JPS593102A - 流体負荷配分部材 - 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】 本発明は負荷配分部材、特に流体負荷を配分するのに適
した部材に関する。

はぼ屋形の隔壁（ダイヤフラム）の形を持ち高圧流体と
低圧流体との間に介在する負荷配分部材を設けることが
時に必要となる。隔壁の外周は第１の支持部材に、内周
は第２の支持部材に取付けられる。この配置は隔壁の前
後の圧力差により負荷が第１および第２の部材に分担さ
れるようにする。

隔壁により支持部材にかかる負荷の配分は関係する種々
の構成部品の幾何学形状に支配される。

このため、状況によっては、隔壁により支持部材の一つ
に負荷かかかってその部材を望ましくない程に大形化従
って重くする必要が生じ、いっぽう隔壁によりもう一つ
の支持部材にかかる負荷はその部材が耐え得るよりも小
さくなるという結果を生むこともある。そのため、支持
部材の組合せの荷重負担能力を隔壁によってかげられる
全負荷と比較した時に、支持部材は恐らく実際に必要な
以上に重くなってしまう。

いま一つの問題は支持部材にかけられる負荷の方向に関
係している。すなわち負荷が異る方向からかがる場合よ
りも支持部材を大形に、従って重くする必要がしばしば
生ずる。

負荷配分部材が関連する１個以上の部材にかけ。

る負荷の大きさと方向との両方を予め決められた態様で
配分することのできる負荷配分部材を高圧−流体と低圧
流体の領域の間に設けることが本発明の一つの目的であ
る。

本発明によれば、運転中に高圧流体と低圧流体の領域の
間に介在する負荷配分部材は２つの円形の縁を持つ屋形
隔壁を含み、該隔壁の形状は高圧流体と低圧流体の領域
の間に介在する時に概して円形断面の回転体である完全
な薄肉のトロイド（環状回転体）の部分の形を成してお
り、この部分トロイドの軸線は前記円形縁の軸線と同軸
であり、前記円形縁にそれぞれ係合してその半径方向の
拘束を与えるように第１および第２のリング部材が与え
られて高圧流体と低圧流体の・領域の間の流体圧力差の
ために隔壁によりリング部材にかけられる力の半径方向
成分がフープ応力としてリング部材に吸収されるように
なっており、隔壁によ　・リング部材間一 方向成分を受持つために支持装置が設けられ、すング部
材にかかる軸方向力の大き゛さと方向の配分が前記隔壁
の部分トロイド形の形状により予め決定されている。

前記円形縁の一つが係合するリング部材に隔壁によって
かけられる力が純粋に半径方向となるような位置に前記
円形縁の一つが配置され、前記円形縁のもう一つが係合
するリング部材に隔壁によりかけられる力が半径方向と
軸方向の両成分を持つような位置に前記もう一つの円形
縁が配置されるように、前記環形＠壁が部分トロイド形
状を持つことができる。

前記リング部材の一つは環形流体シールの一要素を支持
し、該流体シールのもう一つの対応する要素は遠隔構造
により支持され、隔壁により前記リング部材にかけられ
る力によって生ずる前記シール要素の軸方向のたわみが
最少となるような位置に、前記流体シール要素を支持す
るリング部材が配置されるように、前記部分トロイドの
形状がとられていることができる。

前記環状環形隔壁の２個を相互に関連させて使用して運
転中に高圧流体と低圧流体の領域の間に一個の案を介在
させ、高圧流体と低圧流体の領域よりも高い圧力を持つ
流体を含む領域に前記室の内部が連通していて、前記環
形隔壁に係合するリング部材により前記支持部材にかか
る力の軸方向成分の大きさと方向とが環形隔壁の部分ト
ロイド形の形状により予め決定された態様で前記リング
部材間に配分されるような配置にすることができる。

ガスタービンエンジンのタービンの一部ヲ構成する軸受
支持パネルの両側に前記部分トロイド形環形隔壁を１個
ずつ、軸受支持パネルを少くとも部分的に包んでタービ
ンの縦軸と同軸になるように配置することもでき、ター
ビンのケーシングと係合するようにタービン内に設けら
れた静翼の環状翼列の中に設けられる半径方向通路を通
して延在するスポーク（輻）を前記パネルは有し、半径
方向内方リングは前記軸受支持パネルの半径方向内方部
分に取付けられており、隔壁の半径方向外方リングは静
翼の半径方向内方部分に取付けられて前記圧力の異る区
域の間の圧力差のために隔壁にかかる負荷が隔壁の部分
トロイド形の形状により予め決められた態様で軸受パネ
ルと静翼との間に配分されるようにすることができる。

