(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジン用のシャフト間シールシステム及びこれを組み立てる方法を提供する。【解決手段】  タービンエンジン（１０）内の共通軸線（１２）の周りに回転可能な内側シャフト（１０８）と外側シャフト（１０６）との間に用いるシール組立体は、一対の端部リング（１２２、１２４）と、端部リングの対の間に結合される複数のシール要素（１２６）とを含む。各端部リングは、軸方向に延びるフランジ（１３４、１３６）を含み、各シール要素は、対向する軸方向に延びる一対の肩部（１７０、１７２）を含む。シール組立体は、一対の保持リング（１２８、１３０）も含む。各保持リングは、肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の対応する１つの端部リングフランジとの間に配置される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１０）内の共通軸線（１２）の周りに回転可能な内側シャフト（１０８）と外側シャフト（１０６）との間に用いるシール組立体（１０４）であって、
各々が軸方向に延びるフランジ（１３４、１３６）を含む、一対の端部リング（１２２、１２４）と、
前記端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部（１７０、１７２）を含む、複数のシール要素（１２６）と、
各々が前記肩部の対の１つの肩部と前記端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に配置される、一対の保持リング（１２８、１３０）と、
を備える、シール組立体（１０４）。
【請求項２】
前記肩部の対（１７０、１７２）は、前方肩部（１７０）及び後方肩部（１７２）を含み、前記保持リングの対（１２８、１３０）は、前方保持リング（１２８）及び後方保持リング（１３０）を含む、請求項１に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項３】
前記前方保持リング（１２８）は第１の厚さを含み、前記後方保持リング（１３０）は、前記第１の厚さと実質的に等しい第２の厚さを含む、請求項２に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項４】
前記前方保持リング（１２８）は第１の直径を含み、前記後方保持リング（１３０）は、前記第１の直径より小さい第２の直径を含む、請求項２に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項５】
前記前方肩部（１７０）は、前記後方肩部（１７２）から半径方向にオフセットしている、請求項２に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項６】
前記端部リングの対（１２２、１２４）及び前記保持リングの対（１２８、１３０）は、同じ材料から形成される、請求項１に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項７】
前記端部リングの対（１２２、１２４）に結合され、前記端部リングの対及び前記複数のシール要素（１２６）の半径方向内側に配置されたスペーサリング（１３２）をさらに含む、請求項１に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項８】
前記シール要素（１２６）の各々は、前記肩部の対（１７０、１７２）が軸方向に延びる本体部分（１６２）を含み、前記本体部分はシール面（１６８）を含み、前記シール面と前記外側シャフト（１０６）との間にギャップ（１１０）が定められる、請求項１に記載のシール組立体（１０４）。
【請求項９】
サンプ領域（１００）を有するガスタービンエンジン（１０）用のシールシステム（１０２）であって、
内側シャフト（１０８）と、
前記内側シャフトと共に共通軸線（１２）の周りに回転可能な外側シャフト（１０６）と、
前記内側シャフトに結合され、前記サンプ領域の低圧領域（Ｐ２）から前記サンプ領域の高圧領域（Ｐ１）をシールするように構成されたシール組立体（１０４）と、
を備え、前記シール組立体は、
各々が軸方向に延びるフランジ（１３４、１３６）を含む、一対の端部リング（１２、１２４）と、
前記端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部（１７０、１７２）を含む、複数のシール要素（１２６）と、
各々が前記肩部の対の１つの肩部と前記端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に配置される、一対の保持リング（１２８、１３０）と、
を備える、シールシステム（１０２）。
【請求項１０】
前記肩部の対（１７０、１７２）は、前方肩部（１７０）及び後方肩部（１７２）を含み、前記保持リングの対（１２８、１３０）は、前方保持リング（１２８）及び後方保持リング（１３０）を含む、請求項９に記載のシールシステム（１０２）。
【請求項１１】
前記前方保持リング（１２８）は第１の直径を含み、前記後方保持リング（１３０）は、前記第１の直径より小さい第２の直径を含む、請求項１０に記載のシールシステム（１０２）。
【請求項１２】
前記端部リングの対（１２２、１２４）及び前記保持リングの対（１２８、１３０）は、同じ材料から形成される、請求項９に記載のシールシステム（１０２）。
【請求項１３】
前記端部リングの対（１２２、１２４）に結合され、前記端部リングの対及び前記複数のシール要素（１２６）の半径方向内向きに配置されたスペーサリング（１３２）をさらに含む、請求項９に記載のシールシステム（１０２）。
