JP3789153B2 - ガスタービンエンジン用ロータ組立体の隣接するブレード間の隙間を密封する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはタービンエンジンロータ組立体に関し、更に詳細には、タービンエンジンロータ組立体の隣接するロータブレード間の隙間を密封する装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
軸流タービンエンジンにおけるタービンセクション及び圧縮機セクションは一般にロータ組立体を包含し、このロータ組立体は回転ディスク及びこのディスクの外周まわりに取付けられている複数のロータブレードを包含する。そして、各ロータブレードは、エアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部に設けられているプラットフォームを包含する。各ブレードの根元は、ディスクにこのブレード根元と補形し合う形状に形成されているくぼみの中に受入れられる。また、各ブレードのプラットフォームは横方向外向きに延び、集合してタービンを通過する流体のための流路を形成する。当業者であれば、流体が隣接するブレードプラットフォーム間の隙間を通してプラットフォームの一方の側から他方の側へ通過するのを防止することは優れた利益であることがわかるであろう。この目的のために、従来、隣接するブレードプラットフォーム間にシールを設けて流体の漏れを防止することが知られている。
【０００３】
しかして、タービンエンジンの作動中、プラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する空気流れ（一般には“一次流れ”と称されている）は、プラットフォームのブレード根元側を通過する空気流れ（一般には“二次流れ”と称されている）よりも非常に高い温度である。そして、多くのブレード設計においてはプラットフォームを冷却していないので、この一次流れの高温度とプラットフォームを横切る温度勾配とによって、プラットフォームに高い熱応力が生じ、これにより応力亀裂が生じてしまう。このような応力を軽減するために、従来、プラットフォームに形成した複数の小穴を通して低温度の二次流れを流すことが知られている。この解決方法は、ブレードを横切る熱勾配を減少させ、したがってプラットフォームに発生する熱応力を減少させるのに役に立つ。しかしながら、この解決方法を用いてプラットフォームを通過させてもよい二次流れの漏れ量は制限されるものである。
【０００４】
すなわち、タービンエンジンのタービンセクションの上流側において、タービンエンジンの圧縮機セクションにより二次流れになされることは、この二次流れの圧力を高めることである。したがって、二次流れの一部をプラットフォームに形成した複数の小穴を通過させることは、昇圧した二次流れを幾らか損失させ、それ故エンジンの効率を減少させる。そのため、二次流れによる冷却を最適に行うと共に昇圧した二次流れの損失を最小にするために、従来、直径を大きくしてより少ない数の穴を使用するよりも、直径を小さくしてより多くの数の穴を用いることが知られている。しかしながら、穴の直径を小さくすることはその穴のまわりの応力集中を増大させるものである。したがって、前述した方法を用いての冷却穴による冷却の利益と応力集中の不利益との間の関係は非常にシビアなものである。
【０００５】
以上述べたことから、タービンエンジンロータ組立体の隣接するロータブレード間の隙間を密封するに加え、ブレードプラットフォームに熱応力が発生するのを軽減すると共にエンジンの効率をそれほど減少させるものではない装置が要望されている。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、まず、隣接するロータブレード間の隙間を密封する装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、ブレードプラットフォームの熱エネルギを放散する装置を提供することにある。
【０００８】
更に、本発明の更に他の目的は、ブレードプラットフォームに発生する熱応力を減少させる装置を提供することにある。
【０００９】
更に他に、本発明の更に他の目的は、エンジンの効率を損なうことなしにブレードプラットフォームの熱エネルギを放散する装置を提供することにある。
