(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンにおける高温ガス流路とディスク空隙との間のシールアッセンブリであって、
前記シールアッセンブリは、
回転不能なベーンアッセンブリと、
回転可能なブレードアッセンブリと、
環状の翼形部材とを備えており、
前記ベーンアッセンブリは、ベーン列と内側シュラウドとを含んでおり、
前記ブレードアッセンブリは、前記ベーンアッセンブリに隣接し、かつ、ブレード列と、タービンローターの一部を形成するタービンディスクとを含んでおり、
前記翼形部材は、前記高温ガス流路と前記ディスク空隙との間の径方向に位置し、かつ、前記ブレードアッセンブリから前記ベーンアッセンブリに向かって基本的に軸方向に延在しており、
さらに前記翼形部材は、当該翼形部材の径方向内面から当該翼形部材の径方向外面へ当該翼形部材を貫通して延在する、円周方向に離間された複数の流路を含んでおり、
前記複数の流路は、前記エンジンの動作中に前記ディスク空隙から前記高温ガス流路に向かって冷却流体のポンピングを生じさせており、
前記複数の流路は、それらが前記翼形部材を通って延びるにつれて円周方向に湾曲しており、
前記複数の流路は、前記ディスク空隙から前記複数の流路内への冷却流体の汲み上げを生じさせるために、前記タービンローターの回転方向とは逆の方向に湾曲していることを特徴とするシールアッセンブリ。
【請求項２】
タービンエンジンにおける高温ガス流路とディスク空隙との間のシールアッセンブリであって、
前記シールアッセンブリは、
回転不能なベーンアッセンブリと、
回転可能なブレードアッセンブリと、
環状の翼形部材とを備えており、
前記ベーンアッセンブリは、ベーン列と内側シュラウドとを含んでおり、
前記ブレードアッセンブリは、前記ベーンアッセンブリに隣接し、かつ、ブレード列と、タービンローターの一部を形成するタービンディスクとを含んでおり、
前記翼形部材は、前記高温ガス流路と前記ディスク空隙との間の径方向に位置し、かつ、前記ブレードアッセンブリから前記ベーンアッセンブリに向かって基本的に軸方向に延在しており、
さらに前記翼形部材は、当該翼形部材の径方向内面から当該翼形部材の径方向外面へ当該翼形部材を貫通して延在する、円周方向に離間された複数の流路を含んでおり、
前記複数の流路は、前記エンジンの動作中に前記ディスク空隙から前記高温ガス流路に向かって冷却流体のポンピングを生じさせており、
前記複数の流路は、前記ディスク空隙から当該複数の流路内への冷却流体の汲み上げを生じさせるために、前記タービンローターの回転方向とは逆の方向に傾斜している入口部を含んでおり、前記複数の流路の中間部分が方向シフトを含み、そのため前記複数の流路の出口は前記タービンローターの回転方向に共に傾斜しており、これにより、前記タービンローターの回転と同じ方向の成分を含む方向で、前記複数の流路から冷却流体が放出可能とされることを特徴とするシールアッセンブリ。
【請求項３】
前記ベーンアッセンブリから前記ブレードアッセンブリに向かって軸方向に延在する環状のシール部材が備えられており、前記シール部材は、前記翼形部材の部分に近接するシール面を含んでいる、請求項１又は２記載のシールアッセンブリ。
【請求項４】
前記シール部材は、前記翼形部材から径方向外側に位置し、前記翼形部材に重なっている、請求項３記載のシールアッセンブリ。
【請求項５】
前記翼形部材は、径方向外側に延在する環状のフランジを含み、前記フランジは前記シール部材の前記シール面に近接している、請求項４記載のシールアッセンブリ。
【請求項６】
前記シール部材の前記シール面は、前記フランジと前記シール面との間で接触が起きた場合に犠牲にできるアブレイダブル材料を含んでいる、請求項５記載のシールアッセンブリ。
【請求項７】
前記複数の流路の出口は、前記高温ガス流路から前記ディスク空隙内への前記高温ガスの既知の吸い込み領域近傍に配置されており、それにより前記出口を通って前記複数の流路から出る冷却流体が、高温ガスを前記既知の吸い込み領域から強制的に離す、請求項１記載のシールアッセンブリ。
【請求項８】
前記複数の流路の前記出口は、前記高温ガス流路から前記ディスク空隙内への前記高温ガスの既知の吸い込み領域近傍に配置されており、それにより前記出口を通って前記複数の流路から出る冷却流体が、高温ガスを前記既知の吸い込み領域から強制的に離す、請求項２記載のシールアッセンブリ。
【請求項９】
前記既知の吸い込み領域は、高温ガス流路を通る高温ガスの流れ方向に関して、前記ブレードアッセンブリの上流側において、前記ベーンアッセンブリと前記ブレードアッセンブリとの間に配置されている、請求項７又は８記載のシールアッセンブリ。
