JPH01110838A - 流体封じ装置 - 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】 発明の分野 この発明は全般的にターボ流体機械の部分によって形成
されたすき間開口を介して、流体が限定された流路から
漏れるのを防止する為に使われる流体対じに関する。特
にこの発明はガスタービン機関に使う非接触形エゼクタ
封じに関する。

従来技術の説明 ターボ流体機械では、機械の固定子及び回転子の羽根に
よって限定された主流路から、少なくとも一方の羽根に
よって形成されたすき間開口を介して、作業流体が、主
流路を越えた外側の領域へ漏れるのを少なくする為に、
所謂ラビリンス封じを使うのが普通である。例えば、場
合によっては、回転子の羽根を主流路を越えて半径方向
外向きに伸ばし、延長した回転子の羽根と、隣接する固
定子の羽根の外周の間に不連続部を形成することが必要
になる。流路から外向きの流体の漏れを最小限に抑える
為に、この様な不連続部に張りわたす為にラビリンス封
じが使われる場合が多い。この様な封じ装置の一例が米
国特許第４，１０３，８９９号に記載されている。ター
ボ流体機械の他の用途にラビリンス封じを使うことが、
米国特許第４．３２０，９０３号及び同第３．　５２７
．　０５３号に記載されている。

ラビリンス封じは漏れ率が有限であると云う欠点があり
、これは場合によっては、性能の点で受入れることが出
来ないか、或いは流路の高温流体が流路の外側の領域に
、高温の問題又は汚染の様な機械的な問題を生ずる為に
受入れることが出来ないことがある。漏れ率は、封じの
すき間を縮小することによって少なくすることが出来る
が、封じの経歴及び現在の運転状態の関数として、最低
限の封じのすき間がある。最低限の封じのすき間は、真
円はずれの状態、半径方向の成長の違い及び構造の動的
な負荷の為に存在する。この様な機械的な問題は、高圧
流体を用いて封じの緩衝作用を行なうことにより、外側
の領域では軽減することが出来る。然し、流体の緩衝作
用を用いた公知のラビリンス封じ装置でも、受入れるこ
との出来ない漏れ率が存在する。

発明の要約 この発明の目的は、ターボ流体機械に用いる時の公知の
ラビリンス封じの前記並びにその他の欠点を解決するこ
とである。

この発明の別の目的は、ターボ流体機械の主流路からの
流体の漏れを実質的に除く様な非接触形流路封じを提供
することである。

この発明の別の目的は、上流段から得られた緩衝流体を
用い、略全部の緩衝流体を主流路へ戻す様な非接触形流
路封じを提供することである。

この発明の別の目的は、流体の漏れをなくすと共に、機
関の周囲の空間の空気を吸込んで、送風機を必要とせず
に、機関の通気を行なうエゼクタ封じを提供することで
ある。

この発明の別の目的は、ターボ流体機械の通常の運転に
用いる時、擦れ及びその後の封じの劣化を防ぐのに十分
な封じのすき間を持つ非接触形流路封じを提供すること
である。

この発明では、ターボ流体機械に用いる流体封じ装置を
提供する。ターボ流体機械が、第１組のタービン羽根と
、該第１組のタービン羽根に隣接する第２組のタービン
羽根とを有する。各組は機械の共通軸線の周りに相対的
に回転する様に配置されている。第１組及び第２組の羽
根に関連する境界構造が、円周方向の内側及び外側の境
界を限定し、その間に主流体流路が設定される。少なく
とも一方の組の羽根の一部分が、流体流路と、半径方向
に円周方向の境界を越える外側の領域との間を連通させ
るすき間開口を形成している。環状アームが一方の羽根
からこのすき間開口の上を通って隣接する羽根まで突出
する。このアームは隣接する羽根の外周と共に、すき間
開口と連通する環状通路を形成する。隣接する羽根の前
記外周の上に環状空所を形成し、これがジェット開口を
持っていて、空所から緩衝流体の加圧したものをジェッ
ト開口を介して、比較的高速の緩衝流体のジェットとし
て環状通路に差向ける。高速ジェットが、円周方向の境
界を越えた外側領域にある流体と相互作用して、外側の
領域から、すき間開口を介して主流体流路へと、連続的
な密封流体の流れを誘起する。

この発明では、ターボ流体機械の作業流体が、ターボ流
体機械の相対的に回転する部分の間に形成されたすき間
から脱出するのを防止する方法も提供する。この方法は
、前記すき間に高速である量の緩衝流体を投出する工程
を含む。その後、回転する部分を取巻く密封流体をすき
間を介して、緩衝流体によって、流路の中に吸込む。こ
うして、流入する密封流体が作業流体が流路から脱出す
るのを阻止する。

