JPH09511303A - シール及び一体化熱シールドを有するエアフォイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 シール部分を覆うようにのびる一体型熱シールドを備えたプラットフォームを有するエアフォイルである。ガス・タービン・エンジン内の高温ガスに曝されることによる損傷からシール構造を保護するために、その種々の細部の構造が記載される。特定の実施形態においては、タービン・ベーンは、その前縁からのびる熱シールドを備えたプラットフォームと凹部とを有する。この熱シールドは、この凹部内に設けられたハニカム・シールの外表面を覆うようにのびる。

Description

【発明の詳細な説明】 シール及び一体化熱シールドを有するエアフォイル 技術分野 本発明は、ガス・タービン・エンジンに関し、主にこのようなエンジンのエア フォイルに関する。 背景技術 通常のガス・タービン・エンジンは、長手軸にのびる流路を有して、圧縮器、 燃焼器、及び上記流路に沿って順に離間されたタービンを有する。圧縮器及びタ ービンは、エアフォイルの隣接アレイを有し、このアレイは、上記流路を流通す る流体と接触する。これらのアレイは、ステーショナリー・ベーン即ち静翼と回 転ブレードとからなる。回転ブレードは、圧縮器内においては、エネルギーを流 体に移動させ、一方、タービン内では流体からエネルギーを除去する。静翼の各 アレイは、回転ブレードのアレイの上流側に設けられ、下流側の回転ブレードに 対して流体のフロー即ち流れを最適な方向に向けるような形状となっている。 静翼に加えて、ガス・タービン・エンジン内を通る環状流路内の流体のフロー を制限するために、内表面及び外表面が用いられる。静翼においては、フロー面 は、プラットフォームにより提供され、このプラットフォームは、静翼の内側端 及び外側端に一体化されて いる。回転ブレードにおいては、回転ブレードに一体化されたプラットフォーム により内表面が提供され、外表面は、回転ブレードのチップ即ち先端の径方向外 側に周方向フロー面を有するシュラウドによって提供される。 回転ブレードのアレイ及び静翼のアレイは、回転する回転ブレード・アレイと 、回転しない静翼アレイと、を互いに隣接して有することから、軸方向に所定の 有限間隔で離間している。従って、これら隣接するアレイ間の内部を径方向へと 流体が流れないようにするには、何らかのシーリング機構が必要となる。回転ブ レード・アレイの周囲を通じて流体が逃げてしまうことによる効率損失に加えて 、流路の径方向内側に設けられたガス・タービン・エンジンの構成部材は、流路 内の高温ガスと接触することで損傷を受けるおそれがある。このような構成部材 として、非常に大きな応力にさらされるロータ・ディスクが挙げられる。よく知 られているように、ロータ・ディスクの動作温度が上がると、ディスク材料が耐 え得る応力が下がってしまう。 シーリング機構のよく知られた形態として、ハニカム形状構造に結合されたナ イフ・エッジ部材が挙げられる。通常、このナイフ・エッジは、回転を行う側の 構成部材からのびておりそのハニカム材は、回転しない側の構成部材に取り付け られている。ハニカム材は、オープン・セル即ち連続気泡の形態をとる、非常に 薄い（約0.004インチ即ち約0.096mm程度）シート状の金属から形成される。動作 時においては、ナイフ・エッジは、ハニカム材と接触して、このハニカム材を摩 耗させて溝を形成することもある。ハニカムの摩耗は、 構成部材との間の許容誤差の主因となり、また、動作時の温度上昇の原因ともな る。一方、ハニカム材は、安価でかつ摩耗時における交換が容易なことから、こ の種のシーリング構造をとることが好ましい。 シーリング機構にハニカム材を用いるときの難点は、流路を流通する高温流体 にさらされると短期間で劣化しやすい、という点である。熱による劣化は、ハニ カム・シールの交換時期を速めることになり、即ち、ナイフ・エッジとの接触に よる摩耗よりも、熱による劣化の進行が速いことにより、交換が必要となってし まう。その対策として、ガス・タービン・エンジンの高温領域に用いられるハニ カム・シールには、耐熱コーテイング（Therma1 Barrier Coating:ＴＢＣ）がな されている。このＴＢＣは、ハニカムにおける外表面を保護する。 不都合なことには、ハニカムに用いられるＴＢＣは、大抵の場合、エアフォイ ルに用いられるＴＢＣとは異質なものである。何故なら、ハニカムを構成するシ ート金属は、エアフォイルに通常用いられるＴＢＣにおけるプロセスでの高温処 理に耐えられないからである。