JP6189456B2 - ガスタービンエンジンにおけるプラットフォームの半径方向外側を向く面に溝を含むシールアセンブリ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、Ching-Pang Leeによる「SEAL ASSEMBLY INCLUDING GROOVES IN AN INNER SHROUD IN A GUS TURBINE ENGINE」という名称の、２０１３年１月２３日に出願された米国特許出願番号１３／７４７，８６８（代理人整理番号２０１２Ｐ１７９１２ＵＳ）の一部継続であり、その全開示はこの引用によって本明細書中に組み込まれる。

本発明は、概して、高温ガス流路とディスクキャビティとの間の漏れを制限するのを助けるための回転可能なブレードプラットフォームの半径方向外面に置かれた複数の溝を含む、ガスタービンエンジンで使用するためのシールアセンブリに関する。

ガスタービンエンジンなど多段回転機械では、流体、例えば吸入エアは、圧縮機セクションで圧縮され、燃焼セクションで燃料と混合される。エアと燃料のミクスチャは、タービンコンポーネントの回転運動を生み出すために、エンジンのタービンセクション内でタービンステージに導かれる高温作動ガスを形成する燃焼ガスを生成するために燃焼セクションにおいて点火される。タービンセクションおよび圧縮機セクションの両方は、高温作動ガスを圧縮しかつ膨張させるために、例えばブレードなどの回転可能なコンポーネントと協働する、例えばベーンなどの静止または非回転コンポーネントを有する。機械内の多くのコンポーネントは、コンポーネントの過熱を防止するために、冷却流体によって冷却される必要がある。

冷却流体を含む機械のディスクキャビティへの高温ガス流路からの高温作動ガスの取り込みは、例えば、より高いディスクおよびブレードルート温度をもたらすことによって、エンジンの性能および効率を低下させる。ディスクキャビティへの高温ガス流路からの作動ガスの取り込みはまた、寿命を低下させ、かつ／またはディスクキャビティ内およびその周囲のコンポーネントの損傷を引き起こすことがある。

本発明の第１の態様によれば、ディスクキャビティと、ガスタービンエンジンのタービンセクションを通って延びる高温ガス流路との間にシールアセンブリが提供される。このシールアセンブリは、複数のベーンおよびインナーシュラウドを含む静止ベーンアセンブリと、ベーンアセンブリの下流側の回転ブレードアセンブリであって、プラットフォーム上で支持され、かつ、エンジンの運転中に、タービンローターおよびプラットフォームと共に回転する複数のブレードを含む、回転ブレードアセンブリとを備える。プラットフォームは、半径方向外側を向く第１の面と、半径方向内側を向く第２の面と、タービンセクションの長手方向軸線によって規定される軸方向を向く第３の面と、第３の面内へと延在する複数の溝とを備える。溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが隣接する溝の間に形成されるように配置され、周方向はブレードアセンブリの回転方向に対応する。エンジンの運転中、溝は、ディスクキャビティからのパージエアを、このパージエアが高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向を基準として所望の方向に流れるように、高温ガス流路に向って誘導する。

本発明の第２の態様によれば、ディスクキャビティと、ガスタービンエンジンのタービンセクションを通って延びる高温ガス流路との間にシールアセンブリが提供される。当該シールアセンブリは、複数のベーンおよびインナーシュラウドを含む静止ベーンアセンブリと、ベーンアセンブリの下流側の回転ブレードアセンブリであって、プラットフォーム上で支持され、かつ、エンジンの運転中に、タービンローターおよびプラットフォームと共に回転する複数のブレードを含む、回転ブレードアセンブリとを備える。プラットフォームは、半径方向外側を向く第１の面と、半径方向内側を向く第２の面と、タービンセクションの長手方向軸線によって規定される軸方向を向く第３の面と、第３の面内へと延在する複数の溝とを備える。プラットフォームの第３の面は、プラットフォームの第３の面もまた半径方向を向くように、長手方向軸線に対してある角度でプラットフォームの第１の面から半径方向内側に延在する。上記溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが隣接する溝の間に形成されるように配置され、周方向はブレードアセンブリの回転方向に対応する。溝は、プラットフォームの第１の面から遠位に置かれたその入口が、プラットフォームの第１の面に隣接して置かれたその出口へと、入口が出口よりも幅広であるように先細化されている。エンジンの運転中、溝は、ディスクキャビティからのパージエアを、このパージエアが高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向と概ね整列させられるように、高温ガス流路に向って誘導し、この角度は、上流側のベーンアセンブリのベーンの少なくとも一つの後縁の出口角度と概ね平行である。

本発明の第３の態様によれば、ディスクキャビティと、ガスタービンエンジンのタービンセクションを通って延びる高温ガス流路との間にシールアセンブリが提供される。当該シールアセンブリは、静止ベーンアセンブリと、タービンローターと共に回転可能でありかつベーンアセンブリの下流側に配置されたブレードアセンブリと、を備える。ベーンアセンブリは、複数のベーンおよびインナーシュラウドを含む。インナーシュラウドは、半径方向外側を向く第１の面と、半径方向内側および軸方向下流側を向く第２の面であって、軸方向はタービンセクションの長手方向軸線によって規定される第２の面と、インナーシュラウドの第２の面内へと延在する複数のベーン溝とを備える。ベーン溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが隣接する溝の間に形成されるように配置され、周方向はタービンローターの回転方向に対応する。ブレードアセンブリはプラットフォーム上で支持された複数のブレードを含む。プラットフォームは、半径方向外側を向く第１の面と、半径方向内側を向く第２の面と、半径方向外側および軸方向上流側を向く第３の面と、プラットフォームの第３の面内へと延在する複数のブレード溝とを備える。ブレード溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが隣接する溝の間に形成されるように配置される。エンジンの運転中、ベーン溝およびブレード溝はそれぞれ、ディスクキャビティからのパージエアを、このパージエアが高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向を基準として所望の方向に流れるように、高温ガス流路に向って誘導する。

本明細書は、特に本発明を指摘しかつそれを明確に主張する特許請求の範囲で完結するが、本発明は図面（同様の参照番号は同様の要素を示す）と共に以下の詳細な説明からより良く理解される。

