JP2013148084A - ブレード調整システムを含むターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレード調整システムを含むターボ機械を提供する。
【解決手段】ターボ機械２は、圧縮機部分４と、圧縮機部分に動作可能に接続されるタービン部分６と、圧縮機部分およびタービン部分それぞれに流体接続される燃焼器アセンブリ８と、ベース部分、エーロフォイル部分、およびブレード要素の回転中に発生する固有周波数を含むブレード要素とを含む。ブレード要素は、圧縮機部分およびタービン部分の一方の内部に回転可能に装着され、ブレード調整部材７０、７２、７４は、圧縮器部分およびタービン部分の前記一方に回転可能に装着される。ブレード調整部材は、ブレード要素と係合して固有周波数を変更するように構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題は、ターボ機械の分野に関し、より具体的には、ブレード調整システムを含むターボ機械に関する。

多くのターボ機械は、共通の圧縮機／タービン軸またはロータを通るタービン部分に結合された圧縮機部分と燃焼器アセンブリとを含む。圧縮機部分は、多数の連続段を通して圧縮空気流を燃焼器アセンブリに向けてガイドする。燃焼器アセンブリ内で、圧縮空気流は燃料と混合して可燃混合気を形成する。可燃混合気は燃焼器アセンブリ内で燃焼されて熱ガスを形成する。熱ガスは尾筒を通ってタービン部分へとガイドされる。熱ガスは、熱ガス流路に沿ってタービン部分全体に拡張し、軸体に連結されたロータに装着された一連のバケットまたはブレードに力を与える。

力は、ブレードを回転させて仕事を作り出し、それが軸体を通して出力されて、例えば発電機やポンプに動力を供給するか、または車両に動力を提供する。燃焼のために圧縮空気を提供することに加えて、圧縮空気流の一部分は冷却のためにタービン部分に通される。ブレードの上を流れる熱ガスはサウンドフットプリント（sound footprint）を作り出す。つまり、ブレードは、熱ガス流によって生じる固有周波数特性を持つ。場合によっては、ブレードの固有周波数は燃焼器周波数調節範囲と一致することがある。かかる場合、ターボ機械は過度に振動することがある。

米国特許出願公開第２０１０／０１７８１６０号公報

ブレード調整システムを含むターボ機械を提供する。

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部分と、圧縮機部分に動作可能に接続されるタービン部分と、圧縮機部分およびタービン部分それぞれに流体接続される燃焼器アセンブリと、ベース部分、エーロフォイル部分、およびブレード要素の回転中に発生する固有周波数を含むブレード要素とを含む。ブレード要素は、圧縮機部分およびタービン部分の一方の内部に回転可能に装着され、ブレード調整部材は、圧縮機部分およびタービン部分の前記一方に回転可能に装着される。ブレード調整部材は、ブレード要素と係合して固有周波数を変更するように構成される。

例示的な実施形態の別の態様によれば、動作中のターボ機械のブレード要素の固有周波数を調節する方法は、ターボ機械内部のブレード要素を回転させるステップと、予め定められたスチフネスを有するブレード調整部材をブレード要素に接触するように位置付けるステップと、ブレード要素とブレード調整部材との間の接触によってブレード要素の固有周波数を調節するステップとを含む。

これらおよび他の利点と特徴は、以下の説明を図面と併せ読むことによってより明白になるであろう。

発明と見なされる主題は、本明細書の最後に請求項において特定的に指摘され明確に請求される。本発明の上述および他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことによって明白である。

例示的な一実施形態によるブレード調整システムを含むターボ機械の概略図である。 図１のターボ機械のタービン部分の部分断面図である。 図２のタービン部分のブレード上に形成されるブレード調整構成要素に接触するブレード調整要素を有するブレード調整部材の詳細図である。 例示的な実施形態の別の態様によるブレード調整構成要素に接触する図３のブレード調整要素の詳細図である。 図３のブレードの上流側および下流側に形成されるブレード調整構成要素に対応して接触する第１および第２のブレード調整部材の詳細図である。

