JP4035130B2 - 振動減衰デバイスを備えた冷却式ローターブレード - Google Patents

Description

本発明は概してローターブレードに適用され、特にローターブレード内の振動を減衰しかつローターブレードを冷却するための装置に適用される。

軸流タービンエンジンのタービンおよびコンプレッサーセクションは、概して、回転ディスクと、このディスクの周りに周方向に配置された複数のローターブレードとを具備するローターアセンブリを含む。ローターブレードのそれぞれは、根部と、翼形部(airfoil)と、根部と翼形部との間の変転領域に配置されるプラットフォームとを含む。ブレードの根部は、ディスクの相補的形状の凹部に収容される。ブレードのプラットフォームは横方向外側に延在し、全体としてローターステージを通過する流体用の流路を形成する。各ブレードの前方の縁部は概して前縁と呼ばれ、後方の縁部は後縁と呼ばれる。前方は、エンジンを通過するガス流において後方から上流に向かう側として定義される。

運転中、ブレードには多くの異なる強制的作用によって振動が発生する。たとえば、ガス温度、圧力、および／または密度における振動は、ローターアセンブリの全体にわたって、特にブレード翼形部に振動を引き起こす可能性がある。上流側タービンおよび／またはコンプレッサーセクションを周期的にあるいは「脈動」的に出るガスもまた、好ましくない振動を引き起こす。チェックされずに放置されると、振動はブレードを早期に疲弊させ、そしてその結果、ブレードのライフサイクルを低下させる可能性がある。

ダンパーとブレードとの間の摩擦は、ブレードの振動的動作を減衰させる手段として利用可能であることが知られている。

上記の望ましい摩擦減衰を生み出すためのある公知の手法は、タービンブレード内に細長いダンパー（ときにスティックダンパーと呼ばれる）を挿入するというものである。運転中、このダンパーは、振動エネルギーを消散させるためタービンブレードの内部接触面に接した状態で装填される。スティックダンパーに付随する問題の一つは、それらが、タービンブレード内で冷却空気流障害物をなすということである。当業者であれば、タービンブレード内での適切な冷却空気分配の重要性を認めるであろう。スティックダンパーによって引き起こされる障害を軽減するため、いくつかのスティックダンパーは、それらの接触面に配置された幅方向に（すなわち実質的に軸方向に）延在する流路を備え、ダンパーとブレードの接触面との間を冷却空気が流動するのを可能にしている。この流動はダンパーによって引き起こされる障害を確かに軽減するが、それらは単に別個のポジションで局限された冷却を可能にするに過ぎない。流路間の接触領域は冷却されないままとなり、それゆえ熱劣化に耐える能力が減殺されてしまう。機械加工に伴う、あるいはさもなければスティックダンパーに流路を形成することに伴う他の問題は、流路が望ましくない応力集中を招き、これがスティックダンパーの低いサイクル疲弊耐性を低下させるということである。

手短に言えば、必要なのは、ブレードの振動を効果的に減衰させ、しかもそれ自身およびブレード内の周囲領域の効果的な冷却を可能にする振動減衰デバイスを持つローターブレードである。

それゆえ本発明の目的は、ブレードの振動を効果的に減衰させるための手段を備えるローターアセンブリ用のローターブレードを提供することである。

本発明によれば、根部と、翼形部と、プラットフォームと、ダンパーとを含む、ローターアセンブリ用のローターブレードが提供される。翼形部は、第１の側壁と第２の側壁との間に配された少なくとも一つの空隙を有する。プラットフォームは根部と翼形部との間に配される。プラットフォームは、内面と、外面と、内面に設けられたダンパー開口とを有する。ダンパーは本体およびベースを有する。ベースおよびダンパー開口は、係合形状(mating geometries)からの実質的障害(substantial impediment)を伴わず、ベースがダンパー開口内で回転することを可能にする係合形状を有する。

