JP5114590B2 - タービンのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガスタービンエンジンにおけるタービンディスクとその外周部に取り付けられる複数のタービン翼との間から冷却媒体が漏れるのを抑制するシール構造に関するものである。

図５の横断面図に示すように、ガスタービンエンジンにおけるタービン３０は、タービンディスク３１の外周部に、周方向Ｑに一定間隔をおいて複数の取付溝３３が形成されており、複数のタービン動翼３２のそれぞれが、翼部３４の下部の翼取付部３５を取付溝３３に軸方向に挿入して嵌合することで、タービンディスク３１に取り付けられている。タービンディスク３１の取付溝３３とタービン動翼３２の翼取付部３５とは、周方向Ｑおよび径方向Ｒに所要の隙間３６を存して嵌合するようになっている。

また、タービン３０には、高温の燃焼ガスに対するタービン動翼３２の耐熱性の向上を図るために、冷却媒体である冷却空気Ａによりタービン動翼３２を冷却する冷却構造が採用されている。この冷却構造は、タービンディスク３１の外方からこれの冷却通路３１ａに導入した冷却空気Ａをタービン動翼３２の内部の冷却通路３２ａに供給するようになっている。ところが、タービンディスク３１の冷却通路３１ａの出口部３１ａａとタービン動翼３２の冷却通路３２ａの入口部３２ａａとの間に前記隙間３６が介在しているため、この隙間３６に冷却空気Ａの一部が漏れ出て、タービン動翼３２の冷却空気Ａによる冷却効率が低下する。そこで、従来では、タービンディスク３１の取付溝３３の溝底面３３ａとタービン動翼３２の翼取付部３５の先端面３５ａとの間に、この両者間の隙間３６を埋めて冷却空気Ａの漏れを抑制するためのシム材３８を介装し、このシム材３８に形成された貫通孔３８ａを通じてタービンディスク３１の冷却通路３１ａとタービン動翼３２の冷却通路３２ａとを互いに気密に連通させている（シムについては特許文献１参照）。

特開平７−２４７８０４号公報

しかしながら、前記シール構造では、シム材３８の厚みの寸法管理が難しく、シム材３８の厚みを隙間３６よりも小さ目に設定した場合、タービン回転時の遠心力を受けてシム材３８が翼取付部３５の先端面３５ａに張り付く状態に接触して、シム材３８とタービンディスク３１の取付溝３３との間に空隙が生じ、シール性が低下する。そこで、隙間３６とほぼ同じ厚みに設定したシム材３８を隙間３６に圧入するようにしているが、この場合、シム材３８を軸方向から叩打しながら隙間３６内に強制的に押し込む作業を行うことから、組立性が悪いだけでなく、シム材３８の一部が曲がったり、シム材３８における貫通孔３８ａの孔縁部がタービン動翼３２の冷却通路３２ａの入口部３２ａａの一部を塞ぐ状態に位置ずれすることがある。

また、冷却空気Ａによる冷却効果と組立性の双方の向上を考慮すると、シム材３８の厚みを所定寸法に高精度に加工する必要があるのに伴ってコスト高を招く。さらに、タービンディスク３１およびタービン動翼３２の形状公差などによって隙間３６の大きさにばらつきが生じるのに伴って冷却空気Ａの漏れ量、つまりタービン動翼３２への冷却空気量にもばらつきが生じる。また、シム材３８の隙間３６への挿入方向（軸方向）に対するシム材３８の抜け止め機構が必要である。

本発明は、簡単で安価な構成としながらも、冷却媒体の漏れを効果的に抑制して冷却効果の向上を図ることができるタービンのシール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一構成に係るタービンのシール構造は、タービンディスクとその外周部に取り付けられる複数のタービン翼との間で、冷却媒体の漏れを抑制するタービンのシール構造であって、前記各タービン翼の翼取付部が前記タービンディスクにおける取付溝に径方向と直交する方向への嵌合により取り付けられ、前記タービンディスクおよびタービン翼に、冷却媒体を前記タービンディスクの外方から内方を経て前記タービン翼内に導入する冷却通路が形成されており、前記タービン翼の前記翼取付部と前記タービンディスクの取付溝との間の隙間にシム材が挿入され、前記シム材に前記冷却通路の一部を形成する貫通孔を有するシール材が取り付けられ、前記タービンディスクに前記シール材が嵌合される嵌合孔が設けられ、前記シール材の外周面と前記嵌合孔の内周面との間が気密となるように前記シール材が前記嵌合孔に緊密に嵌合され、前記シム材が帯状であり、遠心力により前記タービン翼の前記翼取付部に押し付けられて接触して前記翼取付部との間をシールしている。

