JP4523391B2 - 軸流タービンの羽根のための振動減衰装置 - Google Patents

Description

本発明はタービン技術分野に関連している。本発明は請求項１の上位概念に記載した軸流タービンの羽根のための振動減衰装置に関する。

軸流タービン、例えばガスタービンの回転羽根は半径方向に延び、ロータ軸を中心として回転するロータの外周に取付けられている。回転羽根はタービン段における片持式に支持された羽根ブレードとして構成されていることができるが、しかし外周にてカバーリング（shroud）又は減衰装置（shubber）又は保持ワイヤ（lacing wire）で互いに結合されていることもできる。

羽根においてはタービンの運転中、タービンを通って高速で流れる媒体の交番作用と高速回転とによって振動が励起される。したがって過去においては羽根において発生する振動を減衰するために種々の提案が成されている。これらの提案の若干は羽根固定部領域に特殊な振動減衰部材を装備することに限定されている。これは羽根ブレード自体に変更を加える必要はないという利点を有している。しかし欠点は羽根ブレードにおける振動がほとんど間接的にしかコントロールできないことにある。

したがって羽根ブレード自体に振動減衰部材を配置しかつ格納し、この振動減衰部材で羽根ブレードにおける振動を直接的にコントロールする提案が成されるようになった。例えばＥＰ−Ｂ１−０７２７５６３号明細書によれば、タービンのロータ羽根のための振動減衰装置であって、羽根ブレードの外側の１／３にて圧力側の中央に円形の切欠き又はポケットが配置され、該切欠き又はポケットが振動減衰部材（サイン形の）を受容している振動減衰装置が公知である。前記ポケットは外へ向かって羽根ブレード輪郭に適合させられたポケット蓋体によって閉鎖されている。振動減衰部材は若干の部位にてポケット及びポケット蓋体の内壁に接触し、振動減衰部材が羽根に対し相対的に移動した場合に壁における摩擦によって振動を減衰する。この公知の振動減衰装置の欠点はポケット及びポケット蓋体との構成に費用がかかり、振動減衰部材が空間的に羽根ブレードのきわめて小さい領域に制限されることである。

これに対しＵＳ−Ｂ１−６６０７３５９号明細書に提案された解決策は蓋体を必要としない。この解決策においては簡単に成形された振動減衰部材が特別に準備されたポケットに押込まれ、振動減衰部材の上へ向けられた表面が継目なしで羽根ブレードの圧力側の面に接続させられている。この解決策も振動減衰装置の個々の部材の費用のかかる正確な加工を必要としかつ局部的に限られた振動減衰しか可能にしない。

ＷＯ−Ａ１−０１／４９９７５号明細書においては、羽根の吸込み側に切欠きを生ぜしめ、次いで蓋体で閉鎖することで、例えば閉鎖溶接することで狭い空気室を構成し、羽根振動が発生した場合に運動する空気の粘性に基づき振動減衰作用が発揮させられるようになっている。この形式の振動減衰はフレキシブル性が少なく、振動減衰装置を組込むことによる流動技術的な欠点を回避するために、羽根表面に費用のかかる、正確な加工もしくは後加工を必要とする。

要約すれば、上記解決策は一方では流動技術的に重要な羽根表面に干渉することに基づき費用のかかる注意深い加工が必要であり、他方では狭く限られた領域でしか振動減衰を実現することができない。
ＥＰ−Ｂ１−０７２７５６３号明細書 ＵＳ−Ｂ１−６６０７３５９号明細書 ＷＯ−Ａ１−０１／４９９７５号明細書

本発明の課題は軸流タービンの羽根のための振動減衰装置であって、構造が簡単で、作用が効果的で、羽根ブレードの大きな領域に亘って有効である振動減衰装置を提供することである。

本発明の課題は請求項１の特徴全体によって解決された。本発明の核心は振動減衰装置の振動減衰部材が、半径方向で羽根ブレードの内部を通って延びる中空室として構成された切欠き内に格納されていることである。この切欠き内に振動減衰部材は半径方向で挿入されている。振動減衰部材が半径方向に導入される半径方向に延びる中空室によって、羽根の外輪郭は振動減衰装置の影響は受けない。又、中空室は羽根ブレードの長い区間に亘って延びるので、羽根ブレード全体における振動をきわめて効果的に減衰することができる。

本発明の有利な構成の特徴は中空室と中空室内に挿入された振動減衰部材とが円筒形に構成されていることである。これによって振動減衰装置の製作と組込みは一層簡易化される。

本発明の第１実施例の特徴は振動減衰する摩擦プロセスが振動減衰部材の内部で行なわれるように振動減衰部材が構成されていることである。この場合、有利には振動減衰部材は振動減衰作用を有する材料、特に粘性の液体の形をした材料を有している。公知技術（ＷＯ−Ａ１−０１／４９９７５号明細書を参照）とは異なって振動減衰作用を有する媒体を有する部材は羽根とは別個に簡単な形式で製作されかつきわめて簡単に羽根へ挿入される。

