JP2005282571A - ターボジェットセクションの内側ケーシングと外側ケーシングとの間のシール - Google Patents

Abstract

【課題】動作条件によりよく適合される新たなタイプのシールを設置することによって、ターボジェットセクションの２つのケーシング間に耐久性のあるシールを提供する。
【解決手段】本発明は、外部ケーシングと、内部ケーシングと、シールとを備えるターボジェットセクションであって、シールは、軸方向の壁部８の１つの面にリークタイトな方式で固定された本質的に円筒状の第１の部分２１と、第１の部分から連続しかつ径方向の面から軸方向の壁部を分離する空間２３内に配置された第２の部分２２とを備える環状の金属薄板リングの形態で作られ、第２の部分は、ターボジェットの軸を包含する径方向の平面で断面がＶ字形状の輪郭を呈し、かつ径方向の面９に対してリークタイトに滑動接触する末端部分２５ａを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ケーシングによって囲まれかつ異なる圧力を受ける、ターボジェットの２つのエンクロージャ間のシールに関する。

本発明は、さらに詳細には、径方向内方に延びる面を有する外側ケーシングと、前記面に向かって延びる本質的に軸方向の壁部を有する内側ケーシングと、前記壁部と前記面との間に設置されたシールとを備え、シールは、前記シールの各側に位置している高圧力領域と低圧力領域との間の連通を妨げる、ターボジェットセクションに関する。

ターボジェットは、それを通って高温の作動流体が移動する環状チャネルを備えており、高温の作動流体の温度および圧力は、エンジンの要求されたパワーに応じて変動する。これらの温度変動は、チャネルのまわりのケーシングにおける膨張を誘発し、かつ特にタービンにおいて、最も高い温度にさらされる特定の構成要素は、高圧力の冷たい空気による冷却を必要とする。冷却は、高圧力コンプレッサ段から空気を取り込むことによってなされる。この冷却空気は、コンプレッサセクションおよびタービンセクションの外側ケーシングと内側ケーシングとの間に設けられるエンクロージャに沿って移動する。

温度における変動およびケーシングの膨張を引き起こす負荷変動のために、ともにボルト締めされるそれらの他端部から離れた各セクションの２つのケーシングの端部に、遊びが組み込まれる。エンジンの効率を低下させる、高圧力エンクロージャと低圧力エンクロージャとの間の漏洩を防止するために、２つのエンクロージャ間の圧力および温度の差異に耐えることができる伸長可能なシールによって、遊びが閉じられなければならない。

米国特許第６４３１５５５号および米国特許第６４６４４５７号は、環状シールを示し、この環状シールは、内部ケーシングにピンによって保持された複数のプレートセグメントから作られ、かつばねによって２つのケーシングの２つのそれぞれの台座部に接触して支持される。これらの構成は、組立の間により多くの労力を必要とし、かつ漏洩は、隣接するプレートの間に依然として生じ得る。

図１に示される高圧力コンプレッサに使用される他の技術は、一方は外側ケーシングにそして他方は内側ケーシングに、互いに対向して配置される２つの径方向の面の間へのオメガ環状シールの配置を含み、オメガ環状シールは、前記２つの面の間に圧縮されて保持されるベローズの形態をとる。

動作において、シールのキャビティを形成する２つのケーシング間に、径方向および軸方向の両方についての大きな相対的移動が存在するから、このオメガシールは、直ちに劣化し、いくつかの断片に分割される。シーリングはもはや充分ではなく、タービン冷却空気の加熱、およびコンプレッサのポンプマージンを劣化させ得る径方向の遊びの変更を、結果として生じ得る。