ＴＢＣ処理に本来的に必要となるコストと、ＴＢ Ｃを行うために必要となる二次的なコストと、によって、エアフォイルの製造に おけるコストが高くなっている。さらに、エアフォイルの寿命がくるまでに、ハ ニカム・シールを頻繁に交換する必要があることから、エアフォイルの修復及び メンテナンスに要するコストが非常に高くなってしまう。 上記従来技術に満足することなく、タービンの構成部材の改良が なされており、例えば、メンテナンス費用が安価で、動作寿命の長いエアフォイ ルが研究されている。 発明の開示 本発明によれば、シールと、シールの外表面にわたってのびる一体化熱シール ドを備えたプラットフォームと、が提供される。この熱シールドは、プラットフ ォームのエッジから下方にのび、横方向にわたってシールにのびる。一方、シー ルは、プラットフォームの下面に位置するシール・ランドに設けられ、熱シール ドに隣接している。 高温ガスは、エアフォイルと、隣接するエアフォイル・アッセンブリと、の間 のキャビティに流入しており、熱シールドは、シール外表面と高温ガスとの接触 をブロックする、即ち抑制する。この高温ガスと接触すると、エアフォイルの修 復及び交換より先に、シールが劣化する場合がある。熱シールドは、高温ガスか らシールを分離し、このような接触が発生しないようにする。加えて、一体化し た熱シールドを用いることで、シールの外表面にわたってサーマルバリアコーテ ィングを行う必要もなくなる。 他の実施形態によれば、熱シールドは、プラットフォームのフロー面側から外 側にのびており、動作時には、隣接するエアフォイル・アッセンブリの後縁に対 して熱シールドが隣接するようになる。熱シールドとエアフォイル・アッセンブ リとが隣接することで、チョーク点が形成され、二点間ではフローが流れにくく なる。チョーク点とシール接触との組み合わせによって、これらの間に外側キャ ビ ティが形成される。チョーク点は、外側キャビティへと流れる高温ガスの量を減 少させ、これによって、外側キャビティ内のガスの温度を最小化する。加えて、 シールの反対側に設けられた内部キャビティは、冷却流体によって圧力が加えら れ、高温ガスがシールを通じて流通することを更に抑える。このことで、内部キ ャビティは、外側キャビティに比較して、低温となり、この内部キャビティがロ ータ・ディスク及び回転シールに隣接することとなる。 本発明の上記及びその他の目的、特徴、利点等は、以下の例示的実施形態の詳 細な説明、及び添付図面を用いて明らかとされる。 図面の簡単な説明 図１は、ガス・タービン・エンジンの側面断面図である。 図２は、タービン・ベーン・アッセンブリ及び隣接するタービン・ロータ・ア ッセンブリ及びタービン・シュラウドの側面図である。 図３は、図２の３−３線に沿った、隣接するタービン・ベーンの断面図である 。 発明の最適実施形態 図１にガス・タービン・エンジン１２を示す。このガス・タービン・エンジン １２は、長手軸１６近辺に配置された環状流路１４を有する。圧縮器１８、燃焼 器２２、タービン２４は、上記軸沿いに離間して配置され、流路１４は、これら を順に通じてのびる。タービン２４は、複数の回転構造体即ちロータ・アッセン ブリ２６を有 する。この回転構造体２６は、流路１４を通じて流れる作動流体と接触すること で、作動流体のエネルギーを回転構造体２６へと移動させる。このエネルギーの 一部は、タービン２４と圧縮器１８とを接続する一対の回転シャフト２８を通じ て圧縮器１８へと戻され、圧縮器１８へと流入する作動流体を圧縮するためのエ ネルギーを提供する。 図２に、タービン・ベーン・アッセンブリ即ち静翼構造体３２と、隣接する上 流側タービン・ロータ・アッセンブリ即ち回転構造体３４とを示す。静翼構造体 ３２は、周方向に離間された複数の静翼３６を有し、この静翼３６は、固定手段 ４０によってステータ構造３８に装着されている。回転構造体３４は、回転ディ スク４１と、周方向に離間された複数の回転ブレード４２と、側板４３と、をそ れぞれ有する。 各静翼３６は、空力的部位４４と、外側プラットフォーム４６と、内側プラッ トフォーム４８と、プラットフォーム・シール５２と、第二のシール５４と、を 有する。空力的部位４４は、流路１４を通じてのびる。外側プラットフォーム４ ６と内側プラットフォーム４８は、流路１４における径方向外側及び径方向内側 のフロー面５６、５８となる。冷却流体排出器６２は、内側プラットフォーム４ ８から径方向内側に向かって延在している。冷却流体排出器６２は、静翼３６の 中空コアと流体的に連通しており、冷却流体を、静翼構造体３２と回転構造体３ ４との間の内部キャビティ６４に向かわせる。 