【請求項１４】
前記シール要素（１２６）の各々は、前記肩部の対（１７０、１７２）が軸方向に延びる本体部分（１６２）を含み、前記本体部分はシール面（１６８）を含み、前記シール面と前記外側シャフトの内面（１１４）との間にギャップ（１１０）が定められる、請求項９に記載のシールシステム（１０２）。
【請求項１５】
前記内側シャフト（１０８）は、前記シール組立体（１０４）を支持するように構成されたシールキャリア（１１６）を含む、請求項９に記載のシールシステム（１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に、航空機エンジンにおけるシャフト間シールのシステム及び方法に関する。より具体的には、本開示は、共通軸線の周りで回転可能な内側シャフト及び外側シャフト間にシールを提供することができるシャフト間シール組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンなどの少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、ファン、コアエンジン、及びパワータービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係で互いに結合された少なくとも１つの圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを含む。より具体的には、圧縮機及び高圧タービンは、シャフトを通じて結合されて高圧ロータ組立体を形成する。燃焼器に流入する空気は燃料と混合され、点火されて高エネルギーガス流を形成する。高エネルギーガス流は高圧タービンを通って流れ、高圧タービンを回転可能に駆動し、その結果、シャフトは圧縮機を回転可能に駆動する。ガス流は、高圧タービンの後方に配置されたパワータービン又は低圧タービンを通って流れるにつれて膨張する。低圧タービンは、駆動シャフトに結合されたファンを有するロータ組立体を含む。低圧タービンは、駆動シャフトを通じてファンを回転可能に駆動する。
【０００３】
圧縮機及びタービンは通常、少なくとも１つのシャフト間リングシール組立体を含む多数の同軸シャフトを通じて結合される。少なくとも幾つかの公知のリングシールは、内側シャフトに結合され、これと共に回転する。リングシールがシャフト間システム内に取り付けられると、シールは、外側シャフトの内径に僅かな力を及ぼす。動作中、少なくとも幾つかの公知のリングシールは、外側シャフトに接触し、内側シャフトに形成されたチャネル内で回転する。リングシールに沿った半径方向荷重は、シャフト間の圧力及びシールに作用する遠心力による影響を受ける。リングシールに沿った軸方向荷重は、圧力構成要素による影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９００４４９５号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一態様において、タービンエンジン内の共通軸線の周りに回転可能な内側シャフト及び外側シャフト間に用いるシール組立体が提供される。シール組立体は、一対の端部リングと、端部リングの対の間に結合される複数のシール要素とを含む。各端部リングは、軸方向に延びるフランジを含み、各シール要素は、対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む。シール組立体は、一対の保持リングも含む。各保持リングは、肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の対応する１つの端部リングフランジとの間に配置される。
【０００６】
別の態様において、サンプ領域を有するガスタービンエンジン用のシールシステムが提供される。シールシステムは、内側シャフトと、内側シャフトと共に共通軸線周りに回転可能な外側シャフトとを含む。シールシステムは、内側シャフトに結合され、サンプ領域の低圧領域からサンプ領域の高圧領域をシールするように構成されたシール組立体も含む。シール組立体は、一対の端部リングと、端部リングの対の間に結合された複数のシール要素とを含む。各端部リングは、軸方向に延びるフランジを含み、各シール要素は、対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む。各保持リングは、肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の対応する１つの端部リングフランジとの間に配置される。
【０００７】
さらに別の態様において、タービンエンジン用のシールシステムを組み立てる方法が提供される。方法は、内側シャフトの半径方向外向きに外側シャフトを配置し、内側シャフト及び外側シャフトが共通軸線の周りに回転可能であるように、これらの間にギャップを定めるステップを含む。方法はまた、一対の端部リングを内側シャフトに結合するステップも含み、各端部リングは、軸方向に延びるフランジを含む。端部リング間に複数のシール要素を結合し、各シール要素は、対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む。方法はまた、肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に一対の保持リングを結合するステップも含む。
【０００８】
本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略断面図。
