JP2005337237A - ロータブレードおよびロータブレードダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータブレード内の振動を効果的に減衰でき、効果的に冷却でき、所望の耐久性を得ることができるダンパ４８を提供する。
【解決手段】ロータブレード内に配置されるダンパ４８のボディ５８は、ベース部６０と先端部６２と第１接触面６４と第２接触面６６と後縁面６８と前縁面７０とを備える。後縁面６８および前縁面７０は、両接触面６４，６６の間に延び、第１，第２接触面６４，６６、後縁面６８、前縁面７０は、いずれも、ベース部６０と先端部６２との間で長手方向に延びる。ボディ５８は、ベース部６０寄り部分に配置された冷却用開口８２を有し、その直径は、先端部６２付近での後縁面６８の幅とほぼ等しいかこれよりも大きい。ボディ５８は、ベース部６０付近での断面積が先端部６２付近での断面積よりも大となるように、ベース部６０と先端部６２との間で、テーパ状をなしている。
【選択図】図５

Description

この発明は、ロータブレードに関し、特に、ロータブレードの振動を減衰させる装置に関する。

軸流型タービンエンジンのタービン部およびコンプレッサ部は、一般に、回転ディスクと該ディスクの周囲に周方向に配列された複数のロータブレードとからなるロータアッセンブリを含む。各ロータブレードは、ルート部と、翼部と、これらのルート部と翼部との間の移行部分に位置するプラットフォーム部と、を備える。ブレードの上記ルート部は、ディスク側の相補形状をなす凹部に収容される。ブレードの上記プラットフォーム部は、側方外側へと延び、全体が集合して、該ロータ段を通る作動媒体流路を構成する。各ブレードの前方の端縁は、前縁と呼ばれ、後方の端縁は、後縁と呼ばれる。前方とは、エンジンを通るガス流れの上流側を意味する。

運転中に、いくつかの異なる力の要因によって、ブレードが加振されることがある。例えば、ガスの温度や圧力や密度のばらつきによって、ロータアッセンブリ全体、特にブレード翼部において、振動が生じ得る。タービン部やコンプレッサ部の上流で周期的に排出されるガス、つまり”脈動”は、やはり、好ましくない振動を引き起こす。このような振動が抑制されないままであると、ブレードが早期に疲労し、ひいてはブレードの寿命が短くなる。

ダンパとブレードとの間の摩擦を、ブレードの振動動作を減衰させる手段として用いることが知られている。どの程度の量の振動が減衰するかは、２つの面の間の摩擦力の大きさに依存する。この摩擦力は、２つの面の間の接触面積の大きさ、２つの面の摩擦係数、これらの面を互いに接触状態に保つ垂直方向の力、の関数である。ダンパのばね率（つまり垂直方向の力）が、ばねの疲労や熱的環境によって低下すると、減衰される振動の量も、同様に減少する。またダンパが作用する面の面積が減少したり、ダンパにより摩耗したりすると、ダンパの効果は悪影響を受ける。

減衰作用の要請に加えて、ダンパは、非常に高温の環境において機能し、かつ持続するものでなければならない。いくつかの適用例では、高温環境下におけるダンパの耐久性を高めるために、ダンパを冷却することが可能となっている。例えば、スティックダンパ（棒状ダンパ）を、半径方向に延びるダンパの長手方向に沿って配列した冷却孔によって冷却することが知られている。また、ダンパの全長に亘り、ダンパの接触面に、間隔を持ったスロットを配列することも知られている。このように熱交換の向上のために冷却孔やスロットを設けることは、応力集中係数（”ＫＴ”）が生じ、ダンパの耐久性に悪影響を与える。

要するに、ブレード内の振動を効果的に減衰でき、効果的に冷却でき、所望の耐久性を得ることができる、振動減衰装置を備えたロータブレードが求められている。

本発明によれば、ロータブレードダンパが提供される。このダンパは、ボディを含み、該ボディは、ベース部と、先端部と、第１接触面と、第２接触面と、後縁面と、前縁面と、を備える。上記後縁面および前縁面は、両接触面の間に延びている。第１接触面、第２接触面、後縁面、前縁面は、いずれも、上記ベース部と上記先端部との間で長手方向に延びている。上記ボディは、ベース部寄り部分に配置された少なくとも一つの冷却用開口を有し、かつ該冷却用開口の直径は、先端部付近での後縁面の幅とほぼ等しいかこれよりも大きい。上記ボディは、ベース部付近の第１の横断面の断面積が先端部付近の第２の横断面の断面積よりも大となるように、ベース部と先端部との間で、テーパ状をなしている。

