JP2006342796A - ガスタービンエンジンのシールアッセンブリ、ロータアッセンブリおよびロータアッセンブリ用ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気の漏出を一定に制限するシールアッセンブリを提供する。
【解決手段】内側キャビティ５０は、環状ダクト３０の半径方向内側かつベーン支持部５２とロータアッセンブリ５４との間に位置する。冷却空気４０は、ダクト７０によりキャビティ５０内に導かれ、導管７２内を流れてブレード５８を冷却する。ランド８４およびセグメント状リング８６を備えるシール８０により、ダクト３０からキャビティ５０が隔てられ、全エンジン条件に亘って空気圧力が適切に維持される。リング８６は、ネック領域９６からキャビティ５０を横切って延びる。ブレード５８がディスクに挿入された状態で、隣接する複数のリングセグメント１８６が整列し、１つの完全なセグメント状リング８６が形成される。ランナ２００が軸１１に対して傾斜してリング８６から半径方向外側に延びることにより、漏出制限が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、そのようなエンジン内の構成部品間における流体の漏出を制限するシールに関する。

ガスタービンエンジンは、可燃性の混合気を燃焼器内で燃焼し、燃焼エネルギーを推進力に変換することにより作動する。燃焼ガスは、燃焼器から環状のダクトを通って軸方向後方に導かれ、ダクト内に配設された複数のタービンブレードの段と相互に作用する。ブレードにより、エンジンの長手方向の中心軸の周囲に回転可能に配設されたディスクに取付けられた１つまたは複数のブレードに燃焼ガスエネルギーが伝わる。通常のタービン部は、ステータベーンおよびロータブレードが交互に配置された複数の段を環状ダクト内に備える。

燃焼ガスの温度が２０００°Ｆ（約１０９３°Ｃ）以上に達する場合があるため、いくつかのブレードおよびベーンの段は、耐久性が向上するように、低温の冷却空気によって冷却される。第１の段のブレードを冷却する空気は、燃焼器を迂回し、第１の段のベーン支持部と第１の段のロータアッセンブリとの間に位置する内側キャビティに導かれる。ロータアッセンブリの回転力により、冷却空気が半径方向外側に送られて各ブレード内の一連の導管に導かれ、それにより所望の冷却がもたらされる。

内側キャビティの外側半径は、燃焼ガスを導く環状ダクトに隣接しているため、加圧された冷却空気が燃焼ガス流に漏出しないようにシールを施されなければならない。しかし、内側キャビティのこの領域をシールすることは、固定式の第１の段のステータベーン支持部と回転式の第１の段のロータアッセンブリとの間における遠心力および熱による膨張の差のために特に困難である。これまで、設計者により内側キャビティの外側半径をシールする試みがなされてきたが、その成果はさまざまであった。

そのような外側半径のシールの例としては、ラビリンスシールが挙げられる。通常の形態においては、多段形のラビリンスシールにより、内側キャビティが、概ね均等な大きさを有する外側領域および内側領域の２つの領域に分割される。外側領域は、燃焼ガスを導く環状ダクトと連通する。内側領域の冷却空気は、ロータディスクとラビリンスシールとの間に導かれて、ブレードの中空の導管内に送られる。ラビリンスシールにおいては、ロータが半径方向に最大限に変位する際にナイフエッジ形の歯部とラビリンスシールのランドが衝突しないように、ランドに予め溝を加工しなければならない。ラビリンスシールをロータアッセンブリの半径方向の最大変位時に合わせて設計することにより、ロータアッセンブリの低程度から中程度の半径方向の変位時における漏出制限能力が低下してしまう。ラビリンスシールから漏出する冷却空気は、ロータディスクにより外側領域を通って環状ダクトに送られる。このポンプ作用により、ブレード領域のディスクの温度が上昇するとともに、付随的に発生する（寄生）抵抗が生じ、これによりタービン全体の効率が低下してしまう。さらに、回転するエッジナイフにより、付加的な回転質量がガスタービンエンジンに加わり、それにより、エンジン効率がさらに低下してしまう。

