JP3968234B2 - ターボ機械用の流れ案内要素の列 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械用の流れ案内要素の列に関し、特に、構造的な非同調によって改善されたフラッタ耐性を有する改良されたロータブレード列に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンや蒸気機関などのターボ機械装置は、回転ブレードと非回転ベーンとの交互の列を用いて作動流体とエネルギ交換を行うことによって作動する。各ブレードおよびベーンは、作動流体と相互に作用するエアフォイル部を有する。
【０００３】
エアフォイルは、周波数および振動モードの形の複雑さが増加する固有振動モードを有する。最も単純でかつ最も低い振動モードは、一般に、一次曲げ、二次曲げ、および一次捻りと呼ばれる。一次曲げは、エアフォイルの平面に垂直な運動であり、エアフォイルの翼幅全体が同じ方向で移動する。二次曲げは、一次曲げと同様であるが、エアフォイルの翼幅に沿ったある位置で運動方向が変化し、エアフォイルの上部と下部が反対方向に動く。一次捻りは、エアフォイルの翼幅に平行な弾性軸を中心とする捻り運動であり、弾性軸の両側でエアフォイルの翼幅全体が同じ方向に運動する。
【０００４】
ブレードと作動流体との不安定な相互作用により、ターボ機械のブレードが破壊的な振動を発生しやすいことは知られている。このような振動の１つは、フラッタとして知られており、ブレード上の流れとブレードの固有振動特性との相互作用によって起こる空力弾性の不安定状態である。最も低い周波数の振動モードである一次曲げおよび一次捻りは、一般にフラッタを生じやすい振動モードである。フラッタが起こると、振動によってブレードに生じる不安定な空気力によって、この振動にエネルギが追加されて振幅が増加する。振幅は、ブレードの構造的な破損を引き起こす程度まで大きくなるおそれがある。ターボ機械の昇圧および流量に関する動作可能な範囲は、種々のフラッタ現象によって制限されている。
【０００５】
また、ディスク上の全てのブレードの振動数が同一である場合に、ブレードがよりフラッタを生じやすくなることも知られている。製造技術の向上によって、ほぼ均一な特性を有するブレードが製造されるようになった。このような均一性は、一貫した空力性能を確実に得るためには望ましいが、フラッタが生じるおそれが大きくなる点では望ましくない。従って、フラッタ耐性を得るために、製造工程においてブレードに意図的なばらつきを導入することが望ましい。このような意図的なばらつきによって、空力性能を損なうまたは製造工程に過度の複雑さを持ち込むことなく、ブレードの振動特性に大きな影響を与えて構造的な非同調を導入することが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
取り付けられたブレード列に関して、フラッタによる不安定性を防止するために不均一な振動数を利用することは、スミスに付与された米国特許第５，２８６，１６８号に開示されている。この特許で説明された方法では、フラッタを防止するために不均一な振動数を利用しているが、２つの別個の種類のブレードを製造することが必要である。
【０００７】
シュラウド付きの取り付けられたブレード列で、シュラウド角を不均一とすることによってフラッタによる不安定性を防止することは、イェーガ等に付与された米国特許第５，６６７，３６１号に開示されている。しかし、この方法は、シュラウドの使用による空力性能の不利益を伴うので、最新のガスタービンエンジンには適さない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、受動的なフラッタ制御を提供する、ターボ機械用の改良された流れ案内要素の列を提供することである。
【０００９】
本発明の目的は、さらに、２つの別個の種類の流れ案内要素を必要としない、上述の改良された列を提供することである。
【００１０】
上記の目的は、本発明の改良された列によって達成される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、受動的なフラッタ制御を提供する、ターボ機械用の流れ案内要素の列が提供される。この列は、広い形態では、ロータディスクに固定された複数の流れ案内要素を含み、これらの複数の流れ案内要素には、前縁先端部領域から材料を除去することで固有振動数を改善した第１の流れ案内要素の第１の組と、翼幅中間の前縁領域から材料を除去することで固有振動数を改善した第２の流れ案内要素の第２の組と、が含まれる。
【００１２】
