JP6905074B2 - フラッター耐性が改善されたシュラウド付きブレード - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の回転ブレードに関し、特に、改善されたフラッター耐性のために交互の振動数離調を有するシュラウド付きブレードの列に関する。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械は、ガスタービンエンジンのタービンセクションにおいて高温ガス経路に沿って流れ配向要素の複数の段を含んでいる。各タービン段は、タービンセクションの軸方向に沿って配置された、静止ベーンの周方向の列及び回転ブレードの周方向の列を備える。ブレードの各列は、それぞれのロータディスクに取り付けられ、ブレードは、ロータディスクから高温ガス経路内に径方向外側に延在する。ブレードは、基部部分からエアフォイルの先端まで径方向に沿って翼長方向に延在するエアフォイルを含む。

各段における典型的なタービンブレードは、空気力学的かつ機械的に同一であるように構成される。これら同一のブレードは、ロータディスクにともに組み付けられ、ブレード付きロータシステムを形成する。エンジン動作中に、ブレード付きロータシステムは、システムモードで振動する。この振動は、低圧タービン段などの大型ブレードでは、より深刻である可能性がある。モードにおける重要な減衰源は、ブレードが振動するときにブレードに作用する空気力学的な力からである。所定の条件下では、モードのいくつかでの空気力学的減衰は、弱まることがあり、これがブレードを揺れさせる可能性がある。これが生じると、システムの振動応答は、ブレードがリミットサイクルに達するか又は破損するまで急激に増大する傾向がある。ブレードがリミットサイクルに達したとしても、それらの振幅は、ブレードを高サイクル疲労によって破壊させるのになおも十分に大きい可能性がある。

ブレードの固有振動数を高めるため、かつブレードが揺れる傾向を低減するために、ブレードには、先端シュラウド又はスナッバーが設けられ得る。スナッバーと先端シュラウドとの間の差異は、先端シュラウドが、エアフォイルの先端を覆って配置される一方で、スナッバーが、通常、先端から離れて配置され、典型的にはエアフォイルの翼長中間に取り付けられることである。図１は、先端シュラウド３０ａを有するタービンブレードを示す一方で、図２及び図３は、翼長中間シュラウド又はスナッバー３０ｂを有するタービンブレードを示す。先端シュラウド及びスナッバー双方は、同じ原理で働く。エアフォイルは、典型的には、予め捩じられてロータディスクに据え付けられている。エンジン動作中に、エアフォイルは、遠心力に起因して捩れが戻る傾向がある。エアフォイルに取り付けられた、先端シュラウド又はスナッバーは、ブレードの回転に起因して隣り合う先端シュラウド又はスナッバーと接触し、ブレードが所定の回転速度に達するとリングを形成する。リングは、ブレードの振動数を高めさせる強制力を提供し、これが、ブレードが揺れる傾向を低減する。

しかしながら、これらは、ブレード振動の問題により良好に対処するために改善の余地が残っている。

簡単に、本発明の態様は、改善されたフラッター耐性のために交互の振動数離調を有するシュラウド付きブレードに向けられている。

本発明の第１の側面によれば、ターボ機械のためのブレード付きロータシステムが提供される。ブレード付きロータシステムが、ロータディスクに取り付けられたブレードの周方向の列を備えている。各ブレードが、基部部分からエアフォイル先端まで径方向に沿って翼長方向に延在するエアフォイルと、エアフォイルの所定の翼長方向高さでエアフォイルに取り付けられたシュラウドと、を備えている。動作中に、隣り合うブレードのシュラウドが、周方向において隣接する。ブレードの列が、ブレードの第１セット及びブレードの第２セットを備えている。ブレードの第１セット及び第２セットにおけるエアフォイルが、回転軸周りで略同一の断面幾何学形状を有している。第２セットのブレードが、それぞれのセットに固有であるシュラウドの幾何学形状によって、第１セットのブレードから区別され、それにより、第２セットにおけるブレードの固有振動数が、所定の量だけ、第１セットにおけるブレードの固有振動数と異なっている。第１セット及び第２セットにおけるブレードが、前記周方向の列において周期的様式で交互となっており、ブレードのフラッターを安定させるために振動数離調を提供する。