【図２】例示的なシールシステムを示す図１に示される例示的なガスタービンエンジンのコアのサンプ領域の概略側断面図。
【図３】図２に示されるシールシステムに用いることができる例示的なシール組立体の断面図。
【図４】図３に示されるシール組立体の分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
別途指示されていない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムで適用可能であると考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要とされる当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではない。
【００１１】
ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。
【００１２】
単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。
【００１３】
「任意」又は「場合により」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。
【００１４】
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の事例において、近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
【００１５】
本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。
【００１６】
本明細書で使用される用語「軸方向」及び「軸方向に」とは、タービンエンジンの中心線に実質的に平行に延びる方向及び向きを意味する。さらに、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、タービンエンジンの中心線に対して実質的に垂直に延びる寸法及び向きを意味する。さらに、用語「前方」及び「後方」は、本明細書ではエンジンを通る流体流れの一般的な方向及び向きを指すために使用され、「前方」は、エンジン入口端部に向かい、「後方」はエンジン排気端部に向かう。
【００１７】
本明細書で説明される例示的な装置及び方法は、ガスタービンエンジンで用いられる公知のシールシステムの少なくとも幾つかの欠点を克服する。さらに、本明細書で説明されるシールシステム及び方法は、タービンエンジンにおける共回転シャフト又は逆回転シャフト間のシールを可能にする。より具体的には、本明細書で説明されるシールシステムは、内側シャフト、外側シャフト、及び内側シャフトと外側シャフトとの間に結合されるシール組立体を含む。シール組立体は、各々が軸方向に延びるフランジを含む一対の端部リングを含む。複数のシール要素が端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む。シール組立体は一対の保持リングも含み、各々の保持リングがシール要素肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の１つのフランジとの間に配置される。
【００１８】
本明細書で説明されるシステム及び方法の利点として、従来のラビリンスシールと比べて、内側シャフトと外側シャフトとの間の漏れの量を低減させる能力が挙げられる。同じ又は同様の高圧力差の下でのこうした漏れの低減により、圧縮機からのブリードオフが低減し、エンジンの効率が高まる。さらに、上述したシャフト間シールシステムは、従来のピストンリングシールと比べるとサービス寿命が長く、エンジンの運転及び保守コストが低減される。上述したシャフト間シールシステムの別の利点は、従来の円周方向又は面吸込型（ｆａｃｅ−ａｓｐｉｒａｔｉｎｇ）炭素シール、特に内側シャフト及び外側シャフトについての２つの独立した固定用シールを有するものに比べて重量が軽減することである。
【００１９】
ここで、図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。より詳細には、図１の実施形態において、ガスタービンエンジンは、本明細書では「ターボファンエンジン１０」と呼ばれる高バイパスターボファンジェットエンジン１０である。図１に示すように、ターボファンエンジン１０は、軸方向Ａ（参照用に与えられる長手方向中心線１２に対して平行に延びる）及び半径方向Ｒを定める。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１４、及びファンセクション１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６を含む。
【００２０】
図１に全体的に示されるコアエンジン１６は、環状入口２０を定める略管状の外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は、直列流れ関係で、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２２及び高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８及び低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズルセクション３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動接続する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動接続する。圧縮機セクション、燃焼セクション２６、タービンセクション及びノズルセクション３２は、協働してコア空気流路３７を定める。
