JP2020517860A - タービンエンジンのロータとステータとの間のシール装置 - Google Patents

Abstract

これは、少なくとも２つの上流および下流ラビリンスシールリップと協働する少なくとも１つの摩耗性コーティング（４６）を含む、ロータ部とステータ部との間のシール装置に関する。ラビリンスシールリップの軸方向上流において、シール装置は、上流ラビリンスシールリップの自由端において、循環ガスの剥離を形成するために、コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面（４８ａ）を超えて半径方向に延びる周方向壁（５４）を備える。

Description

本発明は、ガスが流れる航空機用ガスターボ機械のロータ部とステータ部との間のシール装置に関する。

本特許出願では、以下の通りである：
−半径方向とは、以下で言及されるＸ軸に対して（実質的に）垂直を意味し、
−周方向とは、Ｘ軸の周りに延在する、図８におけるＹ方向を意味し、
−「外側」および「内側」（または「外部」および「内部」）とは、それぞれ、半径方向外側および半径方向内側を意味し、
−ラビリンスシールリップはまた、《こすりストリップ（シール）》または《ナイフ》として翻訳されることもよくある。

−軸方向とは、特にターボ機械のブレードの回転軸に平行な方向を意味し、したがって、これは、既に述べたＸ軸であり、
−「上流」および「下流」とは、ターボ機械内のガスの一般的な移動方向を基準とした軸方向位置である。

伝統的に、ステータ部は、外側ケーシングの内部で軸（Ｘ）周りに回転することができるロータブレードラビリンスシールリップと協働するように適合された半径方向内側コーティングを画定する摩耗性材料のブロックを、シールシステムの一部としてその内部が周方向に取り付けられた外側ケーシングを備える。摩耗性の内側コーティングを備えたかかるターボ機械の外壁は、特に、圧縮機もしくはタービンのケーシング、またはリングによって画定されることができる。

さらに、ステータ部はまた、通常、ラビリンスシールリップと協働するように適合されたステータ静翼シュラウド（またはディストリビュータ）の半径方向内側コーティングを画定することができる摩耗性材料のブロックも含む。

しかしながら、熱応力および空力的応力の結果として、ブレードとケーシングとの間の相対運動が発生する。

したがって、ターボ機械の可能な限り最高の効率を確保するために、通常は上述したラビリンスシールリップ、および反対側の摩耗性材料コーティングの位置で、ロータ部の動翼間またはステータ部の静翼間で発生するガス漏れを制限することが不可欠である。ラビリンスシールリップおよび摩耗性材料から構成されたブロックまたはコーティングから構成された通常のラビリンスシールリップまたはシール装置は、回転ブレードをバイパスするガスがタービンの仕事に影響を与えない限り、下流方向におけるガスの軸方向の通過に対抗することにより、かかる漏れを防止または制限することを目的としている。

実際、ロータ／ステータのシール制御は、上述したターボ機械の低圧または高圧（ＢＰ／ＨＰ）タービンの性能に不可欠な要素であり、通常は、半径方向のロータ／ステータ間隙を削減するＬＰＴＡＣＣまたはＨＰＴＡＣＣ（低圧、または高圧）システム、タービンアクティブ間隙制御バルブによって一方では確実にされ、他方では、所与の半径方向間隙のシールを形成するバルブに対抗するブレードの上部および中間リングに設けられたラビリンスによって確実にされる。

しかしながら、これらのラビリンスシールリップの効果は最適ではなく、それらの数、厚さ、およびステージングなどのいくつかのパラメーターに依存する。さらに、とりわけ部品の製造公差により、潜在的に過剰な半径方向間隙が持続する。

その結果、ロータ／ステータのシール領域を通るガスの流れは、重要なままであるが、特に「段階的傾斜」と呼ばれる構成に基づいて、様々な不完全な技術的提案がこれまでに開発されている。

米国特許出願公開第２００９／００６７９９７号明細書

本発明の目的は、これらの状況を回避することである。

したがって、ガスが下流方向に流れなければならず、ロータ部が軸（Ｘ）の周りでステータ部に対して回転するように適合され、摩耗性材料の少なくとも１つのコーティングを含む、航空機用ガスターボ機械のロータ部とステータ部との間のシール装置であって、
−ステータ部に取り付けられ、
−ロータ部の先端部に亘って半径方向に突出する、少なくとも２つのそれぞれ軸方向上流および下流のラビリンスシールリップと協働するように適合され、
コーティングおよび前記少なくとも２つのラビリンスシールリップが、それぞれ、半径方向に少なくとも２つの軸方向上流および下流の各自由軸方向シール面、および各自由端を有し、下流ラビリンスシールリップの自由端および下流自由軸方向シール面が、上流ラビリンスシールリップの自由端および上流自由軸方向シール面（半径方向面）よりもそれぞれ軸（Ｘ）から遠い半径方向位置（半径方向面）に位置し、
該装置が、ターボ機械のこのゾーン内のガス流の方向に対して前記少なくとも２つのラビリンスシールリップの軸方向上流にあり、
該シール装置が、前記コーティングの上流自由軸方向シール面を越えて半径方向に延在し、ガス流内に半径方向に貫通し、したがって、上流からのガス流に対して略横方向の障害物を形成し、上流ラビリンスシールリップの自由端において、循環中のガスの剥離を形成する周方向壁を備える、ことを特徴とするシール装置が提案される。

