JP2007298033A - ガスタービンエンジンのためのシール組立体及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】固定ステータ部材（１０２）と回転部材（１０４）とを備えたガスタービンエンジン（１０）用のシール組立体（１００）を提供する。
【解決手段】本シール組立体は、一次シール組立体（１０６）と二次シール組立体（１０８）とを含み、一次シール組立体は、少なくとも１つのキースロット（１１８）を備えた可動ステータ部材（１１０）と、少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも１つのキー（１１６）を備えた少なくとも１つの付勢部材（１１４）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンで使用するシール組立体に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、作動中にエンジンを通って流れる大量の流体を有する。シール組立体は、より高い圧力の領域からより低い圧力の領域への流体流を制限することによってエンジン内の流体漏洩を制御する。シール組立体は、エンジン固定部材とエンジン内部の回転部材との間に配置することができる。さらに、シールは、構成部品間に形成された隙間内に存在する可能性がある過渡変動を吸収するのを可能にする。

ガスタービンエンジンシール組立体を通り抜ける流体漏洩は、燃料消費量を増大させ、エンジン効率に悪影響を与えるおそれがある。加えて、流体漏洩は、他の構成部品に損傷を引き起こしかつ／又はエンジン保守整備費用全体を増加させるおそれがある。シール組立体の位置及び／又は作動環境のために、少なくとも幾つかの公知のシール組立体は、時間の経過と共に劣化するおそれがある。

高圧及び低圧領域間に形成された隙間をシールするのを可能にするために、例えば米国特許第５，２８４，３４７号に記載されたシール組立体のような少なくとも幾つかの公知のシール組立体は、アスピレーションエアを使用して漏洩を制御している。アスピレーションエアは、回転部材が固定部材と接触するのを防止して、シール組立体の寿命にわたってシールの劣化が殆どないか又は全くない状態で回転及び固定部材間に形成された隙間における過渡変動を吸収するのを可能にする。しかしながら、多数のシール組立体構成部品のために、そのようなシール組立体は、エンジン内に取り付けるのが複雑になる可能性があり、またそのような組立体の重量は、エンジン性能に悪影響を与える可能性がある。さらに、多数のシール組立体構成部品のために、そのようなシール組立体の作動効率は、回転及び固定部材間の公差に左右される可能性がある。
米国特許第５，２８４，３４７号公報 米国特許第３，３８３，０３３号公報 米国特許第４，３７５，８９１号公報 米国特許第４，９１６，８９２号公報 米国特許第５，１７４，５８４号公報 米国特許第５，５９３，１６５号公報 米国特許第５，９７５，５３７号公報 米国特許第６，１４５，８４０号公報 米国特許第６，６７６，３６９Ｂ２号公報 米国特許第６，７１９，２９６Ｂ２号公報 米国特許第６，７５８，４７７Ｂ２号公報 米国特許第６，９３２，５６７Ｂ２号公報

１つの態様では、固定ステータ部材と回転部材とを備えたガスタービンエンジン用のシール組立体を提供する。本シール組立体は、一次シール組立体と二次シール組立体とを含む。一次シール組立体は、少なくとも１つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも１つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも１つのキーを含む。

別の態様では、固定ステータ部材と回転部材とシール組立体とを含むガスタービンエンジンを提供する。シール組立体は、一次シール組立体と二次シール組立体とを含む。一次シール組立体は、少なくとも１つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも１つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも１つのキーを含む。少なくとも１つのキーは、少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする。シール組立体は、固定ステータ部材と回転部材との間をシールするのを可能にする。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン内にシール組立体を組み立てる方法が開示される。この方法は、回転部材を備えたガスタービンエンジンに対して固定ステータ部材を結合する段階と、固定ステータ部材に対して一次シール組立体と二次シール組立体とを結合する段階とを含み、一次シール組立体は、少なくとも１つのキースロットを備えた可動ステータ部材と少なくとも１つの付勢部材とを含む。付勢部材は、少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されてガスタービンエンジンに対して一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも１つのキーを含む。本シール組立体は、固定ステータ部材と回転部材との間をシールするのを可能にする。

本明細書では、本発明をガスタービンエンジンにおけるタービンに対する圧縮機のインタフェース部に関連して説明しかつ図示しているが、本発明は、ガスタービンエンジン内の全体的に高圧のあらゆる領域とより低圧のあらゆる領域との間でのあらゆる流体の漏洩を制御するのを可能にするために使用することができることを理解されたい。