【００２１】
図示の実施形態に関して、ファンセクション１４は、複数のファンブレード４０を有するファン３８を含む。回転可能な前方ハブ４８は、ファンブレード４０を通る空気流を推進するような空気力学的輪郭形状にされ、ファンセクション１４の前方端に配置される。加えて、例示的なファンセクション１４は、ファン３８及び／又はコアタービンエンジン１６の少なくとも一部を円周方向に囲む環状ファンケーシング又は外側ナセル５０を含む。ナセル５０は、複数の円周方向に離間配置された出口ガイドベーン５２によってコアタービンエンジン１６に対して支持されるように構成できることを理解されたい。さらに、一実施形態において、ナセル５０の下流セクション５４は、コアタービンエンジン１６の外側部分の上に延びて、これらの間にバイパス空気流通路５６を定める。
【００２２】
ターボファンエンジン１０の作動中、所定容積の空気５８が、ナセル５０及び／又はファンセクション１４の関連する入口６０を通ってターボファン１０に流入する。所定容積の空気５８がファンブレード４０を通過すると、矢印６２で示される空気５８の第１の部分は、バイパス空気流通路５６内に向けられ又は送られ、矢印６４で示される空気５８の第２の部分は、コア空気流路３７内に、又はより具体的にはＬＰ圧縮機２２内に向けられ又は送られる。空気の第１の部分６２と空気の第２の部分６４との比は、一般にバイパス比として知られる。空気の第２の部分６４は、高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６内に送られるときに圧力が増大し、ここで燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガス６６を提供する。
【００２３】
燃焼ガス６６は、ＨＰタービン２８を通って送られ、ここで、外側ケーシング１８に結合されたＨＰタービンステータベーン６８とＨＰシャフト又はスプール３４に結合されたＨＰタービンロータブレード７０との連続する段を介して、燃焼ガス６６から熱及び／又は運動エネルギーの一部が抽出され、このようにしてＨＰシャフト又はスプール３４の回転が生じ、これによりＨＰ圧縮機２４の作動がサポートされる。次いで、燃焼ガス６６は、ＬＰタービン３０を通って送られ、ここで、外側ケーシング１８に結合されたＬＰタービンステータベーン７２とＬＰシャフト又はスプール３６に結合されたＬＰタービンロータブレード７４との連続する段を介して、燃焼ガス６６から熱及び運動エネルギーの第２の部分が抽出され、このようにしてＬＰシャフト又はスプール３６の回転が生じ、これによりＬＰ圧縮機２２の作動及び／又はファン３８の回転が持続される。
【００２４】
燃焼ガス６６は、その後、コアタービンエンジン１６のジェット排気ノズルセクション３２を通って送られて、推進力を提供する。同時に、空気の第１の部分６２の圧力は、ターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排気される前に空気の第１の部分６２がバイパス空気流通路５６を通って送られるときに実質的に増大し、これもまた推進力を提供する。ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、及びジェット排気ノズルセクション３２は、コアタービンエンジン１６を通って燃焼ガス６６を送るための高温ガス経路７８を少なくとも部分的に定める。
【００２５】
しかしながら、図１に示される例示的なターボファンエンジン１０は例証として提供されるに過ぎず、他の例示的な実施形態においては、ターボファンエンジン１０は、他のいずれの好適な構成も有し得ることを理解されたい。例えば、他の例示的な実施形態において、ターボファンエンジン１０を、ギア付きターボファンエンジンとして構成し、出力ギアボックスを横切るＬＰシャフト３６がファン３８を駆動するようにできる。追加的に又は代替的に、ターボファンエンジン１０は、アンダクテッド／開放ロータのターボファンエンジンとすることができる。さらに他の例示的な実施形態において、本開示の態様は、他のいずれかの好適なガスタービンエンジンに組み込むことができることも理解されたい。例えば、他の例示的な実施形態において、本開示の態様は、例えば、ターボシャフトエンジン、ターボプロップエンジン、ターボコアエンジン、ターボジェットエンジン、電気推進システム等に組み込むことができる。
【００２６】
ここで図２を参照すると、シール組立体１０４を含む例示的なシールシステム１０２を示す、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）のコア１６のサンプ領域１００の概略的側断面図が提示される。図２に示されるように、シールシステム１０２は、シール組立体１０４の後方側の低圧領域Ｐ２からシール組立体１０４の前方側の高圧領域Ｐ１をシールする。例示的な実施形態において、シールシステム１０２は、軸線１２の周りを逆回転する又は共回転する方式で回転する外側シャフト１０６及び内側シャフト１０８を含む。シール組立体１０４は、内側シャフト１０８に結合され、シール組立体１０４と外側シャフト１０６との間に半径方向ギャップ１１０が定められる。より具体的には、外側シャフト１０６は、エンジン１０の特定の作動条件時、シール組立体１０４の半径方向外側に配置され、シール組立体から離間配置された内面１１４を有し、少なくとも部分的にそれらの間にギャップ１１０を定める、シールランナ１１２を含む。さらに、外側シャフト１０６は、サンプ領域１００内のオイルの流れを促進するために、シール組立体１０４の半径方向内側に配置されたオイル分配器１１３も含む。代替的に、シール組立体１０４は、いずれのタイプの内側シャフト及び外側シャフト間でも使用され、オイルサンプ内での使用に限定されない。