本発明の一実施形態に係るシールアセンブリを含むガスタービンエンジンにおけるタービンステージの一部分の概略断面図である。 図１のシールアセンブリの複数の溝の破断斜視図である。 図２に示す多数の溝の正面図である。 半径方向内向き方向に見た、図１に示すステージの断面図である。 本発明の別な実施形態に係るシールアセンブリを含むガスタービンエンジンにおけるタービンステージの一部分の概略断面図である。 図４のシールアセンブリの複数の溝の破断斜視図である。 図４に示す多数の溝の正面図である。 半径方向内向き方向に見た、図４に示すステージの断面図である。 図５と類似の図であり、本発明の別な実施形態に係るシールアセンブリを示している。 図６と類似の図であり、本発明の別な実施形態に係るシールアセンブリを示している。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付図面に対する参照がなされるが、この図面には、限定ではなく例示として、本発明を実施し得る特定の好ましい実施形態が示されている。別な実施形態が採用されてもよく、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく変更が施されてもよいことを理解されたい。

図１を参照すると、タービンエンジン１０の一部が大まかに示されており、これは、アウターケーシング（図示せず）から懸架されかつ環状インナーシュラウド１６に対して固定された複数のベーン１４を含む静止ベーンアセンブリ１２と、複数のブレード２０およびタービンローター２４の一部を形成するローターディスク構造体２２を含むブレードアセンブリ１８とを含む。ベーンアセンブリ１２およびブレードアセンブリ１８は、全体として、本明細書では、エンジン１０のタービンセクション２６の「ステージ」と呼ぶことができるが、それは、当業者には明らかであるように複数のステージを含み得る。ベーンアセンブリ１２およびブレードアセンブリ１８は、エンジン１０の長手方向軸線Ｌ_Ａを規定する軸方向に互いに離間されており、図１に示すベーンアセンブリ１２は、タービンセクション２６の入口２６Ａおよび出口２６Ｂに関して図示するブレードアセンブリ１８から上流に存在する（図１および図３参照）。

ローターディスク構造体２２は、プラットフォーム２８、ブレードディスク３０、そしてエンジン１０の運転中にローター２４と共に回転するブレードアセンブリ１８と関連付けられたその他の構造体、例えば、ルート、サイドプレート、シャンクなどを含んでいてもよい。

ベーン１４およびブレード２０は、タービンセクション２６内に形成された環状高温ガス流路３４内へと延びている。高温燃焼ガスを含む作動ガスＨ_Ｇ（図３参照）は、エンジン１０の運転中、高温ガス流路３４を通って導かれ、そしてベーン１４およびブレード２０を経て、残るステージへと流れる。高温ガス流路３４を作動ガスＨ_Ｇが通過することによって、ブレード２０の回転が引き起こされ、そして対応するブレードアセンブリ１８がタービンローター２４を回転させる。

図１を参照すると、ディスクキャビティ３６が、環状インナーシュラウド１６とローターディスク構造体２２との間に、高温ガス流路３４から半径方向内内側に配置されている。例えば圧縮機吐出エアなどのパージエアＰ_Ａが、インナーシュラウド１６およびローターディスク構造体２２を冷却するために、ディスクキャビティ３６内に提供される。パージエアＰ_Ａはまた、ディスクキャビティ３６内への作動ガスＨ_Ｇの流れに対抗するために、高温ガス流路３４を通って流れる作動ガスＨ_Ｇの圧力に対する圧力バランスを実現する。パージエアＰ_Ａは、ローター２４を通るように形成された冷却通路（図示せず）から、かつ／または必要に応じてその他の上流側通路（図示せず）からディスクキャビティ３６へと提供できる。通常は、残りのインナーシュラウド１６と、対応する隣接ローターディスク構造体２２との間に、さらなるディスクキャビティ（図示せず）が設けられることに留意されたい。

図１ないし図３に示すように、図示の実施形態におけるインナーシュラウド１６は、そこからベーン１４が延在する、概ね半径方向を向いて延在する第１の面４０を備える。図示の実施形態における第１の面４０は、インナーシュラウド１６の軸方向上流側端部４２から、軸方向下流側端部４４へと延在する（図２および図３参照）。インナーシュラウド１６はさらに、隣接するブレードアセンブリ１８から離れるように、インナーシュラウド１６の軸方向下流側端部４４からインナーシュラウド１６の概ね軸方向に面する第３の面４８へと延在する半径方向内側かつ軸方向下流側を向く第２の面４６を備える（図１および図２参照）。図示の実施形態におけるインナーシュラウド１６の第２の面４６は、長手方向軸線Ｌ_Ａに平行な直線Ｌ１に対して角度βで下流側端部４４から延在し、すなわち第２の面４６もまた長手方向軸線Ｌ_Ａに対して角度βで下流側端部４４から延在し、この角度βは好ましくは約３０〜６０°であり、図示する実施形態では約４５°である（図１参照）。第３の面４８は、第２の面４６から半径方向内側に延在し、かつ、隣接するブレードアセンブリ１８のローターディスク構造体２２に面している。

インナーシュラウド１６およびローターディスク構造体２２のコンポーネントは、各ベーン１４およびブレード２０から半径方向内側で、高温ガス流路３４とディスクキャビティ３６との間に環状シールアセンブリ５０を形成するように協働する。環状シールアセンブリ５０は、高温ガス流路３４からディスクキャビティ３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みを防止するのを助け、そして、以下で説明するように、高温ガス流路３４を通る作動ガスＨ_Ｇの流動方向を基準として所望の方向にディスクキャビティ３６からパージエアＰ_Ａの一部を供給する。ここで説明したものと類似の付加的なシールアセンブリ５０が、高温ガス流路３４から各ディスクキャビティ３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みを防止するのを助けるために、そして、以下で説明するように、高温ガス流路３４を通る作動ガスＨ_Ｇの流動方向を基準として所望の方向にディスクキャビティ３６からパージエアＰ_Ａを供給するために、エンジン１０の残りのステージのインナーシュラウド１６と隣接ローターディスク構造体２２との間に設けられてもよいことに留意されたい。

