JP2014043858A - ターボ機械用のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械におけるアクティブクリアランス制御及びスパン低減のための改善されたラビリンスシール設計構造及び作動制御クリアランス方法を提供すること。
【解決手段】ラビリンスシール設計、作動制御クリアランス方法、及びターボ機械を作動させる方法が提供される。ラビリンスシール設計は、静止部品と回転部品の間の軸方向相対移動に応答して、半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含む。作動制御クリアランス方法、及びターボ機械を作動させる方法は、アクティブ要素を使用して、回転部品と静止部品の間の相対運動を効果的に達成する。静止部品に対する回転部品の軸方向変位は、ターボ機械の所与の作動条件に適合するよう回転部品と静止部品の間の１以上のシール位置における半径方向クリアランスの調整を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本明細書で提示される実施形態は、全体的に、蒸気タービン及びガスタービンのような回転機械用のシールに関し、より詳細には、ターボ機械におけるアクティブクリアランス制御及びスパン低減のためのラビリンスシール設計構造及びアクティブクリアランス制御作動方法に関する。

蒸気タービン及びガスタービンのような回転機械、より詳細にはターボ機械は、発電及び機械的駆動装置の用途で使用され、一般に、複数のタービン段からなる大型機械である。タービンでは、タービン段を流れる高圧流体は、一連の静止及び回転部品を通過しなければならず、漏洩を制御するために静止部品と回転部品の間にシールが使用される。タービンの効率は、例えば、ロータとステータとの間の漏洩を防ぐシールの能力によって直接左右される。タービン設計構造は従来、静止ノズル間で生じる圧力低下の大部分によるインパルスと、又は動翼と静翼との間に均等に分布した圧力低下である反応との何れかに分類される。両方の設計構造は、漏洩を制御するために堅固な歯状部、すなわちラビリンスシールを利用することができる。従来は、Ｈｉ−Ｌｏの直線的なシャフト設計構造の堅固なラビリンスシールが使用されている。これらのタイプのシールは、回転部品と静止部品の間の漏洩を制御する必要のある事実上全てのタービン位置に利用される。このシールは、段間シャフトシール、ロータ端部シール、及びバケット（又はブレード）先端シールを含む。インパルス及び反応設計構造の蒸気タービンは通常、ロータ／ステータシールに堅固で鋭い歯状部を利用する。ラビリンスシールは極めて信頼性があることが証明されているが、静止及び回転部品の干渉、ラビリンス歯状部の摩耗により「キノコ様」輪郭になること、及びシールクリアランスの広がりといった過渡事象の結果として、時間の経過に伴ってラビリンスシールの性能が劣化する。

シール漏洩の可能性が増大する結果をもたらすこのような摩耗故障を防ぐために、ラビリンスシール設計構造は、半径方向及び軸方向クリアランスを組み込み、過渡事象中の摩耗を防ぐことができる。これらのクリアランスは、シール漏洩の可能性を低減するが、効率の低下及び機械占有面積の増大をもたらす可能性がある。ターボ機械のクリアランス制御において、幾つかの受動的及び能動的（アクティブ）手法がある。これらの手法の多くは、受動的熱ベースのものであり、過渡事象に対する反応が遅く、従って、機械の作動柔軟性に欠ける。従来技術のアクティブ手法は通常、重円錐概念に基づいており、全体としてクリアランスを最適にするものではない。性能が改善された他のシール技術は、ブラシシール、柔軟プレートシール、及びアブレイダブルなどの最新のシールが挙げられるが、多くの用途において相当なコストアップとなる可能性がある。

上記の観点から、ターボ機械におけるアクティブクリアランス制御及びスパン低減のための改善されたラビリンスシール設計構造及び作動制御クリアランス方法を提供することが望ましい。

米国特許第８０８７８７２号明細書

従来技術のこれら及び他の欠点は、ターボ機械用のラビリンスシール設計構造を提供する本開示によって対処される。ラビリンスシール設計構造は、静止部品と回転部品の間の軸方向相対移動に応答して半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を備える。

本開示の例示的な実施形態によれば、アクティブ要素を用いてターボ機械の１以上の回転部品と１以上の静止部品の間の相対運動を行う作動制御クリアランス方法が提供される。作動制御クリアランス方法は、内壁を有する静止部品と、該静止部品に対して位置付けられる回転部品とを設け、回転部品と内壁との間の１以上のシール位置において半径方向クリアランスを形成するようにするステップと、静止部品と回転部品の間の軸方向相対移動に応答して、１以上のシール位置のうちの１つのシール位置において半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含む、１以上のラビリンスシールを設けるステップと、回転部品を静止部品に対して軸方向に変位させ、これによりターボ機械の所与の作動条件に適合するよう回転部品と内壁との間の１以上のシール位置にて半径方向クリアランスを調整するステップと、を含む。