【００２７】
さらに、内側シャフト１０８は、シール組立体１０４を支持するシールキャリア１１６を含む。より具体的には、シールキャリア１１６は、シール組立体１０４を受ける凹部１１８を形成する。代替的に又は追加的に、シールキャリア１１６は、シール組立体を軸方向位置に保持する保持特徴部１２０を含む。例示的な実施形態において、保持特徴部１２０は、内側シャフト１０８若しくはシールキャリア１１６と一体の機械的停止部、又は内側シャフト１０８若しくはシールキャリア１１６の一方に結合される異なるロックリングの少なくとも１つを含む。一般に、保持特徴部１２０は、本明細書で説明されるようなシール組立体１０４の作動を可能にする何らかの特徴部である。
【００２８】
図３は、図２に示されるシールシステム１０２に使用できるシール組立体１０４の断面図であり、図４は、図３に示されるシール組立体１０４の分解斜視図である。例示的な実施形態において、シール組立体１０４は、シール組立体１０４の後方側の低圧領域Ｐ２からシール組立体１０４の前方側の高圧領域Ｐ１をシールし、前方端部リング１２２、後方端部リング１２４、複数のシール要素１２６、前方保持リング１２８、後方保持リング１３０、及びスペーサリング１３２を含む。
【００２９】
例示的な実施形態において、各々の端部リング１２２及び１２４は、それぞれ、略Ｌ形状の断面を有するように軸方向に延びるフランジ１３４及び１３６を含む。端部リング１２２及び１２４は、シール要素１２６の周りに略対称構成で配置され、各々はそれぞれ、フランジ１３４及び１３６がそこから延びる本体部分１３８及び１４０を含み、フランジ１３４及び１３６は、外側シャフト１０６のランナ１１２にすぐ隣接するように、しかしこれに接触せずに配置される。さらに、例示的な実施形態において、前方フランジ１３４は、外側シャフト１０６のランナ１１２に近接する外面１４２と、内面１４４とを含み、これらの間にフランジ厚さＴ１を定める。同様に、後方フランジ１３６は、外側シャフト１０６のランナ１１２に近接する外面１４６と、内面１４８とを含み、これらの間に前方フランジ１３４のフランジ厚さＴ１より厚いフランジ厚さＴ２を定める。
【００３０】
例示的な実施形態において、前方リング本体部分１３８は、スペーサリング１３２の外面１５２に接触する内面１５０を含む。同様に、後方リング本体部分１４０は、スペーサリング１３２の外面１５２に接触する内面１５４を含む。従って、端部リング１２２及び１２４は、スペーサリング１３２により、内側シャフト１０８から、より具体的にはシールキャリア１１６から離間配置される。さらに、各々の端部リング１２２及び１２４は、それぞれのフランジ１３４及び１３６と、本体部分１３８及び１４０との円周方向交点にレリーフ１５６を含むことができる。レリーフ１５６は、端部１２２及び１２４内の応力集中の防止又は緩和、及びシール要素１２６に関連するフィット性及び摩耗問題を容易にする。レリーフ１５６は、丸み付け部、面取り部、又は他のいずれかの応力除去形状とすることができる。
【００３１】
図３に示されるように、スペーサリング１３２は、内側シャフト１０８のシールキャリア１１６の凹部１１８内に結合される。例示的な実施において、スペーサリング１３２は、シール組立体１０４の半径方向最内側の構成要素である。より具体的には、スペーサリング１３２の外面１５２は、各々のシール要素１２６の内面１５８の半径方向内側に配置され、面１５２と１５８との間に、環状ギャップ１６０が定められる。ギャップ１６０は、内側シャフト１０６及び外側シャフト１０８の偏位の際、シール要素１２６の内面１５８とスペーサリング１３２の外面１５２との間の接触を回避するような大きさにされる。
【００３２】
例示的な実施形態において、各々のシール要素１２６は、前方面１６４、後方面１６６、外面１６８及び内面１５８を有する本体部分１６２を含む。シール要素１２６はまた、前方面１６４から軸方向に延びる前方肩部１７０と、後方面１６６から軸方向に延びる後方肩部１７２とを含み、肩部１７０及び１７２、並びに本体部分１６２は、一体形成することができる。例示的な実施形態において、前方肩部１７０は、後方肩部１７２から半径方向にオフセットしている。より具体的には、前方肩部１７０は、後方肩部１７２より大きい軸線１２に対する直径を有する。こうしたオフセットにより、後方面１６６にかかる軸方向圧力の力を減少させるためのシール要素１２６の圧力バランス調整が容易になり、シール要素１２６を圧力下でより容易に上下に動かすことが可能になる。外面１６８は、シール組立体１０４のシール面であり、外側シャフト１０６のランナ１１２の内面１１４に近接して配置され、ギャップ１１０は、外面１６８と内面１１４との間に定められる。ギャップ１１０のサイズは、外側シャフト１０６のランナ１１２とシール要素１２６との間の接触を制限し、かつ、シール組立体１０４を横切るガス漏れを最小にするのに、十分なものである。
【００３３】
さらに、本体部分１６２は、フランジ１３４及び１３６に近接して本体部分１６２を通って斜めに延びる複数の貫通孔１７３を含むことができる。より具体的には、後方面１６６は、内部に定められる溝１７５を含み、孔１７３は、本体部分１６２を通って前方面１６４から溝１７５へ延びる。例示的な実施構成において、各シール要素１２６は、３つの貫通孔１７３を含む。代替的に、各シール要素１２６は、本明細書で説明されるようなシール組立体１０４の動作を容易にするために、任意の数の貫通孔１７３を含む。作動において、高圧流体は、孔１７３を通って流れ、後方フランジ１３６に衝突し、シール要素１２６が大きな力で後方端部リング１２４に衝突するのを防止するクッションを提供する。
