JP2022013322A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】共振とフラッタがさらに低減されたタービンを提供する。【解決手段】タービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、シャフトから径方向外側に延びるとともに、回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、回転軸方向における動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、一対の動翼列同士で、動翼の数が同一であり、一対の静翼列同士で、静翼の数が同一である。【選択図】図２

Description

本開示は、タービンに関する。

航空機のジェットエンジンや、ヘリコプターのターボプロップエンジン、宇宙ロケットのエンジン系統に設けられるターボポンプ用タービンは、運転回転数範囲が広い。これに加えて、軽量化が求められる。軽量化には、各部材の薄肉化だけでなく、動翼先端にシュラウドを設けない、動翼とディスクを一体成型するブリスク構造を採用する、翼列間の軸方向距離を短くするといった方法が採られる。これらの軽量化により、隣り合う翼のシュラウド間の摩擦による動翼先端の振動抑制や、動翼と翼を植え込むディスクとの間の摩擦による部材間(動翼－ディスク間)の振動の伝達抑制といった、発電用タービン等が備える構造減衰機能は期待できなくなる。また、翼列間軸方向距離が短くなると、他の翼列からの回転数×翼枚数の励振力は大きくなる傾向にある。即ち、タービンの軽量化により、隣接する翼列による励振力により共振した場合の共振応力が大きくなり、翼の破壊が生じやすくなる。また、動翼を支持するディスクが薄くなり、翼の振動がディスクの振動と連成して複雑な振動モードを形成しやすい。さらに、翼とディスクの連成フラッタも生じやすくなる。このため、タービンの軽量化では、励振振動数と翼の固有振動数とを分離した完全離調設計とすることが望ましい。

このような共振やフラッタの回避を目的として、例えば下記特許文献１に記載された技術がこれまでに提唱されている。特許文献１には、先端部の重さが異なる二種類の翼を周方向に交互に配列することで、隣接する翼同士の固有振動数が変わり、共振を回避できるとされている。

特開２０１８－１５０８５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は運転回転数領域が比較的狭い発電用タービン向けの技術であり、これだけで、運転回転数範囲の広いターボポンプで完全離調設計を実現することはできない。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、広い運転回転数範囲において、共振とフラッタを回避したタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、一対の前記動翼列同士で、前記動翼の数が同一であり、一対の前記静翼列同士で、前記静翼の数が同一である。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、前記一対のディスクの径方向内側の端部同士を接続するとともに前記シャフトの外周面に向かって延びる接続部をさらに有する。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の凹部をさらに有する。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の貫通孔をさらに有する。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の突出部をさらに有する。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、を備え、周方向に連続する複数の前記動翼のうち１つの前記動翼に、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部が形成されている。

本開示に係るタービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、前記ディスクに設けられ、前記回転軸を中心とする環状をなす環状部と、前記環状部に沿って周方向に間隔をあけて配列され、前記回転軸方向に延びる線状部と、を有し、前記ディスクとは異なる材料で形成されたダンパ部と、を備える。

本開示によれば、共振とフラッタがさらに低減されたタービンを提供することができる。

本開示の第一実施形態に係るロケットエンジンの構成を示す模式図である。 本開示の第一実施形態に係るタービンの構成を示す断面図である。 動翼における回転数を振動数の関係を示すキャンベル線図である。 静翼における節直径数と振動数の関係を示すインターフェアランスダイアグラムである。 本開示の第二実施形態に係るタービンの構成を示す断面図である。 本開示の第三実施形態に係るディスク及び動翼の構成を示す平面図である。 本開示の第四実施形態に係るディスク及び動翼の構成を示す平面図である。 本開示の第四実施形態に係る動翼の先端部の構成を示す断面図である。 本開示の第五実施形態に係るディスク及び動翼の構成を示す平面図である。 本開示の第五実施形態に係るダンパ部の構成を示す斜視図である。

