JPS61157704A - 軸流回転機械の円弧状シールセグメント - Google Patents

軸流回転機械の円弧状シールセグメント

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JPS61157704A
JPS61157704A JP60287597A JP28759785A JPS61157704A JP S61157704 A JPS61157704 A JP S61157704A JP 60287597 A JP60287597 A JP 60287597A JP 28759785 A JP28759785 A JP 28759785A JP S61157704 A JPS61157704 A JP S61157704A
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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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】 技術分野 本発明は、作動媒体ガスのための流路を有する型式の軸
流回転機械に係わり、更に詳細には作動媒体ガスをその
流路に閉込めるべく回転機械の軸線の周りに周縁方向に
延在するアウタエアシールの円弧状シールセグメントの
如き一列の壁セグメントに係る。本発明は軸流ガスター
ビンエンジンの技術分野に於ける研究の結果考え出され
たものであるが、本発明は回転機械を使用する他の技術
分野にも適用されてよいものである。
背景技術 一般に軸流ガスタービンエンジンは圧縮セクションと燃
焼セクションとタービンセクションとを有している。作
動媒体ガスのための環状の流路がエンジンのこれらのセ
クションを貫通して軸線方向に延在している。作動媒体
流路の周りには作動媒体ガスをその流路内に閏込め作動
媒体ガスをその流路に沿って導くステータ組立体が延在
している。
ガスはその流路に沿って流される過程に於て圧縮セクシ
ョンに於て加圧され、燃焼セクションに於て燃料と共に
燃焼され、これによりガスにエネルギが付与される。か
くして生じる高温の加圧されたガスはタービンセクショ
ンを経て流れる過程に於て膨張され、これにより有用な
仕事が発生される。かかる仕事の主要な部分はフリータ
ービンを駆動し又は航空機用の推力を発生させるべく出
力として使用される。
タービンセクシぞンにより発生された仕事の残りの部分
は出力としては使用されない。かかる残りの部分はエン
ジンの圧縮セクションに於て作動媒体ガスを圧縮するた
めに使用される。エンジンにはかかる仕事をタービンセ
クションより圧縮セクションへ伝達するロータ組立体が
設けられている。ロータ組立体は作動媒体ガスより仕事
を受ける数列のロータブレードをそのタービンセクショ
ンに有している。ロータプレードは作動媒体流路を横切
って半径方向外方へ延在するエーロフオイルを有してお
り、該ニー０フオイルは作動媒体ガスより仕事を受けて
回転軸線の周りにロータ組立体を回転駆動すべく近づい
てくる作動媒体ガスの流れに対し傾斜されている。ステ
ータ組立体はロータプレードの列の間にて作動媒体流路
を横切って半径方向内方へ延在する数列のステータベー
ンを有している。ステータベーンはそれらへ流れる作動
媒体ガスの流れを成る所望の角度にてロータプレードへ
導く。
更にステータ組立体はアウタケースと、該アウタケース
より支持され作動媒体流路の周りに周縁方向に延在する
数列の壁セグメントとを含んでいる。壁セグメントは作
動媒体ガスをその流路に閉込めるべく作動媒体流路に近
接して配置されている。これらの壁セグメントは互いに
周縁方向に隔１されてｍ１ｌｃａを郭定する半径方向面
を有している。間隙Ｃｇはアウタケースが加熱されるこ
とにより膨張し、或いは冷却されることにより収縮する
ので、エンジンの運転条件に応答して壁セグメントの列
の直径が変化することを受入れるために設けられている
。
壁セグメントの列の一つの例はアウタエアシールである
。アウタエアシールはエンジンのステータ組立体の一部
であり、一般に複数個の円弧状シールセグメントにて形
成されている。アウタエアシールは作動媒体ガスをその
流路に閉込めるべくロータプレードを囲繞している。更
にステータ組立体はアウタケースの如きエンジンケース
と、アウタケースよりアウタエアシールのシールセグメ
ントを支持するための上流側支持体及び下流側支持体の
如き一つの構造体とを含んでいる。シールセグメントは
一対のフランジによりこれらの支持体に係合し得るよう
になっている。アウタケース及び支持構造体はガスがブ
レードの先端を越えて漏洩することを阻止すべくブレー
ドに間近に近接した位置にシールセグメントを位置決め
する。シールセグメントの内向き面は、エンジンの運転
中にシールセグメントがロータプレードの先端と摩擦接
触することを許容し得るよう、研摩可能な材料にて形成
されている。シールセグメントは作動媒体流路に近接し
て配置されるので、シールセグメントの表面及びシール
セグメント自身は高温の作動媒体ガスと密に接触し、ガ
スより熱を受ける。
シールセグメントはその温度を許容限度内に維持すべく
冷却される。
複数個のセグメントにて形成されたアウタエアシールの
一つの例が米国特許第３．５８３．８２４号に開示され
ている。この米国特許に於ては、上流側フランジ４４及
