JP2007077983A - タービンの冷却空気のシール - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン内部、特にタービン部の流体の漏れを防止するシール装置を提供する。
【解決手段】タービンモジュール１８は、固定されたベーンの段１００、１０２及び回転するタービンブレードの段７４、７６を有する。ブレードの段７４、７６は、ベーンの段１００、１０２から離れて位置し、これらの間に環状のチャンバが形成される。マニフォルド１２６によって、加圧流体がチャンバ１４０に供給される。ベーンの段１００、１０２及びブレードの段７４、７６の近くに配置され、またはシール結合したカバープレート１８０を含む外径及び内径のシール手段が、加圧流体の漏れを防止する。フローガイドバッフル１４６は、静止したチャンバ１４７及び回転チャンバ１４０を形成するようにチャンバを分割している。これによって、タービンモジュール１８の流体の漏れを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にエンジン内部の構成要素間の流体の漏れを防止するシール装置に関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器内部で可燃性の燃料−空気の混合気が燃焼し、かつ燃焼によるエネルギを推進力に変えることによって作動する。燃焼ガスは、燃焼器から環状ダクトを通って軸方向に後方に案内され、ダクト内部に配置された複数のタービンブレードの段に接触する。タービンブレードによって、燃焼ガスのエネルギが、エンジンの長手方向の中心軸の周囲に回転できるように配置された１つ或いは複数のディスクに伝達される。一般的なタービン部分においては、環状ダクト内部に配置された固定されたベーン及び回転するブレードの複数の交互の段が存在する。

燃焼ガスの温度が２０００Ｆ゜或いはそれ以上に達するので、いくらかのブレード及びベーンの段は、耐久性を向上させるため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、燃焼器を迂回して、第１の段のベーンの枠と第１の段のロータアセンブリとの間に位置した内径側キャビティに案内される。ロータアセンブリの回転力によって、冷却空気が半径方向外側に圧送されるとともに、各ブレード内部の一連の通路に圧送され、これによって要求されるタービンの冷却がもたらされる。

内径側キャビティの外周側の領域が、燃焼ガスを搬送する環状ダクトに隣接しているので、加圧された冷却空気の漏れを防止するためにこの領域をシールする必要がある。内径側キャビティのこの領域は、固定された第１段のベーンの枠と回転する第１段のロータアセンブリとの間の熱膨張及び遠心力による伸びの違いにより、特にシールすることが困難である。従来より、設計者は色々な成功の度合いはあるものの、内径側キャビティの外周側の領域をシールすることを試みてきた。

このようなシールの例は、ＣａｎｔｏｒとＦａｒｒａｎｄによって発明された“Ａｎｔｉ−Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｆｅａｔｕｒｅ ｆｏｒ ａ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｒｏｔｏｒ Ｆａｃｅｐｌａｔｅ”という名称の米国特許第４，７０１，１０５号明細書に開示されている。この例においては、多段式ラビリンスシールが、内径側キャビティを概ね同じ大きさの２つの領域（内側の領域及び外側の領域）に分離している。外側の領域は、燃焼ガスを搬送する環状ダクトと流体的に結合しており、内側の領域の冷却空気が、回転するディスクとラビリンスシールとの間で圧送されてタービンブレードの中空の通路に入る。ラビリンスシールのランドは、通常、ロータの半径方向の変位が最大になる間に、ナイフエッジの歯とランドとの間が干渉しないように、あらかじめ溝が入っている。ロータアセンブリの半径方向の変位が最大になるときを考慮したラビリンスシールの設計では、ロータアセンブリの半径方向の変位が少量から中程度になる間に、流体の漏れを防止する機能が低下する。ラビリンスシールによって漏れた冷却空気は、回転するディスクによって内径側キャビティの外周側の領域を通って環状ダクトに圧送される。この圧送によって、タービンブレードの周辺でディスクの温度が上昇し、全体のタービン効率を低下させる付随の抗力が発生する。また、回転するナイフエッジによって、ガスタービンエンジンの回転質量が増加し、エンジン効率がさらに低下する。

このようなシールの別の例は、ＧｒａｎｔとＨｏｙｔによって発明された“Ｆｒｅｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｄｉｓｋ Ｓｉｄｅｐｌａｔｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ”という名称の米国特許第５，３１０，３１９号明細書ならびに、ＢｕｔｌｅｒとＧｅｒｎｈａｒｄｔによって発明された“Ｂｒｕｓｈ Ｓｅａｌ Ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ Ｖａｎｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｗｉｎｄａｇｅ Ｃｏｖｅｒ”という名称の米国特許第５，５２２，６９８号明細書に開示されている。この例に記載しているように、ブラシシールが、内径側キャビティを２つの領域（内側の領域及び小さい外側の領域）に分離している。独立した側板アセンブリが、内側の領域と連通するディスクキャビティを画定する。内側の領域の冷却空気が、ディスクキャビティに入るとともに、回転する側板とディスクとの間で圧送されてタービンブレードの中空の通路に入る。シールの剛毛とランドとの間の接触圧力は、ロータの半径方向の変位が最大になる間に増加するとともに、この剛毛が歪んで時間とともに固まる可能性があり、ロータの変位が少量から中程度になる間における流体の漏れを防止する機能が低下する。ブラシシールによって漏れる冷却空気は、回転するディスクによって外側の領域に圧送される。この圧送によって、タービンブレードの周辺でディスクの温度が上昇し、全体のタービン効率を低下させる付随の抗力が発生する。また、独立した側板及び小型のディスクによって、ガスタービンエンジンに回転質量が加わり、エンジン効率がさらに低下する。