本開示の例示的な実施形態によれば、ターボ機械を作動させる方法が提供される。ターボ機械を作動させる本方法は、内壁を有する静止部品と、該静止部品に対して位置付けられる回転部品とを備え、回転部品が内壁に面するブレード先端を各々が有する複数のブレードを保持し且つ各ブレード先端と内壁との間に半径方向クリアランスを形成するターボ機械を設けるステップと、静止部品と回転部品の間の軸方向相対変位に応答して半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含むラビリンスシールを設けるステップと、回転部品を静止部品に対して軸方向に変位させ、これによりターボ機械の所与の作動条件に適合するようブレード先端と内壁との間の半径方向クリアランスを調整するステップと、を含む。

本開示の他の目的及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明並びに添付の請求項を読めば明らかになるであろう。

本開示の上記及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本明細書で開示される態様によるエンジンの概略図。 従来技術のラビリンスシールの概略図。 １つの実施形態による、シール設計及びアクティブクリアランス制御方法の概略図。 １つの実施形態によって組み立てられたシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 １つの実施形態による、ロータ作動に続く、図４のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 １つの実施形態による定常状態作動中の図４のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 実施形態による様々な作動状態中の図４〜６のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の変形形態の概略図。 別の実施形態に従って組み立てられたシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 １つの実施形態によるロータ作動に続く、図８のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 １つの実施形態による定常状態作動中の図８のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図。 実施形態による様々な作動状態中の図８〜１０のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の変形形態の概略図。 １つの実施形態によるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の作動プロファイルに関連するアクチュエータ変位の作用を示す例示的なグラフ。 １つの実施形態によるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法を使用することによって達成される利点を示す例示的なグラフ。 例示的な実施形態による、作動制御クリアランス方法、又はターボ機械を作動させる方法の概略ブロック図。

本発明の１以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、本明細書では必ずしも実際の実施構成の全ての特徴が説明されるとは限らない。

本明細書で開示される実施形態は、ターボエンジン、蒸気タービン、又は同様のものなどのターボ機械におけるラビリンスシール設計構造に関し、より詳細にはアクティブクリアランス制御及びスパン低減のためのラビリンスシール設計構造及び作動制御クリアランス方法に関する。本明細書で使用されるラビリンスシール設計構造は、限定ではないが、ターボジェット、ターボファン、ターボ推進エンジン、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン、及び水タービンのような様々なタイプのターボ機械用途に適用可能である。加えて、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」のような本明細書で使用される単数形は、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。

ここで複数の図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照し、図１は、本開示による例示的な航空機エンジン組立体１０の概略図である。参照符号１２は、中心軸線１２を表すことができる。例示的な実施形態において、エンジン組立体１０は、ファン組立体１４、ブースタ圧縮機１６、コアガスタービンエンジン１８、並びにファン組立体１４及びブースタ圧縮機１６に結合できる低圧タービン２０を含む。ファン組立体１４は、ファンロータディスク２４から実質的に半径方向外向きに延びる複数のロータファンブレード２２と、ロータファンブレード２２の下流側に位置することができる複数の出口ガイドベーン２６とを含む。コアガスタービンエンジン１８は、高圧圧縮機２８、燃焼器３０、及び高圧タービン３２を含む。ブースタ圧縮機１６は、第１の駆動シャフト３８に結合された圧縮機ロータディスク３６から実質的に半径方向外向きに延びる複数のロータブレード３４を含む。高圧圧縮機２８及び高圧タービン３２は、第２の駆動シャフト４０によって共に結合される。エンジン組立体１０はまた、吸気側４２と、コアエンジン排気側４４と、ファン排気側４６とを含む。

作動中、ファン組立体１４は、吸気側４２を通ってエンジン１０に流入する空気を加圧する。ファン組立体１４から流出する空気流は、空気流の一部４８が、加圧空気流としてブースタ圧縮機１６に送られ、空気流の残りの部分５０は、ブースタ圧縮機１６及びコアガスタービンエンジン１８をバイパスし、バイパス空気としてファン排気側４６を通ってエンジン１０から流出する。このバイパス空気部分１０は、出口ガイドベーン２６を通過して該出口ガイドベーン２６と相互作用し、ステータ表面並びに音波として放射する周囲の空気流において非定常圧力をもたらす。複数のロータブレード４０は、加圧空気流４８を加圧してコアガスタービンエンジン１８に向けて送給する。その上、空気流４８は更に、高圧圧縮機２８によって加圧され、燃焼器３０に送給される。加えて、燃焼器３０からの加圧空気流４８は、回転高圧タービン３２及び低圧タービン２０を駆動し、コアエンジン排気側４４を通ってエンジン１０から流出する。

