JPS642773B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は負荷配分部材、特に流体負荷を配分す
るのに適した部材に関する。

ほぼ環形の隔壁（ダイヤフラム）の形を持ち高
圧流体と低圧流体との間に介在する負荷配分部材
を設けることが時に必要となる。隔壁の外周は第
１の支持部材に、内周は第２の支持部材に取付け
られる。この配置は隔壁の前後の圧力差により負
荷が第１および第２の部材に分担されるようにす
る。

隔壁により支持部材にかかる負荷の配分は関係
する種々の構成部品の幾何学形状に支配される。
このため、状況によつては、隔壁により支持部材
の一つに負荷がかかつてその部材を望ましくない
程に大形化従つて重くする必要が生じ、いつぽう
隔壁によりもう一つの支持部材にかかる負荷はそ
の部材が耐え得るよりも小さくなるという結果を
生むこともある。そのため、支持部材の組合せの
荷重負担能力を隔壁によつてかけられる全負荷と
比較した時に、支持部材は恐らく実際に必要な以
上に重くなつてしまう。

いま一つの問題は支持部材にかけられる負荷の
方向に関係している。すなわち負荷が異る方向か
らかかる場合よりも支持部材を大形に、従つて重
くする必要がしばしば生ずる。

負荷配分部材が関連する１個以上の部材にかけ
る負荷の大きさと方向との両方を予め決められた
態様で配分することのできる負荷配分部材を高圧
流体と低圧流体の領域の間に設けることが本発明
の一つの目的である。

本発明によれば、運転中に高圧流体と低圧流体
の領域の間に介在する負荷配分部材は２つの円形
の縁を持つ環形隔壁を含み、該隔壁の形状は高圧
流体と低圧流体の領域の間に介在する時に概して
円形断面の回転体である完全な薄肉のトロイド
（環状回転体）の部分の形を成しており、この部
分トロイドの軸線は前記円形縁の軸線と同軸であ
り、前記円形縁にそれぞれ係合してその半径方向
の拘束を与えるように第１および第２のリング部
材が与えられて高圧流体と低圧流体の領域の間の
流体圧力差のために隔壁によりリング部材にかけ
られる力の半径方向成分がフープ応力としてリン
グ部材に吸収されるようになつており、隔壁によ
りリング部材の少くとも一つにかけられる力の軸
方向成分を受持つために支持装置が設けられ、リ
ング部材にかかる軸方向力の大きさと方向の配分
が前記隔壁の部分トロイド形の形状により予め決
定されている。

前記円形縁の一つが係合するリング部材に隔壁
によつてかけられる力が純粋に半径方向となるよ
うな位置に前記円形縁の一つが配置され、前記円
形縁のもう一つが係合するリング部材に隔壁によ
りかけられる力が半径方向と軸方向の両成分を持
つような位置に前記もう一つの円形縁が配置され
るように、前記環形隔壁が部分トロイド形状を持
つことができる。

前記リング部材の一つは環形流体シールの一要
素を支持し、該流体シールのもう一つの対応する
要素は遠隔構造により支持され、隔壁により前記
リング部材にかけられる力によつて生ずる前記シ
ール要素の軸方向のたわみが最少となるような位
置に、前記流体シール要素を支持するリング部材
が配置されるように、前記部分トロイドの形状が
とられていることができる。

前記環状環形隔壁の２個を相互に関連させて使
用して運転中に高圧流体と低圧流体の領域の間に
一個の室を介在させ、高圧流体と低圧流体の領域
よりも高い圧力を持つ流体を含む領域に前記室の
内部が連通していて、前記環形隔壁に係合するリ
ング部材により前記支持部材にかかる力の軸方向
成分の大きさと方向とが環形隔壁の部分トロイド
形の形状により予め決定された態様で前記リング
部材間に配分されるような配置にすることができ
る。

ガスタービンエンジンのタービンの一部を構成
する軸受支持パネルの両側に前記部分トロイド形
環形隔壁を１個ずつ、軸受支持パネルを少くとも
部分的に包んでタービンの縦軸と同軸になるよう
に配置することもでき、タービンのケーシングと
係合するようにタービン内に設けられた静翼の環
状翼列の中に設けられる半径方向通路を通して延
在するスポーク（輻）を前記パネルは有し、半径
方向内方リングは前記軸受支持パネルの半径方向
内方部分に取付けられており、隔壁の半径方向外
方リングは静翼の半径方向内方部分に取付けられ
て前記圧力の異る区域の間の圧力差のために隔壁
にかかる負荷が隔壁の部分トロイド形の形状によ
り予め決められた態様で軸受パネルと静翼との間
に配分されるようにすることができる。

