JP4005020B2 - ガスタービン軸用のシール方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明はガスタービンエンジンのシール構造に関する。特に、多段スプールガスタービンエンジンにおける同心のロータ軸の間をシールする軸間シールのためのシール構造に関する。
多段スプールガスタービンエンジン内のフロントベアリングコンパートメントは、同心の低圧ロータ軸および高圧ロータ軸を支持するベアリングを潤滑するためのオイルミストで満たされている。低圧ロータ軸は、燃焼器からの高温排気ガスに曝された低圧タービンによって駆動され、低圧圧縮機および/またはプロペラを駆動する。高圧ロータ軸は、低圧タービンの上流側で燃焼器のすぐ隣にある高圧タービンによって駆動され、燃焼器のすぐ上流側にある高圧ステージ圧縮機を駆動する役目を果たす。同心の低圧ロータ軸および高圧ロータ軸は、作動媒体ガスで満たされた隙間で隔たれている。作動媒体ガスはベアリングコンパートメントの内部温度より高温である。軸間シールは、オイルコンパートメントに漏入する作動媒体ガスの量を制御し、コンパートメントから隙間に漏出するオイルミストを抑制する。
航空機にとって飛んでいる鳥は脅威である。とりわけ、鳥が航空機と衝突し、プロペラやガスタービンエンジンの圧縮機領域に吸い込まれたときは危険である。鳥が低圧ロータ軸にぶつかると、低圧ロータ軸は作動限界を越えてゆがむ可能性がある。低圧ロータ軸の過度のゆがみを補正し、その結果起こる軸間の摩擦を避けるため、同心の低圧ロータ軸と高圧ロータ軸の間の隙間は広げられている。エンジンの通常運転を許容する特性に加えて、鳥の衝突によって起こるような予期しないロータの不均衡の際の安全なエンジンの運転を許容する特性を併せ持つベアリングの改善が行われてきた。このようなベアリングの例は1995年7月18日にアミンその他に発行された米国特許第5,433,584号と、1983年3月8日にロバーツその他に発行された米国特許第4,375,906号に記載されている。
鳥衝突事故が起きると、他のベアリングやバンパーがシールの位置に付加されていない限り、軸同士の界面におけるベアリングコンパートメントのシールを保ち、ゆがみを最小化することは出来ない。この問題を解決するため、例えば、2001年3月6日にシェリダンその他に発行された米国特許第6,196,790号では、ガスタービンエンジンの軸間シール用の複雑なシールアセンブリについて述べている。シールアセンブリは、内側ロータ軸上のシールプレートをシールする第一のシールと、外側ロータ軸上のシールプレートをシールする第二のシールと、ステーターアセンブリによって支持され、第一のシールと第二のシールとをシールする中間シールを含む。シールアセンブリは、内側軸と外側軸の間の相対的な半径方向と軸方向の変位に対応する。しかしながら、この変位の自由度を提供するためには、機構が比較的複雑であり、製造、維持に費用がかかるであろうと思われる。このシールアセンブリの個々のシールは、共同して軸間シールを提供する。しかしながら、シールアセンブリは個々のシールがひとつでもうまく作動しないと故障するであろう。
他の例として、1995年4月4日にマーシャルに発行された米国特許第5,403,019号は、回転軸をシールし、ターボマシンにあるような高圧チャンバと低圧チャンバの間の過度のガス漏れを制御するための、自由浮動ラビリンスリングシールについて述べている。シールは、互いに間隔を置いて対向する高圧壁および低圧壁と、これらの壁の間に延在し、軸に対しシールするラビリンスシール面と、を有するエラストマー質のリング状本体を含む。これら壁は、シール本体と空洞の壁との間に制御したガス流すきまを持って、この空洞内で相互に対し圧力つりあいを生ずるために等しくない面積を持つ互いに対向する表面を形成する部分を有する。よってシール本体は、軸の振動で実質的に浮動自由であるが、軸が回転していると、ラビリンス面と軸との間を密閉する近接公差を保持する。このシールによって、軸線方向の相対的移動に加えて、半径方向の相対的移動が制限範囲内で許容される。シールはハウジングの溝内で浮動するように設計されている。摺動シールを収容するため溝を有する外側軸のアンダーカットは、軸の構造上の完全性をいくらか壊してしまうだけでなく、このような形態が軸間シールに用いられた場合、機械的に複雑にしてしまうであろう。
それゆえ、簡単な機構で、ロータの不具合が起こった時のエンジンの運転性を確保しつつ、エンジンの通常運転条件のシール漏出要求を満たす、ガスタービンエンジンの軸間シール用のシール構造が必要とされている。
本発明の目的は、エンジンの通常運転時とロータの不均衡事態が起きた異常運転時のどちらの場合も運転状態を確保するため、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間のシール構造を提供することである。
本発明の別の目的は、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間に、メインシールとバックアップシールとを含み、二重シール機能を持つシール構造を提供することである。
本発明の更なる目的は、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸の間に簡単な機構のシール構造を提供することである。