上述のように、例えば、図１のロータ４０及びステータ２６のようなロータとステータとの間など、回転部品と静止部品の間の漏洩を制御する必要のある事実上全てのタービン位置にてシールが利用される。図２を更に詳細に参照すると、タービンハウジング６２内に配置されたタービンシャフト６０を有し、該シャフト６０が当該技術分野で公知の従来手段（図示せず）によってタービンハウジング６２内に支持された従来技術の回転機械の一部、例えばタービンが例示されている。全体的に符号６４で示され、回転シャフト６０と静止ハウジング６２との間に配置されたラビリンスシールは、シャフト６０の周りに配置されたシールリング６６を含み、該リングの軸方向両側に高圧領域と低圧領域とを離隔する。１つだけのシール６４が配置されているが、通常はロータシャフトの周りに多段のラビリンスシールが設けられる点は理解されるであろう。各シールリング６６は、シール面７０と半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部７２とを有する複数の弧状シール要素６８の環状アレイから形成される。歯状部７２は、シャフト６０の半径方向突出部又はリブ７４と溝７６とを備えた近接クリアランスを得るためのＨｉ−Ｌｏ設計構造のものである。ラビリンスシールは、シール６４の両側で高圧領域から低圧領域への流体の流れに対して比較的多くの障壁部（すなわち、歯状部）を配置し、各障壁部によって流体が蛇行経路を辿り、圧力低下が生じるようにさせることにより機能する。ラビリンスシール６４の両端での圧力低下の合計は、定義上、シールの軸方向両側での高圧領域と低圧領域との間の差圧である。これらのラビリンスシールリングセグメント６６は通常、弾性戻りを生じ、従って、過酷なロータ／シール干渉に曝されたときに矢印で示すように半径方向に自由に移動することができる。特定の設計構造では、バネにより、例えば始動及びシャットダウン中にシールリングセグメント６６がロータから半径方向外向きに離れるように維持され、流体圧力がシールリングセグメント６６とロータハウジングとの間に供給されて、該シールリングセグメント６６を半径方向、より詳細には内向き方向に変位させ、ロータが最大速度になった後にロータとより少ないクリアランスを得て、すなわちシールを縮めるようにする。図示のように、ラビリンスシール６４は、半径方向移動の影響を受けたときに、回転シャフト６０と静止ハウジング６２との間に半径方向クリアランスを設け、必要に応じて拡縮するようにする。

図３を参照すると、本明細書で開示される新規のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法を含む実施形態による、回転機械１００の一部（例えば、タービン）が示されている。回転機械１００は、回転部品１０２及び静止部品１０４を含む。１つの実施形態において、回転部品１０２は、当該技術分野で公知のような従来手段（図示せず）によって支持された複数のロータブレード１０８が延びているタービンロータ１０６とすることができる。１つの実施形態において、静止部品１０４は、当該技術分野で公知のような従来手段（図示せず）によって支持されて延びている複数のステータベーン１１２を含むステータ１１０とすることができる。１つの実施形態において、静止部品１０４は、内壁１０３を含むことができる。回転部品１０２は、該回転部品１０２と内壁１０３との間の１以上のシール位置１０７にて半径方向クリアランス１０５を形成するよう静止部品１０４に対して相対的に位置付けられる。

ラビリンスシールは、全体的に符号１１４で示され、ロータ１０６と静止ステータベーン１１０の各々との間に配置される。ラビリンスシール１１４は、ロータ１０６に近接して配置されたシールリング１１６を含み、該シールリング１１６の半径方向の両側に高圧領域と低圧領域とを離隔する。図示のように、典型的には多段のラビリンスシールは、回転部品１０２及びより詳細にはロータ１０６に近接して設けられる点は理解されるであろう。各シールリング１１６は、シール面１２０と半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１２２とを有する複数の弧状シール要素１１８の環状アレイから形成される。図示のように、１つの実施形態において、歯状部１２２は、回転部品１０２の複数の半径方向突出部又はリブ１２４と溝１２６とを備えた近接クリアランスを得るためのＨｉ−Ｌｏ設計構造のものである。ラビリンスシール１１４は、シール１１４の両側で高圧領域から低圧領域への流体の流れに対して比較的多くの障壁部（すなわち、歯状部）を配置し、各障壁部によって流体が蛇行経路を辿り、圧力低下が生じるようにさせることにより機能する。ラビリンスシール１１４の各々にわたる圧力低下の合計は、定義上、シールの軸方向両側での高圧領域と低圧領域との間の差圧である。ロータ１０２は、方向矢印１２８で示すように、作動中に軸方向に自由に移動できる。作動中、回転部品１０２及びより詳細にはロータ１０６が加熱されると軸方向に「成長」し、アクティブスラスト軸受１３０から離れて変位するようになる。ロータ１０２の軸方向運動は、アクチュエータ（図示せず）によって制御され、アクティブスラスト軸受１３０に対して軸方向のロータ１０２の成長と相対的である。この軸方向変位の影響を受けたときの新規のラビリンスシール設計構造（以下でより詳細に説明される）は、回転部品１０２と静止部品１０４との間に半径方向クリアランスを設け、必要に応じて拡縮するようにする。

