(57)【要約】ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸（２６、２８）との間の半径方向の隙間（２７）をシールする方法と装置は、エンジンの通常運転状態において隙間（２７）をシールするメインシールとして半径方向シール（６４）を使い、隙間の二重シールのためのバックアップシールとして軸方向シール（７０）を使うことを含む。半径方向シール（６４）は、エンジンの通常運転時に比較的厳しい漏出要求を満たすシールを提供し、軸方向シール（７０）は比較的厳しくない漏出要求を満たすバックアップシールであるが、内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の変位や振動に対してより順応性がある。エンジンの運転状態は、鳥の衝突のような異常事態、すなわち、内側回転軸と外側回転軸（２６、２８）との同心関係が鳥の衝突でおこった不均衡な力の影響を受けることによって、半径方向シールが故障した場合でも、確保される。
2005501997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールする方法であって、
隙間をシールするためにメインシールを用い、エンジンの通常運転状態の漏出要求を満たすステップと、
隙間の二重シールのためにバックアップシールを用い、エンジン運転中、内側回転軸と外側回転軸との同心関係が悪影響を受けてメインシールの故障を引き起こす異常事態におけるエンジン運転状態を確保するための漏出要求を満たすステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
メインシールの漏出要求はバックアップシールの漏出要求よりも厳しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バックアップシールは内側回転軸と外側回転軸の相対的な半径方向の変位に対応するようにされたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面の間の半径方向シールをメインシールとして用いるステップと、
内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面の間の軸方向シールをバックアップシールとして用いるステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
同心の内側回転軸と外側回転軸との間にある半径方向の隙間をシールするためにガスタービンエンジンに用いられる軸方向かつ半径方向シール構造であって、
内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間に配され、ガスタービンエンジンの通常運転においてメインシールとして機能する半径方向シールと、
内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間に配され、半径方向シールが故障する異常状態のためのバックアップシールとして機能する軸方向シールと、
を含むことを特徴とする軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項６】
軸方向シールは内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向変位を許容し、相対的な半径方向変位により半径方向シールが故障したときに、シール機能を保つことを特徴とする請求項５に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項７】
軸方向シールは、外側回転軸の環状半径方向端面と内側回転軸の外側面から半径方向外側に延在するフランジ上の環状半径方向面との間に配されることを特徴とする請求項５に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項８】
フランジは内側回転軸と一体になっていることを特徴とする請求項７に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項９】
軸方向シールは、内側回転軸のフランジ上の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向端面との間に所定の軸方向隙間を有し、該隙間から所定量の流体漏出を許容するものであり、この所定量の流体漏出は異常事態におけるエンジン運転条件に受け入れられるものであることを特徴とする請求項７に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項１０】
半径方向シールはラビリンスシールからなることを特徴とする請求項５に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【請求項１１】
半径方向シールは、外側回転軸の内側面に気密に接触する内側回転軸の外側面上のラビリンスシール面を有することを特徴とする請求項５に記載の軸方向かつ半径方向シール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンエンジンのシール構造に関する。特に、多段スプールガスタービンエンジンにおける同心のロータ軸の間をシールする軸間シールのためのシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多段スプールガスタービンエンジン内のフロントベアリングコンパートメントは、同心の低圧ロータ軸および高圧ロータ軸を支持するベアリングを潤滑するためのオイルミストで満たされている。低圧ロータ軸は、燃焼器からの高温排気ガスに曝された低圧タービンによって駆動され、低圧圧縮機および／またはプロペラを駆動する。高圧ロータ軸は、低圧タービンの上流側で燃焼器のすぐ隣にある高圧タービンによって駆動され、燃焼器のすぐ上流側にある高圧ステージ圧縮機を駆動する役目を果たす。同心の低圧ロータ軸および高圧ロータ軸は、作動媒体ガスで満たされた隙間で隔たれている。作動媒体ガスはベアリングコンパートメントの内部温度より高温である。軸間シールは、オイルコンパートメントに漏入する作動媒体ガスの量を制御し、コンパートメントから隙間に漏出するオイルミストを抑制する。
