WO2011086993A1

WO2011086993A1 - シール構造及びそれを備えたガスタービンエンジン

Info

Publication number: WO2011086993A1
Application number: PCT/JP2011/050279
Authority: WO
Inventors: 良造田中; 智紀谷口
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP2011144689A; US20120294706A1; CA2786321A1; JP4815536B2; EP2525063A1; CA2786321C; EP2525063B1; EP2525063A4; US9506364B2

Abstract

　内側環状部材（２１，５７）又は外側環状部材（２６）と、それら環状部材の間に配置された複数のセグメント（３５）を連結する構造（４２，１１０）は、少なくとも一つのシール構造（１５１）を有する。シール構造（１５１）は、２つのシール面（１２３と１２９又は１２５と１３１）の間に挟持され、中心軸（Ｃ）を中心とする多角形の各辺に沿って真っ直ぐに配置されたばねシール部材（１５３）を備えている。

Description

シール構造及びそれを備えたガスタービンエンジン

　本発明は、シール構造に関する。本発明はまた、ガスタービンエンジンに好適に組み込まれるシールする構造に関する。本発明はさらに、ガスタービンエンジンのタービンノズルとそれに隣接する部材との間をシールする構造に関する。

　一般に、ガスタービンエンジンでは、圧縮機で生成された圧縮空気が燃焼器に供給され、そこで燃料と共に燃焼されて高温の燃焼ガスが生成される。また、燃焼器で生成された燃焼ガスはタービンに供給され、そこで燃焼ガスのエネルギがロータの回転力に変換される。そのため、ガスタービンエンジンでは、効率良くロータの回転力を得るために、できるだけ圧縮空気の漏れを防止することが望ましい。

　しかし、実際には、ガスタービンエンジンを構成する、径方向内側の環状部材と径方向外側の環状部材を連結する箇所に存在する隙間、例えば、タービンノズルとこれを支持する環状支持部材との隙間を介して、圧縮機で生成された冷却用圧縮空気の一部が下流側の部位（例えば、タービン）に漏れることがある。そして、この漏れ量が著しく多くなると、ガスタービンエンジンの性能の低下を招く。

　このような圧縮空気の漏れを防止するため、特開平１０－３３９１０８号公報に、静翼の下流側フランジ側面にリブを設け、このリブのシール面に静翼サポートリングを接触させて直線状のシールを形成する技術が開示されている。この開示された技術によれば、静翼サポートリングが傾いた場合でもシールは良好に維持され、圧縮空気の漏れが防止される。

　しかし、ガスタービンエンジンの運転中、その構成要素は高温に晒されて熱膨張する。そして、構成要素間の相対位置が径方向及び／又は軸方向に変化し、隣接する構成要素間の隙間の大きさが変化する。その結果、上述の従来のシール技術では、隙間の変化を吸収できず、効果的に圧縮空気の漏れを防止できない、という問題がある。

　そこで、本発明の目的は、ガスタービンエンジンを構成する部材の熱膨張又は熱収縮によって部材間の相対角度及び／又は相対位置が変化しても両者の間に安定したシールを確保でき、それにより、ガスタービンエンジンの性能と信頼性を向上させることができるシール構造及び該シール構造を組み入れたガスタービンエンジンを提供することである。

　この目的を達成するため、本発明に係るシール構造の一つの形態は、
　中心軸を中心とする内側環状部材と該内側環状部材を囲む外側環状部材と、
　上記内側環状部材と外側管状部材の間にあって、上記中心軸を中心とする周方向に配置された複数のセグメントと、
　上記複数のセグメントのそれぞれを、上記内側環状部材に連結する内側連結構造と、
　上記複数のセグメントのそれぞれを、上記外側環状部材に連結する外側連結構造を有し、
　上記内側連結構造又は上記外側連結構造若しくはそれらの両方は少なくとも一つのシール構造を有し、
　上記シール構造は、
　上記複数のセグメントのそれぞれに形成された第１のシール面と、
　上記シール構造が設けられる内側連結構造又は外側連結構造によって上記セグメントに連結される環状部材に形成された第２のシール面と、
　上記第１のシール面と上記第２のシール面との間に挟持され、上記中心軸を中心とする多角形の各辺に沿って真っ直ぐに配置されたばねシール部材とを備えている。

