JP4474088B2 - シール歯の摩耗を減少させる方法、ハニカムシールおよびガスタービンエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンに含まれるハニカムシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハニカムシールは、航空機、船舶及び産業動力用タービンエンジンに広く使用されている。例えば、一般にガスタービンエンジンは、少なくとも１列のロータブレード、及びロータ組立体中に形成された空洞内の複数のハニカムシールを含む。一般に、１１５０°Ｃ（２１００°Ｆ）を超える融解温度を持つハニカム材料、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘが、背板に鑞付けされる。エンジンのならし運転中に、第１の回転環状部材に設置されたシール歯は、第２の非回転部材あるいは第１の回転部材の回転速度と異なる回転速度を持つ第２の回転部材のいずれかに設置されたハニカムシールに凹部あるいは溝を切り込む。シール歯を備える第１の回転環状部材により切り込まれた溝は、シール歯とハニカム材料の間の作動間隙を構成し、ハニカム材料がシール歯に対してシールを行うことを可能にし、空気がシール歯及びハニカム材料により形成される空洞間を流れるのを阻止する。
【特許文献１】
特開２００１−２００７９８号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンのならし運転及び正常運転状態の間に、シール歯は低い進入度合でハニカム材料に切り込む。高いあるいは急速な進入度合は、例えば公差を厳しくした結果などの場合に生じる可能性がある。高い進入度合が起こる可能性がある別の場合は、現用のタービンに整備を実施した後とか、タービンモジュール構成部品を置き換えるか、あるいは取替えた後である。高い進入度合での運転中に、シール歯とハニカム材料の間に発生する摩擦熱は、シール歯の温度を正常な作動温度からハニカム材料の融解温度を僅かに下まわる温度値まで上昇させる。温度が上昇すると、シール歯は有効にハニカム材料に切り込まれず、むしろシール歯に接触すると、ハニカムセルは、降伏し「スミアする」ことになる。シール歯は有効にハニカム材料に切り込まれないので、高いシール摩擦トルクが発生し、シール歯とハニカム材料の間に発生する摩擦熱はさらに増大する。
【０００４】
シール歯内に生じる温度が上昇すると、シール歯の材料の劣化、疲労割れ及び焼き割れの可能性の原因となる。時間の経過と共に、継続して高温に曝されることによりシール歯は降伏応力を上回る結果となり、従ってシール歯の疲労寿命及び劣化を生じる可能性がある残留応力を招くことになる。さらに、ハニカム材料が、回転部材のブレードから均一な距離でタービンの周りに円周方向に配置されていない場合には、局所的な摩擦が起きる可能性がある。シール歯の局所的摩擦と温度上昇が組み合わさると、ハニカム材料中に正弦温度勾配及び強度の摩擦を引き起こすことになる。さらに、より強度の摩擦の結果、作動間隙が局所的に増加し、空気が回転部材とハニカム材料の間を流れ、シールの有効性を低下させることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンはガスタービンエンジン内に配置されたシール歯の摩耗を減少させるハニカムシールを備える非回転組立体を含む。ガスタービンエンジンの非回転組立体は、ロータ構成部品とステータ構成部品の間に配置されたシール組立体を含む。ロータ構成部品は、回転環状部材から半径方向外方に延びるシール歯を備える回転環状部材を含む。ステータ構成部品は、半径方向内方に延びるハニカムシールを備える非回転部材を含む。ハニカムシールは、およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度をもつ材料で製作される。さらに、前記材料は、およそ８７１°Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つ。
【０００６】
エンジン運転中、回転するシール歯はハニカム材料に接触し、ハニカム材料の融解温度より高くない温度を発生する。従って、シール歯がハニカム材料に接触するとき、シール歯によりハニカム中に容易に凹部あるいは溝が切り込まれる。溝はブレードのシール歯とハニカム材料の間の作動間隙を構成し、ハニカム材料がシール歯に対してシールを行うことを可能にし、空気がシール歯とハニカム材料の間を流れるのを阻止する。ハニカムシールの融解温度が１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低いため、回転するシール歯がハニカムシールへ切り込まれるとき発生する温度上昇は、ハニカム材料の融解温度より低い温度に制限される。さらに、ハニカム材料の融解温度が１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低いために、シール歯内に生じる温度上昇は、より高い融解温度の材料で製作される公知のハニカムシール中に切り込まれるシール歯内に生じる温度上昇に比較して、減少する。その結果的、熱応力によるシール歯の性状劣化及び割れが減少する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。１つの実施形態では、エンジン１０は高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は第１のシャフト２１で連結され、圧縮機１４及びタービン１８は第２のシャフト２２で連結される。