び下流側フランジ４６により支持体に係合し得るよう構
成されたアウタエアシールが採用されている。冷却空気
がアウタエアシールとエンジンケースとの間にてアウタ
エアシールの周りに周縁方向に延在するキャピテイ内に
流される。衝突板又はバッフルの如きシール装置がアウ
タエアシールとの間に衝突空気キャピテイ５８を郭定す
べくアウタエアシールの周りに周縁方向に延在している
。冷却空気の流れを正確に計量し、また衝突板をｎ通し
てキャビティ５８を横切りシールセグメントの外面５９
に対し導くべく、複数個の孔が衝突板を貫通して延在し
ている。かかる冷却により外面５９と作動媒体流路に隣
接する研摩可能な材料の面との間には大きい温度勾配が
発生される。冷却空気は次いで衝突空気キャビティ内に
収集される。冷却空気は衝突空気キャビティより衝突板
を貫通し衝突空気キャピテイを横切る冷却空気の連続的
な流れを与えるべく下流側フック４６に設番ノられた複
数個の軸線方向通路６６を経て排出される。かかる冷却
空気はそれがコンパートメント６４を通過する際に７ウ
タエアシールのエツジ領域を対流冷却する。冷却可能な
アウタエアシールの他の一つの例が本願出願人と同一の
出願人により１９８４年１１月３０日に出願された米国
特許出願第　　　　　　　号明細書に開示されている。
アウタエアシール上の研摩可能な材料は、ブレードを損
傷することなく、またアウタエアシールを破壊すること
なくロータプレードの摩擦接触を受入れるものでなけれ
ばならない。更に研摩可能な材料はエンジンのタービン
セクションの過酷な環境に耐えるものでなければならな
い。代表的な研摩可能なシールランドが米国特許第３．
８１７゜７１９号、同第３，８７９．８３１＠、同第３
゜９１８．９２５号、同第３．９３６．６５６号に記載
されている。
アウタエアシールの研摩可能な表面に使用されるに適し
た一つの材料はセラミックフェーシング材料である。セ
ラミックフェーシング材料はガスタービンエンジンの高
温且過酷な環境との両立性に優れているので望ましい。
更にシール構造体を保護するための冷却空気の量が低減
される必要があり、このことはエンジンの性能に有益な
効果を有する。しかしシール構造体の耐久性はガスター
ビンエンジン内のシールセグメントの熱サイクルにより
悪影響を及ぼされ、シールセグメントの熱サイクルはセ
ラミックの割れやスポーリング、更にはセラミックが金
属より剥離することを惹起こり″ごとがあるａサーマル
ショックに対する良好な耐性を有するセラミックフェー
シング面を有する改良されたシールの幾つかの例が米国
特許第４゜２８９．４４６＠及び同第４．１０９．００
３号に開示されている。これらがあるが、使用寿命の改
善されたシールはグメントを得るべくシールセグメント
の耐久性を向、トサせる努力が継続的に行われている。
従って科学者やエンジニアは、研摩可能な面を形成する
ためにセラミック材料が使用されており、セラミック材
料を担持する基体を有し、ガスタービンエンジン内に従
来の技法により支持されるシールセグメントを開発する
研究を行っている。
発明の開示 本発明は、一部には、セラミックフェーシング材料が大
きい温度勾配を伴なうサーマルショック（過酷な熱サイ
クル）に耐える能力が、温度勾配によりセラミック構造
体中に発生される歪に起因して基体の厚さの関数である
という認識に基づくものである。かかる歪はセラミック
材料及び基体材料がそれらの作動中に種々の温度に曝さ
れた場合に於けるセラミック材料及び基体材料の熱膨張
係数及び弾性係数が相互に一致していないことに起因し
て発生される。基体の厚さはシールセグメントを支持構
造体に係合し得るようにするために使用されるフランジ
の如く、シールセグメントの冷却可能な側より突出する
フランジが存在することにより有効に増大されている。
これらのフランジは基体の厚さに対し局部的影響及び全
体的影響を有している。従ってフランジは応力を増大し
、シールセグメントが大きい温度勾配に耐える能力を低
下させる。
フランジの厚さに与える全体的な影響を測定するための
一つの特徴は全有効厚さと呼ばれる。またフランジの厚
さに与える局部的な影響を測定するための一つの特徴は
局部的有効厚さと呼ばれる。
従って基体の全有効厚さ及び基体の局部的有効厚さに対
しフランジが及ぼす影響を考鑵に入れることが重要であ
る。
本発明によれば、壁セグメント（シールセグメント）は
セラミックフェーシング材料のための基体と、該基体に
固定されたフランジとを有しており、フランジは基体の
局部的有効厚さ及び全有効厚さに及ぼすフランジの影響
を低減すべく長手方向に中断されている。
本発明の一つの実施例によれば、各フランジは基体に固
定された第一のセクションであって、該セクションを貫
通する孔を有する第一のセクションと、基体に平行に延
在し第一のセクションに設けられた孔まで延在する溝に
より長手方向に完全に中断された第二のセクションとを
有している。
本発明の一つの主要な特徴は、セラミックフェーシング
層及び基体を有する回転機械のための円弧状シールセグ
メントである。セラミックフェーシング層は基体に固定
されている。他の一つの特　　′徴はシールセグメント
を回転機械内の隣接する支持構造体に単純に係合し得る
ようにする一対のフランジである。各フランジはそのフ
ランジの長手方向長さを中断すべく延在する一つ又はそ
れ以上の孔を有している。一つの実施例に於ては、フラ
ンジは基体に固定された第一のセクションと、該第一の
