JP4709348B2 - 回転シール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に回転シールに関し、特にガスタービンエンジンのフォワードアウターシールとして使用される回転シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、高温燃焼ガスを発生するために加圧空気が燃料と混合され点火される燃焼器へ加圧空気を供給する圧縮機を含む。これらのガスはそれから圧縮機に動力を供給するためのエネルギを抽出して飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を行う1つまたは複数のタービンへ流下する。航空機エンジンは通常圧縮機の出口に配置され、下流に配置された第1段タービンロータへ燃焼ガスを送る静止タービンノズルを有している。タービンノズルはタービンブレードが作動できるように燃焼ガスに方向を与える。
【０００３】
通常、フォワードアウターシールはタービン流路内の高温ガスから冷却の目的で排出される圧縮機吐出空気をシールするために静止タービンノズルと第1段タービンロータの間に設けられる。しかしながら、多くの高圧タービンでは、フォワードアウターシールは、冷却空気がタービンノズルと第1段タービンロータ間のフォワードホイールキャビティ内へ流入できるようにするいくつかのバイパス孔の使用を必要とする。この空気はフォワードホイールキャビティをパージして高温ガスが引き入れられないようにする。適切なパージフローを維持できないと、隣接部品の部品寿命が著しく減ることにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフォワードアウターシールは回転シール部材および静止シール部材からなる回転ラビリンスシールを有している。回転部材は比較的厚いベースから静止部材へ向かって半径方向に延びるいくつかの薄い歯状突起を有している。静止部材は通常はハニカム材料でできている。これらのシール部材は一般にエンジンの縦中心線軸の周りに周方向に配置され、これらの種々の部品を組み立てられる半径方向の小さな間隙がそれらの間にあるように位置している。ガスタービンエンジンが作動している時は、回転部材は半径方向に膨張して静止部材内に擦り込まれ、その結果シールが生成される。新しいエンジン動作中に、ラビリンスシールは漏洩をほとんどもしくは全くしない。したがって、バイパス孔はフォワードホイールキャビティ内への適切なパージフローを保証する必要がある。しかしながら、長い年月の間に、エンジンの連続運転によりシール部材は徐々に劣化する。これは、より多くの冷却空気がラビリンスシールからフォワードホイールキャビティ内へ漏洩してバイパス孔を通るパージフローを補うことを意味する。最終的に、ラビリンスシールから漏洩する空気の量はフォワードホイールキャビティをパージするのに十分なものとなり、バイパス孔の必要性が減りあるいはなくなる。しかしながら、新しいエンジン動作時に必要なバイパス孔が存在するために、ホイールキャビティパージフローは必要以上となり、これはエンジンの全体性能にとって有害なものとなる。
【０００５】
したがって、エンジンの最初の始動時にフォワードホイールキャビティの適切なパージを行い、シールが劣化するにつれてバイパス空気のレベルを下げるタービンフォワードアウターシールに対する要求がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の要求は、
軸周りに回転するようにされ、かつ半径方向外向きに延びる少なくとも１つの環状の突起を有する回転部材と、
突起に接触するように配置された第１の表面と、前面と、後面を有し、複数のスロットが第１の表面に形成され、スロットの各々は前面から後面まで延び、かつ突起を軸方向に横切るステータ部材と、
を有する回転シールを提供する本発明により満たされる。
各スロットは回転部材の回転方向に周方向に角度をなしているのが好ましい。
【０００７】
本発明の回転シールがガスタービンエンジンにおいてフォワードアウターシールとして使用される場合、従来のバイパス孔は不要となり、エンジンのフォワードホイールキャビティへのパージ流量をシール劣化とよく合わせることによって、本発明は長い動作期間にわたってエンジン性能を改善する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して証明する。
【０００９】