＜第一実施形態＞
（ロケットエンジンの構成）
以下、本開示の第一実施形態に係るタービンＴの適用対象の一例であるロケットエンジン１００について、図１から図４を参照して説明する。図1に示すように、ロケットエンジン１００は、液体水素ターボポンプＰ１と、液体酸素ターボポンプＰ２と、エンジン本体７０と、燃料ラインＬ１と、酸化剤ラインＬ２と、冷却ラインＬ３と、回収ラインＬ４と、燃料バルブＶ１と、酸化剤バルブＶ２と、冷却材バルブＶ３と、を備えている。

液体水素ターボポンプＰ１は、燃料としての液体水素をエンジン本体７０に圧送するための装置である。液体水素ターボポンプＰ１は、ポンプ本体Ｐ１１と、タービンＴ１１と、を有している。タービンＴ１１が発生させる回転力によってポンプ本体Ｐ１１が回転駆動する。ポンプ本体Ｐ１１は、燃料ラインＬ１によってエンジン本体７０に接続されている。燃料ラインＬ１上には、液体水素の供給量を変化させる燃料バルブＶ１が設けられている。

また、ポンプ本体Ｐ１１は、燃料ラインＬ１から途中で分岐する冷却ラインＬ３によってもエンジン本体７０と接続されている。つまり、ポンプ本体Ｐ１１に圧送された液体水素は、燃料としてだけでなく、エンジン本体７０の冷却材としても用いられる。なお、エンジン本体７０は、燃焼室８０と、ノズル９０とを有している。燃料としての液体水素は燃料ラインＬ１によって燃焼室８０に送られ、冷却材としての液体水素は冷却ラインＬ３によってノズル９０に送られる。冷却ラインＬ３上には、液体水素の供給量を変化させる冷却材バルブＶ３が設けられている。

冷却ラインＬ３を通じてノズル９０を冷却した冷却材としての液体水素は、タービンＴ１１に戻され、当該タービンＴ１１に回転エネルギーを与える。これにより、ポンプ本体Ｐ１１が駆動する。ポンプ本体Ｐ１１の駆動に用いられた液体水素は、タービンＴ１１に接続された回収ラインＬ４を通じて、後述する液体酸素ターボポンプＰ２のタービンＴ２１に送られる。タービンＴ２１の駆動に用いられた液体水素は、ノズル９０を通じてエンジン本体７０の外部に放出される。

液体酸素ターボポンプＰ２は、酸化剤としての液体酸素をエンジン本体７０（燃焼室８０）に圧送するための装置である。液体酸素ターボポンプＰ２は、ポンプ本体Ｐ２１と、タービンＴ２１と、を有している。タービンＴ２１が発生させる回転力によってポンプ本体Ｐ２１が回転駆動する。ポンプ本体Ｐ２１は、酸化剤ラインＬ２によってエンジン本体７０の燃焼室８０に接続されている。酸化剤ラインＬ２上には酸化剤の供給量を変化させる酸化剤バルブＶ２が設けられている。

（タービンの構成）
次に、上記したタービンＴ１１、及びタービンＴ２１の構成について、図２から図４を参照して説明する。なお、以下の説明ではこれらタービンＴ１１、タービンＴ２１を総称してタービンＴとする。

図２に示すように、タービンＴは、回転軸Ａｃに沿って延びるシャフト４０と、シャフト４０に回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて設けられた一対の動翼列３０と、これらシャフト４０、及び動翼列３０を径方向外側から覆う筒状のケーシング１０と、ケーシング１０の内周面に設けられ、各動翼列３０の上流側（回転軸Ａｃ方向の一方側：流体が流入してくる側）にそれぞれ１つずつ設けられた計一対の静翼列２０と、を有している。

シャフト４０は、回転軸Ａｃ回りに回転可能である。動翼列３０は、このシャフト４０に一体に形成されている。つまり、これらシャフト４０及び動翼列３０は、いわゆる部リスク型と呼ばれるロータを構成している。各動翼列３０は、シャフト４０の外周面から径方向外側に張り出す円盤状のディスク３３と、ディスク３３の外周面に取り付けられたプラットフォーム３２と、プラットフォーム３２から径方向外側に向かって延びる複数の動翼３１と、を有する。複数の動翼３１は、周方向に間隔をあけて配列されている。各動翼３１は、径方向から見て翼型の断面形状を有している。また、回転軸Ａｃ方向におけるディスク３３の寸法（厚さ）は、動翼３１及びプラットフォーム３２の寸法よりも小さい。なお、以下の説明では、一対の動翼列３０のうち、上流側に位置する動翼列３０を、第一動翼列３０Ａと呼び、その下流側に位置する動翼列３０を第二動翼列３０Ｂと呼ぶことがある。

