JP6452693B2 - ２列の相補形シーリング要素によるシーリングシステム - Google Patents

Description

この発明は、ターボ機械の分野、より詳しくはターボ機械圧縮機及びノズルの分野に関する。

本発明は、いずれかの形式の陸用又は航空用ターボ機械に適用可能であって、特に、ターボジェット機及びターボプロップ機といった航空機用ターボ機械に適用可能である。より好ましくは、２軸ターボファンに適用可能である。

ターボ機械は、例えば、ターボ機械のケーシングに取付けられた可動（ロータ）ブレードの環状列及びターボ機械の外部環状ケーシングに取付けられたステータから各々構成される複数の圧縮段による圧縮機を含む。

圧縮機ステータはリングから構成されるか、又はセクターに分解され得る（すなわち、圧縮機の縦軸まわりで周方向に端と端を接続した複数の角セクターよりなる）。この出願全体を通じて、用語「セクター」は、例えば３６０°以下の角度を含む角度範囲をもつ構造の任意の環状部分、又はより詳しくはステータセクターをいう。

各ステータセクターは一方が他方の内側に同軸に配置された外部ケーシング及び内部ケーシングを含み、１個（又は複数の）ベーン（複数も）がこれらのケーシングの間に径方向に延出し、それぞれの径方向端（複数も）によってそれらに接続されている。

圧縮機の動作を可能にするために、各段でステータとハブとの間に隙間が存在し、ステータの下に空洞が形成されている。動作中の圧縮機では、圧力は上流−下流方向に沿って増大する。従って、一般に漏れ流がステータの下流−上流方向に沿ってこの空洞で循環し、内部ケーシングの径方向内端の下方に到る。そうした漏れ流の存在はしばしば、「ステータ下再循環現象」と称される。

ステータ下再循環現象はターボ機械において主ガス流を乱し、特にそれはベーンから上流で流れ状態を変更する。このように、この現象は圧縮機の動作性及び性能損失を低減するうえで重要な要因である。

ステータ下再循環現象に対処するための１つの解決策がすでに開示されており、ロータケーシングによって支持されたシーリング要素を、ステータによって支持されたアブレイダブル被膜層に対面させて配置して設けることから成る。シーリング要素の列及びアブレイダブル被膜のこの組合せは、ラビリンスシール又は単純に「ラビリンス」と呼ばれる。

このように、漏洩部、従ってステータの内部ケーシング下のガス漏れ流を低減することが可能である。

１つの難題は、ロータ及びケーシングが従来のエンジン稼動の間、比較的大きい機械的及び熱的変形の作用下に互いに独立して動くという事実に関連している。従って、漏洩部はエンジン稼動の間、変化する。一部の稼動時点に、漏洩部は圧縮機性能への無視できない影響が存在するほど十分に大きくなる。

例えば、性能の損失は高速時のエンジン稼動の時点で０．５％〜１％も大きくなり得る。

従って、圧縮機性能を改善するためにステータ下再循環現象の否定的影響を回避する解決策を改良することが望ましい。

従って、本発明は、ステータセクター及びステータ装置を含むターボ機械流路のステータセクター下の空洞におけるシーリングシステムに関連しており、空洞はステータセクターのブレード根元と相補的ロータ装置との間に位置しており、根元は、アブレイダブル被膜を少なくとも部分的に設けた第１の表面を備え、ロータ装置は、第１の表面に対向する少なくとも第１のシーリング要素を備え、第１の表面及び第１のシーリング要素は、第１のシーリング対を形成すると共に第１の表面と第１のシーリング要素との間に第１の漏洩部を画成する。

本発明によれば、根元は少なくともアブレイダブル被膜を部分的に設けた第２の表面を備え、ロータ装置は第２の表面に対向する少なくとも第２のシーリング要素を備え、第２の表面及び第２のシーリング要素は第２のシーリング対を形成すると共に、第２の表面と第２のシーリング要素との間に第２の漏洩部を画成し、第１のシーリング対は第２のシーリング対が対応する最大漏洩部に向かうときに最小漏洩部に向かい、第１の漏洩対は第２のシーリング対がエンジン稼動中に最小漏洩部に向かうときに最大漏洩部に向かう。最後に、第１及び第２のシーリング対は軸方向に互いに離隔している。

