JPS6253696B2 - - 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に係り、更に詳
細にはガスタービンエンジンのタービンケース内
の冷却キヤビテイのためのシール部材に係る。

ガスタービンエンジンは圧縮セクシヨンと燃焼
セクシヨンとタービンセクシヨンとを有してい
る。ロータがタービンセクシヨンを貫通して軸線
方向に延在している。一列のロータブレードがロ
ータより半径方向外方へ延在している。ステータ
がロータを囲繞しており、エンジンケースとアウ
タエアシールと数列のステータベーンとを含んで
いる。エンジンケースはアウタエアシール及びス
テータベーンを位置決めし且つ支持している。ア
ウタエアシールはロータブレードの列より半径方
向に隔置されてロータブレードとの間に先端部間
隙を形成している。作動媒体ガスが圧縮セクシヨ
ンに於いて加圧され、燃焼セクシヨンに於いて燃
料と共に燃焼され、タービンセクシヨンに於いて
膨張される。燃焼セクシヨンよりタービンセクシ
ヨンへ吐出する作動媒体ガスの温度はしばしば
1400℃以上となる。

タービンセクシヨンに流入する高温のガスはタ
ービンブレードやエンジンケースに熱を奪われ
る。エンジンケースの加熱を制御しなければ、ア
ウタエアシールがエンジンケースの直径の増大と
共に半径方向外方へ変位するのでエンジン効率が
低下する。

最近のエンジンに於いては、エンジンケースよ
り熱を除去すべく、冷却空気が通路及び冷却空気
室を経てエンジンケースの内面上に流される。エ
ンジンケースは夫々の冷却室の外壁を形成してい
る。夫々の冷却空気室は熱がエンジンケースに伝
達するのを抑制する内壁を有している。高温のガ
スに面する内面を有するかかる内壁はアウタケー
スの一部を輻射熱より遮蔽する。かかる内壁は高
温のガスがアウタケースの一部に接触するのを阻
止しまた冷却空気が高温ガス流路内へ流入するの
を阻止する働きをなす。

米国特許第3730640号は、リングの外面がエン
ジンケースの内面と共働して冷却キヤビテイを構
成する構造の代表的なものである。この特許に於
けるリングはＺ形の内壁を構成している。この米
国特許に於いては冷却空気はＺ形リング上のフラ
ンジとエンジンケース上のフランジとの間を流れ
て冷却キヤビテイ内に流入するようになつてい
る。冷却空気は冷却キヤビテイより流出して下流
側フランジに形成された孔を経て下流側の位置へ
流れる。前述の米国特許は特に内壁を経て冷却空
気が漏洩することに関するものではない。冷却空
気はＺ形リングを経てそのＺ形リングの外面とベ
ーンプラツトフオームの内面とにより形成された
冷却空気キヤビテイへ流れる。またこの米国特許
第3730640号はリングと上流側フランジとの間及
びリングと下流側フランジとの間に気密シールを
形成しようとするものではない。

米国特許第3992126号に於いては、環状の空気
キヤビテイが変形可能なリングとアウタケースと
により形成されている。変形可能なリングは内壁
として作用する。冷却空気はベーンプラントフオ
ームの下方に於いて且つ隣接するベーン間に於い
てリングに形成されたオリフイスを経て冷却空気
室より流出するようになつている。このリングは
エンジンケースより半径方向内方へ延在する上流
側フランジ及びエンジンケースより半径方向内方
へ延在する下流側フランジに係合するようになつ
ている。エンジンケースを加熱することの他に高
温のガスは他の問題も惹起す。作動媒体ガスがタ
ービンセクシヨンを経て膨張すると、そのガスは
ベーンに不均一な空気力学的力を及ぼす。これら
の力はターボマシンの高速運転中に於けるベーン
振動の主要な原因である。かかる振動及び力はベ
ーン内に高い応力を発生することがあり、このこ
とにより究極的には疲労破壊を生ずることがあ
る。

多くのエンジンに於いてはかかる振動を減衰す
べく振動減衰装置が使用されている。米国特許第
3326523号は減衰装置がベーンのベース部に係合
して振動を減衰する構造の代表的なものである。
この米国特許に於ける発明に於いては、あり溝形
の円弧状溝内に装着されたばね部材が採用されて
いる。米国特許第3730640号に於いては、アウタ
エアシールとして作用する周縁方向に延在するリ
ングを位置決めし且つ減衰する周縁方向に延在す
るばねが採用されている。かかる振動減衰装置を
使用すればベーンの疲労寿命が増大する。

