JP6113663B2 - ガスタービンブレードを減衰させる方法、およびそれを実施するための振動ダンパ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンホイールに取り付けられるブレードの減衰方法、ならびにこのような方法を実施するように適合される振動ダンパに関する。特に、本発明は、タービンエンジンのタービンホイールに関するものであるが、また、ブレードインサートを有するファンおよび低圧圧縮機にも適用され得る。

ガスタービンは、少なくとも１つの圧縮機駆動タービンを備え、その圧縮機は、燃焼室入力部のところで圧縮空気を吐き出す。タービン段を備えるモバイルロータのブレードは、燃焼後に室から出てくる高温ガスとの接触によって高い温度上昇に従わされる。次いで、高温ガスは、リングコンダクト（ｒｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔ）によって導かれる部分内で循環し、このような部分内に配置されるタービンロータブレードを回転に至らせる。

したがって、それらが配置されるブレードおよびディスクのリムは、徹底的な冷却を必要とする。ブレード冷却手段は、通常、ブレード内部の冷却回路で循環する空気流によって形成される。冷却空気は、外側から、かつ／またはタービン段と結合する圧縮機段の空気部分から生じている。また、ディスクの周りの空気循環により、ディスクの下流側面が冷却されるようになっている。

このようなガス流の存在およびブレードの回転の動的加振により、振動現象が生じる。このような振動を制限するために、ブレードには、ブレードプラットフォームの下に支持ダンパが備え付けられ、プラットフォームは、ロータのレベルで空気部分の内部子午線を形成する。

この種のダンパは、通常、多かれ少なかれ重要なカットオフエッジで打ち抜かれている小さな金属シートとして形成され、振動時にブレードおよびプラットフォームの移動によって発生されるエネルギーは、プラットフォームに対するこのような金属シートの摩擦によって散逸される。これらの移動時に、金属シートは、遠心力によってプラットフォームに締め付けられ、摩擦現象が、プラットフォームとの滑り相と付着相との間を交互する。ダンパとプラットフォームとの間の適合が大きく行われれば行われるほど、減衰は最良になる。この種の弾性摩擦ダンパは、たとえば、特許文献フランス特許第２,５０３,２４７号明細書に説明されている。

０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの金属シートの厚さが、特にそれの共振速度を考察すると、ブレードの振動条件、およびこれが受け得る動的加振に応じて選択される。最適質量は、タービンの共振型およびタービン回転速度範囲ならびに他の設計基準（形状寸法、材料、等）を考慮に入れて、各振動状況について正確な共振を減衰させるように規定される。特に、低速タービンまたは低圧空気流の場合は、最適質量は、高速タービンのものよりも実質的に高い。

したがって、小さな機械的負荷を有する多段フリータービンを備える強力なタービンエンジンでは、いわゆる低速タービンの速度（３００００ｒｐｍ未満）は、単段タービンのより速い速度（約３５０００ｒｐｍ〜４５０００ｒｐｍ）よりも実質的に低い。さらに、ツインステージタービンは、より多数のものからなるより細いブレード（たとえば４０枚〜６０枚のブレード）を有し、したがってこのようなブレードの間でより小さなインタープラットフォーム空間を有する。

したがって、このような技術を使って最適質量に到達し、それによって摩擦力を制御することは、ますます困難になる。さらに、ハウジング凹部がこれを許容する場合、たとえば１ｍｍよりも厚いより厚い金属シートの使用は、エネルギー散逸ならびに金属シートの可撓性、すなわち遠心力場の下で変形されるべきそれの能力、したがってその摩擦および振動吸収性に有害である。この場合、プラットフォームの下の、摩耗箇所の非常に局所的な出現により、ダンパとプラットフォームとの間の接触領域の悪い分布が確認される。

このような条件では、振動状況によって規定される、通常低速タービンで増加する傾向のある最適質量と、ダンパ可撓性及びそれの摩擦性との間の不適合性が認められ得る。実際に、低速タービンの場合にプラットフォームの間の低減された空間に受承されるますます厚い金属シートの使用により、この場合、ダンパ可撓性について、ならびにブレード／ダンパの接触、およびしたがって引き起こされる減衰の適合について低下がもたらされる。

仏国特許発明第２５０３２４７号明細書

本発明の目的は、タービン、特に低速タービンの振動状況による共振を減衰させるのに適合する最適質量を有するダンパを提供し、同時にダンパのハウジングの支持面に適合する可撓性に役立つことによってこのような不適合性を除去することである。そのために、本発明は、質量機能および可撓性機能を分離することを考えている。

