JP4363149B2 - タービン用シール構造、シールステータ、及びタービンノズルセグメント - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービンに用いられかつ燃焼ガスの漏れを抑制するタービン用シール構造、前記タービンの部品の一つであって燃焼ガスの漏れを抑制するために用いられるシールステータ、及び前記タービンの部品の一つであるタービンノズルを分割してなるタービンノズルセグメントに関する。

ジェットエンジン等のガスタービンエンジンの稼動中において、前記ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであるタービンノズルに過大な熱応力が生じないように、通常、前記タービンノズルは複数のタービンノズルセグメントに分割してある。また、前記タービンには、複数の前記タービンノズルセグメントのインナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するタービン用シール構造が用いられている。そして、前記タービン用シール構造について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、前記タービンの部品の一つであるタービンケース内における前記タービンノズルの内側には、前記タービンの部品の一つであるタービンディスクと一体的に回転可能なシールロータが配置されており、前記シールロータの外周面には、フィンが形成されている。また、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドには、シールステータセグメントがボルト又はリベット等の取付部品（接合部品）によって一体的にそれぞれ設けられている。ここで、各シールステータセグメントは、シールステータを分割してなるものであって、円弧状のシールセグメント本体と、該シールセグメント本体の内面に設けられかつ前記フィン（前記シールロータの一部）との接触を許容するハニカムセル（接触許容部）とをそれぞれ備えている。

従って、前記フィンと前記ハニカムセルとの接触を許容しつつ、前記シールステータを前記タービンディスクと一体的に回転させることにより、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータと前記シールロータとの間を微小間隙に保つことができる。これによって、前記ガスタービンエンジンの稼動中において、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。
特開平１１−２２９８１３号公報

ところで、前記ガスタービンエンジンの稼動時における複数の前記シールステータセグメントの熱変形、複数の前記シールステータセグメントの寸法公差等を考慮すると、隣接する前記シールステータセグメントの間には、一定の間隙が必要である。そのため、前記タービン用シール構造のシール性が損なわれて、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率の低下を招くという問題がある。

また、複数の前記タービンノズルセグメントに前記シールステータセグメントをそれぞれ取付けるのに、換言すれば、前記タービンノズルに前記シールステータを取付けるのに、複数の前記取付部品を用いているため、前記タービン用シール構造の部品点数が増えて、前記タービン用シール構造の構成が複雑化すると共に、前記ガスタービンエンジンの重量増大に繋がるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる新規な構成のタービン用シール構造を提供することを第１の目的とし、更に、新規な構成のタービン用シール構造と利用分野・課題を共通にする新規な構成のシールステータ及びタービンノズルセグメントを提供することを第２の目的とする。

請求項１に記載の発明にあっては、ガスタービンエンジンにおけるタービンに用いられ、前記タービンの部品の一つであるタービンノズルを分割してなる複数のタービンノズルセグメントのインナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するタービン用シール構造において、
前記タービンノズルの内側に配置され、前記タービンの部品の一つであるタービンディスクと一体的に回転可能なシールロータと；
複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドに前記シールロータ側へ突出してそれぞれ形成され、円弧形状にそれぞれ構成された複数の嵌合フランジと；
複数の前記嵌合フランジの端面にそれぞれ形成された複数の係合凸部或いは複数の係合凹部と；
前記タービンノズルに前記シールロータを囲むように設けられ、リング形状に構成されたシールステータ本体と、該シールステータ本体の内周面に設けられかつ前記シールロータの一部との接触を許容する接触許容部と、該シールステータ本体の外周面に形成されかつ複数の前記嵌合フランジが前記シールステータ本体のステータ径方向から嵌合可能な被嵌合周溝と、該被嵌合周溝の底面にそれぞれ形成されかつ複数の前記係合凸部或いは複数の前記係合凹部が前記ステータ径方向からそれぞれ係合可能な複数の被係合凹部或いは複数の被係合凸部とを備えたシールステータと；
を具備してなることを特徴とする。

請求項１に記載の発明特定事項によると、前記シールロータの一部と前記接触許容部との接触を許容しつつ、前記シールロータを前記タービンディスクと一体的に回転させることにより、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータと前記シールロータとの間を微小間隙に保つことができる。これによって、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するができる。ここで、前記シールステータ本体がリング形状に構成されているため、前記タービン用シール構造のシール性を高めて、燃焼ガスの漏れを十分に抑制するができる（前記タービン用シール構造のシール作用）。

