JP2005201253A - 振動減衰デバイスを備えた冷却式ローターブレード - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードの振動を効果的に減衰させるための手段を備えるローターアセンブリ用のローターブレードを提供する。
【解決手段】根部１８と、翼形部２０と、ダンパー２４とを含む、ローターアセンブリ１０用のローターブレード１４が提供される。翼形部２０は、基端２８と、先端３０と、圧力側壁３６と、吸引側壁３８と、この側壁間に配された空隙４０とを含む。空隙４０は実質的に基端２８と先端３０との間で延在すると共に、第１の空隙部４４、第２の空隙部４６、および第１の空隙部４４と第２の空隙部４６との間に配されたチャネル４２を含む。複数本の第１の柱脚４８がチャネル４２に隣接する第１の空隙部４４内に配置されており、かつ複数本の第２の柱脚４８がチャネル４２に隣接する第２の空隙部４６内に配置されている。ダンパー２４はチャネル４２内に選択的に収容される。
【選択図】図２

Description

本発明は概してローターブレードに適用され、特にローターブレード内の振動を減衰しかつローターブレードを冷却するための装置に適用される。

軸流タービンエンジンのタービンおよびコンプレッサーセクションは、概して、回転ディスクと、このディスクの周りに周方向に配置された複数のローターブレードとを具備するローターアセンブリを含む。ローターブレードのそれぞれは、根部と、翼形部(airfoil)と、根部と翼形部との間の変転領域に配置されるプラットフォームとを含む。ブレードの根部は、ディスクの相補的形状の凹部に収容される。ブレードのプラットフォームは横方向外側に延在し、全体としてローターステージを通過する流体用の流路を形成する。各ブレードの前方の縁部は概して前縁と呼ばれ、後方の縁部は後縁と呼ばれる。前方は、エンジンを通過するガス流において後方から上流に向かう側として定義される。

運転中、ブレードには多くの異なる強制的作用によって振動が発生する。たとえば、ガス温度、圧力、および／または密度における振動は、ローターアセンブリの全体にわたって、特にブレード翼形部に振動を引き起こす可能性がある。上流側タービンおよび／またはコンプレッサーセクションを周期的にあるいは「脈動」的に出るガスもまた、好ましくない振動を引き起こす。チェックされずに放置されると、振動はブレードを早期に疲弊させ、そしてその結果、ブレードのライフサイクルを低下させる可能性がある。

ダンパーとブレードとの間の摩擦は、ブレードの振動的動作を減衰させる手段として利用可能であることが知られている。

上記の望ましい摩擦減衰を生み出すためのある公知の手法は、タービンブレード内に細長いダンパー（ときにスティックダンパーと呼ばれる）を挿入するというものである。運転中、このダンパーは、振動エネルギーを消散させるためタービンブレードの内部接触面に接した状態で装填される。スティックダンパーに付随する問題の一つは、それらが、タービンブレード内で冷却空気流障害物をなすということである。当業者であれば、タービンブレード内での適切な冷却空気分配の重要性を認めるであろう。スティックダンパーによって引き起こされる障害を軽減するため、いくつかのスティックダンパーは、それらの接触面に配置された幅方向に（すなわち実質的に軸方向に）延在する流路を備え、ダンパーとブレードの接触面との間を冷却空気が流動するのを可能にしている。この流動はダンパーによって引き起こされる障害を確かにある程度軽減するが、それらは単に別個のポジションで局限された冷却を可能にするに過ぎない。流路間の接触領域は冷却されないままとなり、それゆえ熱劣化に耐える能力が減殺されてしまう。機械加工に伴う、あるいはさもなければスティックダンパーに流路を形成することに伴う他の問題は、流路が望ましくない応力集中を招き、これがスティックダンパーの低いサイクル疲弊耐性を低下させるということである。

手短に言えば、必要なのは、ブレードの振動を効果的に減衰させ、しかもそれ自身およびブレード内の周囲領域の効果的な冷却を可能にする振動減衰デバイスを持つローターブレードである。

