JPS631452B2 - - 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のシール冷却構
造及び方法に係わり、殊に、ラビリンス型シール
のシール冷却構造及び方法に係わる。

ガスタービンエンジンの性能に於ける大きな因
子は広範囲の動作条件にわたつて動作しなければ
ならないシール構造の有効性である。特に、圧縮
吐出圧力シールは高圧で効果的にそして通常は比
較的高い動作温度で動作しなければならない。圧
縮機吐出圧力シールは、圧縮された空気がエンジ
ンの回転する圧縮機部と回転しない燃焼機部との
間に漏洩するのを防止する為に使われている。エ
ンジン性能を最適にするには、空気の漏洩を最小
にする為にこのシール上のすきまを緊密にするの
が大いに望ましい。シール中に漏洩する空気はエ
ンジンの燃焼サイクルを通らず、その為、燃焼の
生成物によつて発生される動力には貢献しない。

圧縮機吐出圧力シールは、過剰な空気の漏洩を
防止する一方、又、シールの上方部と下方部との
間の相対的回転を許容し、温度が1100〓（593℃）
以上に達するエンジンの圧縮機吐出出口近くの領
域で動作しなければならない。

現在の実施によればこの領域ラビリンス型シー
ルを使つている。ラビリンス型シールは１つ以上
の円周歯からなり、この歯が円周封じ面と接触し
ており、この歯と封じ面が相対的に回転可能であ
る。ラビリンスシールはガス流に対し高度の拘束
を提供でき、幾分漏洩はあるが、ラビリンスシー
ルによつてシールの上部と下部の間に自由な回転
が可能となる。この種のシールは他にも多くの周
知の利点を備えている為ガスタービンエンジン中
の様々な封じ箇所に広く使われている。

ラビリンスシールの有効性は封じ歯と隣接封じ
面との間のすきまの機能に係わる。最小のすきま
と高度に有効なシールを得る為にエンジン部品を
精密に機械加工できるが、エンジンを実際に運転
させると封じ歯と封じ面との間に熱生長差が生じ
てシールのすきまの劣化をもたらす。このことが
認識され、そして、ラビリンス歯がと共働する封
じ面を形成する為にはちの巣材料又は他の摩耗性
で容易に変形性の材料を広く使うことによつてあ
る程度は緩和されている。この対策によつて、封
じ歯が封じ面より速い速度で生長すると封じ面が
変形され封じ歯に損傷を加えない。これによつ
て、封じ面が最大生長位置にあり封じ歯が最小生
長位置にあるとき、自動的に最小のすきまをもた
らす。

熱生長を最小にする為、米国特許第3527053号
に示されるように、封じ構造の外面に沿つて冷却
空気を導びいてラビリンスシールを冷却する為の
方法及び構造が開発された。又、米国特許第
3989410号に示されているように、ラビリンスシ
ールの歯の間の空間に直接空気を射出する他の装
置も開発されている。こうした装置に示されてい
るように、冷却空気を使うと、熱膨張が減少さ
れ、これによつてより緊密なシールすきまを維持
しシール漏洩を減少することが可能となりシール
構造の効率が大いに改善される。

しかし、圧縮機吐出圧力シールを含んだ従来技
術の装置は冷却空気を可能なかぎり効果的な方法
で完全に利用してはいない。更に、冷却空気がシ
ールの急速に回転する部分に対して向けられる領
域に於いて封じ構造の回転する部分によつて冷却
空気に摩擦誘起の仕事がなされる為、問題が起つ
ている。これにより冷却空気の温度が増し、その
為、シール温度が増す。又、従来の装置では、冷
却用空気は圧縮機の最後の翼の基部の境界層空気
から誘導されているが、この境界層空気は非境界
層空気より100〓（55.5℃）も温いことがある。
最後に、冷却用空気がどこから来ようとも、フロ
ーパターンが全シール中、及びシールを包囲する
支持構造の周りに循環しなければならない。空気
流が零のシール内及びシール周囲のいかなる領域
も不十分な冷却しか受けず、不必要な高温の為に
物質破壊の危険が増大している。

その為、実用的な空気温度のうち最も低い十分
に圧縮された源から、圧縮機吐出圧力シール用の
冷却用空気を誘導することが本発明の目的であ
る。

本発明の別の目的は、内部シール構造によつて
冷却用空気に作用される仕事の量を減少し、その
為に、より冷たい空気温度をもたらすより効率的
な方法で冷却用空気をシール内に射出することで
ある。

