JP6353056B2 - 第１のハニカム層および第２のハニカム層ならびにこれらの間の穿孔された中間シールプレートを備えるガスタービン用積層シールアセンブリ - Google Patents
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Description
本実施形態は、一般に、ガスタービンエンジンに関する。より詳細には、限定としてではないが、本実施形態は、シール構成要素の熱的一致化（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ）のための積層格子構造および関連する方法に関する。
一般的なガスタービンエンジンは、一般に、前端および後端を有し、これらの間には、そのいくつかのコア構成要素または推進構成要素が軸方向に配置される。空気入口または空気取入口は、ガスタービンエンジンの前端にある。後端にかけて、取入口の後には、圧縮機、燃焼室、タービン、およびガスタービンエンジンの後端にあるノズルが順番に続く。ガスタービンエンジンには、付加的な構成要素（例えば、低圧圧縮機および高圧圧縮機ならびに高圧タービンおよび低圧タービンなど）がさらに含まれてもよいことが、当業者から容易に明らかになる。しかしながら、これは、網羅的なリストではない。また、ガスタービンエンジンは、一般的に、ガスタービンエンジンの中心長手方向軸線に沿って軸方向に配置される内部シャフトを有する。内部シャフトは、タービンおよび空気圧縮機の両方に連結され、これにより、タービンが、圧縮機ブレードを駆動するために回転入力を空気圧縮機に供給するようにされる。
運転中、空気は、タービン段を通って下流に流れる高温燃焼ガスを生成するために圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合される。これらのタービン段は、燃焼ガスからエネルギーを取り出す。高圧タービンは、最初に燃焼器から高温燃焼ガスを受け入れ、また、支持ロータディスクから半径方向外側に延在する高圧タービンロータブレードの列を通る燃焼ガスを下流に導くステータノズルアセンブリを含む。多段タービンでは、第２の段のステータノズルアセンブリが、第１の段のブレードの下流に配置され、第２の段のステータノズルアセンブリの後には、同様に、第２の支持ロータディスクから半径方向外側に延在する、第２の段のロータブレードの列が続く。タービンは、燃焼ガスのエネルギーを機械的エネルギーに変換する。低圧タービンのブレードおよびロータディスクは、ブースタ圧縮機およびさらには入口ファンを駆動するために低圧圧縮機またはブースタ圧縮機に機械的に連結される。入口ファンとの連結は、直接的であっても、間接的（例えば、ギヤボックスを介する）であってもよい。
ガスタービンエンジンの運転中、ガスタービンエンジンの効率および性能を改善するために寄生流れ損失を最小にすることが望ましい。損失の１つの位置は、ラビリンスシール領域であり、そこでは、シールのロータ部のシール歯が、シールのステータ部（一般的には、対向するハニカム材料によって具体化される）とは異なる速度で膨張または収縮し得る。
一般的なシール配置では、シールのステータ部は、熱に起因して、ロータ部の熱的な成長よりも急速に半径方向に成長し得る。このような成長の差は、シーリング特徴の間に間隙をもたらし、シールの機能性の低下をもたらす。非定常（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）エンジン運転（増大されたスロットルの開放など）中、熱質量および空気の遅滞の差に起因して、知られているラビリンスシールのステータ部は、シールのロータ部よりも急速に熱的に成長する傾向にある。成長速度の差は、回転するラビリンスシールのための支持構造（ディスク孔およびウェブなど）よりも速くステータ部のバッキングプレートに作用する熱に起因して生じる傾向にある。結果として、ステータ部とロータ部との間の隙間は、高温ガスが漏れることを許してしまう隙間を形成する。成長の差は、このような非定常開放中に排気ガスの温度オーバーシュートをもたらし得る。したがって、このような非定常運転中にシールを通る流れを低減することが望ましい。
前述の内容によって理解され得るように、寄生流れ損失を低減し、非定常運転中の（非限定的な例であるスロットル動作などの間の）タービン温度オーバーシュートを低下させるためにシールアセンブリに関するこれらのおよび他の漏れを克服することが望ましい。
本明細書のこの背景セクションに含まれる情報（本明細書に引用された文献およびその説明または解説を含む）は、技術的参照のためにのみ含まれており、本発明の範囲を画定すべき主題と見なされるべきではない。
本実施形態によれば、ステータとロータとの間の差のある成長が最小になるようにステータおよびロータの成長を熱的に一致させるシールアセンブリが提供される。シールのステータ部の成長が、ロータのより遅い成長により厳密に近づくように調整される。このような成長は、シールアセンブリの高温側からロータおよびステータ部のバッキングプレートへの伝導に起因して発生し得る。したがって、ロータおよびステータは、ロータ部とステータ部との間の隙間の低減をもたらすより同様の歪み速度を有し得る。
一部の実施形態によれば、ガスタービンエンジンのステータシール部および対向するロータシール部に配置される積層シールアセンブリは、ロータシール部に係合する第１の縁部およびロータシール部から遠くの第２の縁部を有する第１のハニカム層であって、複数のセルが、第１の縁部と第２の縁部との間に延在する第１のハニカム層と、第１の材料表面および第２の材料表面を有する中間シールプレートであって、第１の材料表面が、第１のハニカム層の第２の縁部に対して配置される中間シールプレートと、第２の表面に配置される低伝導構造と、前記低伝導構造に対して配置されるバッキングプレートとを備え、ステータシール部は、熱成長に関してロータシール部の熱成長に一致するように調整され得る。