　本発明の他の形態では、上記ばねシール部材は、帯状の金属板をその長手方向の軸を中心に曲げられて、横断面上の一端と他端が互いに離間してそれら一端と他端の間に開口を形成する形状である。

　本発明の他の形態では、上記ばねシール部材によって分離された高圧領域と低圧領域に対して、上記ばねシール部材は上記開口を上記高圧領域に向けて配置されている。

　本発明の他の形態では、上記第１のシール面又は上記第２のシール面は、上記中心軸を中心とする多角形の各辺に沿って伸びる溝を有し、上記溝に上記ばねシール部材が収容されている。

　本発明の他の形態では、上記ばねシール部材は、圧縮変形された状態で上記溝に収容されて保持されている。

　本発明の他の形態では、上記溝は断面四角形を有し、
　上記ばねシール部材は、横断面上で直線部と該直線部の末端から伸びる曲線部を有する略Ｊ形状を有し、
　上記直線部の基端と上記曲線部の中間部が上記溝の対向する内面にそれぞれ圧接している。

　本発明は、上述のいずれかのシール構造を備えたガスタービンエンジンであって、
　上記内側環状部材がインナーケーシング又は該インナーケーシングに支持されたアダプタリングであり、
　上記外側環状部材がアウターケーシングであり、
　上記複数のセグメントが、燃焼器とタービンの間を接続するノズルセグメントである。

　本発明に係るシール構造によれば、熱膨張又は熱収縮によって部材間に相対的な傾斜や移動が生じた場合でも、それら部材間に安定した高い信頼性のシールが確保される。したがって、該シール構造を備えたガスタービンエンジンでは、圧縮機で生成された高圧空気が無駄なく利用される。

本発明の実施形態に係るシール構造を備えたガスタービンエンジンの一部を切除した側面図である。図１に示すガスタービンエンジンのタービンノズル及びその近傍の構造を示す断面図である。本発明の実施形態に係るシール構造の断面図である。図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。ノズルセグメントが傾斜したときのシール構造の状態を示す断面図である。

Ｃ：中心軸
２１：インナーケーシング（内側環状部材）
２６：タービンケーシング（外側環状部材）
３５：ノズルセグメント
４２：外側連結構造
５７：アダプタリング（内側環状部材）
１１０：内側連結機構
１２３：フランジ上流側端面（第１のシール面）
１２９：前壁下流側端面（第２のシール面）
１３１：後壁上流側端面（第２のシール面）
１５１：シール構造
１５３：ばねシール部材

　以下、添付図面を参照して本発明の実施例に係る、ガスタービンエンジンとそこに組み込まれたシール構造を説明する。なお、以下の説明において、明細書全体を通じて同一の符号は同一又は類似の部材を示す。

　図１を参照すると、本発明に係るガスタービンエンジン（以下、「エンジン」という。）は、その全体が符号１で示されており、一般的なエンジンと同様に、吸入された空気ＩＡを圧縮する圧縮機３、圧縮機３で圧縮された空気を燃料Ｆに混合して燃焼する複数の燃焼器５、燃焼器５で得られた高温高圧の燃焼ガスＧを利用して回転力を生成するタービン７を有する。以下の説明では、図１に示すエンジンの左側と右側をそれぞれ上流側と下流側という。

　実施形態では、圧縮機３は、軸流型であり、上流側と下流側の軸受３３によって軸Ｃを中心に回転可能に支持されたロータ１１の上流側外周面に固定された複数段のコンプレッサ動翼１３と、ロータ１１を囲むハウジング１５の内周面に該コンプレッサ動翼１３と軸方向に交互に配置されて固定された複数段のコンプレッサ静翼１７を有し、これら動翼１３と静翼１７の協働により、吸気筒１９から吸入された空気ＩＡが圧縮されるようにしてある。

