JP5461682B2 - 離調ブレードを有し、ダンパ装置を備えるタービンホイール - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンなどのターボ機械（これに限らないが）に特に見られるタービンホイールの分野に関する。例えば、このようなホイールは、高圧タービンまたはフリータービンで見られる場合もある。

本発明は、より詳細には：
複数のブレードと、
周囲にブレードが取り付けられた回転軸を有するディスクとを備え、ブレードの各々は、ディスクの周囲に向かって開口するハウジングに係合される根元部と一体のヘッドを有するタービンホイールに関する。

タービンホイールの動作時に、特に、タービンエンジン内で、タービンホイールは励振力の大きな変動にさらされる。

特定の状況下では、これらの励振は、有害でタービンホイールの破損につながる可能性のある高いレベルの振動をもたらす可能性がある。励振がタービンホイールを共振させる場合、すなわち、励振の周波数がタービンホイールの共振周波数と一致する場合、またホイールの共振変形モードがホイールに作用する励振力によって生じやすい場合、ホイールは非常に大きな振幅の振動を有するので、ホイールの材料が機械的に疲労し、極端な場合にはホイールの破壊につながることになる。

１つの技術的解決策は、タービンホイールがよりよく振動に耐えられるようにタービンホイールの機械的強度を強化することかもしれない。

しかしながら、この解決策は、特に、タービンホイールがターボ機械の中に取り付けられるためのものである場合は受け入れられない。

ターボ機械の設計では、ターボ機械の性能、燃費、または質量に関する非常に厳しい目標、加速が十分になるようにするロータ慣性の目標、ならびに信頼性向上の要件または規制に適合させるという目標が合わさって設計に複数の制約を課し、ときには、機械的強度の向上に関して考える余地を減らす。

例として、技術仕様書は、タービンホイールの回転が速すぎた場合に、破片のエネルギーを抑えるために、ロータにブレーキをかけるために、また駆動系の他の要素を保護するために、ブレードはディスクが破損する前に破損なければならないという設計制約を含む。この状況は、例えば、ターボ機械の駆動系の一部が破損した場合に生じ、駆動系に接続されているタービンホイールが反対方向の回転トルクをこれ以上受けなくなる。このような状況下では、タービンホイールは非常に高速で回転することができることが理解できるが、このとき、タービンは「過速度」状態にあると言われる。タービンホイールが破裂するまたはさらに高速で回転する（ターボ機械に重度の損傷を与える）のを回避するために、また回転駆動トルクをなくすために、ブレードは、タービンホイールが破損する速度未満の所与の回転速度で破損するような寸法とされる。

したがって、タービンホイールの設計は相反する目標を満たす必要があること、また妥協点を見つける必要があることが理解できる。

例として、振動共振の問題に対応するために、ブレード間またはブレードとディスクとの間に配置されるダンパを使用することがすでに知られている。しかしながら、ダンパを使用するのは非常にコストがかかる可能性がある。それは、ダンパの効果がエンジンの試験を行うことによって実証されるのは、設計プロセスの非常に遅い段階であるためである。ダンパにより励振が弊害となる作動領域外に共振をシフトさせることができない場合、またはダンパにより振動振幅が十分に低減されない場合、振動共振の問題は小さくないままである。ブレードの外側プラットフォームまたは他のダンパシステムが、それらが隣接するブレード間に設けられた接点を使用することで同等の機能を果たすこともできる。

本発明の目的は、励振に対する良好な耐性を有すると同時に、さらなる問題もなく他の設計制約の全て、例えば、ブレードがディスクが破損する前に破損するように寸法決めされるという制約、に従うタービンホイールを提供することである。