前記タービン用シール構造のシール作用の他に、複数の前記タービンノズルセグメントの前記嵌合フランジを前記ステータ径方向から前記被嵌合周溝に嵌合させつつ、複数の前記タービンノズルセグメントの前記係合凸部（或いは前記係合凹部）を前記ステータ径方向から前記被係合凹部（或いは前記被係合凸部）にそれぞれ係合させる。これによって、複数の前記タービンノズルセグメントを前記被嵌合周溝に沿ってリング状に並べることができると共に、ボルト又はリベット等の取付部品を用いることなく、前記シールステータを前記タービンノズル（複数の前記タービンノズルセグメント）に取付けることができる。

請求項２に記載の発明にあっては、請求項１に記載の発明特定事項の他に、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるように構成されたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明特定事項によると、請求項１に記載の発明特定事項による作用の他に、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるため、前記ガスタービンエンジンの稼動中に前記シールステータに過大な熱応力が生じることはない。

請求項３に記載の発明にあっては、ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、前記タービンの部品の一つであるタービンノズルを分割してなる複数のタービンノズルセグメントのインナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するために用いられるシールステータにおいて、
リング形状に構成されたシールステータ本体と；
前記シールステータ本体の内周面に設けられ、前記タービンの部品の一つであるシールロータの一部との接触を許容する接触許容部と；
前記シールステータ本体の外周面に形成され、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドにそれぞれ形成した複数の嵌合フランジが前記シールステータ本体のステータ径方向から嵌合可能な被嵌合周溝と；
前記被嵌合周溝の底面に形成され、複数の前記嵌合フランジの端面にそれぞれ形成した複数の係合凸部或いは複数の係合凹部が前記ステータ径方向からそれぞれ係合可能な複数の被係合凹部或いは複数の被係合凸部と；
を具備してなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明特定事項によると、前記シールステータをタービン用シール構造に用いた場合には、請求項１に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項４に記載の発明にあっては、請求項３に記載の発明特定事項の他に、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるように構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明特定事項によると、請求項３に記載の発明特定事項による作用の他に、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるため、前記ガスタービンエンジンの稼動中に前記シールステータに過大な熱応力が生じることはない。

請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載の発明によれば、前記タービン用シール構造のシール性を高めて、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドから燃焼ガスの漏れを十分に抑制するができるため、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率を容易に向上させることができる。

また、前記ボルト又は前記リベット等の前記取付部品を用いることなく、前記シールステータを複数の前記タービンノズルセグメントに取付けることができるため、前記タービン用シール構造の部品点数を少なくして、前記タービン用シール構造の構成の簡略化及び前記ガスタービンエンジンの軽量化を図ることができる。

更に、複数の前記タービンノズルセグメントを前記被嵌合周溝に沿ってリング状に並べることができるため、前記タービンの部品の一つであるタービンケースに前記タービンノズル（複数の前記タービンノズルセグメント）を組み付ける際に、前記シールステータを組み付け治具として利用することができ、前記ガスタービンエンジンの組み付けに要する治具点数を少なくすることができる。

請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、前記ガスタービンエンジンの稼動中に前記シールステータに過大な熱応力が生じることはないため、前記シールステータの品質を良好に保ちつつ、前記シールステータの長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係わる高圧タービン及びタービン用シール構造について図１から図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係わる高圧タービンの一部分の断面図であって、図２は、図１における矢視部II-II線に沿った図であって、図３は、本発明の実施の形態に係わる別態様を示す図である。なお、「前後」とは、特許公報掲載時の図面の向きを基準として、図１において左右，図２及び図３において紙面に向かって裏表のことをいう。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる高圧タービン１は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンに用いられるものであって、燃焼器（図示省略）からの燃焼ガスの膨張によって回転力を得て、高圧圧縮機（図示省略）を駆動させるものである。

高圧タービン１は、筒状のタービンケース３を主要な構成要素として具備しており、このタービンケース３内には、複数段（１段のみ図示、本発明の実施の形態にあっては２段）のタービンディスク５が設けられており、複数段のタービンディスク５は、燃焼ガスの膨張による前記回転力によってタービンケース３の軸心を中心として一体的に回転可能であって、前記高圧圧縮機における高圧圧縮機ロータ（図示省略）に一体的に連結されている。また、各タービンディスク５の外周面には、複数のダブテール溝７が等間隔にそれぞれ形成されており、各タービンディスク５における複数のダブテール溝７には、タービンブレード９がそれぞれ設けられている。

タービンケース３内における前段のタービンブレード９（図示されたタービンブレード９）の後側には、タービンノズル１１が設けられており、このタービンノズル１１は、複数のタービンノズルセグメント１３に分割してなる。ここで、タービンノズルセグメント１３は、複数の静翼１５と、複数の静翼１５の先端に一体的に形成されたアウターバンド１７と、複数の静翼１５の基端に一体的に形成されたインナーバンド１９とを一般的な構成要素としている。また、アウターバンド１７及びインナーバンド１９は、円弧形状にそれぞれ構成されており、アウターバンド１７の前縁部は、タービンケース３のインサート部３ａに嵌挿可能である。なお、アウターバンド１７の後縁部は、タービンシュラウド等の後段のタービン部品２１に保持されるようになっている。

