JPH05504812A - ダイアフラム型シールプレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイアフラム型シールプレート 産業上の利用分野 この発明は、タービン・エンジンに関し、さらに詳しくは、遠心コンプレッサー と回転タービンとを有するタービン・エンジンのコンプレッサーとタービン部分 の断熱に利用するシールに関するものである。

従来の技術 回転タービンに結合された遠心コンプレッサーを利用する多くのタービン・エン ジンにおいて、コンプレッサーとタービンホイールとは、コンパクト化のために 背中合わせの関係に配置される。通常、両者の間には、断熱のために環状の狭い 間隔が存在している。すなわち、燃焼ガスによるタービンホイールの加熱の結果 、過度の熱量がタービンホイールからコンプレッサーに伝達されるのを防止する ために空隙が配置される。

空隙がこのような目的を達成する一方、装置のロータとステータとの間の境界に おいて、装置のコンプレッサー側とタービン側の間のこのような空隙を通るガス の流れを防止するようにシールされなければならないという困難さが存在してい る。さらに、このような空隙のシールは、シール自体が不当に大量の熱をエンジ ンのタービン側からコンプレッサー側に伝達しないようなものでなければならな い。

このような困難さを解消するために、従来は２個の部材からなる環状のシールが 設けられている。最初の部材は前部シールプレートであり、このシールプレート は、コンプレッサー側のエンジンステータに対して適当な手段によって固定され 、コンプレッサーとタービンの間の空隙内に延び、その径方向の内端において空 隙の境界面に殆ど接している。このようなシールプレートは、いくらかの量のた めに（しばしば、少量のガスの通路が、ロータの冷却を提供するめに好ましい。

）、エンジンのコンプレッサー側からタービン側へのガスの通路を保持している 。

しかしながら、エンジンのタービン側からコンプレッサー側への熱の伝達を防止 することはできない。

このような熱の伝達を最小とするために、従来のソールは、径方向外周の近くで 前部シールプレートに装着され、このシールプレートに適当に装着された径方向 内側端縁を有するように、そこから径方向内側に延びている、比較的に薄いリン グ状の金属片のダイアフラムと呼ばれるものを有している。ダイアフラムの生体 はシールプレートから間隔が置かれ、両者の間には、エンジンのタービン側から コンプレッサー側への熱伝達を厳しく阻止するエア・ポケットが形成される。

エンジンの作動中、エンジンのタービン側には極端に高い温度の発生することが ある。したがって、シールプレートとダイアフラムは加熱サイクルを受け、特に 、ダイアフラムは作動中に顕著な熱的成長を経験することとなる。さらに、シー ル組立体には径方向に横断する実質的な温度勾配がある。これらの２つの要因は 、種々の作動状態において、ダイアフラムの変形をもたらし、偶発的な事故を導 くクラッキングを生じさせる。タービンホイールとダイアフラムの間の干渉から もたらされるこのような変形を防止するために、両者の間の間隙は比較的大きく 維持されなければならない。そして、当然に、比較的大きな間隙はシールプレー ト周りの流れの洩れ通路を増大させる。この結果は、当然に、洩れを増加させ、 装置の操業効率を減少させる。

１９９０年６月１２日に発行された、ハリス外に対する米国特許第４９３２２０ ７号には、シールプレートとタービンの間の熱伝達を防止するための隔離間隔を 提供し、シールの加熱サイクルを調節する一方、両者の間の間隙を最小にする非 常に好ましいシールの設計が開示されている。このシールの設計は３層の積層体 が前部シールプレートの軸方向の面と環状ノズルに近接するハウジング支持部に 当接するところの位置にあるデッド・エアスペースに入る熱ガスをある程度まで 減少する。この発明は、ガス洩れの量を最小としながら、ハリス外のシールの断 熱効果の改善を目指している。