セクションより延在し基体より半径方向に隔置されて基
体との間に周縁方向に延在する溝を郭定する第二のセク
ションとを有している。第一°のセクションには複数−
の孔が設けられている。
基体と第一のセクションに設けられた孔との闇の間隔は
基体の厚さの二倍以下である。第二のセクションの多孔
には溝が設けられており、これらの溝は第二のセクショ
ンの長手方向の連続性を中断しており、第一のセクショ
ンに設けられた孔まで延在している。
本発明の一つの主要な利点は、連続的なフランジを有す
る同様の円弧状シールセグメントに比して、シールセグ
メントが段階関数的な温度勾配に耐える能力が増大され
ていることであり、このことはフランジの全有効厚さ及
び局部的有効厚さの特徴により得られる。本発明の他の
一つの利点は、長手方向に連続するフランジを有する同
様の円弧状シールセグメントの場合に比して、長手方向
に中断されたフランジにより応力が低減されることによ
り生じるシールセグメントの疲労寿命が長いということ
である。
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
に説明する。
発明を実施するための最良の形態 第１図はタービンセクション１２の一部及びエンジンの
回転軸線Ａｒを示す軸流ガスタービンエンジン１０の部
分断面図である。タービンセクション１２は回転軸線Ａ
「の周りに配置された作動媒体ガスのための環状の流路
１４を含んでいる。
ステータ組立体１６が作動媒体流路１４の境界を郭定し
ている。ステータ組立体１６はアウタケース１８を含ん
でいる。アウタケース１８は作動媒体流路１４の周１り
に周縁方向に延在している。一つのロータプレード２２
により示されている如き複数個のロータプレードが作動
媒体流路を横切ってアウタケースに近接した位置まで半
径方内外方へ延在している。
一つの円弧状シールセグメント２４により示されている
如き複数個の円弧状の壁セグメントにて形成されたステ
ータ構造体がエンジンの軸線Ａ４３の周りに延在して作
動媒体流路１４の境界を郭定している。図示の実施例に
於ては、円弧状シールセグメント２４はロータプレード
２２の先端を囲繞するアウタエアシール２６を構成して
いる。アウタエアシール２６はロータプレード２２と７
ウタエアシールとの間の半径方向の相対運動を受入れ得
るよう、可変の間隙Ｃ「だけロータプレードより半径方
向に隔置されている。またアウタエアシール２６はアウ
タケース１８より半径方向内方へ隔置されてアウタケー
スとの間に周縁方向に延在するキャピテイ２８を郭定し
ている。
各円弧状シールセグメント２４は上流側フランジ３０と
下流側フランジ３２とを有している。これらのフランジ
は互いに軸線方向に隔置されており、シールセグメント
の周りに周縁方向に延在している。シールセグメントは
これらのフランジによりアウタケース１８より半径方向
内方へ延在する下流側支持体３４及び下流側支持体３６
の如き支持体に係合し得るようになっている。支持体３
４及び３６はアウタエアシール２６をロータプレード２
２の周りの半径方向位置に支持し且位置決めすべくアウ
タケースに取付けられている。各支持体はそのフープ強
さを低減すべく複数個のセグメントに分割されていてよ
い。シール３７の如き可撓性を有するシールが各支持体
とセグメントの列との間に配置されている。各円弧状セ
グメントは上流側フランジに設けられた連続的な壁３８
及び下流側フランジに設けられた連続的な壁３９により
対応するシールに係合し得るようになっている。
アウタケース１８の周りには上流側支持体３４に近接し
た位置にて上流側レール４０が周縁方向に延在している
。同様にアウタケース１８の周りには下流側支持体３６
に近接した位置にて下流側レール４２が周縁方向に延在
している。冷却空気チューブ４６及び冷却空気チューブ
４８の如き冷却空気を衝突させるための手段がレール４
０及び４２の周りに周縁方向に延在している。これらの
チューブは図には示されていない冷却空気源と流体的に
連通しており、孔５２によりレールに対し冷却空気を衝
突させ得るようになっている。
冷却空気のための第一の流路５４がアウタケース１８の
内方に延在している。この第一の流路はアウタケース１
日によりその境界が郭定されＣおり、作動媒体流路１４
より半径方向外方にてエンジンを貫通して延在している
。この流路はアウタエアシール２６とアウタケース１８
との間のキャビティ２８内へ延在している。周縁方向に
延在する衝突板５６が７ウタエアシール２６と上流側支
持体３４及び下流側支持体３６との闇に挟持されている
。この衝突板はキャピテイ２８の境界を郭定しており、
アウタエアシールより半径方向外方へ隔置されて第二の
キャビティ５８を郭定している。冷却空気のための第二
の流路６０の如き第二の流路がキャビティ５８内に於て
７ウタエ７シールの下方にて軸ＩＩＡｈ向及び周縁方向
に延在しでいる。衝突板５６には複数個の衝突孔６２が
設けられており、これらの孔は第一の流路５４を第二の
流路６０と流体的に連通接続しており、冷却空気をアウ
タ１アシールの外面６４に衝突させ得るようになってい
る。
第２図は従来技術による複数−のシールセグメント２４
ａにて形成されたアウタエアシール２６ａを示す部分斜
視図である。第２図に示された構造及び本発明の構造は
基本的には互いに同様であるので、第２図に於ては他の
図面に示された部材と同一の部材にはａが付されている