さらに、そのような外側半径のシールの他の例としては、ブラシシールが挙げられる。通常の形態においては、ブラシシールにより、内側キャビティが、内側領域およびより小さい外側領域からなる２つの領域に隔てられる。自立形のサイドプレートアッセンブリにより、内側領域と流体連通するディスクキャビティが画定される。内側領域内の冷却空気は、ディスクキャビティに流入するとともに、回転するサイドプレートとディスクとの間に導かれ、ブレードの中空の導管に送られる。シールの毛（ｂｒｉｓｔｌｅ）のランドに対する接触圧力は、ロータが半径方向に最大限に変位する際に増加する。この接触圧力により、毛が折れ曲がった状態になってしまう場合があり、それにより、ロータの低程度から中程度の半径方向の変位時における漏出制限能力が低下してしまう。ブラシシールから漏出する冷却空気は、ロータディスクにより外側領域に送られる。この遠心ポンプ作用により、ブレード領域のディスクの温度が上昇するとともに、付随的に発生する（寄生）抵抗が生じ、これによりタービン全体の効率が低下してしまう。また、自立形のサイドプレートおよびミニディスクにより、回転質量がガスタービンエンジンに加わり、それによりエンジン効率がさらに低下してしまう。

前述の各シール形態により、冷却空気の漏出は、ある特定のエンジン運転条件下においては制限されるが、ロータの半径方向への変位全域に亘っては一定に制限されない。さらに、前述のシールを用いることにより、遠心ポンプ作用のためディスクの温度が上昇し、寄生抵抗のためエンジン効率が低下し、さらに付加的にエンジン重量が増加してしまう。したがって、ディスクや冷却空気の温度、エンジン効率またはエンジン重量に悪影響を及ぼすことなく、ロータの半径方向への変位全域に亘って流体漏出の制限を一定に保つシールが必要とされている。

本発明によると、ベーン支持部とブレード付ロータアッセンブリにより側面が画定された内側キャビティから加圧冷却空気の漏出を制限するシールが提供される。シールは、ベーン支持部により画定されたランドと、ブレード付ロータアッセンブリにより画定されたセグメント状のリングと、を備える。ブレード付ロータアッセンブリは、エンジンの中心軸の周囲に回転可能に配置されたディスクを備える。ディスクは、最も半径方向外側に位置するリムと、同数のブレードを受けるように前記リムの周囲で周方向に間隔を隔てた複数のスロットと、を備える。各ブレードは、半径方向最下部の取付部を備え、この取付部は、スロットに滑り係合する。ネック領域は、各ブレードの取付部とプラットフォームとの間でかつリムの半径方向外側に延びている。セグメント状のリングは、セグメント化された内側および外側のキャビティを画定するようにネック領域から延びている。ベーン支持部により画定されたランドは、内側キャビティの半径方向上方で、かつセグメント状リングに近接して配置される。セグメント状リングは、内側キャビティを横切って延び、シールを画定するようにランドと相互に作用する。

シールを内側キャビティの半径方向外側かつブレードのネック領域間に配置することにより、接線オンボードインジェクタ（ＴＯＢＩ：ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｏｎ ｂｏａｒｄ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）の配置およびポンプ作用による温度上昇および寄生抵抗が最小限に抑えられる。また、自立型のサイドプレートおよび複雑な多段形のラビリンスシールの機械部品が排除されることにより、エンジンの回転質量が減少する。

図１に示された典型的なガスタービンエンジン１０の主要部分は、長手方向の中心軸１１の周囲でかつ前方から後方に向かって、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン１８および低圧タービン２０を備える。作動流体２２は、圧縮機１２，１４を通って後方に向かって流れ、燃焼器１６に導かれる。そこで燃料が供給され、混合気が燃焼される。高温の燃焼ガス２４は、燃焼器１６から流出し、タービン１８，２０を通って環状ダクト３０内で膨張し、推力（スラスト）としてエンジン１０から排出される。作動流体２２の一部は、高圧圧縮機１４から流出して、燃焼器１６を迂回し、冷却空気４０として高圧タービン１８に導かれる。

