JP4856257B2 - タービンロータのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン内部の部材間、特にはタービンロータ周辺の部材間をシールするシール構造に関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機で圧縮された空気が燃焼器へ供給され、燃焼器で燃焼した高温の燃焼ガスがタービンへ送給される。しかしながら、実際には、ガスタービンエンジンの内部を構成する環状の部材間の連結部分、例えば、回転部材であるタービン動翼の支持部材と固定部材であるタービン静翼の支持部材との隙間を介して、燃焼器からの高温の燃焼ガスの一部が内径側へ漏れることがあり、この漏れガス量が多いと、ガスタービンエンジンの性能が低下する。

このような漏れガスを抑えるために、例えば、タービンロータをシールするラビリンスシール部材を、径方向に移動可能なように撓み部材によって支持する構造が提案されている（例えば、特許文献１）。このシール構造によれば、タービンロータが、遠心力および熱膨張によって径方向に伸縮することによってシール部分が径方向に変位した場合にも、ラビリンスシール部材がシール部分の変位に追随してシールが確保される。

特開平８−２７７７０１号公報

しかし、特許文献１に開示されたシール部材では、ガスタービンエンジンの性能に大きな影響を与えるタービンロータのシール性を確保するために、多数のラビリンス歯を設ける必要があり、ラビリンスシールの軸方向寸法が増大する。この場合、シールする部材間のわずかな熱膨張の差や遠心力の差によって、シール部材が大きく変形し、これが繰り返されることによりシール部材が破損し易くなるという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、軸方向寸法の増大を伴うことなくタービンロータの径方向の膨張に追随可能な構造を有することにより、長期に渡って確実にタービンロータをシールすることが可能であり、これによって適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上するタービンロータのシール構造を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンにおけるタービンロータのシール構造は、タービンロータに設けられて軸方向に突出する突起部と、この突起部の径方向外側に配置され、径方向に変位可能に支持された外側部材と、前記突起部の径方向内側に配置され、径方向に変位可能に支持された内側部材とでラビリンスシールが形成されており、前記内側部材の熱膨張率が、前記外側部材の熱膨張率よりも大きく設定されている。前記内側部材の熱膨張率と前記外側部材の熱膨張率との差は、例えば、２×１０^−６〜６×１０^−６／℃の範囲内にあることが好ましい。

この構成によれば、ガスタービンエンジンの運転時に、熱膨張および遠心力により径方向外側に変位するタービンロータの突起部と、熱膨張の小さい外側部材とによって、ラビリンスシールの径方向外側部分のシール性が確保されるとともに、上記タービンロータの突起部と、大きく熱膨張する内側部材とによって、ラビリンスシールの径方向内側部分のシール性が大幅に向上する。したがって、ラビリンスシールの軸方向寸法の増大をともなうことなく、当該シール構造のシール性が向上する。

本発明に係るガスタービンエンジンは、前記外側部材の前記突起部に対向する部分に、耐摩耗部材が設けられていてもよく、また、前記内側部材の前記突起部に対向する部分に、耐摩耗部材が設けられていてもよい。この構成によれば、ラビリンスシールを形成する突起部と外側部材、内側部材との摩耗が抑制され、ラビリンスシールの寿命が向上する。

以上のように、本発明に係るタービンロータのシール構造によれば、軸方向寸法の増大を伴うことなくタービンロータの径方向の膨張に追随可能な構造を有しているので、長期に渡って確実にタービンロータをシールすることが可能であり、これによって、適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上する。

本発明の一実施形態に係るシール構造が適用されるガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図１の要部を拡大して示す縦断面図である。 （ａ）は図２の第１連結部材および第２連結部材による連結状態を示す横断面図、（ｂ）は図２の第３連結部材による連結状態を示す横断面図である。 図３のIV-IV線に沿った断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）の一部を破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、外部からの導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向の圧縮機側を「前側」と呼び、タービン側を「後側」と呼ぶ場合がある。

本実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いている。この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分の前部を構成する前後２分割型の圧縮機ロータ１１Ａの外周面に、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。圧縮機３の下流側には、ハウジング１５と、その径方向内側に設けられたディフューザ内周壁２１とによって形成されたディフューザ２３が設けられている。圧縮空気ＣＡは、ディフューザ２３を介して燃焼器５に向けて送給される。

燃焼器５は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。燃焼器５では、圧縮機３から送給された圧縮空気ＣＡが、燃焼器５内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧが、タービンノズル（第１段静翼）２５からタービン７内に流入する。

