JPS5838616B2 - タ−ビンブレ−ドセンタンブノシ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジンに係り、更に詳細には、
高温ガスタービン壬ンジンに用いるブレード先端部シー
ルに係る。

ガスタービンエンジンの構造は、常に各構成部材の構造
的一体性及び最大の空気力学的性能を確保スべく、正確
なエンジニアリングを必要としてきた。

最大の性能を達成するためには、全ての作動流体がター
ビンブレードを横切って導かれなければならない。

タービンブレードとこれを囲む構造体の間に漏洩が生ず
ると、それに対応して性能が低下する。

一つの典型的なガスタービンエンジン構造に於ては、タ
ービンブレードは熱膨張を許容すべく片に分けられたブ
レード先端部シールによって囲まれている。

米国特許第３４２３０７０号に示されている如く、各シ
ール片より延びる二つの脚部がタービンケースに取り付
けられた支持部材に於ける円環状トラックに係合してい
る。

前記脚部と円環状トラックの間の隙間はブレード先端部
に対しシール部材を正確に位置決めし又振動応力を最小
限にするため小さくされている。

通常、片に分けられたシールの下側（半径方向外側）に
ある空隙は圧力を掛けられており、これによってシール
をエンジン中心線へ向けて押しやり、前記シール片に於
ける脚部を前記円環状トラックの内径部に接触させるよ
うになっている。

前記脚部と前記円環状トラックの間に面接触が維持さえ
ている限り、シール片は安定に支持される。

エンジンがその作動温度に達すると、シール片の表面は
高温のタービンガスに曝され、その脚部はより低い温度
の圧縮された空気に曝される。

かくしてシール片を横切って温度勾配が生じ、その結果
シール面に於ける熱膨張が前記脚部に於けるそれを越え
、そのためシール片が扁平化する。

シール片が扁平化すると、各脚部は前記円環状トラック
内にて変形され、その内側及び外側部に於ける幾つかの
点にて前記トラックと接触し、シール片を前記円環状ト
ラック内に噛み込ませる。

かかる状態となったシールは安定に支持されるが、上記
の如きシール構造は幾つかの有害な特徴を有する。

第一に、シール片はその下流端が隣接するタービンベー
ンの上流縁と接触し、半径方向のガスシールを行うべく
軸線方向に自由に移動し得るものでなければならない。

もしシール片が円環状トラック内に固定されると、シー
ル片は軸線方向に移動しなくなる。

又前記脚部が熱的に撓むことは、該脚部を前記円環状ト
ラックの内外面に接触せしめる。

一つの接触が生ずると、更に熱歪みにより該脚部内の応
力が増大し、該脚部を構成する材料の破壊あるいは降伏
を生ずる恐れがある。

もし脚部材が構造的に降伏すると、それを円環状トラッ
クより取り外し又再びこれに装着することが困難となる
。

一つの実施例に於ては、かかる脚部に応力を緩和する溝
を設け、熱的に変形したシール片が前記円環状トラック
に噛み込む程には応力を及ぼされないようにされている
。

他の一つの実施例に於ては、円環状トラックとシール片
の脚部の間の隙間が噛込みを避ける程度に増大されてい
る。

シール面と脚部の間に熱勾配が生じると、シールは扁平
化し、これによって脚部と円環状トラックの間の面接触
が保たれなくなる。

シールはただ一点のみにて支持され、トラック内にて揺
動運動を生ずる。

かかる不安定な支持状態に於ては、ブレード先端部に誘
起された振動応力がシール片を破壊する危険がある。

更にかかる揺動運動により生ずる不規則な摩耗パターン
によって、ブレード先端とシール片の間の空隙が増大す
るにつれて、タービン性能は著しく低下する。

歴史的には、ガスタービンエンジンと蒸気タービンエン
ジンとは、エンジンの冷温状態に於て対応するシール部
の半径にほぼ等しい半径のシール面を含んでいた。

蒸気タービンに於ては、シール部材と回転軸の間の最初
の隙間は、タービンが作動温度に達する前に於けるケー
ス不整合を許すために設けられなければならない。

米国特許第３５９４０１０号は軸をシールするための二
つの位置を有するシール片を開示している。

エンジンの起動中は、シールは軸とグランドシールの間
の摩耗接触を避けるべく、ばね部材により軸より離れた
一つの位置に保持されている。

グランドシールによってシールされた二つの段の間に充
分な差圧が生ずると、シールはその後側により押圧され
、円環状トラックの内径に対し第二の位置へ向けて押圧
される。

