JP2009052545A - シール組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 相対的に部品数が少なく、タービンエンジン内での流体の漏出を効果的に防止し、経時的に劣化しないシール組立体を開発提供すること。
【解決手段】シーリング位置と非シーリング位置との間で移動可能な第一の可動ステータ部材（１１０）と、前記第一のステータ部材（１１０）が相対的に移動可能な第二の固定ステータ部材（１０２）と、前記第二のステータ部材（１０２）に結合された少なくとも一つの屈曲部材（１５０）と、前記少なくとも一つの屈曲部材（１５０）と前記可動ステータ（１１０）との間に結合され、前記可動ステータ（１１０）を非シーリング位置に向けて付勢する少なくとも一つの付勢部材（１５１）と、を備えるシール組立体（１００）である。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、更に具体的には、ガスタービンエンジンで使用される組立体をシールすることに関する。

ガスタービンエンジンでは、動作中、エンジン流体流路を介して、空気等の大量の圧縮流体を移動させる。シール組立体は、高圧域から定圧域への流体の流動を制限することで、流体の望ましくない漏出を防ぐ。シール組立体は、エンジンの静止及び回転部材間に位置決めし得る。シールは、隣接するエンジン構成部品間の隙間における過渡変化を補う。

シール組立体の運転環境及び／又は動作環境のため、少なくとも一部の公知のシール組立体は、経時的に劣化する。シールが必要な密封を提供しない場合、流体は、シールを越えて漏出し、エンジンの動作に悪影響を与える。ガスタービンエンジンのシール組立体を介した流体の漏出は、燃料消費量を大幅に増加させ、エンジン効率に悪影響を及ぼし得る。更に、流体の漏出は、他のエンジン構成要素に損傷を引き起こし、全体的なエンジン維持費を増加させ得る。

高圧及び低圧領域間に定められた隙間の密閉を促進するために、米国特許第５，２８４，３４７号において説明されるシール組立体等、少なくとも一部の公知のシール組立体は、例えば、吸気を使用して漏出を制御する。吸気は、回転部材が静止部材に接触するのを防ぎ、回転及び静止部材間に定められた隙間における過渡変化への適応を促進し、シール組立体の全寿命に渡って、シールを殆ど又は全く劣化させない。しかしながら、こうしたシール組立体を構成する個別要素の数のため、こうしたシール組立体は、エンジン内での設置が複雑となる場合があると共に、こうした組立体の重量は、エンジン性能に直接的な悪影響を有するエンジン重量を増加させる。更に、シール組立体の構成要素数のため、こうしたシール組立体の動作効率は、回転及び静止部材間の許容範囲次第となり得る。

相対的に部品数が少なく、タービンエンジン内での流体の漏出を効果的に防止し、経時的に劣化しないシール組立体を開発する必要性が存在する。

シーリング位置と非シーリング位置との間で移動可能な第一の可動ステータ部材と、前記第一のステータ部材が相対的に移動可能な第二の固定ステータ部材と、前記第二のステータ部材に結合された少なくとも一つの屈曲部材と、前記少なくとも一つの屈曲部と前記可動ステータとの間に結合され、前記可動ステータを非シーリング位置に対して付勢する少なくとも一つの付勢部材と、を備えるシール組立体である。

本明細書には本発明の詳細な指摘と明確な請求を行う特許請求の範囲が添付されているが、本明細書に記載の実施形態は、同様の参照符号が同様の要素を特定する添付図面と併せて、以下の説明により良く理解されよう。

本明細書では、ガスタービンエンジン用のタービンインタフェースに対するコンプレッサに関連して本発明を説明及び図示しているが、本発明は、一般に高圧な任意の領域と任意の低圧領域との間でのあらゆる流体の漏出の制御を容易にするために使用し得ると理解されたい。