前記リング部材をその関連する環形隔壁と一体
にすることもできる。

以下に添付図面を参照しつつ本発明の実施例を
記載する。

第１図を参照するに、円形断面の回転体である
薄肉のトロイド１０がその内部構造を表わすよう
に縦断面図で示される。しかし、本図および他の
図に示されるトロイドおよび半トロイドは縦断面
図で示されているけれどもそれは全体構造を図解
するために過ぎず、図に示されるトロイドおよび
部分トロイドの全ては実際には完全に環状である
ことを理解されたい。

トロイド内の領域P₁が外側の領域P₂よりも高
い圧力になるように流体圧がトロイドにかけられ
ると、トロイド１０の壁内の応力はすべてフープ
応力となる。トロイド表面の任意の点ＣおよびＤ
における力を考えると、これらの力は矢印で示さ
れるように切線方向である。

そこでトロイド１０の軸線に垂直で点Ｃおよび
Ｄを通過する切断線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに沿つて
トロイド１０を分割すると、できた部分トロイド
は第２図に示されるように環形隔壁１１となる。
すなわち隔壁１１は隔壁１１の軸線１４と同軸の
２個の円形縁１２，１３を有する。

領域P₁およびP₂の間にまだ圧力差が存在する
と仮定すると、トロイド１０の壁内のフープ応力
が解放されてその結果、隔壁１１はその部分トロ
イド形からひずもうとする傾向を生ずる。より具
体的には円形縁１２および１３における力は今や
軸方向と半径方向との両成分１２ａと１２ｂおよ
び１３ａと１３ｂを有することになる。

このひずもうとする傾向は第３図に見られるよ
うに縁１２および１３にリング部材１５および１
６をそれぞれ取付けることにより抑制される。リ
ング部材１５および１６はダイヤフラム１１が及
ぼす力の半径方向成分をフープ応力として吸収す
ることにより縁１２および１３の半径方向の拘束
を生ずる。しかし隔壁１１が及ぼす力の軸方向成
分はリング部材にかかつて矢印１７および１８に
より示される方向に軸方向力を生ずる。従つてリ
ング１５および１６が固定された支持装置（図示
せず）に止められているならば、これら支持装置
に働く力は純粋に軸方向となる。

もしも部分トロイド軸１４からの半径方向距離
が完全トロイド１０の回転断面積の中心２０と等
しい所にある円周線１９に沿つて第３図の部分ト
ロイド１１を半径方向に理論上分割したとする
と、半径方向内方および半径方向外方の環形同軸
部分トロイド分割部分が画成される。そこで、半
径方向外方リング部材１５が及ぼす軸方向力はリ
ング部材１５から円周線１９まで延在する部分ト
ロイド１１の投影面積すなわち面積Ｅに比例す
る。同様に半径方向内方リング１６が及ぼす軸方
向力はリング部材１６から円周線１９まで延在す
る部分トロイド１１の投影面積すなわち面積Ｆに
比例する。従つて縁１２および１３換言すればリ
ング部材１５および１６と中心２０との半径方向
位置を適当に選択することによりリング部材１５
および１６が及ぼす軸方向負荷の配分を変更する
ことができる。それ故、縁１２および１３の位置
換言すればリング部材１５および１６が及ぼす軸
方向負荷の配分を決定するものは部分トロイド形
の形状である。

第４図に高圧流体および低圧流体の領域P₁お
よびP₂の間に介在するもう一つの部分トロイド
形の隔壁１１が示される。この例では、トロイド
軸１４からの距離が完全トロイド１０の回転断面
積中心２０と等しい所にある円周線１９上に半径
方向外方リング部材１５がある。そのために、隔
壁１１により半径方向外方リング部材１５にかけ
られる力は全て半径方向であり、従つてフープ応
力としてリング部材１５に吸収される。従つてリ
ング部材１５によりかけられる軸方向力はない。
同様にリング部材１６に半径方向力は生じない。
軸方向力は全て半径方向内方リング部材１６によ
り矢印１８の示す方向にかけられ、半径方向力は
全てリング部材１５にかけられる。