本発明の更に別の目的は、シール内又はこれを
囲む支持構造内の空気流が零の“死点”を発生し
ないフローパターンにて圧縮機吐出圧力シール内
及びその周りに冷却用空気を分配することであ
る。

これ等並びにその他の目的は図面並びに以下の
記述及び実施例からより完全に理解されようが、
こうした記載は全て例示の為であつて本発明の範
囲を限定する意図はまるでない。

略述すると、本発明の方法及び装置に於いて
は、圧縮機吐出圧力シール用の冷却用空気は圧縮
機ダンプデイフユーザから吐出される圧縮空気か
ら誘導される。この源からの空気はこの領域で使
う為に十分に圧縮された空気源のうちで最も冷た
い。この空気は従来の圧縮機シール冷却装置で為
されているような圧縮機羽根の基部から抽出され
た境界層空気より冷たい。

特定の形態にあつては、冷却用空気は上流方向
より取られて、シールの外側環内の通路を通つて
シールの第１及び第２の歯の間の空間に射出され
る。これ等の通路は接線方向速度成分が歯の回転
方向及びシール構造の下流部分に向かうよう冷却
用空気を方向づけるよう角度づけられる。この接
線方向速度成分は、歯、シール回転子及び関連シ
ール構造によつて、シール内へ射出された冷却用
空気に作用される摩擦抗力による仕事量を減少す
る。これにより、究極的には摩擦によつて起つた
冷却用空気温度の上昇を減少し、冷却用空気によ
つてシール構造から熱エネルギーをより多く抽出
することが可能となる。

冷却用空気流の通路には又、シールの前方に置
かれた支持構造中の開放空所内に向け前方パージ
出口が備つている。この前方パージ出口を設ける
ことにより、この前方空所内に零空気流条件が起
るのを防止し、シール部品及びタービン回転子構
造の過熱の可能性を防止する。

特許請求の範囲に本発明を明確かつ特定して指
摘してはいるが、本発明は図面と関連して以下の
記述を読めば一層理解が容易となろう。

第１図をみると、圧縮器吐出圧力シール１０が
代表的なガスタービンエンジン内の通常の位置に
示されている。このシール１０は圧縮機１１と燃
焼機１６の間に一般に連続流関係にて置かれてい
る。ガスタービンエンジンにあつては、圧縮機部
はエンジン取入れ空気を圧縮し、圧縮機吐出圧力
シールがエンジンのスラスト発生流路内にこの圧
縮空気を保留すると共に、回転しない燃焼機１６
に対して圧縮機部のこの流路に沿つた相対的回転
を可能にする。

第１図には、圧縮機部１１の後方圧縮機翼１２
が圧縮機吐出シール１０の前方に示されている。

取入れ空気はタービンエンジンの回転中心軸の
周りに回転する圧縮機翼によつて圧縮され、次い
で、出口案内羽根１４及び圧縮機ダンプデイフユ
ーザ１５を通るよう方向づけられ、これにより圧
縮された空気は燃焼器１６内へ拡散され案内され
る。エンジンの燃焼器部では、圧縮空気が燃料と
組み合わされ、点火されてスラスト発生推進ガス
流を形成する。本発明の記載を簡略にする為、ガ
スタービンエンジン全体は示していない。エンジ
ン全体を記載せずとも本発明は十分認識できよ
う。圧縮機吐出圧力シールに影響のあるガスター
ビンエンジン内での動作についての説明は、米国
特許第3527053号を参照されたい。

圧縮機吐出圧力シール１０はガスタービンエン
ジンの中心領域１９内に圧縮空気が逃げ込むのを
防止し、同時に、回転しない出口案内羽根１４と
燃焼器１６に対し圧縮機回転子１８の回転を許
す、為に設けられている。第１図にその１つが示
されている圧縮機翼１２は圧縮機回転子１８につ
いており、回転子によつて圧縮機翼が回転され、
エンジンの圧縮機部１１を通る取入れ空気を圧縮
する。出口案内羽根１４は回転せず、燃焼器に入
る前に圧縮空気の回転速度成分を除いている。圧
縮機ダンプデイフユーザ１５は空気を拡散し、流
速を減少し圧力を増大させる。