次に図２および図３を参照すると、内側キャビティ５０は、環状ダクト３０の半径方向内側かつ軸方向には第１の段のベーン支持部５２と第１の段のロータアッセンブリ５４との間に位置する。ロータアッセンブリ５４は、中心軸の周囲に回転可能に配設されたディスク５６と、半径方向外側に延びる複数のブレード５８と、を備える。図４および図５に詳細に図示されているように、ディスク５６は、最も半径方向外側のリム６０と、モミの木形状の複数のスロット６２と、リム６０の周囲に沿ってスロット６２と交互に配設された複数のラグ６４と、を備える。各スロット６２は、滑り係合でブレード５８の半径方向最下部の取付部６６を受ける。１つまたは複数の歯部６７は、取付部６６の軸方向前方の面６８と軸方向後方の面６９との間で延び、ディスク５６が回転する際にブレード５８が外れないように隣接のラグ６４と係合する。１つまたは複数の歯部６７が突出することにより、各面６８，６９の外周に沿って相補的なモミの木形状が形成される。

エンジン１０の運転中、加圧された冷却空気４０は、ダクト７０により内側キャビティ５０内に導かれ、冷却空気４０の大部分は、ブレード５８を内部冷却するように用いられる。冷却空気４０は、ブレード取付部６６およびディスク５６により側面が画定されたプレナム７４と連通するとともに半径方向に延びる一連の導管７２を通ってブレード５８内に流入する。冷却空気４０は、その後、一連のフィルム孔７６を通ってブレード５８から流出する。ブレード５８を通る連続的な冷却空気４０の流れを確実に保つように、燃焼ガス２４の圧力よりも冷却空気４０の圧力を高く維持しなければならない。さもなければ、燃焼ガス２４がフィルム孔７６内に逆流して、ブレード５８の耐久性に影響を及ぼす可能性が生じる。

本発明の実施例による例示的なシール８０により、環状ダクト３０から内側キャビティ５０が隔てられ、それにより、全エンジン条件に亘る冷却空気４０の圧力が適切に維持される。シール８０は、環状ダクト３０の半径方向内側に位置し、シール８０と環状ダクト３０との間に外側キャビティ８２を画定する。外側キャビティ８２が相対的に小さいため、シール８０を通って漏出する冷却空気４０が燃焼ガス２４と混合される前に受けるロータアッセンブリ５４のポンプ作用は、相対的に最小となる。この最小限のポンプ作用により、ディスク５６の温度および空力抵抗に対する悪影響が制限され、エンジンの運転効率が向上する。

図２および図３の例示的なシール８０は、ベーン支持部５２により画定されるとともに周方向に配置されたランド８４と、ロータアッセンブリ５４により画定されたセグメント状のリング８６と、を備える。図示された実施例においては、ランド８４は、直線的な断面形状を備えているが、図６ａ〜図６ｈに図示されたような他の形状を備えていてもよい。異なった半径方向の位置に設けられた複数のランド８４を用いることにより、単一のランド８４の場合と比べて漏出制限が向上する。ランド８４は、ベーン支持部５２により一体的に画定されてもよく、またはセパレートアーム９２により画定され、溶接、ボルト締め、リベット打ち、または他の適切な手段によりベーン支持部５２に取付けられてもよい。ランド８４は、通常、ろう付によりベーン支持部５２またはアーム９２の面９４に取付けられるとともに、ハニカム構造または当分野に周知の他の摩耗性構造から構成される。

セグメント状リング８６は、ブレード５８のネック領域９６内で半径方向に位置する。ネック領域９６は、リム６０の上方でかつ取付部６６からプラットフォーム９８まで半径方向外側に延びている。プラットフォーム９８により、エアフォイル１００が支持されるとともに環状ダクト３０の半径方向内側の輪郭が画定される。個々のリングセグメント１８６は、各ブレード５８のネック領域９６から軸方向外側に延びるとともに、鋳造、旋削（ターニング）、研削、ブローチ削り、放電加工（ＥＤＭ）または他の適切な加工方法により形成される。ブレード５８がラグ６４の間に挿入された状態で、隣接する複数のリングセグメント１８６が実質的に整列して、１つの完全なセグメント状リング８６が画定される。図２に図示されたような単一のセグメント状リング８６を用いてもよいし、図３に図示されたような複数のセグメント状リング８６を用いてもよい。複数のセグメント状リング８６を用いることにより、漏出制限が向上するが、実際に用いるリングの数は、スペースや重量の要求条件によって制限される。