このように、本発明は、第２のシーリング対による漏れ流の低減によって第１のシーリング対の相対的間隔を補償できる。従って、本発明はその動作中にターボ機械のステータ及びロータに適用され得る応力を有利に活かし得る。より正確には、シーリング対間の軸方向間隔により、互いに対してステータ及びロータに適用されるスキュー効果が、漏れ流の間で所要の補償を得るために適切に使用される。

本発明は、有利には、例えばリングセクターの形態の軸方向壁を備えてもよい。この軸方向壁の効果は、ターボ機械の大域的性能を向上させる漏れ流の圧力損失を生じることである。

本発明は、まだ存在していない追加的組立制約も生じない点で有利である。

有利には、第１の表面は根元の内面であり、第２の表面は根元の外面である。

１つの特定の実施形態において、第１の表面の曲率半径は第２の表面の曲率半径よりも小さい。

第１の表面は、第２の表面の反対側で、例えばターボ機械の縦軸に対向してもよい。

好ましくは、第２の表面は根元の本体から軸方向に突出する軸方向壁に属すことで、第２の表面はロータ装置のプラットホームの下に径方向に位置しており、第１の表面は根元本体に配置されると共に、ステータセクターのプラットホームと少なくとも部分的に径方向に重なっている。

本発明の第１の実施形態において、第２の表面は根元の軸方向壁の一部を形成し、軸方向壁は上流方向に延出する。従って、本発明は低圧又は高圧圧縮機流路において実施可能である。この構成は、本発明を圧縮機において実施する場合、ターボ機械の動作中のステータとロータとの間のスキューを有利に利用する。

本発明の第１の実施形態において、第２の表面は根元の軸方向壁の一部を形成し、軸方向壁は下流方向に延出する。従って本発明は低圧又は高圧タービン流路において実施可能である。この構成は、本発明をタービンにおいて実施する場合、ターボ機械の動作の間にステータとロータとの間のスキューを有利に利用する。

本発明はまた、ターボ機械の外側に向けて延出するとともに第１群のシーリング要素を形成する少なくとも第１のシーリング要素と、ターボ機械の縦軸に対向すると共に第２群のシーリング要素を形成する少なくとも１個の第２のシーリング要素とを備えるターボ機械ロータ装置にも適用され、当該ロータ装置は、ステータセクターとの組合せで前述のようなシーリングシステムを形成するべく構成され、第１及び第２群のシーリング要素は軸方向に互いに離隔している。

この開示全体を通じて、外方に向いたシーリング要素は、その先端とターボ機械の縦軸との間の径方向距離がその根元とこの軸との間の径方向距離よりも大きいように配置され、縦軸に対向するシーリング要素では反対であることを理解しなければならない。

本発明はまた、少なくとも部分的アブレイダブル被膜を備えると共にターボ機械の縦軸に対向する第１の表面と、少なくとも部分的アブレイダブル被膜を備えると共にターボ機械の外側部に対向する第２の表面とを有する根元によるブレードを含むステータセクターに関連しており、当該ステータセクターはロータ装置との組合せで既に開示したシーリングシステムを形成するべく構成されている。さらに、２つのアブレイダブル被膜は互いに軸方向に離隔している。

本発明はまた、上に開示したようなロータ装置及びステータセクターが共同してシーリングシステムを形成するターボ機械にも関連している。

本発明は、本発明の非限定的な例示実施形態の以下に示す詳細な説明を読み、添付図面の概略図及び部分図の考察の後、より良好に理解される。

本発明に従ったステータセクター下にシーリングシステムを備える圧縮機の実施例をごく概略的に示している。 ステータセクターの例示変形を示す圧縮機の動作中の状況を示す。 ステータセクターの例示変形を示す圧縮機の動作中の状況を示す。