内部プラットフォーム４８は、径方向内側のフロー面５８を形成 するとともに、熱シールド６６と、横方向にのびる凹部６８を有し、この凹部６ ８は、シール・ランド７２を規定する。熱シールド６６は、内部プラットフォー ム４８の前縁にそって配置され、プラットフォーム・シール５２をこえて径方向 内側へと延在する。熱シールドはまた、回転ブレード４２の後縁に向かって径方 向外側へとのび、静翼構造体３２と回転構造体３４との間にチョーク点７３を形 成する。熱シールド６６は外側キャビティ７６へと対向する面７４を有すし、こ の熱シールド６６の後方側は静翼３６となっている。上記外側キャビティ７６は 、回転構造体３４と静翼構造体３２との間に形成される。 プラットフォーム・シール５２は、横方向及び軸方向へと延在するハニカム材 のシートであり、シール・ランド７２に設けられている。プラットフォーム・シ ール５２は、内部プラットフォーム４８の幅に広がっており、図３に示されるよ うに、隣接する静翼３６のプラットフォーム・シール５２の横方向の表面７８が 互いに近接するようになっている。 複数のプラットフォーム・シール５２は、シーリング面８２を形成し、このシ ーリング面８２は、ロータ側板４３から突出するナイフ・エッジ８４に近接し、 また、ガス・タービン・エンジンの動作条件によっては、これらと接触する。凹 部６８は、プラットフォーム・シール５２を、ナイフ・エッジ８４と接触する適 当な位置へと軸方向に配置する。ナイフ・エッジ８４は、周方向に連続しており 、複数のプラットフォーム・シール５２と接触して、流体がナイフ・エッジ８４ とプラットフォーム・シール５２との間から流れ出ない ようブロックしている。 第二のシール５４は、静翼３６の径方向内側に設けられており、複数のナイフ ・エッジ・シール８６に近接している。このナイフ・エッジ・シール８６は、回 転構造体３４と、ベーン・アッセンブリ即ち静翼３６の下流側に位置する他方の ロータ・アッセンブリ（図示せず）と、の間に延在する。第二のシール５４と複 数のナイフ・エッジ８６とを組み合わせて用いられていることで、流体がブロッ クされ、静翼３６の空力部位４４の周囲を流体が迂回して流れることが防止され る。 動作時においては、流路１４を高温のガスが流通して回転構造体３４に対して 仕事を行い、その後に、静翼構造体３２の空力部位４４を超えて流通して、下流 側のロータ・アッセンブリに向かうように流れが向けられる。この高温作動流体 の一部は、チョーク点７３を通じて内側へと流れ、外側キャビティ７６へと流れ る。 チョーク点７３は、流体がこの方向へ流れるのをある程度抑制ように作用する が、流体がこの方向へ流れなくなるまでに抑えるわけではない。外側キャビティ ７６内では、流体はブロックされており、プラットフォーム・シール５２とナイ フ・エッジ８４の接触により形成されるシールを通じてこの流体が流れることが ないようにされている。その結果、再循環ゾーンが外側キャビティ７６に形成さ れ、このゾーンによって、外側キャビティ７６内の流体が、チョーク点を通じて 流れる高温ガスと混合される。 冷却流体は、静翼３６を流通し、流体排出器６２によって内部キャビティ６４ へと排出される。この排出された流体は、ディスク４１ と複数のシール８６上をこえて径方向内側へと向けられる。加えて、排出された 冷却流体は、内部キャビティ６４を圧縮する。この圧縮により、流体は、その勢 いがそがれて、外側キャビティ７６からプラットフォーム・シール５２を通じて 内部キャビティ６４への流通が抑制される。プラットフォーム・シール５２と圧 縮された内部キャビティ６４との組み合わせによって、外部キャビティ７６より も内部キャビティを低温に維持でき、これにより、回転する構成部材、例えばデ ィスク４１及び複数のシール８６の温度を許容範囲内に抑えることができる。 外側キャビティ７６内で、熱シールド６６は、プラットフォーム・シール５２ の外表面８８を保護し、流路１４から外側キャビティ７６へと流通する高温ガス がこの外表面８８に接触しないようにする。その結果、外表面８８の薄いシート 状金属が保護され、熱により急速劣化することはなくなる。熱シールド６６の機 能は、高温ガスが直接外表面８８に流れることを防ぐ点にある。従って、熱シー ルドによって外表面８８全体を覆ってもよいが、外表面のうちの、キャビティ内 に流入する高温ガスと直接接触する危険性のある領域のみを覆う構成としてもよ い。 