JPH10510022A - ガスタービンエンジンのフェザーシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 隣接するプラットフォーム（１６）は、相補的に設けられたスロット内に設けられたフェザーシール（３４）を有する。高温溝（４０）は、シールを通じて冷却空気を運んで、隣接するプラットフォームとの間のギャップに吐出させる。互いに隣りあう表面にそれぞれ設けられている溝の吐出口は、互い違いに配置されている。また、この溝の吐出方向は、タービンを流通する軸方向のガス流と平行な方向成分を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンエンジンのフェザーシール 技術分野 本発明は、高温のガスタービンエンジンに関し、主に、フェザーシールに隣接 した、弓形セグメント、例えばベーンプラットフォーム、シュラウドセグメント 、ロータブレード等の冷却に関する。 従来の技術 ガスタービンエンジンは、効率を最大化するために、極度の高温で動作するよ う設計されている。このような高温条件下では、使用されている材質が極限状態 にさらされる。従って、最適な動作及び設計を実現するには、使用されている種 々のコンポーネントの冷却方法を選択的に冷却することが必要となる。 圧縮機からの高圧の空気は、種々のコンポーネントを流通するように選択的に 誘導されて用いられる。このような冷却空気は、燃焼器をバイパスするので、ガ スタービンエンジンの効率を低下させる。従って、冷却空気の使用量は最低限に 抑えることが望ましい。 また、ガスタービンエンジンには、ガス流通路を画定するために複数の弓形の セグメントが用いられている部位が存在する。ベーンプラットフォームはその一 例である。これらのベーンプラットフォームは、熱膨張等による膨張時と常温時 との差を考慮し、単一の部材で構成するのではなく、複数のセグメントによって 構成する必要がある。 これらのセグメントは、セグメントの低温側に冷却空気を衝突させることで冷 却される。セグメントの接合部は、従来法においては、各セグメントにスロット を切り込んで、二つのセグメント間のこれらのスロットに薄い金属のフェザーシ ールを配置している。フェザーシールが配置されたスロットによって、セグメン トの内部から、低温の外側への熱の流路が分断される。従って、このフェザーシ ールが設けられた部位では、セグメントが十分には冷却されない。 上記のフェザーシールが設けられた部位のフェザーシール自身を冷却するため 、また、このセグメントの周囲の材質を冷却するために、上記フェザーシールが 設けられた部位を通じて選択的に冷却流を流通させるために、種々の設計がなさ れている。 このような冷却を行う場合でも、上述のように、ガスタービンエンジンの効率 を低下させないことが望ましい。 発明の概要 周方向に隣接して配置される複数のセグメント、例えばベーンプラットフォー ム等は、その一方の表面で高温のガス流と接触する。また、他方の表面は、冷却 空気流と接触される。各セグメントは、二つの側面を有し、互いに隣接するセグ メントにおいては、ギャップを介して上記側面どうしが隣りあうようになってい る。 隣接するセグメントの各側面には、スロットが相補的に設けられており、この スロットにはフェザーシールが配される。各スロットは、高温ガス側に面する高 温側の表面と、高温ガス側とは逆側に面する低温側表面とを有する。 高温側表面には、複数のホットグルーブ即ち高温溝が設けられており、この高 温溝は、冷却空気を流通させる流通路となり、各高温溝における上記ギャップに 面する吐出口は、隣接するセグメントの隣り合う表面における溝の吐出口と互い 違いとなるように配置される。このことにより、ギャップにおいて、隣接するセ グメントの吐出口からの冷却空気流どうしが直接ぶつかることはなくなり、その 結果空気流が乱されることもなくなる。また、上記各吐出口からの冷却空気流は 、隣接しているセグメント表面に衝突するので、一層効率的な冷却がなされる。 各溝におけるギャップ側への空気の吐出口は、その吐出方向が、タービンを軸 方向に流れるガス流の流通方向と平行な成分を有するようになっている。これに より、空気流の吐出方向がスムーズに遷移していくので、損失も小さく抑えられ る。好ましくは、低温側の表面にも複数の溝部を設け、この低温側の溝部を、高 温側の表面に設けられた溝部と流体的に連通させる。このような構成をとってい るので、隣接するセグメントの配列が径方向にずれたとしても、フェザーシール によってスロットの端部に対して空気流がブロックされることはなくなる。 更に、各溝部は、ギャップの方向とのなす角が４５°以下（あるいは未満）と なっており、溝部の長さが長くなり、かつ溝部に対するＬ／Ｄの値が高くなる。 これにより、冷却空気が溝を流通する際の対流冷却の効果が大きくなる。 図面の簡単な説明 図１は、隣接するベーンセグメントのを軸方向から示した説明図である。 