本発明の一態様によれば、ダンパーはさらに、ベースから延出する保持突出部(retention tang)を具備する。

本発明の利点は、ベースがプラットフォームにあるいはその下方に配されたダンパー開口内で位置固定された場合に生じがちである、ダンパーベース領域での望ましくない応力の増大を伴わずに遠心力荷重および圧力差荷重に適応するために、運転中、ダンパーが動けることである。

本発明の他の利点は、保持突出部がブレードへのダンパーの取り付けおよびブレードからのダンパーの取り外しを容易にすることである。いくつかの従来技術の施工では、ダンパーはろう付けまたは溶接によってローターブレードに固定されていた。ダンパーの耐用寿命がローターブレードのそれよりも短い場合、ダンパーを取り外すため、ろう付けまたは溶接材を除去することが必要であった。本発明の突出部は、ダンパーをローターブレードに固定する必要性を排除する。

本発明の上記および他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に図示されるその最良の実施形態の詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１ないし図４を参照すると、ディスク１０および複数のローターブレード１２を有する、ガスタービンエンジン用のローターブレードアセンブリ９が提供される。ディスク１０は、その周りに周方向に配置された複数の凹部１４と、それを中心としてディスク１０が回転可能な回転中心線１６とを含む。各ブレード１２は、根部１８と、翼形部２０と、プラットフォーム２２と、ダンパー２４（図２参照）とを含む。各ブレード１２はまた、このブレード１２を通る放射状中心線２６を含み、これはディスク１０の回転中心線１６に対して直交している。根部１８は、ディスク１０の凹部１４の一つの形状(geometry)と係合する形状を有する。モミの木形状は一般に公知であり、しかもこの実例において使用可能である。図２からわかるように、根部１８はさらに流路２８を備え、これを経て冷却空気は根部１８に入り、それを通過して翼形部２０内に流入できる。図３および図４からわかるように、保持リング３０がディスク１０の後方部分に隣接して配置されている。

図２を参照すると、翼形部２０は、基端３２と、先端３４と、前縁３６と、後縁３８と、圧力側壁４０（図１参照）と、吸引側壁４２（図１参照）と、これらの間に配された空隙４４と、チャネル４６とを具備する。図２は、前縁３６と後縁３８との間で切断した翼形部２０を大雑把に示している。圧力側壁４０と吸引側壁４２とは基端３２と先端３４との間に延在し、かつ前縁３６および後縁３８においてつながる。空隙４４は、チャネル４６の前方に第１の空隙部４８を有しかつチャネル４６の後方に第２の空隙部５０を有するものとして表現できる。翼形部２０が単一の空隙４４を含む実施形態では、チャネル４６は一つの空隙４４の一部分間に配置される。翼形部２０が二つ以上の空隙４４を含む実施形態では、チャネル４６は隣り合う空隙４４間に配置されてもよい。ここでの説明を簡単にするため、チャネル４６はここでは第１の空隙部４８と第２の空隙部５０との間に配置されているものとして説明する。だが、別に言及しない限りは、複数空隙および単一空隙の翼形部２０を含むことを意図している。図２に示す実施形態では、第２の空隙部５０は後縁３８に近接しており、第１の空隙部４８および第２の空隙部５０は両方とも、翼形部２０の壁間に延在する複数の柱脚５２を含む。代替的実施形態では、空隙部４８，５０の一方のみが柱脚５２を含むか、そのいずれも柱脚５２を含まない。しかもチャネル４６はそこに配置された冷却開口を備えたリブによって前方および後方に向かって形成される。複数のポート５４が第２の空隙部５０の後方縁部に沿って配置され、後縁３８に沿って冷却空気が翼形部２０から出て行くための流路を提供する。ダンパー２４を収容するチャネル４６は後縁に近接して配置されているものとしてここでは説明している。チャネル４６およびダンパー２４は後縁３８に近接したポジションには限定されず、翼形部内の他の場所、たとえば前縁３６に近接して配置されてもよい。

