JP2002309902A - シール歯の摩耗を減少させる方法、ハニカムシールおよびガスタービンエンジン - Google Patents

シール歯の摩耗を減少させる方法、ハニカムシールおよびガスタービンエンジン

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JP2002309902A JP2002031598A JP2002031598A JP2002309902A JP 2002309902 A JP2002309902 A JP 2002309902A JP 2002031598 A JP2002031598 A JP 2002031598A JP 2002031598 A JP2002031598 A JP 2002031598A JP 2002309902 A JP2002309902 A JP 2002309902A
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ロバート・ポール・ツァコル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ガスタービンエンジンに含まれる
ハニカムシールに関する。 【解決手段】 ガスタービンエンジン（１０）は、ガス
タービンエンジン内に配置されるロータシール歯（１１
０）への摩耗を減少させるハニカムシール（１０２）を
備える非回転部材（２０２）を含む。ガスタービンエン
ジンはまた、ロータ構成部品とステータ構成部品の間に
配置されるシール組立体を備える回転環状部材（１０
６）を含む。回転環状部材は、回転環状部材から半径方
向外方に延びるシール歯を含む。ステータ構成部品は半
径方向内方に延びるハニカムシールを備える非回転部材
を含む。ハニカムシールはおよそ１０９５°Ｃ（２００
０°Ｆ）より低い融解温度を持つ材料（１３０）で製作
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にガスター
ビンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエ
ンジンに含まれるハニカムシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】ハニカムシールは、航空機、船舶及び産
業動力用タービンエンジンに広く使用されている。例え
ば、一般にガスタービンエンジンは、少なくとも１列の
ロータブレード、及びロータ組立体中に形成された空洞
内の複数のハニカムシールを含む。一般に、１１５０°
Ｃ（２１００°Ｆ）を超える融解温度を持つハニカム材
料、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘが、背板に鑞付けさ
れる。エンジンのならし運転中に、第１の回転環状部材
に設置されたシール歯は、第２の非回転部材あるいは第
１の回転部材の回転速度と異なる回転速度を持つ第２の
回転部材のいずれかに設置されたハニカムシールに凹部
あるいは溝を切り込む。シール歯を備える第１の回転環
状部材により切り込まれた溝は、シール歯とハニカム材
料の間の作動間隙を構成し、ハニカム材料がシール歯に
対してシールを行うことを可能にし、空気がシール歯及
びハニカム材料により形成される空洞間を流れるのを阻
止する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】エンジンのならし運転
及び正常運転状態の間に、シール歯は低い進入度合でハ
ニカム材料に切り込む。高いあるいは急速な進入度合
は、例えば公差を厳しくした結果などの場合に生じる可
能性がある。高い進入度合が起こる可能性がある別の場
合は、現用のタービンに整備を実施した後とか、タービ
ンモジュール構成部品を置き換えるか、あるいは取替え
た後である。高い進入度合での運転中に、シール歯とハ
ニカム材料の間に発生する摩擦熱は、シール歯の温度を
正常な作動温度からハニカム材料の融解温度を僅かに下
まわる温度値まで上昇させる。温度が上昇すると、シー
ル歯は有効にハニカム材料に切り込まれず、むしろシー
ル歯に接触すると、ハニカムセルは、降伏し「スミアす
る」ことになる。シール歯は有効にハニカム材料に切り
込まれないので、高いシール摩擦トルクが発生し、シー
ル歯とハニカム材料の間に発生する摩擦熱はさらに増大
する。
【０００４】シール歯内に生じる温度が上昇すると、シ
ール歯の材料の劣化、疲労割れ及び焼き割れの可能性の
原因となる。時間の経過と共に、継続して高温に曝され
ることによりシール歯は降伏応力を上回る結果となり、
従ってシール歯の疲労寿命及び劣化を生じる可能性があ
る残留応力を招くことになる。さらに、ハニカム材料
が、回転部材のブレードから均一な距離でタービンの周
りに円周方向に配置されていない場合には、局所的な摩
擦が起きる可能性がある。シール歯の局所的摩擦と温度
上昇が組み合わさると、ハニカム材料中に正弦温度勾配
及び強度の摩擦を引き起こすことになる。さらに、より
強度の摩擦の結果、作動間隙が局所的に増加し、空気が
回転部材とハニカム材料の間を流れ、シールの有効性を
低下させることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】例示的な実施形態では、
ガスタービンエンジンはガスタービンエンジン内に配置