【請求項１０】
前記ディスク空隙から前記高温ガス流路に向かう前記冷却流体の前記ポンピングは、前記タービンローターと前記ブレードアッセンブリの回転によって引き起こされ、前記高温ガス流路から前記ディスク空隙への高温ガスの吸い込みが、前記高温ガス流路内の前記高温ガスを前記シールアッセンブリから強制的に離すことによって制限される、請求項１記載のシールアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本的にタービンエンジンにおいて使用するアウターリムシールアッセンブリに関し、より詳細には、ディスク空隙から高温ガス流路に向かって冷却流体をポンピングするために翼形部材を貫通して径方向に延在する複数の流路を含んだ環状の翼形部材を備えたアウターリムシールアッセンブリに関している。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどの多段の回転機械では、流体、例えば吸入空気が圧縮機区間で圧縮され、燃焼区間で燃料と混合される。空気と燃料の混合物は、燃焼ガスを発生すべく燃焼区間において点火され、この燃焼ガスは、タービン構成部品の回転運動を生成するために当該エンジンのタービン区間内の１つまたは複数のタービン段に向けられる高温の作動ガスを定めている。前記タービン区間と前記圧縮機区間の両方は、ベーンのような固定された部品又は回転不能な部品を有しており、それらは例えばブレードのような回転可能な構成部品と、例えば高温の作動ガスの圧縮と拡張のために協働している。機械内部の多くの部品は、過熱からそれらの部品を守るために冷却流体によって冷却する必要がある。
【０００３】
高温のガス流路から、冷却流体が含まれている機械のディスク空隙内への高温の作動ガスの吸い込みは、例えば可縮性の高いディスク温度やブレード根元温度によってエンジンの性能と効率を低下させる。この高温のガス流路からディスク空隙内への作動ガスの吸い込みは、寿命をも低下させ、及び／又は、ディスク空隙内とその周辺の部品の故障も引き起こす。
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、シールアッセンブリが、タービンエンジンにおける高温ガス流路とディスク空隙との間に設けられている。このシールアッセンブリは、回転不能なベーンアッセンブリと、回転可能なブレードアッセンブリと、環状の翼形部材とを備えている。前記ベーンアッセンブリは、ベーン列と内側シュラウドとを含んでおり、前記ブレードアッセンブリは、前記ベーンアッセンブリに隣接し、かつブレード列とタービンローターの一部を形成するタービンディスクとを含んでおり、前記翼形部材は、前記高温ガス流路と前記ディスク空隙との間の径方向に位置している。前記翼形部材は、前記ブレードアッセンブリから前記ベーンアッセンブリに向かって基本的に軸方向に延在する。さらに前記翼形部材は、当該翼形部材の径方向内面から当該翼形部材の径方向外面へ貫通して延在する円周方向に離間された複数の流路を含んでいる。前記複数の流路は、エンジンの動作中に前記ディスク空隙から前記高温ガス流路に向かって冷却流体のポンピングを生じさせている。
【０００５】
本発明の第２の態様によれば、シールアッセンブリが、タービンエンジンにおける高温のガス流路とディスク空隙との間に設けられている。このシールアッセンブリは、回転不能なベーンアッセンブリと、回転可能なブレードアッセンブリと、環状のシール部材と、環状の翼形部材とを備えている。前記ベーンアッセンブリは、ベーン列と内側シュラウドとを含んでおり、前記ブレードアッセンブリは、前記ベーンアッセンブリに隣接し、かつブレード列と、タービンローターの一部を形成するタービンディスクとを含んでおり、前記シール部材は、前記ベーンアッセンブリから前記ブレードアッセンブリに向かって軸方向に延在し、かつ、シール面を含んでおり、前記翼形部材は、前記高温ガス流路から径方向内側に位置し、かつ、前記ディスク空隙から径方向外側に位置している。前記翼形部材は、前記ブレードアッセンブリの軸方向に面する側からベーンアッセンブリに向かって基本的に軸方向に延在しており、さらに前記シール部材のシール面に近接する部分を含んでいる。さらに前記翼形部材は、当該翼形部材の径方向内面から当該翼形部材の径方向外面へ当該翼形部材を貫通して延在する円周方向に離間した複数の流路を含んでいる。ここでは、前記ディスク空隙から前記高温ガス流路に向けて冷却流体のポンピングが、エンジンの動作中に前記タービンローターと前記ブレードアッセンブリの回転によって前記複数の流路を介して引き起こされ、前記シールアッセンブリから高温ガスが強制的に離されることによって前記高温ガス流路から前記ディスク空隙への高温ガスの吸い込みが制限されるようになる。