本発明の一つの態様によれば、ロータブレードが提供され、このロータブレードは、通路部を有するとともに、該通路部に、上述したロータブレードダンパが配設される。

本発明の一つの実施例においては、ボディは、先端部寄りの各接触面に配置された少なくとも一つの冷却チャネルを有する。

本発明の利点は、本発明のダンパを用いることで、ブレードの先端部側の厚さを薄くすることができることである。本発明のダンパは、ベース部と先端部との間で断面積が減少するようにテーパ状をなしている。ダンパの先端は、ロータブレードの薄い先端領域に配置し得るような寸法となっている。従来技術のダンパの多くは、先端領域が薄いロータブレード内に適用することができないような厚さを有している。従来技術のダンパにおいては、耐久性のために、ダンパ先端を比較的厚く設計することが要求されていた。この耐久性は、ダンパが晒される熱的環境および応力の関数である。本発明によれば、従来技術のダンパに比較して、冷却性が改善され、応力が減少する。この結果、ダンパの先端を薄くでき、先端部の厚さが薄いブレードに適用することが可能となる。

本発明の効果は、大きな断面積を有する剛性の高いベース部と、断面積の小さな先端部とにより得られるものである。高サイクル疲労を受けるブレード領域の中で、相対的に薄い先端部は、該ダンパとブレードの間でより大きな遠心荷重を許容し、剛性の高いベース部は、荷重により所望の摩擦接触を生じる。

ダンパのテーパ状のボディは、一定断面形状のボディを有するダンパに比べて、応力がより少なくなる。テーパ状としたことで、ベース部から先端部へ向かって、ダンパの質量が徐々に減少していく。従って、ダンパの半径方向の先端（つまり先端部）の質量に起因する応力が減少する。

ダンパのテーパ状のボディは、また、ダンパとしての所望の減衰性能に悪影響を与えることなしに、該ダンパならびに該ダンパの長さに沿った隣接する翼部の冷却を促進する。ダンパのベース部寄りは大きな断面積を有するので、前縁面と後縁面との間に延びる冷却用開口をダンパ内に配置することが可能となる。この冷却孔の直径は、タービンブレード内に侵入する異物の殆どを通過させるに十分な大きさを有し、これにより目詰まりが回避される。ボディの第２の端部寄りに配置された冷却チャネルは、このダンパの第２の端部の冷却を促進する。

従来技術は、接触面に、ダンパの長さに亘って個々に離れた冷却チャネルを配置し得ることを教示している。本発明の実施例においては、冷却チャネルは、ダンパの先端部寄りの接触面に配置されており、ダンパのベース部寄りには、冷却用開口が配置されている。このベース部領域に配置された冷却用開口は、応力集中係数（ＫＴ）を生じさせるが、この応力集中係数は、ダンパの接触面に冷却チャネルを形成したことに伴う応力集中係数よりも一般に小さい。従って、ダンパのベース部領域における低サイクル疲労の大きさは、冷却用開口に代えて冷却チャネルを具備する場合に比べて、より小さくなる。

ダンパの先端部寄りの接触面に配置された冷却チャネルは、ベース部寄りに配置した冷却用開口と同等以上の直径を有する冷却用開口を用いることができない領域に対し、冷却を行う。ベース部寄りの冷却用開口の直径は、先端部寄りの後縁面の幅とほぼ等しいかこれよりも大きい。従って、同様の直径の冷却用開口を先端部寄りに形成すると、両接触面が破られてしまうか、あるいは、後縁面側で接触面と冷却用開口との間に残る壁の厚さが許容できないほど薄くなってしまう。冷却用開口の直径を小さくすると、冷却空気とともに流れる異物による目詰まりが生じやすくなる。

図１に示すように、ガスタービンエンジン用のロータアッセンブリ１０は、ディスク１２と複数のロータブレード１４とを備えている。ディスク１２は、その周囲に周方向に配列された複数の凹部１６を有し、中心線１８を中心にして回転する。各ブレード１４は、ルート部２０と、翼部２２と、プラットフォーム部２４と、ダンパ２６（図２参照）と、を有する。また各ブレード１４は、該ブレード１４を通る半径方向中心線２８を有し、この半径方向中心線２８は、ディスク１２の中心線１８と直交する。ルート部２０は、ディスク１２の一つの凹部１６に合致する幾何学形状（つまり、もみの木構造）を有している。ルート部２０は、さらに、導管部３０を備えており、これを通して、冷却空気がルート部２０内に流入し、かつ翼部２２へと送られる。