図１ないし図３に示すように、シールアセンブリ５０は、ベーンおよびブレードアセンブリ１２，１８の一部分を含む。特に、図示の実施形態では、シールアセンブリ５０は、インナーシュラウド１６の第２および第３の面４６，４８と、ローターディスク構造体２２のプラットフォーム２８の軸方向上流側端部２８Ａとを備える。これらのコンポーネントは、ディスクキャビティ３６からのパージエアＰ_Ａのための出口５２を画定するように協働する（図１および図３参照）。

シールアセンブリ５０はさらに、本明細書ではベーン溝とも呼ばれる複数の溝６０を備え、この溝６０は、インナーシュラウド１６の第２および第３の面４６，４８内へと延在する。溝６０は、周方向にコンポーネントを有するスペース６２が隣接溝６０間に形成されるように配置される（図２および図３参照）。スペース６２のサイズは、エンジン１０の特定の構成に応じて変更可能であり、かつ、溝６０からのパージエアＰ_Ａの放出を微調整するために選択可能であり、溝６０からのパージエアＰ_Ａの放出については、以下でさらに詳しく説明する。

図２に最も明瞭に示すように、溝６０の入口６４は、高温ガス流路３４に向けて放出されるべきディスクキャビティ３６からのパージエアＰ_Ａが溝６０に入る場合、その第３の面４８におけるインナーシュラウド１６の軸方向端部４４から遠位に配置され、かつ、溝６０のアウトレットすなわち出口６６は、パージエアＰ_Ａが溝６０から放出される場合、その第２の面４６におけるインナーシュラウド１６の軸方向端部４４に近接して配置される。図２Ａを参照すると、溝６０は、好ましくは、入口６４の幅Ｗ_１が出口６６の幅Ｗ_２よりも広いように、その入口６４からその出口６６へと先細化されており、ここで、幅Ｗ_１，Ｗ_２は、各溝を通過するパージエアＰ_Ａの一般的な流れの方向に対して略垂直な方向において溝６０を画定するインナーシュラウド１６の対向する側壁Ｓ_Ｗ１，Ｓ_Ｗ２間でそれぞれ測定されたものである。こうした溝６０の先細化は、以下で説明するように、ディスクキャビティ３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みをより効果的に防止するために、溝６０からのパージエアＰ_Ａのより集中しかつ影響力のある放出を実現すると考えられる。

図３に示すように、溝６０はまた、好ましくは、その入口６４が、タービンローター２４の回転方向Ｄ_Ｒに関して、その出口６６から上流側に配置されるように、周方向に傾斜しかつ／または湾曲している。こうした溝６０の傾斜および／または湾曲は、パージエアＰ_Ａが高温ガス流路３４を通過する作動ガスの流れに関して所望の方向に流れるように、ディスクキャビティ３６から溝６０を出て高温ガス流路３４に向うパージエアＰ_Ａの誘導を実現する。特に、本発明のこの態様に係る溝６０は、パージエアＰ_Ａの流れの方向が、高温ガス流路３４の対応する軸方向位置において、作動ガスＨ_Ｇの流れの方向と共に概ね整列させられるように、ディスクキャビティ３６からのパージエアＰ_Ａを誘導するが、高温ガス流路３４の対応する軸方向位置での作動ガスＨ_Ｇの流れの方向は、概して、ベーン１４の後縁１４Ａの出口角度と平行である。

図１ないし図３を参照すると、シールアセンブリ５０はさらに、その第３の面４８からブレードアセンブリ１８のブレードディスク３０に向かって延在するインナーシュラウド１６の概ね軸方向に延在するシール構造体７０を備える。図１および図３に示すように、シール構造体７０の軸方向端部７０Ａは、ブレードアセンブリ１８のブレードディスク３０に非常に近接している。シール構造体７０は、インナーシュラウド１６の一体部分として形成されてもよく、あるいは、インナーシュラウド１６と別個に形成され、それに対して取り付けられてもよい。図１に示すように、シール構造体７０は、好ましくは、ディスクキャビティ３６内への高温ガス流路３４からの取り込みが蛇行経路を経て移動しなければならないように、プラットフォーム２８の上流側端部２８Ａとオーバーラップする。

エンジン１０の運転中、高温ガス流路３４を高温作動ガスＨ_Ｇが通過することによって、ブレードアセンブリ１８およびタービンローター２４は、図３に示す回転方向Ｄ_Ｒに回転させられる。

ディスクキャビティ３６と高温ガス流路３４との圧力差（ディスクキャビティ３６内の圧力は高温ガス流路３４内の圧力よりも高い）は、ディスクキャビティ３６内に置かれたパージエアＰ_Ａを高温ガス流路３４に向って流動させる（図１参照）。パージエアＰ_Ａがインナーシュラウド３６の第３の面４８に到達するとき、パージエアＰ_Ａの一部は溝６０の入口６４に流入する。パージエアＰ_Ａのこの部分は溝６０を通って半径方向外向きに流れ、続いて、インナーシュラウド１６の第２の面４６内の溝６０の一部に到達すると、パージエアＰ_Ａは、隣接するブレードアセンブリ１８に向かって溝６０内で半径方向外向きおよび軸方向に流れる。上述したような溝の傾斜および／または湾曲によって、作動ガスＨ_Ｇがベーン１４の後縁１４Ａを出た後に流動しているときと概して同じ方向にパージエアＰ_Ａが溝６０から放出されるように、パージエアＰ_Ａは周方向の速度成分を備える（図３参照）。

溝６０からのパージエアＰ_Ａの放出は、強制的に作動ガスＨ_Ｇをシールアセンブリ５０から離すことによって、高温ガス流路３４からディスクキャビティ３６内への高温作動ガスＨ_Ｇの取り込みを制限するのを助ける。シールアセンブリ５０が、高温ガス流路３４からディスクキャビティ３６内への高温作動ガスＨ_Ｇの取り込みを制限するので、シールアセンブリ５０は、より少ない量のパージエアＰ_Ａがディスクキャビティ３６に提供されることを可能とし、これによってエンジン効率が増大する。

