JP2005291496A - ハイブリッドシール及びこれを組み込むシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンエンジンの隣接する構成部品をシールするためのハイブリッドシールに関する。
【解決手段】 特定の実施形態においては、システムは、第１の構造体（１６）と連通している第１の構造体（１６）と、第１の構造体（１６）と第２の構造体（１８）との間にシール組立体（２０）を収納する第２の構造体（１８）とを有する。シール組立体（２０）は、第１の構造体（１６）に接して配置された界面シール（２４）と、第２の媒体（３０）によって第２の構造体（１８）及び界面シール（２４）に接して加圧付勢される撓みシール（２６）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に、シールの方法及び構造に関し、より具体的には、タービンエンジンの隣接する構成部品をシールするためのハイブリッドシールに関する。

幾つかの用途では、隣接する構成部品間にシール構成を有する。一部の用途においては、シールは、隣接する構成部品間の相対的運動を可能にしながら、このような構成部品間の流体漏洩を実質的に最小限にする。これらのシールは、環境、流体、圧力範囲、及び温度範囲に応じて構造が変化する場合が多い。

例えば、タービンエンジンは、一般的に、内側シュラウド又は外側シュラウドなどの固定構成部品間にシールを有する。これらのタービンエンジンにおいては、内側シュラウドは、一般に高温燃焼ガスを受け、一方、外側シュラウドは、外側及び内側シュラウドを冷却するのに使用される低温パージガスを受ける。従って、内側及び外側シュラウドをシールして、外側シュラウドへの高温燃焼ガスの流れを防止し、及び内側シュラウドへの低温パージガスの漏洩を防止することが重要である。例えば、外側シュラウドへの高温燃焼ガスの漏洩は、タービンエンジン構成部品を損傷し、又はその寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。

従来より、内側及び外側シュラウドは金属製である。従って、既存のシールは、高温燃焼ガスの位置にある内側シュラウドに接して配置される金属スプラインを含み、該スプラインによって外部金属構成部品への高温燃焼ガスの漏洩を低減するようにしている。また、金属クロスシールをこのような位置に用いてもよい。作動時には、これらの金属シールは、タービンエンジン作動中の隣接構成部品間の異なる熱成長、非均一性、又は過渡的な運動に対応することができる。残念なことに、これらの金属シールは、タービン内の作動温度が上昇するにつれてこれらの使用を制限する、高温燃焼ガスによる酸化及び化学反応を受けやすい。

その結果、金属スプライン及び金属クロスシールなどの金属製シール構造体は、高い作動温度にはあまり好適なものではない。例えば、タービンエンジンの高温部分又は段は、現行の作動温度よりも約１００°から２００°高い温度範囲を有する可能性がある。従って、タービンエンジンの高温設計では、内側シュラウドは、一般にこれらの高い温度範囲に好適な材料で作られる。例えば、特定の高温タービンエンジンは、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）などの耐熱性セラミック材料で作られた内側シュラウドを有する。外側シュラウドなどの内側シュラウドを囲む構成部品は、一般に金属組成である。残念なことに、ＣＭＣ構成部品は、機械加工が困難であり、その結果、高温燃焼ガスの位置で金属製シールを機械的に取り込むことは困難である。ロープシール又はセラミックブロックシールなどの高温界面シールは、高温燃焼ガスによる化学反応に耐性があるが、これらのシールには、内側シュラウドと外側シュラウドとの間の異なる熱成長の期間中に望ましい可撓性がない。

上述のような用途においては、これらのＣＭＣ構成部品のシールを促進するために、ばね荷重シールを用いることができる。例えば、ばね荷重シールは、繊維からなる中央コアを備えたロープシール、コアを支持する周囲弾性ばね部材、及び該ばね部材を覆って互いに緊密に束ねられた編組シースファイバの少なくとも１つの層を有することができる。しかしながら、このようなシール機構は、改良された弾性及び荷重負担能力は有するが、高温で繰り返し荷重されたときにその弾性を失う可能性がある。
米国特許６，０３９，３２５号公報