【０００６】
この明細書は、特許請求の範囲を用いて本発明を特定し、明確な権利範囲を主張して締め括るが、本発明の詳細は、添付の図面と併せて以下の説明から理解されたい。なお図面中同様の要素には同じ参照番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施態様に係るアウターリムシールアッセンブリを含んだタービンエンジンの一部を概略的に示した断面図
【図２】図１のライン２−２に沿った断面図
【図３】図１のライン３−３に沿った断面図であり、図１に示したアウターリムシールアッセンブリの翼形部材に形成された複数の流路を示す
【図４】図３の描写に類似した本発明の他の実施態様によるアウターリムシールアッセンブリの複数の流路を示した図
【図５】図３の描写に類似した本発明の他の実施態様によるアウターリムシールアッセンブリの複数の流路を示した図
【図６】図３の描写に類似した本発明の他の実施態様によるアウターリムシールアッセンブリの複数の流路を示した図
【０００８】
発明の詳細な説明
好ましい実施態様の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照して、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示的に示しているが、これは本発明の限定を意味するものではない。なお本発明では発明の趣旨及び権利範囲から逸脱することなく別の実施態様が利用可能および変更可能であることも理解されたい。
【０００９】
図１を参照すれば、タービンエンジン１０の一部が概略的に示されており、そこにはそれぞれ環状の内側シュラウド１６Ａ１６Ｂに固定され外側ケーシング（図示せず）に懸架された各ベーン列１４Ａ，１４Ｂを含む上流側及び下流側の固定されたベーンアッセンブリ１２Ａ，１２Ｂと、複数のブレード２０及びタービンローター２４の一部を形成しているロータディスク構造部２２を含んだブレードアッセンブリ１８とが含まれている。上流側ベーンアッセンブリ１２Ａとブレードアッセンブリ１８とは、総称して前記エンジン１０のタービン区間２６の「段」とも称され、当業者には明らかであるようにそこには複数の段が含まれている。このタービン区間２６内のベーンアッセンブリとブレードアッセンブリは、前記エンジン１０の長手方向軸ＬAを画定する軸方向で互いに離間されており、図１に示すベーンアッセンブリ１２Ａは、図示のブレードアッセンブリ１８から見て上流側にあり、図１に示すベーンアッセンブリ１２Ｂは、図１によるタービン区間２６の吸気口２６Ａと排気口２６Ｂに関して図示のブレードアッセンブリ１８から見て下流側にある。
【００１０】
前記ロータディスク構造部２２は、プラットフォーム２８と、タービンディスク３０と、エンジン１０の動作中にローター２４と共に回転するブレードアッセンブリ１８に関連する任意のその他の構造部、例えば根元部分、側板、シャンクなどを含んでいてもよい。
【００１１】
ベーン１４Ａ，１４Ｂ及びブレード２０は、タービン区間２６内に画定された環状の高温のガス流路３４内へ延在している。高温燃焼ガスを含む高温作動ガスＨGは、高温ガス流路３４を通って方向付けられ、エンジン１０の動作中に複数の段の続行のために、前記ベーン１４Ａ，１４Ｂ及び前記ブレード２０を通過して流れる。高温ガス流路３４を通る作動ガスＨGの通過は、ブレード２０と対応するブレードアッセンブリ１８の回転を引き起こし、タービンローター２４に回転を提供する。
【００１２】
図１をさらに参照すれば、ディスク空隙３６は、高温ガス流路３４から径方向内側に配置されている。このディスク空隙３６は、上流側ベーンアッセンブリ１２Ａの環状の内側シュラウド１６Ａとロータディスク構造２２との間で軸方向に配置されている。前記内側シュラウド１６Ａと前記ロータディスク構造部とを冷却するために、パージエアＰAのような圧縮機吐出空気を含む冷却流体がディスク空隙３６内に設けられている。前記パージエアＰAは、前記ディスク空隙３６内への作動ガスＨGの吸い込みを抑制すべく、高温ガス流路を通って流れる作動ガスＨGの圧力に対抗する圧力バランスを提供している。前記パージエアＰAは、前記ローター２４によって形成される冷却流路（図示せず）から、及び／又は、他の上流側の流路（図示せず）から、前記ディスク空隙３６に供給される。なお付加的なディスク空隙（図示せず）が、典型的には内側シュラウドの残りと、相応に隣接するロータディスク構造部との間に設けられている点に留意されたい。さらに圧縮機吐出空気とは別のタイプの冷却流体、例えば圧縮機以外の前記エンジン１０部分から抽出されたエア又は外部ソースからの冷却媒体が、前記ディスク空隙３６内に設けられてもよい点に留意されたい。
