JP2012087798A - 流体ダイナミックスの制御用スペーサを有する回転機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】流体ダイナミックスの制御用スペーサを有する回転機械を提供すること。
【解決手段】システムは、回転機械（１５０）の軸線に沿って延びる流体流路と、軸線の周りに配置された複数の翼形部（４８６）と、軸線の周りに配置された複数のスペーサ（４８２）とを備えた回転機械（１５０）を含む。複数のスペーサ（４８２）の各スペーサ（４８２）が、複数の翼形部（４８６）のうちの隣接する翼形部（４８６）間に円周方向に配置されて、軸線の周りに翼形部（４８６）の円周方向スペーシングを定める。
【選択図】 図１５

Description

本明細書で開示される主題は、回転機械に関し、より詳細には、流体流の共振挙動の影響を受けやすいタービン及び圧縮機に関する。
タービン及び圧縮機は、流体及びロータ間でエネルギーを交換する。例えば、タービンは、複数のブレードに作用する流体流に応答してエネルギーを発生し、他方、圧縮機は、エネルギーを用いて複数のブレードを駆動しガスを加圧する。残念ながら、ブレードの回転は、ブレードから上流側及び下流側の回転及び静止構造体を励振可能な伴流及び頭部波を生成する場合がある。例えば、伴流及び頭部波は、振動、早期摩耗、並びに流体流におけるベーン、ブレード、ノズル、翼形部、ロータ、及び他の構造体の損傷を引き起こす恐れがある。
米国特許第７７４３４９７号明細書
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
第１の実施形態では、システムは、回転機械の軸線に沿って延びる流体流路と、軸線の周りに配置された複数の翼形部と、軸線の周りに配置された複数のスペーサとを備えた回転機械を含む。複数のスペーサの各スペーサは、複数の翼形部のうちの隣接する翼形部間に円周方向に配置されて、軸線の周りに翼形部の円周方向スペーシングを定めることができる。
第２の実施形態では、システムは、流体流路と、該流体流路に沿って環状配列で配置された複数のセグメントと備えた回転機械を含む。複数のセグメントは、スペーサセグメントと、流れ制御セグメントとを含む。流れ制御セグメントは、流体流路内に突出する。各スペーサセグメントは、隣接する流れ制御セグメント間に円周方向に配置され、流れ制御セグメントの円周方向スペーシングを定める。
第３の実施形態では、方法は、流体流路に沿って回転機械内に複数の翼形部セグメントを装着する段階と、複数のスペーサセグメントを用いて複数の翼形部セグメントを円周方向スペーシング内に間隔を置いて配置する段階と、を含む。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
長手方向軸線に沿って切ったガスタービンエンジンの一実施形態の断面図。 ブレードの不均一なスペーシングを有するロータの一実施形態の正面図。 ブレードの不均一なスペーシングを有するロータの一実施形態の正面図。 ブレードの不均一なスペーシングを有するロータの一実施形態の正面図。 各ロータがブレードの異なる不均一なスペーシングを有する３つのロータの一実施形態の斜視図。 ブレード間の異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の部分正面図。 ブレード間の異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の上面図。 ブレード間の異なるサイズのスペーサを有するロータの一実施形態の上面図。 Ｔ字型幾何形状を有するブレードの一実施形態の正面図。 異なるサイズのベースを有するブレードを備えたロータの一実施形態の部分正面図。 異なるサイズのベースを有するブレードを備えたロータの一実施形態の平面図。 異なるサイズのベースを有するブレードを備えたロータの一実施形態の平面図。 ベース間に異なるサイズのスペーサを有するステータの一実施形態の部分正面図。 異なるサイズのベースを有するベーンを備えたステータの一実施形態の部分正面図。 ブレード間に均一な大型スペーサを有するロータの一実施形態の部分正面図。 ブレード間に均一な中型スペーサを有するロータの一実施形態の部分正面図。 ブレード間に均一な小型スペーサを有するロータの一実施形態の部分正面図。 エンジンの回転速度に対して異なるサイズのスペーサを有するステータ及びロータの共振周波数を示すグラフ。 ベーン間の均一な大きさサイズのスペーサを有するステータの一実施形態の部分正面図。 ベーン間の均一な中型スペーサを有するステータの一実施形態の部分正面図。 ベーン間の均一な小型スペーサを有するステータの一実施形態の部分正面図。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び／又は環境条件の例は、開示した実施形態以外のパラメータ／条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。
開示される実施形態は、回転ブレード又は固定ベーン間のスペーシングの調整、及び／又は回転ブレード又は固定ベーンの数の調整による、タービン又は圧縮機などの回転機械における流体ダイナミックスの調整を目的とする。詳細には、開示の実施形態は、ブレード又はベーンのスペーシング及び／又は数を調整し、流体流中の回転ブレード、固定ベーン又は他の構造体によって形成される伴流及び頭部波の周波数を制御する。例えば、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数により、タービン又は圧縮機における共振挙動、振動、及び望ましくない流体ダイナミックスの可能性を低減することができる。換言すると、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数により、流体流路に沿って構造体に共振を引き起こす伴流及び頭部波の能力を低減又は排除することができる。或いは、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数により、伴流及び頭部波の周波数を変えることによって流体流路における構造体の応答を減衰し低減することができる。不均一なスペーシング又は修正された数は、スペーサ、修正された取付構造体、取付アダプタ、修正ステータ、修正ロータ、又はこれらの幾つかの組み合わせを用いて達成することができる。
例えば、ブレード又はベーンの不均一なスペーシングは、隣接ブレード又はベーン間の異なるサイズのスペーサ、隣接ブレード又はベーンの異なるサイズのベース、或いはこれらの何れかの組み合わせを用いて達成することができる。ブレード又はベーンの不均一なスペーシングは共に、特定の段（例えば、タービン又は圧縮機断）の外周の周りのブレードの不均一なスペーシング、段間のブレードの不均一なスペーシング、或いはこれらの組み合わせを含むことができる。不均一なスペーシングは、回転ブレードによって生成される伴流及び頭部波を効果的に低減及び減衰し、これにより固定及び回転構造体上のこのような伴流及び頭部波によって引き起こされる振動、早期摩耗、及び損傷の可能性を低減する。
別の実施例によれば、ブレード又はベーンの修正された数は、スペーサ、修正取付ベース、又はこれらの組み合わせを介してブレード又はベーンのより多くの又はより少ない数を均一にスペーシングすることによって達成することができる。スペーサを利用する特定の実施形態では、スペーサの第１のセット（例えば、大型スペーサ）は、ブレード又はベーンの第１の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、スペーサの第２のセット（例えば、中型スペーサ）は、ブレード又はベーンの第２の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、スペーサの第３のセット（例えば、小型スペーサ）は、ブレード又はベーンの第３の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、以下同様である。同様に、修正ブレードを利用する特定の実施形態では、第１の取付ベースサイズ（例えば、大型取付ベース）を有するブレード又はベーンの第１のセットは、ブレード又はベーンの第１の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、第２の取付ベースサイズ（例えば、中型取付ベース）を有するブレード又はベーンの第２のセットは、ブレード又はベーンの第２の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、第３の取付ベースサイズ（例えば、小型取付ベース）を有するブレード又はベーンの第３のセットは、ブレード又はベーンの第３の均一なスペーシングを提供するのに用いることができ、以下同様である。各実施形態では、ブレード又はベーン数は、回転機械の特定の回転速度において伴流及び頭部波の周波数を変更するために増減させることができる。従って、修正された数は、伴流及び頭部波の周波数を変更し、特定の回転速度での流体流路における構造体の共振周波数を避けるように構成される。