さらに、図示された種々の部品は、図をより容易に理解できるようにするために必ずしも同じ縮尺になってはいない。

この開示全体を通じて、用語「上流」及び「下流」は、ターボ機械の主定常ガス流方向ＦＰに関して理解しなければならない（図１参照）。さらに、ターボ機械軸はターボ機械の縦対称軸である。軸方向はターボ機械軸の方向であり、径方向はこの軸に対し垂直な方向である。さらに、別段に言及しない限り、形容詞及び副詞「軸方向の」、「径方向の」、「軸方向に」及び「径方向に」は上述の軸方向及び径方向に関して使用する。さらに、別段に言及しない限り、形容詞「内」及び「外」は径方向に関して使用し、そのため要素の内側部又は内面（すなわち径方向で内側）はこの要素の外側部又は外面（すなわち径方向で外側）よりもターボ機械軸に近い。添付の図において、外側は上にあり、内側は下にある。

図１は、本発明に従ったシーリングシステム９、言い換えると漏れ流制限システムを共同で備えたステータセクター１０及びロータ要素１１を示す例示ターボ機械圧縮機の部分図を示している。

ステータセクター１０は、外部ケーシングＳＥ、ベーンＰＳ及び、ステータの根元を形成する内部ケーシングＳＩを備える。ベーンＰＳは、ケーシングＳＥの内側に設けられている。内部ケーシングＳＩはベーンＰＳの内端部にケーシングＳＥと同軸に設けられている。

ロータ要素１１は、ベーンＰＲ２を支持する上流ロータプラットホームＲ２及びベーンＰＲ１を支持する下流ロータプラットホームＲ１を備える。上流プラットホームＲ２及び下流プラットホームＲ１はロータケーシングＶＩによって互いに接続している。

説明の最後に開示するように、このシステムは極めて少ない変更によりタービン用に移行できる。

内部ケーシングＳＩは、プラットホームＲ１とＲ２との間で軸方向に、かつステータセクター１０のプラットホームＲ’の下で径方向に位置する。

内部ケーシングＳＩは内面２１を備える。ケーシングＳＩとロータのケーシングＶＩとの間で径方向に位置する空間は、ステータの下に空洞Ｃを画成する。

図示した実施例における内部ケーシングＳＩは、圧縮機から軸方向上流に延出する軸方向レッジ又は壁２４、従ってこの場合、前方レッジを備える。このようにレッジ２４は根元ＳＩの本体ＳＩ’から軸方向に突出し、軸方向に沿ってプラットホームＲ’を越えて延出し、プラットホームＲ２によって部分的に覆われている。

この場合、レッジ２４は、角度方向に、例えば対応するステータ根元（この場合ステータセクター１０）の角度寸法に沿って延在するリングセクターの形態である。

ロータ要素１１及びステータセクター１０は、レッジ２４が、その３面、外面２４ａ、前面２４ｂ及び空洞Ｃから上流の内面をプラットホームＲ２及びケーシングＶＩによって少なくとも部分的に包囲されるように形成される。

内面２１はアブレイダブル被膜層２２を備えている。第１群のシーリング要素を形成する３個のシーリング要素２３がこの場合ケーシングＶＩに配置され、アブレイダブル被膜２２に対面している。こうして被膜２２及びシーリング要素２３は第１のシーリング対２０を形成し、第１のラビリンスシールとも呼ばれる。アブレイダブル被膜２２は、セクター１０のプラットホームＲ’の下に径方向に、好ましくはプラットホームを越えて軸方向に突出することなく配置される。同じことは、根元本体（ＳＩ’）に配置されアブレイダブル被膜２２が適用された第１の表面２１にも当てはまる。

