JP4806075B2 - 翼配置構造 - Google Patents

Description

本発明は、ロータとこのロータの外周に翼輪の形に配置された多数の翼とを備え、ロータの円周方向に互いに隣り合う翼間に少なくとも２個の減衰要素が相前後して配置され、ロータ軸線を中心としたロータの回転時に半径方向に作用する遠心力によって、隣り合う減衰要素が相互に接触し、両減衰要素の一方の減衰要素が隣り合う翼の一方の翼に接触し、両減衰要素の他方の減衰要素が隣り合う翼の他方の翼に接触する翼配置構造に関する。

例えばガスタービンのような流体機械に利用される翼配置構造に減衰要素を装備することは知られている。その減衰要素は、流体機械の運転中に異なった励振によって生ずる望ましくない曲げ振動およびねじり振動を減衰するために用いられる。このようにして、高い振動振幅による高サイクル疲労破壊（略語：ＨＣＦ破壊＝High Cycle Fatigue破壊）が防止される。そのＨＣＦ破壊は、翼ないし翼配置構造における材料を早期に疲労させ、これにより、その寿命を短縮させる。この場合、減衰要素は個々の翼の間に配置されている。減衰要素としては一般にゆるく配置された物体が利用されており、これらの物体はまず休止状態において隣り合う翼の翼台座間でロータあるいは相応した翼支持体に接し、ロータの運転中には半径方向に作用する遠心力によってそれらの翼の翼台座下側面に押し付けられる。その各減衰要素は隣り合う翼台座に同時に接触する。これによって、振動により引き起こされた翼間の相対運動の運動エネルギが、それぞれの翼台座とそれに接する減衰要素との間に生ずる摩擦により熱エネルギに転換される。これは振動を減衰し、全体として、翼配置構造の振動負荷を減少させる。

翼配置構造全体の効果的な減衰を得るために、ロータの円周方向に互いに隣り合う翼の間に少なくとも２個の減衰要素が相前後して配置された翼配置構造が特許文献１で知られている。この文献で開示された複数の減衰要素は、できるだけ多くの異なった振動モードを減衰できるようにするために、互いに異なった形状に形成されている。それらの減衰要素と翼との間に生ずる摩擦領域および個々の減衰要素間に生ずる摩擦領域を介して、振動を減衰するために振動エネルギが摩擦作用によって熱エネルギに転換される。しかし、個々の減衰要素間に形成された摩擦領域は線接触の形でしかなく、そのためにほんの僅かな減衰作用しか得られない。

欧州特許出願公開第１１５４１２５号明細書

本発明の課題は、望ましくない振動がより効果的に減衰される減衰要素を有する翼配置構造を提供することにある。

この課題は、本発明に基づいて冒頭に述べた形式の翼配置構造において、複数の減衰要素が、それらの減衰要素と２つの翼との間における３つの接触箇所のうちの２つが平面接触であり、３つの接触箇所のうちの１つが線接触であるように形成され、円周方向に相前後して配置されていることによって解決される。

この異なって作用する２個の減衰要素の組合せによって、多くの異なった振動状態が効果的に減衰でき、その場合、くさび形減衰要素の翼台座との平面接触により、翼台座との線接触における円形減衰要素の転がり脱落が阻止されるために、逆相振動のほかに同相振動も減衰される。隣り合う翼の一方の翼における翼台座と減衰要素との平面接触および他方の翼における翼台座と他の減衰要素との線接触（ヘルツ接触）の組合せによって、すべての接触面における引っ掛かりおよび局所的浮き上がりを防止する運動学的に安定した配置が得られる。

本発明に基づく翼配置構造の形態において、減衰要素の態様は過小決定も過大決定もされない。これによって、分割形減衰体における最良の減衰作用が得られる。好適には、隣り合う減衰要素のロータ回転中に生ずる接触部位は平面接触の形となっている。このようにして、減衰要素間に形成された総摩擦面積は、減衰要素が互いに線接触の形でしか接触しない公知の翼配置構造に比べて著しく増大される。本発明に基づく摩擦面積の増大は翼配置構造全体の非常に効果的な振動減衰を生じさせる。そのようにして種々の振動モードも効果的に減衰できる。全体として見て、本発明に基づく翼配置構造は、追加的な摩擦による減衰によって振動振幅および応力の減少を可能とする。