１つの実施形態によれば、上述のように、本明細書で開示される新規のラビリンスシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法は、回転部品に対して軸方向の自由度を与え、これにより必要に応じて回転部品と静止部品の間に設けられる半径方向クリアランスの調整を可能にする。一般に、ラビリンスシールの構成要素、例えば、歯状部及び協働するリブ並びに溝は、回転部品又は静止部品の何れかに形成することができる。例えば、ロータブレード先端とステータとの間のシールでは、歯状部は通常、ステータ上に形成されるが、ノズルとロータとの間のシールでは、歯状部は通常、ロータ上に形成される。更に別の代替の実施形態では、歯状部／協働するリブ及び溝は、ロータ及びステータの両方に形成することができる。リブ及び溝の位置は、回転部品又は静止部品の何れに歯状部が存在するかに関係なく、同じロータ作動が全てのシールに対するクリアランスを拡大又は縮小するように設計される。

ここで図４〜１１を参照すると、本明細書で開示される実施形態による複数のラビリンスシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図が示される。上述のように、複数の図面を通して同じ参照符号が同じ要素を示す。図４〜６をより具体的に参照すると、エンジン作動段階中の全体的に符号１５０で示される新規のラビリンスシール設計構造が示される。この特定の実施形態において、図３の回転部品１０２及び静止部品１０４とほぼ同様の回転部品１５２及び静止部品１５４が示される。１つの実施形態において、回転部品１５２はロータであり、静止部品１５４はステータである。回転部品１５２は、図３の歯状部１２２とほぼ同様の半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２を有する弧状シール要素１５８を含む。上述のように歯状部１６２は、Ｈｉ−Ｌｏ設計構造のものであり、複数の短歯状部１６４及び複数の長歯状部１６６を含む。加えて、静止部品１５４は、図３のリブ１２４及び溝１２６とほぼ同様の、複数の半径方向に突出するリブ又はランド１６８、及び複数の溝又はポケット１７０を設けている。この特定の実施形態において、リブ１６８は、様々な高さのものであり、交互する複数の長リブ１７２及び短リブ１７４を含む。長リブ１７２及び短リブ１７４は、複数の溝又はポケット１７０間に離間して配置されている。より具体的には、図示の実施形態では、ラビリンスシール１５０は、長リブ１７２の各ペア間に配置された第１の溝１７６及び第２の溝１７８を含み、該第１の溝１７６及び第２の溝１７８間に配置された短リブ１７４を有するように構成される。代替の実施形態では、タービン端部パッキン位置（図７に最もよく示される）におけるように、複数の長リブ１７２及び短リブ１７４は、非交互の関係で構成することができる。

図４〜６を再度参照すると、複数のリブ１６８及び溝又はポケット１７０の寸法は、ターボ機械全体にわたり半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２の適正な位置決めを可能にするようターボ機械全体に設計される。より詳細には、図４〜６に示す実施形態において、溝１７０及びより詳細には第１の溝１７６及び第２の溝１７８は各々、軸方向寸法幅「ｘ」及び「ｙ」それぞれを有し、ここで「ｘ」はゼロよりも大きく（ｘ＞０）、「ｙ」はゼロよりも大きい（ｙ＞０）。１つの実施形態において、「ｘ」は「ｙ」と等しいとすることができる（ｘ＝ｙ）。代替の実施形態において、「ｘ」は「ｙ」と等しくないとすることができる（ｘ≠ｙ）。半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２の適正な位置決めは、適切な時間間隔にされた「Ｎ」（Ｎは１〜無限の範囲、無限は、極限の場合の連続作動）作動を用いて回転部品１５２の軸方向位置を制御することにより達成される。

図示の実施形態において、作動制御クリアランス方法は、過渡事象中、すなわち、図４に最もよく例示されるエンジン停止／始動中に短歯状部１６４及び長歯状部１６６の各々が溝内に配置され又は整列されることを必要とする。回転部品１５２の作動に続いて、回転部品１５２は、図５に示すような熱膨張を受ける。この作動状態の間、回転部品１５２は、軸方向矢印１８０で示されるようにスラスト軸受に対して軸方向に膨張（本明細書では延長又は成長とも呼ばれる）する。この段階中、回転部品１５２は、静止部品１５４に対して最長の位置にある。図６に示すように、エンジン作動が定常状態になると、静止部品１５４に対して軸方向に成長又は延長した回転部品１５２は、軸方向矢印１８２で示されるように軸方向に調整され、回転部品１５２と静止部品１５４との間に形成されるクリアランスを「縮小」するようにする。回転部品１５２のこの軸方向調整は、短歯状部１６４の各々を長リブ１７２のうちの１つと整列して位置付け、長歯状部１６６の各々を短リブ１７４のうちの１つと整列して位置付け、これにより回転部品１５２と静止部品１５４との間の半径方向クリアランスを縮小する。

