JP2010077882A

JP2010077882A - 多段タービンのラビリンスシール構造

Info

Publication number: JP2010077882A
Application number: JP2008246517A
Authority: JP
Inventors: Satoru Iwase; 識岩瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】作動流体の漏れを効果的に抑制することができる多段タービンのラビリンスシール構造を提供する。
【解決手段】単動翼列多段チップタービンは、動翼列を有するロータを回転可能に支持すると共に静翼列を有するステータ３と、ロータとステータ３との間からの空気のリークを抑えるための環状のラビリンス部１４とを備えている。ラビリンス部１４は、ステータ３の内周面に設けられた複数の環状の絞り壁１５を有している。これらの絞り壁１５は、空気を膨張させる膨張室１６を形成している。また、ラビリンス部１４は、各膨張室１６に配置され、タービン周方向に沿った空気の流れを妨げるための複数の流れ阻害壁１７を有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、動翼列を有するロータと静翼列を有するステータとを備えた多段タービンのラビリンスシール構造に関するものである。

従来の多段タービンとしては、例えば特許文献１に記載されているように、ファンの外周端部に取り付けられた動翼列と、ケーシングの内周面に動翼列に対応して取り付けられた静翼列とを備えた単翼列多段タービンがある。
特開２００６−２８３７１６号公報

一般に多段タービンは、動翼列を有するロータと静翼列を有するステータとの間からの作動流体の漏れを抑えるためのラビリンスシール構造を有している。しかし、上記従来技術の単翼列多段タービンのように、ロータとステータとの間に周方向の圧力勾配が生じている場合には、作動流体の漏れを効果的に抑制することは困難であるが、上記従来技術では、そのような周方向の圧力分布の影響については何ら考慮されていない。

本発明の目的は、作動流体の漏れを効果的に抑制することができる多段タービンのラビリンスシール構造を提供することである。

本発明は、動翼列を有するロータと静翼列を有するステータとを備えた多段タービンに設けられ、ロータとステータとの間からの作動流体の漏れを抑えるためのラビリンスシール構造において、ロータ及びステータの少なくとも一方に設けられ、ロータの周方向に沿って延びる複数の絞り壁と、各絞り壁により形成される空間部に配置され、作動流体の周方向の流れを妨げるための流れ阻害壁とを有することを特徴とするものである。

ロータとステータとの間に周方向の圧力勾配が生じている多段タービンでは、各絞り壁により形成される空間部においてロータの周方向に沿った作動流体の流れが発生し、作動流体の膨張による作動流体の流れの閉塞が起きにくくなるため、作動流体の漏れを効果的に抑制することができない。そこで本発明では、空間部に流れ阻害壁を配置することにより、ロータの周方向に沿った作動流体の流れが流れ阻害壁で妨げられる。従って、作動流体の膨張による作動流体の流れの閉塞が起きやすくなるため、ロータとステータとの間からの作動流体の漏れを効果的に抑制することができる。

好ましくは、流れ阻害壁は、空間部毎に周方向にずれて配置されている。この場合には、空間部をロータの周方向に流れる作動流体が流れ阻害壁で妨げられて隣の空間部に入り込み、更にその空間部をロータの周方向に流れる作動流体が流れ阻害壁で妨げられるようになる。これにより、ロータとステータとの間からの作動流体の漏れを一層抑制することができる。

本発明によれば、ロータとステータとの間からの作動流体の漏れを効果的に抑制することができる。これにより、タービン効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係わる多段タービンのラビリンスシール構造の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わるラビリンスシール構造の一実施形態を備えた単動翼列多段チップタービンの外観を示す斜視図であり、図２は、図１に示した単動翼列多段チップタービンの要部を示す概略断面図である。

各図において、本実施形態の単動翼列多段チップタービン１は、ロータ（回転体）２と、このロータ２を回転自在に支持するステータ３とを備えている。ロータ２には、ファン４が取り付けられている。