回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数の開示された実施形態は、タービン、圧縮機、及び回転ポンプなどのあらゆる好適な回転機械で利用することができる。しかしながら、検討の目的で、開示された実施形態は、ガスタービンエンジンの関連において提示される。図１は、ガスタービンエンジン１５０の一実施形態の側断面図である。以下でより詳細に説明されるように、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、ガスタービンエンジン１５０内で利用され、流体流における伴流及び頭部波の周期的発振、振動、及び／又は高調波挙動を低減及び／又は減衰させることができる。例えば、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、ガスタービンエンジン１５０の圧縮機１５２及びタービン１５４で用いることができる。更に、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、圧縮機１５２及びタービン１５４の単一の段又は多段で用いることができ、段毎に異なることができる。
図示の実施形態では、ガスタービンエンジン１５０は、吸気セクション１５６、圧縮機１５２、１つ又はそれ以上の燃焼器１５８、タービン１５４、及び排気セクション１６０を含む。圧縮機１５２は、複数の圧縮機断１６２（例えば、１から２０段）を含み、各々が複数の回転圧縮機ブレード１６４及び固定圧縮機ベーン１６６を有する。圧縮機１５２は、吸気セクション１５６から空気を吸い込み、段１６２における空気圧を漸次的に増大させるよう構成される。最終的に、ガスタービンエンジン１５０は、圧縮機１５２からの加圧空気を１つ又はそれ以上の燃焼器１５８に配向する。各燃焼器１５８は、加圧空気を燃料と混合し、燃料空気混合気を燃焼させ、タービン１５４に向けて高温燃焼ガスを配向するよう構成される。従って、各燃焼器１５８は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル１６８と、タービン１５４へとつながる移行部品１７０とを含む。タービン１５４は、段１７４、１７６、及び１７８などの複数のタービン段１７２（例えば、１から２０段）を含み、各々が、複数の回転タービンブレード１８０及び固定ノズル組立体又はタービンベーン１８２を有する。更に、タービンブレード１８０は、それぞれのタービンホイール１８４に結合され、該タービンホイールは回転シャフト１８６に結合される。タービン１５４は、燃焼器１５８から高温燃焼ガスを吸い込み、該高温燃焼ガスからエネルギーを漸次的に取り出してタービン段１７２においてブレード１８０を駆動するよう構成される。高温燃焼ガスによりタービンブレード１８０の回転が生じると、シャフト１８６が回転し、圧縮機１５２及び発電機などの他の何れかの好適な負荷を駆動する。最終的に、ガスタービンエンジン１５０は、排気セクション１６０を通って燃焼ガスを拡散及び排出する。
以下で詳細に検討するように、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数の様々な実施形態は、共振及び振動などの望ましくない挙動を低減するように流体ダイナミックスを調整するため圧縮機１５２及びタービン１５４において使用することができる。例えば、図２から１４を参照して検討するように、圧縮機ブレード１６４、圧縮機ベーン１６６、タービンブレード１８０、及び／又はタービンベーン１８２の不均一なページングは、ガスタービンエンジン１５０において生成される伴流及び頭部波を低減、減衰又は周波数シフトするように選択することができる。同様に、図１５から２１を参照して検討するように、圧縮機ブレード１６４、圧縮機ベーン１６６、タービンブレード１８０、及び／又はタービンベーン１８２の修正数（例えば、修正された不均一なスペーシング）は、ガスタービンエンジン１５０において生成される伴流及び頭部波を低減、減衰又は周波数シフトするように選択することができる。これらの種々の実施形態では、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、特に、共振及び振動の可能性を低減し、これによりガスタービンエンジン１５０の性能を改善し寿命を延ばすように選択される。
図２は、不均一に離間したブレードを有するロータ２００の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２００は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械に配置することができる。例えば、ロータ２００は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせにおいて配置することができる。更に、ロータ２００は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間したブレードの同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２００は、中間線２０６を介して２つの等しいセクション２０２及び２０４（例えば、１８０度毎）にロータ２００を分割することによって説明できる、不均一に離間したブレード２０８を有する。特定の実施形態では、各セクション２０２及び２０４は、異なる数のブレード２０８を有し、これにより不均一なブレードスペーシングを生成することができる。例えば、図示の上側セクション２０２は、３つのブレード２０８を有するが、図示の下側セクション２０４は６つのブレード２０８を有する。従って、上側セクション２０２は、下側セクション２０４の半数のブレード２０８を有する。他の実施形態では、上側及び下側セクション２０２及び２０４は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけブレード２０８の数が異なることができる。例えば、下側セクション２０４に対する上側セクション２０２のブレード２０８のパーセンテージは、約５０から９９．９９パーセント、７５から９９．９９パーセント、９５から９９．９９パーセントの間にわたることができる。しかしながら、上側及び下側セクション２０２及び２０４間のブレード２０８の数のあらゆる差を利用して、固定翼形部又は構造体上のブレード２０８の回転に関連する伴流及び頭部波を低減及び減衰することができる。
