JPS5951657B2 - ガスタ−ビンエンジンのタ−ビンロ−タ−と静止構造体との間のシ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジンのタービンローターと静
止構造体との間のシールに関する。

ガスタービンエンジンのタービンローターはしばしば冷
却空気を供給され、この冷却空気の圧力は通常、エンジ
ンの主流環状路のローター人口におけるガス圧より高く
される。

これは他にも理由があるが、高温ガスが環状路から内方
へ流れローターをかこむ空間に人すローターを損傷する
可能性を避けるためである。

しかし、この冷却空気が大量に主ガス流路に洩れないよ
うにすることが大切である。

この洩れは冷却空気の浪費を意味し、またタービンの効
率的運転を阻害するからである。

これらの結果は共にエンジンの効率を下げる。

過去において種々の型式のシーが使用され、その成功の
度合も様々であるが、種々異る熱的、遠心的および振動
的移動量を有する、相対的に回転する部品の間を密封す
ることの困難性がこの問題を深刻化する。

本発明は移動量の差に対応し易くするように、ローター
に接触するシールを与える。

本発明は、ガスタービンエンジンのタービンローターテ
゛イスクと静止構造体との間のシールであって、該シー
ルが、前記ローターテ゛イスクの上流側環状面と前記静
止構造体に対し回転しないよう拘束された軸方向可動の
支持構造体に前記環状面に対面するよう設けられた低摩
擦材のリングとの間に形成されたエアクッション装置を
含み、前記軸方向可動の支持構造体は軸方向に前記ロー
ターテ゛イスクの方へ偏倚され、かつ、前記ローターテ
゛イスクの封止面と協働する環状の封止部材を担持し、
前記封止部とシール部材との間で封止されるシールにお
いて、前記エアクッション装置は空気軸受から成り、前
記低摩擦材のリングと軸力゛向呵動の支持構造体とは、
前記ローターテ゛イスクの撓みおよび振動に順応するよ
う可撓性で゛あって、前記シール部材が前記ローターデ
ィスクに追従し得ることを特徴とするものである。

本発明のローターディスクと静止構造体との間のシール
は、静止構造体に支持されるシール部材とローターディ
スクの封止面との間の軸方向相対位置が基本的に空気軸
受により一定に維持されるとともに、静止構造体側の空
気軸受面を形成する低摩擦材リングおよび該リングを支
持する軸方向可動の支持構造体とが可撓性で、ローター
テ゛イスクの撓みおよび振動に順応するから、シール部
材はロータープ、イスクの撓みや振動による封止部の微
小な軸方向変位にもよく追従することができる。

以下図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

第１図は圧縮機部１１、燃焼室１２、タービン１３およ
び排気ノズル１４を含むガスタービン、エンジンを示す
。

エンジンは全体として従来のやり方で作動するので、こ
こでは詳述しない。

エンジン１０を完成体として述べているがこのエンジン
はより大形のエンジン、たとえばファンエンジンのコア
（核心部）を構成することが充分可能であることに、こ
の時点で注目すべきである。

エンジンのタービンローター１５とその連合する静止構
造体１６との間の気密性がエンジンの効率にとって大切
であることはよく知られており、−第２図に本発明によ
るシールの構造をより詳細に示す。

第２図を参照すると明らかなようにタービンローター１
５はローターテ゛イスク１６′を有し、その周面から複
数のローター動翼１７が普通のクリスマスツリー型翼根
構造体により支持される。

環状板１８が複数のスタッド１９により動翼翼根部の上
流面に押し付けられており、スタッド１９は動翼翼根部
の後面に保持されるシール板２０の環のそれぞれから延
在している。

従ってこの場合、環状板１８はローターの上流面に平ら
な環状面を与え、この面に対してシール部材が協働する
ことができる。

しかし、シール部材の環状フィンと噛合う環状フィンを
持つ環状板１８を形成することも可能であることに注目
すべきである。

ローターテ゛イスク１６′の形状は従来型のものである
が、上流面の２１．２２の個所にリフトパッドの２つの
同心環状列を設けられている点が異る。

この環状列は相互に隣接し、それぞれディスクの運動方
向に向く側を除くすべての側を壁に囲まれた複数の浅い
くぼみで構成される。

これは公知の型式の空気軸受であることが判る。

２列のパッドが記載されているが、状況に合わせるため
にさらに１列以上の列を使うことも明らかに可能である
。

またローター表面の代りに静止部（リング２３）にパッ
ドを形成するように配置することも可能である。

パッド２１．２２はセラミックの環帯２３と協働して完
全な空気軸受構造体を形成する。

環帯２３はシリコンカーバイド（炭化シリコン）の薄い
環帯で、その面は軸に直角で、正確に平面に形成された
パッド２１．２２と協働する面部分を少くとも有してい
る。

環帯２３は同様な金属環帯２４によって裏打ちされ、全
体の複合環体は３角架構構造の環状フレーム２７の中に
それぞれ内側および外側の爪金２５．２６により保持さ
れる。

