JP2680651B2 - ターボマシンのロータ用ブレード間のシール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、ターボマシン又は同様の物のロータに於け
る隣接するブレード間に配設されたシールに関する。 発明の背景 ガスタービンエンジンのような軸流ターボマシンに
は、作動流体の環状流と相互作用する周囲に配置した複
数のブレードを有するロータを備える。このような作動
流体の半径方向内側に向く流れの発生を防ぐ為、ロータ
アセンブリの隣接するブレードプラットフォーム間に形
成された軸方向のギャップに沿ってシールを備えること
は公知である。このようなブレード間にあるシールは、
ロータデスクのリムと隣接するブレード間に形成された
キャビテイ内のブレードプラットフォームの下側面との
間に配設されている。このキャビテイは“ダンパ キャ
ビテイ”と称し、好ましくないロータのリムの振動を減
少させる慣性振動ダンパを収納するようになっている。
このようなシールは、ヒルによる米国特許第４、505、6
42号に開示されている薄型シート金属又はブラントレイ
による米国特許第４、183、720号に於けるような他の柔
軟性のある構造物から形成されている。 ヘスその他による米国特許第４、101、245号にシール
及び振動ダンパの組み合わせたものが開示されている。
ホーリンガによる米国特許第４、457、668号では、ロー
タアセンブリの反対側面に隣接するエンジン構造を冷却
する軸方向通路に半径方向外側の流れのチャンネルとな
るスロー形ダンパを開示している。 公知のシールは、ブレードのプラットホームを通過し
ダンパキャビテイに入る作動流体の半径方向の流入を防
止するのに十分適合している。ガスタービンエンジンの
タービン部分にある典型的な作動流体は、与圧をかけた
高温燃焼生成物からなり、そして、ダンパキャビテイ
は、最高の材料ストレスのもとで回転するタービンデス
ク部分に隣接するので、このようなシーリングの長所
は、公知であり、又その長所により設計者がより効果的
で価格が低く組み立ての容易なシール装置を求めようと
し続ける。 作動流体を導入して隣接するタービンブレード間にタ
ーボマシンの中央線側に向け半径方向の流れを起こすブ
レードプラットホームにかかる半径方向圧力差に加え
て、環状方向に流れる作動流体の連続する圧縮又は膨張
から生じる軸方向圧力傾斜もある。この軸方向圧力傾斜
も、作動流体を強制的にロータアセンブリの高い圧力面
でダンパキャビテイ内に入れるようにし、ロータブレー
ドをバイパスし、ガスタービンエンジンのタービンロー
タアセンブリに対しては潜在的にオーバヒートしタービ
ンディスクリムの早い時期の劣化を引き起こす。 主に、作動流体の半径方向の流れに対してシールする
ように設計された公知のブレード間シールは、その軸方
向の流れを防止するには十分でない。例えば、ヘスその
他によるダンパとシールとの組み合わせたものが、ダン
パキャビテイへの流れに抗して所望の軸バリヤとなる前
方と後方の環状ロータデスク側板の間に延設している。
ヘスによるシールとダンパの結合構造は、ヒルとブラン
トレイとによるシールメタルとリボンシールよりもそれ
ぞれ構造的に強固で重く、従って、上記部材のブレード
プラットホームの下側面に対する適合性を落とすことで
側板に対する軸方向シール力を良好なものにしている。 反対に、ヒルとブラットレイによる薄く柔軟なシール
は、ロータアセンブリの回転により誘発された遠心加速
により簡単に適合される。しかしながら、このシール
は、効果的で確実な軸方向シールを与えるためにロータ
の側板と係合するための十分な軸方向強度を発揮してい
ない。不都合な軸方向ガス流に対して試みることよりも
ホーリンガによるシールダンパは、対応するダンパキャ
ビテイを介する軸方向に流れる冷却空気を補助して向け
るように構成されている。 軽量で適合容易なシール部材に軸方向半径方向両方の
シール能力を組み合わせたシール手段が要求される。 発明の開示 従って、本発明の目的は、軸流式ターボマシンのロー
タアセンブリでの２つの隣接するブレードプラットホー
ムにより形成されたギャップをシールする手段を提供す
ることにある。 更に、本発明の目的は、ターボマシンの作動流体の軸
方向及び半径方向の流れの両方を作動流体環状部からブ
レードプラットホームの半径方向内側で隣接するブレー
ドの円周方向中間に配設するダンパキャビテイ内への流
入を防止する単一のシーリング手段を提供することを目
