JP2017145829A - タービン動翼重心移動方法およびシステム - Google Patents

タービン動翼重心移動方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】3つのブレードスタック部分によって画定されているブレードスタック重心を移動することによりガスタービン動翼を製造するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】動翼の第2の有効ビーム長L2を変更することにより動翼の第1の固有振動数(ωn)と第2の固有振動数(ωn)との間の分離を変更する、回転タービン動翼を製造し、動翼の固有振動数(ωn)をチューニングする方法を開示する。【選択図】図2

Description

本開示は、さらに3つのブレードスタック部分によって画定されているブレードスタック重心を移動することによりガスタービン動翼を製造するためのシステムおよび方法に関する。本開示によるガスタービン動翼は、ガスタービンに限定されるものではない。ターボ機械の動翼または案内ベーンは、本開示の範囲内にある。
回転ガスタービン動翼は、動作中に回転動翼に作用する高い機械的応力および熱的応力を考慮する多くの材料および設計基準を満たす必要がある。回転動翼に作用する非常に大きな遠心力と、動翼が耐えなければならない非常に大きな熱負荷のため、主な動翼設計課題は、高度な剛性を提供し、動作中動翼の振動を回避することである。回転動翼の翼形部内部の冷却チャネルを用いる能動的冷却も考慮しなければならない。動翼上の熱被覆は、さらに別の設計上の考慮事項である。翼形状を変更することによって動翼の固有振動数を「チューニング」する方法は、空力性能を維持または向上させつつ、刺激に対する空気力学上の固有振動数マージンの向上を図る。
回転動翼は、静翼列と軸方向に交互に列に配置されている。列の各対は、一列の静翼およびすぐ下流にある一列の回転動翼を含み、いわゆる段を形成する。タービンの全ての段は、回転動翼の第1の列が後に続く静翼の第1の列を含むタービンの入口開口の第1の段から順番に番号が付されている。
ガスタービンの通常動作は、例えば第1の段の静翼が、第2の固有振動数で共振する後続の回転動翼に作用する振動の励起源であることを示している。このような励起源の影響を低減させて、任意の段における静翼の下流に配置された回転動翼への振動伝達および励起を回避することが有効である。ガスタービン動翼の第1の固有振動数と静翼による第2の励起固有振動数との間の差、すなわち分離を変更することにより、これらの影響を低減することができる。
従来の翼形部スタックを使用して、翼形部翼弦分布を変化させることは、軸方向振動数調整の典型的な方法である。典型的には、軸方向振動数を増加させるために根元部翼弦を増やし、先端部翼弦を減らす。これにより、一般的に軸方向振動数の第1の高調波および第2の高調波の両方が増加し、刺激に対するマージンは、これらのモードの1つにおいてのみ(両方ではない)得ることができる。別の方法は、動翼の径方向長さを変更することであり、これはタービンアーキテクチャに多大な変更を必要とする可能性がある。これらの変更は、重大な性能低下を生じやすい。
シュラウドなし動翼軸方向振動数を「チューニング」する従来の技術にはいくつかの欠点がある。第1の軸(1A)モードおよび第2の軸(2A)モードは、翼形部の変更に同様に応答する傾向があり、すなわち周波数が両方とも増加または低下する。一般に、一方のモードでマージンを得ることは、他のモードでマージンを失うことになる。
米国特許出願公開第2015/0345297号明細書
本開示の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本開示の実施により学ぶことができる。
回転タービン動翼の製造方法が開示され、従来の動翼の質量、翼弦分布、後縁面、第1の有効ビーム長を画定する第1の固有振動数、および第2の有効ビーム長を画定する第2の固有振動数を決定し、第1の固有振動数および第2の固有振動数が、従来の動翼の任意の共振周波数に対応するステップと、従来の動翼の上重心を伴う上部、中間重心を伴う中間部、下重心を伴う下部を画定するステップと、従来の動翼の中間重心を下重心に対して第1の方向に移動し、従来の動翼の上重心を下重心に対して第2の方向に移動し、第2の方向が第1の方向とは異なるステップと、上記のステップを実行して第2の有効ビーム長を変更し、それにより改良型動翼の第1の固有振動数と第2の固有振動数との間の分離を変更するステップとを含む。動翼固有振動数をチューニングするシステムも開示される。
本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本開示の実施形態を例示し、また説明と共に本開示の原理を説明する働きをする。
当業者を対象とした、その最良の形態を含む本開示の完全で実施可能な程度の開示が本明細書に記載されており、本明細書は添付の図を参照する。
本開示の少なくとも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を示す。 図1に示すガスタービンに組み込むことができ、また本開示の種々の実施形態を組み込むことができる例示的な従来の動翼および改良型動翼の斜視図である。
本明細書および図面における参照符号の使用の繰り返しは、本開示の同じまたは類似の特徴または要素を表すことを意図している。