【００３４】
図３に示されるように、シール要素１２６は、端部リング１２２と端部リング１２４との間に軸方向に配置される。幾つかの実施形態において、ギャップ１７４は、前方フランジ１３４と前方面１６４（図３に示されるような）との間、及び、後方フランジ１３６と後方面１６６との間の少なくとも一方に定められ、シール要素１２６がシール組立体１０４内で浮動し、かつ、圧力、温度及び速度のようなエンジンの動作上の影響に対して適切に調整するために十分な軸方向運動を有することを保証する。他の実施形態において、ギャップ１７４は、端部リング１２２の隣接する垂直方向壁と対応する肩部１７０との間、及び端部リング１２４の隣接する垂直方向壁と対応する肩部１７２との間の少なくとも一方に定めることができる。
【００３５】
例示的な実施形態において、前方保持リング１２８は、前方肩部１７０と前方端部リング１２２のフランジ１３４との間に配置される。同様に、後方保持リング１３０は、後方肩部１７２と後方端部リング１２４のフランジ１３６との間に配置される。より具体的には、前方保持リング１２８は、前方肩部１７０の外面１７６に結合され、後方保持リング１３０は、後方肩部１７２の外面１７８に結合される。図３に示されるように、前方保持リング１２８は、後方保持リング１３０の厚さＴ４と実質的に等しい厚さＴ３を含む。代替的に、保持リング１２８及び１３０は、本明細書で説明されるようなシール組立体１０４の動作を容易にする任意の厚さを含む。一般に、保持リング１２８及び１３０は、本明細書で説明されるようなシール組立体１０４の動作を容易にする任意の厚さを含む。
【００３６】
さらに、前方保持リング１２８は、外方保持リング１３０の外面１８２から半径方向外向きに配置された外面１８０を含む。従って、前方保持リング１２８は、外方保持リング１３０の直径より大きい軸線１２に対する直径を含む。例示的な実施形態において、エンジン１０の特定の作動条件下で、ギャップ１８４は、前方保持リング１２８の外面１８０及びフランジ１３４の内面１４４との間、及び後方保持リング１３０の外面１８２とフランジ１３６の内面１４８との間の少なくとも一方に定められる。例えば、ギャップ１８４は、約０．０１インチから約０．０５０インチまでの範囲内である。より具体的には、ギャップ１８４は、約０．０２インチから約０．０４インチまでの範囲内である。さらにより具体的には、キャップ１８４は、約０．０３０インチである。図３には示されないが、例示的な実施形態において、ギャップ１８４は、ギャップ１１０より大きい。付加的に、ギャップ１６０は、面１５２及び１５８の接触を防止するように、ギャップ１８４より大きい。
【００３７】
作動において、ギャップ１８４は、リング１２８及び１３０、並びにシール要素１２６が、異なる作動条件時に半径方向に動くことを可能にする。内側シャフト１０８の回転時、遠心力により、複数のシール要素１２６は、複数の個々のセグメントではなく、固体リングのように動作する。低い非真円度のエンジン作動条件下で、シール要素１２６並びに保持リング１２８及び１３０は、ギャップ１１０が局所的に閉じられて外面１６８が小さな力でシールランナ１１２の内面に衝突するまで半径方向外向きに移動する。シールは、エンジン作動条件が、ギャップ１８４の初期ギャップサイズセットより大きい非真円度値を与えるまでこの様式で動作する。このギャップサイズを超えると、シール要素１２６の個々のセグメントはもはや、保持リング１２８及び１３０により保持されなくなる。これらのセグメントはギャップ１１０を局所的に閉じ、その個々のセグメントに大きな力がかかった状態で、外面１６８がシールランナ１１２の内面１１４に衝突する。
【００３８】
さらに、例示的な実施形態において、シール要素１２６は、非金属の炭素材料から形成することができる。加えて、端部リング１２２及び１２４、保持リング１２８及び１３０、並びにスペーサリング１３２は、同じ材料から形成することができる。より具体的には、端部リング１２２及び１２４、保持リング１２８及び１３０、並びにスペーサリング１３２は、同じ材料から形成することができ、その結果、これらが同様の熱膨張係数を有し、端部リング１２２及び１２４、保持リング１２８及び１３０、並びにスペーサリング１３２が同様の率で伸縮することが可能になる。例示的な実施形態において、端部リング１２２及び１２４、保持リング１２８及び１３０、並びにスペーサリング１３２は、炭素含有ニッケル−クロム超合金から形成される。代替的に、端部リング１２２及び１２４、保持リング１２８及び１３０、並びにスペーサリング１３２は、本明細書で説明されるようなシール組立体１０４の動作を容易にする任意の材料から形成される。
【００３９】
図４に示されるように、各シール要素１２６は、第１の円周方向端部１８６、及び対向する第２の円周方向端部１８８を含む。第１の円周方向端部１８６は、陥凹した溝部分１９０を含み、第２の円周方向端部１８８は、円周方向に延びるように構成された嵌合する舌部分１９２を含む。従って、１つのシール要素１２６の第２の端部の舌部分１９２は、円周方向に隣接するシール要素１２６の第１の端部の溝部分１９０を補完し、その結果、舌部分１９２及び溝部分１９０は、隣接するシール要素１２６間に間隙のない（ｚｅｒｏ−ｃｌｅａｒａｎｃｅ）シールを形成する。付加的に、スペーサリング１３２は、シール要素１２６に結合され、シール要素１２６を内側シャフト１０８の回転と共に強制的に回転させる複数の駆動特徴部１９４を含む。より具体的には、各シール要素１２６は、円周方向端部１８６及び１８８の少なくとも１つに近接する駆動特徴部１９４に係合する。例示的な実施形態において、駆動特徴部１９４は、シール要素１２６に係合してスペーサリング１３２と共にシール要素１２６の回転を駆動し、スペーサリング１３２に対するシール要素１２６の回転を防止するタブ又はピンの少なくとも１つを含む。