点を除き同一の符号が付されている。
円弧状シールセグメント２４ａはシールセグメントの周
りに周縁方向に延在するリーディングエツジ６８ａ及び
トレーリングエツジ７０ａを有する金属基体６６ａを含
んでいる。内向きの円弧部７２ａ及ｑ外向きの円弧部７
４ａがリーディングエツジとトレーリングエツジとの間
に延在している。円弧面７２ａは軸線ＡＳｍの周りに周
縁り向に延在しており、円弧部７４ａは図示の実施例に
於ては軸線Ａｓ―と同一であるＡ　ｓｍ’　の周りに周
縁方向に延在している。セラミックフｒ−シング面７８
ａを有するセラミックフェーシング材料７Ｇａが軸線Ａ
ｓｅの周りに周縁方向に延在する円弧状シール面を構成
している。セラミックフェーシング材料７６ａは米国特
許第４．２８９．４４６号に開示されている如く基体に
固定されている。前記米国特許に開示されている如く、
セラミックフェーシング材料は多孔質の金属バッド８２
と、セラミックフェーシング材料を基体に固定し得るよ
うパッドにしみ込んだ下張り被覆８４とを含んでいる。
上流側フランジ３０ａ及び下流側フランジ３２ａは基体
に固定された一対のフランジを構成している。これらの
フランジは基体の周りに周縁方向に延在しており、ｌｊ
いに軸線／Ｊ向に隔置されている。各フランジは基体の
外向き而７４ａに実質的に平行な基準面に“沿う長手方
向長さＬを有している。上流側フランジ３０ａは基体よ
り半径方向外方へ延在する第一のセクション８６ａと、
該第一のセクションよりリーディングエツジ６８ａへ向
けて延在する第二のセクション８８ａとを有している。
第二のセクションは第一のセクションの長さだけ基体よ
り半径方向外方へ隔置されており、それらの間に周縁り
向に延在する溝９０ａを郭定している。下流側フランジ
３２ａは基体より半径方向外りへ延在する第一のセクシ
ョン９２ａと、該第一のセクションよりトレーリングエ
ツジ７０ａへ向番ノて軸１！　ｌ／Ｊ向に延在する第二
のセクション９４ａとを有している。第二のセクション
９４ａは第一のセクション９２ａの長さだけ基体より半
径方向外方へ隔置されており、それらの間に周縁方向に
延在する溝９６ａを郭定している。これらの溝を有する
フランジ３０ａ及び３２ａはシールセグメントをト流側
支持体及び下流側支持体に係合させ得るようになってい
る。
第３図は第１図にｌｌｌ３−３に沿う第１図に示された
円弧状シールセグメント２４の正面図である。
第３図に於ては、シールセグメントの上流側フランジ３
０を示すべく隣接する静止構造体の一部が破断されてい
る。
セラミックフェーシング材料７６は０．１２０〜０．２
００ｉｎｃｈ（３，０５〜５．０８１１）の範囲の厚さ
Ｔｆ２＋を有しており、主として耐火性の酸化物又ハＺ
ｒ　Ｏｔ　　Ｃｍ化シ）ＬｔＴに’）ム）　、ＡＩ　！
Ｏｉ（アルミナ）　、　ＭＯＡｌ　ｔ　０４　　（スピ
ネル）、３Ａ＋！０３　・２ＳＩＯｔ（ムライト）の如
き耐火性の金ｌｉｉ酸化物の組合せよりなっている。セ
ラミツクツエーシング材料はセラミック表面ｊ！１９８
と、セラミックー金属中間層１０２と、ボンド層１０４
とを有している。セラミックー金属中ｍ＋＊に使用され
る金属は、成る金属Ｍ１クロム、アルミニウム、及びイ
ツトリウムにて形成された合金（ＭＣｒ　Ａｔ　Ｙ）（
Ｍは任意の金属であってよいがコバルトであることが好
ましい（Ｃｏ　Ｑｒ　ＡＩＹ））であってよい。セラミ
ックフェーシング材料は温度に応じて変化する弾性係数
を有しており、セラミック層の組成物の弾性係数は室温
に於ける約３ｘ　１０’　　ｐｓｉ　（２，Ｉ　Ｘ　１
０’　ｋａ／ｃ１）から約２４００″Ｆ（１３１６℃）
以上の温度に於ける２Ｘ１０’　　ｐｓｉ（１，４ｘ１
０’　ｋｇ／ｃ＋ｅ”　）以下まで変化し、中間層１０
２の組成物の弾性係数は室温に於ける約９×１０６　ｐ
ｓｉ（６，３×１０５ｋ＜１／ｃ＋ａ２　）から約１５
００下（８１６℃）の温度に於ける４Ｘ１０６　ｐｓｉ
（２，８Ｘ１０’　ｋｏ／ｃａ＋２）以下まで変化する
。
第２図に示されたシールセグメント２４ａと同様、シー
ルセグメント２４は金属基体６６と、上流側フランジ３
０と、下流側フランジ３２（第３図には図示せず）とを
有している。基体６６は内向きの円弧面７２と外向きの
円弧面７４との間の平均厚さＴｓを有している。上流側
フランジ及び下流側フランジは僅かに異なる半径方向、
長手方向、軸線方向長さを有し、また僅かに異なる部分
間の間隔を有する点に於て互いに僅かに異なっている。
しかし二つのフランジは本明細書に於て開示されている
如く形成されることが好ましい。これより上流側フラン
ジについてのみ説明するが、第３図乃至第７図に示され
た実施例は上流側フランジ及び下流側フランジの両方に
ついての例示である。
第３図に示されたフランジは基体の外面７４に実質的に
平行に延在する基準面に沿う長手方向長さしを有してい
る。基準面は基体の外面に正確に平行に延在していてよ
いが、外面には小さい不連続部が存在するので、基準面
は外面に実質的に平行であり平滑な面である。フランジ
の第一のセクション８６は基体より半径方向外方へ延在
しており、第１図及び第３図に示されている如く幅Ｗ＋
及び厚さＴ＋を有している。第一のセクション８６には
その全幅に亙り延在する一つ以上の孔１０８が設けられ
ている。これらの孔の合計は、第一のセクションの長手
方向の連続性を中断すべく、長さしの４０％以上又はそ
れに等しい長さに亙り基準面の長さしに沿って延在して