加えて、ブレード２０８は、各セクション２０２及び２０４内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、上側セクション２０２のブレード２０８は、第１の円周方向スペーシング２１０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、下側セクション２０４のブレード２０８は、第２の円周方向スペーシング２１２（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２０２及び２０４は、等しいスペーシングを有し、円周方向スペーシング２１０は、円周方向スペーシング２１２とは異なっている。他の実施形態では、円周方向スペーシング２１０は、上側セクション２０２においてブレード２０８それぞれで異なることができ、及び／又は円周方向スペーシング２１２は、下側セクション２０４においてブレード２０８それぞれで異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一なブレードスペーシングは、回転翼形部又は構造体による伴流及び頭部波の周期的生成に起因して、固定翼形部及び構造体に対する共振の可能性を低減するよう構成される。不均一なブレードスペーシングは、不均一な回転翼形部又は構造体による非周期的生成に起因して伴流及び頭部波を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一なブレードスペーシングは、例えば、ベーン、ノズル、ステータ、翼形部、その他などの様々な下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図３は、不均一に離間したブレードを有するロータ２２０の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２２０は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械内に配置することができる。例えば、ロータ２２０は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせ内に配置することができる。更に、ロータ２２０は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間したブレードの同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２２０は、中間線２３０及び２３２を介して４つの等しいセクション２２２、２２４、２２６、及び２２８（例えば、９０度毎）にロータ２００を分割することによって説明できる、不均一に離間したブレード２３４を有する。特定の実施形態では、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８の少なくとも１つ又はそれ以上は、他のセクションに対して異なる数のブレード２３４を有し、これにより不均一なブレードスペーシングを生成することができる。例えば、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、それぞれのセクションにおいて１、２、３、又は４つの異なる数のブレード２３４を有することができる。図示の実施形態では、各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は異なる数のブレード２３４を有する。セクション２２２は、円周方向距離２３６で互いに等間隔に配置された３つのブレードを有し、セクション２２４は、円周方向距離２３８で互いに等間隔に配置された６つのブレードを有し、セクション２２６は、円周方向距離２４０で互いに等間隔に配置された２つのブレードを有し、セクション２２８は、円周方向距離２４２で互いに等間隔に配置された５つのブレードを有する。この実施形態では、セクション２２４及び２２６は、偶数であるが異なる数のブレード２３４を有し、セクション２２２及び２２８は、奇数であるが異なる数のブレード２３４を有する。他の実施形態では、少なくとも１つのセクションは残りのセクションに対して異なる数のブレード２３４を有するという条件下で、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、偶数及び奇数のブレード２３４のあらゆる構成を有することができる。例えば、セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ互いに対してブレード２０８の数が異なることができる。
加えて、ブレード２３４は、各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、セクション２２２のブレード２３４は、第１の円周方向スペーシング２３６（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２４のブレード２３４は、第２の円周方向スペーシング２３８（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２６のブレード２３４は、第３の円周方向スペーシング２４０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２２８のブレード２３４は、第４の円周方向スペーシング２４２（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２２２、２２４、２２６、及び２２８は等しいスペーシングを有し、円周方向スペーシング２３６、２３８、２４０、及び２４２はセクション毎に異なっている。他の実施形態では、円周方向スペーシングは、各個々のセクション内で異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一なブレードスペーシングは、伴流及び頭部波の周期的生成に起因する共振の可能性を低減するよう構成される。更に、不均一なブレードスペーシングは、ブレード２３４による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因して、回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波による固定翼形部及び構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一なブレードスペーシングは、例えば、ベーン、ノズル、ステータ、翼形部、その他などの様々な下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図４は、不均一に離間したブレードを有するロータ２５０の一実施形態の正面図である。特定の実施形態では、ロータ２５０は、タービン、圧縮機、又は別の回転機械内に配置することができる。例えば、ロータ２５０は、ガスタービン、蒸気タービン、水タービン、又はこれらの何れかの組み合わせ内に配置することができる。更に、ロータ２５０は、回転機械の複数の段において用いることができ、各々が不均一に離間したブレードの同じ又は異なる配置を有する。
図示のロータ２５０は、中間線２５８、２６０及び２６２を介して３つの等しいセクション２５２、２５４、及び２５６（例えば、１２０度毎）にロータ２５０を分割することによって説明できる、不均一に離間したブレード２６４を有する。特定の実施形態では、セクション２５２、２５４、及び２５６の少なくとも１つ又はそれ以上は、他のセクションに対して異なる数のブレード２６４を有し、これにより不均一なブレードスペーシングを生成することができる。例えば、セクション２５２、２５４、及び２５６は、それぞれのセクションにおいて２又は３の異なる数のブレード２６４を有することができる。図示の実施形態では、各セクション２５２、２５４、及び２５６は異なる数のブレード２６４を有する。セクション２５２は、円周方向距離２６６で互いに等間隔に配置された３つのブレードを有し、セクション２５４は、円周方向距離２６８で互いに等間隔に配置された６つのブレードを有し、セクション２５６は、円周方向距離２７０で互いに等間隔に配置された５つのブレードを有する。この実施形態では、セクション２５２及び２５６は、奇数であるが異なる数のブレード２６４を有し、セクション２５４は、偶数のブレード２６４を有する。他の実施形態では、少なくとも１つのセクションは残りのセクションに対して異なる数のブレード２６４を有するという条件下で、セクション２５２、２５４、及び２５６は、偶数及び奇数のブレード２６４のあらゆる構成を有することができる。例えば、セクション２５２、２５４、及び２５６は、約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけ互いに対してブレード２６４の数が異なることができる。
