JPS6138799B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン機関用の回転式再生器
（regenerator）熱交換装置における腕金（cross
arm）シールに関するものであり、更に詳細に
は、中央ハブがこれを通る空気漏れにより冷却さ
れ且つガスタービン機関の燃焼器組立体からのガ
スにより加熱されるようにした内側腕金シール組
立体に関するものでである。

排ガスを回収すべく回転式熱交換器すなわち再
生器を用いることは車両用ガスタービン機関の効
率を高めるための一般的な方法である。このよう
な熱回収が望ましい理由は、かかる車両用ガスタ
ービン機関の作動モードには、ガスタービン機関
の定格出力のわずかに一部分のみを生ぜしめる軽
能率（light duty）作動時のものが多くあるため
である。典型的には定置固定回復装置
（recuperator）型式の熱回収装置よりも回転式再
生器の方が好ましい。というのは、回転式再生器
は小型であるという利点を有すると共に、更に、
或る与えられた値の伝熱有効性に対する圧力降下
がより少ないからである。しかしながら、このよ
うな構成においては、作動時に機関からの過剰の
流れ漏れを避けるために公知の如く再生器マトリ
ツクス摺擦シール組立体を設けることが必要であ
る（例えば米国特許第3743008号；同第3856077号
等）。

かかる構成において、マトリツクスを経る燃焼
ガス流路の冷温面及び高温面上に設けられた腕金
シール組立体は、黒鉛（graphite）または他の材
料より成るシール摩耗面がマトリツクス面の回転
時に望ましい低摩擦及び低下した摩耗を与える高
められた温度域において作動される。

かかる再生器はその中央にマトリツクス孔を有
し、これに機関ブロツク支持台に関して回転し得
るようにマトリツクスを回転可能に支持する適切
な駆動軸受及びスピンドルが設けられる。このよ
うな構成においては、ガスタービン機関圧縮機か
らの流入空気がマトリツクスを支持する軸受及び
スピンドルのための中央孔内に漏れ、マトリツク
ス内を及び腕金シールのハブ区部上を流れて、マ
トリツクスのハブにおける摩耗面の温度を低下さ
せることにより、望まれた低摩擦及び摩耗抵抗特
性に悪影響を与えてしまう。

従つて本発明の一つの目的は：第１の機関ブロ
ツク支持台に係合可能な板ばねと、シール支持板
と、該支持板上に設けられ且つマトリツクスの高
温面において該マトリツクスの空気側とガス側と
の間を回転マトリツクス・シールの内側面を亘り
直径方向に延びる内側摩耗とを含む内側シール組
立体と；機関ブロツク支持台に密封係合する金属
板シールと、マトリツクスの冷温面において該マ
トリツクスの空気及びガス通路間をシールすべく
回転マトリツクスの外側面に密封係合した摩耗面
を備えたシール支持板とを含む外側シール組立体
とを有し；内側シール摩耗面のハブ区部は、機関
ブロツク支持台に関すると共に内側及び外側腕金
シール組立体の双方に関してマトリツクスを回転
可能に支持する手段を備えたマトリツクス中央ハ
ブ孔を経る過渡的冷温空気漏れによつて冷却さ
れ；内側シール腕金摩耗面は高められた温度範囲
において低摩擦及び良好な摩耗抵抗性を有する材
料から公式化され；かかる特性は、中央孔を経る
空気漏れの冷却効果に対抗して作用すべくシール
摩耗面のハブ区部に関して加熱空気の循環を生ぜ
しめる手段を設けて内側腕金摩耗面の全体に高め
られた温度を維持することにより保たれ、もつて
再生器内側シール組立体の摩耗面の全長に均一な
摩耗及び摩耗特性を維持してマトリツクスの空気
側とガス側間をシールするようにした、改良され
た再生器腕金シール装置を提供することにある。

