JP2017198184A - ロータとステータとの間にリムシールを有するガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ロータとステータとの間にリムシールを有するガスタービンエンジンにを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンは、円周方向に離間されたブレード６８を備えた少なくとも１つのディスク７１を有するロータ５３と、円周方向に離間されたベーン７２を備えた少なくとも１つのリング１００を有するステータ６３であって、前記リングは前記ディスクに隣接している、ステータ６３と、前記ディスク及び前記リングの一方の中に形成されてバッファキャビティ１１２を定める凹部１００と、前記ディスク及び前記リングの他方から前記凹部内に延びて、前記バッファキャビティを通るラビリンス流体通路を定めるウィング１１４と、前記凹部から前記バッファキャビティ内に延びる凹部突起１１８と、前記ウィングから前記バッファキャビティ内に延びるウィング突起１２０とを含む突起の少なくとも１つのセットと、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、ロータとステータとの間にリムシールを有するガスタービンエンジンに関する。

タービンエンジン、特にガス又は燃焼タービンエンジンは、複数のブレードを有するファンを通過し、次に回転ブレード及び固定ベーンの対を含む一連の圧縮機段を通り、燃焼器を通り、次に同じく回転ブレード及び固定ベーンからなる一連のタービン段を通って、エンジンに入るガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。

動作において、タービンエンジンは、ガスが圧縮段からタービン段へ流れるにつれて、ますます高温で動作する。構成要素のための種々の冷却回路は、主流路に排出しており、動作中に内部への高温ガスの吸い込みを防止するために、十分な圧力で冷却空気を供給する必要がある。

高温ガスの冷却回路内への吸い込み又は逆流を防止するために、固定タービンノズルと回転タービンブレードとの間にシールが設けられる。吸い込み又は逆流を防止するこれらのシールの能力を改善することにより、エンジンの性能と効率が向上する。

米国特許第8979481号明細書

一態様において、実施形態は、円周方向に離間されたブレードを備えた少なくとも１つのディスクを有するロータと、円周方向に離間されたベーンを備えた少なくとも１つのリングを有するステータであって、リングはディスクに隣接している、ステータと、ディスク及びリングの一方の中に形成されてバッファキャビティを定める凹部と、ディスク及びリングの他方から凹部内に延びて、バッファキャビティを通るラビリンス流体通路を定めるウィングとを含むガスタービンエンジンに関連する。突起の少なくとも１つのセットは、凹部からバッファキャビティ内に延びる凹部突起と、ウィングからバッファキャビティ内に延びるウィング突起とを含む。

別の態様において、実施形態は、ロータ及びステータの一方の中に形成されてバッファキャビティを定める凹部と、ロータ及びステータの他方から凹部内に延びて、バッファキャビティを通るラビリンス流体通路を定めるウィングと、凹部からバッファキャビティ内に延びる凹部突起と、ウィングからバッファキャビティ内に延びるウィング突起とを含む突起の少なくとも１つのセットとを含む、ガスタービンエンジンのロータとステータとの間のリムシールに関連する。

さらに別の態様において、実施形態は、バッファキャビティ内に延びるウィングを含み、突起の少なくとも１つのセットは、バッファキャビティ内に延びる第１の突起と、ウィングからバッファキャビティ内に延びる第２の突起とを含み、第１及び第２の突起は互いから軸方向に離間される、ガスタービンエンジン用のリムシールに関連する。

航空機用のガスタービンエンジンの概略断面図。 図１のガスタービンエンジンのタービンセクションの断面図。 上流ステータのチャネル内に配置されたロータウィングを示す、図２の断面の拡大図。 図３のロータウィングの第２の実施形態。 図３のロータウィングの第３の実施形態。 図３のロータウィングの第４の実施形態。

本発明の説明される実施形態は、ガスタービンエンジンにおけるタービンセクションのロータ部分とステータ部分との間のリムシールに関する。例証目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジン用のタービンに関して説明される。しかしながら、本発明は、そのように限定されず、タービン以外のエンジンセクション、並びに、他の移動体用途及び産業、商業、住宅の非移動体用途などの非航空機用途への一般的な適用可能性を有し得ることが理解されるであろう。

図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、前方１４から後方１６へと略長手方向に延びる軸線又は中心線１２を有する。エンジン１０は、下流への直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２と、排気セクション３８とを含む。

ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、燃焼ガスを発生させるエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０と結合され得るコアケーシング４６によって囲まれている。

エンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されるＨＰシャフト又はＨＰスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に接続する。直径が大きい環状のＨＰスプール４８内でエンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されるＬＰシャフト又はＬＰスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動可能に接続する。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６はそれぞれ、複数の圧縮機段５２、５４を含み、これらの段では、段を通過する流体の流れを圧縮する又は加圧するために、圧縮機ブレード５６、５８の組が固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）の対応する組に対して回転する。単一の圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機ブレード５６、５８は、リング内に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端へと中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができ、一方、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転するブレード５６、５８の上流側に隣接して配置される。図１に示されるブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、例証目的で選択されたものに過ぎず、他の数も可能であることに留意されたい。

圧縮機の段のためのブレード５６、５８は、ＨＰスプール４８及びＬＰスプール５０の対応するものに取り付けられたディスク５９、６１に取り付けることができ、各段はそれ自体のディスク５９、６１を有する。圧縮機の段のためのベーン６０、６２は、円周方向構成でコアケーシング４６に取り付けることができる。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６はそれぞれ、複数のタービン段６４、６６を含み、これらの段では、段を通過する流体の流れからエネルギーを抽出するために、タービンブレード６８、７０のセットが、固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転される。単一のタービン段６４、６６において、複数のタービンベーン７２、７４は、リング内に設けることができ、中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができ、一方、対応する回転ブレード６８、７０は、固定タービンベーン７２、７４の下流側に隣接して配置され、ブレードプラットフォームからブレード先端へと、中心線１２に対して半径方向外向きに延びることもできる。図１に示されるブレード、ベーン、及びタービン段の数は、例証目的で選択されたものに過ぎず、他の数も可能であることに留意されたい。

タービンの段のためのブレード６８、７０は、ＨＰスプール４８及びＬＰスプール５０の対応するものに取り付けられたディスク７１、７３に取り付けることができ、各段は、それぞれのディスク７１、７３を有する。圧縮機の段のためのベーン７２、７４は、円周方向構成でコアケーシング４６に取り付けることができる。

スプール４８、５０のいずれか又は両方に取り付けられ、これらと共に回転するエンジン１０の部分は、個々に又はまとめてロータ５３とも呼ばれる。コアケーシング４６に取り付けられた部分を含むエンジン１０の固定部分は、個々に又はまとめてステータ６３とも呼ばれる。

動作中、ファンセクション１８を出る空気流は分割されて、空気流の一部はＬＰ圧縮機２４に送られ、次に、ＬＰ圧縮機２４は加圧された周囲空気７６をＨＰ圧縮機２６に供給し、ＨＰ圧縮機２６は周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧された空気７６は、燃焼器３０内で燃料と混合されて点火され、それにより、燃焼ガスを発生させる。これらのガスからＨＰタービン３４によって一部の仕事が抽出され、それにより、ＨＰ圧縮機２６が駆動される。燃焼ガスはＬＰタービン３６内へ吐出され、ＬＰタービン３６は、ＬＰ圧縮機２４を駆動させるために更なる仕事を抽出し、最終的に、排出ガスが排気セクション３８を通してエンジン１０から吐出される。ＬＰタービン３６の駆動は、ＬＰスプール５０を駆動させて、ファン２０及びＬＰ圧縮機２４を回転させる。

空気流７８の残りの部分は、ＬＰ圧縮機２４及びエンジンコア４４を迂回して、固定ベーンの列、より具体的には、ファン排気側８４の複数の翼形部ガイドベーン８２を含む出口ガイドベーン組立体８０を通って、エンジン組立体１０を出る。より具体的には、半径方向に延びる翼形部ガイドベーン８２の円周方向の列が、ファンセクション１８に隣接して利用され、空気流７８の何らかの方向性制御を及ぼす。

ファン２０により供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４を迂回して、エンジン１０の部分、特に高温部分の冷却のために使用することができ、及び／又は、航空機の他の特徴要素を冷却するため又はこれに動力を供給するために使用することができる。タービンエンジンとの関連において、通常、エンジンの高温部分は、燃焼器３０及び燃焼器３０の下流側の構成要素、特にタービンセクション３２であり、ＨＰタービン３４は、それが燃焼セクション２８の直下流にあるため、最も高温の部分である。他の冷却流体の供給源は、これらに限定されるものではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出される流体とすることができる。この流体は、ブリード空気７７とすることができ、ブリード空気７７は、タービンセクション３２のための冷却供給源として燃焼器３０を迂回するＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から引き込まれる空気を含むことができる。これは一般的なエンジン構成であり、限定することを意図するものではない。

