JP2002201902A - 動翼の固有振動数を調整するために二次方位を使用する方法 - Google Patents

動翼の固有振動数を調整するために二次方位を使用する方法

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JP2002201902A JP2001245829A JP2001245829A JP2002201902A JP 2002201902 A JP2002201902 A JP 2002201902A JP 2001245829 A JP2001245829 A JP 2001245829A JP 2001245829 A JP2001245829 A JP 2001245829A JP 2002201902 A JP2002201902 A JP 2002201902A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービン動翼固有振動数を調整し、羽根共振
を回避し、ガスタービンの信頼性を改善する。 【解決手段】 単結晶合金でタービン動翼をインベスト
メント鋳造し、エンジン軸方向の相対的な方位に従っ
て、所望の方向に沿って結晶種を位置させることによっ
て、タービン動翼の物理的特徴を変更することなく、タ
ービン動翼の固有振動数を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン動翼
（ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｕｃｋｅｔ）構造に関し、より具
体的には、タービン動翼の固有振動数を調整するために
二次方位を用いることに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンにおける回転構成
部品として、タービン羽根あるいはタービン動翼は、例
えば、上流及び下流ノズル、燃焼器筒、翼先端シュラウ
ドなどからの空力的外乱により、種々の動的励振を受け
る。これらの励振振動数の何れかが、回転するタービン
動翼の固有振動数に十分に近い時、共振が起こる可能性
があり、この共振は、高サイクル疲労により動翼に通常
致命的となる故障を引き起こしやすい。事実、現場にお
ける多数のエンジン故障は、振動に関係した故障に根本
原因があるようである。従って、動翼設計においては、
十分な裕度をもって、運転の間の共振を回避することが
重要である。
【０００３】従来は、動翼の固有振動数の調整は、翼形
部厚弦比、後縁ウェッジ角、後縁質量、翼形部壁厚、冷
却空洞寸法及び数、翼先端シュラウドあるいはキャッ
プ、及びキャンバを用いて行われてきた。しかしなが
ら、これらの従来の方法は、一般的に、動翼の重量ある
いは形状などの動翼の物理的特徴のいくつかの変更を必
要とし、及び／又は生産コストを増大させ、又は、ねじ
りあるいはストライプモードのみを調整する必要がある
場合に、曲げモードの変更を必要としていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、如何なる動翼
の物理的特徴をも変更することなく、動翼の製造コスト
を増大させることなく、またタービン動翼のたわみ振動
数に影響を及ぼすことなく、動翼のねじり及びストライ
プモード固有振動数の調整を行うことが望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の例示的な実施形
態において、タービン動翼を製造する方法は、（ａ）単
結晶合金でタービン動翼をインベストメント鋳造する段
階と、（ｂ）タービン動翼の物理的特徴を変更すること
なく、タービン動翼の固有振動数を調整する段階と、を
含む。段階（ｂ）は、タービン動翼の重量あるいはター
ビン動翼の形状に影響を及ぼすことなく、タービン動翼
の固有振動数を調整することによって行うことができ
る。段階（ｂ）はまた、タービン動翼のたわみモード振
動数に影響を及ぼすことなく、ねじり及びストライプモ
ード振動数を調整することによって行うことができる。
そうした中で、段階（ｂ）は、段階（ａ）に先立って、
エンジン軸方向に対して所望の方位に沿って結晶種を位
置させることによって行われることが好ましい。
【０００６】本発明の別の例示的な実施形態において、
タービン動翼の固有振動数を調整する方法は、（ａ）エ
ンジン軸方向に対して所望の方位に沿って結晶種を位置
させる段階と、（ｂ）単結晶合金でタービン動翼をイン
ベストメント鋳造する段階と、を含み、所望の方位は、
たわみ振動数に影響を及ぼすことなく、ねじり振動数を
調整するように選択される。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照して、単結晶合金にお
いて、Ｘ’軸とＹ’軸に沿う材料の方向は、二次方位と
呼ばれ、一方、Ｚ’方向に沿う材料の方向は、一次方位
と呼ばれる。二次方位は、エンジン軸方向Ｘとその材料
の方向Ｘ’との間の角度θｓによって定められ、エンジ
ン接線方向Ｙとその材料の方向Ｙ’との間の角度と同一
である。
【０００８】タービン動翼の作動振動数は、当業者には