【０００３】
航空機にとって飛んでいる鳥は脅威である。とりわけ、鳥が航空機と衝突し、プロペラやガスタービンエンジンの圧縮機領域に吸い込まれたときは危険である。鳥が低圧ロータ軸にぶつかると、低圧ロータ軸は作動限界を越えてゆがむ可能性がある。低圧ロータ軸の過度のゆがみを補正し、その結果起こる軸間の摩擦を避けるため、同心の低圧ロータ軸と高圧ロータ軸の間の隙間は広げられている。エンジンの通常運転を許容する特性に加えて、鳥の衝突によって起こるような予期しないロータの不均衡の際の安全なエンジンの運転を許容する特性を併せ持つベアリングの改善が行われてきた。このようなベアリングの例は１９９５年７月１８日にアミンその他に発行された米国特許第５，４３３，５８４号と、１９８３年３月８日にロバーツその他に発行された米国特許第４，３７５，９０６号に記載されている。
【０００４】
鳥衝突事故が起きると、他のベアリングやバンパーがシールの位置に付加されていない限り、軸同士の界面におけるベアリングコンパートメントのシールを保ち、ゆがみを最小化することは出来ない。この問題を解決するため、例えば、２００１年３月６日にシェリダンその他に発行された米国特許第６，１９６，７９０号では、ガスタービンエンジンの軸間シール用の複雑なシールアセンブリについて述べている。シールアセンブリは、内側ロータ軸上のシールプレートをシールする第一のシールと、外側ロータ軸上のシールプレートをシールする第二のシールと、ステーターアセンブリによって支持され、第一のシールと第二のシールとをシールする中間シールを含む。シールアセンブリは、内側軸と外側軸の間の相対的な半径方向と軸方向の変位に対応する。しかしながら、この変位の自由度を提供するためには、機構が比較的複雑であり、製造、維持に費用がかかるであろうと思われる。このシールアセンブリの個々のシールは、共同して軸間シールを提供する。しかしながら、シールアセンブリは個々のシールがひとつでもうまく作動しないと故障するであろう。
【０００５】
他の例として、１９９５年４月４日にマーシャルに発行された米国特許第５，４０３，０１９号は、回転軸をシールし、ターボマシンにあるような高圧チャンバと低圧チャンバの間の過度のガス漏れを制御するための、自由浮動ラビリンスリングシールについて述べている。シールは、互いに間隔を置いて対向する高圧壁および低圧壁と、これらの壁の間に延在し、軸に対しシールするラビリンスシール面と、を有するエラストマー質のリング状本体を含む。これら壁は、シール本体と空洞の壁との間に制御したガス流すきまを持って、この空洞内で相互に対し圧力つりあいを生ずるために等しくない面積を持つ互いに対向する表面を形成する部分を有する。よってシール本体は、軸の振動で実質的に浮動自由であるが、軸が回転していると、ラビリンス面と軸との間を密閉する近接公差を保持する。このシールによって、軸線方向の相対的移動に加えて、半径方向の相対的移動が制限範囲内で許容される。シールはハウジングの溝内で浮動するように設計されている。摺動シールを収容するため溝を有する外側軸のアンダーカットは、軸の構造上の完全性をいくらか壊してしまうだけでなく、このような形態が軸間シールに用いられた場合、機械的に複雑にしてしまうであろう。
【０００６】
それゆえ、簡単な機構で、ロータの不具合が起こった時のエンジンの運転性を確保しつつ、エンジンの通常運転条件のシール漏出要求を満たす、ガスタービンエンジンの軸間シール用のシール構造が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、エンジンの通常運転時とロータの不均衡事態が起きた異常運転時のどちらの場合も運転状態を確保するため、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間のシール構造を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間に、メインシールとバックアップシールとを含み、二重シール機能を持つシール構造を提供することである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸の間に簡単な機構のシール構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態によれば、ガスタービンエンジンの同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールする方法が提供されている。その方法は、隙間をシールするためのメインシールを用いるステップと、隙間の二重シールのためにバックアップシールを用いるステップとを有する。メインシールはエンジンの通常運転状態の漏出要求を満たし、バックアップシールは異常事態におけるエンジン運転状態を確保する漏出要求を満たす。そのような異常事態では、内側回転軸と外側回転軸との同心関係は、エンジン運転時の事故の影響をうけ、その結果メインシールの故障を引き起こす。
