JPS616465A - 段付歯を有する回転ラビリンスシール - 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】 １貝１０Ｕ先 本発明は回転ラビリンスシール、特に航空機を推進する
ガスタービンエンジンに用いる回転ラビリンスシールに
関する。

回転ラビリンスシールには多くの用途があり、そのうち
の１つは、ガスタービンエンジン内の圧力の相異なるプ
レナム間のシールを行う用途である。通常このようなシ
ールは２つの主要な要素゛、すなわち、回転シールと静
止シールよりなる。回転シールは、大抵、エンジンの軸
方向長さと平行な断面において、比較的肉厚の基部から
半径方向に静止シールにむかつ′て延在する薄い歯状突
起の列をもつ。静止シールまたは静止要素は、通常簿い
ハニカム形リボンの形状をしている。これらの主要な要
素は、一般にエンジンの軸方向（長さ方向）寸法のまわ
りに円周方向に配置され、回転要素と静止要素との組み
立てを可能にするように両者の間に半径方向のわずかな
隙間をあけて配置される。

ガスタービンエンジンが作動されているとき、回転シー
ルは静止シールよりも大きく半径方向に膨張し、静止シ
ールをこする。静止シールの薄いハニカム形リボン構造
はシール歯がこする表面積を少なくし、従って回転シー
ルに伝達される熱を最小限におさえるのに役立つ。さら
に、回転シール歯の先端は、歯を支持する基部またはシ
ェル構造から熱的に隔離するために薄クシである。

しかし、薄い歯の形状は、取り扱いによる損傷を受１ノ
やり−く、基部とは反対側の歯の先端に亀裂が入りやす
い。場合によっては、歯の先端には作動時に摩擦に起因
する亀裂が入ることもある。これらのシール歯の亀裂は
、歯を経て半径方向内方に支持シェル構造まで進み、そ
れに気づかないでいると、最終的には支持構造の端部ま
で拡がってシールの破損につながるおそれがある。

従来技術のシール歯の断面形状は、一般に、まっすぐな
傾斜側面が細い平坦な先端で出合う截頭三角形の形状を
している。このような従来のシール歯の形状では、一度
このような１自が入りはじめたらなかなかとめられなか
った。

乱用ｍ 本発明の目的は、亀裂の進行に対する抵抗が著しく増加
した、回転ラビリンスシールのシール歯の改良形状を提
供することにある。

本発明のもう一つの重要な目的は、航空機推進用のガス
タービンエンジンに必要かつ望ましい薄くて軽量な歯で
ありながら亀裂の進行に抵抗する新規なシール歯の形状
を提供することにある。

これらや他の本発明の目的を達成する本発明の回転ラビ
リンスシールは、基部の外周上に円周方向に延在する複
数の半径方向に向いたシール歯リングからなり、シール
歯リングがそれぞれ本体部と先端部とを有し、本体部は
先端部よりも実質的に厚い。

より詳細にいうと、本体部はほぼ平行な本体壁を有し、
これらの壁は基部から半径方向に延在し、かつ基部の上
でエンジンの軸方向中心線のまわりに円周方向に延在し
ている。本体部はざらに周壁を有し、これらの周壁は本
体部の外周を形成し、先端部の両側に存在する。先端部
う同様にほぼ平行な先端壁を有し、これらの先端壁は本
体部の周壁から半径方向に延在し、かつエンジンの軸方
向中心線のまわりに円周方向に延在している。先端壁は
先端部の外周を形成する先端周面で終端する。

本発明の亀裂抑止効果を実現するためには、本体部と先
端部の厚さの比を少なくとも約５：１とする必要がある
。さらに先端壁が本体周壁に、半径が先端部の厚さにほ
ぼ等しいフィレット（ｆｉｌｌｅＢでつながっていなけ
ればならない。本発明の歯は、従来の形状の歯に比へ、
歯およびシールの寿命が少なくとも３：１の向上を示し
た。

発明の詳細な説明 本発明の理解を容易にするために、添付図面に本発明の
好適実施例を示す。図面並びに以下の説明を考慮すれば
、本発明の構成および作動ならびにその効果が明瞭に理
解できるはずである。

第１図にガスターボファンエンジン２０＠概略して図示
しである。ターボファンエンジンは当業界でよく知られ
ているが、エンジン２０の作動を簡潔に説明することは
これから記載する発明の背景となる様々な構成部品の関
係を認識するのに役立つであろう。基本的にはエンジン
２０を構成しているのは、コアエンジン２２、回転可能
なファン羽根２６の段を含むファン２４、コアエンジン
２２の下流に位置し、シャフト３０を介してファン２４
に連結さ′れたファンタービン２８であると考えてよい
。コアエンジン２２は、ロータ３４を有する軸流圧、縮
？！１３２を含む。空気は第１図の左側から太い矢印で
示した方向へ入口３６へ入り、まずファンブレード２６
で圧縮される。

