JP2006052732A - 混合同調ハイブリッドブレードおよびそれに関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気タービンブレードの振動を低減させる、またはより効果的に減衰させることを目的として、ハイブリッドブレード技術を拡大する。
【解決手段】 蒸気タービンロータホイール（４８）は、翼型部分に形成されたポケット（２０）を有する複数のブレード（１０）を含み、これら複数のブレードは、２つのブレードグループ（Ａ、Ｂ）に分割される。一方のブレードグループ（Ａ）のポケットは、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填され、他方のブレードグループ（Ｂ）のポケットも、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填される。該一方のブレードグループのポリマー充填材料は、該他方のグループのブレードのポリマー充填材料とは異なる固有振動数または減衰特性を該一方のグループのブレードにおいて生じる。２つのグループのブレードは、所定のパターンにしたがってロータホイール上で組み立てられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に蒸気タービンの動翼（またはブレード）に関し、より詳細には、システム性能を向上させるための様々な所定の材料の振動数特性および／または減衰特性を実現するように特に設計されたハイブリッド複合ブレードに関する。

蒸気タービンのブレードは、大きな遠心荷重および振動応力を受ける環境で動作する。振動応力は、ブレードの固有振動数が動作速度またはその他の通過周波数（上流側の動翼またはノズルの数、またはその他の主要な「／回転」特性）と共振すると増大する。ブレードが共振状態で振動しているときの振動応力の大きさは、系内の減衰の大きさに比例する（減衰は、材料、空力学成分および機械成分、ならびに振動励振レベルで構成される）。ブレードが連続的に結合されている場合、振動周波数は、ブレードの系全体によって決まるものであって、必ずしも列内の個々のブレードによって決まるわけではない。

同時に、遠心負荷は、動作速度、ブレードの質量および質量が位置しているところまでのエンジン中心線からの半径によって決まる。ブレードの質量が大きくなると、より根元に近い位置において、当該材料の許容可能応力を超えることなくそれより上の質量を担持することができるように、物理的面積または断面積を大きくしなければならない。このような低い位置におけるブレード断面積の増大は、ブレードの根元で流れが過度に妨げられる一因となり、したがって性能が低下する。ブレードの重量は、ロータのダブテールが高くなり、ディスク応力が高くなる一因となり、それにより、場合によっては信頼性低下の一因となる。

金属とポリマー充填材料とを組み合わせて翼型部分を構成することによって翼型部分の重量を減少させる、いわゆる「ハイブリッド」ブレード設計に関する従来技術の公開特許もいくつかある。具体的には、翼型部分に１つまたは複数のポケットを形成し、これらのポケットを、翼型部分の輪郭が変化しないようにポリマー充填材料で充填する。これらの従来技術の特許としては、特許文献１ないし特許文献４などがある。特許文献５には、ポケットの形状を変化させて各グループのブレードの減衰特性を変化させたハイブリッドブレードが開示されている。

したがって、ハイブリッドブレードの開発を引き続き行い、タービンブレード列の全体としての固有振動数特性および／または減衰特性を改善することが必要である。
特開平１０−０５４２０４号 米国特許第６０４２３３８号 米国特許第５９３１６４１号 特開平０９−３０３１０４号 特開２００４−３１６６５７号 米国特許第６２８７０８０号

本発明は、蒸気タービンブレードの振動を低減させる、またはより効果的に減衰させることを目的とした、ハイブリッドブレード技術の拡大に関するものである。

第１の例示的な実施形態では、ポリマー充填材料で充填した１つまたは複数のポケットを備えたブレードを製造する。充填材料は、１つのブレード列に含まれるブレードの固有振動数を変化させるように選択される。したがって、ブレード列内の様々なブレードに対して適当な充填材料を選択することによって、望ましくない固有振動数を除去することができる。所望の振動数修正を行うために、２種類以上の充填材料を同数のブレードポケットで使用することもできる。このような構成により、列全体のブレードの減衰特性は、変化することも変化しないこともある。