【０００８】
運転中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。高度に加圧された空気は燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの空気流は回転タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を通してガスタービンエンジン１０から流出する。
【０００９】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに使用することができるロータ組立体１００の部分概略図である。例示的な実施形態では、ロータ組立体１００は、ハニカムシール１０２、複数のステータ羽根１０４、及び少なくとも１つの回転部材を含む。回転部材１０６はそこからケーシング１１２に向かって外側方向に延びる少なくとも１つのシール歯１１０を持つ先端１０８を含む。ケーシング１１２はステータ羽根１０４及び回転部材1０６の半径方向外側に配置される。
【００１０】
ハニカムシール１０２は、回転部材１０６の周りに円周方向に延びており、ケーシング１１２に取り付けられる第１の端部１１４及び第２の端部１１６を含む。ハニカムシールの第１端部１１４は第１の接合具１１８でケーシング１１２に取り付けられ、ハニカムシールの第２端部１１６は第２の接合具１２０でケーシング１１２に取り付けられる。第２接合具１２０は、ハニカムシール１０２の第２端部１１６にばね力を与えて、ステータ羽根プラットフォーム１２２と接触するようにハニカムシール１０２を押し付け、その結果、エンジン１００が運転していないときに、シール歯１１０はハニカムシール１０２から距離１２６を置いている。１つの実施形態では、ハニカムシール１０２は、以下にさらに詳細に説明する材料１３０を含み、軸方向突起１３２がケーシング１１２の軸方向凹部１３４の中に受け入れられるように、第１端部１１４でケーシング１１２の中に組み込まれる。
【００１１】
エンジンの初期運転中は、図２に示すように、シール歯１１０はハニカムシール１０２から距離１２６を置いている。エンジン１００の運転速度が増加するにつれ、シール歯１１０は半径方向外方に拡張し、ハニカムシール１０２に接触または摩擦し、ハニカムシール１０２中に凹部（図示せず）を切り込み、シール歯１１０とハニカムシール１０２の間に作動間隙（図示せず）を形成する。さらに具体的には、運転中、シール歯１１０はロータ（図示せず）によってケーシング１１２に対して回転し、ステータ羽根１０４はケーシング１１２に対して静止したままである。空気は、タービン１００の上流側１３８からタービン１００の下流側１４０へ流れる。タービン１００が作動し十分な作動温度に達した後、シール歯１１０はハニカムシール１０２の中に延び、空気がシール歯１１０とハニカムシール１０２の間を流れるのを阻止する。
【００１２】
図３はハニカムシール１０２の拡大端面図である。ハニカムシール１０２は、ハニカム形状１５４に互いに接合された複数の薄い波板片１５２から形成された材料１３０で製作される。ハニカム形状１５４は複数のセル１５６及び各々のセル１５６を隔てる複数のセル壁１５８を含む。１つの実施形態では、セル１５６は六角形の形状を持つ。それに代えて、セル１５６は、円形、三角形、矩形、五角形、あるいはその他の形状とすることができる。
【００１３】
材料１３０は、ハニカムシール１０２がエンジン運転中によくある過酷な環境条件に耐えることを可能にする真性的性質を持つ。具体的には、材料１３０は広範囲の温度及び圧力へ曝されることに耐えることができ、およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）以下の融解温度を持つ。１つの実施形態では、材料１３０はおよそ１０５５°Ｃ（１９３０°Ｆ）の融解温度を持つ合金材料からなる。別の実施形態では、ハニカム材料１３０は真鋳であり、およそ１６５０°Ｆの融解温度を持つ。さらに別の実施形態では、ハニカム材料１３０はアルミニウムであり、およそ５６６°Ｃ（１０５０°Ｆ）の融解温度を持つ。若しくは、材料１３０は耐環境条件性があり、１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持ち、およそ８７１°Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つ、いずれかの他の適切な材料あるいは複合材料である。