ここで、本発明のシール組立体は、簡略化されたシールを、従来技術のシールと比較して少ない部品数で提供し、これにより、シール組立体を簡略化すると共に、シール組立体の重量を低減する。例えば、関連するシール組立体において使用されるバネ組立体は、一個以上の屈曲部材に置換されている。本明細書で説明するように、屈曲部材は、非接触シールスライドとステータとの間に取り付ける。更に、従来技術のシーリングデバイスの二次的シール組立体は、単一のピストンリングシールに置換されている。単一のリングシールは、固定又は滑動ステータ内に保持し得る。一個以上の区局部材を設計に組み込んでよく、その数は設計の要件に応じて決まる。

図１は、ファン組立体１２と、高圧コンプレッサ１４及びコンバスタ１６を含むコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の一例の概略図である。エンジン１０は、更に、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から外側へ放射状に延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２７と、排気側２９とを有する。一実施形態において、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙより入手可能なＧＥ９０−１１５Ｂである。ファン組立体１２及びタービン２０は、第一のロータシャフト３１により結合され、コンプレッサ１４及びタービン１８は、第二のロータシャフト３３により結合される。

動作中、空気は、エンジン１０を貫く中心軸線３４と実質的に平行な方向で、ファン組立体１２を軸線に沿って通過し、圧縮空気が高圧コンプレッサ１４に供給される。高圧縮された空気は、コンバスタ１６へ送給される。コンバスタ１６からの気流（図１に図示無し）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１を経由してファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０内で使用し得る、シール組立体１００の一例の断面図である。実施形態例において、ガスタービンエンジン１０は、フレーム１０３に結合された静止ステータ部材１０２と、回転部材１０４とを含む。一実施形態において、回転部材１０４は、回転軸線３４を中心に回転するようにエンジン１０内で回転可能に結合されたロータである。フレーム１０３は、回転軸線３４（図２に図示無し）を中心に位置決めされた静止円周部材である。フレーム部材１０３は、フレームから外側へ延びる取り付けフランジ１０８を含む。一実施形態において、フレーム１０３は、ガスタービンエンジン１０のケーシングを含み得る。空気がエンジン１０を貫流する際に、フレーム１０３は、流路の空気を収容するのを助けるように構成される。

シール組立体１００の静止ステータ部材１０２は、ガスタービンエンジン１０の回転軸線３４を中心として円周方向に延びる静止部材である。ステータは、基部１１２と、フランジ部材１０９とを含む。基部は、基部シーリング面９０と、停止面１１３とを含む。フランジ及び基部は、垂直となる。図２に示したように、静止ステータ部材１０２は、留め具１０７によりフレーム１０３に固定される。留め具は、従来のボルト部材又は他の適切な締結手段を備え得る。ステータフランジ１０９及びフレームフランジ１０８は、留め具部材１０７により結合される。以下で更に詳細に説明する屈曲部材１５０は、留め具１０７の頭部１９０と、固定ステータ１０２のフランジ１０９の表面１１４との間に挟まれる。

シール組立体１００は、更に、シーリング面１２４と、シーリング面１２４の一部から外側へ延びる複数のシーリング歯１２７、１２８とを含む可動ステータ部材１１０を含む。ステータ１１０は、軸線に沿って、図２の方向矢印が全般的に表す方向に移動可能である。実施形態例において、シーリング面１２４は、回転部材１０４の回転部材表面１２５に実質的に平行である。図２に示した第一の位置において、シーリング面１２４は、回転部材１０４から距離１２３だけ離れて位置する。シール組立体の可動ステータ１１０は、タービンエンジンが使用されておらず、流体がエンジンの流路を貫流しない状態である時、第一の位置に配置される。

可動ステータ部材１１０は、更に、内部に定められた開口部１３５を含む。開口部は、可動ステータがフランジ１０８に正しく結合される時、軸線方向２００に延びる。図２に示したように、開口部は、可動ステータ面１２４と接触面１１８とを介して延びる。可動ステータが第一の縮小位置にある時、表面１１８及び１１３は接触する。この可動ステータ１１０及びフランジ１０８間の接触は、ステータ１１０の第一の位置への移動を制御する。