さらに、パージエアＰ_Ａは、ベーン１４の後縁１４Ａを出た後に作動ガスＨ_Ｇが高温ガス流路３４を通って流れるときと概して同じ方向にパージエアＰ_Ａが溝６０から放出されるので、作動ガスＨ_Ｇと混じり合うパージエアＰ_Ａと関連付けられた圧力損失は僅かであり、したがってエンジン効率がさらに増大する。これは特に本発明の溝６０によって実現される。というのは、それらが、溝６０が周方向に傾斜および／または湾曲させられた結果として、ベーン１４の後縁１４Ａを出た後の高温作動ガスＨ_Ｇの流れと略同じ周方向に溝６０からパージエアＰ_Ａが放出されることに加えて、溝６０から放出されたパージエアＰ_Ａが高温ガス流路３４を通る高温作動ガスＨ_Ｇの下流側流動方向に軸方向に流れるように、インナーシュラウド１６の下流側端部４４に形成されるからである。インナーシュラウド１６に形成された溝６０は、したがって、プラットフォーム２８の上流側端部２８Ａにそれらが形成された場合よりも、作動ガスＨ_Ｇと混じり合うパージエアＰ_Ａと関連付けられる低い圧力損失を提供すると考えられる。というのは、プラットフォーム２８の上流側端部２８Ａに形成された溝から放出されるパージエアは、高温ガス流路３４を通る高温作動ガスＨ_Ｇの流動方向に関して上流側に軸方向に流れ、これによって混合と関連付けられた大きな圧力損失を生じるからである。

溝６０の角度および／または湾曲は、溝６０からのパージエアＰ_Ａの放出方向を微調整するために変化させることができることに留意されたい。これは、ベーン１４の後縁１４Ａの出口角に基づいて、かつ／または高温ガス流路３４を通って流れる作動ガスＨ_Ｇと混じり合うパージエアＰ_Ａと関連付けられた圧力損失の程度を変化させるために、望ましいであろう。

さらに、溝６０の入口６４は、インナーシュラウド１６の第３の面４８に、さらに半径方向内側にまたは外側に配置されてもよく、あるいは入口６４は、溝６０の全体がインナーシュラウド１６の第２の面４６に配置されるようにインナーシュラウド１６の第２の面４６に配置されてもよい。

最後に、本明細書で説明する溝６０は、好ましくは、インナーシュラウド１６と共に鋳造され、あるいはインナーシュラウド１６に機械加工される。したがって、溝６０の製造の構造的完全性および複雑さは、インナーシュラウド１６と別個に形成されかつそれに固定されたリブに対して改善されると考えらる。

図４を参照するとタービンエンジン１１０の一部が示されているが、図１ないし図３を参照して先に説明したものと同様の構造体は、１００だけ増えた同じ参照数字を含む。エンジン１００が大まかに示されており、それは、アウターケーシング（図示せず）から懸架されかつ環状インナーシュラウド１１６に固定された複数のベーン１１４を含む静止ベーンアセンブリ１１２と、ベーンアセンブリ１１２から下流側にあって複数のブレード１２０およびタービンローター１２４の一部を形成するローターディスク構造体１２２を含むブレードアセンブリ１１８とを含む。ベーンアセンブリ１１２およびブレードアセンブリ１１８は、本明細書では、まとめて、エンジン１１０のタービンセクション１２６の「ステージ」と呼ぶことができるが、このタービンセクション１２６は、当業者には明らかであるように、複数のステージを含むことができる。ベーンアセンブリ１１２およびブレードアセンブリ１１８は、エンジン１１０の長手方向軸線Ｌ_Ａを規定する軸方向に互いに離間させられており、ここで、図４に示すベーンアセンブリ１１２は、タービンセクション１２６のインレット１２６Ａおよびアウトレット１２６Ｂに対して図示するブレードアセンブリ１１８から上流側に存在する（図４および図６参照）。

ローターディスク構造体１２２は、プラットフォーム１２８、ブレードディスク１３０、および、例えばルート、サイドプレート、シャンク等の、エンジン１０の運転中にローター１２４と共に回転するブレードアセンブリ１１８と関連付けられた、その他の構造体を備える（図４参照）。

ベーン１１４およびブレード１２０は、タービンセクション１２６内に画定される環状の高温ガス流路１３４内へと延在する。高温の燃焼ガスを含む作動ガスＨ_Ｇ（図６参照）は、エンジン１０の運転中、高温ガス流路１３４を通って誘導され、そして残余のステージへとベーン１１４およびブレード１２０を通過して流れる。高温ガス流路１３４を作動ガスＨ_Ｇが通過することによってブレード１２０および対応するブレードアセンブリ１１８の回転が引き起こされ、タービンローター１２４の回転が生じる。

図４に示すように、ディスクキャビティ１３６は、環状インナーシュラウド１１６とローターディスク構造体１２２との間で高温ガス流路１３４から半径方向内側に配置される。例えば圧縮機放出エアのようなパージエアＰ_Ａは、インナーシュラウド１１６およびローターディスク構造体を冷却するためにディスクキャビティ１３６内に供給される。パージエアＰ_Ａはまた、ディスクキャビティ１３６内への作動ガスＨ_Ｇの流入に対抗するために高温ガス流路１３４を通って流れる作動ガスＨ_Ｇの圧力に対する圧力バランスを提供する。パージエアＰ_Ａはまた、ローター１２４を通って形成された冷却流路（図示せず）から、かつ／または必要に応じてその他の上流側流路からディスクキャビティ１３６に提供されてもよい。通常は、付加的なディスクキャビティ（図示せず）が、残りのインナーシュラウド１１６と、対応する隣接ローターディスク構造体１２２との間に設けられることに留意されたい。

図４ないし図６を参照すると、図示のプラットフォーム１２８は、そこからブレード１２０が延在する概ね半径方向外側を向く第１の面１３８を備える。図示の実施形態における第１の面１３８は、プラットフォーム１２８の軸方向上流側端部１４０から軸方向下流側端部１４２へと延在する（図５および図６参照）。

プラットフォーム１２８はさらに、隣接ベーンアセンブリ１１２から離れるように、プラットフォーム１２８の軸方向上流側端部１４０から延在する半径方向内側を向く第２の面１４４を備える（図４、図５および図５Ａ参照）。

