JP2005127325A - ガスタービンエンジンのためのラビリンスシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールの熱応答が過渡的エンジン動作段階の間に制御され、シールの寿命期間を増大させる、ガスタービンエンジン用のラビリンスシール装置を提供する。
【解決手段】シール２０は、フランジ２５から２６を有する取付け部２５によって壁要素に取り付けられたステータ部２２を備え、且つ環状摩耗部２３を支持していて、上記摩耗部は、ラビリンスシールを形成すべくコンプレッサのロータ２と一体化されて少なくとも一つの円周歯２８Ａが設けられたロータ要素２８と連帯的に作用する。上記取付け手段２４の少なくとも一つのフランジ２５、２６は、エンジン加速の間にロータ要素２８の膨張率に対してステータ部２２の膨張の割合を調和させるのに十分な重量を有しているということによって特徴づけられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関連し、燃焼室レベルに配置されたエンジンの回転部分のためのラビリンスシールを含むシール装置に注目している。

より詳細には、本発明は、高圧圧縮出口ガス流と高圧コンプレッサとエンジンシャフトの直ぐ下流の拡散（ディフュージョン）ハウジングによって収容される燃焼室の下の空所（ボイド）との間にシールを提供するラビリンスシールを有するエンジンに適用する。

ラビリンスシールは、ロータと一体化されエンジンの回転の軸と同軸の円筒部分から成る。多数の構成要素が、この部分に取り付けられ、狭い自由縁部と共にエンジンシャフトに垂直に配置された周囲ブレードまたは歯（ｔｅｅｔｈ）として形成され、互いに平行に配置されている。歯は、ステータに一体化された円筒部分と共に作用する。各歯は、ステータの円筒部分から短い距離を保持しており、シールにおける圧力差に起因する任意の流体流のためのスロットルを形成している。二つの部品の間の間隙は、ラビリンスシールを通る漏洩流を決定する。回転する歯が接触した場合に損傷を受けるのを防止するために、ステータの円筒要素は、歯を形成する材料に対して優先的に、変形しがちな材料からなる摩耗部を有している。例えば、これは、ハニカム材料または当技術分野において「アブレーダブル（ａｂｒａｄａｂｌｅ）」の用語で既知のタイプの材料でもあり得る。

上述されたラビリンスシールの場合には、この手段は、コンプレッサからそれを通過し、燃焼室の直ぐ下流のタービンディスクの通気手段に向けられる空気流を制御するのに、大きな利点を与えられ得る。この空気は、高圧コンプレッサロータのブレードディスクとディフューザとの間の空所から到来する。このサンプリング点の直ぐ下流の空所における通常の圧力は、ラビリンスによって形成されるスロットルによって決定される。圧力が変動しても良く、このことは、もしも間隙が、シール歯の制御されていない膨張により引き起こされる変形により影響されるならば、ロータに損傷を与え得る。それゆえに、ラビリンスの径方向の間隙を制御することが必要である。

いくつかのエンジン動作段階（フェーズ）、例えば、加速段階の間、コンプレッサからの空気は、非常に短い時間の間における温度のかなりの増大によって影響を受け得る。要素シールの状態または部分はより高温にさらされる一方、エンジン内で奥深いほどシールのロータ要素ほどさらされない。それゆえ、同じように、シールの二つの部分が膨張しない限り、相当に間隙を広げる傾向がある。従って、ラビリンスの径方向の間隙を制御する試みがなされている。

米国特許第４５５４７８９号明細書は、シールの二つの部品の間における熱膨張差を、全てのエンジン動作段階の間小さな間隙に維持させることにより、最小化する手段を説明している。空気は、コンプレッサディフューザの下流に引き込まれ、燃焼室内部ディフューザハウジングに形成された穴（オリフィス）を通して、シールステータ要素を取り囲む環状キャビティ内に向けられる。穴は、シール摩耗部の外側壁上の衝撃によって得られる冷却空気ジェットを形成するように配置される。過渡的動作段階の間に、より高い温度における空気が、壁を加熱する。従って、空気は調節機能を確実にし、且つ間隙の広がりを制御する。空気は、較正された穴によってこのキャビティから、ステータと、それが冷却するロータのセグメントとの間の空間内に直接的に案内される。

