JP2017048792A - タービンブレード用ダンパピン - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンブレードのためのダンパピンを提供する。
【解決手段】 ロータ軸に結合された隣接するタービンブレードを制振するためのダンパピンは、第１の端部と第２の端部との間に配置された中央部を有する外側本体を備える。第１の端部、中央部、及び第２の端部は、外側本体の略弓形上部を定める。外側本体の少なくとも一部は、外側本体を貫通して軸方向に延びる開口部を定める。ダンパピンは、外側本体の開口部に少なくとも部分的に配置されるコア本体をさらに含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般的に、複数の周方向に位置合わせされたタービンブレードを有するターボ機械に関する。より具体的には、本発明は、隣接するタービンブレード間の制振を行うための、外側本体と外側本体内に配置されたコア本体とを有するダンパピンに関する。

タービンブレードは、タービンバケット又はタービンロータブレードとして知られ、高温燃焼ガス又は蒸気などの流体の流れのエネルギーをターボ機械のロータ軸を回転させることにより機械的エネルギーに変換する。ターボ機械が種々の運転モードを遷移する際に、タービンブレードは機械的及び熱応力の両方にさらされる。

タービンブレードは、一般的に、プラットフォームから半径方向外向きに延びる翼形部、プラットフォームから半径方向内向きに延びるシャンク、及びシャンクから半径方向内向きに延びるダブテールつまり取り付け部を含む。各タービンブレードのダブテールは、ロータホイールつまりディスクに定められた相補形スロット内に固定される。ロータホイールは、ロータ軸に結合される。

エンジンの運転の間、タービンブレードに振動が発生する場合がある。例えば、高温燃焼ガス又は蒸気の流れの変動が、タービンブレードを振動させることがある。ターボ機械設計者が考慮すべき基本的設計事項の１つは、タービンブレードの固有振動数での共振及び強制応答及び／又は空力弾性不安定性によって引き起こされる動的応力を回避又は最小化することにより、タービンブレードの高サイクル疲労を制御することである。タービンブレードの高サイクル疲労寿命を改善するために、一般的に、プラットフォームの下及び／又は間に制振ダンパを設けて振動エネルギーを、摩擦により散逸させ、運転中の対応する振動の振幅を低減させる。制振ダンパにより除去される振動エネルギーの量は、制振ダンパの動的重量と反動荷重との関数である。

公知のダンパは、通常の運転に対しては、十分適切であるものの、ダンパの全体的有効性を改善したいという要望がある。振動の減衰を達成するための従来の試みには、円形ダンパピン、金属薄板平型ダンパ、或いは複合楔形ダンパなどがあった。上記の形式のダンパの真の減衰性能は、最初のエンジン試験までわからないことが多い。しかしながら、その時は、タービンブレードのダンパポケット幾何学的形状は、激しい仕上げ作業によって閉じ込められてしまう。そのため、ダンパが初期の性能を発揮しない場合、費用のかかる仕上げ作業のやり直しが必要になる。従って、共振モードの励起を回避するための固有振動数調整ツールを提供し、かつ既存のタービンブレードの設計に対する変更を必要とせずに独立したモード調整機能を可能にするダンパピンに対する要求がある。

米国特許第７７３１４８２号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、ロータ軸に結合された隣接するタービンブレードを制振するためのダンパピンである。ダンパピンは、第１の端部と第２の端部との間に配置された中央部を有する外側本体を含む。第１の端部、中央部、及び第２の端部は、外側本体の略弓形上部を定める。外側本体は、外側本体を貫通して軸方向に延びる開口部を定める。ダンパピンは、外側本体の開口部に少なくとも部分的に配置されるコア本体をさらに含む。

本発明の別の実施形態は、タービンエンジンである。タービンエンジンは、タービンエンジン内で軸方向に延びるロータ軸とロータ軸に結合されたタービンブレードの隣接する組とを含む。各タービンブレードは、少なくとも部分的に、対応するタービンブレードのスラッシュ面に沿って延びる溝を定める。タービンエンジンは、隣接するタービンブレードの間の溝に配置されたダンパピンをさらに含む。ダンパピンは、第１の端部と第２の端部との間に配置された中央部を有する外側本体を含む。第１の端部、中央部、及び第２の端部は、外側本体の略弓形上部を定める。外側本体の少なくとも一部は、外側本体を貫通して軸方向に延びる開口部を定める。ダンパピンは、外側本体の開口部に少なくとも部分的に配置されるコア本体をさらに含む。

