JP4771672B2 - 圧縮機翼形部に生じる振動を低減するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンのロータブレードに関し、より具体的にはロータブレードに生じる振動を低減するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンのロータブレードは、一般的に前縁及び後縁と正圧側面と負圧側面とを有する翼形部を含む。正圧及び負圧側面は、翼形部の前縁及び後縁において接合され、翼形部の根元及び先端間で半径方向にスパンにわたって延びる。内側流路は少なくとも一部が翼形部根元によって定められ、外側流路は少なくとも一部が固定ケーシングによって定められる。例えば、少なくとも一部の公知の圧縮機は、ディスク又はスプールから半径方向外向きに延びる複数のロータブレードの列を含む。

公知の圧縮機ロータブレードは、各ブレードの根元領域が該ブレードの先端領域よりも厚くなるようにして、内側流路付近に片持ち支持される。より具体的には、先端領域が根元領域よりも薄いため、また先端領域は一般的には機械的に拘束されていないため、作動時に伴流圧力分布によって先端領域を通してブレード内に翼弦方向の曲がり又は他の振動モードが生じる可能性がある。加えて、エンジン作動時に存在する共振振動数によってもブレード内に振動エネルギーが生じる可能性がある。翼弦方向の曲がり又は他の振動モードが生じた状態で作動を継続すると、ブレードの有効寿命が制限されるおそれがある。

先端の振動モードを低減するのを可能にするために及び／又はエンジン作動時に存在する共振振動数の影響を減少させるために、少なくとも一部の公知のベーンは、より厚い先端領域を持つように製作される。しかしながら、ブレード厚さを増大させることは、空気力学的性能に悪影響を与え、かつ／又はロータ組立体内に付加的な半径方向負荷を生じさせることになる。従って、他の公知のブレードは、その他の公知のブレードに比較して、より短い翼弦長を持つように製作される。しかしながら、ブレードの翼弦長を減少させることもまた、ブレードの空気力学的性能に悪影響を与える。
特開２００２−２７６３０２号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のロータブレードを製作する方法を提供する。本方法は、各々が翼形部根元及び翼形部先端間で半径方向スパンにわたって延びる第１の側壁及び第２の側壁を含み、該第１及び第２の側壁が前縁及び後縁において接合された翼形部を形成する段階と、翼形部の第１の側壁及び翼形部の第２の側壁の少なくとも１つから外向きに延びて該翼形部の第１の側壁及び翼形部第２の側壁の少なくとも１つとの間で半径が延びるようになったウィングレットを形成する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の翼形部を提供する。本翼形部は、前縁と、後縁と、先端と、翼形部の根元及び先端間で半径方向スパンにわたって延びて翼形部の第１の側面を画成する第１の側壁と、前縁及び後縁において第１の側壁に接合されかつ翼形部の根元及び先端間で半径方向スパンにわたって延びて翼形部の第２の側面を画成する第２の側壁とを含む。本翼形部はさらに、第１及び第２の側壁の少なくとも１つから外向きに延びるウィングレットを含み、ウィングレットと第１の側壁及び第２の側壁の少なくとも１つとの間で半径が延びるようになっている。

さらに別の態様では、複数のロータブレードを含むガスタービンエンジンを提供する。各ロータブレードは、前縁と、後縁と、第１の側壁と、第２の側壁と、第１の側壁及び第２の側壁の少なくとも１つから外向きに延びて該第１及び第２の側壁の少なくとも１つとの間で半径が形成されるようになったウィングレットとを有する翼形部を含む。翼形部の第１及び第２の側壁は、軸方向に前縁及び後縁において接合され、第１及び第２の側壁はまた、ブレード根元から翼形部先端まで半径方向に延びている。

図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースター２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を含む。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル．エレクトリック社から入手できるＧＥ９０型である。

作動中、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気は高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）はタービン１８及び２０を駆動し、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに使用することができるロータブレード４０の斜視図である。図３は、ロータブレード４０の反対側から見たロータブレード４０の一部の斜視図である。図４は、線４−４に沿って取ったブレード４０の断面図である。図５は、線５−５に沿って取ったロータブレード４０の断面図である。１つの実施形態では、複数のロータブレード４０は、ガスタービンエンジン１０の高圧圧縮機段（図示せず）を形成する。各ロータブレード４０は、翼形部４２と、翼形部４２を公知の方法でロータディスク（図示せず）に取付けるのに用いる一体形ダブテール４３とを含む。それに代えて、ブレード４０は、複数のブレード４０がブリスク（図示せず）を形成した状態でディスク（図示せず）から半径方向外向きに延びることができる。