この概要は、簡略化した形で、詳細な説明で以下にさらに説明される概念の選択を紹介するために提供されている。この概要は、特許されている主題の主要な特徴または本質的な特徴を確認するためのものでもないし、特許請求されている主題の範囲を限定するために使用するためのものでもない。以上のように概説された特徴のすべては、例示に過ぎないことが理解されるべきであり、本発明の多くのさらなる特徴および目的は、本明細書の開示から明らかになり得る。したがって、本概要の限定的な解釈は、明細書、特許請求の範囲、およびこれらと共に含まれる図面の全体をさらに読むことなく理解されるべきではない。本発明の特徴、詳細、有用性、および利点のより広範囲の提示が、添付図面に示され、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の様々な実施形態の以下の記述において提供される。
添付図面と併せて実施形態に関する以下の説明を参照することによって、本開示の上述したおよび他の特徴および利点ならびにこれらを達成する方法が、より明らかになり、熱的に一致されたシール部が、より良く理解されるようになる。
次に、用意した実施形態（このうちの１つ以上の例が、図面に示されている）を詳細に参照する。各例は、説明のために提示されており、開示されている実施形態の限定のために提示されているのではない。実際、本開示の範囲または精神から逸脱することなく本実施形態に様々な修正および変更が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として示されているか、または説明されている特徴は、さらなる実施形態をさらに得るために別の実施形態と共に使用されてもよい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入る修正および変更を包含することが意図されている。
図１〜図９を参照すると、二重層積層ラビリンスシールの様々な実施形態が描かれている。積層体は、ラビリンスシールアセンブリのステータシール部のバッキングプレートを熱的に絶縁する。結果として、ステータシール部の熱成長は、ロータシール部の半径方向の成長により厳密に近づけるために、またはこれに熱的に一致させるために制御または調整され得る。一般的に、ステータシール部の熱成長は、半径方向外側方向へのロータシール部の熱成長よりも速く起こる。したがって、本実施形態は、半径方向外側方向へのステータシール部の成長（例えば、非定常運転中の）を遅くする。このようにして、ステータシール部は、従来技術の場合ほど急速にロータシール部から離れる半径方向に成長しなくなり、シールにおけるシール流量または寄生損失が低下する。さらに、排気ガスの温度オーバーシュートが、シール流量の低下の結果として低減され、これにより、エンジン耐久性が改善される。
本明細書で使用される場合、用語「軸方向の」または「軸方向に」は、エンジンの長手方向軸線に沿った次元を意味する。「軸方向の」または「軸方向に」と共に使用される用語「前方の」は、エンジン入口の方向への移動または別の構成要素よりも比較的エンジン入口の近くにある構成要素を意味する。「軸方向の」または「軸方向に」と共に使用される用語「後方の」は、エンジン出口の方向への移動または別の構成要素よりも比較的エンジンノズルの近くにある構成要素を意味する。
本明細書で使用される場合、用語「半径方向の」または「半径方向に」は、エンジンの中心長手方向軸線とエンジンの外周との間に伸びる次元を意味する。
方向へのあらゆる言及（例えば、半径方向の、軸方向の、近くの、遠くの、上方の、下方の、上方への、下方への、左の、右の、横の、前の、背後の、最も上の、底の、より上方の、より下方の、垂直な、水平な、時計回りの、反時計回りの）は、本発明の読者の理解を助けるために識別目的でのみ使用されており、制限（特に、位置、向き、または本発明の使用に関する）を設けるわけではない。接続への言及（例えば、取り付けられる、結合される、接続される、および接合される）は、広く解釈されるべきであり、別段の指示がない限り、１群の要素間の中間部材および要素間の相対運動を含んでもよい。したがって、接続への言及は、２つの要素が直接接続され、互いに固定された関係にあることを必ずしも意味しない。例示的な図面は、例証のためのものに過ぎず、本明細書に添付されている図面に反映されている寸法、位置、順序、および相対サイズは変更され得る。
最初に図１を参照すると、空気入口端部１２を有するガスタービンエンジン１０の概略側断面図が示されており、そこでは、空気は、一般に高圧圧縮機１４、燃焼器１６、および多段高圧タービン２０によって形成されるコア１３に流入する。全体として、コア１３は、運転中に動力を供給する。航空の実施形態におけるガスタービンエンジン１０が示されているが、このような例は、限定として考えられるべきではない。なぜなら、ガスタービンエンジン１０は、航空、発電、工業、または海事などにも使用され得るからである。