摩耗部を支持するフェルールは、燃焼室におけるディフューザハウジング壁に一体化されたクランプフランジに取り付けられた、下流フランジを有していることが観察される。

また、高圧コンプレッサと高圧タービンとの間に配置されるラビリンスシールに関する米国特許第５３３３９９３号明細書のケースがも存在する。通気されない空間が、シール支持ハニカム要素のステータ装置の周囲に配置される。リングは、上記支持の周囲のこの空間内に配置される。これらは、シーリングリングよりも小さな膨張係数を有する材料で作られている。このようにして、エンジン加速の間に、歯とハニカム材料の間に最小の間隙が維持される。
米国特許第４５５４７８９号明細書 米国特許第５３３３９９３号明細書

本発明は、シールの熱応答が過渡的エンジン動作段階の間に、シールの寿命期間を増大させるべく制御される解決法を目的としている。

本発明は、また、シールを通してより大きな空気流の安定性のために設計され、それによってコンプレッサにおいてサンプリングされる圧力変動を最小化する。

本発明は、これらの目的を、高圧コンプレッサ、ディフューザおよび燃焼室の内側フランジエンベロープの少なくとも一部を形成する固定された壁要素を、上流および下流の両方に含んでいるガスタービンエンジン用のラビリンスシール装置であって、上記シールが、フランジを有する取付け装置によって壁要素に取り付けられて環状摩耗部を支持するステータ部を有しており、この摩耗部は、ラビリンスシールを形成すべく、円周歯を有してコンプレッサのロータと一体化されたロータ要素と共に作用し、上記取付け手段の少なくとも一つのフランジが、エンジン加速段階中、ロータ要素の膨張速度（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）に対してステータ部の膨張速度を調和させるのに十分な質量（重量）を有しているということによって特徴づけられた装置によって達成する。

この方法によれば、単純な構成によって、本発明は、ラビリンスシールにおける間隙のチェックの問題を解決している。

好適な実施形態においては、壁要素が、取付け手段に隣接して通気孔（ベンチレーション・ホール）を有する。最後のコンプレッサ段の直ぐ下流にて空気を引き込み、較正された穴を適切な方法で配置することによって、エンジンの過渡的動作段階の間のステータ要素の膨張を容易に制御することができる。

有利な構成によれば、シールステータが、摩耗部を囲み、その外面で径方向の取付けフランジと一体化される第二の環状部分の中へ下流に延びる第一の部分を含み、上記外側取付けフランジは、取付け手段を形成すべく壁の部分と一体的な内側取付けフランジと共に作用する。

環状ステータの第二の部分、取付け手段および壁要素が共に、第一のキャビティを画定している。特に、第一のキャビティは、通気孔を通して供給を受ける。

他の特徴によれば、環状ステータ部の第一の部分は、この要素と共に、上流端へ向かって開いた通路の壁を形成し、それによって通気孔からの空気が、第一のキャビティ内に供給され、排出される前に、ラビリンスシールの上流において、この通路内に供給される。この手段によって、第一の部分の連続的な掃引が得られ、摩耗部のための支持を形成し、生じ得る摩擦による加熱の結果として得られる温度変動に対してこの部分の安定化に寄与する。

他の特徴によれば、第二の環状部分は、フランジの下流を通って第三の部分内に延び、上記第二および第三の部分は、燃焼室エンベロープの壁から離れてコンプレッサから漏れる空気を案内するチャンネルを形成する。より詳細には、第三の部分は、燃焼室エンベロープ壁要素によって第二のキャビティを形成する。