本発明の一形態によれば、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールする方法が提供されている。その方法は、隙間をシールするためのメインシールを用いるステップと、隙間の二重シールのためにバックアップシールを用いるステップとを有する。メインシールはエンジンの通常運転状態の漏出要求を満たし、バックアップシールは異常事態におけるエンジン運転状態を確保する漏出要求を満たす。そのような異常事態では、内側回転軸と外側回転軸との同心関係は、エンジン運転時の事故の影響をうけ、その結果メインシールの故障を引き起こす。
望ましくはバックアップシールは内側回転軸と外側回転軸との間の相対的な半径方向変位に対応するようになっている。それにもかかわらず、望ましくは、バックアップシールの漏出要求はメインシールの漏出要求よりも厳しくない。本発明のひとつの実施例によると、内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間の半径方向シールはメインシールとして使用されている。そして、内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間にある軸方向シールはバックアップシールとして使用されている。
本発明の他の態様によれば、同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールするためにガスタービンエンジンで用いられる軸方向および半径方向シール構造が提供される。このシール構造は半径方向シールと軸方向シールからなる。半径方向シールは内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間に配され、ガスタービンエンジンの通常運転時のメインシールとして作動する。軸方向シールは内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間に配され、半径方向シールが故障した場合の異常運転時のバックアップシールとして作動する。
軸方向シールは、内側回転軸と外側回転軸との相対的な半径方向変位のために半径方向シールが故障した場合のシール機能を維持しながら内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向変位を許容することが好ましい。本発明のひとつの実施例では、軸方向シールは、外側回転軸の環状半径方向端面と内側回転軸の外側面から半径方向外側に延在するフランジ上の環状半径方向面との間に配されている。フランジは内側回転軸と一体となっていることが好ましい。
鳥衝突の実験によると、中型の鳥の衝突が起きた場合、バランスを失ったロータによる低圧回転軸のゆがみはほぼ半径方向であり、相対的な半径方向変位と比較すると、内側回転軸と外側回転軸との間の相対的な軸方向変位は実際には無視できるものである。よって、中型の鳥による衝突事故が起こった場合にガスタービンエンジンの運転状態を確保するには、相対的な半径方向の動きと軸方向の動きを同時に適応できる複雑なシールのアセンブリは必要ない。本発明は、同心の低圧ロータ軸と高圧ロータ軸との間の隙間の二重シールのための簡単な機構の軸方向かつ半径方向シール構造を有利に提供する。その構造では、シール結果において常に軸方向シールより優れている半径方向シールをエンジンの通常運転において使用する。しかし、半径方向シールは鳥衝突事故によってロータのバランスが崩れると故障しやすい。そのような事故の際は、バックアップシールとして軸方向シールの方が半径方向シールに比べて順応性があり、よってガスタービンエンジンの運転可能なシール状態を保つことができ、航空機が安全に着陸するまで安全に飛行し続けるようにすることを可能にする。
本発明の他の利点と特徴は以下に記載される本発明の好ましい実施例を参照することによってさらに理解される。
図面、特に図1を参照すると、航空機用の典型的なガスタービンエンジン10は、長手方向の中心軸12を中心とする連続的な流れの中に、周方向に離間した多数のファンブレードもしくはローターブレード14を有するファンと、一般的な低圧圧縮機16と、一般的な高圧圧縮機18と、一般的な環状燃焼器20と、一般的な高圧タービン22と、一般的な低圧タービン24と、を含む。低圧タービン24は、内側回転軸26によって低圧圧縮機16とファンブレード14に強固に結合され、高圧タービン22は外側回転軸28によって高圧圧縮機18に強固に結合されている。一般的な燃料噴射手段30は、エンジン10を駆動するため、選択的に燃料を燃焼器20に噴射するように設けられている。環状の隙間27は、同心の内側回転軸26と外側回転軸28の間にあり、隙間27は作動媒体ガスで満たされ、高圧タービン22と低圧タービン24とを冷却する。軸間シール29は、図2に示されているように、ベアリング/オイルコンパートメント31に漏れこむ作動媒体ガスの量を調整し、オイルミストがコンパートメント31から漏れて隙間27に入り込むのを防ぐために設けられている。
