KR20010031672A

KR20010031672A - 시일

Info

Publication number: KR20010031672A
Application number: KR1020007004730A
Authority: KR
Inventors: 램프스엘리아스해리
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-04-16
Also published as: WO2000012870A1; DE69932501D1; PL197070B1; PL340398A1; US6199871B1; DE69932501T2; CN1165669C; JP2002523708A; EP1045959A1; ES2268879T3; NO20002325L; BR9906936A; MY117191A; CA2308400A1; CN1277651A; CA2308400C; RU2233985C2; EP1045959B1; NO20002325D0

Abstract

시일(30)은 원주방향 틈새를 갖는 집합 링에서 동일 연장 웹(36)에 의해 함께 일체식으로 결합된 제 1 및 제 2 축방향 대향 루프(32, 34)를 포함한다. 상기 2개의 루프는 단면이 활모양으로 되어 있고, 방사방향 외측 및 내측 밀봉 랜드(40, 42, 44, 46)를 갖는다. 또한, 상기 웹(36)은 외측 랜드(40, 44)와 내측 랜드(42, 46) 사이에 방사방향으로 배치된다. 루프(32, 34)는 그 사이의 시일을 수행하고 또 차동 방사방향 및 축방향 열 운동을 조정하기 위해 인접 부재(24, 26)의 대응 홈에 배치된다.

Description

시일{C-SHAPED RING SEAL}

가스 터빈 엔진에 있어서, 공기가 압축기에서 가압되고, 연소기에서 연료와 혼합되며, 에너지를 추출하는 여러 터빈 단을 통해 하방으로 흐르는 고온 연소 가스를 생성하기 위해 점화된다. 가압 공기는 연소기를 포위하고 그것의 라이너를 냉각시키기 위해 사용된다. 또한, 가압 공기는 엔진의 다른 부품을 냉각시키 위해 사용된다.

엔진은 서로 적절하게 결합된 고정자 부품으로 형성되어 있으므로, 각종 유형의 정지 시일을 그들 사이에 제공하여 가압 공기 또는 고온 연소 가스의 바람직하지 않은 누출을 감소시키거나 방지하여야 한다. 시일은 특히 상이한 부품들을 밀봉하기 위해 상이한 단면 형상을 갖는다. 예를 들면, 시일은 밀봉을 필요로 하는 특수 용도에 따라 W자 형상의 단면 또는 E자 형상의 단면 또는 단순히 원형 단면을 가질 수도 있다.

몇몇 시일은 완전한 링이거나 또는 바람직하지 않은 후프 응력을 없애기 위해 한 장소에서 원주방향으로 분할될 수도 있다. 다른 유형의 시일은 인접 부품들 사이의 상보적 슬롯 내에 배치된 평탄하고 곧은 리프 시일(leaf seal)의 형태로 되어 있다.

시일은 상이한 방사방향 운동, 상이한 축방향 운동 또는 그 양자를 포함하는 인접 부품들간의 각종 상이한 열 운동에 노출된다. 연소기 외측 라이너의 후단부와 인접 고압 터빈 노즐의 외측 밴드의 전단부 사이에 상대적 방사방향 및 축방향 편향이 생기는 것이 통상적이다. 연소기에 생성된 고온 연소 가스하에서, 외측 라이너는 외측 밴드의 방사방향 외측 팽창 보다 방사방향 외측으로 상당히 더 팽창할 수 있다. 그리고, 이러한 두 부품 사이의 축방향 틈새는 작업중에 실질적으로 크게 성장할 수도 있다.

따라서, 일 형태의 리프 시일을 이 장소에 사용하여, 방사방향 리프 시일이 차동 방사방향 운동을 조정하기 위한 상보적 축방향 슬롯에 결합되고, 또 축방향 리프 시일이 차동 축방향 운동을 조정하기 위한 상보적 축방향 슬롯에 결합된다. 그러나, 리프 시일은 단면이 반듯하고 작업중에 왜곡될 수 있으므로, 그것의 밀봉 능력이 손상될 수 있다. 또한, 몇몇 리프 시일은 단편에 제공되어, 단편들간의 밀봉 성능을 방해한다.

