JP2007298033A - ガスタービンエンジンのためのシール組立体及びガスタービンエンジン - Google Patents

ガスタービンエンジンのためのシール組立体及びガスタービンエンジン Download PDF

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Abstract

【課題】固定ステータ部材(102)と回転部材(104)とを備えたガスタービンエンジン(10)用のシール組立体(100)を提供する。
【解決手段】本シール組立体は、一次シール組立体(106)と二次シール組立体(108)とを含み、一次シール組立体は、少なくとも1つのキースロット(118)を備えた可動ステータ部材(110)と、少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも1つのキー(116)を備えた少なくとも1つの付勢部材(114)とを含む。
【選択図】 図2

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンで使用するシール組立体に関する。
少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、作動中にエンジンを通って流れる大量の流体を有する。シール組立体は、より高い圧力の領域からより低い圧力の領域への流体流を制限することによってエンジン内の流体漏洩を制御する。シール組立体は、エンジン固定部材とエンジン内部の回転部材との間に配置することができる。さらに、シールは、構成部品間に形成された隙間内に存在する可能性がある過渡変動を吸収するのを可能にする。
ガスタービンエンジンシール組立体を通り抜ける流体漏洩は、燃料消費量を増大させ、エンジン効率に悪影響を与えるおそれがある。加えて、流体漏洩は、他の構成部品に損傷を引き起こしかつ/又はエンジン保守整備費用全体を増加させるおそれがある。シール組立体の位置及び/又は作動環境のために、少なくとも幾つかの公知のシール組立体は、時間の経過と共に劣化するおそれがある。
高圧及び低圧領域間に形成された隙間をシールするのを可能にするために、例えば米国特許第5,284,347号に記載されたシール組立体のような少なくとも幾つかの公知のシール組立体は、アスピレーションエアを使用して漏洩を制御している。アスピレーションエアは、回転部材が固定部材と接触するのを防止して、シール組立体の寿命にわたってシールの劣化が殆どないか又は全くない状態で回転及び固定部材間に形成された隙間における過渡変動を吸収するのを可能にする。しかしながら、多数のシール組立体構成部品のために、そのようなシール組立体は、エンジン内に取り付けるのが複雑になる可能性があり、またそのような組立体の重量は、エンジン性能に悪影響を与える可能性がある。さらに、多数のシール組立体構成部品のために、そのようなシール組立体の作動効率は、回転及び固定部材間の公差に左右される可能性がある。
米国特許第5,284,347号公報 米国特許第3,383,033号公報 米国特許第4,375,891号公報 米国特許第4,916,892号公報 米国特許第5,174,584号公報 米国特許第5,593,165号公報 米国特許第5,975,537号公報 米国特許第6,145,840号公報 米国特許第6,676,369B2号公報 米国特許第6,719,296B2号公報 米国特許第6,758,477B2号公報 米国特許第6,932,567B2号公報
1つの態様では、固定ステータ部材と回転部材とを備えたガスタービンエンジン用のシール組立体を提供する。本シール組立体は、一次シール組立体と二次シール組立体とを含む。一次シール組立体は、少なくとも1つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも1つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも1つのキーを含む。
別の態様では、固定ステータ部材と回転部材とシール組立体とを含むガスタービンエンジンを提供する。シール組立体は、一次シール組立体と二次シール組立体とを含む。一次シール組立体は、少なくとも1つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも1つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも1つのキーを含む。少なくとも1つのキーは、少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする。シール組立体は、固定ステータ部材と回転部材との間をシールするのを可能にする。
さらに別の態様では、ガスタービンエンジン内にシール組立体を組み立てる方法が開示される。この方法は、回転部材を備えたガスタービンエンジンに対して固定ステータ部材を結合する段階と、固定ステータ部材に対して一次シール組立体と二次シール組立体とを結合する段階とを含み、一次シール組立体は、少なくとも1つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも1つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも1つのキーを含む。本シール組立体は、固定ステータ部材と回転部材との間をシールするのを可能にする。
