WO2011148935A1

WO2011148935A1 - 流体用制振ブレード

Info

Publication number: WO2011148935A1
Application number: PCT/JP2011/061858
Authority: WO
Inventors: レランショホセハビエルバヨッド; 久之本井; 博明服部
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2011-12-01
Also published as: JPWO2011148935A1; US20130071251A1; EP2578802A1; EP2578802A4; JP5403157B2

Abstract

本発明の流体用制振ブレードは、一体的に形成されたくさびダンパ部を有し、その外縁より外側の仮想線からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）をh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）とする。その結果、容易に製造可能で、流体の流れを乱さずに、広範囲の周波数領域において減衰効果が得られる流体用制振ブレードを提供することができる。

Description

流体用制振ブレード

　本発明は、流体用のブレードの振動を減衰する流体用制振ブレードに関する。
　本願は、２０１０年５月２４日に日本に出願された特願２０１０－１１８３５０号及び２０１０年５月２５日に日本に出願された特願２０１０－１１８９４９号に基づき優先権を主張し、それらの内容をここに援用する。

　本発明において、「流体用のブレード」とは、ジェットエンジン、ターボ機械（ガスタービン、ターボチャージャー）、その他の回転機械で用いられる動翼と静翼、及びその他の機械（風洞、船舶、等）で用いられる固定翼や回転翼（プロペラ）を意味する。
　また、このブレードには、タービンやコンプレッサにおける翼車を構成するロータ部に取り付けられた翼部を含む。

　振動する機械装置の振動を減衰する手段として、ダンパ装置が広く知られている。また、ダンパ装置は、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ、摩擦ダンパ、マスダンパ、慣性力ダンパ、等に大別することができる。
　このうちマスダンパは、質量体の振動を逆利用して、機械装置の振動を消去する装置で、他のダンパ装置と比較して構造が簡単である利点がある。

　マスダンパの一種として、音響ブラックホール効果（Acoustic Black Hole
Effect）を利用した弾性くさびダンパ（Elastic Wedgedamper）が例えば非特許文献１に開示されている。

　弾性くさび（Elastic Wedge）とは、くさび形の弾性体を意味する。曲げ振動において、弾性くさびの厚さが次第に薄くなると振動波の速度が遅くなり、厚さがゼロ（０）になると振動波の速度がゼロになるので振動波は反射されない。すなわち、弾性くさびは、「音のブラックホール」として機能し、その結果、振動エネルギは厚さがゼロの端部に集まるのでそのエネルギを減衰しやすくなる。
　しかし、実際には、厚さがゼロの端部を有する弾性くさびの製造は困難であり、反射はゼロ（０）にならない。そこで、非特許文献１ではその反射を低減するため、弾性くさびの端部に減衰材料を貼り付けている。

　上述した弾性くさびダンパは、マスダンパと同様に構造が簡単であり、かつマスダンパよりも厚さが薄く、軽量化できる利点がある。
　なお、くさび形の弾性体を用いた振動又は音響の低減手段は、例えば特許文献１，２にも開示されている。

　また、本発明に関連するコーティング手段は、例えば特許文献３，４に開示されている。

特開２０００－４３２５２号公報特表２００８－５３２９１７号公報国際公開第２００４／０２９３２９号パンフレット国際公開第２００４／０３３７５５号パンフレット

V. V. Krylov & R. E. T. B. Winward, "Experimental　investigation of the acoustic black hole effect for f1exural waves in tapered　plates" Journa1 of Sound and Vibration 300(2007) 43-49

　図１は、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。この弾性くさびダンパは、非対称２次元くさび状ダンパ（non-symmetric quadratic wedge-like damper)である。この図において、符号５１は弾性くさび、５２は振動吸収膜(absorbing film)、５３は弾性くさび５１と一体の厚板部である。
　非特許文献１で実験に使用した弾性くさび５１の寸法は、長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さは厚板部５３で４．５mm、最小厚さは０．０２ｍｍである。厚さｈ（ｘ）は、先端からの距離ｘに対し、ｈ（ｘ）＝εｘ^２・・・（Ａ１）の関係である。ここで、εは正の定数である。
　また、振動吸収膜５２はポリマー膜であり、その寸法は弾性くさび５１の寸法と同じ（長さ２８０ｍｍ、幅２００ｍｍ）であり、厚さは０．２mmである。

