JP5528721B2 - ケーシングとロータとの接触時の不安定性を防止するための装置を含むターボ機械のケーシング - Google Patents

ケーシングとロータとの接触時の不安定性を防止するための装置を含むターボ機械のケーシング Download PDF

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Description

本発明は、ターボ機械用のロータおよびステータアセンブリの分野に関し、特に、航空機エンジンのターボ機械の圧縮機、タービン、ファンに見られるように、特に小さい隙間があるロータおよびステータアセンブリに関する。
航空機エンジンの効率を上げるために、ブレード付きホイール(またはロータ段)により形成される回転部分と、その回転部分を囲み、一連の固定翼(またはステータ段)を支持するケーシングにより構成される固定部分との間の隙間が低減される。
それにもかかわらず、この隙間の低減は、ブレード付きホイールの可動ブレードとこれに対向するケーシングセグメントとの接触のリスクが増し、このような接触の中にはシステムの不安定性を招く可能性のあるものもある。
図1は、内面にアブレイダブル材料層12を備えたケーシング10と、ケーシング10により画定されるハウジング内に取り付けられたブレード付きホイール20とを示す図である。
このような接触は、特に、ブレードの先端とそれに対向するケーシングのトラックとの間の部分的な干渉または連続的な干渉の結果として、過渡的速度で発生する。このような接触が生じると、ブレードは振動特性を有する高いレベルの応力を受ける可能性があり、このような状況でブレードは共振モードの1つの振動を引き起こされる可能性があると理解される。このような状況では、振動のレベルが高くなるのが非常に速く、ブレードに疲労限界を超える恐れのある変形をもたらし、その結果、アブレイダブルなトラックの劣化や、ブレードの破断をもたらす可能性のあるブレード損傷(ブレード先端加熱、疲労亀裂、永久歪、...)につながる。一般に、いくつかの外部的事象(ロータの回転速度の変化、熱過渡性、...)がこの現象を止めるために、あるいは損傷したブレードの共振周波数が変化し、それによりシステムがチューニングしなくなるために、現象は一時的なものである。
現象は、単一のブレード、一組のブレード、ホイール全体すなわち全てのブレードに関係する可能性があるが、全てのブレードに現象が生じるのは稀である。これは、単に製造の結果ブレード長さにばらつきがあるためである。
一般に、このような損傷を制限するために、接触がこれらの場所で生じるのではなくブレードがより堅牢な領域で生じるように、前縁および/または後縁がオフセットしており、このことが性能を損なう。
FR2,869,069は、ブレード付きホイールのブレードによる振動現象を考慮し、ブレード付きホイールを意図的に脱チューニングさせることにより共振現象を避けることを開示している。
それにもかかわらず、このような状況では、ブレード付きホイールの振動モードとケーシングおよびブレード付きホイールにより形成されるアセンブリの振動モードとの間で生じる、「連結現象」としても知られているロータとステータとの相互作用のことは考慮されない。
仏国特許出願公開第2,869,069号明細書
本発明の目的は、特に、ロータおよびステータアセンブリの振動リスクを避けるのを可能にすることにより、先行技術の欠点を克服できる解決策を提供するものである。
この目的を達成するために、本発明に従って、少なくとも1つのブレード付きホイールが取り付けられたロータに対向してターボ機械の円筒状ケーシングが提供される。円筒状ケーシングは、ケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を含むことを特徴とし、上記装置は、ケーシングの外周に沿って配置され、2つの隣接する要素間は異なる剛性を有する一連の要素を備え、同じ剛性を有する要素の数は、対応するブレード付きホイール内で抑止されるべき振動モードの波数の倍数に等しくない。
このような不安定防止装置は、少なくともブレード付きホイールを受承するセグメント、すなわち、ブレード付きホイールに対向するケーシングの円形トラックの位置に配置される。不安定防止装置をケーシングの全長にわたって配置すること、またはブレード付きホイールを受承するセグメントのみに配置することも同様に可能である。