発明の要約 この発明の主要な目的は、新しくかつ改善されたタービン・エンジンを提供する ことである。特に、この発明の目的は、ダイアフラムを有し、それによって、シ ールプレートとタービンとの間の空隙とそのシールプレートを通る熱ガスの洩れ が性能の損失を少なくするように最小にされているシールプレートを持つ、遠心 コンプレッサー・回転タービン型のタービン・エンジンを提供することである。

この発明の典型的な具体例は遠心コンプレッサーと回転タービンホイールとを有 するタービン・エンジンにおける上述の目的を達成する。タービンホイールがコ ンプレッサーを駆動できるように、僅かに間隔を置いて、背中合わせの関係でコ ンプレッサーとタービンホイールとを結合する手段がある。ハウジングはコンプ レッサーとタービンホイールとを取り巻き、固定シールがハウジングに装着され る。固定シールはコンプレッサーとタービンホイールの間の空隙に延び、主シー ルと、コンプレッサー近傍の支持部分とタービンホイール近傍の断熱部分とを有 している。断熱部分は主シールと支持部分に装着される。周囲溝は、タービン側 に向かって軸方向に開口し、主シールと支持部分に沿う軸方向の中間に配置され る。周囲溝は径方向の開口ギャップを含んでいる。環状のダイアフラム型シール はギャップから溝の径方向反対側まで延び、断熱部分を主シールや支持部分に対 してシールするように作用している。

好適な具体例において、ダイアフラム型シールは、主シールと支持部分でスプリ ング手段が生じる付勢力によってその場所に保持される。かくして、ダイアフラ ム型シールは、溝の径方向反対側とハウジング支持部との間に挟みこまれ、第１ デツド・エアスペースを画成する。好ましくは、断熱部分は、円形列に配置され 、相互に角度的に動くことができるとともに、互いに隣接する部片をシールする 手段を有する複数の部片からなっている。

他の好適な具体例において、ギャップは溝の関連する側の環状のＬ型支持リング によって画成される。主シールと支持部分の交差部、環状のＬ型支持リング、そ して各部片とが第２デツド・エアスペースを囲んでいる。

第３デツド・エアスペースは、ハウジング支持部と、各部片と、ダイアフラム型 シールと、そして環状のＬ型支持リングとによって囲まれている。これらの３個 のデッド・エアスペースがタービン側の熱ガスからコンプレッサー側を断熱する 。

上述の結果として、熱絶縁のために３個のデッド・エアスペースが提供され、一 方、各部片は円周および径方向に熱的に成長（膨張）することを許容される。

各部片は相互に移動可能であるので、熱的成長は変形なしで行われることができ 、タービンホイールにおける間隙は絶対的に最小とされる。さらに、環状ノズル の近傍でハウジング支持部に当接するセグメントの一〇の径方向外端のタービン 側によって形成される第１シールを越えて通る熱ガスは、その通路において、ダ イアフラム型シールと、その部片の径方向外側端部のコンプレッサー側の当接す るＬ型支持リングによって形成される第３シールとによって阻止される。熱ガス が第１ソールを透過することができたとしても、この第１シールを取り巻くデッ ド・エアスペースが熱ガスの温度からコンプレッサー側を絶縁する。その結果、 より効率的なエンジン操作を実施することができる。

他の目的や利益は図面とともになされる次の説明から明らかになるだろう。

図面の簡単な説明 図１はこの発明により作られたガスタービン・エンジンの断面図である；図２は 図１のエンジンのステータとロータの境界部の拡大要部断面図である。

図２Ａは図２の前部シールプレートの拡大側面図である。

図２Ｂは図２のダイアフラムシールを示す要部拡大図である。

図２０は図２の部片の径方向内側部分を示す要部拡大図である；図３はこの発明 によって作られ、組み立てられたシールプレートの平面図である。

図４はシールプレートで利用される部片の平面図である；図５は部片の分解図で ある。

実施例 この発明のシールプレートを設けることができるガスタービン・エンジンの典型 的な具体例が図１に例示され、一般的な符号１０を付けられた固定ハウジングを 有することが見られる。軸１２の周りを回転するために、ハウジング内に軸受け されているロータには、一般的な符号１４が付されている。ロータ１４は、ハブ １８と、環状ノズル２２によって径方向内側を指向する燃焼熱ガスを受け入れる ために配置されたブレード２０とを有する回転タービンホイールがら作られてい る。ロータ１４は、さらに、ハブ２６とブレード２８とを有する、回転する遠心 コンプレッサー２４を有している。タービンホイール１６とコンプレッサー２４ は、結合した回転のために、例えばピン３ｏを含むような適当な手段によって一 緒に連結されている。径方向内側を指向する環状の空隙３２がタービンホイール とコンプレッサー２４との間に存在することが観察される。