前記リング部材をその関連する環形隔壁と一体にするこ
ともできる。

以下に添付図面を参照しつつ本発明の実施例を記載する
。

第１図を参照するに、円形断面の回転体である薄肉のト
ロイド１０がその内部（構造を表わすように縦断面図で
示、される。しかし、本図および他の図に示されるトロ
イドおよび半トロイドは縦断面図で示されているけれど
もそれは全体構造を図解するために過ぎず、図に示され
るトロイドおよび部分トロイドの全ては実際には完全に
環状であることを理解されたい。

トロイド内の領域Ｐ１が外側の領域Ｐ２よりも高い圧力
になるように流体圧がトロイドにかけられると、トロイ
ド１０の壁内の応力はすべてフープ応力となる。トロイ
ド表面の任意の点ＣおよびＤにおける力を考えると、こ
れらのカは矢印で示されるように切酵方向である。

そこでトロイド１Ｇの軸線に垂直で点ＣおよびＤを通過
する切ｔｕｒ線Ａ−ＡおよびＢ−ＢＶＣ沿ってトロイド
１０を分割すると、できた部分トロイドは第２図に示さ
れるように環形隔壁１１となる。

すなわち隔壁１１は隔壁１１の軸線１４と同軸の２個の
円形縁１２．１３を有する。

領域ＰｌおよびＰ２の間にまだ圧力差が存在すると仮定
すると、トロイド１ｏの壁内のフープ応力が解放されて
その結呆、隔壁１１はその部分トロイド形からひずもう
とする傾向を生ずる。より具体的には円形縁１２および
１３におけるカは今一や軸方向と半径方向との両成分１
２ａと１２ｂおよび１３ａと１３ｂを有することになる
。

このひずもうとする１頃向は第３図に見られるように縁
１２および１３にリング部材１５および１６をそれぞれ
取付けることにより抑制される。リング部材１５および
１６はダイヤフラム１１が及はず力の半径方向成分をフ
ープ応力として吸収づ−ることにより縁１２および１３
０半径方向の拘束を生ずる。１〜かし隔壁１１が及ぼす
力の軸方向成分はリング部材にかかつて矢印１７および
１８により示される方向に軸方向力を生ずる。従ってリ
ング１５および１６が固定された支持装置（図示せず）
に止められているならば、これら支持装置に働く力は純
粋に軸方向となる。

もし、も部分トロイド軸１４からの半径方向距離が完全
トロイド１００回転断面積の中心２０と等しい所にある
円周線１９に沿って第３図のζ分トロイド１１を半径方
向に理論上分割したとすると、半径方間内方および半径
方向外方の環形同軸部分トロイド分割部分が画成される
。そこで、半径方向外方リング部材１５が及ぼす軸方向
力はリング部材１５から円周線１９まで延在す６る部分
トロイド１１０投影面積すなわち面積Ｅに比例する。同
様に半径方向内方リング１６が及はす軸方向力はリング
部材１６から円周＃１９まで延在する部分トロイド１１
０投影面積すなわち面積Ｆに比例する。従って縁１２お
よび１３換言すればリング部材１５およθ１６と中心２
０との半径方向位置を適当に選択することによりリング
部材１５および１６が及ぼす軸方向負荷の配分を変更す
ることができる。それ故、縁１２および１３の位置換言
ずればリング部材１５および１６が及はす軸方向負荷の
配分を決定するものは部分トロイド形の形状である。

第４図に筒圧泥体および低圧流体の領域Ｐ１およびＰ２
の間に介在するもう一つの部分トロイド形の隔壁１１が
示される。この例では、トロイド軸１４からの距離が完
全トロイド１Ｕの回転ル「面積中心２０と等しい所にあ
る円周線１９上に半径方向外方リング部材１５がある。

そのために、隔壁１１により半径方向外方リング部材１
５にかけられる力は全て半径方向であり、従ってフープ
応力としてリング部材１５４に吸収される。従ってリン
グ部材１５によりかけられる軸方向力はない。

