タービンエンジン用のロータブレード
【課題】タービンエンジン用のロータブレードにおける先端シュラウドを提供する。
【解決手段】本先端シュラウド（２００）は、隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィン（２０４）を含む。少なくとも１つの減衰フィン（２０４）は、前端縁減衰フィン（２０４）を含むことができ、また少なくとも１つの減衰フィン（２０４）は、後端縁減衰フィン（２０４）を含むことができる。前端縁減衰フィン（２０４）は、後端縁減衰フィン（２０４）に対応するように構成することができる。
【解決手段】本先端シュラウド（２００）は、隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィン（２０４）を含む。少なくとも１つの減衰フィン（２０４）は、前端縁減衰フィン（２０４）を含むことができ、また少なくとも１つの減衰フィン（２０４）は、後端縁減衰フィン（２０４）を含むことができる。前端縁減衰フィン（２０４）は、後端縁減衰フィン（２０４）に対応するように構成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンロータブレードの設計及び作動に関連した装置、方法及び／又はシステムに関する。より具体的には、それに限定されないが、本発明は、減衰性及びその他の特徴を備えたタービンブレード先端シュラウドに関連する装置、方法及び／又はシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、圧縮機内で加圧した空気を使用して燃焼器内で燃料を燃焼させて、高温燃焼ガスの流れを発生させ、その結果としてのこのような燃焼ガスを１以上のタービンを通して下流方向に流して、該燃焼ガスからエネルギーを取出せるようにすることはよく知られている。一般的に、そのようなタービンによると、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレードの列が、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる。各ブレードは一般的に、ロータディスクの対応するダブテールスロット内でのブレードの組付け及び取外しを可能にするダブテール、並びに該ダブテールから半径方向外向きに延びかつエンジンを通る作動流体の流れと相互作用する翼形部を含む。翼形部は、対応する前縁及び後縁間で軸方向に延びかつ根元及び先端間で半径方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面及びほぼ凸面形の負圧側面を有する。ブレード先端は、半径方向外側タービンシュラウドに近接して間隔を置いて配置されて、タービンロータブレード間を下流方向に流れる燃焼ガスの該タービンシュラウドとの間での漏洩を最少にする記載のことを理解されたい。
【０００３】
当業者には分かるように、エンジン運転時における様々な励振発生源に起因して、ロータブレードは多くの場合に、振動又は共振の状態となる。振動発生源には一般的に、回転アンバランス、ステータブレード励振、非定常圧力摂動及び燃焼音響音が含まれる。発生した振動は通常、一般的にロータブレードの寿命を短縮させる高サイクル疲労損傷の発生を引き起こし、該疲労により運転時にブレード損傷が生じた場合には、タービンエンジンに対して壊滅的な損傷をもたらす可能性がる。振動の大きさは、少なくともその一部はシステム内に導入される減衰の量と関連する。導入される減衰が多ければ多いほど、振動応答がより少なくなりかつタービンシステムの信頼性が一層高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８５１９３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、作動時におけるタービンエンジンのロータブレードが受ける振動を減衰しかつそれによって該振動を減少させるための装置、システム及び方法の改良に対する継続した必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明は、先端シュラウドついて記述しており、本先端シュラウドは、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィンを含む。少なくとも１つの減衰フィンは、前端縁減衰フィンを含み、また少なくとも１つの減衰フィンは、後端縁減衰フィンを含む。前端縁減衰フィンは、後端縁減衰フィンに対応している。
【０００７】
本発明はさらに、タービンロータブレード用の先端シュラウドについて記述しており、本先端シュラウドは、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィンを含む。少なくとも１つの減衰フィンは、前端縁減衰フィンを含むことができ、また少なくとも１つの減衰フィンは、後端縁減衰フィンを含むことができる。前端縁減衰フィン及び後端縁減衰フィンは、同一設計の先端シュラウドを有するロータブレードの組をタービンエンジンのロータディスク内に据付けた時に、第１のロータブレードの前端縁減衰フィンが、該第１のロータブレードにすぐ先行する第２のロータブレードの後端縁減衰フィンに係合し、かつ該第１のロータブレードの後端縁減衰フィンが、該第１のロータブレードにすぐ追従する第３のロータブレードの前端縁減衰フィンに係合するように構成することができる。前端縁減衰フィンの半径方向位置は、後端縁減衰フィンの半径方向位置から、タービンエンジンの運転時に該前端縁減衰フィンの実質的非半径方向整列接触表面及び後端縁減衰フィンの実質的非半径方向整列接触表面間の所望の接触レベルが維持されるようにオフセットさせることができる。
【０００８】
本発明のこれらの及びこれ以外の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連して行った時の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより、明らかになることになる。
【０００９】
本発明のこれらの及びこれ以外の特徴は、添付図面と関連して行った本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってより完全に理解されかつ納得されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１のガスタービンエンジンにおける圧縮機の断面図。
【図３】図１のガスタービンエンジンにおけるタービンの断面図。
【図４】従来型の設計の先端シュラウドを有する例示的なガスタービンエンジンロータブレードの斜視図。
【図５】従来型の設計の先端シュラウドを有する一連の据付タービンブレードの外側面図。
【図６】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド及び減衰フィンを有するタービンエンジンロータブレードの前縁の斜視図。
【図７】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド及び対応する減衰フィンを有する図６のタービンエンジンロータブレードの後縁の斜視図。
【図８】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド、より具体的には本発明による減衰フィンにおける実施可能な角度構成を有するタービンエンジンロータブレードの前縁の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
最初の事項として、本願発明を明確に伝えるために、タービンエンジンの特定の部分又は機械構成要素を示しかつそれらについて説明する用語を選択する必要があることになる。可能である場合には常に、その通常の意味に一致するように共通の工業用語を使用しかつ採用することにする。しかしながら、あらゆるそのような用語は、本明細書で意図した意味及び特許請求の範囲の技術的範囲が不当に制限されることがないように広い意味を与えられまた狭く解釈されないことを意図している。多くの場合に幾つかの異なる用語を使用して特定の構成要素を説明することができることを、当業者には理解されたい。さらに、本明細書において単一部品として説明することができるものは、他の情況においては幾つかの構成要素部分を含みかつそれら構成要素部分から成るものとして説明することができ、或いは本明細書において複数構成要素部分を含むものとして説明することができるものは、単一部分に製作しかつ幾つかのケースでは単一部分として説明することができる。従って、本明細書で説明した本発明の技術的範囲を理解する上で、提示した用語及び説明に対して注意を払うだけでなく、本明細書に示した構成要素の構造、構成、機能及び／又は用途に対しても注意を払われたい。
【００１２】
さらに、本明細書では、幾つかの説明的な用語を定常的に使用することができ、またここでこれらの用語を定義しておくことは、役立つものとなるであろう。本明細書で使用するそれらの用語及びその定義は、次の通りである。さらなる詳述がない状態で「ロータブレード」という用語は、圧縮機５２又はタービン５４のいずれかの回転ブレードを意味する表現であり、この回転ブレードには、圧縮機ロータブレード６０及びタービンロータブレード６６の両方が含まれる。さらなる詳述がない状態で「ステータブレード」という用語は、圧縮機５２又はタービン５４のいずれかの固定ブレードを意味する表現であり、この固定ブレードには、圧縮機ステータブレード６２及びタービンステータブレード６８の両方が含まれる。本明細書では、「ブレード」という用語は、いずれかの形式のブレードを意味するために使用することになる。従って、さらなる詳述がない状態で、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード６０、圧縮機ステータブレード６２、タービンロータブレード６６及びタービンステータブレード６８を含む全ての形式のタービンエンジンブレードを包含する。さらに、本明細書で使用する場合、「下流方向」及び「上流方向」というのは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流方向」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、また「上流方向」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向である方向を意味する。「トレーリング（後）」及び「リーディング（前）」という用語は一般的に、回転部品の回転の方向に関する相対的位置を意味している。従って、回転部品の「リーディングエッジ（前端縁）」は、部品が回転している方向でみての前部又は前方端縁であり、また回転部品の「トレーリングエッジ（後端縁）」は、部品が回転している方向でみての後部又は後方端縁である。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に関して異なる半径方向位置にある部分を記述するために必要となることが多い。そのようなケースでは、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の半径方向内側又は内側寄りにあると記述することができる。それに対して、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線からさらに遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の半径方向外側又は外側寄りにあると記述することができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動又は位置を意味する。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りでの移動又は位置を意味する。
