JP2011236898A - 非対称ミッドスパン構造体部分を有するブレード及び関連するブレード付ホイール構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】非対称ミッドスパン構造体部分を有するブレード及び関連するブレード付ホイール構造体を提供する。
【解決手段】本ブレードは、翼形部セクションを備える本体と、本体の端部に設けられて該ブレードをハブに結合する根元と、本体から延在する第１のミッドスパン構造体部分と、本体から延在する第２のミッドスパン構造体部分とを含む。第１及び第２のミッドスパン構造体部分は、本体から非対称に延在する。本ホイール構造体は、ハブから延在する複数の円周方向に離隔したブレードを備えるブレード付ホイールと、複数の円周方向に離隔したブレードの隣接ブレードを結合するミッドスパン構造体の組とを含む。ミッドスパン構造体の組は、不均一半径方向配置に配置される。
【選択図】 図２

Description

本開示は、総括的にはブレード付ホイールに関し、より具体的には、非対称ミッドスパン構造体部分を有するブレード付ホイール用のブレード及び関連するブレード付ホイール構造体に関する。

産業用のブレード付ホイールの設計では、その構造体が作動振動数の範囲に耐えることができることを保証することが必要である。そのようなブレード付ホイールは、ファン、圧縮機、タービンなどで使用することができる。図１に示すようなブレード付ホイール上に長尺のブレードを備える設計では、隣接するブレード１０は一般に、１つ又はそれ以上の円周方向に延在するミッドスパン構造体１２の組によって連結される。各組の及び各個々のミッドスパン構造体１２は、ブレード付ホイール全体にわたって該ブレード付ホイールのハブ１４に対する均一半径方向位置Ｒで延在する。ミッドスパン構造体１２の数、寸法及び半径方向位置は、ブレード付ホイール振動数に影響を与えかつ関心のある全ての作動モードにおける重大な共振発生を処理するように離調させる必要がある主要因の一部である。従って、ミッドスパン構造体１２の半径方向位置、数及び寸法は、多くの場合に設計時における振動数離調の中心的課題となる。ミッドスパン構造体１２の数又は寸法を増大させることは、全体質量を増加させかつ設計をより複雑にする不都合がある。加えて、ミッドスパン構造体１２の均一半径方向位置を変化させることでは、関心のある全ての作動モードにおける重大な共振発生は必ずしも離調されない。

本開示の第１の態様は、ブレード付ホイール構造体を提供し、本ブレード付ホイール構造体は、ハブから延在する複数の円周方向に離隔したブレードを備えるブレード付ホイールと、複数の円周方向に離隔したブレードの隣接ブレードを結合するミッドスパン構造体の組とを含み、ミッドスパン構造体の組は、不均一半径方向配置に配置される。

本開示の第２の態様は、ブレードを提供し、本ブレードは、翼形部セクションを備える本体と、本体の端部に設けられて該ブレードをハブに結合する根元と、本体から延在する第１のミッドスパン構造体部分と、本体から延在する第２のミッドスパン構造体部分とを含み、第１及び第２のミッドスパン構造体部分は、本体から非対称に延在する。

本開示の例示した態様は、本明細書に記載した問題点及び／又は記載していないその他の問題点を解決するように設計されている。

本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるようになるであろう。

従来のブレード付ホイール構成の概略図。 本発明の実施形態に係るブレード付ホイール構造体の斜視図。 本発明の実施形態に係るミッドスパン構造体部分を備える、図２のブレードの斜視図。 本発明の別の実施形態に係るブレード付ホイール構造体の概略図。 本発明の実施形態に係るミッドスパン構造体部分を備える、図４の噛合いブレードの斜視図。 本発明の実施形態に係るミッドスパン構造体部分を備える、図４の噛合いブレードの斜視図。 本発明の実施形態に係る、それぞれ図３及び図５〜図６の噛合いミッドスパン構造体部分の斜視図。 本発明の実施形態に係る、それぞれ図３及び図５〜図６の噛合いミッドスパン構造体部分の斜視図。 図２及び図４の実施形態の組合せの斜視図。 本発明の実施形態に係る別のワイヤミッドスパン構造体の側面図。 本発明の実施形態に係る別のワイヤミッドスパン構造体の側面図。

本開示の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本開示の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。