いずれも２００５年６月７日に出願された同時係属中の“Ｈａｍｍｅｒｈｅａｄ Ｓｅａｌ”という名称の米国特許出願第１１／１４６，８０１号明細書、“Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｂｌａｄｅ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ”という名称の米国特許出願第１１／１４６，７９８号明細書、及び“Ｂｌａｄｅ Ｎｅｃｋ Ｆｌｕｉｄ Ｓｅａｌ”という名称の米国特許出願第１１／１４６，６６０号明細書は、改良したシール装置の内容を開示している。これらの出願の開示は、発明の詳細を説明するために参考として示している。
米国特許第４，７０１，１０５号明細書 米国特許第５，３１０，３１９号明細書 米国特許第５，５２２，６９８号明細書

本発明の１つの態様は、固定されたベーンの段及び回転するタービンブレードの段を有するタービンエンジン部に関する。タービンブレードの段は、ベーンの段から離れて位置し、これらの間に環状のチャンバが形成される。マニフォルドによって、加圧された流体がチャンバに供給される。外径側のシール手段が、チャンバからの加圧流体の漏れを防止する。内径側のシール手段が、チャンバからの加圧流体の漏れを防止する。バッフル即ちフローガイドが、内径側のシール手段とマニフォルドとの間に半径方向に延びている。フローガイドは、静止したチャンバ部分及び少なくとも第１のブレードの段のディスクに部分的に沿っている回転チャンバ部分を形成するように、チャンバを分割している。

種々の実施例においては、外径側のシール手段が、ディスクに取り付けられたカバープレートを備えてもよい。フローガイドは、ボルト継ぎ手によってマニフォルドもしくは内径側のシールの少なくとも一方に固定されてもよい。静止したチャンバ部分が、マニフォルド、フローガイド、及び内径側シールのランドによって区画され得る。マニフォルドを、ベーンの段に固定してもよい。回転チャンバ部分は、少なくとも部分的にディスクのウェブに沿ってもよい。

本発明の別の態様は、タービンロータスタックの第１のディスクの上流側に取り付けられたカバープレートを有するガスタービンエンジンに関する。冷却空気の放出口は、第１のディスクに隣接する領域に冷却空気を案内するように配置される。第１のディスクは、このディスクの周囲に多数のスロットを有する。第１のブレードの段の各タービンブレードは、第１のディスクの対応するスロットに受容される内側の取り付け部分を有する。カバープレートは、第１のディスクから遠ざかろうとする動きに抗してこのカバープレートを保持するために第１のディスクに係合している第１の部分を有する。カバープレートは、第１の部分の外側に位置し、かつブレードの上流側への動きを防止するように第１のブレードの段のタービンブレードに係合している第２の部分を有する。カバープレートは、第１のステータベーンの段の内側のシール構成要素に係合するシール部分を有する。フローガイドは、冷却空気の放出口とロータに対する内側のシールとの間に延びている。

種々の実施例においては、カバープレートが、内側の半径と周辺部の半径との間に半径方向のスパンを有する。第１のブレードの段における半径方向のスパンのハブ半径に対する比率は、０．２５以下であり、より狭くは、０．２０である。冷却空気の放出口は、ロータの長手方向の中心軸からの特性半径を有している。第１のブレードの段における特性半径のハブ半径に対する比率は、０．６０以上であり、より狭くは、０．７０以上である。この係合は、ロックリングを介してもよい。冷却空気の放出口は、接線方向オンボード噴射器でもよい。

本発明の別の態様は、タービンロータスタックの第１のディスクと第２のディスクとの間のシール装置を有するガスタービンエンジンに関する。この装置は、ステータベーンの中間の段のプラットフォーム構造体の内側に固定された回転しない第１の本体を含む。第１の本体は、少なくとも１つの磨耗性（ａｂｒａｄａｂｌｅ）のランドを支持している。第１のディスクは、少なくとも１つのランドにシール係合している少なくとも１つの第１のランナを支持している。第２のディスクは、少なくとも１つのランドにシール係合している少なくとも１つの第２のランナを支持している。

種々の実施例においては、第１のディスクが、最も上流側のディスクでもよい。第１のカバープレートに複数の第１のランナが存在し、かつ第２のカバープレートに複数の第２のランナが存在してもよい。シール装置は、実質的に第１のディスクと第２のディスクとの間に長手方向の力及びトルクを伝達しなくてもよい。シール装置は、ボアなしでもよい。

本発明の別の態様は、再設計の方法を含む。例えば、ガスタービンエンジンは、基本となる構造から設計し直した構造に再設計してもよい。再設計では、カバープレートの内側のシール部分を取り除いてカバープレートの半径方向のスパンを短くし、冷却空気の放出口を外側に移動させる。再設計することによって、この放出口から空気流の通路に沿ってフローガイドをさらに追加してもよい。

