JP3701680B2 - ターボマシン羽根用振動減衰囲い板 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジン用固定羽根に係り、特に流路をエンジンを介して羽根の一端に境界づけるとともに羽根をケースに取付けるための改良された振動減衰囲い板に関する。
発明の背景
ガスタービンエンジンは、回転翼の列を軸方向に備えるファンとコンプレッサおよび入ってくる空気流を圧縮するために、回転羽根を使用し、その空気流を基本的に軸方向に向ける。翼と羽根はエアホイルであり、このエアホイルは中心の内部と外部ケースとの間の円環状の流路を介して径方向に配設されている。羽根は、内部および外部ケースの両方に結合されており、かつ正常なエンジン動作中に羽根がさらされる励起周波数よりも高い固有振動周波数を持っている。
羽根を内部および外部ケースに接合するための一つの公知の装置が書類ＧＢ−Ａ−２１１５８８３に開示されており、この書類は主として羽根取付けハードウェアの均一性に関するものであり、羽根のピッチ又は幾何学的な形状は不均一である。ＧＢ−Ａ−２１１５８８３の装置は、羽根とケースとの間の接続の保全を損なうことなくしてかつエンジン動作中に正常に遭遇する振動周波数の範囲内に羽根の固有周波数を押し下げることなくしては、高温度環境において羽根の振動を減衰する必要性をかなえるものではない。明白なように、これらの重要なことは満たされるべきである。
当然ではあるが、エンジン運転中には、エンジン内の異なる部品間では、その温度に差異が生じる。例えば、内部ケースの温度は羽根とケースの温度とは異なる。さらに内部ケースの温度は羽根とケースの温度とは独立に変化する。結局、内部ケースは、羽根と外部ケースに関して径方向に膨張し又は収縮する。このようにそれぞれ異なる熱応答を修正するために、羽根の内部端は内部ケースに固定され、羽根の軸方向と円周方向の変位はケースによって防がれるが、羽根に関するケースの膨張と収縮は妨害されない。各羽根の内部端と外部ケースは共通の熱環境を分ち合い、従って、各羽根は外部ケースにしっかりと接合され、羽根とケースの間における軸方向，円周方向又は径方向の相対的な変位は生じない。
各羽根を内部ケースに固定するための一つの周知装置において、軸方向および円周方向に伸びる囲い板は各羽根の内部端に取付けられている。囲い板はエアホイル断面形状の穴を有する。穴の周囲の側壁は流路から径方向に伸びる画室を規定する。
羽根の内部端は、画室側壁から離間して、画室内に嵌合する。いわゆるポティング物質としての振動減衰物質によって側壁と羽根間の空間が満たされ、羽根をつかむとともに囲い板を羽根に固定する。内部ケースから径方向外方に伸びる一つ又はそれ以上の支持ピンは、羽根とケース間の接続を完成するために、減衰物質内に貫通する。ピン接続は、ケースに対する羽根の軸方向と円周方向の変位を防ぐが、熱効果を修正するために径方向の変位を許すことになる。羽根と囲い板がエンジンに組み込まれる時、各囲い板は、連続する内部流路境界を形成するために、円周方向に隣接する囲い板に当合する。各羽根をその囲い板を接合するに加えて、減衰物質は、もちろん、羽根振動を減衰するとともに、気体力学負荷から生ずる羽根の円周方向と軸方向の変位を防ぐ。
上述した装置は古いエンジンでは効果的であるけれども、高温度で動作する現代のエンジンに対しては不充分である。内部ケースの膨張を引き起こす熱エネルギーは支持ピンを通して減衰物質に伝導され、それによりピンの近くのその温度を上げる。遷移温度として呼ばれている、基準温度よりも高い温度で、ピンの近くの減衰物質は、軟らか過ぎて、ケースとピンに関連する羽根の変位を防ぐことが出来ない。
この欠点はより高い遷移温度の物質に置き換えることによって除去される。しかしながら、より高い遷移温度を備える物質はもちろん低遷移温度を備える物質よりも弾力がある。画室に配分されたより弾力のある物質は羽根の固有振動周波数を下げる。このことは、正常なエンジン動作中に羽根が種々な周波数の振動励起にさらされるので、望ましくないことである。羽根の固有周波数が低下されると、その固有周波数は励起周波数と一致し、エンジン動作中に羽根は激しく振動して損傷又は破壊するに至る。
羽根の固有周波数の減少は、羽根をより堅くするために羽根の形状を修正することによって又は異なる物質からなる羽根を作ることによって、軽減され、これにより高い遷移温度の減衰物質に関連する羽根固有周波数の減少を補償する。しかしながら、これらのアプローチは、羽根の重さを増し、重量を小さくすることが重要な設計基準である航空機タービンエンジンにおける欠点を明らかにする傾向にある。