作動中、入口３４から装置への空気は、ブレード２８によって圧縮され、ディフ ューザ３６を通って径方向外側を指向する。圧縮された空気は、既に知られてい るように、燃焼用のガスを作るためにインジェクタ４４により噴射される燃料と 組み合わせるように、環状の燃焼室４２を取り巻く環状の空間４０を通る。燃焼 室４２はノズル２２と連通する出口を備えている。

空隙３２と同時に、ディフューザ３６とノズル２２との間の領域をソールするた めに、一般的な符号４６で示されるシール組立体が利用される。シール組立体は 従来の手段によってハウジングの部分５０に装着される。

図２．２人および２Ｂを見るに、各シール組立体４６は４個の基礎的な構成要素 から作られている。第１の構成要素は、形状がリング状でコンプレッサー２６と タービンホイール１６との間に配置されている前部シールプレート５４である。

前部シールプレート５４は、ハウジング１０に装着され、そして、シール組立体 ４６の他の構成要素を装着するためのものである。

軸方向でコンプレッサ２６に向かって開口している環状の第１周凹溝５６は、前 部シールプレート５４の径方向外側の端部に配置されている。第２周囲溝内８は 第１周囲溝に近接し、軸方向でタービンホイール１６に向かって開口している。

ベロウ状のスプリング６０が第１および第２周囲溝内に配置され、それぞれ前部 シールプレート５４をハウジング支持部６４に対して、好適には環状ノズル２２ の近傍で、それぞれシールしている。ベロウ状のスプリング６０が好ましいけれ ども、ハウジング１０に対して前部シールプレート５４をシールし、前部シール プレート５４に対して付勢力を提供する手段ならば同様のことを期待することが できる。前部シールプレート５４は、また、第３周凹溝６６を有し、この第３周 凹溝６６は、軸方向でタービンホイール１６に向かって開口し、第１周凹溝５６ よりも径方向内側に配置されている。

基本的な第２構成要素はダイアフラム型シール構造であり、第３周凹溝６６を画 成する径方向内側の壁７０の径方向内側６９に固定されている環状のＬ型支持リ ング６８を有している。基本的な第３要素は、Ｌ型支持リング６８が第３周凹溝 ６６の径方向内側の壁７０の端部７２に実質的に整列している第１部分を有して いることである。ダイアフラム型シール７４の径方向の内端７３は、Ｌ型支持リ ング６８と端部７２によって形成された、環状の、径方向外側の開ロギャンプ７ ５に密封的に受け入れられている。

スプリング６０が前部シールプレート５４に対して発生する付勢力は、第３周凹 溝６６を画成する径方向外側壁７８の端部７６をダイアフラム型シール７４の径 方向外側端７９に密封接触状態に押圧し、次いで、その外側端７９を環状ノズル ２２の近傍で固定のハウジング支持部６４に接触密封状態に付勢される。かくし て、環状の第１デツド・エアスペース８０は第３周凹溝６６の基部とダイアフラ ム型シール７４の間に形成される。

前部シールプレート５４は、タービンホイール１６とコンプレッサー２４との境 界、すなわち、空隙３２の径方向内側の境界に近く接近して、径方向内側の円形 端部８２を有している。前部シールプレート５４に沿うほぼ径方向の中央に径方 向外側に開口する環状の第４溝８４がある。