さまざまな図面を通して同じ参照番号は同じ部材を示す図面を参照すると、図1は典型的なターボファンガスタービンエンジン１０を示す。ターボファンエンジンは従来技術で広く知られているものと認識されているが、エンジン１０の全体構成およびそのさまざまな部品の相互関係について簡単に説明すれば後述する本発明をよく理解できるであろう。さらに、ターボファンエンジンは例として用いるに過ぎず、本発明の回転シールはいかなるタイプのガスタービンエンジンにも用いることができ、ターボファンエンジンに限定されるものではないことを指摘しなければならない。事実、本発明は相対的に移動する部品間でシールを必要とするいかなる用途にも使用することができる。
【００１０】
エンジン１０は縦中心軸１２の周りに軸方向の流れが連続して連通するように、ファン１４、ブースタ１６、高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２、および低圧タービン２４を有している。高圧タービン２２は第1の回転軸２６によって高圧圧縮機１８に駆動接続されており、低圧タービン２４は第２の回転軸２８によってブースタ１６およびファン１４に駆動接続されている。ファン１４は環状ディスク３２上に取付けられた半径方向に延びる複数のファンブレード３０を含み、ディスク３２とブレード３０はエンジン１０の縦中心軸１２の周りに回転することができる。
【００１１】
エンジン１０の動作中に、周囲空気３４がエンジン入口へ入り、1次ガス流３６と呼ばれる、周囲空気３４の第1の部分がファン１４、ブースタ１６および高圧圧縮機１８を通過し、その際各部品によって連続的に加圧される。1次ガス流３６は次に燃焼器２０へ入り、そこで、加圧された空気は燃料と混合され燃焼し高エネルギ燃焼ガス流を発生する。高エネルギガス流は高圧タービン２２を通過し、そこで、高圧圧縮機１８を駆動するために抽出されたエネルギにより膨張させられ、次に低圧タービン２４を通過し、そこで、ファン１４およびブースタ１６を駆動するために抽出されたエネルギによりさらに膨張させられる。２次すなわちバイパス空気流３８と呼ばれる、周囲空気３４の第２の部分が環状ダクト４２介してエンジンから出てゆく前にファン１４およびファン出口案内羽根４０を通過し、２次空気流３８はエンジン推力の相当な部分を発生する。
【００１２】
図２を参照すると、高圧タービン２２の部分図が示されている。高圧タービン２２はタービンノズルアセンブリ４４および第1段タービンロータ４６を含む。タービンノズルアセンブリ４４は、円周方向に隣接する複数のノズルセグメント５０が搭載されるインナーノズルサボート４８を含む。ノズルセグメント５０は全体で完全に３６0度のアセンブリを構成する。各セグメント５０は燃焼ガスが流れる、円周方向に間隔をおいた２つまたは３つ以上の羽根５２（図２に1つを示す）を有する。羽根５２は燃焼ガスを第1段タービンロータ４６へ最適に向けるように構成されている。インナーノズルサポート４８はエンジン１０内に適切に支持された静止部材であり、実質的に円錐の部分５４を含んでいる。ノズルセグメント５０は円錐部５４の軸方向および半径方向遠端に取付けられている。タービンノズルアセンブリ４４は環状の静止シール部材５６も含んでいる。図２に示すように、静止シール部材５６は円錐部５４の軸方向および半径方向遠端に一体的に形成され、半径方向内向きに延びている。しかしながら、静止シール部材５６は円錐部５４に固定される独立した部材とすることができる。
【００１３】
第1段タービンロータ４６はタービンノズルアセンブリ４４の後方に配置されフォワードホイールキャビティ５８を形成するようにそこから軸方向に間隔があけられている。フォワードホイールキャビティ５８は高温燃焼ガスが流れるタービン流路と流体で連通している。タービンロータ４６はロータディスク６２に適切に取付けられタービン流路内へ半径方向に延びている複数のタービンブレード６２を含んでいる（図２に１つを示す）。ロータディスク６２は中心線軸１２の周りに回転するように配置されている。環状回転シール部材６４がロータディスク６２に一緒に回転するように固定されている。
【００１４】
回転シール部材６４は静止シール部材５６と接触してタービン流路内の高温ガスから冷却の目的で排出される圧縮機吐出空気をシールするためのフォワードアウターシール６６を形成する。フォワードアウターシール６６は回転シール部材６４に取付けられた、またはその上に一体形成された3つの薄い歯状の突起６８，７０，７２を含む回転ラビリンスシールであることが好ましい。突起６８，７０，７２は静止シール部材５６に向かって半径方向に外向きに延びる環状部材である。ラビリンスシール６６は静止シール部材５６に取付けられ突起６８，７０，７２の半径方向外側に円周に沿って配置された3つの環状静止エレメント７４，７６，７８をさらに含んでいる。
【００１５】