当業者であれば、本明細書を検討することにより、上記実施形態の特徴及び態様、及び他の特徴及び態様をよりよく理解できる。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の少なくとも１つの実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による例示的なタービンブレードの斜視図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による周方向に隣接するタービンブレードの間に配置されたダンパピンの概略図。 本発明の１つの実施形態による例示的なダンパピンの側面図。 図４に示した例示的なダンパピンの端面図。 本発明の１つの実施形態による、図４に示した例示的なダンパピンの側面斜視図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４に示したダンパピンのためのコア本体の例示的コア本体の側面図。 本発明の１つの実施形態による、図４に示した例示的なダンパピンの側面斜視図。 本発明の１つの実施形態による、図４に示した例示的なダンパピンの側面斜視図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。

用語「上流」及び「下流」は、流体経路における流体流れに関する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な及び／又は同軸に整列された相対方向を指す。

各実施例は、説明の目的で提供され、本開示の実施形態を限定するものではない。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。本明細書では産業用又は地上設置型のガスタービンが図示され説明されたが、本明細書で図示され説明される本発明は、請求項において特に指定のない限り、産業用又は地上設置型のガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に説明する発明は、蒸気タービン、航空機用ガスタービン及び船舶用ガスタービン等を含むがこれらに限定されない、あらゆる形式のターボ機械において用いることができる。

ここで図面を参照すると、図１は、ガスタービン１０の１つの実施形態の概略図である。ガスタービン１０は、一般的に入口セクション１２、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４、圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼器セクション１６内の複数の燃焼器（図示せず）、燃焼器セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８、及びタービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０を含む。さらに、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４とタービンセクション１８との間に結合された１つまたはそれ以上の軸２２を含む場合がある。

タービンセクション１８は、一般的に複数のロータディスク２６（その内１つを示す）を有するロータ軸２４と、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びかつロータディスク２６に相互結合された複数のロータブレード２８とを含む。次に各ロータディスク２６は、タービンセクション１８を通って延びるロータ軸２４の一部に結合することができる。タービンセクション１８は、ロータ軸２４とロータブレード２８とを周方向に囲み、それによりタービンセクション１８を通る高温ガス経路３２を少なくとも部分的に定める、外側ケーシング３０をさらに含む。

運転中、空気等の作動流体は、入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流れ込み、そこで空気は累進的に圧縮され、燃焼セクション１６の燃焼器に対して加圧された空気を提供する。加圧された空気は、各燃焼器内で燃料と混合され、燃焼して燃焼ガス３４を発生する。燃焼ガス３４は、燃焼器セクション１６からタービンセクション１８に向かって高温ガス経路３２を通って流れ、（運動及び／又は熱）エネルギーが、燃焼ガス３４からロータブレード２８に移転することにより、ロータ軸２４を回転させる。そして機械的回転エネルギーは、圧縮機セクション１４の動力及び／又は発電に用いることができる。次いでタービンセクション１８から出る燃焼ガス３４は、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排出される。

図２は、翼形部３６、プラットフォーム３８、シャンク４０、及びダブテールつまり取り付け部４２を含む従来型タービンブレードつまりバケット２８を示す。図３は、１組の周方向に隣接するタービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）を下流からみた図である。図２に示すように、本技術分野では公知の通り、ダブテール４２を用いてタービンブレード２８をロータディスク２６（図１）の周縁に固定する。プラットフォーム３８は、タービンセクション１８（図１）の高温ガス経路３２を通って流れる燃焼ガス３４に対する内向き流れ境界を定める。本発明の種々の実施形態において、ダンパピン４４は、タービンブレードプラットフォーム３８に隣接する（つまり半径方向内側）の１つの軸方向縁部（つまりスラッシュ面）４６に沿って配置される。図３から明らかなように、ロータディスク２６（図１）のタービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）の各隣接する組の間に類似のダンパピン４４が配置される。特定の実施形態において、図２に示すように、ダンパピン４４は、タービンブレード２８のスラッシュ面４６全体に沿って延びる細長い溝４８（図２）に配置される。

ダンパピン４４は、制振ダンパとして機能する。図３に示すように、組み込まれると、ダンパピン４４は、隣接するタービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）の間に配置される。運転中は、ダンパピン４４は、振動エネルギーを摩擦により散逸させ、対応する振動の振幅を低減する。制振ダンパにより除去される振動エネルギーの量は、限定されるものではないが、ダンパピン４４の動的重量、ダンパピン４４の幾何学的形状、及び隣接するタービンブレード（ａ）、２８（ｂ）の間の反動荷重を含む、幾つかの因子の関数である。