本発明の別の構成の特徴は振動減衰作用を発揮する摩擦プロセスが主として振動減衰部材と中空室の壁との間で行なわれるように振動減衰部材が構成されていることである。この場合、振動減衰部材は一体構造を有し、中空室の壁にばね弾性的に支えられる。このためには特に振動減衰部材はばね材料、特にばね鋼から成り、シリンダ軸線を中心として巻回された薄板として構成されている。

中空室は必要に応じて羽根の内方端部又は外方端部からアプローチ可能であることができる。１つのケースでは羽根は半径方向で内から外へ相前後して配置されてシャフト、プラットフォーム及び羽根ブレードを有している。この場合には振動減衰部材を受容するための中空室は羽根ブレードの外方端部から羽根ブレードを通ってプラットフォームの近くまで延在し、羽根ブレードの外方端部からしかアプローチ可能ではない。中空室は羽根ブレードの外方端部から閉鎖部材によって閉鎖可能である。この構成では付加的な閉鎖部材が必要ではあるが、振動減衰部材は羽根がすでにロータに固定された状態で組立てること又は変更することができる。

別のケースでは同じ羽根構成で、振動減衰部材を受容する中空室は羽根の内方端部から羽根ブレード内へ深く延び込み、羽根の内方端部からしかアプローチ可能ではない。このケースでは羽根をロータに取付ける前に振動減衰部材は組込まれなければならない。しかしその代わりに閉鎖部材は不要になる。

本発明は振動減衰装置を有する羽根構造に関する。図１に示されているように羽根２０は角速度Ωでロータ軸１５を中心として回転するロータのロータ区分１３の外周に取付けられかつ半径方向に延在している。羽根２０は半径方向で内から外へ相前後して配置されて、シャフト１２、プラットフォーム１１及び本来の羽根ブレード１０を有している。羽根２０は、シャフト１２の下方端部において通常の形式でクリスマスツリー状に成形された羽根足１４で、ロータ区分１３における対応する切欠きに挿入されている。１つのタービン段の、ロータ軸１５を中心として環を成して配置された羽根の羽根ブレード１０は、片持式に構成されているか羽根先端部にて互いに、カバーバンド、振動減衰装置又は保持ワイヤで結合されていることができる。

各羽根２０は半径方向に延在するように羽根ブレード１０の内部に配置された円筒形の中空室１６を有している。中空室１６は羽根先端から穿孔されるか、電蝕されるか又は羽根２０を鋳造する際に形成される。しかし、中空室１６は、図３における羽根２０′が示すように、同じ形式で羽根足１４側から羽根２０′に形成されることもできる。最大の静的及び動的な負荷は通常は羽根ブレード１０の最も外側の縁部に発生するので羽根ブレード１０の内部に配置された中空室１６もしくは１６′は羽根の強度を弱化させない。

円筒形の中空室１６もしくは１６′に格納された円筒形の振動減衰部材１７はばね鋼から成る薄板（例えば方形の薄板）から成っている。この薄板は円筒軸を中心として円筒形に巻回されて円筒形の摩擦ばねを生ぜしめる（図２の拡大された区分）。このようにして得られたばねは（緊縮下で）中空室１６もしくは１６′内へ押込まれる。ばねは中空室１６もしくは１６′内で再び部分的に巻解し、中空室１６もしくは１６′の壁に対する接触圧を生ぜしめる。同時にばねの巻条は相互に押しあう。

羽根先端から羽根ブレード１０内へ達する中空室１６（図１）のためには中空室１６は閉鎖部材１８によって閉鎖される。この閉鎖部材１８はねじピンとして、対応するねじ孔へねじ込まれる。ねじピンのねじ山は羽根振動に基づくねじピンの自動的な解離を回避するために潰されることができる。しかし、これに対し択一的に羽根１０が溶接可能な合金から成る限り、閉鎖部材は溶接固定されることもできる。中空室１６′が羽根足１４側から羽根ブレード１０内へ達していると、閉鎖部材は不要である。何故ならば振動減衰部材１７を有する中空室１６′は羽根２０′がロータに固定されると直ちにロータ区分１３によって閉じられるからである。

タービンの運転の間に羽根２０もしくは２０′が振動を開始すると、中空室１６もしくは１６′と振動減衰部材１７（摩擦ばね）の巻条との間には摩擦をもたらす相対運動が生じる。振動減衰部材１７の振動減衰の質は摩擦係数と接触圧とに関連する。接触圧は中空室１６もしくは１６′に押込んだあとでばね緊縮力に基づき振動減衰部材１７が自動的に巻解することで生ぜしめられる。したがって接触圧の高さは巻条の数に関連し、簡単な形式で羽根ブレード１０の寸法に関連して変化させられることができる。振動減衰装置の摩擦接触している異なる材料（ばね鋼、羽根合金）のための温度に関連した摩擦係数は文献により公知である。有効な振動減衰特性を振動減衰部材にて得るためには接触圧の好適な値はハンマテストによって経験的に確認される。