このようにして、本発明により、ケーシングの循環対称性が崩され、幾何学的に同じである一連のセクタを示さなくなることは理解できる。ケーシングは、異なる剛性のセクタを交互にするか、または異なる剛性のセクタを不規則に連続したものとなる。
この解決策はさらに、隣接する部品、特にロータ、ブレード間のチャネル、または空気流チャネルに何の影響も与えずに、ステータ部分を適応させるだけで、結合現象のリスクを低減できるさらなる利点を有する。これらの部品はどれも変更されないので、この解決策は既存の装置に適用できる。
好ましくは、上記不安定防止装置は、第1の剛性を呈する第1のタイプの要素と、第1の剛性とは異なる第2の剛性を呈する第2のタイプの要素とを有する。このような状況では、本発明によれば、第1のタイプの要素の数および第2のタイプの要素の数は共に、ケーシングまたは対応するケーシングセグメントに位置合わせされたブレード付きホイール内で抑止されるべき振動モードの波数の倍数に等しくない。
第1のタイプの要素は第1の角度セクタ寸法を呈し、第2のタイプの要素は第2の角度セクタ寸法を呈する。
モデリングや構造を簡潔にするために、第1のタイプの要素と第2のタイプの要素とが同一の角度範囲を有するように、第1の角度セクタ寸法と第2の角度セクタ寸法とは同じであることが好ましい。
しかし、本発明の第1の角度セクタと本発明の第2の角度セクタとが異なる構成を想定することも可能である。
本発明はまた、不安定防止装置が第1のタイプの要素と第2のタイプの要素だけでなく、他の剛性を呈する要素も含み、不安定防止装置がケーシングの外周にわたって3種類以上の異なる剛性を備える場合にも適用できる。
同様に、本発明はさらに、上述したようなケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を有するケーシングを備えるロータおよびステータアセンブリに関する。ケーシングはステータを形成し、上記ロータおよびステータケーシングはさらに、ロータを形成するブレード付きホイールを含む。
有利には、このようなロータおよびステータアセンブリでは、上記ブレード付きホイールは一体型ブレード付きディスクまたは一体型ブレード付きリングである。
本発明はまた、低圧、中間圧力または高圧で動作し、ステータ用に上述したようなケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を有する軸流圧縮機に関し、さらにこのような軸流圧縮機を含むターボ機械に関する。
本発明はまた、ステータとして上述したようなケーシングを備え、ケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を含む遠心圧縮機に関し、本発明はまた、このような遠心圧縮機を含むターボ機械を提供する。
本発明はまた、ステータとして、上述のケーシングを備え、ケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を含むファンに関し、本発明はまた、このようなファンを含むターボ機械を提供する。
本発明はまた、ステータとして、ケーシングとブレード付きホイールとの接触時の不安定を防止する装置を含む上述のケーシングを含むタービン、高圧タービン、低圧タービン、または中間圧力タービンに関し、本発明はまた、このようなタービンを含むターボ機械を提供する。
最後に、本発明は、ターボ機械のステータおよびロータアセンブリ内の接触時に生じる不安定を防止する方法に関する。方法は、ロータ部分を形成するブレード付きホイールの少なくとも1つの振動モードを抑止するステップを含み、方法は、ケーシングがその外周にわたって異なる剛性の角度セクタを有するように、ケーシングを少なくともブレード付きホイールに対向するセグメントに配置することを含み、同じ剛性の角度セクタの数は、抑止されるべきホイールの振動モードの波数の倍数に等しくないことを特徴とする。
概して、本発明の解決策により、ケーシングの剛性において方位非対称性を生じさせることが可能であり、この非対称性は、ロータとステータとの結合の現象を防止するために、ロータ部分を形成するブレード付きホイールの所望の振動モードを抑止するように選択される。