タービン７は、ガスタービン１の回転部分の後部を構成する高圧タービンロータ１１Ｂおよび低圧タービンロータ１１Ｃと、これらロータ１１Ｂ，１１Ｃを覆うタービンケーシング２７とを備えている。高圧タービンロータ１１Ｂは圧縮機ロータ１１Ａに一体回転するように連結されて圧縮機ロータ１１Ａを駆動する。高圧タービンロータ１１Ｂと低圧タービンロータ１１Ｃは連結されていない。タービンケーシング２７の内周部には複数段のタービン静翼２９が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、高圧タービンロータ１１Ｂおよび低圧タービンロータ１１Ｃには、各段のタービン静翼２９の下流側に位置するように複数段のタービン動翼３１が設けられている。

ロータ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの全体は、ハウジング１５に、前部、中央部、後部の軸受装置３５，３７，３９を介して回転自在に支持されている。中央部軸受装置３７が配置されている圧縮機ロータ１１Ａは、軸受ハウジング４９によって覆われており、圧縮機ロータ１１Ａと軸受ハウジング４９との間が軸受収容空間５１を形成している。軸受ハウジング４９は、ディフューザ２３のディフューザ内周壁２１の下流端部に、図示しないボルトにより連結されており、ディフューザ２３の下流に位置する、軸受ハウジング４９と燃焼器５との間の空間が、ディフューザ２３から燃焼器５へと圧縮空気ＣＡを導く圧縮空気移送空間５５を形成している。

図１の要部を拡大した図２に示すように、軸受ハウジング４９のタービン側（後側）端部４９ａには、アダプタリング５７が第１連結部材５９を介して連結されている。アダプタリング５７は、互いに連結された、径方向外側に位置する外側部材６７と径方向内側に位置する内側部材６９とからなる２つ割りの環状部材として形成されており、外方部材６７の内周側端部６７ａと内側部材６９の外周側端部６９ａとが第２連結部材６１を介して連結されている。アダプタリング５７の外周部、つまり外側部材６７の外周側端部６７ｂは、タービンノズル２５の内径側に突設された連結フランジ部２５ａに、第３連結部材６３により連結されている。

軸受ハウジング４９、アダプタリング５７の外側部材６７、内側部材６９、およびタービンノズル２５は、第１〜第３連結部材５９，６１，６３により、周方向に相対移動不能に、かつ径方向に相対移動可能に連結および支持されている。このような支持は、内側部材６９およびタービンノズル２５に設けられた径方向に延びる挿通溝に、ピン部５９ａおよびねじ部５９ｂを有する第１連結部材５９と、ピン部６１ａおよび取付部６１ｂを有する第２連結部材６１と、ピン部６３ａおよびねじ部６３ｂを有する第３連結部材６３とを、それぞれ挿通することによりなされている。以下、この連結構造について詳細に説明する。

図２に示すように、第１連結部材５９は、環状の第１規制部材７０Ａに挿通されて、その基端部に設けられたねじ部５９ｂが、第１規制部材７０Ａに螺合している。第１連結部材５９および第２連結部材６１の各ピン部５９ａ，６１ａにおける横断面図である図３（ａ）に示すように、第１連結部材５９の先端側のピン部５９ａは、円柱状のピンとして形成されており、円形状の断面を有している。他方、内側部材６９の内周側端部６９ｂには、第１連結部材５９の外径寸法に合致する周方向の内寸および、第１連結部材５９の外径寸法よりも大きい径方向の内寸を有する溝からなる係合部６９ｂａが設けられている。第１連結部材５９を内側部材６９の係合部６９ｂａに挿通して係合させることにより、内側部材６９が、軸受ハウジング４９に対して周方向に相対移動不能に、かつ径方向に相対移動可能に連結される。内側部材６９は、軸受ハウジング４９に対して軸方向にも移動可能であり、その軸方向位置は、図２の第１規制部材７０Ａと、軸受ハウジングのボス４９ｂとにより規制されている。

第１規制部材７０Ａは、第１連結部材５９と異なる周方向位置に配設されたボルトＢ１によって、軸受ハウジング４９に固定されている。具体的には、図３（ａ）のIV-IV線に沿った断面図である図４に示すように、軸受ハウジング４９のボス４９ｂに螺合したボルトＢ１によって第１規制部材７０Ａが軸受ハウジング４９に固定されており、この第１規制部材７０Ａによって、図２に示すように、内側部材６９の内周側の係合部６９ｂａの前面が覆われている。