圧縮機吐出圧力シール１０は、シール外側固定
子２２と接触している一連の円周ラビリンス歯２
０からなつている。歯２０の外側縁２４は、固定
子２２に対し非常に近接したはめあいを形成する
よう当初組み立てる。圧縮機回転子１８とこれに
結合したラビリンス歯２０がエンジン軸の周りに
回転すると、歯の外側縁２４がシール固定子２２
の内側面に若干の溝を形成する。こうした溝の内
側に於ける歯２０とシール固定子２２との間の非
常に近接したはめあいにより、回転歯２０と静止
シール外側固定子２２との間のガス流に高度の限
定が与えられる。

本発明の目的は、このラビリンス型シールの相
互作用部分の間の熱生長差を最小にし、これによ
つて、歯２０とシール固定子２２との間により近
接したはめあいを維持して動作条件下のシール有
効性を改善することである。

従来技術の装置にあつては、シールの歯とシー
ルの固定子との間に圧縮機吐出空気を通してシー
ル部品をより低くより一様な温度に維持して、こ
うした熱生長を減少させていた。第１図に示され
る従来技術の装置にあつては、圧縮機後方翼１２
の基部での圧縮吐出からの境界層空気が半径方向
内側にそして圧縮機回転子１８に沿つて後方に向
け軸方向に、圧縮機吐出圧力シール１０の領域ま
で導びかれる。次いで、圧縮された空気の幾分が
波状の矢印によつて描かれた通路に沿つてシール
を通つて漏れガスタービンエンジンの中心領域１
９内に向つて後方に流れ続ける。

本発明の方法及び装置が第２図及び第３図に示
されている。第２図には、シール構造１０を冷却
するのに使う圧縮空気の流路が多数の矢印で示さ
れている。この空気は先づ圧縮機ダンプデイフユ
ーザ１５の下流から抽出される。本発明の一具体
例にあつては、この領域の空気は第１図に示され
る装置の如き従来技術装置に使われる圧縮機境界
層空気より略100〓（55.55℃）冷たい。この冷却
用空気は入口３０を通つてシール固定子２２を半
径方向に包囲する開放領域３２に導びかれる。

この開放領域３２から、シールブラケツト２３
内の通路３４を通りシールの固定子２２内の開放
溝穴２１を横切つて圧縮機吐出シールの第１及び
第２のラビリンス歯２０の間の空間に入るよう導
びかれる。第１及び第２の歯はタービンを通る空
気流に対して最も上流にある。通路３４は回転子
の回転方向に速度の接線方向成分を付与する為に
エンジン軸から半径につきある角度で独特に配向
されている。環状配向の方向が第３図に示されて
おり、ここでは容易に認識されるように、通路３
４によつて冷却用空気が回転子の回転方向に向け
シール中に射出される。ラビリンス歯２０が回転
子１８に結合されこれと共に回転する。こうし
て、ラビリンス歯２０はエンジン動作中回転し、
他方シール固定子２２は回転しない。通路３４を
ある角度で配向させることにより、冷却用空気は
歯２０の回転の方向に射出され、これにより、射
出空気と歯との間の摩擦抗力が減少する。本発明
がこうした形を取ることによつて提供される速度
の接線方向成分は摩擦抗力によつて冷却用空気に
働く仕事を減少し、この為、冷却用空気の温度の
増大を減少する。究局的には、内部シール構造は
より低い温度に維持されることになる。

圧縮機ダンプデイフユーザ１５の下流の領域は
ガスタービンの圧縮機吐出シール１０を越えた中
心領域１９より高い静圧下にあるので、冷却用空
気は通路３４を通つて流れる傾向がある。冷却用
空気は歯の外側縁２４とシールの固定子２２との
間の領域を横切つて後方に向け漏れる傾向があ
る。シール部品を冷却し内部シール構造を比較的
低い温度に維持するには小さいが連続した漏洩空
気流で十分である。これによつて、熱膨張が減少
し熱生長差が減少する為に、シールの歯の外側縁
２４とシールの固定子２２との間により近接した
はめあいがシールによつて維持される。

本発明のもう一つの独特な特徴は、圧縮機吐出
シール１０の前方の空所３５を空気でパージする
態様であつて、これにより貫通流が零の結果とし
て回転子構造１８が過熱するのを回避する。第２
図に見られるように、その一つが示されていると
ころの環状に一連に並んだ入口穴３６が設けられ
ていて少量の空気がこの前方空所３５内に射出さ
れる。デイフユーザ１５の下流に於ける静圧が案
内羽根１４の上流の圧縮機の出口に於けるよりも
高い為に、空気はこの方向に流れる。接線方向速
度成分が通路３４により付与されたと類似の態様
で、回転子の回転の方向に接線方向速度成分を付
与する為に、こうした穴３６がある角度で切込ま
れている。この接線方向の射出により射出された
空気と回転する圧縮機回転子との間の摩擦抗力の
量が減少する。これによつて、射出された空気に
作用する仕事の量が減少し、空気の温度上昇もさ
がり、その結果、回転子１８の温度上昇を減少
し、空所パージに要する空気の量を最小にする。