されたシール歯の摩耗を減少させるハニカムシールを備
える非回転組立体を含む。ガスタービンエンジンの非回
転組立体は、ロータ構成部品とステータ構成部品の間に
配置されたシール組立体を含む。ロータ構成部品は、回
転環状部材から半径方向外方に延びるシール歯を備える
回転環状部材を含む。ステータ構成部品は、半径方向内
方に延びるハニカムシールを備える非回転部材を含む。
ハニカムシールは、およそ１０９５°Ｃ（２０００°
Ｆ）より低い融解温度をもつ材料で製作される。
【０００６】エンジン運転中、回転するシール歯はハニ
カム材料に接触し、ハニカム材料の融解温度より高くな
い温度を発生する。従って、シール歯がハニカム材料に
接触するとき、シール歯によりハニカム中に容易に凹部
あるいは溝が切り込まれる。溝はブレードのシール歯と
ハニカム材料の間の作動間隙を構成し、ハニカム材料が
シール歯に対してシールを行うことを可能にし、空気が
シール歯とハニカム材料の間を流れるのを阻止する。ハ
ニカムシールの融解温度が１０９５°Ｃ（２０００°
Ｆ）より低いため、回転するシール歯がハニカムシール
へ切り込まれるとき発生する温度上昇は、ハニカム材料
の融解温度より低い温度に制限される。さらに、ハニカ
ム材料の融解温度が１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より
低いために、シール歯内に生じる温度上昇は、より高い
融解温度の材料で製作される公知のハニカムシール中に
切り込まれるシール歯内に生じる温度上昇に比較して、
減少する。その結果的、熱応力によるシール歯の性状劣
化及び割れが減少する。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧
縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン
１０の概略図である。１つの実施形態では、エンジン１
０は高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧
縮機１２及びタービン２０は第１のシャフト２１で連結
され、圧縮機１４及びタービン１８は第２のシャフト２
２で連結される。
【０００８】運転中、空気は低圧圧縮機１２を通って流
れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１
４へ供給される。高度に加圧された空気は燃焼器１６に
供給される。燃焼器１６からの空気流は回転タービン１
８及び２０を駆動し、ノズル２４を通してガスタービン
エンジン１０から流出する。
【０００９】図２は、ガスタービンエンジン１０（図１
に示す）のようなガスタービンエンジンに使用すること
ができるロータ組立体１００の部分概略図である。例示
的な実施形態では、ロータ組立体１００は、ハニカムシ
ール１０２、複数のステータ羽根１０４、及び少なくと
も１つの回転部材を含む。回転部材１０６はそこからケ
ーシング１１２に向かって外側方向に延びる少なくとも
１つのシール歯１１０を持つ先端１０８を含む。ケーシ
ング１１２はステータ羽根１０４及び回転部材1０６の
半径方向外側に配置される。
【００１０】ハニカムシール１０２は、回転部材１０６
の周りに円周方向に延びており、ケーシング１１２に取
り付けられる第１の端部１１４及び第２の端部１１６を
含む。ハニカムシールの第１端部１１４は第１の接合具
１１８でケーシング１１２に取り付けられ、ハニカムシ
ールの第２端部１１６は第２の接合具１２０でケーシン
グ１１２に取り付けられる。第２接合具１２０は、ハニ
カムシール１０２の第２端部１１６にばね力を与えて、
ステータ羽根プラットフォーム１２２と接触するように
ハニカムシール１０２を押し付け、その結果、エンジン
１００が運転していないときに、シール歯１１０はハニ
カムシール１０２から距離１２６を置いている。１つの
実施形態では、ハニカムシール１０２は、以下にさらに
詳細に説明する材料１３０を含み、軸方向突起１３２が
ケーシング１１２の軸方向凹部１３４の中に受け入れら
れるように、第１端部１１４でケーシング１１２の中に
組み込まれる。
【００１１】エンジンの初期運転中は、図２に示すよう
に、シール歯１１０はハニカムシール１０２から距離１
２６を置いている。エンジン１００の運転速度が増加す
るにつれ、シール歯１１０は半径方向外方に拡張し、ハ
ニカムシール１０２に接触または摩擦し、ハニカムシー
ル１０２中に凹部（図示せず）を切り込み、シール歯１
１０とハニカムシール１０２の間に作動間隙（図示せ
ず）を形成する。さらに具体的には、運転中、シール歯
１１０はロータ（図示せず）によってケーシング１１２
に対して回転し、ステータ羽根１０４はケーシング１１
２に対して静止したままである。空気は、タービン１０
０の上流側１３８からタービン１００の下流側１４０へ
流れる。タービン１００が作動し十分な作動温度に達し
た後、シール歯１１０はハニカムシール１０２の中に延
び、空気がシール歯１１０とハニカムシール１０２の間
を流れるのを阻止する。
【００１２】図３はハニカムシール１０２の拡大端面図
である。ハニカムシール１０２は、ハニカム形状１５４
に互いに接合された複数の薄い波板片１５２から形成さ
れた材料１３０で製作される。ハニカム形状１５４は複
数のセル１５６及び各々のセル１５６を隔てる複数のセ
ル壁１５８を含む。１つの実施形態では、セル１５６は
