TWI251053B - Cooled rotor blade with vibration damping device - Google Patents

Description

1251053 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明適用於一般的轉子葉片，而特別適用於作為轉子 葉片内部振動減緩及冷卻之裝置。 【先前技術】 在一軸流式渦輪引擎中的渦輪機段和壓縮機段，通常包 括一轉子總成，其中包含一旋轉圓盤和多個環繞該旋轉圓 盤圓周列置的轉子葉片。各轉子葉片包含一根部、一空氣 動力面、及一設在根部和空氣動力面中間的變遷區的平 台。各葉片的根部都是收納在旋轉圓盤内成互補形狀的凹 部中。各葉片的平台橫向朝外伸展，集體形成一流動途徑， 供流體通過轉子階段之用。各葉片的前方邊緣，普遍稱作 前緣（leading edge)而後方邊緣稱作後緣（trailing edge)。前 方係定義為氣體通過引擎流動的上游。 運轉中，葉片可受激動而產生依據眾多不同加力函數 (forcing function)的振動。在氣體的溫度、壓力、和/或密 度方面的k動’舉例來說，能激起整個轉子總成各處的振 動，尤其疋在葉片的空氣動力面内部。氣體以一週期性、 或脈動的」方式刺激上游的渦輪機段及/或壓縮機段，也 能激起非所需的不良振動。如果不加阻止，振動能引起葉 片的永久疲勞，必然會降低該葉片的壽命。 在阻尼裔和葉片之間的摩擦，可以作為減緩一葉片振動 的手段，這是眾所週知的。 已週知-種用於產生前述亟需的摩擦減振作用的方法， 97216.doc 1251053 是在一渴輪轉子申插入一 狄長的阻尼裔（有時稱作「桿式 (stick)」阻尽器）。運轉 邊丨且尼态緊抵一在該渦輪葉片 中的内接觸表面而裳載，用 _ ^ ^ ΛΛ ee . 泌耗振動能量。桿式阻尼器 所k遇的問題，是兑在讲私 -^輪葉片中以成一冷卻空氣流的障 礙。本行技藝熟習人士將合士及 ^ 、曰"心同，玉氣分佈在一渦輪葉片 中的重要性。為要減輕桿式 ^ 扦式阻尼斋所產生的阻礙，某4b桿 式阻尼器含有多個在寬向上（即實質上是在軸向上）伸展的 通道，❹在阻尼器内多個接觸表面之中，以便冷卻空氣 在阻尼器和苹片的技_主 ’、 “ 的接觸表面之間通過。雖然這些通道的確 減輕了阻尼器所引起的阻 軍一 械仁匕們只能在各個離散的位 置上有局部性的冷卻。 在各通道之間的接觸面，仍未受到 冷卻’而因此降低對熱退 …、、化的抵抗旎力。在桿式阻尼器内 以機械加工或盆夕古、、l告丨丨 八匕方法衣造通道時所引起的 該等通道會產；丨]项疋 應力集中’降低了桿式阻尼器的低 循％疲勞能力。 、、’心之，吾人亟需一種轉子葦片ΐι女 傅于茱月其具有一振動阻尼裝置 者，該振動阻尼裝置在減 、 成緩該茱片内部的振動頗具效力、