　圧縮機３とタービン７の間には、ロータ１１の中央部周囲を囲み且つ回転可能に支持するインナーケーシング（内側環状部材）２１が設けてある。また、インナーケーシング２１とハウジング１５の間に、圧縮機３で圧縮された圧縮空気ＣＡが複数の燃焼器５にそれぞれ流れ込む複数の通路又はディフューザ２３と、複数の燃焼器５で生成された高温高圧の燃焼ガスＧがタービン７に流れ込むタービンノズル２５（第１段の静翼を含む）が形成されている。

　タービン７は、ハウジング１５の内側に配置され、ロータ１１の下流側を囲むタービンケーシング（アウターケーシング、外側環状部材）２６を有する。タービンケーシング２６の内周面には複数段のタービン静翼２７が固定され、これに対応してロータ１１の外周には複数段のタービン動翼２９が軸方向に交互に配置されて固定されており、燃焼器５から噴射された燃焼ガスＧがタービン静翼２７に案内されるとともにタービン動翼２９に効率良く当てられてロータ１１に回転力が与えられるようにしてある。

　図２は、図１に示したエンジン１のタービンノズル２５とその周囲を拡大して示している。タービンノズル２５は、図４に示すように、軸Ｃを中心に周方向に連続して配置された複数のセクタ（扇形部）又はノズルセグメント３５で構成されている。実施形態では、タービンノズル２５は１０個のノズルセグメント３５で構成されている。

　図２に戻ると、各ノズルセグメント３５は、第１段目のタービン静翼３７と、該タービン静翼３７の径方向外側と内側に配置されて該タービン静翼３７と一体に形成された外周壁部４１と内周壁部４３を有する。

　外周壁部４１は、外側連結構造４２によりタービンケーシング２６に連結されている。この外側連結構造４２は、外周壁部４１の下流側外周面から径方向外側に突出したサポートフランジ４５と、このサポートフランジ４５とタービンケーシング２６を連結する連結部材４６からなる。

　外周壁部４１と内周壁部４３の上流側端部には、径方向外側と径方向内側にそれぞれ突出した外側連結フランジ４７と内側連結フランジ４８が一体的に設けてある。外側連結フランジ４７と内側連結フランジ４８はそれぞれ前方に突出した係合片４７ａ，４８ａを備えており、図示するように、これら係合片４７ａ，４８ａが燃焼器５の遷移ダクト下流側端部に形成された係合溝５１，５３に適宜シール部材５５を介してはめ込まれて、タービンノズル２５の上流端部が燃焼器５に連結されている。なお、シール部材５５には、日本バルカー工業株式会社の「コードシール」（商品名）が好適に利用できる。

　図２と図４に示すように、インナーケーシング２１の外周には、複数のノズルセグメント３５をその径方向内側から支持するための環状アダプタリング５７がボルトで固定されている。そして、各ノズルセグメント３５は、内側連結構造１１０を介して環状アダプタリング（内側環状部材）５７に連結されている。

　内側連結構造１１０は、アダプタリング５７の外周面に設けられた環状の内側連結部１１１と、ノズルセグメント３５の内周壁部４３の内周面に設けられた環状の外側連結部１１３を有する。

　実施形態では、外側連結部１１３は、内周壁部４３から径方向内側に向けて突出した周方向フランジ１１５を有する。内側連結部１１１は、軸方向（矢印Ａ方向）に所定の間隔をあけて対向する環状の前壁１１７と後壁１１９を有し、これら前壁１１７と後壁１１９の間に環状の溝１２１が形成されている。これら連結部１１１，１１３は、図３に示すように、周方向フランジ１１５が溝１２１に装入されるとともに、装入された状態で、周方向フランジ１１５の上流側・下流側の端面１２３，１２５及び内周端面１２７が、前壁１１７の下流側端面１２９、後壁１１９の上流側端面１３１及びこれらの端面１２９と１３１を繋ぐ底面１３３に、適当な隙間１３５，１３７，１３９（図３参照）を介して対向する、大きさと形状に形成されている。

