄに衝当し、その状態で図４に示されるように小径頭部５ａの凹部５ｃを広げて、小径頭部５ａを拡径して段付き孔６の対応する窪み部６ｃに係合し得るようにする。なお、この拡径量は、段付き孔６に対してその軸線方向にピン５が若干のがたを有する程度にする。このようにして、ピン５をティップシュラウド４に取り付ける。
【００１６】
上記したようにピン５が取り付けられた状態のタービンロータ１が回転すると、ピン５は、遠心力によりティップシュラウド４の段部６ｄに肩部５ｄが押し付けられる。この時、従来例で述べたような原因でブレード３が振動すると、段付き孔６に対してピン５が上記したように径方向及び軸線方向にがたを有していることから、段部６ｄと肩部５ｄとの間などで微少な滑りが生じ、段付き孔６とピン５との取り付け構造が減衰装置として働く。これにより、ティップシュラウド４を分割していないもの（ピン無し）に対して、同一試験で約３割以上の制振効果が得られた。
【００１７】
なお、ピン５の材質にあっては、タービンロータ１における高温・高圧・振動に耐え得るものとして例えばニッケル基材であって良い。また、小径頭部５ａを拡径してピン５を段付き孔６に取り付けるようにしているが、運転中には遠心力により肩部５ｄが段部６ｄに押し付けられるため、小径頭部５ａの拡径部は停止時のピン５の脱落防止程度あって良く、その強度や経年劣化などは問題とならない。
【００１８】
また、上記図示例では、ピン５の取付位置をティップシュラウド４の分割線の中点としたが、ほぼ中点であって良いことは言うまでもなく、さらに、問題となる共振モードに対して最も制振が期待できる位置（分割線上の任意の位置）に配置すると良い。また、ピン５の大きさ、並びに頂角αの設定にあっては、遠心力による荷重の大きさや制振特性を考慮して決定することが好ましく、適用対象のエンジン毎に設計変更すると良い。
【００１９】
【発明の効果】
このように本発明によれば、タービンロータにブレード及びティップシュラウドを一体に設けた構造のものにおいて、ティップシュラウドを分割し、その分割部にピンを取り付けるという簡単な構造でブレード間の振動を抑制することができると共に、そのような簡単な構造によりメンテナンス性にも優れ、製造容易なブリスク型タービンロータを実現し得る。
【００２０】
特に、小径頭部及び大径胴部からなるピン形状とすることにより、その小径頭部及び大径胴部間のテーパ状肩部を対応するピン係合孔の段部と面接触し得るようにするこにより、運転中の遠心力によりピンの肩部がピン係合孔の段部に押し付けられ、両者間の摺接により減衰効果を発揮し得るため、簡単な構造でブレードの励振を抑制し得る。さらに、ピンの小径頭部を拡径させる塑性変形加工によりピンを抜け止めすることにより、ピンのピン係合孔への取り付け作業を、ティップシュラウドの内周側からピンをピン係合孔に挿入し、その挿入後に小径頭部の拡径という簡単な加工で行うことができる。小径頭部の拡径は、停止中のピンの抜け止めのためであり、大きな強度を必要としないため簡単な加工で良く、取り付け作業が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたガスタービンエンジンのタービンロータの一部を拡大して示す要部斜視図。
【図２】図１の矢印ＩＩ線から見たティップシュラウドの平面図。
【図３】（ａ）は図２の矢印ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿って見た段付き孔及びピンを示す図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印ＩＩＩｂ線から見た要部平面図。
【図４】段付き孔へのピンの取付状態を示す要部破断側面図。
【符号の説明】
１ タービンロータ
２ ディスク部
３ ブレード
４ ティップシュラウド
４ａ 縁部
５ ピン
６ 段付き孔（ピン係合孔）
５ａ 小径頭部
５ｂ 大径胴部
６ａ 小径孔部
６ｂ 大径孔部
６ｄ 段部

Claims (3)

1. タービンロータのディスク部の外周面に放射状に一体に設けられた複数のブレードと、前記複数のブレードの各突出端を外囲するように前記複数のブレードに一体に設けられかつ隣り合う前記ブレード間で分割された複数のティップシュラウドとを有し、
   前記複数のティップシュラウドの隣り合う縁部間に所定の幅の間隙を設けると共に、前記隣り合う縁部間にピン係合孔を形成し、
   前記ピン係合孔にピンを軸線方向に抜け止めして取り付け、
   前記ピンが、前記ピン係合孔に対してその軸線方向及び径方向にがたをもって保持されていることを特徴とするガスタービンエンジンの振動抑制装置。
2. 前記ピンが、小径頭部と、大径胴部と、前記小径頭部及び前記大径胴部間に設けられたテーパ状肩部とをそれぞれ同軸に有し、
   前記ピン係合孔が、前記ティップシュラウドの内周側に前記大径胴部に対応して設けられた大径孔部と、前記ティップシュラウドの外周側に前記小径頭部に対応して設けられた小径孔部と、前記肩部と面接触し得るように前記大径孔部及び記小径孔部間に設けられた凹状テーパ面からなる段部とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンの振動抑制装置。
3. 前記ピンの前記ピン係合孔に対する抜け止めが、前記ピンの小径頭部を前記小径孔部に挿入後に前記小径孔部よりも拡径させる塑性変形によるものであることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジンの振動抑制装置。

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