この発明の特徴としての種々の新規な特徴は、特許請求
の範囲に具体的に記載しであるが、この発明、その動作
上の利点及びそれを使うことによって達成される具体的
な目的が更によく理解される様に、次にこの発明の好ま
しい実、施例を示した図面について説明する所を参照さ
れたい。

発明の詳細な説明 第１図はターボ流体機械の軸方向に沿って互いに隣接し
て配置された固定子羽根１０及び回転子羽根１２の部分
的な図である。

公知の様に、固定子羽根１０は、機械の軸線の周りに半
径方向に伸びる様に配置された同様な多数の羽根の内の
１枚である。同様に、回転子羽根１２は、機械の軸線の
半径方向に伸びる様に配置された同様な多数の羽根の内
の１枚である。少なくとも１組のタービン羽根１０．１
２は、機械の共通軸線の周りに、他方に対して回転し得
る様に配置されている。

第１図及び第５図に示す様に、回転子羽根１２が羽根１
０．１２にわたって設定された主流体流路１４よりも半
径方向外向きに伸びる。固定子羽根１０に付設された外
側殻体１６（第１図及び第５図）が主流体流路１４の外
側の円周方向の境界を定める様に作用する。回転子羽根
１２に付設された外側殻体１７（第１図）が、引続いて
、主流体流路１４に対する外側の円周方向の境界を定め
る。内側ハブ１８（第５図）が、主流体流路１４の内側
の円周方向の境界を定める様に作用する。

図示の実施例では、外側殻体１６及び外側殻体１７の間
にすき間開口２０がある。すき間開口２０は、ターボ流
体機械の通常の動作中の回転の為、並びに回転子羽根１
２が、収容された流路１４より半径方向外向きに伸びる
ことが出来る様にすると共に、殻体１７，１６の間で相
対的な軸方向及び円周方向の変位が出来る様にする為に
必要である。図示の様に、すき間開口２０が、主流体流
路１４と、殻体１６．１７によって限定された外側の円
周方向の境界を半径方向に越える外側の領域２２の間を
連通させる。すき間開口２０は、有効に密封しないと、
加圧流体が主流体流路１４から外側の領域２２へ脱出す
るようにし、それに伴ってターボ流体機械の運転効率が
低下することは、当業者のよく知る通りである。

この発明では、環状アーム２４が主流体流路１４の外側
領域２２で、すき間開口２０の上に突出している。図面
に示す様に、これは上流向きに突出する。然し、他の用
途では、下流向きであってもよい。図示の実施例では、
環状アーム２４が、主流体流路１４の外側の円周方向の
境界より半径方向外側に伸びる回転子羽根１２の一部分
から突出している。環状アーム２４が隣接する固定子羽
根１０の外周と共に、すき間開口２０と連通ずる環状通
路２６を形成する。

全体的に軸方向に整合したジェット開口又はエゼクタ開
口３０を持つ環状空所２８が、固定子羽根１０の外周に
設けられる。ジェット開口２０が、比較的高速の緩衝流
体ジェットとして、緩衝流体を加圧したものを環状通路
２６に差向ける様に作用する。この為、突出する環状ア
ーム２４の近くの外側領域２２に存在する流体とこの高
速ジェットとの相互作用により、外側領域２２からの連
続的な密封流体の流れ２３が環状通路１６内で緩衝流体
２５と混合して、すき間開口２０を通って主流体流路１
４へ流込む様に導かれる。１つ又は更に多くの供給配管
３２が、外側領域２２又はすき間開口２０の静圧よりか
なり高い全圧で、ターボ流体機械の上流側の段からの緩
衝流体を環状空所２８に連通させる。この様な上流側の
段は、例えば、機械の圧縮機段又は上流側のタービン段
であってよい。この様な抽出により、緩衝流体はジェッ
ト開口３０で加速された後、大きな運動量を持つ。密封
流体の流れ２３と混合した後、合計の流れ２９は減速さ
れ、発散する環状通路２６による静圧の上昇の為に速度
を下げる。この結果、この実施例は、低圧の外側領域２
２からの主流体流路１４に対する流れを相対的に一層高
い静圧にする。

