JP4594527B2 - 入れ子型ブリッジ・シール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的なガスタービンエンジンに関し、特に、そのシールに関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスタービンエンジンは、その中の高温燃焼ガスまたは圧縮ガスのいずれか一方の好ましくないリーク（漏洩）を防止するための様々な型のシールが必要な多様なステータ／ロータ要素の集合体である。
【０００３】
軸方向に隣接するステータ要素間には、典型的には、軸方向に圧縮されたリング・シールが使われる。リング・シールは完全に３６０°延在する要素でよく、さもなければ、フープ荷重及びフープ応力をなくすために円周方向の１箇所に分割部を作ってもよい。この分割型シールは半径方向に弾力性があるため、フープ拘束すなわちフープ応力なしに隣接するステータ要素と共に自由に伸長することができる。また、リング・シールは軸方向に弾力性があるため、始めに、そのリング・シールを隣接する要素間で軸方向に圧縮して、それらの間にシールを構成することが可能である。
【０００４】
リング・シールは、例えばＥ形シールあるいはＷ形シール等の様々な横断面形状を有してもよい。これらの形状により、シール・リングの円周方向囲に良好なシールを構成するために必要な軸方向の弾性が得られる。しかしながら、リングには円周方向分割部があるので、この円周方向分割部により僅かであるがリークの起こる間隙が形成される。
【０００５】
他の型式のリング・シールは、リークを減らすか又はなくすように、円周方向の間隙をまたがって延在する円周方向セグメントを備える。このスリップ・シールは２つの要素を含んでいるため、製造が複雑となり、また、費用もかかる。常に円周方向の間隙にまたがって延在するように、シール・セグメントをシール・リングにうまく取りつけることが求められる。このセグメントのデザインの複雑さとその費用にも増して、セグメントは典型的な溶接によってリングに取りつけられているため、高温にさらされる領域が作られる。溶接された継ぎ目は、必然的に応力集中部になるので、スリップ・シールの寿命を好ましくなく縮める過度の応力を防ぐために何らかの処置をとらなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このため、溶接又は他の機械的応力集中部をなくし、あるいはデザイン及び製造を簡単化することのできるように、スリップ・シールを改良することが望まれている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
シールは、間隙を規定する円周方向分割部を持つシール・リングを含む。アーチ状ブリッジが、間隙をまたがって延在して、シール・リングに入れ子式に配置される。ブリッジは、シール・リングとの間の円周方向の差動運動を抑制するように摩擦だけで係合するアンカー端を有する。また、ブリッジは、間隙の反対側でシール・リングと係合するスリップ端を有し、このスリップ端はアンカー端よりも摩擦が少なく、このためにスリップ端とシール・リングとの間で円周方向の差動運動が可能である。
【０００８】
好適で典型的な実施形態に従って、本発明をその目的及び長所と共に、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に基づいて封止可能な飛行機のガスタービンの典型的な高圧タービンノズル１０の一部を示す。半径方向の内側だけが図示されているが、ノズルは円周方向囲に一定間隔で置かれた複数のノズルベーン１２を含み、上流の燃焼室（不図示）から送られた高温燃焼ガス１４を回転／加速させる。その複数のベーンは、環状支持フランジ１８に配置されている半径方向内側バンド１６に一体的に取りつけられている。
【００１０】
ノズルの内側バンド１６を支持フランジ１８に対して封止し接合するために、本発明の実施態様による環状の入れ子(nest)型ブリッジ・シール２０が、内側バンドと支持フランジとの間に弾力的に軸方向に圧縮されて、そこを通って生じる半径方向のリークを低減又は防止する。
【００１１】
図１のシール２０の適用例は、周知のガスタービンエンジン中に見られる多くのもののうちの１つにすぎない。本発明は、特に、ガスタービンエンジンや他の装置中で従来から使われているシール２０の改良に関する。
【００１２】
シール２０は、図１には設置された状態で、また図２には単独の状態で示されており、円周方向の間隙２４を規定する単一の円周方向分割部を持つシール・リング２２と、リング間隙２４でのリークを防止するためにリング間隙２４を横切って円周方向囲に伸びるアーチ状ブリッジ２６とを含む複数の要素の組立体である。図１に示されているように、シール・リング２２は蛇行状横方向断面を持ち、また、ブリッジ２６は相補的な蛇行状断面を持ち、蛇行状断面は、軸方向に隣接するステータ要素を封止するための従来のいかなる形状のものでもよい。
【００１３】
