JP2017082758A - タービンブレード用スロット付きダンパピン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレード用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４４が、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を有する細長い本体１０２を備える。第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８は、隣接するタービンブレードの間に定められた溝と接触するように構成された、細長い本体１０２の略弓形上部を定める。細長い本体１０２は、第２の側部に横方向に対向する第１の側部を含み、かつ複数の横方向に延びるスロット１１６を定める。スロット１１６は、中央部１０４に沿って軸方向に離間され、各スロット１１６は、第１の側部又は第２の側部の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して延びる。【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の間の制振をもたらすための複数のスロット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細長い本体を含む。第１の端部、中央部及び第２の端部は、隣接するタービンブレードの間に定められた溝と接触するように構成された、細長い本体の略弓形上部を定める。細長い本体は、第２の側部に横方向に対向する第１の側部を含み、かつ複数の横方向に延びるスロットを定める。スロットは、中央部に沿って軸方向に離間され、各スロットは、第１の側部又は第２の側部の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して延びる。

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を軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸に結合された隣接する対のタービンブレードとを含む。各タービンブレードは、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少なくとも部分的に定める。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内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細長い本体を備える。第１の端部、中央部、及び第２の端部は、隣接するタービンブレードの間に定められた溝と接触するように構成された（寸法決め及び／又は形作られた）、細長い本体の略弓形上部を定める。細長い本体は、第２の側部に横方向に対向する第１の側部を含む。細長い本体は、中央部に沿って軸方向に離間された複数の横方向に延びるスロットを定める。各スロットは、第１の側部又は第２の側部の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して延びる。

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上面図。 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。 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。 本発明の１つの実施形態による図７に示した例示的なダンパピンの上面図。 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９に示した例示的なダンパピンの上面図。 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１１に示した例示的なダンパピンの上面図。

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又は２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を貫通して延びるロータ軸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、そこで空気は漸次的に圧縮され、燃焼セクション１６の燃焼器に対して加圧された空気を供給する。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に対する内側の流れ境界を定める。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に示したダンパピン１００の上面図である。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を有する細長い本体１０２を含む。図４及び図５に示すように、第１の端部１０６、中央部１０４、及び第２の端部１０８は、細長い本体１０２の略弓形上部つまり表面１１０を定める。細長い本体１０２の上部１１０は、隣接するタービンブレード２８（ａ）、２８（ｂ）の間に定められた溝４８の表面と接触するように構成する（寸法決めする及び／又は形作る）ことができる。種々の実施形態において、細長い本体１０２は、第２の側部１１４に横方向に対向する第１の側部１１２を含む。

種々の実施形態において、図４及び図５に示すように、細長い本体１０２は、複数の横方向に延びるスロット１１６を定める。スロット１１６は、軸方向中心線１１８に対して中央部１０４に沿って軸方向に離間している。特定の実施形態において、図４に示すように、複数のスロット１１６のうちの少なくとも１つのスロット１１６は、上部１１０を通って、細長い本体１０２の中央部１０４により定められる、細長い本体の底部１２０に向かって、半径方向に延びる。

特定の実施形態において、各スロット１１６は、第１の側部１１２又は第２の側部１１４の少なくとも１つを貫通して延びる。１つの実施形態において、図４及び図５に示すように、各スロット１１６は、上部１１０を貫通し、かつ第１の側部１１２又は第２の側部１１４の両方を横方向に貫通して延びる。

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の側面図である。図６に示すように、細長い本体１０２は、細長い本体１０２の底部１２０に沿って配置された複数のスロット１２２をさらに含むことができる。複数のスロット１２２の少なくとも一部は、上部１１０に向かって底部１１０を貫通して半径方向に延びることができる。複数のスロット１２２の各スロット１２２は、第１の側部１１２又は第２の側部１１４の少なくとも１つを貫通して延びることができる。１つの実施形態において、図６に示すように、各スロット１２２は、底部１２０を貫通し、かつ第１の側部１１２及び第２の側部１１４の両方を横方向に貫通して延びる。図６に示すように、底部１２０に沿って定められた複数のスロット１２２は、中心線１１８に対して、上部１１０に沿って定められた複数のスロット１１２から軸方向にオフセットすることができる。

