JP2016505759A - ターボ機械用密封アセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの可動圧縮機ホイール（２０）を含む空気圧縮段（２）と、前記空気圧縮段（２）に結合された吸気ダクト（４）と、可動圧縮機ホイール（２０）の前部分（５６）と吸気ダクト（４）との間に配置され、少なくとも１つのシール（６０）を含む、第一密封装置（５４）と、可動ホイール（２０）によって圧縮された空気を搬送するためのチャネル（４５）と、可動圧縮機ホイール（２０）の後部分（６６）と搬送チャネル（４５）との間に配置され、搬送チャネル（４５）から来る空気流（Ｆ２）を受けるように構成されている、第二密封装置（６４）と、を含むタービンエンジンであって、タービンエンジン（１）は、第二密封装置（６４）がそこを通過する空気の一部を抽気（Ｆ３）させるように構成されており、抽気空気（Ｆ３）はこれを圧力下で維持するように第一密封装置（５４）のシール（６０）まで搬送される点が注目される、タービンエンジンに関する。

Description

本発明はタービンエンジンの分野に関する。航空機ターボシャフトエンジン用に設計されており、このようなターボシャフトエンジンに関連して以下に記載されるものの、本発明はより一般的には、特に航空機用のタービンエンジンに関する。

周知の方法において、ターボシャフトエンジンは、吸気ダクトと、ダクトが開口している可動圧縮機ホイールを含む第一空気圧縮段と、第一圧縮段で圧縮された空気を第二圧縮段に搬送するためのチャネルと、圧縮段によって圧縮された燃料および空気の混合物を燃焼させるためのチャンバと、燃焼ガスを膨張させるための１つ以上の段と、を含む。

このようなターボシャフトエンジンにおいて、ターボシャフトエンジンの特定の可動部品（ロータ）と特定の固定部品（ステータ）との間、具体的には、一方では吸気ダクトと第一可動圧縮機ホイールの前との間、他方では圧縮空気を搬送するためのチャネルと第一可動圧縮機ホイールの後との間に、シールを配置することが知られている。用語「前」および「後」は、空気の流れが動作中にターボエンジン内を全体的に流れるターボシャフトエンジンの軸の方向に対して理解される。

したがって、第一可動圧縮機ホイールの前部分と吸気ダクトとの間に２つのシールを含む密封装置を配置することが、知られている。前記密封装置は、前シールを通じて、タービンエンジンのロータシャフトの案内軸受と連絡しており、この軸受は装置の前に実装され、潤滑油を含む。

油が吸気ダクト内に漏出してターボシャフトエンジンの機能不全を生じるのを防止するために案内軸受内に油を保持するため、第一圧縮段の下流に位置する搬送チャネルからの空気は、装置の２つのシールを圧力下で維持するように、密封装置まで搬送される。用語「上流」および「下流」は、空気流の方向に対して理解される。

より具体的には、搬送チャネル内を循環している空気流の一部は、その機能が第一可動圧縮機ホイールの後面に沿って流れる遠心空気の流量を制限することであるシールを含む、第二密封装置に向かって迂回される。実際には、可動ホイールの後面に沿って流れる膨張空気流はその後前記ホイールによって圧縮された空気流と混合するので、ホイールの背後の空気の流量が多すぎると、圧縮効率を低下させることになる。

したがって、第二装置のシールを通過する空気流の一部は第一可動ホイールの後面に沿って流れ、それに対して残りの空気流は、前記シールを圧力下で維持するように、第一密封装置の２つのシールの間に延在する空洞までロータシャフトに沿って流れる。２つのシールを圧力下で維持する空洞内の空気はその後、第一密封装置の前シールを通じて案内軸受へ向かって、また第一密封装置の後シールを通じて吸気ダクトへ向かって流れる。したがって空気流量は、空気が第二密封装置のシールを通過するときに特に低下するが、しかし全体的には、案内軸受の油がターボシャフトエンジンの吸気ダクト内に漏出しないように、第一密封装置のシールが十分な圧力下で維持されるようにする。

しかしながら、たとえば可動ホイールの入口で空気流を案内するための、予旋回グリルと称されるグリルの存在によって、または凍った状態でのターボシャフトエンジンの動作中にダクトを塞ぐ氷の存在によって生じる、第一可動圧縮機ホイールの上流の吸気ダクト内で圧力の低下が起こるときに、問題が生じる。