このタービンのシール構造によれば、シール材がタービンディスクの嵌合孔に緊密に嵌合されてシール材の外周面と嵌合孔の内周面との間が気密になっているから、シール材とタービンディスクとの間のシールが確保される。一方、タービン回転時の遠心力と、シール材に作用する冷却媒体の圧力差とにより、シール材が取り付けられたシム材がタービン翼の翼取付部に押し付けられて接触するから、このシム材とタービン翼の翼取付部との間のシールも確保される。これにより、タービンディスクの冷却通路からシール材の貫通孔を通ってタービン翼の冷却通路に流入する冷却媒体が、シール材の周囲から、タービン翼の翼取付部とタービンディスクの取付溝との間の隙間へ漏れ出るのを抑制できる。その結果、タービン翼の冷却効果が向上し、タービン翼の長寿命化を図ることができる。この冷却効果を、既存のシム材に対してシール材を取り付け、かつタービンディスクに嵌合孔を形成するだけの簡単で安価な構成により得ることができる。

また、シム材で隙間を埋める従来のシール構造とは異なり、タービンディスクの冷却通路の隙間に対するシールは、嵌合孔の内周面とシール材の外周面とを気密にすることで確保できる。したがって、シム材自身によってシールする必要がないから、シム材の厚みを前記隙間よりも十分小さくできるので、シム材の厚みが設計寸法よりも多少大きくなっても、前記隙間よりも大きくなってシム材が隙間に挿入できなくなるおそれがない。したがって、シム材は、厚みの精密な寸法管理が不要となるのに伴って高精度な加工を必要とせず、安価に製造できる。しかも、前記隙間よりも十分薄いシム材は当該隙間内に容易に挿入できるので、組立性が向上する。また、シール材およびタービンディスクの嵌合孔は、円形状とすることにより、共に機械加工によって高い寸法精度で形成できるから、互いに正確な嵌め合い状態で緊密に嵌合することができる。さらに、シム材は、タービンディスクの嵌合孔に緊密に嵌合されたシール材に取り付けられて位置ずれが生じることがないので、タービン翼の冷却通路の入口部に対し常に正確に対向する。

本発明において、前記シム材は軸方向に対して若干傾斜した方向に延びていることが好ましい。

本発明において、前記貫通孔の内径が前記タービン翼内の前記冷却通路の入口部の内径よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、タービン翼の冷却通路への冷却媒体の供給量をシール部材の貫通孔の内径を変えることで任意に調整することができる。

本発明において、前記タービン翼の前記翼取付部の軸方向の一端部に係合突起が、前記シム材の一端部に前記係合突起に係合して前記シム材の前記タービン翼に対する軸方向の位置決めを行う係合凹所がそれぞれ形成されていることが好ましい。この構成によれば、シム材は、タービンディスクの嵌合孔に嵌合しているシール材を介してタービンディスクに対する位置決めが行われているのに加えて、係合突起と係合凹所の係合によってタービン翼に対する軸方向の位置決めも行われる。このように、シム材は、前記２点での位置決めによって軸方向への位置ずれだけでなく軸方向に沿った水平面内での回り止めもなされるので、シム材の正確な位置決めがなされる。

本発明において、前記シール材がシム材に溶接により取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、シール材をシム材に容易に取り付けることができる。特に、スポット溶接を行えば、シム材およびシール材に対し熱による悪影響が生じない。