図２および図３に示すように、翼部２２は、ベース部３２と、先端部３４と、前縁３６と、後縁３８と、第１キャビティ４０と、第２キャビティ４２と、上記第１，第２キャビティ４０，４２の間の通路部４４と、を含んでいる。翼部２２は、ベース部３２から先端部３４へ先細りのテーパ状をなしており、つまり、ベース部３２における翼弦の長さは、先端部３４における翼弦の長さよりも大きい。第１キャビティ４０は第２キャビティ４２の前方に位置し、第２キャビティ４２は後縁３８に隣接している。なお、翼部２２は、２つ以上のキャビティを有する場合もある。第２キャビティ４２は、後縁３８に沿って配列された複数の開口４６を包含し、この開口４６を通して冷却空気が通過し得る。図４に示す実施例においては、第１，第２キャビティ４０，４２が一つのキャビティから形成され、両者間に配置されたダンパ４８によって、第１，第２キャビティ４０，４２として構成されている。

第１，第２キャビティ４０，４２の間の通路部４４は、実質的にベース部３２から先端部３４まで延びた一対の壁面５０を含んでいる。一方もしくは双方の壁面５０は、第１キャビティ４０から第２キャビティ４２へ向かうに従って、他方の壁面に近付くように収束する。この通路部４４の中心線５２は、ブレード１４の半径方向中心線２８に対し、角度αでもって斜行（skew）しており、従って、通路部４４の先端部３４側の端部の方が、通路部４４のベース部３２側の端部よりも、半径方向中心線２８により接近している。ダンパ４８を通路部４４内に保持するために、複数のタブ５４を通路部４４に隣接して第１キャビティ４０内に設けることができる。図２に示す実施例においては、ダンパ４８を通路部４４内に挿入するための開口５６がプラットフォーム部２４に設けられている。

図５および図６に示すように、ダンパ４８は、ボディ５８を含み、このボディ５８は、ベース部６０と、先端部６２と、第１接触面６４と、第２接触面６６と、後縁面６８と、前縁面７０と、を有している。後縁面６８および前縁面７０は、第１，第２接触面６４，６６の間に延びている。これらの第１，第２接触面６４，６６、後縁面６８および前縁面７０は、いずれも、ベース部６０と先端部６２との間で長手方向に延びている。第１，第２接触面６４，６６は、平滑面であってもよく、粗面であってもよい。いくつかの実施例においては、後縁面６８におけるボディ５８の幅は、前縁面７０におけるボディ５８の幅よりも小さい。これらの実施例においては、ボディ５８が、後縁面６８と前縁面７０との間でテーパ状となっていると言うことができる。ボディ５８が、異なる断面形状をなすこともあり得る。図３および図４に示すダンパ４８は、実質的に台形状をなしている。図５および図６に示すダンパ４８は、各エッジに逃げ面（relief）７２を設けた台形状をなしている。他の実施例として、後縁面６８が湾曲形状となることもある。

ボディ５８は、ベース部６０付近の第１の横断面の断面積が先端部６２付近の第２の横断面の断面積よりも大となるように、ベース部６０と先端部６２との間で、テーパ状をなしており、すなわち、ベース部６０と先端部６２との間のボディ５８の断面積は、ベース部６０から先端部６２へ向かうに従って減少する。図６に、一つの平面７３を仮想線で例示しているが、この平面７３に沿って切断した断面が上記の横断面に相当する。図５および図６の実施例においては、テーパが実質的に直線状である。他の実施例として、直線的でないテーパ状の場合もある。

図８に示すように、後縁面６８の幅は、第１接触面６４が実質的に含まれる第１平面７６と第２接触面６６が実質的に含まれる第２平面７８との間に延びた線７４に沿う最小の距離として定義される。線７４は、後縁面６８に接する。図８に断面形状を示すダンパは、対称な台形状の断面形状を有している。線７４は、第１，第２平面７６，７８を示す線の間に延びる。この線７４と各々の平面７６，７８とがなす角は、互いに実質的に等しい。前縁面７０の幅も同様に定義されるが、但し、線７４は前縁面７０に接することとなる。