この場合、前方レッジ２４の外面２４ａはアブレイダブル被膜３２を備えている。この場合、第２群のシーリング要素を形成する２個のシーリング要素３３がケーシングＶＩに配置され、アブレイダブル被膜３２に対面している。こうして被膜３２及びシーリング要素３３は第２のシーリング対３０を形成し、第２のラビリンスシールとも呼ばれる。アブレイダブル被膜３２は、軸方向に沿っていかなる重なり合いも存在しないように、セクター１０のプラットホームＲ’から軸方向に分離されている。さらに、アブレイダブル被膜３２で被覆された第２の表面２４ａは、部分的に径方向にロータ装置１１のプラットホームＲ２の下にある。

第１のシーリング対２０及び第２のシーリング対３０は互いに軸方向に離隔している。言い換えると、これらの２つの対２０、３０の間には軸方向に沿っていかなる重なり合い区域もないし、２群のシーリング要素２３、３３の間にも軸方向の重なり合い区域がないし、２つのアブレイダブル被膜２２、３２の間にも軸方向の重なり合い区域がない。

図示の実施形態において、第１及び第２群のシーリング要素におけるシーリング要素２３、３３の数は限定的ではなく、例えば所与の対２０又は３０について１乃至１０と異なってよい。

図１において、矢線ＦＰは、ターボ機械圧縮機の流路ＶＣの実施例における大域的流れ方向を示す。圧縮機において、空気が圧縮機の下流側に向けて伴出される際に静圧は増大する。従って、流路の気圧は上流ベーンＰＲ２の近くよりも下流ベーンＰＲ１の近くのほうが高い。その際、漏れ流ＦＲが空洞Ｃで形成される。この流れＦＲの一般的方向は圧縮機の実施例で図１に示されている。

エンジン稼動の間、ロータ要素１１及びステータセクター１０は各々、各自に固有の熱的及び機械的応力の影響を受ける。

従って、これらの２個のアセンブリ１０及び１１は互いに対して動く。

ロータケーシングＶＩからのステータセクター１０の内部ケーシングＳＩの径方向分離により以下が生じる。
−第一に、シーリング要素２３とアブレイダブル被膜２２との間の間隙、従って第１のシーリング対２０による漏洩部の増大、
−第二に、シーリング要素３３とアブレイダブル被膜３２との間の間隙、従って第２の対３０による漏洩部の縮小。

従って、アブレイダブル被膜２２とシーリング要素２３との間の間隙が最大である時、アブレイダブル被膜３２とシーリング要素３３との間の間隙は最小である。

逆に、ケーシングＳＩ及びＶＩが互いの方へ径方向に移動した時、第１のシーリング対２０での漏洩部は縮小するが、第２の対３０での漏洩部は増大する。

従って、対２０及び３０の各々の瞬時漏洩部はそれぞれ最小漏洩部と最大漏洩部の間で変化する。

従って、対２０及び３０における漏洩部の最小のものは、流路ＦＲの大域的漏れ流を決定する。２個の対２０及び３０は漏れ流を制限するうえで相補的効果を有する。

さらに、図１に示す通り、漏れ流ＦＲは、区域４０を通過する時、すなわち前面２４ｂにおいて、方向を変える。この方向の変化は、乱流を、従って流れＦＲの圧力損失を、言い換えるとその機械的エネルギーの散逸を誘起する。この漏れ流ＦＲの圧力損失は主流ＦＰにとって、従って圧縮機性能にとって有益である。

さらに、以下で開示する通り、このシーリングシステム９は、特に２個のシーリング対２０、３０間の軸方向間隙により、高速時の最小間隙を縮小するために流路での空気力学的及び機械的力の作用下でのステータスキュー現象を活用する。

図２Ａの実施例は、エンジン速度が増大している段階におけるアセンブリ１０及び１１の相対的位置を示す。この場合、ステータセクター１０は、この時、流れ圧力の増大による温度上昇の作用下で、かつ圧力下の気流の機械的入射を受けて、径方向外方に拡張している。他方、より高い熱慣性を有するロータ要素１１において温度上昇はより低く、従ってその変形は少ない。

