JP3683272B2 - ブラシシール及びベーンアッセンブリ空隙カバーの支持体 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンベーンアッセンブリのブラシシールの支持体に関する。
発明の背景
ガスタービンエンジン分野においては、ブラシシールを使用して隣接したキャビティ間をシールすることで改善がなされている。ブラシシールは、ブリストルのほぼ全長と、それより短い前板の間に延びた背板との間に挟まれた１つ以上のブリストル列を有している。このように密に詰まったブリストルは、回動する面と連結して、上記ブラシシールと上記連結面の間を流体が流れづらくしている。
ブラシシールは、多くの応用があるナイフエッジシール等の他の通常のシールに対して、利点を有している。上記ブラシシールは、比較的安価、軽量であり、それらが磨耗しても引き続きシールを行うことができるためである。加えて、過剰に磨耗した場合には、上記ブラシシールは、交換しても比較的安価である。
典型的な用途では、上記挟み込まれたブラシシールは、固定されている面とシートメタルクランプ(sheet metal clamp)の間に可動に取り付けられる。運転中には、一つのキャビティ内の高圧流体は、上記背板に向けて上記ブリストルを圧迫し、この圧力差によって発生した力は、上記支持面に反発される。この方法により、上記ブリストルの密な充填が保持されるようになっている。上記シートメタルクランプは、上記ブラシシールを、運転されてはいない条件下においてその場所に保持しているが、運転中には、ほとんど或いは全く支持してはいない。
不都合なことに、支持面を必要とするので、ブラシシールに対向する利用可能な構造体がないような場合には、ブラシシールを使用することができない。この状況は、低圧のキャビティが回転部材と同一の側にある場合に生じる。上記支持面とする回転部材を使用することは、現実的ではないが、これは上記ブラシシールを急速に消耗させてしまうことになるためである。
上記技術があるが、科学者及び技術者は、出願譲受人の指揮の下に、ガスタービンエンジンのブラシシールの効果的な使用方法の改善を行ってきた。
発明の開示
本発明によれば、ベーンアッセンブリのシール支持体は、一体となったカバープレート部分と、シール支持アームと、を有している。上記カバープレート部分は、流路面を含んでおり、この流路面は、隣接するベーンアッセンブリ越しに延びていて、このベーンアッセンブリに上記シール支持体が取り付けられている。取り付けた状態では、上記流路面は、上記ベーンアッセンブリと隣接するロータアッセンブリの間のキャビティに面している。上記シール支持アームは、上記カバープレート部分から延びているとともに、ブラシシールのための支持体となっている。
上記カバープレート部分から延びている上記支持アームを有しているので、ブラシシールは、一つのキャビティとバイパスエアが供給されている隣接したキャビティの間に流体が流れづらいようにしている。本発明は、特に、第１ベーンアッセンブリに使用して、上記シールを通して高圧のバイパスエアが流れてしまうことを防止、又は、最小限とするブラシシールを支持する際に、特に効果を有する。このような応用では、上記ブラシシールへ加えられる力は、従来のシートメタル支持体の能力を超えたものとなっている。加えて、上記ブラシシールの低圧側には、上記ブラシシールを上記高圧のバイパスエアに対して支持するために、利用できる構造体は存在しない。上記シール支持体は、上記カバープレート部分から内側に延びていて、必要な裏当てとなっているとともに、さらには、取り付けた状態においては、上記シール支持体と上記隣接したタービンノズルアセンブリの間が互いに嵌入されて固定されるような形状とされている。このように嵌入することで、上記シール支持体、特に上記支持アームを緩衝させている。
本発明の別の特徴は、流路面にあり、この流路面は、上記キャビティに向かって内側を向いているとともに、径方向内側に延びて、上記ブラシシールを覆っている。上記流路面は、隣接した複数のシール支持体とともに、上記キャビティの周方向に延びた流路面を画成しており、このことによって上記キャビティの空隙損失を最小となっている。
特定の実施例では、上記シール支持体の上記支持アームは、隣接したシール支持体の扇形コーナに対向した扇型のコーナを有している。上記扇形コーナとした結果、上記シール支持体の重量は、上記ブラシシールに必要な支持能力に影響を与えることなく低減させることができる。別の特定の実施例では、上記タービンノズルアッセンブリは、高圧のバイパスエアが通過する計量ホールを有している。上記対となる上記シール支持体の扇形コーナは、上記計量ホールと上記キャビティの間の開口を画成している。この結果、上記配置は、上記キャビティにバイパス空気を導入して、上記流路から上記キャビティ内へと流れてくる加熱された気体をパージするようにしている。
本発明の上記目的、他の目的、特徴及び効果については、後述する代表的な実施例と、添付する図面をもって、より詳細に説明を行う。
【図面の簡単な説明】