本発明のタービンのシール構造によれば、シール材がタービンディスクの嵌合孔に緊密に嵌合されてシール材の外周面と嵌合孔の内周面との間が気密になっているから、シール材とタービンディスクとの間のシール性が確保され、一方、タービン回転時の遠心力および圧力差によりシム材またはシール材がタービン翼の翼取付部に気密に接触することで、シム材またはシール材とタービン翼の翼取付部との間のシール性も確保される。これにより、冷却通路内の冷却媒体がシール材の周囲からタービンディスクの取付溝とタービン翼の翼取付部との間の隙間に漏れるのが抑制されて、タービン翼の冷却効果が向上する。また、シール材をタービンディスクの嵌合孔に嵌合させる構造であるから、簡単で安価な構成となる。

本発明の第１実施形態に係るタービンのシール構造の要部を示す縦断面図である。 同上のシール構造を示す横断面図である。 図３のシム材とシール材の底面図である。 本発明の第２実施形態に係るタービンのシール構造の要部を示す横断面図である。 従来のタービンのシール構造を示す横断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明のタービンのシール構造は、例えばガスタービンエンジンのタービンに適用されるものである。ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器、および燃焼器からの高温、高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンを備えている。図１は、本発明の第１実施形態に係るタービン１を示す。タービン１の円板状のタービンディスク２の外周部に、タービン動翼である複数のタービン翼３が周方向に一定間隔をおいた配置で取り付けられている。タービン翼３は、燃焼ガスＧの燃焼ガス通路１８に位置する翼部８と、その径方向Ｒ内側に連続する翼取付部９とを有し、翼部８が燃焼ガスＧのエネルギによって回転動力を受け、タービンディスク２を回転させる。

図２に示すように、タービンディスク２の外周部に、周方向Ｑに一定間隔をおいて複数の取付溝４が形成されており、この各取付溝４に、複数のタービン翼３の翼取付部９をそれぞれ嵌合させることにより、タービンディスク２に複数のタービン翼３が取り付けられている。翼取付部９の嵌合方向はタービン１の径方向Ｒと直交する方向であり、軸方向Ｐ（図１）に対して若干傾斜する場合もある。

タービンディスク２の取付溝４は、その両側溝面が周方向Ｑへの凹凸を有する曲線状の断面形状に、かつ両側溝面と溝底面４ａとの境界部分が弧状の断面形状にそれぞれ形成されている。タービン翼３の翼取付部９は、取付溝４の断面形状にほぼ対応した外形を有し、かつ取付溝４に嵌合されたときに取付溝４に対し周方向Ｑおよび径方向Ｒの隙間１０が複数生じる断面形状に形成されている。タービン翼２は、翼部８が燃焼ガスＧにより加熱されるので、翼取付部９も高温化されて熱膨張する。前記隙間１０は、翼取付部９の熱膨張を許容するために設けられている。

図１に示すように、タービンディスク２には、圧縮機からの圧縮空気を、冷却媒体の一種である冷却空気Ａとして外方から導入するための冷却通路２ａが設けられ、タービン翼３には、タービンディスク２の冷却通路２ａから冷却空気Ａが供給される冷却通路３ａが設けられている。タービンディスク２の冷却通路２ａはタービンディスク２の背面から取付溝４の溝底面４ａに向け延びている。図２に示すように、取付溝４の溝底面４ａには、冷却通路２ａに連通して溝底面４ａ上に開口する円形状の嵌合孔１１が形成されており、この嵌合孔１１は、通路断面が円形の冷却通路２ａの内径Ｄ１よりも大きな内径Ｄ２を有している。

前記嵌合孔１１には貫通孔１２ａを有する薄い円柱状のシール材１２が緊密に嵌合されている。「緊密に嵌合」とは、隙間のない状態で嵌合することを言い、したがって、シール材１２の外周面と嵌合孔１１の内周面との間が気密になっている。シール材１２に同芯に形成された貫通孔１２ａは、タービンディスク２およびタービン翼３の各々の冷却通路２ａ，３ａを互いに連通させて冷却通路の一部を形成するものであり、この貫通孔１２ａの内径Ｄ３は、タービンディスク２内の冷却通路２ａの出口部２ａａの内径Ｄ１およびタービン翼３内の冷却通路３ａの入口部３ａａの内径Ｄ４よりも小さく設定されている。