図２〜図６を参照すると、様々な実施形態に係るブレード付ホイール構造体１００、２００の斜視図を示している。図２及び図４に示すように、各構造体１００、２００は、ハブ１１２から延在する複数の円周方向に離隔したブレード１１０、２１０を備えるブレード付ホイール１０２を含む。図３、図５及び図６に最も良く示すように、各ブレード１１０、２１０は、例えばその長さに沿って翼形部セクション１２２を備える本体１２０と、本体１２０の端部に設けられて該ブレード１１０をハブ１１２に結合する根元１２４とを含む。理解されるように、翼形部セクション１２２及び根元１２４は、ブレード１１０、２１０の用途に応じて、多様な形態を取ることができる。同様に理解されるように、ハブ１１２は、回転シャフト（図示せず）に結合されて、ブレード１１０、２１０上を流れる流体よってその中で回転を生じるか又は回転シャフトの強制的回転によるブレード１１０、２１０の回転によって流体流れを発生させるかのいずれかとなる。図３及び図５〜図６に示すように、各ブレード１１０、２１０は、カバー又は一体形カバー１４０を含むことができるが、このことは、全ての用途では必ずしも必要でない場合がある。

上述したように、ミッドスパン構造体の修正は、多くの場合にブレード付ホイールの共振振動数を離調する上での中心的課題となる。従来と同様に、この修正には、ミッドスパン構造体の数又は寸法を増大させること並びに／或いはミッドスパン構造体の均一半径方向位置を変化させることが含まれる。数及び寸法を増大させることは、全体質量を増加させかつ設計をより複雑にし、またミッドスパン構造体の均一半径方向位置を変化させることは、関心のある全ての作動モードにおける重大な共振発生を必ずしも離調しない。とりわけ、上記の課題を解決するために、本発明の実施形態では、その各々がそれぞれ隣接する円周方向に離隔したブレード間に延在するミッドスパン構造体１３０（図２及び図３）並びに２３０、２３２（図４〜図６）の組が構成される。しかしながら、従来のミッドスパン構造体と対照的に、本発明の実施形態では、不均一半径方向配置に配置されたミッドスパン構造体１３０及び２３０、２３２の組が設けられる。つまり、図１に示すミッドスパン構造体１２と対照的に、ミッドスパン構造体１３０及び２３０、２３２は、ハブ１１２に対する均一半径方向位置に配置されるとは限らない。本明細書にさらに説明するように、不均一半径方向配置は、共振周波数振動を離調するように構成することができる。

図２及び図３に示す１つの実施形態では、構造体１００の不均一半径方向配置は、各隣接ブレード１１０に対して半径方向に斜めに延在する各ミッドスパン構造体１３０を含む。この半径方向傾斜アングリングは、各ミッドスパン構造体１３０がそこを流れる流体に対して有する可能性がある迎え傾斜角度と正反対の状態になるか又は該迎え傾斜角度に付加される状態になる、つまり図２及び図3の紙面内への及び紙面から外へのものとなる。言い換えると、図２に示すように、各ミッドスパン構造体１３０は、ハブ１１２を基準にして第１の半径方向位置Ｒ１にある第１の端部１３２を第１のブレード（例えば、１１０Ａ）上に含みかつ該ハブ１１２を基準にして第１の半径方向位置Ｒ１とは異なる第２の半径方向位置Ｒ２にある第２の端部１３４を第１のブレード（例えば、１１０Ａ）に隣接する第２のブレード（例えば、１１０Ｂ）上に含む。従って、ハブ１１２に対する各ミッドスパン構造体１３０の半径方向位置は、隣接ブレード１１０間で変化する。この構成は、ハブ１１２の周りで各対の隣接ブレード間で反復される。上記の構造体１００の幾つかの実施形態の実施で実現することができる利点は、半径方向位置Ｒ１及びＲ２を修正してブレード付ホイール１０２の共振振動数を離調することができることである。従って、ミッドスパン構造体１３０の半径方向傾斜アングリングは、離調目的で修正することができる別の特徴形状部をもたらす。ミッドスパン構造体１３０は、実際にはブレード１１０に沿ったあらゆる箇所に配置することができ、かつブレード１１０に対する多様な傾斜角度のいずれをも有することができる。

