(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）において、半径方向外向きに延びる複数の突起（６８）を含む外側シール（６６）を備える回転部材（６４）に接触して、該回転部材（６４）とラビリンスシールを構成する静止部材（５２）であって、
半径方向内面（７８）を有する環状のフランジアーム（６１）と、
前記半径方向内面（７８）に形成された第１のチャネル（７４）と、
前記第１のチャネル（７４）と流体連通した状態で前記フランジアーム（６１）を貫通して延びる少なくとも１つの入口通路（８２）と、
前記第１のチャネル（７４）と流体連通した状態で前記半径方向内面（７８）に形成された少なくとも１つの出口スロット（８８）と、
前記フランジアーム（６１）に裏当て板（７１）を介して取り付けられ、前記複数の突起（６８）と接触するステータ要素（７０）と
を含むガスタービンエンジンのための静止部材（５２）。
【請求項２】
前記第１のチャネル（７４）から軸方向に間隔を置いて配置された、前記半径方向内面（７８）に形成され第２のチャネル（７６）と、
前記半径方向内面（７８）に形成されかつ前記第１及び第２のチャネル（７４、７６）間で延びる少なくとも１つの接続スロット（８０）と、
をさらに含み、
前記出口スロット（８８）が、前記第２のチャネル（７６）から軸方向に延びている、
請求項１記載の構成部品（５２）。
【請求項３】
前記第１及び第２のチャネル（７４、７６）が、前記フランジアーム（６１）の周り全体に円周方向に延びている、請求項２記載の構成部品（５２）。
【請求項４】
前記第１のチャネル（７４）が、前記第２のチャネル（７６）の前方に設置されている、請求項２記載の構成部品（５２）。
【請求項５】
前記接続スロット（８０）及び出口スロット（８８）が、円周方向に傾斜している、請求項２記載の構成部品（５２）。
【請求項６】
前記接続スロット（８０）及び出口スロット（８８）が各々、深さ及び前記深さよりも大きいフィレット半径を形成している、請求項２記載の構成部品（５２）。
【請求項７】
ガスタービンエンジン（１０）において、半径方向外向きに延びる複数の突起（６８）を含む外側シール（６６）を備える回転部材（６４）に接触して、該回転部材（６４）とラビリンスシールを構成する静止部材であって、
半径方向内面を有する環状のフランジアーム（１６１）と、
半径方向外面（１７９）を有する、前記半径方向内面に取付けられた環状の裏当て板（１７１）と、
前記半径方向外面（１７９）に形成された第１のチャネル（１７４）と、
前記第１のチャネル（１７４）と流体連通した状態で前記フランジアーム（１６１）を貫通して延びる少なくとも１つの入口通路（１８２）と、
前記第１のチャネル（１７４）と流体連通した状態で前記半径方向外面（１７９）に形成された少なくとも１つの出口スロット（１８８）と、
前記フランジアーム（１６１）に前記裏当て板（１７１）を介して取り付けられ、前記複数の突起（６８）と接触するステータ要素と
を含むガスタービンエンジンのための静止部材。
【請求項８】
前記第１のチャネル（１７４）から軸方向に間隔を置いて配置された、前記半径方向外面（１７９）に形成された第２のチャネル（１７６）と、
前記半径方向外面（１７９）に形成されかつ前記第１及び第２のチャネル（１７４、１７６）間で延びる少なくとも１つの接続スロット（１８０）と、
を含み、
前記出口スロット（１８８）が、前記第２のチャネル（１７６）から軸方向に延びている、
請求項７記載の構成部品。
【請求項９】
前記第１及び第２のチャネル（１７４、１７６）が、前記裏当て板（１７１）の周り全体に円周方向に延びている、請求項８記載の構成部品。
【請求項１０】