他の実施態様において、両減衰要素の一方の減衰要素と一方の翼との接触は平面接触であり、他方の減衰要素と他方の翼との接触は線接触である。また勿論、減衰要素間にも唯一の線接触を利用することができる。

有利な発展形態において、複数の減衰要素はそれらの幾何学形状が異なっている。本発明に基づくそのような適切な形状の複数の減衰要素によれば、全減衰要素が同一形状をしている場合に効果的に減衰できない振動モードも効果的に減衰できる。好適には、複数の減衰要素の質量も異なったものとすることができ、これにより、適切な幾何学形状と組み合わせて、非常に多くの種々の振動モードが効果的に減衰できる。また、異なった材料から成る減衰要素の利用によって、接触部位における摩擦状態（摩擦係数、表面あらさ）に影響を与えることができ、そのようにして、高い周波数域においても多くの振動モードの的確な減衰が可能となる。

隣り合う翼の間に複数の減衰要素を適切に配置できるようにするために、減衰要素は、好適には、棒状に形成されている。

本発明に基づく翼配置構造の具体的発展形態において、ロータの円周方向に２個の減衰要素が相前後して配置され、その両減衰要素は、好適には、棒状に形成され、その一方の減衰要素はくさび形断面を有し、他方の減衰要素は四分円形断面を有している。特に減衰要素の互いにそのように調和された断面形状によって本発明に基づく利点が得られる。

本発明の他の有利な発展形態において、ロータの円周方向に３個の減衰要素が相前後して配置されている。好適には、ほかの２個の減衰要素と異なった幾何学形状を有するもう１個の減衰要素によって、場合によっては他の障害振動モードが効果的に減衰できる。この場合、ロータの円周方向に連続して配置された複数の減衰要素のうちの両外側減衰要素だけが、隣り合う翼にそれぞれ形成された摩擦面を介してそれらの翼に接触する。用途に応じて、隣り合う翼間に３個を超える減衰要素を相前後して配置することも有利である。

他の具体的な発展形態において、これらの減衰要素は鋼あるいはセラミックス、即ち、効果的な減衰が実現できる材料で作られている。

以下図を参照して本発明に基づく翼配置構造の実施例を詳細に説明する。

本発明に基づく翼配置構造のロータ軸線に対して垂直な概略断面図。 翼の軸方向広がり方向にわたる２つの減衰要素群の概略配置構造図。

図１は本発明に基づく翼配置構造１をロータ軸線に対して垂直な断面図で概略的に示している。この図は本発明に基づく翼配置構造１における互いに隣り合う２個の翼の翼台座３を示している。それらの翼はそれぞれ翼配置構造１のタービン円板に取り付けられ、翼台座相互間に小さな間隔を有している。隣り合う翼台座３間に２個の減衰要素５、７がゆるく配置されている。その両減衰要素５、７は減衰要素群を形成し、軸方向に棒状に形成され、その一方の減衰要素７は四分円形断面を有し、他方の減衰要素５はくさび形断面を有している。

その両翼台座３の下側面はそれぞれ摩擦面９、１１を形成している。ロータ（図示せず）の回転中に両減衰要素５、７はそれぞれ遠心力の作用により対応した摩擦面９、１１に押し付けられる。それらの摩擦面９、１１はここではそれぞれ、半径方向Ｒとロータ軸線が延びて広がる平面に対して所定の角度δ、εを成している。これにより、両摩擦面９、１１は共にＶ状ガイドを形成し、このガイドに、両減衰要素５、７が遠心力によって押し付けられる。断面くさび形減衰要素５は摩擦面１３を有し、この摩擦面１３の傾きは、減衰要素５と対応した翼台座３との間に有効な平面摩擦接触を形成するために、角度δに合わされている。角度δおよび角度εは、好適には、２０°〜７０°の範囲にあり、その場合、４０°〜６０°の範囲が一層好ましい。

例えばガスタービンのような流体機械に本発明に基づく翼配置構造１を採用する場合、その翼配置構造１において種々の励振のためにしばしば曲げ振動およびねじり振動の形の望ましくない振動が生ずる。この振動は、一般に、隣り合う翼台座３間に相対運動を生じさせ、また、断面くさび形減衰要素５と摩擦面９との間および断面四分円減衰要素７と摩擦面１１との間に相対運動を生じさせ、さらに、両減衰要素５、７間においてその接触部位１５に相対運動（図１に破線で概略図示）を生じさせる。このようして、効果的な振動減衰を得るために、本発明に基づいて３つすべての接触部位において振動エネルギが摩擦のために熱エネルギに転換される。この場合、断面くさび形減衰要素５により特に、同相としても生ずる振動が効果的に減衰される。