【００１４】
ガスタービンエンジンの運転中、シール歯１１０の作動温度は、ハニカムシール１０２と摩擦する間に、ハニカムシール材料１３０の融解温度よりは高くない温度まで上昇する。ハニカムシール１０２の融解温度が１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低いため、シール歯１１０内に生じる温度上昇は、およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低く制限され、またシール歯１１０とハニカムシール１０２の間の摩擦中も低く抑えられる。さらに、シール歯カッタの温度上昇が減少するために、ハニカムシール１０２と摩擦するシール歯カッタ特性への影響は減少する。具体的には、シール歯１１０に対する熱損傷が減少するので、シール歯の耐久性が改善される。さらに、熱応力によるシール歯１１０の特性劣化及び割れが減少する。
【００１５】
摩擦中のシール歯１１０の温度上昇の可能性を低下させることにより、シール歯１１０に対する降伏応力が限度を超える時に発生する、シール歯１１０内に生じる残留応力も減少する。さらに、温度上昇が少なくなることによりシール歯１１０とハニカムシール１０２の間に生じるトルクがより少なくなり、従って、シール歯１１０の摩耗が少なくなる。さらに、温度上昇が低下することによりハニカムシール１０２内の割れ発生及びハニカムシール１０２の疲労劣化を減少させることができる。
【００１６】
ハニカムシール１０２が、距離１２６（図２に示す）がガスタービンエンジン１００の周りで円周方向に均一でない状態で、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）の中に取り付けられた場合、エンジン１００運転中にシール歯１１０とハニカムシール１０２の間に局所的な摩擦が起きる可能性がある。局所的摩擦が生じている間にシール歯１１０とハニカムシール１０２の間に発生する熱は、シール歯１１０内に正弦温度勾配を生じる可能性がある。時間の経過と共に、そのような正弦温度勾配が強い場合には、より広い作動間隙を生じる。そのような正弦温度勾配の強さは、シール歯１０２に入力される熱量に比例する。従って、シール歯１１０の温度上昇の可能性が減少するので、発生する如何なる正弦温度勾配の強さも低下し、シール歯１１０とハニカムシール１０２の間の作動間隙が改善される。
【００１７】
図４は、ガスタービンエンジン１０に使用することができるラビリンスシール２００を含むガスタービンエンジン１０の一部の部分概略図である。ラビリンスシール２００は、回転環状部材２０２の外周面２０６から半径方向に延びる複数のシール歯２０４を含む第１の回転環状部材２０２に適切に取り付けられて、シール歯２０４の外周部を構成する。
【００１８】
ハニカムシール２０８は、第２の非回転部材２１０に適切に取り付けられ、半径方向内方に延びてハニカムシール２０８の内周部を構成する。ハニカムシール２０８は回転部材２０２の周りに円周方向に延びており、ハニカムシール１０２（図２に示す）と実質的に同様に、材料１３０（図３に示す）で製作される。それに代えて、ハニカムシール２０８は、第１の回転環状部材２０２上に配置されたシール歯２０４と、第１の回転部材２０２の回転速度と異なる回転速度を持つ第２の回転部材（図示せず）との間の空洞（図示せず）に配置されたラビリンスシール（図示せず）とすることができる。
【００１９】
エンジンの初期運転中、シール歯２０４の外周部は、ハニカムシール２０８の内周部の小さい公差内で回転し、それによりエンジン１０の軸方向に配置された部分間のシールを行う。エンジン１０の運転速度が増加するにつれ、シール歯２０４は半径方向外方に拡張し、ハニカムシール２０８に接触または摩擦し、ハニカムシール２０８中に凹部（図示せず）を切り込み、シール歯２０４とハニカムシール２０８の間に作動間隙（図示せず）を形成する。さらに具体的には、運転中、シール歯２０４は回転部材２０２によって回転する。タービン１０が作動し十分な作動温度に達した後、シール歯２０４はハニカムシール２０８の中に延び、空気がシール歯２０４とハニカムシール２０８の間を流れるのを阻止する。
【００２０】
上述のガスタービンエンジンは費用効果がよく、信頼性が高い。ステータ組立体は、およそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持つ材料で製作されるハニカムシールを含む。エンジン運転中、シール歯はハニカムシールに接触し、熱を発生してハニカムシールの融解温度より高くない温度までその温度が上昇する。シール歯によりハニカムシールに溝が切り込まれるので、ハニカムシールはシール歯に対してシールを行って、空気がハニカムシールとシール歯の間を流れるのを阻止する。ハニカムシール材料の融解温度により、摩擦中のシール歯の作動温度は制限される。ハニカムシールの結果として、シール歯は公知のシール歯に比較して低い温度で作動され、より少ない熱応力及び摩耗を受ける。より具体的には、シール歯に対する熱損傷が減少するため、シール歯の耐久性が改善される。さらに、熱応力によるシール歯の特性劣化及び割れが減少する。従って、シール歯の摩擦中に生じる温度上昇の可能性が減少し、発生する如何なる温度勾配の強さも低下し、シール歯とハニカムシールの間の作動間隙が改善される。