【００１０】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるようなガスタービンエンジン用ロータ組立体の隣接するブレード間の隙間を密封する装置が提供される。すなわち、ロータ組立体はディスクの外周まわりに取付けられた複数のブレードを包含する。各ブレードは、エアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部で横方向外向きに延びるプラットフォームを有する。また、ディスクは、その外周まわりに配列されブレードの根元と補形し合う形状を有して各ブレードの根元を受入れる複数のくぼみを包含する。更に、隣接するブレードプラットフォーム間には隙間が形成されている。また、これらのプラットフォームは集合して、プラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する一次流れとプラットフォームのブレード根元側を通過する二次流れとのための流路を形成している。そして、このような構成のロータ組立体の隣接するブレード間の隙間を密封する装置は、本発明によれば、薄い板状体、及び二次流れをこの薄い板状体と一対の隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内してその後隣接するプラットフォーム間の隙間に導く手段を包含する。したがって、薄い板状体とプラットフォームのブレード根元側表面との間を進む二次流れは、プラットフォームから熱エネルギを奪って運ぶ。
【００１１】
このような構成の本発明の利益は、プラットフォームに応力を増大させる穴を形成することなしに、プラットフォームを冷却できることである。
【００１２】
また、本発明の他の利益は、プラットフォームから二次流れへの熱伝達が最適に行われることである。すなわち、本発明によれば、二次流れは、隣接するプラットフォーム間の隙間を通して出る前に、薄い板状体と一対の隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に引き入れられる。したがって、これら２つのブレード根元側表面間の流れパターンによって、プラットフォームから二次流れへの熱伝達が増大する。
【００１３】
更に、本発明の更に他の利益は、熱エネルギをプラットフォームから二次流れへ伝達する手段が、エンジンに対して最小のエネルギ損失しか与えないことである。
【００１４】
更に他に、本発明の更に他の利益は、本発明のプラットフォーム冷却手段は、従来の冷却手段よりも費用が相当少なくてすむということである。
【００１５】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利益は添付図面を参照して詳述する下記の好適な実施例についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、本発明の好適な実施例にしたがって、タービンブレード１０が、タービンブレードロータ組立体の隣接するブレード１０間の隙間を密封すると共に隣接するブレード１０の振動を減衰するシール及びダンパ装置１２を備えている構成を示している。このシール及びダンパ装置１２は、プラットフォームシール１４とダンピングブロック１６とを包含する。プラットフォームシール１４は、幅１８、及び第１の端２２と第２の端２４とにより限定されている長さを有する薄い板状体から成っている。そして、プラットフォームシール１４の第１の端２２はフック状に形成されている。プラットフォームシール１４は、更に、複数の溝１７を包含する。好適な実施例によれば、これらの溝１７はシール１４の幅１８にわたって延びる波形とされる。選択的に、これらの溝１７はシール１４の外方縁から中央領域まで延びる通路の形とすることができると共に、波形以外の他の形状に形成することができる。
【００１７】
また、ダンピングブロック１６は、特に図２に良く示されているように、本体２６と、一対のフランジ２８と、ロッド３０と、気擦（ウインデイジ）表面３２とを包含する。本体２６は、一対の隣接するブレード１０に接触するための一対の摩擦表面３４を包含する（特に、後述する図３を参照）。一対のフランジ２８は、本体２６の両側に形成され、各々本体２６から外へ延びる突出部分３６を包含する。そして、ロッド３０が本体２６から外へ延びるこれらフランジ２８の突出部分３６間に設けられている。
【００１８】
再び図１を参照するに、各タービンブレード１０はエアフォイル４０と、根元４２と、プラットフォーム４４とを包含する。プラットフォーム４４は、根元４２とエアフォイル４０との間の移行部で横方向外向きに延びて、ブレードエアフォイル側４６と、ブレード根元側４８と、幅５０と、前方縁５４から後方縁５６に延びる長さ５２とを有する。そして、長さ方向の両側の各々において、プラットフォーム４４は、一対の位置決め表面５８と、シールポケット６０と、ダンピングブロック１６の摩擦表面３４を受入れるダンピング棚６２とを包含する。すなわち、一対の位置決め表面５８は、プラットフォーム４４の長さ方向の両側の各々から横方向外向きに延びてプラットフォーム４４のブレード根元側４８に延びている。また、シールポケット６０は、プラットフォーム４４のブレード根元側４８においてプラットフォーム４４の後方部分に形成され、このシールポケット６０の開口が前方縁５４に向かって面している。更に、ダンピング棚６２は、プラットフォーム４４のブレード根元側４８においてプラットフォーム４４の前方部分に形成されている。