この特性の組み合わせを有しない構成と比較して、したがって特にコーティングの軸面が全て同じ半径にある解決策（「直線」と呼ばれる）と比較して、低い壁を形成することによって上述したステージングおよび前記周方向壁によってかなりのシール効果が得られ、ガス流内に半径方向に貫通する。これは、上流ラビリンスシールリップの端部に向かっても、流れの良好な剥離を可能にする。これは、いかなる他の形態のラビリンスシールリップ／コーティングシール面のペアよりも小さな漏れ断面積、およびバイパスされたガス流量の増加をもたらす。

しかしながら、地上におよび飛行中に存在する可能性のある複数の状況を考えると、遭遇する熱的および空力的条件に関連して、上記解決策を実施する際に実際的な問題がある場合があることが見出された。

したがって、特に以下の最適化された位置づけを促進することが提案される：
−半径方向において、前記壁、または低壁が、前記上流ラビリンスシールリップの自由端から距離を有して半径方向に位置する上流ラビリンスシールリップの一部に軸方向に面するようにさらに延びる必要がある、および／または、
−前記周方向壁が、コーティングの上流自由軸方向シール面の軸方向上流端に、またはそれに向かって軸方向に位置する必要がある、および／または、
−コーティングの上流自由軸方向シール面から、この周方向壁が１．５ｍｍ以上の半径方向距離に亘って延在する必要がある、および／または、
−前記コーティングの同じ上流軸方向シール面から、前記周方向壁が、好ましくは１．２５ｍｍから５ｍｍの半径方向距離に亘って半径方向に延在する必要がある、
−および／または、特定のレポートが準拠する必要がある、１≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５、１≦Ｌ２／Ｌ１≦４、１≦Ｌ３／Ｌ１≦３を参照のこと。

テストは、上述した解決策と比較して約１０％の圧力降下（したがって、漏れ）の増加を示し、コーティングの自由軸方向シール面は、全て、低壁を形成する周方向壁は有さずに同じ半径（「直線」と呼ばれる）に位置する。

上記にも匹敵する考慮事項については、上流ラビリンスシールリップの端部における剥離によって生成されることが求められるエネルギー散逸のほとんどがラビリンスシールリップの下方で発生したとしても、回転ブレードの上部、したがってロータの用途についても以下が提案される：
−前記少なくとも２つのラビリンスシールリップが半径方向に突出するロータ部の先端部分が、上流に面するスポイラーを上流端に備えたブレードプラットフォームを備える必要があり、
−半径方向において、前記周方向壁が、スポイラーから反対側であるが距離を有して延在する必要がある。

したがって、前記周方向壁は、双方とも、上流ラビリンスシールリップの十分上流にあり、したがって、上述した熱的および空力的条件による移動中の接触のリスクを防止し、以下によって２つの形成されたガス流ガイド面の間に半径方向に挿入される：
−（通常、前記周方向壁を越えて上流へ延在する）スポイラーによって、
−および、この周方向壁の下流へ延在するコーティングの上流自由軸方向シール面によって。

考慮される他の考慮事項は、この周方向壁の連続生産、組み立ておよびメンテナンス（交換）の容易さである。

したがって、以下も提案される：
−前記周方向壁が、前記コーティング上に形成され、前記コーティングの上流自由軸方向シール面から半径方向に突出する横断勾配によって画定される必要がある、および／または、
−この壁を、前記コーティングと一体化する必要がある。

同様の理由で、以下も提案される：
−コーティングが、個々に軸方向寸法を有する半径方向セルを含むセル構造を有する必要があり、
−周方向壁が、前記軸（Ｘ）に対して横方向に同じ円周上に位置するセルの前記軸方向寸法よりも大きい軸方向厚さを有する必要がある。

これは、機械的強度と信頼性を、組み立てとメンテナンスの容易さと組み合わせるものとなる。

考慮されるさらに他の考慮事項は、上流ラビリンスシールリップの端部における流れの剥離の形成の最適化に関する。

したがって、以下も提案される：
−少なくとも上流ラビリンスシールリップが、上流自由軸方向シール面の方向において、少なくともその長さの一部に亘って、軸（Ｘ）に対して、および軸に対して半径方向に、上流方向に傾斜する必要があり、または、
−上流ラビリンスシールリップの自由端が、上流自由軸方向シール面の軸方向上流部の半径方向反対側に位置する必要がある。