図１は、タービンの側面を示したものであり、第１段ロータアセンブリと、シール支持体を有する第１段ベーンアッセンブリと、を示した図である。
図２は、上記シール支持体を前側から見た図である。
図３は、図２のライン３−３に沿ったシール支持体の断面図である。
図４は、ブラシシールを軸方向から見た図である。
発明の最良の実施態様
図１は、流路１６の流れ方向に沿って、燃焼機１４の下流側に配置されたタービン１２を示している。上記タービン１２と上記燃焼機１４の間には、タービンノズルアッセンブリ１８が配設されている。上記タービンには、エンジンの長手方向軸（図示せず）を中心として配設されたロータアッセンブリ２２を有している。上記タービンノズルアッセンブリ１８は、ベーンアッセンブリ２４を有しており、このベーンアッセンブリ２４は、流路１６を通して延びた複数のベーン２６を有しているとともに、タンジェンシャルオンボードインジェクタ２８(tangential on-boad injector; TOBI)を有している。上記複数のベーン２６は、機械的締結具３０によって、上記タービンノズルアッセンブリ１８に取り付けられている。
上記ロータアッセンブリ２２は、回転ディスク３２と、ディスク３２に取り付けられ、かつ、上記流路１６を通して延びた複数のブレード３４と、自立型(free standing)サイドプレート、即ち、上記ディスク３２の軸方向前面に被さるようにして延びたＴＯＢＩポンプ３６を有している。キャビティ３８は、上記固定タービンノズルアッセンブリ１８と上記回転するロータアッセンブリ２２の間の軸方向の分離により画成されている。この環状キャビティ内の流体は、上記ロータアッセンブリが回動する結果、周方向へと運動することになる。サイドプレート３６は、また、上記サイドプレート３６のウエッブ内にアパーチャ４４を有していて、冷却流体を通してキャビティ４３へと流入させるようになっている。上記サイドプレート３６は、シール４２を有していて、上記ディスク３２と上記サイドプレート３６との間から上記キャビティ４３を通して上記キャビティ３８内に流体が流れるのを防止している。冷却流体は、上記ロータアッセンブリ２２内の通路（図示せず）と、上記複数のロータブレード３４を通して上記キャビティ４３から排出され、上記ロータブレード３４を冷却する。
上記冷却流体は、上記燃焼機１４内の燃焼プロセスをバイパスした圧縮流体であり、この流体は、上記ＴＯＢＩを通して流されている。上記ＴＯＢＩ４６から排出される流体は、第２のキャビティ４８へと流れ、その後、複数のアパーチャ４４へと流れてゆき、キャビティ４３へと流れてゆく。上記第２のキャビティ４８は、上記タービンノズルアッセンブリ１８と上記サイドプレート３６の間の離間として画成されているとともに、内側ブラシシール５２と、外側ブラシシール５４と、によってシールされている。上記それぞれのブラシシール５２，５４は、上記第２のキャビティ４８とそれに隣接したキャビティの間が連通するのを防止しており、冷却流体の損失を防止している。
周方向に延びた密に充填されたブリストル５６の列は、背板５８と前板６２の間にそれぞれ挟まれている。ブリストル５６の列を軸方向から見た図が図４である。上記内側ブラシシール５２は、上記タービンノズルアッセンブリ１８の面６４によって常法により支持されており、かつ、シートメタルクランプ６６によってその位置に保持されている。上記面６４は、上記ブラシシール５２を上記第２のキャビティ４８とそれに隣接するキャビティ６８の間に存在する差圧によって生じる力に対抗させている。このような配置とすることで、上記タービンノズルアッセンブリ１８は、上記差圧により生じる力を反発させるための面とすることができる。
上記外側ブラシシール５４は、しかし、概ね下流側に向かい、かつ、上記ロータアッセンブリ２２といった回転部材に向かう力を発生させるような差圧が加えられている。この配置においては、上記ブラシシール５４を支持するために充分に利用できる面は存在しないので、シール支持体７２を、上記ベーンアッセンッブリ１８上に配設して、その機能を果たさせている。
上記シール支持体７２は、セグメント化された構造体であり、このシール支持体７２は、上記ベーンアッセンブリ１８の下流側面を覆うようにして周方向に延びているとともに、カバープレート部分７４と、支持アーム７６と、を有している。上記シール支持体７２の断面形状は、上記タービンノズルアッセンブリ１８に隣接する形状とされていて、上記回転部材との間に適切なクリアランスを維持するようになっている。
上記カバープレート部分７４は、上記機械的締結具３０に連結されており、上記シール支持体７２を上記ベーンアッセンブリ１８へと取り付けている。図２及び図３に示されているように、上記シール支持体７２は、流路面７８を有しており、この流路面７８は、その隣接するシール支持体とともに、概ね周方向に連なっている。上記流路面７８は、ベーンアッセンブリをカバーしない場合に比べて、上記キャビティ３８内の空隙損失を低減させる手段となっている。