同じ様な構成が、当業者の間では、「ジェット・ポンプ
」又は「エゼクタ・ポンプ」と呼ばれる場合が多い。

第５図はこの発明の流路エゼクタ封じをナセル３４の様
な外被の中に取付けたガスタービン機関に用いた場合を
示しており、この場合別の利点が得られる。羽根１０．
１２がその一部分である様なエゼクタ装置に誘起された
空気が、装置とナセル３４の壁の間の空間から吸込まれ
４る。ナセルの壁に通気開口３６を設けることにより、
エゼクタはタービンの周りの外側領域２２に空気を吸込
み、密封された空間を外部空気によって連続的に通気す
ることが出来る様にする。加圧された緩衝流体（例えば
、圧縮機から供給される空気）と誘起された空気の混合
した流れが、下流側のタービン段及び推進ノズル（図面
に示してない）を通過する。

第１図に示すジェット開口３０はいろいろな形にするこ
とが出来る。例として、第２図に示す様に、エゼクタ開
口は環状スリット３０′の形にすることが出来る。環状
スリットが環状空所２８の上側の屋根部分４０と、隣接
する固定子羽根の外側の端である下側部分４２の間の狭
い通路として形成される。その間に連続的に収斂するス
リット３０′が形成されて、緩衝流体を加速して、高速
で放出する。このスリットが収斂した後発散しても、緩
衝流体の速度を一層高くすることが出来る。

スリットに於ける緩衝流体の出口速度は、その点に於け
る音速より高い速度にすることが出来る；この他の形式
のエゼクタ・スロットを用いてもよい。例として、第３
図には、等間隔で円周方向に伸びるエゼクタ・スロット
３０′の形をしたエゼクタ・スロットが示されている。

こう云うスロットは、外側の壁４２′から上向きに突出
する直立の衝合部４４の間に形成される。こう云う衝合
部の上流側の部分を丸めて、エゼクタ作用を受ける流体
がその周りで滑かに加速された流れになる様にする。

第４図では、環状空所２８を出て行くエゼクタ開口が円
周方向に等間隔の多数の孔３０１の形をしている。こう
云う孔が環状空所２８の口の所で前側の密実な壁４Ｂに
形成される。然し、他の形式のエゼクタ装置を用いても
よいことを承知されたい。

第６図にはガス機関のタービン部分に対するエゼクタ封
じの典型的な適用を示している。図示の特定の構成では
、タービンが複数個の羽根を持ち、交互の羽根が中間の
隣接する羽根に対して反対廻りである。具体的に云うと
、羽根５０，５２，５４．５６が一方の方向に回転し、
その中間の羽根５８．６０．６２が反対向きに回転する
。従って、この発明のエゼクタ封じは回転する部分と不
動の部分の間だけでなく、反対廻りの部分の間でも役立
つことを承知されたい。回転する羽根５０．５８の間に
すき間６４があり、１実施例では、その寸法は軸方向の
幅が約０．３８吋である。羽根５０から上流側に環状ア
ーム６６が伸び、これが隣接する羽根５８の半径方向の
外周６８の上に突出し、その間に環状通路７０を形成す
る。この実施例の環状流路７０の半径方向の高さは約０
．５吋である。緩衝流体源をガスタービン自体の上流側
の場所７２に設ける。この上流側の場所では、流体の流
れはすき間６４の場所に於けるよりも圧力が高い。この
流体の流れを通路７４内に作り、この通路が緩衝流体と
しての流体を矢印７６で示す様に差向ける。緩衝流体が
、羽根５８の半径方向の外周及び張出しの屋根の壁８０
の間に形成された環状空所７８に供給される。環状空所
７８に於ける緩衝流体の圧力は、すき間６４に於ける圧
力よりかなり高い。この緩衝流体が収斂する環状通路８
２によって高速に加速される。ガスタービンを取巻く外
側ナセル壁８６の中に多数のスクープ８４を設ける。ス
クープは、矢印８８で示す様に、外部の空気が流込むこ
とが出来る様にする。この空気が外側ナセル８６とター
ビンの間の空間９０に吸込まれ、そこで空間９０内の通
気をして、タービン段の外周を冷却する様に作用する。

同時に、この空気が伸出すアーム６６と隣接する羽根の
外周６８の間に形成された環状通路９２に引続いて流れ
る。

通路９２に空気が流込むことは、矢印９４で示す様に、
タービン羽根を横切って主流体流路に沿って流れる流体
の漏れの慣れがあっても、それに対抗する様に作用する
。

従って、この発明が主流路内を流れる流沫を密封して、
この主流路から機外への漏れを防止するのに役立つエゼ
クタ・ポンプ又はジェット・ポンプとして作用すること
が理解されよう。同時に、別の利点が得られる。ラビリ
ンス封じに比べて、この形式の封じ装置では、装置の疲
労がない。更に、回転する部材及び不動の部材の間のす
き間はエゼクタに対する影響が少なく、ラビリンス封じ
よりも、回転する部分の間に一層大きなすき間をとるこ
とが出来る。