静翼列２０は、ケーシング１０の内周面から径方向内側に向かって突出する複数の静翼２１と、これら静翼２１の内周側の端部に設けられたシュラウド２２と、を有する。静翼２１は、径方向から見て翼型の断面形状を有している。シュラウド２２は、静翼２１の内周側の端部に取り付けられた板状の部材である。複数のシュラウド２２が周方向に連続することで、回転軸Ａｃを中心とする環状をなしている。なお、以下の説明では、第一動翼列３０Ａの上流側に位置する静翼列２０を第一静翼列２０Ａと呼び、第二動翼列３０Ｂの上流側に位置する静翼列２０を第二静翼列２０Ｂと呼ぶことがある。

上述のように構成されたタービンＴでは、動翼３１の数と、静翼２１の数が以下の条件を満たしている。即ち、一対の動翼列３０同士で、動翼３１の数が同一であり、一対の静翼列２０同士で、静翼２１の数が同一とされている。

ここで、図３に示すキャンベル線図を参照する。同図中、曲線は動翼３１、の固有振動数を示している。直線Ｌｃ１は、本実施形態のように一対の静翼列２０同士の間で静翼２１の数を同一とした場合のその同一とした静翼枚数×回転数による励振線である。同図に示されるように、この場合の励振線（直線Ｌｃ１）は、動翼３１の固有振動数を示す線と交差しない。つまり、運転回転数の領域内では、共振が生じないことを示している。一方で、翼の数が上記の条件を満たさない場合は、静翼１の枚数×回転数による励振線（直線Ｌｃ２）と静翼２の枚数×回転数による励振線（直線Ｌｃ１）と（静翼１の枚数と静翼２の枚数差）×回転数による励振線（直線Ｌｃ３）に示されるように３本の励振線が生じ、広い運転回転数範囲のどこかで少なくとも１つの点で固有振動数を示す線と交差する。つまり、特定の回転数で共振が生じることを示している。上記議論の静翼と動翼の関係を入れ替えると、動翼列３０と動翼列３１の枚数をそろえることで、静翼に対する励振線を３本から１本に低減することが可能となる。動翼枚数×回転数の加振力による静翼の共振を回避することが可能となる。

さらに、本実施形態では、上記の条件に加えて、静翼２１の数は、動翼３１の数の３０％以上７０％以下とされている。例えば、動翼３１の数が８０であるとき、静翼２１の数は、２４～５６の範囲内とされる。ここで、図４に示すインターフェアランスダイアグラムを参照する。このグラフは、節直径数と振動数との関係を示している。節直径数とは、動翼振動の周方向の波の数で、最大値は動翼枚数の半分の整数値である。周方向に周期的になる動翼振動モードの静翼による共振条件は、翼の固有振動数と励振力の周波数とが一致することに加え、静翼枚数＝Ｎ×動翼翼枚数±動翼振動の節直径数（Ｎ=０、１、２、．．．）の条件を満たす必要がある。同グラフ中の細実線で示される曲線は、翼の固有振動数を示している。運転回転数の範囲は、太い実線で囲まれた領域である。運転回転数の範囲内で、翼の固有振動数を示す線が疎となっている部分を特定することによって、共振が生じない静翼２１の数Ｘを算出することができる。節直径数の小さいこのグラフの左の領域は翼とディスクが連成する複雑なモードが多く存在し、また節直径数によって固有振動数が変化するため共振回避が難しい。一方、節直径数の大きなこのグラフの右端から約３０％の領域は、翼振動がディスクと連成しないため、節直径数によって翼の固有振動数が変化せず、運転範囲に動翼の固有振動数が存在しない領域を見つけることができる。即ち、上記した条件（静翼２１の数は、動翼３１の数の３０％以上７０％以下）が算出される。このようにして、キャンベル線図やインターフェアランスダイアグラムに基づいて、運転回転数範囲内で翼の固有振動数と、励振線が交わらない領域を見出す設計手法（完全離調設計と呼ぶ）が実現される。

