JP4180918B2 - 動翼付きディスク用フランジ及びそのレイアウト - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン型エンジンにおける動翼付きディスク用フランジ及びその配置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反応器用タービン、特に第１タービン段階におけるタービンは、燃焼室からタービンを通るように流れるガスの熱に耐え得るように、冷却しなければならない場合が多い。燃焼室から見て上流側にある機関部分から低温ガスを取り入れ、タービンの露出層に流す通気路を用いた冷却システムが既に開発されている。特別なレイアウトにおいては、ロータに固定されたフランジが通気されるべき回転ディスクを翼の根元部で覆い、ガスがフランジとディスクとの間を流れ、翼間でディスク周辺部を貫通する孔に到達する。こうして、ディスク周辺部の最も高温の部分が良好に通気される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フランジは、ロータに固定されたハブとディスクに隣接する自由周縁部との間に延在する。フランジは、冷却用ガスのリークを防止するために、ディスクに隣接していなければならない。従来技術においては、機関の運転によって発生する遠心力が、ディスクから離れるようにフランジを変形させ、シール状態が維持できなくなるので、それを防止するためにディスク上にフックを設けることが要求される。この場合、フランジ縁部が係合状態となる。しかしながら、フックは、ディスクの製造コストを上昇させ、かつ、自身が破損しやすいという欠点を有している。
【０００４】
米国特許第4,466,239号明細書には、縁部がディスク上にフックで保持されたフランジアッセンブリが記載されている。この場合、フランジは、実質的に平面である。
【０００５】
遠心力の作用を解析することによってフランジ形状の詳細が決定される。軸線方向断面で見た場合、フランジには主変形領域が存在する。遠心力はフランジの全ての部分に作用するが、主変形領域の位置は、遠心力の作用下におけるフランジアッセンブリの挙動に大きく影響する。この領域は、それを境にフランジが、一方では無変形状態を維持し、他方では可撓性及び回転軸線からの距離に起因して容易に変形するようなピボットに相当する。従って、通常のフランジの形状は、ロータに接続するための平面状のハブから始まり、チューブ状スリーブ形態のアームを経て、略平面状のウェブへとつながる。アームは、ウェブと同様に薄い材料から形成され、軽量化が図られる。この場合、主変形領域は、アーム上に位置する傾向にあり、アームは、ウェブ側が拡張するように変形し、ウェブはディスクから遠ざかるように傾く。
【０００６】
上記理由に基づき、国際特許出願WO 99/32761号パンフレットは、異なるレイアウトを提案している。この場合、フランジは、スリーブ部分を有しておらず、ハブに続いて、大きく膨らみ剛性の高い部分を有し、さらに、ディスクから離れるように傾き徐々に薄くなるウェブを有している。変形領域はディスクから離れるように傾いている。主変形領域はウェブ上に配置され、さらに、フランジのウェブの周縁部近傍、すなわち、主変形領域の外側には、ディスクから見て反対方向に突出する調速機おもり（flyweight）が設けられている。遠心力によって、フランジの調速機おもりを含む部分の傾きが減少し、フランジは直線に近づき、フランジの自由端部がディスクに押付けられる。こうして、保持用フックは不要となる。しかしながら、調速機おもりはフランジの重量を顕著に増大させる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の課題は、特別な部材を設けることなく、遠心力の作用でフランジに傾きを与えることである。本発明は、そのために、タービン式燃焼室においてフランジ部のシールに通常使用されるラビリンスシールを用いることを提案する。
【０００８】
ラビリンスシールのリップ部は、スリーブ部またはリップ部の支持部への接続部と、自由端部に向けてテーパ状をなしクラウン部を侵食してシール状態を実現する摺接部と、を備えている。クラウン部は、容易に侵食可能（“摩耗可能”）な材料からなり、他部材に固定されている。リップ部の摺接部が半径方向外方に向けて配置される通常の構成と異なり、本発明においては、摺接部は、軸線に向けてかつディスクから離れるように傾いている。こうして摺接部は中心線からオフセットしているので、遠心力が作用した際に、フランジの周縁部をディスクに向けて傾けるモーメントが高められる。さらに、各リップ部の摺接部は、リップ部の中心線からのずれ量を増大させ、ウェブ上での分配配置によって遠心力の総合作用を調節するために、軸線方向及び半径方向に、互いにずらして配置されている。追って説明するように、摺接部をこのようにずらして配置することは、リップ部の製造を容易にすることにもなる。