高圧および低圧の流体領域P₁およびP₂の間に
介在するいま一つの部分トロイド形の隔壁１１が
第５図に示される。この場合の隔壁１１も部分ト
ロイドではあるが、第３図および第４図に示され
る部分トロイドとは異る完全トロイドの部分を構
成している。このためリング部材１５に隔壁１１
が及ぼす、矢印１７で示される力は第３図および
第４図に示される隔壁１１の場合とは方向が異
る。特にこれらの力の半径方向成分はフープ応力
としてリング部材１５により吸収されるのに対
し、リング部材にかかる軸方向成分は第３図およ
び第４図に示される部分トロイドの場合にかかる
軸方向力とは方向が反対である。この故に、隔壁
１１の部分トロイド形の形状を適切に選択するこ
とにより、リング部材１５および１６が及ぼす軸
方向力の配分と方向との双方を選ぶことが可能で
ある。

本発明による負荷配分部材の典型的な応用例が
第６図に示される。第６図にガスタービンエンジ
ンのタービンの一部が示される。特に、半径方向
外方端にてタービンのケーシング２２に取付けら
れ、動翼２３の環状翼列の上流に隣接して配置さ
れるタービン静翼の環状翼列が図示される。静翼
２１および動翼２３は、タービンを通して延在し
て運転中にタービン内で流体を運ぶ環状ガス流路
２４の中に配置される。

動翼２３は回転軸（図示せず）に取付けられた
デイスク（円板）２５に取付けられて、環形気体
シール２７の一要素２６を支持している。気体シ
ール２７のもう一つの要素２８は固定されてお
り、環形隔壁３０の半径方向内方縁に取付けられ
た第１のリング部材２９に支持される。環形隔壁
３０の半径方向外方縁は静翼２１の半径方向内方
部分に取付けられた第２のリング部材３１により
支持される。環形隔壁３０は高圧および低圧の流
体領域P₁およびP₂の間に介在し、その両領域の
間を気体シールが密封する。

環形隔壁３０は部分トロイドの形をとつている
から、前記のように高圧と低圧の両領域間に介在
する部分トロイドの特性を具える。すなわち隔壁
３０の前後の圧力差のために隔壁３０がリング部
材２９および３１に及ぼす半径方向力はフープ応
力としてリング部材２９および３１により吸収さ
れる。しかし、環形隔壁３０は、それが及ぼす軸
方向力が半径方向外方リング部材３１に矢印３２
が示すように集中するような形状を持つ。それ故
半径方向内方リング部材２９における軸方向力は
ゼロとなり、そのためシール要素２８が軸方向に
ひずむ量は最少限となり、その結果、シール２７
の効率が維持される。

上述のように部分トロイド形を持つ隔壁３０の
代りに截頭円錐形のものがある。しかしこのよう
な截頭円錐形隔壁には本発明の隔壁３０と異り曲
げ力が働くから、その半径方向内方縁の軸方向ひ
ずみを最少にするためには部分トロイド隔壁３０
の厚みより遥かに厚肉のものになるであろう。事
実、計算によれば、ガスタービンエンジンの代表
的なタービンに截頭円錐形隔壁の換りに部分トロ
イドを用いると、50％の重量軽減を達成すること
ができる。

本発明による負荷配分部材のいま一つの応用を
第７図に示す。第７図もガスタービンエンジンの
タービンの一部を示すが、この場合は静翼３３の
翼列が示される。静翼３３はノズル案内翼であり
その半径方向外方端はタービンのケーシング３４
に取付けられる。各々の翼３３はその中に半径方
向に延在する通路を有しその中に軸受支持パネル
３６の半径方向に延びるスポーク３５を収容して
いる。軸受支持パネル３６は半径方向内方端に軸
受（図示せず）を支持し、半径方向外方端にてタ
ービンケーシング３４にスポーク３５により取付
けられる。

軸受支持パネルはその両側にその半径方向内方
端に２個の環状隔壁３７，３８を取付けられてい
る。より具体的には、リング部材３９および４０
と軸受支持パネル３６との間に有効な気密シール
を作るようにそれぞれフランジを持つた一体のリ
ング部材３９および４０が、環形隔壁３７および
３８にその半径方向内方縁３７ａおよび３８ａに
設けられる。１列の機械的フアスナ４１がリング
部材３９および４０を軸受支持パネル３６と係合
する状態に保つ。

