JP3973998B2

JP3973998B2 - エアシール

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Publication number: JP3973998B2
Application number: JP2002252225A
Authority: JP
Inventors: エイ．サンダーズスチュワート; ディ．スタックハウスカーク; ブイ．オコーナーリサ
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: SG107609A1; KR100676044B1; DE60204192D1; EP1288443A1; US20030042685A1; KR20030019246A; ATE295931T1; EP1288443B1; US6899339B2; JP2003161109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジン用のエアシールに関し、より詳しくは耐久性が向上したエアシールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは例えば航空機用の原動力、あるいは発電機として公知の動力源であり、また一般的にコンプレッサ（通常は１つまたはそれ以上のファンステージが前方にある）、燃焼機およびタービンのセクションを含んでなるものである。図１に例示したように、コンプレッサおよびタービンのセクション（およびファンステージ）は、それぞれ軸に据付けられた回転ディスク１を含んでおり、各回転ディスクは中空のハウジングつまりケース３内に配置された１組のブレード２を支持しており、またこれらブレード間にはケースつまり外被に備え付けられた固定ベーン５の組がある。エアシール４，７はブレードの先端部とケースとの間（外部エアシールまたは外側エアシール）、およびベーンとディスクとの間（ナイフエッジシール）に設けられ、それらの部材間の空気漏れを防止している。
【０００３】
空気はエンジンの吸気口を通して吸入され、またコンプレッサ内において回転ディスクや関連するブレードによって圧縮される。圧縮された空気は、次いで、燃焼機内の燃料と共に燃やされ高圧で高温のガスが生成される。生成されたガスは、タービンセクションや関連するファンコンプレッサのステージ（段）の回転を引き起こし、また推力を提供するためにエンジン排気として放出される。ケースは、ブレードの先端部の周り、つまりブレード先端部とケースとの間における空気や燃焼生成物の漏れないし漏洩を防ぐためのものであり、この種の漏れはエンジン効率を低減させる。
【０００４】
漏れを最小限に抑えるために各部材の設計がされているが、ガスタービンエンジンが通常に動作する際に生じる漏れの大部分はブレードの先端とケースとの間、およびベーンの先端とディスクとの間において発生する。そのような漏れを低減する１つの方法は全ての組み合わせる部品を許容誤差を極めて小さくつまり小さい公差で製造することであるが、許容誤差が小さくなる分だけコスト高になる傾向がある。さらに、部品の運転前、運転中および運転後における温度の変動幅、およびこれに伴う部品の熱膨張や熱収縮を考慮すると、そのような小さな許容誤差は組み合わされる部品間で干渉が生じてしまい、対応する部品の摩耗やその他の損傷を引き起こす結果となる。従って、ガスタービンエンジン設計者は、効果的なエアシールの開発、特に、アブレイダブル材料つまり摩耗可能な材料よりなるシールの開発に日々努力をしている。例えば、本発明の譲受人より譲渡されると共に、本明細書に参考として特に組み込まれる、Ｖｉｎｅなどに付与された米国特許第４，９３６，７４５号、およびＮｉｓｓｌｅｙなどに付与された米国特許第５，７０６，２３１号を参照のこと。
【０００５】
シールには、回転ブレードの先端部との接触の際の相対的な摩耗性、耐侵食性、耐久性、下に位置する材料とバランスのとれた熱膨張、および製造が相対的に容易であること及びコストが妥当であることなどを含む種々の特性のバランスが必要される。例えば、本発明の譲受人より譲渡され、この中の引例により明確に組み込まれる、Ｓｉｌｅｏの米国特許第５，５３６，０２２号を参照のこと。
【０００６】
一般的なコンプレッサのエアシールは例えば金属基材のようなシール基材、基材上にプラズマ溶射された金属粉末よりなる選択的な金属層、金属層に施されたアブレイダブルなシール層を含んでいる。一般的なシール層はアルミニウムとシリコンの金属マトリックスに若干量のポリエステルパウダー粒子が埋め込まれたもので、基材上にプラズマ溶射される。他のシール材料はシリコーンゴムや他のエラストマー系シール材料を含んでおり、また、シール材料は多孔性に合わせて中空のミクロスフェアを含んでいる。またこの種の材料は一般的には高粘性状態で施され、そのまま乾燥あるいは硬化される。これらのシールシステムは今日まで十分な性能を提供しているものの、より耐高温性を有し、下側にある基材と適合性のある熱膨張性、およびを向上した侵食抵抗性を有しつつ、ナイフエッジのブレード先端部に接触した場合でも容易に摩耗する、シールシステムが望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はガスタービンエンジン用のエアシールを提供することにある。