（作用効果）
ここで、ロケットエンジン１００に設けられるタービンＴは、運転回転数範囲が広い。加えて、軽量化が求められる。より具体的には、軽量化のために動翼先端にシュラウドが設けられず、翼列間距離が小さくなるため、回転数×翼枚数の励振力が大きくなる傾向にある。また、軽量化のために翼とディスクを一体成型することにより、通常のタービンで用いられている翼のディスクへの植え込み部を無くしたブリスクと呼ばれる構造が用いられる．ブリスク構造では翼振動が翼植え込み部の微小な運動による摩擦により減衰させる構造減衰機構が無い．すなわち、隣接する翼列の枚数による励振力が大きいことと構造減衰が小さいために、共振した場合の共振応力が大きくなり、翼の破壊が生じやすい．そのため、運転回転数範囲内で翼固有振動数と、励振線が交わらない完全離調設計が求められる。また、翼を支持するディスクが薄くなり、翼振動がディスクの振動と連成して複雑な振動モードを形成しやすい。さらに、翼とディスクの連成フラッタも生じやすくなる。

しかしながら、上記構成によれば、一対の動翼列３０同士で動翼３１の数が同一であり、一対の静翼列２０同士で静翼２１の数が同一である。この場合、回転数を横軸とし、振動数を縦軸としたキャンベル線図を参照すると、動翼３１、又は静翼２１の励振線が、各翼の固有振動数を示す線と運転回転数範囲内で交差することがない。このため、動翼３１、及び静翼２１の共振を回避することができる。

さらに、上記構成によれば、静翼２１の数が、動翼３１の数の３０％以上７０％以下である。節直径数を横軸とし、振動数を縦軸としたインターフェアランスダイアグラムを参照すると、タービンＴの運転回転数範囲のうち、各翼の固有振動数を示す線と交差しない領域がある。このような領域では、静翼２１の数が動翼３１の数の３０％以上７０％以下となる。よって、この構成によれば、動翼３１、及び静翼２１の共振をさらに積極的に回避することができる。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、各動翼列３０を支持するディスク結合体３３ｂの構成が上記第一実施形態とは異なっている。具体的には、ディスク結合体３３ｂは、各動翼列３０から互いに近接する方向に延びる一対のディスク３３Ａと、これらディスク３３Ａ同士を径方向内側で接続する接続部３３Ｃと、を有している。一対のディスク３３Ａは、回転軸Ａｃを含む断面視で、径方向内側から外側に向かうに従って回転軸Ａｃ方向に互いに離間する方向に延びる断面形状を有している。接続部３３Ｃの径方向内側の端面は、シャフト４０の外周面に接続されている。

上記構成によれば、一対のディスク３３Ａを接続するとともに、シャフト４０の外周面に向かって延びる接続部３３Ｃが形成されている。つまり、一対のディスク３３Ａが１つの接続部３３Ｃによって集約されている。これにより、ディスク結合体３３ｂとしての励振線も１つになる。その結果、第一実施形態で説明したインターフェアランスダイアグラム中で、各翼の固有振動数を示す線とディスク結合体３３ｂの励振線とが交差しない領域をより容易に特定することができる。言い換えれば、その分だけ、翼の設計自由度を上げることが可能となる。

＜第三実施形態＞
続いて、本開示の第三実施形態について、図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、ディスク３３における回転軸Ａｃ方向を向く面に、複数のミスチューン部Ａが形成されている。これらミスチューン部Ａは、周方向に等間隔、又は不等間隔をあけて配列されている。ミスチューン部Ａとして具体的には、ディスク３３の表面から凹む凹部や、ディスク３３を回転軸Ａｃ方向に貫通する貫通孔、又は表面から突出する突出部が好適に用いられる。周方向に等間隔に凹部や貫通穴や突出部などの不均一構造を設ける場合には、不均一構造の数を、動翼枚数と互いに素となる数にする。動翼枚数とディスクの不均一構造の数を互いに素にすると、動翼振動の節直径数とディスク振動の節直径数が等しくならないために、動翼振動（ねじり）とディスク振動（曲げ）とが連成せずに、フラッタ発生が回避される。