運転中、空気は、ガスタービンエンジン１０の空気入口端部１２を通って流入し、空気圧が高められる少なくとも１つの圧縮段を通って移動し、燃焼器１６に導かれる。圧縮空気は、燃料と混合されて燃焼され、これにより、燃焼器１６から流出して高圧タービン２０に向かう高温燃焼ガスが供給される。高圧タービン２０では、タービンロータの回転をもたらすエネルギーが、高温燃焼ガスから取り出され、結果的に、タービンロータの回転は、高圧シャフト２４の回転をもたらす。高圧シャフト２４は、高圧圧縮機１４の１つ以上の段を回転させるために、ガスタービンエンジン１０の前部に向かって通されている。ファン１８は、高圧シャフト２４によって低圧タービン２１に連結されており、ガスタービンエンジン１０のために推力を発生させる。また、低圧タービン２１は、さらなるエネルギーを取り出し、付加的な圧縮機段に動力供給するために用いられてもよい。低圧空気は、ガスタービンエンジンの構成要素の冷却を助けるためにも使用され得る。
ガスタービンエンジン１０は、エンジン軸線２６に関して軸対称であり、様々なエンジン構成要素が、エンジン軸線２６を中心に回転するようになっている。軸対称の高圧シャフト２４は、タービンエンジンの前端を通って後端に伸びており、シャフト構造において軸受により軸支されている。高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の軸線２６を中心に回転する。高圧シャフト２４は、高圧シャフト２４の回転とは無関係の、その中での低圧タービンシャフト２８の回転を可能にするために中空であってもよい。低圧シャフト２８もまた、ガスタービンエンジン１０のエンジン軸線２６を中心に回転し得る。運転中、低圧シャフト２８は、工業、海事、陸地、または航空での使用のいずれでも動力または推力を生成するために、低圧シャフト２８に連結された他の構造（タービンのロータアセンブリなど）と共に回転する。
さらに図１を参照すると、本実施形態は、エンジンの全体にわたるシールアセンブリに関し得る。そこでは、圧縮機１４から抽出される冷却空気の量を最小にし、それが高圧タービン２０での仕事の取り出しのためのために主流路に留まることを可能にすることが望ましい。
次に図２を参照すると、ステータシール部３３に対向して配置された複数のシール歯３２を備えるロータシール部３５を含むラビリンスシールアセンブリ３０の側断面図が描かれている。ロータは、ステータシール部３３に係合するロータシール部３５を有する。ラビリンスシールアセンブリ３０は、シール歯３２の先端とステータシール部３３の最内面との間に小さなクリアランスを設けている。ロータのロータシール部３５は、ステータシール部３３に係合する１つ以上のシール歯３２を含んでもよい。第１の歯付きセクションと第２の歯付きセクションとの間には、半径方向内側セクション３７があり、半径方向内側セクション３７は、ラビリンスシール歯３２の先端の外径よりも小さい直径を有する滑らかな円筒面である。
ロータシール部３５の複数のシール歯３２は、摩耗性材料によって被覆されてもよい。摩耗性材料は、随意であり、したがって、利用されてもされなくてもよい。シール歯３２は、運転中に、対向するステータシール部３３に、より具体的には、積層シールアセンブリ３４（例えば、ハニカムシールアセンブリ）に係合する。非定常条件では、従来技術のシールのステータシール部３３は、ロータシール部３５よりも速く半径方向に成長する。
エンジン運転中、ロータシール部３５（シール歯３２を含む）は、ステータシール部３３または積層シールアセンブリ３４に対して回転する。シール歯３２は、軸方向にシールするように積層シールアセンブリ３４に係合する。ラビリンスシールアセンブリ３０は、ガスタービンエンジン１０の概ね高圧の領域と冷却空気が通過するより低圧の領域との間のシールを提供する。シール歯３２は、シャフト２４、２８の一方または両方の回転と共に回転する。積層シールアセンブリ３４は、本開示の実施形態に係る様々な構造の積層体から形成される。機能において、ラビリンスシールアセンブリ３０（積層シールアセンブリ３４を含む）は、非定常シール流量を大幅に低減し、これにより、非定常運転中に燃焼器からブレード冷却回路へのより少ない流れを取り出す。
先ほど言及したように、ロータシールアセンブリ３０に関する１つの問題は、ステータシール部３３とシール歯３２によって具体化されるロータシール部３５との熱成長率の差に関わる。ラビリンスシールの非定常時の熱的一致化を実現することによって、寄生流れ損失が低下し、これにより、エンジン性能の向上および燃料消費率（ＳＦＣ：ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）の全体的な低下がもたらされる。本実施形態は、非定常時のシールの一致の改善をもたらすためにハニカム、格子、または他の絶縁材料の二重層によってシールバッキングプレート７０を絶縁する。静止シールの反応は、非定常に速く、その反応を遅くすることは、一般にエンジンの効率および運転にとって有益である。このような熱的一致化は、ラビリンスシールアセンブリ３０における漏れを最小にする。本実施形態は、ラビリンスシールアセンブリ３０のシール歯３２の領域の高温側からバッキングプレート７０までの伝導を最小にする。ラビリンスシールアセンブリ３０のバッキングプレート７０および制御リング３８、３９に加えられる熱の量の低下は、シールが、エンジンの非定常反応中により遅く熱的に歪むことを可能にする。こうして、これにより、ロータおよびステータのシール部３５、３３が、各構成要素の熱的歪みが、必要に応じて（特に、非定常条件中に）一致し得るように同様の熱的な時間的制約を有することが可能となる。本実施形態によれば、積層シールアセンブリ３４は、必要に応じたラビリンスシールアセンブリ３０の調整を可能にする。