吸気ダクト内の圧力のこのような低下は、第一密封装置のシールの間に延在する空洞内の圧力の低下を招き、これは案内軸受内に収容された油を吸気ダクト内に漏出させ、したがってターボシャフトエンジンの機能不全を生じる可能性があり、これは重大な欠点である。

本発明は、既存のタービンエンジンに対して改良を行うこと、より具体的には案内軸受内に収容される潤滑油がターボシャフトエンジンの吸気ダクト内に漏出するのを防止することを、目指す。

本発明は、
吸気ダクトと、
少なくとも１つの可動圧縮機ホイールを含み、吸気ダクトが開口している、空気圧縮段と、
可動圧縮機ホイールの前部分と吸気ダクトとの間に配置され、少なくとも１つのシールを含む、第一密封装置と、
可動ホイールによって圧縮された空気を搬送するためのチャネルと、
可動圧縮機ホイールの後部分と搬送チャネルとの間に配置され、搬送チャネルから来る空気流を受けるように構成されている、第二密封装置と、を含むタービンエンジンであって、
前記タービンエンジンは、第二密封装置がそこを通過する空気の一部を抽気させるように構成されている点が注目され、抽気空気は、これを圧力下で維持するように第一密封装置のシールまで搬送される、タービンエンジンに関する。

表現「圧力下で維持する」とは、潤滑油が第一密封装置を通過すること、および特に吸気ダクト内に漏出することを防止するのに十分な圧力を維持することを、意味する。

好ましくは、タービンエンジンは、第一密封装置のシールの前に配置されて潤滑油を含む案内軸受を含み、油はシールを通じて第一装置から軸受に向かって流れる加圧空気によって案内軸受内に保持される。

したがって第二密封装置は、一旦空気が第一密封装置のシールまで搬送されたら前記空気が前記シールを圧力下で維持するように、前記装置内に入ってくるときに抽気される空気の流量が十分に高くなるように、構成されている。本発明によるタービンエンジンは有利なことに、吸気ダクト内の圧力が低下した場合でも、第一密封装置のシールを圧力下で維持されるようにする。

好ましくは、第二密封装置は、一方ではその流量が第一密封装置のシールを圧力下で維持するのに十分な第一空気流を、他方ではその流量が可動圧縮機ホイールの後面に沿った空気の流れの妨害を回避するのに十分なほど低い第二空気流を、供給するように構成されている。したがって、一方では油は第一装置のシールを通じて吸気ダクト内に漏出せず、他方では空気の圧縮効率は、可動ホイールの後で第二装置から排出される空気によって低下しない。

したがって、本発明の特徴によれば、第二密封装置は、第二装置内で抽気されて第一密封装置のシールまで搬送される空気流が前記空気流を圧力下で維持するように、圧縮空気を搬送するためのチャネルから第二密封装置に進入する空気の流量および前記装置を通過する際に抽気される空気の流量の減少が十分に低くとどまるように、構成されている。このような較正は、たとえば空気が抽気される第二密封装置内の点を選択することによって、実行されてもよい。

加えて、本発明の別の特徴によれば、第二密封装置は、そこを通過する空気の流量の合計を、すなわち第二密封装置内に入ってその後可動ホイールの後面に沿って流れる際に抽気されない空気の流量を、可能な限り減少するように構成されている。空気流量のこのような減少は、可動圧縮機ホイールの後面に沿った空気の遠心流への、したがってさらに第一可動ホイールによって圧縮された空気流の中に第一可動ホイールの後で再導入される空気流の遠心流への妨害を著しく減少または回避することさえ可能にし、これにより圧縮効率を改善させる。

本発明の態様によれば、第二密封装置は少なくとも１つのシールを含む。

第一および／または第二密封装置のシールは、たとえばラビリンスシール、ブラシシール、較正断面を有するシール、カーボンリングシールであってもよい。

好ましくは、第二密封装置は、摩耗性材料の少なくとも１つのブロックを含み、第二密封装置の１つまたは複数のシールは、摩耗性材料の１つまたは複数のブロックと協働する密封ストリップのアセンブリを各々が含む、ラビリンスシールである。このような場合、抽気空気の圧力の較正は、たとえば１つまたは複数のシール内の空気が抽気される点に応じて、および／または密封ストリップの数および／または形状を変更することによって、実行されてもよい。