図２は、互いに隣りあう二つの隣接ベーンセグメント部位を、内部から径方向 外側に向かって示した説明図である。 図３は、図２の３−３断面図である。 図４は、図２の４−４断面図である。 好適実施形態の詳細な説明 図１にガスタービンエンジン１０の一部を示す。このガスタービンエンジン１ ０の内部を軸方向へのガス流１２が流通する。このガスは、複数のベーン１４を 流通する。これら複数のベーンは、内部セグメント即ちブレードプラットフォー ム１６及び外部セグメント１８上に設けられている。これらのブレードを支持す る部位は、動作中に互いに相対的に熱膨張可能となるように、セグメント化され ている。 これらのセグメントは、ギャップ２０を介して互いに隣り合う。各セグメント には、薄いフレキシブルな金属シートであるフェザーシール（図示せず）を受容 するために、スロット２２がそれぞれ設けられている。各セグメントは、高温の ガス流１２と接触する第一の面２４を有する。また、各セグメントは、冷却空気 流２８と接触する、前記第一の面２４の反対側の面２６を有する。更に、各セグ メントは、二つの側面３０を有し、各セグメントの側面３０どうしは、互いにギ ャップ２０を介して隣り合っている。 図２に示されるように、各側面３０は、スロット２２を有し、こ のスロット２２内にはフェザーシール３４が配置されている。図３に示されるよ うに、各スロットは、高温側の表面３６と低温側の表面３８とを有する。溝部４ ０は、上記高温側の表面３６に設けられており、この溝部４０の吐出方向の成分 が、軸方向のタービンを流通するガス流１２の方向を向くようになっている。こ のフローは、溝部からギャップ２０に入り、このギャップをパージング即ち通過 して高温のガス流にスムーズに流入する。また、これらの溝部４０とギャップの 方向４２とのなす角は、４５°以下（または４５°未満）となっており、これに より溝４０が相対的に長くなる、または、Ｌ／Ｄ比が高くなる。このことによっ て、冷却空気がこの部分を流通して材質を冷却する際に対流冷却の効果が実質的 に大きくなる。 上記低温側の表面には、複数の溝部４６が設けられており、これらの溝部は、 屈曲部４８において、高温側の溝部４０と流体的に連通している。プラットフォ ームの配置が径方向にずれると、フェザーシール３４は、コーナー部分５０にお いてピンチ状態即ち前述のずれにより流路を塞ぐ状態となって、フローをブロッ クしうる（図３）。これらの溝部を設けたことにより、上述のようなフローをブ ロックする状態となることが回避される。何故なら、溝部はプラットフォームの 配置のずれによる影響は受けず、流路が常に確保されるからである。 フェザーシールと高温ガスとの間の部位の材質は、効率的に冷却がなされる。 流出するフローが、個々の冷却スロット間のプラットフォームに対して衝突する ことで、冷却効率が上昇する。また、吐出されるフローの方向成分が、軸方向の タービンのフローと平行に なっていることで、エネルギーの損失を抑えることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１月２９日 【補正内容】 これらのセグメントは、セグメントの低温側に冷却空気を衝突させることで冷 却される。セグメントの接合部は、従来法においては、各セグメントにスロット を切り込んで、二つのセグメント間のこれらのスロットに薄い金属のフェザーシ ールを配置している。フェザーシールが配置されたスロットによって、セグメン トの内部から、低温の外側への熱の流路が分断される。従って、このフェザーシ ールが設けられた部位では、セグメントが十分には冷却されない。 上記のフェザーシールが設けられた部位のフェザーシール自身を冷却するため 、また、このセグメントの周囲の材質を冷却するために、上記フェザーシールが 設けられた部位を通じて選択的に冷却流を流通させるために、種々の設計がなさ れている。 このような冷却を行う場合でも、上述のように、ガスタービンエンジンの効率 を低下させないことが望ましい。 ＧＢ−Ａ−２，２３９，６７９号公報には、隣接するセグメント（１６）間の 相補的な各スロット内にシーリング部材（４０）が挿入された構成が開示されて おり、上記のスロット（３０）の冷却空気側では、上記シーリング部材（４０） の下方に、多数の長手方向に離間した溝（３８）が設けられている。この構成に よって、前記スロット（３０）の冷却空気側からの、前記隣接するセグメント間 のギャップに垂直な冷却空気通路が形成される。 発明の概要 周方向に隣接して配置される複数のセグメント、例えばベーンプラットフォー ム等は、その一方の表面で高温のガス流と接触する。 また、他方の表面は、冷却空気流と接触される。各セグメントは、二つの側面を 有し、互いに隣接するセグメントにおいては、ギャップを介して上記側面どうし が隣りあうようになっている。 隣接するセグメントの各側面には、スロットが相補的に設けられており、この スロットにはフェザーシールが配される。