また、オメガシールは、２つの環状の相補的な軸方向の壁部間に径方向に配置されて保持され、相補的な軸方向の壁部の一方が内側ケーシングに形成され、かつ相補的な軸方向の壁部の他方が外側ケーシングに形成され、それらの相補的な軸方向の壁部の少なくとも１つは、他のケーシングの径方の向面に向かって延び、かつターボジェットエンジンの一定の動作条件のもとで軸方向の応力にさらされ得る。このことは、これらの相補的な軸方向の壁部に、一定の条件のもとで外側ケーシングに対する内側ケーシングの自由な膨張を妨げさせるために、余分な機械加工がなされることを必要とする。
米国特許第６４３１５５５号明細書 米国特許第６４６４４５７号明細書

本発明の第１の目的は、動作条件によりよく適合される新たなタイプのシールを設置することによって、ターボジェットセクションの２つのケーシング間に耐久性のあるシールを提供することにある。

本発明の他の目的は、シーリング位置におけるケーシングの構造の単純化を可能とするタイプのシールを提供することにある。

本発明は、シールが、軸方向壁部の１つの面にリークタイトな方式で固定された本質的に円筒状の第１の部分と、前記第１の部分から連続しかつ前記径方向の面から前記軸方向の壁部を分離する空間内に配置された第２の部分とを備える、環状金属薄板リングの形態で作られ、前記第２の部分は、ターボジェットの軸を包含する径方向の平面で断面がＶ字形状の輪郭を呈し、かつ前記径方向の面に対してリークタイトに滑動接触する末端部分を有することによって、その目的を達成する。

提案されたシールは、そのように、内側ケーシングの円筒状壁部にはめ合う第１の円筒状部分と、互いに通じる２つのくぼんだ部分からなる第２の部分とを有する、金属薄板リングの形態をとり、金属薄板リングの中央部分が、第１の円筒状部分に導かれ、他のくぼんだ部分の自由端が、外部ケーシングの径方向面に滑動接触する。

従来技術において見出された２つのケーシングの内部ケーシングの径方向の壁部と相補的な軸方向の壁部は、今やいかなる目的も果たさず、省かれ得る。

シールの第１の部分は、リベットまたはボルトによって、内部ケーシングの軸方向の壁部に固定され得る。

ろう付けにより内部ケーシングの軸方向の壁部に固定されても都合が良く、これは、この領域におけるシーリングを改善する。この場合に、第１の部分は、好ましくは、軸方向の壁部の隣接面に形成されたマッチングくぼみに位置している圧迫部を有する。このことは、内部ケーシングに対するシールの軸方向の並進移動を防止する。

全ての飛行条件のもとでのシーリングを保証するために、第２の部分は、内部ケーシングが外部ケーシングにはめ合わされたとき、軸方向の圧縮を受ける。

外部ケーシングの径方向の面でのシールの径方向滑動を改善するために、第２の部分の末端部分は、その軸方向外面が前記径方向の面に接触するように屈曲される。

本発明によるシールは、高圧力領域と低圧力領域との間の圧力差が、第２の部分の末端部分を径方向の面に向かって確実に応力を加えるように構成されている。換言すれば、もしも高圧力領域が、内部ケーシングの外側に径方向にあるならば、Ｖ字形状セクションの点は、軸方向の壁部の下方に径方向に配置され、逆にもしも低圧力領域が、内部ケーシングの外側に径方向にあるならば、第２の部分は、内部ケーシングの軸方向の壁部の上方に配置される。

本発明によるシールは、ターボジェットにおける高圧力コンプレッサに特に適しているが、ストレートナのケーシングまたはタービンのステータのような、ターボ機械構成要素の他の部品のために使用されることもできる。