さらに、ステータセクター１０は、上流から下流への圧縮機における圧力の増大のために右から左への流路ＶＣでの空気力学的力による影響を受ける。

従って、ステータセクター１０は、ターボ機械の軸に合致する縦方向Ｘに対する角変位αによる影響を受け、この変位は現在「スキュー」と呼ばれる。この角変位αはターボ機械から外方へのレッジ２４の動きにつながり、従ってアブレイダブル被膜３２がシーリング要素３３に近づくことになる。この構成において、第１のシーリング対２０は最大漏洩部を有するのに対し第２のシーリング対３０は最小間隙を有する。２個の対２０、３０の間の軸方向間隙のために、小さな角移動αが第２の対３０による漏れ流の著しい低減を生じるのに十分である。

図２Ｂの実施例はエンジン速度を低減する段階における同じアセンブリ１０及び１１を示す。ステータセクター１０はその際、冷却し収縮するのに対し、ロータは依然として熱慣性の作用下で高温状態にある。ステータケーシングＳＩはその後ロータケーシングＶＩに近づき、第１のシーリング対２０は最小漏洩部を有するのに対し第２のシーリング対３０は最大間隙を有する。

図１ならびに２Ａ及び２Ｂに関して開示した圧縮機のシーリングシステム９は、低圧又は高圧タービンに置き換え得る。

圧縮機と異なり、ステータがノズルと呼ばれるタービンでの流路ＶＴにおける静圧は、上流から下流に低減し、タービンステータ下の空洞での漏れ流は上流から下流方向に沿っており、すなわち圧縮機ステータ下の漏れ流とは逆の方向に沿っている。

このように、タービンステータ下のシーリングシステムの１実施形態（図示せず）において、ノズル根元ＳＩは、前部のレッジ２４と類似の構成であるが下流方向に向いたレッジを備える。そうした構成もまた、上流−下流方向で適用される空気力学的力に関連したスキュー効果から利益を得ることができる。タービンのロータ要素、ノズル根元及びレッジもやはり対２０及び３０と同じ形式のシーリング対を備える。

９：シーリングシステム
１０：ステータセクター
１１：ロータ要素
２１：内面
２４：軸方向レッジ、軸方向壁、前方レッジ
２４ａ：外面
２４ｂ：前面
２２、３２：アブレイダブル被膜
２３、３３：シーリング要素
２０：第１のシーリング対
３０：第２のシーリング対
４０：区域
ＳＥ：外部ケーシング
ＳＩ：内部ケーシング
ＰＳ：ベーン
ＰＲ１、ＰＲ２：ベーン
Ｒ１、Ｒ２：ロータプラットホーム
ＶＩ：ロータケーシング
Ｒ’：プラットホーム
Ｃ：空洞
ＳＩ：根元
ＳＩ’：本体
ＦＰ：大域的流れ方向
ＶＣ：ターボ機械圧縮機の流路
ＦＲ：漏れ流

Claims (9)