図１の一般的なガスタービンエンジン１０の主要な部分である低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービンモジュール１８、及び低圧タービンモジュール２０は、前方から後方に直列に備えられるとともに、長手方向の中心軸１１の周りに配置される。作動流体２２が、圧縮機１２、１４を通って下流側／後方に案内され、燃焼器１６に入る。燃焼器１６において、燃料が噴射されるとともに混合気が燃焼される。高温の燃焼ガス２４は、燃焼器１６を出てタービン１８、２０を通り、環状ダクト３０のコア流路内で膨張して、推力としてエンジン１０を出る。高圧圧縮機１４を出る作動流体２２の一部は、燃焼器１６を迂回し、冷却用空気４０として用いるために高圧タービンモジュール１８に案内される。

図２は、燃焼器１６の下流側の端部と高圧タービンモジュール１８の上流側の端部との間の境界面の詳細を示している。エンジンケース５０の内部において、タービンモジュール１８は、多数のディスクを備えるロータアセンブリ５２を具備する。最も上流側の第１のディスク５４の後に、第２のディスク５６が続く。更なるディスク（図示せず）が後に続いてもよい。例示的なディスクが、内側のボア５８からディスク外側の周辺部６０（図３）まで延びている。ウェブ６２が、ボア５８と周辺部６０との間に延びている。この周辺部６０から半径方向内側にスロット６６が延びており、円周方向に配列されている。スロット６６は、ディスク５４のそれぞれの上流側の面６８と下流側の面７０（図４）との間に長手方向または概ね長手方向に延びている。スロット６６は、通常、相補的に複雑な形状であるタービンブレードの根元部分７２を受容するために、複雑ないわゆるもみの木形状を有する。図４は、第１のディスク５４に取り付けられた第１の段のタービンブレード７４及び、第２のディスク５６に取り付けられた第２の段のタービンブレード７６を示している。ブレード７４、７６は、プラットフォーム８２の根元部分８０からエンジンケース５０によって支持された外側の空気シールシュラウド８６に近接して面している先端部８４（図２）まで延びているエアフォイル７８を有する。タービンブレード７４、７６の根元部分７２（図４）は、プラットフォーム８２から垂下している。例示的なエンジンにおいては、根元部分７２の内側の端部８８が、スロット６６の内側の端部９０から半径方向外側に離れて配置され、対応する通路９２が生じる。

多数のベーンの段が、ブレードの段に交互に挿入されている。図２は、燃焼器１６と第１段のブレード７４との間の第１段のベーン１００を示している。第２段のベーン１０２が、第１段のブレード７４と第２段のブレード７６との間に示されている。例示的なベーン１００、１０２は、内側のプラットフォーム１０６と外側のシュラウド１０８との間に延びているエアフォイル１０４を有する。例示的なシュラウド１０８が、エンジンケース５０に取り付けられてもよい。各々の段のベーンを、連続する一体型の円環として形成してもよく、或いは分割された円環として形成してもよい。

図２は、タービン冷却用の空気４０の一部１２２を案内する接線方向オンボード噴射（ＴＯＢＩ）冷却装置１２０の詳細を示している。空気の流れ１２２は、燃焼器１６の内側のディフューザプレナム１２４から案内される。冷却装置１２０は、放出口１３０で終端となる円周方向の列に並んだ導管１２８を有するマニフォルド１２６を備える。空気流１２２（図４）が放出口１３０を出ることによって、この空気流１２２は、２つの空気流１３２、１３３に分かれ、それぞれの空気流１３２、１３３は、ほぼ半径方向外側及び内側に拡がる。空気流１３２は、即座に２つの空気流１３４、１３５に分かれる。

空気流１３３（図２）は、第１段のディスクにおけるウェブの前方／上流側の面１４２とフローガイドバッフル１４６の後方／下流側の面１４４との間のチャンバ１４０に案内される。フローガイドバッフル１４６によって、前方のチャンバ１４７及びマニフォルド１２６の内側がほぼ閉鎖（しかし、シールする必要はない）される。故に、チャンバ１４０、１４７は、フローガイドバッフル１４６によって分割された大型のチャンバの一部として考えてもよい。チャンバ１４７は、固定されたチャンバであり、このチャンバ１４７を区画する面は、基本的に回転しない。チャンバ１４０は、部分的に回転するチャンバであり、このチャンバ１４０を区画する面の重要な部分が、ロータ（例えば、ロータの一部）とともに回転する。例示的なフローガイドバッフル１４６は、接合部１４８（例えば、ボルト円やすべり継ぎ手）においてマニフォルド１２８に取り付けられた外側の部分を有する。フローガイドバッフル１４６（図５参照）の内側の部分は、接合部１５２（例えば、ボルト円やすべり継ぎ手）においてシールキャリア１５０に取り付けられる。例示的なシールキャリア１５０の前方の部分は、接合部１５４（例えば、ボルト円）においてマニフォルド１２６に取り付けられる。シールキャリア１５０によって、磨耗性（ａｂｒａｄａｂｌｅ）のシール素材（例えば、ハニカムやすべり継ぎ手）でできているランド１５６が支持される。ランド１５６は、１つ或いは複数（例えば、２つ示されている）のナイフエッジ部材つまり、第１段のディスク５４に取り付けられた内側の第１の空気シール部材１６０のランナ１５８に係合する。これにより、ランド１５６及びランナ１５８によって、シール装置１６２が形成される。空気流１３３が、シールキャリア１５０及び内側の第１の空気シール部材１６０の前方のプレナム１６６からの圧縮空気を案内するロータ冷却流１６４からの漏れに対向する。また、空気流１３３によって、ウェブの上流側の面１４２に沿ってディスク５４が冷却され得る。フローガイドバッフル１４６は、回転するディスクに抵抗する加圧空気の容量を低減し、また隣接する空気流を案内して乱流及び渦の領域が発生するのを回避ないし抑制するように機能する。これによって、層流及び付随した高い熱伝達が促されるとともに、ディスクの風損による損失が抑制される。フローガイドバッフル１４６の形状は、チャンバ１４０の向かい側の構造体（例えば、ディスク５４の前面）の形状に密接に対応する。