以下、本開示の実施形態について詳しく説明するが、その1つ以上の例が、図面に示されている。各実施例は、本開示の限定ではなく、本開示の例証として提供される。実際には、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本開示において様々な変更および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として図示説明される特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るような変更および変形を包含するものである。
スタッキング線は、軸方向翼弦長の50%±5%の軸方向位置で、0%〜100%スパンに延びる翼形部の正圧側の表面上の線として画定される。軸方向翼弦長は、タービン軸に平行な直線上にタービンに固定されている動翼の突起長さとして画定されている。翼弦長は、翼弦線への翼形の垂直投影の長さとして画定され、前縁と後縁の間の直線距離にほぼ等しい。有効ビーム長(L)は、特定の構成要素の固有振動数(ωn)についての以下の式において使用される長さ、および/または式によりタービン動翼固有振動数(ωn)を算出する際に使用される長さとして定義される。
ここで、L=有効ビーム長(L1およびL2)
m=有効ビームの質量
本明細書で使用する場合、用語「第1の」、「第2の」および「第3の」は、ある構成要素を他の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置、重要性または特定の動翼振動数を意味することは意図されていない。用語「上流」および「下流」は、流路内の流体の流れに対して相対的な方向を意味している。例えば、「上流」は流体が流れる元である方向を意味し、「下流」は流体が流れる先である方向を意味する。用語「半径方向に」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直の方向および/またはターボ機械の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を意味し、用語「軸方向に」は、特定の構成要素の軸方向中心線および/またはターボ機械の軸方向中心線に対して実質的に平行および/または同軸に整列された相対的な方向を意味し、用語「周方向に」は、特定の構成要素の円周に実質的に平行および/またはターボ機械環状ケーシング要素に実質的に平行な相対方向を意味する。
各実施例は、本開示の限定ではなく、本開示の例証として提供される。実際には、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本開示において変更および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として図示説明される特徴を別の実施形態に使用して、さらに別の実施形態を得てもよい。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るような変更および変形を包含するものである。産業用または地上設置用ガスタービンが本明細書に示されかつ説明されているが、本明細書に図示し説明する本開示は、請求項に別段の定めがない限り、地上設置用および/または産業用ガスタービンに限定されるものではない。例えば、本明細書に説明した開示は、限定されるものではないが蒸気タービンまたは船舶用ガスタービンを含む任意のタイプのタービンに用いてもよい。
ここで図面を参照すると、図1は、ガスタービン10の一実施形態の概略図を示している。ガスタービン10は一般的に、入口部12、入口部12の下流に配置された圧縮機部14、圧縮機部14の下流に配置された燃焼器部16内の複数の燃焼器(図示せず)、燃焼器部16の下流に配置されたタービン部18およびタービン部18の下流に配置された排気部20を含む。さらに、ガスタービン10は、圧縮機部14とタービン部18との間に結合された1つ以上のシャフト22を含むことができる。
タービン部18は、一般に、複数のロータディスク26(その内の1つを示す)と、ロータディスク26から径方向外向きに延びかつロータディスク26に相互接続される複数の動翼28を有するロータシャフト24とを含むことができる。各ロータディスク26は、タービン部18を通って延在するロータシャフト24の一部に結合することができる。タービン部18は、ロータシャフト24および動翼28を周方向に囲む外側ケーシング30をさらに備えることにより、タービン部18を通る高温ガス経路32を少なくとも部分的に画定する。
動作中、空気等の作動流体が入口部12を通って、空気が漸進的に圧縮される圧縮機部14内に流入し、燃焼器部16の燃焼器に圧縮空気を供給している。圧縮された空気は燃料と混合され、各燃焼器内で燃焼して燃焼ガス34が生成される。燃焼ガス34は、燃焼器部16から高温ガス経路32を通ってタービン部18に流入し、ここでエネルギー(運動および/または熱)は、燃焼ガス34から動翼28に伝達され、ロータシャフト24を回転させる。機械的回転エネルギーは、次いで、圧縮機部14に電力を供給するためおよび/または電気を発生させるために使用することができる。タービン部18を出た燃焼ガス34は、排気部20を介してガスタービン10から排出することができる。
