JP2008014305A - ガスタービンエンジン、ロータおよびその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シールディスク上に、断熱性材料および研磨性材料の双方を使用する。
【解決手段】ガスタービンエンジン１０は、固定ベーン２６と少し間隔を空けて回転するシールディスク５６を備えている。固定ベーン２６は、摩耗性の先端を備えている。シールディスク５６は、相対的に断熱性の材料６４と相対的に研磨性の材料６６の交互の部分を備えている。断熱性材料６４によって、シールディスク５６が熱膨張に耐えるのを補助できる。研磨性材料６６は、固定ベーン２６の磨耗性の先端を磨耗させるとともに、接近した最適な回転を保証している。
【選択図】図４

Description

本出願は、ガスタービンエンジンで利用され、ステータブレードに近傍して回転するロータに関する。特に、ロータ上のシールディスクが、断熱性材料部分および磨耗性材料部分を交互に備えており、ロータに各材料の有益な特性が備わっている。

航空機用ターボファンエンジンのようなガスタービンエンジンは、ファン部分、圧縮機部分、燃焼器部分およびタービン部分を備えている。エンジンの軸が、エンジン内に中心に配置され、複数の部分を通って縦に延びている。作動媒体ガス用の主流路が、エンジンの複数の部分を通って軸方向に延びている。

ファン部分、圧縮機部分およびタービン部分の各々は、ロータアッセンブリおよびステータアッセンブリを含んでいる。ロータアッセンブリは、ロータディスクおよび複数の半径方向に延びるブレードを含んでいる。ブレードは流路を横切って延び、作動媒体ガスと相互作用して、ファンブレードと作動媒体ガスとの間でエネルギを伝達する。ステータアッセンブリは、ケースと複数のベーンを備え、ロータアッセンブリを囲っている。

ガスタービンエンジンの一つの課題は、ロータとともに回転するシールディスクとステータベーンとの間に良いシールを設けることである。このシールを達成する一つの方法は、ベーン上に摩耗性シール材料を設けることである。摩耗性材料の磨耗に伴ってシールが形成されるように、シールディスクは摩耗性材料に接触しながら回転する。

この磨耗を最も上手く達成するために、シールディスク上に研磨性材料を備えることが望ましい。一方、シールディスクは、非常に高い温度にさらされやすい。熱膨張に耐えるのを補助するために、シールディスク上に断熱性材料を備えることが望ましい。

断熱性材料および摩耗性材料の双方の特徴を提供するという目標は、従来技術では達成されていない。従来技術のガスタービン設計者は、２つの材料から選択する必要がある。

本発明の開示された実施例では、ガスタービンエンジン用シールディスクは、断熱性が高い材料と研磨性が高い材料の交互の領域を備えている。開示された実施例では、溝がシールディスクに形成され、断熱性材料は溝の中に配置される。研磨性材料が、溝の間のランド部にコーティングされる。開示された実施例では、溝がシールディスクの軸方向の幅全てを覆うように螺旋状の配列になっている。

図１は、エンジンの中心線、つまり軸方向の中心軸１２を中心に周方向に配置したターボファンガスタービンエンジンのようなガスタービンエンジン１０を示す。ガスタービンエンジン１０は、ファン１４、圧縮機１６、燃焼器部分１８およびタービン２０を備えている。本技術分野でよく知られるように、圧縮機１６で圧縮された空気は、燃料と混合されて燃焼器部分１８で燃焼され、タービン２０で膨張される。圧縮機で圧縮された空気とタービン２０で膨張された燃料混合気は、両方とも高温ガス流れと呼ばれる。タービン２０は、膨張を受けて回転するロータ１５を備え、圧縮機１６とファン１４を作動させる。タービン２０および圧縮機１６のいずれも、回転するエアフォイルつまりブレード２４の列および固定のエアフォイルつまりベーン２６の列の交互の列を含んでいる。この構造は、図１にいくらか簡略的に示されている。実際には、ベーンとロータは別の部品である。本発明は、圧縮機部分について議論されているが、タービン部分についても用途がある。

図２は、従来技術のガスタービンエンジンの詳細を示す。図に示されるように、タービンブレード２４は、固定ベーン２６と間隔が空いている。固定ベーン２６は、内周側の周縁部に摩耗性先端シール５２を備えている。摩耗性先端シール５２は、シールディスク５６上の材料５８と少し間隔が空いている。シールディスク５６は、ロータディスク５４とブレード２４と共に回転する。

従来の技術では、材料５８に研磨性材料が選択され得る。この研磨性材料は、摩耗性先端シール５２を切り込み、即座に非常に密接したシールを形成するのを補助する。一方、シールディスク５６の熱膨張を防止するために領域５８に断熱性材料を有することが望まれる。従来の技術では、これらの材料のどちらかが選択されている。

図３は、発明のシールディスク５６を示す。図に示されるように、シールディスク５６は、間隔の空いたロータディスク５４の間に着座する耳部５７を備えている。溝６０が、周方向に延び、シールディスク５６の周りに螺旋状に設けられている。図３には小さな部分のみが示されているが、溝６０およびシールディスクは、３６０°に亘って延び、溝は３６０°の数個の周を備えている。ランド部６２が、溝６０同士の間に形成される。説明したように、溝は、初期の金属製ディスクの上に、ねじのように切削される。切削が完了するとランド部が残る。