ファンカウルまたはナセル３８はエンジン２０の前部を
囲み、コア品ンジンカウル４２のまわりにほぼ等角度を
おいて配置された複数の半径方向外方に延在する出口案
内翼組立体４０（１枚のみ図示）によりエンジン２０の
前部に連結されている。ファン羽根２６から出てくる比
較的低温低圧の圧縮空気の第１部分は、コアエンジンカ
ウル４２とファンカウル３８で画定されたファンバイパ
スダクト４４に入り、ファンノズル４６から排出される
。圧縮空気の第２部分は、コアエンジン入口４８に入り
、軸流、圧縮１１［３２でさらに圧縮され、燃焼機５０
に送られ、ここで燃料と混合され燃焼して高エネルギー
燃焼ガスを生成し、これによりコア（または高圧）エン
ジンタービン５２を駆動する。タービン５２は通常のよ
うにガスタービンエンジンのシ１１フト３５を介してロ
ータ３４を駆動する。高温の燃焼ガスは次にファン（ま
たは低圧）タービン２８を通過してこれを駆動し、その
ファン（または低圧）ターどン２８はファン２４を駆動
する。こうして、ファンバイパスダクト４４からファン
ノズル４６を経て空気を噴射するファン２４の働きと、
プラグ５６とコアエンジン２２のカウル４２の一部によ
り形成されたコアエンジンノズル５４からの燃焼ガスの
排出とにより推進力が得られる。エンジン２ｏ内のさま
ざまなガスの圧力が、エンジンの軸方向中心線５８に沿
った位置の関数として変化することがわかる。エンジン
の種々の部分およびその中の圧力を互いに隔離するため
に、回転ラビリンスシールを用いるのが通例である。

第２図に、回転ラビリンスシールが曲型的に用いられる
航空機ガスタービンエンジンの一部分である高圧タービ
ン部分６０の一部を示す。高圧タービン６０は、第１段
のタービンディスク６４に適切に装着された、複数の半
径方向に延在する第１段の羽根を含み、その１つの羽根
を符号６２で示しである。高圧タービン６ｏは、第２段
のタービンディスク６８に適切に装着された、複数の半
径方向に延在する第２段の羽根も含み、その１つの羽根
を符号６６で示しである。第１段の羽根６２および第１
段のディスク６４は、第２段のブレード６６および第２
段のディスク６８より上流に位置する。高圧タービン６
０内の高熱ガスは上流から下流へ、すなわち第２図の左
から右へ流れる。

高圧タービン６０にはさらに、回転ラビリンスシール７
０と静止要素または静止シール７１が含まれる。回転ラ
ビリンスシール７０は、第１段のタービンディスク６４
と第２段のタービンディスク６８の間に適切に装着され
ている。固定の静止シール７１は第２段のノズル７３に
とりつけられている。第１段のノズル（図示せず）が第
１段の羽根のト流側に位置する。

回転ラヒリンスシール７０は、基部７２と、基部７２の
外周面７５から半径方向に延在する複数のシール１′１
１ｉ１７４から構成される。シール歯７４の外周は、静
止要素７１の内周に対しわずかな公差で回転し、第１段
プレナム６１と第２段プレナム６３との間の封じを達成
している。図示した基部７２は環状の形状を有し、ほぼ
弓形の断面を有するが、ガスタービンエンジンには他の
形状のものも用いられる。シール歯７４はシール７０に
溶接などでとりつけてもシール７０と一体に機械加工し
てもよく、基部７２上で軸方向中心線５８のまわりに円
周方向にリング状に延在している。

本発明の各シール歯７４は、第３Ａ図により詳しく示し
たように本体部７７と先端部７８を有する。各本体部７
７はほぼ平行な本体壁７９および８０を有し、これらの
壁は基部から半径方向に延在しかつエンジンの中心軸線
のまわりに円周方向に延在する。本体部７７は本体周壁
（または本体周面）８２および８４も有し、これらの周
壁は先端部７８の両側で本体部７７の外周にそって延在
する。

各々の先端部７８は、ほぼ平行で半径方向に延在する先
端壁８６および８８を有し、これらの壁は本体周壁８２
および８４から半径方向に延在している。先端部７８は
さらに先端周面９０を有し、この周面は先端壁８６およ
び８６が終端する先端部７８の外周にそって延在し、こ
の周面９０は本体周壁８２．８４と同軸である。第３Ａ
図に示した本発明のシール歯７４とは対照的に、第３Ｂ
図に示す従来のシ′−ル歯７４−は一般に截頭三角形の
ものである。通常、θは１５°程度で、先端周面９０−
の幅（１１）は、０．０１５インチ程度である。

本発明によれば、亀裂の進行を効果的におさえるために
、本体壁７９．８０間の距離（本体部の厚さ、ｊｂ）お
よび先端壁８６．８８間の距離（先端部の厚さ、ｔｔ、
）との比が少なくとも約５：１でなくてはならない。好
ましくは、先端壁８６．８８は本体周壁８２．８４に移
行部（フィレット）の丸みがないようにつながるべきで
あるが、疲労抵抗を１９るためにはこの継目がある稈度
の半径を有するのが望ましい。継目またはフィレット半
径１、としては先端部の厚さ１ｔとほぼ等しい半径が好
ましいことを確かめた。

