JP2005098297A - ガスタービンエンジン内のシール摩擦を低減するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンエンジンロータ組立体で使用するシール組立体を提供する。
【解決手段】 ガスタービンエンジン（１０）用のシール組立体は、第１段ディスク（３０）及び第２段ディスク（３２）と、ディスクリテーナ（５３）と、第１及び第２段ディスク間で延びる段間シール組立体（５０）とを含む。段間シール組立体は、ウエブ部分（５８）から半径方向外向きに延びる半径方向外側シェル（５４）を含む。外側シェルは、該外側シェルから外向きに延びる上流側アーム（６０）と下流側アーム（６２）とを含み、ディスクリテーナは外側シェル上流側アームと第１段ディスクとの間に配置され、また下流側アームは第２段ディスクに結合される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には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ロータ組立体で使用するシール組立体に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、直列の流れ配置で、エンジンに流入する空気流を加圧するファン組立体及び高圧圧縮機と、燃料−空気混合気を燃焼させる燃焼器とを有するコアエンジンを含み、燃焼空気流は次ぎに、各々が複数のロータブレードを備えた低圧及び高圧タービンに向けて導かれ、これらロータブレードが燃焼器から流出する空気流から回転エネルギーを取り出す。高圧圧縮機は、シャフトによって高圧タービンに連結されている。

少なくとも一部の公知の高圧タービンは、第１段ディスクと、該第１段ディスクにボルト継手によって結合された第２段ディスクとを含む。より具体的には、ロータシャフトは、多段圧縮機の最終段とタービン第１段ディスクのウエブ部分との間で延びる。第１及び第２段タービンディスクは、第１段ディスクの前面に結合された前方フェースプレートと、第２段ディスクウエブの後面に結合された後方シールとによって分離される。段間シール組立体は、第１及び第２段ディスク間で延びて、第２段タービンノズル周りの流れをシールするのを可能にする。

少なくとも一部の公知の段間シール組立体は、段間シールと別体のブレードリテーナとを含む。段間シールは、複数のボルトで第１及び第２段ディスクに結合される。ブレードリテーナは、タービン段ディスクから延びる軸対称フック組立体に結合された分割リングを含む。しかしながら、シール組立体が複雑なため、このようなシール組立体は組立てるのが困難となる可能性がある。このようなシール組立体の組立時間及びコストを削減するのを可能にするために、他の公知の段間シール組立体は、一体形成のブレードリテーナ及び段間シールを含む。より具体的には、このようなシール組立体は、半径方向及び軸方向の締りばめを使用して第２段ディスクから第１段ディスクにトルクを伝達する。しかしながら、このようなシール組立体は半径方向及び軸方向の締りばめによってタービン段ディスク間に結合されるため、このようなシール組立体は、１つ又は両方のタービン段ディスクにより生じる低サイクル疲労（ＬＣＦ）応力を受けるおそれがある。
特開２００２−２０１９１５号公報 米国特許６３９８４８８号公報

１つの様態では、ガスタービンエンジンロータ組立体用のシール組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、ディスクリテーナを第１段ディスクに結合する段階と、外側シェルから延びる下流側アームが第２段ディスクに係合し同時に該外側シェルから延びる上流側アームがディスクリテーナに係合するように、外側シェルを含む段間シール組立体をロータ組立体内部に結合する段階とを含む。

別の様態では、第１段ディスクと第２段ディスクとを含むガスタービンエンジン用のシール組立体を提供する。本シール組立体は、ディスクリテーナと、第１及び第２段ディスク間で延びる段間シール組立体とを含む。段間シール組立体は、ウエブ部分から半径方向外向きに延びる半径方向外側シェルを含む。外側シェルは、各々が該外側シェルから外向きに延びる上流側アームと下流側アームとを含む。ディスクリテーナは、外側シェル上流側アームと第１段ディスクとの間に配置される。下流側アームは、第２段ディスクに結合される。

さらに別の様態では、ガスタービンエンジンは、第１段ディスクと第２段ディスクとそれらの間で延びるシール組立体とを有するロータ組立体を含む。シール組立体は、ディスクリテーナと段間シール組立体とを含む。段間シール組立体は、半径方向外側シェルとウエブ部分とを含む。外側シェルは、ウエブ部分から半径方向外向きに延びかつ上流側アームと下流側アームとを含む。ディスクリテーナは、外側シェル上流側アームと第１段ディスクとの間に結合される。下流側アームは、第２段ディスクに結合される。