従って、タービンエンジンなどの種々の用途において構成部品を効果的にシールするためのシステム及び方法に対する必要性がある。

第１の媒体と連通している第１の構造体と、第２の媒体と連通している第２の構造体との間に挿入するように適合された第１のシール機構を有するシールが提供される。また、該シールは、第２の媒体によって第１のシール機構及び第２の構造体に接して加圧付勢可能な第２のシール機構を含む。

特定の実施形態において、第１の媒体と連通している第１の構造体と、第１の構造体と第２の構造体との間にシール組立体を収納する第２の構造体とを有するシステムが提供される。該シール組立体は、第１の構造体に接して配置された界面シールと、第２の媒体によって第２の構造体及び界面シールに接して加圧付勢される撓みシールとを含む。

本発明のこれら及び他の特長、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読んだときにより良く理解されるであろう。

以下に詳細に検討するように、構造体によって隔てられる、高温ガス及び低温ガスなどの異なる構造体と媒体との間のシールを容易にするために様々なシール機構を採用することができる。１つのこのような実施例は、高温燃焼ガス及び比較的低温のパージエアを受けるタービンエンジンである。図１は、本手法の実施形態による独自のシール機構を有するタービンエンジン１０を示す部分断面図である。図示するように、タービンエンジン１０は、点１２（即ち、軸線は、図１の平面に対して垂直方向）によって全体的に表された軸線回りに回転する、円周方向で離間された複数のバケット又はブレード１４を備える。タービンエンジン１０は、これらのブレード１４の外周に、リング状構成で複数のブレード１４回りに同心に延びるシュラウド状構成又は内側シュラウド１６を備える。内側シュラウド１６は固定式であり、その周りで同心に延びる外側シュラウド１８によって囲まれる。燃焼器（図示せず）によって発生した高温燃焼ガス２２は、複数のブレード１４を軸線１２回りに回転させる。また、内側シュラウド１６と外側シュラウド１８との間に、タービンエンジン１０は、以下で更に詳細に説明する種々の実施形態によるハイブリッドシール２０を有する。当業者には理解されるように、タービンエンジン１０の高温燃焼ガス２２は、回転ブレード１４と固定式内側シュラウド１６との間を通過する。従って、ハイブリッドシール２０は、内側及び外側シュラウド１６及び１８と、対応する内部高温燃焼ガス２２及び外部ガス２３（例えば、低温空気流）との間のシールを促進する。

図２は、本手法の実施形態による例示的なハイブリッドシール２０を示すタービンエンジン１０の軸方向に沿った断面図である。図示するハイブリッドシール２０は、内側シュラウド１６と周囲の固定外側シュラウド１８との間の高温燃焼ガス２２の環状通路をシールするために使用される。

図示する実施形態においては、内側シュラウド１６は、実質的に高い温度においても高温ガス２２による化学反応に強い、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）などのセラミック材料を含む。図示する外側シュラウド１８は金属組成を含む。

図２の図示するハイブリッドシール２０は、界面シール２４とコンプライアントシール又は撓みシール２６とを含む。界面シール２４は、内側シュラウド１６に接して係合される。撓みシール２６は、外側シュラウド１８内部に収納され、界面シール２４上に配置される。作動時には、比較的低温のパージガス又はエア３０が、外側シュラウド１８内の通路２２を通って流れ、該外側シュラウド１８などの外部金属構成部品を冷却する。本手法の特定の実施形態によれば、パージガス又はエア３０は、比較的高い圧力で通路３２を通って流れて撓みシール２６に圧力荷重を加え、その結果、撓みシール２６が界面シール２４に対して、及び更に外側シュラウド１８の内面２８に対して空気圧により付勢されるようにする。例えば、パージガス又はエア３０は、約７００Ｋｐａから１２００Ｋｐａの圧力範囲を有することができる。有利には、パージガス又はエア３０はまた、撓みシール２６の冷却を促進する。撓みシール２６面は、パージエア３０に対する連続的な荷重面となり、これによって、タービンエンジン１０が外側シュラウド１８の円周に沿って離散的な数のパージエア通路３２又はパージ孔を有している場合でさえも高圧が均等に配分されることになる。