図４に示す別の実施形態では、構造体２００の不均一半径方向配置は、第１のブレード２１０Ａ及び第１のブレード２１０Ａに隣接する第２のブレード２１０Ｂ間でハブ１１２を基準にして第１の半径方向位置Ｒ３に配置された第１のミッドスパン構造体２３０を含む。加えて、第１のブレード２１０Ａ及び第１のブレード２１０Ａに隣接する第３のブレード２１０Ｃ間で該ハブ１１２を基準にして第１の半径方向位置Ｒ３とは異なる第２の半径方向位置Ｒ４に、第２のミッドスパン構造体２３２を配置することができる。この実施形態では、各ミッドスパン構造体２３０、２３２は、それぞれの隣接ブレード２１０間でほぼ均一な半径方向位置を有する。上記の構造体２００の幾つかの実施形態の実施で実現することができる利点は、半径方向位置Ｒ３及びＲ４を修正してブレード付ホイール１０２の共振振動数を離調することができることである。従って、隣接する対のブレードのミッドスパン構造体２３０、２３２を異なる半径方向位置に有することは、離調目的で修正することができる別の特徴形状部をもたらす。ミッドスパン構造体２３０、２３２は、実際にはブレード１１０に沿ったあらゆる箇所に配置することができる。

各ブレード１１０、２１０は、例えば従来の仕上げを伴った鋳造のような現在公知の又は今後開発される方法を使用して製造することができ、かつ鋼、チタンなどのような従来の材料で製作することができる。図３及び図５〜図８を参照すると、１つの実施形態では、各ミッドスパン構造体１３０（図２）及び２３０、２３２（図４）は、例えば組立及び／又は交換に役立つものとすることができるような噛合い部分を使用して、形成することができる。より具体的には、例えば図２の実施形態について図３に示すように、各ミッドスパン構造体１３０（図２）は、隣接ブレードの相補形ミッドスパン構造体部分１４２と噛合うことができる１つのブレード１１０上の第１のミッドスパン構造体部分１４０を含むことができる。同様に、図４の実施形態について図５〜図６に示すように、各ミッドスパン構造体２３０、２３２（図４）は、隣接ブレードの相補形ミッドスパン構造体部分２４２と噛合うことができる１つのブレード１１０上の第１のミッドスパン構造体部分２４０を含むことができる。つまり、各ブレード１１０、２１０は、本体１２０から延在する第１のミッドスパン構造体部分１４０、２４０と、本体１２０から延在する第２のミッドスパン構造体部分１４２、２４２とを含む。１つの実施形態では、各ブレード１１０は、ブレード１１０、２１０のミッドスパンセクション（つまり、本体１２０に沿った箇所）から延在する第１のミッドスパン構造体部分１４０、２４０及び第２のミッドスパン構造体部分１４２、２４２のみを含む。図７及び図８に、それぞれ部分１４０、１４２及び２４０、２４２が噛合う方法の実例構成を示している。これらの実施例では、噛合いジグザグ表面構成１４６（図７）及び２４６（図８）を使用している。当技術分野では公知の無数の異なる方式の噛合いミッドスパン構造体部分が存在しかつそれらの全てが本発明の技術的範囲内に含まれることを理解されたい。

本明細書に説明した不均一半径方向配置の本性によると、第１及び第２のミッドスパン構造体部分１４０、２４０及び１４２、２４２は、本体１２０から非対称に延在する。従来のブレードは、図７及び図８に示す噛合い表面構成１４６、２４６と同様に噛合いに適応するそれぞれ異なる形状のミッドスパン構造体部分を含むことができるが、そのミッドスパン構造体部分は、各ブレードからつまりブレードの両側面上のほぼ同じ半径方向位置から対称に延在している。例えば、図１に示すように、それらミッドスパン構造体部分は、ハブ１４（又はブレードの根元）に対する均一半径方向位置でかつおそらく幾分かの微小半径方向内向き傾斜を備えた状態で延在して、噛合いに適応している。しかしながら、従来のブレードと対照的に、本発明の実施形態に係るブレード１１０、２１０は、本体１２０からつまりブレードの各側面上の異なる半径方向位置から非対称に延在するミッドスパン構造体部分１４０、２４０及び１４２、２４２を有する。