【００１３】
背景技術として、次に図面を参照すると、図１から図３は、本発明の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンを示している。本発明がこの形式での使用に限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。上述したように、本発明は、発電及び航空機で使用するエンジンのようなガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、及びその他の形式の回転エンジンで使用することができる。図１は、ガスタービンエンジン５０の概略図である。一般的に、ガスタービンエンジンは、加圧空気ストリーム内で燃料を燃焼させることによって生成した加圧高温ガス流からエネルギーを取出すことによって作動する。図１に示すように、ガスタービンエンジン５０は、共通シャフト又はロータによって下流側のタービンセクションつまりタービン５４に対して機械的に連結された軸流圧縮機５２と、該軸流圧縮機５２及びタービン５６間に配置された燃焼器５６と備えるように構成することができる。
【００１４】
図２は、図１のガスタービンエンジンで使用することができる例示的な多段式軸流圧縮機５２の図を示している。図示するように、軸流圧縮機５２は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ステータブレード６２の列が続く圧縮機ロータブレード６０の列を含むことができる。従って、第１段は、中心シャフトの周りで回転する圧縮機ロータブレード６０の列を含み、これに運転時にも固定状態を維持する圧縮機ステータブレード６２の列が続くことができる。圧縮機ステータブレード６２は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。圧縮機ロータブレード６０は、円周方向に間隔を置いて配置されかつシャフトに取付けられて、運転時に該シャフトが回転すると、圧縮機ロータブレード６０は、シャフトの周りで回転する。当業者には分かるように、圧縮機ロータブレード６０は、シャフトの周りで回転すると、圧縮機５２を通って流れる空気又は流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機５２は、図２に示した段よりも多く他の段を有することができる。付加的な段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ロータブレード６０を含み、これに複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ステータブレード６２が続くことができる。
【００１５】
図３は、図１のガスタービンエンジンで使用することができる例示的なタービンセクションつまりタービン５４の部分図を示している。タービン５４もまた、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、それよりも多くの又はそれよりも少ない段をタービン５４内に設けることができる。第１段は、運転時にシャフトの周りで回転する複数のタービンバケットつまりタービンロータブレード６６と、運転時にも固定状態を維持する複数のノズルつまりタービンステータブレード６８とを含む。タービンステータブレード６８は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード６６は、タービンホイール（図示せず）上に取付けてシャフト（図示せず）の周りで回転するようにすることができる。また、タービン５４の第２段も示している。第２段も同様に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード６８を含み、これにタービンホイール上に同様に取付けられて回転する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレード６６が続く。第３段もまた示しており、かつ同様に複数のタービンステータブレード６８及びロータブレード６６を含む。タービンステータブレード６８及びタービンロータブレード６６はタービン５４の高温ガス通路内に位置していることが分かるであろう。
【００１６】
該高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向は、矢印によって示している。当業者には分かるように、タービン５４は、図３に示した段よりも多くのその他の段を有することができる。各付加的段は、タービンロータブレード６６の列が続くタービンステータブレード６８の列を含むことができる。
【００１７】
使用中に、軸流圧縮機５２内での圧縮機ロータブレード６０の回転は、空気の流れを加圧することができる。燃焼器５６において、加圧空気が燃料と混合されかつ点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。作動流体とも呼ぶことができる得られた燃焼器５６からの高温ガスの流れは次に、タービンロータブレード６６上に案内され、該作動流体の流れは、シャフトの周りでタービンロータブレード６６の回転を生じさせる。これによって、作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレードの機械的エネルギーに変換され、かつロータブレードとシャフトとの間の連結により、該シャフトを回転させる。シャフトの機械的エネルギーは次に、圧縮機ロータブレード６０の回転を駆動して加圧空気の必要な供給を行うようにし、またさらに発電機を駆動して電気を発生させるように使用することができる。
【００１８】
図４及び図５は、従来型の設計による先端シュラウド付きタービンロータブレード１００を示している。タービンロータブレード１００は、ロータディスクの周辺部の対応するダブテールスロット内に取付けられるように構成された軸方向ダブテールのようなあらゆる従来型の形態を有することができるダブテール１０１を含む。翼形部１０２は、ダブテール１０１に一体形に接合されかつ該ダブテール１０１から半径方向又は長手方向外向きに延びる。ロータブレード１００はまた、翼形部１０２及びダブテール１０１の接合部に配置されて、タービンエンジンを通る半径方向内側流路の一部分を形成するプラットフォーム１０３を含む。翼形部１０２は、作動流体の流れを遮るブレード１００の動的構成要素である。
【００１９】
先端シュラウド１０４は、翼形部１０２の頂部に配置することができる。先端シュラウド１０４は基本的に、その中心部に関して翼形部１０２によって支持された軸方向及び円周方向に延びる平坦プレートである。先端シュラウド１０４の頂部に沿って、シールレール１０６を配置することができる。一般的に、シールレール１０６は、先端シュラウド１０４の半径方向外側表面から半径方向外向きに突出している。シールレール１０６は一般的に、先端シュラウドのほぼ回転方向に対向する両端部間で円周方向に延びる。シールレール１０６は、先端シュラウド１０４と周囲の固定構成要素の内側表面との間のギャップを通る作動流体の流れを阻止するように形成される。幾つかの従来型の設計では、シールレール１０６は、回転先端シュラウド１０４に対向するアブレイダブル固定ハニカムシュラウド内に延びる。一般的に、様々な理由により、シールレール１０６の中央部にカッタ歯１０７を配置して、該シールレール１０６の幅よりも僅かに広いグルーブを固定シュラウドのハニカム内に切込むようにすることができる。
【００２０】
先端シュラウド１０４は、隣り合うブレードの先端シュラウド１０４が運転時に接触するように形成することができる。図５は、タービンロータディスク上に組付けた時にタービンロータブレードがそのようになることができかつ隣り合う先端シュラウド１０４が運転時に互いに接触するような従来型の構成の実施例を示す、該タービンロータブレードの外側面図を示している。２つの完全な隣り合う先端シュラウドを示しており、矢印は、回転方向を示している。図示するように、先行する先端シュラウド１０４の後端縁は、追従する先端シュラウド１０４の前端縁と接触する又は近接近状態になることができる。この接触領域は、一般的にインタフェース又は接触面１０８と呼ばれることが多く、或いはより具体的には、図示した実施例の構成つまりＺインタフェース１０８にされることが多い。図５の斜視図から分かるように、Ｚインタフェース１０８は、隣り合う先端シュラウド１０４の２つの端縁間におけるほぼ「Ｚ」形状輪郭のために、そのように名付けることができる。タービンブレード１００及び先端シュラウド１０４の使用は単なる例示的なものであること、また本発明の別の実施形態では、異なる構成の他のタービンブレード及び先端シュラウドを使用することができることは、当業者には分かるであろう。さらに、「Ｚ」形状インタフェースの使用は、単なる例示的なものに過ぎない。
【００２１】