ソール組立体４６の基本的な第４番目の要素は、図３に示されるように、円形状 の列に配列された複数の部片８６である。部片８６は、弧状の大きな基部と小さ な基部とを有するいくらかパイ形または台形とも見なし得る。各部片８６はター ビンホイール１６の径方向外側の周囲の近くで、エンジンのタービン側に前部ソ ールプレート５４に対して装着される。

好適な具体例において、各部片８６は、ここでは参考として引用される前述のハ リス外の特許でより詳細に説明されているように、３層の積層体から構成されて いる。一つの層８８はタービンホイール１６に面し、丁度近接している。他の２ つの層９０と９２とは、それぞれ、支持シートを構成し、図４や図５に見られる ように、互いにずらされている。一般的に、必ずということではないが、層８８ ．９０および９２は、異なる熱膨張係数を有する異なる材料の熱成長に関連して いる応力の発生を避けるために、同じ材料から作られている。さらに、対応する 部片の弧の全長は、その数値に近いだろうけれども、３６０″に決して等しくは ない。したがって、層８８の側縁９４と９６は円周方向における熱的成長を許容 するために互いに接触することがないものである。同じ関係が層９０の側縁９８ と１００と層９２の（Ｉｌｌｌ縁１０２と１０４との間に存在する。

他の好適な具体例において、３層８８．９０．９２のそれぞれの径方向内側端縁 １０６，１０８．１１０は整列していない。同様に、３層の８８．　９０．　９ ２のそれぞれの径方向外側端縁は整列していない。層９０の径方向内側端縁１０ ８は、第４溝８４の基部に位置している。層９０のタービン側面１１８は、好ま しくは環状ノズル２２の近傍で、ハウジング支持部６４に密封的に係合するよう に層９０をさせるために、層９０の径方向外側端縁においてハウジング支持部６ ４に当接している。付加的に、コンプレッサー側面１２０は、好ましくは、Ｌ型 支持リング６８と密封的に係合している。スプリング６０は、Ｌ型支持リング６ ８、層９０の２つの面１１８，１２０．およびハウジング支持部６４の間の密封 的ソールを維持するために、前部シールプレート５４をタービンの方向に押圧す る。

層８８は、第４溝のほぼタービン側先端１２２からハウジング支持部６４の径方 向の最内側部に近接するように径方向に延びている。層９２は、はぼ第４溝８４ のコンプレッサー側先端１２４からハウジング支持部に近接するように径方向に 延びている。環状の第２デツド・エアスペース１２６が形成され、ダイアフラム 型シール７４、ハウジング支持部６４、Ｌ型支持リング６訳そして、層９０の面 １１８と１２０によって境界される。

層８８と９２の側縁９６と１０４はこれらの層の側縁９４と９８と同じように整 列する。逆に言えば、層９０の側縁９８は、層９０の側縁１００が側縁９６と１ ０４の角度を越えて延びるのに対し、側縁９４と１０２から角度的に後退してい る。

その結果、円周状に開放溝１２８が各部片８６の右側に配置され、各部片８６の 円周状に突出する舌状部１３０が、図４および５で見られるように、層９０の左 側に沿う部分によって画成される。舌状部１３０は隣接する部片の開放溝１２８ に滑動的に受け入れられるように寸法付けされ、基本的に両者の間の境界をソー ルしている。

層９０の径方向内側端縁１０８は、中央で径方向内側に突出するピン部１３２を 有している。層９０は、その場所をシールするために、第４溝８４の先端１２２ と１２４との間に係合する。

エンノンのタービン側に向（表面１３４で僅かに凹面とするように前部ノールプ レート５４を形成することによって、既に説明したような方法で、環状の第３デ ツド・エアスペース（図２Ａ）が設けられる。

層９０に装着されるピン１３２は、円周方向における部片８６の移動を制限する ために、第４溝８４の基部に形成されるスロット１４０に配置されることができ 、各部片はリング状組立体の一つの場所に“束ねられる”のではな（、径方向で は各部片８６の熱的成長を許容している。勿論、全ての部片８６にスロット１４ ０のためのピン部１３２を設けることは必要でない。