高い遷移温度に取り換えることは、かりに羽根固有振動数の減少が許容範囲であっても、望ましくないことである。製造中に羽根、囲い板および減衰物質が、この減衰物質をより固くするために高温度のキュアリング（回復）サイクルにさらされるとともに、この減衰物質は羽根と囲い板に接合される。高い遷移温度の物質は低い遷移温度対応物よりも高い遷移温度で処理される。上昇したキュアリング温度は、羽根を歪ませることができるもので、現代のエンジンにおいては、通常は非金属物質によって作られている。さらに、高遷移温度物質は羽根を画室温度との弱い接合を形成する傾向にある。
これらの欠点に鑑みて、上昇した温度動作環境において羽根の固有振動周波数を抑えることなく、減衰能力を持つ振動減衰囲い板は、製造中に、エンジン重量を増し、構造保全を損い、又は羽根の歪を生ずる。
発明の概要
本発明によれば、タービンエンジン用の振動減衰囲い板は２つの分離した振動減衰物質を用い、単一物質の使用に伴う中間物なくして、予循する動作仕様が容易に満足される。囲い板は、一次振動減衰物質と少なくとも一つのピン受け空洞における固有羽根の一端を受けるための径方向に伸びる部屋を含んでおり、部屋とは独立に二次減衰物質を含んでいる。二次物質は対応する支持ピンに摺動可能に係合し、支持ピンは隣接するケースから伸び、羽根とケース間の相対的な径方向変位を調整する方法で羽根をケースに固定する。
一次物質は、羽根の固有振動周波数を低下させることなく振動を減衰させる能力に対して大きく選択され、これによりエンジン動作中に羽根の振動励起損失となる。二次物質は、羽根の円周方向と軸方向の変位を防ぐ能力に影響されることなく、上昇した温度に対する許容誤差に対して大きく選択される。
発明の実施例においては、二次物質は、例えば、空洞の内面に固定されたスリーブである。発明には、もちろん、囲い板の物質とは異なる物質で作られたベースプレートが含まれる。囲い板に固定されているベースプレートは各空洞と対応する支持ピンに関連する穴を持っている。各支持ピンは関連するベースプレートの穴を介してピン受け空洞内に伸びる。各ベースプレートの穴は、二次物質が損失したときに、ピンと空洞の壁との間の接触の悪さを防ぐように寸法取りされている。
本発明の利点は、エンジン重量が増加することなく、羽根の固有周波数が低下することなく、構造上の保全を損なうことなく、又はキュアリングサイクル中の羽根の歪のおそれなくして、上昇した温度環境においての一次減衰物質の効果を保持する能力である。
本発明の前述の利点および動作は、発明を実施するための最良の形態の説明と添付図面に鑑みて、より明白になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、内部および外部端に振動減衰囲い板を有するファン羽根を含む選択された内部構成要素を示すために、破断された外部ケーシングを備えたガスタービンエンジンの側面図である。
第２図は、羽根の外部端での公知の振動減衰囲い板と羽根支持装置を示し、第１図の従来のエンジンで使用される、従来技術のファン羽根の部分拡大斜視図である。
第３図は、羽根の内部端での公知の振動減衰囲い板および羽根支持装置を示し、第２図の従来技術のファン羽根の部分拡大図である。
第４図は第３図の４−４線に沿う断面の平面図である。
第５図は、本発明の振動減衰囲い板を示し、第１図のエンジンで使用されるファン羽根の部分拡大斜視図である。
第６図は第５図の振動減衰囲い板の部分拡大斜視図である。
第７図は第５図の７−７線に沿う断面の平面図である。
発明を実施するための最良な形態
第１図を参照すると、ガスタービンエンジン１０は翼の列を有するファン部１２を示し、翼１４は中心軸１６と非回転固定羽根１８のまわりを回転する。翼と羽根は円環状流路２０を介して径方向に伸びるとともに、羽根は内部および外部ケース２２と２４の両方に連結されている。空気２６はファン部を通して流れ、ファン部では空気が圧縮され翼と羽根によって基本的には軸方向に向けられる。非回転構造の接続ストラット２８は内部ケースと外部ケースを接続する。