一般的な環状ケーシング32は、低圧圧縮機16から低圧タービン24までエンジン10を取り囲み、また、低圧圧縮機16とともに、周辺の空気36の一部を取り込む低圧圧縮機入口34を画定している。ケーシング32の下流側端部は、一般的な環状のエクゾーストプラグ40とともに、環状のエクゾースト出口42を画定する。ブレード根部38近傍のファンブレード14によって圧縮された空気36の一部は、さらに低圧圧縮機16と高圧圧縮機18で圧縮され、燃焼器20に送られる。圧縮された空気36と燃料噴射手段30によって噴射された燃料との混合物は燃焼ガス52を発生する。燃焼ガス52は高圧タービン22と低圧タービン24をそれぞれ回転させ、高圧圧縮機18と低圧圧縮機16とファンブレード14とを駆動する。
ブレード14とケーシング32の上流部分を取り囲んでいるのはナセル44で、ナセル44は、ケーシング32から半径方向外側に離間して、ケーシング32とともに、ブレードによって圧縮された空気36の半径方向外側部分がエンジンをバイパスするようにするための環状ダクト55を画定する。周方向に離間した多数のステータベーン46は、ケーシング32とナセル44の間に半径方向に延在し、かつブレード14の軸方向下流側に離れている。ナセル44は、周辺の空気36を取り込むための上流側端部入口48と、推力の一部を提供するために、ブレード14で圧縮されステータベーン46を通過した空気36の一部を排出するための出口50を含む。
エンジン10の運転中、特に航空機が離陸または着陸する際、鳥が航空機に衝突し、強い空気流36によってつくりだされる吸引効果のためナセル44の入口48に入り込む場合がある。ナセル44に入った鳥は、高速で回転するファンブレード14に当たり、通常ファンブレードにも損傷を与え、よって内側回転軸26に不均衡な力を発生させる。鳥衝突事故の不均衡な力によって起こる内側回転軸26のたわみは、実質的には外側回転軸28に対する半径方向の変位もしくは振動である。通常、内側回転軸26と外側回転軸28との間にある従来の軸間シールは、内側回転軸26と外側回転軸28の間の正確な同心関係を必要とし、鳥衝突事故のように、外側回転軸28に対する内側回転軸26の半径方向の変位や振動が起こると軸間シールの故障を生じる。内側回転軸26と外側回転軸28の間にある軸間シールの故障は、エンジン故障のような重大な安全上の問題に結びつく可能性がある。
ここで図2を参照すると、内側回転軸26は、フロントベアリング/オイルコンパートメント31において、ベアリング56に支持されている(図では一つのみ示す)。フロントベアリング/オイルコンパートメント31はさらに、外側回転軸28をその前端部で支持しているローラーベアリング58を収納している。ベアリング56と58は、また、ケーシング32に収納されているベアリングサポートアセンブリ60、62に支持されている。ベアリング/オイルコンパートメント31は、ベアリング56と58を潤滑し冷却するための、適切な供給源からのオイルミストで満たされている。隙間27の作動媒体ガスは、一般にフロントベアリング/オイルコンパートメント31の内部温度より高温である。
軸間シール29は、内側回転軸26の外側面66と外側回転軸28の内側面68の間にある半径方向シール64を含み、ガスタービンエンジン10の通常運転時のメインシールとしての役目を果たす。図3により詳しく示されているように、軸間シール29はさらに、内側回転軸26の外側面66から半径方向外側に延在するフランジ74の環状半径方向表面72と外側回転軸28の環状半径方向端面76との間に配された、軸方向シール70を含む。軸方向シール70は、鳥衝突のような異常事態の際にバックアップシールの役目をする。
半径方向シール64は、好ましくは内側回転軸26の外側面66上にあるラビリンスシール表面78を含むラビリンスシールである。ラビリンスシール表面78は外側回転軸28の内側面68とシール的に接触している。図2、図3に示されている半径方向ラビリンスシール64は、図2に示されているようにシャフト間の隙間27をシールし、エンジンの通常運転時の比較的厳しい漏出基準を充足している。いずれにせよ、半径方向シール64は、適正なシール機能を果たすために、内側回転軸26と外側回転軸28の間の正確な同心関係を必要とする。
図3にさらに詳しく示されているように、軸方向シール70は、内側回転軸26のフランジ74の環状半径方向表面72と外側回転軸28の環状半径方向端面76との間にある所定の軸方向隙間80を含む。所定の軸方向隙間80は非常に小さく(図3では分かり易く図示するために誇張されている)、そこから所定量の流体漏出が起こる。所定量の流体漏出は、鳥衝突時のような異常事態におけるエンジンの運転性を維持するため、エンジン運転時に許容されている。軸方向シール70は、半径方向シール64ほど厳しくない流体漏出要求を満たしているが、軸方向シール70は内側回転軸26と外側回転軸28間の半径方向の変位や振動により大きな順応性があり、相対的な半径方向の変位や振動が半径方向シール64の故障を引き起こしたとしてもシール機能を保つ。そのため、軸方向シール70はバックアップシールとしての役目を果たし、鳥衝突により半径方向シール64が故障してもエンジンの運転状態を保ち、航空機が無事に着陸するまで安全に飛行し続けることを保証する。