各翼形部４２は、第１の輪郭付き側壁４６と第２の輪郭付き側壁４４とを含む。第１の側壁４４は凸面状であって、翼形部４２の負圧側面を画成し、また第２の側壁は凹面状であって、翼形部４２の正圧側壁を画成する。側壁４４と側壁４６とは、翼形部の前縁４８においてかつ軸方向に間隔を置いた後縁５０において結合される。より具体的には、翼形部の後縁５０は、翼形部の前縁４８から翼弦方向かつ下流方向に間隔を置いて配置される。第１及び第２の側壁４４及び４６はそれぞれ、ダブテール４３付近に位置するブレード根元５２から翼形部先端５４まで長手方向方向すなわち半径方向外向きにスパンにわたって延びる。

ウィングレット７０が、第２の側壁４６から外向きに延びる。別の実施形態では、ウィングレット７０は、第１の側壁４４から外向きに延びる。さらに別の実施形態では、第１のウィングレットが第２の側壁４６から外向きに延び、かつ第２のウィングレットが第１の側壁４４から外向きに延びる。従って、ウィングレット７０は側壁４６に整合するような輪郭にされ、そのため、側壁４６を横切って延びる空気流の流線に沿っている。例示的な実施形態では、ウィングレット７０は、側壁４６をほぼ横切って翼弦方向に延びて該ウィングレット７０が前縁付近及び後縁付近で側壁４６とほぼ同一面になるようになっている。別の実施形態では、ウィングレット７０は、側壁４６に対して非翼弦方向に整列される。より具体的には、例示的な実施形態では、ウィングレット７０は、ほぼそれぞれ翼形部の前縁４８及び後縁５０間で翼弦方向に延びる。別の実施形態では、ウィングレットは、それぞれ翼形部の前縁４８又は後縁５０の１つのみまで延びる。さらに別の実施形態では、ウィングレット７０は、それぞれ翼形部の前縁４８及び後縁５０間で側壁４６の一部にのみ沿って延び、それぞれ前縁４８又は後縁５０のいずれまでにも延びていない。

ウィングレット７０は、非矩形の断面プロフィールを有し、ウィングレット７０と側壁４６との間に第１の半径Ｒ_１及び第２の半径Ｒ_２が延びるように側壁４６に対して空気力学的形状にされる。例示的な実施形態では、ウィングレット７０はさらに、第１の半径Ｒ_１と第２の半径Ｒ_２との間で延びるアーチ状の外面９０を含む。より具体的には、第１の半径Ｒ_１は、ウィングレット７０と翼形部先端５４との間に滑らかな移行部を形成するようにウィングレット７０に沿って延び、また第２の半径Ｒ_２は、ウィングレット７０と根元５２との間に滑らかな移行部を形成するようにウィングレット７０に沿って延びる。例示的な実施形態では、第１の半径Ｒ_１は第２の半径Ｒ_２よりも大きい。ウィングレット７０のブレード４０に対する相対位置、寸法及び長さを含む該ウィングレット７０の幾何学的構成は、ブレード４０の作動特性及び性能特性に基づいて変化させることができ、またこれらに基づいて選択される。

ウィングレット７０は、翼形部４２の固有振動数を正常エンジン作動時にガスタービンエンジン内に存在しない振動数にまで高めるように翼形部４２を剛性化することを可能にする。従って、ウィングレット７０を含まない類似の翼形部内に生じる可能性がある振動モードが、ウィングレット７０によって実質的に排除されることを可能にする。より具体的には、ウィングレット７０は、翼弦方向モード振動数を正常エンジン作動速度の範囲外に調整して所望の振動数マージンが得られるようにする技法を得ることを可能にする。加えて、ウィングレット７０はまた、振動数マージンを得ないで、ブレード４０を強化することも可能にする。

さらに、翼形部４２の組立時、ウィングレット７０の断面形状は、他の幾何学的形状に比較して低い製造コストで翼形部４２と一体形にウィングレット７０を形成することを可能にする。具体的には、ウィングレットの第１の半径Ｒ_１、第２の半径Ｒ_２及びアーチ状の外面９０の組合せにより、ウィングレット７０が、半径方向の電解液流を用いる電解加工（ＥＣＭ）法を使用して形成されることが可能になる。より具体的には、ウィングレット７０と翼形部４２との間の各半径Ｒ_１及びＲ_２によって形成された滑らかな移行部により、ＥＣＭ電解液が、キャビテーション又は流れ破壊を生じることなく、ウィングレット７０上を滑らかにかつ連続的に流れることが可能になる。ＥＣＭ法は、ブレード４０が、他の公知のブレード製造方法に比較して、低いコストと短い時間で製造されることを可能にする。