図1は、ファン組立体１２と圧縮機１４と燃焼器１６とを備えたガスタービンエンジン１０の概略図である。１つの実施形態では、圧縮機１４は、高圧圧縮機である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と低圧タービン２０とを含む。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＣＦＭ５６型エンジンである。

作動中、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が圧縮機１４に供給される。加圧空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からのガス流はタービン１８及び２０を駆動し、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０内で使用することができる例示的なシール組立体１００の断面図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、フレーム１０３に結合された固定ステータ部材１０２と、回転部材１０４とを含む。フレーム１０３は、回転軸線（図２には図示せず）の周りに配置された固定円周方向部材である。１つの実施形態では、フレーム１０３は、ガスタービンエンジン１０のケーシングの一部である。エンジン１０を通って空気が流れるので、フレーム１０３は、流路空気を収容するのに役立つように構成される。さらに、固定ステータ部材１０２は、ガスタービンエンジン１０の回転軸線の周りに配置された固定円周方向部材である。１つの実施形態では、固定ステータ部材１０２は、フレーム１０３にボルト止めされる。１つの実施形態では、回転部材１０４は、エンジン１０内に回転可能に結合されて回転軸線の周りで回転するロータである。

この例示的な実施形態では、シール組立体１００は、その各々がガスタービンエンジン１０の回転軸線に対してほぼ同心に位置合わせされた一次シール組立体１０６と二次シール組立体１０８とを含む。一次シール組立体１０６は、可動ステータ部材１１０を含む。可動ステータ部材１１０はまた、少なくとも１つのキースロット１１８を含む。この例示的な実施形態では、可動ステータ部材１１０は、少なくとも３つのキースロット１１８を含む。可動ステータ部材１１０もまた、ガスタービンエンジン１０の回転軸線の周りに配置された円周方向部材である。この例示的な実施形態では、可動ステータ部材１１０は、固定ステータ部材１０２の内部に配置される。一次シール組立体１０６はまた、少なくとも１つの付勢部材１１４を含む。この例示的な実施形態では、一次シール組立体１０６は、少なくとも３つの付勢部材１１４を含む。付勢部材１１４は、少なくとも１つのキー１１６と、付勢機構１２０と、ハウジング１２２とを含む。この例示的な実施形態では、ハウジング１２２は、該ハウジングが固定状態になるように固定ステータ部材１０２にボルト止めされる。さらに、この例示的な実施形態では、固定ステータ部材１０２は、該固定ステータ部材１０２の円周に沿って間隔を置いて配置された少なくとも３つのハウジング１２２を含む。付勢機構１２０はハウジング１２２内に内蔵され、キー１１６が、ハウジング１２２から半径方向外向きに延びる。キー１１６は、ハウジング１２２と一体形に形成される。この例示的な実施形態では、付勢機構１２０はスプリングであり、ハウジング１２２はスプリングカートリッジである。

可動ステータ部材１１０は、キースロット１１８を含む。この例示的な実施形態では、キースロット１１８は、可動ステータ部材１１０内に機械加工される。さらに、この例示的な実施形態では、可動ステータ部材１１０は、キー１１６の数に等しい数のキースロット１１８を含む。具体的には、キースロット１１８は、ある距離だけ延び、その中にキー１１６の一部分を受けるような寸法にされる。より具体的には、下記でより詳細に述べるように、キー１１６は、作動中に該キー１１６がキースロット１１８の距離の一部分に沿って移動可能になるようにキースロット１１８内に摺動可能に結合される。キー１１６は、キースロット内で移動して、可動ステータ部材を移動させるのを可能にする。さらに、キー１１６は、ガスタービンエンジン１０に対して一次シール組立体１０６及び二次シール組立体１０８を位置合わせするのを可能にする。

可動ステータ部材１１０はまた、シール面１２４と該シール面１２４から外向きに延びる複数の歯１２６とを含む。この例示的な実施形態では、シール面１２４は、回転部材１０４の回転部材表面１２５とほぼ平行である。より具体的には、シール面１２４は、回転部材１０４からある間隔１２３だけ離れている。可動ステータ部材１１０はまた、その中に形成されかつシール面１２４を貫通して延びるように該シール面１２４内に配置された開口部１２７を含む。この例示的な実施形態では、開口部１２７は、回転部材表面１２５に対してほぼ垂直に配向される。下記でより詳細に述べるように、開口部１２７は、複数の歯１２６と回転部材１０４との間の接触を防止するのを可能にする。可動ステータ部材１１０はさらに、該ステータ部材１１０を貫通して延びる複数の半径方向開口部１３４を含む。この例示的な実施形態では、半径方向開口部１３４は、回転部材表面１２５にほぼ平行である。さらに、この例示的な実施形態では、半径方向開口部１３４は、開口部１２７間を横切る。

