JP7286768B2 - 分布型ハイブリッド減衰システム - Google Patents

Description

本主題は、広くには、振動の減衰のためのシステムおよび機構に関し、より具体的には、デュアルモード振動減衰システムに関する。

大型の産業用ガスタービン（ＩＧＴ）のブレードは、ブレードの振動を引き起こす変動する空気力学的荷重に曝される。これらの振動を適切に減衰させないと、高サイクル疲労および早期のブレードの不具合につながる可能性がある。最終段ブレード（ＬＳＢ）が、最も背が高く、したがってタービンの最も振動が問題となる構成要素である。タービンブレードの従来からの振動減衰方法として、プラットフォームダンパ、減衰ワイヤ、およびシュラウドが挙げられる。

プラットフォームダンパは、ブレードプラットフォームの下方に据えられ、ブレードプラットフォームに運動が存在する中型および長尺のシャンクのブレードに効果的である。ＩＧＴの後段のブレードは、ブレードの重量を減らし、したがってロータへの引張加重を小さくするためにシャンクが短く、したがってプラットフォームダンパが役立たない。

ＩＧＴ ＬＳＢの減衰は、多くの場合、主にシュラウドによってもたらされる。シュラウドは、ブレード先端に位置することができ（先端シュラウド）、あるいはハブと先端との間のスパンの途中に位置することができる（スパン途中シュラウド）。スパン途中シュラウドおよび先端シュラウドは、隣接するブレードに接触し、それらが互いに擦れ合うときに減衰をもたらす。さらに、シュラウドは、ブレードの固有周波数を調節または調整するための効率的なやり方を提供する。

シュラウドは、翼形部に減衰および剛性をもたらす一方で、ブレードの重量を増やし、結果として、ロータへの引張荷重が大きくなることで、ロータの重量およびコストが増加する。したがって、後段のブレードのための軽量な解決策が魅力的であり、機械の全体的な出力の増加を推進することができる。また、シュラウドは、空気力学的性能を犠牲にする可能性がある。先端シュラウドは、応力集中を低減するために大きな先端フィレットを必要とし、これが先端部損失を生じさせる。スパン途中シュラウドは、流路に追加の妨害物を作り出し、空気力学的効率を低下させる。最後に、先端シュラウドは、ブレードの振動モード形状に大きなねじれを誘発し、空力弾性フラッタ不安定性を高めることが示されている。

特開２０１８－１３５８０３号公報

現時点の実施形態の態様を、以下に要約する。これらの実施形態は、現時点の特許請求される実施形態の技術的範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、実施形態について考えられる形態の概要を提供しようとするものにすぎない。さらに、実施形態は、以下で説明される実施形態と同様であっても、異なってもよい特許請求の範囲の技術的範囲と同等のさまざまな形態を包含することができる。

一態様において、減衰システム２４において使用するための単位セル２６が、衝突構造３４と、衝突構造３４が封入された空洞３２であって、第１の半球３２Ａおよび第２の半球３２Ｂを備え、基材２８内に配置され、基材２８は空洞３２の外側ケーシングを形成している空洞３２と、衝突構造３４と外側ケーシング２８との間の第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂの各々に配置された少なくとも１つの流体３６とを含む。

別の態様において、振動減衰システム２４が、複数の単位セル２６を含み、複数の単位セル２６の各単位セル２６は、実質的に球状の衝突構造３４と、実質的に球状の衝突構造３４が封入された空洞３２であって、第１の半球３２Ａおよび第２の半球３２Ｂを備え、基材２８内に配置され、基材２８は空洞の外側ケーシングを形成している空洞３２と、実質的に球状の衝突構造３４と外側ケーシングとの間の第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂの各々に配置された少なくとも１つの流体３６とを含む。この振動減衰システム２４は、基材２８内の少なくとも１つの振動モードを減衰させる。

別の態様において、タービンブレードが、タービンブレード１０内に配置された内部振動減衰システム２４を含み、内部振動減衰システム２４は、複数の単位セル２６を含み、各単位セル２６は、衝突構造３４と、衝突構造３４が封入された空洞３２であって、第１の半球３２Ａおよび第２の半球３２Ｂを備え、タービンブレード１０の基材２８内に配置され、基材２８は空洞の外側ケーシングを形成している空洞３２と、衝突構造３４と外側ケーシングとの間の第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂの各々に配置された少なくとも１つの流体３６とを含む。振動減衰システム２４は、タービンブレード１０内の少なくとも１つの振動モードを減衰させる。