ここで図７を参照すると、様々なシール設計構造、より詳細には、流路シール１９０、入口端部パッキンシール１９２、及び排気端部パッキンシール１９４を代表的に示す設計構造の構成が例示されており、各々が、低温始動１９５、ロングロータ１９６、定常１９７、及びショートロータ１９８を含む、様々な作動状態中のシール構成を示している。より具体的には、上述のような流路シール１９０が示されている。加えて、複数の長リブ（長リブ１７２のような）及び短リブ（短リブ１７４のような）を非交互の関係で構成することができる端部パッキン１９２、１９４が示されている。加えて、歯状部／協働リブ及び溝を回転及び静止部品の両方に形成することができる。例示の構成では、非対称設計構造（現在説明されている）のものよりもより小さな作動ストロークが要求される。これにより作動誤差のより大きなマージンをもたらすことができる。

次に、図８〜１１を参照すると、別の実施形態によるラビリンスシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の一部の拡大概略図が示されている。より具体的には、エンジン作動段階中の全体的に符号２００で示される新規のラビリンスシール設計構造が示される。上述のように、開示される実施形態を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す。この特定の実施形態において、図３の回転部品１０２及び静止部品１０４とほぼ同様の回転部品１５２及び静止部品１５４が示される。図示の実施形態において、図４〜７に示した上述の実施形態とは異なり、静止部品１５４は、図３の歯状部１２２とほぼ同様の半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２を有する弧状シール要素１５８を含む。上述のように歯状部１６２は、Ｈｉ−Ｌｏ設計構造のものであり、複数の短歯状部１６４及び複数の長歯状部１６６を含む。加えて、回転部品１５２は、図３のリブ１２４及び溝１２６とほぼ同様の、複数の半径方向に突出するリブ又はランド１６８、及び複数の溝又はポケット１７０を設けている。この特定の実施形態において、リブ１６８は、様々な高さのものであり、交互する複数の長リブ１７２及び短リブ１７４を含む。長リブ１７２及び短リブ１７４は、複数の溝又はポケット１７０間に離間して配置されている。

上述のように、複数のリブ１６８及び溝又はポケット１７０の寸法は、ターボ機械全体にわたり半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２の適正な位置決めを可能にするようターボ機械全体に設計される。より詳細には、図８〜１０に示す実施形態において、溝１７０及びより詳細には第１の溝１７６は、軸方向寸法幅「ｘ」を有し、ここで「ｘ」はゼロよりも大きい（ｘ＞０）。図４〜６に関して説明した実施形態とほぼ同様に配置された第２の溝が記載されるが、軸方向の幅寸法「ｙ」はゼロである。従って、第２の溝は、例示の実施形態に示すように目に見えない。より具体的には、例示の実施形態において、ラビリンスシール２００は、長リブ１７２の各ペア間に配置された第１の溝１７６を含み、第１の溝１７６と第２の溝との間に配置された短リブ１７４を有するように構成され、第２の溝の軸方向幅寸法「ｙ」はゼロである。或いは、本実施形態は、長リブ１７２及び短リブ１７４の各々間に配置された単一の溝１７６を含むように説明することができ、長歯状部１６６の各々は、過渡状態（上述のような）中に溝１７６と整列され、非対称シール設計構造をもたらす。加えて、半径方向に突出し軸方向に離間した複数の歯状部１６２の適正な位置決めは、適切な時間間隔にされた「Ｎ」（Ｎは１〜無限の範囲、無限は、極限の場合の連続作動）作動を用いて回転部品１５２の軸方向位置を制御することにより達成される。

図示の実施形態において、作動制御クリアランス方法は、図４〜７に関して上述したものとほぼ同様であるが、その一方で、作動制御クリアランス方法は、過渡事象中、すなわち、図８に最もよく例示されるエンジン停止／始動中に短歯状部１６４及び長歯状部１６６の各々が溝内に配置され又は整列されることを必要とする。回転部品１５２の作動に続いて、回転部品１５２は、図９に示すような熱膨張を受ける。この作動状態の間、回転部品１５２は、軸方向矢印１８０で示されるようにスラスト軸受に対して軸方向に膨張、すなわち、延長又は成長する。この段階中、回転部品１５２は、静止部品１５４に対して最長の位置にある。図１０に示すように、エンジン作動が定常状態になると、静止部品１５４に対して軸方向に成長又は延長した回転部品１５２は、軸方向矢印１８２で示されるように軸方向に調整され、回転部品１５２と静止部品１５４との間に形成されるクリアランスを「縮小」するようにする。回転部品のこの調整は、短歯状部１６４の各々を長リブ１７２のうちの１つと整列して位置付け、長歯状部１６６の各々を短リブ１７４のうちの１つと整列して位置付け、これにより回転部品１５２と静止部品１５４との間の半径方向クリアランスを縮小する。システムレベル最適化によって、ターボ機械シール設計構造及び最適ロータ作動制御クリアランス方法が得られる。