プラットフォーム１２８の軸方向上流側端部１４０は、半径方向外側および軸方向上流側を向く第３の面１４６と、この第３の面１４６から第２の面１４４へと延在すると共に隣接ベーンアセンブリ１１２のインナーシュラウドに面する略軸方向を向く第４の面１４８とを備える。図示する実施形態におけるプラットフォーム１２８の第３の面１４６は、長手方向軸線Ｌ_Ａと平行な線Ｌ_２に対して角度θで第１の面１３８から延在するが、この角度θは、好ましくは約３０〜６０°であり、図示の実施形態では約４５°である（図４参照）。

プラットフォーム１２８および隣接するインナーシュラウド１１６のコンポーネントは、それぞれのブレード１２０およびベーン１１４から半径方向内側で、高温ガス流路１３４とディスクキャビティ１３６との間に環状シールアセンブリ１５０を形成するように協働する。環状シールアセンブリ１５０は、高温ガス流路１３４からディスクキャビティ１３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みを防止するのを助け、そして、本明細書で説明するように、高温ガス流路１３４を通る作動ガスＨ_Ｇの流動方向を基準として所望の方向にディスクキャビティ１３６からパージエアＰ_Ａの一部を提供する。本明細書で説明したものと類似の付加的なシールアセンブリ１５０が、高温ガス流路１３４からディスクキャビティ１３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みを防止するのを助け、そして、本明細書で説明するように、高温ガス流路１３４を通る作動ガスＨ_Ｇの流動方向を基準として所望の方向にディスクキャビティ１３６からパージエアＰ_Ａの一部を提供するために、エンジン１１０の残りのステージのプラットフォーム１２８と、隣接するインナーシュラウド１１６との間に設けられてもよいことに留意されたい。

図４ないし図６に示すように、シールアセンブリ１５０はベーンおよびブレードアセンブリ１１２，１１８の一部を備える。特に、図示された実施形態において、シールアセンブリ１５０は、プラットフォーム１２８の第３および第４の面１４６，１４８、ならびに隣接ベーンアセンブリ１１２のインナーシュラウド１１６の軸方向下流側端部１１６Ａを備える。これらのコンポーネントは、ディスクキャビティ１３６からのパージエアＰ_Ａのためのアウトレット１５２を画定するように協働する（図４および図６参照）。

シールアセンブリ１５０はさらに、プラットフォーム１２８の第３および第４の面１４６，１４８内に延在する、本明細書ではブレード溝とも呼ばれる複数の溝１６０を備える。溝１６０は、タービンローター１２４およびローターディスク構造体１２２の回転方向Ｄ_Ｒによって規定される周方向にコンポーネントを有するスペース１６２が、隣接する溝１６０間に形成されるように配置される（図５、図５Ａおよび図６参照）。スペース１６２のサイズは、エンジン１１０の特定のサイズに応じて変更可能であり、そして溝１６０からのパージエアＰ_Ａの放出を微調整するために選択可能であり、溝１６０からのパージエアＰ_Ａの放出については以下でさらに詳しく説明する。

図５Ａに最も明瞭に示すように、溝１６０の入口１６４（ここで、高温ガス流路１３４に向けて放出されるべきディスクキャビティ１３６からのパージエアＰ_Ａが溝１６０に入る）は、プラットフォーム１２８の第１の面１３８から遠位にあるプラットフォーム１２８の第４の面１４８に配置される。溝１６０のアウトレットすなわち出口１６６（ここでパージエアＰ_Ａは溝１６０から放出される）は、その第３の面１４６においてプラットフォーム１２８の第１の面１３８に対して近接して配置される。溝１６０は、好ましくは、溝入口１６４の幅Ｗ_１が溝出口１６６の幅Ｗ_２よりも広いように、その入口１６４からその出口１６６へと先細化されており、ここで、Ｗ_１，Ｗ_２は、それぞれの溝１６０を通過するパージエアＰ_Ａの一般的な流動方向に対して略垂直な方向を基準として、溝１６０を形成するプラットフォーム１２８の対向する側壁Ｓ_Ｗ１，Ｓ_Ｗ２間でそれぞれ測定されたものである。こうした溝１６０の先細化は、本明細書で説明するように、ディスクキャビティ１３６内への作動ガスＨ_Ｇの取り込みをより効果的に防止するように、溝１６０からのパージエアＰ_Ａのより集中しかつ有効な放出を実現すると考えられる。

さらに、依然として図５Ａを参照すると、隣接する溝入口１６４間の円周方向間隔Ｃ_ＳＥは、その側壁中間点Ｍ_Ｐにおいて各溝１６０の周方向幅Ｗ_３よりも小さく、かつ、隣接する溝アウトレット１６６間の円周方向間隔Ｃ_ＳＯは、その側壁中間点Ｍ_Ｐにおいて各溝１６０の周方向幅Ｗ_３よりも大きい。溝１６０のこれらの寸法は、溝１６０からの改善されたパージエアＰ_Ａ流性能を提供すると考えられるが、これについては以下でさらに説明する。

図５を参照すると、溝１６０はまた、好ましくは、その入口１６４の少なくとも一部が、タービンローター１２４およびローターディスク構造体１２２の回転方向Ｄ_Ｒを基準として、その出口１６６の少なくとも一部から下流側に配置されるように、周方向に傾斜かつ／または湾曲させられる。こうした溝１６０の傾斜および／または湾曲は、パージエアＰ_Ａが高温ガス流路１３４を通る作動ガスＨ_Ｇの流れを基準にして所望の方向に流れるように、ディスクキャビティ１３６から溝１６０を出て高温ガス流路１３４に向かうパージエアＰ_Ａの誘導をもたらす。特に、本発明の態様に係る溝１６０は、パージエアＰ_Ａの流動方向が、概して、高温ガス流路１３４の対応する軸方向位置において作動ガスＨ_Ｇの流動方向と整列させられるように、ディスクキャビティ１３６からのパージエアＰ_Ａを誘導するが、高温ガス流路１３４の対応する軸方向位置における作動ガスＨ_Ｇの流動方向は、概して、ベーン１１４の後縁１１４Ａの出口角度と平行である（図６参照）。