本開示のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しつつ検討することで、よりよく理解されるであろう。添付の図面においては、図面の全体を通して、類似する符号は類似する部分を表している。

スパン途中シュラウドおよび先端シュラウドを有するタービンブレードの側面概略図である。 内部減衰システムを有するタービンブレードの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの側面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの上面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの上面概略図である。 内部減衰システムの単位セルの上面概略図である。 内部減衰システムの側面概略図である。 内部減衰システムの側面概略図である。 本明細書に開示される実施形態の態様による少なくとも１つの内部減衰システムを有するタービンブレードの側面概略図である。

別段の指示がない限り、本明細書において提示される図面は、本開示の実施形態の特徴を説明することを意図している。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を含む多種多様なシステムにおいて適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示の実施形態の実践に必要となる当業者にとって既知の従来からの特徴をすべて含むことを意図していない。

以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語が参照されるが、これらの用語は、以下の意味を有するように定義されるものとする。

単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、言及対象の数量が複数である場合を含む。

「随意による（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「随意により（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、この後に続いて述べられる事象または状況が生じても、生じなくてもよいことを意味し、本明細書は、その事象が生じる事例および生じない事例を含む。

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用されるとき、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく許容範囲で変動することができる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例において、近似を表す文言は、値を測定するための計測器の精度に対応することができる。ここで、本明細書および特許請求の範囲の全体を通して、範囲の限定は、文脈または文言がそのようでないことを示していない限り、そのような範囲がそこに含まれるすべての部分的範囲と同一視され、そのような部分的範囲を含むように、組み合わせおよび／または入れ替えが可能である。

本明細書において使用されるとき、「軸方向」という用語は、ガスタービンエンジンの中心軸またはシャフトに整列した方向を指す。

本明細書において使用されるとき、「円周方向」という用語は、ガスタービンエンジンの外周（または、例えばガスタービンエンジンのロータの通過領域によって定められる円）を巡る方向（さらには、そのような外周または円に対する接線方向）を指す。本明細書において使用されるとき、用語「円周方向」および「接線方向」は、同義語であってよい。

本明細書において使用されるとき、「半径方向」という用語は、ガスタービンエンジンの中心軸から離れて外向きに移動する方向を指す。「半径方向内向き」の方向は、中心軸に向かって整列し、半径が減少する方に移動する。「半径方向外向き」の方向は、中心軸から遠ざかるように整列し、半径が増加する方に移動する。

本明細書に記載の実施形態は、他の適用可能な構成要素の中でも、とりわけ産業用ガスタービンの大型の後段ブレードの内部の分布型振動減衰構造を含む。これらのダンパ構造は、小さな振動レベルに関して粘性減衰の原理にて働き、より大きな振動に関して衝突減衰の原理にて働く。適切に設計されると、これらのダンパは、タービンブレードシュラウドの必要性を排除することができ、得られる後段のＡＮ^２エンタイトルメントならびに大型産業用ガスタービンの出力を大幅に増加させる（ＡＮ^２は、流路の環状の面積にロータ速度（ＲＰＭ）の２乗を乗じたものである）。

図１が、根元部分１２から先端部分１４まで延び、かつ前縁１６から後縁１８まで延びる例示的なタービンブレード１０を示している。さらに、図１に示されるタービンブレードは、スパン途中シュラウド２０および先端シュラウド２２を含む。

図２が、複数の単位セル２６を含む内部減衰システム２４を含んでいる本明細書に開示の実施形態によるタービンブレード１０を示している。図２の実施形態は、図１のスパン途中シュラウド２０および／または先端シュラウド２２ではなく、内部減衰システム２４を利用する。この減衰システム２４の単位セル２６を、隣接する単位セル２６がタービンブレード１０の全体にわたって半径方向、円周方向、および／または軸方向に延びるように、マトリックス状および／またはアレイ状に接続することができる。減衰システム２４を構成する単位セル２６のマトリックスおよび／またはアレイは、タービンブレード１０の全体にわたって均一であってよく、あるいはマトリックスおよび／または単位セル２６をタービンブレード１０の異なる部分における異なる振動特性に対処すべく必要に応じて調整できるように、不均一であってよい。