本明細書では、本発明をガスタービンエンジンにおけるタービンに対する圧縮機のインタフェース部に関連して説明しかつ図示しているが、本発明は、ガスタービンエンジン内の全体的に高圧のあらゆる領域とより低圧のあらゆる領域との間でのあらゆる流体の漏洩を制御するのを可能にするために使用することができることを理解されたい。
図1は、ファン組立体12と圧縮機14と燃焼器16とを備えたガスタービンエンジン10の概略図である。1つの実施形態では、圧縮機14は、高圧圧縮機である。エンジン10はまた、高圧タービン18と低圧タービン20とを含む。1つの実施形態では、エンジン10は、オハイオ州シンシナチ所在のGeneral Electric Companyから購入可能なCFM56型エンジンである。
作動中、空気はファン組立体12を通って流れ、加圧された空気が圧縮機14に供給される。加圧空気は、燃焼器16に送給される。燃焼器16からのガス流はタービン18及び20を駆動し、タービン20はファン組立体12を駆動する。
図2は、ガスタービンエンジン10内で使用することができる例示的なシール組立体100の断面図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン10は、フレーム103に結合された固定ステータ部材102と、回転部材104とを含む。フレーム103は、回転軸線(図2には図示せず)の周りに配置された固定円周方向部材である。1つの実施形態では、フレーム103は、ガスタービンエンジン10のケーシングの一部である。エンジン10を通って空気が流れるので、フレーム103は、流路空気を収容するのに役立つように構成される。さらに、固定ステータ部材102は、ガスタービンエンジン10の回転軸線の周りに配置された固定円周方向部材である。1つの実施形態では、固定ステータ部材102は、フレーム103にボルト止めされる。1つの実施形態では、回転部材104は、エンジン10内に回転可能に結合されて回転軸線の周りで回転するロータである。
この例示的な実施形態では、シール組立体100は、その各々がガスタービンエンジン10の回転軸線に対してほぼ同心に位置合わせされた一次シール組立体106と二次シール組立体108とを含む。一次シール組立体106は、可動ステータ部材110を含む。可動ステータ部材110はまた、少なくとも1つのキースロット118を含む。この例示的な実施形態では、可動ステータ部材110は、少なくとも3つのキースロット118を含む。可動ステータ部材110もまた、ガスタービンエンジン10の回転軸線の周りに配置された円周方向部材である。この例示的な実施形態では、可動ステータ部材110は、固定ステータ部材102の内部に配置される。一次シール組立体106はまた、少なくとも1つの付勢部材114を含む。この例示的な実施形態では、一次シール組立体106は、少なくとも3つの付勢部材114を含む。付勢部材114は、少なくとも1つのキー116と、付勢機構120と、ハウジング122とを含む。この例示的な実施形態では、ハウジング122は、該ハウジングが固定状態になるように固定ステータ部材102にボルト止めされる。さらに、この例示的な実施形態では、固定ステータ部材102は、該固定ステータ部材102の円周に沿って間隔を置いて配置された少なくとも3つのハウジング122を含む。付勢機構120はハウジング122内に内蔵され、キー116が、ハウジング122から半径方向外向きに延びる。キー116は、ハウジング122と一体形に形成される。この例示的な実施形態では、付勢機構120はスプリングであり、ハウジング122はスプリングカートリッジである。
可動ステータ部材110は、キースロット118を含む。この例示的な実施形態では、キースロット118は、可動ステータ部材110内に機械加工される。さらに、この例示的な実施形態では、可動ステータ部材110は、キー116の数に等しい数のキースロット118を含む。具体的には、キースロット118は、ある距離だけ延び、その中にキー116の一部分を受けるような寸法にされる。より具体的には、下記でより詳細に述べるように、キー116は、作動中に該キー116がキースロット118の距離の一部分に沿って移動可能になるようにキースロット118内に摺動可能に結合される。キー116は、キースロット内で移動して、可動ステータ部材を移動させるのを可能にする。さらに、キー116は、ガスタービンエンジン10に対して一次シール組立体106及び二次シール組立体108を位置合わせするのを可能にする。
可動ステータ部材110はまた、シール面124と該シール面124から外向きに延びる複数の歯126とを含む。この例示的な実施形態では、シール面124は、回転部材104の回転部材表面125とほぼ平行である。より具体的には、シール面124は、回転部材104からある間隔123だけ離れている。可動ステータ部材110はまた、その中に形成されかつシール面124を貫通して延びるように該シール面124内に配置された開口部127を含む。この例示的な実施形態では、開口部127は、回転部材表面125に対してほぼ垂直に配向される。下記でより詳細に述べるように、開口部127は、複数の歯126と回転部材104との間の接触を防止するのを可能にする。可動ステータ部材110はさらに、該ステータ部材110を貫通して延びる複数の半径方向開口部134を含む。この例示的な実施形態では、半径方向開口部134は、回転部材表面125にほぼ平行である。さらに、この例示的な実施形態では、半径方向開口部134は、開口部127間を横切る。