同様に、第一密封装置は摩耗性材料の少なくとも１つのブロックを有利に含み、第一密封装置の１つまたは複数のシールは、摩耗性材料の１つまたは複数のブロックと協働する密封ストリップのアセンブリを各々が含むラビリンスシールである。

有利なことに、１つまたは複数のシールの密封ストリップは連続的に、およびタービンエンジンの長手軸と平行に、好ましくは垂直に、配置される。

本発明の実施形態において、第二密封装置は、そこを通過する空気の一部を抽気させるように構成された、単一のシールを含む。たとえば、前記抽気を実行するために、第二密封装置のシールの２つの末端の間に抽気チャネルが配置されてもよい。

本発明の別の実施形態において、第二密封装置は前シールおよび後シールを含み、２つのシールの間で空気が抽気される。したがって、圧縮空気を搬送するためのチャネルから来る空気は、後ろから前に向かって後シールを通過し、その後これを圧力下で維持するために、２つのシールから第一密封装置のシールまでの間を部分的に流れる。抽気チャネルは２つのシールの間に容易に作成されることが可能であり、このためこれらはたとえばターボシャフトエンジンの異なる要素上に実装されることが可能である。

有利なことに、２つのシールの間に加圧空気ポケットを形成するように第二密封装置の前シールと後シールとの間に空洞が形成され、この中で空気は、第一密封装置のシールまで搬送されるために抽気される。第二密封装置の前シールおよび後シールは、たとえば１ｍｍを超える、好ましくは２から１０ｍｍの距離だけ、離間していてもよい。

好ましくは、第二密封装置の後シールは、第二密封装置内に入る際に抽気される空気の圧力が、第一密封装置のシールを圧力下で維持するのに、および油が案内軸受から漏出するのを防止するのに十分となるように、構成されている。抽気空気の圧力のこのような較正は、たとえばラビリンスシールの場合には、密封ストリップの数および／または形状を変更することによって、実行されてもよい。

有利なことに、第二装置の後シールは、１つから３つの密封ストリップ、好ましくは２つの密封ストリップを含む。

さらに好ましくは、第二密封装置の前シールは、（上流から下流への方向で）前記接合部が開口している可動圧縮機ホイールの後部内の空気の流れの妨害を回避するように、可能な限りそこを通過する空気の流量を減少させるように構成されている。「可能な限り」とは、前シールから排出される空気流の流量が、圧縮効率を著しく低下させる可能性のある空気の流れを可動ホイールの後において回避するのに十分なほど低いことを、意味する。

有利なことに、第二装置の前シールは、そこを通過する空気流の流量を十分に減少させるように、少なくとも２つ、好ましくは４つの密封ストリップを含む。

好ましくは、第一密封装置は前シールおよび後シールを含む。第二密封装置の領域内で抽気される空気流は、第一装置の前シールまたは２つのシールが圧力下で維持されるようにする。

本発明の態様によれば、タービンエンジンは、通路が設けられた、たとえばカービックカップリングなどのカップリングによってその前部分が第二密封装置の領域内で第一可動圧縮ホイールの後部分に接続されている第二可動圧縮機ホイールを含む第二圧縮段を含み、空気流として抽気された空気は、これを圧力下で維持するために第一装置の前シールに向かって搬送される前に、第二密封装置を通過して前記通路を流れる。

本発明はまた、
吸気ダクトと、
少なくとも１つの可動圧縮機ホイールを含み、吸気ダクトが開口している、空気圧縮段と、
可動圧縮機ホイールの前部分と吸気ダクトとの間に配置され、少なくとも１つのシールを含む、第一密封装置と、
可動ホイールによって圧縮された空気を搬送するためのチャネルと、
可動圧縮機ホイールの後部分と搬送チャネルとの間に配置され、搬送チャネルから来る空気流を受けるように構成されている、第二密封装置と、
を含むタービンエンジン内の抽気空気によって、少なくとも１つのシールを圧力下で維持する方法であって、
第二密封装置を通過する空気の一部を抽気するステップと、これを圧力下で維持するように第一密封装置のシールまでこうして抽気された空気を搬送するステップと、を含む点が注目される方法にも関する。