本発明の第２の側面によれば、ターボ機械におけるブレードの列のためのブレードが提供される。ブレードが、基部部分からエアフォイル先端まで径方向に沿って翼長方向に延在するエアフォイルと、エアフォイルの所定の翼長方向高さでエアフォイルに取り付けられたシュラウドと、を備えている。ブレードが、列においてブレードの第１セット又はブレードの第２セットと同一であるように構成されている。ブレードの第１セット及び第２セットにおけるエアフォイルが、回転軸周りで略同一の断面幾何学形状を有している。第２セットのブレードが、それぞれのセットに固有であるシュラウドの幾何学形状によって、第１セットのブレードから区別され、それにより、第２セットにおけるブレードの固有振動数が、所定の量だけ、第１セットにおけるブレードの固有振動数と異なっている。第１セット及び第２セットにおけるブレードが、前記周方向の列において周期的様式で交互となっており、ブレードのフラッターを安定させるために振動数離調を提供する。

本発明は、図を用いてより詳細に示される。図は、好ましい形態を示し、本発明の範囲を限定するものではない。

先端シュラウドを有する回転ブレードの列を示す。 スナッバーを有する回転ブレードの列を示す。 ブレードエアフォイルの翼長中間に取り付けられたスナッバーを有する個々のブレードの斜視図である。 先端シュラウドを有する標準的なブレードの軸方向端部図を概略的に示す。 本発明の例示的な一実施形態による、より薄い先端シュラウドを有する離調されたブレードの軸方向端部図を概略的に示す。 本発明の例示的な一実施形態による、２つの厚い先端シュラウド付きブレードの間の薄い先端シュラウド付きブレードを描く、ブレードの列の軸方向端部図を概略的に示す。 本発明の例示的な一実施形態による、厚いスナッバーを有するブレードの間の薄いスナッバーを有するブレードを特徴づける、交互に離調されたスナッバーを有するブレードの列の軸方向端部図を概略的に示す。 タービンブレードの列の交互の離調をグラフで示す。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、好ましい実施形態の一部を形成する添付の図面を参照し、図面においては、本発明が実施される可能性のある特別な実施形態が、説明のために示され、限定のために示されていない。他の実施形態が、利用されてもよく、変更が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくなされてもよいことを理解されたい。

図面では、方向Ａは、タービンエンジンの軸と平行な軸方向を意味する一方で、方向Ｒ及びＣは、タービンエンジンの前記軸に対する径方向及び周方向をそれぞれ意味する。

本発明の図示された実施形態は、ガスタービンエンジンのタービンセクションにおけるシュラウド付きタービンブレードに向けられている。しかしながら、本明細書での実施形態は、単に例示的である。あるいは、例えば限定することなく、本発明の態様は、航空ガスタービンエンジンのコンプレッサセクションの入口でのファンブレードに組み込まれてもよい。

交互の振動数離調が、結果として生じる新たな離調システムモードが安定的であるように、すなわち、それら離調システムモードがすべてポジティブな空気力学的減衰を有するように、システムモードをゆがませることができることが分かった。従って、予め決定された交互の離調の所定量を有するブレードを設計することができることが望ましい。交互の離調は、周方向において周期的様式で高振動数と低振動数との間の交互の列のブレードを有することによって、ブレードに実施されてもよい。今までのところ、ブレードの交互の離調は、ブレード列における交互のブレードのエアフォイルの質量及び／又は幾何学形状を修正することによって実施されてきた。

本発明の実施形態は、ブレード列におけるブレードのセットについてのシュラウドの幾何学形状を修正する原理に基づいており、このため、前記ブレードのセットは、離調され、ブレード列におけるブレードの残りに対して異なる振動数を有する。図４〜図７に描かれる図示された実施形態に従って、ロータディスク１２に取り付けられたブレード１４の周方向の列が、ブレード１４の第１セットＨ及びブレード１４の第２セットＬを備えている。ブレード１４の第１セットＨ及び第２セットＬにおけるエアフォイル１６は、回転軸２２周りで本質的に同一の断面幾何学形状を有する。すなわち、エアフォイル断面形状と、回転軸２２とのエアフォイル翼弦の角度と、は、ブレード１４の第１セットＨ及び第２セットＬにわたって本質的に一定である。さらに、図示された実施形態の状況では、列の各ブレード１４が、ブレード１４をロータディスク１２に取り付けるための、本質的に同一のモミの木状の取付具（ブレード基部）を有することが仮定される。第２セットＬのブレード１４は、それぞれのセットＨ又はＬに固有であるシュラウド３０の幾何学形状によって、第１セットＨのブレード１４から区別されている。それにより、第２セットＬにおけるブレード１４の固有振動数は、所定の量だけ、第１セットＨにおけるブレード１４の固有振動数と異なる。図示された例では、第２セットＬにおけるブレード１４は、離調され、第１セットＨのブレード１４よりも低い振動数を有する。第１セットＨ及び第２セットＬにおけるブレード１４は、前記周方向の列において周期的様式（すなわち各セットの１つ以上のブレードの交互のグループ）で交互となっており、ブレード１４のフラッターを安定させるために振動数離調を提供してもよい。