界面シール２４は、１つ又はそれ以上のロープシール又はブロックシールを含むことができる。例えば、ロープシールは、とりわけ酸化物分散強化合金などの高温金属合金、もしくは、アルミナ、アルミナシリカ、又は炭化珪素などのセラミック繊維を含むことができる。ロープシールの他の実施例には、上述の繊維の多層を有するハイブリッドロープシールが含まれる。別の実施例として、ブロックシールは、中実のセラミックブロックを含むことができる。作動時には、界面シール２４は、高温ガス２２に晒されて、内側シュラウド１６と係合する。従って、界面シール２４は、耐酸化性、耐摩耗性、及び弾性であることが望ましい。撓みシール２６は、一般的に、Ｃ字形、Ｕ字形、又はＷ字形の断面を有する金属シールである。撓みシール２６は、一般的に、とりわけ、ニッケル基超合金、酸化物分散強化合金などの耐熱金属合金を含む。

当業者によって認識されるように、上述のハイブリッドシール２０は、本手法の技術的な範囲内で様々な実施形態を有することができる。別の実施例として、図３から図１１は、図１及び図２を参照して例示されたハイブリッドシール２０の様々な代替的な実施形態を示している。ここで図３を参照すると、タービンエンジン１０の部分断面図は、界面シール又はロープシール３８、及びＣ字形撓みシール又はＣシール３６を有するシール構成を示している。図示するＣシール３６は、Ｃ字形断面を有する中空の円形又は楕円形構造体を形成し、外側シュラウド１８内で凹状に下降し且つ該外側シュラウド１８内面２８に接して延びる。また、Ｃシール３６は、ロープシール３８の上部円周回りに延び、ロープシール３８は、内側シュラウド１６の頂部と係合する。作動時には、パージガス又はエア３０は、パージ通路３２を通って流れて、Ｃシール３６に対して高圧を発生させる。Ｃシール３６の上部面は、パージエア３０に対する連続的な荷重面となり、Ｃシール３６全体にわたるパージエア圧力の均一な分布を容易にする。パージエア３０によって作用される圧力は、Ｃシール３６の外面に対して実質的に垂直方向である。有利には、Ｃシール３６及びロープシール３８に加わるこの圧力荷重は、ロープシール３８を付勢して内側シュラウド１６とより緊密でよりシールされた係合となり、同時に、ロープシール３８及びＣシール３６が外方に広がり外側シュラウド１８の内面とより緊密でよりシールされた係合となる。

図４は、本手法の実施形態による代替的なシール構成４０を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。図示するように、シール構成４０は、エア通路３０に向かって上方に開いている凸状構成を有するＣ字形撓みシール３６を含む。Ｃ字形撓みシール３６は、外側シュラウド１８の内面２８とロープシール３８の外面の両方と係合する。従って、パージガス又はエア３０がＣ字形撓みシール３６と加圧係合すると、Ｃ字形撓みシール３６は、外側シュラウド１８の内面２８に対して外方に広がり外側シュラウド１８とのより緊密でよりシールされた係合を形成する。同時に、Ｃ字形撓みシール３６に対する圧力荷重は、ロープシール３８を内側シュラウド１６に接して外方に膨張させて、内側シュラウド１６とのより緊密でよりシールされた係合を形成する。更に、この圧力荷重によって、ロープシール３８を外側シュラウド１８の内面２８に接して外方に広げ、これにより内側シュラウド１６と外側シュラウド１８との間で更なるシールを形成することができる。この場合も、パージガス又はエア３０が比較的低温であるために、Ｃ字形撓みシール３６の冷却が促進される。