本発明のその他の特徴および利点は、非限定例によって提供され、類似の要素には同一の参照符号が付されている、添付図面を参照して、以下の説明を読むことで明らかとなるだろう。

ターボシャフトエンジンの長手断面図である。 本発明によるターボシャフトエンジンの部分断面図である。 図２のターボシャフトエンジンの第二密封装置のシールの部分断面図である。 図２のターボシャフトエンジンの第一密封装置のシールの部分断面図である。

本発明は、航空機ターボシャフトエンジンに関連して以下に記載されるが、しかしこれは当然ながら、より一般的にはたとえば遠心圧縮機、二段遠心圧縮機、または混合圧縮機など、いずれかのタイプの圧縮機を含む、具体的には航空機向けのタービンエンジン向けに使用されてもよい。

用語「前」および「後」は、動作中にターボシャフトエンジンを通る空気流の全体的な方向に対応する、ターボシャフトエンジンの部品、具体的には圧縮および膨張ロータの回転の中心軸Ｘ’Ｘの方向に対して配置された要素の位置を指す。同様に、用語「上流」および「下流」は、タービンエンジン内を循環する空気流の方向に対して理解される。

図１は、第一圧縮段または圧縮機２を含むヘリコプタ用ターボシャフトエンジン１を概略的に示す。このようなターボシャフトエンジンにおいて、空気（矢印Ｆ１）は、吸気口３内に導入され、第一圧縮段２上に開口しているチャネルを形成する吸気ダクト４内に運ばれる。第一圧縮段２によって圧縮された空気は、第二圧縮段５に向かって搬送される。

第二段５によって圧縮された空気は、放射状ディフューザ６を通じて排出され、その後内部の燃料と混合されるため、および燃焼の後に、タービン８、９、および１０の回転を開始するために運動エネルギーを供給するため、燃焼チャンバ７内に注入される。翻ってタービン８は、シャフト１０ｂを介して圧縮機５および２を駆動する。タービン９および１０は、減速ユニット１１を介してたとえばヘリコプタ用ロータおよび／または機器（ポンプ、交流発電機、負荷圧縮機など）を駆動するために、シャフト１０ａを介して動力を伝達する。

各圧縮段は可動圧縮機ホイールを含み、これは軸流（軸流圧縮機）、輻流（遠心羽根車）、または混合型であってもよい。図示されるターボシャフトエンジンは２つの圧縮段を含むが、しかし当然ながら本発明によるタービンエンジンは、単一の圧縮段または３つ以上の圧縮段を含んでもよい。

圧縮機２は、ケーシング３０の中で回転するように意図されて、空気流を案内するためのフィン２２を含む、第一可動ホイール２０を含む（図２参照）。この例において、圧縮機は、可動ホイール２０の伸長部内で傾斜した羽根付きディフューザ４０を含む。

ディフューザ４０に結合された空気搬送チャネル４５は第一圧縮段２と第二圧縮段５との間に延在し、その上で開口して、第一圧縮段２によって圧縮された空気が第二圧縮段５まで搬送されるようにする。第二圧縮段５は、ディフューザ６上に開口して空気流を案内するためのフィン５２を含む、第二可動圧縮機ホイール５０を含む（図２参照）。

図２に示されるように、ターボシャフトエンジン１は第一密封装置５４を含み、これは可動圧縮機ホイール２０の前部分５６と吸気ダクト４の軸方向部分５８との間に配置されている。この第一密封装置５４は前シール６０および後シール６２を含み、これらの間には空気通路７７が形成されている。

ステータに対してロータを案内するための軸受６３は、第一密封装置５４の前に配置されており、第一密封装置５４の前シール６２の領域内の空気の圧力によって軸受６３内に保持される潤滑油を含む。

ターボシャフトエンジン１は第二密封装置６４を含み、これは可動圧縮機ホイール２０の後部分６６、第二可動圧縮機ホイール５０の前部分６７、および可動ホイール２０によって圧縮された空気を搬送するためのチャネル４５の部分６８の間に配置され、これらは３つとも、実質的に軸Ｘ’Ｘと平行な方向に延在している。

