JPH11236804A - ガスタービンエンジン用ロータ段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一体動翼付きのロータに用いることができ、
また周期的な押込作用及び非周期的な摂動に対して有効
であり、更に中位及び低位のアスペクト比の動翼の振動
に対して有効な振動減衰装置を提供すること。 【解決手段】 ガスタービンエンジン用ロータ段３２
は、ロータディスクと、複数の動翼３６とを包含する。
ロータディスクは、回転軸線上に中心を置かれた孔と、
外側半径方向表面４０とを包含する。動翼３６は、外側
半径方向表面４０から半径方向外側に延びていると共
に、外側半径方向表面４０のまわりに分配されている。
そして、少なくともひとつの動翼３６が、隣接する他の
動翼３６に関して選択的に斜め（α）にされている。こ
の斜めにされた動翼は、ロータ段の空気力学的減衰を増
大せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、一般にはガスタービンエ
ンジンのロータアセンブリに関し、より詳細には、ロー
タ段の振動を制御する装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】ガスタービンエンジンの多くの従来のロ
ータ段は、軸線のまわりを回転するようにディスクに機
械的に取付けられた複数の動翼を包含する。動翼は、典
型的に、“クリスマスツリー形”又は“ばち形”の翼根
を有し、この翼根がディスクの外側半径方向表面に設け
られている組合せスロットにはめ込まれる。機械的に取
付けられる動翼の欠点は、かなりの応力が取付けスロッ
トに隣接して、荷重下のディスク内に発達することであ
る。ディスクの外径、及びそれ故隣接するスロット間の
距離の増大は応力を最小にするのに役立つものである。
しかしながら、ディスク径を増大することは、また、ロ
ータ段の総寸法及び重量をも増大せしめるものである。
そのため、最近は、比較的軽量の“一体動翼付きロー
タ”が非常に広く用いられている。この一体動翼付きロ
ータの動翼は、ディスクに機械的に取付けられるのでは
なくて、ディスクに一体的に形成される（すなわち、ロ
ータはディスクに金属結合により取付けられた動翼を包
含する）。このような一体動翼は、従来の機械的取付け
構成と比較して動翼の荷重を担持するうえで非常に有効
なものである。その結果、ロータディスクの寸法及び重
量は有益に最小にされる。

【０００３】従来のロータ段は、しばしば、振動応答を
除去するように回転させられ、発生する振動応答を最小
にするように減衰させられる。回転は、一般には、ロー
タ段の作動環境に存在する周期的な押込作用（フォーシ
ングファンクション）の周波数を除去するためにロータ
段の固有周波数を変化させるように向けられた処置を言
う。また、減衰は、一般には、周期的又は非周期的（ラ
ンダムとも言うことができる）な押込作用により生じる
振動応答を最小にするようにする処置を言う。周期的な
押込作用は、不連続な周波数で作用し、押込作用の周波
数が動翼の固有周波数との一致に達すると動翼に振動応
答を生じさせる。他方、非周期的な押込作用は、特定の
周波数では作用しないが、しかし、動翼が非周期的な方
法で応答する（歪曲する）のを生じさせる。十分な減衰
がない場合には、２つの周期的及び非周期的な励起力
が、運転速度範囲に存在するすべてのモードの振動に対
して高い動翼振動応答を生じさせる。

【０００４】機械的、空気力学的、及び物質的な減衰
は、ロータ段において使用する潜在的な減衰の３つの主
たる型式を表す。物質的な減衰は、従来のロータ段及び
同様に一体動翼付きロータに生じるけれども、３つの型
式の中では最小の効力であり、一般的にはそれ自体によ
って動翼のために十分な減衰を提供するものではない。
他方、機械的な減衰は３つの型式の中で最大の効力であ
り、幾つかの異なる方法により成し遂げることができ
る。そのひとつの方法においては、振動運動は、動翼の
根元とディスクのスロットとの間の摩擦により減衰、す
なわち“翼根”減衰される。他の方法においては、摩擦
装置が動翼に外部又は内部取付けされて振動運動を減衰
する。更に他の方法においては、隣接する動翼を一組に
するシュラウドが翼先端に沿ってエネルギを消散するよ
うに用いられている。しかしながら、これらの方法の機
械的減衰は、多くの一体動翼付きロータにはその動翼の
一体性のために役に立たないものである。すなわち、一
体動翼付きロータの動翼とディスクとの間の独立する減
衰装置及び一体動翼ロータの隣接する動翼間の装置は、
どちらも役に立たないものである。

