(57)【要約】      （修正有）【課題】加圧された回転子−固定子空洞部によって発生するスラスト軸受正味軸方向荷重を低減する。【解決手段】ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、遠心圧縮機と、遠心圧縮機から下流側の燃焼器と、燃焼器に結合されたタービンと、シールアセンブリ４０とを含み、シールアセンブリは、シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下し、それにより、遠心圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を減少するのを助けるように、遠心圧縮機の後方に結合される。【選択図】図２
2007138932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心圧縮機（１４）と、前記遠心圧縮機から下流側の燃焼器（１６）と、前記遠心圧縮機に結合されたタービン（２０）とを含むガスタービンエンジン（１０）のシールアセンブリ（４０）であって、
前記シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下させ、これにより前記遠心圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を低減させるのを助けるように、前記遠心圧縮機の後方に結合されているラビリンスシールアセンブリ（１００）を備える、シールアセンブリ（４０）。
【請求項２】
前記シールアセンブリは、前記遠心圧縮機（１４）の半径方向外側の縁部に近接して結合される請求項１記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項３】
タービン中央シール支持構造（３６）に形成された凹部（１０４）と；
前記凹部の中へ少なくとも部分的に延出して２段ラビリンスシールアセンブリ（１００）を形成するように前記高圧圧縮機（１４）に結合されたタブ（１０２）とを更に具備する請求項１記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項４】
前記２段ラビリンスシールアセンブリ（１００）は、第１のオリフィス段（１１０）と、前記第１のオリフィス段から下流側にある第２のオリフィス（１１２）とを具備する請求項３記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項５】
前記第１のオリフィス（１１０）は第１の直径（１２４）を有し、前記第２のオリフィス（１１２）は前記第１の直径とは異なる第２の直径（１２６）を有する請求項４記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項６】
前記第１の直径及び第２の直径（１２４、１２６）の大きさは、前記シールアセンブリを通って搬送される気流の量を調整するように規定される請求項５記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項７】
前記ラビリンスシールアセンブリ（１００）は、前記シールアセンブリを通って排出される空気が前記圧縮機（１４）の後方で圧力降下を発生し且つ前記圧縮機の前方軸方向荷重を減少するのを助けるように、前記圧縮機の軸方向後方側に結合される請求項１記載のシールアセンブリ（４０）。
【請求項８】
ガスタービンエンジンアセンブリ（１０）であって、
遠心圧縮機（１４）と；
前記遠心圧縮機から下流側の燃焼器（１６）と；
前記遠心圧縮機に結合されたタービン（２０）と；
前記シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下させ、これにより前記遠心圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を低減させるのを助けるように、前記遠心圧縮機の後方に結合されたシールアセンブリ（４０）と
を具備するガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項９】
前記シールアセンブリ（４０）は、前記遠心圧縮機（１４）の半径方向外側の縁部に近接して結合される請求項８記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記シールアセンブリ（１４）は、
タービン中央シール支持構造（３６）に形成された凹部（１０４）と；
前記凹部の中へ少なくとも部分的に延出して２段ラビリンスシールアセンブリ（１００）を形成するように前記高圧圧縮機（１４）に結合されたタブ（１０２）とを更に具備する請求項８記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、加圧された回転子‐固定子空洞部によって発生されるスラスト軸受正味軸方向荷重を低減するシールアセンブリ及びガスタービンエンジンアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの回転子羽根は、通常、圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。動作中、空気は圧縮機を通過し、圧縮された空気は燃焼器へ送り出される。燃焼器において、圧縮空気は、燃料と混合され点火される。その後、加熱された気流は、高圧タービンを通って搬送され、圧縮機を駆動するために使用される。