シール面８２は、特に覆いはなく直接露出しているが、外側キャビティ７６に 流入する高温ガスは外側キャビティ内で該キャビティ内の循環流体と混合される ことから、熱による損傷を受けるおそれは小さい。この混合によって、シール面 ８２と接触する流体の温度が低下するからである。従って、このシール面８２を 保護する必要性はあまりない。加えて、個々のプラットフォーム・シール横側面 ７８もまた、高温ガスに曝されるおそれがある。しかし、隣接側面７８どうしは 近接して設けられていることから、これらの間に流入する流体の量が制限される ようになっている。 静翼３６は、通常は鋳造により形成される。図２、３に示されるように、熱シ ールド６６は、内部プラットフォーム４８に一体化されており、静翼３６を鋳造 する間に形成することも可能である。熱シールド６６を設けることで、シール５ ２に対して、サーマル・バーナー・コーティングを最低限におさえられ、または 、このコーティングを行わずにすむ。 なお、図２、３の実施形態では、熱シールド及びシール用の凹部を有するター ビン・ベーンに関して説明したが、本発明は、その他のタイプのエアフォイル、 例えばタービン・回転ブレード、コンプレサ・回転ブレード、ベーン等に適用す ることも可能である。 以上、本発明を例示的実施形態により説明したが、当業者によれば、本発明の 趣旨を逸脱する事なく、種々の変更、変形、追加設計が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス・タービン・エンジンのエアフォイルであって、 前記ガス・タービン・エンジンは、長手軸に沿って配置された流路と、互いに 軸方向隣接して設けられた複数のエアフォイル・アッセンブリと、をそれぞれ有 し、 前記エアフォイルは、空力部位と、プラットフォームと、シールと、設置状態 において前記流路を通じてのびる空力部位と、シールランドと、一体化された熱 シールドを有し、 前記プラットフォームは、設置状態において前記流路に対向するフロー面を有 し、 前記シールランドは、前記プラットフォームにそってのびて前記シールの装着 面を提供し、 前記シールは、設置状態において軸方向に隣接するエアフォイル・アッセンブ リの延長部に近接するように設けられ、このように近接して設けることで前記シ ールと前記延長部との間の流体の流れがブロックされ、 さらに、前記シールは、前記空力部位と反対側に向いている外表面を有し、前 記熱シールドが前記プラットフォームからのびてこの外表面の少なくとも一部を 覆っており、 前記熱シールドは、設置状態において、前記流路からの流体と前記シールの外 表面との間の接触をブロックすることを特徴とするエアフォイル。 ２．前記エアフォイルは、タービン・ベーンであり、前記隣接するエアフォイ ル・アッセンブリは、延長部が設けられたロータ・アッセンブリであることを特 徴とする請求項１記載のエアフォイル。 ３．前記シールは、フォイル材から形成された外表面を有するタイプのハニカ ム・シールであることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。 ４．隣接するエアフォイル・アッセンブリの方向にのびる突出部を更に有し、 この突出部は、ガス・タービン・エンジンの動作時において、隣接するエアフォ イル・アッセンブリのエッジに隣接してチョーク・ポイントを生成し、このチョ ーク・ポイントは、隣接するエアフォイル・アッセンブリとエアフォイルとの間 で流体が流れにくくなるよう作用し、 これにより、前記隣接するエアフォイル・アッセンブリと前記エアフォイルと の間の軸方向の分離が生じ、一方で、前記チョーク・ポイントと、前記延長部と 前記シール・ランドとの間の接触点と、の間の径方向の分離が生じ、これらの軸 方向及び径方向の分離によってキャビティが形成され、 前記熱シールドは、前記キャビティ内の流体と前記シールの外表面との接触を ブロックすることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。 ５．前記シールは、フォイル材から形成される外表面を有するタイプのハニカ ム・シールで、前記エアフォイルはタービン・ベーンであり、かつ、前記隣接す るエアフォイル・アッセンブリは、延長部が設けられたロータ・アッセンブリで あって、ガス・タービン・エンジンの動作時には流体の再循環ゾーンが前記キャ ビティ内に生成されるようになっており、かつ、ガス・タービン・エンジンの動 作時には、前記熱シールドによって、前記外表面のフォイル材と前記再循環ゾー ン内の流体とが連続して接触することがブロックされることを特徴とする請求項 ５記載のエアフォイル。