JP3884508B2 - ロータ組立体用ロータブレード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはロータブレードに関し、更に詳細には、ロータブレードの振動を減衰する装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
軸流タービンエンジンにおけるタービンセクション及び圧縮機セクションは一般にロータ組立体を包含し、このロータ組立体は回転ディスク及びこの回転ディスクの外周まわりに取付けられている複数のロータブレードを包含する。そして、各ロータブレードは、根元と、エアフォイルと、これら根元とエアフォイルとの間の移行部に設けられているプラットホームとを包含する。各ロータブレードの根元は、ディスクに形成されてロータブレード根元と補形し合う形状のくぼみに受け入れられる。また、各ロータブレードのプラットホームは横方向外向きに延び、集合してロータ段を通過する流体のための流路を形成する。各ロータブレードの前方の縁は一般に前縁と称され、また後方の縁は後縁と称されている。なお、前方とはエンジンを通過するガス流れにおいて後方の上流側と定義されている。
【０００３】
しかして、タービンエンジンの作動中、ロータブレードは多数の異なる押込み作用（フォーシングファンクション）によって振動を起こす。すなわち、例えばガス温度、圧力及び／又は密度の変化によって、ロータ組立体の全体、特にロータブレードのエアフォイルに振動が生じる。上流のタービンセクション及び／又は圧縮機セクションを周期的に、すなわち“脈動”して出るガスも、また、好ましくない振動を生じさせる。このような振動を弱らせないままにしておくと、振動によってロータブレードが早期に疲労し、その結果ロータブレードの寿命サイクルが短くなる。
【０００４】
ロータブレードは、振動を減衰して除去することができる。例えば、摩擦ダンパをロータブレードのエアフォイルの外面に取付けたり、又はロータブレードの根元に設けたエアフォイルへの冷却空気入口導管を通してダンパをエアフォイル内に挿入することが知られている。しかし、摩擦ダンパをエアフォイルの外面に取付ける方法は、ダンパがエンジン内の過酷な腐食環境にさらされるという欠点がある。そして、ダンパが腐食をし始めるとすぐに、その効力が低下してしまう。また、ダンパが腐食によってエアフォイルから分離した場合には、ダンパが異物となって下流に損傷を与えてしまう。このため、ダンパをエアフォイルの外面に形成したポケットに収容し、これによりダンパを過酷な環境から保護するようにすることも知られている。しかし、この方法にあっては、多くの場合、ダンパをポケットとポケット蓋との間で偏倚しなければならず、そのためダンパがポケット内で摩擦により摩耗するにしたがってダンパの効力が減少してしまう。
【０００５】
次に他の一般的な減衰方法、すなわち、ロータブレードの根元に設けたエアフォイルへの冷却空気入口導管を通してダンパをエアフォイル内に挿入する方法も、また、欠点を有する。すなわち、エアフォイルへの冷却空気入口導管を通して挿入されるダンパは該冷却空気入口導管及びエアフォイル内の冷却通路をよけるのに十分なたわみ性を有していなければならない。例えば、ダンパをロータブレードの前縁又は後縁の近くにする必要がある場合には、ダンパは前縁又は後縁に向って曲がり、それから前縁又は後縁に沿って後退するのに十分なたわみ性を有していなければならない。しかしながら、たわみ性は一般にばね定数と逆に関係するものである。すなわち、ばねのたわみ性を増加すると、ばねの強さ及びそれ故ダンパの効力が減少する。また、エアフォイルへの冷却空気入口導管内に挿入されたダンパはロータブレードに入る冷却空気が通過する断面積を減少する。
【０００６】