加えて、ブレード２６４は、各セクション２５２、２５４、及び２５６内に均等又は不均等に離間して配置することができる。例えば、図示の実施形態では、セクション２５２のブレード２６４は、第１の円周方向スペーシング２６６（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２５４のブレード２６４は、第２の円周方向スペーシング２６８（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間され、セクション２５６のブレード２６４は、第３の円周方向スペーシング２７０（例えば、円弧長）だけ互いから均等に離間されている。各セクション２５２、２５４、及び２５６は等しいスペーシングを有し、円周方向スペーシング２６６、２６８、及び２７０はセクション毎に異なっている。他の実施形態では、円周方向スペーシングは、各個々のセクション内で異なることができる。これらの実施形態の各々において、不均一なブレードスペーシングは、伴流及び頭部波の周期的生成に起因する共振の可能性を低減するよう構成される。更に、不均一なブレードスペーシングは、ブレード２６４による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因して、回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波による固定翼形部又は構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一なブレードスペーシングは、例えば、ベーン、ノズル、ステータ、翼形部、その他などの様々な下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。
図５は、３つのロータ２８０、２８２、及び２８４の一実施形態の斜視図であり、各ロータは、ブレード２８６の異なる不均一なブレードスペーシングを有する。例えば、図示のロータ２８０、２８２、及び２８４は、図１に示すような圧縮機１５２又はタービン１５５４の３つの段に対応することができる。図示のように、ロータ２８０、２８２、及び２８４の各々は、それぞれの上側セクション２８８、２９０、及び２９２とそれぞれの下側セクション２９４、２９６、及び２９８との間に不均一なスペーシングのブレーと２８６を有する。例えば、ロータ２８０は、上側セクション２８８に３つのブレード２８６と、下側セクション２９５に５つのブレード２８６とを含み、ロータ２８２は、上側セクション２９０において４つのブレード２８６と、下側セクション２９６において６つのブレード２８６とを含み、ロータ２８４は、上側セクション２９２において５つのブレード２８６と、下側セクション２９８において７つのブレード２８６とを含む。従って、上側セクション２８８、２９０、及び２９２は、各それぞれのロータ２８０、２８２、及び２８４において下側セクション２９４、２９６、及び２９８と比べてより多くの数のブレード２８６を有する。図示の実施形態では、ブレード２８６の数は、上側セクション毎に１つのブレード２８６ずつ増大し、また、下側セクション毎に１つのブレード２８６ずつ増大している。別の実施形態では、上側及び下側セクションは、各個々のロータ内で及び／又はロータ毎に約１から１．００５、１から１．０１、１から１．０２、１から１．０５、又は１から３だけブレード２６４の数が異なることができる。加えて、ブレード２８６は、各セクション２８８、２９０、２９２、２９４、２９６、及び２９８内で均等又は不均等に離間していてもよい。
これらの実施形態の各々において、不均一なブレードスペーシングは、伴流及び頭部波の周期的生成に起因した共振の可能性を低減するよう構成される。更に、不均一なブレードスペーシングは、ブレード２８６による伴流及び頭部波の非周期的生成に起因した回転翼形部又は構造体の伴流及び頭部波による固定翼形部及び構造体の応答を効果的に減衰及び低減することができる。このようにして、不均一なブレードスペーシングは、例えば、ベーン、ノズル、ステータ、翼形部、その他などの様々な下流側構成要素への伴流及び頭部波の影響を低減することができる。図５の実施形態では、不均一なブレードスペーシングが各個々のロータ２８０、２８２、及び２８４内、及び更にロータ間毎に設けられる。従って、ロータ間の不均一性により、回転機械における伴流及び頭部波の周期的生成によって生じる共振の可能性を更に低減することができる。
図６は、ブレード３１５のベース３１４間の異なるサイズのスペーサ３１２を有するロータ３１０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのスペーサ３１２は、等しいサイズのベース３１４及び／又はブレード３１６を有する様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にし、これによりブレード３１６の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ３１２を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３１２を含む。図示のスペーサ３１２は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３１２のサイズは、小型スペーサの寸法３１８、中型スペーサの寸法３２０、及び大型スペーサの寸法３２２で示されるように、円周方向で異なることができる。特定の実施形態では、複数のスペーサ３１２は、隣接するベース３１４間に配置することができ、ここでスペーサ３１２は等しいサイズ又は異なるサイズの何れかである。換言すると、異なるサイズのスペーサ３１２は、より大きなスペーシングを生成するために複数の小型スペーサを用いた単一構成又は多部品構成とすることができる。何れの実施形態ではも、寸法３１８、３２０、及び３２２は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ロータ３１０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのスペーサ３１２を含むことができる。異なるサイズのスペーサ３１２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図７は、ブレード３２８のベース３２６間に異なるサイズのスペーサ３２４を有するロータ３２２の一実施形態の上面図である。図６の実施形態と同様に、異なるサイズのスペーサ３２４は、等しいサイズのベース３２６及び／又はブレード３２８を有する様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にし、これによりブレード３２８の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ３２４を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３２４を含む。図示のスペーサ３２４は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３２４のサイズは、図５を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのスペーサ３２４（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、スペーサ３２４は、角度付き接合面３３０にてブレード３２８のベース３２６と界接する。例えば、角度付き接合面３３０は、線３３４で示すように、ロータ３２２の回転軸線に対して角度３３２の向きにされる。角度３３２は、約０から６０度、５から４５度、又は１０から３０度の範囲にわたることができる。図示の角度付き接合面３３０は、直線縁部又は平坦面である。しかしながら、接合面３３０の他の実施形態は、非直線状の幾何形状を有することができる。