いる。リーディングエツジの方向へ第一のセクションよ
り軸線方向に延在する第二のセクション８８は、第一の
セクションにより基体より半径方向に隔置されており、
それらの閤に周縁方向に延在する溝９０が郭定されてい
る。第二のセクション８８は第１図及び第３図に示され
ている如く幅Ｗ２及び厚さＴ２を有している。多孔には
溝１１０が設けられており、該溝は第二のセクションの
全幅Ｗ！及び第二のセクションの厚さＴ２に亙り第一の
セクションに設けられた孔まで延在している。
第４図は第３図に示された実施例を一部破断して示す部
分斜視図である。外向き面７４より半径方向外方へ延在
する上流側フランジ３０の第一のセクション８６は第一
の領域１１４及び第二の領域１１６を含んでいる。第一
の領域は基体の平均厚さ７ｓの２倍である距離Ｔ　ｏに
亙り基体の外向き面より半径方向外方へ延在している。
第二の領域は第一の領域より延在しており、幅Ｗ１及び
厚さＴＩ２を有している。孔１０８は第二の領域に於け
る第一のセクションの全幅に亙り延在しており、また第
一のセクションの長手方向の連続性を中断すべく基準面
の長さＬの４０％以上又はそれに等しい長さに亙り基準
面に沿って延在している。孔１０８は第一のセクション
の互いに隣接する部分間に間隙Ｇを郭定している。
第一のセクションの第一の領域は長手方向に連続する材
料にて形成された壁３８を有している。
壁３８は第一の領域の厚さＴ１１よりも小さいかこれに
等しい距離に亙り基体より延在している。壁３８は基体
と第二の領域の中断されていない部分との間に延在する
第一の領域の一部に於ては幅Ｗ曹を有している。また壁
３８は基体と第一のセクションに設けられた孔１０８と
の間に延在する第一のセクションの一部に於ては幅Ｗ＋
よりも小さい幅Ｗｌｌの壁を有している。
第二のセクションは第一のセクションに隣接する第一の
領域１１８と、該第一の領域より軸線方向に延在する第
二の領域１２２とを有している。
第二のセクションはこれらの領域の幅の合計に等しい全
幅Ｗ２を有している。溝１１０は第二の領域１２２に於
ける第二のセクション８８の互いに隣接する部分の間に
間隙Ｇｌを郭定しており、第一の領域１１８に於ける第
二のセクション８８の互いに隣接する部分の間に間隙Ｇ
−よりも大きいかこれに等しい間隙Ｇｌ’　　（Ｇｌ’
　１０ｍ＞を郭定している。図示の実施例に於ては、第
一のセクション８６に於ける間隙Ｇは間隙Ｑ　ｍ　ｌ　
に等しい。
第５図は壁３８が省略された他の一つの実施例を示す第
４図と同様の部分斜視図である。この種の構造は第４図
に示された構造よりも好ましい。
何故ならば、壁は壁を有しない構造の場合に比して基体
の有効厚さを増大させるからである。しかし図示の実施
例の壁はシール３７に確実に係合するシール面を与えな
い。第４図に於て破線にて示されている如く、孔１０８
は基体まで半径方向内方へ延在する小さい溝を含んでい
てよい。
第６図は更に他の一つの実施例を示す第４図と同様の部
分斜視図であり、溝１１０が間隙Ｑｍ″を有し、第一の
セクションに設けられた多孔が第一のセクションの互い
に隣接する部分の間に間隙Ｇ−“と大きさの等しい間隙
を郭定する実施例を示している。
第１図に示されたガスタービンエンジン１０の運転中に
は、冷却空気及び高温の作動媒体ガスがエンジンのター
ビンセクション１２内へ流される。
高温の作動媒体ガスは環状の作動媒体流路１４に沿って
流される。冷却空気は第一の流路５４に沿って流され、
作動媒体流路より外方の領域に於てタービンセクション
へ流入する。アウタエアシール２６及び該アウタエアシ
ールのための上流側支持体３４及び下流側支持体３６を
含むタービンセクションの構成要素は作動媒体ガスによ
り加熱され、冷却空気により冷却される。
エンジンのこれらの構成要素は作動媒体ガスによる加熱
及び冷却空気による冷却に異なる速度にて熱的に応答す
る。それらの熱的応答に影響する因子はそれらの構成要
素の熱容量及びそれらの構成要素が高温のガス及び冷却
空気に曝されることを含んでいる。例えばアウタエアシ
ール２６、上流側支持体３４、下流側支持体３６の如き
構成要素はアウタケース１８よりも作動媒体流路に近接
している。更にアウタエアシール、上流側支持体、下流
側支持体はアウタケースよりも小さい熱容量を有してい
る。従ってアウタエアシール、上流側支持体、下流側支
持体はアウタケースよりも迅速にガス流の温度変化に応
答する。加速及び始動時の如く高温の作動媒体ガスの温
度が上昇すると、アウタエアシール及び上流側及び下流
側支持体が膨張され、隣接する円弧状シールセグメント
２４の間に破壊的な干渉が生じることを回避するために
設けられている互いに隣接するシールセグメントの間の
周縁方向の間隙Ｃｇが減少する。
また加速時や始動時の如く温度が上昇すると、アウタエ
アシールの内面７８と基体６６の外面７４との間に於て
アウタエアシール内に急峻な温度勾配が発生される。か
かる温度勾配が急激に与えられる現象はサーマルショッ
クと呼ばれる。かかるサーマルショックは重大である。
何故ならば、シールセグメントがその使用期間中に受け
る温度変化の範囲全体に亙る基体の熱膨張係数とフェー
シング材料の熱膨張係数との差及びこれら二つの材料の
弾性係数の差に起因して基体とセラミック層との間の両
立性が損われるからである。例えばシールセグメントは
ガスタービンエンジンの運転環境に曝されるだけでなく
、それがエンジンに組込まれる前及びエンジンが使用さ