따라서, 가스 터빈 엔진과 고정자 부품 사이의 고 편위의 차동 방사방향 및 축방향 운동을 막는 개선된 링 시일을 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 요약

시일은 원주방향으로 분할된 집합 링에 동일공간 연장 웹으로 함께 일체식으로 결합된 제 1 및 제 2 축방향 대향 루프를 구비한다. 2개의 루프는 단면이 활모양으로 되어 있고, 방사방향 외측 및 내측 밀봉 랜드(land)를 갖는다. 또한, 웹이 외측 랜드와 내측 랜드 사이에 방사방향으로 배치된다. 루프는 그 사이에서 시일을 달성하고 그리고 차동 방사방향 및 축방향 열 운동을 조정하기 위해 인접 부재의 대응 홈내에 배치된다.

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것으로서, 특히 그 내부의 시일에 관한 것이다.

바람직한 실시예 및 그의 추가의 목적 및 이점에 따르면, 본 발명은 첨부 도면과 함께 하기의 상세한 설명에 보다 상세히 설명한다.

도 1은 연소실 외측 라이너와 터빈 노즐의 외측 밴드 사이에 일 실시예에 따른 시일을 구비한 가스 터빈 엔진의 일부분의 축방향 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 링 시일의 평면도,

도 3은 도 1의 점으로 표시된 원(3) 내부의 외측 라이너와 밴드 사이에 장착된 링 시일의 축방향 확대 단면도,

도 4는 도 3에 도시된 링 시일의 일부분의 사시도.

종축 또는 축방향 중심축(12)에 대해 비 대칭인 가스 터빈 엔진(10)의 일부분이 도 1에 도시되어 있다. 엔진은 환상 연소기(16)에 전달되는 공기(14)를 가압하기 위한 다단 축류 압축기(도시 안됨)를 구비하며, 상기 환상 연소기 내에서 공기는 연료와 혼합되고 점화되어 고온 연소 가스(18)를 발생시킨다. 연소기(16)는 연소기 케이싱(20) 내측에 장착되고 연소기 가스(18)를 고압 터빈 노즐(22)의 하류로 방출한다. 노즐(22)의 하류에 고압 및 저압 터빈(도시 안됨)이 장착되고, 상기 고압 및 저압 터빈은 압축기에 동력을 공급하기 위해, 그리고 통상적으로는 비행시에 항공기에 동력을 공급하는 추진력을 생성하도록 팬에 동력을 공급하기 위해 연소 가스로부터 에너지를 추출한다.

연소기(16)는 연소 가스(18)의 외측 경계를 규정하는 방사방향 외측 라이너(24)를 구비한다. 터빈 노즐(22)은 외측 밴드(26)로부터 방사방향 내측으로 연장된 다수의 원주방향 이격 노즐 베인(28) 사이에 전달되는 노즐 내측의 연소 가스의 방사방향 외측 경계를 규정하는 방사방향 외측 밴드(26)를 구비한다.

또한, 연소기는 연소 가스(18)가 연소기로부터 노즐로 흐를 때 연소 가스(18)의 방사방향 내측 유동경로 경계를 규정하는 노즐의 방사방향 내측 밴드와 협력하는 방사방향 내측 라이너를 구비한다.

연소기 및 노즐은 엔진 내부에서 함께 조립되어야 하고 또 가압 공기(14) 또는 연소 가스(18)의 흐름 누출을 방지하기 위해 적절하게 밀봉되어야 한다. 작동중에, 가압 공기(14)의 일부는 케이싱(20) 내측의 연소기를 포위하고 그리고 통상적으로 그 내부에 연소 가스(18)의 압력 보다 높은 압력을 갖는다. 연소기와 노즐 사이에서 연소 가스 유동경로의 방사방향 내측으로 가압 공기(14)의 바람직하지 않은 누출을 방지하기 위해서, 외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이에 링 시일(30)이 형성되어 있다.

링 시일(30)이 외측 라이너와 외측 밴드 사이에 배치되지 않으면, 엔진(10)은 구조 및 작동이 종래의 방식일 수도 있다. 외측 라이너와 외측 밴드 사이의 밀봉 접속부는 작동중에 고온 연소 가스(18)에 의해 야기된 열 팽창 및 수축으로 인해 방사방향으로 및 축방향으로 비교적 고온의 편위를 받는다. 따라서, 시일(30)은 그것의 밀봉 유효성을 최대화하는 비교적 간단하고 유효한 구조로 이 장소에서 축방향 및 방사방향의 고 편위를 조정할 수 있도록 본 발명에 따라 구성된다.