本発明は、本発明のタービンホイールが：
第１のブレードの少なくとも１つが第２のブレードの少なくとも１つに隣接するような複数の第１のブレードおよび複数の第２のブレードと、
回転軸およびブレードが取り付けられる周囲を有するディスクであり、ブレードのそれぞれがディスクの周囲に向かって開口するハウジングに係合される根元部と一体のヘッドを有し、ブレードのぞれぞれがブレードのヘッドと根元部との間に配置されるそれぞれのシェルフで構成されるキー手段を含み、第１のブレードのシェルフは第２のブレードのシェルフのアジマス方向の長さと異なるアジマス方向の長さを有するようなディスクと、
少なくとも前記隣接ブレード間に配置され、ブレードのシェルフとディスクの周囲との間に配置されるダンパ装置とを備え、
そのタービンホイールにおいて、第２のブレードが第１のブレードの質量未満の質量を有し、第２のブレードの根元部の質量が第１のブレードの根元部の質量未満であるが、第１のブレードおよび第２のブレードのヘッドの輪郭が同じであることで、第１のブレードの共振周波数は第２のブレードの共振周波数と異なり、
第１のブレードおよび第２のブレードは、タービンホイールの重心がディスクの回転軸に位置するような方式でディスクの周囲に角度をなして配置され、第２のブレードは、第２のブレードの根元部が第１のブレードの根元部のアジマス方向幅未満のアジマス方向幅を局所的に有するという点で第１のブレードとは異なり、第１のブレードおよび第２のブレードの根元部のそれぞれは、タングと取付部材とを有し、ヘッドはタングから半径方向に伸び、取付部材はハウジング内に取り付けられるように設計され、第２のブレードのタングのアジマス方向幅は第１のブレードのタングのアジマス方向幅未満であり、タービンホイールの回転が速くなりすぎた場合に第１のブレードが破損する前に第２のブレードが破損するような寸法にされるということによって、上述の目的を達成する。

本発明者たちは、異なる共振周波数を有する少なくとも２つのタイプのブレードを使用することで、最も有利には、ダンパ装置の有効性を強化することができることに気付いた。第１のブレードが第２のブレードの共振周波数と異なる共振周波数を有する限り、タービンホイールの共振は、共振が隣接ブレード間で非常に異なる振幅を有する間に振動変形によって変更される。この効果は、離調と呼ばれる。

さらに、本発明者たちは、隣接ブレード間に挿置され、ブレードの振動振幅を低減させるダンパ装置は、隣接ブレード間の相対運動が大きいときにますます高い効果を発揮することに気付いた。この有効性が大きく改善されるほど、振動振幅は低減され、またはますます共振周波数が他の周波数へと、ひいてはタービンの他の作動速度へとシフトされる。最適な状況下では、このずれが、ホイールの共振周波数をホイールの弊害となる励振の周波数帯域外にシフトさせることにより、タービンホイールが共振する危険性を低減することになる。したがって、本発明により、タービンホイールは、第１に、共振する傾向が弱まり、第２に、振動振幅がより小さくなり、ホイールの材料に許容可能な振動振幅になり、ホイールの材料が振動によって大きく摩耗されず、疲労損傷されなくなる。

異なる質量分布を有するブレードを選択することも可能である。

ダンパ装置は、摩擦式ダンパ装置とするのが好ましい。例えば、ダンパ装置は、隣接ブレードのシェルフの下に挿置するための複数の金属板で構成されてもよい。また、ダンパ装置は、他の形態でもよく、ブレード間の他の場所に位置決めされてもよい。減衰強度は、金属板の質量に応じて調節されてもよい。２つの隣接するブレード間のダンパ装置は、他の部品を伴う場合もある。例えば、ブレードの外側プラットフォームは、それ自体知られているが、ダンパ装置として機能する場合もある。