特定の実施形態において、図５及び図６に集合的に示すように、第１の細長い本体１０２の第１の端部１０６及び／又は第２の端部１０８は、半円筒形である。図６に示すように、第１の端部１０６及び／又は第２の端部１０８は、それぞれ肩部１２４、１２６において中央部１０４に界接することができる。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ている略平坦支持表面１２８、１３０（図６に最もよく見られる）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７、図８、図９、図１０、図１１及び図１２は、本発明の種々の実施形態による例示的なダンパピン１００の種々の図である。例えば、１つの実施形態において、図７乃至図１０に集合的に示すように、複数のスロット１１６は、細長い本体１０２の第１の側部１１２に沿って定められた第１の組のスロット１１６（ａ）と、細長い本体１０２の第２の側部１１４に沿って定められた第２の組のスロット１１６（ｂ）とを備える。特定の実施形態において、図７から図１０に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）の少なくとも１つのスロット１１６と、第２の組のスロット１１６（ｂ）のうちの少なくとも１つのスロット１１６は、細長い本体１０２の上部１１０及び底部１２０を貫通して略半径方向に延びる。図７及び図９に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）は、中心線１１８に対して、第２の組のスロット１１６（ｂ）から軸方向にオフセットしている。

１つの実施形態において、図７に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）は、第１の側部１１２を貫通して延び、中心線１１８の手前の点又は位置で終端することができる。追加的に又は代替的に、第２の組のスロット１１６（ｂ）は、第２の側部１１４を貫通して延び、中心線１１８の手前の点又は位置で終端することができる。１つの実施形態において、図９に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）は、第１の側部１１２を貫通して延び、中心線１１８を過ぎた点又は位置で終端する。追加的又は代替的に、第２の組のスロット１１６（ｂ）は、第２の側部１１４を貫通して延び、中心線１１８を過ぎた点又は位置で終端する。

特定の実施形態において、図１１及び図１２に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）を細長い本体１０２の第１の側部１１２に沿って定め、第２の組のスロット１１６（ｂ）を細長い本体１０２の第２の側部１１４に沿って定めることができる。図１１及び図１２に集合的に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）は、細長い本体１０２の上部１１０及び第１の側部１１２を貫通するが、底部１２０は貫通しない。加えて、第１の組のスロット１１６（ａ）は、中心線１１８の手前又は隣接する点又は位置で終端する。追加的又は代替的に、第２の組のスロット１１６（ｂ）は、細長い本体１０２の上部１１０及び第２の側部１１４を貫通するが、底部１２０は貫通しない。加えて、第２の組のスロット１１６（ｂ）は、中心線１１８の手前又は隣接する点又は位置で終端する。図１１に示すように、第１の組のスロット１１６（ａ）は、中心線１１８に対して、第２の組のスロット１１６（ｂ）から軸方向にオフセットしている。

本明細書に示し、説明したダンパピンの種々の実施形態は、本技術分野で公知の既存のダンパピンに対して各種の技術的な利点をもたらす。例えば、ダンパピン１００の種々の実施形態において定められたスロット１１６はピンを途切れさせて、ダンパピンに対する修正を可能にする又はダンパピンの剛性の調整を可能にするので、隣接するタービンブレードに伝達される剛性に影響を与え、かつ、隣接するタービンブレードの特定モードの固有振動数を変更又は調整することができる。途切れ部の形状、パターン、位置、及び形態を利用して、剛性効果の大きさ、方向、及び方法を変更し、それによりロータ軸に結合されたタービンブレードの特定の固有振動数を変更することができる。

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：細長い本体
１０４：中央部
１０６：第１の端部
１０８：第２の端部
１１０：上部／表面
１１２：第１の側部
１１４：第２の側部
１１６：スロット
１１６（ａ）：第１の組のスロット
１１６（ｂ）：第２の組のスロット
１１８：中心線
１２０：底部
１２２：スロット
１２４：肩部
１２６：肩部
１２８：平坦支持表面
１３０：平坦支持表面