図２及び図３に詳しく示されているが、ブリッジ２６は、間隙２４の一方側でシール・リング２２に入れ子式に配置された、即ち円周方向に重なり合う（オーバーラップする）近接端又はアンカー端２８を有する。また、ブリッジは、反対側の末端又はスリップ端３０を有する。スリップ端３０は、間隙２４の反対側でシール・リング２２に入れ子式に配置される、即ち円周方向に重なり合う。
【００１４】
本発明によれば、ブリッジ２６は、摩擦だけでシール・リング２２と係合し、アンカー端２８では大きな摩擦によりブリッジとシール・リングとの間での円周方向の差動運動を抑制あるいは防止する一方で、スリップ端３０ではより少ない摩擦により円周方向の差動運動をほとんど抑制しない。シール・リング２２自体は、従来のやり方で隣接する要素を封止するように構成することができ、円周方向の間隙２４はブリッジ２６によって閉じて、リークが防止されるようにする。このようにして、ブリッジ２６によってリング間隙２４にスリップ継ぎ目が与えられて、間隙２４が封止されるとともに、シール・リング２２の伸張／圧縮が抑制されない。
【００１５】
最も重要なことであるが、リング２２とブリッジ２６との間には、デザインの複雑さを増大させ且つ望ましくない応力集中部を生じるような溶接、ろう付け又は他の機械的接続が全く必要とされない。ブリッジとシール・リングは、摩擦だけを用いた入れ子式配置構成によって簡単に接合される。
【００１６】
図１に示されるように、シール・リング２２とブリッジ２６は、相補的な蛇行状断面を持ち、これらは半径方向に対称であり、さらに、隣接する内側バンド１６と支持フランジ１８との間に特別に構成されたポケットの中で両者の間で弾力的に軸方向に圧縮可能である。
【００１７】
シール・リング２２とブリッジ２６の各々は、半径方向に伸張し且つ軸方向に相対する一対の逆曲がり部３２を有する。この一対は、蛇行状断面を全体的に規定し、また、隣接要素１６及び１８に接触するを封止面を有する。逆曲がり部３２は半径方向に開き、また、軸方向に弾力的に圧縮可能な断面を提供するための複数のスロット又は溝３４によって規定される。従って、シール２０は大体帽子形状の蛇行状構成であるために、断面において軸方向に柔軟であるが半径方向には剛性である。
【００１８】
図１の重ねられたシール・リング２２とブリッジ２６は、好ましくは、実質的に同じ蛇行状断面で互いに入れ子式に配置された薄い寸法の金属シートから形成される。金属シートは柔軟であり、また、従来の装置を用いて、図１の蛇行状形状に容易に形成することができる。
【００１９】
図２に示されるように、ブリッジのアンカー端２８は、ブリッジのスリップ端３０よりもかなり広い範囲にわたって、シール・リングに円周方向に重なり合う、即ち、入れ子式に配置され、これにより、アンカー端がシール・リングに対して摩擦により固定される一方、スリップ端はシール・リングに対して半径方向の伸張／圧縮の際に相対的にスライド（摺動）可能にある。
【００２０】
好適な実施形態では、ブリッジのアンカー端は、４分円、即ち１／４の円より広い範囲にわたってシール・リングに円周方向に重なり合い、また、ブリッジのスリップ端は４分円より狭い範囲にわたってシール・リングに重なり合う。ブリッジ２６は摩擦と入れ子式の組立てだけによってシール・リングに取りつけられているので、間隙２４の増大／減少を伴うシーリングの実質的に抑制のない伸張／圧縮を妨げるようなスリップ端３０での過度の摩擦が起こることは好ましくない。
【００２１】
図２の好適な実施形態では、図３に詳しく示されているように、ブリッジ２６は、ブリッジ間隙３６を規定する第２の円周方向囲分割部を持つ第２の完全なリングの形状を有する。この構成で、シール２０は、間隙２４及び３６を除いて概ね３６０°のリング２２及びブリッジ２６からなる２層構造を有する。
【００２２】
図示されているように、この２層構造では、ブリッジ間隙３６は、時計回りか又は反時計回りでリング間隙２４から４分円の範囲内でリング間隙２４に円周方向に隣接して配置される。このように、２つの間隙２４及び３６間でのスリップ端３０の円周方向の広がりは比較的短いため、スリップ端３０と隣接するシール・リング２２との間でのスリップ運動がほとんど抑制されない。
【００２３】
これに対応して、シール・リングとの摩擦係合を最大にして動作中での円周方向の差動運動を防止するために、ブリッジ・アンカー端２８は、少なくとも３つの４分円と第４の４分円の一部にわたって延在する。ブリッジとシール・リング２２との間の円周方向の差動運動は、スリップ端３０で生じる。
【００２４】
２層構造のシール２０は、従来装置を用いて容易に製造することができ、シール・リング２２及びブリッジ２６を最初に蛇行状断面を持つように形成して、それらの端の間隙２４及び３６を互いに整列させる。次に、円周方向に適当な力を加えて、リング及びブリッジを互いに対して円周方向に回転させて、円周方向に引き離して端の間隙２４及び３６を形成し、それらの間で入れ子式に配置することにより完全なリングを完成する。しかしながら、動作中、シール２０には主に軸方向に圧縮荷重が加わるので、間隙２４及び３６の相対的な円周方向位置を変える可能性のある円周方向の力が加わることはない。
【００２５】