図２は、ステータ６３及びロータ５３を含むタービンセクション３２の部分を示す。本明細書における説明はタービンに関して記述されるが、本明細書で開示される概念は、圧縮機セクションにも等しく適用できることを理解されたい。ロータ５３は、円周方向に離間されたブレード６８を有する少なくとも１つのディスク７１を含む。ロータ５３は、中心線１２の周りに回転することができるので、ブレード６８は中心線１２の周りに半径方向に回転する。

ステータ６３は、円周方向に離間されたベーン７２を有する少なくとも１つのリング１００を含む。リング１００は、ディスク７１に隣接し、ロータ５３とステータ６３との間にリムシール１０２を形成する。半径方向シール１０４は、リング１００に隣接したステータディスク１０６に取り付けることができる。各ベーン７２は、互いに半径方向に離間されて、少なくとも部分的に、主流空気流Ｍのための通路を定める。

主流空気流Ｍは、ブレード６８により駆動されて、前方１４方向から後方１６方向へ移動する。リムシール１０２及び半径方向シール１０４は、漏れ通路を有することができ、これを通って、主流空気流Ｍからの一部の空気流が、主流空気流Ｍの反対方向に漏れ、ロータ５３とステータ６３の部分の望ましくない加熱をもたらす可能性がある。ラビリンス流体通路１０８は、リング１００とディスク７１との間に延び、これらの部分の加熱を弱めるために使用される。

図３を参照すると、部分ＩＩＩの拡大図は、ラビリンス流体通路１０８をより明確に詳述する。バッファキャビティ１１２を定めるように、ディスク７１及びリング１００の一方の中に、終端部１１１を有する凹部１１０を形成することができる。ディスク７１及びリング１００の他方の中に、終端部１１５を有するウィング１１４を形成することができる。例示的な実施形態において、凹部１１０はリング１００内に形成され、ウィング１１４はディスク７１から延び、協働してラビリング流体通路１０８を定める。

突起（ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｃｅ）の少なくとも１つのセット１１６が、バッファキャビティ１１２内に半径方向に延びる。各セット１１６は、凹部１１０から延びる第１の又は凹部の突起１１８と、ウィング１１４から延びる第２の又はウィングの突起１２０とを含む。突起１１８、１２０の半径方向範囲は、ウィング１１４の表面と凹部１１０の表面との間に適切な間隙を残すように、ディスク７１とリング１００との間の半径方向公差を下回る。各突起１１８、１２０は、ディスク７１とリング１００との間に軸方向公差を上回る間隔を有した状態で、互いから軸方向に離間される。半径方向及び軸方向の公差は、適切な間隙を維持し、温度のばらつきに起因するエンジン部品の半径方向及び軸方向の熱膨張を考慮するように決定される。

図３に示される例示的な実施形態において、ウィング１１４は、バッファキャビティ１１２を少なくとも２つの部分１２２、１２４に分ける。突起のセット１１６は、第１の部分１１２内に見出すことができ、突起の第２のセット１１７は、第２の部分１２４内に見出すことができる。各々の突起１１８、１２０は、凹部１１０及びウィング１１４の終端部１１１、１１５に配置され、凹部突起１１８は、ウィング突起１２０の軸方向前方にある。全体として、ウィング突起１２０は、ウィング１１４の終端部１１５においてＴ形状をもたらす。

図４、図５及び図６において、突起のセットを有するリムシールの他の実施形態が企図される。第２、第３及び第４の実施形態は、第１の実施形態と類似しているので、同様の部品は、それぞれ１００、２００、３００ずつ増加する同様の番号により識別され、第１の実施形態の同様の部品の説明は、別途指示されていない限り、付加的な実施形態にも適用されることが理解される。図４は、凹部突起２２０の軸方向前方にあるウィング突起２１８を示し、ウィング突起２１８は、ウィング２１４のミッドスパン部分２２６から凹部１１０の終端部２１１の半径方向上方又は下方に延びる。

図５に示される別の例示的な実施形態においては、最初の２つの例示的な実施形態とは違って、凹部突起３１８及びウィング突起３２０は、互いに鏡像を形成しない。代わりに、凹部突起３１８及びウィング突起３２０は、突起の第１のセット３１６が凹部突起３２０の軸方向前方でウィング突起３１８を含み、第２のセット３１７がウィング突起３２０の軸方向前方で凹部突起３１８を含むように、交互配置される。第２のセット３１７は、対応する終端部３１１、３１５において両方の突起３１８、３２０を含む。