翼形部４２に生じるエネルギーは、励起エネルギーの力と翼形部４２の変位量との内積として計算される。より具体的には、作動時、空気力学的駆動力、すなわち伴流圧力分布は、翼形部先端５４が一般的に機械的に拘束されていないので、通常は先端５４付近で最も高い。しかしながら、ウィングレット７０によって剛性が増し、翼形部４２の局所的厚さが増大するので、翼形部４２の変位量はウィングレットを含まない類似の翼形部に比較して減少する。従って、ウィングレット７０は、翼形部４２の振動数を増大させかつ翼形部４２に生じるエネルギー量を低下させるので、翼形部４２は、伴流圧力分布によるより小さい空気力学的励起とより少ない高調波入力を受けることになる。加えて、ウィングレット７０は先端５４から半径方向距離１０２に位置しているので、リブ７０が固定シュラウドに接触することはない。さらに、第１の半径Ｒ_１が第２の半径Ｒ_２よりも大きいので、第１の半径Ｒ_１はウィングレット７０と翼形部４２との間の応力集中を低減し、従ってブレード４０の強度及び有効寿命を向上させることを可能にする。

図６は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができるロータブレード２００の別の実施形態の断面図である。ロータブレード２００はロータブレード４０（図２〜図５に示す）にほぼ類似しており、ロータブレード４０の構成要素と同一であるロータブレード２００の構成要素は、図６において、図２〜図５で使用したのと同じ参照数字を用いて特定されている。具体的には、１つの実施形態では、ロータブレード２００は、該ロータブレード２００がウィングレット７０に加えて第２のウィングレット２０２を含むことを除いては、ロータブレード４０と同一である。より具体的には、例示的な実施形態では、ウィングレット２０２はリブ７０と同一であるが、側壁４６ではなくて側壁４４にわたって延びている。

ウィングレット２０２は、第１の側壁４４から外向きに延び、側壁４４に整合するような輪郭にされ、そのため、側壁４４を横切って延びる空気流の流線に沿っている。例示的な実施形態では、ウィングレット２０２は、側壁４４をほぼ横切って翼弦方向に延びて該ウィングレット２０２が前縁４８付近及び後縁５０付近で側壁４４とほぼ同一面になるようになっている。別の実施形態では、ウィングレット２０２は、側壁４４に対して非翼弦方向に整列される。より具体的には、例示的な実施形態では、ウィングレット２０２は、ほぼそれぞれ翼形部の前縁４８及び後縁５０間で翼弦方向に延びる。別の実施形態では、ウィングレット２０２は、それぞれ翼形部の前縁４８又は後縁５０の１つのみまで延びる。さらに別の実施形態では、ウィングレット２０２は、それぞれ翼形部の前縁４８及び後縁５０間で側壁４４の一部にのみ沿って延び、それぞれ前縁４８又は後縁５０のいずれまでにも延びていない。

ウィングレット２０２のブレード４０に対する相対位置、寸法及び長さを含む該ウィングレット２０２の幾何学的構成は、ブレード４０の作動特性及び性能特性に基づいて可変的に選択される。１つの実施形態では、ウィングレット２０２は翼形部先端５４から半径方向距離１０２に位置し、従ってウィングレット７０とほぼ半径方向に整列する。別の実施形態では、ウィングレット２０２は、ウィングレット７０に対して半径方向に整列していない。

上記のロータブレードは、費用効果がありかつ高い信頼がある。ロータブレードは、翼形部表面の少なくとも１つから外向きに延びるウィングレットを含む。ウィングレットは、ブレードの翼弦方向モード振動数が正常エンジン作動速度範囲外になるように調整することを可能にする。さらに、ウィングレットの剛性は、各それぞれの翼形部に生じるエネルギー量を低下させるのを可能にする。さらに、ウィングレットは、実質的により小さい先端翼弦を有する翼形部と比較して翼形部の性能を向上させることを可能にする。その結果、費用効果がありかつ信頼性がある方法で、ブレードに空気機械的安定性を与えながら該ブレードの空気力学的性能を維持することを可能にするウィングレットが得られる。

以上、ブレード組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ブレード組立体は本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立しかつ別個に利用することができる。各ロータブレード構成要素は、他のロータブレード構成要素と組合せて使用することもできる。

種々の具体的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概概略図。 図１に示すガスタービンに使用することができるロータブレードの斜視図。 ロータブレードの反対側から見た、図２に示すロータブレードの一部の斜視図。 線４−４に沿って取った、図３に示すロータブレードの断面図。 線５−５に沿って取った、図３に示すロータブレードの断面図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができるロータブレードの別の実施形態の断面図。

符号の説明

４０ ロータブレード
４２ 翼形部
４３ ダブテール
４４ 負圧側壁
４６ 正圧側壁
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ 根元
５４ 先端
７０ ウィングレット