同様にリング部材１６に半径方向力は生じない。

軸方向力は全て半径方向内方リング部材１６により矢印
１８の示す方向にかげられ、半径方向力は全てリング部
材１５にかけられる。

高圧および低圧の流体領域Ｐ１およびＰ、２の間に介在
するいま一つの部分トロイド形の隔壁１１が第５図に示
される。この場合の隔壁１１も部分トロイドではあるが
、第３図および第４図に示される部分トロイドとは異る
完全トロイドの部分を構成している。このためリング部
材１５に隔壁１１が及はす、矢印１７で示されるカは第
３図および第４図に示さ゛れる隔壁１４の場合とは方向
が異る。

特にこれらの力の半径方向成分はフープ応力としてリン
グ部材１５により吸収されるのに対し、リング部材にか
かる軸方向成分は第３図および第４図に示される部分ト
ロイドの場合にががる軸方向力とは方向が反対である。

この故に、隔壁１１の部分トロイド形の形状を適切に選
択することにより、リング部材１５および１６が及はす
軸方向力の配分と方向との双方を選ぶことが可能である
。

本発明による負荷配分部材の典型的な応用例が第６図に
示される。第６図にガスタービンエンジンのタービンの
一部が示される。特に、半径方向外方端にてタービンの
ケーシング２２に取付けられ、動翼２３の環状翼列の上
流に隣接して配置されるタービン静翼の環状翼列が図示
される。静翼２１および動翼２３は、タービンを通して
延在して運転中にタービン内で流体を運ぶ環状ガス流路
２４の中に配置される。

動翼２３は回転軸（図示せず）に取付けられたディスク
（円板）２５に取付けられて、屋形気体シール２７の一
要素２６を支持している。気体ンール２７のもう一つの
要素２８は固定されており、屋形隔壁３００半径方向内
方縁に取付けられた第１のリング部材２９に支持される
。屋形隔壁３゜の半径方向外方縁は静翼２１の半径方向
内方部分に取付けられた第２のリング部材３１により支
持される。環形隔壁３０は高圧および低圧の流体領域Ｐ
ｌおよびｐ２の間に介在し、その両顎域の間を気体シー
ルが密封する。

環形隔壁３０は部分トロイドの形をとってＮ・る−から
、前記のように高圧と低圧の両領域間に介在する部分ト
ロイドの特性を具える。すなわち隔壁３００前後の圧力
差のために隔壁３０がリン・グ部材２９および３１に及
ぼす半径方向力はフープ応力としてリング部材２９およ
び３１により吸収される。しかし、環形隔壁３０は、そ
れが及ぼす軸方向力が半径方向外方リング部材３１に矢
印３２が示すように集中するような形状を持つ。それ放
生径方向内方リング部材２９における軸方向力はゼロと
なり、そのためシール要素２８が軸方向にひずむ量は最
少限となり、その結果、シール２７の効率が維持される
。

上述のように部分トロイド形を持つ隔壁３００代りに截
頭円錐形のものがある。しかしこのような截頭円陣形隔
壁には本発明の隔壁３０と異り曲げ力が働くから、その
半径方向内方縁の軸方向ひずみを最少にするためには部
分トロイド隔壁３０の厚みより遥かに厚肉のものになる
であろう。事実、計算によれば、ガスタービンエンジン
の代表的なタービンに截頭円錐形隔壁の換り°に部分ト
ロイドを用いると、５０％の重量軽減を達成することが
できる。

本発明による負荷配分部材のいま一つの応用を第７図に
示す。第７図もガスタービンエイシンのタービンの一部
を示すが、この場合は静翼３３の翼列が示される。静翼
３３はノズル案内痙セありその半径方向外方端はタービ
ンのケーシング３４に取付けられる。各々の翼３３はそ
の中に半径方向に延在する通路を有しその中に軸受支持
パネル３６の半径方向に延びるスポーク３５を収容して
いる。軸受支持パネル３６は半径方向内方端に軸受（図
示せず）を支持し、半径方向外方端にてタービンケー、
シンク３４にスポーク３５により取付けられる。

軸受支持パネルはその両側にその半径方向内方端に２個
の環状隔壁３７．３８を取伺けられている。より具体的
には、リング部材３９および４０と軸受支持パネル３６
との間に有効な気密シールを作るようにそれぞれ７ラン
ジを持った一体のリング部材３９および４０が、環形隔
壁３７および３８にその半径方向内方縁３７ａ、および
３８ａに設けられる。１列の機械的７７スナ４１がリン
グ部材３９および４０を軸受支持パネル３６と係合する
状態に保つ。