図示するように、タービンが非運転状態又は始動「低温」状態にある場合には、隣り合う先端シュラウド１０４の端縁間の接触面（又はＺインタフェース）１０８に、狭い空間が存在することになる。タービンが、「高温」状態で運転している場合には、タービンブレード金属の膨張及び翼形部の「捻じれ戻り」により、隣り合う先端シュラウド１０４の端縁が接触するようにギャップを狭くすることができる。タービンの高回転速度及びそれに関連した振動を含むその他の運転状態では、タービン運転時に接触面１０８におけるギャップが部分的に維持される場合であっても、隣り合う先端シュラウド１０４間に接触が生じる可能性がある。隣り合う先端シュラウド１０４間で生じる接触の機能の１つは、システムを減衰させ、かつそれによって振動を減少させることである。しかしながら、従来型の先端シュラウド設計は、運転中のタービンエンジンシステムで発生した多量の振動に適切に対処していない。上述したように、この振動は、時間の経過と共にロータブレード及びその他の構成要素を損傷させるか又は弱体化させる可能性がある。このような不具合の主な理由の１つは、従来型の構成の場合には、隣り合う先端シュラウド１０４は、互いに限られた接触状態になり、かつ接触状態になった時に、その接触は実質的半径方向整列表面間であり、従ってほぼ１つの平面に限定される。この種の接触は、単一の対応する軸線に沿って発生する振動を減衰するのには効果的なものとすることができるが、一般的に殆どのタービンエンジン運転環境においてはそうである複数軸線に沿って発生する振動を減衰するのには殆どの場合効果がない。
【００２２】
図６及び図７は、特許請求した本発明、つまり先端シュラウド２００の例示的な実施形態を示している。分かるように、図６は、先端シュラウド２００の前端縁を示しており、一方、図７は、後端縁を示している。先端シュラウド２００は、第１の接触表面つまり半径方向整列接触表面２０２を有することができる。半径方向整列接触表面２０２は、半径方向にほぼ整列した１以上の接触表面（つまり、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された表面）を意味している。当業者には分かるように、半径方向整列接触表面２０２は主として、シールレール１０６に沿って半径方向外向きに延びる先端シュラウド２００の中央部に向かう表面を含む。半径方向整列接触表面２０２はまた、先端シュラウド２００の軸方向長さに沿って該先端シュラウド２００の中央部から外向きに延びるものを含む、あらゆる半径方向整列接触表面を含むことができる。
【００２３】
本発明の実施形態によると、先端シュラウド２００はまた、先端シュラウド２００からの突出部により形成され、かつ本明細書では「減衰フィン２０４」と呼ぶ実質的非半径方向整列第２接触表面を含むことができる。減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の前端縁又は後端縁のいずれかから実質的に円周方向及び軸方向の両方向に延びるフィン又はタブ形式の突出部を含むことができる。図示するように、幾つかの実施形態では、減衰フィン２０４は、比較的狭い又は薄い輪郭を有することができる。同様に、幾つかの実施形態（図６及び図７には図示せず）では、下記により詳細に説明するように、減衰フィン２０４は、半径方向に延びるか又は傾斜することもできる。これらの形式の実施形態では、下記により詳細に定めるように、減衰フィン２０４の半径方向傾斜の程度は、上述した半径方向整列接触表面２０２のものよりも実質的により小さい傾斜となることになる。
【００２４】
好ましい実施形態では、図６に示すように、減衰フィン２０４の１つは、先端シュラウド２００の前端縁上に設置することができ、また図７に示すように、別の減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の後端縁上に設置することができる。さらに、図６及び図７の好ましい例示的な実施形態で示すように、前端縁減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の正圧側面上に設置することができ、また後端縁減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の負圧側面上に設置することができるが、下記により詳細に説明するように、その他の構成もまた実施可能である。先端シュラウド２００の前端縁及び後端縁上の減衰フィン２０４は、互いに対応するように構成することができる。本明細書で使用する場合に、「対応する」減衰フィンというのは、同一設計の先端シュラウドを有するロータブレードの組をタービンエンジンのロータディスク内に適切に据付けた時に、第１のロータブレードの先端シュラウド２００の前端縁上に配置した減衰フィン２０４（つまり、「前端縁減衰フィン」）が、第１のロータブレードに先行する第２のロータブレードの先端シュラウド２００の後端縁上に配置した減衰フィン２０４（つまり、「後端縁減衰フィン」）に対する所望の位置に存在することを意味しようとするものである。同様に、「対応する」減衰フィンというのはまた、第１のロータブレードの後端縁減衰フィン２０４が、第１のロータブレードに追従する第３のロータブレードの前端縁減衰フィン２０４に対する所望の位置に存在することを意味している。幾つかの環境では、対応する減衰フィン２０４は、互いに係合することができる。他の実施形態では、対応する減衰フィン２０４は、互いに近接近して存在することができる。
【００２５】
図６及び図７においてさらに示すように、前端縁減衰フィン２０４及び後端縁減衰フィン２００の半径方向位置は、運転時に対応する後端縁減衰フィン及び前端縁減衰フィン間で所望レベルの接触又は近接を生じるように僅かにオフセットさせることができる。このようにして、対応する減衰フィン２０４は、互いに近接半径方向位置に存在することができ、また同じ寸法及び形状を有する場合には、隣り合うロータブレードの対応する減衰フィン２０４が、実質的に軸方向及び円周方向に互いに重なり合うように構成することができる。半径方向オフセットの程度により、運転時に生じる接触状態の量を決めることができる。１つの好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が互いに接するか又は係合するように形成される。別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、それらタービンが「低温」であるか又はエンジン始動（つまり、始動段階）時にある時には互いに接しないが、エンジンがその後の運転の間に暖まった時には通常の接触するように構成される。別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、タービンエンジンが「低温」であるか又はエンジン始動時にある時には互いに接しないが、エンジンが運転の間に暖まった時には部分接触するように構成される。さらに別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、タービンエンジンが「低温」であるか又はエンジン始動時にある時には部分接触状態になるが、エンジンが運転の間に暖まった時には比較的一定の接触状態になるように構成される。
【００２６】
図６及び図７に示すように、１つの好ましい実施形態では、後端縁減衰フィン２０４は、前端縁減衰フィン２０４の丁度外側寄りに配置することができる。この構成では、当業者には分かるように、接触面は、前端縁減衰フィン２０４の半径方向外側表面上に形成される。また、接触面は、後端縁減衰フィン２０４の半径方向内側表面上に形成される。幾つかの実施形態では、このような接触面は、摩耗特性を高めて部品の寿命を延長することができる。例えば、接触面には、摩耗皮膜又はより耐久性材料を設けることができる。１つの好ましい実施形態では、接触面は、コバルトベースの表面硬化粉末で形成することができる。上記のように、減衰フィン２０４は、タービンエンジン運転時に、隣り合うタービンブレードの前端縁減衰フィン２０４の半径方向外側表面及び後端縁減衰フィン２０４の半径方向内側表面が、少なくとも部分接触するように構成することができることが分かるであろう。当業者には分かるように、このような接触は一般的に、ロータブレードが受ける振動の幾らかを機械的に減衰させる。
【００２７】
図示するように、減衰フィン２０４は、丸み付きコーナ部を備えたほぼ矩形形状を有することができる。半円形を含むその他の形状も、実用可能である。さらに、図６及び図７には好ましい実施形態を示しているが、その他の配置及び構成も実用可能である。例えば、別の好ましい実施形態では、前端縁減衰フィンは、先端シュラウドの負圧側面上に配置することができ、また後端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面上に配置することができる。さらに、前端縁減衰フィンは、後端縁減衰フィンの内側寄りに配置する代わりに、外側寄りに配置することができる。さらに別の実施形態では、後端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面及び負圧側面の両方上のフィンを含むことができ、また前端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面及び負圧側面の両方上の減衰フィンに対応する減衰フィンを含むことができる。このような場合には、前端縁減衰フィンは、対応する後端縁減衰フィンに対して内側寄りに、外側寄りに、或いは内側寄り及び外側寄りの両方とすることができる。より具体的には、１つの実施形態では、前端縁減衰フィンの１つは、対応する後端縁減衰フィンの内側寄りとすることができるが、その他の前端縁減衰フィンは、対応する後端縁減衰フィンの外側寄りとすることができる。幾つかの用途では、この相互組合せ構成により、減衰特性を増大させることができる。
【００２８】
図６及び図７に示した実施例では、減衰フィン２０４は、該減衰フィンが、主として円周方向及び軸方向に延びるように構成される。つまり、減衰フィン２０４は、タービンエンジンの半径方向に対して約９０°の角度を形成し、従って、図示するように、減衰フィン２０４は、タービンエンジンの軸方向及び円周方向に対して約０度の角度を形成する。幾つかの実施形態では、この角度又は傾斜は、当業者には分かるように、他の従来通りの減衰努力では特に困難であるか又はこれまで抑制することができなかった単一振動モード又は幾つかの異なる振動モードの減衰を高めるように調節又は調整することができる。このようにして、第２の接触表面、つまり減衰フィン２０４は、従来型の半径方向整列減衰接触表面では適切に対処することができなかった振動モードを減衰させるように設計することができる。
【００２９】