【０００３】
特に、高圧遠心圧縮機（ＨＰＣＣ）は、高圧回転子スラスト軸受に加えられる軸方向荷重のうち相対的に大きな割合を占める要因となると考えられる。多段圧縮機及び多段タービンを有するガスタービンエンジンの場合、軸方向荷重を幾分か均衡させることができる。しかし、１段ＨＰＣＣを利用する場合には、ＨＰＣＣの半径がタービンの半径より大きいため、タービンに相対的に大きな前方軸方向荷重が加わる。
【０００４】
タービンに対する軸方向荷重を減少するのを助けるために、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、流量の大きな自由渦環境を創り出す。しかし、固定子抗力が発生すると共に、稼動性を考慮して流量に制限が課されるため、典型的なＨＰＣＣの回転子‐固定子空洞部の中でこの環境を実現することは比較的困難である。その結果、流量の大きなシステムにおいては、主に半径の小さい部分で圧力が低下するため、荷重の変化は相対的に小さい。
【特許文献１】米国特許第５，８５５，１１２号公報
【特許文献２】米国特許第６，５０６，０１５Ｂ２号公報
【特許文献３】米国特許第６，５１３，３３５Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許第６，５３７，０２８Ｂ１号公報
【特許文献５】米国特許第６，９０５，３１０Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００１／００４７６５１Ａ１号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００４／０００５２２０Ａ１号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００５／００７９０５０Ａ１号
【発明の開示】
【０００５】
１つの面においては、ガスタービンエンジンのシールアセンブリが提供される。シールアセンブリは、ラビリンスシールアセンブリを含み、ラビリンスシールアセンブリは、シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下し、それにより、遠心圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を減少するのを助けるように、遠心圧縮機の後方に結合される。
【０００６】
別の面においては、ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、遠心圧縮機と、遠心圧縮機から下流側の燃焼器と、圧縮機に結合されたタービンと、シールアセンブリとを含み、シールアセンブリは、シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下し、それにより、遠心圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を減少するのを助けるように、遠心圧縮機の後方に結合される。
【０００７】
更に別の面においては、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が開示される。方法は、圧縮機と、圧縮機から下流側の燃焼器と、圧縮機に結合されたタービンとを含むガスタービンエンジンを提供することと、シールアセンブリを通って排出される空気が空洞圧力を低下し、それにより、圧縮機の後方側に誘導される軸方向力を減少するのを助けるように、シールアセンブリを圧縮機の後方に結合することとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジンアセンブリ１０の一例を示した概略図である。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２、高圧遠心圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。ガスタービンエンジン１０は、高圧タービンアセンブリ１８、低圧タービン２０及びブースタ圧縮機２２を更に含む。ファンアセンブリ１２は、回転子円板２６から半径方向外側へ延出するファンブレード２４のアレイを含む。ガスタービンエンジン１０は、吸込み側２８及び排気側３０を有する。ファンアセンブリ１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１の回転子軸３２により一体に結合され、圧縮機１４及び高圧タービンアセンブリ１８は、第２の回転子軸３４により一体に結合される。本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、１段遠心圧縮機１４及び１段高圧タービン１８を含むものとして示されるが、圧縮機１４及びタービン１８が複数の段を含んでもよい。