図４からわかるように、断熱性材料６４が溝６０内に堆積している。研磨性が高い材料６６がランド部６２上に形成される。このように、研磨性材料は、断熱性材料よりさらに半径方向外側に延びている。理解できるように、シールディスク５６が固定ベーン２６に対して回転すると、摩耗性先端シール５２は、研磨性が高い材料６６に接触する。これにより、研磨性の高い材料６６は、摩耗性先端シール５２に切り込み、即座に密接したシールを形成する。一方、断熱性材料６４は、シールディスク５６の過度の熱膨張を防止する。

開示された実施例では、断熱材料はセラミック材料であり得る。研磨性材料は立方晶窒化ホウ素であり得る。開示された実施例に螺旋状の溝が示されているが、他の溝形状やピッチの大きさ等を、所望の熱的要求や研磨の要求を達成するのに最適化することもできる。

さらに、シールディスクが研磨性材料と断熱性材料との組み合わせで示されているが、いくつかの用途では、ステータベーンがこれらの材料を備え、摩耗性部分は回転している部材上に形成される。

従来技術のガスタービンエンジンをいくらか簡略的に示した図。 従来技術のガスタービンエンジンの一部を示した図。 本発明のシールディスクの断面図。 図３のシールディスクの一部に沿った図。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン
２６…ベーン
５６…シールディスク
６４…断熱性材料
６６…研磨性の高い材料

Claims (20)

1. 軸に沿って間隔を有するように、ファン部分、圧縮機部分、燃焼器部分、およびタービン部分を備え、前記ファン部分、前記圧縮機部分および前記タービン部分の各々は、回転ブレードを有する少なくとも１つのロータを備え、
   固定ベーンが、前記ファン部分、前記圧縮機部分および前記タービン部分の少なくとも１つに隣接して配置されており、
   前記部分の少なくとも１つにある前記ロータのロータシール部が、前記固定ベーンの半径方向内側部分と接触しながらシールするとともに、前記固定ベーンと前記ロータシール部の一方は摩耗性材料を備え、他方が相対的に断熱性の材料および相対的に研磨性の材料の両方を備える接触面を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記ロータシール部が、前記相対的に断熱性の材料および前記相対的に研磨性の材料を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. シールディスクが隣接するロータの間に配置されるとともに、前記シールディスクが、前記相対的に断熱性の材料および前記相対的に研磨性の材料を備えることを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン。
4. 前記相対的に断熱性の材料は、前記ロータシール部の外周の溝内に位置することを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン。
5. 前記溝は、概ね螺旋状即ちねじのような状態で前記軸に沿って延びることを特徴とする請求項４記載のガスタービンエンジン。
6. 前記相対的に研磨性の材料は、前記軸から半径方向外側に前記相対的に断熱性の材料より長く延びていることを特徴とする請求項４記載のガスタービンエンジン。
7. 前記相対的に断熱性の材料は、セラミックであることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
8. 前記相対的に研磨性の材料は、立方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
9. 前記少なくとも１つの部分は、前記圧縮機部分であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
10. 回転ブレードを有するとともにシールディスクを備えたロータであって、
    前記シールディスクは、固定ベーンの半径方向内側部分と接触しながらシールするとともに、半径方向外側面に相対的に断熱性の材料および相対的に研磨性の材料の双方を備えることを特徴とするガスタービンエンジン用ロータ。
11. 前記相対的に断熱性の材料は、前記シールディスクの外周の溝内に位置することを特徴とする請求項１０記載のロータ。
12. 前記溝は、概ね螺旋状即ちねじのような状態で前記軸に沿って延びることを特徴とする請求項１１記載のロータ。
13. 前記相対的に研磨性の材料は、前記軸から半径方向外側に前記相対的に断熱性の材料より長く延びていることを特徴とする請求項１１記載のロータ。
14. 前記相対的に断熱性の材料は、セラミックであることを特徴とする請求項１０記載のロータ。
15. 前記相対的に研磨性の材料は、立方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１０記載のロータ。
16. （ａ）ロータおよび該ロータとともに回転する複数のブレードを備えた少なくとも１つのロータ部分を提供するとともに、前記ロータから僅かな間隔を空けて固定ベーンを配置するステップと、
    （ｂ）前記ロータと前記固定ベーンの一方の上に摩耗性材料を設けるとともに、研磨性が高い材料と断熱性が高い材料の双方を備えた領域を、前記ロータと前記固定ベーンの他方の上に提供するステップと、
    （ｃ）前記固定ベーンに対して前記ロータを回転させるとともに、前記研磨性が高い材料で前記摩耗性材料を磨耗させるステップと、
    を備えることを特徴とするガスタービンエンジンを作動させる方法。
17. 前記研磨性の高い材料および前記断熱性の高い材料は、前記ロータとともに回転するシールディスク上に設けられることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 溝が前記シールディスクの外周に形成されるとともに、前記断熱性の高い材料が前記溝内に配置されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記溝は、概ね螺旋状即ちねじのような状態で、前記シールディスクに沿って延びるように形成されることを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記研磨性材料は、前記ガスタービンエンジンの軸から半径方向外側に前記断熱性材料より長く延びていることを特徴とする請求項１８記載の方法。

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