【００１９】
次に図３を参照するに、タービンブレードロータ組立体６６の一部分はディスク６８に取付けられている一対の隣接するタービンブレード１０を包含する。ディスク６８は、その外表面７２の周りに配列されて各タービンブレード１０の根元４２を受入れる複数のくぼみ７０を包含する。この図３は、従来のクリスマスツリー形状を有するブレード根元４２及びくぼみ７０を示している。ディスク６８は、更に、ディスク６８の外表面７２に形成されてダンピングブロック１６を受入れる環状スロット７４を包含する。図５及び図６は、側面から見た環状スロット７４を示している。
【００２０】
次に図４、図５及び図６を参照するに、タービンブレードロータ組立体６６は、図４に示されているように、まず、プラットフォームシール１４とダンピングブロック１６とを連結することにより組立てられる。すなわち、ダンピングブロック１６のロッド３０はプラットフォームシール１４のフック状の第１の端２２内に受入れられ、それからシール１４はダンピングブロック１６がシール１４とブロック１６とが外れるのを防止する位置にまで回転させられる。
【００２１】
それから、一対の隣接するタービンブレードの一方、すなわち第１のタービンブレード１０がまずディスク６８に取付けられる。すなわち、上述の如く連結されたプラットフォームシール１４とダンピングブロック１６とがディスク６８の環状スロット７４内に置かれ、それから、図５に矢印で示されるように、第１のブレード１０が横方向からディスク６８に組付けられる。これにより、図１及び図６に示されるように、プラットフォームシール１４の第２の端２４はシールポケット６０内に受入れられ、またプラットフォームシール１４は横方向位置決め表面５８に接触させられる。この状態において、（１）プラットフォームシール１４の第２の端２４がシールポケット６０によって所定の半径方向位置に維持され、また（２）ダンピングブロック１６の重さによりプラットフォームシール１４の第１の端２２とダンピングブロック１６とが環状スロット７４内の最も下方の半径方向位置に維持され（図５を参照）、更に（３）横方向位置決め表面５８がプラットフォームシール１４の幅１８（図１を参照）のほぼ半分をプラットフォーム４４の長さ方向側縁７６の横方向外側に維持する。そして、環状スロット７４の深さ７８は、連結しているプラットフォームシール１４とダンピングブロック１６とを、第２のタービンブレード、すなわち他方の隣接するタービンブレードの取付けに邪魔にならないような位置に置くことができるようにする。位置決め表面５８による横方向位置決めは、プラットフォームシール１４の幅の他のほぼ半分が他方の隣接するタービンブレードにさらされることを確実にする。他方の隣接するタービンブレードは、その後、上記プラットフォームシール１４の幅の他のほぼ半分上に位置するようにディスクに横方向から組付けられる。この場合、第１のタービンブレード１０のシールポケット６０は、プラットフォームシール１４の第２の端２４を第２の、すなわち他方の隣接するタービンブレードのシールポケット６０により受入れられるのに適当な位置に維持する。そして、以上述べた取付け手順が各タービンブレード１０ごとに繰り返される。
【００２２】
次に再び図６を参照するに、各タービンブレード１０の取付けを完了した後、そのタービンブレードロータ組立体６６がタービンエンジン（図示せず）内で回転させられると、図３及び図６に示されるように、遠心力が連結されているダンピングブロック１６とプラットフォームシール１４とを半径方向外向きに付勢して、各プラットフォームシール１４のブレード根元側表面１９に接触させる。この状態において、プラットフォームシール４４の溝１７は二次流れをプラットフォームシール１４の薄い板状体とプラットフォーム４４のブレード根元側表面１９との間に案内する手段を形成する。そして、好適な実施例によれば、この二次流れはプラットフォーム４４の幅１８方向のどちらか一方の側から入り、それからプラットフォーム４４間の隙間２１（図３を参照）を出て、一次流れに流入する。しかし、選択的な実施例によれば、溝１７は、プラットフォームシール１４のいずれか一方の側から、隣接するプラットフォーム４４間の隙間２１にさらされているシール１４の中央領域にまで延びるような通路とすることができる。
【００２３】