実施形態例において、開口部１３５は、回転部材表面１２５に対して実質的に垂直に配向される。以下で更に詳細に説明するように、開口部１３５は、可動部材１１０、具体的には、複数の歯１２７、１２８と、回転部材１０４との間の接触を防止するのを助ける。可動ステータは、任意の数の開口部１３５を有し得るが、実施形態例を開示するために、一つ以上の開口部１３５が可動ステータ１１０に含まれてよい。可動ステータ部材１１０は、更に、少なくとも一つの放射状に延びる開口部１３４を含む。実施形態例を開示するために、複数の開口部１３４が図示されている。しかしながら、任意の適切な数の放射状開口部をステータ１１０に設けてよい。開口部１３４は、可動ステータ部材１１０の表面１１９及び１２１を介して延びる。実施形態例において、各開口部１３５は、開口部１３４に隣接して位置する。

可動ステータ部材１１０は、更に、ヨーク１３０を含む。ヨークは、放射状に延び、シール部材１３２を受け入れる開口部１３１を定める。シール部材は、任意の適切なシーリング材料で作成し得る。図２及び３に示したように、開口部１３１に配置された時、シール部材の一部は、ヨークの自由端部１２９を越えて延びる。可動及び固定ステータが図示したように結合された時、自由端部１２９を越えて延びるシールの端部は、固定ステータ１０２の接触面９０と密封接触した状態となる。シール部材は、例えば、ピストンリングシールにしてよい。別の実施形態において、シールは、ステータ１０２により支持し、可動部材に沿ってシーリング面と係合し得ることに留意されたい。

図３は、本明細書においてシーリング位置とも呼ばれる第二の位置にある可動ステータ部材１１０を示す。空気をガスタービン流路に供給した時、空気の圧力は、可動ステータを方向２００で移動させる。ステータ部材を移動させる際に、シール１３２は、シーリング面９０との接触を維持する。可動ステータが部材１０４に向かって移動するにつれ、距離１２３の大きさは、可動ステータ部材が図２に示した第一の位置にある時の最大値から低減される。図３に示したように、可動ステータの移動が終了し、第二の位置にある時、シーリング面１２４と回転部材表面１２５とは、互いに近接する。

シール組立体１００は、更に、少なくとも一つの屈曲部材１５０を備える。屈曲部材は、実質的に平坦である。組み立てると、屈曲部材の一方の端部は、フランジ部材１０９に近接して位置する。この端部は、図２及び３において１５７として特定される。端部１５７及び１５２は、付勢部材１５１により接合させる。部材１５１は、図２に示した縮小長から、図３のシーリング位置に図示したような拡張長まで延長可能である。

屈曲部材１５０は、平面の外へ屈曲し、静止ステータ部材１０２と相対的な可動ステータ部材１１０の軸線方向での並進を可能にする弱いバネを含む。屈曲部材１５０の可動ステータ部材１１０との接続は、これらの図において、簡潔にするために、フレーム１０３へボルト留めするものとして図示しているが、可動ステータ部材１１０と一体化している。或いは、別個の部品にすることもできるが、こうした構成は、重量、複雑性、及び部品数を増加させ得る。

図９及び１０は屈曲部材（一連の番号１５０）を等角図（図３及び４の図に相当）で示す。屈曲部材は、ボルト接続１０７により静止ステータ１０８に固定される。屈曲部材は、更に、フランジ１５２において可動ステータ部材１１０と一体化させた付勢部１５１を含む。屈曲部材１５０は、可動ステータ部材１１０と一体化させてよいため、その部材１１０と共に鋳造し得る。