詳細な説明は、図面を参照して一例として、利点および特徴と併せて本発明の実施形態に付いて説明する。

図１および２を参照すると、例示的な一実施形態にしたがって構築されたターボ機械は、全体として符号２で示される。ターボ機械２は、タービン部分６に動作可能に接続された圧縮機部分４を含む。燃焼器アセンブリ８は、圧縮機部分４およびタービン部分６に流体接続される。燃焼器アセンブリ８は、複数の円周方向に間隔を空けた燃焼器から形成され、それら燃焼器のうち１つを符号１０で示している。当然ながら、燃焼器アセンブリ８は他の配置の燃焼器を含み得ることを理解されたい。圧縮機部分４はまた、共通の圧縮機／タービン軸１２を通してタービン部分６に結合される。この配置によって、圧縮機部分４は燃焼器アセンブリ８に圧縮空気を運搬する。圧縮空気が可燃性の流体または燃料と混合して、可燃混合気を形成する。可燃混合気は燃焼器１０内で燃焼されて、燃焼生成物または熱ガスを形成し、それが尾筒（図示なし）を通してタービン部分６へと運搬される。熱ガスは、ガス流路１８に沿ってタービン部分６全体に拡張して、例えば発電機、ポンプ、車両など（図示なし）に動力を供給する。

図示される例示的な実施形態では、タービン部分６は、ガス流路１８を画定する第１段２０および第２段２１を含む。当然ながら、タービン部分６内の段数が変動し得ることを理解されたい。第１段２０は、１つを符号３０で示している複数の第１段ステータまたはノズルと、第１段ロータホイール３４に装着された、１つを符号３２で示している複数の第１段バケットまたはブレード要素とを含む。第２段２１は、１つを符号３７で示している複数の第２段ステータまたはノズルと、第２段ロータホイール４１に装着された、１つを符号３９で示している複数の第２段バケットまたはブレード要素とを含む。ブレード要素３２は、ベース部分６０およびエーロフォイル部分６１を含む。同様に、ブレード要素３９はベース部分６３およびエーロフォイル部分６４を含む。ブレード要素３２および３９はまた、ブレード要素の幾何学形状およびブレード要素材料と関連付けられる固有周波数特性を含む。

例示的な一実施形態によれば、ターボ機械２は、第１のタービン段２０と第２のタービン段２１との間に配置されるブレード調整部材７０を含む。より十分に後述するように、ブレード調整部材７０は、ブレード要素３２および３９の固有周波数を調節するように構成される。図示される例示的な実施形態では、ブレード調整部材７０は近接流路シール（near flow path seal）の形態をとる。しかし、ブレード調整部材７０は、タービン部分６内に設けられる別個の構造体であってもよいことを理解されたい。図示される例示的な実施形態では、ブレード調整部材７０は、第１のブレード調整要素８６および第２のブレード調整要素８７を含む。第１のブレード調整要素８６は、ブレード調整部材７０から片持ち状にされ、ブレード要素３２のベース部分６０に向かって延在する。第２のブレード調整要素８７は、ブレード調整部材７０から片持ち状にされ、ブレード要素３９のベース部分６３に向かって延在する。この点において、ブレード調整部材７２および７４は全体的に類似の構造を含むことを理解されたい。

図３に最も良く示されるように、ブレード調整要素８７は、第２の端部９１まで延在する第１の端部９０を含む。第２の端部９１は、ブレード要素３９のベース部分６３に接触し圧力を掛けるクラウン要素９３を含む。より具体的には、ブレード要素３９は、ベース部分６３から軸線方向に上流側へと延在する突出部９９を有するブレード調整構成要素９６を含む。ブレード調整要素８７は、ブレード要素３９の固有周波数特性を予め定められた値に調整するように選択的に選ばれるスチフネス性を有する。この構成によって、ブレード要素３９の固有周波数特性を調節して振動応答を低減することができる。この点において、ブレード調整要素８６がブレード要素３２のベース部分６０に対して同様の形で作用することを理解されたい。図４は、半径方向に突出する付加物１０４を備えた突出部１０３を有するブレード調整構成要素１０２を示す。クラウン要素９３は、半径方向に突出する付加物１０４に接触し圧力を加えて、ブレード要素３９の固有周波数特性を変更する。半径方向に突出する付加物１０４の特定の長さは、ブレード要素３９の所望の固有周波数特性を得るために変動してもよい。