冷却空気を使用してエンジンケースの温度を低
下することにより、疲労寿命、耐クリープ性、エ
ンジンケースの性能等が向上するが、それでも問
題は残る。即ちブレード先端部間隙の制御を改善
することにより得られるエンジン性能の向上は冷
却空気を使用することによつて減殺される。従つ
て科学者やエンジニアは、向上したシール効果、
充分な疲労寿命、ベーン振動を減衰する能力等を
有する冷却空気室のためのシールリングを設計す
る研究を行なつている。

本発明の一つの主要な目的は、軸流型回転機械
に於いて一列のステータベーンの一部とアウタケ
ースとの間に周縁方向に延在するシール構造体の
シール効果を増大させることである。本発明の他
の一つの目的は、ベーン列の振動を減衰すること
である。本発明の更に他の一つの目的は、シール
構造体の充分な疲労寿命を保障することである。

本発明によれば、金属リングが一列のステータ
ベーンの一部を囲繞しており、ベーンとアウタケ
ースとにより軸線方向に圧縮されてアウタケース
との間にシールを与えている。

本発明の一つの主要な特徴は、上流側脚部と下
流側脚部とを有する金属リングである。この金属
リングは半径方向に延在する中央セクシヨンを有
している。本発明の他の一つの特徴は、アウタケ
ースを軸線方向に押圧するシール構造体の上流側
端部である。下流側端部はステータベーンの列を
軸線方向に押圧する。一つの実施例に於いては、
上流側脚部はベーンの列を半径方向に押圧し、ま
たアウタケースを半径方向及び軸線方向に押圧す
る。

本発明の一つの主要な利点は、冷却空気がガス
流路内に半径方向に漏洩するのを阻止する有効な
シール（金属リングとアウタケースとが確実に接
触することにより得られる）である。振動の減衰
が金属リングとベーンとが確実に接触することに
より得られる。充分な疲労寿命が可撓性を有する
中央セクシヨンにより保障される。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

添付の第１図は本発明によるターボフアンガス
タービンエンジンの実施例が図示されている。こ
のエンジンの主要部分は圧縮セクシヨン１０と燃
焼セクシヨン１２とタービンセクシヨン１４とを
含んでいる。タービンセクシヨン１４はロータ組
立体１６とステータ組立体１８とを含んでいる。
ロータ組立体１６は半径方向外方へ延在する複数
個のロータブレード２０を有している。ステータ
組立体１８はエンジンケース２２を含んでいる。
一つのベーン２４により示されている如き第一の
列のステータベーンの如く複数個のステータベー
ンがロータブレードの上流側に於いてエンジンケ
ース２２に固定されている。一つのベーン２６に
より表わされている如き第二の列のステータベー
ンの如く複数個のステータベーンがロータブレー
ド２０の下流側に於いてエンジンケース２２に固
定されている。作動媒体ガスの為の流路２８がベ
ーン及びブレードの交互の列を貫通して延在して
いる。