図５および図６に示すように、ボディ５８のベース部６０寄りの部分に、一つあるいは複数の冷却用開口８２が設けられている。この冷却用開口８２は、先端部６２付近での後縁面６８の幅とほぼ等しいかこれよりも大きな直径を有している。いくつかの実施例においては、複数の冷却用開口８２は一様な直径を有している。他の実施例においては、複数の直径が異なる冷却用開口８２が存在する。冷却用開口８２は、前縁面７０と後縁面６８との間に延びており、これにより、第１，第２接触面６４，６６の間においてダンパ４８を冷却空気が通過し得る。

いくつかの実施例においては、ダンパ４８は、さらに、先端部６２寄りの各接触面６４，６６に配置された複数の冷却チャネル８４を含んでいる。冷却チャネル８４は、ダンパ４８の長手方向中心線８０にほぼ垂直な方向に延びている。図６に示すように、第１接触面６４に配列されている冷却チャネル８４は、第２接触面６６に配列されている冷却チャネル８４に対し、長手方向中心線８０に沿ってオフセットしている。しかしながら、この第１，第２接触面６４，６６の冷却チャネル８４のオフセットは、必須のものではない。図５および図６において、冷却チャネル８４は、ほぼ長方形の断面形状を有している。但し、冷却チャネル８４は、このような長方形の断面形状のものに限定されない。例えば、冷却チャネル８４を波状の接触面（図７参照）として形成することができ、この場合、谷部８６が冷却チャネル８４を構成し、頂部８８がブレード１４と接触する接触面６４，６６の部分を構成する。冷却チャネル８４は、また、接触面６４，６６から突出した突起部によって構成することもでき、この場合、突起部の間に冷却チャネル８４が延びる形となる。

いくつかの実施例においては、ダンパ４８は、ボディ５８の一端に固定されたヘッド部９０をさらに備えている。米国特許第５，８２０，３４３号および米国特許第５，５５８，４９７号は、ダンパ４８のボディ５８に取り付けられたヘッド部９０を有するダンパ４８の例を開示している。米国特許出願１０／７７１，５８７号は、ダンパヘッドの異なる例を示している。これらの特許は、本願の参照となる。これらは、本発明のダンパ４８に用いられるヘッド部９０の例を示す。但し、本発明のダンパ４８は、これらの例に限定されるものではない。

図１および図２に示すように、定常運転条件においては、ガスタービンエンジン内のロータアッセンブリ１０は、エンジン内を通るガス流れが通過し、回転する。高温のコアガスがロータアッセンブリ１０のブレード１４に衝突し、かなりの熱エネルギが各ブレード１４に伝達するが、これは、通常、不均一な態様で生じる。熱エネルギのいくらかを消散させるために、冷却空気が各ブレード１４のルート部２０内の導管部３０へ導入される。ここから一部の冷却空気が第１キャビティ４０に入り、ダンパ４８に接触する。ダンパ４８の冷却用開口８２によって、冷却空気が第２キャビティ４２内へと通過し得る流路が構成される。冷却チャネル８４を備えた実施例においては、この冷却チャネル８４によっても、冷却空気が第２キャビティ４２内へと通過し得る流路が構成される。

図２〜図４に示すように、ダンパ４８の接触面６４，６６は、通路部４４の壁面５０に接触する。ロータアッセンブリ１０のディスク１２がその回転中心線１８を中心に回転することで発生する遠心力は、ダンパ４８に作用し、その力の一部が、ダンパ４８をブレード１４に圧接させる荷重となる。図２に示した実施例においては、通路部４４がブレード１４の半径方向中心線２８に対し斜行（skew）しており、かつダンパ４８はこの通路部４４内に収容されているので、ダンパ４８に作用する遠心力の成分が、ブレード１４の壁面５０へ向かう方向に作用し、つまり、遠心力の成分が、ダンパ４８に対し壁面５０方向への垂直な力として作用する。

以上、この発明を一実施例に沿って説明したが、当業者には明らかなように、種々の変更が可能である。例えば、上記の好適実施例では、ダンパ４８が第１，第２キャビティ４０，４２の間に配置され、かつ第２キャビティ４２は翼部２２の後縁３８に隣接しているが、本発明はこれに限定されず、ダンパ４８は、翼部２２のいかなる２つのキャビティの間であっても配置することができる。

ロータアッセンブリの部分的な斜視図。 ロータブレードの断面図。 ロータブレードの要部の断面図。 異なる実施例のロータブレードの要部の断面図。 本発明のダンパの一実施例を示す斜視図。 本発明のダンパの一実施例を示す要部の斜視図。 波状の接触面を有するダンパの説明図。 ダンパの一実施例の横断面図。