亚使/、能有效冷卻在兮整H 【發明内容】 某片内部的裝置自身和周遭區域。 2，，本發明之-目的，在提供一種轉子總成專用的轉 -’其中包括有效減緩在葉片内中振動的裝置。 一根據本發明’備置_轉子總成專用的轉子葉片，其包括 根部、-空氣動力面、一平台、及一阻尼器 力面具有至少一配罟 ^ 置在一弟一側牆及第二側牆之間的空 97216.doc 1251053 八。違平台係配置在根部和空_ 不卫虱動力面之間。該平台包括 一内表面、一外表面、及一配 -置在δ亥内表面上的阻尼孔徑。 该阻尼器具有一本體和一店邱兮^ &邛。δ亥底4和阻尼孔徑具有宓 合的幾何形狀，使底部能夠在 山 丨庀孔仏内中旋轉而不致有 來自密合幾何形狀的顯著阻礙。 根據本發明之一方面，該 茨〖且尼為尚包括一從該底部向外 延伸出的維持用柄腳。 本發明之一優點，是在該 尼裔月匕在運轉中移動以適應 離心及壓力差的負載，而不會在 〜 + s在阻尼态的底部區域招致不 良的應力；這是在該底部的位置假如是固定在一設在平二 内中或底下的阻尼孔徑内時很可能發生的。 ° 本發明另-優點是，該維㈣柄腳使得該阻尼器到葉片 的安裝及卸除便利多多。在某些早先技藝的應用中，該阻 尼器是藉硬焊或溶谭固定到轉子葉片内中。如果該阻尼琴 的使用壽命小於該轉子葉片時，就必需到除硬焊或熔焊材 料來卸下該阻尼器。本發明的維持用柄腳可免除將阻尼器 固定到轉子葉片中的需要。 本=月的&些及其它目的、特色、和優點，根據對本發 明取佳核式的具體實施例（如附圖中所示）的詳細解說，將 變得顯而易解。 【實施方式】 參照圖“來說，置備一燃氣渴輪引擎專用之轉子總成 9’具有-圓盤10和多個轉子葉片12。該圓㈣包含多個環 繞圓盤ίο圓周列置的凹部14’和—旋轉中心線16，圓盤1〇 97216.doc 1251053 可圍繞該中心線旋轉。各葉片12包括一根部18、一空氣動 力面20、-平台22、及-阻尼器24(見圖2)。各葉片12還包 括一經由葉片12通過且垂直於圓盤1〇之旋轉中心線丨6的徑 向中心線26。根部18包括一幾何形狀和圓盤⑶中的一凹部 14的或形狀始合。眾所週知的樅樹構形可使用在這個例子 中。如在圖2中可以看到，該根部18尚包括若干導管“，冷 卻空氣即可經由該等導管28進入根部18並通入空氣動力面 20中。如在圖3及4中可看到，一扣環3〇配置在圓盤1〇的後 部附近。 參照圖2,空氣動力面2〇包括一底部32、一頂端34、一前 緣36、一後緣38、一壓力側牆4〇(見圖1}、一吸入側牆42(見 圖丨）、一空穴44列置在其等之間、及一槽道46。圖2圖解式 顯示一在前緣36和後緣38之間的空氣動力面2〇的剖面圖。 該壓力側牆40及吸入側牆42在底部32和頂端34之間伸展， 並在前緣36和後緣38會合。該空穴44可描述為：具有一第 一空穴^部分48在槽道46的前方，及一第二空穴部分在槽 道46的後方。在一空氣動力面20只有一單獨空穴44的具體 實施例中，槽道46係列置在該空穴44的兩部分之間。在一 空氣動力面20包含不止一個空穴44的具體實施例中，該槽 道46可列置在兩相鄰空穴44之間。為便利本文陳述起見， 該槽道46在此將就列置在第一空穴部分48和第二空穴部分 50之間加以描述，但有意包括多空穴及單空穴2〇在内，除 非另有申明。在圖2所示的具體實施例中，該第二空穴部分 50是緊鄰後緣38’而第一空穴部分48和第二空穴部分5〇都 97216.doc !251〇53 含有多個在空氣動力面20兩牆之間伸展的柱體52。在可替 代具體實施制中，僅有一或無一空穴部分48、50含有柱體 52，而槽道46前後係由設有冷卻孔徑的肋形物所界定。有 多個通口 54沿第二空穴部分50的後邊緣列置，提供冷卻空 氣沿後緣38離開空氣動力面20所用的通道。該用以接納阻 尼器24的槽道46，在此描述為係緊鄰後緣設置。該槽道46 及阻尼态24是不侷限於緊鄰後緣3 8的位置，而是可設置在 空氣動力面的其它地方；舉例來說，緊鄰前緣36的地方。 在第一和第二空穴部分48、50之間的槽道46，是由第一 牆部和第二牆部所界定，該兩牆部係在底部32和頂端34之 間縱向伸展，大致遍及底部32到頂端34的整個距離。該槽 道前後是由多個柱體52或一肋形物，兩者某種組合所界 疋。兩牆部之一或兩者，包含多個從該牆部向外延伸進入 槽道46中的凸起形體（未圖示）。一凸起形體可取得形狀之樣 本，可包括，但不限於，圓球形、圓柱形、圓錐形或截頭 錐形、或以上各形的混合體。美國專利申請案第〇〇/〇〇〇,〇〇〇 號（序號尚未獲悉），2〇03年12月19申請（檔案號碼第 3309^5〗號）並讓渡給本申請案受讓人者，披露在一槽道 中使用凸起形體’因引用而列入本說明書中。 、及一配置在内

