JP5281828B2 - ターボ機械のシャフトのための減衰装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の分野に関し、さらに詳しくはターボジェットまたはターボファンなどのガスタービンエンジンの分野に関し、その目的は、振動減衰装置である。

航空機用のターボ機械は、複数の羽根車で構成されており、すなわち外周に可動のブレードが取り付けられた回転ディスクで構成されている。これらの羽根車が、シャフトまたはバレルと称される円筒形の部品に組み付けられる。これらの構成要素は、寸法に関して、回転、温度、および空気力学的な負荷に対する機械的な耐力という寸法決定的な要請を満足しなければならないため、特に繊細な部品である。これらの状況のすべてが、これらの構造体に静的な負荷が加わること、および寿命の要請ゆえに、それらに加わる振動の振幅を小さく保たなければならないということを意味する。

ターボ機械の設計およびチューニングは、いくつかの規律の協調を必要とするため、寸法決定のプロセスは反復的である。振動に関する寸法決定は、動作範囲に重大なモードが存在しないようにするために行われる。アセンブリが、設計サイクルの終わりにおいて、エンジンテストで振動の振幅を測定することによって検証される。高いレベルが、同期または非同期の強制応答あるいは不安定に起因して現われることがある。したがって、シャフトまたはバレルの設計を繰り返さなければならず、これは、きわめて時間がかかり高価につくプロセスである。

したがって、製造面における目的は、寸法決定のサイクルにおいて、設計において可能な限り早期に必要とされる是正手段を講じることができるよう、構造体の振動応答のレベルを可能な限り早期に予測することにある。これらの問題の中でも、機械的な減衰が、設計者にとって重要な問題である。

振動疲労に対するこれらの部品の頑丈さを保証するために、１つの解決策は、エネルギーの散逸の源として機能する特定の装置を構造体に付加することからなる。例えば、圧縮機の可動の車（ｗｈｅｅｌ）のブレードの減衰手段が、ＥＰ１２５３２９０によって知られている。この減衰手段は、粘弾性材料の層および応力層を備える。ブレードの外形は、ガス流の流れの中に位置するため、この文献において提案されている解決策は、ブレードの外形に切り欠きをくり抜き、減衰手段を収容するようにしている。したがって、流れに接するブレードの外形の表面が、不規則を呈しておらず、ガス流が乱されることがない。このような構成は、ブレードの薄さゆえに、厄介な機械加工を必要とする。さらに、同一の車の種々のブレードの間に不釣り合いを持ち込む恐れがあり、アンバランスにつながる。
欧州特許第１２５３２９０号明細書

本発明の目的は、動的な減衰をもたらすことによって、同期または非同期の応力のもとでの構造体の動的応答（空気力学的な起源のものであるか否かにかかわらず）を減衰させることにある。

内表面部分を有する円筒形の壁を備え、さらにターボ機械のロータディスクへの取り付けのための部材を一端に備えるターボ機械の中空シャフトが、本発明によれば、上記内表面部分に、粘弾性材料からなる少なくとも１つの層を上記表面部分および剛性材料からなるカウンタ層に接触させて備える少なくとも１つの振動減衰積層体が取り付けられており、上記カウンタ層が、シャフトへの機械的な取り付けのための部材を形成して、粘弾性層を上記内表面部分へと押し付けられた状態に保つ横延長部を備えることを特徴とする。

本発明の独創性は、粘弾性材料の応力層との積層体を使用し、この積層体を構造体へと、部品の振動エネルギーを散逸させるべく押し付ける点にある。

振動エネルギーの散逸は、動的な応力のもとで変形する構造体と慣性によって引っ張られる応力層との間での粘弾性材料のせん断変形によって得られる。この積層体が、シャフトまたはバレルの内側へと取り付けられ、該当の部品の振動モードを直接的に減衰させる。

本発明は、金属部品の構造減衰を大きくし、設計において直面される振動の問題を解決することを可能にする。この結果として、最終的に、関連の開発およびチューニングの時間が短縮され、したがってコストが削減される。

また、交互する負荷および間接的な重量の増加に対する耐久力の提供を満足することによって区切られる従来の設計の分野の拡大を可能にする。

本発明は、エンジンの高調波、非同期または音響の励起、空力弾性の不安定、またはロータ−ステータの接触による衝撃と交差する動的な負荷の種類にかかわらず適用可能である。

種々の実施形態によれば、
減衰手段が、軸方向または周方向において、上記内表面部分を部分的に覆っており、シャフトが、内表面部分を覆って周方向に分布した複数の減衰手段を備える。
層が、一体に接続されている。
カウンタ層が、機械的な取り付けのための部材を備える。
機械的な取り付け部材が、カウンタ層をシャフトへと接続している。
機械的な取り付けのための部材が、粘弾性層を上記内表面部分へと押し付けられた状態に保っている。
積層体は、交互する粘弾性層および剛性層の積み重ねからなる。
粘弾性材料の特性が、或る層とその他の層とで異なっている。
粘弾性材料の特性が、或る層とその他の層とで同じである。
剛性材料の特性が、或る剛性層とその他の剛性層とで異なっている。
剛性材料の特性が、或る剛性層とその他の剛性層とで同じである。