明らかなように、技術モデルなどを使用して設計段階に
おいて決定することができる。図２及び図３のデータ
は、公知の有限要素（ＦＥ）分析（ＡＮＳＹＳコードと
して知られている）に基づいており、エンジンテストに
よって確認されている。ＦＥ分析法による類似の技術モ
デルは、動翼の固有振動数を決定するために使用される
ことができる。記載の通り、作動効率を改善するのに十
分な裕度をもって共振を回避することが重要であり、従
って、タービン動翼の固有振動数を「調整する」ことが
必要である。
【０００９】単結晶合金の動翼において、ねじり振動数
を決定する剪断弾性係数は、二次方位θｓに依存してい
る。他方で、たわみ振動数を決定する半径方向に沿う引
張り弾性係数は、二次方位に対し鈍感である。従って、
本発明の方法では、二次方位は、たわみ振動数に影響を
及ぼすことなく、ねじり振動数を調整するため、使用さ
れることができる。図２は、二次方位の関数として、１
Ｔ及び２Ｔ振動数の変化を示す。図３は、二次方位の関
数として、１−２Ｓ及び１−３Ｓ振動数の変化を示す。
二次方位における変化は、たわみ振動数（１Ｆ、２Ｆな
どのような）に影響を及ぼさないことが知られている。
更に、二次方位における変化は、タービン動翼の重量及
び形状の変化を伴わない。インベストメント鋳造工程に
おいて、いくつかの好ましい二次方位を用いることは、
比較的簡単な操作であり、従って、製造コストへの影響
は最小である。
【００１０】記載のとおり、図２及び図３のデータは、
有限要素分析により得られる。最初の分析は、技術モデ
ルに二次方位を組み込むことによって行われ、次にその
結果は、エンジンテスト結果に関係づけられる。続い
て、二次方位が変更され、そして曲線が得られる。
【００１１】単結晶合金を用いたインベストメント鋳造
法は知られており、その鋳造工程の詳細はここでは説明
しない。関係のあるインベストメント鋳造法は、本出願
と同一出願人の米国特許第５，７１３，７２２号に記載
されており、その内容は参考文献として本明細書に組み
込まれる。
【００１２】インベストメント鋳造工程において、二次
方位は、結晶種を所望の方向に沿って位置させることに
よって制御される。インベストメント鋳造工程において
結晶種を位置させることは、動翼の重量あるいは形状な
どのタービン動翼の物理的特徴に影響を及ぼさず、如何
なる追加の製造作業あるいはコストも伴わない。図２及
び図３に示すように、結晶種あるいは二次方位の所望の
方向は、タービン動翼の固有振動数に所望の増減率をも
たらすように選択される。
【００１３】本発明を、現在最も実用的で好ましい実施
形態であると考えられるものに関連して説明したが、本
発明は開示した実施形態に制限されるべきではなく、逆
に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれ
る種々の変更及び同等の配置を保護しようとするもので
あることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンジン方位に対する結晶方位を示す図。
【図２】 １Ｔ及び２Ｔ振動数における二次方位の影響
を示すグラフ。
【図３】 １−２Ｓ及び１−３Ｓ振動数における二次方
位の影響を示すグラフ。
【符号の説明】
X エンジン軸方向 Y エンジン接線方向 X’ 二次方位 Y’ 二次方位 Z’ 一次方位

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）単結晶合金でタービン動翼をイン
    ベストメント鋳造する段階と、 （ｂ）前記タービン動翼の物理的特徴を変更することな
    く、前記タービン動翼の固有振動数を調整する段階と、
    を含むことを特徴とする、タービン動翼を製造する方
    法。
  2. 【請求項２】 前記段階（ｂ）は、前記タービン動翼の
    たわみモード振動数に影響を及ぼすことなく、ねじり及
    びストライプモード振動数を調整することによって行わ
    れることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 （ａ）エンジン軸方向に対して所望の方
    位に沿って結晶種を位置させる段階と、 （ｂ）単結晶合金で前記タービン動翼をインベストメン
    ト鋳造する段階と、を含み、 前記所望の方位は、たわみ振動数に影響を及ぼすことな
    く、ねじり振動数を調整するように選択される、ことを
    特徴とする、タービン動翼の固有振動数を調整する方
    法。
  4. 【請求項４】 タービン動翼の重量に影響を及ぼすこと
    なく、前記タービン動翼の前記固有振動数を調整する段
    階を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
JP2001245829A 2000-12-14 2001-08-14 動翼の固有振動数を調整するために二次方位を使用する方法 Withdrawn JP2002201902A (ja)

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