図３が、流体３６で満たされた空洞３２を有する外側ケーシング２８と、ボール状、実質的に球状、および／または例えば楕円体などの他の適切な形状であってよい衝突構造３４に結合したダイアフラム３０とを含むことができる個々の単位セル２６を示している。ダイアフラム３０および衝突構造３４は、どちらも、所望の質量および／または材料特性を有する金属および／または他の適切な材料であってよい。空洞３２は、実質的に球状であってよい。ダイアフラム３０および衝突構造３４を、衝突構造－ダイアフラムのアセンブリの固有振動数が、減衰させるべき構成要素（すなわち、例えばタービンブレード１０）の固有振動数と一致するように、設計することができる。小さな振動の下では、衝突構造３４が流体３６内で流体を跳ね飛ばしながら動き、衝突構造３４に粘性抗力が生じる。より大きな振動の下では、衝突構造３４が外側ケーシング２８（すなわち、ダイアフラム３０との境界において）に衝突し、衝突減衰を生じさせることができる。これらの単位セルダンパ２６のアレイを、構造または構成要素（すなわち、例えばタービンブレード１０）に分布型減衰をもたらすために使用することができる。複数の振動モードが減衰を必要とし得る構造の場合、単位セル２６の異なるグループを含む減衰システム２４を、各々のモードを別個に標的として配置することができる。

さらに、単位セル２６は、外側ケーシング２８の内部に配置された嚢３３を含むことができる。嚢３３を、流体３６を保持するために使用することができる。嚢３３を、充分に耐熱性であり、所望の材料特性を提供する金属材料および／または他の材料で構成することができる。嚢３３を、外側ケーシング２８の内面に溶接、ろう付け、エポキシ、接着、および／または他の方法で取り付けることができる。さらに、嚢３３は、ダイアフラム３０に（溶接、ろう付け、エポキシ、および／または他の取り付け手段によって）取り付けられてもよい。さらに、嚢３３は、嚢３３を通ってダイアフラム３０を配置することができるように、１つ以上の孔および／またはスロットを含むことができる。嚢３３に配置された孔および／またはスロットを含む実施形態においては、流体３６が嚢３３から出ることがないように、シール材および／またはシール機構を嚢３３とダイアフラム３０との間の任意の界面に配置することができる。さらに、シール機構を、嚢３３に流体３６を充てんするために使用することもできる。例えば、嚢３３とダイアフラム３０との間の界面に、ねじ山付きのプラグを配置することができる。ダイアフラム３０が嚢３３内の孔またはスロットの間に配置された後に、嚢３３に流体３６を充てんし、その後にプラグをダイアフラム３０との界面において嚢３３へと固定することができる。他の実施形態においては、単位セル２６が配置される外側ケーシング２８内の空隙を、流体３６が空洞３２内に留まることを保証するための充分な封止を提供するような寸法とすることができるため、嚢３３は必要でないかもしれない。

図４が、ダイアフラム３０、空洞３２、衝突構造３４、および外側ケーシング２８によって囲まれた流体３６を含む個々の単位セル２６を示している。図４の実施形態は、ダイアフラム３０および他の特徴が図３の対応する特徴に対して直交するように配向されている。上述および後述のように、単位セル２６およびそのアレイの各々を、特定の構成要素（すなわち、タービンブレード１０）および／または構成要素の特定の場所の振動要件に対処するような配置および／または配向とすることができる。

図５が、ダイアフラム３０、空洞３２、衝突構造３４、および外側ケーシング２８によって囲まれた流体３６を含む個々の単位セル２６を示している。図５の実施形態は、空洞３２を集合的に形成する第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂを含む。換言すると、単位セル２６は、２つの別々の部分、すなわち第１の半球３２Ａおよび第２の半球３２Ｂに分割された空洞３２を含む。第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂの各々は、流体３６で満たされた別個のチャンバである。ダイアフラム３０および衝突構造３４は、集合的に、第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂの間の境界を形成する。したがって、ダイアフラム３０は、衝突構造３４の表面から半径方向外向きにケーシング２８まで延びる衝突構造３４の周りの周状リングを形成する。