第１および第２の空隙部４８，５０間のチャネル４６は、基端３２と先端３４との間で長手方向に、実質的には基端３２と先端３４との間の距離全体にわたって延在する第１の壁部と第２の壁部とによって横方向に形成される。チャネル４６は、複数の柱脚５２またはリブ、またはその組み合わせによって前方および後方に向かって形成される。壁部の一方あるいは両方は、壁からチャネル４６内へと延出する複数の隆起部（図示せず）を含む。隆起部がとり得る形状の例としては、球形、円柱形、円錐形、あるいはその切頭バージョン、その混成形が含まれるが、それらに限定されるものではない。２００３年１２月１９日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願シリアルナンバー００／０００，０００（シリアルナンバーはまだ不明）（整理番号３３０９Ｐ−１５１）は、チャネル内での隆起部の使用を開示している。この引用によって、この米国特許出願明細書は本明細書に組み込まれる。

プラットフォーム２２は、外部面５６、内部面５８、および内部面５８に配されたダンパー開口６０を含む。外部面５６は、ローターブレードアセンブリ９を通過するコアガス流路の一部を形成し、かつ内部面５８は外部面５６と向き合うよう配置されている。ダンパー開口６０は翼形部２０内に配されたチャネル４６とつながり、これによってチャネル４６がダンパー２４の本体６２を収容することを可能にする。ダンパー開口６０は、以下で説明するように、係合形状からの障害を伴わず、ベースがダンパー開口６０内で動くことを可能にするようダンパー２４の一部と係合する形状を有する。

図５Ａないし図８を参照すると、ダンパー２４は、本体６２、ベース６４、および長手方向に延在する中心線６６（図２参照）を含む。本体は、長さ６８と、前方面７０と、後方面７２と、第１の支持面７４と、第２の支持面７６と、ベース端部７８と、先端部８０とを含む。ダンパー６２は、直線形のあるいはアーチ形の長手方向に延在する中心線６６（図２参照）を有していてもよく、しかもローターブレード１２内に取り付けられた際、本体６２の一部または全部がブレード１２の放射状中心線２６に対して傾斜するような角度で配置されてもよい。本体６２の一部または全部がブレード１２の放射状中心線２６に対して傾斜する角度は、以後、ブレード１２内でのダンパー本体６２の傾斜角度と言う。ダンパー本体６２はチャネル４６の断面形状と係合するような断面となっている。すなわちダンパー本体６２の全体断面形状はチャネル４６の断面形状と係合する。チャネル４６が隆起部を含むこれらの例では、隆起部がチャネル４６の断面プロファイルを規定してもよい。

上記のように、ダンパーベース６４の一部８２は、ダンパー開口６０の形状と係合する形状を有する。この部分８２は支持面部と呼ぶことができる。この係合形状は、それから実質的障害を伴わず、ベース６４が開口６０内で動くことを可能にする。係合形状からの障害を伴わずという文言は、ここでは、係合形状が開口６０内でのベース６４の動きを実質的に妨げないことを意味するものと定義される。ベース６４の支持面部８２と開口６０との間の摩擦は、ここでは、開口６０内でのベース６４の動きに対する実質的障害になるものとは考えない。開口６０内でベース６４が動くことを可能にする係合形状の例は、円柱形ダンパー開口６０内に収容されたベース６４の円柱形支持面部８２である。図３および図４には、平坦プレート部８４および円柱形支持面部８２を持つベース６４の一例が示されており、後者はプラットフォーム２２内に設けられた円柱形開口６０内に収容される。だが、この係合形状は、ダンパーベース６４とダンパー開口６０との間の３６０°の回転を必ずしも可能とはしない。ダンパー本体６２がチャネル４６内で回転可能ではない上記用途では、たとえば、ダンパーベース６４はダンパー開口６０内で３６０°回転可能とはならない。この例では、ダンパー２４の３６０°回転を阻止するのはベース６４と開口６０との係合形状でではない。ダンパー２４の３６０°回転を阻止するのはむしろ、ダンパー本体６２およびチャネル４６の形状である。そうした場合、ローターアセンブリの通常動作の途中で出会う量だけベース６４は開口６０内で回転自在である。ダンパー２４の平坦プレート部８４は、プラットフォームの内部面５８に対するシール面を提供する。平坦プレート部８４と内部面５８との間のシールは、チャネル４６からの冷却空気の漏れを最小化するのを助ける。