前記シール材１２は、タービンディスク２の取付溝４の溝底面４ａとタービン翼３の翼取付部９の先端面９ａとの間に介装されるシム材１３における幅方向（図２の左右方向）の中央部に固着されている。シール材１２とシム材１３は金属製である。シム材１３は、タービンディスク２の取付溝４の溝底面４ａとタービン翼３の翼取付部９の先端面９ａとの間の隙間１０よりも小さな厚みと、図５に示した従来のシール構造のシム材３８よりも短い幅とを有している。また、シム材１３の幅方向の中央部には、シール材１２の貫通孔１２ａの内径Ｄ２およびタービン翼３の冷却通路３ａの入口部３ａａの内径Ｄ４よりもそれぞれ大きい内径を有する貫通孔１３ａが形成されている。

シール材１２が取り付けられたシム材１３の底面部を示す図３において、シム材１３の所定箇所にシール材１２を重ね合わせた状態で、シム材１３側から４点をスポット溶接Ｗすることで、シール材１２がシム材１３に取り付けられている。このようにスポット溶接Ｗすることにより、シム材１３およびシール材１２に対し熱による悪影響が生じることなしに、シール材１２がシム材１３に対し気密状態に強固に固定される。製造方法としては、シール素材の所定位置にシール材１２を取り付けておき、このシール素材を所定形状に打ち抜き加工することにより、帯状の長手方向の一端部（図の左端部）に係合凹所１３ｂを有する所定形状のシム材１３が得られる。シム材１３はタービン翼３のタービンディスク２への嵌合方向に平行で、軸方向Ｐに対して若干傾斜した方向に延びている。

他方、タービン翼３の翼取付部９には、図１に示す径方向Ｒの内方端における軸方向Ｐの一端部（図の左端部）に、軸方向Ｐおよび径方向内側に突出する係合突起１４が形成されている。

タービン翼３は、以下の手順でタービンディスク２に取り付けられる。すなわち、シム材１３と一体のシール材１２をタービンディスク２の嵌合孔１１に嵌合し、かつシム材１３を取付溝４の溝底面４ａ上に載置した状態で、タービン翼３の翼取付部９を軸方向Ｐにおける図１の右方に向け移動させながら取付溝４に嵌合することにより、タービン翼３がタービンディスク２に取り付けられる。この取り付けが完了した時点で、翼取付部９の係合突起１４がシム材１３の係合凹所１３ｂに嵌まり込んで係合し、シム材１３のタービン翼３に対する軸方向Ｐの位置決めが行われる。

タービンディスク２の外方からタービンディスク２の冷却通路２ａに導入された冷却空気Ａは、図１のシール材１２の貫通孔１２ａおよびシム材１３の貫通孔１３ａを通ってタービン翼３の冷却通路３ａに供給されたのち、翼部８内において径方向Ｒに複数回折り返す形状に形成された冷却通路３ａ内を流れて、下流の媒体室１９の後縁開口２０から燃焼ガス通路１８へ排出される。これにより、翼部８が冷却空気Ａによって効果的に冷却される。

この実施形態のタービン１のシール構造では、図２に示したように、円柱状のシール材１２が、タービンディスク２の嵌合孔１１に緊密に嵌合され、シール材１２の貫通孔１２ａを介してタービンディスク２の冷却通路２ａとタービン翼３の冷却通路３ａとが連通している。

このように、円柱状のシール材１２がタービンディスク２の嵌合孔１１に緊密に嵌合されてシール材１２の外周面と嵌合孔１１の内周面との間が気密になっているから、シール材１２とタービンディスク２との間のシールが確保される。一方、タービン回転時の遠心力と、タービンディスク２の冷却通路２ａからの冷却空気Ａの空気圧、つまりシール材１２前後の冷却空気Ａの圧力差とにより、シール材１２が取り付けられたシム材１３がタービン翼３の翼取付部９の先端面９ａに押しつけられて接触するから、このシム材１３とタービン翼３の翼取付部９との間のシールも確保される。これにより、タービンディスク２の冷却通路２ａからシール材１２の貫通孔１２ａを通ってタービン翼３の冷却通路３ａに流入する冷却空気Ａが、シール材１２の周囲からタービン翼３の翼取付部９とタービンディスク２の取付溝４との間の隙間１０へ漏れるのを抑制できる。その結果、タービン翼３の冷却効果が向上し、タービン翼３の長寿命化を図ることができる。この冷却効果を、既存のシム材に対して、シール材１２を取り付け、かつタービンディスク２に嵌合孔１１を形成するだけの簡単で安価な構成により得ることができる。