高圧タービン１には、タービン用シール構造２３が用いられており、このタービン用シール構造２３は、複数のタービンノズルセグメント１３のインナーバンド１９から燃焼ガスの漏れを抑制するものであって、具体的な構成は次のようになる。

即ち、図１及び図２に示すように、タービンノズル１１の内側には、シールロータ２５が配置されており、このシールロータ２５は、適宜の連結手段によって複数段のタービンディスク５に一体的に連結されてあって、前記ケース軸心を中心として複数段のタービンディスク５と一体的に回転可能である。また、シールロータ２５の外周面には、複数のフィン２７が形成されている。

複数のタービンノズルセグメント１３のインナーバンド１９には、シールロータ２５側（前記ケース軸心側）に突出した嵌合フランジ２９がそれぞれ形成されており、複数の嵌合フランジ２９は、円弧形状にそれぞれ構成されている。複数の嵌合フランジ２９の端面には、係合ピン３１（係合凸部の一例）がそれぞれ形成されている。なお、嵌合フランジ２９、係合ピン３１は、タービンノズルセグメント１３の一部を構成するものである。

タービンノズル１１には、シールステータ３３がシールロータ２５を囲むように設けられており、このシールステータ３３は、リング形状に構成されたシールステータ本体３５を主要な構成要素として具備している。ここで、シールステータ本体３５の前後方向の長さは、インナーバンド１９の前後方向の長さと同程度の長さに設定してある。また、シールステータ本体３５の内周面には、複数のフィン２７（シールロータの一部）との接触を許容するハニカムセル３７（接触許容部の一例）がロー付けにより一体的に設けられている。

シールステータ本体３５の外周面における後端側には、複数の嵌合フランジ２９がシールステータ３３のステータ径方向（タービンケースのケース径方向）から嵌合可能な被嵌合周溝３９が形成されてあって、被嵌合周溝３９のフロント壁３９ａ及びリア壁３９ｂは、シールステータ本体３５の外周面に対してインナーバンド１９側に突出してある。また、被嵌合周溝３９の底面には、複数の係合ピン３１が前記ステータ径方向からそれぞれ嵌合可能な複数の被係合穴４１（被係合凹部の一例）が等間隔に形成されている。ここで、前記ジェットエンジンの稼動中に、複数の嵌合フランジ２９の嵌合状態及び複数の係合ピン３１の係合状態をそれぞれ保ちつつ、シールステータ本体３５が嵌合フランジ２９に対して前記ステータ径方向へ熱変形できるように構成されている。

なお、嵌合フランジ２９の端面に係合ピン３１が形成され、かつ被嵌合周溝３９の底面に被係合穴４１が形成される代わりに、図３に示すように、嵌合フランジ２９の端面に係合切欠き４３（係合凹部の一例）が形成され、かつ被嵌合溝３９の底面に係合切欠き４３が係合可能な被係合ピン４５（被係合凸部の一例）が形成されるようにしても差し支えない。

次に、本発明の実施の形態の作用について説明する。

複数のフィン２７とハニカムセル３７との接触を許容しつつ、燃焼ガスの膨張による前記回転力によってシールロータ２５を複数段のタービンディスク５と一体的に回転させることにより、前記ジェットエンジンの稼動中に、シールステータ３３とシールロータ２５との間を微小間隙に保つことができる。これによって、前記ジェッエンジンの稼動中に、複数のタービンノズルセグメント１３のインナーバンド１９から燃焼ガスの漏れを抑制するができる。ここで、シールステータ本体３５がリング形状に構成されているため、タービン用シール構造２３のシール性を高めて、燃焼ガスの漏れを十分に抑制するができる（タービン用シール構造２３のシール作用）。

タービン用シール構造２３のシール作用の他に、複数のタービンノズルセグメント１３の嵌合フランジ２９を前記ステータ径方向から被嵌合周溝３９に嵌合させつつ、複数のタービンノズルセグメント１３の係合ピン３１（或いは係合切欠き４３）を前記ステータ径方向から被係合穴４１（或いは被係合ピン４５）にそれぞれ係合させる。これによって、複数のタービンノズルセグメント１３を被嵌合周溝３９に沿ってリング状に並べることができると共に、ボルト又はリベット等の取付部品を用いることなく、シールステータ３３をタービンノズル１１（複数のタービンノズルセグメント１３）に取付けることができる。