より正確には、本発明の目的は、ガスタービンの低速ホイールディスクに取り付けられているブレードの減衰方法を提供することであり、タービンは、振動ダンパを受承するように適合される、ブレードのプラットフォームの下にハウジングを有する。本方法は、プラットフォームに対して締め付けるための可撓性部、およびクランプ動作を介してプラットフォームに摩擦力を向けるように作用を集中させるための質量部を独立して完成するステップと、両部分を加逆的に共に結合するステップと、専用であるハウジング内に２つの部分でそのように作られたダンパを挿入するステップとから成る。

両部分の結合は、プラットフォームに対して可撓性部の少なくとも１つのクランプ領域を通じて質量部を少なくとも部分的に取り囲むことによって行われる。可撓性部は、必要とされるコンタクトレベルに順応するように、たとえば不完全な位置決めを補正するように、ブレードからブレードへのプラットフォーム下の外形の分布に順応するように、または鋳造公差を緩和するように十分に可撓性がある。質量部は、同じでない他の材料の質量によって変更されることができ、または減衰不足の場合には余分の質量を付加することによって増加され得る。

本発明は、また、上述の方法を実施するのに適合する振動ダンパに関する。この種のダンパは、プレート、および少なくとも１つのカウンタウエイトを備え、プレートは、カウンタウエイトの金属シートよりも実質的に薄い金属シートから打ち抜かれる。このようなプレートは、カウンタウエイトの１つの面を少なくとも部分的に取り囲みながら、少なくとも１つのブレードプラットフォーム、特に２つの隣接するブレードのプラットフォームと可撓的に接触することができる壁を有する。

好ましい実施形態によれば、
−プレートの材料は、その上で調節された接触をするように適合される支持面の材料よりも柔らかく、
−プレートは、カウンタウエイトを取り囲むように適合される少なくとも２つの屈曲アームを有し、
−カウンタウエイトは、中心部分で接続される２つのパイルを備え、中心部分は、プレートのクランプアームを受承するように適合され、
−プレートは、０．１ｍｍから０．６ｍｍの厚さを有し、カウンタウエイトは、１ｍｍから６ｍｍ、好ましくは２ｍｍから３ｍｍの厚さを有する。

本発明の他の特徴および利点は、それぞれの添付の図を参照して、後で例示的な実施形態の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。

本発明によるダンパが備え付けられたタービンホイールの一例の全体の長手方向断面を示す図である。 カウンタウエイトおよびプレートを備える例示的なダンパを斜視図で示す図である。 カウンタウエイトおよびプレートを備える例示的なダンパを底面図で示す図である。 本発明によるダンパが備え付けられたタービンホイールの部分斜視図である。

図を参照して、「前部の（ｆｒｏｎｔ）」および「後部の（ｒｅａｒ）」の語は、中心回転軸線Ｘ’Ｘによって規定される方向に対して「上流の（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」および「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」要素を指す。

図１は、全体として本発明によるダンパ２を組み込んだフリータービンホイール１の断面図を示している。ホイール１は、タービン軸線Ｘ’Ｘに従って周期的な繰返し性を有し、その周縁にブレード４のモミの木状足部が取り付けられる中央ディスク３を備える。ブレード４のモミの木状足部と空気力学的プロファイルとの間に、プラットフォーム５が位置決めされ、足部は、形状が足部のものに対して相補形であるディスク３の周縁のキャビティ内に挿入される。ブレードのブレーキパッド３１が、これらのキャビティに足部をしっかり固定するように挿入される。このようなブレーキパッドは、ロックワイヤ、リベット、ロックリング、またはフランジ、あるいは等価物などの他の軸線方向ブレーキシステムのための構造により取り換えられ得ることが有利である。

各ダンパ２は、１つのプラットフォーム５、２つの隣接するブレード足部支柱、および１つの後部パッドによって結び付けられるハウジング２０の中に組み入れられる。プラットフォーム５は、軸線方向端部に、それのハウジング内にダンパ２の前部および後部軸線方向ロック補強材５１および５２を形成するプロファイルを有す。

図２ａおよび図２ｂの図を参照して、本発明による例示的なタービンダンパ２は、この場合０．２ｍｍの小さな厚さのプレート１０と、その直交厚さ「ｅ」による、この場合３ｍｍの実質的により大きな厚さのカウンタウエイト１２と、その中央部分においてそれの高さ「Ｈ」による５ｍｍ〜６ｍｍとの組み合わせとしてより正確に示される。