それゆえ本発明の目的は、ブレードの振動を効果的に減衰させるための手段を備えるローターアセンブリ用のローターブレードを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、それ自身およびブレード内の周囲領域の効果的な冷却を可能にする振動減衰用の手段を提供することである。

本発明によれば、根部と、翼形部と、ダンパーとを含む、ローターアセンブリ用のローターブレードが提供される。翼形部は、基端と、先端と、圧力側壁と、吸引側壁と、側壁間に配された空隙とを含む。空隙は実質的に基端と先端との間に延在すると共に、第１の空隙部、第２の空隙部、およびこの第１の空隙部と第２の空隙部との間に配されたチャネルを有する。チャネルに隣接する第１の空隙部内には第１の柱脚が複数本配置され、かつチャネルに隣接する第２の空隙部内には第２の柱脚が複数本配置されている。チャネル内にはダンパーが選択的に収容される。

本発明の利点は、知られている従来技術にて可能であるよりも、ダンパーの上流、ダンパーと翼形部壁との間、およびダンパーの後方で、冷却空気のより均一な拡散が可能になることである。冷却空気のより均一な拡散は、ダンパーあるいはこのダンパーに近接する翼形部領域に熱劣化が生じる可能性を低減する。

本発明の他の利点は、ダンパーを収容するチャネルが、望ましくない冷却空気流の障害となることなく、翼形部内へのダンパーの挿入を容易にすることである。チャネルに隣接するガイド面として使用される壁は、冷却空気のフロー(floe)を抑止するか、またはその分配を阻止する。いずれの場合も、ローターブレードを冷却する能力は、おもわしくない影響を受ける。本発明の第１および第２の柱脚は、これとは対照的に、冷却空気の均一な分配を促進する。

本発明の上記および他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に図示されるその最良の実施形態の詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１を参照すると、ディスク１２および複数のローターブレード１４を有するガスタービンエンジン用のローターブレードアセンブリ１０が提示されている。ディスク１２は、その周りに周方向に配置された複数の凹部１６と、それを中心としてディスク１２が回転可能な回転中心線１７とを含む。各ブレード１４は、根部１８と、翼形部２０と、プラットフォーム２２と、ダンパー２４（図２参照）とを含む。各ブレード１４はまた、ブレード１４を通る放射状中心線２５を含み、これはディスク１２の回転中心線１７に対して直交している。根部１８は、ディスク１２の凹部１６の一つの形状(geometry)と係合する形状を有する。モミの木形状は一般に公知であり、しかもこの実例において使用可能である。図２からわかるように、根部１８はさらに流路２６を備え、これを通って冷却空気は根部１８に入り、それを通過して翼形部２０内に流入できる。

図１ないし図３を参照すると、翼形部２０は、基端２８と、先端３０と、前縁３２と、後縁３４と、圧力側壁３６と、吸引側壁３８と、これらの間に配された空隙４０と、チャネル４２とを具備する。図２は前縁３２と後縁３４との間で切断した翼形部２０を大ざっぱに示している。圧力側壁３６と吸引側壁３８とは基端２８と先端３０との間に延在し、かつ前縁３２および後縁３４においてつながる。空隙４０は、チャネル４２の前方に第１の空隙部４４を有しかつチャネル４２の後方に第２の空隙部４６を有するものとして表現できる。翼形部２０が単一の空隙４０を含む実施形態では、チャネル４２は一つの空隙４０の一部分間に配置される。翼形部２０が二つ以上の空隙４０を含む実施形態では、チャネル４２は隣り合う空隙間に配置されてもよい。ここでの説明を簡単にするため、チャネル４２はここでは第１の空隙部４４と第２の空隙部４６との間に配置されているものとして説明する。だが、別に言及しない限りは、複数空隙および単一空隙の翼形部２０を含むことを意図している。図２ないし図７に示す実施形態では、第２の空隙部４６は後縁３４に近接しており、第１の空隙部４４および第２の空隙部４６は両方とも、翼形部２０の壁間に延在する複数の柱脚４８を含む。好ましい柱脚配列の特徴については以下で説明する。代替的実施形態では、一つの空隙部のみが柱脚４８を含むか、あるいはいずれの空隙部も柱脚４８を含まない。複数のポート５０が第２の空隙部４６の後方縁部５２に沿って配置され、後縁３４に沿って冷却空気が翼形部２０から出て行くための流路を提供する。