図４は、本発明の１つの実施形態による例示的なダンパピン１００の側面図である。図５は、図４に示すダンパピン１００の端面図を提示する。図４に示すダンパピン１００は、図２及び図３に示すダンパピン４４と置き換えることができることを理解されたい。

図４に示すように、１つの実施形態において、ダンパピン１００は、第１の端部１０６と第２の端部１０８との間に配置された中央部１０４を有する外側本体１０２を含む。第１の端部、中央部、及び第２の端部は、中心線１１０に軸方向に沿って及び／又は中心線１１０に同軸に位置合わせされる。第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８は、外側本体１０２の略弓形上部１１２を定める。上部は、隣接するタービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）の間に形成された溝４８の表面と接触するように構成（寸法決めする及び／又は形作る）ことができる。

図４及び図５に示すように、外側本体１０２の少なくとも一部は、外側本体１０２を少なくとも部分的に通って中心線１１０に対して軸方向に延びる開口部１１４（図４で点線で示す）を定める。開口部１１４は、第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８に沿って少なくとも部分的に定めることができる。

図４に示すように、特定の実施形態において、ダンパピン１００の第１の端部１０６及び／又は第２の端部１０８は、略半円筒形である。第１の端部１０６及び／又は第２の端部１０８は、それぞれ、肩部１１６、１１８で中央部１０４と交差することができる。この構成は、タービンブレードスラッシュ面４６内に形成された溝４８の両端において機械加工されたタービンブレードプラットフォーム面つまり肩部に載るようになった平坦支持表面１２０、１２２を形成し、それにより機械の運転中に望ましくない過度の回転を防止しながら、ダンパピン１００の支持を可能にする。

図６は、本発明の１つの実施形態による例示的なダンパピン１００の側面斜視図である。図６に示すように、ダンパピン１００は、外側本体１０２の開口部１１４に少なくとも部分的に配置されるコア本体１１６をさらに含む。

図７は、１つの実施形態による、例示的コア本体１２４の側面図である。１つの実施形態において、図７に示すように、コア本体１２４は、第１の端部１２８と第２の端部１３０との間に配置された中央部１２６を含む。第１の端部１２８及び／又は第２の端部１３０は、略半円筒形とすることができ、外側本体１０２（図５）の第１の端部１０６及び第２の端部１０８に定められた開口部１１４の一部と相補的である。特定の実施形態において、コア本体１２４は、スロット、溝、及び／又は開口部などの種々の空隙１３２を定めることができ、コア本体の全体重量を低減する及び／又はダンパピン１００の全体剛性に所望の影響を与えることができる。空隙１３２は、任意の形状を有することができ、請求項において特に記載のない限り、図７に示す形状に限定されない。

特定の実施形態において、コア本体１２４及び外側本体１０２は、様々な材料から形成して、ダンパピン１００の所望の剛性、所望の重量剛性比、又は他の所望の機械的若しくは制振特性を達成することができる。例えば、コア本体１２４は、外側本体１０２の材料と異なる密度又は弾性係数の材料から形成できる。例えば、外側本体１０２を合金で形成し、コア本体１２４を複合材料又は外側本体１０２よりも低密度又は軽量の合金で形成してもよい。結果として、コア本体１２４は、ダンパピン１００の剛性を調節する及び／又は制振特性に影響を与えることができる。

コア本体１２４は、少なくとも部分的に、外側本体１０２の第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８の１又は２以上を貫通して延びることができる。例えば、１つの実施形態において、図６に示すように、コア本体１２４は、外側本体１０２の第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８を貫通して延びることができる。別の実施形態において、図８に示すように、コア本体１２４は、主として又は全体を外側本体１０２の中央部内に配置することができる。

図９は、本発明の１つの実施形態によるダンパピン１００の斜視図である。図９に示すように、外側本体１０２の少なくとも一部は、低摩擦耐摩耗コーティング１３４で被覆することができる。例えば、１つの実施形態において、図９に示すように、外側本体１０２の上部１１２を低摩擦耐摩耗コーティング１３４で被覆することができる。低摩擦耐摩耗コーティング１３４は、低摩擦耐摩耗コーティング１３４が溝４８と接触して、タービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）とダンパピン１００との間で軸方向の相対運動が可能になるように、上部１１２に沿って配置することができる。