この実施形態の改変実施形態では、２グループのハイブリッドブレードを一列に実装する。一方のグループのハイブリッドブレードでは、もう一方のグループのブレードより剛性の高いポリマー充填材料を使用する。これらのブレードをホイール上で所定の対称的なパターンで組み立てることにより、固有振動数が変化するだけではなく、列全体のブレードの減衰特性も変化させることができる。いずれにしても、一列内のブレードの固有振動数を変化させることにより、ブレードの空力学的特性に悪影響を及ぼすことなく、列全体の空力弾性応答が抑制される。

第２の実施形態では、ポリマー充填材料の減衰特性に基づいてポリマー充填材料を選択する。換言すれば、充填材料は、ブレードの振動を許容レベルまで抑制することができるように、その減衰特性に基づいて指定される。一例では、一列内の全てのブレードのポケットで、少なくとも２種類の充填材料を使用して、当該列の減衰特性を変化させる。別の例では、２つ以上のグループのブレードを一列に組み立てる。各ブレードグループでは、他の１つまたは複数のグループで使用する充填材料とは異なる減衰特性を有する充填材料を利用する。この実施形態の重要な点は、動翼列の減衰性を高めるように複数グループの動翼を配列するために「混合同調」概念に依拠する点である。ただし、この技術は、各動翼の振動数をシフトさせ、同期振動および非同期振動に対する系の応答の全体的な減衰をさらに改善することになる可能性もある。

したがって、より広範な態様では、本発明は、シャンク部分および翼型部分を含み、翼型部分が少なくとも１つのポケットを備えて形成され、ポケットが、タービンブレードの固有振動数に対する影響に基づいて選択されるポリマー充填材料で充填される、蒸気タービンブレードに関する。

別の態様では、本発明は、その外周の周りに固定された複数のブレードを含み、各ブレードがシャンク部分と、翼型部分と、翼型部分に形成された１つまたは複数の窪んだポケットとを含み、該複数のブレードが２つのブレードグループに分割され、一方のブレードグループのポケットが、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填され、他方のブレードグループのポケットが、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填された、蒸気タービンロータホイールであって、該一方のブレードグループのポリマー充填材料が、該他方のグループのブレードのポリマー充填材料とは異なる固有振動数を該一方のグループのブレードにおいて発生させ、２つのグループのブレードが、所定のパターンにしたがって当該ロータホイール上で組み立てられた、蒸気タービンロータホイールに関する。

別の態様では、本発明は、シャンク部分および翼型部分を含み、翼型部分が、その減衰特性に基づいて選択されるポリマー充填材料で充填される少なくとも複数のポケットを備えて形成される、蒸気タービンブレードに関する。

別の態様では、本発明は、その外周の周りに固定された複数のブレードを含み、各ブレードがシャンク部分と、翼型部分と、翼型部分に形成された１つまたは複数のポケットとを含み、該複数のブレードが２つのブレードグループに分割され、一方のブレードグループの該１つまたは複数のポケットが、第１の複数種類のポリマー充填材料で充填され、他方のブレードグループのポケットが、第２の複数種類のポリマー充填材料で充填された、蒸気タービンロータホイールであって、第１のポリマー充填材料が、該一方のグループのブレードにおいて、該他方のポリマー充填材料とは異なる減衰特性を生じ、２つのグループのブレードが、所定のパターンにしたがって当該ロータホイール上で組み立てられた、蒸気タービンロータホイールに関する。

さらに別の態様では、本発明は、蒸気タービンホイールのブレード列の空力弾性応答を抑制する方法であって、（ａ）１つまたは複数のポケットがそれぞれ形成された複数のブレードを準備するステップと、（ｂ）該ブレード列の固有振動数に対する影響に基づいて選択された１種類または複数種類の充填材料で該１つまたは複数のポケットを充填するステップとを含む方法に関する。