【００１１】
望ましくはバックアップシールは内側回転軸と外側回転軸との間の相対的な半径方向変位に対応するようになっている。それにもかかわらず、望ましくは、バックアップシールの漏出要求はメインシールの漏出要求よりも厳しくない。本発明のひとつの実施例によると、内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間の半径方向シールはメインシールとして使用されている。そして、内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間にある軸方向シールはバックアップシールとして使用されている。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、同心の内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向の隙間をシールするためにガスタービンエンジンで用いられる軸方向および半径方向シール構造が提供される。このシール構造は半径方向シールと軸方向シールからなる。半径方向シールは内側回転軸の外側面と外側回転軸の内側面との間に配され、ガスタービンエンジンの通常運転時のメインシールとして作動する。軸方向シールは内側回転軸の環状半径方向面と外側回転軸の環状半径方向面との間に配され、半径方向シールが故障した場合の異常運転時のバックアップシールとして作動する。
【００１３】
軸方向シールは、内側回転軸と外側回転軸との相対的な半径方向変位のために半径方向シールが故障した場合のシール機能を維持しながら内側回転軸と外側回転軸との間の半径方向変位を許容することが好ましい。本発明のひとつの実施例では、軸方向シールは、外側回転軸の環状半径方向端面と内側回転軸の外側面から半径方向外側に延在するフランジ上の環状半径方向面との間に配されている。フランジは内側回転軸と一体となっていることが好ましい。
【００１４】
鳥衝突の実験によると、中型の鳥の衝突が起きた場合、バランスを失ったロータによる低圧回転軸のゆがみはほぼ半径方向であり、相対的な半径方向変位と比較すると、内側回転軸と外側回転軸との間の相対的な軸方向変位は実際には無視できるものである。よって、中型の鳥による衝突事故が起こった場合にガスタービンエンジンの運転状態を確保するには、相対的な半径方向の動きと軸方向の動きを同時に適応できる複雑なシールのアセンブリは必要ない。本発明は、同心の低圧ロータ軸と高圧ロータ軸との間の隙間の二重シールのための簡単な機構の軸方向かつ半径方向シール構造を有利に提供する。その構造では、シール結果において常に軸方向シールより優れている半径方向シールをエンジンの通常運転において使用する。しかし、半径方向シールは鳥衝突事故によってロータのバランスが崩れると故障しやすい。そのような事故の際は、バックアップシールとして軸方向シールの方が半径方向シールに比べて順応性があり、よってガスタービンエンジンの運転可能なシール状態を保つことができ、航空機が安全に着陸するまで安全に飛行し続けるようにすることを可能にする。
【００１５】
本発明の他の利点と特徴は以下に記載される本発明の好ましい実施例を参照することによってさらに理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面、特に図１を参照すると、航空機用の典型的なガスタービンエンジン１０は、長手方向の中心軸１２を中心とする連続的な流れの中に、周方向に離間した多数のファンブレードもしくはローターブレード１４を有するファンと、一般的な低圧圧縮機１６と、一般的な高圧圧縮機１８と、一般的な環状燃焼器２０と、一般的な高圧タービン２２と、一般的な低圧タービン２４と、を含む。低圧タービン２４は、内側回転軸２６によって低圧圧縮機１６とファンブレード１４に強固に結合され、高圧タービン２２は外側回転軸２８によって高圧圧縮機１８に強固に結合されている。一般的な燃料噴射手段３０は、エンジン１０を駆動するため、選択的に燃料を燃焼器２０に噴射するように設けられている。環状の隙間２７は、同心の内側回転軸２６と外側回転軸２８の間にあり、隙間２７は作動媒体ガスで満たされ、高圧タービン２２と低圧タービン２４とを冷却する。軸間シール２９は、図２に示されているように、ベアリング／オイルコンパートメント３１に漏れこむ作動媒体ガスの量を調整し、オイルミストがコンパートメント３１から漏れて隙間２７に入り込むのを防ぐために設けられている。
【００１７】
一般的な環状ケーシング３２は、低圧圧縮機１６から低圧タービン２４までエンジン１０を取り囲み、また、低圧圧縮機１６とともに、周辺の空気３６の一部を取り込む低圧圧縮機入口３４を画定している。ケーシング３２の下流側端部は、一般的な環状のエクゾーストプラグ４０とともに、環状のエクゾースト出口４２を画定する。ブレード根部３８近傍のファンブレード１４によって圧縮された空気３６の一部は、さらに低圧圧縮機１６と高圧圧縮機１８で圧縮され、燃焼器２０に送られる。圧縮された空気３６と燃料噴射手段３０によって噴射された燃料との混合物は燃焼ガス５２を発生する。燃焼ガス５２は高圧タービン２２と低圧タービン２４をそれぞれ回転させ、高圧圧縮機１８と低圧圧縮機１６とファンブレード１４とを駆動する。
【００１８】
ブレード１４とケーシング３２の上流部分を取り囲んでいるのはナセル４４で、ナセル４４は、ケーシング３２から半径方向外側に離間して、ケーシング３２とともに、ブレードによって圧縮された空気３６の半径方向外側部分がエンジンをバイパスするようにするための環状ダクト５５を画定する。周方向に離間した多数のステータベーン４６は、ケーシング３２とナセル４４の間に半径方向に延在し、かつブレード１４の軸方向下流側に離れている。ナセル４４は、周辺の空気３６を取り込むための上流側端部入口４８と、推力の一部を提供するために、ブレード１４で圧縮されステータベーン４６を通過した空気３６の一部を排出するための出口５０を含む。