第二装置６４は、搬送チャネル４５の部分６８と第一可動ホイール２０の後部分６６との間に配置された前シール７０と、搬送チャネル４５の部分６８と第二可動圧縮機ホイール５０の前部分６７との間に配置された後シール７２と、を含む。

本発明によれば、第二密封装置６４は、そこを通過する空気の一部を抽気させるように構成されており、この場合の抽気は、これを圧力下で維持するように、第一密封装置５４の前シール６０まで搬送される。

この例において、装置のシールは、軸Ｘ’Ｘと平行な方向に連続的に配置されて、シールを形成するために摩耗性材料のブロックと周知の方法で協働する、環状密封ストリップのアセンブリを各々が含む、ラビリンスシールである。

図３に示されるように、第一装置５４の前シール６０を圧力下で維持する空気流Ｆ３は、第二装置６４の後シール７２と前シール７０との間で抽気される。

第一装置５４の後シール６２を圧力下で維持するのに十分に高い抽気空気の流量を維持するために、第二装置６４の後シール７２は、図３に示されるように、部分６８に固定された摩耗性材料９０のブロックと協働する、２つの密封ストリップ８０および８１を含む。

第二装置６４の前シール７０は、摩耗性材料９０のブロックと協働して、前シール７０を通過する空気流の流量を非常に低くまたはほぼゼロにし、こうして第一可動圧縮機ホイール２０の後部８６内の妨害を回避することを可能にする、４つの密封ストリップ８２、８３、８４、および８５を含む。

ターボシャフトエンジン１の動作中、図２に示されるように、空気流Ｆ１は吸気ダクト４に進入し、第一可動圧縮機ホイール２０によって圧縮され、その後第二可動圧縮機ホイール５０に向かって搬送される。第一可動圧縮機ホイール２０によって圧縮されるこの空気の一部Ｆ２は、第二密封装置６４に侵入する。

図３に示されるように、空気流Ｆ２は、後から前に向かって、前シール７０と後シール７２との間の軸方向距離Ｄにわたって延在する加圧空気ポケットＰまで後シール７２を通過する。

加圧空気ポケットＰまで後シール７２を通過する流れＦ２の一部Ｆ４は、第一可動ホイール２０の背後に位置する空間８６まで、前シール７０を通過する。空気が後シール７２およびその後前シール７０を両方とも通過したという前提で、前シール７０を通過した空気流Ｆ４の流量は比較的低いかまたはほぼゼロであり、この場合これは特に流れＦ４の流量を大きく減少させるように構成されている。これは、通路７３を通じて、第一可動ホイール２０によって圧縮された空気流に戻る空気流Ｆ４の流量を大きく制限し、こうして圧縮効率を改善することを可能にする。

加圧空気ポケットＰまで後シール７２を通過した流れＦ２の残部Ｆ３は、これを圧力下で維持するように第一密封装置５４の前シールに６０向かって通路７５を通じて搬送されるために、抽気される。

この例において、通路７５は、第一可動圧縮機ホイール２０の後部分６６と第二可動圧縮機ホイール５０の前部分６７との間に延在する。第一可動圧縮機ホイール２０の後部分６６と第二可動圧縮機ホイール５０の前部分６７との間の接続は、通路７５がこうして歯車の歯の間に形成されるように、たとえばカービックカップリングによって作成されてもよい。

図４を参照すると、一旦通路７５を通過すれば、第二密封装置６４の２つのシール７０および７２の間で抽気された空気流Ｆ３は、第一密封装置５４の後シール６２の前部分に到達するために通過する第二通路７７まで搬送される。こうして後シール６２は、第一装置の中の油が通路７７を通じて吸気ダクト４および／または圧縮段２内に漏れるのを防止するように、抽気流Ｆ３によって圧力下で維持される。