さらに別の態様によれば、本発明は、蒸気タービンホイールのブレード列の空力弾性応答を抑制する方法であって、（ａ）１つまたは複数のポケットがそれぞれ形成された複数のブレードを準備するステップと、その減衰特性に基づいて選択された１種類または複数種類の充填材料で該１つまたは複数のポケットを充填するステップとを含む方法に関する。

次に、添付の図面に関連して、本発明について詳細に述べる。

図１を参照すると、製造途中の蒸気タービンブレード１０が示してある。ブレード１０は、シャンク部分１２および翼型部分１４を含む。本発明は特に、鋼またはチタンで構成することが好ましい翼型部分１４に関するものであるが、その他に、アルミニウムやコバルト、ニッケルなどの材料も適当である。リブ１６、１８を翼型部分１４と一体鋳造して、離間した充填材ポケット（または単にポケット）２０、２２および２４を形成する。ただし、これらのリブは、翼型部分の側縁部２６、２８と面一に延びているわけではないことを理解されたい。一例では、ポリマー（ウレタン）系の充填材料３０は、翼型部分の正圧面側（または負圧面側）に場所打ちされて、ポケット２０、２２および２４を充填し、リブを覆い、これにより、図２に示すようにブレードの正圧面側全体にわたって滑らかなポリマー面３２を形成する。個々のポケットを画定するリブまたは表面を翼型部分のその他の外表面と面一にして、ポリマー充填材表面と金属表面とが滑らかにつながるように個々のポケットまたは凹部が個別に充填されるようにすることも、本発明の範囲内である。

上述の実施形態では、リブ１６、１８は翼型部分１４の長手方向に沿って反対方向に角度を付けて示したが、翼型部分の正圧面側（または負圧面側）に沿った所望の位置に異なる形状のポケットを生じるその他の配列も、本発明の範囲内である。

例えば、図３は、シャンク部分３６および翼型部分３８を含むブレード３４を示す。翼型部分３８の正圧面側に、径方向内側のポケット４０および径方向外側のポケット４２が形成され、比較的幅広のウェブまたはリブ４４、およびスパン中央のダンパによって分離されている。

ポケット２０、２２、２４、４０および４２の充填材料３０は、様々な硬度のウレタン系ポリマー、シリコーン系ポリマー、ゴム系化合物、あるいは適当な硬化剤、および／または振動数、減衰性、耐侵食性などを調節するためのガラスやセラミックなどのその他の材料とポリマーとの混合物で構成することができる。いくつかの適当な充填剤組成は、例えば米国特許第６２８７０８０号および第５９３１６４１号に開示されている。充填材料３０を翼型部分の金属表面に接合する方法としては、限定はしないが、自己接着、充填材料３０と翼型部分の金属表面との接着、接着剤による接合（接着膜または接着糊）、および融着などがある。

第１の例示的な実施形態では、ブレード列内のブレード１０のポケット２０、２２および２４、またはブレード３４のポケット４０、４２は、固有振動数に基づいて選択された充填材料で充填される。一例では、全てのポケット（１個から４個以上）を、所望の固有振動数が個々のブレードならびにブレード列全体で得られるように意図した同じポリマー充填材料で充填する。別の例では、各ブレードに、例えば剛性の異なる少なくとも２種類の異なる充填材料を組み込み、所望の固有振動数を得る。

第２の実施形態では、図１に示す２０、２２および２４と同様の窪んだポケットをその翼型部分の正圧面側に備えたブレード１０（または３４）を、各グループのブレードのポケットを異なる充填材料で充填した状態で、２グループ以上形成する。例えば、１つのグループのブレードでは、より高い強度の材料、すなわち「より剛性の高い」材料をポケット充填材として使用し、もう一方のグループのブレードでは、より剛性の低い材料を使用することもできる。あるいは、１つのグループのブレードの複数のポケットを、複数のポリマー充填材で充填し、もう一方のグループの複数のポケットを、それぞれ異なる複数のポリマー充填材で充填することもできる。したがって、図３のブレード３４を参照して説明すると、例えば、第１のグループのブレードでは、ポケット４０をポリマー「ａ」で充填し、ポケット４２をポリマー「ｂ」で充填することができる。また、第２のグループのブレード３４では、ポケット４０をポリマー「ｃ」で充填し、ポケット４２をポリマー「ｄ」で充填することができる。この場合も、これらの材料は、２つのグループのブレードにおいて異なる共振振動数が得られるように選択される。