次に図１１を参照すると、様々なシール設計構造、より詳細には、流路シール２００、入口端部パッキンシール２０２、及び排気端部パッキンシール２０４を代表的に示す設計構造の構成が例示されており、各々が、低温始動２０５、ロングロータ２０６、定常２０７、及びショートロータ２０８を含む、様々な作動状態中のシール構成を示している。より具体的には、上述のような流路シール２００が示されている。加えて、複数の長リブ（長リブ１７２のような）及び短リブ（短リブ１７４のような）を非交互の関係で構成することができる端部パッキン２０２、２０４が示されている。加えて、歯状部／協働リブ及び溝を回転及び静止部品の両方に形成することができる。例示の非対称構成では、本明細書で記載されるベースライン又は対称設計構造と比較して、軸方向に低減されたシールスパンが存在することができる。

例示的なシール設計構造の種々の実施形態は、漏洩の増大をもたらすことになるシール摩耗の可能性を低減するアクティブクリアランス管理を可能にすることにより、ターボ機械瀬能の向上と共に作動柔軟性の向上を可能にする。定常状態のクリアランスの低減により、ターボ機械の占有面積を増大させることなく、単純サイクル効率の大幅な向上がもたらされる。加えて、新規のシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法は、摩耗の低減をもたらし、信頼性の向上、燃料コストの削減、蒸気タービン（ＳＴ）におけるシールスパンの最大１０％低減を有するよりコンパクトな設計構造、保守による運転停止期間の短縮、並びにアブレイダブル、ブラシシール、又は他の既知のシール技術に対するコスト節減をもたらすことができる。

ここで図１２を参照すると、全体的に符号３００で示される例示的なグラフ表現において、１つの実施形態によるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の作動プロファイルに関連するアクチュエータ変位の作用が示される。より具体的には、グラフ３００は、作動プロファイル（軸３０４にプロットされる）に対するアクチュエータ軸方向変位（軸３０２にプロットされる）を示す実施形態による作動プロファイルを示している。

第１の位置３０６において、ゼロ作動又は低温組立体が示される。位置３０８において、回転部品が熱膨張に曝され、ロング回転部品条件が満たされると、回転部品は、スラスト軸受に向けて軸方向に、すなわち約２００ミルだけ調整することができる。位置３１０において、定常状態作動に達する時点において、ロータを軸方向に最小限に調整し、クリアランスクロージャを達成することができる。タービンは、当該時点で作動が可能になる。タービンがシャットダウンされると、回転部品は、位置３１２にて示されるように、始動位置３０６から離れる位置まで軸方向に調整される。回転部品が冷却されると、位置３１４において、回転部品は、ホームポジション３０６に向けて軸方向に漸次的に調整され、又は引き戻される。

ここで図１３を参照すると、全体的に符号３５０で示される例示的なグラフ表現において、１つの実施形態によるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法を使用することによって得られる利点が示される。より具体的には、図１３には、Ａ−１６回転機械に対し、本明細書で記載されるようなアクティブクリアランス制御（ＡＣＣ）の実施構成によって達成可能な利点の一例が示される。より具体的には、グラフ３５０は、熱消費率（軸３５４にプロットされた）の減少で測定した利点に関する、本明細書で開示される実施形態（軸３５２でプロットされた）による種々の実施構成の方法を示している。

本明細書で開示されるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の実施構成を有していないベースラインＡ−１６回転機械についての熱消費率が、棒グラフ３５６で示される。本明細書で開示されるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法は、棒グラフ３５８で示されるように、高圧（ＨＰ）セクションにおいて実施され、熱消費率が低減されている。例示的なＡ−１６回転機械のＨＰ及び中圧（ＩＰ）セクション両方において本明細書で開示されるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の実施は、棒グラフ３６０で示すように、熱消費率を更に低下させる。例示的なＡ−１６回転機械のＨＰ、ＩＰ、及び低圧（ＬＰ）セクションにおいて本明細書で開示されるシール設計構造及びアクティブクリアランス制御方法の実施は、棒グラフ３６２で示すように、熱消費率を棒グラフ３６０を下回って低下させる。１つの実施形態において、このことは、効率における約０．３％ポイントの改善又は１．３ＭＷの追加発電に達し、およそ＄１．８２ＭＭのコストメリットをもたらすことができる。

ここで図１４を参照すると、例示的な実施形態による、アクティブ要素を用いてターボ機械の１以上の回転部品と１以上の静止部品の間の相対運動を生じさせるための作動制御クリアランス方法４００、又はターボ機械を作動させる方法の概略ブロック図が示される。図示のように、第１のステップ４０２において、内壁を有する静止部品と、静止部品に対して位置付けられる回転部品とが提供される。回転部品は、回転部品と内壁との間の１以上のシール位置にて半径方向クリアランスを形成する。次に、ステップ４０４において、静止部品と回転部品の間の軸方向相対移動に応答して、１以上のシール位置のうちの１つのシール位置において半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含む、１以上のラビリンスシールが提供される。最後に、ステップ４０６において、回転部品が静止部品に対して軸方向に変位され、これによりターボ機械の所与の作動条件に適合するよう回転部品と内壁との間の１以上のシール位置にて半径方向クリアランスを調整する。