本発明の他の目的は、現用のエアシールに比べて所要の改善させた性能を提供するガスタービンエンジンのエアシールの形成方法を提供することにある。
本発明の別の目的はコスト的に有利な方法で上記シールを製造する方法を提供することにある。
本発明のその他の目的は従来のシールと同程度の重量であり、それ故に重量的に不利がないシールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの特徴によれば、ガスタービンエンジン内で使用され、また改善された耐久性を有するエアシールが開示される。エアシールはシール基材およびアブレイダブルシール層を含み、アブレイダブルシール層は高密度化ポリイミド発泡体、好ましくは熱機械的に高密度化されたポリイミド発泡体を含んで構成される。
【０００９】
本発明のその他の特徴によれば、ガスタービンエンジンのシールシステムが開示されている。このシステムは、概略的には、ボンド層つまり接合層が設けられたシール基材とアブレイダブルシール材料を有するシールアセンブリを有してなる。アブレイダブルシール材料は高密度化ポリイミド発泡体より構成される。システムはさらに、シールアセンブリに対する運動に適合され、またアブレイダブルシール材料と相互作用する研摩部分を有する、エンジン部材を有してなる。エンジン部材の研摩部分およびシールアセンブリのアブレイダブルシール材料は協働し、シーリングを提供する。
【００１０】
本発明のその他の特徴によれば、耐久性が向上したエアシールの形成方法が開示されている。この形成方法は、概略的には、ポリイミド発泡体を用意するステップ、高密度化発泡体よりなる層を形成するために発泡体を高密度化させるステップ、シール基材を用意するステップ、および高密度化発泡体よりなる層をシール基材に接合ないし結合させ、上記のエアシールを形成するステップを有してなる。
【００１１】
本発明の利点の１つはシールが、特に高温時において、改善された、十分な耐久性および耐摩耗性を提供する点である。加えて、本発明のシールは製造の際のコスト効率が高く、また従来のシールと同程度の重量である。
【００１２】
本発明に係わるシールのその他の詳細およびその他の利点は以下の説明から当業者には自明である。添付図面において同じ参照番号は同じ構成要素を示している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明はガスタービンエンジン内で使用されるエアシールに関するものである。このエアシールは、シールに対する運動に適合すると共にエアシールのアブレイダブルシール材料と相互作用する研摩部分を有するエンジン部材と協働して、シーリングを提供する。例えば、エアシールは、回転ベーンつまりブレード２の先端部とケースつまりハウジング３との間において外部エアシール（外側エアシール）として使用される。エアシールはまたステータボックスのような固定ベーン５の一部６と回転ディスクの先端部８との間に配置されるナイフエッジシール（ナイフエッジ式シール）７としても使用される。
【００１４】
シールには出発材料つまり原料としていずれかの適切な市販のポリイミド発泡体を使用して形成される。このような適切なポリイミド発泡体の出発材料の１つは、イミ−テック（Imi-Tech）より市販されているHT−３４０ポリイミド発泡体である。この材料は初期密度が１立方フィート当たり約０．４ポンド（１立方メートル当たり６．４キログラム）を有する。シールに必要とされる高さに応じて、出発材料としてのポリイミド発泡体から構成される１つの層があってもよいし、あるいは出発材料としてのポリイミド発泡体から構成される複数の層があってもよい。複数層の出発材料が形成される場合、従来公知のいずれかの適切な積層技術が複数層の出発材料を形成するために使用される。
【００１５】
ポリイミド発泡出発材料は、次いで高密度化処理をされ、ポリイミド発泡体の密度が１立方フィート当たり０．４ポンド（１立方メートル当たり６．４キログラム）から１立方フィート当たり１０ポンド超（１立方メートル当たり１６０キログラム、つまり１６０ｋｇ／ｍ^３超）まで、例えば、１立方フィート当たり１２ポンド（１立方メートル当たり１９２キログラム、つまり１９２ｋｇ／ｍ^３）から１立方フィート当たり２５ポンド（１立方メートル当たり４００キログラム４００ｋｇ／ｍ^３）まで高められる。発泡体の密度は好ましくは１立方フィート当たり１５ポンド超（１立方メートル当たり２４０キログラム、つまり２４０ｋｇ／ｍ^３超）である。高密度化処理はまた、ポリイミド発泡体のせん断強度を１４０ｐｓｉ（１平方センチメートル当たり９．８キログラム、つまり９．８ｋｇ／ｃｍ^２）から３２５ｐｓｉ（１平方センチメートル当たり２２．７５キログラム、つまり２２．７５ｋｇ／ｃｍ^２）まで高める。
【００１６】