また、シム材で隙間を埋める従来のシール構造とは異なり、タービンディスク２の冷却通路２ａの隙間１０に対するシールは、嵌合孔１１の内周面とシール材１２の外周面とを気密にすることで確保できる。したがって、シム材１３自身によってシールする必要がないから、シム材１３の厚みを前記隙間１０よりも十分に小さくできるので、シム材１３の厚みが設計寸法よりも多少大きくなっても、前記隙間１０よりも大きくなってシム材１３が隙間１０に挿入できなくなるおそれがない。したがって、シム材１３は、厚みの精密な寸法管理が不要となるのに伴って高精度な加工を必要とせず、安価に製造できる。しかも、前記隙間１０よりも十分薄いシム材１３は当該隙間１０内に容易に挿入できるので、組立性が向上する。

また、シール材１２およびタービンディスク２の嵌合孔１１は、円形状とすることにより、共に機械加工によって高い寸法精度で形成できるから、互いに正確な嵌め合い状態で緊密に嵌合することができる。さらに、シム材１３は、タービンディスク２の嵌合孔１１に緊密に嵌合されたシール材１２に取り付けられて位置ずれが生じることがないので、タービン翼３の冷却通路３ａの入口部３ａａに対し常に正確に対向する。

さらに、冷却空気Ａの漏れを防ぐ目的で隙間１０を詰めるようにシム材１３の厚みおよび幅を大きく設定する必要がないから、シム材１３を、前記隙間１０よりも薄い厚みで、かつ従来よりも狭い幅を有する形状にできる。したがって、タービン１の組み立てに際しては、シール材１２を嵌合孔１１に嵌合し、かつシム材１３をタービンディスク２の取付溝４内に挿入したのち、タービン翼３の翼取付部９をタービンディスク２の取付溝４に嵌合する手順でタービン翼３をタービンディスク２に取り付けることが可能となる。このタービン翼３の取り付けの際に、翼取付部９が隙間１０よりも薄いシム材１３に強く接触してシム材１３を変形させることがないとともに、幅の狭いシム材１３が取付溝４と翼取付部９との間に噛み込むこともない。したがって、このシール構造では、図５の従来シール構造のようにタービンディスク５０にタービン翼５１を取り付けて形成される隙間５２に、この隙間５２と同じ厚みを有するシム材５３を叩打しながら強制的に圧入する場合に比べて、組立性が向上する。

さらに、シム材１３は、タービンディスク２の嵌合孔１１に嵌合されたシール材１２と、シム材１３の係合凹所１３ｂに翼取付部９の係合突起１４に係合した係合凹所１３ｂとにより、２点で位置決めされる。これにより、シム材１３は、軸方向への位置ずれだけでなく軸方向に沿った水平面内における回り止めもなされるので、シム材１３の正確な位置決めがなされる。シール材１２の貫通孔１２ａの内径Ｄ３は、タービン翼３内の冷却通路３ａの入口部３ａａの内径Ｄ４よりも小さく設定されているので、タービン翼３の冷却通路３ａへの冷却空気Ａの供給量を貫通孔１２ａの内径を変えることで任意に調整することができる。