【００２１】
本発明を種々の具体的な実施形態について説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更により実施できることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる低圧タービンの部分概略図。
【図３】 図２に示す低圧タービン組立体に使用することができるハニカムシール組立体の拡大端面図。
【図４】 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができるラビリンスシールの部分概略図。
【符号の説明】
１００ ロータ組立体
１０２ ハニカムシール
１０４ ステータ羽根
１０６ 回転部材
１０８ 回転部材の先端
１１０ シール歯
１１２ ケーシング
１１４ 第１端部
１１６ 第２端部
１１８ 第１接合具
１２０ 第２接合具
１３０ ハニカム材料

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）のためのハニカムシール（１０２）であって、該シールがおよそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持つ、黄銅及びりん青銅を除く合金材料（１３０）からなり、
   前記合金材料（１３０）が、およそ８７１°Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つことを特徴とするハニカムシール（１０２）。
2. 前記ガスタービンエンジン（１０）は複数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシールは、前記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦するとき、前記シール歯の作動温度を低下させるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のハニカムシール（１０２）。
3. 前記ガスタービンエンジン（１０）は複数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシールは、前記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦するとき、前記シール歯の摩耗を減少させるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のハニカムシール（１０２）。
4. 前記ガスタービンエンジン（１０）は複数のロータシール歯（１１０）を含んでおり、前記合金材料（１３０）は前記ハニカムシール内の割れ発生性向を低下させることができるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のハニカムシール（１０２）。
5. ロータ組立体（１００）及びステータ組立体を含むガスタービンエンジン（１０）であって、該ステータ組立体がおよそ１０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）より低い融解温度を持つ、黄銅及びりん青銅を除く合金材料（１３０）で製作されたハニカムシール（１０２）を含み、
   前記合金材料（１３０）が、およそ８７１°Ｃ（１６００°Ｆ）より高い融解温度を持つことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
6. 前記ロータ組立体（１００）が複数のシール歯（１１０）を含んでおり、前記ハニカムシールは、前記シール歯が前記ハニカムシール（１０２）と摩擦するとき、各々の前記ロータシール歯（１１０）の作動温度を低下させるように構成されることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービンエンジン(１０)。
7. 前記ロータ組立体（１００）が複数のシール歯（１１０）を含んでおり、
   前記ハニカムシール（１０２）は、前記シール歯が前記ハニカムシールと摩擦するとき、前記シール歯（１１０）の摩耗を減少させるように構成されることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記ロータ組立体（１００）が複数のシール歯（１１０）を含んでおり、
   前記合金材料（１３０）は、前記シール歯（１１０）の疲労劣化を減少させるようにさらに構成されることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービンエンジン（１０）。

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