さらに図５を参照すると、第１および第２の半球３２Ａ、３２Ｂは、別個ではあるが、衝突構造３４を通って配置された複数の流体通路３８を介して流体連通している。第１の半球３２Ａからの流体が、複数の流体通路３８のうちの少なくとも１つに進入し、第２の半球３２Ｂへと流れ込むことができる。程度の小さい振動を被るとき、衝突構造３４が空洞３２の一方側から他方側に移動し、流体３６を、複数の流体通路３８のうちの１つ以上を通って、第１の半球３２Ａから第２の半球３２Ｂへと押し流し、あるいは第２の半球３２Ｂから第１の半球３２Ａへと押し流す。この流体の運動は、流体３６に粘性抗力を生じさせ、粘性によるエネルギの散逸および減衰を生じさせる。流体３６は、ガリウムおよび／または他の適切な流体を少なくとも部分的に含むことができる。複数の流体通路３８の各々は、実質的に管状および／または円筒形の形状であってよく、構成要素が被る可能性がある予想される振動に少なくとも部分的に基づいて、流体通路を通る流体の所望の粘度を達成するように特に選択された外径を有することができる。複数の流体通路３８の各々は、約２～約２００ミルの間の内径（あるいは、流体通路の断面が円形でない実施形態の場合は、最小寸法）を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約３～約１００ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約４～約５０ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約５～約３０ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約６～約２０ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約８～約１６ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。他の実施形態において、複数の流体通路３８の各々は、約１０～約１４ミルの間の内径または最小寸法を含むことができる。

図６が、ダイアフラム３０、空洞３２、衝突構造３４、および外側ケーシング２８によって囲まれた流体３６を含む個々の単位セル２６を示している。図６の実施形態は、振動によって衝突構造３４（衝突構造３４内に配置された複数の流体通路３８を含む）が空洞内で第１の半球３２Ａに向かって並進運動する大きな振動における動作状態を示している。衝突構造３４は、空洞３２および／または外側ケーシング２８の縁部に接触する。図６の実施形態において、ダイアフラム３０は、大きい振動に起因し、したがって第１の半球３２Ａに向かう衝突構造３４の移動に起因して、撓むことができる。衝突構造３４が第１の半球３２Ａに向かって移動し、さらには／あるいは第１の半球３２Ａ内に移動するとき、流体３６は複数の流体通路３８のうちの１つ以上を通って移動し、粘性減衰を引き起こす。衝突構造３４が外側ケーシング２８に接触すると、衝突減衰が生じ、内部減衰システム２４による構成要素または構造の振動の吸収および／または軽減をさらに生じさせる。

図７が、図６の実施形態と同様の個々の単位セル２６を示している。図７の実施形態において、大きな振動が、第２の半球３２Ｂに向かい、さらには／あるいは第２の半球３２Ｂへと入る衝突構造３４の移動を生じさせ、衝突構造３４が外側ケーシング２８に接触する。図７の実施形態において、ダイアフラムは、大きな振動および衝突構造３４の移動に起因して、第２の半球３２Ｂに向かって撓むことができる。

図８が、ダイアフラム３０、空洞３２、衝突構造３４、および外側ケーシング２８によって囲まれた流体３６を含む個々の単位セル２６を示している。図８の実施形態は、第１の半球３２Ａ内に配置された第１のストッパ４０と、第２の半球３２Ｂ内に配置された第２のストッパ４２とを含む。第１および第２のストッパ４０、４２の各々は、衝突構造３４の可動範囲を制限するように機能することができる。本明細書に開示される実施形態によれば、衝突構造３４、ダイアフラム３０、複数の流体通路３８、および／または単位セル２６の他の特徴の損傷を防止し、さらには／あるいは損傷の可能性を減らすために、衝突構造３４の移動の範囲を制限することが望ましい場合がある。少なくとも１つのストッパ４０、４２を含む単位セル２６の実施形態において、衝突構造３４は、外側ケーシング２８よりもむしろ第１および／または第２のストッパ４０、４２に接触することができる。先の実施形態と同様に、図８の減衰システム２４は、構造または構成要素（すなわち、タービンブレード１０）における振動の吸収および／または減衰のための手段として、粘性減衰および衝突減衰の両方を含む。より程度の大きい振動を被る場合、第１および／または第２のストッパ４０、４２は、より良好なクリアランスの画定および耐久性の向上を可能にすることができる。衝突構造３４と第１および／または第２のストッパ４０、４２との間の接触は、流体の運動からの粘性減衰を補う第２の減衰モード（衝突振動減衰）を可能にする。衝突構造３４およびストッパ４０、４２の別の使用は、ダイアフラム３０が大きな振動応力によって損傷することがないように、衝突構造３４の変位を許容限界未満に保つことである。