　この実験結果から、５００Ｈｚ～１８０００Ｈｚの広帯域において、振動ピークの減衰効果が認められ、特に高周波数と中周波数において大きな減衰（振動エネルギの低減）が得られることが確認されている。

　上述したように、非特許文献１で使用した弾性くさびダンパ（試験板）の厚さは、理論式（Ａ１）に基づき、4. 5 mmから０．０２ｍｍまでである。しかし、理論式（Ａ１）に基づき厚さを０ｍｍ近く（この例では０．０２ｍｍ）まで加工することは、極めて困難であり、これを達成するためには、特別な加工機械、或いは特別な方法が不可欠である。そのため、非特許文献１に開示された弾性くさびの製造は、実質的に不可能であるか、可能であっても非常に高価である。

　一方、ジェットエンジンなどの流体用のブレードは高い周波数で振動するため、その振動によりブレードの一部が破断する可能性がある。そこでブレードの振動を減衰する研究が世界的に広く行われている。
　しかし、流体用のブレードは、流体の流れを乱す減衰手段を用いることができない。また、高温環境下（例えば１０００℃以上）で使用される流体用のブレードには、流体の流れを乱す減衰手段や耐熱性の低い減衰材料（例えばポリマーやゴム）を用いることができない。そのため、この種のブレードに対しては、最適な減衰手段が従来では存在しない。
　また、一般的な減衰手段は目標周波数にしか効果がないため、速度範囲が広く、広範囲の周波数で振動する可能性のあるブレードヘの適用は困難である。

　本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、容易に製造可能であり、例えば高温環境下であっても、流体の流れを乱さずに、広範囲の周波数領域において減衰効果が得られる流体用制振ブレードを提供することにある。

　本発明は、一体的に形成されたくさびダンパ部を有し、くさびダンパ部の外縁より外側の仮想線からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である流体用制振ブレードを提供する。

　この場合、前記くさびダンパ部の外縁は、例えば流体用制振ブレードの前縁、後縁又は端縁である。
　また、前記流体用制振ブレードが、前記くさびダンパ部を覆い、ブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面を有する減衰部材を有してもよい。この場合、減衰部材はブレード本体と共に予め設定したブレード形状を形成する。

　あるいは、前記流体用制振ブレードが、前記くさびダンパ部を覆い、ブレードの作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部を有してもよい。

　この場合、前記コーティング部は、ボーラスなセラミック又は金属からなり、かつ前記くさびダンパ部を覆い、ブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面を有し、ブレード本体と共に予め設定したブレード形状を形成する。

　また、前記コーティング部は、例えばセラミック又は金属の粉末からなる電極とブレード本体の表面との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギによりセラミック又は金属の皮膜をブレード本体の表面に形成したコーティングである。

　上述した本発明の構成によれば、流体用制振ブレードが、一体的に形成されたくさびダンパ部を有し、その外縁における距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、外縁（ｘ＞０）における厚さｈ（ｘ）を加工性のよい厚さに設定することができる。したがって、くさびダンパ部を特別な装置又は方法を用いることなく、容易に製造できる。

　また、くさびダンパ部は、自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射を低減することができる。

　更に、振動エネルギはくさびダンパ部の薄肉部分に集中するが、減衰部材でくさびダンパ部を覆うことにより、くさびダンパ部の薄肉部分における振動を、減衰部材によって効果的に減衰することができる。
同様に、作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部でくさびダンパ部を覆うことにより、高温環境下においても、くさびダンパ部の薄肉部分における振動を、コーティング部によって効果的に減衰することができる。