好ましくは、第１のブレードの共振周波数は、第２のブレードの共振周波数より少なくとも１０％高い。

好ましい様態では、第２のブレードの根元部は、第１のブレード根元部より弱い。

同じ輪郭を有することの利点は、安定した流体の流れになること、また部品を得るプロセスが簡単でコストがかからないことである。

「アジマス方向」という用語は、軸方向と半径方向と共に直交基準を成す方向を指すが、軸方向および半径方向はディスクの回転軸に対して見た方向であると理解されたい。

第１のブレードの根元部および第２のブレードの根元部のそれぞれは、シェルフ、タング、および取付部材を有し、ヘッドはタングから半径方向に伸びるが、取付部材はハウジング内に取り付けられるように設計され、タングは取付部材からシェルフに伸び、第２のブレードのタングは第１のブレードのタングのアジマス方向幅未満のアジマス方向幅を有する。したがって、タングは、ブレードをディスクに固定するのに寄与しないのが好ましいことが理解できる。

第２のブレードは、第１のブレードのタングのアジマス方向幅を狭くするような方式でタングを機械加工することによって第１のブレードから作られるのが好ましい。

ブレードをディスクに固定するために、取付部材がクリスマスツリー形状を有するのが、必ずしもではないが、好ましい。

また、ディスク内のハウジングの機械加工を容易にするように、第１のブレードの取付部材が第２のブレードの取付部材と同一のものであるのが好ましい。

ブレードのそれぞれは、ブレードが誤ってディスクに取り付けられるのを避けるために、キー手段を含む。ブレードがディスクに適切に取り付けられなければ、タービンホイールの重心がディスクの回転軸に位置しないという危険性をもたらし、ホイールのアンバランスを引き起こし、それにより、ホイールが回転するときにバランスのずれた振動を引き起こすことになることが理解できる。

キー手段により、ブレードをディスクに取り付ける作業者が失敗するのを避けることができる。

キー手段は、対応するブレードのヘッドとタングとの間に配置されるシェルフの形状であり、第１のブレードのシェルフは第２のブレードのシェルフのアジマス方向長さと異なるアジマス方向長さを有する。

このようなシェルフは、通常、タービンブレード上にある。本発明では、シェルフの適切な形状、例えば、アジマス方向長さを選択することで、シェルフをキー手段として使用するのが有利である。

シェルフの別の利点は、第１のブレードのシェルフの質量が第２のブレードのシェルフの質量と異なる限り、シェルフが離調を提供することに寄与することができるということである。

第２のシェルフのアジマス方向長さは第１のシェルフの長さより長いのが、必ずしもではないが、好ましい。

さらに、ブレードの強度は、第１のブレードまたは第２のブレードがディスクが破損する前に破損するように、自由に選択されてもよい。

本発明を使用することで、いくつかのブレードでのみ、好ましくは、第２のブレードでのみ意図的および計画的な破損が生じ、それにより、過速度の場合にディスクが、タービンホイールを破裂させることおよびこれにブレーキをかけることから保護されることになる。

有利には、第１のブレードと第２のブレードとは、ディスクの周囲に交互に配置される。

例として、第１のブレード、次に第２のブレード、その次に第１のブレード等々と交互に配置することができる。別の変形形態では、第２のブレードの組に対して中心対称が維持されれば、２つおきに第２のブレードとしてもよい。ホイールの重心がディスクの中心とほぼ一致すれば、任意の他の組み合わせも可能である。

本発明の範囲から逸脱せずに、ブレードのタイプの数を３つ以上にすることも可能である。

最後に、本発明は、本発明の少なくとも１つのタービンホイールを含むターボ機械を提供する。

ターボ機械はヘリコプタのガスタービンであり、タービンホイールは高圧タービンホイールおよび／またはフリータービンのタービンホイールに相当するのが、必ずしもではないが、好ましい。

非限定的な例としての一実施形態に関する以下の説明を読むことによって、本発明はよりよく理解され、本発明の利点がより明らかになる。以下の説明は、添付図面を参照して行う。

第１のブレードおよび第２のブレードを有する本発明のタービンホイールを示す図である。 図１の詳細を示す図であり、２つの第２のブレード間に配置された第１のブレードを備え、第２のブレードのタングのアジマス方向幅が第１のブレードのタングのアジマス方向幅より狭いことを示す図である。 タービンホイールの振動振幅の減衰効果を示すグラフである。 振動の周波数に応じて、タービンホイールの振動振幅の離調の効果を示す図である。 本発明のタービンホイールを含むターボ機械を示す図である。