的とする。 更に、本発明の目的は、ターボマシンの動作中その間
のシーリング力を増加するダンパキャビテイとシーリン
グ手段の半径方向外側の境界を協同して形成することに
ある。 更に、本発明の目的は、キャビテイの半径方向外側境
界に密に適合させるためにダンパキャビテイ内に配設し
いずれの慣性ブレードダンパとは別の簡単なシートメタ
ルシールを提供することにある。 更に、本発明の目的は、ガスタイトなバリヤをターボ
マシンの作動流体に対して共同して設けるための環状前
部及び後部ロータ面板と係合する軸方向に延設した前部
及び後部端を有するシートメタルシールを提供すること
にある。 更に、本発明の目的は、ターボマシンのロータを組み
付け中ダンパキャビテイ内にシールを保持するシートメ
タルシールと一体の対応する円周方向に延設するアーム
と嵌合する為に半径方向外側境界に隣接するダンパキャ
ビテイ内に位置決めスロットを備えることにある。 本発明によれば、シートメタルは、ロータアセンブリ
のデスクの周辺に固定され２つの隣接するブレードのブ
レードプラットホームの半径方向内側と中間とに形成さ
れたダンパキャビテイ内に設けられている。 隣接するブレードプラットフォームの半径方向内側面
は、シートメタルシールと協働して、与圧されたターボ
マシンの作動流体の中間のダンパキャビテイへの流れに
対し環状のガスタイトな境界を形成する。キャビテイの
外側境界は、軸方向断面でロータの回転により導入され
た遠心加速を利用するために形成されプラットフォーム
ギャップの全体長さに対しシール力を与える。 特に、軸方向断面に於いてキャビテイ外側境界は、半
径方向内側に面する凹面を画定する。その時、境界の軸
方向に反対する側の軸方向変位は、半径が減少すると反
対に増加する。この増加する分離がシートメタルシーリ
ング部材に対する法線方向の力の成分を誘発しその力成
分を対応して形成されたプラットホーム下側面に抗して
付勢し従来のシートメタルに見られない軸方向のシーリ
ング効果を達成する。 前部と後部の環状ロータ側板との協働係合は、その前
部と後部端に隣接する軸方向にシートメタルシール端を
配向することにより増強される。その結果、ロータアセ
ンブリの側板の半径方向に延設するシーリング面と密に
嵌合する。 本発明に係るシールの更に別の特徴は、ロータアセン
ブリの取り付け時シートメタルシールを位置決めし保持
する隣接するブレード内で画定された円周方向に開放さ
れた対応スロット内に収容された一体で円周方向に延設
するアームである。 本発明に係るシールのこれら及び他の特徴と目的は、
以下の説明と添付クレイムと図面とを参照すれば当業者
にとってはすぐに理解されよう。 図面の簡単な説明 第１図は、一対の隣接するブレードとそれにより画定
した中間ダンパキャビテイを示すロータデスク周辺の半
径方向断面を示す。 第２図は、第１図に示すダンパキャビテイとロータデ
スクとの軸方向断面を示す。 実施例の詳細な説明 第１図は、ガスタービンエンジンのロータアセンブリ
10の中央軸に直交する断面を示す。ロータアセンブリ10
は、ディスク12からなり、該ディスク12は、外側周囲に
配設され、複数の個々のロータブレード16、18と嵌合す
る複数の軸方向に延設するスロット14からなる。 ロータブレード16、18は、ディスク周辺のスロット14
内に嵌合するルート部分20、22と、作動流体の流れる環
部28に半径方向に延設する翼部分24、26と、円周方向及
び軸方向に延設して、一部が、流れ環状部28の内側環状
壁を形成する中間プラットフォーム部分30、32とからな
る。 隣接するロータブレード16、18のプラットフォーム3
0、32はその間にほぼ軸方向に延設するギャップ34を画
定するように近接した状態で対向している。ブレードプ
ラットフォーム30、32の半径方向内側に在り互いに隣接
するブレード16、18の中間に在るように画定されたもの
は、ブレード16、18から周辺方向に延設する一体の脚40
によって位置決めされた慣性振動ダンパ38と嵌合するよ
うにしたダンパキャビテイ36である。 以上述べたように、ガスタービンエンジンのタービン
部分に対して環状部28に流れる作動流体は、この高度に
ストレスを受けた部品のオーバヒートを避けるためリム
周辺から分離されなければならないホット燃焼物からな
る。ロータアセンブリ10に対する作動流体の半径方向及
び軸方向圧力分布は、ダンパキャビテイ36への流れが強
制され隣接するロータブレード16、18間の軸方向と半径
方向のシーリングが特にエンジンサービス周波数と保守