【０００５】空気力学的減衰は、一般に、ロータ段とこ
のロータ段を通過する空気との間の仕事の交換を言う。
もし動翼へ空気により与えられる正味仕事が例えば空気
へ動翼より与えられる正味仕事を越える場合には、空気
がエネルギを動翼に加える。これは不安定な状態をもた
らし、動翼の振動が始まって、振幅を増大せしめ、最後
には疲労を生じさせる。他方、もし空気へ動翼により与
えられる正味仕事が例えば動翼へ空気により与えられる
正味仕事を越える場合には、動翼はエネルギを空気流れ
中に消散せしめる。この動翼から去るエネルギの伝達
は、空気力学的減衰の好ましい状態をもたらす。

【０００６】以上述べたことから、ロータ段の振動応答
を減衰する装置及び／又は方法であって、一体動翼付き
ロータに用いることができ、また周期的な押込作用及び
非周期（ランダム）的な摂動を減衰し、更に中位及び低
位のアスペクト比の動翼の振動を有効に減衰する装置及
び／又は方法が必要とされている。

【０００７】

【発明の開示】したがって、本発明の目的は、振動を減
衰する装置を包含するガスタービンエンジン用ロータ段
を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、一体動翼付きロータ
に用いることができる振動減衰装置を提供することにあ
る。

【０００９】本発明の更に他の目的は、振動に対して有
効な振動減衰装置を提供することにある。

【００１０】本発明の更に他の目的は、周期的な押込作
用及び非周期的な摂動により生じる振動に対して有効な
振動減衰装置を提供することにある。

【００１１】本発明の更に他の目的は、中位及び低位の
アスペクト比の動翼の振動を有効に減衰する振動減衰装
置を提供することにある。

【００１２】以上述べた目的を達成するために、本発明
によれば、次に述べるようなガスタービンエンジン用ロ
ータ段が提供される。すなわち、ガスタービンエンジン
用ロータ段は、ロータディスクと、複数の動翼とを包含
する。ロータディスクは、回転軸線上に中心を置かれた
孔と、外側半径方向表面とを包含する。動翼は、外側半
径方向表面から半径方向外側に延びると共に、外側半径
方向表面のまわりに分配されている。そして、少なくと
もひとつの動翼が、隣接する他の動翼に関して選択的に
斜めにされている。この斜めにされたひとつ又はそれ以
上の動翼は、ロータ段の空気力学的減衰を増大せしめ
る。

【００１３】空気力学的減衰の観点から、動翼に伝達さ
れるエネルギは、下記の数式１を用いることにより、振
動サイクル中に動翼に沿って通過する空気へ動翼により
与えられる不安定な仕事であると言うことができる。

【数１】 ここにおいて、 は、振動運動を受ける動翼の結果として、時間の関数と
して任意の地点で動翼の吸込側表面及び圧力側表面に作
用する不安定な空気圧力の差を表す。また、 は、時間の関数として、任意の方向への動翼の歪曲を表
す。仕事式は時限“Ｔ”にわたって積分され、ここにお
いて“Ｔ”は１動翼振動の持続時間に等しい。サイクル
当たりの正仕事（仕事式の正値により示される）は、通
過空気により動翼に与えれる仕事、すなわち、不安定な
状態を示す。サイクル当たりの負仕事（仕事式の負値に
より示される）は、動翼により通過空気に与えられる仕
事、すなわち、空気力学的減衰の好ましい状態を示す。
仕事式の零は、自然状態、すなわち、動翼が仕事を与え
られてもいないし、仕事を与えてもいないことを示す。

【００１４】空気力学的減衰の目的は所定モードの振動
を減衰することにあるので、上記の数式１の歪曲項 は不変と考えることができる。したがって、空気学的減
衰は、不安定な圧力可変 を操作することにより成し遂げることができ、これによ
り仕事が動翼へ与えられる仕事に対立して動翼により与
えられることが保証される。動翼に作用する不安定な圧
力の差は、１）動翼を通過する空気、２）隣接する動翼
間の空気の量、及び３）隣接する動翼の相対的運動の関
数である。本発明において、隣接する動翼間の空気の不
安定な空気力学的特性は、少なくともひとつの動翼の翼
弦線を隣接する他の動翼の翼弦線に関して選択的に斜め
にして、発生する空気力学的減衰を増大せしめることに
より、操作される。

