JP2001012616A - 回転シール - Google Patents
回転シールInfo
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- JP2001012616A JP2001012616A JP2000153088A JP2000153088A JP2001012616A JP 2001012616 A JP2001012616 A JP 2001012616A JP 2000153088 A JP2000153088 A JP 2000153088A JP 2000153088 A JP2000153088 A JP 2000153088A JP 2001012616 A JP2001012616 A JP 2001012616A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
Abstract
ルキャビティの適切なパージを行い、シールが劣化する
につれてバイパス空気のレベルを下げる。 【解決手段】 回転シール66は、軸12周りに回転す
るように配置され、半径方向外向きに延びる環状の突起
68,70,72と、突起68,70,72に接触する
ように配置された第1の表面98を有するステータ部材
74,76,78を有する。ステータ部材74,76,
78は第1の表面98内に形成されたスロット96を含
み、スロット96はパージ空気流を通すように突起6
8,70,72を軸方向に横切っている。
Description
関し、特にガスタービンエンジンのフォワードアウター
シールとして使用される回転シールに関する。
を発生するために加圧空気が燃料と混合され点火される
燃焼器へ加圧空気を供給する圧縮機を含む。これらのガ
スはそれから圧縮機に動力を供給するためのエネルギを
抽出して飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な
仕事を行う1つまたは複数のタービンへ流下する。航空
機エンジンは通常圧縮機の出口に配置され、下流に配置
された第1段タービンロータへ燃焼ガスを送る静止ター
ビンノズルを有している。タービンノズルはタービンブ
レードが作動できるように燃焼ガスに方向を与える。
ン流路内の高温ガスから冷却の目的で排出される圧縮機
吐出空気をシールするために静止タービンノズルと第1
段タービンロータの間に設けられる。しかしながら、多
くの高圧タービンでは、フォワードアウターシールは、
冷却空気がタービンノズルと第1段タービンロータ間の
フォワードホイールキャビティ内へ流入できるようにす
るいくつかのバイパス孔の使用を必要とする。この空気
はフォワードホイールキャビティをパージして高温ガス
が引き入れられないようにする。適切なパージフローを
維持できないと、隣接部品の部品寿命が著しく減ること
にある。
ターシールは回転シール部材および静止シール部材から
なる回転ラビリンスシールを有している。回転部材は比
較的厚いベースから静止部材へ向かって半径方向に延び
るいくつかの薄い歯状突起を有している。静止部材は通
常はハニカム材料でできている。これらのシール部材は
一般にエンジンの縦中心線軸の周りに周方向に配置さ
れ、これらの種々の部品を組み立てられる半径方向の小
さな間隙がそれらの間にあるように位置している。ガス
タービンエンジンが作動している時は、回転部材は半径
方向に膨張して静止部材内に擦り込まれ、その結果シー
ルが生成される。新しいエンジン動作中に、ラビリンス
シールは漏洩をほとんどもしくは全くしない。したがっ
て、バイパス孔はフォワードホイールキャビティ内への
適切なパージフローを保証する必要がある。しかしなが
ら、長い年月の間に、エンジンの連続運転によりシール
部材は徐々に劣化する。これは、より多くの冷却空気が
ラビリンスシールからフォワードホイールキャビティ内
へ漏洩してバイパス孔を通るパージフローを補うことを
意味する。最終的に、ラビリンスシールから漏洩する空
気の量はフォワードホイールキャビティをパージするの
に十分なものとなり、バイパス孔の必要性が減りあるい
はなくなる。しかしながら、新しいエンジン動作時に必
要なバイパス孔が存在するために、ホイールキャビティ
パージフローは必要以上となり、これはエンジンの全体
性能にとって有害なものとなる。
ォワードホイールキャビティの適切なパージを行い、シ
ールが劣化するにつれてバイパス空気のレベルを下げる
タービンフォワードアウターシールに対する要求があ
る。
回転するようにされ、かつ半径方向外向きに延びる少な
くとも1つの環状の突起を有する回転部材と、突起に接
触するように配置された第1の表面を有するステータ部