図５は、本手法の実施形態による代替的なシール構成４２を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。図示するように、シール構成４２は、Ｕ字形撓みシール又はＵシール４４とロープシール３８とを含む。図示するように、Ｕシール４４は、凹状中央部４３と対向する凸状外側部４５とを有する。この場合も、Ｕシール４４は、ロープシール３８の上部周縁を覆うように延びる凸状中央部４３を有すると共に、また外側シュラウド１８の対向する内面２８に接して係合する、対向する凸状外側部４５を有する。作動時には、加圧されたパージガス又はエア３０は、Ｕシール４４を内側シュラウド１６に接して下方に押しつけて、内側シュラウド１６に対するシールを促進すると共に、Ｕシール４４及びロープシール３８を外側シュラウド１８の内面に向かって外方に広げる。他のロープシールの場合と同様に、内側シュラウド１６に向かう下方圧力がロープシール３８を押しつぶし、ロープシール３８が外側シュラウド１８の内面２８に向かってＵシール３６を更に付勢するようになる。従って、シール構成４２は、内側シュラウド１６と外側シュラウド１８との間のほぼ均一なシールを促進する。

図６は、本手法の実施形態によるシールシステム４６を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。この実施形態においては、Ｕ字形シール４４は、パージガス又はエア通路３０に面する上に向かって開いた、すなわち凸状の構成を有する。この場合も、加圧されたパージガス又はエア３０が、Ｕシール４４を外側シュラウド１８の内面２８に向かって外方に広げると共に、同時に内側シュラウド１６に向かって下方にロープシール３８を付勢する。

図７は、本手法の実施形態によるシール構成４８を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。図示する実施形態においては、シール構成４８は、ロープシール３８の代替形態であるブロックシール５０を備えた図６のＵシール４４を有する。作動時には、加圧されたパージガス又はエア３０が、Ｕシール４４を外側シュラウド１８の内面２８に対して外方に付勢し、また、ブロックシール５０を内側シュラウド１６に対して下方に押す。特定の実施形態においては、ブロックシール５０は、セラミック、セラミックマトリクス複合材、セラミック被覆金属又は合金、或いは高温金属（被覆の有無を問わず）から構成することができる。

図８は、本手法の実施形態によるシール構成５２を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。図示するように、シール構成５２は、ロープシール３８に接して配置されたＷ字形撓みシール又はＷシール５４を含む。上記に詳細に論じたＣシール及びＵシールと同様に、Ｗシール５４は、パージエア３０からの圧力によって外側シュラウド１８の内面２８に接して付勢されることによって、ロープシール３８に接するパージエア３０に対して均一な荷重面を提供する。更に、加圧されたパージガス又はエア３０によって、Ｗシール５４が内側シュラウド１６に接して下方にロープシール３８を付勢するようになる。その結果、シール構成５２は、内側シュラウド１６と外側シュラウド１８との両方に接して圧力荷重が加えられ、同時に、パージガス又はエア３０の比較的低い温度からの冷却流が得られる。

別の実施形態によれば、撓み界面シール（例えば、Ｃシール、Ｕシール、又はＷシール）は、ロープシール又はブロックシールを有する代わりに、１つ又はそれ以上の位置にセラミック材の被覆を含むことができる。例えば、撓み界面シールは、金属組成を含むことができ、被覆は、セラミック組成を含むことができる。図９を参照すると、タービンエンジン１０の部分断面図は、本手法の実施形態によるシール構成５６を示している。図示するように、シール構成５６は、Ｃシール３６と、該Ｃシール３６の凸状面に沿って配置され且つ外側シュラウド１８の内面２８に接して係合されるセラミック被覆５８を含む。作動時には、加圧されたパージガス又はエア３０は、Ｃシール３６を外側シュラウド１８の内面２８に接して外方に広げると共に、同時に、Ｃシール３６を内側シュラウド１６に接して下方にシールさせる。内側シュラウド１６と外側シュラウド１８とのこれらの接点では、セラミック被覆５８は、高温燃焼ガス２２の熱、酸化及び他の悪影響に対してより耐性のある界面を形成する。