図８は、ブレード３４６のベース３４４間の異なるサイズのスペーサ３４２を有するロータ３４０の一実施形態の平面図である。図６及び８の実施形態と同様に、異なるサイズのスペーサ３４２は、等しいサイズのベース３４４及び／又はブレード３４６を有する様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にし、これによりブレード３４６の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ３４２を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ３４２を含む。図示のスペーサ３２４は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ３４２のサイズは、図６を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのスペーサ３４２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、スペーサ３４２は、非直線状接合面３５０にてブレード３４６のベース３４４と界接する。例えば、接合面３５０は、第１の湾曲部分３５２と第２の湾曲部分３５４とを含むことができ、これらは互いに同じ又は異なるものとすることができる。しかしながら、接合面３５０はまた、異なる角度の複数の直線状セグメント、１つ又はそれ以上の突出部、１つ又はそれ以上の凹部、又はこれらの組み合わせなど、他の非直線状幾何形状を有することができる。図示のように、第１及び第２の湾曲部分３５２及び３５４は、互いに反対方向に湾曲している。しかしながら、湾曲部分３５２及び３５４は、他の何れかの湾曲幾何形状を定めることができる。
図９は、開示された実施形態による、不均一なブレードスペーシングにおいて配列することができる、Ｔ字型幾何形状３６１を有するブレード３６０の一実施形態の正面図である。図示のブレード３６０は、ベース部分３６２と、ブレード部分３６４とを含み、これらは互いに一体化（例えば、単一構成）することができる。ベース部分３６２は、第１のフランジ３６６と、第１のフランジ３６６からオフセットした第２のフランジ３６８と、フランジ３６６と３６８間に延びるネック部３７０と、フランジ３６６及び３６８間に配置された対向するスロット３７２及び３７４と、を含む。組立中、フランジ３６６及び３６８並びにスロット３７２及び３７４は、ロータの周りの円周方向レールと相互連結するよう構成される。換言すると、フランジ３６６及び３６８並びにスロット３７２及び３７４は、ロータ内の所定場所に円周方向に滑動し、これにより軸方向及び半径方向でブレード３６０を固定するよう構成される。図６から８の実施形態では、これらのブレード３６０は、同様のベース部分を有する異なるサイズの複数のスペーサによって円周方向に間隔を置いて配置され、これによりブレード３６０の不均一なブレードスペーシングを提供することができる。
図１０は、ブレード３８８の異なるサイズのベース３８６を有するロータ３８４の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのベース３８６は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にする。異なるサイズのベース３８６と共にスペーサが使用される場合、該スペーサは、不均一なブレードスペーシングにおいてより融通性を提供するような等しいサイズ又は異なるサイズとすることができる。あらゆる数の異なるサイズのベース３８６を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース３８６を含む。図示のベース３８６は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース３８６のサイズは、小型ベースの寸法３９０、中型ベースの寸法３９２、及び大型ベースの寸法３９４で示されるように、円周方向で異なることができる。例えば、３つの寸法３９０、３９２、及び３９４は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ロータ３８４は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのベース３８６を含むことができる。異なるサイズのベース３８６（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図１１は、異なるサイズのブレードベース４０２の支持ブレード４０４を有するロータ４００の一実施形態の上面図である。図１０の実施形態と同様に、異なるサイズのベース４０２は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にする。あらゆる数及びサイズのベース４０２を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４０２を含む。図示のベース４０２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４０２のサイズは、図１０を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのベース４０２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、ベース４０２は、角度付き接合面４０６にて互いに界接する。例えば、角度付き接合面４０６は、線４０９で示すように、ロータ４００の回転軸線に対して角度４０８の向きにされる。角度４０８は、約０から６０度、５から４５度、又は１０から３０度の範囲にわたることができる。図示の角度付き接合面４０６は、直線縁部又は平坦面である。しかしながら、接合面４０６の他の実施形態は、非直線状の幾何形状を有することができる。
図１２は、異なるサイズのブレードベース４１２の支持ブレード４４４を有するロータ４１０の一実施形態の上面図である。図１０及び１２の実施形態と同様に、異なるサイズのベース４１２は、スペーサの有無に関わらず様々な不均一なブレードスペーシング構成の実装を可能にする。あらゆる数及びサイズのベース４１２を用いて不均一なブレードスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４１２を含む。図示のベース４１２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４１２のサイズは、図１０を参照して上記で検討したように、円周方向で異なることができる。異なるサイズのベース４１２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図示の実施形態では、ベース４１２は、非直線状接合面４１６にて互いに界接する。例えば、接合面４１６は、第１の湾曲部分４１８と第２の湾曲部分４２０とを含むことができ、これらは互いに同じ又は異なるものとすることができる。しかしながら、接合面４１６はまた、異なる角度の複数の直線状セグメント、１つ又はそれ以上の突出部、１つ又はそれ以上の凹部、又はこれらの組み合わせなど、他の非直線状幾何形状を有することができる。図示のように、第１及び第２の湾曲部分４１８及び４２０は、互いに反対方向に湾曲している。しかしながら、湾曲部分４１８及び４２０は、他の何れかの湾曲幾何形状を定めることができる。
図１３は、ベーン４４６のベース４４４間に異なるサイズのスペーサ４４２を有するステータ４４０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのスペーサ４４２は、等しいサイズのベース４４４及び／又はベーン４４６を有する様々な不均一なベーンスペーシング構成の実装を可能にし、これによりベーン４４６の製造コストを低減する。あらゆる数及びサイズのスペーサ４４２を用いて不均一なベーンスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのスペーサ４４２を含む。図示のスペーサ４４２は、「Ｓ」で表記された小型スペーサと、「Ｍ」で表記された中型スペーサと、「Ｌ」で表記された大型スペーサとを含む。スペーサ４４２のサイズは、小型スペーサの寸法４４８、中型スペーサの寸法４５０、及び大型スペーサの寸法４５２で示されるように、円周方向で異なることができる。特定の実施形態では、複数のスペーサ４４２は、隣接するベース４４４間に配置することができ、ここでスペーサ４４２は等しいサイズ又は異なるサイズの何れかである。換言すると、異なるサイズのスペーサ４４２は、より大きなスペーシングを生成するために複数の小型スペーサを用いた単一構成又は多部品構成とすることができる。何れの実施形態ではも、寸法４４８、４５０、及び４５２は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ステータ４４０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのスペーサ４４２を含むことができる。異なるサイズのスペーサ４４２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