また、上記周方向に不等間隔配置とした構成によれば、ディスク３３に複数のミスチューン部Ａが形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。その結果、より安定的にタービンＴを運転することが可能となる。これらディスク３３側に構造物を追加して、翼ディスク連成フラッタを防止する技術は、従来の翼形状をミスチューンすることでフラッタ防止する技術と比較して、タービンＴとして流体性能に重要な翼形状を変更しないために、流体性能を維持したままフラッタを抑制できる。さらにディスク３３の凹部や貫通穴はタービンＴの軽量化の効果を持ち、また、突出部はディスク剛性を増加させるリブの効果を持たせることができるため、その剛性増加分だけディスク３３を薄くできるため、軽量化効果がある。なお、凹部や貫通部や突起部は、ディスク３３の回転による風損を最小化するために、周方向に滑らかに変化する形状であることが望ましい。

＜第四実施形態＞
次に、本開示の第四実施形態について、図７と図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態では、周方向に複数ずつの間隔をあけて他の動翼３１とは異なる動翼３１ｂが設けられている。具体的には、周方向に連続する複数の動翼３１のうち１つの動翼３１ｂに、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部Ｈが形成されている。動翼凹部Ｈは、動翼３１の径方向外側の端面（外側端面３１Ｓ）から径方向内側に向かって凹む孔である。動翼凹部Ｈの底面Ｈｂは、動翼３１の径方向における中途に位置している。また、動翼凹部Ｈの断面形状は、円形状であっても、矩形状であってもよく、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少していてもよい。さらに、開口形状や開口面積、開口深さが異なる３種類以上の動翼３１をランダムに配列する構成を採ることも可能である。

上記構成によれば、凹部の断面形状や大きさを選択することで動翼３１に複数種類の固有振動数を設定することができるので、互いに隣接する動翼３１同士の間で固有振動数を違えることができる。その結果、動翼３１にフラッタが生じる可能性を低減するとともに、動翼３１の軽量化を図ることができる。

さらに、上記構成によれば、動翼凹部Ｈが、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少していてもよい。これにより、強度の必要な径方向内側では動翼３１の肉厚が確保できる一方で、強度負担の少ない径方向外側では開口面積を大きくすることで動翼３１のさらなる軽量化を図ることができる。

＜第五実施形態＞
続いて、本開示の第五実施形態について、図９と図１０を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図９に示すように、本実施形態では、ディスク３３の回転軸Ａｃ方向を向く面に、ダンパ部Ｄが取り付けられている。ダンパ部Ｄはディスク３３とは異なる素材で形成されている。ダンパ部Ｄは、回転軸Ａｃを中心とする環状をなしている。

より具体的には図１０に示すように、このダンパ部Ｄは、環状の環状部Ｄｃと、この環状部Ｄｃに沿って周方向に間隔をあけて配列された複数の線状部ＤＬとを、有している。線状部ＤＬは、回転軸Ａｃ方向に延びている。また、線状部ＤＬの数は、振動制御を実施する節直径数に対応した数に任意に選定出来る。

上記構成によれば、ディスク３３に振動が生じた際、環状部Ｄｃと線状部ＤＬを有するダンパ部Ｄがディスク３３と摺接することで、振動減衰力を発揮する。これにより、ディスク３３、及び動翼３１の振動を効果的に低減することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の各実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第五実施形態で説明したダンパ部Ｄは、環状部Ｄｃと線状部ＤＬとが同一の素材によって形成されている。しかしながら、線状部ＤＬに代えて、圧電素子を環状部Ｄｃに取り付けることも可能である。この場合も、環状部Ｄｃに沿って周方向に間隔をあけて複数の圧電素子が取り付けられる。

この圧電素子をパッシブ型として運用する場合は、当該圧電素子にＬＣ回路を付加し、外力によって変形するとＬＣ回路の起電力によって硬度が増加する特性を持たせることができる。線状部ＤＬを圧電素子とし、パッシブ型として運用することで、振動が生じた際に当該素子の硬度が増加して振動をより効果的に減衰させることができる。なお、圧電素子は給電回路の付加によりアクティブ型として運用することも可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載のタービンは、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列３０の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、を備え、一対の前記動翼列３０同士で、前記動翼３１の数が同一であり、一対の前記静翼列２０同士で、前記静翼２１の数が同一である。