環形成Ｍ３７および３８の半径方向外方の縁３７ｂおよ
び、３８ｂはそれぞれ一体のリング部材４２および４３
を設けられる。静翼３３の半径方向内方部分にある対応
する軸方向に隔置されたフランジ４５を密封係合して受
承する環状溝が、リング部材４２および４３にそれぞれ
設けられる。

環形ダイヤフラム３Ｔおよび３８はこのように協働して
軸受支持パネルの主要部の回りの室４６を画成する。

室４６は静翼３３の内部に通ずる孔を有し、それ故に、
室４６内の気体圧Ｐｌは静翼３３内の圧力と等しい。静
翼の冷却のために静翼内の気体圧は高くされているので
、室４６内の気体圧もそれに応じて高くされている。よ
り具体的には、室４６内の領域Ｐ１の気体圧は環形隔壁
３７および３８のそれぞれ外側にある領域Ｐ１およびＰ
２の気体圧より高い。

環形隔壁３７および３８はそれぞれ部分トロイドの形を
とっているので、前記の高圧および低圧の領域の間に介
在する部分トロイドの特性を具備している。それ故、圧
力差により隔壁３７および３８にかかる半径方向負荷は
リング部材３９．４０．４２および４３によりフープ応
力として吸収される。隔壁３７および３８により生ずる
軸方向負荷はリング部材３９および４０をして軸受支持
パネル３６の内方部分に矢印４６．４７で示される反対
向きの軸方向力を働かせることになり、また領域Ｐ２の
圧力は領域Ｐ３の圧力より高いので、結局矢印４７に示
される方向に正味の力がかかる。

同様に隔壁３７．３８によりかけられる軸方向負荷はリ
ング部材４２および４３をして静翼３３の半径方向内方
部分に矢印４８．４９で示される方向に反対向き軸方向
力を働かせることになり、また領域Ｐ２の圧力は領域Ｐ
３の圧力より高いので、静翼３３の半径方向内方部分に
矢印４９の示す方向に正味の力がかかる。

従って環形隔壁３７および３８によってかけられる軸方
向力は軸受支持パネル３６と静翼３３との間に配分され
る。これらの軸方向力がそのように配分される態様は環
形隔壁３７および３８の部分トロイド形の形状により支
配される。この特定例では、軸受支持パネル３６のスポ
ーク３５を充分小さくして最適の空力形状の静翼３３を
通過し得るように軸受支持パネル３６にかかる軸方向力
が小さ・くなるように部分トロイド形の形状を選んであ
る。すなわち環形隔壁３７および３８が存在せず、最高
圧力の領域Ｐｌを静翼３３の中に封じ込むとすると、軸
受支持パネルは領域Ｐ２とＰ３との間の差圧により生ず
る軸方向力を受けることになるであろう。そのため、軸
受支持パネルのスポーク３５は大きくなり、それらを静
翼３３の中に通すために静翼３３の空力形状を犠牲にし
なければならなくなるであろう。従って、本発明の環形
隔壁３７および３８は、静翼３３と軸受支持パネル３６
とにそれらの機能に関して最適な寸法と形状とをとらせ
ることができるような態様で、軸方向力負荷を静翼３３
と軸受支持パネル３６とに配分することを可能にするこ
とが判る。

シール支持兼軸受支持パネルの負荷を分配するために用
いる負荷配分部材を引用して本発明を記載したけれども
、冒圧および低圧領域の間にある環形隔壁に・よって及
はされる力を予め定められた態様にて分配する必要があ
る場合に、他のガスタ−ビンエンジンへの応用さらには
ガスタービンエンジン以外への応用にも適用し得ること
が判、るであろう。

リング部材を環形隔壁に取付ける態様を選ばないことも
判るであろう。すなわち、リング部材は機械的な取付け
、接着または溶接などにより取付けられる。その代りに
隔壁と一体にすることもできる。