上述したブレードの設計を利用して、図４に示すように、蒸気タービンのロータホイール４８上の一列のブレード列を形成することができる。具体的には、タービンホイール上で、グループＡおよびＢ（例えばブレード１０または３４からなる）を所定のマップ構成で組み立てる。例えば、ＡＢＡＢ…というパターンで組み立てて、グループＡのブレードが必ずグループＢのブレードと隣接するようにする。このようにして、それら固有の共振振動数の違いを、ブレード設計の空力学的性質に悪影響を及ぼすことなく同期振動および非同期振動に対するシステム応答を低下させる手段として利用するように、２つ（またはそれ以上）のブレード群を意図的に製造し、論理的に組み立てることができる。さらに、この点に関しては、固有振動数が２つの「／回転」基準の間（例えば４／回転と５／回転の間）で等間隔に設定されるように１つのグループのブレードを設計し、もう１つのグループのブレードを異なる充填材料を用いて設計して、別の組合せの「／回転」励振の間（３／回転と４／回転の間など）で等間隔に設定されるようにすることもできる。

また、やはり所望の振動数特性を得るために、ブレードグループ分布のパターンを変化させることもできる。例えば、ＡＡＢＢＡＡ…というパターン、またはＡＡＢＡＡＢ…というパターンにすることもできる。

本発明の第２の実施形態では、ブレードは、充填材料の減衰特性に基づいて選択されるウレタンまたはシリコンのポリマー充填材料で充填した１つまたは複数のポケットを備えて製造される。

これは、２つの方法のうちのいずれかで行うことができる。第１の方法は、各ブレード１０のポケット２０、２２、２４（またはブレード３４のポケット４０、４２）の中で、各ブレードの減衰係数、ならびにブレードの列全体の減衰応答を変化させるように選択した１種類または複数種類の充填材を使用するものである。特定の材料特性が必要となる位置によって、いくつかのポケットを高減衰材料、または必ずしも減衰に関するとは限らないその他の何らかの特定の要件に合った材料で充填することもできる。例えば、ブレードの一部領域で腐食が問題となることもあるが、腐食防止に望ましい材料が、振動の低減には望ましくないこともある。他の領域では、腐食がそれほど問題にならず、振動減衰が主な問題になることもある。いずれにしても、程度の差はあるが減衰特性を変化させることにより、ブレード列の系振動の大きさを許容レベルまで減少させることができる。

第２の実施形態に関連する第２の方法は、ブレード１０を別個の２つのグループに分離し、各グループで異なる充填材料３０を利用して、当該グループ内のブレードの減衰係数を調節するものである。例えば、一方のグループでは、全てのブレードのポケットを１種類または複数種類の充填材で充填し、第２のグループでは、全てのブレードでそれとは別の１種類または複数種類の充填材を利用する。これらのブレードを、上述のように、すなわちＡＢＡＢ…やＡＡＢＢＡＡ…などのマップ構成で組み立てる。このようにマップ構成にすることで、各ブレードグループのブレードの減衰応答が様々であることにより当該ブレードセットの混合同調が行われ、ブレード列またはブレードセットのさらなる減衰が得られることになる。また、これにより、各ブレードの振動数をシフトさせて、混合同調の概念をさらに活用することができる。

上記の各方法によれば、ある種のブレード設計のスパン中央にある通常の機械的ダンパ４６（図３）を除去することが可能になる。このスパン中央における接続は、タービンの効率低下につながる流れの乱れを生じる。換言すれば、減衰特性を改善した適当な充填材料を使用すれば、現在のスパン中央のダンパを完全に除去することが可能である。