これらの部品は各突起６８，７０，７２が静止エレメント７４，７６，７８の各々と軸方向に一致するように軸方向に配置されている。すなわち、第1の突起６８は第1のステータエレメント７４と軸方向に一致し、第２の突起７０は第２のステータエレメント７６と軸方向に一致し、第３の突起７２は第３のステータエレメント７８と軸方向に一致している。軸方向に一致しているということは、各突起６８，７０，７２がその対応するステータ部材７４，７６，７８の前面および後面間で軸方向に沿って配置されていることを意味する。各突起６８，７０，７２の外周は対応するステータ部材７４，７６，７８の内周との小さな公差内で回転し、それによってタービン流路内で冷却空気と高温ガス間をシールする。ステータ部材７４，７６，７８は動作中の摩擦およびそれに続く熱の発生を低減するためにハニカム材料で作られるのが好ましい。図２は３対の突起およびステータ部材を示しているが、本発明は３対に限定はされず、それよりも多くても少なくてもよい。
【００１６】
タービンノズルアセンブリ４４はインナーノズルサポート４８の円錐部５４と静止シール部材５６間に配置されたアクセラレータ８０を含んでいる。アクセラレータ８０は内部エアプレナム８２を形成する環状部材である。図２に矢印Ａで示すように、圧縮機吐出空気はインナーノズルサポート４８の円錐部５４内に形成された空気孔８４を経てプレナム８２へ送られる。この冷却空気はアクセラレータ８０を軸方向に通過し、そこからアクセラレータ８０の後端内に形成され、高圧タービンブレード６０を冷却する複数のアクセラレータノズル８６を通って吐出される。
【００１７】
アクセラレータ８０は流体が連通しないようにエアプレナム８２中を半径方向に延びる複数の中空管８８も含んでいる。他の冷却空気（矢印Ｂで表わす）が中空管８８中を半径方向に通過して静止シール部材５６の直前に配置されたチャンバー９０内へ進む。矢印Ｂで表わす冷却空気の源はエンジンの圧縮機吐出圧（ＣＤＰ）シール（図示せず）を通過する漏洩である。このＣＤＰ冷却空気はアクセラレータ８０を介して吐出されるブレード冷却空気よりも幾分温かい。
【００１８】
静止シール部材５６の中にはいくつかのブロッカー孔９２が形成されている。ブロッカー孔９２は、チャンバー９０内のＣＤＰ冷却空気がシール６６の２つの最後方の突起、すなわち第２の突起７０および第３の突起７２の間に画定されたキャビティ９４内へ流れ込むように配置されている。したがって、シール６６を通るいかなる空気流もＣＤＰ空気であってクーラーブレード冷却空気ではない。したがって、クーラー空気はタービンブレード６０の冷却に完全に集中することができる。
【００１９】
前述したように、フォワードホイールキャビティ５８内への冷却空気流はキャビティ５８を高温ガスの引き入れを防止するためにパージする必要がある。これは、従来のガスタービンエンジン（図３参照）では静止シール部材３５６の直前に配置されたチャンバー３９０内の冷却空気がフォワードホイールキャビティ３５８内へ流れこむように、フォワードアウターシール３６６の半径方向外側で静止シール部材３５６内にいくつかのバイパス孔３０１を形成することで達成される。しかしながら、本発明では静止シール部材５６内にこのようなバイパス孔は形成されていない。その代わりに、最後方、すなわち第３のステータ部材７８はその半径方向の最内面９８、すなわち回転突起７２に接触する表面内に複数のスロット９６を有している。スロット９６は突起７２を軸方向に横切るように第３のステータ部材７８の前面７８ａから後面７８ｂへ延びている。したがって、第２および第３の突起７０，７２間のキャビティ９４内の冷却空気はフォワードホイールキャビティ５８内へ流入してそれをパージすることができる。
【００２０】
第３のステータ部材７８の半径方向の最内面の９８一部を示す図４からわかるように、スロット９６は中心線軸１２に対してある角度をなしている（すなわち、スロット９６は軸１２に平行ではない）。スロット９６は回転シール部材６４の回転方向（図４で矢印Ｃで表わす）に円周に沿ってある角度をなしている。したがって、スロット９６を出る冷却空気にはフォワードホイールキャビティ５８内で風損熱焼き付きを低減するスワールが与えられる。すなわち、入ってくるパージ空気はロータ回転方向の速度成分を有し、回転成分とパージ空気流間の速度差はそうでない場合よりも小さい。したがって、空気と回転成分間の摩擦は小さく、このことは熱発生が少ないことを意味する。回転方向に対するスロット９６の角度は０〜７０°の範囲にあるのが好ましく、約４５°かそれよりも大きいのが好ましい。
【００２１】
図５を参照すると、スロット９６は必ずしもそうではないが矩形断面であることが好ましいことがわかる。スロット９６の深さと幅はステータ部材７８のシール摩擦深さに関するパージ必要条件を満たすように互いに合わせられる。ここで使用されているように、「シール摩擦深さ」は回転する歯状突起との擦り合いによる磨耗によりステータ部材の厚さが減る程度を指している。したがって、図５において、実線は第３のステータ部材７８の元の、作られたときの厚さを示し、破線１は「すり合わせ運転シール」（すなわち、シールを含むエンジンが引き渡される点である初期すり合わせ運転期間後）における厚さを示し、破線2はステータ部材７８を取り替えなければならない最小厚さを示す。スロット９６の深さと幅はすり合わせ運転シールにおける全スロット９６の総断面積がフォワードホイールキャビティ５８のパージ必要条件を十分に満たすように選択される。
