JP2011144689A - ガスタービンエンジンのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン内の部材間の軸方向の相対傾斜や、熱膨張・収縮による隙間寸法の変化に対してもシール性を確保することが可能なシール構造を提供する。
【解決手段】タービンノズルを形成する、周方向に配列された複数のノズルセグメント３５と、前記ノズルセグメントの径方向内側に突出し、周方向に延びるフランジと、インナケーシングの外周面に設けられて前記ノズルセグメントのフランジを介して前記タービンノズルを支持する支持部５７と、前記フランジと前記支持部との間に介在して、前記フランジと前記支持部との隙間を閉塞するばね体６５とを備える、ガスタービンエンジンのタービンノズル支持構造に設けられたシール構造の前記ばね体６５が、前記ガスタービンエンジンの軸心Ｃ周りの接線方向Ｔにほぼ沿った直線形状に延びている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジン内部の部材間、特にはタービンノズル周辺の部材間をシールするシール構造に関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機で圧縮された空気が燃焼器へ供給され、燃焼器で燃焼した高温の燃焼ガスがタービンへ送給される。しかしながら、実際には、ガスタービンエンジンの内部を構成する環状の部材間の連結部分、例えば、タービンノズルと、これを支持する環状部材との隙間を介して、圧縮機からの冷却用空気がタービン側へ漏れることがあり、この漏れ空気量が多いと、ガスタービンエンジンの性能が低下する。

このような漏れ空気量を抑えるために、例えば、環状部材の周方向に分割された各部材に、軸方向からみて直線状のリブを設け、この突起と相方の部材とを接触させることにより、部材間の隙間をシールする構造が提案されている（例えば、特許文献１）。このようなシール構造によれば、周方向に分割された部材が軸方向に傾いた場合でも、直線状のリブにより部材間の接触が保たれるので、隙間が生じることなく、シールが確保される。

特開平１０−３３９１０８号公報

しかしながら、ガスタービンエンジンの運転状態において、エンジンの内部は高温に曝されるため、熱膨張により各部材の径方向位置および軸方向位置が変化することがある。これに伴い、各部材間の相対位置、つまり隙間の大きさも変化するが、上記のようなリブによるシールでは、隙間の大きさの変化に対応できず、効果的に漏れ空気量を抑制できない。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジン内の部材間の軸方向の相対傾斜や、熱膨張・収縮による隙間寸法の変化に対してもシール性を確保することが可能であり、これによって適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性を向上させることができるシール構造を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンのシール構造は、ガスタービンエンジンの、アウタケーシングとインナケーシングとの間に位置する環状のタービンノズルを支持する構造に設けられた、この支持構造の近傍の高圧領域から低圧領域への空気の流れをシールするシール構造であって、前記タービンノズルを形成する、周方向に配列された複数のノズルセグメントと、前記ノズルセグメントの径方向内側に突出し、かつ、周方向に延びるフランジと、前記インナケーシングの外周面に設けられて、前記ノズルセグメントのフランジを介して前記タービンノズルを支持する環状の支持部と、前記フランジと前記支持部との間に収縮状態で介在して、前記フランジと前記アダプタリングとの隙間を閉塞するばね体とを備え、前記ばね体が、前記ガスタービンエンジン軸心周りの接線方向に沿って延びる直線形状を有している。ここで、タービンノズルには、タービンの第１段静翼のみならず、２段目以降の静翼も含まれる。

この構成によれば、部材間のシール体としてばね体を使用することにより、部材の熱膨張によって隙間寸法が変化しても、シール性を確保することができる。さらに、このばね体を直線形状としたので、シールされる部材間に軸方向の傾きが発生した場合にも、シール体であるばね体と各部材との接触が維持され、シール性が確保される。これにより、このシール構造が適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上する。また、ばね体が、ノズルセグメントごとに分割した状態で設けられるので、ガスタービンエンジンの組立工程において、分割した状態のタービンノズルを外周側から組み込むことが可能になり、組立作業が容易になる。

本発明に係るシール構造において、前記ばね体は、例えば、板状部材を湾曲させることにより形成されており、この板状部材の、前記接線方向に平行な両側部間に形成された開口部を有している。この構成によれば、シール体として機能する前記ばね体を、容易かつ安価に製造することが可能となる。

前記ばね体が上記のように開口部を有する場合、このばね体の前記開口部が前記空気の流れ方向に対向する向きに配置されていることが好ましい。この構成によれば、空気が開口部に流入して、ばね体を伸長させるので、強固なシール性を確保することができる。