本発明の他の利点および特徴は、以下の一例として挙げられた、添付図面を参照した説明を読めば明らかである。
従来の方法でケーシングに取り付けられた上述のブレード付きホイールの斜視図である。 本発明の第1の実施形態のケーシングの斜視図である。 図2のケーシングのアブレイダブル材料の分布に対応する、波数4の波の方位図である。 本発明の第2の実施形態のケーシングの斜視図である。 本発明の第3の実施形態のケーシングの斜視図である。 VIの方向に沿って見た図5のケーシングの断面の正面図である。
以下で、循環対称性のある円形システムに適用するとき、用語「波数」または「節直径」または「振動モードの位相シフトインデックス」は、当該波の半径方向の正負の振幅の極大をそれぞれ表す山と谷の数を示す。節の数、すなわち、波の振幅が0である位置の数は、波数の2倍である。
一例として、3つの節直径に対応する3つの波数を有する波は、6節の波である。
したがって、図3では、波Wは、円筒状基準系(方位表示)で示されており、波Wの4つの谷と4つの山の間に位置する8つの振動節に関連して示されている4つの節直径D1からD4を有する。したがって、波Wは4つの波数を呈する。波Wは、4つの連続的な同一の正弦波形状からなり、図3では、4つの空間周期W1からW4は、直径D1とD3とにより画定される。
本発明の種々の実施形態を説明するために、2つの異なる剛性を呈し、一連の14個の要素に対応する2つのタイプの14個の角度セクタからなる不安定防止装置を備えた本発明のケーシングが選択される。各要素は同じ角サイズであり、隣接する2つの要素は異なる剛性を呈する。
したがって、本発明によれば、7(不安定防止装置の同じ剛性を有する要素または角度セクタの数)は、4(波Wの波数)の倍数ではない。
より正確には、図示した、以下で説明される3つの実施形態の各々に関して、2つのタイプの要素のみが設けられている。これらは、それぞれ、第1の剛性を呈する第1のタイプの要素と、第1の剛性とは異なる第2の剛性を呈する第2のタイプの要素と呼ばれる。
第1の実施形態では、図2に示されるように、本発明はケーシング110の内面に不安定防止装置120を配置するステップを含み、上記不安定防止装置は、各角度セクタに、それぞれ異なるヤング率を有するアブレイダブル材料層AおよびBで構成される第1のタイプの要素122と第2のタイプの要素124とを備える。
簡潔にするために、図示されている第1のタイプの要素122と第2のタイプの要素124とは、同じ厚さであり、ケーシングの内面全体、すなわち外周全体を覆っているが、場合によっては、注目のブレード付きホイール20に対応するセグメントを越えて軸方向に伸びる。
実際には、第1のタイプの要素122の形状をなし材料Aからなる7個のセクタと、第2のタイプの要素124の形状をなし材料Bからなる7個のセクタを備える、14個のセクタからなるこのセクタ化されたアブレイダブル材料層120を形成するために、同種であるが、材料の構成比率が異なるヤング率、すなわち異なる剛性が得られるように変えられた材料AおよびBが使用される。
異なる種類の2つの材料AおよびBを使用して、第1の材料Aからなる第1のタイプの要素122と、第2の材料Bからなる第2のタイプの要素124にすることも可能である。
例えば、第1の材料Aは、Metco(R)タイプの材料としてもよい。これは、粒子がアルミナシリカ粉末で覆われた(例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)などの)ポリマーからなる微粉末と結合剤から得られる。このタイプの粉末は、一般にプラズマ溶射され、溶射でPETを気化して、高温に耐える一定の能力を有する多孔質堆積膜を形成する。
一例として、第2の材料Bは、RTV(R)タイプの材料としてもよい。これは、すなわち、シリコーンゴム化合物であり、密度を高くするために加圧下で重合して得られるので、温度変化に耐える。あるいは、第2の材料Bは、Silastic(R)、すなわち、シリコーンエラストマーとしてもよい。
このセクタ化されたアブレイダブル材料層120を堆積するのに使用される技術に変わりはなく、これらの技術は、当然、使用される特有の材料と結び付けて考えられる。