フレーム２７の形状は第３図にもつと良く示されるが、
フレームの完全な構造が見えるように破線で透視状に環
帯２３，２４が画かれているのが判る。

第３図で明らかなように、フレーム２７は３角架構構造
体のリンク３０により結合された内方および外方リング
２８．２９から成る。

内方リングから爪金２５が延び、リング３０の上部に爪
金２６が付く。

外方リング２９は外方に延びてその半径方向の外周近く
に一対のシール・フィン３１（第２図に部分的に見える
）を形成し、このフィンが前記の如く環状板１８の表面
と協働してシールを与える。

第３図に示されるフレーム２７のもう一つの特徴は、半
径方向の外方端が開放された軸方向に延在するチャンネ
ル３２であり、このチャネルにピン３３が挿入されて、
これがフレームの円周方向の移動を防ぎ、フレームさら
には環帯２３．２４の同心度を維持する。

本構造の他の特徴は第２図に良く表わされている。

フレーム２７と環帯２３，２４とはエンジンの静止構造
体に支持されかつ密封されなければならないことは明ら
かで゛ある。

このため、リング２８．２９にはその前面に環状段部３
４，３５がそれぞれ設けられている。

段３４に円錐形すなわちベルビル型ワッシャ３６が係合
し、これは第２の反対向きの円錐形すなわちベルビル型
ワッシャ３８に対してＵ字形断面のリング３７により保
持される。

エンジンの静止構造部分を形成する軸方向に延在する環
状フランジ４０に成形されて段３４に対向する環状段３
９にこのワッシャ３８が係合している。

同様にリング２９の段３５はＵ字形断面のリング４３に
よって合せ保持される一対の対向するベルビル型ワッシ
ャ４１，４２のワッシャ４１に係合され、ワッシャ４２
は円錐フランジ４５の外周に成形されたもう一つの段４
４に係合している。

フランジ４５にもポケット４６が成形され、その中にピ
ン３３が保持される。

２対のワッシャ３６．３８および４１．４２ならびにそ
の保持リング３７．４３は合せてシールとばねとの組合
せを形成し、これらがフレーム２７さらにはセラミック
環帯２３をリフトパッド２１．２２の列に向けて押付け
る。

上記ワッシャはその突合ての周囲部をＵ字形断面のリン
グによって保持されているがそれぞれの部分の相対的な
角度変位が防止されていないので、フレーム２７と静止
構造との間の広範囲な軸方向移動がワッシャに不当な応
力を生ずることなく吸収されることができる。

ワッシャが相互にまたそれぞれの環状段に対して弾性力
を及ぼしている限り、有効なシールも与えられる。

従ってフレーム２７とフレームに支持されるセラミック
環帯２３およびシール部材３１とはフランジ４０．４５
により構成される固定構造体から密封状態で支持されて
おり、固定構造体に対するローター１５の軸方向移動に
追従するように軸方向に移動することができる。

ピン３３とチャネル３２との係合はクロスキ一式位置決
めを構成し、フレームをローターに対して同軸に保って
回転を防ぐけれども、半径方向の膨張を可能としている
。

動翼１７に必要な冷却空気を与え、またフレーム２７の
圧力平衡に必要な圧力を与えるために、円錐フランジ４
５とそれから隔置される同様なフランジ４７とが、エン
ジン圧縮機部１１から抽出した冷却空気のチャネル（通
路）４８を画成する。

空気はチャネル４８に沿って流れ、一連の予備渦巻ノズ
ル４９を通り、ここでローター１５の回転と同じ方向の
運動成分が空気に与えられる。

それぞれ円錐フランジ４５．４７から延在し相互に密封
状態に係合してチャネル４８の密封を完成するフランジ
５０．５１によって、空気がチャネル４８から逃れるの
を防止されている。

ノズル４９から吹出された空気は環帯２３，２４の外周
外側のリンク３０の間の空間を通過して環状板１８の下
方を流れ動翼１７の翼根部に行き、そこから動翼内の冷
却通路（図示せず）に入って動翼を冷却する。

主としてヒールフィン３１と環状板１８の表面との間で
形成されるシールにより、この冷却空気ら半径方向の外
方へ流れてエンジンの主ガス流の環状路に合流すること
が防止され、従って理想的には」−記シールのすき間は
一定の非常に小さな値に制御されるべきである。

上記の構造のため、環帯２３とリフトパッド２１．２３
との空気軸受としての作動により上記シールの制御が実
行される。

空気軸受が静止部材と回転部材との間に一定の小さなす
き間を維持するために働き、このように環帯２３はロー
ターディスク１６に対してほぼ一定の相対位置を運転中
に保つことは、これら空気軸受の公知の特性である。