時間を減少させる際特に問題となる。 連続するタービン段の間での漏れの減少により。エン
ジン効率の一層の向上と全体の性能の向上となる。 本発明によれば、シートメタルシール42が、対応する
ブレードプラットフォーム30、32の下側面44、46に対し
密に嵌合するように構成されている。シール42は、ロー
タデスク12の前面と後面との間に軸方向に延設し且つプ
ラットフォーム30、32により形成されたギャップ34と交
差して円周方向に延設している。 第２図は、デスク50、ブレード52、及びシートメタル
シール54からなる軸方向に隣接するロータアセンブリ48
と共に第１図に示すようにデスク12の軸方向断面を示
す。 第２図に示すように、ロータアセンブリ10は、対応す
るブレードプラットフォーム32の下側に対し密接に嵌合
するシートメタルシール42を示しており、そのためダン
パキャビテイ36のガスタイトな半径方向外側境界を形成
している。下側面46とシール42とにより第２図に示すよ
うに軸方向断面で見た時半径方向内側開口部凹形を画定
する。その軸方向寸法は、半径が減少するに伴い増加す
る。 当業者にとってシール42と対応する形のプラットフォ
ーム下側面44、46とが共同してロータアセンブリ10の高
速度回転時半径及び軸方向に於けるガスタイトなシーリ
ングを達成することは理解されよう。ロータアセンブリ
10の回転により誘発される半径方向外側方向の加速によ
りシートメタルシール42がプラットフォームの外側面4
4、46に対する密閉性を強固にし、高圧の作動流体に対
しバリヤとなる。 第２図は、又、本発明に係るシール42の軸シーリング
の特徴を示す。シール42とブラットフォーム下側面44、
46には軸方向に離間したスローピング部分56、58とロー
タ半径60とほぼ直交に配向した中央部分59とからなる。
同時に、スロープ部分56、58と中央部分59とは、以上示
したように半径方向内側の開口凹部外側キャビテイ境界
を形成する。 スローピングシール部分56、58により、アセンブリの
回転によって誘発された外側への力は、対応するプラッ
トフォーム面に対しスロープ部分56、58を付勢する法線
方向の成分に分解する。所望のシーリング力を達成する
ために必要な傾斜度合は、作動流体の差動圧力と、シー
ル42の半径、ロータアセンブリ10その他によりロータア
センブリが異なれば変動するが、スローピングシール部
分56、58とデスク半径60間の角度が15度であると、ガス
タービンを適用するに際しての効果的な設計パラメータ
となることが分かっている。 第２図は、又、前方と後方のロータデスク側板62、64
間のシーリングを増強させる本発明に係るシール42の別
の特徴を示す。環状側板62、64は、対応するデスクスロ
ット14内にブレード18を軸方向に保持する対応する半径
方向内側に延設するランド部分66、68と係合する。ラン
ド部分66、68とそれと対応するシール端部分56、58と
は、シールメタルシール42の前方及び後方端70、72をブ
リッジして対応する環状ロータ面板62、64と直交状態で
接触するよう軸方向に延設するように構成されている。
この直交状態の端の配向によりシートメタルシール42が
側板62、64間に密接に嵌合することが出来る。その結
果、効果的で簡単なシーリングインターフェイスを提供
することとなる。 本発明に係る上記シーリング手段の最後となる特徴
は、第１図に示すように、円周方向に延設するアーム74
が、ロータデスク12とブレード16、18との組み付け時シ
ートメタルシール42を位置決めし保持する対応する円周
方向に延設するラグ76内でトラップされる。シール42
は、ラグ76と対応するブレードプラットホーム32の下側
面46とで画定された溝内に押入される。その際、カーブ
状態のアーム74を圧縮し、適当な位置にあるシール42を
ブレード18、16がデスク12内に軸方向に摺動される時保
持する。 従って、本発明に係るシール42は、軽量で簡単に組み
立てられ且つ作動流体の軸方向及び半径方向のダンパキ
ャビテイ36への流れに対して効果的なシーリングバリヤ
となる。更に、図示した実施例について開示及び説明し
たが、その他の構成と装置とが以下にクレイムする発明
の範囲を逸脱することなくなされることが出来ることを