1. ステータセクター（１０）及びロータ装置（１１）を備えるターボ機械流路（ＶＣ、ＶＴ）の前記ステータセクター（１０）下の空洞（Ｃ）におけるシーリングシステムであって、
   当該空洞（Ｃ）は、前記ステータセクター（１０）のベーン（ＰＳ）の根元（ＳＩ）と相補的ロータ装置（１１）との間に位置しており、
   前記根元（ＳＩ）は、アブレイダブル被膜（２２）を少なくとも部分的に設けた第１の表面（２１）を備えており、
   前記相補的ロータ装置（１１）は、前記第１の表面（２１）に対向配置された少なくとも１つの第１のシーリング要素（２３）を備え、
   前記第１の表面（２１）及び前記第１のシーリング要素（２３）は、第１のシーリング対（２０）を形成すると共に、前記第１の表面（２１）と前記第１のシーリング要素（２３）との間に第１の漏洩部を画成し、
   前記根元（ＳＩ）は、アブレイダブル被膜（３２）を少なくとも部分的に設けた第２の表面（２４ａ）を備え、
   ロータ装置（１１）は、前記第２の表面（２４ａ）に対向配置された少なくとも第２のシーリング要素（３３）を備え、
   前記第２の表面（２４ａ）及び前記第２のシーリング要素（３３）は、第２のシーリング対（３０）を形成すると共に、前記第２の表面（２４ａ）と前記第２のシーリング要素（３３）との間に第２の漏洩部を画成し、
   前記第１のシーリング対（２０）は、前記第２のシーリング対（３０）が対応する最大漏洩部に向かうときに最小漏洩部に向かい、
   前記第１のシーリング対（２０）は、前記第２のシーリング対（３０）がエンジン稼動中に最小漏洩部に向かうときに最大漏洩部に向かい、
   前記第１及び第２のシーリング対は、軸方向に互いに離隔している、
   ことを特徴とするシーリングシステム。
2. 前記第１の表面（２１）は、前記根元（ＳＩ）の内面であり、
   前記第２の表面（２４ａ）は、前記根元（ＳＩ）の外面である、請求項１に記載のシーリングシステム。
3. 前記第１の表面（２１）は、前記第２の表面（２４ａ）の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する、請求項１又は２に記載のシーリングシステム。
4. 前記第２の表面（２４ａ）は、前記根元（ＳＩ）の本体（ＳＩ’）から軸方向に突出する軸方向壁（２４）に属することで、前記第２の表面（２４ａ）が前記ロータ装置（１１）のプラットホーム（Ｒ２）の下に径方向に位置し、
   前記第１の表面（２１）は、前記根元（ＳＩ’）の本体に位置すると共に、前記セクター（１０）のプラットホーム（Ｒ’）と少なくとも部分的に径方向に重なっている、請求項１から３のうちいずれか一項に記載のシーリングシステム。
5. 前記軸方向壁（２４）は、上流方向に延出し、
   前記ターボ機械流路は、圧縮機流路（ＶＣ）である、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載のシーリングシステム。
6. 前記軸方向壁は、下流方向に延出しており、
   前記ターボ機械流路は、タービン流路（ＶＴ）である、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載のシーリングシステム。
7. ターボ機械の外側に向けて延出すると共に、第１群のシーリング要素を形成する少なくとも１つの第１のシーリング要素（２３）と、
   前記ターボ機械の縦軸に対向すると共に、第２群のシーリング要素を形成する少なくとも第２のシーリング要素（３３）と、を備えたターボ機械ロータ装置であって、
   前記ターボ機械ロータ装置は、ステータセクター（１０）との組合せで請求項１から６のうちいずれか一項に記載の前記シーリングシステム（９）を構成しており、
   前記第１及び第２群のシーリング要素は、軸方向に互いに離隔している、ターボ機械ロータ装置。
8. 根元（ＳＩ）を有するベーン（ＰＳ）を備えたターボ機械ステータセクターであって、
   前記ベーン（ＰＳ）の根元（ＳＩ）は、
   アブレイダブル被膜（２２）を少なくとも部分的に備えると共に、前記ターボ機械の縦軸に対向する第１の表面（２１）と、
   アブレイダブル被膜（３２）を少なくとも部分的に備えると共に、前記ターボ機械の外側に対向する第２の表面（２４ａ）と、を有し、
   前記ステータセクターは、ロータ装置（１１）との組合せで請求項１から６のうちいずれか一項に記載の前記シーリングシステムを構成しており、アブレイダブル被膜（２２）及びアブレイダブル被膜（３２）は、軸方向に互いに離隔している、ターボ機械ステータセクター。
9. 請求項７に記載のロータ装置（１１）と、請求項８に記載のステータセクター（１０）とを備えたターボ機械であって、
   前記ロータ装置（１１）及び前記ステータセクター（１０）は、共同でシーリングシステム（９）を構成する、ターボ機械。

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