この前方空所パージ装置は第１図に示される従
来のシール冷却装置よりも別の利点を提供する。
第１図の従来の装置にあつては、圧縮機吐出圧力
シールを漏洩流が通る為に前方空所３５を通つて
空気流が形成される。この従来の装置にあつて
は、歯の外側縁２４とシールの固定子２２の間の
すきまを小さくするようにシールのラビリンス歯
２０が熱膨張すると、空気の漏洩流が実質的に減
少する。そして空所３５の流通が零に近づいて回
転子１８の過熱をきたす。本発明では、入口穴３
６が設けられている為に、空所パージの為に空所
３５内に射出される空気の量が比較的に一定のま
まであり圧縮機吐出圧力シールのすきまの変化に
よつては影響を受けない。その為、シールのすき
まが減少してシール漏洩流に一時的な低下が起き
ても、前方空所３５はなおパージされており、回
転子１８の影響を受けた部分は過熱しない。通路
３４及び入口穴３６を冷却用空気流が通るという
組合せ効果が圧縮機回転子１８と圧縮機吐出シー
ル１０を共に適当な温度に維持する働きをするの
で、高圧タービンシールと回転子冷却回路の性能
が改善される。

本発明の特定の具体例を記載したが、本発明の
範囲を逸脱することなく種々の変化を本発明にな
しうることは明らかであろう。例えば、本発明は
ガスタービンエンジンのラビリンス型圧縮機吐出
圧力シールに関連して記述したが、本発明の種々
なる面がガスタービンエンジンの他の封じ領域に
適用でき、ラビリンス型シール以外の封じ構造に
適用できることが認識されるはずである。本発明
の方法及び装置を使つていかなるタイプのターボ
機械装置の種々のシールの性能を増すことができ
る。本発明の範囲は特許請求の範囲から導びかれ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のシール冷却装置の垂直断面
図、第２図は本発明のシール冷却構造並びにこれ
を包囲するガスタービンエンジンの諸部品の垂直
断面図、そして第３図は第２図の線３−３に沿つ
た本発明の断面図である。 １０……圧縮機吐出圧力シール、１１……圧縮
機、１４……出口案内羽根、１５……圧縮機ダン
プデイフユーザ、１６……燃焼器、１８……圧縮
機回転子、１９……中心領域、２０……ラビリン
ス歯、２１……開放溝穴、２２……シール固定
子、３０……入口、３２……開放領域、３４……
通路、３５……空所、３６……入口穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、圧縮機デイフユーザ及び燃焼器を全
   て連続流れ関係にて含み、該圧縮機の下流に圧力
   シールと、該シールの前方にあつて圧縮機吐出空
   気と流れ連通関係にあり前記圧縮機回転子の一部
   を半径方向から囲んだ空所とを有し、該空所は前
   記圧縮機デイフユーザの出口の上流に位置し、前
   記圧力シールは外側固定子を含んでいるガスター
   ビンエンジンに於いて、 前記圧縮機デイフユーザから吐出された空気か
   ら冷却用空気を誘導し該冷却用空気を前記固定子
   に導いて該固定子の熱応答を改善する手段と、 前記冷却用空気の略一定量の部分を前記空所に
   射出してこの領域をパージし、前記圧縮機回転子
   の一部の過熱を防止するため、エンジン動作中に
   於ける零空気流条件を防ぐ手段とを含み、前記空
   所からの冷却空気の一部を前記シールを通して導
   き該シールを冷却するガスタービンエンジン。 ２ 前記冷却用空気の略一定量の部分を前記空所
   に射出する手段が、別個の１つ又は複数個の通路
   を含む特許請求の範囲第１項記載のガスタービン
   エンジン。 ３ 前記通路は前記圧縮機回転子の回転軸に対し
   てある角度で配向され圧縮機回転子の回転の方向
   に接縮方向の速度成分が付与される特許請求の範
   囲第２項記載のガスタービンエンジン。