JP4027640B2 - ターボ機械用の流体案内部材の列 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械内部のステータベーンの振動を抑制し、かつ流れ案内部材アッセンブリにおいて同調吸収現象が発生し難くするための、構造的に非同調型とされた、ターボ機械用の流体案内部材の列（例えばロータブレード列）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ機械内部で交互に配置されたブレード列およびベーン列において整列したブレードおよびベーンは、相対的に回転する他のブレード列との空気力学的作用に起因して、破壊的に振動する。さらに、ある列におけるロータブレードは、隣接した列もしくは近傍の列のステータベーンにより変動する流れの影響を受けて振動する。さらに、このロータブレードにより変動する流れが回転することによって、隣接した列もしくは近傍の列におけるステータベーンが振動する。
【０００３】
２つの１８０°の部分の間でステータベーンの数を異ならせる（例えば、上方部分のステータベーンの数を４０個とし、下方部分のステータベーンの数を４２個とする）ことによって、隣接するロータブレードの振動を抑制することができる。このことは、２つの部分でステータベーンの円周方向間隔が異なることに起因して、各ロータの回転中にロータブレードが２つの異なる振動数で振動するためである。同様に、ロータブレードの数を異ならせることによって、ステータの振動を抑制することができる。
【０００４】
振動するロータブレードには、「同調吸収（tuned absorbed）」もしくは「モードの局在化（mode localization）」として周知の有害な現象が発生し易い。このような現象によって、ロータアッセンブリ全体の振動エネルギがロータにおける幾つかのブレードつまり流れ案内部材に集中し、これによって、これらのブレードつまり流れ案内部材の振動が激しくなり、早期故障が起こる。このような現象に寄与する要因の１つは、同じ固有振動数を有する複数のブレードがロータディスクを介して構造的に結合されていることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ターボ機械用の改善された流体案内部材の列を提供することである。
【０００６】
本発明の更なる目的は、ターボ機械のステータベーンの振動を抑制することが可能な、上述したような改善された流れ案内部材を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、ロータにおける同調吸収現象（tuned absorbed phenomenon）の発生を防止することが可能な、上述したような改善された流れ案内部材を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的は、本発明の流れ案内部材によって達成することができる。
【０００９】
本発明によって、ターボ機械用の、ブレード列として周知の流体案内部材の列を提供する。流体案内部材の列は、主に、ディスクに取り付けられているとともにこのディスクの周りに延びて４つの四分円部分からなる円形パターンをなす複数の流れ案内部材から構成される。好ましくは、第１の四分円部分および第２の四分円部分は、それぞれ、第３の四分円部分と第４の四分円部分との間に位置し、第１の四分円部分および第２の四分円部分における各流れ案内部材の質量は、第３の四分円部分および第４の四分円部分における各流れ案内部材の質量よりも大きい。第１の四分円部分および第２の四分円部分のそれぞれにおける流れ案内部材の数が、第３の四分円部分および第４の四分円部分のそれぞれにおける流れ案内部材の数よりも少なくなるように、流れ案内部材が配置されている。
【００１０】
本願では、ターボ機械という用語は、交互に配置された回転するブレードの列および固定されたベーンつまりステータの列によって作動流体のエネルギを変換することにより動作する装置（例えば、ガスタービンエンジンや蒸気タービン）を意味する。
【００１１】
本発明の流体案内部材列の他の細部およびこれに伴う目的および利点は、以下の詳細な説明および付随の図面に記載されている。付随の図面において、同一の参照符号は、同一の部材を示す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここで図を参照すると、図１に、本発明の流体案内部材の列１０（例えばロータアッセンブリ）が示されている。流体案内部材の列１０は、ガスタービンエンジンや蒸気タービンといったターボ機械に利用可能なものである。上述したように、流体案内部材の列１０は、非同調型（mistuned）の構造を有し、これによって、ターボ機械のステータベーンの振動が抑制されているとともに、流体案内部材の列１０（例えばロータアッセンブリ）において同調吸収現象（tuned absorbed phenomenon）が発生し難くなっている。
【００１３】