ランナ２００（ナイフエッジとして知られている）は、図２および図３に図示されたセグメント状リング８６から半径方向外側または内側に延びている。複数のランナ２００を加えることにより、冷却空気４０の漏出制限が向上するが、実際に用いるランナの数は、スペースや重量の要求条件によって制限される。ランド８４に隣接するランナ２００の幅は、ランナ２００とランド８４との間を流れる冷却空気４０の速度を減少させるように可能な限り薄いことが望ましい。ランナ２００とランド８４が断続的に接触する場合があるため、ランナ２００には、通常、コーティング、表面硬化または他の耐摩耗加工が施される。また、ランナ２００は、エンジン軸１１に対して約２２．５°〜約６８°の間、好ましくは５５°の角度で傾斜していてもよい。冷却空気４０の流れに対向する方向にランナ２００を傾けることにより、せき止め効果が生じて、漏出制限が向上する。また、ランナ２００を傾けることにより、より厚いセグメント状リング８６の長さを短くすることができ、これにより、重量がさらに減少する。ランナ２００のいくつかの実施例を図６ａ〜図６ｈに示す。

次に図４および図５を参照すると、隣接するリングセグメント１８６間の冷却空気４０の漏出は、局部的なシール手段を用いることにより最小限に抑えられる。例示的な実施例においては、隣接するリングセグメント１８６間のシールは、隣接するリングセグメント１８６の接触面に設けられた適合するタング１９０および溝１９２のジョイントにより実現する。実施例においては、直線状のタング１９０および溝１９２のジョイントを図示しているが、あらゆる適切な形状のジョイントを用いてもよい。また、フェザーシールや合いじゃくりシールなど、当業者に周知の他のシール手段を用いてもよいことを理解されるであろう。

図２および図３に示されたようにロータアッセンブリ５４が高圧タービン１８に取付けられた状態では、セグメント状リング８６は、ブレード５８のネック領域９６から内側キャビティ５０を横切って軸方向外側に延び、それにより、ランド８４に対してランナ２００が軸方向に整列する。ランナ２００とランド８４との間の十分な隙間により、組立時およびエンジン１０運転中におけるランナ２００およびランド８４の衝突が回避される。

例示的なシール８０は、固定部材と回転部材との間に設けられて図示されているが、例示的なシール８０を、２つの回転部材の間または２つの固定部材の間に配置してもよいことを理解されるであろう。

長手方向の中心軸に沿ったガスタービンエンジンの概略的な断面図。 本発明の実施例によるシールを示している図１のエンジンのタービンロータアッセンブリの部分断面図。 本発明の実施例による多段形のシールを示している図１のエンジンのタービンロータアッセンブリの部分断面図。 図２のタービンロータアッセンブリの部分等角図。 図２のタービンロータアッセンブリの部分前面図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。 本発明の実施例による図２および図３のシールを示す概略的拡大図。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン
１１…中心軸
１２…低圧圧縮機
１４…高圧圧縮機
１６…燃焼器
１８…高圧タービン
２０…低圧タービン
２２…作動流体
２４…燃焼ガス
３０…環状ダクト
４０…冷却空気
５０…内側キャビティ
５２…ベーン支持部
５４…ロータアッセンブリ
５６…ディスク
５８…ブレード
６０…リム
６２…スロット
６４…ラグ
６６…ブレード取付部
６７…歯部
７０…ダクト
７２…導管
７４…プレナム
７６…フィルム孔
６８…軸方向前方の面
６９…軸方向後方の面
８０…シール
８２…外側キャビティ
８４…ランド
８６…セグメント状リング
９２…セパレートアーム
９４…面
９６…ネック領域
９８…プラットフォーム
１００…エアフォイル
１８６…リングセグメント
１９０…タング
１９２…溝
２００…ランナ

Claims (18)