本発明の別の目的は：空気流側とガス流側とが
外側及び内側腕金シール組立体によつて分割され
たマトリツクスを有し；内側腕金シール組立体
は、高められた温度範囲において低摩擦及び良好
な摩耗抵抗性を有する材料から公式化され且つ回
転マトリツクスの高温面と付勢された係合関係に
保たれる摩耗面を含み；マトリツクスは、機関ブ
ロツクに関して回転し得るように該マトリツクス
を回転可能に支持する支持ブシユ及びスピンドル
を受容し且つ内側腕金シール摩耗面のハブ区部を
冷却するハブ区域を経る冷温空気漏れを有する中
央孔を含み；内側腕金摩耗面のハブ部分は、マト
リツクスのガス側に面する腕金摩耗面縁部からマ
トリツクスを貫通する孔の内壁直近の部位まで延
びる複数個のガス循環溝を含み；外側シールの同
様の摩耗面ハブ区部には同様の溝が設けられてガ
ス流区域を劃定することにより、再生器デイスク
の高温ガス側からその冷温ガス側への圧力降下
と、溝の流れ面積とによつて確立される割合でマ
トリツクスを経る高温ガス循環を生ぜしめ、高温
ガスの十分な流れをシール摩耗面のハブ区部とマ
トリツクス・デイスクとに貫流せしめてシールの
各摩耗面の温度をその両端の間における均一な高
められた温度に維持し、孔を経る空気漏れの冷却
効果を補償し、もつて、外側腕金摩耗面の過度の
温度上昇を避けつつ内側腕金摩耗面に高められた
作動温度を維持することにより、高められた温度
において低摩擦及び良好な摩耗抵抗性を内側腕金
シール組立体に維持して、外側腕金摩耗面を過熱
することなく摩耗を低下させるようにした、改良
されたガスタービン回転再生器組立体を提供する
ことにある。

本発明の上記の目的及び他の目的は添附図面を
参照しつつ以下に詳述する本発明の好ましい実施
例の一例についての説明から明らかとなるであろ
う。

まず第１図を参照して説明すると、回転式再生
器組立体１０は機関ブロツク１４の一側に蓋１２
を含む。ブロツク１４にはシール組立体支持部を
劃定すべく環状の切下げ平坦面１６が設けられて
いる。ブロツク１４は更に一体の腕金１８を含
み、該腕金１８は、円形マトリツクスの形態を成
した再生器デイスク２４の高温側表面２２と係合
すべく該腕金を亘つて形成された内側腕金シール
組立体２０を有する。デイスク２４の外側リム２
６は、横駆動組立体（不図示）からの駆動ピニオ
ン３０と噛合する環状駆動リング２８へ固定され
ている。

外側腕金シール組立体３２はデイスク２４の冷
温マトリツクス面３４に係合する。これは台３
６、板ばねシール３７及びこれに連結されたシー
ル摩耗面３８を含み、それぞれ蓋１２と面３４に
係合する。このような構成の一例は前記の米国特
許第3856077号により詳細に記載されている。更
に、高温側空気バイパス・リム・シール組立体４
０が内側腕金シール組立体２０の一側４２におい
て面１６上に配置され、またガス側バイパス・リ
ム・シール組立体４４が腕金シール組立体２０の
反対側４６において平坦面１６によつて支持され
ている。冷温面空気側及び冷温面ガス側のバイパ
ス・リム・シール組立体４８，５０も第１図に断
片的に示されている。

従つてこれらシール組立体は、デイスク２４の
高温面及び冷温面のそれぞれと、蓋１２及びブロ
ツク１４によつて劃定されるそのハウジングとの
間に設けられる。このようなシール組立体は、ガ
スタービン機関圧縮機の出口から圧縮空気を受容
する入口空間すなわち入口開口５１からマトリツ
クスを貫通する空気及びガス流体流路を限定すべ
く設けられるものである。入口開口５１から流入
する圧縮空気はデイスク２４内の開放端付孔すな
わち通路５２内に向けられる。一実施例におい
て、デイスク２４のマトリツクスは金属または例
えばアルミナ珪酸塩（alumina silicate）等のセ
ラミツク材料から製造され、また第２図の断片的
断面図の小孔壁５３によつて概略的に示される、
約 ．008cmのオーダーの小孔壁厚を有する。

開口５１からの空気流は回転するデイスク２４
内を流れる時に加熱され、ブロツク１４内に設け
られた、燃焼器容器５６のためのプレナム５４内
に流入し、次に圧縮空気は燃焼器容器５６内の燃
料流との燃焼により加熱される。

燃焼器容器５６は、原動流体をガス化タービン
と下流の出力タービン（不図示）へ供給するター
ビン・ノズル６２の入口端６０へ連結された出口
遷移部５８を有する。

これらのタービンからの排気流は排気通路６４
を通つて再生器内に流入する。排気通路６４は、
腕金シール組立体２０，３２の入口空間及びプレ
ナム空間５１，５４とは反対の側におけるマトリ
ツクス・デイスク２４の高温側表面２２への逆方
向流ガス流路として機能する。逆方向流排気は通
路６４から通路５２を通過するときにマトリツク
ス・デイスク２４を加熱し、次いで蓋１２に設け
られた排気開口６６から排出される。