本発明の非同調型の流体案内部材の列１０は、複数の流れ案内部材つまりロータブレード２４，２６が一列に並べられたものを備えている。流れ案内部材２４，２６は、ディスク１４の周りに延びて４つの四分円部分１６，１８，２０，２２からなる円形パターンを構成している。当該技術分野で周知のいかなる適した手段によっても、流れ案内部材２４，２６をディスク１４に取り付けることができる。
【００１４】
本発明の非同調型の流体案内部材の列１０においては、２つのタイプの、流れ案内部材を含む四分円部分が交互に配置されている。流れ案内部材つまりブレード２４，２６の数および各流れ案内部材２４，２６の質量は、これらの２つのタイプの四分円部分間で異なる。好ましくは、四分円部分１６，２０を第１のタイプの四分円部分とし、四分円部分１８，２２を、第２のタイプの四分円部分とする。
【００１５】
第１のタイプの四分円部分は、質量の大きい流れ案内部材つまりブレード２４をＮ個備えており、第２のタイプの四分円部分は、質量の小さい流れ案内部材つまりブレード２６をＮ＋１個備えている。Ｎは整数である。図１には、例として、Ｎ＝９である列が示されている。流れ案内部材つまりブレードの数を隣接する四分円部分と異ならせることによりターボ機械内部のステータベーンの振動を抑制できることは、既にわかっている。
【００１６】
第１のタイプの四分円部分における流れ案内部材つまりブレード２４の質量は、第２のタイプの四分円部分における流れ案内部材つまりブレード２６の質量よりも大きい。本発明の好適な実施例では、各流れ案内部材２４の質量と各流れ案内部材２６の質量との比率は、ほぼ（Ｎ＋１）：Ｎである。互いに隣接する四分円部分の間で流れ案内部材の質量が異なることによって、２つの利点が得られる。第１の利点は、四分円部分間で流れ案内部材の振動数が異なるものとなり、これによって、四分円部分間での振動の構造的結合が抑制されることによって、同調吸収現象が回避されることである。第２の利点は、第１のタイプの四分円部分における流れ案内部材２４の数が第２のタイプの四分円部分よりも少ないことを、流体案内部材２４の質量を流れ案内部材２６よりも大きくすることにより相殺することができ、これによって、遠心力によりディスク１４に加わる引張力を均等化できることである。
【００１７】
図２を参照すると、商業用の航空機のガスタービンエンジンのタービンモジュールが示されている。このタービンモジュールは、複数のロータアッセンブリつまりロータ段４０を備えており、これらのうちの１つもしくは複数のロータ段４０に、本発明の流体案内部材の列１０を備えることができる。タービンモジュールは、さらに、円周方向に分散されたステータベーン３２の段を１つもしくは複数備えており、これらは、流れ案内部材２４，２６から軸方向に離間されている。
【００１８】
本発明による、振動を抑制するために非同調型とされた四分円ロータが、上述した目的、手段および利点を完全に満たすことは明らかである。本発明は、その特定の実施例に関して記載されたが、これ以外の変更を加えることが可能なことは、以上の記載を読んだ当業者であれば理解できるだろう。従って、本発明は、付随の請求項の範囲内に包括される変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の流体案内部材の列を示す図。
【図２】本発明の流体案内部材の列を備えた商業用航空機のガスタービンエンジンのタービンモジュールの断面図。
【符号の説明】
１０…流体案内部材の列
１４…ディスク
１６，１８，２０，２２…四分円部分
２４，２６…流れ案内部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械内部のステータベーンの振動を抑制し、かつ流れ案内部材アッセンブリにおいて同調吸収現象が発生し難くするための、構造的に非同調型とされた、ターボ機械用の流体案内部材の列（例えばロータブレード列）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ機械内部で交互に配置されたブレード列およびベーン列において整列したブレードおよびベーンは、相対的に回転する他のブレード列との空気力学的作用に起因して、破壊的に振動する。さらに、ある列におけるロータブレードは、隣接した列もしくは近傍の列のステータベーンにより変動する流れの影響を受けて振動する。さらに、このロータブレードにより変動する流れが回転することによって、隣接した列もしくは近傍の列におけるステータベーンが振動する。
【０００３】
２つの１８０°の部分の間でステータベーンの数を異ならせる（例えば、上方部分のステータベーンの数を４０個とし、下方部分のステータベーンの数を４２個とする）ことによって、隣接するロータブレードの振動を抑制することができる。このことは、２つの部分でステータベーンの円周方向間隔が異なることに起因して、各ロータの回転中にロータブレードが２つの異なる振動数で振動するためである。同様に、ロータブレードの数を異ならせることによって、ステータの振動を抑制することができる。