図５は、ベース部分６３の上流側１１１および下流側１１２を示す。ブレード調整構成要素９６は上流側１１１に配置され、突出部１１４を有する別のブレード調整構成要素１１３は下流側１１２に配置される。ブレード調整要素８７はブレード調整構成要素９６に作用し、ブレード調整部材７２はブレード調整構成要素１１３に作用する。より具体的には、ブレード調整部材７２は、ブレード調整構成要素１１３に作用するブレード調整要素１１５を含む。ブレード調整要素１１５は、ブレード調整部材７２から第２の片持ち状端部１１７まで延在する第１の端部１１６を含む。第２の端部１１７は、突出部１１４に作用するクラウン要素１１９を含む。この構成によって、ブレード調整部材７０がベース部分６３に作用して、ブレード要素３９の固有周波数特性を調整する。

この点において、例示的な実施形態は、回転するターボ機械ブレード要素の固有周波数特性を調節するシステムについて記載していることを理解されたい。ブレード調整部材は、回転するブレード要素のベース部分に作用して、ブレード要素のスチフネスを変更する。このようにして、ブレード要素のスチフネスを調節して、各ブレード要素の固有周波数特性を所望値に調整することができる。スチフネスは、バケットのベース部分に要素を追加することによって、ブレード調整要素の長さを増減することによって、ブレード調整要素の厚さを変更することによって、クラウン要素の高さを調節することによって、またはブレード調整要素の体積を変更する、例えばブレード調整要素に中空領域を形成することによって、調節することができる。各ブレード要素列の固有周波数特性を選択的に変更または調整することで、ある段の固有周波数特性が別の段の固有周波数と分離されて、周波数マージンの要件が改善される。

限定された数の実施形態のみに関して本発明を詳細に記載してきたが、本発明は、かかる開示した実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。より正確には、本発明は、上述していないが本発明の趣旨および範囲と同一基準のあらゆる変形、変更、置換、または等価の構成を組み込むように修正することができる。それに加えて、本発明の様々な実施形態について記載してきたが、本発明の態様は記載した実施形態の一部のみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は上述の記載によって限定されるのではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものと見なすべきである。

２ ターボ機械
４ 圧縮機部分
６ タービン部分
８ 燃焼器アセンブリ
１０ 複数の円周方向に間隔を空けた燃焼器
１２ 共通の圧縮機／タービン軸
１８ ガス流路
２０ 第１段
２１ 第２段
３０ 複数の第１段ステータまたはノズル
３２ 複数の第１段バケットまたはブレード要素
３４ 第１段ロータホイール
３７ 複数の第２段ステータまたはノズル
３９ 複数の第２段バケットまたはブレード要素
４１ 第２段ロータホイール
６０ ベース部分
６１ エーロフォイル部分
６３ ベース部分
６４ エーロフォイル部分
７０ ブレード調整部材
７２ ブレード調整部材
７４ ブレード調整部材
７８ 近接流路シール
８６ 第１のブレード調整要素
８７ 第２のブレード調整要素
９０ 第１の端部
９１ 第２の端部
９３ クラウン要素
９６ ブレード調整構成要素
９９ 突出部
１０２ ブレード調整構成要素
１０３ 突出部
１０４ 半径方向に突出する付加物
１１１ 上流側
１１２ 下流側
１１３ ブレード調整構成要素
１１４ 突出部
１１５ ブレード調整要素
１１６ 第１の端部
１１７ 第２の片持ち状端部
１１９ クラウン要素

Claims (20)