図３の実施形態では、第１のミッドスパン構造体部分１４０は、本体１２０の第１の側面１５０から傾斜角度で延在する長手方向軸線Ｌ１を含みまた第２のミッドスパン構造体部分１４２は、本体１２０の第２の側面１５２から傾斜角度で延在する長手方向軸線Ｌ２を含んでいて、図２に示すように、隣接ブレードの第１及び第２のミッドスパン構造体部分１４０、１４２が噛合う。このケースでは、第１のミッドスパン構造体部分１４０は、ハブ１１２（図２のみ）（又はブレードの根元１２４）を基準にして第１の半径方向位置Ｒ１１にある第１の端部と、該ハブ１１２（又はブレードの根元１２４）を基準にして第１の半径方向位置Ｒ１１とは異なる第２の半径方向位置Ｒ１２にある第２の端部とを含むことができる。同様に、第２のミッドスパン構造体部分１４２は、ハブ１１２（又はブレードの根元１２４）を基準にして第３の半径方向位置Ｒ１３にある第１の端部と、該ハブ１１２（又はブレードの根元１２４）を基準にして第３の半径方向位置Ｒ１３とは異なる第４の半径方向位置Ｒ１４にある第２の端部とを含むことができる。１つの実施形態では、第１のミッドスパン構造体部分１４０の第１の端部の第１の半径方向位置Ｒ１１は、第２のミッドスパン構造体部分１４２の第２の端部の第４の半径方向位置Ｒ１４よりも大きくかつ第２の半径方向位置Ｒ１２及び第３の半径方向位置Ｒ１３は、ほぼ等しくて、噛合いに適応するようになる。ここでも同様に、第１及び第２のミッドスパン構造体部分１４０、１４２が本体１２０から延在する傾斜角度及び半径方向位置は、共振周波数振動を離調するように構成することができる。

図５及び図６の実施形態では、各噛合いブレード２１０Ａ（図５）及び２１０Ｂ（図６）は、第１の半径方向位置Ｒ２１で本体１２０の第１の側面２５０から延在する第１のミッドスパン構造体部分２４０と、第１の半径方向位置Ｒ２１とは異なる第２の半径方向位置Ｒ２２で本体１２０の第２の側面２５２から延在する第２のミッドスパン構造体部分２４２とを含む。このようにして、各ミッドスパン構造体部分２４０、２４２は、隣接ブレード上のそれぞれのミッドスパン構造体のそれぞれ噛合い部分２４２、２４０の１つと噛合うように構成される。第１及び第２の半径方向位置Ｒ２１、Ｒ２２は、共振周波数振動を離調するように構成することができる。

別の実施形態では、各ミッドスパン構造体部分２４０、２４２は、隣接ブレードの本体１２０と単に噛合わせることができる。この実施形態は、各部分の端部が単に本体１２０と噛合うことになるので、図７及び図８の噛合い表面構成が必要ないことになることを除いて、図４〜図６と全く異ならないものとなることを理解されたい。

上記の実施形態の教示は単独で或いは組合せて使用することができることを理解されたい。図９は、説明した実施形態の組合せの実施例を示している。加えて、図１０及び図１１に示す別の実施形態では、ミッドスパン構造体１３０（図２及び図３）並びに２３０、２３２（図４〜図６）は、それぞれワイヤ（金属線）３３０又は４３０、４３２の形態として構成することができる。このケースでは、ミッドスパン構造体は、それぞれの隣接ブレード１１０、２１０内の開口部３６２、４６２を通って延在するワイヤ３６０、４６０を含む。図１０に示すようなワイヤ３６０は、隣接ブレード１１０間における半径方向傾斜アングリングに適応するための屈曲部３６１を含むことができる。各ワイヤは、それぞれの端部を所定の位置に保持するためのアンカー部３６４、４６４を含むことができる。図示するように、各アンカー部３６４、４６４は、座部内に配置された各ワイヤ上の拡大端部を含む。しかしながら、ワイヤを固定するその他の機構、例えばネジ付きボルト、溶接などを使用することができる。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

提出した特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及び均等物は、明確に特許請求したその他の特許請求要素と組合せて機能を実行するための構造、材料又は作用を含むことを意図している。本開示の記載は、例示及び説明のために示したものであり、開示を網羅的なものにしようとする或いはこの開示を開示した形態に限定しようとするものではない。本開示の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに当業者には多くの修正及び変更が明らかになるであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良好に説明するようにまた当業者が様々な実施形態についての開示を意図した特定の用途に適合するような様々な修正と共に理解するのを可能にするように、選択しかつ説明している。