前記第１のチャネル（１７４）が、前記第２のチャネル（１７６）の前方に設置されている、請求項８記載の構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、このようなエンジンにおけるバイパス回路をシールことに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を含み、燃焼器において、空気は燃料と混合されかつ点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流方向に１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給しまた飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。航空機用エンジンは、通常、燃焼器の出口に配置された、燃焼ガスをその下流に配置された第１段タービンロータ内に流すための静止タービンノズルを含む。タービンノズルは、タービンブレードが仕事を行うことができるように燃焼ガスを向ける。
【０００３】
燃焼器ライナ並びにタービンロータブレード及びノズルのような一部の構成部品は、燃焼過程によって発生する高熱に曝されるので、それら構成部品は、期待寿命要件を満たすために冷却される。この冷却は、通常、圧縮機吐出口からそらされた比較的低温の空気を用いて達成される。一般的には、冷却目的のために抽気した圧縮機吐出空気をタービン流路内の高温ガスからシールするために、静止タービンノズルと第１段タービンロータとの間に前方外側シールが設けられる。従来の前方外側シールは、一般的にエンジンの長手方向中心軸線の周りに円周方向に配置された、回転部材及び静止部材で構成した回転ラビリンスシールを含む。静止部材は、それに対してステータ要素を取付けた環状のフランジを含む。ステータ要素は、通常、ハニカム材料で作られる。回転部材は、ステータ要素に向かって半径方向に延びる多数の薄い歯状突起を有する。各突起の外周部は、ステータ要素の小さい許容差の範囲内で回転し、それによって冷却空気とタービン流路内の高温ガスとの間のシール作用を行う。
【０００４】
エンジン運転時に、一部のエンジン構造体は、質量の差及び高温ガスに曝される程度の差のために、他の構造体と同じ速さでは昇温しない。この作用により、環状のフランジが部材の他の部分と同じ速さで昇温しない静止部材のような多くのエンジン構成部品において半径方向の温度勾配が生じる。静止部材における温度勾配は、大きな熱応力を引き起こし、ステータ要素と回転歯状突起との間に不適当なシール間隙を生じるおそれがある。フランジの温度勾配を少なくするために、冷却目的のために抽気した圧縮機吐出空気の一部がそれを通って流れるフランジバイパス回路を設けることが知られている。この空気は高温ガス流よりも低温ではあるが、フランジのより急速な加熱を行うのに充分なほど温暖である。急速加熱により、温度勾配は小さくなる。従来のバイパス回路では、フランジ及びステータ要素の裏当て板の周囲に沿って間隔を置いて配置した一連の別々の回路を使用している。この別々の回路構成は、フランジの不均一な加熱をもたらし、複雑な機械加工を必要とし、しかも応力集中を引き起こす小さいフィレット半径を用いている。
【特許文献１】特開２００１−０１２６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、フランジのより均一な加熱をもたらし、かつより簡単な機械加工を可能にするようなバイパス回路に対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の要求は本発明によって満たされ、１つの実施形態では、本発明は、環状のフランジアームの内面に形成されたバイパス回路を有するガスタービンエンジン構成部品を提供する。バイパス回路は、半径方向内面に形成されたチャネルを含む。少なくとも１つの入口通路が、チャネルと流体連通した状態でフランジアームを貫通して半径方向に延び、また少なくとも１つの出口スロットが、チャネルと流体連通した状態で半径方向内面に形成される。
【０００７】
別の実施形態では、本発明は、ガスタービンエンジン構成部品を提供し、本ガスタービンエンジン構成部品は、半径方向内面を有する環状のフランジアームと、半径方向外面を有する、半径方向内面に取付けられた環状の裏当て板とを含む。バイパス回路は、裏当て板の半径方向外面に形成されたチャネルを含む。少なくとも１つの入口通路が、チャネルと流体連通した状態でフランジアームを貫通して半径方向に延び、また少なくとも１つの出口スロットが、チャネルと流体連通した状態で半径方向外面に形成される。