例えば、ニッケル系、モリブデン系、クロム系の合金、特に、Hastelloy(R)タイプの合金を使用することも可能である。この合金は、プラズマ溶射により、または実際にはレーザ溶射(粉末がレーザビームにより生成された局部溶解槽に放出される)により堆積される。
このことにより、セクタ化されたアブレイダブル材料層120を作成できる。アブレイダブル材料層120では、ケーシング110の軸と上記層で被覆されたケーシング110の内面との間の半径方向の距離Rは一定であり、ブレード付きホイール20の半径にほぼ等しい。
波Wがブレード付きホイール20の共振モードの1つに対応し、その結果、抑止することが望ましい波である状況を考える。
図3に示されるように、波Wが図2に示されるようなケーシング110に関係する場合、波の各空間周期は、セクタ化されたアブレイダブル材料層120のために、異なる剛性を呈するケーシングの対応する角度領域に関係する。
具体的には、波Wの第1の空間周期W1は、ケーシング110の外周の最初の4分の1(図3の右側)に関係する。この部分は、第1のタイプの2つの要素122(材料A)と、第2のタイプの1つの要素124(材料B)とを有し、これらの要素は(右回りに)互いにABAの順に並ぶ。
同様に、波Wの第2の空間周期W2は、ケーシング110の外周の第2番目の4分の1(図3の上部)に関係し、この部分は、第1のタイプの2つの要素122(材料A)と、第2のタイプの2つの要素124(材料B)とを有し、これらの要素は互いにABABの順に並ぶ。
波Wの第3の空間周期W3およびケーシング110の外周の第3番目の4分の1(図3の左側)には、一連の材料BABがあり、波Wの第4の空間周期およびケーシング110の外周の第4番目の4分の1(図3の下)には、一連の材料BABAがある。
したがって、このシステムから、波Wの各空間周期W1からW4は、ケーシング110の異なる角度部分に対応する剛性に関係することがわかる。その結果、波Wがケーシング110またはブレード付きホイール20内のロータとステータとの間の接触現象に組み込まれないように、波Wの各空間周期W1からW4は異なる速度で伝播する。
図4に示された本発明の第2の実施形態では、セクタ化されたアブレイダブル材料層222が使用される。アブレイダブル材料層22は、上記第1のタイプの要素222と第2のタイプの要素224とが異なる厚さのアブレイダブル材料の層であり、これらの要素がケーシング210の内面の角度セクタに位置している。より正確には、同じ材料からなり、したがって、同じヤング率を有し、ケーシング210の内面全体にわたって配置される第1のタイプの要素222および第2のタイプの要素224が選択される。
このためには、確実に(ケーシングの軸と異なる厚さの第1のタイプの要素222と第2のタイプの要素224で覆われたケーシング210の内面との間の)半径方向の距離Rが一定であるように、刻み状の内面を有するケーシング210が使用される。
より正確には、互いに一定間隔で離間した長手方向の溝214による刻み状の内面を呈するのは、少なくともブレード付きホイール20のトラックを形成するケーシング210のセグメントである。溝間の距離は、各長手方向の溝214の角度セクタに等しくなるように選択される。したがって、2つの隣接する長手方向の溝214の間には、同じ角度範囲を有する長手方向のリブ212が形成される。
このように、本発明の第2の実施形態では、ケーシング210の内面は、長手方向のリブ212と長手方向の溝214とを交互に形成するように機械加工され、その後、アブレイダブル材料層220が堆積される。
このためには、初めは一定の厚さを呈する、言い換えれば、ケーシング210の内表面の像を構成する凹凸の刻み部分を呈する単一のアブレイダブル層220を作製することが可能である。層は、その後、半径Rのケーシングハウジングが得られるように、表面機械加工される。
あるいは、第1のタイプの要素222および第2のタイプの要素224を形成する材料をそれぞれ、ケーシング210の内表面の長手方向のリブ212および長手方向の溝214上に別々に堆積して、その結果、堆積膜がそのまま第1のタイプの要素222と第2のタイプの要素224とで異なる最終厚さを有することができる。第1のタイプの要素222と第2のタイプの要素224との厚さの差は、長手方向の溝214の深さに等しい。