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。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６によって連結される。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＧＥ９０型である。

作動中、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１４に供給される。高度に加圧された空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動した後にガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、ガスタービンエンジン１０の一部の部分拡大断面図である。具体的には、図２は、高圧タービン１８の部分拡大断面図を示す。高圧タービン１８は、それぞれ第１及び第２段ディスク３０及び３２を含む。各段のディスク３０及び３２は、ボア（図示せず）からそれぞれのブレードダブテールスロット３８及び４０まで半径方向外向きに延びるそれぞれのウエブ部分３４及び３６を含む。

段間シール組立体５０が、タービン段ディスク３０及び３２間で軸方向に延びる。より具体的には、シール組立体５０は、段間シール部材５２とディスク又はブレードリテーナ５３とを含む。段間シール部材５２は、外側シェル５４と、ウエブ部分５８及びボア（図示せず）を有する中央ディスク５６とを含む。シェル５４は、ほぼ円筒形状であり、上流側又は前方アーム６０と下流側又は後方アーム６２とを含む。

各アーム６０及び６２は、アーチ状であり、内向きに凸状の形状で軸方向に延びる。より具体的には、各アーム６０及び６２は、外側シェル５４の中央部分８０から各それぞれのディスク３０及び３２までカテナリ曲線で延びる。中央部分８０は、複数のシール歯８２を含み、このシール歯が、第２段ノズル組立体８８の半径方向内側面８６に結合されたシール部材８４と接触する。

フランジ９０及び９２は、各アーム６０及び６２のそれぞれ上流及び下流端部９４及び９６に一体形成される。フランジ９０及び９２は、それぞれ第１及び第２段ディスク３０及び３２間に段間シール部材５２を結合するのを可能にする。より具体的には、後方フランジ９２は、何らかのファスナを使用するのではなく締まりばめによって段間シールアーム６２を第２段ディスク３２に結合するのを可能にする。加えて、以下により詳しく説明するように、前方フランジ９０は、何らかのファスナを使用するのではなく締まりばめによって段間シールアーム６０を第１段ディスク３０に結合するのを可能にする。

ディスクリテーナ５３は、第１段ディスクダブテールスロット３８の下流側面１００に沿って延びて、第１段ロータブレード１０２をダブテールスロット３８内に保持するのを可能にする。より具体的には、リテーナ５３は、半径方向外端部１１０と半径方向内端部１１２とそれらの間で延びる本体１１４とを有する。半径方向内端部１１２は、本体１１４と端部１１２との間にエルボ１１６が形成されるように、本体１１４からほぼ垂直に上流方向に延びる。エルボ１１６は、ディスクリテーナ５３を第１段ディスク３０に対して適切な位置に保持することを可能にし、さらにディスクリテーナ５３をボルトレス継手で段間シール部材５２に結合するのを可能にする。

ディスクリテーナ５３は、半径方向締りばめによって第１段ディスク３０に結合される。具体的には、ディスクリテーナ５３は、ディスクリテーナエルボ１１６が段間シールアームフランジ９０内に受けられるようにして、段間シール部材６０によって第１段ディスク３０及び段間シール組立体５０に対して適切な位置に保持される。より具体的には、以下に説明するように、段間シール組立体５０をディスクリテーナ５３に結合する時に、段間シール組立体５０によりディスクリテーナ５３を、該リテーナ５３が第１段ディスク３０に対してほぼ中心合わせされるように、配向する。さらに、ディスクリテーナ５３と段間シール部材５２との間の半径方向締りバメにより、タービン１８に対してシール部材５２を中心合わせすることが可能になる。

組立時、最初に、ブレードリテーナ５３をロータ組立体１８内部の所定の位置に挿入して、ブレードリテーナ５３が第１段ディスク３０に係合するようにする。次に、段間シール部材５２を軸方向に押しつぶすか又は圧縮しかつロータ組立体１８内部に結合して、段間シール部材アーム６０がブレードリテーナ５３に対して半径方向締りバメで結合しかつシール部材アーム６２が第２段ディスク３２に対して締りバメで結合するようにする。従って、組立てられた時、シール部材５２が圧縮状態にあるので、シール部材５２、より具体的にはアーム６０及び６２のカテナリ湾曲部により、ブレードリテーナ５３に対して軸方向荷重が生じるようになる。軸方向荷重により、第１段ディスク３０及び段間シール組立体５０に対してブレードリテーナ５３を所定の位置に保持することが可能になる。さらに、ブレードリテーナ５３と第１段ディスク３０との間の半径方向締りバメ及びブレードリテーナ５３と段間シール部材５２との間の半径方向締りバメにより、第１段ディスク３０に対してかつ段間シール組立体５０に対してブレードリテーナ５３を中心合わせすることが可能になる。