可動ステータ部材110はまた、その中に二次シール組立体108の少なくとも一部分を受けるような寸法にされたヨーク130を含む。より具体的には、二次シール組立体は、ヨーク130内に受けられたシール128を含む。この例示的な実施形態では、シール128は、ピストンリングシールである。別の実施形態では、シール128は、固定ステータ部材102によって保持することができる。
作動中に、冷却空気及び/又は流体は、ガスタービンエンジン10を通って流れる。エンジン10が作動中である時には、高圧空気が、エンジン10を通って前方から後方に流れる。高圧圧縮機14から吐出された高加圧空気の一部分は、冷却流体として使用するためにシール組立体100に向って導かれる。シール組立体100は、ガスタービンエンジン10内でのより高圧の領域137からより低圧の領域140への流体流を実質的に制御するのを可能にする。より高圧領域137とより低圧領域140との間の圧力差により、シール組立体100を通り抜ける流れが発生する。
付勢機構120は、回転部材104から離れる方向に可動ステータ部材110を付勢する。可動ステータ部材110は、ハウジング122、固定ステータ部材102及びフレーム103に対して前方及び後方に滑動する。ガスタービンン10の作動中には、高圧空気の一部分は、固定ステータ部材102と可動ステータ部材110との間に形成された領域138内に流入することになる。高圧空気は、可動ステータ部材110上に圧力を加えて、付勢機構120によって加えられた付勢力に抗してまた打ち勝つようにキースロット118内でかつ回転部材104に向って可動ステータ部材110を移動させる。具体的には、作動中には、キー116は、キースロット118が可動ステータ部材110の移動量を制限しかつ固定ステータ部材102、ハウジング122及びフレーム103に対する可動ステータ部材110の回転方向、円周方向及び/又は半径方向の移動を防止するように、キースロット118内で平行移動する。キースロット118はまた、ガスタービンエンジン10に対して一次シール及び二次シール組立体106及び108を位置合わせするのを可能にする。
加えて、作動中には、高圧空気の一部分は、開口部127を通って流れる。この例示的な実施形態では、開口部127は、複数の供給開口部である。開口部127は、該開口部127と回転部材表面125との間に高圧フィルム又は空気ベアリングを形成する。空気ベアリングは、可動ステータ部材110が回転部材104に接触するのを防止する。
空気は開口部127を通って流れた後に、該空気は、より低圧の領域140に流出する。また、空気の一部分は、シール歯126を通過して漏洩する可能性がある。シール歯126を通過して漏洩した空気及び開口部127から流出した空気は、半径方向開口部134を通ってより低圧の領域140に流れる。さらに、二次シール組立体108は、可動ステータ部材110と固定ステータ部材102との間の高圧空気の漏洩を防止する二次シールを形成する。
ガスタービンエンジン10が作動中でない時には、付勢機構120の付勢力は、回転部材104から離れる方向に可動ステータ部材110を移動させかつ該可動ステータ部材110を保持して部材104及び110間の接触を防止するように該可動ステータ部材110を押圧する。
ガスタービンエンジン10の組立時に、固定ステータ部材102は、回転部材104の近傍でガスタービンエンジン10のフレーム103に結合される。ハウジング122は、固定ステータ部材102に結合される。可動ステータ部材110は、固定ステータ部材102に結合されかつ該固定ステータ部材102の内部に配置される。キー116は、少なくとも部分的にキースロット118内に配置されかつキースロット118内で移動する。付勢機構120は、ハウジング122内に結合されかつ配置される。
上記のシール組立体は、可動ステータ部材を含む一次シール組立体と、二次シール組立体とを含む。可動ステータ部材は、回転部材と固定エンジンフレームとの間の漏洩を減少させるのを可能にする。その結果、エンジンは、より効率的に作動する。さらに、上記のシール組立体は、幾つかの公知のシール組立体よりも著しく少ない数の構成部品を含む。より少ない数の構成部品により、そのようなシールは、取り付けるのが安価になり、公知のシール組立体よりも製造するのが容易であり、保守整備の量及び費用が低減され、公知のシール組立体よりも信頼性がより高くなり、かつ重量もより軽量になる。シール組立体の重量は、エンジン性能に悪影響を与えるおそれがある。
以上、シール組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本シール組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態で使用することに限定されるものではなく、むしろ、本シール組立体は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本発明は、上に詳細に説明したシール組立体の実施形態に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で、シール組立体の他の変形形態を利用することができる。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。