上記支持アーム７６は、上記カバープレート部分７４から延びているとともに、上記ブラシシール５４に被さるように内側に延びている。上記シール支持体７２は、上記ベーンアッセンブリ１８に取り付けられており、上記支持体７６と上記タービンノズルアッセンブリ１８との間が互いに嵌入されている。このように嵌入することにより、上記シール支持体７２に緩衝作用を及ぼして、運転中の振動による損傷を防止している。
上記支持アーム７６は、複数のコーナ８２を有しており、これらのコーナ８２は、扇形をしていて、互いに隣接したシール支持体の上記コーナにも開口８４が画成されている。上記開口８４は、上記ベーンアッセンブリ１８を通して延びた計量ホール８６に隣接するように位置決めされている。上記計量ホール８６は、上記キャビティ３８内へと制御された量の流体を流しており、上記キャビティ３８内に流入する可能性のある流路１６のガスを上記キャビティ３８からパージしている。上記計量ホール８６を通るパージ流は、全ての用途において必要とされるものではないが、上記扇形コーナ８２とすることで、上記ブラシシール５４のために必要な支持能力を犠牲とすることなく、上記シール支持体７２の重量を軽減することができる。
運転中には、上記流路１６を通して流れる作動流体は、上記ブレード３４と相互に作用して、上記ロータアッセンブリ２２を長手方向軸を中心として回転させる。コンプレッサからの冷却流体は、上記燃焼プロセスをバイパスして流されており、上記ＴＯＢＩ４６を介して上記第２のキャビティ４８へと流れている。上記キャビティ４８内の上記流体の圧は、軸方向に可動に取り付けられて保持されたそれぞれの上記ブラシシール５２，５４を、それぞれの支持体面６４，７６に対向させるように押圧する。上記キャビティ４８内の高圧の上記冷却流体は、上記内側ブラシシール５２については、上記ステータアッセンブリ６４により、上記外側ブラシシール５４については、上記シール支持体７２により反発される。上記ブラシシール５２，５４は、上記サイドプレート３６の延長部と連結して、上記隣接したキャビティ３８，６８へと上記キャビティ４８内の上記流体が流れ込むのを防止しているとともに、この流体を上記アパーチャ４４を通して上記キャビティ４３へと強制的に流すようにしている。
上記流路１６からの加熱されたガスは、上記キャビティ内３８へと流れ込み、このキャビティ３８を過熱させてしまう。上記計量ホール８６は、シールしたキャビティ３８内へと流れる冷却流体の量を制御するために使用される。上記冷却流体は、上記キャビティ３８内、すなわち、上記流路１６内の流体よりも高圧なので、上記冷却流体は、上記ガス流路流体をキャビティ３８からパージし、このキャビティ３８の温度を許容限度内に保持している。
本発明は、その代表的な実施例を持って説明を加えてきたが、当業者によれば、種々の変更、除外、及び付加を本発明の趣旨及び範囲内においておこなうことも可能である。

Claims (3)

1. ガスタービンエンジンのタービン領域のためのシール支持体であって、前記ガスタービンエンジンは、長手方向軸を中心として配設されて、ベーンアッセンブリを備えたタービンノズルアッセンブリを有し、そのタービン領域は、前記ベーンアッセンブリの軸方向下流側に配設されたロータアッセンブリを有しているとともに、このベーンアセンブリは、固定具によって前記タービンノズルアッセンブリに取り付けられたベーンを有しており、かつ、前記ベーンアッセンブリと前記ロータアッセンブリの軸方向の離間によってキャビティが画成され、このキャビティは、流体が周方向に流れる環状体の流路面を画成しているとともに、その一部が、シール支持体によって支持されたブラシシールでシールされているものであって、該シール支持体は、
   取り付けた状態で前記ベーンアッセンブリ部分に被さるようにして延び、かつ前記キャビティ内の空隙損失を最低としているとともに、前記ベーンに前記シール支持体を取り付けるべく前記ベーンに連結する手段を有したカバープレート部分と、
   前記ガスタービンエンジンの運転中には、取り付けた状態で前記ブラシシールの軸方向支持体となる、前記カバープレートから延びた支持アームと、を有し、
   前記支持アームは、計量孔と対応する位置に設けられた少なくとも１つの開口を有し、この計量孔と開口によって前記シール支持体を通して前記キャビティに流体を流して該キャビティをパージすることができるようになっていることを特徴とするガスタービンエンジンのタービン領域のためのシール支持体。
2. 前記シール支持体は、さらに扇形コーナを有し、前記ベーンアッセンブリは、周方向に互いに隣接した複数のシール支持体を有し、かつ、前記扇形コーナは、隣接したシール支持体の扇形コーナとともに前記開口を画成していることを特徴とする請求項１に記載のシール支持体。
3. 前記シール支持体は、取り付けた状態で反発されているとともに、前記シール支持体と前記タービンノズルアッセンブリの間が互いに嵌入されていて、前記シール支持体を緩衝するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシール支持体。

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