図１の例は、ヘリコプタのガスタービン１００などのターボ機械に通常見られるタービンホイール１０を示す図である。通常、図４に示されるようなガスタービンは、燃焼チャンバ１０４を出る高温ガス流によって回転駆動される高圧タービン１０２を含む。ガスタービン１００に流入する新鮮な空気を圧縮し、その空気を燃料チャンバ１０４に送りそこで燃焼のために燃料と混合するために、高圧タービン１０２は圧縮機１０６を回転駆動する。

高圧タービン１０２を出る高温ガス流の過剰分が、フリータービン１０８を回転駆動するのに使用される。このタービンは、特に、ヘリコプタの主ロータを回転駆動するためにこれと接続される。

本発明のタービンホイール１０は、有利には、高圧タービン１０２で使用されてもよいし、またはフリータービン１０８で実際に使用されてもよい。

あらためて図１を参照してみると、タービンホイール１０は、中心Ｏを有するディスク１２と、周囲１４とから作られている。ディスク１２は、中心Ｏを通る回転軸を中心として回転するように設計されている。

以下の説明において、「軸方向」、「半径方向」、および「アジマス方向」という用語は、ディスクの回転軸に対して使用される。明確にするために、図１は、ブレード２０の半径方向Ｒとアジマス方向Ａｚとを示している。

さらに、ディスク１２内に形成される複数のハウジング１６が見られる。より正確には、ハウジング１６は、周囲１４へと半径方向に開口し、ディスク１２の２つの対向面間で軸方向に伸びる。図１に見られるように、２つの連続するハウジングが歯１８を画定する。

タービンホイール１０はさらに、複数のブレード２０、２２（この例では、３０個）を含み、ブレードはハウジング１６内に取り付けられる。

通常は、ブレード２０、２２は、軸方向にハウジング１６に挿入されて、軸方向保持装置（図示せず）によって軸方向に保持される。

ブレード２０、２２のそれぞれは、ハウジング１６に係合される根元部２０ｂ、２２ｂと一体のヘッド２０ａ、２２ａを備える。

ヘッド２０ａ、２２ａのそれぞれは、空気力学的プロファイルを有するが、それ自体知られており、単に略図として示されている。

本発明によれば、ヘッド２０ａ、２２ａの輪郭は同一であるのが、必ずしもではないが、好ましい。

図２を参照してみると、根元部２０ｂ、２２ｂのそれぞれが、関連ハウジング１６の縁部と協働するクリスマスツリー形状の取付部材２０ｃ、２２ｃを有するのが見られる。この特別な形状は、それ自体すでに知られているが、ディスク１２内で半径方向にブレード２０、２２を保持する働きをする。第１のブレード２０の取付部材２０ｃは、第２のブレード２２の取付部材２２ｃと同一であるのが好ましい。

さらに、根元部２０ｂ、２２ｂのそれぞれは、取付部材２０ｃ、２２ｃとヘッド２０ａ、２２ａとの間に位置する根元部の一部に相当するタング２０ｄ、２２ｄを有する。より正確には、この例では、タング２０ｄ、２２ｄは、ハウジング１６内にブレード２０、２２を保持するのに寄与しない根元部の一部である。

図示した例では、各ブレード２０、２２はさらに、ヘッド２０ａ、２２ａと根元部２０ｂ、２２ｂとの間、より正確には、ヘッド２０ａ、２２ａとタング２０ｄ、２２ｄとの間に配置されるシェルフ２０ｅ、２２ｅを含む。