例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図1に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的なシール組立体の断面図。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
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
100 シール組立体
102 固定ステータ部材
103 フレーム
104 回転部材
106 一次シール組立体
108 二次シール組立体
109 中心線
110 可動ステータ部材
114 付勢部材
116 キー
118 キースロット
120 付勢機構
122 ハウジング
123 間隔
124 シール面
126 複数の歯
127 開口部
128 シール
130 ヨーク
134 半径方向開口部
137 領域
138 領域

Claims (10)

  1. 固定ステータ部材(102)と回転部材(104)とを備えたガスタービンエンジン(10)用のシール組立体(100)であって、
    一次シール組立体(106)と、
    二次シール組立体(108)と、
    を含み、前記一次シール組立体が、
    少なくとも1つのキースロット(118)を備えた可動ステータ部材(110)と、
    前記少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されて前記ガスタービンエンジンに対して前記一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも1つのキー(116)を備えた少なくとも1つの付勢部材(114)と、を含む、
    シール組立体(100)。
  2. 前記一次シール組立体(106)が、少なくとも3つの付勢部材(114)をさらに含み、
    前記少なくとも3つの付勢部材が各々、付勢機構(120)とハウジング(122)とをさらに含み、
    前記付勢機構が、前記ハウジング内に内蔵される、
    請求項1記載のシール組立体(100)。
  3. 前記少なくとも1つのキー(116)が、前記ハウジング(122)からほぼ半径方向外向きに延び、
    前記少なくとも1つのキーが、前記一次及び二次シール組立体(106、108)間の回転方向位置合わせを可能にする、
    請求項2記載のシール組立体(100)。
  4. 該シール組立体が、前記固定ステータ部材(102)と前記回転部材(104)との間をシールするのを可能にする、請求項1記載のシール組立体(100)。
  5. 前記可動ステータ部材(110)が、少なくとも3つのキースロット(118)をさらに含み、
    前記少なくとも3つのキースロットが、前記固定ステータ部材(102)に対する前記可動ステータ部材の軸方向及び回転方向移動を制限するのを可能にする、
    請求項1記載のシール組立体(100)。
  6. 前記可動ステータ部材(110)が、それから外向きに延びる複数の歯(126)を備えたシール面(124)をさらに含み、
    前記シール面が、それを貫通して延びる開口部(127)をさらに含み、
    前記開口部が、前記可動ステータ部材と前記回転部材(104)との間の接触を防止するのを可能にする、
    請求項1記載のシール組立体(100)。
  7. 前記二次シール組立体(108)が、ピストンリングシール(128)を含み、
    前記可動ステータ部材が、ヨーク(130)を含み、
    前記ヨークが、その中に前記ピストンリングシールを受けるような寸法にされる、
    請求項1記載のシール組立体(100)。
  8. ガスタービンエンジン(10)であって、
    固定ステータ部材(102)と、
    回転部材(104)と、
    一次シール組立体(106)及び二次シール組立体(108)を備えたシール組立体(100)と、
    を含み、前記一次シール組立体が、
    少なくとも1つのキースロット(118)を備えた可動ステータ部材(110)と、
    少なくとも1つのキー(116)を備えた少なくとも1つの付勢部材(114)と、を含み、
    前記少なくとも1つのキーが、前記少なくとも1つのキースロット内に摺動可能に結合されて該ガスタービンエンジンに対して前記一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にし、
    前記シール組立体が、前記固定ステータ部材と前記回転部材との間をシールするのを可能にする、
    ガスタービンエンジン(10)。
  9. 前記可動ステータ部材(110)が、シール面(124)と前記シール面から外向きに延びる複数の歯(126)とをさらに含む、請求項8記載のガスタービンエンジン(10)。
  10. 前記可動ステータ部材(110)が、それを貫通して延びる開口部(127)を含み、
    前期開口部が、前記回転部材(104)と前記固定ステータ部材(102)との間の接触を防止するのを可能にする、
    請求項8記載のガスタービンエンジン(10)。
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