第１および第２の空隙部４４，４６間のチャネル４２は、基端２８と先端３０との間で長手方向に、実質的には基端２８と先端３０との間の距離全体に延在する第１の壁部５４と第２の壁部５６とによって形成される。チャネルは、プラットフォーム２２の根部側面５９に配された開口５７から始まる。チャネル４２は、第１の長手方向延在縁部５８および第２の長手方向延在縁部６０を有する。第１の長手方向延在縁部５８は第２の長手方向延在縁部６０の前方に配されている。チャネル４２はまた、第１および第２の長手方向延在縁部５８，６０間で長さ６４に実質的に直交するように（すなわち軸方向に）延びる幅６２を持つ。チャネル６２は実質的に真っ直ぐに延在していてもよく、あるいは図８に示されるようにアーチ形ダンパーを収容するためアーチ形に形成されてもよい。壁部５４，５６の一方あるいは両方は、壁からチャネル４２内へと延出する複数の隆起部６６を含む。以下で説明するように、この隆起部６６は、それがダンパー２４と点接触、線接触あるいは面接触を、あるいはその組み合わせをなすことを可能にする形状を有していてもよい。隆起部６６がとり得る形状の例には、球形、円柱形、円錐形、あるいはその切頭バージョン、その混成形が含まれるが、それらに限定されるものではない。隆起部６６がチャネル４２内へ延出する距離は均一であってもよく、あるいは隆起部６６間で意図的に異なるようにされてもよい。

熱的な観点から点接触は面接触と区別される。これは、点接触部でのダンパー２４および翼形部壁部５４，５６の温度が周囲領域の温度とそれほど差がない程度まで、点接触部を通過する冷却空気からの熱伝達が点接触部を冷却するのに十分なほど点接触部は面積が小さなことによる。線接触も同様に区別される。たとえば線接触は、線接触部でのダンパー２４および翼形部壁部５４，５６の温度が周囲領域の温度とそれほど差がない程度まで、線接触部を通過する冷却空気からの熱伝達が線接触部を冷却するのに十分なほど線接触部は面積が小さなことによって、面接触と区別される。

減衰の観点から、点接触は、点接触部を経て伝達される荷重の大きさに対する面接触部を経て伝達される荷重の大きさによって、面接触と区別される。接触部のサイズに関係なく、運転条件の所与の一群に関する荷重は同じになり、しかもそれは単位面積当たりの力の作用として分散されることになる。複数箇所で点接触する場合には、比較して言えば、非常に大きな面接触に関してそうなるであろうよりも、荷重は実質的に単位面積当たり一層大きくなる。線接触も同様に区別される。たとえば線接触は、比較して言えば、非常に大きな面接触に関してそうなるであろうよりも、それが実質的に単位面積当たり一層大きな荷重を担うということにより、面接触と区別される。

図４ないし図７を参照すると、チャネル４２内の隆起部６６の、チャネル４２のサイズに対するサイズおよび配列は、チャネル４２の幅を横切る蛇行流路６８が形成されるようなものである。この結果、第１の長手方向延在縁部５８を横切ってチャネル４２に流入する冷却空気流は、第２の長手方向延在縁部６０を横切ってチャネル４２を出る前に、チャネル４２内の複数の隆起部６６に衝突し、それを通過する。蛇行流路６８内の冷却空気流の方向成分については以下で説明する。チャネル４２内の隆起部６６はランダムに配列されてもよく、それでもチャネル４２の幅を横切る上記蛇行流路６８が形成される。隆起部６６はまた列をなすよう配置されてもよく、ここで一つの列の中の隆起部６６は、柱脚４８間に上記蛇行流路６８が形成されるよう隣接する列の隆起部６６からオフセットされる。