好ましい実施形態では、上記係合形状は、それからの実質的障害を伴わず、少なくとも３自由度で（たとえば、軸方向、周方向および回転方向）、開口６０内でベース６４が動くことを可能にする。軸方向の動きは図５Ａに矢印９２で示され、これは用紙平面内での動きと一致する。周方向の動きは図５Ａに矢印９４で示され、これは用紙平面に出入りする動きと一致する。回転方向の動きは図５Ａに矢印９６で示され、これは用紙平面内の軸線周りの動きと一致する。軸方向、周方向、および回転方向という用語は、相対的な動きを説明するのに用いている。軸方向および周方向という用語は、ガスタービン内において一般に意味付けられる軸方向および周方向と実質的に揃うように選ばれる。実質的障害を伴わずに少なくとも３自由度で、ベース６４が開口６０内で動くことを可能にする、係合するベース６４および開口６０の形状の例には、球形状（図５Ａ参照）、トロイダル形状、または円錐形状（図５Ｂ参照）を有する開口６０と、球形状または円錐形状を有するベース６４とが含まれる。しかしながら、このダンパー開口およびダンパーベースの形状は上記実例には限定されない。ダンパーベース６４と開口６０との係合形状は、チャネル４６からの冷却空気の漏れを最小化するのを助けるシール面を提供するために組み合わされる。

ある実施形態では、ダンパー２４はさらにベースから延出する突出部８６を備える。ある実施形態では、突出部８６は、ローターアセンブリの一部であるか、またはそれに隣接する他の要素、たとえばローターアセンブリに隣接して配置された保持リング３０と係合するような形状となる。図３および図４に示す保持リング３０は、ディスク１０の後部に隣接して配置された状態で示されている。保持リング３０またはローターアセンブリの一部またはそれに隣接する他の要素は、ディスクの前方に配置することもできる。この結果、上記実施形態では、突出部８６はダンパー２４の、ローターブレード１２との係合を維持するよう作用する。

突出部８６が他の要素と係合するのを可能にする形状に加えて、あるいはそれと無関係に、突出部８６はさらに第１の断面プロファイル８８および第２の断面プロファイル９０を有する。第１および第２の断面プロファイル８８，９０は、ある実施形態では、風損を低減し、かつ／またはダンパー２４を位置決めするための空力的荷重を提供するため、実質的に互いに直交し、かつサイズは異なる。たとえば、図８に示す突出部８６は、実質的に直交する第２の断面プロファイル９０よりも断面積がより大きな第１の断面プロファイル８８を持つ。ローターアセンブリに隣接するエンジン区域内で突出部８６の風損を低減することが望ましい場合、突出部８６はエンジン区域内で、第１の断面プロファイル８８がエンジン区域内の空気流の方向に対して平行であるよう配置され、かつ（実質的に空気流に対して直交するよう配置された）第２の断面プロファイル９０の面積は最小限に維持されることになる。特定の位置決め特性を形成するようダンパー２４を装填するのが望ましい場合、第２の断面プロファイル９０の面積を増大させることができる。さらに、ダンパー２４を回転モーメントの影響下に置くことが望ましい場合、突出部８６が配されるエンジン区域内の空気流の方向に対して第１および第２の断面プロファイル８８，９０を傾斜させることもできる。