この発明の封じは、緩衝空気がサイクルから失われない
為に、効率が改善される。同時に、機関のケーシングか
らの熱損失がサイクル自体に戻される。前に説明した様
に、外側ナセルに開口を利用出来る時、別の利点が得ら
れる。外部の空気を吸込むことにより、送風機又は外部
装置を必要とせずに、自動的に機関の周りの空間の通気
が得られる。更に、通気の空気が主流の流れ自体の中に
入るから、通気用の排気ダクトを必要としない。

特定の用途では、従来のラビリンス封じよりも、エゼク
タ装置を駆動するのに必要な緩衝流体はその圧力が一層
低い。

図面に示した寸法及び構造関係は例に過ぎず、図面は必
ずしもこの発明の流路封じに使われる実際の寸法又は比
例的な構造の関係を表わすものではないことを承知され
たい。特許請求の範囲によって定められたこの発明の範
囲内で、種々の変更が可能であることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の封じ装置を持つターボ流体機械に於
ける固定子及び回転子羽根の部分的な図、第２図は第１
図に示すエゼクタ・スリットの斜視図、 第３図はこの発明の封じ装置の一部分の最初の変形の斜
視図、 第４図はこの発明の封じ装置の一部分の２番目の変形の
斜視図、 第５図は第１図に示したターボ流体機械の部分図であっ
て、この発明に従って変更された外被を持つ場合を示す
。 第６図はこの発明を用いたジェット機関のタービン部分
の部分的な図である。 主な符号の説明 １０，１２：羽根 １４：主流体流路 ２０：すき間開口 ２２：外部の領域 ２４：環状アーム ２６：環状通路 ２８：環状空所 ３０：エゼクタ開口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ターボ流体機械に沿って軸方向に伸びる主流体流路
   、該流路内にあって、相対的に可動であって、その間に
   前記流路と該流路の外側の領域の間を連通させるすき間
   開口を形成するターボ流体機械の第１及び第２の構造部
   材を持つターボ流体機械に対する流体封じ装置に於て、 前記第２の構造部材に隣接して前記第１の構造部材から
   突出していて、その間に前記すき間開口と連通する環状
   通路を構成する環状アームと、前記第２の構造部材に設
   けられていて、緩衝流体の供給を受ける環状空所と、 該環状空所及び前記環状通路の間を連通させ、緩衝流体
   を加圧したものを環状空所から環状通路へ差向けて、前
   記流路の外側の領域から前記環状通路へ、そして前記す
   き間開口を通って前記主流体流路へ密封流体の流れを誘
   起するエゼクタ開口とを有し、この為、前記主流路内の
   流体が前記すき間開口を介して前記主流路から脱出する
   ことが出来ない様にした流体封じ装置。 ２、前記環状空所に緩衝流体を連通させる供給手段を有
   する請求項１記載の流体封じ装置。 ３、前記供給手段が、前記環状空所が設けられた段より
   上流側のターボ流体機械の段、及び前記上流側の段から
   加圧流体を前記環状空所に連通させる供給手段を含んで
   いる請求項２記載の流体封じ装置。 ４、前記上流側の段が圧縮機である請求項３記載の流体
   封じ装置。 ５、前記環状空所がタービン内の段であり、前記上流側
   の段がタービンの上流側の段である請求項３記載の流体
   封じ装置。 ６、前記第１及び第２の構造部材が第１組及び第２組の
   タービン羽根である請求項１記載の流体封じ装置。 ７、前記第１組のタービン羽根が回転子を形成し、前記
   第２組のタービン羽根がターボ流体機械の固定子を形成
   し、前記環状空所が該固定子の外周にある請求項６記載
   の流体封じ装置。 ８、前記固定子及び回転子を併せて前記すき間開口を形
   成し、前記環状アームが前記回転子の外周にある請求項
   ７記載の流体封じ装置。 ９、前記第１組及び第２組のタービン羽根が共に回転子
   の羽根であって、各組が互いに反対廻りである請求項６
   記載の流体封じ装置。 １０、前記エゼクタ開口が環状スリットの形をしている
   請求項１記載の流体封じ装置。 １１、前記エゼクタ開口が円周方向に等間隔の多数の孔
   の形をしている請求項１記載の流体封じ装置。 １２、前記エゼクタ開口が円周方向に伸びる等間隔の多
   数のスロットの形をしている請求項１記載の流体封じ装
   置。 １３、隣合ったスロットの間に離隔ブロックがあり、該
   離隔ブロックは加圧緩衝流体の流れと向い合う弓形の後