材を有する回転シールを提供する本発明により満たされ
る。ステータ部材は第1の表面内に形成された少なくと
も1つのスロットを含み、スロットはパージ空気流が通
過できるように突起を軸方向に横切っている。このよう
なスロットを2つ以上使用することができ、各スロット
は回転部材の回転方向に周方向に角度をなしているのが
好ましい。
ンにおいてフォワードアウターシールとして使用される
場合、従来のバイパス孔は不要となり、エンジンのフォ
ワードホイールキャビティへのパージ流量をシール劣化
とよく合わせることによって、本発明は長い動作期間に
わたってエンジン性能を改善する。
て図面を参照して証明する。
じ部材を示す図面を参照すると、図1は典型的なターボ
ファンガスタービンエンジン10を示す。ターボファン
エンジンは従来技術で広く知られているものと認識され
ているが、エンジン10の全体構成およびそのさまざま
な部品の相互関係について簡単に説明すれば後述する本
発明をよく理解できるであろう。さらに、ターボファン
エンジンは例として用いるに過ぎず、本発明の回転シー
ルはいかなるタイプのガスタービンエンジンにも用いる
ことができ、ターボファンエンジンに限定されるもので
はないことを指摘しなければならない。事実、本発明は
相対的に移動する部品間でシールを必要とするいかなる
用途にも使用することができる。
向の流れが連続して連通するように、ファン14、ブー
スタ16、高圧圧縮機18、燃焼器20、高圧タービン
22、および低圧タービン24を有している。高圧ター
ビン22は第1の回転軸26によって高圧圧縮機18に
駆動接続されており、低圧タービン24は第2の回転軸
28によってブースタ16およびファン14に駆動接続
されている。ファン14は環状ディスク32上に取付け
られた半径方向に延びる複数のファンブレード30を含
み、ディスク32とブレード30はエンジン10の縦中
心軸12の周りに回転することができる。
エンジン入口へ入り、1次ガス流36と呼ばれる、周囲
空気34の第1の部分がファン14、ブースタ16およ
び高圧圧縮機18を通過し、その際各部品によって連続
的に加圧される。1次ガス流36は次に燃焼器20へ入
り、そこで、加圧された空気は燃料と混合され燃焼し高
エネルギ燃焼ガス流を発生する。高エネルギガス流は高
圧タービン22を通過し、そこで、高圧圧縮機18を駆
動するために抽出されたエネルギにより膨張させられ、
次に低圧タービン24を通過し、そこで、ファン14お
よびブースタ16を駆動するために抽出されたエネルギ
によりさらに膨張させられる。2次すなわちバイパス空
気流38と呼ばれる、周囲空気34の第2の部分が環状
ダクト42介してエンジンから出てゆく前にファン14
およびファン出口案内羽根40を通過し、2次空気流3
8はエンジン推力の相当な部分を発生する。
分図が示されている。高圧タービン22はタービンノズ
ルアセンブリ44および第1段タービンロータ46を含
む。タービンノズルアセンブリ44は、円周方向に隣接
する複数のノズルセグメント50が搭載されるインナー
ノズルサボート48を含む。ノズルセグメント50は全
体で完全に360度のアセンブリを構成する。各セグメ
ント50は燃焼ガスが流れる、円周方向に間隔をおいた
2つまたは3つ以上の羽根52(図2に1つを示す)を
有する。羽根52は燃焼ガスを第1段タービンロータ4
6へ最適に向けるように構成されている。インナーノズ
ルサポート48はエンジン10内に適切に支持された静
止部材であり、実質的に円錐の部分54を含んでいる。
ノズルセグメント50は円錐部54の軸方向および半径
方向遠端に取付けられている。タービンノズルアセンブ
リ44は環状の静止シール部材56も含んでいる。図2
に示すように、静止シール部材56は円錐部54の軸方
向および半径方向遠端に一体的に形成され、半径方向内
向きに延びている。しかしながら、静止シール部材56
は円錐部54に固定される独立した部材とすることがで
きる。
ルアセンブリ44の後方に配置されフォワードホイール
キャビティ58を形成するようにそこから軸方向に間隔
があけられている。フォワードホイールキャビティ58
は高温燃焼ガスが流れるタービン流路と流体で連通して
いる。タービンロータ46はロータディスク62に適切
に取付けられタービン流路内へ半径方向に延びている複
数のタービンブレード62を含んでいる(図2に1つを
示す)。ロータディスク62は中心線軸12の周りに回
転するように配置されている。環状回転シール部材64
がロータディスク62に一緒に回転するように固定され
ている。
と接触してタービン流路内の高温ガスから冷却の目的で
排出される圧縮機吐出空気をシールするためのフォワー
ドアウターシール66を形成する。フォワードアウター