第２図はエンジンケース２２の一部及び第一列
のステータベーンのベーン２４のうちの一つを示
す解図的拡大断面図である。上流側フランジ３０
及び下流側フランジ３２がアウタケースより内方
へ延在している。上流側フランジ３０はエンジン
ケースの周りに周縁方向に延在しており、空気孔
３４により示されている如く複数個の冷却空気孔
を有している。下流側フランジ３２はエンジンケ
ースの周りに周縁方向に延在しており、溝３６に
より表わされている如き複数個の冷却空気溝を有
している。それぞれのステータベーンはプラツト
フオーム３８と、上流側フツト部４０と下流側フ
ツト部４２とを有している。上流側フランジ３０
は上流側フツト部４０を受けるよう構成された周
縁方向に延在する溝４４を有している。下流側フ
ランジ３２は下流側フツト部４２を受けるよう構
成された周縁方向に延在する溝４６を有してい
る。Ωの形状を有するリング４８がエンジンの内
側の周りに周縁方向に延在しており、アウタケー
スとその列のステータベーンとの間に冷却室５０
を構成している。このリング４８は周縁方向に連
続的であつて良く、或いは周縁方向に延在する複
数個のセグメントにて形成されても良い。又この
リング４８は可撓性を有する中央セクシヨン５２
と上流側脚部５４と下流側脚部５６とを有してい
る。可撓性を有する中央セクシヨン５２は凹側と
凸側とを有する湾曲部を有している。二つの実施
例の試験に於いて、0.38〜0.45mmの範囲の厚さが
充分な可撓性を与えるものであることが解つた。
下流側脚部５６は上流側端部５８を有している。
この下流側端部５８はベーンの下流側フツト部４
２に当接している。上流側脚部５４は第一の筒状
部６０と、該第一の筒状部よりも大きな直径を有
する第二の筒状部６２と、該第二の筒状部より半
径方向内方へ延在する円錐状部６４と、上流側端
部６６とを有している。この上流側端部６６は上
流側フランジ３０の内向き部分の如きアウタケー
スの一部に当接している。第一の筒状部６０は内
面６８を有している。この内面６８はベーンの上
流側フツト部４０の軸線方向に延在する部分に当
接している。他方第二の筒状部６２は外面７０を
有しており、該外面７０は上流側フランジ３０の
一部の如きアウタケースの軸線方向に延在する部
分に当接している。図に於いて破線は組付け時に
於けるベーンの下流側フツト部４２及びリングの
下流側脚部５６の位置を示している。図示の如く
装着されると下流側端部５８と上流側端部６６と
の間の距離は装着長さとなる。組付け前にはかか
る下流側端部と上流側端部との間の距離は自由長
さであつて良い。

第３図はエンジンケース２２の一部及び第二列
のステータベーンのベーン２６のうちの一つを示
している。段付きの断面形状を有するリング７２
がエンジンの内面の周りに周縁方向に延在して冷
却室７４を構成している。このリング７２は第一
の筒状脚部７６の如き第一の筒状部と、第二の筒
状脚部７８の如き第二の筒状部とを有している。
第二の筒状脚部７８は第一の筒状脚部７６よりも
大きな直径を有している。可撓性を有する中央セ
クシヨン８０の如きほぼ放射状に延在する部分は
実質的に半径方向に延在しており、前記第一の筒
状脚部７６を第二の筒状脚部７８に接続してい
る。一つの実施例の試験に於いて0.61〜0.79mmの
範囲の厚さが充分な可撓性を与えるものであるこ
とが解つた。第一の筒状脚部７６は内面８２と外
面８４と上流側端部８６とを有している。外面８
４の一部はアウタケースの軸線方向に延在する部
分に当接している。第一の筒状脚部７６の内面８
２は下流側のベーン２６の軸線方向に延在する部
分に当接している。第二の筒状脚部７８は下流側
端部８８と外面９０とを有している。図に於いて
破線はエンジン作動温度に於ける第二の筒状脚部
７８の位置を示している。

ガスタービンエンジンの作動に於いては、高温
の作動媒体ガスが、エンジンのタービンセクシヨ
ン内へ軸線方向に流入する。ステータベーン２
４、リング４８、ステータベーン２６、リング７
２、エンジンケース２２を含むタービンエンジン
の各構成要素は作動媒体ガスにより加熱される。
高圧の冷却空気がタービンエンジンのケースを冷
却し、ガス流路の空気が冷却室５０内へ流入する
のを阻止する。エンジンがその定常状態に到達す
ると、リング４８はエンジンケースよりも更に外
方へ膨張する。上流側脚部５４及び下流側脚部５
６が実質的に半径方向にエンジンケースを押圧す
る。特に上流側脚部５４の第二の筒状部６２はア
ウタケースを半径方向外方へ押圧する。下流側脚
部５６も下流側フランジを半径方向外方へ押圧す
る。