両減衰要素５、７は本発明に基づいて、接触部位１５における接触が一方の減衰要素５と翼台座３との接触と全く同様に平面接触であるように形成され、ロータの円周方向に相前後して配置されている。このようにして、両減衰要素５、７間に形成された総摩擦面積は、減衰要素間の接触部位が平面接触としてではなく線接触の形（ヘルツ接触）に形成されている公知の翼配置構造に比べて著しく増大されている。２個の減衰要素を利用する場合に２つの線接触と１つの平面接触が形成される公知の方式と異なり、本発明に基づいて、２つの平面接触と唯一の（すなわち、減衰要素７と翼台座３との間の）線接触が形成される。本発明に基づいて平面接触部位１５により追加的に形成された摩擦面は、翼配置構造１全体の非常に効果的な振動減衰を生じさせる。

ここでは、平面接触部位１５が半径方向Ｒに対して平行に延びているが、相応して選択された角度α、βによって半径方向Ｒに対して傾斜させることもできる。この場合、好適には、角度αは７０°〜９０°の範囲内にあり、角度βは１１０°〜９０°の範囲内にある。あるいは角度α、βの角度範囲が互いに上述と逆にされる。

図２は２つの減衰要素群２５、２７の配置を概略的に示している。それぞれ所定数の減衰要素を有する両減衰要素群２５、２７の位置は丸印で概略的に示されている。それらの減衰要素は軸方向に棒状に形成され、その両減衰要素群２５、２７は翼１７の軸方向広がり方向にわたって（軸方向２３に）分布されている。翼１７は翼形部（羽根部）１９と、翼台座３と、翼脚２１と、翼前縁２９と、翼後縁３１を有している。ここでは、一方の減衰要素群２７は翼前縁２９に存在し、他方の減衰要素群２５は翼後縁３１に存在している。作動媒体（燃焼ガス）の流れ方向３３は矢印で示されている。その両減衰要素群２５、２７の軸方向における非対称的な配置あるいは非対称的な形態によって、本発明に基づいて複数の異なった振動モードが効果的に減衰できる。

１ 翼配置構造
５ 減衰要素
７ 減衰要素
１７ 翼

Claims (7)

1. ロータとこのロータの外周に翼輪の形に配置された複数の翼（１７）とを備え、ロータの円周方向に互いに隣り合う翼（１７）間に少なくとも２個の減衰要素（５、７）が相前後して配置され、ロータ軸線を中心としたロータの回転時に半径方向に作用する遠心力によって、隣り合う減衰要素（５、７）が相互に接触し、両減衰要素（５、７）の一方の減衰要素（５）が隣り合う翼の一方の翼（１７）に接触し、両減衰要素（５、７）の他方の減衰要素（７）が隣り合う翼の他方の翼（１７）に接触する、翼配置構造（１）であって、
   前記３つの接触箇所のうちの２つが平面接触にされ、３つの接触箇所のうちの１つが線接触にされており、前記複数の減衰要素（５、７）が、それらの減衰要素間の接触が平面接触であり、２個の減衰要素（５、７）の一方の減衰要素（５）と一方の翼（１７）との接触が平面接触であり、２個の減衰要素（５、７）の他方の減衰要素（７）と他方の翼（１７）との接触が線接触であるように形成され、円周方向に相前後して配置されていることを特徴とする翼配置構造。
2. 複数の減衰要素（５、７）の幾何学形状が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の翼配置構造。
3. 複数の減衰要素（５、７）の質量が異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の翼配置構造。
4. 複数の減衰要素（５、７）が棒状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の翼配置構造。
5. 複数の減衰要素（５、７）が棒状に形成され、その１つの減衰要素（５）がくさび形断面を有し、他の１つの減衰要素（７）が四分円形断面を有していることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１つに記載の翼配置構造。
6. ロータの円周方向に３個の減衰要素が相前後して配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の翼配置構造。
7. 減衰要素（５、７）が鋼あるいはセラミックスで作られていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の翼配置構造。

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