【００１３】
上流側ベーンアッセンブリ１２Ａとブレードアッセンブリ１８の構成要素は、前記各ベーン１４Ａ及びブレード２０から径方向内側で前記高温のガス経路３４と前記ディスク空隙３６との間に環状のシールアッセンブリ４０を形成すべく協働している。この環状のシールアッセンブリ４０は、高温ガス流路３４からディスク空隙３６内への作動ガスＨGの吸い込みを防止するように支援し、さらに本明細書中に記載されるよう、ディスク空隙３６の外へパージエアＰAの一部を放出している。本明細書に記載のものと同様の付加的なシールアセンブリ４０は、前記エンジン１０内の残りの段の内側シュラウドと、隣接するロータディスク構造部との間に設けられていてもよいことに留意されたい。すなわち、高温のガス流路３４から各ディスク空隙３６内への作動ガスＨGの吸い込み防止の支援と、前記ディスク空隙３６の外へのパージエアＰAの放出のために設けられていてもよい。
【００１４】
図１乃至３に示すように、シールアッセンブリ４０は、高温のガス流路３４とディスク空隙３６との間で径方向に位置する環状の翼形部材４２を含み、ロータディスク構造部２２の軸方向に面する側２２Ａから上流側ベーンアッセンブリ１２Ａに向かって基本的に軸方向に延在している（なお前記上流側ベーンアッセンブリ１２Ａは、図２では明確にするために仮想線で示されていることに留意されたい）。前記翼形部材４２は、図１に示すようにロータディスク構造部２２の一体部分として形成されてもよいし、あるいはロータディスク構造部２２から別個に形成されて、そこに固定されてもよい。図示の翼形部材４２は、軸方向で見たときには基本的に円周方向で弓形の形状である（図３を参照）。図１に示すように前記翼形部材４２は、好ましくは、上流側ベーンアッセンブリ１２Ａの内側シュラウド１６Ａの下流側端部１６Ａ1に重なっている。
【００１５】
図１乃至図３をさらに参照すれば、前記翼形部材４２は、円周方向で離間された複数の流路４４を含んでいる。前記複数の流路４４は、前記翼形部材４２を通って当該翼形部材４２の径方向内面４２Ａから当該翼形部材４２の径方向外面４２Ｂまで延在している（図３参照）。図２に示すように、前記複数の流路４４は、好ましくは環状の列に配列されており、この場合前記流路４４の幅Ｗ44（図３参照）と、隣接する前記流路４４間の円周方向の間隔ＣSP（図３参照）とは、エンジン１０の個々の構成と、前記流路４４を介したパージエアＰA排出のための所望の構成とに依存して変更可能である。これについては以下でより詳細に説明する。図１乃至図３に示す実施態様では、前記流路４４は基本的に翼形部材４２を通って径方向に直線状に延在しているのに対して、図４乃至図６に示す流路４４は以下で説明するようにそれとは異なった構成を有している。
【００１６】
図１に示すように、シールアッセンブリ４０は、さらに、上流側ベーンアッセンブリ１２Ａの内側シュラウド１６Ａの基本的に軸方向に面する側１６Ａ2から延びた環状のシール部材５０を含んでいる。このシール部材５０は、ブレードアッセンブリ１８のロータディスク構造部２２に向かって軸方向に延びており、翼形部材４２から径方向外側に配置され、高温のガス流路３４からディスク空隙３６内への高温の作動ガスＨGの何らかの吸い込みが、曲がりくねった流路を通って移送されなければならないように前記翼形部材４２に重なっている。シール部材５０の軸方向端部５０Ａはシール面５２を含み、このシール面５２は、翼形部材４２の径方向外側に延びる環状のフランジ５４に近接している。シール部材５０は、内側シュラウド１６Ａの統合部分として形成されてもよいし、または内側シュラウド１６Ａとは別個に形成してそこに固定してもよい。前記シール面５２は、フランジ５４とシール面５２と接触した場合に犠牲にできるアブレイダブル材料を含んでいてもよい。
【００１７】
エンジン１０の動作中、高温のガス流路３４を通る高温の作動ガスＨGの通過は、図２及び図３に示す回転方向ＤRにブレードアッセンブリ１８とタービンローター２４とを回転させる。
【００１８】