図７は、様々な振動モードに対処することができるように、減衰フィン２０４の角度を調整することができる方法を示している。図示するように、１つの実施形態では、この方法は、減衰フィンのベースにつまり該減衰フィン２０４の突出部が先端シュラウド２００に連結する場所に形成される軸線周りで該減衰フィン２０４を回転させることによって達成することができる。このようにして、減衰フィン２０４で減衰させた振動モードは、所望の方法で処理することができる。減衰フィン２０４の１つを回転させた場合には、先端シュラウドの他の端縁における対応する減衰フィン２０４は、実質的に同一角度だけ反対方向に回転させることになることが、分かるであろう。このようにして、半径方向にオフセットさせた減衰フィン２０４は、そのそれぞれの接触表面の大部分又は実質的に全てに沿って依然として接触することができる。
【００３０】
減衰フィン２０４の回転の角度は、用途に応じて変化させることができる。減衰フィン２０４の回転の角度は、該減衰フィン２０４が半径方向配向基準線に対して形成する角度によってほぼ特定することができる。例えば、図６及び図７に示す実施形態では、減衰フィン２０４は、半径方向基準線に対して約９０°の角度を形成する。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約７０°〜１１０°の角度を形成することができる。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約６０°〜１２０°の角度を形成することができる。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約４５°〜１３５°の角度を形成することができる。さらに他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約３０°〜１５０°の角度を形成することができる。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態の上記の説明から、当業者には、改良、変更及び修正が想起されるであろう。当技術の範囲内のそのような改良、変更及び修正は、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、上記の説明は、本願に開示した実施形態のみに関するものであること、また本明細書では提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、数多くの変更及び修正を行うことができることが当然明らかである筈である。
【符号の説明】
【００３２】
５０ ガスタービンエンジン
５２ 圧縮機
５４ タービン
５６ 燃焼器
６０ 圧縮機ロータブレード
６２ 圧縮機ステータブレード
６６ タービンロータブレード
６８ タービンステータブレード
１００ 先端シュラウド付きタービンロータブレード
１０１ ダブテール
１０２ 翼形部
１０３ プラットフォーム
１０４ 先端シュラウド
１０６ シールレール
１０７ カッタ歯
１０８ 接触面
２００ 先端シュラウド
２０２ 半径方向整列接触表面
２０４ 減衰フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンロータブレードの設計及び作動に関連した装置、方法及び／又はシステムに関する。より具体的には、それに限定されないが、本発明は、減衰性及びその他の特徴を備えたタービンブレード先端シュラウドに関連する装置、方法及び／又はシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、圧縮機内で加圧した空気を使用して燃焼器内で燃料を燃焼させて、高温燃焼ガスの流れを発生させ、その結果としてのこのような燃焼ガスを１以上のタービンを通して下流方向に流して、該燃焼ガスからエネルギーを取出せるようにすることはよく知られている。一般的に、そのようなタービンによると、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレードの列が、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる。各ブレードは一般的に、ロータディスクの対応するダブテールスロット内でのブレードの組付け及び取外しを可能にするダブテール、並びに該ダブテールから半径方向外向きに延びかつエンジンを通る作動流体の流れと相互作用する翼形部を含む。翼形部は、対応する前縁及び後縁間で軸方向に延びかつ根元及び先端間で半径方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面及びほぼ凸面形の負圧側面を有する。ブレード先端は、半径方向外側タービンシュラウドに近接して間隔を置いて配置されて、タービンロータブレード間を下流方向に流れる燃焼ガスの該タービンシュラウドとの間での漏洩を最少にする記載のことを理解されたい。
【０００３】
当業者には分かるように、エンジン運転時における様々な励振発生源に起因して、ロータブレードは多くの場合に、振動又は共振の状態となる。振動発生源には一般的に、回転アンバランス、ステータブレード励振、非定常圧力摂動及び燃焼音響音が含まれる。発生した振動は通常、一般的にロータブレードの寿命を短縮させる高サイクル疲労損傷の発生を引き起こし、該疲労により運転時にブレード損傷が生じた場合には、タービンエンジンに対して壊滅的な損傷をもたらす可能性がる。振動の大きさは、少なくともその一部はシステム内に導入される減衰の量と関連する。導入される減衰が多ければ多いほど、振動応答がより少なくなりかつタービンシステムの信頼性が一層高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８５１９３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、作動時におけるタービンエンジンのロータブレードが受ける振動を減衰しかつそれによって該振動を減少させるための装置、システム及び方法の改良に対する継続した必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明は、先端シュラウドついて記述しており、本先端シュラウドは、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィンを含む。少なくとも１つの減衰フィンは、前端縁減衰フィンを含み、また少なくとも１つの減衰フィンは、後端縁減衰フィンを含む。前端縁減衰フィンは、後端縁減衰フィンに対応している。
【０００７】
本発明はさらに、タービンロータブレード用の先端シュラウドについて記述しており、本先端シュラウドは、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィンを含む。少なくとも１つの減衰フィンは、前端縁減衰フィンを含むことができ、また少なくとも１つの減衰フィンは、後端縁減衰フィンを含むことができる。前端縁減衰フィン及び後端縁減衰フィンは、同一設計の先端シュラウドを有するロータブレードの組をタービンエンジンのロータディスク内に据付けた時に、第１のロータブレードの前端縁減衰フィンが、該第１のロータブレードにすぐ先行する第２のロータブレードの後端縁減衰フィンに係合し、かつ該第１のロータブレードの後端縁減衰フィンが、該第１のロータブレードにすぐ追従する第３のロータブレードの前端縁減衰フィンに係合するように構成することができる。前端縁減衰フィンの半径方向位置は、後端縁減衰フィンの半径方向位置から、タービンエンジンの運転時に該前端縁減衰フィンの実質的非半径方向整列接触表面及び後端縁減衰フィンの実質的非半径方向整列接触表面間の所望の接触レベルが維持されるようにオフセットさせることができる。
【０００８】
本発明のこれらの及びこれ以外の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連して行った時の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより、明らかになることになる。
【０００９】
本発明のこれらの及びこれ以外の特徴は、添付図面と関連して行った本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってより完全に理解されかつ納得されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１のガスタービンエンジンにおける圧縮機の断面図。
【図３】図１のガスタービンエンジンにおけるタービンの断面図。
【図４】従来型の設計の先端シュラウドを有する例示的なガスタービンエンジンロータブレードの斜視図。
【図５】従来型の設計の先端シュラウドを有する一連の据付タービンブレードの外側面図。
【図６】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド及び減衰フィンを有するタービンエンジンロータブレードの前縁の斜視図。
【図７】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド及び対応する減衰フィンを有する図６のタービンエンジンロータブレードの後縁の斜視図。
【図８】本発明の例示的な実施形態による先端シュラウド、より具体的には本発明による減衰フィンにおける実施可能な角度構成を有するタービンエンジンロータブレードの前縁の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
最初の事項として、本願発明を明確に伝えるために、タービンエンジンの特定の部分又は機械構成要素を示しかつそれらについて説明する用語を選択する必要があることになる。可能である場合には常に、その通常の意味に一致するように共通の工業用語を使用しかつ採用することにする。しかしながら、あらゆるそのような用語は、本明細書で意図した意味及び特許請求の範囲の技術的範囲が不当に制限されることがないように広い意味を与えられまた狭く解釈されないことを意図している。多くの場合に幾つかの異なる用語を使用して特定の構成要素を説明することができることを、当業者には理解されたい。さらに、本明細書において単一部品として説明することができるものは、他の情況においては幾つかの構成要素部分を含みかつそれら構成要素部分から成るものとして説明することができ、或いは本明細書において複数構成要素部分を含むものとして説明することができるものは、単一部分に製作しかつ幾つかのケースでは単一部分として説明することができる。従って、本明細書で説明した本発明の技術的範囲を理解する上で、提示した用語及び説明に対して注意を払うだけでなく、本明細書に示した構成要素の構造、構成、機能及び／又は用途に対しても注意を払われたい。
【００１２】