次に図３を参照すると、積層シールアセンブリ３４の第１の実施形態の分解されたアセンブリが描かれている。積層シールアセンブリ３４は、材料の積層体から形成され、エンジンの運転中にシール歯３２（図２）の最も近くにある半径方向内側の第１のハニカム層４０を備える。第１のハニカム層４０は、薄壁によって形成された複数のハニカムセル４１を含む。第１のハニカム層４０は、複数のハニカムセル４１から作られ、複数のハニカムセル４１は、一般に、中空であり、第１の縁部４２と第２の縁部４４との間に延在する。用語「ハニカム」が、本明細書では用いられているが、この用語は、ハニカムセル４１の幾何学的形状の限定として考えられるべきではない。６面のセルが示されているが、円形、正方形、矩形、または他の幾何学的形状を含む様々な形状が用いられてもよい。ハニカムセル４１はそれぞれ、第１のハニカム層４０の第１の縁部４２から第２の縁部４４までの高さを有する。第１のハニカム層４０の材料は、当業者によって理解されるようにガスタービンエンジン内での使用に適した金属または合金から形成される。
第１のハニカム層４０から半径方向外側に離間されているのは、例えばろう付けによって第１のハニカム層４０が取り付けられ得る表面を提供する中間シールプレート５０である。中間シールプレート５０は、第１のハニカム層４０のベース層として機能し、厚さに関して変動し得る。中間シールプレート５０は、金属シートまたは合金シートから形成されてもよいし、他の接合材料または被覆材料（例えば、ＣＭＣ材料または格子構造）から形成されてもよい。中間シールプレート５０は、第１の表面５１および第２の表面５３を有してもよい。
中間シールプレート５０は、中実であってもよいし、多数の穿孔５２を含んでもよい。このような穿孔は、積層シールアセンブリ３４のより低圧の側とバッキングプレート７０を含むより冷たい側との間の熱連通を可能にする。熱的一致化は、穿孔５２の量、サイズ、および位置の変更を許容し、したがって、ハニカムセル４１に比べてより少ないまたはより多くの穿孔が存在してもよい。なお、それらは、随意である、すなわち、最小の場合必要とされない。本実施形態において、穿孔５２は、第１のハニカム層４０のハニカムセル４１のそれぞれに対応する。しかしながら、穿孔５２は、随意であり、必須ではない。一部の実施形態によれば、穿孔５２は、所望の熱活性化の量に基づいて配置されてもよい。例えば、さらなる熱が、ラビリンス積層シールアセンブリ３４のロータ側からバッキングプレート７０に伝達されることが求められる場合、より多くの穿孔５２が追加されてもよい。あるいは、バッキングプレート７０へのより少ない熱伝達が求められる場合、より少ない穿孔５２が設けられてもよい。さらに、描かれている実施形態は、ハニカムセル４１につき１つの穿孔５２を含むが、これもまた、例示的な実施形態であり、より少ない穿孔が用いられてもよい。さらなる代替形態として、積層シールアセンブリ３４を通ってバッキングプレート７０に伝達される熱の量に影響を及ぼすために、さらに穿孔５２のサイズが変更されてもよいと考えられる。またさらに、穿孔５２は、不規則に配置されてもよいし、パターンに配置されてもよい。全体として、これらの様々な条件は、より多くのまたはより少ない熱を提供するために、したがって、ロータシール歯３２およびステータシール部３３を熱的に一致させる目的で熱成長を調整するためにラビリンスシールアセンブリ３０を調整することを可能にする。しかしながら、穿孔５２および穿孔７１は、個別に用いられてもよい一方で、これらは、空気が第１のハニカム層４０からバッキングプレート７０を通過することを可能にするために一緒に用いられなくてもよいことが理解されるべきである。さらに、当業者は、穿孔５２の数、サイズ、形状、または位置と第１のハニカム層４０のハニカムセル４１との間に決定的な相互関係は存在しないことを理解するであろう。ハニカムセル４１に対する穿孔５２の特性の変更により、ステータシール部３３（図２）の熱的調整の改善が可能となる。
機能の点では、中間シールプレート５０は、中間シールプレート５０の半径方向外側に隣接する第２のハニカム層６０を絶縁する役割を果たす。絶縁の量は、中間シールプレート５０の様々な調整可能な特性によって制御されてもよい。本実施形態によれば、中間シールプレート５０は、金属プレートまたは他の種類のバッキングプレートである。中間シールプレート５０は、バッキングプレート７０への第２のハニカム層６０のろう付けであってもよい。絶縁機能は、第１のハニカム層４０および中間シールプレート５０の上方に配置された第２のハニカム層６０内に熱的に不活性な（ｄｅａｄ）キャビティーを形成する。したがって、第２のハニカム層は、低伝導構造とも呼ばれ得る。第２のハニカム層６０の厚さは、第１のハニカム層４０より大きくても、これと等しくても、またはこれより小さくてもよい。第２のハニカム層６０は、半径方向内縁部６２および半径方向外縁部６４を含む。さらに、第２のハニカム層６０は、複数のハニカムセル６１を含む。第１のハニカム層４０に関して先ほど説明したように、ハニカムセル６１は、様々な形態および形状をとってもよい。ハニカムセル６１は、中空であり、描かれている形状は、六角形であるが、他の形状が用いられてもよい。先ほど示したように、ハニカムセル６１は、中間シールプレート５０およびバッキングプレート７０のそれぞれによって半径方向内面および半径方向外面で絶縁されているため、熱的に不活性であり得る。しかしながら、穿孔７１または５２は、穿孔のサイズ変更および穿孔の量によって所望の量へのハニカムセル６１の活性化を可能にする。