れていない期間中には、長期間に亙り周囲圧力及び温度
の完全に異なる環境に曝される。従って基体及び該基体
上に溶射された材料は、室温の条件下及び基体が１００
０〜１５００下（５３８〜８１６℃）の範囲にて作動し
表面層の一部が３０００″Ｆ（１６４９℃）を越える運
転条件下の両方に於て共存しなければならない。
基体及びフランジの厚さはシールセグメントがサーマル
ショックに耐える能力に大きく影響する。
かかる影響が、セラミックフェーシングされた円弧状シ
ールセグメントがサーマルショックに耐える能力に対す
る全有効厚さの影響を求めるべく行われたリグ及びエン
ジン試験により示されている。
これらの試験はシールセグメントの内面７８に対しガス
の高温のジェットが吹付けられる試験リグを使用して行
われ、シールセグメントの内面７８の温度が測定された
。またこれと同時に冷却空気が基体の外面７４に対し衝
突せしめられた。これらの試験の幾つかの結果が第７図
に要約して示されている。第７図はシールセグメントを
破損させる最大温度勾配を基体の有効厚さの関数として
示すグラフである。第７図に示されている如（、基体の
有効厚さが減少するにつれて、セラミックフェーシング
されたアウタエアシールの破壊を生じることなく最大の
温度勾配を受は得る能力が増大する。
基体の厚さはセラミックフェーシング材料の厚さとの関
連で増大するので、厚さの増大によりセラミックフェー
シング材料と基体との間の熱膨張係数の差により生じる
力に基体が耐える能力が増大する。有効厚さ、従って基
体が力に耐える能力は、基体より半径方向外方へ延在す
るフランジの存在により増大される。
−これらのフランジは成る与えられた実際の厚さを有す
る基体に対し局部的な影響及び全体的な影響を有し、こ
れらのフランジが設けられれば、基体は厚さの大きい基
体、即ちフランジの存在により実際の厚さよりも大きい
有効厚さを有する基体と同様に作用するようになる。か
かる全有効厚さは解析又は実験により求められてよい。
実行可能であると考えられる一つの実験的方法は、基体
の周縁方向の端部を剛固な支持体に固定することによっ
て片持ち梁の如く基体を支持し、基体の他方の周縁方向
端部にそれを横切る均一な荷重を与えることである。荷
重により発生される撓み（即ち片持ち梁の角方向運動）
を測定することにより、その片持ち梁が均一な理論厚さ
を有するものとして処理されれば、その片持ち梁につい
て有効厚さを計悼することができる。かくして計算され
た均一厚さは円弧状セグメントの全有効厚さと呼ばれる
。他の一つの方法は片持ち梁試験を解析的にモデル化す
ることにより全有効厚さを針線する有限解析法を使用す
ることである。
更にフランジは基体の剛性（又は局部的厚さ）を局部的
に増大させる局部的影響を有している。
かくして基体の剛性が局部的に増大することにより、成
る与えられた温度勾配について基体の互いに隣接する二
つの位置の間に於ける基体の撓みに差が発生される。セ
ラミックフェーシング層はポンド層により基体に固定さ
れるので、セラミックフェーシング材料は種々の撓みを
生じる。何故ならば、セラミックフェーシング層はそれ
が接合された領域の撓みに従わざるを得ず、従ってセラ
ミックフェーシング層の各部位は種々の応力を受けるか
らである。同様の有限要素解析法を使用して、フランジ
の部分についても局部的有効厚さを計綿することができ
る。このことは基体を含むフランジ全体をフランジの最
大幅と同一の幅にモデル化することによって行われる。
第８図は基体より半径方向外方へ延在する二つの軸線方
向に隔置されたフランジを通る断面に沿うセラミックフ
ェーシング材料中の応力レベルを、シールセグメントが
室温状態にある場合について示すグラフである。図に於
て圧縮応力は負であり、引張り応力は正である。グラフ
の曲線は最大引張り応力を全ての応力に分割することに
より平準化されている。曲線１は溝を有しないフランジ
３０及び３２により発生される応力集中を示している。
これに対し破線の曲線２は第４図に示された実施例の溝
及び孔によりフランジの影響が低減されており、応力の
局部的変動が大きく低減されており、全体としての応力
が低減されていることを示している。かくして応力のレ
ベル及び応力の変動が低減されることにより、第４図の
溝及び孔を有しないシールセグメントに比してシールセ
グメントの使用寿命が増大される。
第９図は同一の構造体についてフランジの部分を通る周
縁方向に解析された応力のレベルを示している。第９図
のグラフは、被覆が最も弱い（その最も低い強度の）状
態になり、過酷な温度勾配に曝される条件下に於けるエ
ンジンの最大出力運転点について示している。周縁方向
についても、第４図に示されている如き溝を有するフラ
ンジを備えた円弧状シールセグメントは、周縁方向に連
続するフランジを有する円弧状シールセグメントの応力
レベル（曲線１）に比して大きく低減された応力レベル
（曲線２）を有している。
耐火性を有する酸化物にて形成されたセラミックフェー
シング材料を使用して行われた実験的研究に基づき判断
すれば、前述の如きセラミックフェーシング材料を有す
るアウタエアシールセグメントは、該セグメントをガス
タービンエンジン内に支持する従来の方法を使用するこ
とを可能にするフランジを有するよう形成されてよいも
のと考えられる。実験によれば、かかるシールセグメン
トは、成るガイドラインに従うならば、基体の全有効厚