シェルフ２０ｅ、２２ｅは、半径方向Ｒに対して直交する曲面に伸びる細板状である。

図１に見られるように、ブレードの全ての並置されたシェルフ２０ｅ、２２ｅがまとまってディスク１２と同心の角面Ｓを成し、前記角面Ｓはガス流のための内壁を構成する。

本発明によれば、ブレード２０、２２は、複数の第１のブレード２０と、第１のブレードと異なる複数の第２ブレード２２とを備える。

具体的には、第１のブレード２０と第２のブレード２２とは、ディスクの周囲１４に交互に配置される。したがって、この例では、１５個の第１のブレード２０と同じ数の第２のブレード２２とがある。

さらに、本発明の一態様によれば、第２のブレード２２は、第１のブレード２０の質量未満の質量を有する。すなわち、第１のブレード２０の全てが同じ質量を有し、その質量は第２のブレード２２の質量より大きく、その結果、第１のブレードの共振周波数は第２のブレードの共振周波数と異なることになる。

第１のブレードと第２のブレードとがディスクの周囲に交互に配置されるために、第１のブレード２０の組の重心と第２のブレード２２の組の重心とは共にディスク１２の回転軸に位置し、その結果、ホイール１０の重心Ｇも同様にディスクの回転軸に位置することで、動作時のタービンホイール１０のアンバランスを確実になくすことができる。

有利には、第２のブレード２２の根元部２２ｂは、第１のブレード２０の根元部２０ｂの質量未満の質量を有するが、第１のブレード２０のヘッド２０ａの輪郭と第２のブレード２２のヘッド２２ａの輪郭とは同じである。

このためには、図２に見られるように、第２のブレード２２は、第２のブレード２２の根元部２２ｂが第１のブレード２０の根元部２０ｂのアジマス方向幅未満のアジマス方向幅Ｅ２を局所的に有するという点で、第１のブレード２０とは異なる。より正確には、第２のブレード２２のタング２２ｄは、第１のブレード２０のタング２０ｄのアジマス方向幅Ｅ１未満のアジマス方向幅Ｅ２を有する。

第２のブレード２２を得るために、第１のブレード２０から始めて、再表面加工カッタのような工作機械を使用してタング２０ｄのアジマス方向幅を狭くすることができる。したがって、第２のブレード２２は、現在の製造手段を使用して、工業的に製造しやすい。

本発明によれば、シェルフ２０ｅ、２２ｅとディスク１２との間にダンパ装置３０を追加することで、共振する危険性および共振に伴う影響がさらに低減される。

ダンパ装置３０は、摩擦式であるのが好ましい。例として、ダンパ装置は、シェルフの下に連続的に配置され、さらに２つの隣接するブレード２０、２２間に伸びる金属板３２の形態である。

上述したように、異なる質量および異なる剛性の２つのタイプのブレードを有する利点によって異なる共振周波数を有するブレードを得てブレードを離調させることができると同時に、ダンパシステムによってタービンホイールの共振周波数をずらしてタービンホイール１０が動作時に共振するのを回避することができる。

ブレード２０、２２がディスク１２に誤って取り付けられること（その結果、ホイール１０の重心を半径方向にずらし、ひいてはタービンホイール１０に弊害をもたらすアンバランスを引き起こすことになる）を回避するために、有利には、ブレード２０、２２のそれぞれがキー手段６０、６２を含む。

キー手段６０、６２は、それらの形状によりブレードを誤って取り付けることが機械的に不可能になるような方式で配置される、または少なくともキー手段により、確実に誤った取付が容易に発見されるようにする。

適切に取り付けられた場合、２つの隣接するブレードのシェルフ２０ｅ、２２ｅのアジマス方向端部は、２つの隣接するシェルフ間に、必要な機能的な間隔以外には、アジマス方向の間隙がなくなるように面一になる。

上述したように、この例では、有利には、ブレード２０、２２は交互に配置されている。すなわち、キー手段は、２つの第１のブレード２０（または２つの第２のブレード２２）が並んで配置されるのを防ぐ働きをする。

このためには、この例では、キー手段６０、６２は、ブレード２０、２２のシェルフ２０ｅ、２２ｅで構成される。より正確には、第１のブレード２０のシェルフ２０ｅは、第２のブレード２２のシェルフ２２ｅのアジマス方向の長さＬ２と異なる（ここでは、Ｌ２より短い）アジマス方向の長さＬ１を有する。