而使槽道46能夠接納阻尼器24的本體62， 僧道46連接，因 該阻尼孔徑60具 δ亥平台22包括一外表面56、一内表面58 表面58上的阻尼孔徑60。該外表面56界定 總成9的中心氣流途徑，而内表面孫知啦 97216.doc -10- 1251053 有一和阻尼器24的一部分密切配合的幾何形狀，使得該底 部能夠在阻尼孔徑6 〇内活動而不致有源自該密合的幾何形 狀的阻礙’下文將加以說明。 爹照圖5A-8來說，阻尼器24包括一本體62、一底部料、 及一縱向伸展中心線66(見圖2)。該本體包括一長度68、一 $表面70 後表面72、一第一承支表面74、一第二承支 表面76、一底部端78、及一尖頂端8〇。該阻尼器本體α可 具有一直的、或一弧形的縱向伸展中心線66(見圖勾，並可 成一斜角朝向，使得在安裝到轉子葉片12内中時，本體62 的一部分或全部是離開葉片12的徑向中心線26歪斜。該本 體62的-部分或全部所具離開葉心徑向中心線％歪斜的 斜角，在本文中是稱之為阻尼器本體62在葉片12内中的傾 斜角。阻尼11本體62的橫截面形狀是製成可與槽道46的橫 截面形狀密合；亦，阻尼器本體62全體的橫截面形狀和 槽道46的橫截㈣狀密合。在槽祕包含凸起形體的例子 中，凸起形體可界定槽道46的橫截輪廓。 如以上所揭露的，阻尼器底部64的一部分82具有一和阻 尼孔徑6G密合的幾何形狀。該一部分82可稱之為承支表面 I5刀山a的成何形狀使得該底部64能在該孔徑6〇内中活 動，而在沒有由該幾何形狀所引起的顯著阻礙。「沒有源自 幾何形狀的阻礙」一詞，在此定義為：意指該密合幾何形 片、將不g ·、、、員著妨礙該底部64在孔徑内中的活動。介於底 部64的承支表面82和孔徑6〇之間的摩擦，在此不認為是底 972l6.doc 1251053 6 4在孔從6 0内中活動的顯著妨礙。一能使底部6 4在孔徑 60中活動的療合幾何形狀的範例，是一底部64的圓柱形承 支表面82收納在一圓柱形的阻尼孔徑6〇内中。圖3及4表示 具有一平板部分84和一圓柱形承支表面部分82的底部64的 一範例’後者是收納在一配置在平台22内的圓柱形孔徑6〇 中。該密合幾何圖形可不一定要使阻尼器底部64和阻尼孔 徑60之間的旋轉能達到36〇。。在阻尼器本體62不能在槽道 46内旋轉的應用中，舉例來說，阻尼器底部64在阻尼孔徑 内將不是可360。旋轉。在這個例子中，不是底部64和孔徑 60相密合的幾何形狀阻止該阻尼器24作36〇。的旋轉。而是 阻尼器本體62和槽道46的幾何形狀阻止該阻尼器24作36〇。 的旋轉。在這種情況下，底部64是在孔徑6〇内中自由旋轉 到轉子總成正常運轉中所能遭遇的角&。阻尸匕器24的平板 部分84，提供一緊抵平台内表面58的密封表面。平板部分 84和内表面58之間的密封，有助於減小冷卻空氣之茂漏出 槽道46至最低程度。 在一較佳具體實施例中， 孔徑60内中以至少三自由唐 ’該密合幾何形狀使得底部64在