【０００９】
本発明の最も一般的な形態は、動翼付きディスク用フランジに関する。この動翼付きディスク用フランジは、ロータに固定されたハブと、ディスクの面を覆いかつ該ディスクに隣接する周縁部を有するウェブと、を備えている。本発明によるフランジは、ウェブのディスクから遠い側の面上に、該フランジから遠ざかるようにかつロータの軸線方向に向けて傾きを有する摺接部を備え先端に向けてテーパ状をなす複数のラビリンスシールリップ部が設けられている。各リップ部の摺接部は、軸線方向及び半径方向に互いにずらして配置され、ウェブ及びリップ部は、軸線方向断面で見て、該フランジの主変形領域を通る半径線を挟んでディスクの反対側に位置する慣性中心を有している。
【００１０】
本発明によれば、フランジのウェブとは、ディスクを覆うフランジの周縁部であり、半径方向に大きな幅を有し、ロータの回転で遠心力が作用した際に変形できる程度に十分に薄いという特徴を備えている。従って、ウェブは、主変形領域と、これを越えてフランジ縁部まで延在する領域と、を備えている。
【００１１】
リップ部を支持しているウェブの部分は、ロータの軸線方向に向けて、かつ、ディスクに隣接する該ウェブの周縁部に向かうにつれてディスクから遠ざかるように傾いてもよい。このように構成すれば、遠心力の作用によってウェブが直線に近づきやすくなり、ディスクに対するフランジ周縁部の押付け力が増大する。
【００１２】
本発明が第２の形態として、しかし、有用な形態として提案する他のレイアウトでは、通気性を確保しながら、要求される方向へのウェブの曲げが調節または強化される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の特徴及び利点について添付図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１において、符号１で示すロータは、一式の翼４が設けられたディスク３を有する部分２を備えている。翼４は、燃焼室６のすぐ下流のガス流５内に延在している。ガス流５は、翼４及びディスク３を高温に加熱する。部分２は、ロータの他の部分にボルト留めされるクランプ部７，８において終端している。フランジ１０の内側部分を構成するハブ９は、クランプ部７と、部分２に隣接するロータ部分のクランプ部１１との間に固定用ボルト１２によって保持されている。フランジは、ハブ９から始まり、続いてアーム１３として、さらにウェブ１４として延在する。ウェブ１４は、フランジの実効部分を構成し、ディスク３において燃焼室６側を向く部分の大部分を覆っている。ウェブ１４の周縁部は非拘束であり、ディスク３の圧力プレート１６に当接する当接面１５が形成されている。厚くて非常に剛性の高いエルボージョイント４５が、略チューブ状のアーム１３を、圧力プレート１６に向けて傾いてこれに当接する端部１５付近を除いて略平面状のウェブ１４に連結している。ウェブ１４を平面状に形成することは、必要とされる変形を実現するために好ましく、図２に明瞭に示すように、ディスク３から遠ざかるように傾斜する形状に形成すれば、さらに好ましい結果が得られる。
【００１５】
ステータ部分１７は、ディスク１０の前方に延在し、チャンバ１８を有している。簡単なラビリンスシール１９がチャンバ１８のロータ１側を規定し、複雑なラビリンスシール２０がチャンバ１８のガス流５側を規定している。簡単なラビリンスシール１９は、摺接部に向けてテーパをなしハブ９の周囲に配置されたリップ部２１と、摩耗可能材料から概してハニカム状に形成されロータ部分１７に固定されたクラウン部２２またはその他の摩耗可能材料部と、を備えている。こうして、当業者には公知であるように、機関の運転時に、特にロータ１において発生する熱膨張によって、リップ部２１は摩耗可能材料からなるクラウン部２２に浸入し、そこに溝を形成する。リップ部と摩耗可能クラウン部２２に形成された溝の底部との間の隙間は最小限に維持され、簡単なラビリンスシール１９をガスが通過する際の屈曲経路とあいまって、ガスの流れは著しく低減される。
【００１６】
複雑なラビリンスシール２０は、同様に、ディスク３から離隔されたウェブ１４の面２４に設けられたリップ部２３（本実施形態では３つ存在する）と、半径方向に順次設けられ摩耗可能材料からなる複数のクラウン部２５と、を備えている。本実施形態において、他方のシール１９では複数のリップ部に対して１つのクラウン部２２が共通に組合わされているが、当シールでは各リップ部２３が相応のクラウン部２５と組合わされている。しかし、いずれの場合でも、リップ部を複数設けることによってシールの強化が実現されている。さらに、複雑なシール２０の各リップ部２３の端部は、軸線方向にずらして配置されている。
【００１７】