第２のハニカム層６０の上方には、バッキングプレート７０がある。バッキングプレート７０は、バッキングプレート７０の背面または半径方向外面から第２のハニカム層６０と連通する複数の穿孔７１を含んでもよい。あるいは、バッキングプレート７０は、穿孔を有さなくてもよい。中間シールプレート５０と同様に、穿孔７１のサイズ、形状、およびパターンは変更されてもよい。例えば、穿孔７１のそれぞれは、セル６１に対応してもよいし、あるいは、描かれているようにセル６１のそれぞれに対応しなくてもよい。さらなる代替形態として、穿孔７１は、熱的シール一致化に求められる調整を実現するために均一なサイズのものであってもよい。さらに、穿孔７１は、パターンに配置されてもよいし、不規則に配置されてもよい。バッキングプレート７０のこの半径方向外面には、より冷たい空気があり、このより冷たい空気は、第２のハニカム層６０内のハニカムセル６１および中間シールプレート５０の１つ以上に冷却空気を供給するために穿孔７１を介して送られ得る。当業者は、穿孔７１の数、サイズ、形状、または位置と第２のハニカム層６０のハニカムセル６１との間に決定的な相互関係は存在しないことを理解するであろう。穿孔７１の特性の変更により、ステータシール部３３の熱的調整の改善が可能となる。
次に図４を参照すると、図３の実施形態の組立側断面図が描かれている。理解され得るように、プレート５０、７０の穿孔は、層４０、６０のセルに位置合わせされてもよい。同様に、様々な変更例が、本実施形態の範囲内にあり得ることが理解されるべきである。例えば、穿孔の数が変更されてもよく、穿孔の間隔および形状が変更されてもよく、または代替形態では、予め選択したパターンに配置されてもよい。同様に、中間シールプレート５０の深さは、第１のハニカム層４０および第２のハニカム層６０とは対照的に変更されてもよい。この図は、例示であり、当業者は、空気が積層シールアセンブリ３４の上面から下面に通過することが可能ではあり得ないことを理解するであろう。したがって、穿孔５２、７１は、空気が完全に通過し得るときは一緒に使用されなくてもよい。
次に図５を参照すると、二重層積層シールアセンブリ１３４の第２の実施形態の分解組立図が描かれている。熱的積層構造は、先ほど説明した第１のハニカム層４０と同様に説明され得る第１の半径方向内側のハニカム層１４０を含む。例えば、第１のハニカム層１４０は、内縁部１４２および外縁部１４４を含む。第１のハニカム層１４０の半径方向外縁部１４４に配置されるのは、第１のハニカム層１４０と低伝導構造１６０との間に配置される低伝導材料であり得る中間シールプレート１５０である。中間シールプレート１５０は、低伝導構造１６０に接合されてもされなくてもよい。中間シールプレート１５０は、複数のアパーチャを含んでもよいし、描かれているように中実であってもよい。穿孔が用いられる事例では、穿孔のサイズ、形状、数、および配置が、先ほど説明したように変更されてもよい。
中間シールプレート１５０の上方またはこれの半径方向外側には、低伝導構造１６０があり、低伝導構造１６０は、本実施形態によれば、高温性能および低延性を有する非金属材料であるセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）である。低伝導構造１６０は、内面１６２および外面１６４を有してもよい。一般に、ＣＭＣ材料は、セラミック繊維（例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ））を含み、その形態は、窒化ホウ素（ＢＮ）などの適合材料（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）によって被覆される。繊維は、セラミックタイプのマトリックスに被覆されており、その一形態は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。一般的に、層１６０は、低延性で高温性能の材料から構成される。ＣＭＣ材料は、一般に、本明細書において低引張延性材料を規定するために使用される約１％以下の室温引張延性を有する。より具体的には、ＣＭＣ材料は、約０．４％〜約０．７％の範囲の室温引張延性を有する。このようなライナに用いられる例示的な複合材料は、炭化ケイ素、ケイ素、シリカ、またはアルミナのマトリックス材料およびこれらの組み合わせを含む。一般的に、セラミック繊維（サファイアおよび炭化ケイ素のようなモノフィラメントを含む酸化安定強化繊維（例えば、ＴｅｘｔｒｏｎのＳＣＳ−６）ならびに炭化ケイ素を含むロービング（ｒｏｖｉｎｇ）およびヤーン（ｙａｒｎ）（例えば、日本カーボンのＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、宇部興産のＴＹＲＡＮＮＯ（登録商標）、およびＤｏｗ ＣｏｒｎｉｎｇのＳＹＬＲＡＭＩＣ（登録商標））、ケイ酸アルミナ（例えば、Ｎｅｘｔｅｌの４４０および４８０）、および短いウィスカおよび短繊維（例えば、Ｎｅｘｔｅｌの４４０およびＳＡＦＦＩＬ（登録商標））、および随意にセラミック粒子（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ、およびこれらの組み合わせの酸化物）および無機充填材（例えば、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、カイヤナイト、およびモンモリロナイト）など）は、マトリックス内に埋め込まれる。ＣＭＣ材料は、一般的に、約１０００〜１２００°Ｆの温度において約１．３×１０-6ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ〜約３．５ｘ１０-6ｉｎ／ｉｎ／°Ｆの範囲の熱膨張係数を有する。