第４図に、本発明のシール歯の有効性を示す。

このグラフには、亀裂の長さを張カー張力疲れサイクル
の関数としてプロットしである。張力−張力試験は、エ
ンジン作動時に通常このようなシールがさらされる、疲
れから生じるフープ応力を模している。θ＝１５°、ｊ
　ｔ　′−０，０１５インチの従来のシール歯のセグメ
ントと、ｊｔ＝’ｏ。

０１５インヂ、ｔ　ｂ　＝０．０８０インヂそして［、
＝０．０１５インチの本発明のシール歯のセグメントと
を比較試験した。歯の材料は、シール製造材料として典
型的なニッケ・ル合金であり、初期亀裂長、さくＸ）は
０．０２０インチであった。第４図に示したように、本
発明のシール歯は、従来のシール歯に比し、破損するま
でのサイクルが３：１も改善された。

本発明は以上図示し説明し、特許請求の範囲に特定した
幾つかの新規な特徴と部品の組合せからなる。本発明の
要旨から逸脱することなく、また本発明の利点を犠牲に
することなく、細部の種々の変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は航空機用ガスターボファンエンジンの簡略化し
た部分断面側面図、 第２図はガスタービンエンジンの典型的な２段高圧ター
ビンの部分断面図、 第’３Ａ図は回転ラビリンスシールに用いる本発明の段
付歯の部分断面図、 第３Ｂ図は回転ラビリンスシールの従来の典型的な歯の
部分断面図、そして 第４図は２つの回転ラビリンスシール歯の形状について
の、亀裂の長ざ対張カー張力疲れサイクルのグラフであ
る。 （符号の説明） ７０・・・回転ラビリンスシール、７２・・・基部、７
４・・・シール歯、７５・・・基部の外周面、７７・・
・本体部、７８・・・先端部、７９．８０・・・本体壁
、８２゜８４・・・本体周壁（本体周面）、８６．８８
・・・先端壁、９０・・・先端周壁

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）外周面を有する基部と、 上記外周面と一体であって上記基部の外周面上に円周方
   向に延在する複数の半径方向に向いたシール歯とからな
   り、 上記シール歯の各々が本体部と先端部とを有し、本体部
   が先端部より実質的に厚いことを特徴とする回転ラビリ
   ンスシール。
2. （２）上記本体部の各々が、ほぼ平行な半径方向に延在
   する１対の本体壁を有し、これらの本体壁間の距離が上
   記本体部の厚さであり、 上記先端部の各々が、互いに平行でかつ本体壁にほぼ平
   行な半径方向に延在する１対の先端壁を有し、これらの
   先端壁間の距離が上記先端部の厚さであり、上記先端壁
   が円周方向に延在する先端表面で終端する特許請求の範
   囲第１項に記載の回転ラビリンスシール。
3. （３）上記本体部の厚さと上記先端部の厚さとの比が少
   なくとも約５：１である特許請求の範囲第２項に記載の
   回転ラビリンスシール。
4. （４）上記本体部の各々がその関連する上記先端部の両
   側に上記本体部の外周に沿って存在する本体周面を含ん
   でいる特許請求の範囲第２項に記載の回転ラビリンスシ
   ール。
5. （５）上記先端壁が上記本体周面に、上記先端部の厚さ
   にほぼ等しい半径を有するフィレットでつながっている
   特許請求の範囲第４項に記載の回転ラビリンスシール。
6. （６）外周面を有する基部と、 上記基部の外周面上に円周方向に延在する複数の半径方
   向に向いたシール歯リングからなり、上記シール歯リン
   グの各々が本体部と先端部を有し、上記本体部の各々が
   半径方向に延在するほぼ平行な１対の本体壁を有し、こ
   れらの本体壁間の距離が上記本体部の厚さであり、上記
   先端部の各々が互いに平行でかつ上記本体壁にほぼ平行
   な半径方向に延在する１対の先端壁を有し、これらの先
   端壁間の距離が上記先端部の厚さであり、上記本体部の
   厚さと上記先端部の厚さとの比が少なくとも約５：１で
   あることを特徴とする、ガスタービンエンジンの２つの
   プレナム間の封じを行う回転ラビリンスシール。
7. （７）上記本体部の各々がその関連する上記先端部の両
   側に位置する１対の本体周面を有する特許請求の範囲第
   ６項に記載の回転ラビリンスシール。
8. （８）上記先端部の各々がその関連する上記本体部の１
   対の本体周面と同軸である先端周面を有する特許請求の
   範囲第７項に記載の回転ラビリンスシール。
9. （９）上記先端壁が上記本体周面に、上記先端部の厚さ
   にほぼ等しい半径を有するフィレットでつながっている
   特許請求の範囲第８項に記載の回転ラビリンスシール。
10. （１０）上記基部が環状であり、かつ弓形断面を有する
    特許請求の範囲第６項に記載の回転ラビリンスシール。