蛇行流路６８内の冷却空気流の方向成分に関して、事実上、蛇行流路６８の全ては、少なくとも部分的に長手方向（矢印Ｌで示す）に延在する少なくとも一つの部分と、少なくとも部分的に幅方向（矢印Ｗで示す）に延在する少なくとも一つの部分とを含む。蛇行流路６８は、いくつかの理由で、望ましくは、ダンパー２４と冷却空気との間の、そして翼形部壁部５４，５６と冷却空気との間の熱伝達を促進する。たとえば、蛇行流路６８を通過する冷却空気は、幅方向に延在するスロット内で冷却空気が通常そうするであろうよりも、ダンパー２４と翼形部壁部５４，５６との間により長い時間留まる。また、蛇行流路６８内で冷却空気にさらされるダンパー２４および翼形部２０の表面積は、従来技術の、幅方向に延在するスロットを持つダンパー装置内で通常さらされる表面積に対して増大する。こうした冷却上の利点は、幅方向に延在するスロットのみを持ち、そしてその間で面接触するだけのダンパーでは得られない。

図３および図８を参照すると、ダンパー２４はヘッド７０および本体７２を具備する。本体７２は、長さ７４と、前方面７６と、後方面７８と、一対の支持面８０，８２とを含む。本体７２の一端に固定されたヘッド７０は、ヘッド７０とブレード１４との間を密閉するためのシール面８４を含んでいてもよい。本体７２は通常、チャネル４２の断面形状と係合する断面形状となる。たとえば、好ましくは台形断面形状を有するダンパー２４が台形断面形状を有するチャネル４２と共に使用される。ダンパー２４がチャネル４２内に取り付けられた際、ダンパー２４の断面積は、それと整列したチャネル４２部分の断面形状と係合するため、その長さ７４に沿って変化してもよい。支持面８０，８２は、前方面７６と後方面７８との間で、かつ本体７２の全長７４に沿って延在する。

図２ないし図７を参照すると、好ましい実施形態では、第１の空隙部４４および第２の空隙部４６は、チャネル４２に近接して、翼形部２０の壁間に延在する複数の柱脚４８を含む。柱脚４８（チャネル４２の第１の長手方向延在縁部に隣接する第１の空隙部４４内に配置される）は、実質的に円柱形状のものとして図２ないし図５に示されている。これに代えて他の形状の柱脚４８を使用できる。第１の空隙部４４内の複数の柱脚４８は、好ましくは、柱脚４８間に蛇行流路８８を形成するため互いにオフセットされた複数の列を持つ並びで配列される。蛇行流路８８は局所熱伝達を改善し、かつ第１の長手方向延在縁部５８を横切ってチャネル４２に流入する冷却空気に関して均一な流量配分を促進する。柱脚列は、チャネル４２の長さの一部または全体に沿って配置できる。

第２の空隙部４６内の柱脚４８は、さまざまな異なる形状、たとえば円柱形、楕円形などとすることが可能であり、かつチャネル４２の第２の長手方向延在縁部６０に隣接して配置される。図４ないし図７に示す実施形態では、各柱脚４８は、後方向に延出する収れん部８６、たとえば後縁３４の方を向く柱脚の収れん部８６を備えたテーパー状柱脚４８を含む。テーパー状柱脚の特性は、特徴部の空力的形状から主に生じる、より小さな後縁直径９６から発生する下流側伴流を著しく低減することを可能にする。テーパー状柱脚の下流側の剥離流領域はサイズおよび大きさが小さく、後縁ポート滴形領域に入る前に流れが一層均一なものとなることを可能にする。テーパー状柱脚の下流でさらに均一な冷却媒体流動領域を再度達成することにより、後縁ポートメーターおよび後縁滴形特徴部の拡散セクションに沿った内部流の剥離可能性は最小化される。完全に発達した非剥離均一ポート流は、局所的な後縁ポート断熱フィルム効果を最大化し、これによって吸引側リップ金属材温度を低下させ、この結果、熱効率の改善を保証する。