従来公知のいずれかの適切な高密度化処理法を使用しても良いが、熱機械的な高密度化（thermomechanical densification）処理を使用することが好ましい。この処理では、ポリイミド発泡体がまず５５０°Ｆ（２８７．５℃）超まで加熱され、次いで所望の密度及びせん断強度を得るのに十分な時間だけ圧縮される。加熱されたポリイミド発泡体を圧縮するのに従来公知のいずれかの適切な方法が使用される。
【００１７】
ポリイミド発泡材料は、高密度化された後、所望の高さ、長さおよび幅に切断される。ポリイミド発泡材料は次いで、ニッケルベース超合金、コバルトベース超合金あるいは鉄ベース超合金などの金属材料、あるいはグラファイト強化ポリイミドのようなポリマー複合材料の１つから形成された基材と、接合ないし結合される。基材は好ましくはステータボックス（固定翼装置）６のようなエンジン部材あるいはケース３の一部である。ポリイミド発泡材料は適切な接着材料から形成されるボンド層により基材に接合ないし結合される。例えば１つまたはそれ以上のポリイミドのフィルム状粘着材料よりなるストリップがポリイミド発泡材料の表面あるいは基材の表面に配置ないし設けられる。次に、粘着材料ストリップの配置場所に応じて、ポリイミド発泡材料または基材が粘着材料からなるストリップに接して設けられる。その後、加熱および／または圧力を施すことで粘着材料の硬化処理がなされ、ポリイミド発泡材料と基材との間に強い接合力（結合力）が生じる結果、高密度化ポリイミド発泡材料よりなるアブレイダブルシール層を有するエアシールが形成される。
【００１８】
上述の硬化ステップは、オートクレーブ内にエアシールを設け、エアシールを真空バックで囲み、真空バックを密閉し、オートクレーブ内のエアシールにバキュームつまり真空処理を施し、８ｐｓｉ（０．５６ｋｇ／ｃｍ^２）から１２ｐｓｉ（０．８４ｋｇ／ｃｍ^２）までのオートクレーブ圧力を施し、オートクレーブ内の温度を６５°Ｆ（１８．３℃）から８５°Ｆ（２９．４℃）の初期温度から４００°Ｆ（２０４．２４℃）から４２０°Ｆ（２１５．３４℃）の第２の温度に上昇させ、またこの上昇させた温度は３０分から１時間半の間だけ維持され、その後エアシールを冷却する。温度を上昇させるステップは、好ましくは、３°Ｆ／分（１．６６℃／分）から４°Ｆ／分（２．２２℃）、つまり１分当たり３°Ｆ（１．６６℃）から４°Ｆ（２．２２℃）の上昇率ないし上昇速度で実施される。冷却ステップは、好ましくは、３°Ｆ／分（１．６６℃／分）から５°Ｆ／分（２．７８℃）、つまり１分当たり３°Ｆ（１．６６℃）から５°Ｆ（２．７８℃）の冷却率ないし冷却速度で実施される。
【００１９】
オートクレーブを使用する他に、硬化ステップは、機械的な圧力を加えるために設計されたツールないし工具内にエアシールを取り付け、またオーブン内で上記のように過熱するステップで構成することもできる。
【００２０】
必要に応じて、エアシールは後硬化処理される。エアシールに後硬化ステップを施す前に、２２５°Ｆ（１０７．１℃）から２７５°Ｆ（１３５℃）の温度で１時間から４８時間までの間だけエアシールを加熱することを有してなる乾燥処理を施すのが望ましい。この乾燥処理は、エアシール用の基材がグラファイト強化ポリイミド複合材料である場合は特に必要である。
【００２１】
後硬化処理はエアシールをオーブンつまり炉に配置するステップ、オーブンを６５°Ｆ（１８．３℃）から８５°Ｆ（２９．４２℃）の初期温度に加熱するステップ、初期温度から６３０°Ｆ（３３１．９℃）から６７０°Ｆ（３５４．１℃）までの第２の温度に上昇させるステップ、エアシールを６０分から１５０分の間だけ第２の温度に保持するステップ、およびその後にエアシールを冷却させるステップから構成される。温度を上昇させるステップは、１．５°Ｆ／分（０．８３℃／分）から４°Ｆ／分（２．２２℃／分）、つまり１分当たり１．５°Ｆ（０．８３℃）から４°Ｆ（２．２２℃）の上昇率ないし上昇速度で実施される。冷却ステップは１．６６℃／分から２．７８℃／分、つまり１分当たり３°Ｆ（１．６６℃）から５°Ｆ（２．７８℃）の冷却率ないし冷却速度で実施される。
【００２２】
図２を参照して、エアシール４，７が高密度化ポリイミド発泡体材料よりなる複数の層２０より形成されると共に積層方向２４に垂直な複数の積層面（ラミネート面）２２を有する場合、エアシール４，７は積層面２２が実質的にエンジンの中心線（センターライン）２６および軸方向２８に垂直であって、エンジンの半径方向（放射状の方向）３０に実質的に平行であるように設けられる。高密度化発泡体よりなる単一の層のみが使用される場合であっても、シールはこのように方向付けされる。これは高密度化処理自体が断層面を形成することに伴うものである。
【００２３】
積層されたエアシール４，７はその積層面２２により画定ないし規定された断層面を有する。プレート状のシールの運動に対する断層面の方向付けないし位置決めを図３に例示した。
【００２４】
以上の説明から明らかなように、高密度化ポリイミド発泡体の1つまたはそれ以上の層より形成されるアブレイダブルシール層を有するエアシール４，７が提供される。そして、エンジン部材の研摩部分とアブレイダブルシール層とが協働して所望のレベルのシーリングを提供する。
【００２５】