ロータ２は、円筒状の動翼ハブ５を有し、この動翼ハブ５の外周面には、複数の動翼６ａからなる動翼列６が環状に突設されている。それらの動翼６ａは、流線形状を有し、所定の間隔で配置されている。

ステータ３は、略円筒状の静翼ハブ７を有し、この静翼ハブ７の外周面には、複数の静翼８ａからなる静翼列８が動翼列６と隣接するように環状に突設されている。それらの静翼８ａも、流線形状を有し、所定の間隔で配置されている。

また、静翼ハブ７の外周面には、第１段タービン部９、第２段タービン部１０及び第３段タービン部１１を形成する仕切壁１２，１３がタービン周方向に複数ずつ立設さ
れている。第１段タービン部９は、多段チップタービン１の左右両側に１つずつ形成されている。第２段タービン部１０は、各第１段タービン部９の両側に隣接して形成され、第３段タービン部１１は、各第２段タービン部１０に隣接して形成されている。

空気源（図示せず）から送られてくる作動流体である高圧空気は、まず第１段タービン部９に導入され、第１段タービン部９における静翼列８の各静翼８ａ間及び動翼列６の各動翼６ａ間を順に通過して、第１段タービン部９から導出される。第１段タービン部９から出た空気は、続いて第２段タービン部１０に導入され、第２段タービン部１０における静翼列８の各静翼８ａ間及び動翼列６の各動翼６ａ間を順に通過して、第２段タービン部１０から導出される。第２段タービン部１０から出た空気は、続いて第３段タービン部１１に導入され、第３段タービン部１１における静翼列８の各静翼８ａ間及び動翼列６の各動翼６ａ間を順に通過して、第３段タービン部１１から導出される。

このとき、第１段タービン部９において空気の圧力が最も高く、第２段タービン部１０において空気の圧力が例えば約１／２だけ下がり、第３段タービン部１１において空気の圧力が例えば更に約１／２（合計で約１／４）だけ下がる。つまり、単動翼列多段チップタービン１は、タービン周方向に圧力勾配分布を有する構成となっている。

また、単動翼列多段チップタービン１は、ロータ２とステータ３との間からの空気のリーク（漏れ）を抑えるための環状のラビリンス部１４を備えている。ラビリンス部１４は、動翼列６を挟んだ前後両側にそれぞれ形成されている。

ラビリンス部１４は、図２及び図３に示すように、ステータ３の静翼ハブ７の内周面に設けられ、タービン周方向に沿って延びる複数の環状の絞り壁１５を有している。これらの絞り壁１５は、空気を膨張させる空間部である膨張室１６を形成している。なお、図３では、ラビリンス部１４を上下逆さに示しており、ロータ２は省略してある。絞り壁１５の先端面とロータ２の動翼ハブ５との間には、隙間が形成されている。

このようにラビリンス部１４は、ロータ２とステータ３との間に空間が広がる部位と空間が狭くなる部位とを交互に形成することで空気の流れを妨げると共に、空気自身の膨張による空気の流れの閉塞を利用することにより、空気の漏れ量を低減するように構成されている。

また、ラビリンス部１４は、各膨張室１６に配置され、タービン周方向に沿った空気の流れを妨げるための複数の流れ阻害壁１７を有している。流れ阻害壁１７は、静翼ハブ７の内周面と絞り壁１５の側面とに固定されている。流れ阻害壁１７の先端面は、絞り壁１５の先端面とほぼ面一となっている。

流れ阻害壁１７は、各膨張室１６に複数ずつ設けられている。また、それらの流れ阻害壁１７は、各膨張室１６毎にタービン周方向にずれて配置されている。

ところで、単動翼列多段チップタービン１では、上述したようにタービン周方向に圧力勾配を有するように構成されているため、ラビリンス部１４においてもタービン周方向の圧力勾配が発生し、タービン周方向に沿った空気の流れが発生する。すると、本来ならば絞り壁１５の先端面と動翼ハブ５との隙間に向かうべき空気が、膨張室１６内をタービン周方向に沿って圧力の低い側に向かって流れてしまう。