【０００９】
動作中、空気はファンアセンブリ１２を通過し、圧縮された空気はブースタ２２を経て高圧圧縮機１４に供給される。高圧に圧縮された空気は、燃焼器１６へ送り出される。燃焼器１６からの高温の燃焼生成物は、タービン１８及び２０を駆動するために利用され、タービン１８及び２０は、第１の回転子軸３２を利用してファンアセンブリ１２及びブースタ２２を駆動すると共に、第２の回転子軸３４を利用して高圧圧縮機１４を駆動する。
【００１０】
図２は、高圧圧縮機１４（図１に示される）の一部を示した拡大横断面図である。図３は、高圧圧縮機１４（図２に示される）の一部を示した拡大横断面図である。
【００１１】
本実施形態においては、タービン中央シール支持構造３６と高圧タービンアセンブリ１８との間に少なくとも部分的に空洞部３８が規定されるように、高圧タービンアセンブリ１８は、タービン中央シール支持構造３６の軸方向後方に結合される。ガスタービンエンジン１０は、中央フレームラビリンスシール４０を更に含む。ラビリンスシール４０は中央シール支持構造３６に結合され、中央シール支持構造３６の半径方向内側の部分と第２の回転子軸３４との間に規定された開口部４２を通って空洞部３８の中へ搬送される空気及び／又は流体の量を減少し且つ／又はそのように空気及び／又は流体が搬送されることを回避するのを助ける。更に、ガスタービンエンジン１０は、高圧タービンアセンブリ１８から軸方向上流側に結合された高圧タービンノズルアセンブリ４４と、ディフューザ部分４６とを含む。本実施形態においては、ディフューザ部分４６の少なくとも一部、高圧タービンノズルアセンブリ４４及び中央シール支持構造３６は、複数の機械式ファスナ４８を使用して一体に結合される。
【００１２】
本実施形態においては、高圧タービンアセンブリ１８は、回転子円板５２と、回転子円板５２に結合された複数の回転子羽根５４とを含む。回転子羽根５４は、回転子円板５２から半径方向外側へ延出し、各回転子羽根は、エーロフォイル６０、プラットフォーム６２、シャンク６４及びダブテール６６を含む。プラットフォーム６２は、各エーロフォイル６０が対応するプラットフォーム６２から半径方向外側へ延出するように、エーロフォイル６０とシャンク６４との間に延出する。シャンク６４は、プラットフォーム６２からダブテール６６まで半径方向内側へ延出する。ダブテール６６は、シャンク６４から半径方向内側へ延出し、各回転子羽根５４を回転子円板５２に固着するのを助ける。
【００１３】
圧縮機１４に対する前方軸方向荷重を減少するのを助けるために、ガスタービンエンジン１０は、高圧圧縮機１４の軸方向後方に結合されたラビリンスシールアセンブリ１００を含む。ラビリンスシールアセンブリ１００は、高圧圧縮機１４に結合されたタブ１０２を含む。本実施形態においては、タブ１０２は、高圧圧縮機１４と一体に形成される。本実施形態においては、タブ１０２の少なくとも一部は、ほぼＵ字形の凹部１０４の中へ延出する。凹部１０４は、タブ１０２と凹部１０４との間に第１のオリフィス１１０が規定され、タブ１０２と凹部１０４との間であって第１のオリフィスより下流側に第２のオリフィス１１２が規定されるように、中央シール支持構造３６により規定される。本実施形態においては、凹部１０４は、中央シール支持構造３６と一体に形成される。すなわち、中央シール支持構造３６は、凹部１０４を規定するように形成又は整形される。
【００１４】
凹部１０４は第１の幅１２０を有し、タブ１０２はそれ自身が凹部１０４の中へ少なくとも部分的に延出するように第１の幅１２０より小さい第２の幅１２２を有する。本実施形態においては、第１の幅１２０及び第２の幅１２２の大きさは、第１のオリフィス１１０が第１の幅又は開口部１２４を有し、第２のオリフィス１１２が第２の幅又は開口部１２６を有するように、それぞれ規定される。第１のオリフィス幅１２４及び第２のオリフィス幅１２６は、凹部の幅１２０及びタブの幅１２２に基づいてそれぞれ選択的に規定される。
【００１５】
例えば、凹部の幅１２０が一定であると仮定すると、タブの幅１２２を第１の方向１３０に拡張すると、第１のオリフィス幅１２４の大きさ又は直径は減少し、その結果、第１のオリフィス１１０を通って搬送される気流の量が減少し、逆に、タブの幅１２２を第２の方向１３２に拡張すると、第２のオリフィス幅１２６の大きさ又は直径は減少し、その結果、第２のオリフィス１１２を通って搬送される気流の量が減少する。これに対し、タブの幅１２２を第２の方向１３２に縮小すると、第１のオリフィス幅１２４の大きさ又は直径は増加し、その結果、第１のオリフィス１１０を通って搬送される気流の量が増加し、逆に、タブの幅１２２を第１の方向１３０に縮小すると、第２のオリフィス幅１２６の大きさ又は直径は増加し、その結果、第２のオリフィス１１２を通って搬送される気流の量が増加する。
【００１６】