【００１５】以上述べた本発明の利点は、空気力学的減
衰装置が提供されることである。すなわち、ある適用に
おいては、空気力学的減衰は機械的及び／又は物質的減
衰を増大するために用いることができる。機械的及び／
又は物質的減衰が制限されている他の適用（例えば、一
体動翼付きロータ）においては、空気力学的減衰は主た
る減衰装置として用いることができる。

【００１６】本発明の他の利点は、周期的な押込作用及
び非周期的な摂動に対して有効なロータ段減衰装置が提
供されることである。すなわち、本発明による選択的な
動翼の斜めは、動翼が周期的な押込作用又は非周期的な
摂動にさらされるかどうかにかかわらず、動翼を通過す
る空気に動翼が仕事を与えることを可能にする。

【００１７】本発明の更に他の利点は、中位及び低位の
アスペクト比の動翼の振動が有効に減衰されることであ
る。すなわち、従来の機械的に取付けられた又は一体的
に形成された中位及び低位のアスペクト比の動翼は、特
に翼弦モードの振動を受けやすいものである。これに対
し、本発明による選択的な動翼の斜めは、完全な翼弦モ
ードの振動に加えて主要な周期的及び非周期的な摂動に
より生じる歪曲を動翼が減衰せしめることを可能にす
る。

【００１８】本発明の更に他の利点は、本発明が追加の
金物、動翼の内部機械加工又は同種のことを要求しない
ことである。すなわち、本発明は、少なくともひとつの
動翼を選択的に斜めにすることによる減衰を提供するも
のである。当業者であれば、簡単さは一般に信頼さに等
しいことを認識されよう。

【００１９】本発明の以上述べた目的、特徴及び利点は
添付図面を参照して述べる下記の本発明の最良の形態の
実施例についての詳細な説明から一層明らかになるであ
ろう。

【００２０】

【発明を実施するための最良の形態】図１を参照する
に、ガスタービンエンジン１０は、ファン１２と、低圧
圧縮機１４と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、低圧
タービン２０と、高圧タービン２２と、オグメンタ２４
と、ノズル２６とを包含し、これらは回転軸線２８に関
して対称的に設けられている。ファン１２はノズル２６
の前方にあり、それ故ノズル２６はファン１２の後方で
ある。ファン１２と低圧圧縮機１４とは、互いに接続さ
れ、低圧タービン２２により駆動される。高圧圧縮機１
６は、高圧タービン２２により駆動される。ファン１２
により仕事を与えられた空気は、“中心ガス”として低
圧圧縮機１４に入るか、又は“バイパス空気”としてエ
ンジン外側の通路３０に入る。

【００２１】図２〜図４を参照するに、ロータ段３２
は、ディスク３４と、複数の動翼３６とを包含する。デ
ィスク３４は、回転軸線２８上に中心を置かれている孔
３８（図２）と、外側半径方向表面４０とを包含する。
動翼３６は、外側半径方向表面４０から半径方向外側に
延び、普通の取付け構造（例えば、クリスマスツリー形
又はばち形の根元−図示せず）によってディスク３４に
取付けたり、又は一体動翼付きロータの一部分として一
体的に設けることができる。各動翼３６は、その前縁４
４と後縁４６との間に延びる翼弦線４２を有する。

【００２２】図２及び図３に示される従来のロータ段３
２は、互いに等間隔を置いて離れていると共にロータデ
ィスク３４の外周まわりに分配されている複数の動翼３
６を有する。各動翼３６は、その平行な翼弦線４２によ
り明らかなように、他の動翼３６に平行な配列である。
これに対し、本発明においては、ひとつ又はそれ以上の
動翼３６は、空気力学的減衰の増大を達成するように従
来の平行配列から選択的に斜めにされている。動翼３６
が斜めにされる量は、実施する特定の適用に依存する。
多くの適用においては、動翼３６は、従来の平行配列か
らいずれか一方の方向に５度（５゜）まで斜めにされる
（もし動翼３６が両方向に対向して斜めにされた場合に
は、差は総計で１０゜となる）。好適な実施例において
は、動翼３６は従来の平行配列からいずれか一方の方向
に３度（３゜）よりも多くなく斜めにされる。図４は、
本発明を示すために、従来の平行配列から両方向に斜め
にされている幾つかの動翼３６を示す。斜め角は平行配
列に関連する翼弦線４２ａの位置と、斜めにされた動翼
３６に関連する翼弦線４２ｂとの間に延びる“α”とし
て示されている。ロータ段３２の各動翼３６の最適な斜
め（及びそれ故最適な減衰）は、適用状況の関数であ
り、解析的に又は経験的に決定することができる。