【００２２】
新しいエンジン動作中に、突起６８，７０，７２はステータ部材７４，７６，７８内にぴったり擦り合わされてきついシールを形成する。フォワードホイールキャビティ５８はスロット９６を通過する、キャビティ９４からの空気流によってパージされる。エンジン１０が継続して動作することによりシール６６は徐々に劣化して、突起６８，７０，７２とステータ部材７４，７６，７８間に隙間が生じる。したがって、より多くの冷却空気がラビリンスシール６６からフォワードホイールキャビティ５８内へ漏洩する。しかしながら、ステータ部材７４，７６，７８が磨耗するにつれて、スロット９６のサイズは絶えず小さくする。そのためシール６６を通って漏洩するパージ空気の量が増加すると、スロット９６を通過するパージ空気の量が減少する。この作用が、シール状態の関数としての総パージ流を示すグラフである図６に示されている。このグラフに示すように、破線3は図３に示すような従来のシール・バイパス孔構造におけるパージフローレベルを表わし、破線4は従来のシールしかない構造におけるパージフローレベルを表わし、実線５は本発明のスロットシールから生じるパージフローを表わす。
【００２３】
破線3の従来のシールおよびバイパス孔構造では、シールが新しい時は所望のレベルＰでパージフローが開始されるが、シールが磨耗するとパージフローは急に所望のレベルＰを超える。この過剰パージフローはエンジンの全体性能にとって有害である。破線４のシールだけの従来の構造では、初期パージフローはシールが新しい時は所望のレベルよりも実質的に低く、シールの磨耗寿命の終り近くでしか所望のレベルは達成されない。したがって、この構造ではシールの寿命の大部分にわたって許容されるレベルのパージフローが得られない。実線５で示す本発明では、パージフローはシールが新しい時は所望のレベルで開始する。しかしながら、スロット９６のサイズはシールが磨耗するにつれ小さくなるため、破線3の場合とは違って、パージフローレベルはシールの寿命にわたって徐々に増加するだけである。このようにして、従来のガスタービンエンジンで見られる過剰ホイールキャビティパージフローの問題は本発明によって大部分回避され、その結果エンジンの全体性能が改善される。
【００２４】
再び、図５を参照すると、スロット９６の深さは、ステータ部材７８を交換しなければならないシール擦り合わせ深さ破線２よりも上である。したがって、ステータ部材７８の動作寿命中のある点において、スロット９６は完全になくなってフォワードホイールキャビティ５８内への総パージフローはシール６６を通る漏洩によるものとなる。あるいは、ステータ部材７８の動作寿命中は常に幾分スロットフローがあるようにスロット９６の深さを破線２よりも下に形成することができる。スロット深さが最小シール擦り合わせ深さよりも上であるか下であるかはシール６６が使用されるエンジン１０の特定のパージフロー必要条件によって決まる。
【００２５】
図７を参照すると、本発明の第２の実施形態を示されている。この実施形態では、静止シール部材５６は、ＣＤＰ冷却空気がチャンバ９０から第１の突起６８と第２の突起７０との間に形成されたキャビティ１０２内へ流れ込むようにその中にいくつかのブロッカー孔９２が形成されている。キャビティ１０２からフォワードホイールキャビティ５８へパージ空気流を供給するために、第２のステータ部材７６にはその半径方向の最内面１０６、すなわち、第２の回転突起７０と接触する表面内に複数のスロット１０４が設けられている。前記した第1の実施形態と同様に、第３のステータ部材７８にはその半径方向の最内面９８内に複数のスロット９６が設けられている。スロット１０４，９６の両セットは各突起７０，７２を軸方向に横切るように各ステータ部材７６，７８の各前面７６ａ，７８ａから各後面７６ｂ，７８ｂまで延びている。したがって、ＣＤＰ冷却空気はチャンバ９０からブロッカー孔９２を通ってキャビティ１０２へ流れ、次にスロット１０４を通ってキャビティ９４へ流れ、最後にスロット９６を通ってフォワードホイールキャビティ５８へ流れてそれをパージする。
【００２６】
スロット１０４は中心軸１２に関して、好ましくは回転シール部材６４の回転方向に円周に沿ってある角度をなす点において前述したスロット９６と類似している。また、スロット９６と同じように、スロット１０４の深さと幅は擦り合わせシール運転時の総断面積がフォワードホイールキャビティ５８のパージ必要条件を十分に満たすように選択される。また、第２のステータ部材７６が磨耗するにつれて、スロット１０４のサイズは絶えず小さくなり、その結果シール６６を通って漏洩するパージ空気量が増加すると、スロット１０４を通過するパージ空気量は減少する。