また、本発明に係るシール構造において、前記ノズルセグメントの前記フランジに、前記ばね体を収縮状態で収容する直線状の収容溝が設けられていることが好ましい。この構成によれば、ガスタービンエンジンの組立て時や運転中に、ばね体の位置ずれや脱落が発生することを効果的に防止することができ、組み立てが容易になるとともに、ガスタービンエンジンの信頼性が向上する。

上記のように収容溝が設けられている場合、より好ましくは、前記ばね体が、直線状に延びる平面部と、この平面部の一側から連なる円弧状に湾曲した湾曲部とを有しており、前記収容溝がほぼ矩形の断面形状を有する矩形溝として形成されており、前記ばね体の前記平面部側の一側部および前記湾曲部の一部分が、前記収容溝の相対向する側壁にそれぞれ当接して、前記ばね体の姿勢を保持している。この構成によれば、より確実にばね体の位置ずれや脱落を防止することができる。特に、ばね体が前記開口を有する構造の場合、空気流れと開口の位置関係を確実に保持できるので、強固なシール性を確実に維持することが可能となり、ガスタービンエンジンの信頼性が一層向上する。

以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンのシール構造によれば、ガスタービンエンジン内の部材間の軸方向の相対傾斜や、熱膨張・収縮による隙間寸法の変化に対してもシール性が確保される。その結果、適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上する。

本発明の一実施形態に係るシール構造を適用したガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図１のガスタービンエンジンのタービンノズル近傍の構造を示す断面図である。 図２の要部を模式的に示す断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図１の実施形態の作用を説明する断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るシール構造を適用したガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）の一部を破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向Ａの圧縮機３側を「前側」と呼び、タービン７側を「後側」と呼ぶ場合がある。

この実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いており、この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分を構成するロータ１１の前部の外周面に、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。

圧縮機３とタービン７との間には、ロータ１１の中央部を覆うインナケーシング２１が設けられ、このインナケーシング２１とハウジング１５との間に、圧縮機３から燃焼器５へ向かう圧縮空気ＣＡの通路であるディフューザ２３が形成されている。圧縮機３で圧縮された圧縮空気ＣＡはディフューザ２３から燃焼器５に送給される。燃焼器５では、圧縮機３から送給された圧縮空気ＣＡが、燃焼器５内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧが、タービンノズル（第１段静翼）２５からタービン７内に流入する。

タービン７は、ハウジング１５の内方に設けられてロータ１１の後部を覆うタービンケーシング（アウタケーシング）２６を備え、このタービンケーシング２６の内周部には複数段のタービン静翼（タービンノズル）２７が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、ロータ１１の後部には複数段のタービン動翼２９が設けられ、これらタービン静翼２７とタービン動翼２９とが軸方向に沿って交互に配置されている。ロータ１１の全体は、ハウジング１５に、複数の軸受３３を介して回転自在に支持されている。

図２は、図１の第１段のタービンノズル２５の近傍を拡大して示す断面図である。タービンノズル２５は、後に詳述するように、ガスタービン１の軸心Ｃ回りに周方向に配列された複数のノズルセグメント３５によって形成されている。各ノズルセグメント３５は、翼部３７の径方向Ｒの両端部に一体形成された外周壁部４１および内周壁部４３を有している。

外周壁部４１は、その後端部外周面に突設された外側サポートフランジ４５、およびタービンケーシング２６の径方向内側にボルト固定された嵌合連結部材４６を介してタービンケーシング２６に支持されている。

外周壁部４１および内周壁部４３の各前端部には、径方向外側および内側にそれぞれ突出する外側連結フランジ４７および内側連結フランジ４８が設けられている。各フランジ４７，４８から前側に突設された嵌合片４７ａ，４８ａを、燃焼器５の遷移ダクトにおけるタービンケーシング２６に支持された下流端部の径方向の両端部に設けられた嵌合部５１，５３に、コードシール５５を介在させた状態で嵌め込むことにより、タービンノズル２５の前端部が燃焼器５に連結されている。

インナケーシング２１の外周面には、ノズルセグメント３５の内径部を支持する支持部となる環状のアダプタリング５７が、ボルト固定により取り付けられている。アダプタリング５７の外径側には、径方向外側に開口する環状の連結凹部５９が形成されており、この連結凹部５９に、ノズルセグメント３５の内周壁部４３の径方向内側に突設された、周方向に延びる内側サポートフランジ６１が挿入されている。