本発明の第3の実施形態では、図5、図6で示されるように、不安定防止装置320が取り付けられるのは、ケーシング310の外面である。この場合、上記第2のタイプの要素は、ケーシングの外面で補剛材として働くラグを形成するようにケーシング310の外面から突出した角度セクタに配置されるリブ314である。したがって、ケーシングは、正面から見ると(図6)、刻み状である。
図示された例では、ケーシング310の外周には、7個のリブ314が不安定防止装置320である第1のタイプの要素を形成する7個のリブ無し角度セクタ312と交互に存在する。
ケーシング310を製造するために、3つのケーシングセグメント310a、310b、310bが、2つの隣接するケーシングセグメント間にそれぞれ位置する2つのディスク311a、311bと共に設けられる。
各ディスク311a、311bは、ケーシングセグメント310a、310b、310cの内径に等しい直径の内口と、リブの無い角度セクタ312およびリブのある角度セクタ314の外輪郭をそれぞれ画定する2つの同心円の間に伸びる外輪郭を有する。
3つのケーシングセグメント310a、310b、310cおよび2つのディスク311a、311bの積み重ねは、2つのディスクのリブ314が共通の角度セクタで位置合わせされるように組み立てられる。
したがって、リブ314は、リブ無し角度セクタ312とリブ付き角度セクタ314との所望の剛性差を得られるように十分に半径方向に伸びている。リブ314の長手方向(すなわち、ケーシング310の軸方向)の範囲に関しては、2つのディスク311a、311bを使用することを考えると、この範囲はディスク311a、311bの厚さに制限される。
長手方向の範囲が小さいリブ314の使用を示した解決策では、ケーシングが重くなりすぎるのを避けることができることは理解できる。しかし、長手方向の範囲が小さいリブ314ではなく、ケーシングの全長または大部分にわたって伸びる突出要素を設けることも可能である。
第3の実施形態では、ケーシングの内面が一定の厚さのアブレイダブル材料322の連続層で被覆される。層は、単一材料からなり、図1で示された先行技術のケーシング10の層12と同質である。
第3の実施形態では、上述した第1の実施形態や第2の実施形態とは違い、不安定防止装置を備えるのは、アブレイダブル材料層322ではなく、異なる剛性の角度セクタを有するケーシング310であることは理解できる。
したがって、ブレード付きホイールに結合されるケーシングの一部を形成する、本発明の装置の第1のタイプの要素および第2のタイプの要素を、抑止されるべきブレード付きホイールの振動モードの波数の倍数でない数になるように選択することにより、ロータとステータとの間で生じる接触現象時に、この振動モードがケーシング110、210、310に、またはブレード付きホイール内で伝播するのが防止されることが理解できる。
これらの実施形態は、関連する不安定防止装置に対して、ある特定の(4つの波数を有する)波Wと、ある特定の第1のタイプの要素および第2のタイプの要素の数(すなわち、各々7個)にのみ関するものである。
概して言えば、一連の第1のタイプの要素と第2のタイプの要素、すなわち、それらの数と個々の角度範囲とを適応させて、妨げるのが望ましいロータの振動モードの波数に適応するパターンを構成することが必要である。
10、110、210、310 ケーシング
12、120、220、322、A、B アブレイダブル材料層、不安定防止装置
20 ブレード付きホイール
320 不安定防止装置
122、222 第1のタイプの要素、アブレイダブル材料層
124、224 第2のタイプの要素
212 リブ
214 溝
310a、310b、310c ケーシングセグメント
311a、311b ディスク
312 リブ無し角度セクタ
314 リブ、リブ付き角度セクタ
R 半径方向の距離
W 波

Claims (16)

  1. 少なくとも1つのブレード付きホイール(20)を備えたロータを受承するのに適したターボ機械用の円筒状ケーシング(110、210、310)であって、ケーシング(110、210、310)が、ブレード付きホイールと位置合わせされた適切な位置に、ケーシング(110、210、310)とブレード付きホイール(20)との接触時の不安定を防止するための装置(120、220、320)を含み、前記装置(120、220、320)が、ケーシング(110、210、310)の外周に沿って配置され、2つの隣接する要素(122、124、222、224、312、314)間で異なる剛性を呈する一連の要素(122、124、222、224、312、314)を備え、同じ剛性の要素(122、124、222、224、312、314)の数が、抑止されるべきブレード付きホイール(20)の振動モードの波数の倍数に等しくないことを特徴とする、ケーシング(110、210、310)。