【００４０】
本明細書で説明される例示的な装置及び方法は、ガスタービンエンジンで用いられる公知のシールシステムの少なくとも幾つかの欠点を克服する。さらに、本明細書で説明されるシールシステム及び方法は、タービンエンジンにおける共回転シャフト又は逆回転シャフト間のシールを可能にする。より具体的には、本明細書で説明されるシールシステムは、内側シャフト、外側シャフト、及び内側シャフトと外側シャフトとの間に結合されるシール組立体を含む。シール組立体は、各々が軸方向に延びるフランジを含む一対の端部リングを含む。複数のシール要素が端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む。シール組立体は一対の保持リングも含み、各保持リングは、シール要素肩部の対の１つの肩部と端部リングフランジの対の１つのフランジとの間に配置される。
【００４１】
上述したシャフト間シールシステムの技術的効果は、従来のラビリンスシールと比べて、内側シャフトと外側シャフトとの間の漏れの量を低減させる能力である。同じ又は同様の高圧力差の下でのこうした漏れの低減により、圧縮機からのブリードオフが低減し、エンジンの効率が高くなる。さらに、上述したシャフト間シールシステムは、従来のピストンリングシールと比べるとサービス寿命が長く、エンジンの運転及び保守コストが低減される。上述したシャフト間シールシステムの別の利点は、従来の円周方向又は面吸込型炭素シール、特に内側シャフト及び外側シャフトについての２つの独立した固定用シールを有するものに比べて重量が軽減することである。
【００４２】
シャフト間シールシステムの例示的な実施形態が詳細に上述されている。シャフト間シールシステム、並びにそうしたシステム及びデバイスを組み立てる方法は、本明細書に説明される特定の実施形態に限定されないが、システムの構成要素及び／又は方法のステップを本明細書で説明される他の構成要素及び／又はステップから独立して単独に用いることができる。例えば、方法は、シャフト間シールシステムを必要とする他のシステムと共に使用することもでき、本明細書で説明されるようなタービンエンジンシステム及び方法のみによる実施に限定されない。
【００４３】
本開示の種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
【００４４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本開示を説明し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本開示を実施することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【００４５】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
タービンエンジン内の共通軸線の周りに回転可能な内側シャフト及び外側シャフト間に用いるシール組立体であって、
各々が軸方向に延びるフランジを含む、一対の端部リングと、
上記端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む、複数のシール要素と、
各々が上記肩部の対の１つの肩部と上記端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に配置される、一対の保持リングと、
を備える、シール組立体。
［実施態様２］
上記肩部の対は、前方肩部及び後方肩部を含み、上記保持リングの対は、前方保持リング及び後方保持リングを含む、実施態様１に記載のシール組立体。
［実施態様３］
上記前方保持リングは第１の厚さを含み、上記後方保持リングは、上記第１の厚さと実質的に等しい第２の厚さを含む、実施態様２に記載のシール組立体。
［実施態様４］
上記前方保持リングは第１の直径を含み、上記後方保持リングは、上記第１の直径より小さい第２の直径を含む、実施態様２に記載のシール組立体。
［実施態様５］
上記前方肩部は、上記後方肩部から半径方向にオフセットしている、実施態様２に記載のシール組立体。
［実施態様６］
上記端部リングの対及び上記保持リングの対は、同じ材料から形成される、実施態様１に記載のシール組立体。
［実施態様７］
上記端部リングの対に結合され、上記端部リングの対及び上記複数のシール要素の半径方向内向きに配置されたスペーサリングをさらに含む、実施態様１に記載のシール組立体。
［実施態様８］
上記シール要素の各々は、上記肩部の対がそこから軸方向に延びる本体部分を含み、上記本体部分はシール面を含み、上記シール面と上記外側シャフトとの間にギャップが定められる、実施態様１に記載のシール組立体。
［実施態様９］
サンプ領域を有するガスタービンエンジン用のシールシステムであって、
内側シャフトと、
上記内側シャフトと共に共通軸線の周りに回転可能な外側シャフトと、
上記内側シャフトに結合され、上記サンプ領域の低圧領域から上記サンプ領域の高圧領域をシールするように構成されたシール組立体と、
を備え、上記シール組立体は、
各々が軸方向に延びるフランジを含む、一対の端部リングと、
上記端部リング間に結合され、各々が対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む、複数のシール要素と、
各々が上記肩部の対の１つの肩部と上記端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に配置される、一対の保持リングと、