本発明の構造的に非同調とされた列の詳細、および他の目的やこれに伴う利点は、以下の実施形態と対応部および相当部に同一符号を付した添付図面に示されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の目的は、異なる固有振動数を有する構造的に非同調の要素すなわちブレードによって流れ案内要素の列を構成することで、受動的なフラッタ制御を行うことである。構造的な非同調は、異なる形状パラメータを有する流れ案内要素すなわちブレードを製造することによって達成することができる。このようなパラメータには、ブレード厚さ、翼弦長さ、キャンバ、および翼形形状が含まれるが、これらに限定されない。複数の種類の流れ案内要素すなわちブレードの製造は望ましくないので、構造的な非同調は、単一の種類の流れ案内要素すなわちブレードを製造してから、流れ案内要素すなわちブレードの固有振動数を変更する特徴をこれらの流れ案内要素すなわちブレードに機械加工することによって達成可能である。このような特徴には、図１ａ，図１ｂに示すような翼弦のブレンディング（なめらかな厚さの変更）や流れ案内要素すなわちブレードの先端部に沿ったスクイーラカット（ｓｑｕｅａｌｅｒ ｃｕｔ）が含まれるが、これらに限定されない。
【００１４】
各流れ案内要素すなわちブレードの固有振動数が隣接する流れ案内要素すなわちブレードの固有振動数と異なるように列を構成することによって、流れ案内要素すなわちブレードのフラッタ耐性が高まる。周波数の分離基準は、隣接する流れ案内要素すなわちブレードの周波数が、平均周波数の少なくとも１．０％だけ異なっていることである。この分離基準は、フラッタのおそれがあるそれぞれの構造モード、一般に一次曲げおよび一次捻りに適用される。異なる流れ案内要素すなわちブレードの異なる構造モードは、また、異なる周波数を有していることが好ましい。例えば、高周波の流れ案内要素すなわちブレードの一次曲げ周波数は、低周波の流れ案内要素すなわちブレードの一次捻り周波数と少なくとも１．０％異なる必要がある。
【００１５】
次に図１ａ，図１ｂを参照すると、２つの流れ案内要素すなわちブレード１０，１２が示されている。各流れ案内要素すなわちブレード１０，１２は、エアフォイル部１４、ハブ面１６、先端面１８、および前縁２０を有している。流れ案内要素すなわちブレード１０は、先端面１８と前縁２０の境をなす領域２２の材料が除去されていることにより、比較的高い一次捻り周波数を有する。流れ案内要素すなわちブレード１２は、翼幅中間の前縁領域２４の材料が除去されていることにより、比較的低い一次捻り周波数を有する。これらの材料は、当該技術分野で周知の適切な技術を用いて、領域２２，２４から除去することができる。それぞれの領域２２，２４から材料が除去されている以外には、流れ案内要素すなわちブレード１０，１２は同じ種類のものである。
【００１６】
領域２２，２４から除去される材料の量は、（１）非改良の流れ案内要素すなわちブレードと、それぞれの流れ案内要素すなわちブレード１０，１２と、の間の一次捻り周波数の差が、平均一次捻り周波数の１．０％を超えるとともに、（２）非改良の流れ案内要素すなわちブレードと、それぞれの流れ案内要素すなわちブレード１０，１２と、の間の一次曲げ周波数の差が、平均一次曲げ周波数の１．０％を超えるように決定する必要がある。
【００１７】
図２は、ガスタービンエンジンや蒸気機関などのターボ機械装置用の流れ案内要素の列の一実施例を示している。このような装置は、一般に、ロータブレードなどの流れ案内要素の複数の列を有し、これらの列は、固定のベーンまたはブレードの列と交互に設けられる。このようなロータ列とベーン列との組み合わせは、段と呼ばれる。図２の実施例では、流れ案内要素は、高周波および低周波の流れ案内要素すなわちブレード１０，１２が交互に設けられた列に並んでいる。この図から分かるように、流れ案内要素すなわちブレード１０，１２は、ディスク３２に取り付けられている。このディスク３２は、当該技術分野で周知の適切なロータディスクとすることができる。さらに、ブレード１０，１２は、当該技術分野で周知の適切な手段を用いてディスク３２に取り付けることができる。
【００１８】
図３は、ターボ機械装置用の流れ案内要素の列の他の実施例を示している。この図で示しているように、流れ案内要素すなわちブレードは、列に並んでおり、ディスク３２に取り付けられた高周波流れ案内要素１０、非改良の流れ案内要素３６、および低周波流れ案内要素１２を順に含んでいる。上述の実施例と同様に、ディスク３２は、当該技術分野で周知の適切なロータディスクとすることができる。流れ案内要素すなわちブレード１０，１２，３６は、当該技術分野で周知の適切な手段によってディスクに取り付けることができる。
【００１９】