　図４に示すように、各ノズルセグメント３５は、ボルト接合部１４０を介して、アダプタリング５７に接合されている。図２に示すように、実施形態では、ボルト接合部１４０は、矢印Ａ方向に伸びる、前壁１１７を貫通する貫通孔１４１と、貫通孔１４１と同軸上に位置し、後壁１１９の上流面に形成されたねじ穴１４３を有する。各ノズルセグメント３５は、ボルト接合部に対応するボルト挿通孔１４５を有する。そして、各ノズルセグメント３５は、周方向フランジ１１５を溝１２１に装入するとともに、そのボルト挿通孔１４５を貫通孔１４１とねじ孔１４３に整列させた状態で、これらボルト挿通孔１４５、貫通孔１４５にボルト１４７を挿通するとともに、ボルト１４７をねじ穴１４３に螺合することにより、アダプタリング５７に連結されて支持される。

　図２において、内周壁部４３で囲まれた環状の空間は、圧縮機３で生成された高圧の圧縮空気ＣＡが流れ込んでおり、高圧領域Ｈである。他方、タービンノズル（第１の静翼）２５からその下流にあるタービン動翼（第１の動翼）２９の間にある空間は、燃焼器５から排出されたガスが膨張する場所であり、内周壁部４３で囲まれた空間（高圧領域Ｈ）よりも圧力の低い低圧領域Ｌである。したがって、図示するように、外側と内側の連結部１１１，１１３の間に存在する隙間１３３～１３９に何らかのシール部材が無ければ、その隙間を介して、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌが連通し、矢印ＡＦで示すように高圧領域Ｈから低圧領域Ｌに圧縮空気が漏れる。そこで、上述した圧縮空気の漏れを防止するため、内側連結機構１１０は、連結部１１１，１１３の間の隙間をシールするシール構造１５１を備えている。

　図３に示すように、実施形態のシール構造１５１は、フランジ１１５の上流側端面（シール面）１２３及び下流側端面（シール面）１２５とこれらに対向する前壁１１７の下流側端面（シール面）１２９及び後壁１１９の上流側端面１３１（シール面）との間に配置されたばねシール部材１５３を有する。ばねシール部材１５３は、弾性の帯状板をその長手方向に伸びる軸１５４をほぼ中心に湾曲させて略“Ｊ”状の断面を有するように形成されており、直線部１５５と、直線部１５５の一端から所定径の円に沿って約１８０～３００度の範囲にわたって伸びる曲線部１５７を有し、これら直線部１５５と曲線部１５７で囲まれた行き止まりキャビティ１５９を形成している。ばねシール部材１５３は、所定の弾性、耐熱性、強度を有する金属板で形成することが好ましい。好ましい金属は、ニッケル基合金である。

　実施形態では、ばねシール部材１５３を安定的に保持するために、各ノズルセグメント３５の周方向フランジ１１５における上流側端面１２３と下流側端面１２５には、図４に示すように、中心軸Ｃを中心とする正十角形の各辺に沿って矢印Ｔで示す方向に直線状に伸びる断面略四角形の溝１６１、１６３が形成されている。そして、図３に示すように、ばねシール部材１５３は、溝１６１、１６３の底側に直線部１５５を隣接するとともに溝１６１、１６３の開口側に曲線部１５７を位置させ、行き止まりキャビティ１５９の開口（入口）１６５を高圧領域Ｈに向けて開放した状態で圧縮変形されて取り付けられる。さらに具体的に説明すると、図３の左側に示すばねシール部材１５３にあっては、直線部１５５の基端１６７が溝１６１の径方向外側側面（内面）１６９にばね圧接し、曲線部１５７の中間部が溝１６１の径方向内側側面（内面）１７３にばね圧接し、曲線部１５７のより末端に近い別の中間部が前壁下流側端面１２９にばね圧接し、それぞれの圧接位置で対応する圧接面との間にシールを形成している。同様に、図３の右側に示すばねシール部材１５３にあっては、直線部１５５の基端１６７が溝１６３の径方向内側側面（内面）１７３にばね圧接し、曲線部１５７の中間部が溝１６３の径方向外側側面（内面）１６９にばね圧接し、曲線部１５７のより末端に近い別の中間部が後壁上流側端面１３１ばね圧接し、それぞれの圧接位置で対応する圧接面との間にシールを形成している。