ＣＭＣ材料は、繊維の長さと平行な方向（「繊維方向」）の、材料の引張強さが垂直方向の引張強さよりも強い特性を有する。この垂直方向は、マトリックス、層間、二次、または三次の繊維の方向を含んでもよい。また、様々な物理的特性が、繊維方向とマトリックス方向とで異なってもよい。
低伝導構造１６０の半径方向外側に配置されるのは、バッキングプレート１７０である。前の実施形態と同様に、積層シールアセンブリ１３４は、バッキングプレート１７０を介する熱負荷を低減することによって非定常反応を制限する。これは、低伝導構造１６０の熱応答を遅くする積層シールアセンブリ１３４の熱応答を低減する。その結果として、低減された寄生流れは、ガスタービンエンジン１０の性能を改善すると共にＳＦＣの低減およびより少ない機械的劣化をもたらす。
次に図６を参照すると、第２の実施形態の組立側断面図が描かれている。積層シールアセンブリ１３４は、中間シールプレート１５０に連結された半径方向内側のハニカム層１４０を含む。接合部は、本実施形態によれば、複数の穿孔を有しても有さなくてもよい。中間シールプレート１５０の上方に描かれているのは、低伝導構造１６０であり、低伝導構造１６０はさらに、ハニカム層１４０の下面の熱からバッキングプレート１７０を絶縁する。
次に図７を参照すると、従来技術の積層シールアセンブリ３４の非定常流量結果を図にした線グラフが描かれている。当業者ならば理解するように、本実施形態は、ステータシール部３３の熱成長を遅くする役割を果たす。シール流量と表示されている測定値は、ラビリンスシールアセンブリ３０の非定常時の半径方向隙間を表している。非定常運転（スロットルの開放の増大など）中、ステータアセンブリのより速い成長は、ラビリンスシールアセンブリ３０における流れの漏れをもたらす。シールのステータ部３３とロータ部３５との間のこのような差のある成長の低減は、シール流量の低下をもたらす。
線グラフにおいて、シール流量は、一方の軸に記載されており、これに対して、時間は、水平軸に記載されている。非定常時のスロットルの増大中、上方の破線２００は、従来技術のシールに関する非定常エンジン運転に対応する、特定の期間におけるシール流量の増加を描いている。一方で、下方の実線２０２は、本実施形態の積層シール配置に関するシール流量を示している。図示のように、シール流量の実線２０２は、破線２００によって示されている従来技術のシールアセンブリよりも著しく低い。この低下は、ラビリンスシールアセンブリ３０の熱的に一致された構造に起因しており、ステータシール部３３の成長は、ロータシール部３５の成長により厳密に一致するように遅くなっている。
時間とともに、両方のシール部３３、３５は、シール流量が正常化するにつれて定常状態条件に戻る。しかしながら、この非定常運転中、流量は、積層シールアセンブリ３４によって明らかに改善されている。
製造するために、本実施形態は、様々な技術で形成されてもよい。単層を有する従来技術のラビリンスシールの製造は、一般に、バッキングプレートへのハニカムセクションのろう付けを含む。単一のハニカム層を有するシールの場合、ろう付け接合は、ハニカムセルの開放端を通して視覚的に検査され得る。本実施形態のために同じろう付け工程を使用することは、少なくとも２回より多くのろう付けサイクルをもたらし、部品コストおよび製造サイクル時間を増加させる。また、中間シールプレート５０は、ハニカム６０の第２の層とバッキングプレート７０とのろう付け接合の視認を阻害し、検査工程を困難にする。ろう付け材料が、穿孔５２または７１を埋めてしまう場合があるため、穿孔５２、７１は、ろう付け工程の後にドリリングする必要がある。これは、ドリリング作業が、穿孔５２のためにハニカムセル４１の内部で行われることを意味する。所望の穿孔７１は、第２のハニカム層６０を視認することなくバッキングプレート７０の外面からドリリングする必要があるため、必要に応じて穿孔７１をハニカムセル６１の位置に合わせることは非常に困難である。
本実施形態を製造する代替的な方法は、上に述べられている課題のいくつかを解決し得る。例えば、実施形態は、付加製造工程で形成されてもよい。付加製造工程は、ステータシール部３３の全体または部分が一体品として製造されることを可能にし、ろう付け工程およびその後の検査の必要性を除去し得る。一実施形態によれば、次に図８を参照すると、ステータシール部３３の全体は、付加製造（一般に３Ｄ印刷とも呼ばれる）によって形成される。印刷される部分は、制御リング３８、３９および積層シールアセンブリ３４を含むステータシール部３３の全体を含んでもよいし、積層シールアセンブリ３４であってもよい。本実施形態によれば、ステップ３００において、ＣＡＤモデルファイルが、プリンタコントローラによって受信される。ステップ３０２において、その部分が、付加製造工程で印刷される。次に、ステップ３０４において、その部分が検査される。この点に関して、上述したろう付けステップのそれぞれに関する多数回の検査の代わりに、１回のみの検査が必要とされる。これは、製造コストおよびサイクル時間を大幅に低減する。また、所望の穿孔５２または７１は、付加製造工程中に形成されてもよく、これにより、穿孔ドリリング工程の省略により製品コストおよびサイクル時間がさらに低減される。