【０００８】
さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジン構成部品は、半径方向内面と、半径方向外面と、前方端部と、後方端縁を形成する後方端部とを有する環状のフランジアームを含む。第１及び第２のチャネルは、第２のチャネルが第１のチャネルから軸方向に間隔を置いて配置された状態で半径方向内面に形成される。複数の接続スロットが半径方向内面に形成され、接続スロットの各スロットは、第１及び第２のチャネル間で軸方向に延びる。複数の入口通路が、フランジを貫通して半径方向外面から第１のチャネルまで半径方向に延びる。複数の出口スロットが、各出口スロットが第２のチャネルから後方端縁まで軸方向に延びた状態で半径方向内面に形成される。
【０００９】
本発明及び従来技術に優れるその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより一層容易に理解されるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付の図面と共になされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、例示的なターボファン式ガスタービンエンジン１０を概略的に示す。ターボファン式エンジンは一般的に当技術分野では公知であるが、エンジン１０の全体構成及びその様々な構成部品の相互関係を簡単に説明することにより、後述する本発明が一層理解されるようになるであろう。さらに、ターボファン式エンジンは実施例としてのみ用いるものであり、本発明は、ターボファン式エンジンに限定されるものではなく、広範な様々のエンジン形式及びその他の用途に実施可能であることを指摘しておきたい。
【００１２】
エンジン１０は、長手方向中心軸線１２の周りでの直列軸流連通状態で、ファン１４、ブースタ１６、高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２及び低圧タービン２４を含む。高圧タービン２２は、第１のロータシャフト２６で高圧圧縮機１８に駆動結合され、また低圧タービン２４は、第２のロータシャフト２８でブースタ１６及びファン１４の両方に駆動結合される。ファン１４は、環状のディスク３２上に取付けられた複数の半径方向に延びるファンブレード３０を含み、ディスク３２及びブレード３０は、エンジン１０の長手方向中心軸線１２の周りで回転可能である。
【００１３】
エンジン１０の運転時に、周囲空気３４がエンジン入口に流入し、主ガス流３６を意味する周囲空気３４の第１の部分は、ファン１４、ブースタ１６及び高圧圧縮機１８を通って流れて、各構成部品によって連続して加圧される。次に、主ガス流３６は燃焼器２０に流入し、燃焼器２０において、加圧空気は燃料と混合されかつ燃焼されて、高温燃焼ガスの高エネルギー流を形成する。高エネルギーガス流は、高圧タービン２２を通って流れ、そこで高エネルギーガス流は膨張して高圧圧縮機１８を駆動するエネルギーが取り出され、次に、低圧タービン２４を通って流れ、そこで高エネルギーガス流はさらに膨張してファン１４及びブースタ１６を駆動するエネルギーが取り出される。第２の部分は、二次又はバイパス空気流３８を意味する周囲空気３４の第２の部分は、ファン１４及びファン出口案内ベーン４０を通って流れた後に環状ダクト４２を通してエンジンを流出し、この二次空気流３８はエンジン推力の大きな部分をもたらす。
【００１４】
図２を参照すると、高圧タービン２２の部分図を示している。高圧タービン２２は、タービンノズル組立体４４と、タービンノズル組立体４４の後方すなわち下流に設置された第１段タービンロータ（図２には図示せず）とを含む。タービンノズル組立体４４及びタービンロータは、軸方向に間隔を置いて配置されて、それらの間に（すなわち、タービンロータの直ぐ前方に）前方ホイール空洞４５を形成する。前方ホイール空洞４５は、それを通して高温燃焼ガスが流れるタービン流路と流体連通状態になっている。