環形隔壁３７および３８の半径方向外方の縁３
７ｂおよび３８ｂはそれぞれ一体のリング部材４
２および４３を設けられる。静翼３３の半径方向
内方部分にある対応する軸方向に隔置されたフラ
ンジ４５を密封係合して受承する環状溝が、リン
グ部材４２および４３にそれぞれ設けられる。環
形ダイヤフラム３７および３８はこのように協働
して軸受支持パネルの主要部の回りの室４６を画
成する。

室４６は静翼３３の内部に通ずる孔を有し、そ
れ故に、室４６内の気体圧P₁は静翼３３内の圧
力と等しい。静翼の冷却のために静翼内の気体圧
は高くされているので、室４６内の気体圧もそれ
に応じて高くされている。より具体的には、室４
６内の領域P₁の気体圧は環形隔壁３７および３
８のそれぞれ外側にある領域P₁およびP₂の気体
圧より高い。

環形隔壁３７および３８はそれぞれ部分トロイ
ドの形をとつているので、前記の高圧および低圧
の領域の間に介在する部分トロイドの特性を具備
している。それ故、圧力差により隔壁３７および
３８にかかる半径方向負荷はリング部材３９，４
０，４２および４３によりフープ応力として吸収
される。隔壁３７および３８により生ずる軸方向
負荷はリング部材３９および４０をして軸受支持
パネル３６の内方部分に矢印４６，４７で示され
る反対向きの軸方向力を働かせることになり、ま
た領域P₂の圧力は領域P₃の圧力より高いので、
結局矢印４７に示される方向に正味の力がかか
る。同様に隔壁３７，３８によりかけられる軸方
向負荷はリング部材４２および４３をして静翼３
３の半径方向内方部分に矢印４８，４９で示され
る方向に反対向き軸方向力を働かせることにな
り、また領域P₂の圧力は領域P₃の圧力より高い
ので、静翼３３の半径方向内方部分に矢印４９の
示す方向に正味の力がかかる。

従つて環形隔壁３７および３８によつてかけら
れる軸方向力は軸受支持パネル３６と静翼３３と
の間に配分される。これらの軸方向力がそのよう
に配分される態様は環形隔壁３７および３８の部
分トロイド形の形状により支配される。この特定
例では、軸受支持パネル３６のスポーク３５を充
分小さくして最適の空力形状の静翼３３を通過し
得るように軸受支持パネル３６にかかる軸方向力
が小さくなるように部分トロイド形の形状を選ん
である。すなわち環形隔壁３７および３８が存在
せず、最高圧力の領域P₁を静翼３３の中に封じ
込むとすると、軸受支持パネルは領域P₂とP₃と
の間の差圧により生ずる軸方向力を受けることに
なるであろう。そのため、軸受支持パネルのスポ
ーク３５は大きくなり、それらを静翼３３の中に
通すために静翼３３の空力形状を犠性にしなけれ
ばならなくなるであろう。従つて、本発明の環形
隔壁３７および３８は、静翼３３と軸受支持パネ
ル３６とにそれらの機能に関して最適な寸法と形
状とをとらせることができるような態様で、軸方
向力負荷を静翼３３と軸受支持パネル３６とに配
分することを可能にすることが判る。

シール支持兼軸受支持パネルの負荷を分配する
ために用いる負荷配分部材を引用して本発明を記
載したけれども、高圧および低圧領域の間にある
環形隔壁によつて及ぼされる力を予め定められた
態様にて分配する必要がある場合に、他のガスタ
ービンエンジンへの応用さらにはガスタービンエ
ンジン以外への応用にも適用し得ることが判るで
あろう。

リング部材を環形隔壁に取付ける態様を選ばな
いことも判るであろう。すなわち、リング部材は
機械的な取付け、接着または溶接などにより取付
けられる。その代りに隔壁と一体にすることもで
きる。