図９が、ダイアフラム３０、空洞３２、および衝突構造３４を含む個々の単位セル２６を示している。図５～図８の実施形態を、単位セル２６の側面図として説明することができる一方で、図９の実施形態を、上面図として説明することができる。図９は、衝突構造３４内に配置された複数の流体通路３８を示している。図９の実施形態において、複数の流体通路３８の各々の流体通路は、衝突構造３４の中心軸線４４からほぼ等しい距離に配置されている。図９の実施形態は、衝突構造３４内に配置された６つの流体通路３８を含む。本明細書に開示される実施形態の他の構成において、衝突構造３４は、衝突構造３４内に配置された単一の流体通路３８、ならびに例えば２つ、３つ、４つ、５つ、７つ、または８つ以上の流体通路３８など、他の数の流体通路３８を含むことができる。

図１０が、ダイアフラム３０、空洞３２、および衝突構造３４を含む個々の単位セル２６の上面図を示している。図１０の実施形態において、単位セル２６は、衝突構造の中心軸線４４から第１の半径（または、距離）に配置された第１の複数の流体通路３８Ａと、衝突構造の中心軸線４４から第２の半径（または、距離）に配置された第２の複数の流体通路３８Ｂとを含む。第１の半径（または、距離）は、第２の半径（または、距離）よりも大きくてよい。

図１１が、ダイアフラム３０、空洞３２、および衝突構造３４を含む個々の単位セル２６の上面図を示している。図１１の実施形態において、単位セル２６は、第１の通路直径を含む第３の複数の流体通路３８Ｃと、第２の通路直径を含む第４の複数の流体通路３８Ｄとを含む。第１の通路直径は、第２の通路直径よりも小さくてよい。さらに、第３および第４の複数の流体通路３８Ｃ、３８Ｄは、衝突構造３４の中心軸線４４から異なる半径（または、距離）に配置されてもよい。

図９～図１１に示される実施形態の各々は、図３～図８の側面図と同様に、衝突構造３４の周りを外側ケーシング２８（図示せず）まで延びるダイアフラム３０（図示せず）を含む。本明細書に開示される実施形態の各々は、複数の流体通路３８の各々が、屈曲部、湾曲部、傾斜部分（および／または、全体が斜めまたは非平行な通路）、ならびに流れの領域および／または断面が不均一な通路を含むことができる構成を含むことができる。さらに、複数の流体通路３８の各々は、例えばより広い入口（すなわち、ベルマウス）および／または収束／発散部分を含むことができるさまざまな流体通路入口および出口構成を含むことができる。衝突構造３４および衝突構造３４を通る複数の流体通路３８を、付加製造およびインベストメント鋳造を含む任意の適切な製造プロセスによって製造することができる。いくつかの実施形態において、衝突構造３４および衝突構造３４を通る複数の流体通路３８は、付加製造によって直接３Ｄ印刷されてよい。他の実施形態においては、衝突構造３４を鋳造することができ、衝突構造３４を通る複数の流体通路３８も、１つ以上のインベストメント鋳造プロセスにおいて鋳造されてよい。他の実施形態においては、衝突構造３４を、インベストメント鋳造によって鋳造および／または付加製造によって３Ｄ印刷できる一方で、複数の流体通路３８を、衝突構造３４の形成後に衝突構造３４に穿孔することができる。他の実施形態において、減衰システム２４は、付加製造によって個別に形成され、その後にタービンブレード１０および／またはタービンブレード１０内に取り付けられてよい。例えば、減衰システム２４を別個に形成し、その後に先端部分１４においてタービンブレード１０に挿入することができる。他の実施形態においては、減衰システム２４を、付加製造によってタービンブレード１０上に直接印刷することができる。

図１２が、各々の単位セル２６のダイアフラムを第１の方向４６に沿って隣接する単位セル２６のダイアフラムに結合させるように整列した複数の単位セル２６を含む減衰システム２４を示している。図１３が、各々の単位セル２６のダイアフラムを第２の方向４８に沿って隣接する単位セル２６のダイアフラムに結合させるように整列した複数の単位セル２６を含む減衰システム２４を示している。図１２および図１３の減衰システム２４の各々を、別個の構成要素において使用することができ、あるいは単一の構成要素もしくは構造の異なる部分において使用することができる。