独立の環状のＬ型支持リング６８について説明してきたが、前部シールプレート ５４の第３周凹溝６６の壁７０と環状のＬ型支持リング６８を一体にする設計も また考えられる。さらに、環状のＬ型支持リング６８を壁７８の径方向外側１４ ２に取り付けることも、また、考えられる。

部片８６を利用する、この発明によって作られたシール組立体４６は、エンジン のタービンに向き合うデッド・エアスペース１３８の境界の円周方向への膨張を 許容することが容易に理解されるであろう。部片の底縁における舌状部と溝の前 部シールプレート５４に対する連結とその上部縁におけるピン結合も、径方向の 膨張を提供することができる。

隣接する部片に対する舌状部と溝の結合は、円周方向における熱的成長を提供し 、それによって“だが２かけ応力を逃し、発生するクラッキングを防止する。

シール組立体４６の側縁は２つの部分に分けられている、すなわち、部片８６に よって画成されるセクションであるので、これらの２つのセクションは相互に対 してそれぞれ移動可能であり、径方向における熱勾配による変形が避けられる。

その結果、層８８とタービンホイール１６との間の間隙は最小とされ、それによ りタービンとシールプレートの間の洩れ通路の寸法が減じ、かくして、エンジン 効率は増大するものである。

さらに、シールの種々の要素の熱的成長のために、３つのデッド・エアスペース が、タービン側の熱ガスがコンプレッサー側のガスの温度に影響することを防止 するために設けられる。さらに、特に、環状ノズル２２の近傍でハウジング支持 部６４に当接するところで層９０のタービン側面１１８によって形成されるシー ルを通る熱ガスが第２デツド・エアスペース１２６に入ることができる。そして 、この熱ガスは、ダイアフラム型シール７４および／または層９０の表面１２０ とＬ型支持部材６８とによって形成されるシールを、前部シールプレート５４の 表面１３４の温度に顕著に影響されないように充満する。かくして、コンプレッ サーのエアの温度はエンジン効率を増大するように減少され、一方、層８８とタ ービンホイール１６との間の間隙は最小とされたままである。