以上述べたことから、ロータブレードの振動を有効に減衰すると共に、容易に取付け、取外しされ、かつロータブレードの冷却の低下を最少にする振動減衰装置が要望されている。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、ロータブレードの振動を有効に減衰する装置を包含するロータ組立体用ロータブレードを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、容易に取付け、取外しされるロータブレード振動減衰装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、ロータブレード内の冷却空気の流れを妨げることのないロータブレード振動減衰装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、ロータブレードの冷却を促進するロータブレード振動減衰装置を提供することにある。
【００１１】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるようなロータ組立体用ロータブレードが提供される。すなわち、ロータ組立体用ロータブレードは、根元と、エアフォイルと、プラットホームと、ダンパとを包含する。そして、エアフォイルは少なくともひとつの空洞を包含する。また、プラットホームは、根元とエアフォイルとの間においてロータブレードから横方向外向きに延び、エアフォイル側、根元側及びこのプラットホームの根元側とエアフォイルの空洞との間に延びる穴を有する。更に、ダンパはこの穴及び空洞内に収容される。そして、このダンパとエアフォイルの空洞の表面との間の摩擦によりロータブレードの振動を減衰する。
【００１２】
以上述べた本発明のひとつの利益は、ダンパがロータブレードのプラットホームの根元側からエアフォイル内に挿入されることにより、より剛性のあるダンパを使用できることにある。すなわち、従来技術の多くの内部ダンパの剛性は、しばしば、ダンパを挿入するのに通過させねばならない通路によって制限されている。これに対し、本発明によれば、ダンパをプラットホームの下から挿入することができる。したがって、ダンパを、エアフォイルへの冷却空気入口導管から離れるように曲げてからエアフォイルの前縁又は後縁に向って後退させることなく、エアフォイルの前縁又は後縁に隣接して位置させることができる。
【００１３】
本発明の他の利益は、ダンパがロータブレードのエアフォイルへの冷却空気入口導管にいかなるスペースも要求しないことである。当業者であれば、エアフォイルへの冷却空気入口導管が特に冷却空気流れを多数の異なる空洞に分けるための多数の隔壁によって限定されていることを知っているであろう。そして、幾つかの従来例においては、この区域にダンパを設置することにより、最適ではない隔壁の配列を強制させられている。したがって、ダンパのために必要なスペースを除去するか、又は減衰作用の一部分をどこかほかの場所に移すことによって前記スペースを最小にすることは利益のあることである。
【００１４】
本発明の更に他の利益は、ダンパへのアクセスが改良され、これによりダンパの取外し及び取替えが容易となることである。
【００１５】
本発明の更に他の利益は、ダンパがロータブレードのエアフォイルの冷却を促進する手段を包含できることである。
【００１６】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利益は添付図面を参照して詳述する下記の最良の実施の形態についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照するに、ガスタービンエンジン用ロータブレード組立体８は、ディスク１０と、複数のロータブレード１２とを有する。ディスク１０は、このディスク１０の外周まわりに形成された複数のくぼみ１４と、回転中心線１６とを包含し、この中心線１６のまわりをディスク１０が回転する。各ロータブレード１２は、根元１８と、エアフォイル２０と、プラットホーム２２と、ダンパ２４（図２を参照）とを包含する。各ロータブレード１２は、また、ディスク１０の回転中心線１６と垂直にしてロータブレード１２を通過する半径方向中心線２６を包含する。根元１８は、ディスク１０のひとつのくぼみ１４の幾何学的形状と補形し合う幾何学的形状を有する。このような形状として、クリスマスツリー形が一般に知られていると共に、現在広く使用されている。図２に見ることができるように、根元１８は更に複数の冷却空気入口導管３０を包含し、これらの導管３０を通して冷却空気が根元１８内に入り、それからエアフォイル２０内を通過する。