屈曲部材１５０は、可動ステータ部材１１０を移動させる付勢機構の役割を果たす。部材１５０は、可動ステータ部材を図２の第一の位置へ付勢する。屈曲部材１５０は、エンジンを通る気流が最低レベルまで低減された時、或いはエンジンを停止した時に、可動部材を第一の非シーリング位置へ戻す。屈曲部材１５０は、更に、可動部材１１０の並進を制御し、エンジン動作中にロータ１０４とステータ１０３との間での相対的な軸線方向の運動をもたらす。屈曲部材１５０は、例えば、タービンエンジン１０を切ってオフ位置にしてある時等に、シーリング面１２４が非加圧状態で開位置に保持されるように、停止部（表面１１３）に対して予荷重を与え得る。この状態は、駆動圧力が低い時又は存在しない時に、可動ステータ部材１１０のロータ１０４との滑り接触を防止するものであり、こうした接触は、意図的でない場合、シール組立体１００に損傷を与え、性能を低下させる。

図６では、屈曲部材１５０の一例を挙げている。屈曲部材１５０は、スチール、チタン、鉄、及びニッケルを含む、この技術で公知の一種類以上の金属から形成し得る。図示したように、屈曲部材１５０は、エンジン軸線３４を中心に可動ステータ部材１１０を配置する中央開口部１８３と、屈曲部材１５０の厚さに渡って延び、その間に材料のビームを定める開口部であるシーム１６０とを含む。シーム１６０は、屈曲部材１５０が図の面外へ所望の形で屈曲又は変位するのを可能にする。こうした屈曲部材１５０の動きは、例えば、シール組立体１００を指示又は必要に応じて開く又は閉じるように、可動ステータ部材１１０を必要な方向へ付勢する。

図６に示したように、屈曲部材は、三本のシームセグメント１６０を含むが、しかしながら、任意の数のシームを設けてよい。ビームの数は、図４に示したように、シール面１２４において所望の撓みが生じるように変更し得る。この実施形態において、それぞれのシームは、非弓形セグメント１９２により接合された二つの弓形セグメント１９０、１９１を含む。非弓形部は、放射状に配向される。図６に示したように、一本のシームについて、その一本のシームに対して時計回り及び反時計回り方向にある各隣接シームの弓形セグメントの一つは、その一本のシームの弓形セグメントと平行に配置され、放射セグメント１９２の長さにほぼ等しい放射方向の距離により分離される。屈曲部材１５０は、可動ステータ部材１１０を収容する中央開口部１８３を有する、図６に示したような環状部材として構成し得る。更に、屈曲部材は、任意の適切なシーム配置を有し得る。シームの別の設計を図７及び１２に示す。適切なシーム配置は、共に接続された隣接ビーム群を含み得る。この接続は、図１９及び２０に示した接続セグメント１６２のように、近端部に位置してよい。隣接ビームの接続は、材料及び構造の詳細と動作環境とに応じて様々な利点をもたらす。生じ得る利点の一つは、ビームの振動数を高めることであり、例えば、通常の及び／又は予測可能なエンジン動作条件において発生が見込まれる範囲の外へ、振動数を移行させること等である。

シーム１６０は、屈曲部材１５０の屈曲と、それによる要求通りの付勢とを可能にするのに適切となるように、事前に決定されたパターンで切り込まれた、各屈曲部材１５０内の開口部である。シーム１６０を屈曲部材１５０へ切り込む適切な方法は、当業者の周知のプロセスである放電加工によるものである。但し、ここで、屈曲部材１５０にシーム１６０を切り込む方法は、本発明の一部を成すものではないことに留意されたい。別の実施形態において、屈曲部材１５０は、シーム１６０が鋳造プロセスの副産物となるように鋳造され、即ち、開口部がプロセスの一部となるように鋳造される。加えて、応力緩和穴１６１を、例えば、図１３乃至１８に示したように、シーム１６０の切り取り部の終わりに追加してもよい。

図７は、図６の屈曲部材１５０の別の構成の一部を切り出したものである。特に、シーム１６０の一部を拡大して示している。ここで、シーム１６０の各黒線は、屈曲部材１５０内の開口部を表す。図６は、屈曲部材１５０（バネ）の可能な構成を示す。材料のシートを取り出し、指示されたスロットを切り込むことにより、小さな力でシートの中心（図２の特徴部１５２）を、シートの周辺（図２の特徴部１５０）から面外へ移動させることができる。図７は、こうした切り込みの別の構成を示す。可能な構成は無数に考えられ、その中のものを、図６、７、及び１２に例示している。