第２の考慮事項は、コーティングの端部における軸方向の長さ全体に亘って、ガス流に対する剥離の半径方向の効果を活用することを可能にする。

また、前記少なくとも２つの軸方向上流および下流の軸方向自由軸シール面が、それぞれ、それらの間に（すなわち、Ｘ軸に対して垂直）半径方向接続壁を有する必要があることが提案される。

製造の容易さおよび機械的強度の観点から、かかる半径方向接続壁は、米国特許出願公開第２００９／００６７９９７号明細書（壁１１２）のように、バイアス構成よりもここでは好ましいことが見出された。

本発明はまた、上述した特徴の全てまたは一部を有するシール装置を備えていることを特徴とするような航空機用ガスターボ機械に関する。

本発明は、必要であれば、添付図面を参照して非網羅的な例として以下の説明を読むことにより、より良く理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点が明らかになるであろう。

図１は、航空機に搭載されたターボ機械の一部の概略部分軸方向断面図である。 図２は、Ｘ軸を含む正中面に沿った同じ垂直断面に沿って、図１のターボ機械に取り付けることができる低圧タービンの一部を示している。 図３は、図２のタービンに取り付けることができる回転ブレード（ロータ）の斜視図を示している。 図４は、それらを受け入れる外側ケーシングに配置されたタービン段の動翼のレベルにおける、図５のＩＶ−ＩＶ線に係る垂直断面図である。 図５は、摩耗性コーティングと前記動翼の端部との間の協働を軸方向部分断面で示している。 図６は、こうして取り付けられたテストにおける上流ラビリンスシールリップの下方の全圧力場を示している（生成された剥離が明確に見える）。 図７は、そのようなエネルギー場も備えたより現実的な取り付けを示している。 図８は、使用可能な摩耗性材料のブロックの斜視図を示している。 図９は、使用可能な摩耗性材料のブロックの側面図を示している。 図１０は、本発明によって提案された周方向壁の実装に関する性能の向上、すなわち、漏れ率の最大１０％の低減を示している。 図１１は、本発明に係るシールシステムの変形例を示している。 図１２は、本発明に係るシールシステムの変形例を示している。

図１の図解に示されるように、航空機用のターボファンエンジンまたはターボジェットエンジン１は、ターボ機械の様々な構成要素が内部に配置される少なくとも１つの環状ファンケーシングまたは外周筐体２を備える。

回転シャフト４と結合されたファン３のブレードは、空気の運動方向（航空機の飛行方向とは反対、図１、図２の矢印を参照）を考慮して、環状外側ケーシング２の入口に配置される。そして、ターボ機械の回転のＸ軸の周りに延びるシャフト４に接続されるのは、異なる軸方向圧縮段であり、典型的には低圧圧縮機５ａとそれに続く高圧圧縮機５ｂである。そして、軸方向タービン段、典型的には高圧タービン６とそれに続く低圧タービン１６を含む様々な他のエンジン部品が配置される。

空気は、ファンブレード３によって駆動される環状外側ファンケーシング２に入る。推進を提供するために、その最大部分は、環状外側ケーシング２のセクションとさらに内側に位置するエンジンケーシング７との間で半径方向に区切られた二次ジェット１１内を流れる。空気の他の部分は、低圧圧縮機５ａによって一次ジェット１３（図５および図１１の下流方向の流れ７１）に吸い込まれ、エンジンを構成する他の要素によってタービン６のステージに向けられる。さらに、補強アーム１０は、環状外側ケーシング２とエンジンケーシング７とを接続する。

図１の低圧圧縮機５ａなどの各圧縮機は、転回部または回転部と、１つのエンジンケーシング７と一体の静止部とを備える。より具体的には、圧縮機は、空気を案内するために、シャフト４に結合されて回転するロータホイールに属する交互ブレード８と、圧縮機の静止部に結合された下流のガイドベーン９（またはステータ）を備える。

上述した「周方向壁」は、特に低圧タービンに設けることができるため、図２は、動翼１８、２０、２２（ブレード８）と静翼２４、２６（下流のガイドベーン９）の複数の列を交互に軸方向に備える、かかるタービンの例を示している。

静翼２４、２６の半径方向外側端部は、手段（図示せず）によってエンジン７のケーシングに取り付けられ、回転ブレード１８、２０、２２の半径方向内側端部は、例えばロータディスク２８、３０、３２の半径方向内側端部にダブテール手段などを使用して取り付けられる。各ディスクは、ディスクを共に取り付け、ターボ機械のシャフト４に接続された駆動コーン３４上で回転して、ディスク上でブレードの根元を保持する環状フランジを取り付けるために使用される上流環状フランジ３６ａと下流環状フランジ３６ｂとを備える。ブレードの根元は、ロータディスクに設けられた軸方向溝と協働するように設計されている。各回転ブレードは、ブレードが取り付けられているロータの軸Ｘに対して垂直な軸に沿って延在している。