テーパー状柱脚を導入したことにより、より緊密な列対列間隔（矢印９８によって示す）が可能になる。緊密な列対列間隔は、今度は、より従来型の円形柱脚設計特徴部に関して目下達成されている、全体流動面積、間隔、および障害基準について妥協することなく、さらに大きな内部対流面積を可能にする。テーパー状柱脚は好ましくは後縁柱脚１００に対して、１と２分の１ピッチでジグザク配置される。ピッチとは、特定列の隣り合う柱脚４８，１００間の距離を言う。通常、滴形の後縁で実現される衝突特性およびその結果生じる高い内部対流熱伝達係数は、テーパー状柱脚の包含によって不利な影響を受けない。しかしながら、後縁全体の熱冷却効率は、テーパー状柱脚設計に起因する対流領域増大の結果として著しく向上する。

第２の空隙部４６内の複数の柱脚４８は、好ましくは、柱脚４８間に蛇行流路９０を形成するよう互いにオフセットした複数の列を有する並びで配列される。蛇行流路９０は局所熱伝達を改善し、かつ第２の長手方向延在縁部６０を横切ってチャネル４２を出る冷却空気に関して均一な流量配分を促進する。柱脚列は、チャネル４２の長さの一部または全体に沿って配置できる。最後列は、そこに含まれる柱脚４８が後縁３４の冷却特徴部(cooling feature)に対して整列するよう配置される。たとえば、図４ないし図７に示す最後列内の柱脚４８は、後縁３４に沿って配置されたポート５０と整列する。

図１ないし図８を参照すると、定常状態運転条件下では、ガスタービンエンジンのローターブレードアセンブリ１０は、このエンジンを通過するコアガス流によって回転する。高温のコアガス流は、ローターブレードアセンブリ１０のブレード１４に作用し、そしてブレード１４のそれぞれに、たいては非均一に大量の熱エネルギーを伝達する。熱エネルギーのいくらかを分散させるため、冷却空気は各ブレードの根部１８の流路２６内へ流入する。そこから、冷却空気の一部が第１の空隙部４４内へ流入し、ここでは圧力差によって、それがチャネル４２の第１の長手方向延在縁部５８に隣接する柱脚４８の並びへと向かい、そしてその中に流入する。そこから、冷却空気はチャネル４２の第１の長手方向延在縁部５８を横切り、そして翼形部壁部５４，５６、ダンパー２４およびその間に延在する柱脚４８間に形成される蛇行流路６８に流入する。実質的に、蛇行流路６８の全ては、少なくとも部分的に長手方向に延在する少なくとも一部分と、少なくとも部分的に幅方向に延在する少なくとも一部分とを含む。この結果、蛇行流路６８内の冷却空気は、それがダンパー２４の幅を横切って流動するとき、長手方向に分配される。ひとたび冷却空気がダンパー２４の幅を横断してしまうと、それは流路６８を出て、チャネル４２の第２の長手方向延在縁部６０を横断し、そしてチャネル４２の第２の長手方向延在縁部６０に隣接する柱脚４８の並びに流入する。ひとたび流れがチャネル４２の第２の長手方向延在縁部６０に隣接する柱脚４８の並びを通過すると、それは翼形部２０の後縁３４に沿って配されたポート５０を出る。

ダンパー２４の支持面８０，８２は、チャネル４２の壁部５４，５６から延出する隆起部６６に接触する。翼形部２０の内部特性しだいで、ダンパー２４は、チャネル４２を横断する圧力差によって隆起部６６に対して強制的に接触させられてもよい。この接触力は、回転中心線１７を中心としてローターブレードアセンブリ１０のディスク１２が回転するときに発生する、ダンパー２４に作用する遠心力によってさらに十分なものとなる。ブレードの放射状中心線２５に対するチャネル４２の、そしてチャネル４２内に収容されたダンパー２４の曲がりは、チャネル４２の壁部５４，５６の方向に働くよう、ダンパー２４に作用する遠心力の一成分を生じさせる。すなわち遠心力成分は、チャネル４２の壁部５４，５６の方向に、ダンパー２４に抗する垂直力として作用する。

本発明をその詳細な実施形態に関して図示しかつ説明した。しかしながら、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その外形および細部にさまざまな変更を施すことが可能であることを理解するであろう。