上記のように説明され、また積層化および基材と接着ないし粘着されたポリイミド発泡材料より形成されたエアシールを使用して行った本発明の試験によれば、本発明のエアシールは従来のエラストマー系（例：多孔性シリコンゴム）のシールと少なくとも同程度の耐侵食性を示した。本発明のエアシールはまた、従来の多孔性シリコンゴムシールと少なくとも同程度の摩耗性を示すものである。
【００２６】
本発明の利点は、エアシールが耐久性と摩耗性を共に十分に満足させるものであり、また高温時にこれらの特性を提供することである。加えて、本発明のエアシールはコスト効率が高く、製造が比較的容易であり、また従来のシール材料と同程度の重量である。
【００２７】
以上、本発明を詳細に説明したが、本発明の技術思想ないし特許請求の範囲から逸脱することなしに種々の代替および変更を行うことができる。従って、上記の説明は例示的なものであり、限定的なものでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なガスタービンエンジンの一部の横断面図である。
【図２】本発明に係わる例示的なシールの横断面図である。
【図３】プレート状のシールの運動に対するシールの断層面の方向性を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ディスク
２ブレード
３ケース
４エアシール
５固定ベーン
６ステータボックス
７エアシール

Claims

ガスタービンエンジン内で使用され耐久性が向上したエアシールであって、
シール基材と、
前記シール基材上のアブレイダブルシール層とを有してなり、
前記アブレイダブルシール層が高密度化ポリイミド発泡体よりなり、
前記ポリイミド発泡体が少なくとも１６０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、ことを特徴とするエアシール。
前記アブレイダブルシール層が前記高密度化ポリイミド発泡体の複数の層を有してなる、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
前記ポリイミド発泡体が少なくとも２４０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
前記ポリイミド発泡体が１９２ｋｇ／ｍ^３から４００ｋｇ／ｍ^３の密度、および９．８ｋｇ／ｃｍ^２から２２．７５ｋｇ／ｃｍ^２のせん断強度を有する、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
前記シール基材が高分子複合材よりなる、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
前記エアシールが外側エアシールである、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
前記エアシールがナイフエッジシールである、ことを特徴とする請求項１記載のエアシール。
シール基材と、ボンド層が設けられたアブレイダブルシール材料とを備えたシールアセンブリを有してなり、
前記アブレイダブルシール材料が高密度化ポリイミド発泡体より構成されており、および
アブレイダブルシール材料と相互作用する研摩部分を備えると共にシールアセンブリに対する運動に適合されたエンジン部材を有してなり、エンジン部材の研摩部分とシールアセンブリのアブレイダブルシール材料とが協働してシーリングを提供し、
前記エンジン部材が中心線を有するエンジン部品を形成しており、
前記アブレイダブルシール材料が積層面を備えた前記ポリイミド発泡体の複数の積層された層を有してなり、および
前記積層面が前記中心線に実質的に垂直であり、
前記積層面が、前記エンジンの半径方向に実質的に平行であり、前記エンジンの軸方向に実質的に垂直であり、
前記ポリイミド発泡体が少なくとも１６０ｋｇ／ｍ ^３の密度を有する、ガスタービンエンジンのシールシステム。
前記シール基材がステータボックスから構成され、および前記エンジン部材がディスクから構成される、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンのシールシステム。
前記シール基材がケースの一部から構成され、および前記エンジン部材が回転可能なベーンから構成される、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンシールシステム。
前記シール基材が高分子複合材から形成される部材からなる、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンのシールシステム。
前記高密度化ポリイミド発泡体が熱機械的に高密度化されたポリイミド発泡体からなる、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンシールシステム。
前記ポリイミド発泡体が少なくとも２４０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンのシールシステム。
前記ポリイミド発泡体が、１９２ｋｇ／ｍ^３から４００ｋｇ／ｍ^３の密度、および９．８ｋｇ／ｃｍ^２から２２．７５ｋｇ／ｃｍ^２のせん断強度を有する、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンのシールシステム。