【００１８】
再び図２を参照するに、ロータブレード１２のエアフォイル２０は、基部３２と、チップ３４と、前縁３６と、後縁３８と、第１の空洞４０と、第２の空洞４２と、これら第１の空洞４０と第２の空洞４２との間の通路４４とを包含する。そして、このエアフォイル２０は、基部３２からチップ３４に向って内向きにテーパしている。すなわち、基部３２における翼弦長さはチップ３４における翼弦長さよりも大きい。第１の空洞４０は第２の空洞４２の前方に位置し、第２の空洞４２は後縁３８に隣接している。なお、エアフォイル２０は図２に示される２つの空洞よりも多くの空洞を包含することができ、これら追加の空洞は第１の空洞４０の前方に位置される。第１の空洞４０は、冷却空気を流出するためにエアフォイル２０の壁を貫通して延びる複数の穴４６を包含する。同様に、第２の空洞４２も、冷却空気を流出するために後縁３８に沿って設けられた複数の穴４８を包含する。また、プラットホーム２２は、根元１８とエアフォイル２０との間においてロータブレードから横方向外向きに延び、エアフォイル側４５ａ、根元側４５ｂ及びこの根元側とエアフォイル２０の空洞４０、４２との間に延びる穴４９を有する。
【００１９】
次に図２及び図３の（Ａ）〜（Ｄ）を参照するに、本発明の好適な実施例によれば、第１の空洞４０と第２の空洞４２との間の通路４４は、エアフォイル２０の基部３２からチップ３４にまで実質的に延びる一対の壁５０を包含する。これら壁５０の一方又は両方は、第１の空洞４０から第２の空洞４２への方向に他方の壁５０に向って収れんする。通路４４の中心線４３は、ロータブレード１２の半径方向中心線２６からαだけそらされ、その結果通路４４のチップ端５２は通路４４の基部端５４よりも半径方向中心線２６に接近している。また、一対のタブ５６（図３の（Ａ）〜（Ｄ）を参照）が、第１の空洞４０内に通路４４と隣接して設けられ、ダンパ２４を通路４４内に維持している。更に、冷却フィンとして働く複数のリブ５７（図２を参照）が通路４４のチップ端５２に設けられている。
【００２０】
次に図３の（Ａ）〜（Ｄ）、図４及び図５を参照するに、ダンパ２４はヘッド５８と本体６０とを包含し、本体６０は長さ６２と、前面６４と、後面６６と、一対の支え面６８とを有する。ヘッド５８は、本体６０の一方端に固定されている。そして、このヘッド５８はヘッド５８とロータブレード１２との間を密封する“Ｏ”形のシール６９を包含する。本体６０は種々の横断面形状を有することができ、例えば限定されるものではないが、図３の（Ａ）及び（Ｄ）に示される台形、又は図３の（Ｂ）に示されるわん曲面を有する形状、若しくは図３の（Ｃ）に示される“Ｕ”形の形状とされる。一対の支え面６８は、本体６０の長さ６２に沿って、前面６４と後面６６との間に延びている。これら支え面６８の一方又は両方は、第１の空洞４０と第２の空洞４２との間の通路４４の収れん壁５０と同様に、他方の支え面６８に向って収れんしている。通路５０と支え面６８との同様な幾何学的形状により、本体６０を通路４４内に収容して、通路４４の壁５０を接触させることができる。
【００２１】
ダンパ２４の本体６０は、更に、開口７０を包含し、この開口７０を通して冷却空気が第１の空洞４０と第２の空洞４２との間を流れることができる。一実施例によれば、この開口７０は一方又は両方の支え面６８に設けられた複数のみぞ７２から成る（図３の（Ｂ）、（Ｄ）及び図４を参照）。これらのみぞ７２は、前面６４と後面６６との間に延びていると共に、本体６０の長さ６２に沿って間隔を置かれている。他の実施例によれば、開口は複数の穴７４から成り、これらの穴７４は本体６０に設けられ、前面６４と後面６６との間に延びていると共に、本体６０の長さ６２に沿って間隔を置かれている（図３の（Ａ）、（Ｃ）及び図５を参照）。組立において、ダンパ２４は、エアフォイル２０の第１の空洞４０と第２の空洞４２との間の通路４４の中に、プラットホーム２２の根元側４５ｂと空洞４０、４２間の通路４４との間に延びる穴４９を通して挿入される。このようにプラットホーム２２を通してダンパ２４を挿入することにより、ロータブレード１２の根元１８に設けたエアフォイル２０への冷却空気入口導管３０を通してダンパ２４を挿入することに付随して生じる前述した欠点が除去される。なお、クリップ７６がダンパ２４をロータブレード１２内に維持するために取付けられる。