更に、タブの幅１２２が一定であると仮定すると、凹部の幅１２０を第１の方向１３０に拡張すると、第１のオリフィス幅１２４の大きさ又は直径は増加し、その結果、第１のオリフィス１１０を通って搬送される気流の量が増加し、逆に、凹部の幅１２０を第２の方向１３２に拡張すると、第２のオリフィス幅１２６の大きさ又は直径は増加し、その結果、第２のオリフィス１１２を通って搬送される気流の量が増加する。これに対し、凹部の幅１２０を第２の方向１３２に縮小すると、第１のオリフィス幅１２４の大きさ又は直径は減少し、その結果、第１のオリフィス１１０を通って搬送される気流の量が減少し、逆に、凹部の幅１２０を第１の方向１３０に縮小すると、第２のオリフィス幅１２６の大きさ又は直径は減少し、その結果、第２のオリフィス１１２を通って搬送される気流の量が減少する。
【００１７】
従って、本実施形態においては、タブの幅１２０及び凹部の幅１２２は、それぞれ対応するオリフィス１１０及び１１２を通って搬送される気流の量を増加又は減少し、それにより、シール空洞部１４２の内部へ搬送され、その後、ラビリンスシールアセンブリ１００を通って搬送される気流の量を変化させるように、それぞれ選択的に規定される。
【００１８】
図４に示されるように、動作中、圧縮空気１３８は圧縮機１４から排出され、圧縮機１４と燃焼器１６の入口との間に規定された開口部１４０を通ってラビリンスシールアセンブリ１００へ搬送される。特に、圧縮空気１３８は第１のオリフィス１１０を通り、次に第２のオリフィス１１２を通ってシール空洞部１４２の中へ搬送され、その後、シールアセンブリ４０を経て軸方向後方へ排出される。
【００１９】
ラビリンスシールアセンブリ１００を経て圧縮空気を搬送することにより、圧縮機１４の最大半径の部分で圧力降下を発生させることができ、その結果、空洞圧力が著しく低下し、従って、圧縮機１４に対する軸方向荷重が減少する。特に、図５を参照して説明すると、線２００は、ラビリンスシールアセンブリ１００を含まない場合のシール空洞部１４２の内部における自由渦圧力の計算上の閾値を表し、線２１０は、ラビリンスシールアセンブリ１００を含まない周知のガスタービンエンジンを表し、線２２０は、ラビリンスシールアセンブリ１００を含むガスタービンエンジンアセンブリ１０を表す。
【００２０】
図５に示されるように、圧縮空気が点２２２においてラビリンスシールアセンブリ１００を通って搬送されるとき、ラビリンスシールアセンブリ１００は、点２２２から点２２４に至る圧力降下を発生する。更に、圧力降下は、圧縮機１４の半径方向外側の周囲部分に近接して発生される。図示されるように、圧縮空気がシールアセンブリ４０及びオリフィス４１を通って空洞部４３の中へ排出されるまで、シール空洞部１４２の内部圧力は、擬似自由‐強制渦を使用して徐々に低下する。従って、図５に示されるように、ラビリンスシールアセンブリ１００は、ラビリンスシールアセンブリ１００を含まない周知のエンジンと比較して、シール空洞部１４２の内部圧力を低下させることができる。シール空洞部１４２の内部圧力を低下した結果、ラビリンスシールアセンブリ１００は、圧縮機１４に対する軸方向前方荷重を減少できる。
【００２１】
以上説明したシールアセンブリは、費用効率に優れ、高い信頼性を有する。シールアセンブリは、第１のオリフィス段と、第１のオリフィス段から下流側に位置する第２のオリフィス段とを含むラビリンスシールを含む。更に、第１のオリフィス段及び第２のオリフィス段の大きさは、２段ラビリンスシールアセンブリを通って搬送される気流の量を調整するのを助け、それにより、高圧圧縮機から見て荷重力を均衡させるのを助けるように、選択的に規定される。その結果、本明細書中で説明されるラビリンスシールアセンブリは、高圧圧縮機の半径方向外側の縁部に近接して圧力降下を発生し、それにより、圧縮機に対する軸方向力は、有効に減少される。
【００２２】
種々の特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは当業者には認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ガスタービンエンジンの一例を示した概略図である。
【図２】図１に示されるガスタービンエンジンの一部を示した拡大横断面図である。
【図３】図２に示されるガスタービンエンジンの一部を示した拡大横断面図である。
【図４】通常動作中の図１に示されるガスタービンエンジンアセンブリを示した図である。
【図５】通常動作中の図１に示されるガスタービンエンジンを示したグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１０…ガスタービンエンジンアセンブリ、１４…高圧圧縮機、１６…燃焼器、１８…高圧タービンアセンブリ、２０…低圧タービン、３６…タービン中央シール支持構造、４０…シールアセンブリ、１００…ラビリンスシールアセンブリ、１０２…タブ、１０４…凹部、１１０…第１のオリフィス、１１２…第２のオリフィス、１２４…第１のオリフィス幅、１２６…第２のオリフィス幅
【図１】
2007138932.tif 000003
【図２】
2007138932.tif 000004
【図３】
2007138932.tif 000005
【図４】
2007138932.tif 000006
【図５】
2007138932.tif 000007
【外国語明細書】
2007138932000001.pdf