上記の段間シール組立体は、コスト効果がありかつ高い信頼性がある。段間シール組立体は、段間シール部材と別体のディスクリテーナとを含む。ディスクリテーナは、段間シール部材によって第１段ディスクとの間の締りバメで保持される。段間シール部材は、締りばめによってディスクリテーナ及びロータ組立体の両方に結合される。従って、段間シール組立体をロータ組立体内部に結合するファスナが全く不要となるので、組立時間を短縮することが可能になる。さらに、段間シール部材とディスクリテーナとの間の締りバメにより、タービン段ディスク間に発生する差動トルクを段間シール組立体を介して摩擦伝達するのを可能にしながら、段間シール組立体の低サイクル疲労寿命を増大させることが可能になる。その結果、段間シール組立体は、コスト効果がありかつ信頼性がある方法でタービンロータ組立体の有効寿命を延ばすことを可能にする。

以上、ロータ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本ロータ組立体は、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各段間シール組立体構成要素は、他の段間シール組立体構成要素及び他のロータ組立体と組み合わせて使用することができる。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、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で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンの一部の部分拡大断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１８ ロータ組立体
３０ 第１段ディスク
３２ 第２段ディスク
５０ 段間シール組立体
５３ ディスクリテーナ
５４ 半径方向外側シェル
５８ ウエブ部分
６０ 上流側アーム
６２ 下流側アーム

Claims (10)

1. 第１段ディスク（３０）と第２段ディスク（３２）とを備えたガスタービンエンジン（１０）用のシール組立体であって、
   ディスクリテーナ（５３）と、
   前記第１及び第２段ディスク間で延びる段間シール組立体（５０）と、
   を含み、
   前記段間シール組立体が、ウエブ部分（５８）から半径方向外向きに延びる半径方向外側シェル（５４）を含み、
   前記外側シェルが、該外側シェルから外向きに延びる上流側アーム（６０）と下流側アーム（６２）とを含み、
   前記ディスクリテーナが、前記外側シェル上流側アームと前記第１段ディスクとの間に配置され、
   前記下流側アームが、前記第２段ディスクに結合されている、
   シール組立体。
2. 前記ディスクリテーナ（５３）が、前記段間シール組立体（５０）により生じる軸方向荷重によって所定の位置に固定されている、請求項１記載のシール組立体。
3. 前記上流側及び下流側アーム（６０及び６２）が各々、前記外側シェル（５４）からカテナリ形状でアーチ状に延びている、請求項１記載のシール組立体。
4. 前記外側シェル（５４）が、前記シール組立体（５０）が前記第１及び第２段ディスク（３０及び３２）間に結合された時に圧縮状態になっている、請求項３記載のシール組立体。
5. 前記上流側アーム（６０）が、締りばめによって前記ディスクリテーナ（５３）に結合され、また前記下流側アーム（６２）が、締りばめによって前記第２段ディスク（３２）に結合されている、請求項１記載のシール組立体。
6. 前記シール組立体（５０）が、タービンエンジンの有効寿命を延ばすことを可能にする、請求項１記載のシール組立体。
7. 第１段ディスク（３０）と第２段ディスク（３２）とそれらの間で延びるシール組立体とを有するロータ組立体（１８）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、
   前記シール組立体が、ディスクリテーナ（５３）と段間シール組立体（５０）とを含み、
   前記段間シール組立体が、半径方向外側シェル（５４）とウエブ部分（５８）とを含み、
   前記外側シェルが、前記ウエブ部分から半径方向外向きに延びかつ上流側アーム（６０）と下流側アーム（６２）とを含み、
   前記ディスクリテーナが、前記外側シェル上流側アームと前記第１段ディスクとの間に結合され、
   前記下流側アームが、前記第２段ディスクに結合されている、
   ガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記シール組立体のディスクリテーナ（５３）が、前記第１段ディスク（３０）と前記段間シール（５０）との間に結合されている、請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記シール組立体のディスクリテーナ（５３）が、前記段間シール（５０）により生じる軸方向荷重によって所定の位置に固定されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記段間シール組立体の上流側及び下流側アーム（６０及び６２）の少なくとも１つが、前記外側シェル（５４）からカテナリ形状でアーチ状に延びている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。

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