したがって本発明は、第一密封装置の１つまたは複数のシールを圧力下で維持すること、およびこうして、特にタービンエンジンの吸気ダクト内の圧力の低下の場合に、第一装置のシールのうちの１つ、たとえば後シールの圧力の低下に関連付けられた油漏れを防止することを、可能にする。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの可動圧縮機ホイール（２０）を含む空気圧縮段（２）と、
   前記空気圧縮段（２）に結合された吸気ダクト（４）と、
   可動圧縮機ホイール（２０）の前部分（５６）と吸気ダクト（４）との間に配置され、少なくとも１つのシール（６０）を含む、第一密封装置（５４）と、
   可動ホイール（２０）によって圧縮された空気を搬送するためのチャネル（４５）と、
   可動圧縮機ホイール（２０）の後部分（６６）と搬送チャネル（４５）との間に配置され、搬送チャネル（４５）から来る空気流（Ｆ２）を受けるように構成されている、第二密封装置（６４）と、
   を含むタービンエンジンであって、
   前記タービンエンジン（１）は、第二密封装置（６４）がそこを通過する空気の一部を抽気（Ｆ３）させるように構成されており、抽気空気（Ｆ３）はこれを圧力下で維持するように第一密封装置（５４）のシール（６０）まで搬送されることを特徴とする、タービンエンジン。
2. 第二密封装置（６４）が前シール（７０）および後シール（７２）を含み、空気は２つのシール（７０、７２）の間で抽気される、請求項１に記載のタービンエンジン。
3. 第二装置（６４）が摩耗性材料（９０）の少なくとも１つのブロックを含み、第二密封装置（６４）の１つまたは複数のシール（７０、７２）は、摩耗性材料（９０）の１つまたは複数のブロックと協働する密封ストリップ（８０、８１；８２、８３、８４、８５）のアセンブリを各々が含むラビリンスシールである、請求項１または２に記載のタービンエンジン。
4. 第二密封装置（６４）の後シール（７２）が、抽気の流量が第一密封装置（５４）のシール（６０）を圧力下で維持するのに十分であるように構成されている、請求項２または３に記載のタービンエンジン。
5. 第二装置（６４）の後シール（７２）が、１つから３つの密封ストリップ、好ましくは２つの密封ストリップを含む、請求項２から４のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
6. 第二密封装置（６４）の前シール（７０）が、前記接合部（７０）が開口している可動圧縮機ホイール（２０）の後部（８６）内の空気の流れの妨害を回避するように、可能な限りそこを通過する空気の流量を減少させるように構成されている、請求項２から５のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
7. 第二密封装置（６４）の前シール（７０）が、少なくとも２つ、好ましくは４つの密封ストリップ（８２、８３、８４、８５）を含む、請求項２から６のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
8. 第二密封装置（６４）の後シール（７２）および第二密封装置（６４）の前シール（７０）が、第一密封装置（５４）のシール（６０、６２）まで搬送されるために空気が抽気される加圧空気ポケット（Ｐ）を形成するように、２ｍｍ以上である距離（Ｄ）だけ離間している、請求項２から７のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
9. 前記タービンエンジン（１）が、通路（７５）が設けられたカップリング、好ましくはカービックカップリングによって前部分（６７）が第二密封装置（６４）の領域内で第一可動圧縮機ホイール（２０）の後部分（６６）に接続されている第二可動圧縮機ホイール（５０）を含み、空気流として抽気された空気（Ｆ３）は、これを圧力下で維持するために第一装置（５４）のシール（６０）に向かって搬送される前に、第二密封装置（７５）を通過して前記通路（７５）を流れる、請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
10. 少なくとも１つの可動圧縮機ホイール（２０）を含む空気圧縮段（２）と、
    前記空気圧縮段（２）に結合された吸気ダクト（４）と、
    可動圧縮機ホイール（２０）の前部分（５６）と吸気ダクト（４）との間に配置され、少なくとも１つのシール（６０）を含む、第一密封装置（５４）と、
    可動ホイール（２０）によって圧縮された空気を搬送するためのチャネル（４５）と、
    可動圧縮機ホイール（２０）の後部分（６６）と搬送チャネル（４５）との間に配置され、搬送チャネル（４５）から来る空気流（Ｆ２）を受けるように構成されている、第二密封装置（６４）と、
    を含むタービンエンジン（１）内の空気を抽気することによって、少なくとも１つのシールを圧力下で維持する方法であって、
    前記方法は、第二密封装置（６４）を通過する空気の一部（Ｆ３）を抽気するステップと、これを圧力下で維持するように第一密封装置（５４）のシール（６０）まで抽気された空気（Ｆ３）を搬送するステップと、を含むことを特徴とする、方法。

Images