第２連結部材６１は、頭部を有しないねじ無しのピン部材であり、その一端部に設けられた取付部６１ｂが、外側部材６７の内周側端部６７ａに挿通されて、溶接Ｗにより固定されている。図３（ａ）に示すように、第２連結部材６１のピン部６１ａは、周方向の両側に、周方向位置を規制する平面部６１ａａ，６１ａａを有する二面ピンとして形成されている。内側部材６９の外周側端部６９ａには、これら平面部６１ａａ，６１ａａ間の外寸に合致する周方向の内寸および、ピン部６１ａの径方向の外寸よりも大きい径方向の内寸を有する溝からなる係合部６９ａａが設けられている。この係合部６９ａａに第２連結部材６１を挿通して係合させることにより、内側部材６９が、外側部材６７に対して周方向に相対移動不能に、かつ径方向に相対移動可能に連結される。

図２に示す外側部材６７の内周側端部６７ａの前面には、環状の第２規制部材７０Ｂが、第２連結部材６１と異なる周方向位置に配設されたボルトＢ２によって固定されている。具体的には、図４に示すように、第２規制部材７０Ｂのボス７０Ｂａに挿通されて、外側部材６７の内周側端部６７ａに螺合したボルトＢ２によって、第２規制部材７０Ｂが外側部材６７に固定されており、この第２規制部材７０Ｂによって、図２の第２連結部材６１の前面が覆われている。内側部材６９は外側部材６７に対して軸方向にも移動可能であり、その軸方向位置は、第２規制部材７０Ｂと外側部材６７の外周側端部６７ａとにより規制されている。

第３連結部材６３は、その頭部６３ｃ寄りの基端部に設けられたねじ部６３ｂを有するねじ付きピンとして形成されている。外側部材６７の外周側端部６７ｂは、径方向外側に開口する環状の連結凹部を有しており、その前壁６７ｂａに第３連結部材６３のねじ部６３ｂが螺合し、後壁６７ｂｂに設けられた嵌合穴６７ｄに第３連結部材６３の先端側のピン部６３ａの先端部が嵌合している。図３（ｂ）に示すように、タービンノズル２５の連結フランジ部２５ａには、内側部材６９の内周側の係合部６９ｂａと同様の構造を有する係合部２５ａａが設けられており、タービンノズル２５の係合部２５ａａが第３連結部材６３のピン部６３ａに係合することにより、外側部材６７が、タービンノズル２５に対して周方向に相対移動不能に、かつ径方向に相対移動可能に連結されている。

なお、連結部材５９，６１，６３および係合部６９ａａ，６９ｂａ，２５ａａは、それぞれ、周方向に３箇所以上等間隔に設けられている。また、図２に示すように、ガスタービンエンジン１の組立時において、外側部材６７の外周側端部６７ｂと、タービンノズル２５の連結フランジ部２５ａの基部２５ｂとの間には、アダプタリング５７の径方向の膨張を吸収するための隙間７１が設けられている。また、タービンノズル２５の連結フランジ部２５ａには、外側部材６７との間をシールするシール部材７３が設けられている。

以下に、アダプタリング５７および第１段のタービン動翼３１の周辺のシール構造を詳しく説明する。図２に示すように、タービン動翼３１は、高圧タービンロータ１１Ｂを形成するロータディスク７５の外周部に植設されている。アダプタリング５７の内側部材６９の内部には、圧縮空気移送空間５５から、内側部材６９とロータディスク７５の間の内径側空間７７に、圧縮空気ＣＡの一部を冷却空気ＲＡとして導出する予旋回ノズル７９が設けられている。ロータディスク７５の、予旋回ノズル７９に対向する部分には、冷却空気ＲＡをロータディスク７５内部へ導入する冷却通路８１が設けられている。したがって、圧縮空気移送空間５５から内径側空間７７に導出された冷却空気ＲＡは、ロータディスク７５の外部および内部を冷却する。一方、アダプタリング５７の外側部材６７とロータディスク７５との間に形成される外径側空間８３には、回転部材である第１段のタービン動翼３１と非回転部材であるタービンノズル２５との隙間３３から、タービン７の燃焼ガス通路８４を通る高温の燃焼ガスＧの一部が漏れガスＬＧとして流入する。