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の翼形部（４２）であって、
   前縁（４８）と、
   後縁（５０）と、
   先端（５４）と、
   前記翼形部の根元（５２）及び先端間で半径方向スパンにわたって延びて前記翼形部の第１の側面を画成する第１の側壁（４４）と、
   前記前縁及び後縁において前記第１の側壁に接合されかつ前記翼形部の根元及び先端間で半径方向スパンにわたって延びて前記翼形部の第２の側面を画成する第２の側壁（４６）と、
   前記第１の側壁及び第２の側壁の少なくとも１つから外向きに延びて該第１及び第２の側壁の少なくとも１つとの間で第１の半径Ｒ１が延びるようになったウィングレット（７０）と、
   を含み、
   前記ウィングレット（７０）は、前記前縁及び後縁から距離をおいて位置し、前記翼形部先端（５４）から半径方向距離（１０２）に位置しており、
   前記第１の半径Ｒ１は、前記ウィングレット（７０）と前記先端（５４）との間に位置し、
   前記ウィングレットと該ウイングレットが形成された前記側壁との間には、前記ウィングレットと前記根元との間に位置する、前記第１の半径Ｒ１より小さい第２の半径Ｒ２がさらに形成されており、
   前記第１の半径Ｒ１と第２の半径Ｒ２との間には、アーチ状の外面（９０）が形成され、これにより、前記ウィングレット（７０）は、滑らかな移行部を持ち且つ非矩形の断面プロフィールを有する
   ことを特徴とする、翼形部（４２）。
2. 前記翼形部の第１の側壁（４４）及び第２の側壁（４６）の少なくとも１つが凹面状であり、残りの側壁が凸面状であり、前記ウィングレット（７０）が、前記翼形部前縁（４８）において前記第１及び第２の側壁の少なくとも１つとほぼ同一面になっている、請求項１記載の翼形部（４２）。
3. 前記翼形部の第１の側壁（４４）及び第２の側壁（４６）の少なくとも１つが凹面状であり、残りの側壁が凸面状であり、前記ウィングレット（７０）が、前記翼形部後縁（５０）において前記第１及び第２の側壁の少なくとも１つとほぼ同一面になっている、請求項１記載の翼形部（４２）。
4. 前記ウィングレット（７０）が、前記翼形部に構造的支持を与えて、該翼形部の捻れ振動或いは翼弦方向振動の固有振動数を作動時にガスタービンエンジン（１０）内に存在しない振動数にまで高めるようにさらに構成されている、請求項１記載の翼形部（４２）。
5. 第１ウィングレット（７０）が前記第１の側壁（４４）から外向きに延び、また第２ウィングレット（２０２）が前記第２の側壁（４６）から外向きに延びている、請求項１記載の翼形部（４２）。
6. 前記ウィングレットが、電解加工法を使用して前記翼形部と一体形に形成されている、請求項１記載の翼形部（４２）。
7. 複数のロータブレード（４０）を含むガスタービン（１０）であって、
   前記ロータブレードの各々が、前縁（４８）と、後縁（５０）と、第１の側壁（４４）と、第２の側壁（４６）と、前記第１の側壁及び第２の側壁の少なくとも１つから外向きに延びて該第１及び第２の側壁の少なくとも１つとの間で第１の半径Ｒ１が形成されるようになったウィングレット（７０）とを備えた翼形部を含み、
   前記翼形部の第１及び第２の側壁が、軸方向に前記前縁及び後縁において接合され、
   前記第１及び第２の側壁が、ブレード根元（５２）から翼形部先端まで半径方向に延びており、
   前記ウィングレット（７０）は、前記前縁及び後縁から距離をおいて位置し、前記翼形部先端（５４）から半径方向距離（１０２）に位置しており、
   前記第１の半径Ｒ１は、前記ウィングレット（７０）と前記先端（５４）との間に位置し、
   前記ウィングレットと該ウイングレットが形成された前記側壁との間には、前記ウィングレットと前記根元との間に位置する、前記第１の半径Ｒ１より小さい第２の半径Ｒ２がさらに形成されており、
   前記第１の半径Ｒ１と第２の半径Ｒ２との間には、アーチ状の外面（９０）が形成され、これにより、前記ウィングレット（７０）は、滑らかな移行部を持ち且つ非矩形の断面プロフィールを有する
   ことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記ロータブレード翼形部の第１の側壁（４４）及び第２の側壁（４６）の少なくとも１つが凹面状であり、前記翼形部の第１の側壁及び第２の側壁の少なくとも１つが凸面状であり、前記少なくとも１つの翼形部ウィングレット（７０）が、前記翼形部前縁において前記翼形部の第１及び第２の側壁の少なくとも１つとほぼ同一面になっている、請求項７記載のタービンエンジン（１０）。

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