図４は、ターボ機械装置用の流れ案内要素の列のさらに他の実施例を示している。列４０は、高周波の流れ案内要素すなわちブレード１０、非改良の流れ案内要素すなわちブレード３６、低周波の流れ案内要素すなわちブレード１２、および非改良の流れ案内要素すなわちブレード３６、の順で複数の流れ案内要素すなわちブレードを含んでいる。流れ案内要素すなわちブレード１０，３６，１２は、円状のパターンに配列されている。また、流れ案内要素すなわちブレード１０，３６，１２は、ディスク３２に固定されている。このディスク３２は、当該技術分野で周知の適切なロータディスクとすることができる。ブレード１０，３６，１２は、当該技術分野で周知の適切な手段によってディスク３２に取り付けることができる。
【００２０】
上述したように、本発明の流れ案内要素の列の種々の実施例は、受動的なフラッタ制御を提供するように多様なターボ機械で使用することができる。
【００２１】
本発明によって、上述の手段、目的、および利点を完全に満たす、受動的なフラッタ制御のための非同調ロータブレード列が提供されたことは明らかである。本発明をその詳細な実施例に基づいて説明したが、当業者には、上述の説明によって他の変更、代用、および改良が明らかとなるであろう。従って、請求の範囲に含まれるこのような変更、代用、および改良は、本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の列で使用される流れ案内要素の側面図である。
【図２】本発明に係る流れ案内要素の列の第１の実施例の説明図である。
【図３】本発明に係る流れ案内要素の列の他の実施例の説明図である。
【図４】本発明に係る流れ案内要素の列のさらに他の実施例の説明図である。
【符号の説明】
１０，１２…流れ案内要素
１４…エアフォイル部
１６…ハブ面
１８…先端面
２０…前縁
２２…前縁先端部領域
２４…翼幅中間の前縁領域

Claims (11)

1. ロータディスクに固定された複数の流れ案内要素を含み、前記複数の流れ案内要素には、
   前縁先端部領域から材料を除去することで固有振動数を改善した第１の流れ案内要素の第１の組と、
   翼幅中間の前縁領域から材料を除去することで固有振動数を改善した第２の流れ案内要素の第２の組と、が含まれていることを特徴とするターボ機械用の流れ案内要素の列。
2. 流れ案内要素の第１の組および第２の組は、隣接する流れ案内要素が同じ振動数を有することのないように、交互のパターンで配列されていることを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
3. 流れ案内要素の第１の組は、第２の流れ案内要素の一次曲げ、一次捻り、二次曲げの振動モード周波数とは異なる一次曲げ、一次捻り、二次曲げの振動モード周波数を有することを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
4. さらに、第３の非改良の流れ案内要素を含むことを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
5. 前記流れ案内要素は、隣接する流れ案内要素が同じ振動数を有することのないように、１つの第１の流れ案内要素、１つの非改良の流れ案内要素、１つの第２の流れ案内要素の順のパターンで配列されていることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
6. 前記流れ案内要素は、１つの第１の流れ案内要素、１つの非改良の流れ案内要素、１つの第２の流れ案内要素、１つの非改良の流れ案内要素の順序で配列されていることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
7. 非改良の流れ案内要素と第１の流れ案内要素との一次捻り周波数の差が、非改良の流れ案内要素の平均一次捻り周波数の１．０％を超えるように、各第１の流れ案内要素から十分な材料が除去されていることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
8. 非改良の流れ案内要素と第２の流れ案内要素との一次捻り周波数の差が、非改良の流れ案内要素の平均一次捻り周波数の１．０％を超えるように、各第２の流れ案内要素から十分な材料が除去されていることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
9. 第１、第２、および第３の流れ案内要素は、１列に並んでいることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
10. 第１および第２の流れ案内要素は、１列に並んでいることを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。
11. 前記列は、エンジン用のロータブレードアセンブリを含むことを特徴とする請求項１記載のターボ機械用の流れ案内要素の列。

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