   壁を持っている請求項１２記載の流体封じ装置。 １４、前記エゼクタ開口が、前記緩衝流体を高速に加速
   する収斂通路を形成している請求項１０記載の流体封じ
   装置。 １５、前記エゼクタ開口が、前記スリットを出て行く緩
   衝流体を音速より高い速度に加速する収斂−発散形通路
   を形成している請求項１０記載の流体封じ装置。 １６、前記環状通路が流れを拡散する発散形の壁を持っ
   ていて、速度を減少させると同時に静圧を増加する請求
   項１記載の流体封じ装置。 １７、前記ターボ流体機械が外側ナセルを有し、該ナセ
   ルにある開口が前記流路の外側の領域に空気を入れる様
   にし、前記空気が前記密封流体を形成しており、この為
   ナセルの開口からの空気が前記環状通路に流れることが
   、ターボ流体機械の通気に役立っている請求項１記載の
   流体封じ装置。 １８、ターボ流体機械の軸方向に伸びる主流体流路を持
   つターボ流体機械内のガスタービン装置に於て、 ターボ流体機械の軸線の周りに半径方向に伸びる様に配
   置された第１組のタービン羽根と、該第１組の羽根に隣
   接していて、前記ターボ流体機械の軸線の周りに半径方
   向に伸びる様に配置された第２組のタービン羽根とを有
   し、第１組及び第２組の羽根は前記ターボ流体機械の軸
   線の周りに相対的に回転し得る様に配置されており、前
   記第１組及び第２組の羽根に付設され、その間に前記主
   流体流路を設定する円周方向の外側境界及び円周方向の
   内側境界を限定すると共に、前記流路の外側の領域を限
   定する流路収容手段を有し、 前記第１組及び第２組の羽根の内の少なくとも一方の一
   部分が、半径方向に、前記円周方向の外側及び内側の境
   界の内の一方を越えて、前記流体流路及び外側の領域の
   間を連通させるすき間開口を形成しており、更に、 前記すき間開口の上に突出して前記外側の領域に入込み
   、前記第１組及び第２組の羽根の内の一方の外周と共に
   、前記すき間開口と連通する環状通路を形成する環状ア
   ームと、 前記外周にあって、全体的に軸方向に整合したジェット
   開口を持つ環状空所を形成し、該ジェット開口からの緩
   衝流体を加圧したものを比較的高速の緩衝流体のジェッ
   トとして前記緩衝通路に差向け、前記外側の領域から前
   記すき間開口を通って前記主流体流路への連続的な密封
   流体の流れを誘起する手段と、 前記緩衝流体を前記環状空所と連通させる供給手段とを
   有し、 こうして前記主流路内の流体が前記密封流体の流れによ
   って、前記すき間開口を介して外側の領域へ脱出するこ
   とが出来ない様にしたガスタービン装置。 １９、前記ターボ流体機械が外側ナセルを持ち、該外側
   ナセルの開口が前記境界の外側の領域に空気が入込む様
   にし、該空気が前記密封流体を構成し、この為前記ナセ
   ルの開口からの空気が環状通路に流込むことが、ターボ
   流体機械の通気にも役立つ様にした請求項１８記載のガ
   スタービン装置。 ２０、前記第１組のタービン羽根が回転子を構成し、前
   記第２組の羽根がターボ流体機械の固定子を構成し、前
   記環状空所が該固定子の外周にある請求項１８記載のガ
   スタービン装置。 ２１、前記第１組及び第２組のタービン羽根が回転子の
   羽根を構成しており、各組の回転子の羽根は他方の組の
   回転子の羽根とは反対廻りである請求項１８記載のガス
   タービン装置。 ２２、ターボ流体機械の流路を流れる作業流体が、ター
   ボ流体機械の相対的に回転する部分の間に形成されたす
   き間を介して該流路から脱出しない様にする方法に於て
   、 前記すき間に高速である量の緩衝流体を放出し、該緩衝
   流体によって、回転する部分の周りの区域から吸込まれ
   た密封流体を前記すき間を介して前記流路に運ぶことよ
   り、流込む密封流体が作業流体の脱出を阻止する工程を
   含む方法。 ２３、前記緩衝流体が流れる通路を制限して、緩衝流体
   を高速にする工程を含む請求項２２記載の方法。 ２４、回転する部分が外側シュラウドの中に囲まれてお
   り、更に、該シュラウドに開口を設けて、密封流体がシ
   ュラウドの外側から吸込まれる様にし、この為密封流体
   が回転する部分を冷却するのにも役立つ様にする工程を
   含む請求項２２記載の方法。 ２５、密封流体、緩衝流体及び作業流体が何れも１つの
   軸方向に流れる請求項２２記載の方法。