２８、３０などの軸方向に連続する２つのロータディスクは、上述した上流および下流環状フランジを介して、ステージ間シール３７を支え且つ対応する上流フランジ３６ａの外周に位置する中間シールリング３５も保持するボルト３３によってともに結合される。それ自体公知のかかるシールは、ロータ／ステータシールシステムを画定するように摩耗性材料から構成されたコーティング４６と協働する半径方向環状延長部またはラビリンスシールリップ４１を備えることができる。

一般的にいえば、ロータブレードは、回転ブレードおよび静止下流ガイドベーン上に設けられた内側プラットフォーム４７によって実質的に画定されることができる外側環状境界４４と内側環状境界４５との間に配置され、軸Ｘ周りに回転することができる。図２では、各コーティング４６は、対応する内側プラットフォーム４７の半径方向内側シュラウド４３に取り付けられている。

図３は、第１の低圧タービンホイールに属することができる符号１８などで示されるロータブレードの例を示している。

各動翼は、その内端にブレード脚部３８ａを有し、その外周端部に向かって外側プラットフォーム３８ｂを有する。ブレードは、前記ブレードが取り付けられているロータの軸Ｘに対して垂直なブレード軸Ｚに沿って延在している。

図２のラビリンスシールリップ４１と同様に、ここではそれぞれ軸方向上流および下流ラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂが設けられている。

全てのラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂ、４１は、ロータの回転軸Ｘに対して略垂直な平面に配置され、略環状に延在している。

したがって、ラビリンスシールリップ４１に関しては、図２および図３を組み合わせることで、ロータ部の先端部分、ここでは符号３８ｂによって示される部分に担持され且つラビリンスシールリップがここでは半径方向外側に突出する少なくとも２つのラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂをここで見出すことができる。これらのラビリンスシールリップは、上述した外側環状境界４４に属する固定外側ケーシング４４１の内壁に先験的に間接的に取り付けられた摩耗性材料４６から構成されたコーティングと協働してラビリンスシールを形成するように適合されており、したがって、シール装置５０を画定する。通常、これは、外側ケーシング４４１に周方向に引っ掛けられたリングセクター４４２を介して行われる。

摩耗性材料のブロック４６は、典型的には、Ｘ軸の周りに周方向に角度のあるセクターで延在している。

以下では特に図５を参照するが、特にラビリンスシールリップ４１とシュラウド４３のコーティング４６との間の摩耗性材料を含む全てのロータ／ステータシール領域が関係している：
−コーティング４６が、少なくとも２つの軸方向上流および下流半径方向自由軸方向シール面４８ａ、４８ｂをそれぞれ有し、
−ここでは符号４０ａ、４０ｂなどで示される前記少なくとも２つのラビリンスシールリップが、それぞれ半径方向自由端５０ａ、５０ｂを有し、
−下流ラビリンスシールリップ４０ｂの自由端５０ｂおよび下流自由軸方向シール面４８ｂが、
−−半径方向に互いに向かい合う半径方向位置に配置され、
−−それぞれ、上流ラビリンスシールリップ４０ａの自由端５０ａおよび半径方向に向く上流自由軸方向シール面４８ａ（それぞれの半径およびＲａｍ２、Ｒａｍ１）よりもＸ軸から遠い（それぞれの半径Ｒａｖ２、Ｒａｖ１；図５を参照）。

実際、これは、特に図５および図７に示すように、その後に関連するシールゾーンを通過しないバイパスガス流量の大幅な削減（先験的に５から１５％）に貢献し、それは、前記上流自由軸方向シール面に向かって、その突出長さの少なくとも一部に亘って、軸（Ｘ）に対して上流（ＡＭ）および軸に対して半径方向に傾斜している少なくとも１つの上流ラビリンスシールリップ４０ａと関連付けられている。図７では、２つのラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂは、上流方向に傾斜している。そして、上流ラビリンスシールリップ４０ａの自由端５０ａは、摩耗性コーティング４６の上流自由軸方向シール面４８ａの軸方向上流部５２ａの半径方向反対側に位置していることがわかる。これは、ラビリンスシールリップの軸方向上流に設けられ且つ考慮されるコーティング４６の上流自由軸方向シール面４８ａを超えて半径方向に延びる周方向壁５４によって生じるガス流の剥離の半径方向の効果を、コーティングの端部のかなりの軸方向長さに亘って利用できるようにしなければならない。それは周方向であるため、低壁５４は、Ｘ軸の周りの角度セクターによって延長することができる。