さらに、本発明は、このようなシャフトを少なくとも１つ備えるターボ機械に関する。

他の特徴および利点が、添付の図面を参照する本発明の種々の実施形態についての以下の説明から、明らかになるであろう。

図１は、ツインスプールターボファン１の形態のターボ機械の例を概略的に示している。前部のファン２が、エンジンに空気を供給する。ファンによって圧縮された空気は、同心な２つの流れへと分割される。二次流が、大気へと直接排出され、エンジンスラストの基幹部分をもたらす。一次流は、いくつかの圧縮段３および４を通って燃焼室５へと案内され、燃料と混合されて燃やされる。高温ガスが、ファンを駆動する種々のタービン段６および７および圧縮段に供給される。次いで、ガスは、大気へと排出される。

構造的には、このようなエンジンは、異なる速度で回転する２つのロータ、すなわち「高圧」ガスが通過するＨＰロータ４−６および「低圧ガス」が通過するＬＰロータ２−３−７を備える。ＨＰロータは、ドラムを備えるＨＰ圧縮機ロータ４およびＨＰタービンディスク６を、燃焼室５の各側に、シャフトまたは円筒形のバレル１４によって接続して備える。ＬＰロータは、シャフト１３を介してＬＰタービンロータへと接続されたファンロータ２および過負荷圧縮機ロータ３を備える。

本発明は、ロータを一体に接続しているシャフトまたは円筒形のバレルの内表面部分に動的な振動減衰手段を設ける。

図２に見ることができるとおり、減衰手段３０が、互いに積み重ねられた複数の層を有する積層体の形態で示されている。一実施形態によれば、積層体が、粘弾性材料の層３２および剛性材料からなるカウンタ層３４を備える。積層体３０は、層３２にて減衰対象の構造体の表面へと押し付けられている。

粘弾性とは、変形を受けたときに機械的なエネルギーの散逸および保存を同時に達成することによって粘性および弾性の両方の挙動を呈する固体または液体の特性である。

所望の熱および周波数の動作範囲においては、カウンタ層３４の剛性材料の弾性の等方性または異方性の特性が、粘弾性材料の等方性または異方性よりも大きい。これに限られるわけではないが、例として、層３４の材料は、金属または複合材料のタイプであってよく、層３２の材料は、ゴム、シリコーン、ポリマー、ガラス、またはエポキシ樹脂のタイプであってよい。材料は、所定の温度および周波数範囲に対応して予想される構成においてエネルギーの散逸に関して有効でなければならない。変形および速度にて表現される特有のせん断係数にもとづいて、選択が行われる。

他の実施形態によれば、積層体が、粘弾性材料からなるいくつかの層３２と剛性材料からなるいくつかのカウンタ層３４とを、交互に配置して有する。図２の例（これに限られるわけではない）が、粘弾性材料からなる３つの層３２と剛性材料からなる３つのカウンタ層３４とを有する減衰積層体を示している。用途に応じ、粘弾性材料の層３２および剛性材料の層３４は、同じ寸法または異なる寸法を有する。積層体が、複数の層３２を備える場合、複数の層３２が、すべて同じ機械的特性を有しても、あるいは異なる機械的特性を有してもよい。積層体が、複数のカウンタ層３４を有する場合、複数のカウンタ層３４が、すべて同じ特性を有しても、あるいは異なる機械的特性を有してもよい。層３２およびカウンタ層３４は、好ましくは、接着剤のフィルムによる接着または重合によって互いに貼り付けられる。

図３が、第１の実施形態を示している。シャフト４０（一端の付近の部位のみが示されている）が、中空であって、円筒形の壁４１を備える。この端部に、例えばタービンまたは圧縮機のディスクなどの部品への取り付けのための部材４５が設けられている。この接続は、ボルト付けによる。この取り付け部材４５は、中空のシャフトと同じ軸および中空のシャフトよりも大きな直径を有する円筒形の部位４５ｂを備える。部位４５ｂが、実質的に円錐台形状の部位４５ａによってシャフト４０へと接続されている。シャフトの内表面４１ｉは、シャフトの軸に平行な実質的に真っ直ぐな円筒形状の少なくとも１つの部位を備える。２つの層（すなわち、粘弾性層３２および剛性カウンタ層３４）からなる積層体３０が、この表面の部分４１ｉへと取り付けられている。積層体３０は、この例では、粘弾性層を表面の部分４１ｉへと接着し、あるいは重合させることによって取り付けられている。この積層体は、円筒形の表面の部分４１ｉの軸方向の部分を覆って広がっている。好ましくは、周方向において、表面全体を覆って広がっている。