シール66は回転シール部材64に取付けられた、また
はその上に一体形成された3つの薄い歯状の突起68,
70,72を含む回転ラビリンスシールであることが好
ましい。突起68,70,72は静止シール部材56に
向かって半径方向に外向きに延びる環状部材である。ラ
ビリンスシール66は静止シール部材56に取付けられ
突起68,70,72の半径方向外側に円周に沿って配
置された3つの環状静止エレメント74,76,78を
さらに含んでいる。
静止エレメント74,76,78の各々と軸方向に一致
するように軸方向に配置されている。すなわち、第1の
突起68は第1のステータエレメント74と軸方向に一
致し、第2の突起70は第2のステータエレメント76
と軸方向に一致し、第3の突起72は第3のステータエ
レメント78と軸方向に一致している。軸方向に一致し
ているということは、各突起68,70,72がその対
応するステータ部材74,76,78の前面および後面
間で軸方向に沿って配置されていることを意味する。各
突起68,70,72の外周は対応するステータ部材7
4,76,78の内周との小さな公差内で回転し、それ
によってタービン流路内で冷却空気と高温ガス間をシー
ルする。ステータ部材74,76,78は動作中の摩擦
およびそれに続く熱の発生を低減するためにハニカム材
料で作られるのが好ましい。図2は3対の突起およびス
テータ部材を示しているが、本発明は3対に限定はされ
ず、それよりも多くても少なくてもよい。
ノズルサポート48の円錐部54と静止シール部材56
間に配置されたアクセラレータ80を含んでいる。アク
セラレータ80は内部エアプレナム82を形成する環状
部材である。図2に矢印Aで示すように、圧縮機吐出空
気はインナーノズルサポート48の円錐部54内に形成
された空気孔84を経てプレナム82へ送られる。この
冷却空気はアクセラレータ80を軸方向に通過し、そこ
からアクセラレータ80の後端内に形成され、高圧ター
ビンブレード60を冷却する複数のアクセラレータノズ
ル86を通って吐出される。
うにエアプレナム82中を半径方向に延びる複数の中空
管88も含んでいる。他の冷却空気(矢印Bで表わす)
が中空管88中を半径方向に通過して静止シール部材5
6の直前に配置されたチャンバー90内へ進む。矢印B
で表わす冷却空気の源はエンジンの圧縮機吐出圧(CD
P)シール(図示せず)を通過する漏洩である。このC
DP冷却空気はアクセラレータ80を介して吐出される
ブレード冷却空気よりも幾分温かい。
ロッカー孔92が形成されている。ブロッカー孔92
は、チャンバー90内のCDP冷却空気がシール66の
2つの最後方の突起、すなわち第2の突起70および第
3の突起72の間に画定されたキャビティ94内へ流れ
込むように配置されている。したがって、シール66を
通るいかなる空気流もCDP空気であってクーラーブレ
ード冷却空気ではない。したがって、クーラー空気はタ
ービンブレード60の冷却に完全に集中することができ
る。
ビティ58内への冷却空気流はキャビティ58を高温ガ
スの引き入れを防止するためにパージする必要がある。
これは、従来のガスタービンエンジン(図3参照)では
静止シール部材356の直前に配置されたチャンバー3
90内の冷却空気がフォワードホイールキャビティ35
8内へ流れこむように、フォワードアウターシール36
6の半径方向外側で静止シール部材356内にいくつか
のバイパス孔301を形成することで達成される。しか
しながら、本発明では静止シール部材56内にこのよう
なバイパス孔は形成されていない。その代わりに、最後
方、すなわち第3のステータ部材78はその半径方向の
最内面98、すなわち回転突起72に接触する表面内に
複数のスロット96を有している。スロット96は突起
72を軸方向に横切るように第3のステータ部材78の
前面78aから後面78bへ延びている。したがって、
第2および第3の突起70,72間のキャビティ94内
の冷却空気はフォワードホイールキャビティ58内へ流
入してそれをパージすることができる。
面の98一部を示す図4からわかるように、スロット9
6は中心線軸12に対してある角度をなしている(すな
わち、スロット96は軸12に平行ではない)。スロッ
ト96は回転シール部材64の回転方向(図4で矢印C
で表わす)に円周に沿ってある角度をなしている。した
がって、スロット96を出る冷却空気にはフォワードホ
イールキャビティ58内で風損熱焼き付きを低減するス
ワールが与えられる。すなわち、入ってくるパージ空気
はロータ回転方向の速度成分を有し、回転成分とパージ
空気流間の速度差はそうでない場合よりも小さい。した
がって、空気と回転成分間の摩擦は小さく、このことは