図2は、本開示の1つ以上の実施形態を組み込むことができ、また図1に示すように、動翼28の代わりにガスタービン10のタービン部18の中に組み込むことができる例示的な従来の動翼100および改良型動翼101の斜視図である。図2に示すように、従来の動翼100および改良型動翼101は一般的に、動翼100のプラットフォーム部分110から径方向108にスパンにわたって外向きに延びる翼形部106を含んでいる。プラットフォーム110は一般的に、タービン部18の高温ガス経路32を通って流れる燃焼ガス34用の径方向内側流れ境界となっている(図1)。
翼形部106は、翼形部106を囲む外面112を含む。外面112は、少なくとも部分的に正圧側壁114および対向する負圧側壁116によって画定される。正圧側壁114および負圧側壁116は、翼形部106の根元部118からスパンにわたって、プラットフォーム110から実質的に半径方向外向きに、翼形部106のブレード先端すなわち先端部120に延びる。翼形部106の根元部118は、翼形部106とプラットフォーム110との間の交点に画定されてもよい。ブレード先端120は、根元部118に径方向に対向して配置されている。
正圧側壁114および負圧側壁116は、燃焼ガス34の流れに向きを合わされる翼形部106の前縁124で接合されるまたは相互に接続されている。正圧側壁114および負圧側壁116は、さらに前縁124から下流に間隔をあけて配置される翼形部106の後縁126で接合されるまたは相互に接続される。正圧側壁114および負圧側壁116は、後縁126を中心に連続している。正圧側壁114はほぼ凹部であり、負圧側壁116は、ほぼ凸部である。翼形部106の翼弦は、前縁124と後縁126とを結ぶ直線の長さであり、前縁124から後縁126への方向は、一般に翼弦方向として説明される。
さらに図2において、従来の動翼100と改良型動翼101の両方は、3つの近接部分、下部128、中間部132および上部136に分割されている。改良型動翼101は、質量(m)、翼弦分布、後縁126面、第1の有効ビーム長(L1)を画定する第1の固有振動数、および図2に示す2本の区間の合計として画定される第2の有効ビーム長(L2)を画定する第2の固有振動数を決定し、第1の固有振動数および第2の固有振動数が、従来の動翼100の任意の共振周波数に対応するステップと、従来の動翼100の上重心138を伴う上部136、中間重心134を伴う中間部132および下重心130を伴う下部128を画定するステップと、動翼の中間重心134を第1の方向に移動し、動翼100の上重心138を第2の方向に移動し、第2の方向が第1の方向とは異なるステップと、下重心130位置を保持するステップと、上記のステップを実行して第2の有効ビーム長(L2)を変更し、それにより第1の固有振動数と改良型動翼101の第2の固有振動数の間の分離を変更するステップとによって製造される。
方法はさらに、従来の動翼の一定の質量(m)、一定の翼弦分布および一定の第1の有効ビーム長(L1)を維持することを含むことができる。方法はさらに、第1の固有振動数および第2の固有振動数が、軸方向振動数、曲げ振動数およびねじり振動数からなる群から選択される少なくとも1つの振動数であるような共振周波数を含むことができる。さらに、第1の方向および第2の方向が、周方向109、径方向108および軸方向107ならびにその混合物からなる群から選択される少なくとも1つの方向であるような移動ステップを含むことができる。第1の方向および第2の方向は、対向方向であってもよい。追加の方法実施は、重心を移動しながら後縁126面を一定に保つことを含むことができる。さらに別の方法実施は、従来の動翼の上部136、中間部132、および下部128の重心を通る翼弦長を、改良型動翼の対応する翼弦長用に維持するステップを含むことができる。方法は、上重心138および中間重心134が相対的に一定の径方向108の距離で移動するような移動ステップを実行する追加のステップを含むことができる。各重心は、各々それぞれの部分に径方向108において中間に位置することができる。本方法は、ブレード先端上の空気荷重の低減をもたらすことができる。シュラウドなしまたはシュラウド付きタービン動翼用の動翼固有振動数(ωn)をチューニングするためのシステムとして使用することもできる。
本方法およびシステムは、タービン動翼の固有振動数モード間の分離を促進する。周波数マージンは、他方に悪影響を与えることなく一方(または両方)のモードで得ることができる。このブレードスタッキング方法およびシステムを用いることで、第2の軸方向振動数に比例する動翼第2の有効長さ(L2)を変化させる。そうすることで、第1の軸方向振動数を決定する第1の有効長さ(L1)は影響されず、周波数分離および改良されたチューニングマージンを促進する。第2の軸方向振動数の有効長さ(L2)を変更することに加えて、このようなスタッキング方法およびシステムは、ブレード先端120の荷重を低減する高温ガス34流体流に力を加えることにより、空力性能を向上させ、先端間隙感度を減ずることができる。
本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到す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、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
[実施態様1]
従来の動翼(100)の質量(m)、翼弦分布、後縁(126)面、第1の有効ビーム長(L1)を画定する第1の固有振動数(ωn)、および第2の有効ビーム長(L2)を画定する第2の固有振動数(ωn)を決定し、前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、前記従来の動翼(100)の任意の共振周波数に対応するステップと、