本発明の他の利点および特徴は、添付された図面を参照して例を用いて与えられる、以下の記述を読むことによってわかるであろう。

図１は、ターボジェットに使用される、従来技術の高圧力コンプレッサのステータ１を示している。このステータ１は、内側ケーシング２と外側ケーシング３とを備え、これらケーシングは、フランジ４および５を通るボルトによって上流側で結合され、これらのフランジは、外側ケーシング３の環状の壁部６および内側ケーシング２の本質的に軸方向の環状壁部７にそれぞれ設けられる。環状の壁部７は、下流側に続いており、その本質的に円筒状の端部８は、（外側ケーシング２と一体化されている）径方向の面９の前で方向を変え、第２の径方向の壁部１０を形成し、第２の径方向の壁部１０は、次には外側ケーシング２の径方向の面９まで延びる相補的な軸方向の壁部１１に導く。径方向の面９によって制限された溝１２内に、軸方向の壁部１１および第２の径方向の壁部１０は、オメガタイプシール１３を有し、このオメガタイプシール１３は、外側ケーシング３の径方向の面９に接触し、かつ内側ケーシング２の径方向の壁部１０の対向する面に接触する。第２の軸方向の壁部１６が、溝１２の上方の外側ケーシング３に設けられている。

オメガシール１３は、その圧力がＰ１である、外側ケーシング３の下に位置するエンクロージャ１４と、その圧力Ｐ２が圧力Ｐ１よりも低い、軸方向の壁部７の端部８の下方に位置するエンクロージャ１５との間の連通を防止するように構成される。

図２および図３は、軸方向の壁部７の端部８に施された変更、および本発明によって提供される新たなシール２０を示し、この新たなシールは、内側ケーシング２の軸方向の壁部７の端部８と、外側ケーシング３の径方向の面９との間の連通を防止する。

本発明によれば、径方向の壁部１０および相補的な軸方向の壁部１１は、今や何の目的も果たさず、完全に除去することができ、それゆえ環状壁部７の下流側端部８の機械加工を容易にする。外部ケーシング３の第２の軸方向の壁部１６も、省略され得る。

シール２０は、別個の機能を有する２つの部分２１および２２を備える環状金属薄板リングの形態である。第１の部分２１は、本質的に円筒状をなし、かつその直径は、内側ケーシング２の環状の壁部７の端部８の外側直径と等しく、第１の端部２１が、この端部８にはめ込まれることができる。厳密な意味でのシールを形成する第２の部分２２は、軸方向の壁部７の端面８ａと径方向の面９とを分離する空間２３に配置され、ターボジェットの軸を包含する径方向平面で、断面が広がったＶ字形状セクションまたはＵ字形状セクションを示す。

この第２の部分２２は、環状の溝の形態をなして部分２６において一緒になる、２つのくぼみ部分２４および２５をさらに備えている。中間のくぼみ部分２４は、環状部分２７を介して第１の部分２１に交わり、環状部分２７の凸面２７ａが、圧力Ｐ１でかつ温度ｔ１の流体を含むエンクロージャ１４と同一の側にあり、圧力Ｐ１は、内側ケーシング２の軸方向の壁部７の下方に位置するエンクロージャ１５における圧力Ｐ２よりも大きい。

他方のくぼみ部分２５は、その末端部分２５ａが、第１の部分２１から離れた末端部分の面に、外側ケーシング３の径方向の面９に滑動接触する凸状環状面を持つように、その自由端へ向かって若干屈曲している。

２つのくぼみ部分２４および２５の間に存在する環状容積は、このように、高圧力エンクロージャ１４の内側に位置し、かつ第２の部分２２の２つの面における圧力差が、くぼみ部分２４をくぼみ部分２５から離れるように押す傾向がある。このことは、軸方向の壁部７の端部８と外側エンクロージャの径方向の面９との間の相対的な軸方向または径方向の動作の間に、２つのエンクロージャ１４および１５の間の連通を防止する。

図２に示される実施形態において、第１の部分２１は、軸方向の壁部７の外面にろう付けされる。第１の部分２１は、都合の良いことに、シール２０の並進移動を防止するために、軸方向の壁部７の外面に形成されるマッチングへこみ３１内に位置する圧迫部３０を有する。

図３に示される実施形態において、シール２０の第１の部分２１と内側ケーシング２の軸方向の壁部７の端部８は、シール２０が、軸方向の壁部の端部８にボルト締めされまたはリベット留めされるのを可能とするように、互いに位置合わせされた孔を含んでいる。