図４は、空気流１３４、１３５の詳細を示している。双方の空気流１３４、１３５は、カバーつまり面板状のシール部材１８０（以下、“カバープレート”と記載）に接触する。以下で説明するように、空気流１３４は、カバープレート１８０の周囲を流れ、空気流１３５は、このプレート１８０を通って流れる。カバープレート１８０は、中央の開口部における内側の端部１８２から外側の周辺部１８４まで延びている。カバープレート１８０の内側の本体部分１８６は、このプレート１８０を第１段のディスク５４に取り付けるために機能する。取り付け部分１８６は、カバープレート１８０の内側部分１８８から半径方向外側に延びている。この内側部分１８８は、第１段のディスク５４のウェブにおける前方／上流側の面１４２に外側に面しているフックチャネル１９０と協働する。この協働は、ロックリング１９２を介する。カバープレート１８０の内側部分１８８とフックチャネル１９０とが協働することによって、第１段のディスク５４に対するカバープレート１８０の前方／上流側の動きが抑制される。

図４の断面を見ると、カバープレート１８０の保持部分２００が、このプレート１８０の本体部分１８６の外側の端部から枝分かれしているとともに、このプレート１８０の周辺部１８４に延びている。この周辺部１８４に近い後方／下流側の外周部分２０２は、ディスク５４のスロット６６（図３）に結合したタービンブレード７４の前方／上流側への動きを防止するために、このブレード７４の根元部分７２に係合している。通常、例示的なカバープレート１８０は、十分な保持バイアス力を得るために応力がかかっている状態になっている。故に、カバープレート１８０の保持部分２００は、応力及びこれに付随した歪みに最大限対応するために弓形断面になっている。また、シール部分２１０は、このプレート１８０の保持部分２００の前方に枝分かれしており、１つ或いは複数のランナ２１２に延びている。ランナ２１２は、第１のベーンの段のプラットフォームに取り付けられた第１の外側の空気シール部材２１６によって支持された、磨耗性のシール素材のランド２１４にシール係合している。シール部材２１６はまた、ブレード７４のプラットフォーム８２と第１段のディスク５４とが結合されたものの、ランナ２２０、２２２に係合する磨耗性のシール素材のランド２１８を備える（例えば、米国特許出願第１１／１４６，７９８号明細書にも示されている）。

空気流１３４は、この空気流１３４が第１のベーン段のプラットフォームと第１のブレード段との間を通ってコア流路２３０に入る前に、ランナ２１２、２２０、２２２の複合的なシール効果を受ける。空気流１３５は、半径方向外側にカバープレート１８０の開口部２３２（図６）を通る。開口部２３２は、対応したディスクの回転防止用の突起に対するカバープレートの位置決めとしても機能し得る。これにより、空気流１３５が、カバープレート１８０の保持部分２００とディスク５４との間を通って通路９２に入る。通路９２から、空気流１３５が、各ブレードの冷却用の通路網２３４を通って半径方向外側に進み、最終的にはタービンブレードのエアフォイルに沿って精細な冷却用の通路（図示せず）を通って出る。

種々の既存の冷却空気のシール構造に対して、例示的な構造は、１つ或いは複数の利点を有する。図４は、ロータの回転軸を形成するエンジンの中心軸１１に対して内側の半径Ｒ_Iならびに外側の半径Ｒ_Oを有するカバープレート１８０を示している。カバープレート１８０の半径方向のスパンは、Ｒ_OとＲ_Iの差である。図４は、第１段のブレード７４のプラットフォーム８２の最大半径である第１段のハブ半径Ｒ_H1をさらに示している。加えて、図４は、冷却空気の放出口１３０の特性半径Ｒ_Aを示している。この半径Ｒ_Aは、放出口１３０の公称半径の中心における半径や、流量平均半径などの半径でよい。図４の例示的な構造は、基本となる空気冷却装置の構造の再設計をも示している。基本の装置の再設計によって、半径Ｒ_Aが外周側に移動している。また、基本の装置を再設計することによって、カバープレート１８０の半径方向のスパン（例えば、絶対的なスパン及びスパンの比率のうちの少なくとも１つ）が短くなっている。半径Ｒ_H1に対するカバープレート１８０の半径方向のスパンの例示的な比率は、約０．１８５である。この比率の例示的な範囲は、最大０．２５であり、より狭くは、最大０．２０である。半径Ｒ_H1に対する半径Ｒ_Aの例示的な比率は、約０．７３である。この比率の例示的な範囲は、少なくとも０．７０であり、より広くは、少なくとも０．６０である。