1. 圧縮機部分と、
   前記圧縮機部分に動作可能に接続されるタービン部分と、
   前記圧縮機部分および前記タービン部分それぞれに流体接続される燃焼器アセンブリと、
   ベース部分、エーロフォイル部分、およびブレード要素の回転中に発生する固有周波数を含むブレード要素であって、前記圧縮機部分および前記タービン部分の一方の内部に回転可能に装着されるブレード要素と、
   前記圧縮機部分および前記タービン部分の前記一方に回転可能に装着されるブレード調整部材であって、前記ブレード要素と係合して前記固有周波数を変更するように構成されたブレード調整部材とを備える、ターボ機械。
2. 前記ブレード調整部材が、前記ブレード要素と係合して前記固有周波数を変更するように構成されたブレード調整要素を含む、請求項１記載のターボ機械。
3. 前記ブレード調整要素が前記ブレード調整部材から片持ち状にされる、請求項２記載のターボ機械。
4. 前記ブレード要素が、前記ブレード調整要素と係合するように構成されたブレード調整構成要素を含む、請求項２記載のターボ機械。
5. 前記ブレード調整構成要素が前記ブレード要素の前記ベース部分上に設けられる、請求項４記載のターボ機械。
6. 前記ブレード調整構成要素が、前記ベース部分から軸線方向に外向きに突出する突出部を備える、請求項５記載のターボ機械。
7. 前記ブレード調整構成要素が半径方向に突出する付加物を含む、請求項６記載のターボ機械。
8. 前記ブレード調整要素が、前記ブレード要素を係合するように構成されたクラウン要素を含む、請求項２記載のターボ機械。
9. 前記ブレード調整部材が前記タービン部分の近接流路シールを備える、請求項１記載のターボ機械。
10. 前記ターボ機械が、前記ブレード要素の上流側に配置される第１のブレード調整部材と、前記ブレード要素の下流側に配置される第２のブレード調整部材とを含む、請求項１記載のターボ機械。
11. 前記第１のブレード調整部材が第１のブレード調整要素を含み、前記第２のブレード調整部材が第２のブレード調整要素を含む、請求項１０記載のターボ機械。
12. 前記ブレード要素が上流側および下流側を含み、前記上流側が、前記第１のブレード調整要素と係合するように構成された第１のブレード調整構成要素を含み、前記下流側が、前記第２のブレード調整要素と係合するように構成された第２のブレード調整構成要素を含む、請求項１１記載のターボ機械。
13. ターボ機械内のブレード要素を回転させるステップと、
    固定のスチフネスを有するブレード調整部材を前記ブレード要素に接触させて位置付けるステップと、
    前記ブレード要素と前記ブレード調整部材との間の接触によって前記ブレード要素の固有周波数を調節するステップとを含む、動作中のターボ機械のブレード要素の固有周波数を調節する方法。
14. 前記ブレード調整部材を通して前記ブレード要素に圧力を加えるステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記ブレード要素の所望の固有周波数を得るように前記ブレード調整部材のスチフネスを選択的に調節するステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
16. 前記ブレード要素のスチフネスを選択的に調節するステップが、前記ブレード調整部材から片持ち状にされた様々な厚さを有するブレード調整要素と、前記ブレード要素とを接触させるステップを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記ブレード要素のスチフネスを選択的に調節するステップが、前記ブレード調整部材から片持ち状にされた中空部分を有するブレード調整要素と、前記ブレード要素とを接触させるステップを含む、請求項１５記載の方法。
18. 前記ブレード要素のスチフネスを選択的に調節するステップが、前記ブレード調整部材からほぼ半径方向外向きに突出するクラウン要素と、前記ブレード要素とを接触させるステップを含む、請求項１５記載の方法。
19. 前記ブレード要素のスチフネスを選択的に調節するステップが、前記ブレード要素上に設けられたブレード調整構成要素を前記ブレード調整部材と接触させるステップを含む、請求項１５記載の方法。
20. 前記ブレード調整部材を位置付けるステップが、第１のブレード要素調整部材を前記ブレード要素の上流側に、かつ第２のブレード要素調整部材を前記ブレード要素の下流側に配置するステップを含む、請求項１３記載の方法。