1. 加圧された流体を受容するキャビティを備えたガスタービンエンジンにおいて、前記キャビティからの前記流体の漏出を制限するシールアッセンブリであって、前記シールアッセンブリが、
   ロータアッセンブリと、
   前記ロータアッセンブリから軸方向に間隔を隔てた支持部と、
   を備え、
   前記ロータアッセンブリが、
   前記エンジンの中心軸の周囲に回転可能に配置されたディスクと、
   複数のブレードと、を備え、
   前記ディスクが、
   最も半径方向外側に位置するリムと、
   前記ディスクの軸方向の厚さにわたって延びる複数のスロットと、
   所定の形状を有するとともに前記スロットの間に配設された複数のラグと、
   を備え、
   前記複数のブレードが、前記ラグの間に挿入され、前記ブレードの各々が、
   隣接するラグと係合する相補的な形状を有する取付部と、
   前記取付部から半径方向外側に間隔を隔てたプラットフォームと、
   前記取付部と前記プラットフォームとの間で半径方向に延びるネック領域と、
   を備え、
   前記ロータアッセンブリおよび前記支持部により前記キャビティの側面が画定され、かつ前記支持部が、前記キャビティの半径方向外側でかつ前記ネック領域の間に位置する少なくとも１つのランドを備えるように、前記支持部が前記ロータアッセンブリから軸方向に間隔を隔て、
   前記ロータアッセンブリが、前記ネック領域から突出した少なくとも１つのセグメント状リングをさらに備え、前記少なくとも１つのセグメント状リングが、前記キャビティを横切って延びるとともにシールを画定するように前記少なくとも１つのランドと協働することを特徴とするシールアッセンブリ。
2. 前記少なくとも１つのセグメント状リングが、前記セグメント状リングから延びる少なくとも１つのランナを備え、前記少なくとも１つのランナが、前記シールを画定するように前記少なくとも１つのランドと協働することを特徴とする請求項１に記載のシールアッセンブリ。
3. 前記少なくとも１つのランナが、前記中心軸に対して約２２．５°〜約６８°の間の角度で傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のシールアッセンブリ。
4. 前記少なくとも１つのランナが、前記エンジンの中心軸に対して約５５°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項３に記載のシールアッセンブリ。
5. 前記支持部が、アームをさらに備え、前記少なくとも１つのランドが、前記アームにより画定されることを特徴とする請求項１に記載のシールアッセンブリ。
6. 前記少なくとも１つのランドが、階段形であることを特徴とする請求項１に記載のシールアッセンブリ。
7. 前記少なくとも１つのランドが、ハニカム構造からなることを特徴とする請求項１に記載のシールアッセンブリ。
8. 前記支持部が、固定式であることを特徴とする請求項１に記載のシールアッセンブリ。
9. エンジンの中心軸の周囲に回転可能に配置されたディスクと、
   複数のブレードと、
   を備えるロータアッセンブリであって、
   前記ディスクが、
   最も半径方向外側に位置するリムと、
   前記ディスクの軸方向の厚さにわたって延びるとともに前記リムの周囲で周方向に間隔を隔てた複数のスロットと、
   所定の形状を有するとともに前記スロットの間に配設された複数のラグと、
   を備え、
   前記複数のブレードが、前記ラグの間に挿入され、前記ブレードの各々が、
   隣接するラグと係合する相補的な形状を有する取付部と、
   前記取付部から半径方向外側に間隔を隔てたプラットフォームと、
   前記取付部と前記プラットフォームとの間で半径方向に延びるネック領域と、
   前記ネック領域から突出した少なくとも１つのセグメント状リングと、
   を備えることを特徴とするロータアッセンブリ。
10. 前記少なくとも１つのセグメント状リングが、前記セグメント状リングから延びる少なくとも１つのランナを備えることを特徴とする請求項９に記載のロータアッセンブリ。
11. 前記少なくとも１つのランナが、前記ロータアッセンブリの中心軸に対して約２２．５°〜約６８°の間の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載のロータアッセンブリ。
12. 前記少なくとも１つのランナが、前記ロータアッセンブリの中心軸に対して約５５°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１１に記載のロータアッセンブリ。
13. ガスタービンエンジンのロータアッセンブリ用ブレードであって、
    ロータと係合する取付部と、
    前記取付部から半径方向外側に間隔を隔てたプラットフォームと、
    前記取付部と前記プラットフォームとの間で半径方向に延びるネック領域と、
    前記ネック領域から突出しているリングセグメントと、
    を備えるブレード。
14. 前記リングセグメントが、前記リングセグメントから延びる少なくとも１つのランナを備えることを特徴とする請求項１３に記載のブレード。
15. 前記少なくとも１つのランナが、前記リングセグメントに対して約２２．５°〜約６８°の間の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１４に記載のブレード。
16. 前記少なくとも１つのランナが、前記リングセグメントに対して約５５°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１５に記載のブレード。
17. 前記リングセグメントが、シール手段を備えることを特徴とする請求項１３に記載のブレード。
18. 前記シール手段が、タングおよび溝を備えることを特徴とする請求項１７に記載のブレード。
    

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