図４および図６に示すように、シールアセンブリ１５０はさらに、ブレードアセンブリ１１８のブレードディスク１３０に向って延在するインナーシュラウド１１６の略軸方向に延在するシール構造体１７０を備える。シール構造体１７０の軸方向端部１７０Ａは、好ましくは、シール構造体１７０がプラットフォーム１２８の上流側端部１４０とオーバーラップするように、ブレードアセンブリ１１８のブレードディスク１３０のごく近傍に存在する。そうした形態は、最終的に溝１６０を通って高温ガス流路１３４内へと流れる冷却流体の量を制御／制限し、また、シール構造体１７０の内側に置かれたディスクキャビティ１３６の一部内への作動ガスＨ_Ｇの取り込み量を制限し、すなわち高温ガス流路１３４からディスクキャビティ１３６内へ取り込まれた作動ガスＨ_Ｇは曲がりくねった経路を通って移動しなければならない。シール構造体１７０はインナーシュラウド１１６の一体部分として形成されてもよく、あるいはインナーシュラウド１１６とは別に形成され、それに対して取り付けられてもよい。

エンジン１０の運転中、高温ガス流路１３４を高温作動ガスＨ_Ｇが通過することによって、ブレードアセンブリ１１８およびタービンローター１２４は、図５および図６に示す回転方向Ｄ_Ｒに回転させられる。

ディスクキャビティ１３６と高温ガス流路１３４との間の圧力差（すなわちディスクキャビティ１３６内の圧力は高温ガス流路１３４内の圧力よりも高い）によって、ディスクキャビティ１３６内に位置するパージエアＰ_Ａは高温ガス流路１３４に向って流動させられる（図４参照）。パージエアＰ_Ａがプラットフォーム１２８の第４の面１４８に到達するとき、パージエアＰ_Ａの一部は溝１６０の入口１６４に流入する。パージエアＰＡのこの部分は溝１６０を通って半径方向外側に流れ、そして、その後、プラットフォーム１２８の第３の面１４６内の溝１６０の一部に到達したとき、パージエアＰ_Ａは、隣接する上流側ベーンアセンブリ１１２から離れるように溝１６０内で半径方向外側にかつ軸方向に流れる。回転方向Ｄ_Ｒへのタービンローター１２４およびローターディスク構造体１２２と一緒になった溝１６０の回転と組み合わされた上述したような溝の傾斜および／または湾曲によって、パージエアＰ_Ａが、作動ガスＨ_Ｇが上流側ベーン１１４の後縁１１４Ａを出た後に流動しているのと概ね同じ方向に溝１６０から放出されるように、パージエアＰ_Ａは周方向速度成分を備える（図６参照）。

溝１６０からのパージエアＰ_Ａの放出は、シールアセンブリ１５０から離れるように作動ガスＨ_Ｇを押しやることによって、高温ガス流路１３４からディスクキャビティ１３６内への高温作動ガスＨ_Ｇの取り込みを制限するのを助ける。シールアセンブリ１５０がディスクキャビティ１３６内への高温ガス流路１３４からの作動ガスＨ_Ｇの取り込みを制限するので、シールアセンブリ１５０は、より少量のパージエアＰ_Ａがディスクキャビティ１３６へと供給されることを可能とし、すなわちディスクキャビティ１３６内のパージエアＰ_Ａの温度はディスクキャビティ１３６内に入る大量の作動ガスＨ_Ｇによって実質的に上昇しないので、エンジン効率が増大する。

さらに、パージエアＰ_Ａは、作動ガスＨ_Ｇが、上流ベーンの１１４の後縁１１４Ａを出た後に高温ガス流路１３４を通って流れるのと概ね同じ方向に溝１６０から放出されるので、作動ガスＨ_Ｇと混ざり合うパージエアＰ_Ａと関連付けられた圧力損失は僅かであり、したがって、さらにエンジン効率が増大する。これは、特に本発明の溝１６０によって実現される。というのは、それらは、溝１６０がタービンローター１２４およびローターディスク構造体１２２と共に回転しかつ周方向に傾斜および／または湾曲させられた結果として、パージエアＰ_Ａが上流ベーンの１１４の後縁１１４Ａを出た後の高温ガス流路１３４の流れと概ね同じ周方向に溝１６０から放出されるのに加えて、溝１６０から放出されたパージエアＰ_Ａが高温ガス流路１３４を経て高温作動ガスＨ_Ｇの下流側流動方向に軸方向に流れるように、プラットフォーム１２８の上流側端部１４０の傾斜した第３の面１４６に形成されるからである。

溝１６０の傾斜および／または湾曲は、溝１６０からのパッケージングＰ_Ａの放出方向を微調整するために変更可能であることに留意されたい。これは、ベーン１１４の後縁１１４Ａの出口角度に基づいて、かつ／または、パージエアＰ_Ａは高温ガス流路１３４を通って流れる作動ガスＨ_Ｇと混ざり合うパージエアＰ_Ａと関連付けられた圧力損失の量を変化させるために好ましいであろう。

溝１６０の入口１６４はプラットフォーム１２８の第４の面１４８において、さらに半径方向内側にまたは外側に配置することができ、あるいは入口１６４は、溝１６０の全体がプラットフォーム１２８の第３の面１４６に配置されるであろうようにプラットフォーム１２８の第３の面１４６に配置することができることに留意されたい。

本明細書で説明した溝１６０は、好ましくは、プラットフォーム１２８と共に鋳造され、あるいはプラットフォーム１２８に機械加工される。したがって、溝１６０の製造の構造的完全性および複雑性は、プラットフォーム１２８とは別個に形成されかつそれに対して取り付けられるリブに対して改善されると考えられる。

図７を参照すると、本発明のさらなる態様に係るシールアセンブリ２００が図示されており、ここで、図４ないし図６を参照して説明したものと類似の構造体は、１００だけ増加した同じ参照番号を含む。この実施形態では、ブレードプラットフォーム２２８に形成された溝２６０は対向する第１および第２の側壁Ｓ_Ｗ１，Ｓ_Ｗ２によって形成され、第１の側壁Ｓ_Ｗ１は、概して半径方向に延在しかつ円周方向を向く壁を備え、かつ、第２の側壁Ｓ_Ｗ２は軸方向および周方向を向く概して半径方向に延在する壁を備える。この実施形態に係る側壁Ｓ_Ｗ１，Ｓ_Ｗ２は略直線状であり、したがって、それ自体、周方向速度成分を備えた溝２６０から出るパージエアＰ_Ａを提供しないが、プラットフォーム２２８を含むブレードアセンブリ２１８は、図４ないし図６を参照して説明したように、運転中、回転方向Ｄ_Ｒに回転するので、溝２６０から出るパージエアＰ_Ａは、それにもかかわらず、回転方向Ｄ_Ｒへのブレードアセンブリ２１８と一緒になった溝２６０の回転によって引き起こされる周速度成分を含む。したがって、本発明のこの態様に係る溝２６０から出るパージエアＰ_Ａは、高温作動ガスが高温ガス流路２３４に沿って移動するのと概ね同じ方向に流れる。