Claims (20)

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）を有する細長い本体（１０２）を備え、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部は、前記隣接するタービンブレードの間に定められた溝（４８）と接触するように構成された、前記細長い本体の略弓形上部（１１０）を定め、前記細長い本体は、第２の側部（１１４）に横方向に対向する第１の側部（１１２）を含み、
   前記細長い本体は、前記中央部に沿って軸方向に離間された複数の横方向に延びるスロット（１１６）を定め、前記スロットの各々は、前記第１の側部又は前記第２の側部の少なくとも一方を少なくとも部分的に貫通して延びる、ダンパピン。
2. 前記複数のスロットは、前記細長い本体の前記第１の側部を貫通して延びる第１の組のスロットと、前記細長い本体の前記２の側部を貫通して延びる第２の組のスロットとを備える、請求項１に記載のダンパピン。
3. 前記第１の組のスロットの各スロットは、前記第２の組のスロットの軸方向に隣接するスロットから軸方向にオフセットされる、請求項２に記載のダンパピン。
4. 前記複数のスロットの少なくとも１つのスロットは、前記細長い本体の前記上部と、前記第１の側部及び前記第２の端部の両方を貫通して延びる、請求項１に記載のダンパピン。
5. 前記複数のスロットの少なくとも１つのスロットは、前記細長い本体の前記第１の側部又は前記第２の端部のうちの一方に沿って、前記細長い本体の前記上部及び前記底部を貫通して連続的に延びる、請求項１に記載のダンパピン。
6. 前記複数のスロットの少なくとも１つは、前記細長い本体の前記上部を貫通して、前記底部に向かって半径方向に延びる、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１の端部は、平坦表面をさらに定める、請求項７に記載のダンパピン。
9. 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. 前記第２の端部は、平坦表面をさらに定める、請求項９に記載のダンパピン。
11. 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、
    各々が前記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（４８）を少なくとも部分的に定める、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）と、
    前記溝内に配置されたダンパピン（４４）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）を有する細長い本体（１０２）を備え、前記第１の端部、前記中央部、及び前記第２の端部は、前記隣接するタービンブレードの間に定められた溝（４８）と接触するように構成された、前記細長い本体の略弓形上部（１１０）を定め、前記細長い本体は、第２の側部（１１４）に横方向に対向する第１の側部（１１２）を含み、
    前記細長い本体は、前記中央部に沿って軸方向に離間された複数の横方向に延びるスロット（１１６）を定め、前記スロットの各々は、前記第１の側部又は前記第２の側部の少なくとも一方を少なくとも部分的に貫通して延びる、タービンエンジン。
12. 前記複数のスロットは、前記細長い本体の前記第１の側部を貫通して延びる第１の組のスロットと、前記細長い本体の前記２の側部を貫通して延びる第２の組のスロットとを備える、請求項１１に記載のタービンエンジン。
13. 前記第１の組のスロットの各スロットは、前記第２の組のスロットの軸方向に隣接するスロットから軸方向にオフセットされる、請求項１２に記載のタービンエンジン。
14. 前記複数のスロットの少なくとも１つのスロットは、前記細長い本体の前記上部と、前記第１の側部及び前記第２の端部の両方を貫通して延びる、請求項１１に記載のタービンエンジン。
15. 前記複数のスロットの少なくとも１つのスロットは、前記細長い本体の前記第１の側部又は前記第２の端部のうち１つに沿って、前記細長い本体の前記上部及び前記底部を貫通して連続的に延びる、請求項１１に記載のタービンエンジン。
16. 前記複数のスロットの少なくとも１つは、前記細長い本体の前記上部を貫通して、前記底部に向かって半径方向に延びる、請求項１１に記載のタービンエンジン。
17. 前記第１の端部は、半円筒形である、請求項１１に記載のタービンエンジン。
18. 前記第１の端部は、平坦表面をさらに定める、請求項１７に記載のタービンエンジン。
19. 前記第２の端部は、半円筒形である、請求項１１に記載のタービンエンジン。
20. 前記第２の端部は、平坦表面をさらに定める、請求項１９に記載のタービンエンジン。