１００、２００ ブレード付ホイール構造体
１０２ ブレード付ホイール
１１０、２１０ 複数の円周方向に離隔したブレード
１１２ ハブ
１２０ 本体
１２２ 翼形部セクション
１２４ 根元
１４０ 一体形カバー（図３〜図５）
１３０、２３０、２３２ ミッドスパン構造体
１３２ 第１の端部
１３４ 第２の端部
１４０ 第１のミッドスパン構造体部分
１４２ 第２のミッドスパン構造体部分
２４０ 第１のミッドスパン構造体部分
２４２ 第２のミッドスパン構造体部分
１４６、２４６ 表面構成
１５０、２５０ 第１の側面
１５２、２５２ 第２の側面
３３０、３６０、４３０、４３２、４６０ ワイヤ
３６２、４６２ 開口部
３６１ 屈曲部
３６４、４６４ アンカー部
３６６、４６６ 座部

Claims (10)

1. ハブ（１１２）から延在する複数の円周方向に離隔したブレード（１１０、２１０）を備えるブレード付ホイール（１０２）と、
   前記複数の円周方向に離隔したブレード（１１０、２１０）の隣接ブレード（１１０Ａ、１１０Ｂ、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ）を結合するミッドスパン構造体（１３０、２３０、２３２）の組と
   を備えるブレード付ホイール構造体（１００）であって、
   前記ミッドスパン構造体（１３０、２３０、２３２）の組が不均一半径方向配置に配置されている、ブレード付ホイール構造体（１００）。
2. 前記不均一半径方向配置が、各隣接ブレード（１１０Ａ、１１０Ｂ、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ）に対して斜めに延在する各ミッドスパン構造体（１３０、２３０、２３２）を含む、請求項１記載のブレード付ホイール構造体（１００）。
3. 前記不均一半径方向配置が、前記ハブ（１１２）を基準にして第１の半径方向位置にある第１の端部（１３２）を第１のブレード（１１０Ａ）上に有しかつ該ハブ（１１２）を基準にして第１の半径方向位置とは異なる第２の半径方向位置にある第２の端部（１３４）を第１のブレード（１１０Ａ）に隣接する第２のブレード（１１０Ｂ）上に有する各ミッドスパン構造体（１３０、２３０、２３２）を含む、請求項１記載のブレード付ホイール構造体（１００）。
4. 前記不均一半径方向配置が、第１のブレード（１１０Ａ）及び第１のブレード（１１０Ａ）に隣接する第２のブレード（１１０Ｂ）間で前記ハブ（１１２）を基準にして第１の半径方向位置に配置された第１のミッドスパン構造体（１３０）と、第１のブレード（２１０Ａ）及び第１のブレード（２１０Ａ）に隣接する第３のブレード（２１０Ｃ）間で該ハブ（１１２）を基準にして第１の半径方向位置とは異なる第２の半径方向位置に配置された第２のミッドスパン構造体（２３０）とを含む、請求項１記載のブレード付ホイール構造体（１００）。
5. 前記不均一半径方向配置が、共振周波数振動を離調するように構成される、請求項１記載のブレード付ホイール構造体（１００）。
6. 各ミッドスパン構造体（１３０、２３０、２３２）が、前記隣接ブレード間に延在するワイヤ（３３０、４３０、４３２、３６０、４６０）を含む、請求項１記載のブレード付ホイール構造体（１００）。
7. 翼形部セクション（１２２）を備える本体（１２０）と、
   前記本体（１２０）の端部に設けられて該ブレードをハブ（１１２）に結合する根元（１２４）と、
   前記本体（１２０）から延在する第１のミッドスパン構造体部分（１４０）と、
   前記本体（１２０）から延在する第２のミッドスパン構造体部分（１４２）と
   を備えるブレード（１１０）であって、
   第１及び第２のミッドスパン構造体部分（１４０、１４２）が、前記本体（１２０）から非対称に延在する、ブレード（１１０）。
8. 第１及び第２のミッドスパン構造体部分（１４０、１４２）が前記本体（１２０）から延在する非対称の形態が、共振周波数振動を離調するように構成される、請求項７記載のブレード（１１０）。
9. 第１のミッドスパン構造体部分（１４０）が、前記本体（１２０）の第１の側面（１５０）から傾斜角度で延在する長手方向軸線を含みまた第２のミッドスパン構造体部分（１４２）が、該本体（１２０）の第２の側面（１５２）から傾斜角度で延在する長手方向軸線を含んでいて、隣接ブレードの第１及び第２のミッドスパン構造体部分（１４０、１４２）が噛合う、請求項７記載のブレード（１１０）。
10. 第１及び第２のミッドスパン構造体部分（１４０、１４２）が前記本体（１２０）から延在する前記傾斜角度が、共振周波数振動を離調するように構成される、請求項８記載のブレード（１１０）。