【００１９】
エンジン１０の運転中、特に航空機が離陸または着陸する際、鳥が航空機に衝突し、強い空気流３６によってつくりだされる吸引効果のためナセル４４の入口４８に入り込む場合がある。ナセル４４に入った鳥は、高速で回転するファンブレード１４に当たり、通常ファンブレードにも損傷を与え、よって内側回転軸２６に不均衡な力を発生させる。鳥衝突事故の不均衡な力によって起こる内側回転軸２６のたわみは、実質的には外側回転軸２８に対する半径方向の変位もしくは振動である。通常、内側回転軸２６と外側回転軸２８との間にある従来の軸間シールは、内側回転軸２６と外側回転軸２８の間の正確な同心関係を必要とし、鳥衝突事故のように、外側回転軸２８に対する内側回転軸２６の半径方向の変位や振動が起こると軸間シールの故障を生じる。内側回転軸２６と外側回転軸２８の間にある軸間シールの故障は、エンジン故障のような重大な安全上の問題に結びつく可能性がある。
【００２０】
ここで図２を参照すると、内側回転軸２６は、フロントベアリング／オイルコンパートメント３１において、ベアリング５６に支持されている（図では一つのみ示す）。フロントベアリング／オイルコンパートメント３１はさらに、外側回転軸２８をその前端部で支持しているローラーベアリング５８を収納している。ベアリング５６と５８は、また、ケーシング３２に収納されているベアリングサポートアセンブリ６０、６２に支持されている。ベアリング／オイルコンパートメント３１は、ベアリング５６と５８を潤滑し冷却するための、適切な供給源からのオイルミストで満たされている。隙間２７の作動媒体ガスは、一般にフロントベアリング／オイルコンパートメント３１の内部温度より高温である。
【００２１】
軸間シール２９は、内側回転軸２６の外側面６６と外側回転軸２８の内側面６８の間にある半径方向シール６４を含み、ガスタービンエンジン１０の通常運転時のメインシールとしての役目を果たす。図３により詳しく示されているように、軸間シール２９はさらに、内側回転軸２６の外側面６６から半径方向外側に延在するフランジ７４の環状半径方向表面７２と外側回転軸２８の環状半径方向端面７６との間に配された、軸方向シール７０を含む。軸方向シール７０は、鳥衝突のような異常事態の際にバックアップシールの役目をする。
【００２２】
半径方向シール６４は、好ましくは内側回転軸２６の外側面６６上にあるラビリンスシール表面７８を含むラビリンスシールである。ラビリンスシール表面７８は外側回転軸２８の内側面６８とシール的に接触している。図２、図３に示されている半径方向ラビリンスシール６４は、図２に示されているようにシャフト間の隙間２７をシールし、エンジンの通常運転時の比較的厳しい漏出基準を充足している。いずれにせよ、半径方向シール６４は、適正なシール機能を果たすために、内側回転軸２６と外側回転軸２８の間の正確な同心関係を必要とする。
【００２３】
図３にさらに詳しく示されているように、軸方向シール７０は、内側回転軸２６のフランジ７４の環状半径方向表面７２と外側回転軸２８の環状半径方向端面７６との間にある所定の軸方向隙間８０を含む。所定の軸方向隙間８０は非常に小さく（図３では分かり易く図示するために誇張されている）、そこから所定量の流体漏出が起こる。所定量の流体漏出は、鳥衝突時のような異常事態におけるエンジンの運転性を維持するため、エンジン運転時に許容されている。軸方向シール７０は、半径方向シール６４ほど厳しくない流体漏出要求を満たしているが、軸方向シール７０は内側回転軸２６と外側回転軸２８間の半径方向の変位や振動により大きな順応性があり、相対的な半径方向の変位や振動が半径方向シール６４の故障を引き起こしたとしてもシール機能を保つ。そのため、軸方向シール７０はバックアップシールとしての役目を果たし、鳥衝突により半径方向シール６４が故障してもエンジンの運転状態を保ち、航空機が無事に着陸するまで安全に飛行し続けることを保証する。
【００２４】
本発明によるガスタービンエンジンの軸方向および半径方向の軸間シール構造は簡単な構成である。フランジ７４とラビリンスシール表面７８は内側回転軸２６と一体化され、その外側面６６上に配される。このような構成は製造・維持にあたって便利で経済的である。
【００２５】
本発明の前述の実施例に対する改良、改善は当業者にとって明らかであろう。前述の記述は限定的であるより、例示的であるよう意図されている。そのため発明の範囲は添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】断面で示された航空機用ガスタービンエンジンの概略図で、回転軸および低圧タービンの低圧ロータと、高圧ロータと、外側回転軸と、高圧タービンと、さらに、本発明の、内側回転軸と外側回転軸の間にある隙間をシールする軸間シールを示している。
【図２】内側回転軸と外側回転軸、ベアリングコンパートメントの一部、本発明の実施例に盛り込まれる軸方向シールと半径方向シールの断面図である。
【図３】図２の断面図の一部を拡大したもので、軸間シールの詳細を示す。
【国際公開パンフレット】
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2005501997.tif 000019
2005501997.tif 000020
【国際調査報告】
2005501997.tif 000021
2005501997.tif 000022