動作時、シャフトの振動モードが、ガス流中の空気力学的な流れを妨げることなく積層体によって減衰される。

図４が、第２の実施形態を示している。シャフトは、上述と同じである。シャフトの端部に、例えばタービンまたは圧縮機のディスクなどの部品への取り付けのための部材４５が設けられている。この接続は、ボルト付けによる。この取り付け部材４５は、中空のシャフトと同じ軸および端部において中空のシャフトよりも大きな直径を有する円筒形の部位４５ｂを備える。部位４５ｂが、実質的に円錐台形状の部位４５ａによってシャフト４０へと接続されている。この例でも、減衰積層体３０’は、粘弾性層３２’および剛性カウンタ層３４’を備える。剛性カウンタ層３４’が、シャフトの一部分（この例では、取り付け部材４５である）へ押し付けられる横延長部３４’ａ、すなわちシャフトの軸の方向の延長部を備える。横延長部３４’ａは、円錐台形状の部位３４’ａ１および円筒形の部位３４’ａ２を備える。円筒形の部位３４’ａ２が、取り付け部材４５の円筒形の部位４５ｂの内面に押し付けられている。取り付け部材４５へとボルト付けされ、あるいは他の任意の手段で固定されている。好ましくは、取り付けは、取り付け部材４５をシャフトに組み合わせられるディスクへとボルト付けすることを備える。これが、シャフトが耐えなければならないさまざまな出来事の際に、減衰積層体のより良好な保持が保証される理由である。この場合、積層体は、必ずしもシャフトの内表面へと貼り付けられる必要はない。機械的な取り付けが、好ましくは、振動が生じたときにその振動が粘弾性層へと伝達されるように、この表面への積層体の押し付けを保証するように構成されている。

本発明のシャフトを取り入れることが可能なターボジェットの軸断面図を概略的に示している。 本発明による減衰積層体の断面図を示している。 本発明による減衰積層体が取り付けられたシャフトの斜視図を示している。 本発明の別の実施形態を備える図３のシャフトの軸断面図を示している。

符号の説明

１ ターボ機械
２ ファンロータ
３ 過負荷圧縮機ロータ
４ ＨＰ圧縮機ロータ
５ 燃焼室
６ ＨＰタービンディスク
７ タービン段
３０、３０’ 減衰積層体
３２、３２’ 粘弾性材料の層
３４、３４’ 剛性材料からなるカウンタ層
３４’ａ 横延長部
３４’ａ１ 円錐台形状の部位
３４’ａ２ 円筒形の部位
４０ シャフト
４１ 円筒形の壁
４１ｉ 内表面
４５ 取り付け部材
４５ｂ 円筒形の部位

Claims (11)

1. 内表面を有する円筒形の壁を備え、さらにターボ機械のロータディスクへの取り付けのための部材を端部に備えるターボ機械の中空シャフトであって、
   前記端部に近接する内表面部分に、少なくとも１つの振動減衰積層体（３０’）が取り付けられ、前記振動減衰積層体（３０’）が、前記内表面部分と接触する粘弾性材料からなる少なくとも１つの粘弾性層（３２’）と、剛性材料からなるカウンタ層（３４’）とを含み、剛性材料からなるカウンタ層（３４’）が、粘弾性層を前記内表面部分へと押し付けられた状態に保ち、かつ中空シャフトへの機械的な取り付けのための部材を形成する横延長部（３４’ａ）を備え、
   前記横延長部（３４’ａ）が、中空シャフトをターボ機械のロータディスクへと取り付けるための前記部材へと取り付けられている、中空シャフト。
2. 内表面部分を覆って周方向に分布した複数の積層体を備える、請求項１に記載の中空シャフト。
3. 粘弾性層および剛性層が、一体に接続されている、請求項１または２に記載の中空シャフト。
4. 粘弾性層および剛性層の接続が、貼り付けによって行われる、請求項３に記載の中空シャフト。
5. 振動減衰積層体が、交互する粘弾性層および剛性層の積み重ねからなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の中空シャフト。
6. 粘弾性材料の特性が、或る層とその他の層とで異なっている、請求項５に記載の中空シャフト。
7. 粘弾性材料の特性が、或る層とその他の層とで同じである、請求項５に記載の中空シャフト。
8. 剛性材料の特性が、或る剛性層とその他の剛性層とで異なっている、請求項５から７のいずれか一項に記載の中空シャフト。
9. 剛性材料の特性が、或る剛性層とその他の剛性層とで同じである、請求項５から７のいずれか一項に記載の中空シャフト。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの中空シャフトを備えるターボ機械。
11. 圧縮機を備え、前記中空シャフトが圧縮機のディスクへと接続されている、請求項１０に記載のターボ機械。

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