望ましくない応力が生成されないように、シールの半径方向の伸張／圧縮を実質的に抑制しないようにしながら、シール・リング２２とそのブリッジ２６を組み立てた状態に維持するのに摩擦だけで十分である。また、溶接やろう付けなしに、また、他の機械的不連続性なしに、リング２２とブリッジ２６は単純に入れ子式に配置されるので、その結果の組立体は、比較的単純であり、また最終的な強度に影響を及ぼすような応力集中部がない。
【００２６】
上述のように、シール２０は、従来のいかなる横断面も持つことが可能であるが、それでも入れ子式配置の摩擦による恩恵を受けることができる。例えば、図４は、従来のＥ形あるいはＷ形の横断面を有するシール３８の別の実施形態を示す。図４のシール３８の横断面の構成は、図１のシール２０の構成とはわずかに異なるが、同じ要素には、対応する同じ参照番号が使われている。これには、他の型の逆曲がり部３２と半径方向スロット３４によって規定されるシール・リング２２とブリッジ２６が含まれる。
【００２７】
図２のシール２０ではリング間隙２４がブリッジ２６内に隠れるのに比べて、図４のシール３８の対応するリング間隙は露出する。これに対応して、図２のシール２０のブリッジ間隙３６が露出し、図４のシール３８のブリッジ間隙はシール・リング２２によって隠れる。
【００２８】
しかしながら、その両方の実施形態では、シール・リング２２は、封止するために内側バンド１６及び支持フランジ１８の対応する部分に係合してシールを構成する最外層を規定するものである。対照的に、対応するブリッジは、シール・リングの間隙２４を横切って延在するためだけ設けられ、通常、隣接するバンド１６及びフランジ１８とシールを構成することはない。
【００２９】
シール・リング２２及びブリッジ２６は、封止を行うための他の適当な横断面形状を有していてよく、これらの２つの要素は摩擦だけによって一緒に保持されて、動作中でのシール・リングの差動的な熱膨張／圧縮を実質的に抑制しない。
【００３０】
本発明の好適で典型的な実施形態と考えられるものを説明してきたが、当業者にとって、ここでの技術から本発明の他の変形は明らかであり、従って、本発明の主旨と範囲内にあるそのような全ての変形は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の典型的な実施態様による入れ子型ブリッジ・シールを備えるガスタービンエンジンのタービンノズル支持部の一部分の軸方向拡大断面図である。
【図２】 図１のブリッジ・シールの末端を単独で示す立面図である。
【図３】 図２の破線円３内の入れ子型ブリッジ及びシール・リングとその対応する円周方向の間隙との部分断面拡大図である。
【図４】 本発明の別の実施態様による入れ子型ブリッジ・シールの横断面図である。

Claims (10)

1. 蛇行状断面を持ち、且つ間隙を規定する円周方向の分割部を有するシール・リングと、
   前記間隙を横切って円周方向に伸び、また、前記シール・リングと相補的な蛇行状断面を有するアーチ状ブリッジであって、前記間隙の一方の側で前記シール・リングと当該ブリッジのアンカー端とを入れ子式に配置し、さらに、前記間隙の反対側の面上の前記シール・リングと当該ブリッジのスリップ端とを入れ子式に配置したアーチ状ブリッジとを備え、
   前記ブリッジは前記シール・リングと摩擦だけで係合し、その際、前記アンカー端では前記スリップ端より摩擦が大きくなっていて円周方向の差動運動を抑制しており、前記スリップ端では前記アンカー端より摩擦が小さくなっていて円周方向の差動運動を可能にしていること、
   を特徴とするシール。
2. 前記シール・リング及びブリッジは、前記蛇行状断面が対称であり、且つ弾力的に圧縮可能であることを特徴とする請求項１に記載のシール。
3. 前記シール・リングは、全体的に前記蛇行状断面を規定し且つ隣接する要素に対して封止面を提供する一対の逆曲がり部を含んでいる請求項２に記載のシール。
4. 前記シール・リング及びブリッジは、ほとんど同一の蛇行状断面で互いに入れ子式に配置される金属シートである請求項３に記載のシール。
5. 前記ブリッジのアンカー端は、前記ブリッジのスリップ端よりもかなり広範に渡って前記シール・リングと円周方向に重なり合っている請求項２に記載のシール。
6. 前記ブリッジのアンカー端は、４分円より広い範囲にわたって前記シール・リングと円周方向囲に重なり合い、また、前記ブリッジのスリップ端は４分円より狭い範囲にわたって前記シール・リングと重なり合っている請求項５に記載のシール。
7. 前記ブリッジは、ブリッジ間隙を規定する円周方向分割部が設けられているリングで構成されている請求項５に記載のシール。
8. 前記ブリッジ間隙は、前記リングの間隙に円周方向に隣接して配置されている請求項７に記載のシール。
9. 前記ブリッジ間隙は、前記リングの間隙から４分円の範囲内に配置されている請求項８に記載のシール。
10. 前記シール・リング及びブリッジは、前記弾力的に圧縮可能な断面を構成するために複数の半径方向に開いたスロットを含んでいる請求項９に記載のシール。

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