羽根と外部ケースは共通の熱的環境を分かち合うので、エンジン動作中にそれらの間の熱的に誘起された相対変位はない。従って、各羽根は公知の方法で外部ケースに確実に接合され、軸方向、円周方向および径方向の全ての方向においてケースに対する羽根の変位が防止される。そのように固定された羽根の端はいわゆる固定端である。第２図と第３図に示されているように、各羽根の固定端は、外部囲い板片４２に形成された穴４０（第３図）に嵌合する。側壁４４（第２図）は穴から径方向外方に伸び、羽根１８の外部端を受けるための開口端画室を形成する。ポティング物質として知られている振動減衰物質４８は、エンジンに組込まれる時、羽根の振動を減衰させかつ羽根の変位を防止するように、囲い板を羽根に接合するために画室に配設されている。囲い板片４２は一対のネジスタッド５０を含んでおり、これらのネジスタッドは画室４６に隣接するソケット５２から径方向外方に突出たところに固定される。スタッドは外部ケース２４（明確にするために第２図にわずかに拡大して示されている）を介して突出し、ナット５６は羽根を外部ケースに接続するためにスタッドにネジ止めされている。エンジンに組込まれる時、各囲い板は外部流路境界を規定するために円周方向に隣接する囲い板と共働する。
逆に、内部ケースと、各羽根の内部端は異なる熱的条件にさらされており、これらは異なる割合で膨張および収縮する。例えば、エンジンコアコンプレッサ３２からのおよび円環状のマニホールド３４内の熱い圧縮された空気を定期的に抜くために、バルブ３０（第１図）を設けることができ、エンジンストールを除外するために順次機外へ排出される。マニホールド内に熱い空気が存在すると、ケースがマニホールド壁の一部を形成するから、内部ケースは径方向に膨張する。それ故に、ピン接続は、羽根とケース間の径方向変位を調整する方法で羽根内部端を内部ケースに固定するのに使用される。この方法で固定された羽根の端は一般に自由端と呼ばれている。
各羽根を内部ケースに固定するための従来のピン接続が第３図と第４図に示されている。軸方向と円周方向に伸びる非金属囲い板６０は各羽根の内部端に取付けられる。囲い板は羽根のエアホイル断面の一般形状における穴６２（第２図）を含んでいる。穴の周囲の側壁６４はファン流路から径方向に伸びる画室６６を形成する。羽根１８は画室内に嵌合し、振動減衰物質６８は側壁と羽根との間のすきまを満たす。
金属ベースプレート７０は、接着剤（図示せず）によって、囲い板に接合される。内部ケース２２（明確にするために、第３図にわずかに拡大して示されている）から径方向外方に伸びる一つ又はそれ以上の金属支持ピン７２は、ベースプレートの孔９３を通して通過し、振動減衰物質内を貫通する。支持ピンの直径は孔の直径よりも小さく、正常運転中に生じる低振幅の羽根の振動によって孔の周囲がピンに接触されない。孔の直径が十分に小さく、例えば溶解によって二次物質が失われると、ベースプレートの周辺は気体力学的な力によって、ピンが羽根に押し付けられ、さらに羽根の変位を制限するとともに、ピンと側壁６４間の接触が損なわれる。ピン接続はケースに対する羽根の軸方向および円周方向の変位を防ぐが、径方向の移動ができ熱効果を調整する。羽根と囲い板がエンジンに組込まれる時、各囲い板は隣接する囲い板に円周方向に当接し、内部流路を形成する。減衰物質は、各羽根をその囲い板に接合し、それらの間の相対変位を防ぐとともに、エンジン動作中に起こる振動を減衰する。
前のものよりも高温度で動作する現代のエンジンにおいては、公知のピン接続は不充分である。ピンは熱を減衰物質に伝える。減衰物質の温度が遷移温度以上に上昇すると、ピンの近くの物質はあまりにも軟らかくなり羽根の軸方向と円周方向の変位を防ぐことができない。高い遷移温度を有する物質は取り換えられるが、そのような物質は低い遷移温度を有する物質よりも弾力性がある。そのような弾力性のある物質が画室に分配されると、羽根の固有振動周波数は押し下げられ、エンジン動作中に正常に生じる励起周波数の一つに一致する。
例えば、流体力学によって回転する翼１４（第１図）からの発散が引き起こされ、翼の回転によって決まる周波数で各羽根が打たれる。羽根の固有周波数が低下すると、該羽根の固有周波数は励起周波数に一致し、羽根は損傷又は破壊的な強さで振動する。要約すると、羽根の固有周波数を低下させない減衰物質が受け入れできない低遷移温度が妨げられ、充分高い遷移温度を持つこれらの減衰物質は、羽根の固有周波数に作用するので、望ましいものでない。さらに、羽根と画室側壁との悪い結合によるより高い遷移温度の物質は、羽根を歪ませる危険を起こす温度で回復されなければならない。
従来の囲い板は、励起周波数よりも高い羽根固有振動周波数を維持するための矛盾する要求を満足させるとともに、上昇した温度での羽根の変位を防ぐために充分に高い遷移温度の物質を使用する。しかしながら、これらの矛盾する要求は第５，６および７図に示されているように、本発明のユニークな振動減衰囲い板によって巧妙に満たされる。内部流路境界の一部を形成すために軸方向かつ円周方向に伸びる非金属囲い板７８は穴８０を持っている。側壁８２は、穴から径方向に伸び、各羽根１８の内部端を受けるための部屋８４を規定する。一次減衰物質８６は、部屋の側壁と羽根との間のすきまを満たし、囲い板を羽根に固定し、気体力学的な荷重から生じる羽根変位を防ぐとともに、エンジン運転中に起こる羽根の振動を減衰させる。