【００１５】
タービンノズル組立体４４は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメント４８が取付けられた内側ノズル支持体４６を含む。ノズルセグメント４８は、全体として完全な３６０度の組立体を形成する。各セグメント４８は、その上を燃焼ガスが流れる２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置されたベーン５０（図２には１つを図示する）を有する。ベーン５０は、第１段タービンロータに対して燃焼ガスを最適に向けるように構成される。内側ノズル支持体４６は、エンジン１０内で適当に支持された静止部材であり、ほぼ円錐形の構成を有する。ノズルセグメント４８は、内側ノズル支持体４６の軸方向かつ半径方向末端部に取付けられる。タービンノズル組立体４４はさらに、その軸方向かつ半径方向末端部近くで内側ノズル支持体４６上に形成された内向きに延びるフランジ５３に固締された静止部材５２を含む。静止部材５２は、別体の部材として示しているが、それに代えて内側ノズル支持体４６と一体に形成することができる。内側ノズル支持体４６及び静止部材５２は、それらの間で軸方向に位置するチャンバ５４を形成する。
【００１６】
静止部材５２は、外側フランジ５６と、内側フランジ５８と、半径方向に外側フランジ５６と内側フランジ５８との間に配置されたインデューサ６０とを有するほぼ環状の構造体である。外側フランジ５６は、形状が環状でありかつ軸方向に延びるほぼ円筒形表面を形成するフランジアーム６１上に形成される。図２に矢印Ａで表すように、冷却空気（一般的には圧縮機１８からそらされた空気）が、内側ノズル支持体４６に形成された一連の空気穴６２を通ってチャンバ５４内に流入する。インデューサ６０は、この空気の一部を加速しかつこの空気の一部をタービンノズル組立体４４の後方に設置されたタービンロータに向かって接線方向に向ける。インデューサ６０は、一般的に円周方向に配置されたベーンの配列を含み、このベーンの配列が、空気流の接線方向の速度及び方向を制御して、空気流がタービンロータの速度及び方向と実質的に等しくなるようにする。
【００１７】
エンジン１０はさらに、タービンロータと共に回転するように固定された環状の回転部材６４をさらに含む。回転部材６４は、静止部材５２に接触して、冷却目的のために抽気された圧縮機吐出空気をタービン流路内の高温ガスからシールするための前方外側シール６６を形成する。前方外側シール６６は、回転部材６４に取付けられるか又は回転部材６４上に一体に形成された多数の薄い歯状突起６８を含む回転ラビリンスシールであるのが好ましい。突起６８は、フランジアーム６１に向かって半径方向外向きに延びる環状の部材である。ラビリンスシール６６はさらに、フランジアーム６１に取付けられ、突起６８の半径方向外側にかつ突起６８の周りで円周方向に配置された環状のステータ要素７０を含む。
【００１８】
次に図３に移ると、ステータ要素７０の半径方向外面は、環状の裏当て板７１を介してフランジアーム６１に取付けられる。ステータ要素７０の半径方向内面は、階段状になっている。突起６８の各突起は、ステータ要素７０の対応する階段状部分と軸方向に整列される。「軸方向に整列される」という表現によって、各突起６８が、対応する階段状部分の前方端縁と後方端縁との間で軸方向に沿って設置されることを意味する。各突起６８の外周部は、ステータ要素７０の対応する内周部の小さい許容差の範囲内で回転し、それによって冷却空気とタービン流路内の高温ガスとの間のシール作用を行う。ステータ要素７０は、運転時の摩擦とそれに伴う熱の発生を少なくするようなハニカム材料で作られるのが好ましい。図２は突起６８のうちの３つを示しているが、本発明は３つに限定されるものではなく、３つより多いか又は少ない突起を用いることができることに注目されたい。
【００１９】