全体として、少なくとも上流ラビリンスシールリップに対して、階段状の摩耗性材料と半径方向にオフセットおよび傾斜したラビリンスシールリップを備えたかかる二重障害物は、とにかく理にかなっている。

図６および図７は、上流ラビリンスシールリップの端部５０ａにおいて周方向壁５４によって生じるこのガス流の符号４２０で示される剥離を示している。

このゾーンの上流におけるガスの循環に対して実質的に横断する障害物を形成する、シールゾーンの上流に、耐性のある先験的には固体の壁５４を追加することにより、ラビリンスシールリップの様々な列の端部のすぐ下流の、符号４３０、４４０で示される有意なエネルギー散逸現象を得ることが可能である。

そして、それは、下流ラビリンスシールリップの端部において剥離４１０にとって好ましい状態を形成する壁５４によって２つのラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂの間で引き起こされる循環である。図７の例は、これを示している。

図２および図５は、循環ガス流の中間空間７０を半径方向に制限する（実質的に）軸方向自由面、ここでは４７ａおよび４８ａに関して、この低壁５４によって画定される突出部を示している。したがって、低い壁または壁５４は、一次ジェット１３に隣接するガス状中間空間７０に形成され、摩耗性材料４６と、関係するブレード１８の上部との間に半径方向に配置され、上述したように、自由面４７ａおよび４８ａは、外側環状境界４４に属し、自由面４７ａおよび４８ａは、それぞれ、前記低い壁５４の両側に軸方向に配置されている。

上流（実質的に）軸方向自由面４７ａに加えて、考慮される低壁５４のすぐ上流（軸Ｘ）に軸方向に位置するリングセクター４４２の表面は、下流（実質的に）軸方向自由面４７ｂを有することもわかる。自由面４７ａおよび４７ｂは、それぞれ、互いに隣接して、低い壁５４の上流および下流へ延在しており、この低い壁５４（少なくともその（実質的に）自由軸方向面５４１）は、考慮されるリングセクター４４２の上流（実質的に）自由軸方向面４７ａおよび下流（実質的に）自由軸方向面４７ｂに向かって半径方向に（Ｚ軸）突出している。

図４に示されるように、各壁５４は、それを含むステータ部と同様に、回転軸Ｘに対して垂直な平面内で、これにより角部によって環状に延在することができる。

上述した熱的および空力的条件による部品の動きに関する壁／各壁５４の完全性を維持することを含めて、この壁５４は、上述したゾーン５２ａの上流のコーティング４６の上流自由軸方向シール面の軸方向上流端部５２０ａに、またはそれに向かって軸方向に配置される必要があることが推奨される。

図に示すように、２つの上流４８ａおよび下流４８ｂの自由シール面に関して、シール装置５０の下流、特に摩耗性材料４６の下流、特に下流自由シール面４８ｂの下流には、そのような半径方向に突出する他の低い壁が存在しないため、壁５４は、上流自由シール面４８ａのすぐ上流または上流端に位置するという意味で先験的には固有である。

剥離４２０と、４３０および４４０の乱流運動エネルギーの概略図（図６または図７を参照）は、壁５４が中間空間７０内の流れの乱れを画定または形成し、この低い壁の上流面５４０ａがこの流れの反対側となるように、したがって略Ｚ軸に沿って配置されることを明確に示している。示された好ましい例では、上流面５４０ａおよび軸方向上流端部５２０ａは、互いに半径方向に延在している。

上流ラビリンスシールリップの端部における剥離によって生成されることが求められるエネルギー散逸の現象を促進するために、壁５４がこのラビリンスシールリップの自由端５００ａから距離を置いて半径方向に配置された（各）上流ラビリンスシールリップ４０ａの一部４００に軸方向に面するように半径方向へさらに延在することも提案される。特に図５を参照のこと。

周方向壁５４がなければ、ジェットの方向は、（より）軸方向を維持し、有意な剥離無しに上流ラビリンスシールリップ４０ａの端部を通過する。低い壁のような方法で、壁５４は、流れのトポロジーを変更する。ガスジェットは、この上流ラビリンスシールリップを通過するときに、はるかに重要な剥離を引き起こす、さらなる半径方向を有する。したがって、漏れセクションが剥離によって閉じられると、所望のシールにとって好ましいエネルギー散逸が増加する。したがって、乱流運動エネルギーは、下流ラビリンスシールリップの近傍で最大であり、したがって上流ラビリンスシールリップの近傍よりも重要であることがわかった（図７）。

上記特徴と組み合わせて必要な場合、以下のように特に最適化された位置づけを促進することも推奨される：
−コーティング４６の上流自由軸方向シール面４８ａから、周方向壁５４が、１．５ｍｍ以上の半径方向距離Ｄ１に亘って延在しており、または、
−前記コーティングのこの同じ上流自由軸方向シール面４８ａから、前記周方向壁５４が、好ましくは１．２５ｍｍから５ｍｍの半径方向距離Ｄ１に亘って半径方向に延在する必要がある。