さらに、本明細書では、幾つかの説明的な用語を定常的に使用することができ、またここでこれらの用語を定義しておくことは、役立つものとなるであろう。本明細書で使用するそれらの用語及びその定義は、次の通りである。さらなる詳述がない状態で「ロータブレード」という用語は、圧縮機５２又はタービン５４のいずれかの回転ブレードを意味する表現であり、この回転ブレードには、圧縮機ロータブレード６０及びタービンロータブレード６６の両方が含まれる。さらなる詳述がない状態で「ステータブレード」という用語は、圧縮機５２又はタービン５４のいずれかの固定ブレードを意味する表現であり、この固定ブレードには、圧縮機ステータブレード６２及びタービンステータブレード６８の両方が含まれる。本明細書では、「ブレード」という用語は、いずれかの形式のブレードを意味するために使用することになる。従って、さらなる詳述がない状態で、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード６０、圧縮機ステータブレード６２、タービンロータブレード６６及びタービンステータブレード６８を含む全ての形式のタービンエンジンブレードを包含する。さらに、本明細書で使用する場合、「下流方向」及び「上流方向」というのは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流方向」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、また「上流方向」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向である方向を意味する。「トレーリング（後）」及び「リーディング（前）」という用語は一般的に、回転部品の回転の方向に関する相対的位置を意味している。従って、回転部品の「リーディングエッジ（前端縁）」は、部品が回転している方向でみての前部又は前方端縁であり、また回転部品の「トレーリングエッジ（後端縁）」は、部品が回転している方向でみての後部又は後方端縁である。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に関して異なる半径方向位置にある部分を記述するために必要となることが多い。そのようなケースでは、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の半径方向内側又は内側寄りにあると記述することができる。それに対して、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線からさらに遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の構成要素が、第２の構成要素の半径方向外側又は外側寄りにあると記述することができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動又は位置を意味する。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りでの移動又は位置を意味する。
【００１３】
背景技術として、次に図面を参照すると、図１から図３は、本発明の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンを示している。本発明がこの形式での使用に限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。上述したように、本発明は、発電及び航空機で使用するエンジンのようなガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、及びその他の形式の回転エンジンで使用することができる。図１は、ガスタービンエンジン５０の概略図である。一般的に、ガスタービンエンジンは、加圧空気ストリーム内で燃料を燃焼させることによって生成した加圧高温ガス流からエネルギーを取出すことによって作動する。図１に示すように、ガスタービンエンジン５０は、共通シャフト又はロータによって下流側のタービンセクションつまりタービン５４に対して機械的に連結された軸流圧縮機５２と、該軸流圧縮機５２及びタービン５６間に配置された燃焼器５６と備えるように構成することができる。
【００１４】
図２は、図１のガスタービンエンジンで使用することができる例示的な多段式軸流圧縮機５２の図を示している。図示するように、軸流圧縮機５２は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ステータブレード６２の列が続く圧縮機ロータブレード６０の列を含むことができる。従って、第１段は、中心シャフトの周りで回転する圧縮機ロータブレード６０の列を含み、これに運転時にも固定状態を維持する圧縮機ステータブレード６２の列が続くことができる。圧縮機ステータブレード６２は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。圧縮機ロータブレード６０は、円周方向に間隔を置いて配置されかつシャフトに取付けられて、運転時に該シャフトが回転すると、圧縮機ロータブレード６０は、シャフトの周りで回転する。当業者には分かるように、圧縮機ロータブレード６０は、シャフトの周りで回転すると、圧縮機５２を通って流れる空気又は流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機５２は、図２に示した段よりも多く他の段を有することができる。付加的な段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ロータブレード６０を含み、これに複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ステータブレード６２が続くことができる。
【００１５】
図３は、図１のガスタービンエンジンで使用することができる例示的なタービンセクションつまりタービン５４の部分図を示している。タービン５４もまた、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、それよりも多くの又はそれよりも少ない段をタービン５４内に設けることができる。第１段は、運転時にシャフトの周りで回転する複数のタービンバケットつまりタービンロータブレード６６と、運転時にも固定状態を維持する複数のノズルつまりタービンステータブレード６８とを含む。タービンステータブレード６８は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード６６は、タービンホイール（図示せず）上に取付けてシャフト（図示せず）の周りで回転するようにすることができる。また、タービン５４の第２段も示している。第２段も同様に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード６８を含み、これにタービンホイール上に同様に取付けられて回転する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレード６６が続く。第３段もまた示しており、かつ同様に複数のタービンステータブレード６８及びロータブレード６６を含む。タービンステータブレード６８及びタービンロータブレード６６はタービン５４の高温ガス通路内に位置していることが分かるであろう。
【００１６】
該高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向は、矢印によって示している。当業者には分かるように、タービン５４は、図３に示した段よりも多くのその他の段を有することができる。各付加的段は、タービンロータブレード６６の列が続くタービンステータブレード６８の列を含むことができる。
【００１７】
使用中に、軸流圧縮機５２内での圧縮機ロータブレード６０の回転は、空気の流れを加圧することができる。燃焼器５６において、加圧空気が燃料と混合されかつ点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。作動流体とも呼ぶことができる得られた燃焼器５６からの高温ガスの流れは次に、タービンロータブレード６６上に案内され、該作動流体の流れは、シャフトの周りでタービンロータブレード６６の回転を生じさせる。これによって、作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレードの機械的エネルギーに変換され、かつロータブレードとシャフトとの間の連結により、該シャフトを回転させる。シャフトの機械的エネルギーは次に、圧縮機ロータブレード６０の回転を駆動して加圧空気の必要な供給を行うようにし、またさらに発電機を駆動して電気を発生させるように使用することができる。
【００１８】
図４及び図５は、従来型の設計による先端シュラウド付きタービンロータブレード１００を示している。タービンロータブレード１００は、ロータディスクの周辺部の対応するダブテールスロット内に取付けられるように構成された軸方向ダブテールのようなあらゆる従来型の形態を有することができるダブテール１０１を含む。翼形部１０２は、ダブテール１０１に一体形に接合されかつ該ダブテール１０１から半径方向又は長手方向外向きに延びる。ロータブレード１００はまた、翼形部１０２及びダブテール１０１の接合部に配置されて、タービンエンジンを通る半径方向内側流路の一部分を形成するプラットフォーム１０３を含む。翼形部１０２は、作動流体の流れを遮るブレード１００の動的構成要素である。
【００１９】
先端シュラウド１０４は、翼形部１０２の頂部に配置することができる。先端シュラウド１０４は基本的に、その中心部に関して翼形部１０２によって支持された軸方向及び円周方向に延びる平坦プレートである。先端シュラウド１０４の頂部に沿って、シールレール１０６を配置することができる。一般的に、シールレール１０６は、先端シュラウド１０４の半径方向外側表面から半径方向外向きに突出している。シールレール１０６は一般的に、先端シュラウドのほぼ回転方向に対向する両端部間で円周方向に延びる。シールレール１０６は、先端シュラウド１０４と周囲の固定構成要素の内側表面との間のギャップを通る作動流体の流れを阻止するように形成される。幾つかの従来型の設計では、シールレール１０６は、回転先端シュラウド１０４に対向するアブレイダブル固定ハニカムシュラウド内に延びる。一般的に、様々な理由により、シールレール１０６の中央部にカッタ歯１０７を配置して、該シールレール１０６の幅よりも僅かに広いグルーブを固定シュラウドのハニカム内に切込むようにすることができる。