ローターアセンブリの一部斜視図である。 ローターブレードの概略断面図である。 ローターブレード部分の概略断面図である。 第１および第２の空隙部分の一部とその間に配されたチャネルの概略図であり、隆起部の第１実施形態を図示している。 図４に示す図の端面図である。 第１および第２の空隙部分の一部とその間に配されたチャネルの概略図であり、隆起部の第２実施形態を図示している。 図６に示す図の端面図である。 ダンパーの実施形態の斜視図である。

符号の説明

１０ ローターブレードアセンブリ
１２ ディスク
１４ ローターブレード
１６ 凹部
１７ 回転中心線
１８ 根部
２０ 翼形部
２２ プラットフォーム
２４ ダンパー
２５ 放射状中心線
２６ 流路
２８ 基端
３０ 先端
３２ 前縁
３４ 後縁
３６ 圧力側壁
３８ 吸引側壁
４０ 空隙
４２ チャネル
４４ 第１の空隙部
４６ 第２の空隙部
４８ 柱脚
５０ ポート
５２ 後方縁部
５４ 第１の壁部
５６ 第２の壁部
５７ 開口
５８ 第１の長手方向延在縁部
５９ 根部側面
６０ 第２の長手方向延在縁部
６６ 隆起部
６８ 蛇行流路
７０ ヘッド
７２ 本体
７６ 前方面
７８ 後方面
８０，８２ 支持面
８４ シール面
８６ 収れん部
８８，９０ 蛇行流路
１００ 柱脚

Claims (15)

1. ローターアセンブリ用のローターブレードであって、
   根部と、
   基端と、先端と、圧力側壁と、吸引側壁と、前記側壁間に配された空隙とを有する翼形部であって、前記空隙は実質的に前記基端と前記先端との間に延在すると共に、第１の空隙部および第２の空隙部と、前記第１の空隙部と前記第２の空隙部との間に配されたチャネルとを含む翼形部と、
   前記チャネル内に選択的に収容されるダンパーと、を具備し、
   前記チャネルに隣接する前記第１の空隙部内には第１の柱脚が複数本配置され、かつ前記チャネルに隣接する前記第２の空隙部内には第２の柱脚が複数本配置されていることを特徴とするローターブレード。
2. 複数本の前記第１の柱脚は、前記チャネルに流入する冷却空気用の蛇行流路を形成するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
3. 複数本の前記第１の柱脚はランダムに配置されていることを特徴とする請求項２に記載のローターブレード。
4. 複数本の前記第１の柱脚は複数列に配置されていると共に、各列における前記第１の柱脚は、第１の柱脚の隣接列の前記第１の柱脚からオフセットして配置されていることを特徴とする請求項２に記載のローターブレード。
5. 複数本の前記第２の柱脚は、前記チャネルに流入する冷却空気用の蛇行流路を形成するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
6. 複数本の前記第２の柱脚はランダムに配置されていることを特徴とする請求項５に記載のローターブレード。
7. 複数本の前記第２の柱脚は複数列に配置されていると共に、各列における前記第２の柱脚は、第２の柱脚の隣接列の前記第２の柱脚からオフセットして配置されていることを特徴とする請求項５に記載のローターブレード。
8. 前記翼形部はさらに前縁および後縁を具備し、複数本の前縁第２の柱脚は前記チャネルと前記後縁との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
9. 複数本の前記第２の柱脚のそれぞれは収れん部を含み、この収れん部は外に向かって後方に延在していることを特徴とする請求項８に記載のローターブレード。
10. 前記翼形部と前記根部との間に配置されたプラットフォームをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
11. 前記チャネルは前記プラットフォームの開口から前記翼形部の前記空隙内へと延在することを特徴とする請求項１０に記載のローターブレード。
12. 前記チャネルは実質的に前記プラットフォームから前記翼形部の前記先端まで延在することを特徴とする請求項１１に記載のローターブレード。
13. 前記チャネルはアーチ形経路をたどることを特徴とする請求項１２に記載のローターブレード。
14. 複数本の前記第１の柱脚と複数本の前記第２の柱脚とは、前記チャネル内に前記ダンパーを保持するよう前記チャネルに対して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
15. 前記チャネルはアーチ形経路をたどることを特徴とする請求項１４に記載のローターブレード。
    

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