各腕金シール組立体２０，３２は二個の腕６
８，７０を含み、これらはマトリツクス・デイス
ク面２２，３４の半径方向及び略反対方向に延
び、またマトリツクス・デイスクの中央で互いに
接合され更に該マトリツクス・デイスクの外側リ
ムにおいてシール組立体４０，４４，４８，５０
によつて接合される。これらすべての組立体はブ
ロツク１４または蓋１２と相互に係止する側部タ
ブ７１，７３によつて固定される。組立体４０，
４８は弧状縁７２と、高圧入口開口５１及びプレ
ナム空間５４のまわりに延びる関連する構成部材
とを有する。ガス側バイパス・リム・シール組立
体４４，５０は同様に、弧状内側縁７４と、ガス
流路のまわりに延びる関連する部材とを含む。従
つてこれらシール組立体構成部材はこれらの間に
高圧空気流のための空気流路７６と、ガスタービ
ン機関からの低圧排ガス流のためのガス流路７８
とを劃定するものであり、これら部材は第１図及
び第２図に最も明瞭に示されている。

腕金シール腕６８，７０は高圧及び低圧流体流
路７６，７８間に延び、シール組立体４０，４
４，４８，５０はデイスク２４をその外周縁近傍
とブロツク１４及び蓋１２の近傍においてシール
してこれらの間に圧力密封関係を維持する。

回転するデイスク２４の高温側表面２２に当接
する腕金摩耗面材料としては、1000〓乃至1500〓
（約538℃乃至約816℃）の作動条件において低い
摩耗率を有する材料が望ましいことが観察され
た。腕６８，７０は共に三個の構成要素から形成
される。すなわち、外側腕金シール組立体３２の
場合は、板ばねシール３７、台３６及びシール摩
耗面３８であり、また内側腕金シール組立体２０
の場合は面１６と圧縮密封係合する板ばねシール
８０、台８２及びシール摩耗面８４である。

第２図に示すように、外側腕金シール組立体３
２はこれを貫通して形成された中央孔８６を含
み、該中央孔は蓋１２のスピンドル支持孔８８と
軸方向に整列する。同様に、内側シール組立体２
０はこれを貫通して形成された中央孔８９を含
み、スピンドル９２の内側端９０がこの中央孔を
貫通して延びる。スピンドルの反対端９４は孔８
８内に支承受容されることにより、デイスク２４
を前述の如く相対的に固定された内側及び外側腕
金シール組立体２０，３２に関して回転可能に支
持する。

スピンドル９２を受容するために、マトリツク
ス・デイスク２４を貫通して中央孔９６が形成さ
れている。駆動ピニオン３０によるデイスク２４
の回転時にスピンドル９２を回転可能に支持する
ためのデイスク支持ブシユ９８が中央孔９６内に
支持されている。

