JP3648244B2 - シール及び一体化熱シールドを有するエアフォイル - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガス・タービン・エンジンに関し、主にこのようなエンジンのエアフォイルに関する。
背景技術
通常のガス・タービン・エンジンは、長手軸にのびる流路を有して、圧縮器、燃焼器、及び上記流路に沿って順に離間されたタービンを有する。圧縮器及びタービンは、エアフォイルの隣接アレイを有し、このアレイは、上記流路を流通する流体と接触する。これらのアレイは、ステーショナリー・ベーン即ち静翼と回転ブレードとからなる。回転ブレードは、圧縮器内においては、エネルギーを流体に移動させ、一方、タービン内では流体からエネルギーを除去する。静翼の各アレイは、回転ブレードのアレイの上流側に設けられ、下流側の回転ブレードに対して流体のフロー即ち流れを最適な方向に向けるような形状となっている。
静翼に加えて、ガス・タービン・エンジン内を通る環状流路内の流体のフローを制限するために、内表面及び外表面が用いられる。静翼においては、フロー面は、プラットフォームにより提供され、このプラットフォームは、静翼の内側端及び外側端に一体化されている。回転ブレードにおいては、回転ブレードに一体化されたプラットフォームにより内表面が提供され、外表面は、回転ブレードのチップ即ち先端の径方向外側に周方向フロー面を有するシュラウドによって提供される。
回転ブレードのアレイ及び静翼のアレイは、回転する回転ブレード・アレイと、回転しない静翼アレイと、を互いに隣接して有することから、軸方向に所定の有限間隔で離間している。従って、これら隣接するアレイ間の内部を径方向へと流体が流れないようにするには、何らかのシーリング機構が必要となる。回転ブレード・アレイの周囲を通じて流体が逃げてしまうことによる効率損失に加えて、流路の径方向内側に設けられたガス・タービン・エンジンの構成部材は、流路内の高温ガスと接触することで損傷を受けるおそれがある。このような構成部材として、非常に大きな応力にさらされるロータ・ディスクが挙げられる。よく知られているように、ロータ・ディスクの動作温度が上がると、ディスク材料が耐え得る応力が下がってしまう。
シーリング機構のよく知られた形態として、ハニカム形状構造に結合されたナイフ・エッジ部材が挙げられる。通常、このナイフ・エッジは、回転を行う側の構成部材からのびておりそのハニカム材は、回転しない側の構成部材に取り付けられている。ハニカム材は、オープン・セル即ち連続気泡の形態をとる、非常に薄い（約0.004インチ即ち約0.096mm程度）シート状の金属から形成される。動作時においては、ナイフ・エッジは、ハニカム材と接触して、このハニカム材を摩耗させて溝を形成することもある。ハニカムの摩耗は、構成部材との間の許容誤差の主因となり、また、動作時の温度上昇の原因ともなる。一方、ハニカム材は、安価でかつ摩耗時における交換が容易なことから、この種のシーリング構造をとることが好ましい。
シーリング機構にハニカム材を用いるときの難点は、流路を流通する高温流体にさらされると短期間で劣化しやすい、という点である。熱による劣化は、ハニカム・シールの交換時期を速めることになり、即ち、ナイフ・エッジとの接触による摩耗よりも、熱による劣化の進行が速いことにより、交換が必要となってしまう。その対策として、ガス・タービン・エンジンの高温領域に用いられるハニカム・シールには、耐熱コーティング（Thermal Barrier Coating:TBC）がなされている。このTBCは、ハニカムにおける外表面を保護する。
不都合なことには、ハニカムに用いられるTBCは、大抵の場合、エアフォイルに用いられるTBCとは異質なものである。何故なら、ハニカムを構成するシート金属は、エアフォイルに通常用いられるTBCにおけるプロセスでの高温処理に耐えられないからである。TBC処理に本来的に必要となるコストと、TBCを行うために必要となる二次的なコストと、によって、エアフォイルの製造におけるコストが高くなっている。さらに、エアフォイルの寿命がくるまでに、ハニカム・シールを頻繁に交換する必要があることから、エアフォイルの修復及びメンテナンスに要するコストが非常に高くなってしまう。
上記従来技術に満足することなく、タービンの構成部材の改良がなされており、例えば、メンテナンス費用が安価で、動作寿命の長いエアフォイルが研究されている。
発明の開示