図１０では、図５のような一実施形態において、高さ５ｍｍ（ステージ１）のそれぞれ上流４８ａと下流４８ｂの２つの自由軸方向シール面間の接続の半径方向壁６２によってテストされ、高さＤ１に応じて摩耗性材料４６と、関係するブレード１８の頂部との間のゾーン７０における中間空間内を循環する空気流のデルタの％単位の比率の曲線は、１．５ｍｍで横ばいになることもわかる。効率は、この値を超えてより重要である。５ｍｍを超えると、追加の効果は示されず、タービンへのロータの統合の問題が発生する。僅か４％の差異で、値Ｄ１＝１．２５ｍｍが許容可能であり、効率は、既に重要であることに留意されたい。

また、以下のレポートは、好ましくは組み合わせて、かかる性能に貢献することに留意すべきである（関連する距離の特定については、図５および図１２を参照のこと）：
１≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５、および／または、
１≦Ｌ２／Ｌ１≦４、および／または、
１≦Ｌ３／Ｌ１≦３。

これらの比率は、２つの主要な高エネルギーゾーン４３０、４４０の存在からわかるように、流れの乱れに有利である。

確認のため、以下のとおりである：
−Ｄ１は、低い壁５４の突出部である、または摩耗性コーティング４６の上流自由軸方向シール面４８ａと低壁５４の自由端との間の半径方向距離であり、
−Ｄ２は、低い壁５４の自由端とその半径方向連続部に位置するスポイラー５６の半径方向外面５６０ａとの間の半径方向距離であり、
−Ｌ１は、その半径方向自由端における（各）上流ラビリンスシールリップ４０ａの軸方向厚さであり、
−Ｌ２は、その軸方向連続部に位置する低い壁５４の下流面５４０ｂと、その半径方向自由端における上流ラビリンスシールリップ４０ａの上流面４０１ａとの間の軸方向距離であり、そして、
−Ｌ３は、その軸方向連続部に位置する半径方向接続壁６２と、その半径方向自由端における上流ラビリンスシールリップ４０ａの下流面４０３ａとの間の軸方向距離である。

これらのレポートは、１０％を僅かに上回る上述した追加のエネルギー散逸に貢献していることが確認された。

上記に匹敵する考慮事項については、以下のように回転ブレードの上部、したがってロータの上部における用途にも提案される：
−プラットフォーム３８ｂが、上流に面するスポイラー５６を上流端に装備する必要があり、かつ、
−半径方向において、前記周方向壁５４が、反対側であるがスポイラーから距離を有して延在する必要がある。

そのような距離Ｄ２は２０ｍｍ以上が推奨される。

周方向壁５４の連続生産、組み立ておよびメンテナンスを容易にするために、以下も推奨される：
−この壁５４は、考慮されるコーティング４６上に形成され、上流自由軸方向シール面４８ａから半径方向に突出する横断勾配５８によって画定される必要があり、
−この壁５４は、示されるように、前記コーティング４６と一体である必要がある。

特に、各摩耗性シールコーティングは、個々に閉じた輪郭セル６０を備えたハニカム状に形成されることができる。Ｘ軸および、Ｘ軸とＺ軸を横切るＹ軸がマークされている図８を参照のこと。一実施形態では、典型的に多角形のセルは、互いに接続されてブロックを形成し、その一部が図８に示されている。半径方向に開いたセル６０は、個々に軸方向寸法（長さ）Ｌ４を有し、周方向壁５４は、前記Ｘ軸を横切る同じ円周Ｃ１に位置する（各メッシュの）セルの前記軸方向寸法Ｌ４よりも大きい軸方向厚さＥ１を有する。図８、図９を参照のこと。

この場合、機械的強度と信頼性とを組み合わせて、組み立てとメンテナンスを容易にすることができる。

（米国特許出願公開第２００９／００６７９９７号明細書／壁１１２のような）斜めに傾斜した接続壁は、機械加工の制約を課すため、少なくとも２つのそれぞれの軸方向上流４８ａおよび下流４８ｂの自由軸方向シール面は、それらの間に半径方向接続壁６２（例では、Ｘ軸に対して略垂直）を有する必要があることも提案される。図７の例はまた、上記特性によって設計されたロータ／ステータシールゾーンから通過するときの乱流運動エネルギー（または圧力）場は、ラビリンスシールリップ４０ａ、４０ｂのすぐ下流に２つの主要な高エネルギーゾーン４３０、４４０を有し、各表面４８ａ、４８ｂとほぼ接触していることを示している。他方では、このエネルギー／圧力場は、右側ステップ６２の直近の環境（ゾーン４５０）では弱い。乱流運動エネルギーのレベルは、圧力損失を表しており、したがって、シールの有効性を特徴付ける。ゾーン４３０において既に高い乱流運動エネルギーは、ここではゾーン４４０において最大であり、第２のラビリンスシールリップの近くである。