本明細書の文脈では、用語“シュラウド”は、ブレードエアフォイルの先端に取り付けられた先端シュラウドを参照するか、又はブレードエアフォイルの翼長中間領域に取り付けられたスナッバーを参照する。翼長中間領域は、基部とエアフォイルの先端との間に配置された任意の領域と理解される。例示的な実施形態では、翼長中間スナッバーは、基部から測定されるとブレードの翼長の４０％から７０％の間に配置されている。

ここで、図４を参照すると、タービンブレード１４は、径方向に沿って翼長方向に延在するエアフォイル１６を含んでいる。当業者には公知なように、エアフォイル１６は、前縁６及び後縁（図示せず）において接合された、全体として凹状の圧力側２と、全体として凸状の吸引側４と、を備えている。エアフォイル１６の径方向内側端部は、プラットフォーム２４において基部１８に連結されている。図示された実施形態では、基部１８は、モミの木形状を有し、このモミの木形状は、ロータディスク１２の対応する形状とされたスロット２６内に嵌合する。ブレードの固有振動数を高めるとともに、揺れる傾向を低減させるために、ブレード１４には、周方向に延在するシュラウド３０が設けられている。図４の実施形態では、シュラウド３０は、エアフォイル１６の径方向外側端部においてエアフォイル先端２０に取り付けられた先端シュラウド３０ａである。エアフォイル１６は、基部から先端まで測定された径方向長さｒを有する一方で、先端シュラウド３０ａは、径方向厚さｔを有する。複数のブレード１４は、ブレード列を形成するために、ロータディスク１２の周囲を囲むように据え付けられている。ブレード列における隣り合うブレード１４のプラットフォーム２４は、高温ガスのための内側流路境界を形成するために、互いに隣接し、エアフォイル１６は、流路を横切って径方向外側に延在する。

各ブレードエアフォイル１６は、その翼長方向軸周りで捩じられていてもよい。エンジン動作中に、ブレード１４は、回転軸２２周りで回転し、それにより、遠心力及び空気力学的な力が、ブレード列における各ブレードエアフォイル１６の捩れを戻し、このため、各先端シュラウド３０ａの圧力側接触縁部４２ａが、列において隣り合うブレード１４の先端シュラウド３０ａの吸引側接触縁部４４ａに隣接し、連続的なシュラウドリングを形成する。隣り合う先端シュラウド３０ａの間の隣接接触は、ブレードの捩れが戻ることを制限することを支援し、動作中にブレードの正確な配向を確立する。シュラウドリングは、ブレードの振動数を高めさせる強制力を提供し、これが、ブレードが揺れる傾向を低減させる。

図示された実施形態に従って、先端シュラウド３０ａの幾何学形状は、ブレード列におけるブレードのセットについて修正され、このため、前記ブレードのセットは離調され、ブレード列におけるブレードの残りに対して異なる振動数を有する。

図５は、本発明の第１実施形態に従った、ブレード列の離調された（すなわちより低い振動数を有する第２セットＬに属する）ブレードを図示する。説明のために、ブレード列における標準的な（すなわちより高い振動数を有する第１セットＨに属する）ブレードは、図４に描かれたものと同じ幾何学形状を有することが仮定される。示されるように、離調されたブレード１４は、径方向厚さｔ−Δｔを有する、より薄い先端シュラウド３０ａを有し、ここで、ｔは、第１セットＨ（図４参照）のブレードの先端シュラウド３０ａの径方向厚さであり、Δｔは、第１セットＨ及び第２セットＬにおける先端シュラウド３０ａの間の径方向厚さの差である。より薄い先端シュラウド３０ａは、離調されたブレード１４の固有振動数を減少させる。先端シュラウド３０ａの径方向厚さの差Δｔは、図５に示されるように、離調されたブレードのエアフォイル１６の径方向長さをｒ＋Δｔに対応して増大させることによって補償されてもよい。それにより、ブレードの特定の列について、ブレードの全長ｒ＋ｔは、すべてのブレード１４について同じになる。