Claims (18)

1. ロータブレードダンパであって、
   このダンパのボディは、ベース部と、先端部と、第１接触面と、第２接触面と、後縁面と、前縁面と、を備え、
   上記後縁面および前縁面は、両接触面の間に延びており、
   上記の各面は、上記ベース部と上記先端部との間で長手方向に延びており、
   上記ボディは、ベース部寄り部分に配置された少なくとも一つの冷却用開口を有し、かつ該冷却用開口の直径は、先端部付近での後縁面の幅とほぼ等しいかこれよりも大きく、
   上記ボディは、ベース部付近の第１の横断面の断面積が先端部付近の第２の横断面の断面積よりも大となるように、ベース部と先端部との間で、テーパ状をなしていることを特徴とするロータブレードダンパ。
2. 上記ボディは長手方向軸を有し、かつこのボディは、上記長手方向軸に沿った実質的に全ての点において、前縁面の方が後縁面よりも広くなるようにテーパ状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のロータブレードダンパ。
3. 上記先端部寄りの第１接触面に配列された一つあるいは複数の冷却チャネルをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のロータブレードダンパ。
4. 上記先端部寄りの第２接触面に配列された一つあるいは複数の冷却チャネルをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のロータブレードダンパ。
5. 上記冷却チャネルは、ほぼ長方形の断面形状を有していることを特徴とする請求項４に記載のロータブレードダンパ。
6. 第１接触面および第２接触面が波状に形成され、この接触面の谷部が冷却チャネルを構成していることを特徴とする請求項４に記載のロータブレードダンパ。
7. 第１接触面における冷却チャネルが第２接触面における冷却チャネルに対しオフセットしていることを特徴とする請求項４に記載のロータブレードダンパ。
8. 複数の冷却用開口を有することを特徴とする請求項１に記載のロータブレードダンパ。
9. 複数の冷却用開口の一部は第１の直径を有し、複数の冷却用開口の一部は第２の直径を有し、第１の直径は第２の直径よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載のロータブレードダンパ。
10. ロータアッセンブリ用のロータブレードであって、
    ルート部と、
    ベース部、先端部、第１キャビティ、第２キャビティ、この第１キャビティと第２キャビティとの間に位置し両キャビティを接続する通路部、を含んでなる翼部と、
    上記通路部に収容されたダンパと、
    を備えてなり、
    上記ダンパのボディは、ベース部と、先端部と、第１接触面と、第２接触面と、後縁面と、前縁面と、を備え、
    上記後縁面および前縁面は、両接触面の間に延びており、
    上記の各面は、上記ベース部と上記先端部との間で長手方向に延びており、
    上記ボディは、ベース部寄り部分に配置された少なくとも一つの冷却用開口を有し、かつ該冷却用開口の直径は、先端部付近での後縁面の幅とほぼ等しいかこれよりも大きく、
    上記ボディは、ベース部付近の第１の横断面の断面積が先端部付近の第２の横断面の断面積よりも大となるように、ベース部と先端部との間で、テーパ状をなしていることを特徴とするロータブレード。
11. 上記ボディは長手方向軸を有し、かつこのボディは、上記長手方向軸に沿った実質的に全ての点において、前縁面の方が後縁面よりも広くなるようにテーパ状をなしていることを特徴とする請求項１０に記載のロータブレード。
12. 上記先端部寄りの第１接触面に配列された一つあるいは複数の冷却チャネルをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のロータブレード。
13. 上記先端部寄りの第２接触面に配列された一つあるいは複数の冷却チャネルをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のロータブレード。
14. 上記冷却チャネルは、ほぼ長方形の断面形状を有していることを特徴とする請求項１３に記載のロータブレード。
15. 第１接触面および第２接触面が波状に形成され、この接触面の谷部が冷却チャネルを構成していることを特徴とする請求項１３に記載のロータブレード。
16. 第１接触面における冷却チャネルが第２接触面における冷却チャネルに対しオフセットしていることを特徴とする請求項１３に記載のロータブレード。
17. 複数の冷却用開口を有することを特徴とする請求項１０に記載のロータブレード。
18. 複数の冷却用開口の一部は第１の直径を有し、複数の冷却用開口の一部は第２の直径を有し、第１の直径は第２の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１７に記載のロータブレード。
    

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