특히, 고 편위 링 시일(30)을 도 2에 별도로 도시하고 도 3에서는 확대 단면도로 도시하였다. 상기 시일은 도 2에 도시된 바와 같이 원주방향 틈새(38)를 갖는 집합 링 시일의 동일 연장 격막 또는 웹(36)에 의해 단일 부품으로 함께 일체식으로 결합된 제 1 및 제 2 축방향 대향 루프(32, 34)를 구비한다. 상기 틈새(38)는 그 내부의 바람직하지 않은 후프 응력의 발생을 방지하기 위해 한 장소에서 링 시일의 원주방향 크기를 중단시킨다.

링 시일은 도 3 및 고 4에 보다 상세하게 도시되어 있다. 제 1 루프(32)는 단면이 활모양이고 링 둘레에 원주방향으로 연장된 방사방향 외측 및 내측의 제 1 밀봉 랜드(44, 46)를 갖는다.

웹(36)은 외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이의 고 차동 방사방향 열 운동하에서 작동중에 링 시일의 가요성을 유지하고 링 시일의 비틀림을 허용하기 위해 관성 굽힘 모멘트가 감소된 밀집된 단면으로 제 1 및 제 2 루프의 외측 및 내측 랜드 사이에 방사방향으로 배치된다.

예를 들면 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 루프는 서로 축방향 외측으로 볼록하고 서로 축방향 내측으로 오목하며 방사방향으로 정렬되거나 동일연장되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 및 제 2 루프는 서로 축방향으로 이격되며, 웹이 그 사이에서 방사방향으로 연장되는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 웹(36)은 대향 루프의 제 1 및 제 2 내측 랜드(42, 46)에 일체식으로 결합되고 상기 대향 루프는 웹(36)의 축방향 크기에 의해 단순히 축방향으로 이격된 제 1 및 제 2 외측 랜드(40, 44)에서는 함께 결합되지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 루프는 단면이 반원형이며, 웹(36)의 단면은 주로 직선형이다. 제 1 및 제 2 루프와 일체식 웹은 소망하는 경우 하나 이상의 적층체에서 구멍 없는 박형 게이지 금속판으로 형성되는 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 2개의 인접 금속 박판 적층체 또는 층은, 내부 적층체가 외부 적층체를 활주식으로 결합하고 또 틈새를 메워서 그들 사이의 밀봉을 개선시킴과 아울러 링 시일(30)의 원주방향 팽창 및 수축을 억제시키기 위해서 도 2에 도시된 원주방향 틈새(38)를 가로질러 연장될 수도 있도록 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 링 시일(30)은 외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이에 장착되며, 제 1 및 제 2 루프(32, 34)는 엔진의 중심선으로부터 동일한 반경으로 서로 축방향으로 정렬되어 있다. 웹(36)은 그것의 관성 굽힘 모멘트를 감소시키는 것에 의해 링 시일(30)에 가요성을 제공하기 위해 제 1 및 제 2 내측 랜드(42, 46)의 방사방향 외측으로 그리고 제 1 및 제 2 외측 랜드(40, 44)의 방사방향 내측으로 이격되는 것이 바람직하다.

시일(30)은, 그것의 특수한 단면에도 불구하고, 원주방향 틈새(38)를 제외하고는 완전한 링이며, 3개의 자유도로 작동된다. 본 발명에 따른 시일의 부분적 활주 궤도의 축방향 단면은, 시일 자체가 차동 운동을 상당하게 억제함이 없이 그리고 그 내부에 과도한 반동 하중 및 응력을 겪지 않고 외측 라이너와 외측 밴드 사이에 유효 밀봉을 제공함과 아울러 방사방향 및 축방향으로 높은 차동 편위를 조정한다.

특히, 도 3에 도시된 외측 라이너(24)는 연소 가스(18)를 운반하는 제 1 환상 부재를 규정하며, 그것의 후단부에 축방향의 후방을 향한 제 1 환상 시트 또는 홈(48)을 구비한다. 상기 제 1 환상 시트 또는 홈은 혀와 홈 밀봉 배치에서 제 1 루프(32)를 그 내부에 활주 접촉하여 수납한다. 마찬가지로, 외측 밴드(26)는 외측 라이너(24)와 동축방향으로 배치된 제 2 환상 부재를 규정하며, 그의 전단부에 축방향의 전방으로 향한 제 2 환상 시트 또는 홈(50)을 구비하고 있고, 상기 제 2 환상 시트 또는 홈은 혀와 홈 밀봉 배치에서 제 2 루프(34)를 그 내부에 활주 접촉하여 수납한다.