図１ないし図８を参照すると、定常状態運転条件下では、ガスタービンエンジンのローターブレードアセンブリ９は、このエンジンを通過するコアガス流によって回転する。ローターアセンブリ９の回転速度が増大するとき、そこに配置されたローターブレード１２およびダンパー２４はますます大きな遠心力を受ける。最初に、ダンパー２４に作用する遠心力はダンパー２４の重量に打ち勝ち、そしてダンパー２４を、プラットフォーム２２の内部半径方向面に設けられたダンパー開口６０に当接させる。回転速度が増大するとき、ダンパー２４に作用する遠心力の成分は、チャネル４６の壁部の方向に働く。すなわち、遠心力成分はチャネル４６の壁部の方向にダンパー２４に対する垂直力として働く。チャネル路がブレード１２の放射状中心線に対して傾斜している場合、ダンパー２４のベース６４は、ダンパー開口６０内で回転および／または旋回可能である。さらに、ダンパー２４が突出部８６を含む場合、この突出部８６に作用する空気は、ダンパー２４のベース６４をダンパー開口６０内で回転および／または旋回させることができる。

本発明をその詳細な実施形態に関して図示しかつ説明した。しかしながら、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その外形および細部にさまざまな変更を施すことが可能であることを理解するであろう。

ローターアセンブリの一部斜視図である。 ローターブレードの概略断面図である。 ローターアセンブリの一部概略図であり、ローターブレードに取り付けられたダンパーの一実施形態を図示する。 図３に示す図の一部断面図である。 ローターアセンブリの部分的に破断した状態での一部概略図であり、ローターブレードに取り付けられたダンパーの一実施形態を図示する。 ローターアセンブリの部分的に破断した状態での一部概略図であり、ローターブレードに取り付けられたダンパーの一実施形態を図示する。 ダンパーの一実施形態の斜視図である。 ダンパーの一実施形態の斜視図である。 ダンパーの一実施形態の一部斜視図である。

符号の説明

９ ローターブレードアセンブリ
１０ ディスク
１２ ローターブレード
１４ 凹部
１６ 回転中心線
１８ 根部
２０ 翼形部
２２ プラットフォーム
２４ ダンパー
２６ 放射状中心線
２８ 流路
３０ 保持リング
３２ 基端
３４ 先端
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 圧力側壁
４２ 吸引側壁
４４ 空隙
４６ チャネル
４８ 第１の空隙部
５０ 第２の空隙部
５２ 柱脚
５４ ポート
５６ 外部面
５８ 内部面
６０ ダンパー開口
６２ ダンパー本体
６４ ダンパーベース
６６ 中心線
６８ 長さ
７０ 前方面
７２ 後方面
７４ 第１の支持面
７６ 第２の支持面
７８ ベース端部
８０ 先端部
８２ ダンパーベースの一部（円柱形支持面部）
８４ 平坦プレート部
８６ 突出部
８８ 第１の断面プロファイル
９０ 第２の断面プロファイル

Claims (28)