  2. 前記装置(120、220、320)が、第1の剛性を呈する第1のタイプの要素(122、222、312)と、第1の剛性とは異なる第2の剛性を呈する第2のタイプの要素(124、224、314)とを備えることを特徴とする、請求項1に記載のケーシング(110、210、310)。
  3. 前記第1のタイプおよび第2のタイプの要素(122、124)が、異なるヤング率を有し、ケーシング(110)の内面の角度セクタに配置されたアブレイダブル材料の層であることを特徴とする、請求項2に記載のケーシング(110)
  4. 前記第1のタイプの要素(222)および前記第2のタイプの要素(224)が、異なる厚さであり、ケーシング(10)の内面の角度セクタに配置されたアブレイダブル材料の層であることを特徴とする、請求項2に記載のケーシング(0)
  5. 前記第2のタイプの要素が、ケーシング(310)の外面の角度セクタに配置され、ケーシング(310)の外面から突出したリブ(314)であることを特徴とする、請求項2に記載のケーシング(310)。
  6. 第1のタイプの要素が第1の角度セクタサイズを有し、第2のタイプの要素が第2の角度セクタサイズを有すること、および第1の角度セクタサイズと第2の角度セクタサイズとは同一であることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)。
  7. 第1のタイプの要素が第1の角度セクタサイズを有し、第2のタイプの要素が第2の角度セクタサイズを有すること、および第1の角度セクタサイズと第2の角度セクタサイズとは異なることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)。
  8. ステータを形成する請求項1から7のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)と、ロータを形成するブレード付きホイール(20)とを備えるロータおよびステータアセンブリ。
  9. 前記ブレード付きホイール(20)が、一体型ブレード付きディスクまたは一体型ブレード付きリングであることを特徴とする、請求項8に記載のロータおよびステータアセンブリ。
  10. ステータとして、請求項1から7のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)を含む圧縮機。
  11. 請求項10に記載の圧縮機を含むターボ機械、特にターボジェット。
  12. ステータとして、請求項1から7のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)を含むファン。
  13. 請求項12に記載のファンを含むターボ機械、特にターボジェット。
  14. ステータとして、請求項1から7のいずれか一項に記載のケーシング(110、210、310)を含むタービン。
  15. 請求項14に記載のタービンを含むターボ機械、特にターボジェット。
  16. ターボ機械のステータケーシング(110、210、310)と少なくとも1つのブレード付きホイール(20)を備えたロータとの間の接触時に生じる不安定を防止する方法であって、ブレード付きホイール(20)の少なくとも1つの振動モードを抑止するステップを含む方法において、ケーシング(110、210、310)がその外周に沿って異なる剛性の角度セクタを有し、同じ剛性を有する角度セクタの数が抑止されるべきブレード付きホイール(20)の振動モードの波数の倍数に等しくないように、ブレード付きホイールと位置合わせした位置に、ケーシング(110、210、310)を配置するステップを含むことを特徴とする、方法。
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