図４及び５は、本発明の別の実施形態のシール組立体１００を示している。図４は、第一の非シーリング位置にある可動ステータを示しており、図５は第二のシーリング位置にある可動ステータを示している。シール１００は、細長い留め具１０７の両端部に位置する屈曲部材１５０を含む。屈曲部材は、留め具１０７上で活動可能に配置されたスペーサ１５５により分離される。この別の構成において、屈曲部材１５０は、平行な配向性で位置決めされ、スペーサ１５５により分離された状態で保持される。スペーサ１５５は、有用であるが、二個の屈曲部材１５０間に必須のデバイスではない。

屈曲部材１５０は、常にシールを開くように作用する（可動ステータ部材１１０を図４に示した位置へ移動させる）。エンジン動作中の気圧は、屈曲部材１５０のバネ力を克服し、可動ステータ部材１１０を閉位置へ移動させる（図５）。

図４及び５に示したように、二つの可撓部材１５１は、シール組立体１００の説明と併せて説明したように、端部１５０及び１５２の間に結合させる。両部材１５１は、可動ステータを方向２００でシーリング位置へ移動させた時に拡張する。更に、シール１３２は、固定ステータ基部１０２の表面９０と密閉接触状態となる。

動作中、冷却気及び／又は流体は、ガスタービンエンジン１０を貫流する。エンジン１０が動作中である時には、高圧の空気がエンジン後端部２９に向かって流動する。高圧コンプレッサ１４から放出された高圧縮空気の一部は、シール組立体１００に向かって方向付けされ、冷却流体として使用される。シール組立体１００は、ガスタービンエンジン１０内における高圧領域１３７から低圧領域１４０への流体の流動の実質的な制御を容易にする。高圧領域１３７及び定圧領域１４０間の圧力差は、シール組立体１００を介した流動を引き起こす。可動ステータ部材１１０に作用する圧力は、圧力による力が屈曲部材１５１のバネ力を克服するようになり、可動ステータ部材１１０は、第一の位置（図２及び４に図示）から第二のシーリング位置（図３及び５）へ並進する。

更に、動作中、高圧の空気の一部は、開口部１３５を介して流動する。実施形態例において、開口部１３５は、複数の供給口である。開口部１３５は、表面１２４と回転部材表面１２５との間に高圧膜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。

開口部１３５を通過した後、空気は、低圧領域１４０へ退出する。更に、空気の一部は、シール歯１２６、１２７、及び１２８を通過して漏出し得る。シール歯１２６、１２７、及び１２８を通過して漏出した空気と、開口部１３５を退出して外側へ放射状に流動した空気の部分は、放射開口部１３４を介して低圧領域１４０へ流れる。

以上、本発明を様々な具体的実施形態の観点から説明してきたが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内で変更を加えて本発明を実施可能であることは当業者には理解されよう。