本実施形態においては、ラビリンス部１４の各膨張室１６に流れ阻害壁１７を設けたので、タービン周方向の空気の流れが流れ阻害壁１７によって堰き止められるようになる。従って、ラビリンス部１４において空気の膨張が妨げることが防止されるため、空気の流れの閉塞が起きやすくなる。これにより、ラビリンス部１４における空気の漏れを効果的に低減することができる。

また、上流側の膨張室１６のほうが下流側の膨張室１６よりも空気の圧力が高いため、膨張室１６内をタービン周方向に流れる空気が流れ阻害壁１７に当たると、その空気が下流側の膨張室１６に向かうようになる。このとき、流れ阻害壁１７のタービン周方向位置は各膨張室１６毎に異なっているため、下流側の膨張室１６に入ってタービン周方向に流れる空気が更に流れ阻害壁１７に当たるようになる。従って、ラビリンス部１４における空気の漏れをより低減することができる。

このように本実施形態によれば、ロータ２とステータ３との間からの空気の漏れを十分抑制できるので、チップタービン効率の向上に寄与することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ステータ３側にのみ絞り壁１５及び流れ阻害壁１７を設ける構成としたが、特にその構成に限られず、ロータ２側にのみ絞り壁及び流れ阻害壁を設けても良いし、或いはステータ３側及びロータ２側にそれぞれ絞り壁及び流れ阻害壁を設けても良い。

また、ラビリンス部１４の断面形状としては段状であっても良く、この場合には絞り壁１６及び流れ阻害壁１７を段状に形成する必要がある。

また、上記実施形態では、環状の絞り壁１５がタービン軸方向に配列された構成となっているが、本発明は、環状の絞り壁がタービン径方向に配列されたラビリンスシール構造にも適用可能である。そのようなラビリンスシール構造の一例を図４に示す。

図４において、ラビリンス部２０は、ステータ３の静翼ハブ７に設けられた複数の環状の絞り壁２１と、ロータ２の動翼ハブ５に設けられた複数の環状の絞り壁２２とを有している。これらの絞り壁２１，２２は、タービン径方向に配列されている。また、絞り壁２１，２２の側面同士は、互いに対向している。絞り壁２１の先端面と動翼ハブ５との間、絞り壁２２の先端面と静翼ハブ７との間には、それぞれ隙間が形成されている。また、絞り壁２１，２２は、空気を膨張させる膨張室２３を形成している。

各絞り壁２１の側面には、膨張室２３における空気のタービン周方向の流れを妨げるための流れ阻害壁２４が設けられ、各絞り壁２２の側面には、膨張室２３における空気のタービン周方向の流れを妨げるための流れ阻害壁２５が設けられている。

本発明に係わるラビリンスシール構造の一実施形態を備えた単動翼列多段チップタービンの外観を示す斜視図である。図１に示した単動翼列多段チップタービンの要部を示す概略断面図である。図１に示したラビリンス部を示す斜視図である。図３に示したラビリンス部の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１…単動翼列多段チップタービン、２…ロータ、３…ステータ、６…動翼列、８…静翼列、１４…ラビリンス部（ラビリンスシール構造）、１５…絞り壁、１６…膨張室（空間部）、１７…流れ阻害壁、２０…ラビリンス部（ラビリンスシール構造）、２１，２２…絞り壁、２３…膨張室（空間部）、２４，２５…流れ阻害壁。

Claims

動翼列を有するロータと静翼列を有するステータとを備えた多段タービンに設けられ、前記ロータと前記ステータとの間からの作動流体の漏れを抑えるためのラビリンスシール構造において、
前記ロータ及び前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記ロータの周方向に沿って延びる複数の絞り壁と、
前記各絞り壁により形成される空間部に配置され、前記作動流体の前記周方向の流れを妨げるための流れ阻害壁とを有することを特徴とする多段タービンのラビリンスシール構造。
前記流れ阻害壁は、前記空間部毎に前記周方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項１記載の多段タービンのラビリンスシール構造。