六角形の形状を持つ。それに代えて、セル１５６は、円
形、三角形、矩形、五角形、あるいはその他の形状とす
ることができる。
【００１３】材料１３０は、ハニカムシール１０２がエ
ンジン運転中によくある過酷な環境条件に耐えることを
可能にする真性的性質を持つ。具体的には、材料１３０
は広範囲の温度及び圧力へ曝されることに耐えることが
でき、およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）以下の融解
温度を持つ。１つの実施形態では、材料１３０はおよそ
１０５５°Ｃ（１９３０°Ｆ）の融解温度を持つ合金材
料からなる。別の実施形態では、ハニカム材料１３０は
真鋳であり、およそ１６５０°Ｆの融解温度を持つ。さ
らに別の実施形態では、ハニカム材料１３０はアルミニ
ウムであり、およそ５６６°Ｃ（１０５０°Ｆ）の融解
温度を持つ。若しくは、材料１３０は耐環境条件性があ
り、１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を
持つ、いずれかの他の適切な材料あるいは複合材料であ
る。
【００１４】ガスタービンエンジンの運転中、シール歯
１１０の作動温度は、ハニカムシール１０２と摩擦する
間に、ハニカムシール材料１３０の融解温度よりは高く
ない温度まで上昇する。ハニカムシール１０２の融解温
度が１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低いため、シー
ル歯１１０内に生じる温度上昇は、およそ１０９５°Ｃ
（２０００°Ｆ）より低く制限され、またシール歯１１
０とハニカムシール１０２の間の摩擦中も低く抑えられ
る。さらに、シール歯カッタの温度上昇が減少するため
に、ハニカムシール１０２と摩擦するシール歯カッタ特
性への影響は減少する。具体的には、シール歯１１０に
対する熱損傷が減少するので、シール歯の耐久性が改善
される。さらに、熱応力によるシール歯１１０の特性劣
化及び割れが減少する。
【００１５】摩擦中のシール歯１１０の温度上昇の可能
性を低下させることにより、シール歯１１０に対する降
伏応力が限度を超える時に発生する、シール歯１１０内
に生じる残留応力も減少する。さらに、温度上昇が少な
くなることによりシール歯１１０とハニカムシール１０
２の間に生じるトルクがより少なくなり、従って、シー
ル歯１１０の摩耗が少なくなる。さらに、温度上昇が低
下することによりハニカムシール１０２内の割れ発生及
びハニカムシール１０２の疲労劣化を減少させることが
できる。
【００１６】ハニカムシール１０２が、距離１２６（図
２に示す）がガスタービンエンジン１００の周りで円周
方向に均一でない状態で、ガスタービンエンジン１００
（図１に示す）の中に取り付けられた場合、エンジン１
００運転中にシール歯１１０とハニカムシール１０２の
間に局所的な摩擦が起きる可能性がある。局所的摩擦が
生じている間にシール歯１１０とハニカムシール１０２
の間に発生する熱は、シール歯１１０内に正弦温度勾配
を生じる可能性がある。時間の経過と共に、そのような
正弦温度勾配が強い場合には、より広い作動間隙を生じ
る。そのような正弦温度勾配の強さは、シール歯１０２
に入力される熱量に比例する。従って、シール歯１１０
の温度上昇の可能性が減少するので、発生する如何なる
正弦温度勾配の強さも低下し、シール歯１１０とハニカ
ムシール１０２の間の作動間隙が改善される。
【００１７】図４は、ガスタービンエンジン１０に使用
することができるラビリンスシール２００を含むガスタ
ービンエンジン１０の一部の部分概略図である。ラビリ
ンスシール２００は、回転環状部材２０２の外周面２０
６から半径方向に延びる複数のシール歯２０４を含む第
１の回転環状部材２０２に適切に取り付けられて、シー
ル歯２０４の外周部を構成する。
【００１８】ハニカムシール２０８は、第２の非回転部
材２１０に適切に取り付けられ、半径方向内方に延びて
ハニカムシール２０８の内周部を構成する。ハニカムシ
ール２０８は回転部材２０２の周りに円周方向に延びて
おり、ハニカムシール１０２（図２に示す）と実質的に
同様に、材料１３０（図３に示す）で製作される。それ
に代えて、ハニカムシール２０８は、第１の回転環状部
材２０２上に配置されたシール歯２０４と、第１の回転
部材２０２の回転速度と異なる回転速度を持つ第２の回
転部材（図示せず）との間の空洞（図示せず）に配置さ
れたラビリンスシール（図示せず）とすることができ
る。
【００１９】エンジンの初期運転中、シール歯２０４の
外周部は、ハニカムシール２０８の内周部の小さい公差
内で回転し、それによりエンジン１０の軸方向に配置さ
れた部分間のシールを行う。エンジン１０の運転速度が
増加するにつれ、シール歯２０４は半径方向外方に拡張
し、ハニカムシール２０８に接触または摩擦し、ハニカ
ムシール２０８中に凹部（図示せず）を切り込み、シー
ル歯２０４とハニカムシール２０８の間に作動間隙（図
示せず）を形成する。さらに具体的には、運転中、シー
ル歯２０４は回転部材２０２によって回転する。タービ
ン１０が作動し十分な作動温度に達した後、シール歯２
０４はハニカムシール２０８の中に延び、空気がシール
歯２０４とハニカムシール２０８の間を流れるのを阻止
する。
【００２０】上述のガスタービンエンジンは費用効果が
よく、信頼性が高い。ステータ組立体は、およそ１０９