上記構成によれば、一対の動翼列３０同士で動翼３１の数が同一であり、一対の静翼列２０同士で静翼２１の数が同一である。この場合、回転数を横軸とし、振動数を縦軸としたキャンベル線図を参照すると、動翼３１、又は静翼２１の励振線が、各翼の固有振動数を示す線と交差することがない。このため、運転回転数範囲内で動翼３１、及び静翼２１の共振を回避することができる。

（２）第２の態様に係るタービンＴでは、前記静翼２１の数は、前記動翼３１の数の３０％以上７０％以下である。

上記構成によれば、静翼２１の数が、動翼３１の数の３０％以上７０％以下である。節直径数を横軸とし、振動数を縦軸としたインターフェアランスダイアグラムを参照すると、タービンＴの運転回転数範囲のうち、各翼の固有振動数を示す線と交差しない領域がある。このような領域では、静翼２１の数が動翼３１の数の３０％以上７０％以下となる。よって、この構成によれば、動翼３１、及び静翼２１の共振をさらに積極的に回避することができる。

（３）第３の態様に係るタービンＴは、前記一対のディスク３３の径方向内側の端部同士を接続するとともに前記シャフト４０の外周面に向かって延びる接続部３３Ｃをさらに有する。

上記構成によれば、一対のディスク３３を接続するとともに、シャフト４０の外周面に向かって延びる接続部３３Ｃが形成されている。つまり、一対のディスク３３が１つの接続部３３Ｃによって集約されている。これにより、ディスク３３としての励振線も１つにあることから、上述したインターフェアランスダイアグラム中で、各翼の固有振動数を示す線とディスク３３の励振線とが交差しない領域をより容易に特定することができる。言い換えれば、その分だけ、翼の設計自由度を上げることが可能となる。

（４）第４の態様に係るタービンＴは、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の凹部をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の凹部が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。これらディスク３３側に構造物を追加して、翼ディスク連成フラッタを防止する技術は、従来の翼形状をミスチューンすることでフラッタ防止する技術と比較して、タービンＴとして流体性能に重要な翼形状を変更しないために、流体性能を維持したままフラッタを抑制できる。さらにディスク３３の凹部はタービンＴの軽量化の効果がある。

（５）第５の態様に係るタービンＴは、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の貫通孔をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の貫通孔が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。これらディスク３３側に構造物を追加して、翼ディスク連成フラッタを防止する技術は、従来の翼形状をミスチューンすることでフラッタ防止する技術と比較して、タービンＴとして流体性能に重要な翼形状を変更しないために、流体性能を維持したままフラッタを抑制できる。さらにディスク３３の貫通穴はタービンＴの軽量化の効果がある。

（６）第６の態様に係るタービンＴは、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の突出部をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の突出部が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。これらディスク３３側に構造物を追加して、翼ディスク連成フラッタを防止する技術は、従来の翼形状をミスチューンすることでフラッタ防止する技術と比較して、タービンＴとして流体性能に重要な翼形状を変更しないために、流体性能を維持したままフラッタを抑制できる。さらに、突出部はディスク剛性を増加させるリブの効果を持たせることができるため、その剛性増加分だけディスクを薄くできるため、軽量化効果がある。

（７）第７の態様に係るタービンＴでは、周方向に連続する複数の前記動翼３１のうち１つの前記動翼３１に、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部Ｈが形成されている。

上記構成によれば、周方向に連続する複数の動翼３１のうち１つに動翼凹部Ｈが形成されている。これにより、凹部の断面形状や大きさを選択することで動翼３１に複数種類の固有振動数を設定することができるので、互いに隣接する動翼３１同士の間で固有振動数を違えることができる。その結果、動翼３１にフラッタが生じる可能性を低減するとともに、動翼３１の軽量化を図ることができる。

（８）第８の態様に係るタービンＴでは、前記動翼凹部Ｈは、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している。