図１４は、ベーン４６４の異なるサイズのベース４６２を有するステータ４６０の一実施形態の正面断面図である。詳細には、異なるサイズのベース４６２は、スペーサの有無に関係なく様々な不均一なベーンスペーシング構成の実装を可能にする。異なるサイズのベース４６２と共にスペーサが使用される場合、該スペーサは、不均一なベーンスペーシングにおいてより融通性を提供するような等しいサイズ又は異なるサイズとすることができる。あらゆる数の異なるサイズのベース４６２を用いて不均一なベーンスペーシングを提供することができるが、図示の実施形態は、検討の目的で３つの異なるサイズのベース４６２を含む。図示のベース４６２は、「Ｓ」で表記された小型ベースと、「Ｍ」で表記された中型ベースと、「Ｌ」で表記された大型ベースとを含む。ベース４６２のサイズは、小型ベースの寸法４６６、中型ベースの寸法４６８、及び大型ベースの寸法４７０で示されるように、円周方向で異なることができる。例えば、３つの寸法４６６、４６８、及び４７０は、約１から１０００パーセント、５から５００パーセント、又は１０から１００パーセントのパーセンテージだけ漸次的に増大することができる。他の実施形態では、ステータ４６０は、例えば、２から１００、２から５０、２から２５、又は２から１０個のより多く又はより少ない異なるサイズのベース４６２を含むことができる。異なるサイズのベース４６２（例えば、Ｓ、Ｍ、及びＬ）はまた、様々な繰り返しパターンで配列することができ、或いは、不規則な順番で配列してもよい。
上述のように、本発明の実施形態は、回転ブレード又は固定ベーン間のスペーシングの調整、及び／又は回転ブレード又は固定ベーンの数の調整によって、圧縮機又はタービンのような回転機械における流体ダイナミックを調整することができる。この調整により、回転機械の共振挙動（例えば伴流及び頭部波に起因した共振）の可能性を実質的に低減又は排除することができる。図２から１４の実施形態は、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシングを提供し、これはまた、ブレード又はベーンの数の変化又は不変に対応することができる。図１５から２１の実施形態は、特に、ブレード又はベーンの均一なスペーシングを維持しながら、ブレード又はベーンの数を変更している。以下で更に詳細に検討するように、均一なスペーシングを維持しながらそれぞれのロータ及びステータ上のブレード又はベーンの数を変化させることにより、特定の回転速度での伴流及び頭部波の周波数が変化する。例えば、スペーサのサイズを変更すると、あらゆる好適な数（例えば、１から５、１から１０、又は１から２０）だけブレード数を増減することができる。この周波数の変化は、特定の回転速度での流路に沿った構造体（例えば、ロータ、ステータ、その他）の長時間の共振応答を阻止することができる。
図１５、１６、及び１７は、均一な異なるブレードスペーシング及びブレード数を提供するために３つの異なるサイズのスペーサを用いることを示しており、これらを選択的に用いて、タービン又は圧縮機などの回転機械における伴流及び頭部波の周波数を変化させることができる。図１５、１６、及び１７は、３つのサイズのスペーサ（例えば、大、中、及び小）だけを示しているが、特定の実施形態では、あらゆる数のスペーササイズ（例えば、２から１００個の異なるサイズ）を利用してブレードスペーシング及びブレード数を修正することができる。図１５は、ブレードベース４８４の支持ブレード３８６間に大型スペーサ４８２を有するロータ４８０の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、大型スペーサ４８２は、ロータ４８０の周りに等距離４８８で隣接するブレードベース４８４を離隔するように同じサイズを有する。大型スペーサ４８２はまた、ロータ４８０の周りに等距離４９０でブレード４８６を離隔する。図１６及び１７に示す小型スペーサ及び中型スペーサと比べて、大型スペーサ４８２は、ロータ４８０上のブレード４８６の数が減少し、これにより伴流及び頭部波の周波数が低下する。例えば、中型又は小型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、大型スペーサ４８２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
図１６は、ブレードベース５０４の支持ブレード５０６間に中型スペーサ５０２を有するロータ５００の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、中型スペーサ５０２は、ロータ５００の周りに等距離５０８で隣接するブレードベース５０４を離隔するように同じサイズを有する。中型スペーサ５０２はまた、ロータ５００の周りに等距離５１０でブレード５０６を離隔する。図１５に示す大型スペーサと比べて、中型スペーサ５０２は、ロータ５００上のブレード５０６の数が増大し、これにより伴流及び頭部波の周波数が上昇する。図１７に示す小型スペーサと比べて、中型スペーサ５０２は、ロータ５００上のブレード５０６の数が減少し、これにより伴流及び頭部波の周波数が低下する。例えば、大型又は小型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、中型スペーサ５０２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
図１７は、ブレードスペーサ５２４の支持ブレード５２６間に小型スペーサ５２２を有するロータ５２０の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、小型スペーサ５２２は、ロータ５２０の周りに等距離５２８で隣接するブレードベース５２４を離隔するように同じサイズを有する。小型スペーサ５２２はまた、ロータ５２０の周りに等距離５３０でブレード５２６を離隔する。図１５及び１６に示す大型及び中型スペーサと比べて、小型スペーサ５２２は、ロータ５２０上のブレード５２６の数が増大し、これにより伴流及び頭部波の周波数が上昇する。例えば、大型又は中型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、小型スペーサ５２２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
図１８は、タービン又は圧縮機などの回転機械の流体発振周波数又は振動数と回転速度を示すグラフ５３０である。図１８に示すように、ｘ軸５３２は回転機械の回転速度を表し、ｙ軸５３４は流体流における構造体の流体発振周波数又は振動数を表す。縦の破線５３６は、回転機械の公称回転速度、例えばタービンエンジンの設計速度を表している。曲線５３８は、流体流中の構造体の共振周波数を表す。例えば、曲線５３８は、伴流及び頭部波を発生させる回転ブレードから上流側又は下流側の固定構造体（例えば、ベーン）の振動の共振周波数に相当することができる。線５４０、５４２、及び５４４は、ブレードの回転によって駆動される流体流の発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数を表しており、各線５４０、５４２、及び５４４は、等間隔にされたブレードの異なる数を表している。詳細には、線５４０は、「Ｓ」で示される複数の小型スペーサにより提供される多くの数のブレードを表し、線５４２は、「Ｍ」で示される複数の中型スペーサにより提供される中間の数のブレードを表し、線５４４は、「Ｌ」で示される複数の大型スペーサにより提供される少ない数のブレードを表している。従って、線５４０は、図１７の実施形態に対応し、線５４２は、図１６の実施形態に対応し、線５４４は、図１５の実施形態に対応することができる。