圓周」、「旋轉_ 和「圓周」，是 97216.doc -12· 1251053 和燃氣涡輪機中通常所標示的轴向和圓Μ向__致。底部 6 4和孔從_ 6 0命j贫>， I 一 山σ成何形狀，其能夠使底部64在孔徑60内 ” 由度活動而沒有顯著阻礙的例子，包括具有球 形G見圖5Α)、圓環形、或圓錐形（參見圖5Β)的孔徑， 八 :/或圓錐形的底部64。本發明的阻尼孔徑及阻 尼益底部的幾何形狀可不限於這幾個例子。該底部Μ和孔 仅60的山σ成何形狀，聯合提供一有助於減少冷卻空氣之 戌漏出槽道46到最低程度的密封表面。 在某些具體實施例中’阻尼器24尚包括一柄腳86從底部 延伸出纟某些具體實施例中，該柄腳^是製作成可和另 一元件嗜合，後者是轉子總成的或是鄰接該轉子總成的一 ^ ^ #接轉子總成設置的扣環30。在圖3及 所^的扣環3〇，顯示係鄰接該圓盤_後尾部分設置。該 扣環30或其它元件其為（或鄰接）轉子總成的一部件者，也可 設置在該圓盤的前方。結果，在這些具體實施例中，該柄 腳86可用以維持該阻尼器24與轉子葉片_嚙合。 除了能使柄腳86鳴合其它元件的形狀之外，或無關該形 狀’柄腳86還有-第一橫截輪廓88及第二橫截輪雜。該 第-及第二橫截輪廓88、9〇，在某些具體實施例中，是大 致互相垂直而大小不相似者’俾為該阻尼器24之定置，減 小氣擦或對風面（windage)及/或提供氣動力負載。例如，圖 8所示的柄嶋’具有-第—橫截輪廓88，其橫截面積較大 於大致垂直的第二橫截輪輪。如果想要降低該柄腳咐 鄰近轉子總成的引擎區域内的氣擦時，該柄腳％在引擎區 97216.doc !251〇53 :的朝向予以轉動，使第一橫截輪廓88平行於在該引擎 品中的工氣琉的方向，而該第二橫截輪廓90的面積（大致垂 直於空氣流的方向）就會保持在最小㈣度。如果想要W 載到阻尼态24上以產生特定的定置特性時，該第二橫截輪 〇 積可予以增加。此外，如果想要使該阻尼器24 又旋轉力矩，該第一及第二橫截輪廓88、90可予歪斜 相對設有柄腳86的引擎區中的空氣流方向。 一 >…、圖1-8 ’在穩定狀態的操作情況下，一在燃氣渦輪引 擎内的轉子葉片總成9，藉助通過該引擎的中心氣體流旋 轉。當轉子總成9的旋轉速度上昇日寺，轉子葉片⑶口配置在 葉片中的阻尼器24是承受著越來越大的離心力。起初，作 用在阻尼ϋ 24上的離心力超過阻尼器24的重量而使阻尼器 24接觸到⑨在平台22徑向表面中的阻尼孔徑⑼。當旋轉速 度上昇時，作用在該阻尼器24上的離心力的一分量，是在 槽道46牆部的方向上作用；換言之，該離心力分量在槽道 46牆部的方向±，作用如一緊抵該阻尼器24的法向力。如 果槽道返徑疋偏離該葉片丨2的徑向中心線歪斜，阻尼器24 的底部64可在阻尼孔徑6〇内中旋轉及/或樞轉。此外，如果 該阻尼器24包含一柄腳86，作用在該柄腳86上的空氣，可 以引起該阻尼器24的底部64在阻尼孔徑60内中旋轉及/或 框轉。 雖然本發明已予展示，並關於其若干詳細具體實施例加 以說明，*習此項技藝人士將會I京解，在形式上及其細節 上的各種不同變更，是可在不偏離本發明的精神和範圍下 97216.doc -14- 1251053 達成。 所要申請專利範圍如後。 【圖式簡單說明】 圖1為一轉子總成之局部透視圖。 圖2為一轉子葉片之—圖解式剖視面。 —圖為#子總成之圖解式局部視圖，顯示一阻尼器具體 實施例加裝在一轉子葉片内中。 八 圖4為圖3所示視圖之局部剖視圖。 顯示一阻尼器 圖5A為轉子總成之圖解式局部解剖視圖 具體實施例加裝在一轉子葉片内中。 顯示一阻尼器 圖5B為轉子總成之圖解式局部解剖視圖 具體實施例加裝在一轉子葉片内中。 圖6為一阻尼器具體實施例之一透視圖。 圖7為一阻尼器具體實施例之一透視圖。 【主要元件符號說明】 圖8為一阻尼器具體實施例之一局部透視圖 9 10 12 14 16 〜26 > 66 18 20 22 轉子總成 圓盤 轉子葉片 凹部 中心線 根部 空氣動力面 平台 97216.doc -15- 1251053 24 阻尼器 28 一 導管 30 扣環 32、 64 底部 34 頂端 36 前緣 38 後緣 40 壓力側牆 42 吸入側牆 44 空穴 46 槽道 48、 50 空穴部分 52 柱體 54 通口 56 外表面 58 内表面 60 阻尼孔徑 62 本體 68 長度 70 前表面 72 後表面 74、 76 承支表面 78 底部端 80 尖頂端 97216.doc -16- 1251053 82 84 86 88 92、 承支表面部分 - 平板部分 柄腳 90 橫截輪麼 94、96 箭頭 97216.doc 17-

Claims (1)