例えば、図７は、例示的な基本となる従来技術のガスタービンエンジンの対応する部分を示している。従来技術の冷却空気の放出口５００は、比較的内側に位置している。さらに、従来技術のカバープレート５０２は、比較的大きな半径方向のスパンを有し、ＴＯＢＩ導管の外側のランド５０８に接触するランナ５０６を支持している内側部分５０４を備えている。ＴＯＢＩの放出口を出る空気流は、空気流５１０、５１２、５１４に分かれ、それぞれの空気流５１０、５１２、５１４は、空気流１３３、１３４、１３５にほぼ類似している。空気流５１２は、この空気流５１２が最終的に中心の流路を通る前に、ランナ５０６の周囲を通ってチャンバ５２０に入る。空気流５１４は、この空気流５１４が最終的にタービンブレードに到達する前に、カバープレート５０２の内側部分５０４とディスクのウェブとの間を通る。この図７の構成は、いくらかの非効率な点を有している。まず第１に、空気流５１４が、カバープレート５０２の内側部分５０４とディスクのウェブとの間を通るときに、この空気流５１４が加熱される点である。この加熱現象は、ディスクのウェブからの熱伝達及び遠心ポンプ効果を含む複合する要因によって生じ得る。これによって、空気流５１４によるタービンブレード冷却効率が低下し、所定のタービンブレードの冷却効果を得るために、より大きな流量を必要とする。同様の加熱現象が、空気流５１２に対して起こり得る。さらに、キャビティ５２０の内部で渦５２２が発生することによって、周辺の機器が部分的に加熱する可能性がある。高流量の冷却空気が、タービンの性能（例えば、動力、効率、及び排気組成）を損ねる可能性がある。

例示的な図２、図４のエンジンにおいては、フローガイドバッフル１４６が、前方のチャンバ１４７（図２）を閉鎖するので、空気流１３３の渦によるヒートポンプ効果が最小限になる。ＴＯＢＩの放出口を外側に位置させることによって、空気流１３５の加熱が最小限になる。これによって、より低温の空気をブレードに入れることができる。ランナ２１２、２２０、２２２によってもたらされたシールが、適切なエンジン性能を維持するために空気流１３４の流量を制限する。図７の基準に比較して、短くなったカバープレートのスパンによって、カバープレートの質量が減少する。このカバープレートの質量を、第１のディスクによって支持する必要があるので、このプレートの質量を低減することによって、第１のディスクの大きさを小型にすることができ、その結果、要求される質量も低減することができる。これによって、エンジン性能が向上し、エンジン重量等がさらに低減される。

また、図４は、第２のベーンの段に結合した例示的なステージ間のシール装置２４８の詳細を示している。回転しないシール本体２５０は、接合部２５２（例えば、ボルト円）によって第２のベーンの段のプラットフォーム１０６の内側に固定される。シール本体２５０は、連続する環形または分割された環形でもよい。実施例では、シール本体２５０が、上流側の磨耗性のシール用のランド２５４及び、下流側の磨耗性のシール用のランド２５６、２５８、２６０、２６２、２６４を支持している。ランド２５４は、第１段のディスク５４の下流側に取り付けられた下流側のカバープレート２７０のランナ２６６、２６８にシール係合するように配置される。ランド２５６、２５８、２６０は、第２段のディスク５６の前方／上流側に取り付けられたカバープレート２８６のランナ２８０、２８２、２８４に係合するように配置される。ランド２６２、２６４は、第２段のディスク５６と第２段のブレードとの結合体におけるシール部材（例えば、ブレードのプラットフォーム上もしくはその近傍）のランナ２８８、２９０に係合するように配置される。カバープレート２７０は、カバープレート１８０と同様に小さい半径方向のスパン（より小さくなければ）を有し得る。カバープレート２７０の半径方向のスパンの、第１段のハブ半径に対する例示的な比率は、０．１４３である。この比率の例示的な範囲は、最大０．２５であり、より狭くは、最大０．２０、さらに狭くは、最大０．１６である。

図７は、多数のランナ３０４が延びている第１の本体３０２を有する従来技術のステージ間のシール装置３００を示している。第１の本体３０２は、構造的に第１段のディスク及び第２段のディスクに結合しており、またこれらのディスクとともに回転する。ランナ３０４は、対応するベーンのプラットフォームに取り付けられた回転しない第２の本体３０８によって支持されたランド３０６に係合する。第１の本体３０２は、隣接するディスクの周辺部の間に広がってランナ３０４を支持している部分３１０を有する。構造的な一体化のため、第１の本体３０２は、ウェブ３１４によってこの部分３１０に結合したボア３１２を有する。

従来技術のシール装置３００に対し、図４のシール装置２４８は、１つ或いは複数の利点を有する。実質的に、シール装置２４８は、構造上ディスク５４、５６に結合していない。例えば、伝達する力及びトルクは、ランナ−ランド間の相互作用によって伝達される極僅かな力及びトルクに過ぎない。シール装置２４８がディスク５４、５６に結合していないことによって、２つのディスクの間での機械的もしくは熱的に生じる動きや形状変化から十分に独立したものとなる。タービン回転質量及び慣性も、低減される。例えば、回転するカバープレート２７０、２８６の質量及び慣性は、第１の本体３０２の質量及び慣性より小さくなり、引張荷重が低減する。