可動ステータ部材１１０はまた、その中に二次シール組立体１０８の少なくとも一部分を受けるような寸法にされたヨーク１３０を含む。より具体的には、二次シール組立体は、ヨーク１３０内に受けられたシール１２８を含む。この例示的な実施形態では、シール１２８は、ピストンリングシールである。別の実施形態では、シール１２８は、固定ステータ部材１０２によって保持することができる。

作動中に、冷却空気及び／又は流体は、ガスタービンエンジン１０を通って流れる。エンジン１０が作動中である時には、高圧空気が、エンジン１０を通って前方から後方に流れる。高圧圧縮機１４から吐出された高加圧空気の一部分は、冷却流体として使用するためにシール組立体１００に向って導かれる。シール組立体１００は、ガスタービンエンジン１０内でのより高圧の領域１３７からより低圧の領域１４０への流体流を実質的に制御するのを可能にする。より高圧領域１３７とより低圧領域１４０との間の圧力差により、シール組立体１００を通り抜ける流れが発生する。

付勢機構１２０は、回転部材１０４から離れる方向に可動ステータ部材１１０を付勢する。可動ステータ部材１１０は、ハウジング１２２、固定ステータ部材１０２及びフレーム１０３に対して前方及び後方に滑動する。ガスタービンン１０の作動中には、高圧空気の一部分は、固定ステータ部材１０２と可動ステータ部材１１０との間に形成された領域１３８内に流入することになる。高圧空気は、可動ステータ部材１１０上に圧力を加えて、付勢機構１２０によって加えられた付勢力に抗してまた打ち勝つようにキースロット１１８内でかつ回転部材１０４に向って可動ステータ部材１１０を移動させる。具体的には、作動中には、キー１１６は、キースロット１１８が可動ステータ部材１１０の移動量を制限しかつ固定ステータ部材１０２、ハウジング１２２及びフレーム１０３に対する可動ステータ部材１１０の回転方向、円周方向及び／又は半径方向の移動を防止するように、キースロット１１８内で平行移動する。キースロット１１８はまた、ガスタービンエンジン１０に対して一次シール及び二次シール組立体１０６及び１０８を位置合わせするのを可能にする。

加えて、作動中には、高圧空気の一部分は、開口部１２７を通って流れる。この例示的な実施形態では、開口部１２７は、複数の供給開口部である。開口部１２７は、該開口部１２７と回転部材表面１２５との間に高圧フィルム又は空気ベアリングを形成する。空気ベアリングは、可動ステータ部材１１０が回転部材１０４に接触するのを防止する。

空気は開口部１２７を通って流れた後に、該空気は、より低圧の領域１４０に流出する。また、空気の一部分は、シール歯１２６を通過して漏洩する可能性がある。シール歯１２６を通過して漏洩した空気及び開口部１２７から流出した空気は、半径方向開口部１３４を通ってより低圧の領域１４０に流れる。さらに、二次シール組立体１０８は、可動ステータ部材１１０と固定ステータ部材１０２との間の高圧空気の漏洩を防止する二次シールを形成する。

ガスタービンエンジン１０が作動中でない時には、付勢機構１２０の付勢力は、回転部材１０４から離れる方向に可動ステータ部材１１０を移動させかつ該可動ステータ部材１１０を保持して部材１０４及び１１０間の接触を防止するように該可動ステータ部材１１０を押圧する。

ガスタービンエンジン１０の組立時に、固定ステータ部材１０２は、回転部材１０４の近傍でガスタービンエンジン１０のフレーム１０３に結合される。ハウジング１２２は、固定ステータ部材１０２に結合される。可動ステータ部材１１０は、固定ステータ部材１０２に結合されかつ該固定ステータ部材１０２の内部に配置される。キー１１６は、少なくとも部分的にキースロット１１８内に配置されかつキースロット１１８内で移動する。付勢機構１２０は、ハウジング１２２内に結合されかつ配置される。

上記のシール組立体は、可動ステータ部材を含む一次シール組立体と、二次シール組立体とを含む。可動ステータ部材は、回転部材と固定エンジンフレームとの間の漏洩を減少させるのを可能にする。その結果、エンジンは、より効率的に作動する。さらに、上記のシール組立体は、幾つかの公知のシール組立体よりも著しく少ない数の構成部品を含む。より少ない数の構成部品により、そのようなシールは、取り付けるのが安価になり、公知のシール組立体よりも製造するのが容易であり、保守整備の量及び費用が低減され、公知のシール組立体よりも信頼性がより高くなり、かつ重量もより軽量になる。シール組立体の重量は、エンジン性能に悪影響を与えるおそれがある。