更に、前記ジェットエンジンの稼動中に、シールステータ本体３５が嵌合フランジ２９に対して前記ステータ径方向へ熱変形できるため、前記ジェットエンジンの稼動中にシールステータ３３に過大な熱応力が生じることはない。

以上の如き、本発明の実施の形態によれば、タービン用シール構造２３のシール性を高めて、複数のタービンノズルセグメント１３のインナーバンド１９から燃焼ガスの漏れを十分に抑制するができるため、前記ジェットエンジンのエンジン効率を容易に向上させることができる。

また、前記ボルト又は前記リベット等の前記取付部品を用いることなく、シールステータ３３をタービンノズル１１に取付けることができるため、タービン用シール構造２３の部品点数を少なくして、タービン用シール構造２３の構成の簡略化及び前記ジェットエンジンの軽量化を図ることができる。

更に、複数のタービンノズルセグメント１３を被嵌合周溝３９に沿ってリング状に並べることができるため、タービンケース３にタービンノズル１１（複数のタービンノズルセグメント１３）を組み付ける際に、シールステータ３３を組み付け治具として利用することができ、前記ジェットエンジンの組み付けに要する治具点数を少なくすることができる。

また、前記ジェットエンジンの稼動中にシールステータ３３に過大な熱応力が生じることはないため、シールステータ３３の品質を良好に保ちつつ、シールステータ３３の長寿命化を図ることができる。

なお、本発明は、前述の発明の実施の形態に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。

本発明の実施の形態に係わる高圧タービンの一部分の断面図である。 図１における矢視部I-I線に沿った図である。 本発明の実施の形態に係わる別態様を示す図である。

符号の説明

１ 高圧タービン
３ タービンケース
５ タービンディスク
９ タービンブレード
１１ タービンノズル
１３ タービンノズルセグメント
１５ 静翼
１７ アウターバンド
１９ インナーバンド
２３ タービン用シール構造
２５ シールロータ
２７ フィン
２９ 嵌合フランジ
３１ 係合ピン
３３ シールステータ
３５ シールステータ本体
３７ ハニカムセル
３９ 被嵌合周溝
４１ 被係合穴
４３ 係合切欠き
４５ 被係合ピン

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンにおけるタービンに用いられ、前記タービンの部品の一つであるタービンノズルを分割してなる複数のタービンノズルセグメントのインナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するタービン用シール構造において、
   前記タービンノズルの内側に配置され、前記タービンの部品の一つであるタービンディスクと一体的に回転可能なシールロータと；
   複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドに前記シールロータ側へ突出してそれぞれ形成され、円弧形状にそれぞれ構成された複数の嵌合フランジと；
   複数の前記嵌合フランジの端面にそれぞれ形成された複数の係合凸部或いは複数の係合凹部と；
   前記タービンノズルに前記シールロータを囲むように設けられ、リング形状に構成されたシールステータ本体と、該シールステータ本体の内周面に設けられかつ前記シールロータの一部との接触を許容する接触許容部と、該シールステータ本体の外周面に形成されかつ複数の前記嵌合フランジが前記シールステータ本体のステータ径方向から嵌合可能な被嵌合周溝と、該被嵌合周溝の底面に形成されかつ複数の前記係合凸部或いは複数の前記係合凹部が前記ステータ径方向からそれぞれ係合可能な複数の被係合凹部或いは複数の被係合凸部とを備えたシールステータと；
   を具備してなることを特徴とするタービン用シール構造。
2. 前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン用シール構造。
3. ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、前記タービンの部品の一つであるタービンノズルを分割してなる複数のタービンノズルセグメントのインナーバンドから燃焼ガスの漏れを抑制するために用いられるシールステータにおいて、
   リング形状に構成されたシールステータ本体と；
   前記シールステータ本体の内周面に設けられ、前記タービンの部品の一つであるシールロータの一部との接触を許容する接触許容部と；
   前記シールステータ本体の外周面に形成され、複数の前記タービンノズルセグメントの前記インナーバンドにそれぞれ形成した複数の嵌合フランジが前記シールステータ本体のステータ径方向から嵌合可能な被嵌合周溝と；
   前記被嵌合周溝の底面に形成され、複数の前記嵌合フランジの端面にそれぞれ形成した複数の係合凸部或いは複数の係合凹部が前記ステータ径方向からそれぞれ係合可能な複数の被係合凹部或いは複数の被係合凸部と；
   を具備してなることを特徴とするシールステータ。
4. 前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記シールステータ本体が前記嵌合フランジに対して前記ステータ径方向へ熱変形できるように構成されたことを特徴とする請求項３に記載のシールステータ。

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