(57)【要約】【課題】ノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール性能の向上を図る。【解決手段】冷却空気をノズルガイドベーン１内に導く冷却空気供給室３のシール構造であって、室内の高圧側８と室外の低圧側９とを区画するシール５の隙間Ｓを挟んで対峙する２つの静止面６ａ、７ａの少なくともいずれか一方の面に空気の漏洩する方向に直交する複数の溝１０を形成した。したがって、冷却空気供給室３のシール５から漏洩する冷却空気の流量が減少する。【選択図】          図６
2004316515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却空気をノズルガイドベーン内に導く冷却空気供給室のシール構造であって、室内の高圧側と室外の低圧側とを区画するシールの隙間を挟んで対峙する２つの静止面の少なくともいずれか一方の面に空気の漏洩する方向に直交する複数の溝を形成したことを特徴とするノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造。
【請求項２】
上記溝の断面形状は、直角四辺形である請求項１記載のノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジェットエンジンなどのガスタービンの冷却空気の供給室のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェットエンジンなどのガスタービンでは、空力学的性能向上のため、燃焼器出口における燃焼ガス温度が高くなってきており、１３００℃におよぶものもあり、この温度では耐熱合金の融点（約１３００℃）に近いので、ガイドベーンやタービンブレードの冷却が重要になる。
【０００３】
図１はガイドベーンやタービンブレードの冷却方法を示す斜視図である。図１（Ａ）は対流冷却を示している。対流冷却は、翼の内面に沿って冷却空気を流して翼の表面温度を下げる方式である。図１（Ｂ）はメンピンジメント冷却を示している。メンピンジメント冷却は、図に示すように、翼内面に冷却空気をジェット状に吹き付け、そのとき得られる高い熱伝導率を利用する冷却する方法である。使用済みの空気は、後に述べる膜冷却に用いられる。図１（Ｃ）は膜冷却を示している。膜冷却は図に示すように、翼内面から翼面を覆うように溝や孔から吹き出した空気が、断熱膜を形成して高温ガスからの翼面への熱伝達を減らして翼温度を低く保つものである。膜冷却の効果は、翼の負圧側で大きく、正圧側で小さい。負圧側の境界層がより安定で、層流状態が維持され易いことになる。
【０００４】
図２ないし図４は、非特許文献１に開示された冷却空気の流れを示す概念図であり、図２は断面図、図３と図４は斜視図である。
【０００５】
【非特許文献１】
著者  ＲＯＬＬＳ−ＲＯＹＣＥ  ｐｉｃ
書名  ザ・ジェット・エンジン
版数  第１版
発行所  社団法人  日本航空技術協会
発行年月日  １９９２年３月３１日
ページ  ８６〜９０
【０００６】
これらの図において、濃い灰色の矢印は、高圧冷却空気であり、薄い灰色の矢印は、低圧冷却空気である。高圧冷却空気は、高圧圧縮機出口空気の１部であり、燃焼器をバイパスして流下したものであり、低圧冷却空気は、低圧圧縮機出口空気の１部を抽気したものであり、高圧圧縮機をバイパスして流下したものである。ガスタービンにおける冷却空気の所要量は、燃焼器出口のガス温度の上昇と圧縮機圧力比の上昇に伴なう冷却空気温度の上昇により次第に増加しており、例えば上記ガス温度が１３００℃では、吸入空気量の１５〜２０％に達し、これはタービン仕事に換算して８％前後の減少に相当する。したがって、冷却空気量を減らすことができれば、ガスタービンの効率向上に役立つ。
【０００７】
ノズルガイドベーンは、各段のタービンブレードの前に設けられ、タービンブレードに流入するガス流の方向と速度を制御するものであるが、特に燃焼器２の直後に設けられる高圧ノズルガイドベーン１は、最も高い温度に曝されるので、冷却が非常に重要である。高圧ノズルガイドベーン１の冷却は、インピンジメント冷却と膜冷却の組み合わせによる。インピンジメント冷却と膜冷却に使用される冷却空気は、高圧ノズルガイドベーン１の上方（外周側）と下方（内周側）にそれぞれ設けられた冷却空気供給室３から高圧ノズルガイドベーン１内に流入する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、冷却空気供給室を構成する静止部品間には、寸法公差の制約や運転時と停止時における温度差や材料特性の差により生じる変形が避けられないので、必然的にシールに隙間が存在し、点線の矢印４で示すように、シールの高圧側と低圧側との間で空気の漏洩が発生する。このような空気の漏洩が過大になれば、冷却が不充分になるし、空気の漏洩を見込んで、冷却空気量を決めれば、その分ガスタービンの効率が低下する。図５はかかる隙間Ｓと空気の漏洩の関係を示す模式図である。
【０００９】
このようなシールの隙間は、通常はパッキンなどを介在させて塞ぐことができるが、ガスタービンでは熱膨張などによる静止部品間の移動を自由に行なわせねばならないので、パッキンを用いることができない場合が多い。そのため、図に示すように、静止部品間の接触面は滑らかな平面または曲面で形成されており、漏洩空気量も多くなりがちである。