アダプタリング５７の連結凹部５９の前壁５９ａおよび内側サポートフランジ６１の径方向内側端部には、それぞれ、軸心方向Ａに貫通するボルト挿通孔５９ａａ，６１ａが設けられている。これら挿通孔５９ａａおよび６１ａを介してボルト６３を連結凹部５９の後壁５９ｂに螺合させることにより、内側サポートフランジ６１がアダプタリング５７に連結されている。このようにして、ノズルセグメント３５が、アダプタリング５７を介してインナケーシング２１に支持されている。

内周壁部４３の径方向内側の空間は、圧縮空気ＣＡが流れ込む高圧領域Ｈであり、タービンノズル２５とその下流のタービン動翼２９との間の空間は、燃焼器５から流れ込んだ燃焼ガスＧが膨張する、高圧領域Ｈよりも圧力の低い低圧領域Ｌである。ノズルセグメント３５の内側サポートフランジ６１とアダプタリング５７との間には、後に詳述する構造のばね体６５が介在しており、これら内側サポートフランジ６１、アダプタリング５７、およびばね体６５が、高圧領域Ｈから低圧領域Ｌへの空気流ＡＦをシールするシール構造６７を構成している。

図３は、図２の要部を模式的に示す拡大図である。なお、図３は、図２のボルト６３が存在しない周方向位置における断面を示している。図３に示すように、フランジ６１の軸方向Ａの両端面、つまり前端面６１ｂおよび６１ｃには、それぞれ、ほぼ矩形の断面形状を有する矩形溝として形成された収容溝６９が設けられており、この収容溝６９，６９に、フランジ６１とアダプタリング５７との隙間７１をシールするシール体であるばね体６５が収容されている。矩形溝の断面形状は、図３の例では長方形であるが、正方形であってもよい。

ばね体６５を形成する素材としては、弾性、耐熱性および強度の点で、金属材料が好ましく、特には、ニッケル基合金が好ましい。

図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、ばね体６５およびこれを収容する収容溝６９は、軸方向から見たとき、ノズルセグメント３５の中心線Ｃ１上でエンジン軸心Ｃ回りの接線方向Ｔにほぼ沿った直線状に形成されている。収容溝６９は、フランジ６１の、接線方向Ｔの両端まで延設されている。一方、ばね体６５は、常温状態で、隣接するノズルセグメント３５のばね体６５と間隔ｔを存した状態で配置されている。この間隔ｔは、ガスタービンエンジン１の運転時におけるばね体６５の接線方向Ｔの熱膨張分に相当する。

ばね体６５は、板状の部材を湾曲させることにより形成したものである。本実施形態の例では、板状部材の接線方向Ｔに平行な一端のみを湾曲させてばね体６５を形成しており、図３に示すように、ほぼ直線状の平面部６５ａと、平面部６５ａから円弧状に延びる湾曲部６５ｂを有するほぼＪ字状の断面形状を有している。ばね体６５の、接線方向Ｔに平行な両側部を形成する、平面部６５ａ側の側部６５ａａと湾曲部６５ｂ側の側部６５ｂａの間には、開口部６５ｃが形成されている。

ばね体６５は、径方向Ｒおよび軸方向に収縮させた状態で、前記開口部６５ｃが、隙間７１を流れる空気ＡＦの流れ方向に対向する向きで、収容溝６９内に配置されている。すなわち、ばね体６５の平面部側側部６５ａａを、収容溝６９の、空気流ＡＦの上流側の壁面（図３の例では、径方向外側の壁面）６９ａに当接させ、湾曲部６５ｂの平面部６５ａ部寄りの一部分６５ｂｂを、収容溝６９の前記壁面６９ａに対向する壁面（図３の例では、径方向内側の壁面）６９ｂに当接させ、さらに、湾曲部６５ｂの側部６５ｂａ寄りの一部分６５ｂｃを、アダプタリング５７の対向する壁面５７ａに当接させている。

上記構成において、ばね体６５が、軸方向Ａ、つまり隙間７１を閉塞する方向に伸縮可能な状態で、アダプタリング５７とフランジ６１との隙間７１に配置されているので、ばね体６５の軸方向Ａの伸長力により隙間７１が確実にシールされるとともに、アダプタリング５７やフランジ６１等の熱膨張により隙間７１の大きさが変化した場合にも、シール性を維持することができる。しかも、ばね体６５の開口部６５ｃが、空気流ＡＦに対向する向きに配置されていることにより、空気流ＡＦが開口部６９内に流入してばね体６５を伸長させるので、一層強固なシール性を確保できる。