これは全て、バイパスガス流を制限することに好適である。

周方向壁５４に関連して、追加のエネルギー散逸は、計算により、周方向壁がなく、コーティングまたは上流および下流ラビリンスシールリップのステージングまたは自由面のない解決策と比較して１０％を僅かに上回ると推定され、この効果は、ここでのタービンのように、考慮された各ロータ／ステータ協調ステージにおいて得ることができることが理解される。

技術的には、考慮されるシールゾーンの上流に低い壁５４を形成するためのいくつかの解決策が考慮されることができる。

関連する、実装が簡単で効果的な解決策は、Ｘ／Ｚスケールが考慮されない、図９の方向Ｚに摩耗性材料から構成された比較的高い未加工の板４６を供給することである。そして、いくつかの機械加工操作を使用して、低い壁／壁５４と、ここではそれらの中間に半径方向段差６２を備えた２つの段付き面４８ａ、４８ｂを形成する。前記低い壁の連続性（およびこの壁５４の気密性）を確保するために、セル６０（Ｌ４）と少なくとも軸方向に同じ厚さ（Ｅ１）において、周方向壁５４自体が表面４８ａ、４８ｂに対して垂直である。

図１１は、摩耗性コーティングの、より実用的な取り付けを示している。この解決策では、摩耗性コーティング４６の周方向ブロックのそれぞれは、リングセクター４４２の１つに半径方向外側に取り付けられている（例えば、溶接またはろう付けされている）。これらのリングセクターのそれぞれは、外側ケーシング４４１に周方向に取り付けられている。この目的のために、各リングセクター４４２は、以下のように固定的に（例えば、それに溶接されて）半径方向外側に提供されることができる：
−少なくとも１つの下流フック付き（またはＣ字型）保持部材６６を備えた下流端に向かって、上流方向に開き、（それぞれ）外側ケーシング４４１の下流に突出する下流周方向レール６８と周方向に係合し（またはそれに取り付けられる）、かつ、
−上流端に向かって、少なくとも１つの上流フック付き（またはＣ字型）保持部材７２を備え、上流方向に開き、（それぞれ）外側ケーシング４４１の下流に突出する上流周方向レール７４と周方向に係合する（またはそれに取り付けられる）。

この場合、それは、リングセクター（図２および図５の実施形態において４７ａで示される）の前記上流自由軸方向面を画定する（各）上流保持部材７２の（実質的に）自由軸方向面７２ａである。

前述のように、リングセクター４４２のこの上流自由軸方向面７２ａは、そこから半径方向に突出する低に壁５４にすぐ隣接する軸方向（軸Ｘ）にある。したがって、中間空間７０を通って流れる下流のガス流は、（実質的に）自由軸方向面７２ａ上を掃引し、そして、したがって（実質的に）面７２ａに隣接するＸ軸に沿っている横方向低壁５４に当たる。

他の代替例は、図１２に示すように、低い壁の両側にある自由軸方向面である。この場合、壁５４に隣接する上流および下流の（実質的に）自由軸方向面は、それぞれ、関連するインペラのリングセクター４４２の摩耗性要素によって形成される。したがって、（各）摩耗性要素４６は、低い壁５４および上流自由軸方向面４８ａに加えて、低い壁５４の上流に位置する他の（実質的に）自由軸方向面４８ｃを一体化する。その効果を保証するために、低い壁５４は、それに隣接する前記上流および下流（実質的に）自由軸方向面４８ｃおよび４８ａに対してそれぞれ半径方向内側に突出している。

上記および例示の裏付けから、上流ラビリンスシールリップ４０ａの自由端において、循環中のガスの剥離を形成するために、したがって、前記コーティング４６上に横断勾配によって画定される低い壁５４は、以下を形成することが理解されるであろう：
−軸方向に隣接する、またはそれに隣接するシール装置５０の上流自由軸方向面（上記４７ａ、４８ａ、４８ｃ、７２ａ）からの半径方向突出部、
−特に、軸方向に隣接する、またはその上流においてそれに隣接するシール装置５０の上流自由軸方向面（上記４７ａ、４８ｃ、７２ａ）に対する半径方向突出部。図５、図１１、図１２の距離Ｄ３を参照のこと。

Claims (14)