　また、減衰部材またはコーティング部は、ブレード本体の外面に対し、凹凸なく連続する外面を有するので、流体の流れを乱さずに減衰効果が得られる。

　その結果、本発明による流体用制振ブレードによれば、目標周波数範囲である１０ｋＨｚから３０ｋＨｚまでの広範囲の周波数領域において、効果的な減衰が得られることが、実験により確認されている。

非特許文献１で使用した弾性くさびダンパの模式図である。本発明の流体用制振ブレードの全体模式図である。本発明の流体用制振ブレードの全体模式図である。本発明のコーティング部の形成手段を示す模式図である。本発明のくさびダンパ部の厚さを示す図である。本発明のくさびダンパ部における振動の伝播速度を示す図である。本発明のくさびダンパ部における振動の振幅を示す図である。本発明による流体用制振ブレードの実施例を示す斜視回である。図５Ａの部分拡大図である。本発明の流体用制振ブレードによる減衰特性の実験結果を示す図である。本発明の流体用制振ブレードによる減衰特性の実験結果を示す図である。

　以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

　図２Ａは、本発明の流体用制振ブレードの全体模式図である。
　図２Ａにおいて、本発明の流体用制振ブレード１０は、ブレード本体１１と一体的に形成されたくさびダンパ部１２を有する。

　この例において、ブレード本体１１は前縁１１ａを含む前縁側を占め、くさびダンパ部１２は後縁１１ｂ側に形成されている。しかし、くさびダンパ部１２は、ブレード１０の前縁側又は端縁側に位置してもよい。
　ブレード本体１１とくさびダンパ部１２は、好ましくは同一の振動可能な弾性材料（例えば、金属）からなり、一体成形されている。なお、ブレード本体１１とくさびダンパ部１２を別々に製作し、溶接等の手段で一体化してもよい。

　くさびダンパ部１２は、図２Ｂに示すように、その外縁（この例では後縁１１ｂ）より外側の仮想線１３からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）・・・（Ａ２）に形成されている。
　ここで距離ｘは正数であり、くさびダンパ部１２の外縁（この例では後縁１１ｂ）の厚さｈ（ｘ１）は、くさびダンパ部１２を特別な装置又は方法を用いることなく、容易に製造できるように設定されている。

　図２Ａにおいて、本発明の流体用制振ブレード１０は、更にくさびダンパ部１２を覆う減衰部材１４を有する。減衰部材１４は、くさびダンパ部１２の薄肉部分に発生する振動を減衰させる機能を有する。

　減衰部材１４は、所望の周波数範囲（例えば１０ｋＨｚから３０ｋＨｚまで）において減衰性能がある材料（例えば、ポリマー、弾性ゴム等）で形成される。また、減衰部材１４は、そのヤング率（Ｅ）がくさびダンパ部１２のヤング率に比べ可能な限り大きい材料で構成されていることが望ましい。また、減衰部材１４は、その減衰比（ν）が可能な限り大きい材料で構成されていることが望ましい。

　減衰部材１４がくさびダンパ部１２を覆う範囲は、この例では全面であるが、くさびダンパ部１２の薄肉部分（外縁近傍）のみを覆ってもよい。
　また、本発明において、減衰部材１４は必須ではなく、くさびダンパ部１２の薄肉部分を十分に薄く製造できる場合には、減衰部材１４を省略してもよい。

　また減衰部材１４は、流体用制振ブレード１０のまわりを流れる流体の流れに沿った外面１４ａを有する。この外面１４ａは、流体用制振ブレード１０のブレード本体１１の外面に連続しており、両者の間で凹凸がないように設けられている。更にこの例において、減衰部材１４は、ブレード本体１１と共に予め設定したブレード形状を形成する。
　なお、減衰部材１４の厚さは任意である。例えば、この実施形態では、流体用制振ブレード１０の外面形状が従来のブレードと同一になるように、減衰部材１４の厚さを距離ｘに応じて変化させているが、この厚さを一定にしてもよい。