図８は、図４の第１のディスク及び第２のディスクの前方／上流側のカバープレートを無くした別の実施例を示している。ＴＯＢＩの放出口３５０から、それぞれの冷却空気の流れ３５２、３５４、３５６が放出され、これらの空気流３５２、３５４、３５６は、空気流１３３、１３４、１３５にほぼ類似している。空気流３５２は、ブラシシール装置３６０に衝突するようにバッフル３５８と第１段のディスクのウェブとの間を通る。空気流３５４が、半径方向外側に流れるとともに、ハンマヘッド型シール装置３６２（例えば、米国特許出願第１１／１４６，８０１号明細書にも開示されている）に衝突する。空気流３５６は、タービンブレードの空気供給通路３６４に直接流入する。同様に、ステージ間のシール装置３８０は、第２段のベーンのプラットフォーム３８４の内側で、かつこのプラットフォーム３８４に固定された回転しない第１の本体３８２を有する。上流側のシールサブシステム３８５においては、それぞれのランド３８６、３８８が、図４と同様の方法で第１のディスクに取り付けられたカバープレート３９４のランナ３９０、３９２をシールしている。ハンマヘッド型シール装置３９６によって、第２のディスクがシールされる。ハンマヘッド型シール装置３６２、３９６の各々においては、内側のランド及び外側のランドが、隣接するディスク及びブレード根元部分の組み合わせにおける１組のランナに対応するチャネルを画定するように、離れて配置されるとともに互いに面している。

図９は、図４のタービンブレードの根元部分のシールを無くしたさらに別の実施例を示している。カバープレートのシール部分は、維持されている。ブレードの根元部分のシールは、対応するシール本体４０８、４１０内でプラットフォーム下部の環状の区画を隔離するそれぞれのバッフル４００、４０２に置き換えられる。他のバッフルと同様に、バッフル４００、４０２は、前方に開いたほぼＣ型の断面を有してもよく、また薄板によって形成されてもよい。これらのバッフルは、ファスナ、リベット、或いはすべりばめによって固定されてもよい。これらのバッフルは、実質的に非構造的（例えば、結合した固定部品に実質的に強度を加えるものではなく、単に隣接する空気流を案内するに過ぎない）であってもよい。

本発明の実施例を示してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の変更が可能であることを理解できよう。例えば、既存のエンジンやエンジン構成の再生や再設計において実施する場合に、既存のエンジンや構成の細部が、特定の実施例の細部に影響を与える可能性がある。

長手方向の中心軸に沿っているガスタービンエンジンの概略の断面図。 図１のエンジンにおけるタービン冷却装置の構成要素の部分縦断面図。 タービンブレードを分解した状態で示す第１段のディスクの切り欠き斜視図。 図２の装置の拡大図。 図２の装置のフローガイドバッフルの切り欠き斜視図。 図２の装置のカバープレートの切り欠き斜視図。 従来技術の冷却装置の図。 他の実施例のタービン冷却装置の部分縦断面図。 さらに他の実施例のタービン冷却装置の部分縦断面図。

符号の説明

１６…燃焼器
１８…タービンモジュール
５０…エンジンケース
５４、５６…ディスク
５８…ボア
６２…ウェブ
７２…根元部分
７４、７６…タービンブレード
７８…エアフォイル
８０…根元部分
８２…プラットフォーム
８４…先端部
８６…空気シールシュラウド
１００、１０２…ベーン
１０４…エアフォイル
１０６…プラットフォーム
１０８…シュラウド
１２０…冷却装置
１２２、１３３…空気流
１２４…ディフューザプレナム
１２６…マニフォルド
１２８…導管
１３０…放出口
１４０、１４７…チャンバ
１４２、１４４…面
１４６…フローガイドバッフル
１４８、１５２、１５４…接合部
１５０…シールキャリア
１５６…ランド
１５８…ランナ
１６０…空気シール部材
１６２…シール装置
１６４…ロータ冷却流
１６６…プレナム

Claims (35)