第２のブレードの１つのシェルフが他の第２のブレードが軸方向に挿入されるのを妨げる限り、２つの第２のブレードを並べて配置することができないことがわかる。同様に、作業者が２つの第１のブレードを並べて挿入した場合、２つの隣接するシェルフ間に大きなアジマス方向の間隙が生じるので、すぐに誤りに気付くことができる。

さらに、第２のブレード２２のタングは第１のブレード２０のタングに比べて細いので、有利には、第２のブレード２２は、タービンホイールの回転が速すぎた場合に第１のブレード２０が破損する前に破損する形状である。

Claims (5)

1. 第１のブレード（２０）の少なくとも１つが第２のブレード（２２）の少なくとも１つに隣接するような複数の第１のブレードおよび複数の第２のブレードと、
   回転軸およびブレードが取り付けられる周囲（１４）を有するディスク（１２）であり、ブレードのそれぞれがディスクの周囲（１４）に向かって開口するハウジング（１６）に係合される根元部（２０ｂ、２２ｂ）と一体のヘッド（２０ａ、２２ａ）を有し、ブレードのそれぞれが前記ブレードのヘッドと根元部との間に配置されるそれぞれのシェルフ（２０ｅ、２２ｅ）で構成されるキー手段（６０、６２）を含み、第１のブレード（２０）のシェルフ（２０ｅ）が第２のブレード（２２）のシェルフ（２２ｅ）のアジマス方向の長さ（Ｌ２）と異なるアジマス方向の長さ（Ｌ１）を有するようなディスク（１２）と、
   少なくとも前記隣接ブレード間に配置され、ブレード（２０、２２）のシェルフ（２０ｅ、２２ｅ）とディスク（１２）の周囲との間に配置される前記ダンパ装置（３０）とを備え、
   そのタービンホイールにおいて、第２のブレードが第１のブレードの質量未満の質量を有し、第２のブレード（２２）の根元部（２２ｂ）の質量が第１のブレード（２０）の根元部（２０ｂ）の質量未満の質量であるが、第１のブレードおよび第２のブレードのヘッド（２０ａ、２２ａ）の輪郭が同じであることで、第１のブレードの共振周波数が第２のブレードの共振周波数と異なり、
   第１のブレードおよび第２のブレードが、タービンホイール（１０）の重心（Ｇ）がディスクの回転軸に位置するような方式でディスクの周囲（１４）に角度をなして配置され、第２のブレード（２２）が、第２のブレードの根元部（２２ｂ）が第１のブレード（２０）の根元部（２０ｂ）のアジマス方向幅（Ｅ１）未満のアジマス方向幅（Ｅ２）を局所的に有するという点で第１のブレード（２０）とは異なり、第１のブレードおよび第２のブレードの根元部のそれぞれが、タング（２０ｄ、２２ｄ）と取付部材（２０ｃ、２２ｃ）とを有し、ヘッドがタングから半径方向に伸び、取付部材がハウジング（１６）内に取り付けられるように設計され、第２のブレード（２２）のタング（２２ｄ）のアジマス方向幅（Ｅ２）が第１のブレードのタングのアジマス方向幅（Ｅ１）未満であり、タービンホイールの回転が速くなりすぎた場合に第１のブレード（２０）が破損する前に第２のブレード（２２）が破損するような寸法にされる、タービンホイール（１０）。
2. 取付部材（２０ｃ、２２ｃ）が、クリスマスツリー形状であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイール。
3. 第１のブレード（２０）の取付部材（２０ｃ）が、第２のブレード（２２）の取付部材（２２ｃ）と同一であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のタービンホイール。
4. 第１のおよび第２のブレード（２０、２２）が、ディスク（１２）の周囲（１４）に交互に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンホイール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのタービンホイール（１０）を含む、ターボ機械（１００）。

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