　再び図４を参照すると、溝１６１，１６３は、ノズルセグメント３５の径方向端面１６７まで伸びている。したがって、一つのノズルセグメント３５とこれに隣接する別のノズルセグメント３５の境界では、当該一つのセグメント３５の溝１６１，１６３と当該別のノズルセグメント３５の溝１６１，１６３が連通している。そして、各ばねシール部材１５３は、その端面がノズルセグメント３５の径方向端面１６７と平行に形成されている。また、各ばねシール部材１５３の長手方向の長さは、常温状態では図４に示すように隣接するばねシール部材１５３の間に所定の寸法の隙間ｔが形成されるが、エンジン１の動作時に該ばねシール部材１５３が晒される温度条件下で、隣接するばねシール部材１５３の端面がちょうど当接してそれらの間に隙間がまったく無くなるように又はほとんど無くなるように決められている。

　このように構成されたシール構造１５１によれば、弾性金属板を湾曲して形成されたばねシール部材１５３がこれを圧縮変形した状態でシール位置に配置されている。したがって、熱膨張によって隙間１３５が大きくなっても、連結部１１１，１１３の間の隙間１３５、１３７が完全に又はほぼ完全にシールされる。特に、実施形態では、各ばねシール部材１５３は、その基端１６７と中間部を溝側面１６９，１７３に圧接して、換言すれば、径方向に圧縮して溝１６１，１６３に収容されている。そのため、ばねシール部材１５３の姿勢は、溝１６１，１６３によって安定的に維持され、長期にわたってシールの信頼性が保証される。また、ばねシール部材１５３はノズルセグメント３５に安定して保持されているため、組立時の衝撃や他の部材との接触によって、ばねシール部材１５３が容易に移動したり脱落することがない。そのため、組立後高い信頼性のシールが形成される。

　また、ばねシール部材１５３は、その行き止まりキャビティ１５９を高圧領域Ｈ（上流側）に向けて配置されている。したがって、行き止まりキャビティ１５９内の高圧によってばねシール部材１５３の直線部１５５と曲線部１５７が互いに離れる外側方向に付勢され、これら直線部１５５と曲線部１５７が隣接するシール面（フランジ上流面、下流面、及びそれらに対向する前壁下流側端面、後壁上流側端面）に更に強く押し付けられることにより高いシール性が得られる。

　さらに、図４に示すようにばねシール部材１５３は真っ直ぐな部材であるため、例えば図５に示すように、内側連結部１１１に対して外側連結部１１３が上流側又は下流側に傾いた場合でも、ばねシール部材１５３は両連結部の間に安定したシールを確保する。因みに、ばねシール部材が直線形状ではなくアーチ形状の場合、例えば図５に示すように外側連結部１１３が内側連結部１１１に対して上流側に傾いた場合、フランジの径方向端面１６７（図４参照）の近傍に位置するばねシール部材両端部１８７が前壁下流側端面１２９から離れてそこでのシールが破壊される。そのため、連結部１１１，１１３の間に一つのばねシール部材しか設けていない場合、一方の連結部が他方の連結部に対して傾くと、それらの間のシールが実質的に機能しなくなり、高圧領域の高圧空気が低圧領域に流れ込み、その結果、圧縮空気の有効利用が阻害されるという問題が発生する。しかし、実施形態によれば、このような問題が発生することがない。

　さらにまた、連結部１１１，１１３の間をシールするシール部は複数のシール要素（ばねシール部材１５３）に分割されている（図４参照）ので、タービンノズル２５に対してこれら複数のシール要素は容易に組み込むことができる。また、実施形態によれば、組み込まれた複数のシール要素は簡単に移動したり脱落することがないので、タービンノズル２５の組立後に信頼性の高いシールを確保できる。

　以上、本発明の好適な実施形態を具体的に説明したが、上述の実施形態は本発明の技術思想から逸脱することなく改変し得ることが当業者に明らかであり、そのような改変は本発明の技術思想に含まれるものと理解すべきである。

　例えば、上述の実施形態では、隙間１３５をシールするために２つのばねシール部材１５３を設けたが、少なくとも一つのばねシール部材を設けるだけであってもよい。

　また、上述の実施形態では、フランジの上流側と下流側の端面に溝を形成してそこにばねシール部材を収容しているが、フランジの内周端面１２７（図３参照）に溝を形成し、そこにばねシール部材を配置してもよい。