　減衰部材１４を、流体用制振ブレード１０の作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部としてもよい。
コーティング部１４は、所望の周波数範囲（例えば１０ｋＨｚから３０ｋＨｚまで）において作動流体に対して耐熱性を有する減衰材料（例えば、ボーラスなセラミック又は金属）である。

　図３は、本発明のコーティング部１４の形成手段を示す模式図である。
　この図は、特許文献３，４に開示されたコーティング方法を示している。
　この方法では、セラミック又は耐熱金属の粉末からなる電極と対象材料の表面との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギによりセラミック又は耐熱金属の皮膜を対象材料の表面に形成する。

　以下、この方法により形成された皮膜をマイクロ放電コーティングと呼び（「ＭＳコーティング」として登録商標済み）、「ＭＳＣ」と略称する。ＭＳコーティングは、微細な放電により対象材料の表面にセラミック又は耐熱金属の皮膜を形成する。そのため、セラミック又は耐熱金属であっても、内部に空隙を持たせて耐熱性と減衰性能を持たせることができる。

　さらに、ＭＳコーティングは、表１に示すように、メッキ、プラズマスプレイ、溶接と比較して、コスト、前処理／後処理の必要性、品質、変形、コーティング材料、環境において優れた特性を有している。

　コーティング部１４がくさびダンパ部１２を覆う範囲は、図２Ａに示す例では全面であるが、くさびダンパ部１２の薄肉部分（外縁近傍）のみをコーティング部１４で覆ってもよい。

　またコーティング部１４は、流体用制振ブレード１０のまわりを流れる流体の流れに沿った外面１４ａを有する。この外面１４ａは、流体用制振ブレード１０のブレード本体１１の外面に連続しており、両者の間で凹凸がないように設けられている。さらにこの例において、コーティング部１４は、ブレード本体１１と共に予め設定したブレード形状を形成する。
　なお、コーティング部１４の厚さは任意である。例えば、この実施形態では、流体用制振ブレード１０の外面形状が従来のブレードと同一になるように、コーティング部１４の厚さを距離ｘに応じて変化させているが、この厚さを一定にしてもよい。

図４Ａ～図４Ｃは、本発明のくさびダンパ部１２の厚さ、くさびダンパ部１２における振動の伝播速度、及びくさびダンパ部１２における振動の振幅を示す図である。

　図４Ａにおいて、くさびダンパ部１２は、ブレード本体１１に一端が一体的かつ同一厚さで連結され、外側の仮想線１３からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^２（εは正の定数）になっている。
　なお、本発明はこの関係に限定されず、h（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）の関係であればよい。

　くさびダンパ部１２における振幅Ａ（ｘ），伝播速度Ｃｐ（ｘ）は以下の式（１）～式（４）で示される．ここで、ｎは１以上の実数、Ａ_０は入力振幅（振動伝播部から伝播される振動の振幅）、ωは周波数、ｋは波数（wave number）、ρは密度、Ｅはヤング率である。

　式（１）～式（４）から、くさびダンパ部１２における振動の伝播速度Ｃｐ（ｘ）と振幅Ａ（ｘ）は、図４Ｂ及び図４Ｃのようになる。

　図４Ｃに示すように、振動エネルギはくさびダンパ部１２の薄肉部分（後縁１１ｂの近傍）に集中する。従って、減衰部材１４でくさびダンパ部１２の薄肉部分を覆うことにより、薄肉部分の振動を効果的に減衰することができる。

　図５Ａ及び図５Ｂは、本発明による流体用制振ブレードの実施例を示す斜視図である。
　これらの図において、流体用制振ブレード１０は、ジェットエンジン用のタービン動翼である。しかし本発明はこれに限定されず、回転機械で用いられる動翼又は静翼、或いはその他の機械で用いられる固定翼や回転翼であってもよい。

　図５Ａは流体用制振ブレード１０（ジェットエンジン用のタービン動翼）の斜視図、図５Ｂはその部分拡大図である。

　この例において、ブレード本体１１は前縁１１ａが前縁側であり、くさびダンパ部１２は後縁１１ｂ側に構成されている。
　また、ブレード本体１１とくさびダンパ部１２は、同一の振動可能な弾性材料（例えば、金属）からなり、一体成形されている。