ガスは、末端部のみが示される装置によって流される。図示しているのは、長さに対して直径が著しく小さく形成され、チャンバ１８に直接開口するチューブ２６である。反応器の他の部位から来て、矢印２７で示す経路に沿って流れる冷却用ガスは、チャンバ１８に入ると膨張し、ロータと共に回転し、ロータの温度が著しく低下する。次いで、冷却用ガスは、矢印２９で示す遠心流れとなる前に、通路２８を通ってフランジ１０のウェブ１４を通過する。冷却用ガスの遠心流れは、翼４に隣接するディスク３の主要部に通気をもたらす通気孔３０に入る前に、ディスク３の周縁部を通過する。
【００１８】
チャンバ１８内において簡単なラビリンスシール１９のそばを通り、次いでフランジ１０とディスク３のベース部との間を通過する矢印３２，３３で示す旋回流を形成するために、アーム１３を貫通する補助孔３１を設けると好ましい。シール１９によってチャンバ１８から隔離されたサブステータキャビティ３４には、より高温のガスが存在するが、この場合、ハブ９も冷却される。
【００１９】
構成によっては、このサブステータキャビティ３４内に存在するガスがかなり低温であり、補助孔３１が不要な場合もある。さらに、補助孔３１を廃止し、ハブ９を貫通してキャビティ３４と、フランジ１０の連結アーム１３とロータ部分２空間と、を直接連通する通気孔３５に置き換え、サブステータキャビティ３４内に存在するガスもフランジ１０及びディスク３の冷却に寄与するように構成することが可能な場合もある。
【００２０】
複雑なラビリンスシール２０の主要機能は、チャンバ１８を、翼４に隣接しかつ高温ガスで満たされたガス流直下キャビティ３６から分離することである。しかし、本実施形態のラビリンスシール２０は、ロータ１が回転する際に発生する遠心力の作用下にあるフランジ１０のウェブ１４の好ましい変形に対しても寄与する。従来、多くの場合、リップ部は、純粋に半径方向を向き円筒形状スリーブによって支持部に接続されている摺接部を備えているが、本願ではそれと異なり、リップ部２３の摺接部３７はロータの軸線ＸＸに向けて大きく傾き、スリーブ３８の延長部に近接配置されている。この場合、遠心力によって、リップ部２３の重心はウェブ１４から離れる方向に変位する。リップ部２３に作用する遠心力は、ウェブ１４をディスク３に向けて、より強く押圧する効果を奏し、当接面１５と圧力プレート１６との間の、より強い接触が実現される。この内方湾曲作用は、ウェブ１４、または、少なくともウェブ１４においてリップ部２３を支持している部分を、ディスク３から離れるように、軸線に向けて傾けることによって、すなわち、ウェブ１４、または、少なくともウェブ１４においてリップ部２３を支持している部分が遠心力の作用で軸線ＸＸから離れようとさせることによって増強することができる。
【００２１】
ここで、符号４６で示す主回動領域は、ウェブ１４と非常に厚いエルボー部４５との間の移行部分に存在する。リップ部２３の各々は、遠心力の作用で直線に近づく傾向にあり、従って、該リップ部が取付けられているウェブ１４の部分には回転モーメントが作用する。このモーメントの大きさ、及びウェブ１４を変形させる作用は、リップ部２３の重量及び半径、リップ部２３の傾き、及びウェブ１４の局所的厚さに依存する。リップ部２３の半径方向間隔は、ウェブ１４全体の撓み剛性を調節するための重要な手段である。同様に、主変形領域４６に極めて近接して配置されている通路２８の開口面積及び数も、ウェブ１４の撓み剛性に大きく影響する。
【００２２】
アーム１３の好ましい設計、その長さ、剛性、及びウェブ１４との接続部の形状もまた、当接面１５の接触状態に影響する。アーム１３が薄く、補助孔３１が設けられている場合、アーム１３は遠心力の作用によって拡張し得る。アーム１３は第２の変形領域４７を有しているが、概して、容易には変形しない。なぜなら、アーム１３はウェブ１４より剛性が高く、半径も小さいからである。この領域４７近傍における変形がウェブ１４をディスク３から遠ざける作用を奏することにも留意されたい。これは好ましいことではないが、適度に収まっていれば許容される。
【００２３】
各リップ部２３の摺接部３７を異なる半径に配置するだけでなく、軸線ＸＸ方向で見て異なる位置に配置し、すなわち、非整列状態に配置するとさらに好ましい。なぜなら、このような配置にすると、プラズマトーチまたはその他の手段による摺接部を硬化させて形成することが容易になるならである。このような非整列配置は、図２において明らかである。さらに、図２の形態では、前述の実施形態と同様に、ラビリンスシールが３グループのリップ部２３を備えており、外側グループ３７は単一のリップ部２３を有しているが、中間グループ３８及び内側グループ３９は、それぞれ、２つのリップ部を有している。グループ３７，３８，３９の各々は、摩耗可能材料からなる各クラウン部２５と組合わされている。摩耗可能材料からなる各クラウン部２５の数が同じである場合、同一半径に補助リップ部を設けることによりシール作用が向上する。