各スロットは、高温ガス側に面する高 温側の表面と、高温ガス側とは逆側に面する低温側表面とを有する。 高温側表面には、複数のホットグルーブ即ち高温溝が設けられており、この高 温溝は、冷却空気を流通させる流通路となり、各高温溝における上記ギャップに 面する吐出口は、隣接するセグメントの隣り合う表面における溝の吐出口と互い 違いとなるように配置される。このことにより、ギャップにおいて、隣接するセ グメントの吐出口からの冷却空気流どうしが直接ぶつかることはなくなり、その 結果空気流が乱されることもなくなる。また、上記各吐出口からの冷却空気流は 、隣接しているセグメント表面に衝突するので、一層効率的な冷却がなされる。 各溝におけるギャップ側への空気の吐出口は、その吐出方向が、タービンを軸 方向に流れるガス流の流通方向と平行な成分を有するようになっている。これに より、空気流の吐出方向がスムーズに遷移していくので、損失も小さく抑えられ る。好ましくは、低温側の表面にも複数の溝部を設け、この低温側の溝部を、高 温側の表面に設けられた溝部と流体的に連通させる。このような構成をとってい るので、隣接するセグメントの配列が径方向にずれたとしても、フェザーシール によってスロットの端部に対して空気流がブロックさ れることはなくなる。 更に、各溝部は、ギャップの方向とのなす角が４５°以下（あるいは未満）と なっており、溝部の長さが長くなり、かつ溝部に対するＬ／Ｄの値が高くなる。 これにより、冷却空気が溝を流通する際の対流冷却の効果が大きくなる。 本発明によれば、軸方向にガス流が流通するガスタービンエンジンにて、周方 向に隣接する複数のセグメントを有し、各セグメントは、高温ガス流と接触する 第一の表面と、冷却空気が供給されて接触する、他方の表面とを備え、更に、前 記各セグメントは二つの側面を備えて、これらの側面は、隣接するセグメントど うしでギャップを介して隣り合っており、前記隣接するセグメントの各側面に相 補的に設けられたスロットを有し、各スロットは、高温側の表面と低温側の表面 とをそれぞれ備え、前記隣接するセグメント間に相補的に設けられたスロット内 に配置されたフェザーシールを有する装置が提供される。 さらに、この装置は、 前記各高温側の表面に設けられた複数の高温溝部を有し、 前記各溝部の前記ギャップへの吐出口は、前記隣接するセグメントの隣り合う 表面における溝部の吐出口に対して、互いに食い違う位置に配置されている。 上記のように吐出口が互い違いに配置されていることにより、ギャップを隔て て隣接している吐出口どうしからは、高温の溝部からのギャップへと、冷却空気 が互い違いに吹き出されるようになっている。 本発明の一形態によれば、各溝部における吐出方向は、前記軸方向のガス流と 平行な方向の成分を有することを特徴とする装置が提供される。 本発明の他の形態によれば、前記低温側の表面には、前記高温側の表面に設け られた前記溝部と流体的に連通した複数の溝部が設けられていることを特徴とす る装置が提供される。 本発明のさらに他の形態によれば、各溝部における吐出方向は、前記軸方向の ガス流と平行な方向の成分を有し、なおかつ、前記低温側の表面には、前記高温 側の表面に設けられた前記溝部と流体的に連通した複数の溝部が設けられている ことを特徴とする装置が提供される。 本発明の更に他の形態によれば、前記各高温溝部は、前記ギャップの方向との なす角が４５°未満であることを特徴とする装置が提供される。 図面の簡単な説明 図１は、隣接するベーンセグメントのを軸方向から示した説明図である。 図２は、互いに隣りあう二つの隣接ベーンセグメント部位を、内部から径方向 外側に向かって示した説明図である。 図３は、図２の３−３断面図である。 図４は、図２の４−４断面図である。 好適実施形態の詳細な説明 図１にガスタービンエンジン１０の一部を示す。このガスタービンエンジン１ ０の内部を軸方向へのガス流１２が流通する。このガスは、複数のベーン１４を 流通する。これら複数のベーンは、内部セグメント即ちブレードプラットフォー ム１６及び外部セグメント１８上に設けられている。これらのブレードを支持す る部位は、動作中に互いに相対的に熱膨張可能となるように、セグメント化され ている。 これらのセグメントは、ギャップ２０を介して互いに隣り合う。各セグメント には、薄いフレキシブルな金属シートであるフェザーシール（図示せず）を受容 するために、スロット２２がそれぞれ設けられている。各セグメントは、高温の ガス流１２と接触する第一の面２４を有する。また、各セグメントは、冷却空気 流２８と接触する、前記第一の面２４の反対側の面２６を有する。更に、各セグ メントは、二つの側面３０を有し、各セグメントの側面３０どうしは、互いにギ ャップ２０を介して隣り合っている。 図２に示されるように、各側面３０は、スロット２２を有し、こ 請求の範囲 １．