本明細書で開示されるラビリンスシール設計構造及び作動制御クリアランス方法は、静止部品と回転部品の間の軸方向相対移動に応答して半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含む。

実施形態によれば、回転部品又は静止部品の何れかに歯状部及び協働溝を備えた例示的なラビリンスシール設計構造及び作動制御クリアランス方法を開示することができる。リブ及び溝の位置は、回転部品又は静止部品の何れに歯状部が存在するかに関係なく、同じロータ作動が全てのシールに対するクリアランスを拡大又は縮小するように設計される。

上述のこのような目的又は利点全てが必ずしも何らかの特定の実施形態に従って達成できるとは限らない点は理解される。従って、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。

以上の説明では、ターボ機械におけるアクティブクリアランス制御及びスパン低減のための新規のシール設計構造及び作動制御クリアランス方法を説明した。例示的な実施形態に関して本開示を説明してきたが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、その要素に対して均等な形態で置き換えることができることは理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本開示は、当該本開示を実施するよう企図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではない。従って、本開示の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

１０ 航空機エンジン組立体
１２ 中心軸
１４ ファン組立体
１６ ブースタ圧縮機
１８ コアガスタービンエンジン
２０ 低圧タービン
２２ ロータファンブレード
２４ ファンロータディスク
２６ 出口ガイドベーン
２８ 高圧圧縮機
３０ 燃焼器
３２ 高圧タービン
３４ 複数のロータブレード
３６ 圧縮機ロータディスク
３８ 第１の駆動シャフト
４０ 第２の駆動シャフト
４２ 吸気側
４４ コアエンジン排気側
４６ ファン排気側
４８ 部分
５０ 部分
５２ 表面冷却装置
５４ 外壁
５６ 表面冷却装置
５８ 内壁
６０ タービンシャフト
６２ 静止ハウジング
６４ ラビリンスシール
６６ シールリング
６８ 弧状シール要素
７０ シール面
７２ 半径方向に突出し軸方向に離間した歯状部
７４ リブ
７６ 溝
１００ 回転機械
１０２ 回転部品
１０３ １０４の内壁
１０４ 静止部品
１０５ 半径方向クリアランス
１０６ ロータ
１０７ シール位置
１０８ ロータブレード
１１０ ステータ
１１２ ステータベーン
１１４ ラビリンスシール
１１６ シールリングセグメント
１１８ 弧状シール要素
１２０ シール面
１２２ 半径方向に突出し軸方向に離間した歯状部
１２４ 半径方向突出部又はリブ
１２６ 溝
１２８ 方向矢印
１３０ アクティブスラスト軸受
１５０ ラビリンスシール
１５２ 回転部品
１５４ 静止部品
１５８ 弧状シール要素
１６２ 半径方向に突出し軸方向に離間した歯状部
１６４ 短歯状部
１６６ 長歯状部
１６８ リブ／ランド
溝／ポケット
１７２ 長リブ
１７４ 短リブ
１７６ 第１の溝
１７８ 第２の溝
１８０ 軸方向矢印
１８２ 軸方向矢印
１９０ 流路シール
１９２ 入口端部パッキンシール
１９４ 排気端部パッキンシール
１９５ 低温始動
１９６ ロングロータ
１９７ 定常状態
１９８ ショートロータ
２００ 流路シール
２０２ 入口端部パッキンシール
２０４ 排気端部パッキンシール
２０５ 低温始動
２０６ ロングロータ
２０７ 定常状態
２０８ ショートロータ
３００ グラフ
３０２ 軸
３０４ 軸
３０６ 点
３０８ 点
３１０ 点
３１２ 点
３１４ 点
３５４ 軸
３５６ 棒グラフ
３５８ 棒グラフ
３６０ 棒グラフ
３６２ 棒グラフ
４００ 方法
４０２ ステップ
４０４ ステップ
４０６ ステップ

Claims (10)