【０００４】
振動するロータブレードには、「同調吸収（tuned absorbed）」もしくは「モードの局在化（mode localization）」として周知の有害な現象が発生し易い。このような現象によって、ロータアッセンブリ全体の振動エネルギがロータにおける幾つかのブレードつまり流れ案内部材に集中し、これによって、これらのブレードつまり流れ案内部材の振動が激しくなり、早期故障が起こる。このような現象に寄与する要因の１つは、同じ固有振動数を有する複数のブレードがロータディスクを介して構造的に結合されていることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ターボ機械用の改善された流体案内部材の列を提供することである。
【０００６】
本発明の更なる目的は、ターボ機械のステータベーンの振動を抑制することが可能な、上述したような改善された流れ案内部材を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、ロータにおける同調吸収現象（tuned absorbed phenomenon）の発生を防止することが可能な、上述したような改善された流れ案内部材を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的は、本発明の流れ案内部材によって達成することができる。
【０００９】
本発明によって、ターボ機械用の、ブレード列として周知の流体案内部材の列を提供する。流体案内部材の列は、主に、ディスクに取り付けられているとともにこのディスクの周りに延びて４つの四分円部分からなる円形パターンをなす複数の流れ案内部材から構成される。好ましくは、第１の四分円部分および第２の四分円部分は、それぞれ、第３の四分円部分と第４の四分円部分との間に位置し、第１の四分円部分および第２の四分円部分における各流れ案内部材の質量は、第３の四分円部分および第４の四分円部分における各流れ案内部材の質量よりも大きい。第１の四分円部分および第２の四分円部分のそれぞれにおける流れ案内部材の数が、第３の四分円部分および第４の四分円部分のそれぞれにおける流れ案内部材の数よりも少なくなるように、流れ案内部材が配置されている。
【００１０】
本願では、ターボ機械という用語は、交互に配置された回転するブレードの列および固定されたベーンつまりステータの列によって作動流体のエネルギを変換することにより動作する装置（例えば、ガスタービンエンジンや蒸気タービン）を意味する。
【００１１】
本発明の流体案内部材列の他の細部およびこれに伴う目的および利点は、以下の詳細な説明および付随の図面に記載されている。付随の図面において、同一の参照符号は、同一の部材を示す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここで図を参照すると、図１に、本発明の流体案内部材の列１０（例えばロータアッセンブリ）が示されている。流体案内部材の列１０は、ガスタービンエンジンや蒸気タービンといったターボ機械に利用可能なものである。上述したように、流体案内部材の列１０は、非同調型（mistuned）の構造を有し、これによって、ターボ機械のステータベーンの振動が抑制されているとともに、流体案内部材の列１０（例えばロータアッセンブリ）において同調吸収現象（tuned absorbed phenomenon）が発生し難くなっている。
【００１３】
本発明の非同調型の流体案内部材の列１０は、複数の流れ案内部材つまりロータブレード２４，２６が一列に並べられたものを備えている。流れ案内部材２４，２６は、ディスク１４の周りに延びて４つの四分円部分１６，１８，２０，２２からなる円形パターンを構成している。当該技術分野で周知のいかなる適した手段によっても、流れ案内部材２４，２６をディスク１４に取り付けることができる。
【００１４】
本発明の非同調型の流体案内部材の列１０においては、２つのタイプの、流れ案内部材を含む四分円部分が交互に配置されている。流れ案内部材つまりブレード２４，２６の数および各流れ案内部材２４，２６の質量は、これらの２つのタイプの四分円部分間で異なる。好ましくは、四分円部分１６，２０を第１のタイプの四分円部分とし、四分円部分１８，２２を、第２のタイプの四分円部分とする。
【００１５】
第１のタイプの四分円部分は、質量の大きい流れ案内部材つまりブレード２４をＮ個備えており、第２のタイプの四分円部分は、質量の小さい流れ案内部材つまりブレード２６をＮ＋１個備えている。Ｎは整数である。図１には、例として、Ｎ＝９である列が示されている。流れ案内部材つまりブレードの数を隣接する四分円部分と異ならせることによりターボ機械内部のステータベーンの振動を抑制できることは、既にわかっている。
【００１６】