【００１０】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、静止部品間のシールの隙間の大きさは保持しつつ、漏洩空気量を減少させることのできるノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造は、冷却空気をノズルガイドベーン内に導く冷却空気供給室のシール構造であって、室内の高圧側と室外の低圧側とを区画するシールの隙間を挟んで対峙する２つの静止面の少なくともいずれか一方の面に空気の漏洩する方向に直交する複数の溝を形成してなるものである。
【００１２】
上記溝の断面形状は、正方形や長方形などの直角四辺形であるのが好ましい。
【００１３】
次に本発明の作用を説明する。本発明は、送風機などの回転軸とベアリングハウジング間など、運動部品と静止部品の間の隙間における気体の漏洩を防ぐのに用いられるラビリンスシールの考え方を、静止部品間の隙間における気体の漏洩を防ぐのに応用したものである。一般に狭い隙間を流れる気体は、流出面積が一定の場合には、その漏洩量はその前後の圧力差および流動抵抗によって決まる。漏洩量を小さくするためには隙間をできるだけ小さくすればよいが、限度があるので、通路の流動抵抗を大きくする必要がある。このため、空気の漏洩方向と直角方向に溝を設けると、気体は一旦膨張し、また次に流動とこれを繰り返すとき、高圧の気体が狭い隙間から広い隙間に流動する毎に、狭い隙間を速い速度で流動したエネルギは広い隙間で渦損失により消耗され圧力を失う。この原理を何度も重ねることにより、有効に漏れ防止が行なわれる。したがって、完全に漏洩を止めることはできないが、段数を増すことにより、確実に漏洩を減少させることができる。漏洩量は前後の圧力差と隙間の大きさに比例し、段数の平方根に反比例するので、隙間を小さくすることと段数を増すことが有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図６は本発明のノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造の模式図である。なお、ノズルガイドベーンの冷却空気供給室については、図２ないし図４を用いて説明する。また、ノズルガイドベーンは、各段毎に構造が異なるが、ここでは燃焼器２の直後に配置された高圧ノズルガイドベーン１について説明する。高圧ノズルガイドベーン１の上方（外周側）と下方（内周側）にはそれぞれ冷却空気供給室３が配置されており、そこからベーン内部に冷却空気を供給する。冷却空気供給室３にはシール部５があり、その隙間から冷却空気供給室３内外の圧力差によって冷却空気が点線の矢印４で示すように漏洩する。
【００１５】
図６のシール部の模式図に示すように、シール部５は隙間Ｓを挟んで対峙する静止部品６の静止面６ａと静止部品７の静止面７ａとの間に形成されている。シール部５の図上で左側が冷却空気供給室３の室内で高圧側８であり、図上で右側が室外で低圧側９である。２つの静止面６ａ、７ａの少なくともいずれか一方（本実施形態では静止面７ａ）に漏洩空気４の流れ方向１１と直交する複数（本実施形態では４条）の溝１０が形成されている。溝１０の断面形状は正方形または長方形であるのが好ましい。
【００１６】
次に本実施形態の作用を説明する。２つの対峙する静止面６ａ、７ａの少なくともいずれか一方（本実施形態では静止面７ａ）に空気の漏洩する方向４と直角方向に複数の溝１０を設けたので、空気は溝１０で一旦膨張し、次に狭い隙間Ｓで高速になるが、これを繰り返すとき狭い隙間Ｓを速い速度で流動したエネルギは溝１０内で渦損失により消耗されて圧力を失う。この原理を何度も重ねることにより、有効に漏れ防止が行なわれる。したがって、完全に漏洩を止めることはできないが、段数を増すことにより、確実に漏洩量を減少させることができる。漏洩量は前後の圧力差と隙間Ｓの大きさに比例し、段数の平方根に反比例するので、隙間Ｓを小さくすることと段数を増すことが有効である。
【００１７】
本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、本発明のシール構造は高圧ノズルガイドベーン１に限らず他のノズルガイドベーンについても適用できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール構造は、ガスタービンのノズルガイドベーンの冷却空気供給室のシール部に必然的に生じる隙間からの空気の漏洩を複数段の溝を設けることにより確実に減少させることができるので、システムの安全性とエンジン性能の向上を図ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズルガイドベーンの冷却構造の説明図である。
【図２】ガスタービンの冷却およびシール構造の説明図である。
【図３】高圧ノズルガイドベーンの斜視図である。
【図４】高圧ノズルガイドベーンの冷却構造の斜視図である。
【図５】従来のシール構造の模式図である。
【図６】本発明のシール構造の模式図である。
【符号の説明】
１      高圧ノズルガイドベーン
２      燃焼器
３      冷却空気供給室
５      シール部
６ａ    静止面
７ａ    静止面
１０      溝
【図１】
2004316515.tif 000003
【図２】
2004316515.tif 000004
【図３】
2004316515.tif 000005
【図４】
2004316515.tif 000006
【図５】
2004316515.tif 000007
【図６】
2004316515.tif 000008