以上本発明の好適な実施例について詳述したけれども、当業者であれば、本発明は決してこの好適な実施例に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに種々の変形をなし得ることを理解されよう。例えば、前述した本発明の好適な実施例によれば、複数の溝１７は、二次流れをプラットフォームシール１４の薄い板状体と一対の隣接するプラットフォーム４４のブレード根元側表面１９との間に案内する手段として、プラットフォームシール１４に形成されている。しかしながら、これに代えて、図５の選択的な実施例に示されるように、これらの溝１７はプラットフォーム４４のブレード根元側表面１９に形成することもできる。この場合、プラットフォーム４４に形成される溝１７は、横方向位置決め表面５８を越えて横方向内向きに延びるように形成され、プラットフォーム４４の溝１７がこれらの溝を通過する二次流れにさらされることを確実にする。
【００２４】
また、前述した本発明の好適な実施例によれば、プラットフォームシール１４はダンピングブロック１６と連結されたシールとされている。しかしながら、隣接するブレード間の隙間を密封すると共に、二次流れを薄い板状体と一対の隣接するブレードプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内する手段を有する装置は、ダンピングブロックと連結されていない構成のシールとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例によるシール及びダンパ装置がブレードに取付けられている状態を示す斜視図である。
【図２】図１中のダンピングブロックの斜視図である。
【図３】本発明の好適な実施例によるシール及びダンパ装置が一対の隣接するブレード間に取付けられている状態を示す、ロータ組立体のブレード及びディスクの断面図である。
【図４】図３中のシールとダンピングブロックとがどのようにして連結されるかを示す図である。
【図５】本発明の他の選択的な実施例によるシール及びダンパ装置を示すものであって、二次流体流れをシールと一対の隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内する手段の変形例を示し、かつ矢印は本発明の好適な実施例及び選択的な実施例のための共通の説明としてブレードがディスクにどのような方向から組付けられるかを示している。
【図６】本発明の好適な実施例によるシール及びダンパ装置とブレードとがディスクに組付けられている状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ タービンブレード
１２ シール及びダンパ装置
１４ プラットフォームシール（板状体）
１６ ダンピングブロック
１７ 溝
１８ プラットフォームシールの幅
１９ ブレード根元側表面
２２ 第１の端
２４ 第２の端
２６ 本体
２８ フランジ
３０ ロッド
３２ 気擦表面
３４ 摩擦表面
３６ 突出部分
４０ エアフォイル
４２ 根元
４４ プラットフォーム
４６ ブレードエアフォイル側
４８ ブレード根元側
５０ プラットフォームの幅
５２ プラットフォームの長さ
５４ 前方縁
５６ 後方縁
５８ 位置決め表面
６０ シールポケット
６２ ダンピング棚
６６ タービンブレードロータ組立体
６８ ディスク
７０ くぼみ
７２ 外表面
７４ 環状スロット
７６ 側縁
７８ スロットの深さ

Claims (4)

1. ディスクの外周まわりに取付けられた複数のブレードを包含し、各ブレードがエアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部で横方向外向きに延びるプラットフォームを有し、隣接するプラットフォーム間には隙間が形成され、かつこれらのプラットフォームが集合してプラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する一次流体流れとプラットフォームのブレード根元側を通過する二次流体流れとのための流路を形成するガスタービンエンジン用ロータ組立体の隣接するブレード間の隙間を密封する装置において、
   長さと幅とを有する薄い板状体、及び
   二次流れをこの薄い板状体と一対の隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内してその後前記隙間に導く手段、
   を包含し、前記薄い板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を進む前記二次流れがプラットフォームから熱エネルギを奪って運び、
   前記二次流れを案内する手段は前記薄い板状体又は前記プラットフォームのブレード根元側表面に形成された複数の溝から成り、
   前記溝は前記薄い板状体に形成されて、この板状体の縁から前記隙間にさらされている板状体の領域まで延び、これにより二次流れが前記板状体の縁から前記溝に入り、この板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を通過して前記隙間に出るようにしてなり、かつ、
   前記溝は前記薄い板状体の幅方向の両縁間に延び、かつ、
   前記溝は前記薄い板状体の幅にわたって延びる波状の形で板状体に形成されていることを特徴とする隙間密封装置。