上記の部分トロイド隔壁の特性は、隔壁が高圧
および低圧の流体領域の間に介在する時に部分ト
ロイドの形を持つ場合にのみ可能であることは勿
論である。それ故、状況によつては、隔壁が高圧
および低圧の流体領域の間に介在する時にのみほ
ぼ円形断面の回転体である完全な薄肉トロイドの
部分の形状をとるような態様に隔壁の形状を決め
ることも必要であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は円形断面の回転体である薄肉トロイド
の断面図、第２図は第１図に示すトロイドの一部
を除去した図、第３図は第２図に示す部分トロイ
ドの縁にリング部材を取付けたものの図、第４図
は第３図に示すものの代りの部分トロイドの断面
図、第５図は第３図に示すものの代りの部分トロ
イドの断面図、第６図は本発明による負荷配分部
材を組込んだガスタービンエンジンの一部の側面
断面図、第７図は本発明による２個の負荷配分部
材を組込んだいま一つのガスタービンエンジンの
部分の側面断面図。 １０……トロイド、１１……環形隔壁、１２，
１３……円形縁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２個の円形の縁を持つ環形隔壁を含み運転中
   に高圧流体と低圧流体の領域の間に介在する負荷
   配分部材であつて、該環形隔壁の形状は該高圧流
   体と低圧流体の領域の間に介在する時に概して円
   形断面の回転体である完全な薄肉のトロイドの一
   部分の形をなしており、該部分トロイドの軸線は
   前記円形縁の軸線と同軸であり、第１および第２
   のリング部材が前記円形縁に係合してその半径方
   向の拘束を与えて前記高圧流体および低圧流体の
   領域の間の流体圧力差のために前記隔壁により前
   記リング部材にかけられる力の半径方向成分がフ
   ープ応力として前記リング部材に吸収されるよう
   になつており、前記隔壁によつて前記リング部材
   の少くとも１個にかけられる力の軸方向成分を受
   持つために支持装置が前記リング部材の少くとも
   １個に取付けられ、該リング部材にかかる軸方向
   力の大きさと方向との配分が前記隔壁の部分トロ
   イド形の形状により予め決定されるようにされて
   いる、流体負荷配分部材。 ２ 前記円形縁の一つが係合する前記リング部材
   に前記隔壁によつてかけられる力が純粋に半径方
   向となるような位置に前記円形縁の一つが配置さ
   れ、前記円形縁のもう一つが係合するリング部材
   に前記隔壁によりかけられる力が半径方向と軸方
   向の両成分を持つような位置に前記もう一つの円
   形縁が配置されるように、前記環形隔壁が部分ト
   ロイド形状を有している、特許請求の範囲第１項
   に記載の負荷配分部材。 ３ 前記リング部材の一つは環形流体シールの一
   要素を支持し、該流体シールのもう一つの対応す
   る要素を支持するように遠隔構造が設けられ、前
   記隔壁により前記リング部材にかけられる力によ
   つて生ずる前記シール要素の軸方向のたわみが最
   少となるような位置に前記流体シール要素を支持
   する前記リング部材が配置されるように、前記部
   分トロイドの形状がとられている、特許請求の範
   囲第１項に記載の負荷配分部材。 ４ ２個の負荷配分部材であつて、相互に関連さ
   せて使用され、運転中に高圧流体と低圧流体の領
   域の間に介在する一個の室を画成し、前記高圧流
   体の領域よりも高い圧力を有する流体を含む領域
   に前記室の内部が連通していて、前記環形隔壁に
   係合するリング部材により前記支持部材にかけら
   れる力の軸方向成分の大きさと方向とが前記環形
   隔壁の部分トロイド形の形状により予め決定され
   た態様にて前記リング部材間に配分されるような
   配置をとつており、各々が特許請求の範囲第１項
   に記載の部材である２個の負荷配分部材。 ５ ガスタービンエンジンのタービンを構成する
   軸受を支持パネルの両側に前記部分トロイド形環
   形隔壁が１個ずつ、該軸受支持パネルを少くとも
   部分的に包んで該タービンと同軸となるように配
   置され、該タービンのケーシングと係合するよう
   に該タービン内に設けられた静翼の環状翼列の中
   に設けられる半径方向通路を通して延在するスポ
   ーク（輻）を前記軸受支持パネルが有しており、
   前記隔壁の半径方向内方リングは前記軸受支持パ
   ネルの半径方向内方部分に取付けられており、前
   記隔壁の半径方向外方リングは前記静翼の半径方
   向内方部分に取付けられて前記圧力の異る領域の
   間の圧力差のために前記隔壁にかかる負荷が前記
   隔壁の部分トロイド形の形状により予め決定され
   る態様にて前記軸受支持パネルと前記静翼との間
   に配分される、特許請求の範囲第４項に記載の２
   個の負荷配分部材。 ６ 前記リング部材はその関連する前記環形隔壁
   と一体である、特許請求の範囲第１項に記載の負
   荷配分部材。 ７ 前記負荷配分部材がガスタービンエンジンの
   一部を構成する、特許請求の範囲第１項に記載の
   負荷配分部材。