1. 固定されたベーンの段（１００）と、
   上記ベーンの段から離れて位置し、このベーンの段との間に環状のチャンバが形成される回転するブレードの段（５４、７４）と、
   加圧された流体（１２２）を上記チャンバに供給するマニフォルド（１２６）と、
   上記チャンバからの上記加圧流体の漏れを制限する外径側のシール手段（１８０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、３６２）と、
   上記チャンバからの上記加圧流体の漏れを制限する内径側のシール手段（１５６、１５８、３６０）と、
   上記の内径側のシール手段と上記マニフォルドとの間に半径方向に延びており、静止したチャンバ部分（１４７）及び少なくとも第１のブレードの段のディスク（５４）に部分的に沿っている回転チャンバ部分（１４０）を形成するように、上記チャンバを分割するフローガイド（１４６、３５８）と、を備えることを特徴とするタービンエンジン部（１８）。
2. 上記の外径側のシール手段は、上記ディスク（５４）に取り付けられたカバープレート（１８０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
3. 上記フローガイド（１４６、３５８）は、ボルト継ぎ手によって上記マニフォルド（１２６）もしくは上記の内径側のシール手段の少なくとも一方に固定されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
4. 上記の静止したチャンバ部分（１４７）は、上記マニフォルド、上記フローガイド及び、上記の内径側シール手段のランドによって区画されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
5. 上記フローガイドは、前方に開いたほぼＣ型の断面であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
6. 上記マニフォルドは、上記ベーンの段に固定されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
7. 上記の回転チャンバ部分は、少なくとも部分的に上記ディスクのウェブ（６２）に沿っていることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部（１８）。
8. タービンロータスタックアセンブリ（５２）を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
   上記タービンロータスタックアセンブリ（５２）は、
   複数のディスク（５４、５６）と、
   複数の上記ディスクのうちの対応するディスクによって支持された複数のブレード（７４、７６）の段と、
   上記ブレードの段の間に挿入された複数のステータベーンの段（１００、１０２）と、
   複数の上記ディスクのうちの第１のディスクの上流側に取り付けられたカバープレート（１８０）と、
   上記第１のディスクに隣接する領域に冷却空気を案内するように配置された冷却空気の放出口（１３０）と、を備え、
   上記第１のディスクは、周囲に多数のスロット（６６）を有し、
   複数の上記ブレードの段における第１のブレードの段の上記ブレード（７４）の各々は、上記スロットのうちの対応するスロットに受容される内側の取り付け部分（７２）を有し、
   上記カバープレート（１８０）は、上記第１のディスクから遠ざかろうとする動きに抗して上記カバープレートを保持するために上記第１のディスクに係合している第１の部分（１８８）を有し、
   上記カバープレートは、上記第１の部分の外側に位置し、かつ上記ブレードの上流側への動きを防止するように上記第１のブレードの段の上記ブレードに係合している第２の部分（２０２）を有し、
   上記カバープレートは、複数の上記ステータベーンの段における第１のステータベーンの段の内側のシール構成要素に係合するシール部分（２１２、２２０、２２２）を有し、
   フローガイド（１４６）が、上記の冷却空気の放出口とロータに対する内側のシールとの間に延びていることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
9. 上記カバープレートは、内側の半径（Ｒ_I）と周辺部の半径（Ｒ_O）との間に半径方向のスパンを有し、上記第１のブレードの段における上記半径方向のスパンのハブ半径（Ｒ_H1）に対する比率は、０．２５以下であることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 上記カバープレートは、内側の半径（Ｒ_I）と周辺部の半径（Ｒ_O）との間に半径方向のスパンを有し、上記第１のブレードの段における上記半径方向のスパンのハブ半径（Ｒ_H1）に対する比率は、０．２０以下であることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
11. 上記の冷却空気の放出口は、上記ロータの長手方向の中心軸（１１）からの特性半径（Ｒ_A）を有し、上記第１のブレードの段における上記特性半径（Ｒ_A）のハブ半径（Ｒ_H1）に対する比率は、０．６０以上であることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
12. 上記の冷却空気の放出口は、上記ロータの長手方向の中心軸（１１）からの特性半径（Ｒ_A）を有し、上記第１のブレードの段における上記特性半径（Ｒ_A）のハブ半径（Ｒ_H1）に対する比率は、０．７０以上であることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
13. 上記の係合は、ロックリング（１９２）を介することを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
14. 上記の冷却空気の放出口は、接線方向オンボード噴射器であることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
15. ガスタービンエンジン（１０）であって、
    複数のディスク（５４、５６）ならびに、複数の上記ディスクのうちの対応するディスクによって支持された複数のブレード（７４、７６）の段を含むタービンロータスタックと、
    上記ブレードの段の間に挿入された複数のステータベーンの段（１００、１０２）と、
    上記第１のディスクに隣接する領域に冷却空気を案内するように配置された冷却空気の放出口（１３０、３５０）と、を備え、
    複数のディスクにおける第１のディスクは、周囲に多数のスロット（６６）を有し、
    複数の上記ブレードの段における第１のブレードの段の上記ブレード（７４）の各々は、上記スロットのうちの対応するスロットに受容される内側の取り付け部分（７２）を有し、
    半径方向外側に上記第１のブレードの段と上記第１のステータベーンの段との間を通ってコア流路（２３０）に案内される冷却空気の第１の流れ（１３４、３５４）及び、半径方向内側に、内側のシールに案内される冷却空気の第２の流れ（１３３、３５２）の少なくとも一方を有し、
    上記ガスタービンエンジンは、上記冷却空気の第１の流れ及び第２の流れのうちの少なくとも一方の渦を抑制する手段（１４６、３５８、４００）を備えることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
16. 上記の冷却空気の放出口（１３０、３５０）は、接線方向オンボード噴射器であることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
17. 上記の渦を抑制する手段は、上記の冷却空気の放出口の外側に位置するシールの外側に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
18. 上記の渦を抑制する手段は、環状のフローガイドを備えることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
19. 上記フローガイドは、上記第１のディスクの前方のチャンバの容量を減らし、上記第１のディスクの上流側の面の形状に類似した形状を有し、内側のシールと外側のシールとの間に位置することを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
20. 上記フローガイドは、該フローガイドの内側の端部及び外側の端部の一方において静止構造体に堅固に固定され、