【００２３】ある適用においては、大部分の動翼３６が
平行配列に維持され、ほんの一部分の動翼３６が平行配
列から斜めにされる。他の適用においては、大部分又は
全部の動翼３６が平行配列から斜めにされる。

【００２４】以上本発明をその実施例に関して図示し詳
述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱する
ことなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更が
できることは当業者にとって理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービンエンジンの概略断面図である。

【図２】従来のガスタービンエンジンのロータ段の一部
斜視図である。

【図３】動翼の平行な翼弦線により明らかなように、従
来の平行な動翼配列を示すために、ロータディスクから
外側に延びる複数の動翼を直線状に展開して示す図であ
る。

【図４】動翼の斜めにされた翼弦線により明らかなよう
に、平行配列から斜めにされた本発明による動翼を示す
ために、ロータディスクから外側に延びる複数の動翼を
直線状に展開して示す図である。

【符号の説明】

１０ ガスタービンエンジン １２ ファン １４ 低圧圧縮機 １６ 高圧圧縮機 １８ 燃焼器 ２０ 高圧タービン ２２ 低圧タービン ２４ オグメンタ ２６ ノズル ２８ 回転軸線 ３０ 通路 ３２ ロータ段 ３４ ディスク ３６ 動翼 ３８ 孔 ４０ 外側半径方向表面 ４２，４２ａ，４２ｂ 翼弦線 ４４ 前縁 ４６ 後縁 α 斜め角

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラッドフォード・エー・カウルス アメリカ合衆国 フロリダ州 33418 パ ーム・ビーチ・ガーデンズ市 ハックベリ ー・ストリート 11654

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸線のまわりを回転するガスタービン
   エンジン用ロータ段において、 前記回転軸線上に中心を置かれた孔、及び外側半径方向
   表面を有するロータディスクと、 前記外側半径方向表面から半径方向外側に延びると共
   に、前記外側半径方向表面のまわりに分配され、かつ翼
   弦線を有する複数の動翼と、 を包含し、少なくともひとつの前記動翼が隣接する他の
   動翼に関して選択的に斜めにされ、これにより前記ロー
   タ段の空気力学的減衰の増大を生じせしめるようにした
   ガスタービンエンジン用ロータ段。
2. 【請求項２】回転軸線のまわりを回転するガスタービン
   エンジン用ロータ段において、 前記回転軸線上に中心を置かれた孔、及び外側半径方向
   表面を有するロータディスクと、 前記外側半径方向表面から半径方向外側に延びると共
   に、前記外側半径方向表面のまわりに分配され、かつ翼
   弦線を有する複数の動翼と、 を包含し、少なくともひとつの前記動翼の翼弦線が隣接
   する他の動翼の翼弦線に関して選択的に斜めにされ、こ
   れにより前記ロータ段の空気力学的減衰の増大を生じせ
   しめるようにしたガスタービンエンジン用ロータ段。
3. 【請求項３】請求項２記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記少なくともひとつの動翼の翼弦線
   が前記隣接する他の動翼の翼弦線から１０゜より多くな
   く斜めにされているロータ段。
4. 【請求項４】請求項３記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記少なくともひとつの動翼の翼弦線
   が前記隣接する他の動翼の翼弦線から５゜より多くなく
   斜めにされているロータ段。
5. 【請求項５】請求項４記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記ロータ段が一体動翼付きロータで
   あるロータ段。
6. 【請求項６】請求項４記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記少なくともひとつの動翼の翼弦線
   が前記隣接する他の動翼の翼弦線から３゜より多くなく
   斜めにされているロータ段。
7. 【請求項７】請求項６記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記ロータ段が一体動翼付きロータで
   あるロータ段。
8. 【請求項８】請求項２記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記少なくともひとつの動翼の翼弦線
   が前記隣接する他の動翼の翼弦線から５゜より多くなく
   斜めにされているロータ段。
9. 【請求項９】請求項８記載のガスタービンエンジン用ロ
   ータ段において、前記ロータ段が一体動翼付きロータで
   あるロータ段。
10. 【請求項１０】請求項８記載のガスタービンエンジン用
    ロータ段において、前記少なくともひとつの動翼の翼弦
    線が前記隣接する他の動翼の翼弦線から３゜より多くな
    く斜めにされているロータ段。
11. 【請求項１１】請求項１０記載のガスタービンエンジン
    用ロータ段において、前記ロータ段が一体動翼付きロー
    タであるロータ段。