ブレードアッセンブリ１８の回転と、ディスク空隙３６と高温ガス流路３４との間の圧力差、すなわちディスク空隙３６内の圧力が高温ガス流路３４内の圧力よりも大であることは、ディスク空隙３６から流路４４を通って高温ガス流路３４に向かうパージエアＰAのポンピングをもたらし、このことは、シールアッセンブリ４０から高温作動ガスＨGを強制的に離し、高温ガス流路３４からディスク空隙３６内への高温作動ガスＨGの吸い込みが制限されるのを支援する。シールアッセンブリ４０は、高温ガス流路３４からディスク空隙３６内への高温作動ガスＨGの吸い込みを制限するので、シールアッセンブリ４０は、ディスク空隙３６に供給されるべき少量のパージエアＰAを相応に許容し、エンジン効率は増大される。ここでは、シール部材５０のシール面５２と翼形部材４２のフランジ５４との間でディスク空隙３６から高温ガス流路３４に抜ける付加的なパージエアＰAにも留意されたい。
【００１９】
本発明の一態様によれば、前記流路４４の出口４４Ａ（図３参照）は、高温ガス流路３４からディスク空隙３６内への高温作動ガスＨGの既知の吸い込み領域ＩA近傍に配置され（図１及び図３参照）、それによって前記出口４４Ａを通って流路４４を出るパージエアＰAが前記作動ガスＨGを既知の吸い込み領域ＩAから強制的に離す。例えば、既知の吸い込み領域ＩAは、高温ガス流路３４を介した高温作動ガスＨGの基本的な通流方向に関して上流側ベーンアッセンブリ１２Ａとブレードアッセンブリ１８の間に位置するブレードアッセンブリ１８の上流側１８Ａに配置すべく決定されている（図１参照）。
【００２０】
ディスク空隙３６と高温ガス流路３４との間で、ディスク空隙３６と高温ガス流路３４との間の全ての漏れ流路を、シールを用いて排除若しくは最小化するこれまでの慣行手段とは対照的に、既知の吸い込み領域ＩAにおける翼形部材４２に、本発明による流路４４を設けることによって、このような流路４４を含まないシールアッセンブリに比べ、高温ガス流路３４からディスク空隙３６内への高温作動ガスＨGのより少ない吸い込みをもたらす良好なシーリング結果が見出されている。このような良好な結果は、ディスク空隙３６から既知の吸い込み領域ＩAに向かって汲み出されるパージエアＰAのより正確でかつコントロールされた放出に起因すると考えられている。
【００２１】
図４乃至図６を参照すれば、他の実施態様による各シールアッセンブリ１４０，２４０，３４０が示されており、ここでは図１乃至図３を参照して説明したものと同様の構造部には、図４においては１００だけ増加した類似の参照番号、すなわち１００番台の類似の参照番号が付されており、図５においては２００だけ増加した類似の参照番号、すなわち２００番台の類似の参照番号が付されており、そして図６においては、３００だけ増加した類似の参照番号、すなわち３００番台の類似の参照番号が付されている。
【００２２】
図４及び図５には、それらの実施態様による各流路１４４，２４４が、タービンローター（本実施形態では図示せず）の回転方向ＤRとは逆の方向に傾斜（図４）及び湾曲（図５）して示されている。このような各流路１４４，２４４の傾斜／湾曲は、当該流路１４４，２４４内を通り高温ガス流路に向かって放出される（当該の実施例には図示せず）パージエアＰAの増量を実現するために、ディスク空隙１３６，２３６から流路１４４，２４４内へのパージエアＰAのポンピングをもたらしている。それ故にこれらの実施態様によれば、さらに少ない量のパージエアＰAをディスク空隙１３６，２３６内に設けることも可能と考えられている。
【００２３】
図６に示された実施態様による流路３４４は、タービンローター（本実施態様では図示せず）の回転方向ＤRとは逆の方向に傾斜している入口部３４５Ａを含んでおり、それによってパージエアＰAは、図４及び図５に基づき上述してきたようにディスク空隙３３６から流路３４４内へポンピングされる。但し当該実施態様では、前記流路３４４の中間部分３４５Ｂが曲線を含み、すなわち方向シフトを含み、そのため流路３４４の出口３４４Ａはタービンローターの回転方向ＤRに共に傾斜している。そのような構成は、タービンローターの回転ＤRと同じ方向の成分を含む流れの方向で、当該実施態様による流路３４４からの放出されるべきパージエアＰAを許容する。
【００２４】
本発明は特定の実施態様を例にとって説明してきたが、その他の様々な変更や修正が本発明の趣旨および権利範囲から逸脱することなく可能であることは当業者には明白であろう。したがって添付の特許請求の範囲においては、そのような変更や修正も全て本発明の権利範囲に含まれることに留意されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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