本発明によれば、シールと、シールの外表面にわたってのびる一体化熱シールドを備えたプラットフォームと、が提供される。この熱シールドは、プラットフォームのエッジから下方にのび、横方向にわたってシールにのびる。一方、シールは、プラットフォームの下面に位置するシール・ランドに設けられ、熱シールドに隣接している。
高温ガスは、エアフォイルと、隣接するエアフォイル・アッセンブリと、の間のキャビティに流入しており、熱シールドは、シール外表面と高温ガスとの接触をブロックする、即ち抑制する。この高温ガスと接触すると、エアフォイルの修復及び交換より先に、シールが劣化する場合がある。熱シールドは、高温ガスからシールを分離し、このような接触が発生しないようにする。加えて、一体化した熱シールドを用いることで、シールの外表面にわたってサーマルバリアコーティングを行う必要もなくなる。
他の実施形態によれば、熱シールドは、プラットフォームのフロー面側から外側にのびており、動作時には、隣接するエアフォイル・アッセンブリの後縁に対して熱シールドが隣接するようになる。熱シールドとエアフォイル・アッセンブリとが隣接することで、チョーク点が形成され、二点間ではフローが流れにくくなる。チョーク点とシール接触との組み合わせによって、これらの間に外側キャビティが形成される。チョーク点は、外側キャビティへと流れる高温ガスの量を減少させ、これによって、外側キャビティ内のガスの温度を最小化する。加えて、シールの反対側に設けられた内部キャビティは、冷却流体によって圧力が加えられ、高温ガスがシールを通じて流通することを更に抑える。このことで、内部キャビティは、外側キャビティに比較して、低温となり、この内部キャビティがロータ・ディスク及び回転シールに隣接することとなる。
本発明の上記及びその他の目的、特徴、利点等は、以下の例示的実施形態の詳細な説明、及び添付図面を用いて明らかとされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガス・タービン・エンジンの側面断面図である。
図２は、タービン・ベーン・アッセンブリ及び隣接するタービン・ロータ・アッセンブリ及びタービン・シュラウドの側面図である。
図３は、図２の３−３線に沿った、隣接するタービン・ベーンの断面図である。
発明の最適実施形態
図１にガス・タービン・エンジン12を示す。このガス・タービン・エンジン12は、長手軸16近辺に配置された環状流路14を有する。圧縮器18、燃焼器22、タービン24は、上記軸沿いに離間して配置され、流路14は、これらを順に通じてのびる。タービン24は、複数の回転構造体即ちロータ・アッセンブリ26を有する。この回転構造体26は、流路14を通じて流れる作動流体と接触することで、作動流体のエネルギーを回転構造体26へと移動させる。このエネルギーの一部は、タービン24と圧縮器18とを接続する一対の回転シャフト28を通じて圧縮器18へと戻され、圧縮器18へと流入する作動流体を圧縮するためのエネルギーを提供する。
図２に、タービン・ベーン・アッセンブリ即ち静翼構造体32と、隣接する上流側タービン・ロータ・アッセンブリ即ち回転構造体34とを示す。静翼構造体32は、周方向に離間された複数の静翼36を有し、この静翼36は、固定手段40によってステータ構造38に装着されている。回転構造体34は、回転ディスク41と、周方向に離間された複数の回転ブレード42と、側板43と、をそれぞれ有する。
各静翼36は、空力的部位44と、外側プラットフォーム46と、内側プラットフォーム48と、プラットフォーム・シール52と、第二のシール54と、を有する。空力的部位44は、流路14を通じてのびる。外側プラットフォーム46と内側プラットフォーム48は、流路14における径方向外側及び径方向内側のフロー面56、58となる。冷却流体排出器62は、内側プラットフォーム48から径方向内側に向かって延在している。冷却流体排出器62は、静翼36の中空コアと流体的に連通しており、冷却流体を、静翼構造体32と回転構造体34との間の内部キャビティ64に向かわせる。
内部プラットフォーム48は、径方向内側のフロー面58を形成するとともに、熱シールド66と、横方向にのびる凹部68を有し、この凹部68は、シール・ランド72を規定する。熱シールド66は、内部プラットフォーム48の前縁にそって配置され、プラットフォーム・シール52をこえて径方向内側へと延在する。熱シールドはまた、回転ブレード42の後縁に向かって径方向外側へとのび、静翼構造体32と回転構造体34との間にチョーク点73を形成する。熱シールド66は外側キャビティ76へと対向する面74を有すし、この熱シールド66の後方側は静翼36となっている。上記外側キャビティ76は、回転構造体34と静翼構造体32との間に形成される。