ガスタービンエンジンの一例の概略図である。 図１に示したガスタービンエンジンで使用し得る、可動シーリング部材が第一の位置にあるシール組立体の一例の断面図である。 可動シーリング部材が第二の位置にある、図２のシール組立体の一例の断面図である。 図１に示したガスタービンエンジンで使用し得る、可動シーリング部材が第一の開位置にあるシール組立体の一例の断面図である。 可動シーリング部材が第二のシーリング位置にある、図４のシール組立体の一例の断面図である。 シール組立体において有用となる屈曲部材の正面図である。 シール組立体において有用となる、別の実施形態の屈曲部材を示す図である。 第一の位置にある図２のシールの一例の側面図である。 第一の位置にある図２のシールの一例の等角図である。 図３に示した断面図と同様である第二の位置にある図２のシールの一例の側面図である。 第二のステータ部材の等角図である（図２の１０２）。 可能な別の屈曲部材の図である。 シール組立体において有用な、図６のものと同様の屈曲部材の別の実施形態の部分正面図である。 図１３の屈曲部材の部分拡大図である。 図１３の屈曲部材の部分拡大図である。 シール組立体において有用な、図６のものと同様の屈曲部材の別の実施形態の部分正面図である。 図１６の屈曲部材の部分拡大図である。 図１６の屈曲部材の部分拡大図である。 シール組立体において有用な、図６のものと同様の屈曲部材の別の実施形態の部分正面図である。 図１９の屈曲部材の部分拡大図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１３ コアエンジン
１４ 高圧コンプレッサ
１６ コンバスタ
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２７ 吸気側
２９ 排気側
３１ 第一のロータシャフト
３３ 第二のロータシャフト
３４ 中心軸線
９０ シーリング面
１００ シール組立体
１０２ 静止ステータ部材
１０３ フレーム
１０４ 回転部材
１０７ 留め具
１０８ 取り付けフランジ
１０９ フランジ部材
１１０ 可動ステータ部材
１１２ 基部
１１３ 停止面
１１４ 表面
１１８ 接触面
１１９ 表面
１２１ 表面
１２３ 距離
１２４ シーリング面
１２５ 回転部材表面
１２６ シーリング歯
１２７ シーリング歯
１２８ シーリング歯
１２９ 自由端部
１３０ ヨーク
１３１ 開口部
１３２ シール部材
１３４ 放射状に延びる開口部
１３５ 開口部
１３７ 高圧領域
１４０ 低圧領域
１５０ 屈曲部材
１５１ 付勢部材
１５２ 端部
１５５ スペーサ
１５７ 端部
１６０ シーム
１６１ 応力緩和穴
１６２ 接続セグメント
１８３ 中央開口部
１９０ 頭部
１９１ 弓形セグメント
１９２ 非弓形セグメント
２００ 矢印

Claims (9)

1. シーリング位置と非シーリング位置との間で移動可能な第一の可動ステータ部材（１１０）と、前記第一のステータ部材（１１０）が相対的に移動可能な第二の固定ステータ部材（１０２）と、前記第二のステータ部材（１０２）に結合された少なくとも一つの屈曲部材（１５０）と、前記少なくとも一つの屈曲部材（１５０）と前記可動ステータ（１１０）との間に結合され、前記可動ステータ（１１０）を非シーリング位置に向けて付勢する少なくとも一つの付勢部材（１５１）と、を備えるシール組立体（１００）。
2. 少なくとも二つの屈曲部材（１５０）と、二つの付勢部材（１５１）とを有し、各付勢部材（１５１）は、一つの屈曲部材（１５０）に結合される、請求項１記載のシール組立体（１００）。
3. 前記第二のステータ（１０２）は、基部（１１２）と、前記基部（１１２）に沿った表面（１１４）とを含み、前記第一のステータ（１１０）は、当該基部（１１２）の接触面（１１８）と密閉状態で係合するシーリング部材（１２４）を含む、請求項１又は２に記載のシール組立体（１００）。
4. 前記第一のステータ（１１０）は、ヨーク（１３０）を含み、当該部材（１１０）は、当該ヨーク（１３０）内に位置する、請求項３記載のシール組立体（１００）。
5. 前記屈曲部材（１５０）は、留め具部材（１０７）上で支持される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール組立体（１００）。
6. 当該屈曲部材（１５０）は、当該屈曲部材（１５０）が面外へ屈曲するのを可能にする少なくとも一つのシーム（１６０）を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシール組立体（１００）。
7. 当該シーム（１６０）は、当該屈曲部材（１５０）を貫く開口部を含む、請求項６記載のシール組立体（１００）。
8. 当該屈曲部材（１５０）は、複数のシーム（１６０）を含み、当該シーム（１６０）は、その間に少なくとも一本のビームを定め、当該ビームは、その近端部（１５２、１５７）において別のビームに接続される、請求項７記載のシール組立体（１００）。
9. 当該屈曲部材（１５０）は、シーム（１６０）の端部に少なくとも一個の応力緩和穴（１６１）を含む、請求項８記載のシール組立体（１００）。

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