本発明によるガスタービンエンジンの軸方向および半径方向の軸間シール構造は簡単な構成である。フランジ74とラビリンスシール表面78は内側回転軸26と一体化され、その外側面66上に配される。このような構成は製造・維持にあたって便利で経済的である。
本発明の前述の実施例に対する改良、改善は当業者にとって明らかであろう。前述の記述は限定的であるより、例示的であるよう意図されている。そのため発明の範囲は添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
断面で示された航空機用ガスタービンエンジンの概略図で、回転軸および低圧タービンの低圧ロータと、高圧ロータと、外側回転軸と、高圧タービンと、さらに、本発明の、内側回転軸と外側回転軸の間にある隙間をシールする軸間シールを示している。 内側回転軸と外側回転軸、ベアリングコンパートメントの一部、本発明の実施例に盛り込まれる軸方向シールと半径方向シールの断面図である。 図2の断面図の一部を拡大したもので、軸間シールの詳細を示す。

Claims (11)

  1. ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールする方法であって、
    前記隙間をシールするためにメインシールを用い、エンジンの通常運転状態の漏出要求を満たすステップと、
    エンジン運転中内側回転軸と外側回転軸との同心関係が悪影響を受けてメインシールの故障を引き起こした異常事態においてエンジン運転状態を確保するための所定の漏出要求を満たすバックアップシールを前記隙間の二重シールのために用いるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. メインシールの漏出要求はバックアップシールの漏出要求よりも厳しいことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. バックアップシールは内側回転軸と外側回転軸の相対的な半径方向の変位に対応するようにされたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面の間の半径方向シールをメインシールとして用いるステップと、
    内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面の間の軸方向シールをバックアップシールとして用いるステップと、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 同心の内側回転軸と外側回転軸との間にある半径方向の隙間をシールするためにガスタービンエンジンに用いられる軸方向かつ半径方向シール構造であって、
    内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間に配され、ガスタービンエンジンの通常運転においてメインシールとして機能する半径方向シールと、
    内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間に配され、半径方向シールが故障する異常状態のためのバックアップシールとして機能する軸方向シールと、
    を含むことを特徴とする軸方向かつ半径方向シール構造。
  6. 軸方向シールは内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向変位を許容し、相対的な半径方向変位により半径方向シールが故障したときに、シール機能を保つことを特徴とする請求項5に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
  7. 軸方向シールは、外側回転軸の環状半径方向端面と内側回転軸の外側面から半径方向外側に延在するフランジ上の環状半径方向面との間に配されることを特徴とする請求項5に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
  8. フランジは内側回転軸と一体になっていることを特徴とする請求項7に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
  9. 軸方向シールは、内側回転軸のフランジ上の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向端面との間に所定の軸方向隙間を有し、該隙間から所定量の流体漏出を許容するものであり、この所定量の流体漏出は異常事態におけるエンジン運転条件に受け入れられるものであることを特徴とする請求項7に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
  10. 半径方向シールはラビリンスシールからなることを特徴とする請求項5に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
  11. 半径方向シールは、外側回転軸の内側面に気密に接触する内側回転軸の外側面上のラビリンスシール面を有することを特徴とする請求項5に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
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