외측 라이너(24) 및 외측 밴드(26)는 제 1 및 제 2 홈(48, 50)에서 축방향으로 이격되며, 웹(36)은 그들 사이에서 축방향으로 연장된다.

제 1 홈(48)의 하부에 대해 제 1 내측 랜드(42)의 원주 둘레에서의 접촉에 의해 그리고 제 2 홈(50)의 하부에 대해 제 2 내측 랜드(46)의 원주 둘레에서의 접촉에 의해 작동중에 밀봉이 달성된다. 개재 웹(36)은 구멍이 없으며 제 1 및 제 2 내측 랜드(42, 46)와 그들의 시트 사이의 밀봉 접촉을 개선시키는 시일을 방사방향으로 가로질러 차동 압력에 반항한다.

또한, 제 1 및 제 2 외측 랜드(40, 44)는 필요한 경우 각각의 홈(48, 50)의 상부에 대해 대응 시일을 수행하기에 유용하다.

팽창 및 수축에 의해 야기되는 차동 축방향 열운동은 도 3에 이점 쇄선으로 도시되어 있고, 외측 밴드(26)의 편위는 축방향(A)으로 도시되어 있다. 홈(48, 50)의 축방향 크기 및 웹(36)의 축방향 크기는 외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이의 차동 축방향 운동의 크기와는 관계 없이, 그들 대응 홈내에서 항상 그것과 밀봉 접촉상태로 남아 있는 것을 확보하도록 선택된다.

또한, 차동 방사방향 운동(B)은 외측 라이너(24)의 상이한 방사방향 부분이 이점쇄선으로 도 3에 도시되어 있다. 2개의 부품 사이의 차동 방사방향 편위를 조정하기 위해, 링 시일(30)은 제 1 및 제 2 루프(32, 34)가 그들 각각의 홈(48, 50)과 밀봉 접촉하여 남아 있는 동안 방사방향으로 뒤트릴 것이다.

링 시일(30)이 환상 부재이기 때문에, 과도한 응력 또는 소성 변형으로 이르는 과도한 구속 또는 왜곡이 없이 높은 방사방향 편위를 허용하기 위해 그 내부에 충분한 비틀림 가요성을 제공하여야 한다. 비 대칭 루프 및 개재 웹(36)은 높은 축방향 및 방사방향 편위 성능을 제공하는 압축 배치에서 그것의 비틀림 가요성을 증가시키기 위해 단면의 주변을 중단시킨다. 전술한 바와 같이, 웹(36)은 그것의 굽힘 또는 비틀림 가요성을 증가시키는 방사방향 관성 모멘트를 최소화시키기 위해 각각의 외측 및 내측 랜드 사이에서 이격된다.

또한, 웹(36)은 대체로 외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이에서 차동 방사방향 운동을 방해함이 없이 허용하기 위해 방사방향 내측으로 오목한 단면으로 되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 웹(36)은 축방향 단면이 직선형이고, 적절한 혼합 반경을 갖는 그것의 중심점으로부터 2개의 평탄한 부분에서 만곡되며, 웹의 방사방향 내측면은 웹(36)이 제 1 및 제 2 홈(48, 50)의 대응 부분에 결합됨이 없이 제 1 및 제 2 루프(32, 34) 사이의 비틀림 가요성을 증가시키고 방사방향 차동 운동을 허용하기 위해 180°보다 약간 작은 둔각을 갖는다.

예를 들면, 도 3에 도시된 제 1 또는 좌측 루프(32)가 외측 밴드(26) 보다 큰 정도로 외측 라이너(24)의 열 팽창중에 그것과 함께 방사방향 외측으로 운반될 때, 좌측 루프는 좌측 홈(48)에서 약간 시계방향으로 회전할 것이고, 웹(36)의 좌측 부분은 좌측 홈의 바닥에 가깝게 이동할 것이다. 따라서, 제 2 또는 우측 루프(34)는 이 실시예에서 시계방향으로 회전하고 웹(36)의 우측 부분은 우측 홈(50)의 바닥으로부터 외측으로 이동할 것이다. 이것이 발생됨에 따라, 시일(30)은 웹(36)을 통해 탄성적으로 비틀려져서 대향 루프(32, 34)를 엔진의 중심축으로부터 상이한 반경에 위치시킨다.