【００２０】
先端シュラウド１０４は、隣り合うブレードの先端シュラウド１０４が運転時に接触するように形成することができる。図５は、タービンロータディスク上に組付けた時にタービンロータブレードがそのようになることができかつ隣り合う先端シュラウド１０４が運転時に互いに接触するような従来型の構成の実施例を示す、該タービンロータブレードの外側面図を示している。２つの完全な隣り合う先端シュラウドを示しており、矢印は、回転方向を示している。図示するように、先行する先端シュラウド１０４の後端縁は、追従する先端シュラウド１０４の前端縁と接触する又は近接近状態になることができる。この接触領域は、一般的にインタフェース又は接触面１０８と呼ばれることが多く、或いはより具体的には、図示した実施例の構成つまりＺインタフェース１０８にされることが多い。図５の斜視図から分かるように、Ｚインタフェース１０８は、隣り合う先端シュラウド１０４の２つの端縁間におけるほぼ「Ｚ」形状輪郭のために、そのように名付けることができる。タービンブレード１００及び先端シュラウド１０４の使用は単なる例示的なものであること、また本発明の別の実施形態では、異なる構成の他のタービンブレード及び先端シュラウドを使用することができることは、当業者には分かるであろう。さらに、「Ｚ」形状インタフェースの使用は、単なる例示的なものに過ぎない。
【００２１】
図示するように、タービンが非運転状態又は始動「低温」状態にある場合には、隣り合う先端シュラウド１０４の端縁間の接触面（又はＺインタフェース）１０８に、狭い空間が存在することになる。タービンが、「高温」状態で運転している場合には、タービンブレード金属の膨張及び翼形部の「捻じれ戻り」により、隣り合う先端シュラウド１０４の端縁が接触するようにギャップを狭くすることができる。タービンの高回転速度及びそれに関連した振動を含むその他の運転状態では、タービン運転時に接触面１０８におけるギャップが部分的に維持される場合であっても、隣り合う先端シュラウド１０４間に接触が生じる可能性がある。隣り合う先端シュラウド１０４間で生じる接触の機能の１つは、システムを減衰させ、かつそれによって振動を減少させることである。しかしながら、従来型の先端シュラウド設計は、運転中のタービンエンジンシステムで発生した多量の振動に適切に対処していない。上述したように、この振動は、時間の経過と共にロータブレード及びその他の構成要素を損傷させるか又は弱体化させる可能性がある。このような不具合の主な理由の１つは、従来型の構成の場合には、隣り合う先端シュラウド１０４は、互いに限られた接触状態になり、かつ接触状態になった時に、その接触は実質的半径方向整列表面間であり、従ってほぼ１つの平面に限定される。この種の接触は、単一の対応する軸線に沿って発生する振動を減衰するのには効果的なものとすることができるが、一般的に殆どのタービンエンジン運転環境においてはそうである複数軸線に沿って発生する振動を減衰するのには殆どの場合効果がない。
【００２２】
図６及び図７は、特許請求した本発明、つまり先端シュラウド２００の例示的な実施形態を示している。分かるように、図６は、先端シュラウド２００の前端縁を示しており、一方、図７は、後端縁を示している。先端シュラウド２００は、第１の接触表面つまり半径方向整列接触表面２０２を有することができる。半径方向整列接触表面２０２は、半径方向にほぼ整列した１以上の接触表面（つまり、隣接するロータブレードの先端シュラウドと接触するように構成された表面）を意味している。当業者には分かるように、半径方向整列接触表面２０２は主として、シールレール１０６に沿って半径方向外向きに延びる先端シュラウド２００の中央部に向かう表面を含む。半径方向整列接触表面２０２はまた、先端シュラウド２００の軸方向長さに沿って該先端シュラウド２００の中央部から外向きに延びるものを含む、あらゆる半径方向整列接触表面を含むことができる。
【００２３】
本発明の実施形態によると、先端シュラウド２００はまた、先端シュラウド２００からの突出部により形成され、かつ本明細書では「減衰フィン２０４」と呼ぶ実質的非半径方向整列第２接触表面を含むことができる。減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の前端縁又は後端縁のいずれかから実質的に円周方向及び軸方向の両方向に延びるフィン又はタブ形式の突出部を含むことができる。図示するように、幾つかの実施形態では、減衰フィン２０４は、比較的狭い又は薄い輪郭を有することができる。同様に、幾つかの実施形態（図６及び図７には図示せず）では、下記により詳細に説明するように、減衰フィン２０４は、半径方向に延びるか又は傾斜することもできる。これらの形式の実施形態では、下記により詳細に定めるように、減衰フィン２０４の半径方向傾斜の程度は、上述した半径方向整列接触表面２０２のものよりも実質的により小さい傾斜となることになる。
【００２４】
好ましい実施形態では、図６に示すように、減衰フィン２０４の１つは、先端シュラウド２００の前端縁上に設置することができ、また図７に示すように、別の減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の後端縁上に設置することができる。さらに、図６及び図７の好ましい例示的な実施形態で示すように、前端縁減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の正圧側面上に設置することができ、また後端縁減衰フィン２０４は、先端シュラウド２００の負圧側面上に設置することができるが、下記により詳細に説明するように、その他の構成もまた実施可能である。先端シュラウド２００の前端縁及び後端縁上の減衰フィン２０４は、互いに対応するように構成することができる。本明細書で使用する場合に、「対応する」減衰フィンというのは、同一設計の先端シュラウドを有するロータブレードの組をタービンエンジンのロータディスク内に適切に据付けた時に、第１のロータブレードの先端シュラウド２００の前端縁上に配置した減衰フィン２０４（つまり、「前端縁減衰フィン」）が、第１のロータブレードに先行する第２のロータブレードの先端シュラウド２００の後端縁上に配置した減衰フィン２０４（つまり、「後端縁減衰フィン」）に対する所望の位置に存在することを意味しようとするものである。同様に、「対応する」減衰フィンというのはまた、第１のロータブレードの後端縁減衰フィン２０４が、第１のロータブレードに追従する第３のロータブレードの前端縁減衰フィン２０４に対する所望の位置に存在することを意味している。幾つかの環境では、対応する減衰フィン２０４は、互いに係合することができる。他の実施形態では、対応する減衰フィン２０４は、互いに近接近して存在することができる。
【００２５】
図６及び図７においてさらに示すように、前端縁減衰フィン２０４及び後端縁減衰フィン２００の半径方向位置は、運転時に対応する後端縁減衰フィン及び前端縁減衰フィン間で所望レベルの接触又は近接を生じるように僅かにオフセットさせることができる。このようにして、対応する減衰フィン２０４は、互いに近接半径方向位置に存在することができ、また同じ寸法及び形状を有する場合には、隣り合うロータブレードの対応する減衰フィン２０４が、実質的に軸方向及び円周方向に互いに重なり合うように構成することができる。半径方向オフセットの程度により、運転時に生じる接触状態の量を決めることができる。１つの好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が互いに接するか又は係合するように形成される。別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、それらタービンが「低温」であるか又はエンジン始動（つまり、始動段階）時にある時には互いに接しないが、エンジンがその後の運転の間に暖まった時には通常の接触するように構成される。別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、タービンエンジンが「低温」であるか又はエンジン始動時にある時には互いに接しないが、エンジンが運転の間に暖まった時には部分接触するように構成される。さらに別の好ましい実施形態では、半径方向オフセットは、対応する減衰フィン２０４の接触表面が、タービンエンジンが「低温」であるか又はエンジン始動時にある時には部分接触状態になるが、エンジンが運転の間に暖まった時には比較的一定の接触状態になるように構成される。
【００２６】
図６及び図７に示すように、１つの好ましい実施形態では、後端縁減衰フィン２０４は、前端縁減衰フィン２０４の丁度外側寄りに配置することができる。この構成では、当業者には分かるように、接触面は、前端縁減衰フィン２０４の半径方向外側表面上に形成される。また、接触面は、後端縁減衰フィン２０４の半径方向内側表面上に形成される。幾つかの実施形態では、このような接触面は、摩耗特性を高めて部品の寿命を延長することができる。例えば、接触面には、摩耗皮膜又はより耐久性材料を設けることができる。１つの好ましい実施形態では、接触面は、コバルトベースの表面硬化粉末で形成することができる。上記のように、減衰フィン２０４は、タービンエンジン運転時に、隣り合うタービンブレードの前端縁減衰フィン２０４の半径方向外側表面及び後端縁減衰フィン２０４の半径方向内側表面が、少なくとも部分接触するように構成することができることが分かるであろう。当業者には分かるように、このような接触は一般的に、ロータブレードが受ける振動の幾らかを機械的に減衰させる。
【００２７】
図示するように、減衰フィン２０４は、丸み付きコーナ部を備えたほぼ矩形形状を有することができる。半円形を含むその他の形状も、実用可能である。さらに、図６及び図７には好ましい実施形態を示しているが、その他の配置及び構成も実用可能である。例えば、別の好ましい実施形態では、前端縁減衰フィンは、先端シュラウドの負圧側面上に配置することができ、また後端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面上に配置することができる。さらに、前端縁減衰フィンは、後端縁減衰フィンの内側寄りに配置する代わりに、外側寄りに配置することができる。さらに別の実施形態では、後端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面及び負圧側面の両方上のフィンを含むことができ、また前端縁減衰フィンは、先端シュラウドの正圧側面及び負圧側面の両方上の減衰フィンに対応する減衰フィンを含むことができる。このような場合には、前端縁減衰フィンは、対応する後端縁減衰フィンに対して内側寄りに、外側寄りに、或いは内側寄り及び外側寄りの両方とすることができる。より具体的には、１つの実施形態では、前端縁減衰フィンの１つは、対応する後端縁減衰フィンの内側寄りとすることができるが、その他の前端縁減衰フィンは、対応する後端縁減衰フィンの外側寄りとすることができる。幾つかの用途では、この相互組合せ構成により、減衰特性を増大させることができる。