熱発生が少ないことを意味する。回転方向に対するスロ
ット96の角度は0〜70°の範囲にあるのが好まし
く、約45°かそれよりも大きいのが好ましい。
もそうではないが矩形断面であることが好ましいことが
わかる。スロット96の深さと幅はステータ部材78の
シール摩擦深さに関するパージ必要条件を満たすように
互いに合わせられる。ここで使用されているように、
「シール摩擦深さ」は回転する歯状突起との擦り合いに
よる磨耗によりステータ部材の厚さが減る程度を指して
いる。したがって、図5において、実線は第3のステー
タ部材78の元の、作られたときの厚さを示し、破線1
は「すり合わせ運転シール」(すなわち、シールを含む
エンジンが引き渡される点である初期すり合わせ運転期
間後)における厚さを示し、破線2はステータ部材78
を取り替えなければならない最小厚さを示す。スロット
96の深さと幅はすり合わせ運転シールにおける全スロ
ット96の総断面積がフォワードホイールキャビティ5
8のパージ必要条件を十分に満たすように選択される。
0,72はステータ部材74,76,78内にぴったり
擦り合わされてきついシールを形成する。フォワードホ
イールキャビティ58はスロット96を通過する、キャ
ビティ94からの空気流によってパージされる。エンジ
ン10が継続して動作することによりシール66は徐々
に劣化して、突起68,70,72とステータ部材7
4,76,78間に隙間が生じる。したがって、より多
くの冷却空気がラビリンスシール66からフォワードホ
イールキャビティ58内へ漏洩する。しかしながら、ス
テータ部材74,76,78が磨耗するにつれて、スロ
ット96のサイズは絶えず小さくする。そのためシール
66を通って漏洩するパージ空気の量が増加すると、ス
ロット96を通過するパージ空気の量が減少する。この
作用が、シール状態の関数としての総パージ流を示すグ
ラフである図6に示されている。このグラフに示すよう
に、破線3は図3に示すような従来のシール・バイパス
孔構造におけるパージフローレベルを表わし、破線4は
従来のシールしかない構造におけるパージフローレベル
を表わし、実線5は本発明のスロットシールから生じる
パージフローを表わす。
造では、シールが新しい時は所望のレベルPでパージフ
ローが開始されるが、シールが磨耗するとパージフロー
は急に所望のレベルPを超える。この過剰パージフロー
はエンジンの全体性能にとって有害である。破線4のシ
ールだけの従来の構造では、初期パージフローはシール
が新しい時は所望のレベルよりも実質的に低く、シール
の磨耗寿命の終り近くでしか所望のレベルは達成されな
い。したがって、この構造ではシールの寿命の大部分に
わたって許容されるレベルのパージフローが得られな
い。実線5で示す本発明では、パージフローはシールが
新しい時は所望のレベルで開始する。しかしながら、ス
ロット96のサイズはシールが磨耗するにつれ小さくな
るため、破線3の場合とは違って、パージフローレベル
はシールの寿命にわたって徐々に増加するだけである。
このようにして、従来のガスタービンエンジンで見られ
る過剰ホイールキャビティパージフローの問題は本発明
によって大部分回避され、その結果エンジンの全体性能
が改善される。
深さは、ステータ部材78を交換しなければならないシ
ール擦り合わせ深さ破線2よりも上である。したがっ
て、ステータ部材78の動作寿命中のある点において、
スロット96は完全になくなってフォワードホイールキ
ャビティ58内への総パージフローはシール66を通る
漏洩によるものとなる。あるいは、ステータ部材78の
動作寿命中は常に幾分スロットフローがあるようにスロ
ット96の深さを破線2よりも下に形成することができ
る。スロット深さが最小シール擦り合わせ深さよりも上
であるか下であるかはシール66が使用されるエンジン
10の特定のパージフロー必要条件によって決まる。
態を示されている。この実施形態では、静止シール部材
56は、CDP冷却空気がチャンバ90から第1の突起
68と第2の突起70との間に形成されたキャビティ1
02内へ流れ込むようにその中にいくつかのブロッカー
孔92が形成されている。キャビティ102からフォワ
ードホイールキャビティ58へパージ空気流を供給する
ために、第2のステータ部材76にはその半径方向の最
内面106、すなわち、第2の回転突起70と接触する
表面内に複数のスロット104が設けられている。前記
した第1の実施形態と同様に、第3のステータ部材78に
はその半径方向の最内面98内に複数のスロット96が
設けられている。スロット104,96の両セットは各
突起70,72を軸方向に横切るように各ステータ部材
76,78の各前面76a,78aから各後面76b,