図１４が、タービンブレードの異なる領域に配置された１つ以上の減衰システム２４を含むタービンブレード１０を示している。タービンブレードは、先端部分１４に隣接または近接する第１の領域５０に配置された第１の減衰システム５８を含むことができる。第１の減衰システム５８を、先端曲げモードから生じる振動を減衰させるように構成することができる。タービンブレード１０は、根元部分１２と先端部分１４との間のブレードのスパン途中部分の第２の領域５２内に配置された第２の減衰システム６０を含むことができる。第２の減衰システム６０を、先端曲げモードとは異なる第２の曲げモードから生じる振動を減衰させるように構成することができる。さらに、タービンブレード１０は、根元部分１２に隣接または近接する第３の領域５４に配置された第３の減衰システム６２を含むことができる。第３の減衰システム６２を、第３の曲げモードから生じる振動を減衰させるように構成することができる。第３の曲げモードは、第１および第２の曲げモードの各々よりも高次の曲げモード（すなわち、より高い周波数の振動に対応するモード）であってよい。さらに、減衰システム２４は、支持格子６４を含むことができ、支持格子６４の個々の構造部材が、減衰システム２４を一体に保持する助けとなるように、ダイアフラム３０に構造的に結合する。一実施形態において、減衰システム２４は、第１の方向に整列した支持格子６４の構造部材と、第１の方向に実質的に直交する第２の方向に整列したダイアフラム３０とを含むことができる。

本明細書に開示の実施形態は、さまざまなプロセスによって形成可能である。嚢３３を含む実施形態において、ダイアフラム３０、衝突構造３４、および嚢３３を含む減衰システム２４を別個に形成し、その後に（例えば、溶接、エポキシ、ろう付け、接着剤、および／または他の適切なプロセスによって）タービンブレード１０の第１の半分の内面に取り付けることができる。次いで、タービンブレードの第２の半分をタービンブレード１０の第１の半分に固定することにより、減衰システム２４をタービンブレード内に封入することができる。次いで、空洞３２および／または嚢３３を、ダイアフラム３０内に配置され、空洞３２に流体連通する充てん通路を介して、流体３６で満たすことができる。充てん通路を、一端において流体入口に流体連通させ、他端において流体出口に流体連通させることができる。流体出口を、流体充てんプロセスの際に充てん通路から空気または他の気体を除去するために使用することができる。他の実施形態においては、減衰システムをタービンブレード１０の内部に配置する前に、空洞３２および／または嚢３３の各々を（上述した）１つ以上のプラグを介して充てんしてもよい。空洞を、１つ以上のコアの形態でブレード内に鋳造してもよい。次いで、事前に組み立てられたダンパセル（流体を含む）を、適切なロック機構によってこれらの空洞に挿入することができる。他の実施形態においては、付加製造を使用して、接続された流体チャンバを有する鋳造ブレードの空洞の内側にこれらのダンパを直接印刷し、次いで印刷後に流体を充てんすることができる。

本開示は、主にタービンブレードの用途を対象としているが、本明細書に開示の減衰技術および実施形態は、従来からの外部ダンパが実現不可能である（あるいは、好ましくない）ガスタービンまたは他の機械の他の振動部品に適用することが可能である。

単位セル２６は、振動構造の第１の固有振動数が、減衰させるべきタービンブレード１０の特定の固有振動数を標的とするように設計することができる。このようにして、関心の対象のすべてのモードを標的とするように、異なるサイズのダンパ単位セル２６が減衰システム２４に含まれてよい。さらに、単位セル２６を、すべてのモードについて所望の減衰が得られるように最適に配置することができる。例えば、先端曲げモードを標的とするセルを、タービンブレード１０の先端部分１４の近くに配置することができ、第２の曲げモードを標的とするセルを、タービンブレード１０のスパン途中に配置することができ、より高次のモードを標的とするセルを、根元部分１２に隣接して配置でき、さらには／あるいは他の場所に配置することができる。ダイアフラム３０の各々は、インコネル７３８、インコネル６２５、ならびに／あるいは１０００°Ｆの温度性能および同等の熱膨張係数を有する他の適切なニッケル系超合金で少なくとも部分的に構成することができる。一実施形態において、ダイアフラムの材料は、基材（すなわち、外側ケーシング２８および／またはタービンブレード１０の材料）の熱膨張係数に実質的に一致するように選択される。ストッパ４０、４２の各々は、ダイアフラムと同じ材料で構成されてよく、各々が耐衝撃性コーティングおよび／または耐摩耗性コーティングを含むことができる。さらに、衝突面（すなわち、衝突構造３４、ストッパ４０、４２、嚢３３の一部分、および／または外側ケーシング２８の衝突部分）は、物質的に硬化させた表面を含むことができる。