1. ロータステータ航空機用ガスターボ機械のロータ部（８、１８、３８ｂ；３５、３６）とステータ部（９、４３；４４０）との間のシール装置であって、ガスが下流方向に循環し、ロータ部が軸（Ｘ）の周りでステータ部に対して回転するように適合され、摩耗性材料から構成された少なくとも１つのコーティング（４６）を含み、
   −ステータ部（９、４３；４４０）に取り付けられ、
   −ロータ部（８、１８、３８ｂ；３５、３６）の先端部分に亘って半径方向に突出する、少なくとも２つのそれぞれ軸方向上流および下流のラビリンスシールリップ（４０ａ、４０ｂ）と協働するように適合され、
   コーティング（４６）および前記少なくとも２つのラビリンスシールリップ（４０ａ、４０ｂ）が、それぞれ、半径方向に少なくとも２つの軸方向上流および下流の自由軸方向シール面（４８ａ、４８ｂ）、および各自由端（５０ａ、５０ｂ）を有し、下流ラビリンスシールリップ（４０ｂ）の自由端（５０ｂ）および下流自由軸方向シール面（４８ｂ）が、上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の自由端（５０ａ）および上流自由軸方向シール面（４８ａ）よりもそれぞれ軸（Ｘ）から離間した半径方向位置に位置し、
   ガス流の方向に対して前記少なくとも２つのラビリンスシールリップ（４０ａ、４０ｂ）の軸方向上流にあり、シール装置（５０）が、ガス流（７０）内に半径方向に貫通することによって前記コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面（４８ａ）を越えて半径方向に延在し、それにより、上流からのガス流に対して略横方向の障害物を形成し、上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の自由端において、循環ガスの剥離を形成する周方向の低い壁（５４）を備える、ことを特徴とするシール装置。
2. 半径方向において、低い壁（５４）が、前記上流ラビリンスシールリップの自由端（５０ａ）から半径方向に離間した位置にある上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の一部（４００）と反対側に軸方向へさらに延在している、請求項１に記載の装置。
3. 低い壁（５４）が、コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面（４８ａ）の軸方向上流端部に、またはそれに向かって軸方向に配置される、請求項１から２のいずれか一項に記載の装置。
4. 低い壁（５４）が、前記コーティング（４６）と一体である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 低い壁（５４）が、前記コーティング（４６）上に形成された横断勾配によって画定され、シール装置の上流自由軸方向面（４７ａ、４８ａ、４８ｃ、７２ａ）から半径方向に突出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 少なくとも上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）が、前記上流自由軸方向シール面に向かって、少なくともその長さの一部に亘って、軸（Ｘ）に対しておよび半径方向に対して上流方向に傾斜している、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の自由端が、上流自由軸方向シール面の軸方向上流部（５２ａ）の半径方向反対側に位置する、請求項６に記載の装置。
8. 前記コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面から、低い壁（５４）が１．５ｍｍ以上の半径方向距離（Ｄ１）に亘って延在している、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面から、周方向壁（５４）が１．２５ｍｍから５ｍｍの半径方向距離（Ｄ１）に亘って半径方向に延在している、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記少なくとも２つの、それぞれ軸方向上流および下流自由軸方向シール面が、それらの間に半径方向接続壁（６２）を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. −コーティング（４６）が、軸方向寸法（Ｌ４）を個別に有する半径方向セル（６０）を備えるセル構造を有し、
    −低い壁（５４）が、前記軸（Ｘ）を横切る同じ円周（Ｃ１）上に位置するセルの前記軸方向寸法（Ｌ４）よりも大きい軸方向厚さ（Ｅ１）を有する、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. −前記少なくとも２つのラビリンスシールリップ（４０ａ、４０ｂ）が半径方向に突出するロータ部（８、１８、３８ｂ；３５、３６）の端部が、上流端部に上流に面するスポイラー（５６）を備えたブレードプラットフォーム（３８ｂ）を備え、
    −半径方向において、低い壁（５４）が、スポイラー（５６）の反対側であるが距離を有して延在している、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 好ましくは、
    １≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５、
    １≦Ｌ２／Ｌ１≦４、
    １≦Ｌ３／Ｌ１≦３であり、
    −Ｄ１が前記コーティング（４６）の上流自由軸方向シール面（４８ａ）と低い壁（５４）の自由端との間の半径方向距離であり、
    −Ｄ２が低い壁（５４）の自由端とスポイラー（５６）の半径方向外面（５６０ａ）との間の半径方向距離であり、
    −Ｌ１が半径方向自由端における（各）上流ラビリンスシールリップ４０ａの軸方向厚さであり、
    −Ｌ２が低い壁（５４）の下流面（５４０ｂ）と上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の半径方向自由端における上流面（４０１ａ）との間の軸方向距離であり、
    −Ｌ３が上流ラビリンスシールリップ（４０ａ）の半径方向自由端における下流面（４０３ａ）と半径方向接続壁（６２）との間の軸方向距離である、
    組み合わせを有する請求項１２に記載の装置。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のシール装置（５０）を備えていることを特徴とする、航空機用のガスターボ機械（１）。

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