さ及び局部的有効厚さの増大により惹起こされるフラン
ジよりの破損を生じることなく、１５００下（８１６℃
）のサーマルショックに耐え得るものである。特にシー
ルセグメントは０．１２０〜０．　２００ｉｎｃｈ（３
，０５〜５．　０８ｍｗ）の範囲の厚さを有するセラミ
ックフェーシング層と、０．０７０〜０．１００ｉｎｃ
ｈ（１，７８〜２゜５４＋ｕ＋）の範囲内の実際の平均
厚さＴｓを有する基体と、基体の実際の厚さよりも２５
％以下の範囲にて太き−い全有効厚さとを有していなけ
ればならない。即ちシールセグメントは１．２５以下又
はこれに等しい全有効厚さ特性（Ｃｏｅ）　　（Ｃｏｅ
≦１．２５）を有し、全有効厚さは基体の実際の厚さの
１．２５倍以下又はこれに等しい。他の一つのガイドラ
インは基体の有効厚さに対するフランジの実際の厚さの
局部的影響に関するものである。
実験によれば、基体の局部的有効厚さは基体の実際の厚
さの２．５倍以下でなければならず、即ち局部的有効厚
さ特性（Ｃｌｅ）は２．５以下又はこれに等しくなけれ
ばならない（Ｏｌｅ≦２．５）。
最後にフランジの第一のセクションは基体の厚さの２倍
以上の最大連続局部厚さを有していてはならず（即ちフ
ランジは最も内側の面が基体の厚さの２倍以内である一
つ以上の孔を有し）、フランジの第一のセクションに設
けられた孔の長手方向の長さの合計は基準面に沿って測
定してフランジの長さの少なくとも４０％に等しく、第
一のセクションに設けられた多孔はフランジの第二のセ
クションに設けられ第二のセクションを完全に貫通して
延在する第二の孔に接続されている。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
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図はタービンセクションの一部及びエンジンの回転
軸線を示す軸流ガスタービンエンジンの一部を示す断面
図である。 第２図は従来の構造のシールセグメントを破断して示す
部分斜視図である。 第３図は一対の互いに隣接する円弧状シールセグメント
の前面を示すべくアウタエアシールの一部が破断された
状態にて第１図の線３−３に沿う断面を示す部分断面図
である。 第４図は第３図に示されたシールセグメントを示す部分
斜視図である。 第５図は連続的な壁の一部が除去されたシールセグメン
トの他の一つの実施例を示す第４図と同様の部分斜視図
である。 第６図はシールセグメントの更に他の一つの実施例を示
す第４図と同様の部分斜視図Ｃある。 第７図は許容し得る最大温度勾配とシールセグメントの
基体の有効厚さとの関係を示すグラフである。 第８図は応力に与える局部的有効厚さの影響を示すべく
、第４図に示された型式の円弧状シールセグメントにつ
いて軸線方向に沿う平準化された応力レベルを示すグラ
フである。 第９図は応力に与える全有効厚さの影響を示すべく、第
４図に示゛された型式の円弧状シールセグメント内の周
縁方向に沿う平準化された応力レベルを示すグラフであ
る。 １０・・・ガスタービンエンジン、１２・・・タービン
セクション、１４・・・作動媒体流路、１６・・・ステ
ータ組立体、１８・・・アウタケース、２２・・・ロー
タプレード、２４・・・シールセグメント、２６・・・
アウタエアシール、２８・・・キャビティ、３０・・・
上流側フランジ、３２・・・下流側フランジ、３４・・
・上流側支持体、３６・・・下流側支持体、３７・・・
シール、３８．３９・・・壁、４０・・・上流側レール
、４２・・・下流側レール、４６．４８・・・冷却空気
チューブ、５２・・・孔。 ５４・・・第一の流路、５６・・・衝突板、５８・・・
キャビティ、６０・・・第二の流路、６２・・・衝突孔
、６４・・・外面、７２・・・内向きの円弧面、７４・
・・外向きの円弧面（外面）、７６・・・セラミックフ
ェーシング材料、７８・・・内面、８２・・・パッド、
８４・・・被覆、８６・・・第一のセクション、８８・
・・第二のセクション。 ９０・・・溝、９８・・・セラミック表面層、１０２・
・・セラミックー金属中間層、１０４・・・ボンド層、
１０８・・・孔、１１０・・・溝、１１４・・・第一の
領域、１１６・・・第二の領域、１１８・・・第一の領
域、１２２・・・第二の領域 ＦＩＧ、Ｉ Ａ、、Ａ、−□　−−−−−−・□− ！！ ＦＩＧ、６ 呑叫

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）軸流回転機械に組込まれ作動媒体流路の境界を郭
    定する円弧状シールセグメントであって、第一の方向に
    面する第一の面と前記第一の方向とは反対の方向に面す
    る第二の面とを有する基体と、前記作動媒体流路の境界
    を郭定すべく前記第一の面に固定されたセラミックフェ
    ーシング材料と、前記シールセグメントが支持構造体に
    係合し得るよう前記第二の面より延在する一対のフラン
    ジとを有する円弧状シールセグメントにして、前記基体
    に固定され前記シールセグメントが前記支持構造体に係
    合し得るよう前記基体の周りに周縁方向に延在する一対
    のフランジを含み、各フランジは該フランジが前記シー
    ルセグメントの全有効厚さ及び前記シールセグメントの
    局部的有効厚さに与える影響を低減すべく前記フランジ
    の前記第二の面より最も離れた部分より内方へ延在する
    孔により長手方向に中断されている円弧状シールセグメ