国際調査報告 環状の第１ンール（４６）は、ハウジング（１０）ｉこ装着され、コンプレ・ソ サタービン側とハウジング支持部（１０）との間Ｉこ固定される。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．ガスの流れの通る回転遠心コンプレッサーと；環状ノズルを有する回転ター ビンホイールと；タービンホイールがコンプレッサーを駆動ずるように、コンプ レッサーとタービンホイールとを、僅かな間隔を置いて、背中合わせの関係に結 合する手段と；コンプレッサーやタービンホイールを取り巻き、ハウジング支持 部を有するハウジングと； このハウジングに装着され、コンプレッサーとタービンホイールとの間の空隙に 延びる環状の第１シールであって、コンプレッサーに近接する主シールおよび支 持部分とタービンホイールに近接する断熱部分を有し、主支持部分から一般的に 間隔を置いて装着されているシールと；第１シールの径方向外側端部に配置され た、タービン側に向いて軸方向に開放した周囲溝であって、第１壁が第２壁の径 方向内側に配置されている、第１および第２壁を有する溝と； 径方向外側に開口するギャップを形成する周囲溝に装着する手段と；そして内側 および外側端縁を有する環状の第２シールであって、この内側端縁がギャップに 密封的に係合し、外側端縁がタービン側の第２壁とハウジング支持部との間に固 定されている第２シールとからなる、コンプレッサー側とタービン側とを有する ガスタービン・エンジン。
2. ２．前記断熱部分が、円形列に配置され、互いに対して角度的に移動可能である 複数の部片と、互いに隣接するシール手段とを有することを特徴とする請求項１ 記載のガスタービン・エンジン。
3. ３．前記断熱部分の底部が、主部分に沿う径方向のほぼ中央に配置された径方向 外側に開口する溝であって、この径方向外側に開口する溝が基部と第３および第 ４壁を有し、基部が第３および第４壁の間に配置されている溝で、この溝に装着 されていることを特徴とする請求項２記載のガスタービン・エンジン。
4. ４．主部分に配置され、前記径方向外側に開口する溝が、溝の基部に配置された スロットを有し、一方、断熱部分が部片の径方向内側端縁に配置されたピン部を 有し、スロットとピン部とが係合した時には、部片の角度方向への移動が制限さ れることを特徴とする請求項３記載のガスタービン・エンジン。
5. ５．環状ノズルがハウジング支持部の近傍にあることを特徴とする請求項１記載 のガスタービン。
6. ６．スプリング手段を、タービン側に向けて主シールと支持部分に対して付勢力 を提供するために、主シールと支持部分およびハウジングの間に配置し、このス プリング手段の付勢力が、周囲溝の第２の壁のタービン側を環状の第２シールと 固定ハウジング支持部に対してシールし、装着手段を部片に対し、そして部片を 固定ハウジング支持部に対してシールすることを特徴とする請求項１記載のガス タービン・エンジン。
7. ７．前記装着手段が第１シールの周囲溝と一体に形成されていることを特徴とす る請求項１記載のガスタービン。
8. ８．前記装着手段が第１の壁の径方向内側に取り付けられたＬ型支持リングを有 することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
9. ９．前記装着手段が第２の壁の径方向外側に取り付けられたＬ型支持リングを有 することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
10. １０．径方向外側の回転コンプレッサーと；熱ガスの流れの通る環状ノズルを有 する、径方向内流タービンホイールと；このタービンホイールがコンプレッサー を駆動するように、僅かな間隔を置いて、背中合わせの関係で、前記コンプレッ サーとタービンとを結合する手段と；ハウジング支持部を有し、前記コンプレッ サーとタービンホイールとを取り巻くハウジングと； 前記ハウジングに装着され、前記コンプレッサーとタービンホイールとの間の空 隙に延びる環状のシールであって、コンプレッサーに近接する主シールおよび支 持部分とタービンホイールに近接する支持部分とを有し、主支持部分に通常は間 隔を置いて装着され、その主断熱部分が、円形列に配置され、相互に角度的に移 動可能な複数の部片と互いに隣接する部片をシールする手段とからなるシールと ； タービン側に向けて軸方向に開口し、第１シールの径方向外側端部に配置された 周囲溝であって、第１の壁が第２の壁の径方向内側に配置された第１および第２ の壁を有する周囲溝と； 第１の壁のタービン側との間にギャップを形成するために、第１の壁の径方向内 側に取り付けられたＬ型装着手段； 内側端縁と外側端縁とを有し、その内側端縁が前記ギャップに密封的に係合し、 その第２端縁が第２の壁のタービン側とハウジング支持部との間に固定されるダ イアフラム型シールと； 主シールと支持部分に付勢力を提供し、その付勢力が、周囲溝の第２の壁をダイ アフラム型シールに対してシールするように、また、Ｌ型装着手段を部片や環状 ノズルの近傍のハウジング支持手段にシールするようにタービン側に向けて押圧 する、主シールのコンプレッサー側と支持部分およびハウジングの間に配置され たスプリング手段と； 周囲溝の基部、すなわち、周囲溝の第１および第２の壁とダイアフラム型シール によって囲まれた第１デッド・エアスペースと；部片と主シールとそして支持部 分とによって囲まれた第２デッド・エアスペースと； Ｌ型支持リングと、部片と、ハウジング支持部と、そしてダイアフラム型シール との間のシールによって囲まれた第３デッド・エアスペースとからなり、これに よって、部片と環状ノズル近傍のハウジング支持部によって形成されたシールを とおって漏れ、第３デッド・エアスペースに入る熱ガスが第１および第２デッド ・エアスペースによって断絶されることを特徴とする、コンプレッサー側とター ビン側とを有するガスタービン・エンジン。
11. １１．主シールと支持部分における部片の角度的移動を制限するために、断熱部 片と、主シールおよび支持部分の制限用手段をさらに含むことを特徴とする請求 項１０記載のガスタービン。