上記構成によれば、動翼凹部Ｈが、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している。これにより、強度の必要な径方向内側では動翼３１の肉厚が確保できる一方で、強度負担の少ない径方向外側では開口面積を大きくすることで動翼３１のさらなる軽量化を図ることができる。

（９）第９の態様に係るタービンＴでは、前記ディスク３３に設けられ、前記回転軸Ａｃを中心とする環状をなす環状部Ｄｃと、前記環状部Ｄｃに沿って周方向に間隔をあけて配列され、前記回転軸Ａｃ方向に延びる線状部ＤＬと、を有し、前記ディスク３３とは異なる材料で形成されたダンパ部Ｄをさらに備える。

上記構成によれば、ディスク３３に振動が生じた際、環状部Ｄｃと線状部ＤＬを有するダンパ部Ｄがディスク３３と摺接することで、振動減衰力を発揮する。これにより、ディスク３３、及び動翼３１の振動を効果的に低減することができる。

（１０）第１０の態様に係るタービンＴでは、前記線状部ＤＬは、圧電素子で形成されている。

圧電素子は、ＬＣ回路を付加することで、外力によって変形するとＬＣ回路の起電力によって硬度が増加する特性を有している。線状部ＤＬをパッシブ型の圧電素子として構成することで、振動が生じた際に当該素子の硬度が増加して振動をより効果的に減衰させることができる。ＬＣ回路ではなく給電回路を追加することでアクティブ型の圧電素子として構成することもできる。

（１１）第１１の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列３０の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、を備え、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の凹部をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の凹部が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。

（１２）第１２の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列３０の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、を備え、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の貫通孔をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の貫通孔が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。

（１３）第１３の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列３０の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、を備え、前記ディスク３３における前記回転軸Ａｃ方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の突出部をさらに有する。

上記構成によれば、ディスク３３に複数の突出部が形成されている。これにより、翼の振動とディスク３３の振動とが連成しにくくなり、フラッタの発生を回避することができる。

（１４）第１４の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列３０の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、を備え、周方向に連続する複数の前記動翼３１のうち１つの前記動翼３１に、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部Ｈが形成されている。

上記構成によれば、周方向に連続する複数の動翼３１のうち１つに動翼凹部Ｈが形成されている。これにより、互いに隣接する動翼３１同士の間で固有振動数を違えることができる。その結果、動翼３１にフラッタが生じる可能性を低減するとともに、動翼３１の軽量化を図ることができる。

（１５）第１５の態様に係るタービンＴでは、前記動翼凹部Ｈは、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している。

上記構成によれば、動翼凹部Ｈが、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している。これにより、強度の必要な径方向内側では動翼３１の肉厚が確保できる一方で、強度負担の少ない径方向外側では開口面積を大きくすることで動翼３１のさらなる軽量化を図ることができる。

（１６）第１６の態様に係るタービンＴは、回転軸Ａｃ回りに回転可能なシャフト４０と、前記シャフト４０から径方向外側に延びるとともに、前記回転軸Ａｃ方向に間隔をあけて配置された一対のディスク３３、及び各前記ディスク３３の外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼３１を有する一対の動翼列３０と、前記回転軸Ａｃ方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼２１を有する一対の静翼列２０と、前記ディスク３３に設けられ、前記回転軸Ａｃを中心とする環状をなす環状部Ｄｃと、前記環状部Ｄｃに沿って周方向に間隔をあけて配列され、前記回転軸Ａｃ方向に延びる線状部ＤＬと、を有し、前記ディスク３３とは異なる材料で形成されたダンパ部Ｄと、を備える。

上記構成によれば、ディスク３３に振動が生じた際、環状部Ｄｃと線状部ＤＬを有するダンパ部Ｄがディスク３３と摺接することで、振動減衰力を発揮する。これにより、ディスク３３、及び動翼３１の振動を効果的に低減することができる。

（１８）第１８の態様に係るタービンＴでは、前記線状部ＤＬは、圧電素子で形成されている。

圧電素子は、ＬＣ回路を付加することで、外力によって変形するとＬＣ回路の起電力によって硬度が増加する特性を有している。線状部ＤＬをパッシブ型の圧電素子として構成することで、振動が生じた際に当該素子の硬度が増加して振動をより効果的に減衰させることができる。ＬＣ回路ではなく給電回路を追加することでアクティブ型の圧電素子として構成することもできる。