1. 静止部品（１０４）と回転部品（１０２）との間の軸方向相対移動に応答して半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素（１２２、１２４、１２６）を備えたターボ機械（１００）用のラビリンスシール設計構造（１１４）。
2. 前記回転部品（１０２）がロータ（１０６）である、請求項１記載のラビリンスシール設計構造。
3. 静止部品（１０４）がステータ（１１０）である、請求項１記載のラビリンスシール設計構造。
4. 前記ラビリンスシール設計構造（１１４）が、
   前記静止部品（１０４）又は回転部品（１０２）のうちの少なくとも１つから延びる弧状シール要素（１１８）と、
   前記弧状シール要素（１１８）から延びた複数の半径方向に延びる長歯状部（１６６）と、
   前記弧状シール要素（１１８）から延びた複数の半径方向に延びる短歯状部（１６４）と
   を有するように構成され、前記長歯状部（１６６）及び前記短歯状部（１６４）が交互する関係又は非交互の関係の一方で構成されている、請求項１記載のラビリンスシール設計構造。
5. 前記ラビリンスシール設計構造（１１４）が更に、
   前記静止部品（１０４）又は回転部品（１０２）のうちの他方の少なくとも１つから延びる、複数の半径方向に延びる短リブ（１７４）及び複数の半径方向に延びる長リブ（１７２）と、
   前記半径方向に延びる長リブ（１７２）のペアの間に構成される複数の第１の溝（１７６）及び複数第２の溝（１７８）と
   を含むように構成され、前記長リブ（１７２）のペアの間に構成された前記複数の第１の溝（１７６）及び複数第２の溝（１７８）の各々が、これらの間に構成された短リブ（１７４）を更に有する、請求項４記載のラビリンスシール設計構造。
6. 前記第１の溝（１７６）及び第２の溝（１７８）の一方が、ゼロに等しい軸方向幅寸法を有し、前記第１の溝（１７６）及び第２の溝（１７８）の他方が、ゼロよりも大きい軸方向幅寸法を有する、請求項５記載のラビリンスシール設計構造。
7. 前記静止部品（１０４）と前記回転部品（１０２）との間の軸方向相対移動が、前記静止部品（１０４）に対して軸方向の前記回転部品（１０２）の変位を生じて、前記半径方向クリアランスを縮小するよう構成された前記特徴要素（１２２、１２４、１２６）の半径方向クロージャを提供する前記回転部品（１０２）の１以上の軸方向移動を含む、請求項１記載のラビリンスシール設計構造。
8. アクティブ要素を用いてターボ機械（１００）の１以上の回転部品（１０２）と１以上の静止部品（１０４）との間の相対運動を行う作動制御クリアランス方法であって、
   内壁（１０３）を有する静止部品（１０４）と、該静止部品（１０４）に対して位置付けられる回転部品（１０２）とを設け、前記回転部品（１０２）と前記内壁（１０３）との間の１以上のシール位置（１０７）において半径方向クリアランス（１０５）を形成するようにするステップと、
   前記静止部品（１０４）と前記回転部品（１０２）との間の軸方向相対移動（１２８）に応答して、前記１以上のシール位置（１０７）のうちの１つのシール位置（１０７）において前記半径方向クリアランス（１０５）を拡縮するよう構成された複数の特徴要素（１２２、１２４、１２６）を含む、１以上のラビリンスシール（１１４）を設けるステップと、
   前記回転部品（１０２）を前記静止部品（１０４）に対して軸方向に変位させ、これにより前記ターボ機械（１００）の所与の作動条件に適合するよう前記回転部品（１０２）と前記内壁（１０３）との間の前記１以上のシール位置（１０７）にて前記半径方向クリアランス（１０５）を調整するステップと
   を含む、作動制御クリアランス方法。
9. 前記ラビリンスシール（１１４）が、
   前記静止部品（１０４）又は回転部品（１０２）のうちの少なくとも１つから延びる弧状シール要素（１５８）と、
   前記弧状シール要素（１５８）から延びた複数の半径方向に延びる長歯状部（１６６）と、
   前記弧状シール要素（１５８）から延びた複数の半径方向に延びる短歯状部（１６４）と
   を有し、前記長歯状部（１６６）及び前記短歯状部（１６４）が交互する関係又は非交互の関係の一方で構成されており、
   前記ラビリンスシール（１１４）が更に、
   前記静止部品（１５４）又は回転部品（１５２）のうちの他方の少なくとも１つから延びる、複数の半径方向に延びる短リブ（１７４）及び複数の半径方向に延びる長リブ（１７２）と、
   前記半径方向に延びる長リブ（１７２）のペアの間に構成される複数の第１の溝（１７６）及び複数第２の溝（１７８）と
   を有し、前記長リブ（１７２）のペアの間に構成された前記複数の第１の溝（１７６）及び複数第２の溝（１７８）の各々が、これらの間に構成された短リブ（１７４）を更に有する、ように構成されている、請求項８記載の作動制御クリアランス方法。
10. ターボ機械（１００）を作動させる方法（４００）であって、
    内壁を有する静止部品と、該静止部品に対して位置付けられる回転部品とを備え、前記回転部品が前記内壁に面するブレード先端を各々が有する複数のブレードを保持し且つ前記各ブレード先端と前記内壁との間に半径方向クリアランスを形成するターボ機械を設けるステップ（４０２）と、
    前記静止部品と前記回転部品の間の軸方向相対変位に応答して前記半径方向クリアランスを拡縮するよう構成された複数の特徴要素を含むラビリンスシールを設けるステップ（４０４）と、
    前記回転部品を前記静止部品に対して軸方向に変位させ、これにより前記ターボ機械の所与の作動条件に適合するよう前記ブレード先端と前記内壁との間の半径方向クリアランスを調整するステップと
    を含む、方法。