を備える、シールシステム。
［実施態様１０］
上記肩部の対は、前方肩部及び後方肩部を含み、上記保持リングの対は、前方保持リング及び後方保持リングを含む、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１１］
上記前方保持リングは第１の直径を含み、上記後方保持リングは、上記第１の直径より小さい第２の直径を含む、実施態様１０に記載のシールシステム。
［実施態様１２］
上記端部リングの対及び上記保持リングの対は、同じ材料から形成される、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１３］
上記端部リングの対に結合され、上記端部リングの対及び上記複数のシール要素の半径方向内向きに配置されたスペーサリングをさらに含む、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１４］
上記シール要素の各々は、上記肩部の対がそこから軸方向に延びる本体部分を含み、上記本体部分はシール面を含み、上記シール面と上記外側シャフトの内面との間にギャップが定められる、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１５］
上記外側シャフトは、上記シール組立体の半径方向外向きに配置されたシールランナを含む、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１６］
上記外側シャフトは、上記シール組立体の半径方向内向きに配置されたオイル分配器を含む、実施態様１４に記載のシールシステム。
［実施態様１７］
上記内側シャフトは、上記シール組立体を支持するように構成されたシールキャリアを含む、実施態様９に記載のシールシステム。
［実施態様１８］
タービンエンジン用のシールシステムを組み立てる方法であって、
内側シャフトの半径方向外向きに外側シャフトを配置し、これらの間にギャップを定めるステップであって、上記内側シャフト及び上記外側シャフトは共通軸線の周りに回転可能である、ステップと、
一対の端部リングを上記内側シャフトに結合するステップであって、上記端部リングの各々は軸方向に延びるフランジを含む、ステップと、
上記端部リング間に複数のシール要素を結合するステップであって、上記シール要素の各々は対向する軸方向に延びる一対の肩部を含む、ステップと、
上記肩部の対の１つの肩部と上記端部リングフランジの対の１つの端部リングフランジとの間に一対の保持リングを結合するステップと、
を含む、方法。
［実施態様１９］
上記シール要素を結合するステップは、上記シール要素のシール面と上記外側シャフトの半径方向内面との間にギャップを定めるように、シール要素を結合するステップを含む、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
スペーサリングを上記内側シャフト及び上記端部リングの対に結合し、上記スペーサリングが上記シール要素の半径方向内向きに配置され、これらの間にギャップを定めるようにするステップをさらに含む、実施態様１８に記載の方法。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ガスタービンエンジン
１２  中心線
１４  ファンセクション
１６  コアタービンエンジン
１８  外側ケーシング
２０  環状入口
２２  ＬＰ圧縮機
２４  ＨＰ圧縮機
２６  燃焼セクション
２８  ＨＰタービン
３０  ＬＰタービン
３２  排気ノズルセクション
３４  ＨＰシャフト
３６  ＬＰシャフト
３７  コア空気流路
３８  ファン
４０  ファンブレード
４８  前方ハブ
５０  外側ナセル
５２  出口ガイドベーン
５４  下流セクション
５６  バイパス空気流通路
５８  空気
６０  入口
６２  空気の第１の部分
６４  空気の第２の部分
６６  燃焼ガス
６８  ＨＰタービンステータベーン
７０  ＨＰタービンロータブレード
７２  ＬＰタービンステータベーン
７４  ＬＰタービンロータブレード
７６  ファンノズル排気セクション
７８  高温ガス経路
１００  サンプ領域
１０２  シールシステム
１０４  シール組立体
１０６  外側シャフト
１０８  内側シャフト
１１０  半径方向ギャップ
１１２  シールランナ
１１３  オイル分配器
１１４  内面
１１６  シールキャリア
１１８  凹部
１２０  保持特徴部
１２２  前方端部リング
１２４  後方端部リング
１２６  シール要素
１２８  前方保持リング
１３０  後方保持リング
１３２  スペーサリング
１３４  前方フランジ
１３６  後方フランジ
１３８  前方リング本体部分
１４０  後方リング本体部分
１４２  外面
１４４  内面
１４６  外面
１４８  内面
１５０  内面
１５２  外面
１５４  内面
１５６  レリーフ
１５８  内面
１６０  環状ギャップ
１６２  本体部分
１６４  前方面
１６６  後方面
１６８  外面
１７０  前方肩部
１７２  後方肩部
１７３  貫通孔
１７４  ギャップ
１７５  溝
１７６  外面
１８０  外面
１８２  外面
１８４  ギャップ
１８６  第１の円周方向端部
１８８  第２の円周方向端部
１９０  溝部分
１９２  舌部分
１９４  駆動特徴部
【図１】
2017210954.tif 000003
【図２】
2017210954.tif 000004
【図３】
2017210954.tif 000005
【図４】
2017210954.tif 000006
【外国語明細書】
2017210954000001.pdf