プレート１０は、カウンタウエイト１２、特にそれの前記上面１２１のほとんど全体を部分的に覆う薄い壁を形成する。プレート−カウンタウエイトアセンブリの最大高さＨｍおよびこのようなアセンブリの全体形状は、アセンブリがプラットフォーム２の補強材５１と補強材５２との間で然るべき位置にとどまるように決定される（図１を参照されたい）。

カウンタウエイト１２は、タービンディスク内でその位置によって規定されているそれ自身の基準で設計され、その中央高さ「Ｈ」は、半径方向にディスクの直径Ｚ’Ｚを指し、その長さ「Ｌ」は、タービンの回転軸線Ｘ’Ｘに平行であり、その直交厚さ「ｅ」は、カウンタウエイトが受承されることになるディスクリムのリングセクタの接触箇所において接線Ｙ’Ｙにより決まる。「上部の（ｕｐｐｅｒ）」、「下部の（ｌｏｗｅｒ）」、「側方の（ｌａｔｅｒａｌ）」、またはまさしく「上流の（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」および「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」タイプの用語は、カウンタウエイト基準を指す。

カウンタウエイトは、ヴォールトＶ１によって接続される２つのパイルＰ１およびＰ２を備える全体的なアーチ形状を有し、その上部は、カウンタウエイトの上面１２１と一致する。その上面１２１とその下面１２５との間のヴォールトＶ１の高さは、それの中央部分でカウンタウエイト１２の厚さを規定する。

また、プレート１０は、カウンタウエイト１２の上面１２１に配置される上部壁を有す。このような壁１０１の上面１０２は、いったんカウンタウエイト１２がそのハウジングに挿入され（図３を参照した説明を参照されたい）、タービンが公称運転中であると、遠心力場の作用を受けてブレードのプラットフォーム５に締め付けられる。壁１０１の厚さは、このような接触が十分に弾性的であるように０．２ｍｍに調整され、壁は、それの弾性を変更することなく変形され得る。

プレート１０の上面は、実質的に長方形の形状を有する。これは、図１または図３に示されるように、ブレーキパッド３１を有する軸線方向ブレーキシステムに適合される２つの適合窪みを示している。このような窪みは、他のブレーキシステム、たとえばロックワイヤで相殺され得る。

さらに、上面は、その長手方向側面１１２および１１３上で、カウンタウエイト１２の長手方向面１２２および１２３と接触するリム１０３によって延在される。そして、リム１０３の長手方向側面１１２および１１３は、カウンタウエイト１２をヴォールトＶ１の下面１２５まで閉じ込めるアーム１１４および１１５によって延在される。プレートは、カウンタウエイトの周りの隙間を使って取り付けられる。この隙間によって、かつ遠心力の作用を受けて、カウンタウエイト１２は、プレート１０に締め付けられ、このような質量効果によって、このようなプレートをブレードプラットフォームの接触領域に当てる。プレートは、このような接触時に変形されることができ、次いで可撓性機能を働かせる。

プレート１０およびカウンタウエイトは、換言すれば、アセンブリがそれの特性に応じてホイールの正確な共振を減衰させるように寸法決めされている最適質量に適合するように、プレートおよびダンパに対してそれぞれ決定される厚さに相当する適合厚さで金属シートから打ち抜かれ、または切り取られる。使用されている金属シートは、通常、ニッケルベースの合金である。

図３は、ホイール１の部分図を示しており、ディスク３の環状リング３０が、ブレード４の足部４０およびダンパ２を受け入れている。リング３０の側面は、これらのキャビティ内でブレード足部４０の移動を軸線方向にロックするように、プラットフォーム５およびリング３０に形成される溝の中に摺動することによって配置されている部分を形成するブレーキパッド３１によって閉鎖される。プラットフォーム５は、ブレード４が半径方向に延在するリング５０を形成する。

ダンパは、そのハウジングまたはキャビティ内で、支柱本体４１（モミの木状足部頂部）によって側方に、プラットフォーム５によって半径方向に、かつブレード補強材５１および５２によって軸線方向にロックされる（図１を参照されたい）。

図３の一部は、透明に見えており、補強材は、ダンパ２およびこれらのハウジング２０を最もよく示すように取り除かれている。各ハウジング２０は、ブレード４の２つの足部４０の２つの支柱本体４１とリング３０の突出部分またはインターブレード６との間で、２つの近接して並んだプラットフォーム５の内面の下に形成される。次いで、ダンパは、また、近接して並んだプラットフォームの間でインタープラットフォーム後部分を減らすことによってシール機能を働かせる。

カウンタウエイト２は、軸線Ｚ’Ｚによる自由度と、−プレート５とブレーキパッドとの間で、したがってこのようなパッドとカウンタウエイトとの間で遠心力場の作用を受けて、−たとえば１０分の１ミリメートルから１０分の数ミリメートルの隙間とを軸線方向に有す。