【００２７】
さらに別の実施形態では、ブロッカー孔の無い構成を有することもできる。この場合、全てのステータ部材には、キャビティ１０８（図７）からのパージ空気がホイールキャビティをパージできるように、その半径方向の最内面に複数のスロットが形成されている。
【００２８】
上記は、エンジン動作の全期間にわたってフォワードホイールキャビティへ適切な、過剰ではない、パージ空気流を供給するガスタービンエンジン用フォワードアウターシールについて説明であった。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、特許請求の範囲に記載された発明の要旨および範囲から逸脱することなくそれにさまざまな変更を加えられることは当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフォワードアウターシールを有する典型的なターボファンガスタービンエンジンの縦断面図である。
【図２】図1のガスタービンエンジンの高圧タービン部の部分断面図である。
【図３】従来技術のガスタービンエンジンの高圧タービン部の部分断面図である
【図４】本発明のフォワードアウターシールからのステータ部材の半径方向の最内面の平面図である。
【図５】図４のステータ部材の部分端面図である。
【図６】シール状態の関数としての総パージ流を示すグラフである。
【図７】本発明のフォワードアウターシールの第２の実施形態を有するガスタービンエンジンの高圧タービン部の部分断面図である。
【符号の説明】
１０ ターボファンガスタービンエンジン
１２ 縦中心軸
１４ ファン
１６ ブースタ
１８ 高圧圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２４ 低圧タービン
２６ 第１のロータシャフト
２８ 第２のロータシャフト
３０ ファンブレード
３２ 環状ディスク
４０ ファン出口案内羽根
４２ 環状ダクト
４４ タービンノズルアセンブリ
４６ 第１段タービンロータ
４８ インナーノズルサポート
５０ ノズルセグメント
５２ 羽根
５４ 円錐部
５６ 静止シール部材
６０ タービンブレード
６２ ロータディスク
６４ 環状回転シール部材
６６ フォワードアウターシール
６８，７０，７２ 歯状突起
７４，７６，７８ 環状のステータ部材
８０ アクセラレータ
８２ 内部エアプレナム
８６ アクセラレータノズル
８８ 中空管
９０ チャンバ

Claims (7)

1. 軸（１２）周りに回転するように配置され、半径方向外向きに延びる少なくとも１つの環状の突起（６８，７０，７２）を有する回転部材（６４）と、
   前記突起（６８，７０，７２）と接触するように配置された第１の表面（９８）と、前面（７６ａ，７８ａ）と、後面（７６ｂ，７８ｂ）を有し、複数のスロット（９６）が前記第１の表面（９８）に形成され、前記スロット（９６）の各々は前記前面（７６ａ，７８ａ）から前記後面（７６ｂ，７８ｂ）まで延び、かつ前記突起（６８，７０，７２）を軸方向に横切るステータ部材（７４，７６，７８）と、
   を有する回転シール。
2. 前記の複数のスロット（９６）は前記軸（１２）に平行ではない、請求項１記載の回転シール。
3. 前記の複数のスロット（９６）は前記回転部材（６４）の回転方向に円周に角度をなしている、請求項２記載の回転シール。
4. 前記回転部材（６４）はそこから半径方向外向きに延びる別の環状の突起（６８，７０，７２）を有し、前記別の突起（６８，７０，７２）の半径方向外側に円周に沿って配置された別のステータ部材（７４，７６，７８）をさらに有する、請求項１記載の回転シール。
5. 前記ステータ部材（７４，７６，７８）の各々が静止部材（５６）に取り付けられている、請求項４記載の回転シール。
6. 前記静止部材（５６）には前記の最初に述べた突起（６８，７０，７２）と前記別の突起（６８，７０，７２）の中の隣接する１つの突起との間に形成されたキャビティ（９４）内へ冷却空気を供給する少なくとも１つの孔（９２）が形成されている、請求項５記載の回転シール。
7. 前記別のステータ部材（７４，７６，７８）の各々が前記別の突起（６８，７０，７２）の対応する1つと接触するように配置された第１の表面（９８，１０６）を有し、前記別のステータ部材（７４，７６，７８）の少なくとも１つの第１の表面（９８，１０６）内に前記別の突起（６８，７０，７２）の前記対応する１つを軸方向に横切る少なくとも１つのスロット（９６，１０４）が形成されている、請求項４記載の回転シール。

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