前記従来の動翼(100)の上重心(138)を伴う上部(136)、中間重心(134)を伴う中間部(132)、下重心(130)を伴う下部(128)を画定するステップと、
前記従来の動翼(100)の前記中間重心(134)を前記下重心(130)に対して第1の方向に移動するステップと、
前記従来の動翼(100)の前記上重心(138)を前記下重心(130)に対して第2の方向に移動し、前記第2の方向が前記第1の方向とは異なるステップと、
上記のステップを実行して前記第2の有効ビーム長(L2)を変更し、それにより改良型動翼(101)の前記第1の固有振動数(ωn)と前記第2の固有振動数(ωn)との間の分離を変更するステップとを含む、回転タービン動翼(28)の製造方法。
[実施態様2]
前記従来の動翼(100)の一定の質量(m)、一定の翼弦分布および一定の第1の有効ビーム長(L1)を維持するステップをさらに含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様3]
前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、軸方向振動数、曲げ振動数およびねじり振動数からなる群から選択される少なくとも1つの振動数である、実施態様1に記載の方法。
[実施態様4]
前記第1の方向および前記第2の方向が、周方向(109)、径方向(108)および軸方向(107)ならびにその混合物からなる群から選択される少なくとも1つの方向である、実施態様1に記載の方法。
[実施態様5]
前記第1の方向および前記第2の方向が対向する、実施態様1に記載の方法。
[実施態様6]
前記後縁(126)面が一定である、実施態様1に記載の方法。
[実施態様7]
前記従来の動翼(100)の前記上部(136)、前記中間部(132)、および前記下部(128)の重心を通る翼弦長を、前記改良型動翼(101)の対応する翼弦長用に維持する、実施態様1に記載の方法。
[実施態様8]
前記重心が相対的に一定の径方向(108)の距離で移動するような移動ステップを行うことをさらに含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様9]
各重心が、各々それぞれの部分に径方向(108)において中間に位置する、実施態様8に記載の方法。
[実施態様10]
ブレード先端(120)上の空気荷重を低減する、実施態様8に記載の方法。
[実施態様11]
従来の動翼(100)の質量(m)、翼弦分布、後縁(126)面、第1の有効ビーム長(L1)を画定する第1の固有振動数(ωn)、および第2の有効ビーム長(L2)を画定する第2の固有振動数(ωn)を決定し、前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、前記従来の動翼(100)の任意の共振周波数に対応するステップと、
前記従来の動翼(100)の上重心(138)を伴う上部(136)、中間重心(134)を伴う中間部(132)、下重心(130)を伴う下部(128)を画定するステップと、
前記従来の動翼(100)の前記中間重心(134)を前記下重心(130)に対して第1の方向に移動するステップと、
前記従来の動翼(100)の前記上重心(138)を前記下重心(130)に対して第2の方向に移動し、前記第2の方向が前記第1の方向とは異なるステップと、
上記のステップを実行して前記第2の有効ビーム長(L2)を変更し、それにより改良型動翼(101)の前記第1の固有振動数(ωn)と前記第2の固有振動数(ωn)との間の分離を変更するステップとを含む方法により製造されるタービン動翼(28)用の動翼固有振動数(ωn)をチューニングするためのシステム。
[実施態様12]
前記従来の動翼(100)の一定の質量(m)、一定の翼弦分布および一定の第1の有効ビーム長(L1)を維持するステップをさらに含む、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様13]
前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、軸方向振動数、曲げ振動数およびねじり振動数からなる群から選択される少なくとも1つの振動数である、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様14]
前記第1の方向および前記第2の方向が、周方向(109)、径方向(108)および軸方向(107)ならびにその混合物からなる群から選択される少なくとも1つの方向である、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様15]
前記第1の方向および前記第2の方向が対向する、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様16]
前記後縁(126)面が一定である、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様17]
前記従来の動翼(100)の前記上部(136)、前記中間部(132)、および前記下部(128)の重心を通る翼弦長を、前記改良型動翼(101)の対応する翼弦長用に維持する、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様18]