　図５Ａ及び図５Ｂに示した本発明の流体用制振ブレード１０と同一形状の従来のブレードを、同一条件でコンピュータを用いて振動解析し、その振動減衰特性を比較した。なお対象としたくさびダンパ部１２におけるｎは２である。
　また、減衰部材１４は、くさびダンパ部１２の全面に沿って接着し、その外面１４ａの形状は、従来のブレードと同一とした。なお減衰部材１４には、商品名ハマダンパーＣ－１として市販されているものを用いた。

　図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の流体用制振ブレードによる減衰特性の実験結果である。
　これらの図において、図６Ａは周波数１０kHzから２０kHzまで、図６Ｂは２０kHzから３０kHzまでの実験結果である。また各図において、横軸は振動周波数（Ｈｚ）、縦軸は振動レベル（ｄＢ）、図中の破線は従来例、実線は本発明の例である。

　これらの図から、1 0 kHzから３０ｋＨｚの全周波数領域において、本発明の流体用制振ブレード１０では、従来例よりも振動レベルが低下しており、広範囲の周波数領域において、効果的な減衰が得られることが実験により確認された。

　上述したように本発明の構成によれば、一体的に形成されたくさびダンパ部１２を有し、その外縁における厚さh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、外縁（ｘ＞０）における厚さｈ（ｘ）を加工性のよい厚さに設定することができる。したがって、くさびダンパ部１２を特別な装置又は方法を用いることなく、容易に製造できる。

　また、くさびダンパ部１２の自由端からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射を低減することができる。

　更に、振動エネルギはくさびダンパ部１２の薄肉部分に集中するが、減衰部材１４でくさびダンパ部１２を覆うことにより、減衰部材１４によりくさびダンパ部１２の薄肉部分を効果的に減衰することができる。特に、作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部１４でくさびダンパ部１２を覆うことにより、高温環境下においてくさびダンパ部１２の薄肉部分を効果的に減衰することができる。

　また、減衰部材１４は、ブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面１４ａを有するので、流体の流れを乱さずに減衰効果が得られる。特に、作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部１４がブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面１４ａを有する場合には、高温流体の流れを乱さずに減衰効果が得られる。

　なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

　本発明によれば、容易に製造可能であり、流体の流れを乱さずに、広範囲の周波数領域において減衰効果が得られる流体用制振ブレードを提供することができる。

１０　流体用制振ブレード、１１　ブレード本体、１１ａ　前縁、１１ｂ　後縁、１２　くさびダンパ部、１３　仮想線、１４　減衰部材（コーティング部）、１４ａ　外面

Claims

　一体的に形成されたくさびダンパ部を有し、その外縁より外側の仮想線からの距離ｘにおける厚さｈ（ｘ）がh（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である流体用制振ブレード。
　前記くさびダンパ部の外縁は、前縁、後縁又は端縁である請求項１に記載の流体用制振ブレード。
　前記くさびダンパ部を覆い、ブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面を有する減衰部材を有し、減衰部材はブレード本体と共に予め設定したブレード形状を形成する請求項１に記載の流体用制振ブレード。
　前記くさびダンパ部を覆い作動流体に対して耐熱性を有するコーティング部を有する請求項１に記載の流体用制振ブレード。
　前記コーティング部は、ボーラスなセラミック又は金属からなり、かつ前記くさびダンパ部を覆い、ブレード本体の外面に凹凸なく連続する外面を有し、ブレード本体と共に予め設定したブレード形状を形成する請求項４に記載の流体用制服ブレード。
　前記コーティング部は、セラミック又は金属の粉末からなる電極とブレード本体の表面との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギによりセラミック又は金属の皮膜をブレード本体の表面に形成したコーティングである請求項４に記載の流体用制振ブレード。
　前記くさびダンパ部の外縁は、前線、後縁又は端縁である請求項４に記載の流体用制服ブレード。