リング４８はエンジンケース２２及びステータ
ベーン２４の列に軸線方向に係合して冷却空気が
流路２８内へ漏洩するのを阻止する。第２図に図
示されている如く、リング４８の上流側端部６６
はエンジンケースを押圧する。又リング４８の下
流側端部５８はステータベーン２４の列の夫々の
下流側フツト部４２を押圧する。組付け時のリン
グ４８の中央セクシヨン５２の圧縮力によりその
リングの両端がエンジンケース及びベーンの下流
側フツト部に対し軸線方向のシール力を与える。
リング４８が軸線方向に熱成長すると、上述のシ
ール力を増大する。かかるシール力は冷却空気が
孔３４を経て冷却室５０内に流入し冷却空気溝３
６を経て流出するとその冷却空気により更に増大
される。冷却空気は作動媒体ガスよりも高圧であ
る。リング４８の凹状部は高圧の冷却空気に面し
ている。冷却空気と作動媒体ガスとの間の差圧に
より冷却空気はリングの半径方向に延在する面に
対し力を及ぼすことができ、これによりリングの
脚部を経てエンジンケース及びベーンのフツト部
に伝達される軸線方向力を増大することができ
る。ステータベーン２４内の振動エネルギは、リ
ングの下流側端部とベーンの下流側フツト部４２
との間の摺動摩擦接触により又下流側脚部の第一
の筒状部６０とベーンの上流側フツト部４０との
間の摺動摩擦接触により熱として消散せしめられ
る。粘性減衰の態様による追加の減衰が、夫々の
ステータベーン内の振動がリングに伝達されるこ
とにより生じる。リング４８の可撓性を有する中
央セクシヨン８０は軸線方向に移動し冷却空気を
ポンプ送りする。

これと同様の態様にて冷却空気が冷却室７４内
に流入しその冷却室を加圧し且つエンジンケース
を冷却する。組立状態に於ける中央セクシヨン８
０の圧縮力によりそのリングの上流側端部８６及
び下流側端部８８がエンジンケース及びベーンに
対し軸線方向のシール力を与える。ベーン内の振
動エネルギは、上流側脚部とエンジンケースとの
間の当接摺動により又下流側脚部とベーンとの間
の当接摺動により消散せしめられる。可撓性を有
する中央セクシヨンが軸線方向に移動することに
よりベーンの粘性減垂が生ずる。エンジンがその
定常状態に到達すると、リングはエンジンよりも
更に半径方向外方へ膨張する。このリングの外面
９０はエンジンケース上のフランジを押圧する。
ベーンの上流側フツト部を押圧するリング８２の
内面とエンジンケースを押圧するリング８４の外
面とにより二次シールが形成されており、冷却空
気が冷却室より流路２８内へ漏洩するのを更に阻
止するようになつている。

以上に於いては本発明をその特定の実施例につ
いて詳細に説明したが、本発明はかかる実施例に
限定されるものではなく、本発明の範囲内にて種
種の修正並びに省略が可能であることは当業者に
とつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はロータ及びステータを示すべくエンジ
ンケースの一部が破断された状態にてターボフア
ンエンジンを示す解図的正面図である。第２図は
エンジンケース及び上流側ステータベーンを示す
タービンセクシヨンの第一の部分の解図的断面図
である。第３図はエンジンケース及び下流側のス
テータベンを示すターボフアンセクシヨンの第二
の部分の解図的断面図である。 １０〜圧縮セクシヨン、１２〜燃焼セクシヨ
ン、１４〜タービンセクシヨン、１６〜ロータ組
立体、１８〜ステータ組立体、２０〜ロータブレ
ード、２２〜エンジンケース、２４，２６〜ベー
ン、２８〜流路、３０〜上流側フランジ、３２〜
下流側フランジ、３４〜冷却空気孔、３６〜溝、
３８〜プラツトフオーム、４０〜上流側フツト
部、４２〜下流側フツト部、４４，４６〜溝、４
８〜リング、５０〜冷却室、５２〜中央セクシヨ
ン、５４〜上流側脚部、５５〜下流側脚部、５８
〜下流側端部、６０〜第一の筒状部、６２〜第二
の筒状部、６４〜円錐状部、６６〜上流側端部、
６８〜内面、７０〜外面、７２〜リング、７４〜
冷却室、７６〜第一の筒状脚部、７８〜第二の筒
状脚部、８０〜中央セクシヨン、８２〜内面、８
４〜外面、８６〜上流側端部、８８〜下流側端
部、９０〜外面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一列のステータベーンとエンジンケースとを
   有するガスタービンエンジンの内側の周りに周縁
   方向に延在するよう構成されたリングに於いて、 前記エンジンケースに係合するよう構成された
   第一の端部と、 前記ベーンの少なくとも一つに係合するよう構
   成された第二の端部と、 前記第一の端部と前記第二の端部との間に設け
   られた可撓性を有する中央セクシヨンと、 を含み、前記リングは前記第一の端部と前記第二
   の端部との間に自由長さを有し、該自由長さより
   も短い装着長さを有していることを特徴とするリ
   ング。