    上記内側の端部及び外側の端部の他方においては、上記フローガイドは、上記の静止構造体に結合され、或いは上記の静止構造体にすべり継ぎ手接続されることを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
21. 上記の渦を抑制する手段は、内側の部分及び外側の部分が静止構造体に取り付けられた非構造体である環状のフローガイドを備えることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
22. 上記の渦を抑制する手段は、ほぼＣ型の断面である環状のフローガイドを備えることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
23. 上記の渦を抑制する手段は、上記の冷却空気の放出口の内側及び外側に、それぞれ第１の環状のフローガイド（１４６）及び第２の環状のフローガイド（４００）を備えることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
24. 上記タービンは、上記第１のディスクの上流側に取り付けられたカバープレートをさらに備え、
    上記カバープレートは、上記第１のディスクから遠ざかろうとする動きに抗して上記カバープレートを保持するために上記第１のディスクに係合している第１の部分を有し、
    上記カバープレートは、上記第１の部分の外側に位置し、かつ上記ブレードの上流側への動きを防止するように上記第１のブレードの段の上記ブレードに係合している第２の部分を有し、
    上記カバープレートは、上記第１のステータベーンの段の内側のシール構成要素に係合するシール部分を有することを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
25. ガスタービンエンジン（１０）であって、
    複数のディスク（５４、５６）ならびに、複数の上記ディスクうちの対応するディスクによって支持された複数のブレード（７４、７６）の段を含むタービンロータスタック（５２）と、
    上記ブレードの段の間に挿入された複数のステータベーンの段（１００、１０２）と、
    複数の上記ディスクのうちの第１のディスクの上流側に取り付けられたカバープレート（１８０）と、
    上記第１のディスクに隣接する領域に冷却空気を案内するように配置された冷却空気の放出口（１３０）と、を備え、
    上記第１のディスクは、周囲に多数のスロット（６６）を有し、
    複数の上記ブレードの段における第１のブレードの段の上記ブレード（７４）の各々は、上記スロットのうちの対応するスロットに受容される内側の取り付け部分（７２）を有し、
    上記カバープレート（１８０）は、上記第１のディスクから遠ざかろうとする動きに抗して上記カバープレートを保持するために上記第１のディスクに係合している第１の部分（１８８）を有し、
    上記カバープレートは、上記第１の部分の外側に位置し、かつ上記ブレードの上流側への動きを防止するように上記第１のブレードの段の上記ブレードに係合している第２の部分（２０２）を有し、
    上記カバープレートは、複数の上記ステータベーンの段における第１のステータベーンの段の内側のシール構成要素に係合するシール部分（２１２、２２０、２２２）を有し、
    フローガイド（１４６）が、上記の冷却空気の放出口とロータに対する内側のシールとの間に延びており、
    上記カバープレートは、内側の半径（Ｒ_I）と周辺部の半径（Ｒ_O）との間に半径方向のスパンを有し、
    上記第１のブレードの段における上記半径方向のスパンのハブ半径（Ｒ_H1）に対する第１の比率は、０．２５以下であり、
    上記の冷却空気の放出口（１３０）は、上記ロータの長手方向の中心軸（１１）からの特性半径（Ｒ_A）を有し、
    上記第１のブレードの段における上記特性半径（Ｒ_A）の上記ハブ半径（Ｒ_H1）に対する第２の比率は、０．６０以上であることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
26. 上記第１のブレードの段における上記ブレードは、少なくとも上記冷却空気の一部を受けるように配置された冷却用の通路を有することを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
27. 上記第１の比率は０．２０以下であり、上記第２の比率は０．７０以上であることを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
28. ブレード（７４、７６）の対応する段を支持する複数のディスク（５４、５６）を備えるタービンロータスタック（５２）と、
    上記ブレードの段の間に挿入された複数のステータベーンの段（１００、１０２）と、を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
    複数の上記ディスクの第１のディスクと第２のディスクとの間のシール装置（２４８、３８０）は、
    複数の上記ステータベーンの段におけるベーンの段（１０２）のプラットフォーム構造体（１０６、３８４）の内側に固定された回転しない第１の本体（２５０、３８２、４１０）と、
    上記第１の本体によって支持された少なくとも１つの磨耗性のランド（２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、２６４、３８６、３８８、３９７、３９８）と、
    上記第１のディスクによって支持され、かつ少なくとも１つの上記ランド（２５４、３８６、３８８）にシール係合している少なくとも１つの第１のランナ（２６６、２６８、３９０、３９２）と、
    上記第２のディスクによって支持され、かつ少なくとも１つの上記ランドにシール係合している少なくとも１つの第２のランナ（２８０、２８２、２８４、２８８、２９０）と、を備えることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
29. 上記第１のディスクは、複数の上記ディスクの最も上流側であることを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
30. 上記第１のランナとして第１のカバープレート（２７０、３９４）に複数の上記第１のランナを備え、
    上記第２のランナとして第２のカバープレート（２８６）に複数の上記第２のランナを備えることを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
31. 上記シール装置は、上記第１のディスクと上記第２のディスクとの間で長手方向の力及びトルクを実質的に伝達しないことを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
32. 上記シール装置は、ボアなしであることを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
33. ガスタービンエンジンは、ターボファンエンジンであることを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン（１０）。
34. ガスタービンエンジンの構造を、基本となる構造から設計し直した構造に再設計する方法であって、
    上記の基本構造は、タービンロータスタックを有し、
    上記タービンロータスタックは、
    複数のディスクと、
    複数の上記ディスクのうちの対応するディスクによって支持された複数のブレードの段と、
    上記ブレードの段の間に挿入された複数のステータベーンの段と、
    複数の上記ディスクのうちの第１のディスクの上流側に取り付けられたカバープレート（５０２）と、
    上記第１のディスクに隣接する領域に冷却空気を案内するように配置された冷却空気の放出口（５００）と、を備え、
    再設計では、上記カバープレートの内側のシール部分（５０４）を取り除いて上記カバープレートの半径方向のスパンを短くし、上記放出口（５００）を外側に移動させることを特徴とするガスタービンエンジンの構造を再設計する方法。
35. 上記の再設計によって、上記の冷却空気の放出口から少なくとも１つの空気流の通路に沿って少なくとも１つのフローガイド（１４６、３５８、４００）がさらに追加されることを特徴とする請求項３４に記載のガスタービンエンジンの構造を再設計する方法。

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