図４は本発明の第２実施形態に係るシール構造を示す横断面図であり、同図において、第１実施形態と同一若しくは相当するものに同一の符号を付して、重複する説明を省略する。このシール構造が第１実施形態のものと相違するのは、第１実施形態のシム材１３を割愛して、タービン翼３の翼取付部９の先端面９ａに、タービン１の回転時の遠心力によってシール材１３が嵌まり込む凹部２１が形成されている構成のみである。凹部２１は、シール材１２の外径Ｄ２（嵌合孔１１の内径Ｄ２にほぼ同じ）よりも大きな内径Ｄ５を有し、底面２１ａが、機械加工により、シール材１２の一端面１２ｂ（図４の上端面）に対し平行な平坦面に加工されて、シール材１２の一端面１２ｂが気密に接触できるようになっている。

このシール構造は、タービン翼３の冷却通路３ａの入口部３ａａの内径Ｄ４がシール材１２の外径Ｄ２よりも十分に小さいタービン１に対し好適に適用できるものである。シール材１２が、タービン１の回転による遠心力と、シール材１２前後の冷却空気Ａの圧力差とにより、一端面１２ｂが凹部２１の底面２１ａに押しつけられて気密に接触する。このように、シール材１２の外周面と嵌合孔１１の内周面との間が気密になるようにシール材１２が嵌合孔１１に緊密に嵌合されることと、シール材１２の一端面１２ｂが凹部２１の底面２１ａに気密に接触することとにより、タービンディスク２の冷却通路２ａからシール材１２の貫通孔１２ａを通ってタービン翼３の冷却通路３ａに流入する冷却空気Ａが、シール材１２の周囲から４ービン翼３の翼取付部９とタービンディスク２の取付溝４との間の隙間１０へ漏れるのを抑制できる。したがって、このシール構造においても、第１実施形態で説明したと同様の効果が得られるのに加えて、第１実施形態に比べて、シム材１３が割愛される分だけ、構成を簡略化できる。

本発明は、以上の実施形態で示した内容に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。例えば、前記シール材１２は円柱状以外の柱状の形状でもよく、要するに、その外周面と嵌合孔１１の内周面とが気密となるようにシール材１２が嵌合孔１１に緊密に嵌合されていればよい。

１ タービン
２ タービンディスク
２ａ タービンディスクの冷却通路
３ タービン翼
３ａ タービン翼の冷却通路
４ 取付溝
９ 翼取付部
１１ 嵌合孔
１２ シール材
１２ａ 貫通孔
１３ シム材
１３ｂ 係合凹所
１４ 係合突起
２１ 凹部
２１ａ 凹部の底面
Ａ 冷却空気（冷却媒体）
Ｐ 軸方向
Ｑ 周方向
Ｒ 径方向

Claims (5)

1. タービンディスクとその外周部に取り付けられる複数のタービン翼との間で、冷却媒体の漏れを抑制するタービンのシール構造であって、
   前記各タービン翼の翼取付部が前記タービンディスクにおける取付溝に径方向と直交する方向への嵌合により取り付けられ、
   前記タービンディスクおよびタービン翼に、冷却媒体を前記タービンディスクの外方から内方を経て前記タービン翼内に導入する冷却通路が形成されており、
   前記タービン翼の前記翼取付部と前記タービンディスクの取付溝との間の隙間にシム材が挿入され、
   前記シム材に前記冷却通路の一部を形成する貫通孔を有するシール材が取り付けられ、前記タービンディスクに前記シール材が嵌合される嵌合孔が設けられ、
   前記シール材の外周面と前記嵌合孔の内周面との間が気密となるように前記シール材が前記嵌合孔に緊密に嵌合され、
   前記シム材が帯状であり、遠心力により前記タービン翼の前記翼取付部に押し付けられて接触して前記翼取付部との間をシールするタービンのシール構造。
2. 請求項１において、前記シム材は軸方向に対して若干傾斜した方向に延びているタービンのシール構造。
3. 請求項１または２において、前記貫通孔の内径が前記タービン翼内の前記冷却通路の入口部の内径よりも小さいタービンのシール構造。
4. 請求項１，２または３において、前記タービン翼の前記翼取付部の軸方向の一端部に係合突起が、前記シム材の一端部に前記係合突起に係合して前記シム材の前記タービン翼に対する軸方向の位置決めを行う係合凹所がそれぞれ形成されているタービンのシール構造。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記シール材がシム材に溶接により取り付けられているタービンのシール構造。

Images