最も実用的でありかつ好ましいと現在考えられる実施形態に関連して本発明について説明したが、本発明は開示の実施形態に制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正形態および等価な構成を含むものであることを理解されたい。

充填材ポケットが形成された製造途中のブレードを示す斜視図である。 ポリマー充填材料をブレードに付加した図１に示すブレードを示す斜視図である。 別の例による製造途中のブレードを示す斜視図である。 複数のタービンブレードが取り付けられたタービンホイールを示す概略側面図である。

符号の説明

１０ 蒸気タービンブレード
１２ シャンク部分
１４ 翼型部分
１６ リブ
１８ リブ
２０ 充填材ポケット
２２ 充填材ポケット
２４ 充填材ポケット
３０ 充填材料
３２ ポリマー面
４８ 蒸気タービンロータホイール

Claims (11)

1. シャンク部分（１２）と、翼型部分（１４）とを含む蒸気タービンブレード（１０）であって、前記翼型部分が、少なくとも１つのポケット（２０）を備えて形成され、前記ポケットが、当該タービンブレードの固有振動数に対する影響に基づいて選択されたポリマー充填材料で充填される、蒸気タービンブレード（１０）。
2. 各ブレードに２つのポケット（２０、２２）が形成され、各ポケットが実質的に同じ充填材料で充填される、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
3. 各ブレードに２つのポケット（２０、２２）が形成され、各ポケットが異なる充填材料で充填される、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
4. 前記ポリマー充填材料がウレタン系ポリマーを含む、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
5. 前記第１および第２のポリマー充填材料が硬度の異なる複数のウレタン系ポリマーを含む、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
6. 前記ポリマー充填材料が１種類以上の硬化剤を含有する、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
7. その外周の周りに固定された複数のブレード（１０）を含み、各ブレードがシャンク部分（１２）と、翼型部分（１４）と、翼型部分に形成された１つまたは複数の窪んだポケット（２０）とを含み、前記複数のブレードが２つのブレードグループに分割され、一方のブレードグループ（Ａ）のポケット（２０）が、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填され、他方のブレードグループ（Ｂ）のポケットが、１種類または複数種類のポリマー充填材料で充填された、蒸気タービンロータホイール（４８）であって、前記一方のブレードグループ（Ａ）のポリマー充填材料が、前記他方のグループ（Ｂ）のブレードのポリマー充填材料とは異なる固有振動数を前記一方のグループのブレードにおいて発生させ、２つのグループ（Ａ、Ｂ）のブレードが、所定のパターンにしたがって当該ロータホイール（４８）上で組み立てられた、蒸気タービンロータホイール（４８）。
8. 前記一方のグループ（Ａ）のブレードが、ホイール（４８）の外周に沿って前記他方のグループ（Ｂ）のブレードと交互に配列され、一方のグループの任意のブレードが常に他方のグループのブレードと隣接するようになっている、請求項７記載の蒸気タービンロータホイール。
9. 前記第１および第２のポリマー充填材料が、硬度の異なるウレタン系ポリマーを含む、請求項７記載の蒸気タービンロータホイール。
10. 蒸気タービンホイール（４８）のブレード列（１０）の空力弾性応答を抑制する方法であって、
    （ａ）１つまたは複数のポケット（２０）がそれぞれ形成された複数のブレード（１０）を準備するステップと、
    （ｂ）前記ブレード列の固有振動数に対する影響に基づいて選択された１種類または複数種類の充填材料で前記１つまたは複数のポケットを充填するステップとを含む方法。
11. 蒸気タービンホイール（４８）のブレード列（１０）の空力弾性応答を抑制する方法であって、
    （ａ）１つまたは複数のポケット（２０）がそれぞれ形成された複数のブレード（１０）を準備するステップと、
    （ｂ）その減衰特性に基づいて選択された１種類または複数種類の充填材料で前記１つまたは複数のポケット（２０）を充填するステップとを含む方法。
    

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