    ント。
  2. （２）軸流回転機械の作動媒体流路の境界を郭定すべく
    シールセグメントの周りに軸線方向及び周縁方向に延在
    するセラミックフェーシング材料を有する型式の円弧状
    シールセグメントにして、軸線方向及び周縁方向に延在
    する基体であって、前記セグメントの周りに周縁方向に
    延在す るリーディングエッジ及び前記セグメントの周りに周縁
    方向に延在するトレーリングエッジと、 内方へ面し前記二つのエッジの間にて軸線 方向に延在し前記基体が前記セラミックフェーシング材
    料を受けるための内面と、 前記内面より隔置され前記内面との間に平 均厚さＴｓを郭定する外面と、 を有する基体と、 前記基体に固定され、前記セグメントの周りに周縁方向
    に延在し、互いに軸線方向に隔置され、前記基体の前記
    外面に実質的に平行に延在する基準面に沿う長手方向長
    さＬを有する一対のフランジであって、該フランジの少
    なくとも一方は前記基体より外方へ延在し幅Ｗ＿１及び
    厚さＴ＿１を有する第一のセクションであって、該第一
    のセクションの全幅に亙り延在し、前記第一のセクショ
    ンの長手方向の連続性を中断すべく全体として前記長さ
    Ｌの４０％以上又はこれに等しい長さに亙り基準面に沿
    って延在する一つ又はそれ以上の孔を有する第一のセク
    ションと、 前記二つのエッジの一方の方向へ前記第一 のセクションより軸線方向に延在し、前記第一のセクシ
    ョンにより前記基体より半径方向に隔置されて前記基体
    との間に周縁方向に延在する溝を郭定し、幅Ｗ＿２及び
    厚さＴ＿２を有する第二のセクションと、 前記孔の各々に設けられ前記幅Ｗ＿２及び前記厚さＴ＿
    ２全体に亙り前記第一のセクションに設けられた前記孔
    まで延在する溝と、 を有する一対のフランジと、 を含み、前記孔及び前記溝は長手方向に連続的なフラン
    ジを有する同様の構造体に比して前記基体の全有効厚さ
    及び局部的有効厚さを低減していることを特徴とする円
    孤状シールセグメント。
  3. （３）軸流回転機械の作動媒体流路の境界を郭定すべく
    シールセグメントの周りに軸線方向及び周縁方向に延在
    するセラミックフェーシング材料を有する型式の円弧状
    シールセグメントにして、軸線方向及び周縁方向に延在
    する基体であって、前記セグメントの周りに周縁方向に
    延在す るリーディングエッジ及び前記セグメントの周りに周縁
    方向に延在するトレーリングエッジと、 内方へ面し前記二つのエッジの間にて軸線 方向に延在し前記基体が前記セラミックフェーシング材
    料を受けるための内面と、 前記内面より隔置され前記内面との間に平 均厚さＴｓを郭定する外面と、 を有する基体と、 前記基体に固定され、前記セグメントの周りに周縁方向
    に延在し、互いに軸線方向に隔置され、前記基体の前記
    外面に実質的に平行に延在する基準面に沿う長手方向長
    さＬを有する一対のフランジであって、該フランジの少
    なくとも一方は前記基体より外方へ延在する第一のセク
    シ ョンであって、 前記基体の平均厚さＴｓの２倍の距 離Ｔ＿１＿１（Ｔ＿１＿１＝２Ｔｓ）に亙り前記基体よ
    り外方へ延在する第一の領域と、 前記第一の領域より延在し、幅Ｗ＿１ 及び厚さＴ＿１＿２を有し、前記第一のセクションの全
    幅に亙り延在する複数個の 孔を有し、該孔は前記基体の表面に平 行な基準面に沿う前記孔の長さの合計 が前記基準面に沿う前記長さＬの４０ ％に等しいか又はこれよりも大きいよ う、前記第一のセクションの長手方向 の連続性を中断すべく或る長さに亙り 延在している第二の領域と、 を有する第一のセクションと、 前記二つのエッジの一方の方向へ前記第一 のセクションより軸線方向に延在し、前記第一のセクシ
    ョンにより前記基体より半径方向に隔置されて前記基体
    との間に周縁方向に延在する溝を郭定し、幅Ｗ＿２及び
    厚さＴ＿２を有する第二のセクションであって、前記孔
    の各々に設けられ前記第二のセクションの長手方向の連
    続性を完全に中断すべく前記第二のセクションの全幅Ｗ
    ＿２及び厚さＴ＿２に亙り前記第二のセクションより前
    記第一のセクションに設けられた前記孔まで延在する溝
    を有する第二のセクションと、 を有する一対のフランジと、 を含み、前記孔及び前記溝は長手方向に連続的なフラン
    ジを有する同様の構造体に比して前記基体の全有効厚さ
    及び局部的有効厚さを低減していることを特徴とする円
    孤状シールセグメント。
JP60287597A 1984-12-21 1985-12-20 軸流回転機械の円弧状シールセグメント Expired - Lifetime JPH0689654B2 (ja)

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DE (1) DE3537044C2 (ja)
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IL (1) IL76660A (ja)
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