遠心力場の作用を受けて、タービンは回転し、ダンパは、プラットフォーム５の内面に締め付けられ、プレート１０は、クランプ動作に最もよく適合されるように弾性的に変形され、カウンタウエイト１２は、摩擦力により振動減衰効果、特に共振に有利に働くようにすべての作用を集中させる。

本発明は、説明され、示されている例示的な実施形態に限定されるものではない。たとえば、その長さに関してハウジング毎に２つのダンパを設けること、または各ダンパの長さを実質的にハウジングの長さまで実質的に増加させることができる。

さらに、ブレード足部は、モミの木状足部の代わりに、ハンマー状足部であることができ、ダンパのハウジングは、依然としてこのような足部の支柱によって画定される。

本発明を、ガスタービンに接続され、回転自在に取り付けられる部品の任意のアセンブリに、特に航空機の任意のガスタービンばかりでなく、任意の陸用または海洋ガスタービンにも適用することができる。さらに、寸法は、タービンの型および寸法に適合される。

そのうえ、カウンタウエイトを支持するプレートまたは補強材アームは、不可欠ではなく、プレートの弾性により、プレートの側面を完全に閉じ込めるプレートリムは、プレートと関連してカウンタウエイトを保持するのに十分であることができ、少なくとも１つの溶接または接着箇所により、取り付け時に操作できるようになる。

さらに、ダンパのハウジングは、本例に関しては異なって配置され得る。したがって、これは、さまざまな形状のブレード足部によって実施され得る。

Claims (8)

1. ガスタービンの低速ホイールのディスク（３）に取り付けられているブレード（４）の振動を減衰する振動ダンパ（２）にして、振動ダンパが、ブレード（４）のプラットフォーム（５）の下に位置するタービンのハウジング凹部によって受承されるよう適合され、プラットフォーム（５）に押し付けられるプレート（１０）、および押付動作を介してプラットフォーム（５）に摩擦力を向けるように作用を集中させるための少なくとも１つのカウンタウエイト（１２）を備え、プレート（１０）およびカウンタウエイト（１２）を加逆的に共に結合し、プレート（１０）およびカウンタウエイト（１２）が別々に製造され、プレート（１０）およびカウンタウエイト（１２）の結合がプラットフォーム（５）に対してプレート（１０）の少なくとも１つの押付領域を通じてカウンタウエイト（１２）を少なくとも部分的に取り囲むことによって行われ、不完全な位置決めを補正するように、ブレードからブレードへのプラットフォーム下の外形の分布に順応するように、または鋳造公差を緩和するように可撓性があり、ハウジング凹部内に挿入され、カウンタウエイト（１２）が上面（１２１）を有し、プレート（１０）が前記上面（１２１）とプラットフォーム（５）との間に位置していることを特徴とする、振動ダンパ。
2. 請求項１に記載の振動ダンパ（２）であって、プレート（１０）が、カウンタウエイト（１２）の金属シートよりも実質的に薄い金属シートから打ち抜かれ、かつ、プレート（１０）が、カウンタウエイト（１２）の１つの面（１２１）を少なくとも部分的に取り囲みながら、ブレード（４）の少なくとも１つのプラットフォーム（５）と可撓的に接触することができる壁を有することを特徴とする、振動ダンパ。
3. プレート（１０）の壁が、２つの隣接するブレード（４）のプラットフォーム（５）と接触するように適合されることを特徴とする、請求項２に記載の振動ダンパ。
4. プレート（１０）の材料が、その上で調節された接触をするように適合されるプラットフォーム（５）の支持面（５１）の材料よりも柔らかい、請求項３に記載の振動ダンパ。
5. プレート（１０）が、カウンタウエイト（１２）を取り囲むように適合される少なくとも２つのアーム（１１４、１１５）を有する、請求項２から４のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
6. カウンタウエイト（１２）が、中心部分（Ｖ１）で接続される２つのパイル（Ｐ１、Ｐ２）を備え、中心部分が、プレート（１０）のアーム（１１４、１１５）を受承するように適合される、請求項５に記載の振動ダンパ。
7. プレート（１０）が、０．１ｍｍから０．６ｍｍの厚さを有し、カウンタウエイト（１２）が、１ｍｍから６ｍｍの厚さを有する、請求項２から６のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の振動ダンパでブレードの振動を減衰するステップを有する、ガスタービンの低速ホイールのディスク（３）に取り付けられているブレード（４）の振動の減衰方法。
   

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