78bまで延びている。したがって、CDP冷却空気は
チャンバ90からブロッカー孔92を通ってキャビティ
102へ流れ、次にスロット104を通ってキャビティ
94へ流れ、最後にスロット96を通ってフォワードホ
イールキャビティ58へ流れてそれをパージする。
ましくは回転シール部材64の回転方向に円周に沿って
ある角度をなす点において前述したスロット96と類似
している。また、スロット96と同じように、スロット
104の深さと幅は擦り合わせシール運転時の総断面積
がフォワードホイールキャビティ58のパージ必要条件
を十分に満たすように選択される。また、第2のステー
タ部材76が磨耗するにつれて、スロット104のサイ
ズは絶えず小さくなり、その結果シール66を通って漏
洩するパージ空気量が増加すると、スロット104を通
過するパージ空気量は減少する。
無い構成を有することもできる。この場合、全てのステ
ータ部材には、キャビティ108(図7)からのパージ
空気がホイールキャビティをパージできるように、その
半径方向の最内面に複数のスロットが形成されている。
フォワードホイールキャビティへ適切な、過剰ではな
い、パージ空気流を供給するガスタービンエンジン用フ
ォワードアウターシールについて説明であった。本発明
の特定の実施形態について説明してきたが、特許請求の
範囲に記載された発明の要旨および範囲から逸脱するこ
となくそれにさまざまな変更を加えられることは当業者
にとって自明であろう。
型的なターボファンガスタービンエンジンの縦断面図で
ある。
の部分断面図である。
ン部の部分断面図である
ータ部材の半径方向の最内面の平面図である。
ラフである。
施形態を有するガスタービンエンジンの高圧タービン部
の部分断面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 軸(12)周りに回転するように配置さ
れ、半径方向外向きに延びる少なくとも1つの環状の突
起(68,70,72)を有する回転部材(64)と、 前記突起(68,70,72)と接触するように配置さ
れた第1の表面(98)と、前記第1の表面(98)内
に形成され、前記突起(68,70,72)を軸方向に
横切る少なくとも1つのスロット(96)を有するステ
ータ部材(74,76,78)とを有する回転シール。 - 【請求項2】 前記スロット(96)は前記軸(12)
に平行ではない、請求項1記載の回転シール。 - 【請求項3】 前記スロット(96)は前記回転部材
(64)の回転方向に円周に角度をなしている、請求項
2記載の回転シール。 - 【請求項4】 前記ステータ部材(74,76,78)
は前面(76a,76a)および後面(76b,78
b)を有し、前記スロット(96)は前記前面(76
a,76a)から前記後面(76b,78b)まで延び
ている、請求項1記載の回転シール。 - 【請求項5】 前記ステータ部材(74,76,78)
は前記第1の表面(98)内に形成された複数のスロッ
ト(96)を有し、前記各スロット(96)は前記突起
(68,70,72)を軸方向に横切る、請求項1記載
の回転シール。 - 【請求項6】 前記ステータ部材(74,76,78)
は前記突起(68,70,72)の半径方向外側で、円
周に沿って配置された環状の部材である、請求項1記載
の回転シール。 - 【請求項7】 前記回転部材(64)はそこから半径方
向外向きに延びる別の環状の突起(68,70,72)
を有し、前記別の突起(68,70,72)の半径方向
外側に円周に沿って配置された別のステータ部材(7
4,76,78)をさらに有する、請求項1記載の回転
シール。 - 【請求項8】 前記ステータ部材(74,76,78)
の各々が静止部材(56)に取り付けられている、請求
項7記載の回転シール。 - 【請求項9】 前記静止部材(56)には前記の最初に
述べた突起(68,70,72)と前記別の突起(6
8,70,72)の中の隣接する1つの突起との間に形
成されたキャビティ(94)内へ冷却空気を供給する少
なくとも1つの孔(92)が形成されている、請求項8
記載の回転シール。 - 【請求項10】 前記別のステータ部材(74,76,
78)の各々が前記別の突起(68,70,72)の対
応する1つと接触するように配置された第1の表面(9
8,106)を有し、前記別のステータ部材(74,7
6,78)の少なくとも1つの第1の表面(98,10
6)内に前記別の突起(68,70,72)の前記対応
する1つを軸方向に横切る少なくとも1つのスロット
(96,104)が形成されている、請求項7記載の回
転シール。
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