【００２２】
再び図１及び図２を参照するに、定常作動状態の下では、ガスタービンエンジン内のロータ組立体８はエンジンを通過する中心（コア）ガス流れによって回転させられる。この場合、高温の中心ガス流れはロータ組立体８のロータブレード１２に衝突し、相当量の熱エネルギを各ロータブレード１２に通常不均一に伝達する。この熱エネルギの一部分を放散するために、冷却空気が各ロータブレード１２の根元１８内の導管３０（図２を参照）内に通される。そして、この導管３０から冷却空気の一部分が第１の空洞４０内に進み、ダンパ２４に接触する。このダンパ２４の開口７０、すなわちみぞ７２又は穴７４（図３の（Ａ）〜（Ｄ）を参照）は、冷却空気を第２の空洞４２に進ませる通路を形成する。
【００２３】
次に図３の（Ａ）〜（Ｄ）を参照するに、ダンパ２４の支え面６８は通路４４の壁５０に接触する。すなわち、ダンパ２４は第１の空洞４０と第２の空洞４２との間の圧力差によって通路４４の壁５０に強制的に接触させられる。更に詳述すると、第１の空洞４０内の高い方のガス圧力は、通路４４の壁５５の方向においてダンパ２４に対して作用する垂直の力を与える。そして、ロータ組立体８のディスク１０がその回転中心線１６（図１を参照）のまわりを回転させられることにより生じる遠心力が、また、ダンパ２４に作用する。通路４４がロータブレード１２の半径方向中心線２６に関してそらされていること、及びこの通路４４内にダンパ２４が収容されていることにより、ダンパ２４に作用する遠心力の分力が通路４４の壁５０の方向に作用する。すなわち、この遠心力の分力が通路４４の壁５０（再び図２を参照）の方向においてダンパ２４に対して追加の垂直力として作用する。
【００２４】
冷却空気を第１の空洞４０と第２の空洞４２との間に通すようにするダンパ２４の開口７０（すなわち、みぞ７２又は穴７４）は、種々の方向に向けることができる。特定の適用のために選択される開口７０（すなわち、みぞ７２又は穴７４）の幾何学的形状及び位置は、所望する冷却の方式に依存する。例えば、図３の（Ｂ）は空洞４０と空洞４２との間の通路４４の壁５０の曲率と同じ曲率を持つ支え面６８を有するダンパ２４を示している。そして、このわん曲支え面６８に設けられたみぞ７２が冷却空気を壁５０に沿って導き、これにより壁５０を対流冷却する。選択的に、図３の（Ｄ）に示されるように、もし通路４４の壁５０及びダンパ２４の支え面６８の収れん角度７８が十分に大きい場合には、通路４４の壁５０に沿って導びかれた冷却空気を第２の空洞４２の壁８０に衝突させることができる。また、ダンパ２４に設けられた穴７４は、冷却空気を第２の空洞４２の壁８０に沿って、又は第２の空洞４２の中央部に、若しくは第２の空洞４２の壁８０に衝突するように導びくように方向決めすることができる。図３の（Ｃ）は、冷却空気を第２の空洞４２の中央部に直接導く冷却空気穴７４を示している。また、図３の（Ａ）は穴７４が冷却空気を第２の空洞４２の壁８０に衝突させるように設けられている通路４４の壁５０及びダンパ２４の支え面６８を示している。
【００２５】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。例えば、前述した発明を実施するための最良の形態によれば、ダンパ２４を第１の空洞４０と第２の空洞４２との間に設け、該第２の空洞４２をエアフォイル２０の後縁３８に隣接するようにしている。しかし、これに代えて、ダンパ２４をもっぱら減衰目的のために単一の空洞に設けることもできる。更に、ダンパ２４をプラットホーム２２を通してエアフォイル２０内に挿入し、エアフォイル２０の前縁３６に隣接するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるロータブレードを備えたロータ組立体の一部分を示す斜視図である。