第１のタイプの四分円部分における流れ案内部材つまりブレード２４の質量は、第２のタイプの四分円部分における流れ案内部材つまりブレード２６の質量よりも大きい。本発明の好適な実施例では、各流れ案内部材２４の質量と各流れ案内部材２６の質量との比率は、ほぼ（Ｎ＋１）：Ｎである。互いに隣接する四分円部分の間で流れ案内部材の質量が異なることによって、２つの利点が得られる。第１の利点は、四分円部分間で流れ案内部材の振動数が異なるものとなり、これによって、四分円部分間での振動の構造的結合が抑制されることによって、同調吸収現象が回避されることである。第２の利点は、第１のタイプの四分円部分における流れ案内部材２４の数が第２のタイプの四分円部分よりも少ないことを、流体案内部材２４の質量を流れ案内部材２６よりも大きくすることにより相殺することができ、これによって、遠心力によりディスク１４に加わる引張力を均等化できることである。
【００１７】
図２を参照すると、商業用の航空機のガスタービンエンジンのタービンモジュールが示されている。このタービンモジュールは、複数のロータアッセンブリつまりロータ段４０を備えており、これらのうちの１つもしくは複数のロータ段４０に、本発明の流体案内部材の列１０を備えることができる。タービンモジュールは、さらに、円周方向に分散されたステータベーン３２の段を１つもしくは複数備えており、これらは、流れ案内部材２４，２６から軸方向に離間されている。
【００１８】
本発明による、振動を抑制するために非同調型とされた四分円ロータが、上述した目的、手段および利点を完全に満たすことは明らかである。本発明は、その特定の実施例に関して記載されたが、これ以外の変更を加えることが可能なことは、以上の記載を読んだ当業者であれば理解できるだろう。従って、本発明は、付随の請求項の範囲内に包括される変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の流体案内部材の列を示す図。
【図２】本発明の流体案内部材の列を備えた商業用航空機のガスタービンエンジンのタービンモジュールの断面図。
【符号の説明】
１０…流体案内部材の列
１４…ディスク
１６，１８，２０，２２…四分円部分
２４，２６…流れ案内部材
Claims (7)
- ターボ機械用の流体案内部材の列であって、
ディスクと、前記ディスクに取り付けられているとともに前記ディスクから延びている複数の流れ案内部材と、を備えており、
前記の複数の流れ案内部材は、４つの四分円部分を有する円形パターンをなすように配置されており、さらに、第１の四分円部分が、第３の四分円部分と第４の四分円部分との間に配置されており、第２の四分円部分もまた、第３の四分円部分と第４の四分円部分との間に配置されており、
前記第１の四分円部分および前記第２の四分円部分における各流れ案内部材の質量が、前記第３の四分円部分および前記第４の四分円部分における各流れ案内部材の質量よりも大きいことを特徴とする流体案内部材の列。 - 前記の第１の四分円部分および前記の第２の四分円部分にそれぞれ含まれる前記流れ案内部材の数が、前記の第３の四分円部分および前記の第４の四分円部分にそれぞれ含まれる前記流れ案内部材の数とは異なることを特徴とする請求項１記載の流体案内部材の列。
- 前記の第１の四分円部分および前記の第２の四分円部分にそれぞれＮ個（但し、Ｎは整数）の前記流れ案内部材が含まれており、前記の第３の四分円部分および前記の第４の四分円部分にそれぞれ（Ｎ＋１）個の前記流れ案内部材が含まれることを特徴とする請求項２記載の流体案内部材の列。
- 前記の第１の四分円部分および前記の第２の四分円部分における各流れ案内部材の質量と、前記の第３の四分円部分および前記の第４の四分円部分における各流れ案内部材の質量と、の比率は、ほぼ（Ｎ＋１）：Ｎであることを特徴とする請求項３記載の流体案内部材の列。
- 前記流れ案内部材が、一列に並べられた複数のロータブレードであることを特徴とする請求項１記載の流体案内部材の列。
- ターボ機械用の流体案内部材の列であって、
４つの四分円部分からなる円形パターンをなすように配置された複数の流れ案内部材を備えており、
１つの前記四分円部分における各流れ案内部材の質量が、２つの隣接する前記四分円部分における各流れ案内部材の質量とは異なり、これによって、前記の流体案内部材の列に同調吸収現象が発生し難くなっていることを特徴とする流体案内部材の列。 - ターボ機械用の流体案内部材の列であって、
ディスクに取り付けられた複数の流れ案内部材を備えており、
前記流れ案内部材が、４つの四分円部分を有する円形パターンをなすように配置されており、
２つの対向する前記四分円部分における前記流れ案内部材の数が、残りの前記四分円部分における前記流れ案内部材の数よりも少なく、かつ、前記の２つの対向する前記四分円部分における各流れ案内部材の質量が、前記の残りの前記四分円部分における各流れ案内部材の質量よりも大きくされており、これによって、遠心力により前記ディスクに加わる引張力が均等化されていることを特徴とする流体案内部材の列。
Applications Claiming Priority (2)
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