本明細書に開示される実施形態の一態様においては、流体および／または液体ガリウムの代わりに、粉末を使用することができる。液体ガリウムは、耐熱性が望まれる用途（例えば、タービンブレード１０および／または他の高温部品を含む用途）において、他の流体と比べて高い温度性能をもたらすことができる。他の可能な流体３６として、液体ケイ素、水銀、空気、蒸気、空気－蒸気混合物、および／または他の適切な流体を挙げることができる。他の実施形態においては、粘性減衰の代わりに、１つ以上の摩擦ダンパ機構を使用することができる。衝突構造３４のサイズ、１つ以上の流体通路３８の数、サイズ、および形状、減衰システム２４の向き、構成要素または構造における減衰システム２４の配置、ならびにストッパ４０、４２の使用、寸法、および／または配置を調整することにより、本明細書に開示の実施形態の減衰システム２４を使用して、１つ以上のタービンブレード１０などの構造または構成要素の複数の位置における複数の振動モードに対処することが可能である。各々の衝突構造３４および／または単位セル２６の固有振動数を、タービンブレード１０の固有振動数と一致するように選択することにより（すなわち、その直径および／または他の寸法を調整することによって）、振動減衰の向上をもたらすことができる。

本実施形態の例示的な用途として、蒸気タービンブレード、ガスタービンブレード、ロータリエンジンブレードおよび構成要素、圧縮機ブレードおよびインペラ、燃焼器モジュール、燃焼器ライナ、排気ノズルパネル、航空機制御面、レシプロエンジン構成要素、空冷コンデンサファンブレード、ブリッジ、航空機エンジンファンブレード、航空機の構造および表面、自動車の構造および表面、機関車の構造および表面、機械の構造、構成要素、および表面、ならびに／あるいは振動の減衰が望まれる他の構成要素を挙げることができる。

本開示の種々の実施形態の特定の特徴は、一部の図に示され、他の図には示されていないかもしれないが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴を、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することが可能である。

本明細書は、いくつかの例を使用して、本開示の実施形態を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる統合された方法の実行を含む本開示の実施を当業者にとって可能にする。本明細書に記載の実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者であれば想到できる他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１０ タービンブレード
１２ 根元部分
１４ 先端部分
１６ 前縁
１８ 後縁
２０ スパン途中シュラウド
２２ 先端シュラウド
２４ 内部振動減衰システム
２６ 単位セル、単位セルダンパ
２８ 基材、外側ケーシング
３０ ダイアフラム
３２ 空洞
３２Ａ 第１の半球
３２Ｂ 第２の半球
３３ 嚢
３４ 衝突構造
３６ 流体
３８ 複数の流体通路
３８Ａ 第１の複数の流体通路
３８Ｂ 第２の複数の流体通路
３８Ｃ 第３の複数の流体通路
３８Ｄ 第４の複数の流体通路
４０ 第１のストッパ
４２ 第２のストッパ
４４ 中心軸線
４６ 第１の方向
４８ 第２の方向
５０ 第１の領域
５２ 第２の領域
５４ 第３の領域
５８ 第１の減衰システム
６０ 第２の減衰システム
６２ 第３の減衰システム
６４ 支持格子

Claims (15)