前記ボンド層が少なくとも１つの粘着性ストリップあるいは粘着材料層から形成される、ことを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジンのシールシステム。
ガスタービンエンジンにおいて使用され耐久性が向上したエアシールの形成方法であって、
ポリイミド発泡体を用意するステップと、
前記ポリイミド発泡体を高密度化させて高密度化ポリイミド発泡体層を形成するステップと、
シール基材を用意するステップと、
前記高密度化ポリイミド発泡体層をシール基材と接合させてエアシールを形成するステップとを有してなり、
前記高密度化ステップが１６０ｋｇ／ｍ ^３超の密度を有するように前記ポリイミド発泡体を高密度化させるステップを有してなる、ことを特徴とする、エアシールの形成方法。
前記ポリイミド発泡体を用意するステップが、前記ポリイミド発泡体よりなる複数の積層された層を用意するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記高密度化させるステップが前記ポリイミド発泡体を熱機械的に高密度化させるステップを有してなり、
前記熱機械的に高密度化させるステップが、前記ポリイミド発泡体を３０５℃超の温度で１６０ｋｇ／ｍ^３超の密度を得るのに十分な時間だけ加熱するステップと、加熱したポリイミド発泡体を圧縮するステップとを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記シール基材を用意するステップが前記ポリイミド発泡体へ接合されるエンジン部材を用意するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記接合させるステップが、前記ポリイミド発泡体の表面に接合用材料を設けるステップ、および圧力を加えて前記接合用材料を前記シール基材に接合するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記接合用材料を設けるステップが少なくとも１つの粘着性ストリップを前記ポリイミド発泡体の表面に設けるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項２０記載の方法。
前記接合ステップの後に前記エアシールを硬化させるステップをさらに有してなり、前記硬化ステップは、前記エアシールをオートクレーブ中に配置するステップ、前記オートクレーブ内で前記エアシールに真空を施すステップ、０．５６ｋｇ／ｃｍ^２から０．８４ｋｇ／ｃｍ^２のオートクレーブ圧力を加えるステップ、前記オートクレーブ内の温度を１８．３℃から２９．４℃の範囲の初期温度から２０４．２４℃から２１５．３４℃の範囲の第２の温度まで上昇させるステップ、前記第２の温度を３０分から１時間半間までの間だけ維持させるステップ、および前記エアシールを冷却させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記温度を上昇させるステップが１．６６℃／分から２．２２℃／分の上昇率で実行され、また前記冷却ステップが１．６６℃／分から２．７８℃／分の冷却率で実行される、ことを特徴とする請求項２２記載の方法。
前記硬化ステップの完了後にオーブン内に前記エアシールを配置し、前記エアシールを後硬化するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項２２記載の方法。
前記エアシールを前記オーブン内に配置する前に前記エアシールを乾燥させるステップをさらに有してなり、また前記乾燥ステップが前記エアシールを１０７．１℃から１３５℃の範囲の温度で１時間から４８時間の範囲の時間の間だけ加熱することを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
前記後硬化処理ステップが、
前記オーブンを１８．３℃から２９．４２℃の範囲の初期温度に加熱するステップ、
前記初期温度を３３１．９℃から３５４．１℃までの第２の温度に上昇させるステップ、
前記エアシールを６０分から１５０分の範囲の時間だけ前記第２の温度に保つステップ、および
その後に前記エアシールを冷却させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
前記温度を上昇させるステップが０．８３℃／分から２．２２℃／分の上昇率で実施され、また前記冷却ステップが１．６６℃／分から２．７８℃／分の冷却率で実施される、ことを特徴とする請求項２６記載の方法。
前記高密度化ステップが２４０ｋｇ／ｍ^３超の密度を有するように前記ポリイミド発泡体を高密度化させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記高密度化ステップが前記ポリイミド発泡体を１９２ｋｇ／ｍ^３から４００ｋｇ／ｍ^３の密度を有するように前記ポリイミドを高密度化させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。