図解が付随された本発明の好適な実施形態の以下の説明を読むことによって、本発明は、より良く理解され、他の利点が明らかにされるであろう。

唯一の図面は、本発明に従ったラビリンスシール装置を含む、ガスタービンエンジンの部分図を正面図において示している。

唯一の図面に示される機関は、左から右へ、すなわち、ガス流に対して上流から下流端へ、コンプレッサディスク４を有するロータ２を含み、そのブレードは、除外されている。これは、固定ベーン６を具備するディフューザと連通する高圧コンプレッサである。この段から、空気は、燃焼室８を含むエンクロージャ７内に供給される。室８の上流端の一部のみが見える。室のエンクロージャ７は、プラットフォーム６１の下で段６に結合されている内側壁要素１０を有している。図示からわかるように、後者はコーニス（ｃｏｒｎｉｃｅ）内側エンクロージャ７を形成している。壁要素１０は、部分的にのみ見え且つ、図示されていない、高圧タービン段の入口まで延びる下流壁１１と一体化されている。タービンは、それによって駆動されるように、同一のロータ軸２上に装備されている。タービンは、燃焼室からのガスによってそれ自体が駆動される。

シール４１は、ディスク４とディフューザのベーン６の間の空気脈の近傍に配置される。漏洩空気Ｆは、特にタービンに連結された部分を冷却するために使用される下流に案内される。この空気の流速は、燃焼室の下方の空間におけるラビリンスシール２０の介在によって制限される。

シール２０は、環状回転要素２８を有し、他端は、その外側面に、円周上に且つ互いに平行に、多数の径方向歯２８Ａ、この場合５個を有している。単一の歯またはそれより多くの歯であっても良い。シールは、また、ステータ要素２２から作られている。この要素は、摩耗部２３を支持している第一の部分２２Ａを含んでいる。一つまたはいくつかの部分であり得る摩耗部は、シールの間隙を示す所定の距離にて歯２８Ａを取り囲んでいる。動作中は、シールの両側の間の圧力差に起因して、空気は、上流の高圧域から下流側の低圧域へ流れる。この漏洩流は、間隙に依存している。摩耗部３３は、環状歯が偶発的にそれを摩擦したときに、崩れまたは浸食される充分に低い機械的強度を有する「アブレーダブル」な材料からなっている。

ステータ要素は、第二の部分２２Ｂおよび第三の部分２２Ｃを有している。それらは環状であり、互いに延長部分を形成している。径方向円周フランジ２５は、要素２２の外側面に対して他の何らかの構成に溶接されまたは取り付けられる。フランジ２５は、壁部分１０の内側に一体化されて径方向円周フランジ２６にボルト止めされている。フランジとボルトは共に、壁要素１０に対するステータ要素２２の取付け手段２４を形成している。有利には、要素２２Ｂおよび２２Ｃは、開口がロータ２によって決定される環状チャンネルを確立するようにして適合させる。このハウジングは、コンプレッサからの漏洩空気を下流に循環させて案内し、できるだけ小さな摂動を与えるような流出を確保する。それは、空気の加熱を低減する。

図に示されているように、要素２２Ｂ、１０および２４は、共に最初の（イニシャル）環状キャビティＣ１を形成する。この壁２２Ｂと１０の間のキャビティＣ１の高さは、取付け手段２４の高さによって決定される。手段２４の下流において、壁要素２２Ｃおよび１０は、互いに第二のキャビティＣ２を画定する。この内側ケーシングは、ロータの近傍を循環する空気を隔離するという追加の利点を提供する。

較正された穴すなわち通気孔１０Ａは、フランジ２６の上流に隣接して壁１０に穿設される。それらは、キャビティＣ１に供給するような態様で配向される。これらの孔１０Ａは、有利には、流体に最初の予備回転動作を与えるべく傾斜されている。それらは、フランジを冷却するためにフランジに可能な限り近づけて配置され、それによって間隙を制御するためにラビリンスの動きを制御する。キャビティＣ１を通って循環される空気は、壁要素１０とステータ要素２２Ａの間に形成される通路の方に向けられる。このような方法で、キャビティＣ１は、キャビティを冷却するために、アブレーダブル支持体上における通気を保証する。その傾斜は、５個の歯上におけるほとんど一定の間隙によって制限される。ラビリンスシールからの熱は、歯とアブレーダブル装置との間の接触で排出される。