以上の構成において、入口開口５１からのより
冷温の空気は、シール組立体孔８６の壁とスピン
ドル９２の外側面との間に形成される間隙１００
を通つて、矢印１０２によつて示す如きマトリツ
クス・デイスク孔９６を経る冷温空気下方流とし
て移動することができる。この空気流は第２図に
最も明瞭に示される如く内側腕金シール組立体と
スピンドル９２の端部９４の外側面との間に形成
される小さな環状間隙１０４から流出する。矢印
１０６によつて示す流出冷温空気流は、ガスター
ビン機関作動時にシール摩耗面８４の望ましから
ざる温度低下を生ぜしめ得るものである。詳述す
ると、シール摩耗面８４の過度の冷却は高温表面
２２がこの上を通る時に該シール摩耗面に増大し
た摩擦を有せしめ得ること、そして更に該摩耗面
８４の摩耗抵抗性を弱め得ることが観察された。
この効果は主として、第１図及び第４図に最も明
瞭に示される内側シール摩耗面８４のハブ区部１
０８の地域に集中する。この問題を解決するため
に、従来、マトリツクス・デイスク２４の孔９６
内への冷温空気の漏れを防止することが試みられ
た。しかしながら、かかる構造はハブ駆動装置を
著しく複雑にしてしまう。従つて、本発明におい
ては第２図に示すように孔９６を経る冷温空気の
漏れを補償し、また、改良されたシール摩耗面ハ
ブ区部１０８を与えることによりこの上を流れる
冷温空気流の効果に対抗して作用する手段を与え
んとするものである。更に詳述すると、ハブ区部
１０８は、第２図に最も明瞭に示されるように、
高温ガス流路に面する摩耗面シール８４の内側縁
からマトリツクス・デイスク孔９６の内壁直近の
部位まで延びる複数個の外方に形成された溝１１
０を含む。これらの溝は、摩耗面３８の中央ハブ
区部１１４に形成された同様の溝１１２と整列す
る。溝１１２は、溝１１０と軸方向に整列しつつ
デイスク２４内の通路５２の反対側に配置され
る。溝１１２は、高温ガス循環流路１１６に対す
る入口を劃定する通路１１０を経る高温ガス流に
対して開放した通路５２からの出口を構成する。
高温ガス循環流路１１６は、そうでなければ内側
腕金シール組立体２０のシール摩耗面８４と外側
腕金シール組立体３２のシール摩耗面の双方の平
坦部分によつてシールされることになる部位にお
いて孔９６の壁の直近に形成されている。溝１１
０，１１２は、排ガス通路６４から排気開口６６
への圧力差によつて移送せしめられる所定の高温
ガス流を与えるような寸法になされている。第２
図に示すような循環流路１１６を経る高温ガス流
の割合は、シール摩耗面８４の温度が1000〓乃至
1500〓（約538℃乃至816℃）の高められた温度範
囲内に均一に保たれるように、シール摩耗面８４
の中央ハブ区部１０８上を流れる空気流１０６の
冷却効果に対抗する作用を与えるように選択され
ている。しかも溝１１０，１１２は循環流路１１
６を経るガス流路を、外側腕金シール組立体のハ
ブ区部１１４がその摩耗及び摩擦特性に望ましか
らざる影響を与えるような過度の温度上昇を受け
ることのないレベルまで、制限する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を内包する可回転再生器組立体
の一部を切欠いて示す側部立面図、第２図は第１
図の線２―２に沿つた断面を矢印方向に見た断片
的拡大断面図、第３図は本発明を内包する内側再
生器腕金の断片的拡大断面図、第４図は第２図の
線４―４に沿つた断面を矢印方向に見た、内側腕
金シール・ハブの断片的拡大断面図である。 主要部分の符号の説明、２４……マトリツク
ス・デイスク、３８……外側半径面、８４……内
側半径面、８６，８９……整列した孔、９２……
スピンドル手段、９６……中央開口、１００，１
０４……空気循環間隙、１１０，１１２……加熱
手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 異なる圧力レベルの空気とガスの為に空気流
   路７６とガス流路７８を画成するハウジング１
   ２，１４と；中央開口９６と内側２２及び外側３
   ４半径面とを備え、ハブの付いた軸流マトリツク
   ス２４とを有し、該マトリツクスは前記流路７
   ６，７８を介して流体流を通す開放端部を有する
   通路５２と、前記ハウジング１２，１４に対して
   回転し得るような該マトリツクス２４を回転自在
   に支持するスピンドル９２と、前記ハウジング１
   ２とマトリツクスの外側半径面３４との間に設け
   られ、両流路間をシールすべく両流路間に延在す
   る台３６と摩耗面３８とを有する外側の腕金シー
   ル組立体３２と；マトリツクス２４の内側半径面
   ２２で両流路の間をシールする為、該内側半径面
   ２２と係合できるシール台８２と摩耗面８４とを
   有する内側腕金１８を含む内側の腕金シール組立
   体２０とから成る回転再生器において： 該外側３２及び内側２０の腕金シール組立体
   は、空気循環路を画成する整列した内孔８６，８
   ９を有しており、外側の腕金シール組立体３２の
   該空気循環路から冷温空気が中央開口９６を介し
   てマトリツクス２４に分配され、更にマトリツク
   ス２４を介してスピンドル９２を囲むようにして
   冷温空気が分配されて、該内孔の１つ８９を介し
   て流入する冷温空気流により内側の腕金シール組
   立体２０のハブ中央の摩耗面領域１０８が冷却さ
   れることになる為、内側の腕金シール組立体２０
   のハブ中央の摩耗面領域１０８上を流れる冷温空
   気の冷却効果に対抗する為、該ハブ中央の摩耗面
   領域１０８を再度加熱する加熱手段１１０，１１
   ２，１１６を設け、内側腕金の摩耗面８４の全平
   坦部分上に均一に高められた温度を維持してその
   作動温度をガスタービン機関作動中最適なものと
   することにより、該内側腕金の摩耗面８４とマト
   リツクス２４との間に低摩擦及び摩耗特性を維持
   することを特徴とする回転再生器。 ２ 前記加熱手段は前記内側８４及び外側３８の
   摩耗面の前記ガス流路７８に面する一側に設けら
   れたアンダーカツト溝１１０，１１２を含み、該
   溝は高温ガスを前記内側半径面８４から前記マト
   リツクス２４内の中央開口９６近傍において該マ
   トリツクス・デイスクを通り該マトリツクス２４
   のガス側の外側半径面３８へ向かわしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の回転再
   生器。