図１０に示す更に別の実施形態においては、タービンエンジン１０の部分断面図は、本手法の実施形態によるシール構成６０を示している。ここでは、シール構成６０は、外側シュラウド１８の内面２８及び内側シュラウド１６の頂面にて複数のセラミック被覆面６２に接して係合されるＣシール３６を含む。図示するように、これらのセラミック被覆面６２は、Ｃシール３６と内側シュラウド１６並びに外側シュラウド１８との間の界面を形成する。従って、これらのセラミック被覆面６２は、高温燃焼ガス２２の熱、酸化、及び他の悪影響に対してより耐性のある界面を提供する。

図１１は、本手法の実施形態によるシール構成６４を示すタービンエンジン１０の部分断面図を示す。図示する実施形態においては、シール構成６４は、複数の界面シール、すなわち外部ロープシール６６及び中央ロープシール６８などのロープシール部材を含む。また、シール構成６４は、３つのロープシール６８及び６８の全てと係合する基線シール又は撓みＷシール７０を有する。作動時には、加圧されたパージガス又はエア３０が撓みシール７０を外側シュラウド１８の内面２８に接して外方に広げると共に、同時にロープシール６６及び６８の各々を内側シュラウド１６に向けて下方に付勢する。また、この実施形態において、ロープシール６６及び６８に接する下方の圧力によって、より大きな中央ロープシール６８が強制的に外部ロープシール６６間の間隙を埋めることによって、外部ロープシール６６を外側シュラウド１８の内面２８に向けて外方に付勢する。また、シール構成６４は、１つ又はそれ以上のロープシール部材６６及び６８が過度の化学的又は機械的劣化に起因して不良となった場合にシール上の冗長性を与える。

特定の実施形態においては、図１１のロープシール６６及び６８は、セラミック材又は耐熱材料の繊維ロープを含むことができる。また、直径が小さい方のロープシール６６は、直径の大きい方のロープシール６８に結合して、シールファイバのネットワークを形成することができる。撓みシール７０は、例えば、耐熱金属であるコンプライアント材料を含む。撓みシール７０のコンプライアンスは、曲げ領域に対する特定の半径、及びＷ字形状を含む直線リガメントに対する特定の角度を指示することによって変えることができる。

図１２は、本手法の実施形態によるタービンエンジンにおいて提案されたハイブリッドシールを使用する方法７２を示す。図示するように、本方法７２は、界面シールをタービンエンジンの内側シュラウド１６に接して係合させる段階を含む（ブロック７４）。この段階７４は、図１に示すタービンエンジン１０の内側シュラウド１６に接して、中実セラミック製ブロックなどの１つ又はそれ以上のロープシール又はブロックシールを係合させる段階を含むことができる。上述のように、内側シュラウド１６は、高温ガス２２を受ける可能性がある。段階７６で、撓み金属シールを界面シールと接して係合させて、タービンの外側シュラウド内に収容する。上記で論じたように、外側シュラウド１８は、高温ガス２２よりも比較的低温のパージエア３０と連通することができる。段階７６は、上記で論じた実施形態で説明したように、金属性Ｃシール、Ｕシール、又はＷシールを所望の配向で界面シールに接して係合させる段階を含むことができる。段階７８で、内側シュラウド上で動作する高温ガスの様々なフローパラメータによって指示された所望の圧力までパージエアによって撓みシールに予荷重を加える。段階８０で、パージエアをある圧力で連続的にパージ孔に通して、撓みシールの外面上に均一に流れるようにする。従って、更に詳細に論じたように、この圧力によって、撓みシールが界面シール及び外側シュラウドの横方向の内面に接して付勢される。有利には、界面シール、撓み金属シール、及び内部及び外側シュラウド間の圧力荷重による係合は、これらの異なる構成部品及びガス間に均一で信頼性のあるシールを形成する。