囲い板は、また、空洞壁９０によって規定される少なくとも一つの径方向に伸びる空洞８８を持っている。各空洞は部屋とは独立しており二次振動減衰物質を包含し、この二次振動減衰物質は好ましい実施例では例えばスリーブ９２である。二次物質は、羽根を固着させるために内部ケース２２から伸びる対応する支持ピン７２を、軸方向と円周方向に固定するが径方向には規制されない方法で、ケースに摺動可能に係合させる。
部屋と空洞は独立しているので、一次と二次振動減衰物質はそれらの能力が前述の矛盾した要求を満たすように選択される。部屋と空洞が分離しているので、支持ピンからの熱は容易には伝導されず、一次物質は羽根の振動を充分に減衰するためにその能力に対して大きく選択され、羽根の固有周波数がエンジン運転中に羽根がさらされる刺激的な周波数より高く維持される。この能力を、高い遷移温度の物質を選択することによって処理することは、不必要である。逆に、二次物質は、囲い板とピン間の相対的な変位を防ぐことができるようにそんなに軟らかくなく上昇した温度に耐えられるためにその能力に対して大きく選択される。従って、二次物質は一次物質よりも高い遷移温度を持っている。もちろん、囲い板の適用は異なる遷移温度を持つ物質を必要としない環境まで伸ばされることが出来る。これらの状況下において、等しい遷移温度の物質又は同じ物質は、部屋と同様に空洞において使用される。
一次と二次物質の相対的な割合および部屋と空洞の容積は、一次物質が二次物質よりも羽根の動的行動に大きく影響される。一次物質の量が二次物質の量を大きく越えると、羽根の減衰特性と固有周波数は、一次物質のみに関連するものと同じである。それ故に、部屋の容積は空洞の容積よりも大きく、羽根振動の固有周波数はエンジン運転中に遭遇する刺激的な振動周波数の範囲内に押さえ込まれない。
好ましい実施例においては、一次物質はポリウレタンであり、二次物質は空洞の内面に固定されたスリーブのようにシリコンゴムである。
本発明の囲い板は従来のもののような損傷制限ベースプレートに匹敵する。それ故に、発明においては、金属、又は囲い板の物質と異なる他の物質からなるベースプレート９６が使用される。ベースプレートは空洞８８を受ける各ピンに関連する孔９８と対応するピン７２を持っており、空洞の直径よりも小さい穴径を備えている。各支持ピンはベースプレート孔を通して対応する空洞内の各々まで伸びる。
動作において、一次減衰物質は羽根の振動エネルギーを吸収し、振動を減衰し、羽根を囲い板に固定し、囲い板内の羽根に作用する気体力学力を伝達する。二次物質はこれらの力を囲い板から支持ピンまで伝達し、羽根の円周方向と軸方向の変位は防止される。羽根に関連するケースの膨張又は収縮は各支持ピンを二次物質のスリーブに径方向に沿って摺動する。一次物質に関する量が限られている二次物質は減衰羽根振動において不適切なロールを行う。
ある状況において、例えば、ファンブレード１４（第１図）は重大な損害を抑え、異常に高い振幅の羽根の振動が生じる。二次物質９２と各支持ピン７２との間の摩擦は二次物質の温度をその融点まで上昇させる。結局、各羽根上の気体力学荷重はベースプレート孔９８の周囲をピンに接触させる。金属ベースプレートは二次物質又は囲い板のどちらよりも高い融点温度を持っているので、二次物質の損失にもかかわらず、自由端のさらなる変位を防止する。ベースプレート孔は、ピンと空洞壁９０間の接触が除外されるような寸法になっている。例えば、発明の初めの使用が期待されるエンジンにおいて、羽根の振動は軸方向中心軸に垂直な平面に制限される。それ故に、ベースプレートの広さ、すなわち振動平面に平行なその寸法は、空洞の対応する広さよりも小さい。もしこれがそうでなければ、又はもしベースプレートが無ければ、二次物質の損失による自由端の変位は、制限されず、かつピンが空洞壁と接触する。金属ピンは既に二次物質の摩擦抵抗によって高温度に加熱されているから、そのような接触は羽根の内部端の支持の完全な損失に帰因して非金属を溶かすことが出来る。
囲い板、羽根、二次物質のスリーブおよびベースプレートは、エンジンに設置される前に、別々に製造されかつ組立てられる。二次物質のスリーブは、スリーブを空洞壁に接合するための適正な接着剤例えばエポキシペーストに沿って各空洞に配置される。