図１８に示すように、スペーササイズの減少に対応したブレード数の増加は、ブレードによって生成される発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数の上昇をもたらし、スペーササイズの増大に対応したブレード数の減少は、ブレードによって生成される発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数の低下をもたらす。従って、開示される実施形態は、スペーササイズを調整してブレード数を変更し、すなわち発振周波数を変更し、特定の回転速度についての共振周波数を回避する。線５４０、５４２、及び５４４の線５３８との交点は、様々なブレード数に対する共振点５４６、５４８、及び５５０を表す。例えば、共振点５４６は、第１の回転速度５５４における第１の共振周波数５５２を表し、図１７のブレード５２６（すなわち、小型スペーサ；多くのブレード数）の回転により生成される発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数は、ブレード５２６から上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）の共振周波数と交差する。別の実施例によれば、共振点５４８は、第２の回転速度５５８における第２の共振周波数５５６を表し、図１６のブレード５０６（すなわち、中型スペーサ；中間のブレード数）の回転によって生成される発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数は、ブレード５０６から上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）の共振周波数と交差する。別の実施例によれば、共振点５５０は、第３の回転速度５６２における第３の共振周波数５６０を表し、図１５のブレード４８６（すなわち、大型スペーサ；少ないブレード数）の回転によって生成される発振（例えば、伴流及び頭部波）の周波数は、ブレード４８６から上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）の共振周波数と交差する。
図示の実施形態では、第２の回転速度５５８は、一般に、回転機械の設計回転速度５３６と同じであり、すなわち、中間のブレード数（例えば、図１６）に対応する千５４２は、回転ブレード５０６から上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）の共振挙動もたらす可能性が高いことになる。これに応じて、開示される実施形態は、より多くの又はより少ないブレード数を利用して、回転機械の設計回転速度５３６における共振挙動を避けることができる。例えば、開示される実施形態は、図１７に描くような小型のスペーサによって提供されるより多くのブレード数を利用し、或いは、図１５に描かれるようなより大型のスペーサによって提供されるより少ないブレード数を利用することができる。設計回転速度５３６では、図１７に描くような小型のスペーサによって提供されるより多くのブレード数は、共振周波数５５６よりも実質的に大きな発振（伴流及び頭部波）の周波数５６４をもたらし、これによりブレードから上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）におけるあらゆる共振挙動が実質的に阻止される。同様に、設計回転速度５３６では、図１５に描かれるようなより大型のスペーサによって提供されるより少ないブレード数は、共振周波数５５６よりも実質的に小さな発振（伴流及び頭部波）の周波数５６６をもたらし、これによりブレードから上流側又は下流側の構造体（例えば、ベーン）におけるあらゆる共振挙動が実質的に阻止される。図１５から１８は、３つのサイズのスペーサ（すなわち、大型４８３、中型５０２、及び小型５２２）だけを示しているが、異なるサイズのスペーサのあらゆる数を使用して、均一なブレードスペーシングを有してブレード数を調整し、これにより回転機械におけるあらゆる共振挙動を回避することができる。
図１５から１８に関して上記で検討された回転ブレードのブレードスペーシングの修正と同様に、開示された実施形態はまた、図１９、２０、及び２１に関連して下記で検討するように、固定ベーンのベーンスペーシングの修正を含む。図１９、２０、及び２１は、均一な異なるベーンスペーシング及びベーン数を提供するために３つの異なるサイズのスペーサを用いることを示しており、これらを選択的に用いて、タービン又は圧縮機などの回転機械における伴流及び頭部波の周波数を変化させることができる。図１９、２０、及び２１は、３つのサイズのスペーサ（例えば、大、中、及び小）だけを示しているが、特定の実施形態では、あらゆる数のスペーササイズ（例えば、２から１００個の異なるサイズ）を利用してベーンスペーシング及び数を修正することができる。各実施形態では、スペーサは、ベーン数を変更して発振（伴流及び頭部波）の周波数を制御し、これにより発信周波数が共振周波数と確実に一致しないように選択することができる。
図１９は、ベーンベース５７４の支持ベーン５７６間に大型スペーサ５７２を有するステータ５７０の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、大型スペーサ５７２は、ステータ５７０の周りに等距離５７８で隣接するベーンベース５７４を離隔するように同じサイズを有する。大型スペーサ５７２はまた、ステータ５７０の周りに等距離５８０でベーン５７６を離隔する。図２０及び２１に示す小型スペーサ及び中型スペーサと比べて、大型スペーサ５７２は、ステータ５７０上のベーン５７６の数が減少し、これにより伴流及び頭部波の周波数が低下する。例えば、中型又は小型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、大型スペーサ５７２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
図２０は、ベーンベース５９４の支持ベーン５９６間に中型スペーサ５９２を有するステータ５９０の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、中型スペーサ５９２は、ステータ５９０の周りに等距離５９８で隣接するベーンベース５９４を離隔するように同じサイズを有する。中型スペーサ５９２はまた、ステータ５９０の周りに等距離６００でベーン５９６を離隔する。図１９に示す大型スペーサと比べて、中型スペーサ５９２は、ステータ５９０上のベーン５９６の数が増大し、これにより伴流及び頭部波の周波数が上昇する。図２１に示す小型スペーサと比べて、中型スペーサ５９２は、ロータ５９０上のベーン５９６の数が減少し、これにより伴流及び頭部波の周波数が低下する。例えば、大型又は小型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、中型スペーサ５９２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
図２１は、ベーンベース６１４の支持ベーン６１６間に小型スペーサ６１２を有するステータ６１０の一実施形態の正面断面図である。図示の実施形態では、小型スペーサ６１２は、ステータ６１０の周りに等距離６１８で隣接するベーンベース６１４を離隔するように同じサイズを有する。小型スペーサ６１２はまた、ステータ６１０の周りに等距離６２０でベーン６１６を離隔する。図１９及び２０に示す大型及び中型スペーサと比べて、小型スペーサ６１２は、ステータ６１０上のベーン６１６の数が増大し、これにより伴流及び頭部波の周波数が上昇する。例えば、大型又は中型スペーサが共振周波数に近すぎる周波数をもたらす場合には、小型スペーサ６１２を用いて、伴流及び頭部波の周波数を共振周波数から離れてシフトさせることができる。