図６に企図される第４の実施形態は、第３に実施形態に類似し、ここでは突起の第１のセット４１６は、ウィング突起４２０の軸方向前方で凹部突起４１８を含む。第１のセット４１６は、対応する終端部４１１、４１５において両方の突起４１８、４２０を含む。突起の第２のセット４１７は、凹部突起４１８の軸方向前方でウィング突起４２０を含む。突起のセットの他の構成も可能であり、例示的な実施形態は、例証目的のみのためのものである。

リムシール内に突起の少なくとも１つのセットを含む利点は、主流の流れからの高温ガスの吸い込みを抑制する点にある。突起は、吸い込み流の渦遮蔽のための付加的なキャビティを生成し、突起のセットの配置をエンジン用に最適化することができ、半径方向及び軸方向の一過性の間隙の微調整が、エンジン動作全体にわたって最適化される。

本明細書で説明される構成は、複数の動作点におけるシールを可能にする。これらの構成は、ロータ及びステータの部分に好ましくない影響を及ぼす可能性がある、バッファキャビティを超えた高温ガスの吸い込みを防止する。高温ガスの吸い込みの防止はまた、より少ないパージ流を可能にし、従って、燃料消費率（ＳＰＣ）の改善を可能にする。

開示されたデザインの用途は、ファン及びブースタセクションを有するタービンエンジンに限定されるものであなく、ターボジェット及びターボエンジンにも適用可能であることを理解されたい。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、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発明を実施することを可能にする。本発明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、請求項の範囲内にあるものとする。

１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ ＬＰ圧縮機
２６ ＨＰ圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ ＨＰスプール
５０ ＬＰスプール
５１ ロータ
５２ ＨＰ圧縮機段
５３ ロータ
５４ ＨＰ圧縮機段
５６ ＬＰ圧縮機ブレード
５８ ＨＰ圧縮機ブレード
６０ ＬＰ圧縮機ベーン
６１ ディスク
６２ ＨＰ圧縮機ベーン
６３ ステータ
６４ ＨＰタービン段
６６ ＬＰタービン段
６８ ＨＰタービンブレード
７０ ＬＰタービンブレード
７１ ディスク
７２ ＨＰタービンベーン
７３ ディスク
７４ ＬＰタービンベーン
７６ 加圧された周囲空気
７７ ブリード空気
７８ 空気流
８０ 出口ガイドベーン組立体
８２ 翼形部ガイドベーン
８４ ファン排気側
１００ リング
１０２ リムシール
１０４ 半径方向シール
１０８ ラビリンス流体通路
１１０ 凹部
１１１ 終端部
１１２ バッファキャビティ
１１４ ウィング
１１５ 終端部
１１６ 突起の第１のセット
１１７ 突起の第２のセット
１１８ 凹部突起
１２０ ウィング突起
１２２ 第１の部分
１２４ 第２の部分
２０８ ラビリンス流体通路
２１０ 凹部
２１１ 終端部
２１２ バッファキャビティ
２１４ ウィング
２１５ 終端部
２１６ 突起の第１のセット
２１７ 突起の第２のセット
２１８ 凹部突起
２２０ ウィング突起
２２２ 第１の部分
２２４ 第２の部分
３０８ ラビリンス流体通路
３１０ 凹部
３１１ 終端部
３１２ バッファキャビティ
３１４ ウィング
３１５ 終端部
３１６ 突起の第１のセット
３１７ 突起の第２のセット
３１８ 凹部突起
３２０ ウィング突起
３２２ 第１の部分
３２４ 第２の部分
４０８ ラビリンス流体通路
４１０ 凹部
４１１ 終端部
４１２ バッファキャビティ
４１４ ウィング
４１５ 終端部
４１６ 突起の第１のセット
４１７ 突起の第２のセット
４１８ 凹部突起
４２０ ウィング突起
４２２ 第１の部分
４２４ 第２の部分

Claims (27)