プラットフォーム・シール52は、横方向及び軸方向へと延在するハニカム材のシートであり、シール・ランド72に設けられている。プラットフォーム・シール52は、内部プラットフォーム48の幅に広がっており、図３に示されるように、隣接する静翼36のプラットフォーム・シール52の横方向の表面78が互いに近接するようになっている。
複数のプラットフォーム・シール52は、シーリング面82を形成し、このシーリング面82は、ロータ側板43から突出するナイフ・エッジ84に近接し、また、ガス・タービン・エンジンの動作条件によっては、これらと接触する。凹部68は、プラットフォーム・シール52を、ナイフ・エッジ84と接触する適当な位置へと軸方向に配置する。ナイフ・エッジ84は、周方向に連続しており、複数のプラットフォーム・シール52と接触して、流体がナイフ・エッジ84とプラットフォーム・シール52との間から流れ出ないようブロックしている。
第二のシール54は、静翼36の径方向内側に設けられており、複数のナイフ・エッジ・シール86に近接している。このナイフ・エッジ・シール86は、回転構造体34と、ベーン・アッセンブリ即ち静翼36の下流側に位置する他方のロータ・アッセンブリ（図示せず）と、の間に延在する。第二のシール54と複数のナイフ・エッジ86とを組み合わせて用いられていることで、流体がブロックされ、静翼36の空力部位44の周囲を流体が迂回して流れることが防止される。
動作時においては、流路14を高温のガスが流通して回転構造体34に対して仕事を行い、その後に、静翼構造体32の空力部位44を超えて流通して、下流側のロータ・アッセンブリに向かうように流れが向けられる。この高温作動流体の一部は、チョーク点73を通じて内側へと流れ、外側キャビティ76へと流れる。
チョーク点73は、流体がこの方向へ流れるのをある程度抑制ように作用するが、流体がこの方向へ流れなくなるまでに抑えるわけではない。外側キャビティ76内では、流体はブロックされており、プラットフォーム・シール52とナイフ・エッジ84の接触により形成されるシールを通じてこの流体が流れることがないようにされている。その結果、再循環ゾーンが外側キャビティ76に形成され、このゾーンによって、外側キャビティ76内の流体が、チョーク点を通じて流れる高温ガスと混合される。
冷却流体は、静翼36を流通し、流体排出器62によって内部キャビティ64へと排出される。この排出された流体は、ディスク41と複数のシール86上をこえて径方向内側へと向けられる。加えて、排出された冷却流体は、内部キャビティ64を圧縮する。この圧縮により、流体は、この勢いがそがれて、外側キャビティ76からプラットフォーム・シール52を通じて内部キャビティ64への流通が抑制される。プラットフォーム・シール52と圧縮された内部キャビティ64との組み合わせによって、外部キャビティ76よりも内部キャビティを低温に維持でき、これにより、回転する構成部材、例えばディスク41及び複数のシール86の温度を許容範囲内に抑えることができる。
外側キャビティ76内で、熱シールド66は、プラットフォーム・シール52の外表面88を保護し、流路14から外側キャビティ76へと流通する高温ガスがこの外表面88に接触しないようにする。その結果、外表面88の薄いシート状金属が保護され、熱により急速劣化することはなくなる。熱シールド66の機能は、高温ガスが直接外表面88に流れることを防ぐ点にある。従って、熱シールドによって外表面88全体を覆ってもよいが、外表面のうちの、キャビティ内に流入する高温ガスと直接接触する危険性のある領域のみを覆う構成としてもよい。
シール面82は、特に覆いはなく直接露出しているが、外側キャビティ76に流入する高温ガスは外側キャビティ内で該キャビティ内の循環流体と混合されることから、熱による損傷を受けるおそれは小さい。この混合によって、シール面82と接触する流体の温度が低下するからである。従って、このシール面82を保護する必要性はあまりない。加えて、個々のプラットフォーム・シール横側面78もまた、高温ガスに曝されるおそれがある。しかし、隣接側面78どうしは近接して設けられていることから、これらの間に流入する流体の量が制限されるようになっている。