図３〜図５を参照すると、バイパス回路７２を示している。バイパス回路７２は、チャンバ５４から前方ホイール空洞４５への空気の流れを形成し、それによってフランジアーム６１及び外側フランジ５６のより急速な加熱を行ってその温度勾配を少なくする。バイパス回路７２を通り抜ける空気流はまた、高温ガスの吸い込みを防止するように前方ホイール空洞４５をパージする。図示した実施形態では、バイパス回路７２は、裏当て板７１が取付けられる面であるフランジアーム６１の半径方向内面７８に形成された第１及び第２のチャネル７４及び７６を含む。第１及び第２のチャネル７４及び７６は両方とも、フランジアーム６１の全周の周りで延びて連続したリング状チャネルを形成する。チャネル７４及び７６は、第１のチャネル７４がフランジアーム６１の前方端部近くに設置され、また第２のチャネル７６がフランジアーム６１の後方端部近くに設置された状態で、軸方向に間隔を置いて配置される。バイパス回路７２はさらに、フランジアーム６１の半径方向内面７８に形成されかつ該フランジアーム６１の周囲の周りに等間隔に配置された複数の接続スロット８０を含む。接続スロット８０は、第１及び第２のチャネル７４及び７６間で軸方向に延びて、空気が第１のチャネル７４から第２のチャネル７６に流れるのを可能にする。
【００２０】
バイパス回路７２はさらに、フランジアーム６１の周囲の周りに等間隔に配置された複数の入口通路８２を含む。各入口通路８２は、フランジアーム６１を貫通して、フランジアーム６１の半径方向外面に形成された吸気ポート８４から第１のチャネル７４まで半径方向に延びる。従って、入口通路８２は、チャンバ５４と第１のチャネル７４との間を流体連通させる。入口通路は、それらがチャンバ５４と第１のチャネル７４との間を流体連通させさえすれば、それに代えて半径方向ではない配向を有することができる。入口通路８２の数と大きさは、バイパス回路７２を通る空気流の所要量を制御するのに有意に貢献するように選択される。複数の出口スロット８８が、半径方向内面７８に形成され、かつフランジアーム６１の周囲の周りに等間隔に配置される。各出口スロット８８は、第２のチャネル７６からフランジアーム６１の後方端部まで軸方向に延びて、フランジアーム６１の後面端縁９２に出口ポート９０を形成する。従って、出口スロット８８は、第２のチャネル７６及び接続スロット８０を介して第１のチャネル７４と流体連通状態になる。出口スロット８８及び接続スロット８０は中心軸線１２にほぼ平行にすることができるが、それらは、流れ変向損失を最小限にし、かつ空洞パージ空気に予備スワールを与えて空洞風損及び絶対空気温度を低下させるように円周方向に傾斜させるのが好ましい。
【００２１】
本発明は２つのリング状チャネルに限定されるものではないことに注目されたい。付加的なリング状チャネル及び対応する付加的な接続スロットの組を使用することができる。さらに、バイパス回路は、単一のリング状チャネルで構成することもできる。その場合には、複数の入口通路は、その単一のリング状チャネルと流体連通した状態でフランジアームに形成されることになる。複数の出口スロットが、単一のリング状チャネルからフランジアームの後方端部に延びるように、フランジアームに形成されることになる。この実施形態では、接続スロットは必要でないことになる。
【００２２】
バイパス回路の構成は、従来のバイパス回路に比較して機械加工を簡単にする。具体的には、２つの円周方向のチャネル７４及び７６は、旋盤で旋削することができ、また傾斜した接続スロット８０及び出口スロット８８は、ボールミルでミリング加工することができる。これによって、フランジアーム６１内の応力集中を最小限にする大きいフィレット半径が得られる。一般的に、接続スロット８０及び出口スロット８８は、スロット深さよりも大きいフィレット半径を形成する。１つの実施形態では、スロットフィレット半径は、スロット深さよりもおよそ３〜４倍大きい。バイパス回路７２が機械加工された後に、裏当て板７１が、第１及び第２のチャネル７４及び７６、接続スロット８０並びに出口スロット８８を覆うように半径方向内面７８に取付けられる。
【００２３】