ガスタービンエンジン１０の運転を通して、ロータシール部３５に係合する第１のハニカム層４０は、シール歯３２との接触により劣化し得る。次に図９を参照すると、エンジンオーバーホールイベント中に、新しいシールのシーリング特性を回復するために第１のハニカム層４０のみを交換することが望ましい場合がある。このため、付加製造工程によって第２のハニカム層６０（１６０）およびバッキングプレート７０（または１７０）と共に製造された中間シールプレート５０（または１５０）に第１のハニカム層４０（または１４０）を接合するために従来のろう付け工程を使用することが好適であり得る。この工程の実施形態において、部分５０、６０、７０または代替的に１５０、１６０、１７０は、付加製造によって形成される。従来のハニカム構造は、エンジンオーバーホール中にまたは最初の製造工程においてろう付けによりアセンブリに接合される。これは、オーバーホール中の交換を容易にする。これは、ステータシール部３３の全体を交換することのない、必要に応じた第１のハニカム層４０（または１４０）の除去および交換を可能にする。
描かれているように、ＣＡＤモデルファイルは、ステップ４００において、印刷コントローラによって受信される。部分（例えば、５０、６０、および７０または１５０、１６０、１７０）は、ステップ４０２において、単一構造として印刷される。次に、ハニカム層４０、６０が、ステップ４０４において得られ、ステップ４０６において、印刷された構造にろう付けされる。その後のステップ（４０８）において、穿孔５２、７１が必要であるか否かが判定され、必要な場合、穿孔５２、７１は、ステップ４１０において機械加工工程で形成される。穿孔５２、７１が必要ない場合、ろう付けが、ステップ４１２において検査される。ステップ４１４において、最終検査が実行されてもよく、および／または部分が解放されてもよい。
構造および方法に関する前述の説明は、例証のために提示されている。それは、網羅的であることまたは構造および方法を開示されているまさにその形態および／またはステップに限定することを意図されておらず、明らかに、上記の教示を踏まえて、多くの修正および変形が可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせにおいて組み合わされてもよい。本明細書で説明されている方法のステップは、物理的に可能な任意の順序で実行されてもよい。複合構造の特定の形態が示され、説明されているが、複合構造は、その特定の構造に限定されず、その代わりに、本明細書に添付されている特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解される。
多数の本発明の実施形態について、本明細書で説明し、示してきたが、当業者であれば、本明細書で説明されているような、機能の実行ならびに／または結果および／もしくは利点の１つ以上の達成のための様々な他の手段ならびに／または構造を容易に考え付くであろう。なお、このような変形例および／または修正例のそれぞれは、本明細書で説明されている実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者であれば、本明細書で説明されているすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が、例示のためのものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者であれば、日常の実験のみを用いて、本明細書で説明されている特定の本発明の実施形態の多くの均等物を認識するか、または把握することができる。したがって、前述の実施形態は、例として提示されているに過ぎないこと、および、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明の実施形態が、具体的に説明され、特許請求されているのとは異なる方法で実施されてもよいことを理解されたい。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明されている個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法のそれぞれに関する。さらに、２つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない限り、本開示の発明の範囲内に含まれる。
最良の態様を含めて実施形態を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて装置および／または方法を実施することを可能にするために、例が使用されている。これらの例は、網羅的であることまたは開示されているまさにそのステップおよび／もしくは形態に本開示を限定することを意図されておらず、上記の教示を踏まえて、多くの修正例および変形例が可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせにおいて組み合わされてもよい。本明細書で説明されている方法のステップは、物理的に可能な任意の順序で実行されてもよい。
本明細書で定義され、使用されているすべての定義が、辞書的な定義、参照により組み込まれる文献における定義、および／または定義された用語の通常の意味よりも優先されることが理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲で使用される不定冠詞「ある（ａ）」および「ある（ａｎ）」は、特に指示がない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲において使用される語句「および／または」は、等位接続された要素の「どちらか一方または両方」を意味する、すなわち、要素が連言的に存在する場合もあれば、選言的に存在する場合もあることを意味すると理解されるべきである。