【００２８】
図６及び図７に示した実施例では、減衰フィン２０４は、該減衰フィンが、主として円周方向及び軸方向に延びるように構成される。つまり、減衰フィン２０４は、タービンエンジンの半径方向に対して約９０°の角度を形成し、従って、図示するように、減衰フィン２０４は、タービンエンジンの軸方向及び円周方向に対して約０度の角度を形成する。幾つかの実施形態では、この角度又は傾斜は、当業者には分かるように、他の従来通りの減衰努力では特に困難であるか又はこれまで抑制することができなかった単一振動モード又は幾つかの異なる振動モードの減衰を高めるように調節又は調整することができる。このようにして、第２の接触表面、つまり減衰フィン２０４は、従来型の半径方向整列減衰接触表面では適切に対処することができなかった振動モードを減衰させるように設計することができる。
【００２９】
図７は、様々な振動モードに対処することができるように、減衰フィン２０４の角度を調整することができる方法を示している。図示するように、１つの実施形態では、この方法は、減衰フィンのベースにつまり該減衰フィン２０４の突出部が先端シュラウド２００に連結する場所に形成される軸線周りで該減衰フィン２０４を回転させることによって達成することができる。このようにして、減衰フィン２０４で減衰させた振動モードは、所望の方法で処理することができる。減衰フィン２０４の１つを回転させた場合には、先端シュラウドの他の端縁における対応する減衰フィン２０４は、実質的に同一角度だけ反対方向に回転させることになることが、分かるであろう。このようにして、半径方向にオフセットさせた減衰フィン２０４は、そのそれぞれの接触表面の大部分又は実質的に全てに沿って依然として接触することができる。
【００３０】
減衰フィン２０４の回転の角度は、用途に応じて変化させることができる。減衰フィン２０４の回転の角度は、該減衰フィン２０４が半径方向配向基準線に対して形成する角度によってほぼ特定することができる。例えば、図６及び図７に示す実施形態では、減衰フィン２０４は、半径方向基準線に対して約９０°の角度を形成する。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約７０°〜１１０°の角度を形成することができる。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約６０°〜１２０°の角度を形成することができる。他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約４５°〜１３５°の角度を形成することができる。さらに他の好ましい実施形態では、減衰フィンは、半径方向基準線に対して約３０°〜１５０°の角度を形成することができる。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態の上記の説明から、当業者には、改良、変更及び修正が想起されるであろう。当技術の範囲内のそのような改良、変更及び修正は、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、上記の説明は、本願に開示した実施形態のみに関するものであること、また本明細書では提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、数多くの変更及び修正を行うことができることが当然明らかである筈である。
【符号の説明】
【００３２】
５０ ガスタービンエンジン
５２ 圧縮機
５４ タービン
５６ 燃焼器
６０ 圧縮機ロータブレード
６２ 圧縮機ステータブレード
６６ タービンロータブレード
６８ タービンステータブレード
１００ 先端シュラウド付きタービンロータブレード
１０１ ダブテール
１０２ 翼形部
１０３ プラットフォーム
１０４ 先端シュラウド
１０６ シールレール
１０７ カッタ歯
１０８ 接触面
２００ 先端シュラウド
２０２ 半径方向整列接触表面
２０４ 減衰フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン用の先端シュラウド付きロータブレードにおける先端シュラウド（２００）であって、
隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィン（２０４）を含み、
少なくとも１つの前記減衰フィン（２０４）が前端縁減衰フィン（２０４）を含み、また少なくとも１つの前記減衰フィン（２０４）が後端縁減衰フィン（２０４）を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）が、前記後端縁減衰フィン（２０４）に対応している、
先端シュラウド（２００）。
【請求項２】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記後端縁減衰フィン（２０４）に対応していることが、
前記前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）が、同一設計の先端シュラウド（２００）を有するロータブレードの組を前記タービンエンジンのロータディスク内に据付けた時に、第１のロータブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）が、該第１のロータブレードにすぐ先行する第２のロータブレードの前記後端縁減衰フィン（２０４）に対して所望の位置に存在し、かつ前記第１のロータブレードの後端縁減衰フィン（２０４）が、該第１のロータブレードにすぐ追従する第３のロータブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）に対して所望の位置に存在するように構成されることを含む、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項３】
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向位置が、前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向位置から、前記タービンエンジンの運転時に該前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）間の所望の接触レベルが実質的に維持されるようにオフセットされており、
前記所望の接触レベルが、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的部分接触及びその後の実質的一定接触、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的部分接触及びその後の実質的部分接触、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的無接触及びその後の実質的一定接触、並びに
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的無接触及びその後の実質的部分接触、のうちの１つを含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項４】
１以上の半径方向整列接触表面（２０２）をさらに含み、
前記半径方向整列接触表面（２０２）が、半径方向に実質的に整列しかつ前記隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された表面を含み、
前記先端シュラウド（２００）の前端縁における前記半径方向整列接触表面（２０２）が各々、前記先端シュラウド（２００）の後端縁における前記半径方向整列接触表面に対応しており、また
前記半径方向整列接触表面（２０２）が、半径方向基準線に対して約＋／−１０°間の角度を形成した接触表面を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項５】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記先端シュラウド（２００）の正圧側面上に配置されかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）が該先端シュラウド（２００）の負圧側面上に配置されるか、又は
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記先端シュラウド（２００）の負圧側面上に配置されかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）が該先端シュラウド（２００）の正圧側面上に配置されるか、のいずれかである、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項６】
前記後端縁減衰フィン（２０４）が、前記前端縁減衰フィン（２０４）の丁度外側寄りの半径方向位置を含み、
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面が第１の接触面を含みかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が第２の接触面を含み、
前記第１の接触面及び第２の接触面のうちの少なくとも１つが、摩耗皮膜を含み、
前記減衰フィン（２０４）が、前記タービンエンジンの運転時に隣り合うタービンブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面及び前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が、少なくとも部分接触状態になり、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）が各々、ほぼ矩形形状及び半円形形状のうちの１つを含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項７】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が、前記後端縁減衰フィンの丁度外側寄りの半径方向位置を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が第１の接触面を含みかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面が第２の接触面を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項８】