本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０：ガスタービン
１２：入口セクション
１４：圧縮機セクション
１６：燃焼セクション
１８：タービンセクション
２０：排気セクション
２２：軸
２４：ロータ軸
２６：ロータディスク
２８：ロータブレード
３０：外側ケーシング
３２：高温ガス経路
３４：高温ガス
３６：翼形部
３８：基部／プラットフォーム
４０：シャンク
４２：ダブテール
４４：ダンパピン
４６：軸方向縁／スラッシュ面
４８：溝
１００：ダンパピン
１０２：外側本体
１０４：中央部
１０６：第１の端部
１０８：第２の端部
１１０：中心線
１１２：上部
１１４：開口部
１１６：肩部
１１８：肩部
１２０：平坦表面
１２２：平坦表面
１２４：コア本体
１２６：中央部
１２８：第１の端部
１３０：第２の端部
１３２：空隙
１３４：低摩擦耐摩耗コーティング

Claims (19)

1. ロータ軸（２４）に結合された隣接するタービンブレード（２８）の制振のためのダンパピン（４４）であって、
   第１の端部（１０６）と第２の端部（１０８）との間に配置された中央部（１０４）を有する外側本体（１０２）であって、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部は、前記外側本体の略弓形上部（１１２）を定め、前記外側本体の少なくとも一部は、前記外側本体を貫通して軸方向に延びる開口部（１１４）を定める、外側本体と、
   前記外側本体の前記開口部に少なくとも部分的に配置されるコア本体（１２４）と、
   を備えるダンパピン。
2. 前記コア本体及び前記外側本体は、異なる材料から形成される、請求項１に記載のダンパピン。
3. 前記コア本体は、前記細長い本体の前記中央部内に少なくとも部分的に配置される、請求項１に記載のダンパピン。
4. 前記外側本体の前記上部の少なくとも一部に沿って配置される低摩擦耐摩耗コーティングをさらに備える、請求項１に記載のダンパピン。
5. 前記外側本体の、前記第１の端部又は前記第２の端部の少なくとも一方は半円筒形である、請求項１に記載のダンパピン。
6. 前記コア本体は、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部のそれぞれを貫通して延びる、請求項１に記載のダンパピン。
7. 前記第１の端部は、半円筒形である、請求項１に記載のダンパピン。
8. 前記第２の端部は、半円筒形である、請求項１に記載のダンパピン。
9. 前記コア本体は、第１の端部（１２８）と第２の端部（１３０）との間に配置された第１の中央部（１２６）を含み、前記第１の端部及び前記第２の端部は、半円筒形である、請求項１に記載のダンパピン。
10. タービンエンジン（１０）であって、
    前記タービンエンジンの中で軸方向に延びるロータ軸（２４）と、
    前記ロータ軸に結合された隣接する組のタービンブレード（２８）であって、前記タービンブレードの各々は、前記対応するタービンブレードのスラッシュ面（４６）に沿って延びる溝（４８）を少なくとも部分的に定める、隣接する組のタービンブレードと、
    前記溝内に配置されたダンパピンと、
    を備え、
    前記ダンパピンは、
    第１の端部（１０６）と第２の端部（１０８）との間に配置された中央部（１０４）を有する外側本体（１０２）であって、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部は、前記外側本体の略弓形上部（１１２）を定め、前記外側本体の少なくとも一部は、前記外側本体を貫通して軸方向に延びる開口部（１１４）を定める、外側本体と、
    前記外側本体の前記開口部内に少なくとも部分的に配置されるコア本体（１２４）と、
    を備える、タービンエンジン。
11. 前記コア本体及び前記外側本体は、異なる材料から形成される、請求項１０に記載のタービンエンジン。
12. 前記コア本体は、前記細長い本体の前記中央部内に少なくとも部分的に配置される、請求項１０に記載のタービンエンジン。
13. 前記外側本体の前記上部の少なくとも一部に沿って配置される低摩擦耐摩耗コーティングをさらに備える、請求項１０に記載のタービンエンジン。
14. 前記外側本体の、前記第１の端部又は前記第２の端部の少なくとも一方は半円筒形である、請求項１０に記載のタービンエンジン。
15. 前記コア本体は、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部のそれぞれを貫通して延びる、請求項１０に記載のタービンエンジン。
16. 前記第１の端部は、半円筒形である、請求項１０に記載のタービンエンジン。
17. 前記第２の端部は、半円筒形である、請求項１０に記載のタービンエンジン。
18. 前記コア本体は、第１の端部（１２８）と第２の端部（１３０）との間に配置された第１の中央部（１２６）を含み、前記第１の端部及び前記第２の端部は、半円筒形である、請求項１０に記載のタービンエンジン。
19. 前記タービンエンジンは、ガスタービンエンジンである、請求項１０に記載のタービンエンジン。