図８を参照すると、本発明のさらなる態様に係るシールアセンブリ３００が示されている。図８に示すシールアセンブリ３００は、静止ベーンアセンブリ３０６のインナーシュラウド３０４に配置された第１の溝３０２（本明細書ではベーン溝とも呼ばれる）と、回転ブレードアセンブリ３１２のプラットフォーム３１０に配置された第２の溝３０８（本明細書ではブレード溝とも呼ばれる）とを含む。第１の溝３０２は、図１ないし図３を参照して説明した溝６０と実質的に類似していてもよく、第２の溝３０８は、図４ないし図６を参照して説明した溝１６０と実質的に類似していてもよい。本発明のこの態様に係るシールアセンブリ３００は、シールアセンブリ３００と関連付けられたディスクキャビティ３１６内への高温ガス流路３１４からの作動ガスＨ_Ｇの取り込みをさらに制限することが可能であり、これによって、さらに少ない量のパージエアＰ_Ａのディスクキャビティ３１６への供給が可能となり、これによってさらにエンジン効率が増大する。

本発明の特定の実施形態を例示し説明してきたが、その他のさまざまな変更および改変を本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなし得ることは当業者には明白であろう。したがって、特許請求の範囲に本発明の範囲内にある全てのそうした変更および改変を包含することが意図される。

１０ タービンエンジン
１２ 静止ベーンアセンブリ
１４ ベーン
１６ 環状インナーシュラウド
１８ ブレードアセンブリ
２０ ブレード
２２ ローターディスク構造体
２４ タービンローター
２６ タービンセクション
２８ プラットフォーム
２８Ａ 軸方向上流側端部
３０ ブレードディスク
３４ 高温ガス流路
３６ ディスクキャビティ
４０ 第１の面
４２ 軸方向上流側端部
４４ 軸方向下流側端部
４６ 第２の面
４８ 第３の面
５０ シールアセンブリ
５２ 出口
６０ 溝
６２ スペース
６４ 入口
６６ 出口
７０ シール構造体
７０Ａ 軸方向端部
１１０ エンジン
１１２ ベーンアセンブリ
１１４ 上流側ベーン
１１４Ａ 後縁
１１６ 環状インナーシュラウド
１１６Ａ 軸方向下流側端部
１１８ ブレードアセンブリ
１２０ ブレード
１２２ ローターディスク構造体
１２４ タービンローター
１２６ タービンセクション
１２６Ａ インレット
１２６Ｂ アウトレット
１２８ プラットフォーム
１３０ ブレードディスク
１３４ 高温ガス流路
１３６ ディスクキャビティ
１３８ 第１の面
１４０ 軸方向上流側端部
１４２ 軸方向下流側端部
１４４ 第２の面
１４６ 第３の面
１４８ 第４の面
１５０ シールアセンブリ
１５２ 出口
１６０ 溝
１６２ スペース
１６４ 入口
１６６ 溝出口
１７０ シール構造体
１７０Ａ 軸方向端部
２００ シールアセンブリ
２１８ ブレードアセンブリ
２２８ ブレードプラットフォーム
２３４ 高温ガス流路
２６０ 溝
３００ シールアセンブリ
３０２ 第１の溝
３０４ インナーシュラウド
３０６ 静止ベーンアセンブリ
３０８ 第２の溝
３１０ プラットフォーム
３１２ 回転ブレードアセンブリ
３１４ 高温ガス流路
３１６ ディスクキャビティ

Claims (18)