内側ケーシング２にシール２０を取り付けるためにどのような方法が選択されようとも、第２の部分２２は、内側ケーシング２が外側ケーシング３に取り付けられるときに、圧縮される。この第２の部分２２の幾何形状は、かなりの柔軟性を提供するように計算される。シール２０の断面は、それが、現在のオメガシールによって許容されるのよりも大きな相対的な移動を吸収するのを可能とするのに充分に大きく、より厚い金属薄板を使用可能とし、それによって接触面における摩損の影響を低減し、かつシール２０をより一層耐振動性とする。

内部ケーシングと外部ケーシングの間に、従来技術に従ったシールを備えるターボジェットの高圧力コンプレッサを通る断面を示す図である。 本発明の第１の実施形態に従ったシールが備えられた同様のコンプレッサを通る断面を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ ステータ
２ 内側ケーシング
３ 外側ケーシング
４、５ フランジ
６、７ 環状壁部
８ 端部
９ 径方向の面
１０ 径方向の壁部
１１ 相補的な軸方向の壁部
１２ 溝
１３ オメガタイプシール
１４、１５ エンクロージャ
１６ 軸方向の壁部
２０ シール
２１ 第１の部分
２２ 第２の部分
２３ 空間
２４、２５ くぼみ部分
２６ 部分
８ａ 端面
２５ａ 末端部分
２７ａ 凸面
３０ 圧迫部

Claims (9)

1. 径方向内方に延びる面（９）を有する外部ケーシング（３）と、前記面（９）に向かって延びる本質的に軸方向の壁部（８）を有する内部ケーシング（２）と、前記壁部（８）と前記面（９）との間に設置されたシール（２０）とを備えるターボジェットセクションであって、前記シール（２０）が、前記シール（２０）の各側に位置している高圧力領域と低圧力領域（１４、１５）の間の連通を妨げ、
   前記シールが、環状の金属薄板リングの形態で作られ、該環状の金属薄板リングが、軸方向の壁部（８）の１つの面にリークタイトな方式で固定された本質的に円筒状の第１の部分（２１）と、前記第１の部分から連続しかつ前記径方向の面（９）から前記軸方向の壁部（８）を分離する空間（２３）に配置された第２の部分（２２）とを備え、前記第２の部分が、ターボジェットの軸線を包含する径方向平面で断面がＶ字形状の輪郭を呈し、かつ前記径方向の面（９）に対してリークタイトに滑動接触する末端部分（２５ａ）を有する、ターボジェットセクション。
2. 第１の部分（２１）が、リベットまたはボルトによって軸方向の壁部（８）に固定される、請求項１に記載のターボジェットセクション。
3. 第１の部分（２１）が、ろう付けによって軸方向の壁部（８）に固定される、請求項１に記載のターボジェットセクション。
4. 第１の部分（２１）が、軸方向の壁部（８）の隣接面に形成されたマッチングくぼみ（３１）内に位置している圧迫部（３０）を有する、請求項３に記載のターボジェットセクション。
5. 第２の部分（２２）が、内部ケーシング（２）が外部ケーシング（３）にはめ合わせられたとき、軸方向の圧縮を受ける、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボジェットセクション。
6. 第２の部分（２２）の末端部分（２５ａ）が、該末端部分の軸方向外面が径方向面（９）に接触するように屈曲されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボジェットセクション。
7. シール（２０）は、高圧力領域と低圧力領域（１４、１５）の間の圧力差が、第２の部分（２２）の末端部分（２５ａ）に径方向の面（９）に向かう応力を加えるように形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボジェットセクション。
8. 第１の部分（２１）が、軸方向の壁部（８）の高圧力がかけられる面に当接される、請求項７に記載のターボジェットセクション。
9. 前記セクションが、高圧力コンプレッサである、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボジェットセクション。

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