図６は、本発明のコンセプトの変形例に従うブレード付きロータシステム１０の一部分を示し、２つの厚い先端シュラウド付き（標準的な）ブレードの間の薄い先端シュラウド付き（離調された）ブレードを描く。示されるように、第２セットＬにおける先端シュラウド３０ａは、第１セットＨにおける先端シュラウド３０ａに対してより小さい平均径方向厚さを有する。示されるように、エアフォイル先端との取付ポイント３２での先端シュラウド３０ａの径方向厚さは、第１セットＨにおけるブレードについてはｔである一方で、エアフォイル先端との取付ポイント３２での先端シュラウド３０ａの径方向厚さは、第２セットＬにおけるブレードについてはｔ−Δｔである。示されるように、第２セットＬにおけるエアフォイル１６は、（径方向長さｒを有する）第１セットＨにおけるエアフォイル１６に対して、基部部分１８からエアフォイル先端２０まで対応してより大きい径方向長さ（ｒ＋Δｔ）を有する。それにより、エアフォイル１６の径方向長さと、エアフォイル先端２０との取付ポイント３２での関連するシュラウド３０ａの径方向厚さと、の総合計（ｒ＋ｔ）は、ブレードの第１セット及び第２セットにわたって一定である。図示された実施形態では、第１セットＨのシュラウド３０ａは、それぞれのエアフォイル先端２０との取付ポイント３２から離れるようにテーパとなった径方向厚さを有し、このため、周方向において隣り合う先端シュラウド３０ａは、接触縁部４２ａ，４４ａの同じ径方向厚さに沿って隣接する。

本発明の別の実施形態に従って、翼長中間シュラウド又はスナッバー３０ｂの幾何学形状は、ブレード列におけるブレードのセットに対して修正され、このため、前記ブレードのセットは、離調され、列におけるブレードの残りに対して異なる振動数を有する。スナッバー付きブレードの振動数は、スナッバーの平均径方向厚さ及び／又はエアフォイルの翼長に沿ったスナッバーの位置によって影響を与えられ得る。結果として、スナッバーの厚さ及び／又は翼長方向の位置は、ブレードの振動数を変更するために修正され得る。

図７は、例示的な一実施形態に従った、交互に離調されたスナッバー３０ｂを有するブレード付きロータシステム１０の一部分を示す。図面は、厚いスナッバーを有する標準的なブレードの間の薄いスナッバーを有する離調されたブレードを特徴づける。示されるように、（第２セットＬに属する）離調されたブレードにおけるスナッバー３０ｂは、第１セットＨにおけるブレードのスナッバー３０ｂよりも小さい平均径方向厚さを有する。示されるように、第１セットＨにおけるスナッバー３０ｂと、第２セットＬにおけるスナッバー３０ｂと、は、エアフォイル先端２０から異なる距離においてそれぞれのエアフォイル１６に取り付けられている。それにより、第１セットＨにおけるエアフォイル１６の自由長さｒ_ｅ１は、第２セットＬにおけるエアフォイル１６の自由長さｒ_ｅ２よりも小さい。エアフォイル１６の自由長さは、エアフォイル先端２０と、関連するスナッバー３０ｂの最も近い取付ポイント３４と、の間の径方向距離として定義される。エアフォイルの交互の自由長さの結果として、第２セットＬにおけるブレード１４の振動数は、第１セットＨにおけるブレード１４の振動数よりも低くなる。図示された実施形態では、第１セットＨのスナッバー３０ｂは、それぞれのエアフォイル先端２０との取付ポイント３４から離れるようにテーパとなった径方向厚さを有し、このため、周方向において隣り合うスナッバー３０ｂは、接触縁部４２ｂ，４４ｂの同じ径方向厚さに沿って隣接する。示されるように、基部部分１８からエアフォイル先端２０までの各エアフォイル１６の径方向長さは、ブレードにおける第１セット及び第２セットにわたって一定である。

一例として、フラッターを有効に安定させるために、シュラウドの幾何学形状は、製造公差よりも約１．５％から２％高い離調を達成するように修正され得る。図８は、４０個のタービンブレードの列における交互の離調をグラフで示す。本実施形態では、奇数の番号とされたブレードが、２５０Ｈｚの振動数を有する一方で、偶数の番号とされたブレードが、２５５Ｈｚの振動数を有する。この例では、ブレード振動数の差は５Ｈｚである。結果として、偶数の番号とされたブレードの振動数は、奇数の番号とされたブレードの振動数よりも２％大きく、すなわち、離調の量は２％である。別の例では、偶数及び奇数の高振動数及び低振動数ブレードの代わりに、１つ以上の高振動数及び低振動数ブレードのグループが、ブレード列において周方向に沿って周期的様式で、例えばＨＨＬＬＨＨ，ＨＨＬＨＨなどを含むパターンで交互となってもよい。