図１３は、本手法の実施形態によるタービンエンジン用ハイブリッドシールの製造の例示的な方法を示す。方法８２は、界面シールをタービンエンジンの内側シュラウドと外側シュラウドとの中間に準備する段階（ブロック８４）を含む。上記で更に詳細に論じたように、内側シュラウドは、高温ガスと連通状態であるように適合され、一方、外側シュラウドは、比較的より低温のパージエアと連通状態であるように適合される。段階８４は、様々な実施形態で説明したように、ロープシール、中実セラミックブロック、又はセラミック被覆を準備する段階を含む。段階８６で、プロセス８２は、界面シール上、及び更に外側シュラウドの横方向内面に接して配置される撓みシールを準備する。段階８６は、Ｃ字形、Ｕ字形、又はＷ字形の断面を有する金属シールを準備する段階を含むことができる。更に、撓みシールは、耐熱金属から構成することができる。

上述の実施形態は、コンプライアント金属シール、並びに耐熱及び耐酸化性ロープシール及びセラミックブロックの利点を効果的に組み込む。上述の実施形態では、パージエアを用いてシールに予荷重を加えて付勢し、シールの機械的捕捉を不要とする。更に、外側シュラウドの横方向の内面に接して撓みシール撓みシールを空気圧により付勢することで、低温パージエアの高温ガス通路内への漏洩に対して望ましいシールが形成される。また、図示した各手法は、撓みシールの表面上での予荷重又は付勢圧力の均一な分布をもたらすものである。

本発明の幾つかの特長だけを本明細書で図示し説明してきたが、多くの改変及び変更が当業者には思い付くであろう。請求項で示す参照符号は、本発明の範囲を狭めることを意図するものではなく、その理解を容易にするためのものである。

本手法の実施形態によるハイブリッドシールを有するタービンエンジンの正面断面図である。 本手法の実施形態によるハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の１つの実施形態によるＣシール及びロープシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の実施形態によるＣシール及びロープシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の１つの実施形態によるＵシール及びロープシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の実施形態によるＵシール及びロープシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジン部分断面図である。 本手法の実施形態によるＵシール及びセラミックブロックシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の実施形態によるＷシール及びロープシールを採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の実施形態によるＣシール及びセラミック被覆を採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の代替的な実施形態によるＣシール及びセラミック被覆を採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の１つの実施形態による複数のロープシール部材を採用するハイブリッドシールを示す図１のタービンエンジンの部分断面図である。 本手法の実施形態によるハイブリッドシールを作動させる方法を示すフローチャートである。 本手法の実施形態によるハイブリッドシールを製造する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ タービンエンジン
１６ 第１の構造体
１８ 第２の構造体
２０ シール
２２ 第１の媒体
２４ 第１のシール機構
２６ 第２のシール機構
３０ 第２の媒体

Claims (10)

1. 第１の媒体（２２）と連通している第１の構造体（１６）と、第２の媒体（３０）と連通している第２の構造体（１８）との間に挿入するよう適合された第１のシール機構（２４）と、
   前記第２の媒体（３０）によって前記第１のシール機構（２４）及び第２の構造体（１８）に接して加圧付勢可能な第２のシール機構（２６）と
   を備えるシール（２０）。
2. 前記第１の構造体（１６）が内側シュラウドであり、前記第２の構造体（１８）が外側シュラウドであることを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
3. 前記第１の媒体（２２）が高温ガスであり、前記第２の媒体（３０）が前記高温ガスよりも比較的低温のパージガスであることを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
4. 前記第１のシール機構（２４）がセラミック材を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
5. 前記第１のシール機構（２４）がロープシール構造体（３８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
6. 前記第１のシール機構（２４）がブロックシール構造体（５０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
7. 前記第１のシール機構（２４）が複数のシール部材（６６、６８）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
8. 前記第２のシール機構（２６）がＣ字形構造体（３６）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
9. 前記第２のシール機構（２６）がＵ字形構造体（４４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。
10. 前記第２のシール機構（２６）がＷ字形構造体（５４）を備えることを特徴とする請求項１に記載のシール（２０）。

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