上記で検討した実施形態は、周波数が流体流の種々の構造体の共振周波数と交差しないように、回転ブレード又は固定ベーンによって生成される伴流及び頭部波の周波数を変化させることを目的としている。理解されるように、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、回転機械（例えば、タービン又は圧縮機）の単一の段に適用することができ、同じ又は異なる構成の複数の段に適用することができる。例えば、圧縮機又はタービンの各段は、各特定の段において異なる流体ダイナミックスに対処するために、ブレード又はベーンの不均一なスペーシング又は修正された数を変更することができる。換言すると、各段は、異なる共振挙動、伴流及び頭部波の周波数、及び他の特性を示すことができる。従って、開示された実施形態は、段毎に異なる流体ダイナミックスに対処するために、ブレード又はベーンの不均一なスペーシング又は修正された数の組み合わせを利用することができる。
開示された実施形態の技術的効果は、流体の発振（伴流及び頭部波）を減衰させ、及び／又は回転機械の流体発振によって引き起こされる共振挙動を低減する能力を含む。詳細には、開示された実施形態は、ブレード又はベーンのスペーシング及び／又は数を調整し、流体流中の回転ブレード、固定ベーン、又は他の構造体によって形成される伴流及び頭部波の周波数を制御する。例えば、回転ブレード又は固定ベーンの不均一なスペーシングは、隣接するブレード又はベーン間の異なるサイズのスペーサ、ブレード又はベーンの異なるサイズのベース、又はこれらの組み合わせを用いて達成することができる。別の実施例によれば、回転ブレード又はベーンの修正数は、各々がブレード又はベーンの異なる不均一なスペーシングを提供するよう構成された、スペーサの異なるセットを用いて達成することができる。ブレード又はベーンの不均一なスペーシング又は修正された数は、回転機械における共振挙動の可能性を低減し、これにより流体流路中のベーン、ブレード、及び他の構造体の高コストな摩耗及び損傷の可能性を低減することができる。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１５０ ガスタービンエンジン
１５２ 圧縮機
１５４ タービン
１５６ 吸気セクション
１５８ 燃焼器
１６０ 排気セクション
１６２ 圧縮機段
１６４ 回転圧縮機ブレード
１６６ 固定圧縮機ベーン
１６８ 燃料ノズル
１７０ 移行部品
１７２ タービン段
１７４ 段
１７６ 段
１７８ 段
１８０ 回転タービンブレード
１８２ タービンベーン
１８４ それぞれのタービンホイール
１８６ 回転シャフト
２００ ロータ
２０２ セクション
２０４ セクション
２０６ 中間線
２０８ ブレード
２１０ 第１の円周方向スペーシング
２１２ 第２の円周方向スペーシング
２２０ ロータ
２２２ セクション
２２４ セクション
２２６ セクション
２２８ セクション
２３０ 中間線
２３２ 中間線
２３４ ブレード
２３６ 円周方向距離
２３８ 円周方向距離
２４０ 円周方向距離
２４２ 円周方向距離
２５０ ロータ
２５２ セクション
２５４ セクション
２５６ セクション
２５８ 中間線
２６０ 中間線
２６２ 中間線
２６４ ブレード
２６６ 円周方向距離
２６８ 円周方向距離
２７０ 円周方向距離
２８０ ロータ
２８２ ロータ
２８４ ロータ
２８６ ブレード
２８８ 上側セクション
２９０ 上側セクション
２９２ 上側セクション
２９４ 下側セクション
２９６ 下側セクション
２９８ 下側セクション
３１０ ロータ
３１２ 異なるサイズのスペーサ
３１４ ベース
３１６ ブレード
３１８ 寸法
３２０ 寸法
３２２ 寸法
３２４ 異なるサイズのスペーサ
３２６ ベース
３２８ ブレード
３３０ 角度付き接合面
３３２ 角度
３３４ 線
３４０ ロータ
３４２ 異なるサイズのスペーサ
３４４ ベース
３４６ ブレード
３５０ 非直線状接合面
３５２ 第１の湾曲部分
３５４ 第２の湾曲部分
３６０ ブレード
３６１ Ｔ字型幾何形状
３６２ ベース部分
３６４ ブレード部分
３６６ 第１のフランジ
３６８ 第２のフランジ
３７０ ネック部
３７２ 対向するスロット
３７４ 対向するスロット
３８４ ロータ
３８６ 異なるサイズのベース
３８８ ブレード
３９０ 寸法
３９２ 寸法
３９４ 寸法
４００ ロータ
４０２ ベース
４０４ ブレード
４０６ 角度付き接合面
４０８ 角度
４０９ 線
４１０ ロータ
４１２ 異なるサイズのブレードベース
４１６ 非直線状接合面
４１８ 第１の湾曲部分
４２０ 第２の湾曲部分
４４０ ステータ
４４２ 異なるサイズのスペーサ
４４４ ベース
４４６ ベーン
４４８ 寸法
４５０ 寸法
４５２ 寸法
４６０ ステータ
４６２ 異なるサイズのベース
４６４ ベーン
４６６ 寸法
４６８ 寸法
４７０ 寸法
４８０ ロータ
４８２ 大型スペーサ
４８４ ブレードベース
４８６ ブレード
４８８ 等距離
４９０ 等距離
５００ ロータ
５０２ 中型スペーサ
５０４ ブレードベース
５０６ ブレード
５０８ 等距離
５１０ 等距離
５２０ ロータ
５２２ 小型スペーサ
５２４ ブレードベース
５２６ ブレード
５２８ 距離
５３０ 距離
５３２ ｘ軸
５３４ ｙ軸
５３６ 設計回転速度
５３８ 曲線
５４０ 線
５４２ 線
５４４ 線
５４６ 共振点
５４８ 共振点
５５０ 共振点
５５２ 第１の共振周波数
５５４ 第１の回転速度
５５６ 第２の共振周波数
５５８ 第２の回転速度
５６０ 第３の共振周波数
５６２ 第３の回転速度
５６４ 周波数
５６６ 周波数
５７０ ステータ
５７２ 大型スペーサ
５７４ ベーンベース
５７６ 支持ベーン
５７８ 距離
５８０ 距離
５９０ ステータ
５９２ 中型スペーサ
５９４ ベーンベース
５９６ ベーン
５９８ 距離
６００ 距離
６１０ ステータ
６１２ 小型スペーサ
６１４ ベーンベース
６１６ ベーン
６１８ 距離
６２０ 距離

Claims (10)

  1. 回転機械（１５０）を備えたシステムであって、該回転機械（１５０）が、
    前記回転機械（１５０）の軸線に沿って延びる流体流路と、
    前記軸線の周りに配置された複数の翼形部（４８６）と、
    前記軸線の周りに配置された複数のスペーサ（４８２）と、
    を含み、前記複数のスペーサ（４８２）の各スペーサ（４８２）が、前記複数の翼形部（４８６）のうちの隣接する翼形部（４８６）間に円周方向に配置されて、前記軸線の周りに前記翼形部（４８６）の円周方向スペーシングを定める、システム。
  2. 前記複数の翼形部（４８６）の円周方向スペーシングが、前記回転機械（１５０）における共振挙動を低減するよう構成される、請求項１記載のシステム。
  3. 前記回転機械（１５０）がタービン（１５４）を含む、請求項１記載のシステム。
  4. 前記回転機械（１５０）が圧縮機（１５２）を含む、請求項１記載のシステム。
  5. 前記回転機械（１５０）がステータ（４４０）及びロータ（４８０）を含み、前記複数の翼形部（４８６）が前記ロータ（４８０）に結合され、前記複数のスペーサ（４８２）が前記ロータ（４８０）に結合される、請求項１記載のシステム。
  6. 前記回転機械（１５０）がステータ（４４０）及びロータ（４８０）を含み、前記複数の翼形部（５７６）が前記ステータ（５７０）に結合され、前記複数のスペーサ（５７２）が前記ステータ（５７０）に結合される、請求項１記載のシステム。
  7. 前記複数のスペーサ（５７２）が前記軸線の周りの円周方向で等しい幅を有する、請求項１記載のシステム。
  8. 前記複数のスペーサ（４８２）を取り替えるよう構成された複数の取り替えスペーサ（５０２）を含み、前記複数の取り替えスペーサ（５０２）が、前記複数のスペーサ（４８２）とは異なる幅を有する、請求項１記載のシステム。
  9. 複数の第２の翼形部（５２６）と、前記軸線の周りに配置された複数の第２のスペーサ（５２２）とを含み、前記複数の第２のスペーサ（５２２）の各第２のスペーサ（５２２）が、前記複数の第２の翼形部（５２６）のうちの隣接する第２の翼形部（５２６）間に円周方向に配置されて、前記軸線の周りに前記第２の翼形部（５２６）の第２の円周方向スペーシングを定める、請求項１記載のシステム。
  10. 前記複数の翼形部（４８６）の円周方向スペーシングが、前記回転機械（１５０）における共振挙動を低減するよう構成され、前記複数の第２の翼形部（５２６）の第２の円周方向スペーシングが、前記回転機械（１５０）における共振挙動を低減するよう構成されている、請求項９記載のシステム。
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