静翼36は、通常は鋳造により形成される。図２、３に示されるように、熱シールド66は、内部プラットフォーム48に一体化されており、静翼36を鋳造する間に形成することも可能である。熱シールド66を設けることで、シール52に対して、サーマル・バーナー・コーティングを最低限におさえられ、または、このコーティングを行わずにすむ。
なお、図２、３の実施形態では、熱シールド及びシール用の凹部を有するタービン・ベーンに関して説明したが、本発明は、その他のタイプのエアフォイル、例えばタービン・回転ブレード、コンプレサ・回転ブレード、ベーン等に適用することも可能である。
以上、本発明を例示的実施形態により説明したが、当業者によれば、本発明の趣旨を逸脱する事なく、種々の変更、変形、追加設計が可能である。

Claims (5)

1. ガス・タービン・エンジンのエアフォイル（32）であって、
   前記ガス・タービン・エンジンは、長手軸に沿って配置された流路と、互いに軸方向に隣接して設けられた複数のエアフォイル・アッセンブリと、をそれぞれ有し、
   前記エアフォイル（32）は、空力部位（44）と、プラットフォーム（48）と、シール（52）と、シールランド（72）と、一体化された熱シールド（66）を有し、
   前記空力部位（44）は、設置状態において前記流路を通じてのびており、
   前記プラットフォーム（48）は、設置状態において前記流路に対向するフロー面を有し、
   前記シールランド（72）は、前記プラットフォーム（48）にそってのびて前記シール（52）の装着面を提供し、
   前記シール（52）は、設置状態において軸方向に隣接するエアフォイル・アッセンブリの延長部（84）に近接するように設けられ、このように近接して設けることで前記シール（52）と前記延長部（84）との間の流体の流れがブロックされ、
   さらに、前記シール（52）は、前記空力部位（44）と反対側に向いている軸方向外向きの面（88）を有し、前記熱シールド（66）が前記プラットフォーム（48）からのびてこの軸方向外向きの面（88）を覆っており、
   前記熱シールド（66）は、設置状態において、前記流路からの流体と前記シール（52）の軸方向外向きの面（88）との間の接触をブロックすることを特徴とするエアフォイル。
2. 前記エアフォイル（32）は、タービン・ベーンであり、前記隣接するエアフォイル・アッセンブリは、前記延長部（84）が設けられたロータ・アッセンブリであることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
3. 前記シール（52）は、フォイル材から形成された前記軸方向外向きの面（88）を有するタイプのハニカム・シールであることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
4. 隣接するエアフォイル・アッセンブリの方向にのびる突出部を更に有し、この突出部は、ガス・タービン・エンジンの動作時において、隣接するエアフォイル・アッセンブリのエッジに隣接してチョーク・ポイント（73）を生成し、このチョーク・ポイント（73）は、隣接するエアフォイル・アッセンブリとエアフォイル（32）との間で流体が流れにくくなるよう作用し、
   これにより、前記隣接するエアフォイル・アッセンブリと前記エアフォイル（32）との間の軸方向の分離が生じ、一方で、前記チョーク・ポイント（73）と、前記延長部（84）と前記シール（52）との間の接触点と、の間の径方向の分離が生じ、これらの軸方向及び径方向の分離によってキャビティ（76）が形成され、
   前記熱シールド（66）は、前記キャビティ（76）内の流体と前記シール（52）の軸方向外向きの面（88）との接触をブロックすることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
5. 前記シールは、フォイル材から形成される前記軸方向外向きの面（88）を有するタイプのハニカム・シールで、前記エアフォイル（32）はタービン・ベーンであり、かつ、前記隣接するエアフォイル・アッセンブリは、前記延長部（84）が設けられたロータ・アッセンブリであって、ガス・タービン・エンジンの動作時には流体の再循環ゾーンがキャビティ（76）内に生成されるようになっており、かつ、ガス・タービン・エンジンの動作時には、前記熱シールド（66）によって、前記軸方向外向きの面（88）のフォイル材と前記再循環ゾーン内の流体とが連続して接触することがブロックされることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。

Images