５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持つ材料で
製作されるハニカムシールを含む。エンジン運転中、シ
ール歯はハニカムシールに接触し、熱を発生してハニカ
ムシールの融解温度より高くない温度までその温度が上
昇する。シール歯によりハニカムシールに溝が切り込ま
れるので、ハニカムシールはシール歯に対してシールを
行って、空気がハニカムシールとシール歯の間を流れる
のを阻止する。ハニカムシール材料の融解温度により、
摩擦中のシール歯の作動温度は制限される。ハニカムシ
ールの結果として、シール歯は公知のシール歯に比較し
て低い温度で作動され、より少ない熱応力及び摩耗を受
ける。より具体的には、シール歯に対する熱損傷が減少
するため、シール歯の耐久性が改善される。さらに、熱
応力によるシール歯の特性劣化及び割れが減少する。従
って、シール歯の摩擦中に生じる温度上昇の可能性が減
少し、発生する如何なる温度勾配の強さも低下し、シー
ル歯とハニカムシールの間の作動間隙が改善される。
【００２１】本発明を種々の具体的な実施形態について
説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及
び技術的範囲内の変更により実施できることは、当業者
には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンに使用する
ことができる低圧タービンの部分概略図。
【図３】 図２に示す低圧タービン組立体に使用するこ
とができるハニカムシール組立体の拡大端面図。
【図４】 図１に示すガスタービンエンジンに使用する
ことができるラビリンスシールの部分概略図。
【符号の説明】
１００ ロータ組立体 １０２ ハニカムシール １０４ ステータ羽根 １０６ 回転部材 １０８ 回転部材の先端 １１０ シール歯 １１２ ケーシング １１４ 第１端部 １１６ 第２端部 １１８ 第１接合具 １２０ 第２接合具 １３０ ハニカム材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・チャールズ・クレサ アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、タイラーズ・クロッシング、 6390番 (72)発明者 ロバート・ポール・ツァコル アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、リッチー・アベニュー、19番 (72)発明者 シェシュ・クリシュナ・スリバトサ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、グレンミル・コート、8190番 (72)発明者 ダニエル・エドワード・ワインズ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ホワイトチャペル・ドライブ、5792番 (72)発明者 トマス・トレイシー・ウォーラス アメリカ合衆国、オハイオ州、メインビ ル、オーバーブルック・アベニュー、877 番 Ｆターム(参考） 3G002 GA02 GA10 HA04 HA10 HA12

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジン（１０）を組み立
    てる方法であって、該方法は、 およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度
    を持つ材料（１３０）でハニカムシール（１０２）を製
    作する段階と、 該シールを前記ガスタービンエンジン内に固定する段階
    と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 ハニカムシール（１０２）を製作する前
    記段階が、およそ８７１°Ｃ（１６００°Ｆ）より高い
    融解温度を持つ材料（１３０）でハニカムシールを製作
    する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 前記ガスタービンエンジン（１０）が複
    数のロータシール歯（１１０）を含んでおり、ハニカム
    シール（１０２）を製作する前記段階が、低い割れ発生
    性向を持つ材料（１３０）でハニカムシールを製作する
    段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の
    方法。
  4. 【請求項４】 ハニカムシール（１０２）を製作する前
    記段階が、５６６°Ｃ（１０５０°Ｆ）にほぼ等しい融
    解温度を持つ材料（１３０）でハニカムシールを製作す
    る段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 ガスタービンエンジン（１０）のための
    ハニカムシール（１０２）であって、該シールがおよそ
    １０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持つ
    材料（１３０）からなることを特徴とするハニカムシー
    ル（１０２）。
  6. 【請求項６】 前記ガスタービンエンジン（１０）は複
    数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシ
    ールは、前記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦する
    とき、前記シール歯の作動温度を低下させるように構成
    されることを特徴とする、請求項５に記載のハニカムシ
    ール（１０２）。
  7. 【請求項７】 前記ガスタービンエンジン（１０）は複
    数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシ
    ールは、前記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦する
    とき、前記シール歯の摩耗を減少させるように構成され
    ることを特徴とする、請求項５に記載のハニカムシール
    （１０２）。
  8. 【請求項８】 前記ガスタービンエンジン（１０）は複
    数のロータシール歯（１１０）を含んでおり、前記材料
    （１３０）は前記ハニカムシール内の割れ発生性向を低
    下させることができるように構成されることを特徴とす
    る、請求項５に記載のハニカムシール（１０２）。
  9. 【請求項９】 前記材料（１３０）は、前記ロータシー
    ル歯（１１０）の疲労劣化を減少させることができるよ
    うにさらに構成されることを特徴とする、請求項８に記
    載のハニカムシール（１０２）。
  10. 【請求項１０】 前記材料（１３０）は、およそ８７１
    °Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つことを特
    徴とする、請求項５に記載のハニカムシール（１０
    ２）。
  11. 【請求項１１】 前記ガスタービンエンジン（１０）は
    複数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカム
    シールは、該ハニカムシールと前記シール歯の間の作動
    間隙を減少させるように構成されることを特徴とする、
    請求項５に記載のハニカムシール（１０２）。
  12. 【請求項１２】 ロータ組立体（１００）及びステータ
    組立体を含むガスタービンエンジン（１０）であって、
    該ステータ組立体がおよそ１０９５°Ｃ（２０００°
    Ｆ）より低い融解温度を持つ材料（１３０）で製作され
    たハニカムシール（１０２）を含むことを特徴とするガ
    スタービンエンジン（１０）。
  13. 【請求項１３】 前記ロータ組立体（１００）が複数の
    シール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシール
    は、前記シール歯が前記ハニカムシール（１０２）と摩
    擦するとき、各々の前記ロータシール歯（１１０）の作
    動温度を低下させるように構成されることを特徴とす
    る、請求項１２に記載のガスタービンエンジン(１０)。
  14. 【請求項１４】 前記ハニカムシール（１０２）は、前
    記シール歯（１１０）と前記ハニカムシールの間の間隙
    を減少させるように構成されることを特徴とする、請求
    項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  15. 【請求項１５】 前記ハニカムシール（１０２）は、前
    記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦するとき、前記
    シール歯（１１０）の摩耗を減少させるように構成され
    ることを特徴とする、請求項１２に記載のガスタービン
    エンジン（１０）。
  16. 【請求項１６】 前記材料（１３０）は、１０５５°Ｃ
    （１９３０°Ｆ）にほぼ等しい融解温度を持つことを特
    徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン
    （１０）。
  17. 【請求項１７】 前記材料（１３０）は、およそ８７１
    °Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つことを特
    徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン
    （１０）。
  18. 【請求項１８】 前記材料（１３０）は、５６６°Ｃ
    （１０５０°Ｆ）にほぼ等しい融解温度を持つことを特
    徴とする、請求項１２に記載のガスタービンエンジン
    （１０）。
  19. 【請求項１９】 前記ロータ組立体（１００）は複数の
    ロータシール歯（１１０）を含んでおり、前記材料（１
    ３０）は前記ロータシール歯の割れ発生を減少させるよ
    うに構成されることを特徴とする、請求項１２に記載の
    ガスタービンエンジン（１０）。
  20. 【請求項２０】 前記材料（１３０）は、前記ロータシ
    ール歯（１１０）の疲労劣化を減少させるようにさらに
    構成されることを特徴とする、請求項１９に記載のガス
    タービンエンジン（１０）。
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