　さらに、上述の実施形態では、ばねシール部材を受ける溝は断面四角形としたが、その断面形状は限定的ではなく、例えば、その他の形状（例えば、三角形、略半円形、半楕円形）であってもよい。

　さらにまた、ばねシール部材の横断面形状は上述した形状に限るものでなく、横断面上の一端と他端が互いに離れてそれらの間に開口（入口）を形成する、例えば、略半円形状、略Ｃ形状、または横断面上の一端が横断面上の他端から３６０度を超えた位置にある螺旋形状であってもよい。

　そして、上述の実施形態では、ノズルセグメント３５のフランジ１１５に溝１６１，１６３を形成したが、アダプタリング５７に少なくとも一つの溝を形成してそこにばねシール部材を収容してもよい。

　また、上述の実施形態では、アダプタリング５７に溝１２１を形成し、ノズルセグメント３６のフランジ１１５をその溝１２１に装入したが、逆に、ノズルセグメント３６に溝を形成するとともにアダプタリング５７にフランジを形成し、このアダプタリング５７にフランジをノズルセグメント３６に溝に装入して両者を連結してもよい。

　さらに、以上の説明では、内側連結構造１１０だけにシール構造１５１を設けたが、内側連結構造１１０と外側連結構造４２の両方又はそれらのいずれか一方にのみシール構造１５１を設けてもよい。

　さらにまた、以上の説明では、タービン７の第１段静翼の支持構造に本発明のシール構造を適用したが、その他の段の静翼の支持構造に本発明のシール構造を適用してもよい。

Claims

　中心軸を中心とする内側環状部材と該内側環状部材を囲む外側環状部材と、
　上記内側環状部材と外側管状部材の間にあって、上記中心軸を中心とする周方向に配置された複数のセグメントと、
　上記複数のセグメントのそれぞれを、上記内側環状部材に連結する内側連結構造と、
　上記複数のセグメントのそれぞれを、上記外側環状部材に連結する外側連結構造を有し、
　上記内側連結構造又は上記外側連結構造若しくはそれらの両方は少なくとも一つのシール構造を有し、
　上記シール構造は、
　上記複数のセグメントのそれぞれに形成された第１のシール面と、
　上記シール構造が設けられる内側連結構造又は外側連結構造によって上記セグメントに連結される環状部材に形成された第２のシール面と、
　上記第１のシール面と上記第２のシール面との間に挟持され、上記中心軸を中心とする多角形の各辺に沿って真っ直ぐに配置されたばねシール部材とを備えていることを特徴とするシール構造。
　上記ばねシール部材は、帯状の金属板をその長手方向の軸を中心に曲げられて、横断面上の一端と他端が互いに離間してそれら一端と他端の間に開口を形成する形状であることを特徴とする請求項１のシール構造。
　上記ばねシール部材によって分離された高圧領域と低圧領域に対して、上記ばねシール部材は上記開口を上記高圧領域に向けて配置されている配置されていることを特徴とする請求項２のシール構造。
　上記第１のシール面又は上記第２のシール面は、上記中心軸を中心とする多角形の各辺に沿って伸びる溝を有し、上記溝に上記ばねシール部材が収容されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかのシール構造。
　上記ばねシール部材は、圧縮変形された状態で上記溝に収容されて保持されていることを特徴とする請求項４のシール構造。
　上記溝は断面四角形を有し、
　上記ばねシール部材は、横断面上で直線部と該直線部の末端から伸びる曲線部を有する略Ｊ形状を有し、
　上記直線部の基端と上記曲線部の中間部が上記溝の対向する内面にそれぞれ圧接していることを特徴とする請求項５のシール構造。
　請求項１～６のいずれかのシール構造を備えたガスタービンエンジンであって、
　上記内側環状部材がインナーケーシング又は該インナーケーシングに支持されたアダプタリングであり、
　上記外側環状部材がアウターケーシングであり、
　上記複数のセグメントが、燃焼器とタービンの間を接続するノズルセグメントであることを特徴とするガスタービンエンジン。