前記複数の減衰フィン（２０４）が、前記先端シュラウド（２００）の正圧側面及び負圧側面の両方上に配置された少なくとも１つの後端縁減衰フィン（２０４）並びに前記先端シュラウド（２００）の正圧側面及び負圧側面の両方上に配置された少なくとも１つの前端縁減衰フィン（２０４）を含み、
前記前端縁減衰フィン（２０４）の各々が、前記後端縁減衰フィン（２０４）のうちの１つに対応しており、
前記前端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つが、前記対応する後端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つに対する外側寄り位置を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つが、前記対応する後端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つに対する内側寄り位置を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項９】
前記減衰フィン（２０４）が、半径方向基準線に対して９０°の角度を形成している、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項１０】
前記減衰フィン（２０４）が、前記半径方向基準線に対して６０°〜１２０°の角度を形成している、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項１】
タービンエンジン用の先端シュラウド付きロータブレードにおける先端シュラウド（２００）であって、
隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された実質的非半径方向整列表面をその各々が備えた複数の減衰フィン（２０４）を含み、
少なくとも１つの前記減衰フィン（２０４）が前端縁減衰フィン（２０４）を含み、また少なくとも１つの前記減衰フィン（２０４）が後端縁減衰フィン（２０４）を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）が、前記後端縁減衰フィン（２０４）に対応している、
先端シュラウド（２００）。
【請求項２】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記後端縁減衰フィン（２０４）に対応していることが、
前記前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）が、同一設計の先端シュラウド（２００）を有するロータブレードの組を前記タービンエンジンのロータディスク内に据付けた時に、第１のロータブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）が、該第１のロータブレードにすぐ先行する第２のロータブレードの前記後端縁減衰フィン（２０４）に対して所望の位置に存在し、かつ前記第１のロータブレードの後端縁減衰フィン（２０４）が、該第１のロータブレードにすぐ追従する第３のロータブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）に対して所望の位置に存在するように構成されることを含む、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項３】
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向位置が、前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向位置から、前記タービンエンジンの運転時に該前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）間の所望の接触レベルが実質的に維持されるようにオフセットされており、
前記所望の接触レベルが、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的部分接触及びその後の実質的一定接触、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的部分接触及びその後の実質的部分接触、
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的無接触及びその後の実質的一定接触、並びに
前記タービンエンジンの始動段階時における実質的無接触及びその後の実質的部分接触、のうちの１つを含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項４】
１以上の半径方向整列接触表面（２０２）をさらに含み、
前記半径方向整列接触表面（２０２）が、半径方向に実質的に整列しかつ前記隣接するロータブレードの先端シュラウド（２００）と接触するように構成された表面を含み、
前記先端シュラウド（２００）の前端縁における前記半径方向整列接触表面（２０２）が各々、前記先端シュラウド（２００）の後端縁における前記半径方向整列接触表面に対応しており、また
前記半径方向整列接触表面（２０２）が、半径方向基準線に対して約＋／−１０°間の角度を形成した接触表面を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項５】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記先端シュラウド（２００）の正圧側面上に配置されかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）が該先端シュラウド（２００）の負圧側面上に配置されるか、又は
前記前端縁減衰フィン（２０４）が前記先端シュラウド（２００）の負圧側面上に配置されかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）が該先端シュラウド（２００）の正圧側面上に配置されるか、のいずれかである、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項６】
前記後端縁減衰フィン（２０４）が、前記前端縁減衰フィン（２０４）の丁度外側寄りの半径方向位置を含み、
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面が第１の接触面を含みかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が第２の接触面を含み、
前記第１の接触面及び第２の接触面のうちの少なくとも１つが、摩耗皮膜を含み、
前記減衰フィン（２０４）が、前記タービンエンジンの運転時に隣り合うタービンブレードの前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面及び前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が、少なくとも部分接触状態になり、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）及び後端縁減衰フィン（２０４）が各々、ほぼ矩形形状及び半円形形状のうちの１つを含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項７】
前記前端縁減衰フィン（２０４）が、前記後端縁減衰フィンの丁度外側寄りの半径方向位置を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）の半径方向内側表面が第１の接触面を含みかつ前記後端縁減衰フィン（２０４）の半径方向外側表面が第２の接触面を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項８】
前記複数の減衰フィン（２０４）が、前記先端シュラウド（２００）の正圧側面及び負圧側面の両方上に配置された少なくとも１つの後端縁減衰フィン（２０４）並びに前記先端シュラウド（２００）の正圧側面及び負圧側面の両方上に配置された少なくとも１つの前端縁減衰フィン（２０４）を含み、
前記前端縁減衰フィン（２０４）の各々が、前記後端縁減衰フィン（２０４）のうちの１つに対応しており、
前記前端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つが、前記対応する後端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つに対する外側寄り位置を含み、また
前記前端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つが、前記対応する後端縁減衰フィン（２０４）のうちの少なくとも１つに対する内側寄り位置を含む、
請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項９】
前記減衰フィン（２０４）が、半径方向基準線に対して９０°の角度を形成している、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【請求項１０】
前記減衰フィン（２０４）が、前記半径方向基準線に対して６０°〜１２０°の角度を形成している、請求項１記載の先端シュラウド（２００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−３３０２０（Ｐ２０１１−３３０２０Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１１７９０７（Ｐ２０１０−１１７９０７）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７９０７（Ｐ２０１０−１１７９０７）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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