2. ディスクの外周まわりに取付けられた複数のブレードを包含し、各ブレードがエアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部で横方向外向きに延びるプラットフォームを有し、隣接するプラットフォーム間には隙間が形成され、かつこれらのプラットフォームが集合してプラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する一次流体流れとプラットフォームのブレード根元側を通過する二次流体流れとのための流路を形成するガスタービンエンジン用ロータ組立体の隣接するブレード間の隙間を密封する装置において、
   長さと幅とを有する薄い板状体、及び
   二次流れをこの薄い板状体と一対の隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内してその後前記隙間に導く手段、
   を包含し、前記薄い板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を進む前記二次流れがプラットフォームから熱エネルギを奪って運び、
   前記二次流れを案内する手段は前記薄い板状体又は前記プラットフォームのブレード根元側表面に形成された複数の溝から成り、
   前記溝は前記薄い板状体の幅にわたって延びる波状の形で板状体に形成されていることを特徴とする隙間密封装置。
3. 複数のブレードと、ディスクと、複数のシールとを包含し、前記ブレードの各々がエアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部で横方向外向きに延びるプラットフォームを有し、隣接するプラットフォーム間には隙間が形成され、かつこれらのプラットフォームが集合してプラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する一次流体流れとプラットフォームのブレード根元側を通過する二次流体流れとのための流路を形成し、また前記ディスクは、その外周まわりに配列され前記ブレードの根元と補形し合う形状を有して各ブレードの根元を受入れる複数のくぼみを包含する外表面を有し、更に前記シールの各々は、長さと幅とを有する薄い板状体、及び二次流れをこの薄い板状体と隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内してその後前記隙間に導く手段を包含し、前記薄い板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を進む前記二次流れがプラットフォームから熱エネルギを奪って運び、
   前記二次流れを案内する手段は前記薄い板状体又は前記プラットフォームのブレード根元側表面に形成された複数の溝から成り、
   前記溝は前記薄い板状体に形成されて、この板状体の縁から前記隙間にさらされている板状体の領域まで延び、これにより二次流れが前記板状体の縁から前記溝に入り、この板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を通過して前記隙間に出るようにしてなり、かつ、
   前記溝は前記薄い板状体の幅方向の両縁間に延び、かつ、
   前記溝は前記薄い板状体の幅にわたって延びる波状の形で板状体に形成されていることを特徴とするガスタービンエンジン用ロータ組立体。
4. 複数のブレードと、ディスクと、複数のシールとを包含し、前記ブレードの各々がエアフォイル、根元及びこれら根元とエアフォイルとの間の移行部で横方向外向きに延びるプラットフォームを有し、隣接するプラットフォーム間には隙間が形成され、かつこれらのプラットフォームが集合してプラットフォームのブレードエアフォイル側を通過する一次流体流れとプラットフォームのブレード根元側を通過する二次流体流れとのための流路を形成し、また前記ディスクは、その外周まわりに配列され前記ブレードの根元と補形し合う形状を有して各ブレードの根元を受入れる複数のくぼみを包含する外表面を有し、更に前記シールの各々は、長さと幅とを有する薄い板状体、及び二次流れをこの薄い板状体と隣接するプラットフォームのブレード根元側表面との間に案内してその後前記隙間に導く手段を包含し、前記薄い板状体と前記プラットフォームのブレード根元側表面との間を進む前記二次流れがプラットフォームから熱エネルギを奪って運び、
   前記二次流れを案内する手段は前記薄い板状体又は前記プラットフォームのブレード根元側表面に形成された複数の溝から成り、
   前記溝は前記薄い板状体の幅にわたって延びる波状の形で板状体に形成されていることを特徴とするガスタービンエンジン用ロータ組立体。

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