【００２４】
図２はまた、クランプ部７とハブ９との接続部、例えばハブ９側に溝４２を形成することにより、矢印４０，４１で示す流れが生じて、アーム１３とロータ部分２との間の通気が確保される様子も示している。この場合、冷却用ガスは、例えば通路２８を通じてフランジ１０側からロータキャビティ５０内へ吸引され、アーム１３の内部を通過する。
【００２５】
最後に、図２は、主変形領域４６を通る半径線４８を示している。フランジ１０において領域４６より外側の部分（この部分は、ほぼウェブ１４に相当する）の慣性中心４９が、この半径線４８を基準とした場合、ディスク３の反対側に位置していることが明らかである。これは、目的とする変形を生じさせるために必要な条件である。そして、ウェブ１４がディスク３から遠ざかるように変位した場合のウェブ１４の傾きも明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるフランジ構造の一実施形態を示す図である。
【図２】 本発明によるフランジ構造の変更形態を示す図である。
【符号の説明】
１ ロータ
３ ディスク
９ ハブ
１０ フランジ
１４ ウェブ
１７ ステータ部分
１９ 簡単なラビリンスシール
２０ 複雑なラビリンスシール
２１ （ラビリンスシール１９の）リップ部
２２，２５ （摩耗可能材料からなる）クラウン部（補完部分）
２３ （ラビリンスシール２０の）リップ部
２４ （ウェブの）面
２６ チューブ（冷却用ガスを送り込むための手段）
２８，３１ 通路
３７ 摺接部
４６ 主変形領域
４９ 慣性中心

Claims (8)

1. ロータ（１）に固定されたハブ（９）と、ディスク（３）の面を覆いかつ該ディスクに隣接する周縁部を有するウェブ（１４）と、を備えた、動翼付きディスク用フランジにおいて、
   前記ウェブの前記ディスクから遠い側の面（２４）上には、該フランジ（１０）から遠ざかるようにかつ前記ロータの軸線方向に向けて傾きを有する摺接部を備え先端に向けてテーパ状をなす複数のラビリンスシール（２０）リップ部（２３）が設けられ、前記各リップ部の摺接部は、軸線方向及び半径方向に互いにずらして配置され、前記ウェブ及び前記リップ部は、軸線方向断面で見て、該フランジの主変形領域（４６）を通る半径線を挟んで前記ディスクの反対側に位置する慣性中心（４９）を有しており、
   前記ウェブにおいて前記各リップ部を支持している部分は、前記ロータの軸線方向に向けて、かつ、前記ディスクに隣接する該ウェブの周縁部に向かうにつれて前記ディスクから遠ざかるように傾いていることを特徴とする動翼付きディスク用フランジ。
2. 請求項１に記載のフランジを含むフランジレイアウトであって、
   前記ウェブの面（２４）の前方に配置され、前記ラビリンスシールの前記リップ部（２３）の補完部分（２５）を支持するステータ部分（１７）と；
   前記フランジ（１０）と前記ステータ部分（１７）との間に形成されたチャンバ（１８）内に開口し冷却用ガスを送り込むための手段（２６）と；を備え、
   前記冷却用ガスを前記ディスク（３）に向けて流すために、前記フランジに通路（２８）が穿孔されていることを特徴とするフランジレイアウト。
3. 前記通路（２８）は、前記フランジの前記主変形領域を貫通して機能することを特徴とする請求項２に記載のフランジレイアウト。
4. 冷却用ガスを送り込むための前記手段は、前記チャンバ内で注入チューブとして終端していることを特徴とする請求項３に記載のフランジレイアウト。
5. 前記フランジは、前記ハブ（９）と前記ウェブ（１４）との間にチューブ状部分（１３）を備え、該チューブ状部分（１３）には通路（３１）が形成され、前記フランジの前記ハブ（９）と前記ステータ部分（１７）との間には、別のラビリンスシール（１９）が設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のフランジレイアウト。
6. 前記フランジの前記ハブ（９）と前記ディスクを固定するためのクランプ部（７）との間には、ガスを通すための溝（４２）が設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のフランジレイアウト。
7. 前記ラビリンスシールは、前記各リップ部以外に、摩耗可能材料からなる部分（２２，２５）を備えていることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のフランジレイアウト。
8. 前記ラビリンスシールは、前記各リップ部以外に、摩耗可能材料からなる部分（２２，２５）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のフランジ。

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