このシールばばね空隙を囲む二つの突起を有している。

該シールが差圧によって円環状トラックの内径部に押圧
されるにつれて、該シールは二つの突起上に座するよう
になり、これによって該シールを安定した状態に保持し
、シール面はその最小直径の位置にある。

前記米国特許によって提案された蒸気タービン軸シール
はガスタービンブレードシールには適さない。

何故ならば、前記米国特許に於ける型のシールを通過す
るブレードは、その後退位置に於て滑らかな軸によって
は生じない振動応力を生ずるからである。

かかる振動応力は最終的にはシール部材の破壊をもたら
すであろう。

最新のガスタービンに於ては、種々の運転状態に於て変
化する直径を有するシール面を与える方法が要求されて
いる。

更にシールは全てのエンジン運転状態に於て安定に支持
されなければならない。

本発明の一つの目的は、エンジンの設計運転状態に於て
小さい先端部空隙を有するタービンブレード先端シール
を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、全てのエンジン運転状
態に於て安定であるシール支持装置を提供することであ
る。

本発明は、シールを横切る熱勾配がシール面の新しい曲
率半径を確立するのに有効な曲げ応力を誘起するといら
認識に基いている。

シール面に於ける熱的状態は彎曲フックに於て経験され
るよりもより大きい熱膨張を促進し、これによってシー
ル表面領域を増大し、これに対応して曲率半径を増大せ
しめる。

本発明によれば、可変曲率半径を有するシール面を有す
るタービンブレード先端シールはシールに於ける彎曲フ
ックにより円環状トラック内に半径方向に安定に支持さ
れる。

本発明の一つの特徴は、エンジン冷温状態に於てはブレ
ード先端部に於けるタービンホイールの半径より小さい
曲率半径を有するシール面にある。

本発明の他の一つの特徴は、シール上に設けられた彎曲
フックにして、該フックが係合する円環状トラックの曲
率半径より小さい曲率半径を有する彎曲フックにある。

本発明のその他の特徴は、片に分けられたシールの下流
縁に於けるシール面及びシールと円環状トラックの間の
半径方向隙間にある。

本発明の主たる利点は、設計運転状態中にブレード先端
部に於けるタービンホイールの半径に適合すべくシール
面の曲率半径が増大する如き熱的撓みシールによって与
えられるブレード先端部空隙の改良された制御態様にあ
る。

本発明の他の一つの利点は、シールが後流側ベーンプラ
ットホームに対し軸線方向に自由に移動することができ
、これによって該シールと隣接するベーンプラットホー
ムの間に半径方向のガスシールをもたらすことである。

又円環状トラックの内径部と彎曲フックの間に二つの線
接触が行われることによって安定したシールの支持が得
られる。

以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明すする。

第１図はガスタービンエンジン１０のタービン部を通る
断面の端部を簡略化して示す図である。

ホイール組立体１６には複数個のタービンブレード１２
が取り付けられており、これらのタービンブレードは各
々ブレード先端部１４を有する。

シール片２０を含む外側エアシール１８がブレード先端
部を取り囲んでいる。

第２図に示す如く、各シール片はブレードシール面２２
とベーンシール端２４とを有し、前記シール片より延び
る一対の彎曲したフック２６によって支持されている。

彎曲したフックは各々シール支持要素３０内にある円環
状トラック２８と係合しており、前記円環状トラックは
内径表面３２を有する。

外側エアシールとタービンケース３０の間に配置された
環状空隙３４ばその軸線方向を前記シール支持要素によ
って限られている。

タービンベーン３８は上流側プラットホーム縁４０を有
し、前記タービンケースにより支持されている。

第３図に示す各シール片のシール表面は曲率半径Ｒ−１
を有し、各彎曲フックは曲率半径Ｒ−２を有する。

各彎曲フックは各端部に支持領域４２を有する。

タービンホイール半径Ｒ−３はエンジン中心線より各タ
ービンブレード先端部まで延びている。

前記円環状トラックの内径面は曲率半径Ｒ−４を有して
いる。

エンジン作動中ば前記環状空隙３４は加圧状態にあり、
これによって前記シール片２０はその彎曲フック２６か
前記円環状トラックの内径表面３２に接触するまでエン
ジンの中心線へ向けて押圧されており、エンジンの全て
の作動条件中シール片はこの状態に保持されている。

相前後するタービン段の間に於ける差圧により、前記シ
ール片はベーンシール縁が隣接するタービンベーンのプ
ラットホーム縁に係合するまで軸線方向下流側へ押圧さ
れる。