上述したように、回転軸周りでのエアフォイルの断面幾何学形状は、高振動数ブレードＨ及び低振動数ブレードＬ双方にとって本質的に同じである。高振動数ブレードＨにおけるエアフォイルと低振動数ブレードＬにおけるエアフォイルとの間の唯一の差異は、低振動数（離調された）ブレードＬについて若干長いエアフォイルの径方向長さである。これは、一様なエアフォイル幾何学形状が考慮されなければならないので、最適な空気力学的効率を有するエアフォイルを設計することを容易にする。さらに、図示された実施形態は、例えば内部冷却チャネルを含む中空エアフォイルを有するブレードのために交互の離調を使用することを可能にする。中空エアフォイルの設計は、中実エアフォイルの設計よりも制限される。離調された先端シュラウド及びスナッバーを使用することは、空気効率を落とすことなくこのような中空ブレードのために交互の離調を実施するための可能性を提供する。

特別な実施形態が、詳細に説明されたが、当業者は、本開示の全体的な教示の観点からこれら詳細に対してさまざまな修正及び変更が行われることが可能であることを理解するであろう。従って、開示された特定の構成は、単に説明するものと意図され、本発明の範囲を限定しないものと意図され、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の完全な広がりと、任意及びすべてのその等価物と、に与えられる。

１０ ブレード付きロータシステム、１２ ロータディスク、１４ ブレード、１６ エアフォイル、１８ 基部部分、２０ エアフォイル先端、２２ 回転軸、３０ シュラウド、３０ａ 先端シュラウド、３０ｂ スナッバー、３２ 取付ポイント、３４ 取付ポイント、Ｈ 第１セット、Ｌ 第２セット

Claims (2)

1. ターボ機械のためのブレード付きロータシステム（１０）であって、
   ロータディスク（１２）に取り付けられたブレード（１４）の周方向の列を備え、各ブレード（１４）が、
   基部部分（１８）からエアフォイル先端（２０）まで径方向に沿って翼長方向に延在するエアフォイル（１６）と；
   前記エアフォイル（１６）の所定の翼長方向高さで前記エアフォイル（１６）に取り付けられたシュラウド（３０）と；
   を備え、
   動作中に、隣り合うブレード（１４）のシュラウド（３０）が、周方向において隣接し、
   前記ブレード（１４）の列が、ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）及びブレード（１４）の第２セット（Ｌ）を備え、前記ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）及び第２セット（Ｌ）における前記エアフォイル（１６）が、回転軸（２２）周りで略同一の断面幾何学形状を有し、
   前記第２セット（Ｌ）の前記ブレード（１４）が、前記第１セット（Ｈ）及び前記第２セット（Ｌ）に固有である前記シュラウド（３０）の幾何学形状によって、前記第１セット（Ｈ）の前記ブレード（１４）から区別され、それにより、前記第２セット（Ｌ）におけるブレード（１４）の固有振動数が、所定の量だけ、前記第１セット（Ｈ）におけるブレード（１４）の固有振動数と異なり、
   前記第１セット（Ｈ）及び前記第２セット（Ｌ）におけるブレード（１４）が、前記周方向の列において周期的様式で交互となっており、前記ブレード（１４）のフラッターを安定させるために振動数離調を提供し、
   前記シュラウド（３０）が、前記エアフォイル先端（２０）に取り付けられた先端シュラウド（３０ａ）であり、
   前記ブレード（１４）の第２セット（Ｌ）における前記先端シュラウド（３０ａ）が、前記ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）における前記先端シュラウド（３０ａ）に対してより小さい平均径方向厚さを有し、
   前記ブレード（１４）の第２セット（Ｌ）における前記エアフォイル（１６）が、前記ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）における前記エアフォイル（１６）に対して、前記基部部分（１８）から前記エアフォイル先端（２０）まで対応してより長い径方向長さを有し、このため、エアフォイル（１６）の径方向長さと、前記エアフォイル先端（２０）との取付ポイント（３２）での関連する前記先端シュラウド（３０ａ）の径方向厚さと、の総合計が、前記ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）及び第２セット（Ｌ）にわたって一定であり、
   周方向において隣り合う先端シュラウド（３０ａ）が、同じ径方向厚さに沿って隣接することを特徴とするブレード付きロータシステム（１０）。
2. 前記ブレード（１４）の第１セット（Ｈ）の前記先端シュラウド（３０ａ）が、それぞれの前記エアフォイル先端（２０）との前記取付ポイント（３２）から離れるようにテーパとなった径方向厚さを有し、このため、周方向において隣り合う先端シュラウド（３０ａ）が、同じ径方向厚さに沿って隣接することを特徴とする請求項１に記載のブレード付きロータシステム（１０）。

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