エンジン運転時に、チャンバ５４からの空気が、入口ポート８４を介してバイパス回路７２に流入する。空気は、入口通路８２を通って第１のチャネル７４に流れる。次に、空気は、接続スロット８０を介して第１のチャネル７４から第２のチャネル７６に流れる。空気は、第２のチャネル７６から出口スロット８８を通って流れ、出口ポート９０を通ってバイパス回路７２を流出して前方ホイール空洞４５内に入る。バイパス回路７２の幾何学的形状は、比較的高温の空気のより均一な分布を形成して、フランジアーム６１及び外側フランジ５６を均等に加熱する。
【００２４】
図６〜図８を参照すると、バイパス回路１７２の別の実施形態を示している。この実施形態では、バイパス回路７２は、フランジアーム１６１に取付けられる表面である裏当て板１７１の半径方向外面１７９に形成された第１及び第２のチャネル１７４及び１７６を含む。第１及び第２のチャネル１７４及び１７６は両方とも、裏当て板１７１の全周の周りで延びて連続したリング状チャネルを形成する。チャネル１７４及び１７６は、第１のチャネル１７４が裏当て板１７１の前方端部近くに設置され、また第２のチャネル１７６が裏当て板１７１の後方端部近くに設置された状態で、軸方向に間隔を置いて配置される。バイパス回路１７２はさらに、半径方向外面１７９に形成され、かつ裏当て板１７１の周囲の周りに等間隔に配置された複数の接続スロット１８０を含む。接続スロット１８０は、第１及び第２のチャネル１７４及び１７６間で軸方向に延びて、空気が第１のチャネル１７４から第２のチャネル１７６に流れるのを可能にする。
【００２５】
バイパス回路１７２はさらに、フランジアーム１６１の周囲の周りに等間隔に配置された複数の入口通路１８２を含む。各入口通路１８２は、フランジアーム１６１を貫通して、フランジアーム１６１の半径方向外面１８６に形成された入口ポート１８４から第１のチャネル１７４まで半径方向に延びる。複数の出口スロット１８８が、半径方向外面１７９に形成され、かつ裏当て板１７１の周囲の周りに等間隔に配置される。各出口スロット１８８は、第２のチャネル１７６から裏当て板１７１の後方端部まで軸方向に延びて、裏当て板１７１の後面端縁に出口ポート１９０を形成する。従って、出口スロット１８８は、第２のチャネル１７６及び接続スロット１８０を介して第１のチャネル１７４と流体連通した状態になる。第１の実施形態の場合と同様に、この実施形態も、２つのリング状チャネルに限定されるものではないことに注目されたい。付加的なリング状チャネル及び対応する付加的な接続スロットの組を使用することができる。さらに、バイパス回路は、ただ単一のリング状チャネルで構成することもできる。
【００２６】
本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ガスタービンエンジンの長手方向概略断面図。
【図２】図１のガスタービンエンジンの高圧タービンセクションの部分断面図。
【図３】図２の高圧タービンセクションの前方外側シールをより詳細に示す拡大部分断面（図４の線３−３に沿って取った）図。
【図４】図３の前方外側シールのフランジアームの半径方向外面の半径方向部分平面図。
【図５】図３の前方外側シールのフランジアームの後方から前方を見た部分端面図。
【図６】高圧タービンセクションの前方外側シールの第２の実施形態を示す拡大部分断面（図７の線６−６に沿って取った）図。
【図７】図６の前方外側シールの裏当て板の半径方向外面の半径方向部分平面図。
【図８】図６の前方外側シールの裏当て板の後方から前方を見た部分端面図。
【符号の説明】
【００２８】
４５  前方ホイール空洞
５２  静止部材
５４  チャンバ
５６  外側フランジ
６１  環状のフランジアーム
６６  ラビリンスシール
６８  歯状突起
７０  環状のステータ要素
７１  環状の裏当て板
７４  第１のチャネル
７６  第２のチャネル
７８  フランジアームの半径方向内面
８２  入口通路
８４  入口ポート
８６  フランジアームの半径方向外面
８８  出口スロット
９２  フランジアームの後面端縁
【図１】
0004746325.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
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