외측 라이너(24)와 외측 밴드(26) 사이에 링 시일(30)을 사용하는 것에 의해 밀집되고 비교적 단순한 구조에서 그들 사이의 고 편위 차동 방사방향 및 축방향 운동을 조정한다. 외측 라이너(24)는 단일의 축방향 후방을 향한 제 1 홈(48)만을 필요로 하며, 외측 밴드(26)는 단일의 축방향 전방을 향한 제 2 홈(50)만을 필요로 한다. 이중 기능의 링 시일(30)을 양측 홈내에 안착시켜 그들 사이의 차동 축방향 운동 뿐만아니라 차동 방사방향 운동을 조정함과 아울러 2개의 루프(32, 34)에서 유효 밀봉을 유지한다.

차동 축방향 운동하에서, 링 시일(30)은 2개의 말단 루프 사이에 미변형된 공통 반경을 가지며, 2개의 홈 내에 축방향으로 단순히 활주하면서 유효 밀봉을 유지한다. 또한, 동일한 구조는 차동 열 성장하에서 각각의 홈(48, 50) 내에서 상이한 방사방향 위치로 운반될 때 제 1 및 제 2 루프(32, 34)를 방사방향으로 이격시키기 위해 링 시일(30)을 탄성적으로 비틀리게 한다.

따라서, 탄성 웹(36)은 이것의 이중 성능을 허용하기 위해 제 1 및 제 2 루프(32, 34)를 함께 연결한다. 웹(36)은 시일 강도를 최대화시키기 위해 루프의 방사방향 내측 말단상에 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 변형 실시예에 있어서, 웹(36)은 소망하는 경우 제 1 및 제 2 외측 랜드(44, 46)를 함께 연결할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 참조하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 기타의 수정이 가능함을 명확히 이해할 것이며, 따라서 본 발명의 정신 및 범위내에 속하는 모든 그러한 수정이 첨부된 청구범위에서 보장되도록 소망하는 바이다.

따라서, 본 발명은 하기의 청구범위에 규정되고 차별화된 바와 같이 미국 전매 특허증에 의해 보장되기를 소망한다.

Claims

시일에 있어서,

원주방향 틈새를 갖는 집합 링에서 동일 연장 웹으로 함께 일체식으로 연결된 제 1 및 제 2 축방향 대향 루프를 포함하며,

상기 제 1 루프의 단면은 방사방향 외측 및 내측 밀봉 랜드를 갖는 활모양이고,

상기 제 2 루프의 단면은 방사방향 외측 및 내측 밀봉 랜드를 갖는 활모양이며,

상기 웹은 상기 제 1 및 제 2 루프의 외측 랜드와 내측 랜드의 사이에 방사방향으로 배치되는

시일.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 루프는 축방향 외측으로 볼록하고 서로 축방향으로 이격되어 있으며, 상기 웹은 그 사이에서 축방향으로 연장되는

시일.
제 2 항에 있어서,

상기 웹은 상기 제 1 및 제 2 내측 랜드의 방사방향 외측으로 그리고 상기 제 1 및 제 2 외측 랜드의 방사방향 내측으로 이격되는

시일.
제 3 항에 있어서,

상기 웹은 상기 제 1 및 제 2 내측 랜드에 일체식으로 연결되는

시일.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 루프는 반 원형인

시일.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 루프와 상기 웹은 금속 박판인

시일.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 루프를 그 내부에 활주 접촉하여 수납하는 축방향으로 향한 제 1 환상 홈을 구비하는 유체 운반용 제 1 환상 부재와,

상기 제 2 루프를 그 내부에 활주 접촉하여 수납하는 축방향으로 향한 제 2 환상 홈을 구비하며 상기 제 1 환상 부재와 동축으로 배치된 제 2 환상 부재를 더 포함하는

시일.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 환상 부재는 상기 제 1 및 제 2 환상 홈에서 축방향으로 이격되고, 상기 웹은 그 사이에서 축방향으로 연장되는

시일.
제 8 항에 있어서,

상기 웹은 방사방향 내측으로 단면이 오목하게 되어 상기 제 1 및 제 2 환상 부재를 방해함이 없이 그 사이에서의 차동 방사방향 운동을 허용하는

시일.
제 9 항에 있어서,

상기 제 1 환상 부재는 고온 연소 가스를 운반하기 위한 가스 터빈 엔진 연소기의 외측 라이너이고,

상기 제 2 환상 부재는 상기 고온 연소 가스로 인한 그 사이의 차동 방사방향 및 축방향 운동 양자를 조정하기 위해 상기 시일 링에 의해 상기 외측 라이너에 밀봉식으로 결합된 가스 터빈 엔진 터빈 노즐의 외측 밴드인

시일.