【図２】本発明によるロータブレードの一例を示す断面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は本発明の４つの異なる実施例を示す、ロータブレードの一部分の断面図である。
【図４】本発明によってロータブレード内に設けられるダンパの一例を示す斜視図であって、このダンパは複数のみぞを有している。
【図５】本発明によってロータブレード内に設けられるダンパの他の例を示す斜視図であって、このダンパは複数の穴を有している。
【符号の説明】
８ ロータ組立体
１０ ディスク
１２ ロータブレード
１４ くぼみ
１６ 回転中心線
１８ 根元
２０ エアフォイル
２２ プラットホーム
２４ ダンパ
２６ ロータブレードの半径方向中心線
３０ 冷却空気入口導管
３２ 基部
３４ チップ
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 第１の空洞
４２ 第２の空洞
４３ 通路の中心線
４４ 通路
４５ａ エアフォイル側
４５ｂ 根元側
４６ 穴
４８ 穴
４９ 穴
５０ 壁
５２ チップ端
５４ 基部端
５６ タブ
５７ リブ
５８ ヘッド
６０ 本体
６２ 長さ
６４ 前面
６６ 後面
６８ 支え面
６９ シール
７０ 開口
７２ みぞ
７４ 穴
７６ クリップ
７８ 収れん角度
８０ 壁

Claims (7)

1. ディスクを有するロータ組立体用のロータブレードにおいて、前記ロータブレードを前記ディスクに固定する根元と、基部、チップ及び少なくともひとつの冷却通路を有するエアフォイルと、前記根元と前記エアフォイルとの間において前記ロータブレードから横方向外向きに延び、エアフォイル側、根元側及びこの根元側と前記冷却通路との間に延びる穴を有するプラットホームと、ダンパとを包含し、前記ダンパが前記穴及び前記冷却通路内に収容され、前記ダンパと前記冷却通路の表面との間の摩擦により前記ロータブレードの振動を減衰するように設けられており、
   前記エアフォイルが、更に、前縁と後縁とを包含するとともに、第１の冷却通路と、前記後縁に隣接する第２の冷却通路と、前記第１の冷却通路から前記第２の冷却通路にまで第１の角度で収れんする壁を有して、これら第１の冷却通路と第２の冷却通路とを接続する通路とを包含し、前記ダンパが前記通路内に収容されており、
   前記ダンパが、更に、前面と、後面と、これら前面と後面との間に延びる一対の支え面とを包含し、これらの支え面が前記前面から前記後面にまで前記通路の壁の前記第１の角度と実質的に同じ第２の角度で互いに向って収れんしていることを特徴とするロータブレード。
2. 請求項１記載のロータブレードにおいて、前記ロータ組立体が回転軸線を有すると共に、前記ロータブレードが半径方向中心線を有し、かつ前記通路が前記ロータブレードの半径方向中心線からそらされて、前記通路と前記半径方向中心線との間の距離が前記エアフォイルのチップ部におけるよりも前記エアフォイルの基部における方を大きくされ、前記回転軸線まわりの前記ロータ組立体の回転により、前記ダンパを遠心力により半径方向外向きに付勢して、前記通路の収れん壁に接触させるようにしたことを特徴とするロータブレード。
3. 請求項２記載のロータブレードにおいて、前記ダンパが前記第１の冷却通路から前記第２の冷却通路へのガス通路手段を包含することを特徴とするロータブレード。
4. 請求項３記載のロータブレードにおいて、前記ガス通路手段が複数の穴から成ることを特徴とするロータブレード。
5. 請求項３記載のロータブレードにおいて、前記ガス通路手段が前記支え面に設けられた複数のみぞから成ることを特徴とするロータブレード。
6. 請求項１記載のロータブレードにおいて、前記ダンパが前記第１の冷却通路から前記第２の冷却通路へのガス通路手段を包含することを特徴とするロータブレード。
7. 請求項１記載のロータブレードにおいて、前記エアフォイルが前記通路に隣接して前記第１の冷却通路内に延びる複数のタブを包含し、これらのタブは前記ダンパが前記通路から前記第１の冷却通路内に動くのを防止することを特徴とするロータブレード。

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