1251053 十申清專利範圍：

尼孔徑；及 配置在該根部及該空氣動力面之間，該平台 面、—外表面、及一配置在該内表面上的阻

其中该底部和阻尼孔徑具有密合的幾何形狀，使該底 邛旎在該阻尼孔徑内中活動而不致有來自該密合幾何形 狀的顯著阻礙。 茶片，其中該密合幾何形狀為一種使該 如請求項1之轉子 底部能在該孔徑内實施旋轉而不致有來自該密合幾何形 狀的顯著阻礙者。 3 •如凊求項1之轉子葉片，其中該密合幾何形狀為一種使該 底部可在該孔徑内實施軸向移動而不致有來自該密合幾 何形狀的顯著阻礙者。 4·如請求項1之轉子葉片，其中該密合幾何形狀為一種使該 底部可在該孔徑内實施圓周移動而不致有來自該密合幾 何形狀的顯者阻礙者。 5 ·如請求項1之轉子葉片，其中該密合幾何形狀可在該轉子 葉片運轉中容許該底部和該阻尼孔徑之間有三自由度的 運動。 6·如請求項5之轉子葉片，其中該底部之一承支部分呈圓球 97216.doc 1251053 形狀。 7·如請求項5-之轉子葉片，其中該底部之一承支部分呈圓錐 形狀。 如明求項5之轉子葉片，其中該底部之一承支部分主圓玉衣 形狀。 9·如請求項1之轉子葉片，其中該阻尼器尚包括一自該底部 向外延伸出之柄腳。 1 〇·如請求項9之轉子葉片，其中該柄腳在作用上製作成可保 持該柄腳與該轉子葉片之嚙合。 11.如請求項9之轉子葉片，其中該柄腳具有一第一橫截輪廓 及一第二橫截輪廓，而該第一橫截輪廓及第二橫截輪廓 係大致互相垂直配置。 12·如請求項11之轉子葉片，其中該第一橫截輪廓及第二橫 截輪庵係在大小上不相似。 13. 如請求項11之轉子葉片，其中該第一橫截輪廓及第二橫 截輪庵係予定向成偏離運轉中通過該柄腳的空氣流方向 而歪斜。 14. 一種轉子總成，包括·· 一圓盤；及 多個轉子葉片，依選擇附加在該圓盤上；各轉子葉片 具有一根部、一具有至少一空穴的空氣動力面、一配置 在該根部及空氣動力面之間的平台，其中平台具有一内 表面、-表面、及-配置在該内表面中的阻尼孔徑，而 各轉子葉片具有-包含-本體及—底部的阻尼器，其中 97216.doc 1251053 该底部及該阻尼孔徑具有密合的幾何形狀，其使該底部 能在該阻尼孔徑内中旋轉而不致有來自該密合幾何形狀 的顯著阻礙。 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 如請求項14之轉子總成，其中該密合幾何形狀容許在該 轉子葉片運轉中在該底部與阻尼孔徑之間作三自由度運 動。 如請求項14之轉子總成，其中各阻尼器尚包括一柄腳自 σ亥底部向外延伸出。 如請求項1 6之轉子總成，尚包括一扣環緊鄰各阻尼器之 柄腳配置。 如凊求項16之轉子總成，其中該柄腳在作用上製作成可 維持該柄腳與該轉子葉片之嚙合。 如明求項16之轉子總成，其中該柄腳具有一第一橫截輪 廓及第一検截輪廓，而該第一橫截輪廓及第二橫截輪 靡係大致互相垂直配置。 如請求項16之轉子總成，其中各轉子葉片之該第一橫戴 輪廓及第二橫截輪廓在大小上不相同。 '明求項20之轉子葉片，其中該第_橫截輪廓及第二橫 截輪廓料定向成偏離運轉中通過該柄腳之空氣流方向 而歪斜。 -種用於轉子葉片中之阻尼器，該阻尼器包括： 抑^部’具有—承支表面部分形狀製成可容許該阻尼 益在該轉子葉片内中的活動；及 一本體，自該底部向外延伸出。 97216.doc 1251053 其中該承支表面部分係至少部分 23·如請求項22之阻尼器 製作成呈圓球形。 24.如請求項22之阻尼器，其中該承支表面部分係至少部分 製作成呈圓錐形。 2 5 ·如清求項2 2之阻尼器，$勿括一 ^ 向B枯抦腳自該底部延伸出。 2 6 ·如睛求項2 4之阻尼哭，盆由兮&收 匕-其中5亥柄腳在作用上製作成可保 持该柄腳與該轉子葉片之唾合。 27.如請求項25之阻尼器，其中該柄腳具有一第一橫截輪廓 及第一也田、截輪;#，而該第—橫截輪廊及第二橫截輪廓 係大致互相垂直配置。 其中該第一橫截輪廓及第二橫截 28·如請求項27之阻尼器， 輪廓在大小上不相同。 97216.doc