理解されよう。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−111003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−38105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−107802（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−17204（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭42−7042（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．回転軸を中心に回転するターボマシンのロータアセ
   ンブリの周辺に固着された第１と第２の隣接するロータ
   ブレード間に形成されたダンパキャビティシール手段で
   あって、各ロータブレードは、 ロータディスクと係合する半径方向内側ルート部分と、 環状方向、かつ、軸方向に流れる作動流体流に動作時接
   触する半径方向外側翼部分と、 前記ロータディスクの各側面を越えて軸方向に延設さ
   れ、かつ、次に隣接するブレードから延設した対応する
   プラットフォーム部分に向かって周方向に延びてそれら
   の間に、軸方向に延びたギャップを形成している半径方
   向中間プラットフォーム部分と、からなり、 該ブレードのプラットフォーム部分は、更に、前記ロー
   タディスクと、隣接するブレードのルート部分と、が協
   働してその半径方向内側においてダンパキャビテイを画
   定するように構成され、かつ、該ダンパキャビテイは、
   前記ロータディスクの軸方向奥に向かって延びていると
   ともに、軸方向断面において互いに隣接するブレードプ
   ラットフォームの下側面によって画定されたほぼ凹形の
   半径方向外側の境界を有しており、さらに、 シートメタルシールと、プラットフォームと、によって
   前記凹形の半径方向外側キャビテイの境界が画定され、
   かつ、軸方向に延びた内部キャビテイの寸法は、半径方
   向内側へと変位するにつれて増加するようになっている
   ものであり、 前記ダンパキャビティシーリング手段は、前記ダンパキ
   ャビテイ内に配設され、その半径方向外側境界に対し密
   に嵌合し、ギャップをわたって円周方向に延び、かつ、
   互いに隣接するブレードプラットフォームの前記下側面
   に重なり合うシートメタルシールと、 前記ダンパキャビテイ内に収容され、かつ、前記シート
   メタルシールとは別の慣性振動ダンパと、からなること
   を特徴とするダンパキャビティシール手段。 ２．前記キャビテイの半径方向外側境界は、 前記ロータの半径に直交する平面にほぼ位置する軸方向
   中央部分と、 半径方向内側において前記中央部分から離間して軸方向
   に延び、各々がロータの半径方向に対して、略15度の角
   度をなしている前方部分と、後方端部分と、からなるこ
   とを特徴とする請求項第１項記載のシール手段。 ３．軸流ターボマシンの与圧され環状方向に流れる作動
   流体と、軸流ターボマシンのロータアセンブリの円周方
   向に互いに隣接する一対のブレードの間に配設されるダ
   ンパキャビテイとの間でガスタイトな境界を形成するシ
   ートメタルシールにおいて、 前記ダンパキャビティの半径方向外側境界が略凹型とさ
   れ、かつ、前記外側境界の軸方向の内側寸法が、前記半
   径が小さくなる方向に向かって増加するようになってお
   り、 さらに、前記シートメタルシールがキャビテイ外側境界
   にわたって軸方向一杯に延びて外側境界に対し密に嵌合
   し、その結果前記シートメタルシールは、前記ロータア
   センブリの回転により誘発される遠心加速によりキャビ
   テイ境界に対して半径方向外側と、軸方向と、に付勢さ
   れることを特徴とするシートメタルシール。 ４．前記シートメタルシールは、更に、前記シートメタ
   ルシールと一体となっており、かつ、互いに隣接する少
   なくとも１のブレードに配設された周方向に延びた溝に
   収容されるアームを有していて、この溝が、前記少なく
   とも一つのブレード延びた下側面に隣接するように前記
   シートメタルシールを保持しているとともに、前記一つ
   のブレードと前記ディスクを最初に係合する間には、前
   記１つのブレードのプラットフォーム下側面に隣接する
   シートメタルシールを保持するようになっていることを
   特徴とする請求項３に記載のシートメタルシール。