1. ガスタービンエンジン（１０）であって、
   円周方向に離間されたブレード（６８）を備えた少なくとも１つのディスク（７１）を有するロータ（５３）と、
   円周方向に離間されたベーン（７２）を備えた少なくとも１つのリング（１００）を有するステータ（６３）であって、前記リングは前記ディスクに隣接している、ステータ（６３）と、
   前記ディスク及び前記リングの一方の中に形成されてバッファキャビティ（１１２）を定める凹部（１００）と、
   前記ディスク及び前記リングの他方から前記凹部内に延びて、前記バッファキャビティを通るラビリンス流体通路を定めるウィング（１１４）と、
   前記凹部から前記バッファキャビティ内に延びる凹部突起（１１８）と、前記ウィングから前記バッファキャビティ内に延びるウィング突起（１２０）とを含む突起の少なくとも１つのセットと、
   を含む、ガスタービンエンジン。
2. 前記ウィングは、前記バッファキャビティを少なくとも２つの部分に分け、前記突起のセットは同じ部分にある、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 異なる部分に配置された突起の少なくとも２つのセットがある、請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記凹部突起及び前記ウィング突起は、互いに軸方向に離間される、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記凹部突起は、前記ウィング突起の軸方向前方にある、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記軸方向間隔は、前記ディスクと前記リングとの間の軸方向公差を上回る、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記突起は、前記バッファキャビティ内に半径方向に延びる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記半径方向範囲は、前記ディスクと前記リングとの間の半径方向公差を下回る、請求項７に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記突起は、前記凹部及び前記ウィングの終端部に配置される、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記凹部は前記リング内に配置され、前記ウィングは前記ディスクから延びる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
11. ガスタービンエンジン（１０）のロータ（５３）とステータ（６３）との間のリムシール（１０２）であって、
    前記ロータ及び前記ステータの一方の中に形成されてバッファキャビティ（１１２）を定める凹部（１１０）と、
    前記ロータ及び前記ステータの他方から前記凹部内に延びて、前記バッファキャビティを通るラビリンス流体通路を定めるウィング（１１４）と、
    前記凹部から前記バッファキャビティ内に延びる凹部突起（１１８）と、前記ウィングから前記バッファキャビティ内に延びるウィング突起（１２０）とを含む突起の少なくとも１つのセットと、
    を含む、リムシール。
12. 前記ウィングは、前記バッファキャビティを少なくとも２つの部分に分け、前記突起のセットは同じ部分にある、請求項１１に記載のリムシール。
13. 異なる部分に配置された突起の少なくとも２つのセットがある、請求項１２に記載のリムシール。
14. 前記凹部突起及び前記ウィング突起は、互いに軸方向に離間される、請求項１３に記載のリムシール。
15. 前記凹部突起は、前記ウィング突起の軸方向前方にある、請求項１４に記載のリムシール。
16. 前記軸方向間隔は、前記ロータと前記ステータとの間の軸方向公差を上回る、請求項１４に記載のリムシール。
17. 前記突起は、前記バッファキャビティ内に半径方向に延びる、請求項１６に記載のリムシール。
18. 前記半径方向範囲は、前記ロータと前記ステータとの間の半径方向公差を下回る、請求項１７に記載のリムシール。
19. 前記突起は、前記凹部及び前記ウィングの終端部に配置される、請求項１８に記載のリムシール。
20. 前記凹部は前記ステータ内に配置され、前記ウィングは前記ロータから延びる、請求項１９に記載のリムシール。
21. ガスタービンエンジン（１０）用のリムシール（１０２）であって、バッファキャビティ（１１２）内に延びるウィング（１１４）を含み、突起の少なくとも１つのセットは、前記バッファキャビティ内に延びる第１の突起（１１８）と、前記ウィングから前記バッファキャビティ内に延びる第２の突起（１２０）とを含み、前記第１及び第２の突起は互いから軸方向に離間される、リムシール。
22. 前記ウィングは、前記バッファキャビティを少なくとも２つの部分に分け、前記突起のセットは同じ部分にある、請求項２１に記載のリムシール。
23. 異なる部分に配置された突起の少なくとも２つのセットがある、請求項２２に記載のリムシール。
24. 前記第１の突起は、前記第２の突起の軸方向前方にある、請求項２１に記載のリムシール。
25. 前記軸方向間隔は、前記ロータと前記ステータとの間の軸方向公差を上回る、請求項２２１に記載のリムシール。
26. 前記突起は、前記バッファキャビティ内に半径方向に延びる、請求項２５に記載のリムシール。
27. 前記半径方向範囲は、前記ロータと前記ステータとの間の半径方向公差を下回る、請求項２６に記載のリムシール。