1. ローターアセンブリ用のローターブレードであって、
   根部と、
   少なくとも一つの空隙を有する翼形部と、
   前記根部と前記翼形部との間に配されたプラットフォームであって、内面と、外面と、前記内面に設けられたダンパー開口とを有するプラットフォームと、
   本体およびベースを有するダンパーと、を具備し、
   前記ベースおよび前記ダンパー開口は、係合形状からの実質的障害を伴わず、前記ベースが前記開口内で動くことを可能にする前記係合形状を有することを特徴とするローターブレード。
2. 前記係合形状は、この係合形状からの実質的障害を伴わず、前記ベースが前記開口内で回転できるようなものであることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
3. 前記係合形状は、この係合形状からの実質的障害を伴わず、前記ベースが前記開口内で軸方向に移動できるようなものであることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
4. 前記係合形状は、この係合形状からの実質的障害を伴わず、前記ベースが前記開口内で円周方向に移動できるようなものであることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
5. 前記係合形状は、ローターブレード稼働中に、前記ベースと前記ダンパー開口との間で３自由度の動きを可能にすることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
6. 前記ベースの支持部は球形状であることを特徴とする請求項５に記載のローターブレード。
7. 前記ベースの支持部は円錐形状であることを特徴とする請求項５に記載のローターブレード。
8. 前記ダンパー開口はトロイダル形状であることを特徴とする請求項５に記載のローターブレード。
9. 前記ダンパーはさらに、前記ベースから該ローターブレードの半径方向内周側へ延びた突出部を具備することを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
10. 前記突出部は、前記ダンパーと前記ローターブレードとの係合を維持するように保持手段と係合することを特徴とする請求項９に記載のローターブレード。
11. 前記突出部は第１の断面プロファイルと第２の断面プロファイルとを有すると共に、前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとは実質的に互いに直交するよう配置されることを特徴とする請求項９に記載のローターブレード。
12. 前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとはサイズが異なることを特徴とする請求項１１に記載のローターブレード。
13. 前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとは、運転中、前記突出部を通過する空気流方向に対して傾斜するよう方向付けられていることを特徴とする請求項１１に記載のローターブレード。
14. ディスクと、
    前記ディスクに選択的に取り付け可能な複数のローターブレードと、を具備してなるローターアセンブリであって、
    前記ローターブレードのそれぞれは、
    根部と、
    少なくとも一つの空隙を有する翼形部と、
    前記根部と前記翼形部との間に配されたプラットフォームであって、内面と、外面と、前記内面に設けられたダンパー開口とを有するプラットフォームと、
    本体およびベースを有するダンパーと、を具備し、
    前記ベースおよび前記ダンパー開口は、係合形状からの実質的障害を伴わず、前記ベースが前記開口内で回転することを可能にする前記係合形状を有することを特徴とするローターアセンブリ。
15. 前記係合形状は、前記ローターブレード稼働中に、前記ベースと前記ダンパー開口との間で３自由度の動きを可能にすることを特徴とする請求項１４に記載のローターアセンブリ。
16. 各ダンパーはさらに、前記ベースからローターブレードの半径方向内周側へ延びた突出部を具備することを特徴とする請求項１４に記載のローターアセンブリ。
17. 各ダンパーの前記突出部に近接して位置する保持リングが、前記ディスクの後部もしくは前部に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のローターアセンブリ。
18. 前記突出部は、前記ダンパーと前記ローターブレードとの係合を維持するように保持手段と係合することを特徴とする請求項１６に記載のローターブレード。
19. 各突出部は第１の断面プロファイルと第２の断面プロファイルとを有すると共に、前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとは実質的に互いに直交するよう配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のローターアセンブリ。
20. 各ローターブレードの前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとはサイズが異なることを特徴とする請求項１６に記載のローターアセンブリ。
21. 前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとは、運転中、前記突出部を通過する空気流方向に対して傾斜するよう方向付けられていることを特徴とする請求項２０に記載のローターアセンブリ。
22. ローターブレード内で使用するためのダンパーであって、
    前記ローターブレード内での前記ダンパーの動きを許容する形状となった支持面部を有するベースと、
    前記ローターブレードのプラットフォームから半径方向外周側に向かう方向に沿って、前記ベースから延び、かつ該ローターブレード内に挿入される本体と、
    を具備してなることを特徴とするダンパー。
23. 前記支持面部は少なくとも部分的に球面状に形成されていることを特徴とする請求項２２に記載のダンパー。
24. 前記支持面部は少なくとも部分的に円錐状に形成されていることを特徴とする請求項２２に記載のダンパー。
25. 前記ベースからローターブレードの半径方向内周側へ延びる突出部をさらに具備することを特徴とする請求項２２に記載のダンパー。
26. 前記突出部は、前記ダンパーと前記ローターブレードとの係合を維持するように保持手段と係合することを特徴とする請求項２４に記載のダンパー。
27. 前記突出部は第１の断面プロファイルと第２の断面プロファイルとを有すると共に、前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとは実質的に互いに直交するよう配置されていることを特徴とする請求項２５に記載のダンパー。
28. 前記第１の断面プロファイルと前記第２の断面プロファイルとはサイズが異なることを特徴とする請求項２７に記載のダンパー。

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