1. ディスクキャビティと、ガスタービンエンジンのタービンセクションを通って延びる高温ガス流路との間のシールアセンブリであって、
   複数のベーンおよびインナーシュラウドを含む静止ベーンアセンブリと、
   前記静止ベーンアセンブリの下流側の回転ブレードアセンブリであって、プラットフォーム上で支持され、かつ、前記ガスタービンエンジンの運転中に、タービンローターおよび前記プラットフォームと共に回転する複数のブレードを含む、回転ブレードアセンブリと、を備え、
   前記プラットフォームは、
   半径方向外側を向く第１の面と、
   半径方向内側を向く第２の面と、
   前記タービンセクションの長手方向軸線によって規定される軸方向を向く第３の面と、
   前記第３の面内へと延在する複数の溝であって、前記溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが、隣接する溝の間に形成されるように配置され、前記周方向は前記回転ブレードアセンブリの回転方向に対応する、溝と、を備え、
   前記ガスタービンエンジンの運転中、前記溝は、前記ディスクキャビティからのパージエアを、このパージエアが前記高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向を基準として所望の方向に流れるように、前記高温ガス流路に向って誘導し、
   前記溝は、前記プラットフォームの前記第１の面から遠位に置かれたその入口から、前記プラットフォームの前記第１の面に隣接して置かれたその出口へと、前記入口が前記出口よりも幅広であるように先細化されている、シールアセンブリ。
2. 前記プラットフォームの前記第３の面は、前記プラットフォームの前記第３の面もまた半径方向を向くように、前記長手方向軸線に対して、ある角度をなして前記プラットフォームの前記第１の面から半径方向内側に延在する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
3. 前記プラットフォームの前記第３の面は、前記長手方向軸線に対して、３０°ないし６０°の角度で、前記プラットフォームの前記第１の面から半径方向内側に延在する、請求項２に記載のシールアセンブリ。
4. 隣接する溝の入口間の円周方向の間隔は、各対応する溝の側壁の中間点での前記溝の周方向幅よりも小さく、かつ、隣接する溝の出口間の円周方向の間隔は、各対応する溝の前記側壁の中間点での前記溝の前記周方向幅よりも大きい、請求項１に記載のシールアセンブリ。
5. 前記溝は、前記プラットフォームの前記第１の面から遠位に置かれたその入口が前記回転ブレードアセンブリの前記回転方向に関して前記プラットフォームの前記第１の面に隣接して置かれたその出口から下流側に配置されるように、前記周方向に、少なくとも傾斜するかあるいは湾曲している、請求項１に記載のシールアセンブリ。
6. 前記溝は、前記パージエアの流れの方向が、上流側の前記静止ベーンアセンブリの前記ベーンの少なくとも一つの後縁の出口角度と平行である、前記高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向と整列させられるように前記パージエアを案内する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
7. 前記プラットフォームはさらに、前記第３の面から半径方向内側に延在すると共に隣接する上流側の前記静止ベーンアセンブリに面する、軸方向を向く第４の面を備え、前記溝の入口は前記プラットフォームの前記第４の面に配置され、かつ、前記溝の出口は前記プラットフォームの前記第３の面に配置される、請求項１に記載のシールアセンブリ。
8. 前記静止ベーンアセンブリはさらに、前記回転ブレードアセンブリに向かってかつ前記回転ブレードアセンブリの近傍内で前記インナーシュラウドから延在する、軸方向に延在するシール構造体を備える、請求項７に記載のシールアセンブリ。
9. 前記インナーシュラウドは、
   半径方向外側を向く第１の面と、
   半径方向内側を向く第２の面と、
   前記インナーシュラウドの前記第２の面内へと延在する複数のベーン溝と、を備え、
   前記ベーン溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが、隣接するベーン溝の間に形成されるように配置され、前記ガスタービンエンジンの運転中、前記ベーン溝は、前記ディスクキャビティからの付加的なパージエアを、この付加的なパージエアが前記高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向を基準として所望の方向に流れるように、前記高温ガス流路に向って誘導する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
10. 前記ベーン溝は、前記インナーシュラウドの軸方向端部から遠位に置かれたその入口から、前記インナーシュラウドの前記軸方向端部に隣接して置かれたその出口へと、前記入口が前記出口よりも幅広であるように先細化されている、請求項９に記載のシールアセンブリ。
11. 前記ベーン溝は、その入口が前記回転ブレードアセンブリの回転方向に関して、その出口から上流側に配置されるように、少なくとも、前記周方向に傾斜するかあるいは湾曲している、請求項１０に記載のシールアセンブリ。
12. ディスクキャビティと、ガスタービンエンジンのタービンセクションを通って延びる高温ガス流路との間のシールアセンブリであって、
    複数のベーンおよびインナーシュラウドを含む静止ベーンアセンブリと、
    前記静止ベーンアセンブリの下流側の回転ブレードアセンブリであって、プラットフォーム上で支持されかつ前記ガスタービンエンジンの運転中にタービンローターおよび前記プラットフォームと共に回転する複数のブレードを含む、回転ブレードアセンブリと、を備え、
    前記プラットフォームは、
    半径方向外側を向く第１の面と、
    半径方向内側を向く第２の面と、
    前記タービンセクションの長手方向軸線によって規定される軸方向を向く第３の面であって、前記プラットフォームの前記第３の面は、前記プラットフォームの前記第３の面もまた半径方向を向くように、前記長手方向軸線に対してある角度で前記プラットフォームの前記第１の面から半径方向内側に延在する、第３の面と、
    前記第３の面内へと延在する複数の溝であって、前記溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが、隣接する溝の間に形成されるように配置され、前記周方向は前記回転ブレードアセンブリの回転方向に対応し、前記溝は、前記プラットフォームの前記第１の面から遠位に置かれたその入口から、前記プラットフォームの前記第１の面に隣接して置かれたその出口へと、前記入口が前記出口よりも幅広であるように先細化されている、溝と、を備え、
    前記ガスタービンエンジンの運転中、前記溝は、前記ディスクキャビティからのパージエアを、このパージエアの流動方向が前記高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向と整列させられるように、前記高温ガス流路に向って誘導し、この方向は、上流側の前記静止ベーンアセンブリの前記ベーンの少なくとも一つの後縁の出口角度と平行である、シールアセンブリ。
13. 隣接する溝の入口間の円周方向の間隔は、各対応する溝の側壁の中間点での前記溝の周方向幅よりも小さく、かつ、隣接する溝の出口間の円周方向の間隔は、各対応する溝の前記側壁の中間点での前記溝の前記周方向幅よりも大きい、請求項１２に記載のシールアセンブリ。
14. 前記溝は、前記プラットフォームの前記第１の面から遠位に置かれたその入口が前記回転ブレードアセンブリの前記回転方向に関して前記プラットフォームの前記第１の面に隣接して置かれたその出口から下流側に配置されるように、前記周方向に、少なくとも傾斜するかあるいは湾曲している、請求項１３に記載のシールアセンブリ。
15. 前記静止ベーンアセンブリは、前記インナーシュラウドから、前記回転ブレードアセンブリに向ってかつ前記回転ブレードアセンブリの近傍内で延在する、軸方向に延在するシール構造体をさらに備える、請求項１２に記載のシールアセンブリ。
16. 前記インナーシュラウドは、
    半径方向外側を向く第１の面と、
    半径方向内側を向く第２の面と、
    前記インナーシュラウドの前記第２の面内へと延在する複数のベーン溝と、を備え、
    前記ベーン溝は、周方向にコンポーネントを有するスペースが、隣接するベーン溝の間に形成されるように配置され、前記ガスタービンエンジンの運転中、前記ベーン溝は、前記ディスクキャビティからの付加的なパージエアを、この付加的なパージエアが前記高温ガス流路を通過する高温ガス流の方向を基準として所望の方向に流れるように、前記高温ガス流路に向って誘導する、請求項１２に記載のシールアセンブリ。
17. 前記ベーン溝は、前記インナーシュラウドの軸方向端部から遠位に置かれたその入口から、前記インナーシュラウドの前記軸方向端部に隣接して置かれたその出口へと、前記入口が前記出口よりも幅広であるように先細化されている、請求項１６に記載のシールアセンブリ。
18. 前記ベーン溝は、その入口が前記回転ブレードアセンブリの回転方向に関して、その出口から上流側に配置されるように、少なくとも、周方向に傾斜するかあるいは湾曲している、請求項１７に記載のシールアセンブリ。

Images