軸方向にガス流が流通するガスタービンエンジン（１０）に用いられる装 置であって、 周方向に隣接する複数のセグメント（１８）を有し、各セグメント（１８）は 、高温ガス流（１２）と接触する第一の表面（２４）と、冷却空気（２８）が供 給されて接触する他方の表面（２６）とを備え、更に、前記各セグメント（１８ ）は二つの側面（３０）を備えて、これら各側面（３０）は、隣接するセグメン ト（１８）の前記側面（３０）と、ギャップ（２０）を介して隣り合っており、 前記側面（３０）は、隣接するセグメント（１８）の各側面（３０）には、互 いに相補的にスロット（２２）が設けられており、各スロット（２２）は、高温 側の表面（３６）と低温側の表面（３８）とをそれぞれ備え、 前記隣接するセグメント間（１８）に相補的に設けられたスロット（２２）内 に配置されたフェザーシール（３４）有するものにおいて、 前記スロット（２２）の各高温側表面（３６）の表面に設けられた複数の高温 溝部（４０）を有し、前記各溝部（４０）は、前記ギャップ（２０）への吐出口 を有し、この吐出口は、前記隣接するセグメント（１８）の隣り合う表面におけ る溝部の吐出口に対して、互いに食い違う位置に配置されており、動作時には、 各高温溝部（４ ０）から前記ギャップ（２０）へと吐出される冷却空気と、前記隣接するセグメ ント（１８）の高温溝部（４０）から吐出される冷却空気とが、互い違いに吐出 されることを特徴とするガスタービンエンジン。 ２．各高温溝部（４０）における吐出方向は、前記軸方向のガス流（１２）と 平行な方向の成分を有することを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記低温側の表面（３８）には、前記高温側の表面（３６）に設けられた 前記高温溝部（４０）と流体的に連通した複数の溝部（４６）が設けられている ことを特徴とする請求項１記載の装置。 ４．前記各高温溝部（４０）は、前記ギャップ（２０）の方向（４２）とのな す角が４５°未満であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ５．前記低温側の表面（３８）には、前記高温側の表面（３６）に設けられた 前記高温溝部（４０）と流体的に連通した複数の溝部（４０）が設けられている ことを特徴とする請求項２記載の装置。 ６．前記各高温溝部は、前記ギャップ（２０）の方向（４２）と のなす角が４５°未満であることを特徴とする請求項２記載の装置。 ７．前記各高温溝部（４０）は、前記ギャップ（２０）の方向（４２）とのな す角が４５°未満であることを特徴とする請求項３記載の装置。 ８．前記各高温溝部（４０）は、前記ギャップ（２０）の方向（４２）とのな す角が４５°未満であることを特徴とする請求項５記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲイツ，ロジャー カナダ，ケベック エイチ３エックス ２ アール２，モントリオール，マクリーン 5880

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．軸方向にガス流が流通するガスタービンエンジンにて、周方向に隣接する 複数のセグメントを有し、各セグメントは、高温ガス流と接触する第一の表面と 、冷却空気が供給されて接触する第二の表面とを備え、更に、前記各セグメント は二つの側面を備えて、これらの側面は、隣接するセグメントどうしでギャップ を介して隣り合っており、 前記隣接するセグメントの各側面に相補的に設けられたスロットを有し、各ス ロットは、高温側の表面と低温側の表面とをそれぞれ備え、 前記隣接するセグメント間に相補的に設けられたスロット内に配置されたフェ ザーシールと、 前記各高温側の表面に設けられた複数の高温溝部と、を有し、 前記各溝部は、前記ギャップへの吐出口は、前記隣接するセグメントの隣り合 う表面における溝部の吐出口に対して、互いに食い違う位置に配置されているこ とを特徴とする装置。 ２．各溝部における吐出方向は、前記軸方向のガス流と平行な方向の成分を有 することを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記低温側の表面には、前記高温側の表面に設けられた前記溝部と流体的 に連通した複数の溝部が設けられていることを特徴と する請求項１記載の装置。 ４．前記各高温溝部は、前記ギャップの方向とのなす角が４５°未満であるこ とを特徴とする請求項１記載の装置。 ５．前記低温側の表面には、前記高温側の表面に設けられた前記溝部と流体的 に連通した複数の溝部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の装置。 ６．前記各高温溝部は、前記ギャップの方向とのなす角が４５°未満であるこ とを特徴とする請求項２記載の装置。 ７．前記各高温溝部は、前記ギャップの方向とのなす角が４５°未満であるこ とを特徴とする請求項３記載の装置。 ８．前記各高温溝部は、前記ギャップの方向とのなす角が４５°未満であるこ とを特徴とする請求項５記載の装置。