さらには、ばね体６５が、矩形溝である収容溝６９の対向する壁面６９ａ，６９ｂ方向（本実施形態では径方向Ｒ）に収縮した状態で、これら壁面６９ａ，６９ｂに、平面部側側部６５ａａおよび湾曲部の一部分６５ｂｂをそれぞれ当接させているので、ばね体６５の径方向Ｒの伸長力により、ばね体６５の姿勢が確実に保持され、シール構造６７の信頼性が向上する。また、組み立て時における、ばね体６５のノズルセグメント３５からの脱落や移動をきわめて効果的に防止することが可能となる。

なお、隙間７１に介在させるばね体６５の数および位置は、図３を参照して説明した例に限らず、適宜選択してよい。例えば、図３の２つのばね体６５，６５のうちのいずれか一方を省略してもよいし、図３の２つのばね体６５，６５に代えて、または追加して、隙間７１の角部にばね体６５を配設してもよい。また、ばね体６５の断面形状は、同図に示すＪ字形状に限らず、Ｏ字形状やＣ字形状など、適宜選択することができる。

上記で説明した本実施形態に係るシール構造６７によれば、部材間のシール体としてばね体６５を使用することにより、ガスタービン１内の部材の熱膨張によって隙間寸法が変化しても、シール性を確保することができる。さらに、このばね体６５を直線形状としたので、部材間に軸方向Ａの傾きが発生した場合にも、図５に示すように、シール体であるばね体６５と各部材との接触が維持され、シール性が確保される。すなわち、ばね体が、例えば、軸方向Ａから見て円弧状である場合には、二点鎖線６５Ａで示すように、内側サポートフランジ６１が傾いたとき、ばね体６５Ａの両端部６５Ａａがアダプタリング５７の内面５７ａから離れるので、シール性が低下するが、直線状のばね体６５を用いた場合にはこのようなことが起こらない。これにより、シール構造６７が適用されるガスタービンエンジン１の性能および信頼性が向上する。また、図４に示すように、ばね体６５がノズルセグメント３５ごとに分割して設けられるので、ガスタービンエンジン１の組立工程において、タービンノズル２５を分割した状態で外周側から組み込むことが可能になり、組立工程が簡略化される。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
２１ インナケーシング
２５ タービンノズル
２６ タービンケーシング（アウタケーシング）
３５ ノズルセグメント
５７ アダプタリング（支持部）
６１ 内側サポートフランジ
６５ ばね体
６７ シール構造
６９ 収容溝
ＡＦ 空気流
Ｃ エンジン軸心
Ｔ 接線方向

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンのアウタケーシングとインナケーシングとの間に位置する環状のタービンノズルを支持する構造に設けられた、この支持構造の近傍の高圧領域から低圧領域への空気の流れをシールするシール構造であって、
   前記タービンノズルを形成する、周方向に配列された複数のノズルセグメントと、
   前記ノズルセグメントの径方向内側に突出し、かつ、周方向に延びるフランジと、
   前記インナケーシングの外周面に設けられて、前記ノズルセグメントのフランジを介して前記タービンノズルを支持する環状の支持部と、
   前記フランジと前記支持部との間に収縮状態で介在して、前記フランジと前記アダプタリングとの隙間を閉塞するばね体と、
   を備え、
   前記ばね体が、前記ガスタービンエンジンの軸心周りの接線方向に沿って延びる直線形状を有している、
   ガスタービンエンジンのシール構造。
2. 請求項１において、前記ばね体が、板状部材を湾曲させることにより形成されており、この板状部材の、前記接線方向に平行な両側部間に形成された開口部を有しているガスタービンエンジンのシール構造。
3. 請求項２において、前記ばね体が、このばね体の前記開口部が前記空気の流れ方向に対向する向きに配置されているガスタービンエンジンのシール構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記ノズルセグメントの前記フランジに、前記ばね体を収縮状態で収容する直線状の収容溝が設けられているガスタービンエンジンのシール構造。
5. 請求項４において、前記ばね体が、直線状に延びる平面部と、この平面部の一側に連なる円弧状に湾曲した湾曲部とを有しており、前記収容溝がほぼ矩形の断面形状を有する矩形溝として形成されており、前記ばね体の前記平面部側の一側部および前記湾曲部の一部分が、前記収容溝の相対向する側壁にそれぞれ当接して、前記ばね体の姿勢を保持しているガスタービンエンジンのシール構造。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のシール構造を備えるガスタービンエンジン。

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