本発明のラビリンスシール装置は、次のように動作する。

エンジン加速段階の間、コンプレッサからの空気は、高温になっている。少なからぬ熱慣性を有する中実（ソリッド）フランジ２５または２６を選定することによって、ステータ要素２２Ａの膨張応答時間が増大する。従って、ステータ２２Ａと要素２３との間の間隙の開きがより小さくなり、結果的により小さな漏洩流速となって、効率を上げる。

空気の流速は、通気孔１０Ａの配置構成および較正によって、ステータの膨張がロータの膨張に伴うように制御される。より詳細には、キャビティＣ１の間隙部分は、システムの通気性を減少させないように、孔１０Ａの部分と少なくとも等しいかそれより大きくする。孔１０Ａは、ラビリンスの冷却流速を較正する。第一のキャビティＣ１の存在も、また、部分２２Ｂおよび２４に沿ってより良好な温度均一化を提供する。

不変の構成において、ステータ要素の冷却は、壁１０の下方のステータ要素２２Ａを取り囲む環状領域の掃引（スイーピング）によって得られる。

本発明に従ったラビリンスシール装置を含む、ガスタービンエンジンの部分図を正面図において示している。

符号の説明

２ ロータ
４ コンプレッサディスク
６ 固定ベーン
７ コーニス内側エンクロージャ
８ 燃焼室
１０ 内側壁要素
１０Ａ 通気孔
１１ 下流壁
２０ ラビリンスシール
２２ ステータ要素
２２Ａ 第一の部分
２２Ｂ 第二の部分
２２Ｃ 第三の部分
２３ 摩耗部
２４ 取付け手段
２５ 径方向円周フランジ
２６ フランジ
２８ 環状回転要素
２８Ａ 径方向歯
４１ シール
Ｃ１、Ｃ２ キャビティ

Claims (7)

1. ロータ（２）を備える高圧コンプレッサ、ディフューザ（６）、および燃焼室（８）の内側エンベロープの少なくとも一部を形成する固定された壁要素（１０）を、上流から下流端にかけて含んでいるガスタービンエンジン用のラビリンスシール装置であって、前記シール（２０）が、フランジ（２５および２６）を有する取付け装置（２４）によって壁要素に取り付けられて環状摩耗装置（２３）を支持するステータ部（２２）を有しており、、前記摩耗部は、ラビリンスシールを形成すべく、少なくとも一つの円周歯（２８Ａ）を具備してコンプレッサのロータ（２）と一体化されたロータ要素（２８）と共に作用し、前記取付け手段（２４）の少なくとも一つのフランジ（２５、２６）が、エンジンの加速中、ロータ要素（２８）の膨張速度に対してステータ部（２２）の膨張速度を調和させるような質量を有することを特徴とする、装置。
2. 壁部（１０）が、取付け手段（２４）に隣接して配置された通気孔（１０Ａ）を含む、請求項１に記載の装置。
3. シールのステータ部（２２）が、外側で径方向取付けフランジ（２５）と一体化された第二の環状部分（２２Ｂ）の中に下流側で延びる摩耗部（２３）を収容する第一の部分（２２Ａ）を含んでおり、前記取付けフランジ（２５）は、前記壁要素（２４）と一体化された取付け手段（２４）を形成すべく、前記壁要素（１０）と一体化された内部取付けフランジ（２６）と共に作用し、第二の部分（２２Ｂ）、取付け手段（２４）および壁要素（１０）が、最初のキャビティ（Ｃ１）を画定する、請求項１または２に記載の装置。
4. 第一のキャビティ（Ｃ１）は、通気孔（１０Ａ）を通して供給を受ける、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 第二の環状部分（２２Ｂ）は、第三の部分（２２Ｃ）内へフランジ（２５）の下流に延び、前記第二（２２Ｂ）および第三の部分（２２Ｃ）が、燃焼室エンベロープから或る距離で空気案内チャンネルを形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第三の部分（２２Ｃ）が、燃焼室エンベロープの壁要素（１０）と共に第二のキャビティ（Ｃ２）を形成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第一の部分（２２Ａ）は、壁要素（１０）と共に上流端への開いた通路を形成し、通気孔（１０Ａ）から来る空気が、第一のキャビティ（Ｃ１）内に案内され、ラビリンスシールの上流が排気される前に前記通路の中に案内される、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

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