シールフィン３１はフレーム２７さらには環帯２３によ
り軸方向に位置決めされ、それ故にこれらのフィンも環
状板１８との間に非常に小さなすき間を保つ。

全体的なすき而を維持する他に、環帯２３とその支持構
造体どはたわみ自在に構成される。

このため、シール構造体はローター全体の移動のみなら
ずローターの部分的ひずみに追従することもできる。

しばしば「固定波」形のひずみを生ずるテ゛、イスクの
振動に、シールが対応するために上記の構成が必要であ
る。

上記の実施例を特定の状況に合うように種々のやり方で
変更することができる。

すなわち前記のシリコンカーバイド製の環帯２３は摩擦
が少く、耐熱性の材料を用いるが、その他にも使用し得
る材料があり、中でも窒化シリコンの如き他の種々様々
なセラミック、およびカーボンの如き他の非金属材料が
゛あり、場合によっては低摩擦材と対面する所に金属を
用いることもできる。

また前述の如く、構造体の回転部分でなく静止部分に空
気軸受のポケットを配置することが望ましいこともある
。

さらに、特定の情況に合うように構造体の機械的細部を
変更することができることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシールを有するガスタービンエン
ジンの部分的に切断された図；第２図は第１図のタービ
ン部分の、シールを図解する拡大図；そして第３図は第
２図の矢印３の方向から見た図である。 １６・・・ローター、２１．２２・・・リフトパッド、
２３・・・リング、２７・・・フレーム、２８．２９・
・・環状部、３１・・・シール部材（フィン）、３２・
・・チャネル、３３・・・ピン、３４・・・段部、３５
・・・段部、３６・・・円錐形ワッシャ、３７・・・Ｕ
字画面形リング、３８・・・円錐形ワッシャ、３９・・
・段部、４０・・・環状フランジ、４１．４２・・・円
錐形ワッシャ、４３・・・Ｕ字画面形リング、４４・・
・段部、４５・・・円錐形フランジ、４６・・・静止構
造体、４９・・・ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンのタービンローターテ゛イス
   クと静止構造体との間のシールであって、該シーが、前
   記ローターディスクの上流側環状面と前記静止構造体に
   対し回転しないよう拘束された軸方向可動の支持構造体
   に前記環状面に対面するよう設けられた低摩擦材のリン
   グとの間に形成されたエアクッション装置を含み、前記
   軸方向可動の支持構造体は軸方向に前記ローターディス
   クの方へ偏倚され、かつ、前記ローターディスクの封止
   部と協働する環状のシール部材を担持し、前記封止部と
   シール部材との間で封止されるシールにおいて、前記エ
   アクッション装置は空気軸受２２．２３から成り、前記
   低摩擦材のリング２３と軸方向可動の支持構造体２７と
   は、前記ローターディスク１６′の撓みおよび振動に順
   応するよう可撓性であって、前記シール部材が前記ロー
   ターディスクに追従し得ることを特徴とするシール。 ２ 前記ローターディスク１６′がその表面にリフトパ
   ッド２１．２２の環状列を成形されて前記リング２３の
   表面と協働して前記空気軸受を形成することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載のシール。 ３ 前記シール部材３１が前記リング２３の半径方向の
   外方に有することを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載のシール。 ４ 前記リング２３と前記シール部材３１との間に有っ
   て冷却空気を前記ローターディスク１６′に送るように
   配置されているノズル４９を特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載のシール。 ５ 前記リング２３を支持する支持フレーム２７が存在
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のシ
   ール。 ６ 前記シール部材を形成する軸方向に突出るフィン３
   １を表面に成形された環状部２９を前記フレーム２７が
   有することを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の
   シール。 ７ 前記フレーム２７が開放された３角架構フレ一ム構
   造体３０を有することを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載のシール。 ８ 前記フレーム２７の円周方向の回転を防ぐために、
   前記静止構造体４６から延在して、前記フレーム２７の
   中に形成された半径方向に延在するチャンネル３２に係
   合しているピン３３を特徴とする特許請求の範囲第５項
   に記載のシール。 ９２つの環状部分２８．２９と該環状部分および静止部
   ４０，４５の間を密封するさらに別のシール３６，３７
   ，３８，４１，４２，４３とを前記フレーム２７が有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のシー
   ル。 １０ 前記さらに別のシール３６． ３７． ３８゜４
   １．４２．４３が前記フレーム２７の内周および外周の
   近くに設けられることを特徴とする特許請求の範囲第９
   項に記載のシール。 １１ 反対向きの一対の円錐形ワッシャ３６，３８．４
   １，４２と該ワッシャの突合せの周辺部を保持するＵ字
   断面形リング３７．４３とを前記さらに別のシールは含
   んでおり、前記フレームの前記環状部分２８．２９と前
   記静止構造体４０，４５とが、前記突合せのワッシャの
   自由周辺部と係合する環状段部３４，３９，３５．４４
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載
   のシール。