１００ ロケットエンジン
１０ ケーシング
２０ 静翼列
２０Ａ 第一静翼列
２０Ｂ 第二静翼列
２１ 静翼
２２ シュラウド
３０ 動翼列
３０Ａ 第一動翼列
３０Ｂ 第二動翼列
３１、３１ｂ 動翼
３２ プラットフォーム
３３、３３Ａ ディスク
３３ｂ ディスク結合体
３３Ｃ 接続部
４０ シャフト
７０ エンジン本体
８０ 燃焼室
９０ ノズル
Ａ ミスチューン部
Ａｃ 回転軸
Ｄ ダンパ部
Ｄｃ 環状部
ＤＬ 線状部
Ｈ 動翼凹部
Ｈｂ 底面
Ｌ１ 燃料ライン
Ｌ２ 酸化剤ライン
Ｌ３ 冷却材ライン
Ｌ４ 回収ライン
Ｐ１ 液体水素ターボポンプ
Ｐ１１、Ｐ２１ ポンプ本体
Ｔ、Ｔ１１、Ｔ２１ タービン
Ｖ１ 燃料バルブ
Ｖ２ 酸化剤バルブ
Ｖ３ 冷却材バルブ

Claims (17)

1. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
   前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
   前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
   を備え、
   一対の前記動翼列同士で、前記動翼の数が同一であり、一対の前記静翼列同士で、前記静翼の数が同一であるタービン。
2. 前記静翼の数は、前記動翼の数の３０％以上７０％以下である請求項１に記載のタービン。
3. 前記一対のディスクの径方向内側の端部同士を接続するとともに前記シャフトの外周面に向かって延びる接続部をさらに有する請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の凹部をさらに有する請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の貫通孔をさらに有する請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン。
6. 前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の突出部をさらに有する請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン。
7. 周方向に連続する複数の前記動翼のうち１つの前記動翼に、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部が形成されている請求項１から６のいずれか一項に記載のタービン。
8. 前記動翼凹部は、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している請求項７に記載のタービン。
9. 前記ディスクに設けられ、前記回転軸を中心とする環状をなす環状部と、
   前記環状部に沿って周方向に間隔をあけて配列され、前記回転軸方向に延びる線状部と、
   を有し、前記ディスクとは異なる材料で形成されたダンパ部をさらに備える請求項１から８のいずれか一項に記載のタービン。
10. 前記線状部は、圧電素子で形成されている請求項９に記載のタービン。
11. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
    前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
    前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
    を備え、
    前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の凹部をさらに有するタービン。
12. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
    前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
    前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
    を備え、
    前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の貫通孔をさらに有するタービン。
13. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
    前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
    前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
    を備え、
    前記ディスクにおける前記回転軸方向を向く面に形成され、周方向に間隔をあけて配列された複数の突出部をさらに有するタービン。
14. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
    前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
    前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
    を備え、
    周方向に連続する複数の前記動翼のうち１つの前記動翼に、径方向外側の端面から径方向内側に向かって凹む動翼凹部が形成されているタービン。
15. 前記動翼凹部は、径方向内側に向かうに従って開口面積が次第に減少している請求項１５に記載のタービン。
16. 回転軸回りに回転可能なシャフトと、
    前記シャフトから径方向外側に延びるとともに、前記回転軸方向に間隔をあけて配置された一対のディスク、及び各前記ディスクの外周側の端縁に周方向に配列された複数の動翼を有する一対の動翼列と、
    前記回転軸方向における前記動翼列の一方側にそれぞれ一つずつ配置され、周方向に配列された複数の静翼を有する一対の静翼列と、
    前記ディスクに設けられ、前記回転軸を中心とする環状をなす環状部と、
    前記環状部に沿って周方向に間隔をあけて配列され、前記回転軸方向に延びる線状部と、
    を有し、前記ディスクとは異なる材料で形成されたダンパ部と、
    を備えるタービン。
17. 前記線状部は、圧電素子で形成されている請求項１６に記載のタービン。
    

Images