ベースプレートはその間の適正な接着剤、例えば、第１の振動減衰物質として使用される同じポリウレタンによって側壁に対して配置されている。第１の組立て固定物（図示しない）は、羽根表面が部屋の側壁から離間するように、部屋内の羽根に位置する。固定物は、側壁の径方向外方を布設し、ベースプレートを保持しかつ部屋の内部端をシールオフする。第２の固定物（図示せず）は囲い板の流路側又は径方向外部に対して布設され、羽根受け部屋のシールオフを完成する。一次物質の量は第１の固定物の注入ポートを介して部屋内に注入される。それから、組立物は、接着剤と減衰物質を回収するために加熱され、その後固定物は取り除かれるとともに羽根はエンジンに取付けられる。
発明は、固定および自由端がそれぞれ外部および内部端であるファン固定羽根について開示されているけれども、自由端および固定端のいずれをも有する羽根に均等に適用可能である。
囲い板は、また、単一羽根を受けるための単一の部屋および対応するピンを受けるための一対の空洞を持つものとして示されている。しかしながら、支持ピンと空洞の適切な数を使用でき、かつ多くの羽根を受けるための多くの部屋を、添付された特許請求の範囲の精神と範囲から逸脱することなく、設けることが出来る。

Claims (6)

1. ターボマシンが内部ケース（２２）と外部ケース（２４）間に形成される円環状の流路（２０）を介して径方向に伸びる固定羽根（８）の列を有し、各羽根は、前記内部および外部ケースの一つに接合された固定端を有するとともに前記内部および外部ケースに対して相対的な変位が可能でありかつ振動減衰囲い板（７８）によって固着された自由端を有し、前記囲い板は、前記自由端を受けるための部屋（８４）を有するとともに前記自由端を前記囲い板に固定しかつ前記羽根の振動を減衰するための前記部屋に配置された一次振動減衰物質（８６）を有し、かつ前記他のケースは前記羽根の各々に対応する少なくとも一つの径方向に伸びる支持ピン（７２）を有する、ターボマシン（１０）用の振動減衰囲い板（７８）であって、
   前記部屋とは独立にしてかつ各対応する支持ピンを受けるための前記囲い板（７８）に配置された支持ピン空洞（８８）、および
   前記空洞（８８）に配設され、かつ前記囲い板を前記他のケースに固着するための前記ピン（７２）を前記他の外部ケースに摺動可能に係合させるとともに、径方向変位を調整する、二次振動減衰物質（９２）、によって構成されていることを特徴とする、
   振動減衰囲い板（７８）。
2. 前記一次振動減衰物質（８６）は、前記羽根（１８）の固有振動周波数がエンジン動作中にさらされる刺激的な振動周波数よりも高いものであり、かつ前記二次振動減衰物質（９２）が前記一次物質（８６）の周波数と少なくとも同じ高さであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の振動減衰囲い板（７８）。
3. 前記部屋（８４）の容積が前記空洞（８８）の組合わされた容積よりも大きく、羽根の固有周波数がエンジン動作中に遭遇する刺激的な振動周波数よりも高いことを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の振動減衰囲い板（７８）。
4. 前記囲い板の融点温度よりも高い融点温度を持ち前記囲い板に固定されたベース板（９６）を有するとともに、前記ピンを前記ベース板を通して前記空洞内に伸ばさせるための対応する支持ピン（７２）と前記空洞（８８）の各々に関連する孔（９８）を有し、各孔が前記振動減衰物質（９２）が損失した場合に前記ピンと前記空洞壁間の接触を除外するように寸法どりされていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の振動減衰囲い板（７８）。
5. 前記一次振動減衰物質（８６）がポリウレタンによって構成されているとともに、前記二次振動減衰物質（９２）がシリコンゴムによって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の振動減衰囲い板（７８）。
6. 前記空洞（８８）が空洞壁（９０）によって規定され、前記二次物質が前記空洞壁の内表面に固定されたスリーブ（９２）によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の振動減衰囲い板（７８）。

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