本発明の枠内で振動を減衰する他の可能性は、円筒形の摩擦ばねの代りに、中空室の内壁との摩擦によって振動を減衰するのではなく振動減衰部材自体において行なわれる摩擦プロセスによって振動を減衰する振動減衰部材（図１から３までには図示せず）を円筒状の中空室１６もしくは１６′内に配置することである。このような内部摩擦プロセスは例えば振動減衰部材の内部に収納した高粘性の液体、例えば油又は他の振動減衰作用を有する材料によって惹き起こされる。

これまで公知であるタービン羽根の振動減衰装置と比較して本発明による振動減衰装置は以下の利点を有している。
（イ）羽根ブレードと振動減衰部材との間の接触と減衰部材自体はガス、蒸気又は排ガス流に対し保護される。これによって振動装置の確実な機能に関する不可量性はある程度排除される。
（ロ）振動減衰部材は羽根ブレードの種々の曲げ振動を効果的に阻止でき、羽根ブレードの有効性は接続直径により表記できるブレード振動とは無関係になる。
（ハ）振動減衰部材の有効性は羽根で装備された円板の回転振動に直接的には関連しなくなる。したがって振動減衰部材は回転振動の広領域のために使用することができる。これは可変な回転数で働くタービン、例えば飛行機駆動装置の場合に特に重要である。
（ニ）振動減衰装置が故障した場合、すべての破損した部分は閉鎖された中空室内に留まり、タービン羽根が破損させられることはない。
（ホ）振動領域の有効性が回転速度に関連する程度は少なくなるのでばね鋼から成る薄板の代りに多層のプレート又は他の材料を、振動減衰部材の振動減衰特性を改善するために使用することができる。

本発明の第１実施例による半径方向の振動減衰装置を有するタービン羽根を部分的に断面した側面図。 図１の振動減衰装置をＡ−Ａ面に沿って断面した全体図と拡大部分図。 本発明の第２実施例による半径方向の振動減衰装置を有するタービン羽根を部分的に断面した、図１に相当する側面図（Ａ−Ａ面に沿った断面は同様に図２に相応する）。

符号の説明

１０ 羽根ブレード、 １１ プラットフォーム、 １２ シャフト、 １３ ロータ区分、 １４ 羽根足、 １５ ロータ軸線、 １６，１６′ 中空室（円筒、半径）、 １７ 振動減衰部材、 １８ 閉鎖部材、 ２０，２０′ 羽根（軸流タービン）

Claims (4)

1. 軸流タービン、特にガスタービンの羽根（２０，２０′）のための振動減衰装置であって、該振動減衰装置が前記羽根（２０，２０′）の羽根ブレード（１０）における切欠き（１６，１６′）内に配置されかつ摩擦プロセスを活用して前記羽根（２０，２０′）の振動を減衰する振動減衰部材（１７）を有している形式のものにおいて、前記切欠きが半径方向で羽根ブレード（１０）の内部を通って延在する中空室（１６，１６′）として構成されており、該中空室（１６，１６′）内に前記振動減衰部材（１７）が半径方向で挿入されており、前記中空室（１６，１６′）と該中空室（１６，１６′）内に挿入された振動減衰部材（１７）が円筒形に構成されており、前記振動減衰部材（１７）がばね弾性的に前記中空室（１６，１６′）の壁に押付けられており、前記振動減衰部材（１７）が円筒軸線を中心として巻回された、ばね材料、特にばね鋼から構成されている、ことを特徴とする、軸流タービンの羽根のための振動減衰装置。
2. 前記減衰部材（１７）が一体に構成されている、請求項１記載の振動減衰装置。
3. 前記羽根（２０，２０′）が半径方向で内から外へ相前後して配置されて、シャフト（１２）、プラットフォーム（１１）及び羽根ブレード（１０）を有し、前記振動減衰部材（１７）を受容するための中空室（１６，１６′）が前記羽根ブレード（１０）の外端から羽根ブレード（１０）を通って前記プラットフォーム（１１）の近くまで延びておりかつ前記羽根ブレード（１０）の外端だけからしか接近可能ではなく、前記中空室（１６，１６′）が羽根ブレード（１０）の外端にて閉鎖部材（１８）によって閉鎖可能である、請求項１又は２記載の振動減衰装置。
4. 前記羽根（２０，２０′）が半径方向で内から外へ相前後して配置されてシャフト（１２）、プラットフォーム（１１）及び羽根ブレード（１０）を有し、振動減衰部材（１７）を受容する前記中空室（１６，１６′）がシャフト（１２）の内方端部から前記羽根ブレード（１０）へ深く延び込んでおり、前記シャフト（１２）の内方端部だけから接近可能である、請求項１又は２記載の振動減衰装置。

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