エンジンが冷温状態にあるときには、前記シール面の曲
率半径Ｒ−ｉはホイール半径Ｒ−３（この中でタービン
ブレードが回転する）より小さい。

前記シール面の曲率半径は第４図に示す如くエンジンの
設計作動状態に於てタービンブレード先端部の半径に実
質的に等しいように選択されている。

一つの好ましい実施例に於ては、巡航状態に於て前記シ
ール面の温度は１３００°Ｆ（７００℃）であり、前記
支持フックに於ける温度は９５０ ’Ｆ（５１０℃）で
ある。

前記シールを横切る温度勾配によりシール面は平らにな
ろうとし、これによってシール面の曲率半径が増大する
。

シール面が平らになるにつれて、彎曲フックも平らにな
る。

各彎曲フックの曲率半径Ｒ−２はそれが前記円環状トラ
ックの内径面の曲率半径Ｒ−４より常に小さいように選
択されており、これによって彎曲フックが二つの支持領
域にて前記円環状トラックの内径面と接触することが保
証されている。

かかる二点支持により、シールが揺動することが阻止さ
れ、全てのエンジン作動状態に於てシールを安定化する
。

前記彎曲フックと円環状トラックの間には充分な空隙が
設けられており、これによってシールは軸線方向に位置
を変えることができるようになっている。

本発明に於ては前記彎曲フックがシール面の撓みを妨げ
ないことが重要である。

彎曲フックが一様な断面を有し互生さい厚みを有するこ
とによって最大限の可撓性が得られ、熱応力を均一に分
布させることができる。

以上に於ては本発明を好ましい実施例について説明した
が、本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは
当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンを通る端部断面の簡略化された図
であり、ガスシールを冷温状態に於て示している。 第２図はガスタービンエンジンの一部を通る簡略化され
た断面図であり、タービンブレード及びベーンを示して
いる。 第３図は第２図に於ける線３−３による簡略化された断
面図である。 第４図はガスタービンエンジンのタービン部ヲ通る簡略
化された断面図であり、巡航状態に於けるカスシールを
示している。 １０・・・・・・ガスタービンエンジン、１２・・曲タ
ービンブレード、１４・・−・・ブレード先端部、１６
・・・・・・ホイール組立体、１８・・・・・・外側エ
アシール２０・・・・・・シール片、２２・・・・・・
シール面、２４・・曲ベーンシール縁、２６・・・・・
・彎曲フック、２８・・・・・・円環状トラック、３０
・・・・・・シール支持要素、３２・・・・・・内径表
面、３４・・・・・・環状空隙、３６・・・・・・ター
ビンケース、３８・・・・・・タービンベーン、４０・
・・・・・上流側プラットホーム縁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ディスクと前記ディスクより半径方向に延びる複数
   個のブレードとを含むタービンホイールと、前記ブレー
   ドの先端部に於ける前記タービンホイールの半径より大
   きい半径の円環状トラックを有する外側ケースとを含む
   ガスタービンエンジンに於けるガスシールにして、前記
   円環状トラックに沿って配置され前記タービンホイール
   をその半径方向外力より取り囲み前記ケースと前記ブレ
   ードの先端部との間の間隙を通り前記タービンホイール
   を横切って生ずるガス漏れを減するための複数個のシー
   ル片を有し、前記シール片は各々前記円環状トラックの
   半径より小さい曲率半径を有する弧状の湾曲フックを有
   し、前記湾曲フックは各シール片を前記環状トラックに
   対し位置決めすべく三箇所にて前記円環状トラックと線
   状に接触係合していることを特徴とするガスシール。 ２ ディスクと前記ディスクより半径方向に延びる複数
   個のブレードとを含むタービンホイールと、前記ブレー
   ドの先端部に於ける前記タービンホイールの半径より大
   きい半径の円環状トラックを有する外側ケースとを含む
   ガスタービンエンジンに於けるガスシールにして、前記
   円環状トラックに沿って配置され前記タービンホイール
   をその半径方向外方より取り囲み前記ケースと前記ブレ
   ードの先端部との間の間隙を通り前記タービンホイール
   を横切って生ずるガス漏れを減するための複数個のシー
   ル片を有し、前記シール片はそのシール面がエンジン冷
   温状態に於ては前記ブレード先端部に於ける前記タービ
   ンホイールの半径より小さい曲率半径を有しまたエンジ
   ン作動状態に於ては前記ブレード先端部に於ける前記タ
   ービンホイールの半径に実質的に等しい曲率半径を有す
   るよう熱的に変形するようになっており、前記シール片
   は各々前記円環状トラックの半径より小さい曲率半径を
   有する弧状の彎曲フックを有し、前記彎曲フックは各シ
   ール片を前記円環状トラックに対し位置決めすべく三箇
   所にて前記円環状トラックと線状に接触係合しているこ
   とを特徴とするガスシール。