1. 減衰システム（２４）において使用するための単位セル（２６）であって、
   衝突構造（３４）と、
   前記衝突構造（３４）が封入された空洞（３２）であって、該空洞（３２）が、第１の半球及び第２の半球（３２Ａ、３２Ｂ）を備え、かつ基材（２８）内に配置され、前記基材（２８）が該空洞（３２）の外側ケーシング（２８）を形成している、空洞（３２）と、
   前記衝突構造（３４）と前記外側ケーシング（２８）との間の前記第１及び第２の半球（３２Ａ、３２Ｂ）の各々に配置された少なくとも１つの流体（３６）と、
   前記衝突構造（３４）の外面から前記外側ケーシング（２８）まで延びており、かつ前記第１及び第２の半球（３２Ａ、３２Ｂ）を流体に関して分離する少なくとも１つのダイアフラム（３０）と
   を備える単位セル（２６）。
2. 前記衝突構造（３４）が実質的に球状である、請求項１に記載の単位セル（２６）。
3. 前記少なくとも１つの流体（３６）が、液体ガリウム、液体ケイ素、水銀、空気、蒸気、及び空気－蒸気混合物のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に含む、請求項１又は請求項２に記載の単位セル（２６）。
4. 前記少なくとも１つのダイアフラム（３０）が、少なくとも１つのニッケル系超合金を少なくとも部分的に含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の単位セル（２６）。
5. 前記衝突構造（３４）内に配置された少なくとも１つの流体通路（３８）をさらに備え、前記少なくとも１つの流体通路（３８）が前記第１及び第２の半球（３２Ａ、３２Ｂ）を流体連通させ、前記少なくとも１つの流体通路（３８）を通る前記少なくとも１つの流体（３６）の移動が、前記基材（２８）内の少なくとも１つの振動モードの粘性減衰を生じさせる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の単位セル（２６）。
6. 前記外側ケーシング（２８）に対する前記衝突構造（３４）の衝突が、前記基材（２８）内の少なくとも１つの振動モードの衝突減衰を生じさせる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の単位セル（２６）。
7. 前記第１及び第２の半球（３２Ａ、３２Ｂ）の少なくとも一方の内部に配置された少なくとも１つのストッパ（４０、４２）をさらに備え、
   前記少なくとも１つのストッパ（４０、４２）が、前記外側ケーシング（２８）に結合しており、
   前記少なくとも１つのストッパ（４０、４２）が、前記空洞（３２）内の前記衝突構造（３４）の移動の範囲を制限する、請求項６に記載の単位セル（２６）。
8. 前記少なくとも１つの流体通路（３８）が、複数の通路をさらに含み、前記複数の通路のうちの少なくとも１つの通路が、前記複数の通路のうちの少なくとも１つの他の通路と比べ、前記衝突構造（３４）の中心軸線（４４）から異なる距離に配置されている、請求項５に記載の単位セル（２６）。
9. 前記少なくとも１つの流体通路（３８）が、複数の通路をさらに含み、前記複数の通路のうちの少なくとも１つの通路が、内部の流れの領域が、前記複数の通路のうちの少なくとも１つの他の通路とは異なる、請求項５に記載の単位セル（２６）。
10. 前記空洞（３２）内の前記少なくとも１つの流体（３６）の移動が、前記基材（２８）内の少なくとも１つの振動モードの粘性減衰を生じさせる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の単位セル（２６）。
11. 前記少なくとも１つのダイアフラム（３０）が、インコネル６２５及びインコネル７３８の少なくとも一方を含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の単位セル（２６）。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の複数の単位セル（２６）を備える振動減衰システム（２４）。
13. 当該振動減衰システム（２４）が格子構造をさらに備え、前記格子構造が、少なくとも１つの構造部材を備え、前記少なくとも１つの構造部材が、第１の単位セル（２６）の少なくとも１つのダイアフラム（３０）を第２の単位セル（２６）の少なくとも１つのダイアフラム（３０）に結合させる、請求項１２に記載の振動減衰システム（２４）。
14. 請求項１２又は請求項１３に記載の振動減衰システム（２４）が内部に配置されたタービンブレード（１０）。
15. 前記振動減衰システム（２４）が、
    当該タービンブレード（１０）の第１の領域（５０）内に配置された第１の部分と、
    当該タービンブレード（１０）の第２の領域（５２）内に配置された第２の部分と、
    当該タービンブレード（１０）の第３の領域（５４）内に配置された第３の部分と
    をさらに含み、
    前記第１及び第２の部分が、当該タービンブレード（１０）の異なる振動モードを減衰させ、
    前記第１の部分が、当該タービンブレード（１０）の先端部分（１４）に隣接して配置され、
    前記衝突構造（３４）が、実質的に球状であり、
    前記第１の部分が、先端振動モードを減衰させ、
    前記第２の部分が、当該タービンブレード（１０）のスパン途中領域に配置され、
    前記第２の部分が、当該タービンブレード（１０）の第２の振動モードを減衰させ、
    前記第３の部分が、当該タービンブレード（１０）の根元部分（１２）に隣接して配置され、
    前記第３の部分が、当該タービンブレード（１０）の第３の振動モードを減衰させ、
    前記第３の振動モードが、前記第２の振動モード及び前記先端振動モードの各々よりも高い周波数である、請求項１４に記載のタービンブレード（１０）。

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