前記重心が相対的に一定の径方向(108)の距離で移動するような移動ステップを行うことをさらに含む、実施態様10に記載のシステム。
[実施態様19]
各重心が、各々それぞれの部分に径方向(108)において中間に位置する、実施態様18に記載のシステム。
[実施態様20]
ブレード先端(120)上の空気荷重を低減する、実施態様18に記載のシステム。
10 ガスタービン
12 入口部
14 圧縮機部
16 燃焼器部
18 タービン部
20 排気部
22 シャフト
24 ロータシャフト
26 ロータディスク
28 動翼
30 外側ケーシング
32 高温ガス経路
34 高温ガス、燃焼ガス
100 従来の動翼
101 改良型動翼
106 翼形部
107 軸方向
108 径方向
109 周方向
110 プラットフォーム
112 外面
114 正圧側壁
116 負圧側壁
118 根元部
120 ブレード先端、先端部
124 前縁
126 後縁
128 下部
130 下重心
132 中間部
134 中間重心
136 上部
138 上重心
L1 第1の有効ビーム長
L2 第2の有効ビーム長
m 質量
ωn 固有振動数

Claims (11)

  1. 従来の動翼(100)の質量(m)、翼弦分布、後縁(126)面、第1の有効ビーム長(L1)を画定する第1の固有振動数(ωn)、および第2の有効ビーム長(L2)を画定する第2の固有振動数(ωn)を決定し、前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、前記従来の動翼(100)の任意の共振周波数に対応するステップと、
    前記従来の動翼(100)の上重心(138)を伴う上部(136)、中間重心(134)を伴う中間部(132)、下重心(130)を伴う下部(128)を画定するステップと、
    前記従来の動翼(100)の前記中間重心(134)を前記下重心(130)に対して第1の方向に移動するステップと、
    前記従来の動翼(100)の前記上重心(138)を前記下重心(130)に対して第2の方向に移動し、前記第2の方向が前記第1の方向とは異なるステップと、
    上記のステップを実行して前記第2の有効ビーム長(L2)を変更し、それにより改良型動翼(101)の前記第1の固有振動数(ωn)と前記第2の固有振動数(ωn)との間の分離を変更するステップとを含む、回転タービン動翼(28)の製造方法。
  2. 前記従来の動翼(100)の一定の質量(m)、一定の翼弦分布および一定の第1の有効ビーム長(L1)を維持するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、軸方向振動数、曲げ振動数およびねじり振動数からなる群から選択される少なくとも1つの振動数である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記第1の方向および前記第2の方向が、周方向(109)、径方向(108)および軸方向(107)ならびにその混合物からなる群から選択される少なくとも1つの方向である、請求項1に記載の方法。
  5. 前記第1の方向および前記第2の方向が対向する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記後縁(126)面が一定である、請求項1に記載の方法。
  7. 前記従来の動翼(100)の前記上部(136)、前記中間部(132)、および前記下部(128)の重心を通る翼弦長を、前記改良型動翼(101)の対応する翼弦長用に維持する、請求項1に記載の方法。
  8. 前記重心が相対的に一定の径方向(108)の距離で移動するような移動ステップを行うことをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  9. 各重心が、各々それぞれの部分に径方向(108)において中間に位置する、請求項8に記載の方法。
  10. ブレード先端(120)上の空気荷重を低減する、請求項8に記載の方法。
  11. 従来の動翼(100)の質量(m)、翼弦分布、後縁(126)面、第1の有効ビーム長(L1)を画定する第1の固有振動数(ωn)、および第2の有効ビーム長(L2)を画定する第2の固有振動数(ωn)を決定し、前記第1の固有振動数および前記第2の固有振動数(ωn)が、前記従来の動翼(100)の任意の共振周波数に対応するステップと、
    前記従来の動翼(100)の上重心(138)を伴う上部(136)、中間重心(134)を伴う中間部(132)、下重心(130)を伴う下部(128)を画定するステップと、
    前記従来の動翼(100)の前記中間重心(134)を前記下重心(130)に対して第1の方向に移動するステップと、
    前記従来の動翼(100)の前記上重心(138)を前記下重心(130)に対して第2の方向に移動し、前記第2の方向が前記第1の方向とは異なるステップと、
    上記のステップを実行して前記第2の有効ビーム長(L2)を変更し、それにより改良型動翼(101)の前記第1の固有振動数(ωn)と前記第2の固有振動数(ωn)との間の分離を変更するステップとを含む方法により製造されるタービン動翼(28)用の動翼固有振動数(ωn)をチューニングするためのシステム。
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