上記の部分トロイド隔壁の特性は、隔壁が高圧および低
圧の流体領域の間に介在する時に部分トロイドの形を持
つ場合にのみ可能であることは勿論である。それ故、状
況によっては、隔壁が高圧および低圧の流体領域の間に
介在する時にのみほぼ円形断面の回転体である完全な薄
肉トロイドの部分の形状をとるような態様に隔壁の形状
を沃めることも必要であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は円形断面の回転体である薄肉トロイドの断面図
、 第２図は第１図に示すトロイドの一部を除去した図、 第３図は第２図に示す部分トロイドの縁にリング部材を
取付けたものの図、 第４図は第３図に示すものの代りの部分トロイドの断面
図、 第５図は第３図に示すものの代りの部分トロイドの断面
図、 第６図は本発明による負荷配分部材を組込んだガスター
ビンエンジンの一部の側面断面図、菓７図は本発明によ
る２個の負荷配分部材を組込んだいま一つのガスタービ
ンエンジンの部分の側面断面図。 １０・・・・・・・・・・・・　トロイド１１・・・・
・・・・・・・環形隔壁 １２．１３・・・・・・円形縁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）２個の円形の縁を持つ環形隔壁を含み運転中に高
   圧流体と低圧流体の領域の間に介在する負荷配分部材で
   あって、該環形隔壁の形状は該高圧流体と低圧流体の領
   域の間に介在する時に概して円形断面の回転体である完
   全な薄肉のトロイドの一部分の形をなしており、該部分
   トロイドの軸線は前記円形縁の軸線と同軸であり、第１
   および第２のリング部材が前記円形縁に保合してその半
   径方向の拘束を与えて前記高圧流体および低圧流体の領
   域の間の流体圧力差のために前記隔壁により前記リング
   部材にかけられる力の半径方向成分がフープ応力として
   前記リング部材に吸収されるようになっており、前記隔
   壁によって前記リング部材の少くとも１個にかけられる
   力の軸方向成分を受持つために支持装置が前記リング部
   材の少くとも１個に取付けられ、該リング部材にかかる
   軸方向力の大きさと方向との配分が前記隔壁の部分トロ
   イド形の形状により予め決定されるようにされている、
   流体負荷配分部材。
2. （２）前記円形縁の一つが係合する前記リング部材に前
   記隔壁によってかけられる力が純粋に半径方向となるよ
   うな位置に前記円形縁の一つが配置され、前記円形縁の
   もう一つが係合するリング部材に前記隔壁によりかけら
   れる力が半径方向と軸方向の両成分を持つような位置に
   前記もう一つの円形縁が配置されるように、前記環形隔
   壁が部分トロイド形状を有している、特許請求の範囲第
   （１）項に記載の負荷配分部材。
3. （３）前記リング部材の一つは環形流体シールの一要素
   を支持し、該流体シールのもう一つの対応する要素を支
   持するように遠隔゛構造が設けられ、前記隔壁により前
   記リング部材にかけられる力によって生ずる前記シール
   要素の軸方向のたわみが最少となるような位置に前記流
   体シール要素を支持する前記リング部材が配置されるよ
   うに、前記部分トロイドの形状がとられている、特許請
   求の範囲第（１）項に記載の負荷配分部材。
4. （４）２個の負荷配分部材であって、相互に関連させて
   使用され、運転中に高圧流体と低圧流体の領域の間に介
   在する一個の室を画成し、前記高圧流体の領域よりも高
   い圧力を有する流体を含む領域に前記室の内部が連通し
   ていて、前記環形隔壁に係合するリング部材により前記
   支持部材にかけられる力の軸方向成分の大きさと方向と
   が前記環形隔壁の部分トロイド形の形状により予め決定
   された態様にて前記リング部材間に配分されるような配
   置をとっており、各々が特許請求の範囲第（１）項に記
   載の部材である２個の負荷配分部材。
5. （５）　　ガスタービンエンジンのタービンを構成する
   軸受を支持パネルの両側に前記部分トロイド形環形隔壁
   が１個ずつ、該軸受支持パネルを少くとも部分的に包ん
   で該タービンと同軸となるように配置され、該タービン
   のケーシングと保合するように該タービン内に設けられ
   た静翼の環状翼列の中に設けられる半径方向通路を通し
   て延在するスポーク（輻ンを前記軸受支持パネルが有し
   ており、前記隔壁の半径方向内方リングは前記軸受支持
   パネルの半径方向内方部分に取付けられており、前記隔
   壁の半径方向外方リングは前記静翼の半径方向内方部分
   に取付けられて前記圧力の異る領域の間の圧力差のため
   に前記隔壁にかかる負荷が前記隔壁の部分トロイド形の
   形状により予め決定される態様にて前記軸受支持パネル
   と前記静翼との間に配分される、特許請求の範囲第（４
   ）項に記載の２個の負荷配分部材。
6. （６）前記リング部材はその関連する前記屋形隔壁と一
   体である、特許請求の範囲第（１）項に記載の負荷配分
   部材。 （力　前記負荷配分部材がガスタービンエンジンの一部
   を特徴する特許請求の範囲第（１）項に記載の負荷配分
   部材。