アダプタリング５７の外側部材６７と内側部材６９との連結部分の後側には、前方に凹む環状の凹部８５が設けられている。一方、ロータディスク７５の前側の、凹部８５に対応する径方向位置には、高圧タービンロータ１１Ｂの軸方向に突出し、かつ周方向に延びる環状の突起部８７が設けられており、この突起部８７には、径方向外側と内側とにそれぞれ複数のラビリンス歯８９が突設されている。これら凹部８５と突起部８７とにより、突起部８７と外側部材６７との間の外側ラビリンスシール９１および突起部８７と内側部材６９との間の内側ラビリンスシール９３を有する、二重のラビリンスシール機構であるシール構造ＳＳが形成されている。このシール構造ＳＳにより、高温の漏れガスＬＧが流入する外径側空間８３と、冷却空気ＲＡが流入する内径側空間７７との間がシールされる。これにより、外径側空間８３内の漏れガスＬＧが内径側空間７７に侵入して冷却作用を低下させるのを防止できる。

なお、外側部材６７および内側部材６９の、突起部８７のラビリンス歯８９に対向する部分には、それぞれ、ニッケル−鉄合金からなるハニカム構造の摩耗部材９５が固定されている。これにより、ラビリンスシール機構であるシール構造ＳＳを形成する突起部８７の摩耗が抑制され、シール構造ＳＳの寿命が向上する。

アダプタリング５７の内側部材６９は、外側部材６７よりも熱膨張率の大きな材料により形成されている。内側部材６９と外側部材６７の熱膨張率の差は、２×１０^−６〜６×１０^−６／℃の範囲にあることが好ましく、３×１０^−６〜５×１０^−６／℃の範囲にあることがより好ましい。本実施形態では、内側部材６９を形成する材料としてＳＵＳ３２１のようなステンレス鋼を用い、外側部材６７を形成する材料としてＷＡＳＰＡＬＯＹ（登録商標）のようなＮｉ系耐熱合金を使用している。ＳＵＳ３２１の熱膨張率は、約１８×１０^−６／℃、ＷＡＳＰＡＬＯＹの熱膨張率は、約１４×１０^−６／℃であり、両者の差は、約４×１０^−６／℃である。

本実施形態に係るタービンロータのシール構造ＳＳによれば、アダプタリング５７の内側部材６９は、外側部材６７よりも熱膨張率の大きな材料で形成したので、シール構造ＳＳのシール性が向上する。すなわち、ガスタービンエンジン１の運転時に、熱膨張および遠心力によって、タービンロータ（高圧タービンロータ１１Ｂ）が径方向外側に膨張することに伴い、突起部８７が径方向外側に変位するが、外側部材６７は熱膨張による径方向外側への変位量が少ない。したがって、突起部８７の径方向外側部分と熱膨張率の小さい外側部材６７とによって、シール構造ＳＳの外側ラビリンスシール９１のシール性が確保される。他方、熱膨張率の大きい内側部材６９は、熱膨張によって径方向外側へ大きく変位することにより、突起部８７の変位に追随するので、シール構造ＳＳの内側ラビリンスシール９３のシール性が大幅に向上する。こうして、シール構造ＳＳ全体の軸方向寸法の増大をともなうことなく、シール構造ＳＳのシール性を向上させることができる。

例えば、本実施形態では、突起部８７の径方向外側と内側とに、ラビリンス歯８９をそれぞれ４つずつ設けているので、ラビリンス歯８９を径方向外側のみに４つ設けた場合と同等の軸方向寸法を維持しながら、ラビリンス歯８９を径方向外側のみに８つ設けた場合と同等のシール性を有している。なお、突起部８７の径方向外側および内側に設けるラビリンス歯８９の数は、適宜選択することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
１１Ｂ 高圧タービンロータ（タービンロータ）
５７ アダプタリング
６７ 外側部材
６９ 内側部材
８７ 突起部
９１ 外側ラビリンスシール
９３ 内側ラビリンスシール
ＳＳ シール構造

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンにおけるタービンロータのシール構造であって、
   タービンロータに設けられた突起部と、この突起部の径方向外側に配置され、径方向に変位可能に支持された外側部材と、前記突起部の径方向内側に配置され、径方向に変位可能に支持された内側部材とで形成されるラビリンスシールを含み、
   前記内側部材の熱膨張率が、前記外側部材の熱膨張率よりも大きく設定されている、
   タービンロータのシール構造。
2. 請求項１において、前記内側部材の熱膨張率と前記外側部材の熱膨張率との差が、２×１０^−６〜６×１０^−６／℃の範囲内にあるタービンロータのシール構造。
3. 請求項１または２において、前記外側部材の前記突起部に対向する部分に、摩耗部材が設けられているタービンロータのシール構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記内側部材の前記突起部に対向する部分に、摩耗部材が設けられているタービンロータのシール構造。

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