以上、シール組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本シール組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態で使用することに限定されるものではなく、むしろ、本シール組立体は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、本発明は、上に詳細に説明したシール組立体の実施形態に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で、シール組立体の他の変形形態を利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的なシール組立体の断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
１００ シール組立体
１０２ 固定ステータ部材
１０３ フレーム
１０４ 回転部材
１０６ 一次シール組立体
１０８ 二次シール組立体
１０９ 中心線
１１０ 可動ステータ部材
１１４ 付勢部材
１１６ キー
１１８ キースロット
１２０ 付勢機構
１２２ ハウジング
１２３ 間隔
１２４ シール面
１２６ 複数の歯
１２７ 開口部
１２８ シール
１３０ ヨーク
１３４ 半径方向開口部
１３７ 領域
１３８ 領域

Claims (10)

1. 固定ステータ部材（１０２）と回転部材（１０４）とを備えたガスタービンエンジン（１０）用のシール組立体（１００）であって、
   一次シール組立体（１０６）と、
   二次シール組立体（１０８）と、
   を含み、前記一次シール組立体が、
   少なくとも１つのキースロット（１１８）を備えた可動ステータ部材（１１０）と、
   前記少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されて前記ガスタービンエンジンに対して前記一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にする少なくとも１つのキー（１１６）を備えた少なくとも１つの付勢部材（１１４）と、を含む、
   シール組立体（１００）。
2. 前記一次シール組立体（１０６）が、少なくとも３つの付勢部材（１１４）をさらに含み、
   前記少なくとも３つの付勢部材が各々、付勢機構（１２０）とハウジング（１２２）とをさらに含み、
   前記付勢機構が、前記ハウジング内に内蔵される、
   請求項１記載のシール組立体（１００）。
3. 前記少なくとも１つのキー（１１６）が、前記ハウジング（１２２）からほぼ半径方向外向きに延び、
   前記少なくとも１つのキーが、前記一次及び二次シール組立体（１０６、１０８）間の回転方向位置合わせを可能にする、
   請求項２記載のシール組立体（１００）。
4. 該シール組立体が、前記固定ステータ部材（１０２）と前記回転部材（１０４）との間をシールするのを可能にする、請求項１記載のシール組立体（１００）。
5. 前記可動ステータ部材（１１０）が、少なくとも３つのキースロット（１１８）をさらに含み、
   前記少なくとも３つのキースロットが、前記固定ステータ部材（１０２）に対する前記可動ステータ部材の軸方向及び回転方向移動を制限するのを可能にする、
   請求項１記載のシール組立体（１００）。
6. 前記可動ステータ部材（１１０）が、それから外向きに延びる複数の歯（１２６）を備えたシール面（１２４）をさらに含み、
   前記シール面が、それを貫通して延びる開口部（１２７）をさらに含み、
   前記開口部が、前記可動ステータ部材と前記回転部材（１０４）との間の接触を防止するのを可能にする、
   請求項１記載のシール組立体（１００）。
7. 前記二次シール組立体（１０８）が、ピストンリングシール（１２８）を含み、
   前記可動ステータ部材が、ヨーク（１３０）を含み、
   前記ヨークが、その中に前記ピストンリングシールを受けるような寸法にされる、
   請求項１記載のシール組立体（１００）。
8. ガスタービンエンジン（１０）であって、
   固定ステータ部材（１０２）と、
   回転部材（１０４）と、
   一次シール組立体（１０６）及び二次シール組立体（１０８）を備えたシール組立体（１００）と、
   を含み、前記一次シール組立体が、
   少なくとも１つのキースロット（１１８）を備えた可動ステータ部材（１１０）と、
   少なくとも１つのキー（１１６）を備えた少なくとも１つの付勢部材（１１４）と、を含み、
   前記少なくとも１つのキーが、前記少なくとも１つのキースロット内に摺動可能に結合されて該ガスタービンエンジンに対して前記一次シール組立体及び二次シール組立体を位置合わせするのを可能にし、
   前記シール組立体が、前記固定ステータ部材と前記回転部材との間をシールするのを可能にする、
   ガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記可動ステータ部材（１１０）が、シール面（１２４）と前記シール面から外向きに延びる複数の歯（１２６）とをさらに含む、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記可動ステータ部材（１１０）が、それを貫通して延びる開口部（１２７）を含み、
    前期開口部が、前記回転部材（１０４）と前記固定ステータ部材（１０２）との間の接触を防止するのを可能にする、
    請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。

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