また、特に指示がない限り、１つより多くのステップまたは行為を含む、特許請求されている任意の方法において、方法のステップまたは行為の順序は、必ずしも、方法のステップまたは行為が記載されている順序に限定されないことを理解されたい。
特許請求の範囲および上記の本明細書において、「備える」、「含む」、「持つ」、「有する」、「含む」、「伴う」、「保持する」、および「から構成される」などのすべての移行句は、非限定的であると、すなわち、何かを含むが、これに限定されないことを意味すると理解されるべきである。「〜からなる」および「本質的に〜からなる」という移行句のみが、米国特許庁の特許審査便覧のセクション２１１１．０３に記載されているように、それぞれ限定的または半限定的な移行句であるものとする。
１０ ガスタービンエンジン
１２ 空気入口端部
１３ コア
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ ファン
２０ 高圧タービン
２１ 低圧タービン
２４ 高圧シャフト
２６ エンジン軸線
２８ 低圧タービンシャフト、低圧シャフト
３０ ラビリンスシールアセンブリ、ロータシールアセンブリ
３２ シール歯
３３ ステータシール部、ステータ部
３４、１３４ 積層シールアセンブリ
３５ ロータシール部
３７ 半径方向内側セクション
３８、３９ 制御リング
４０、１４０ 第１のハニカム層
４１、６１ ハニカムセル
４２ 第１の縁部
４４ 第２の縁部
５０、１５０ 中間シールプレート
５１ 第１の表面
５２、７１ 穿孔
５３ 第２の表面
６０ 第２のハニカム層、ハニカム
６２ 半径方向内縁部
６４ 半径方向外縁部
７０、１７０ バッキングプレート
１４２ 内縁部
１４４ 外縁部
１６０ 低伝導構造、層
１６２ 内面
１６４ 外面
２００ 破線
２０２ 実線
１２ 空気入口端部
１３ コア
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ ファン
２０ 高圧タービン
２１ 低圧タービン
２４ 高圧シャフト
２６ エンジン軸線
２８ 低圧タービンシャフト、低圧シャフト
３０ ラビリンスシールアセンブリ、ロータシールアセンブリ
３２ シール歯
３３ ステータシール部、ステータ部
３４、１３４ 積層シールアセンブリ
３５ ロータシール部
３７ 半径方向内側セクション
３８、３９ 制御リング
４０、１４０ 第１のハニカム層
４１、６１ ハニカムセル
４２ 第１の縁部
４４ 第２の縁部
５０、１５０ 中間シールプレート
５１ 第１の表面
５２、７１ 穿孔
５３ 第２の表面
６０ 第２のハニカム層、ハニカム
６２ 半径方向内縁部
６４ 半径方向外縁部
７０、１７０ バッキングプレート
１４２ 内縁部
１４４ 外縁部
１６０ 低伝導構造、層
１６２ 内面
１６４ 外面
２００ 破線
２０２ 実線
Claims (8)
- ガスタービンエンジン（１０）のステータシール部（３３）および対向するロータシール部（３５）に配置される積層シールアセンブリ（３４）であって、
前記ロータシール部に係合する第１の縁部（４２）および前記ロータシール部から遠くの第２の縁部（４４）を有する第１のハニカム層（４０）であって、複数の均一なサイズの第１のハニカムセル（４１）が、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間に延在する第１のハニカム層（４０）と、
第１の材料表面および第２の材料表面を有する中間シールプレート（５０）であって、前記第１の材料表面が、前記第１のハニカム層の前記第２の縁部に対して配置されている中間シールプレート（５０）と、
複数の均一なサイズの第２のハニカムセル（６１）を有する第２のハニカム層（６０）であって、該第２のハニカムセル（６１）が前記第１のハニカムセル（４１）よりサイズが小さい、前記第２の材料表面に配置された第２のハニカム層（６０）と、
前記第２のハニカム層（６０）に対して配置されたバッキングプレート（７０）と
を備え、
前記ステータ部が、熱成長に関して前記ロータ部の熱成長に一致するように調整され得る積層シールアセンブリ（３４）。 - 前記中間シールプレートおよび前記バッキングプレートの少なくとも一方が、複数の非定常一致調整穿孔（５２）を含む、請求項１に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記非定常一致調整穿孔が、同じサイズまたは異なるサイズの一方である、請求項２に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記非定常一致調整穿孔が、不規則に配置されるか、またはパターンに配置されるかの少なくとも一方である、請求項３に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記中間シールプレートが、金属シートである、請求項１に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記第１のハニカム層と前記第２のハニカム層との間の空気連通のための穿孔を前記中間シールプレートにさらに備える、請求項１に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記中間シールプレートの前記穿孔が、均一なサイズのものである、請求項６に記載の積層シールアセンブリ。
- 前記中間シールプレートの前記穿孔が、少なくとも２つの異なるサイズのものである、請求項６に記載の積層シールアセンブリ。
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