JP2001041856A - 差動カーボンシールの性能試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 差動カーボンシールの性能を実機と同じ状態
で試験でき、その結果に基づき最適設計ができる差動カ
ーボンシールの性能試験装置を提供すること。 【解決手段】 気密状態の装置本体３１内に高速回転軸
３２と低速回転軸３３とを配置し、これらの間に供試用
の差動カーボンシール１２を介装し、低速回転軸３３と
装置本体３１との間に差動カーボンシール１２でシール
される高低圧室３５，３６との間をシールする装置側シ
ール３４，３４ａを２重に配置しておき、これらの装置
側シール３４，３４ａ間に大気に開放する大気開放孔３
８を設け、高圧室３５に供給する加圧用作動気体の供給
量Ｑを測定する流量計４０と、差動カーボンシール１２
から低圧室３６に漏れる作動気体の流量Ｑ1 を測定する
流量検出器４２を設ける。低圧室３６に供試体である差
動カーボンシール１２からの漏れ空気量Ｑ1 だけを流入
させて流量検出器４２で正確に漏れ空気量を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、差動カーボンシ
ールの性能試験装置に関し、実機と同じ回転および差圧
を与えた状態を作り漏れ性能を測定できるようにしたも
ので、特に２軸のターボファンエンジンの高速軸と低速
軸との間をシールするラビリンスシールに代えて用いる
場合の性能の確認に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】差動カーボンシールが用いられる機器の
一つに、２軸のターボファンエンジンがあり、圧縮空気
と燃料を燃焼させた熱エネルギの一部でファンを駆動
し、ファンによって得られるジェット流を、残りの熱エ
ネルギによって発生する高温ジェットと分離または混合
して噴射し、スラストを発生させるガスタービンエンジ
ンで、例えば図２に示すように、ファン１、低圧圧縮機
２、高圧圧縮機３、燃焼器４、高圧タービン５、ファン
タービン６などで構成され、ファン１と低圧圧縮機２と
ファンタービン６が低速軸７で一体に回転し、高圧圧縮
機３と高圧タービン５が高速軸８で一体に回転するよう
になっている。

【０００３】そして、高速軸８の後端部と低速軸７との
間は、外側を高圧空気の一部が抽気されてタービンの冷
却などに利用される空気が流れる高圧空気室９となる一
方、内側は高速軸８と低速軸７を支持する軸受１０を潤
滑する潤滑油などが供給されてミスト状態になっている
低圧空気室１１となることから、これらの間をシールす
る必要がある。

【０００４】従来、このような回転するとともに、差圧
がある部分のシールとしては、ラビリンスシールが用い
られることが多いが、このラビリンスシールに代わり高
性能化および軽量化を図るため、差動カーボンシール１
２を用いる場合がある。

【０００５】この差動カーボンシールを用いる場合の漏
れ性能などを計算などで予め十分把握することが出来
ず、実験によって性能を調べる必要がある。

【０００６】このため、差動カーボンシールを供試体と
して高速軸と低速軸の間に取り付けるとともに、差圧を
与えて試験を行う試験装置が開発されており、例えば図
３に示すように、気密状態の装置本体２０の両側に図示
しない駆動装置で駆動される高速軸２１と低速軸２２と
が配置されて回転可能に取り付けられ、高速軸２１の内
側端部を囲むように低速軸２２の内側端部が配置され、
これら２つの回転部分の間に差動カーボンシール１２が
装着されるようになっている。そして、低速軸２２の内
側端部外周と固定側である装置本体２０との間には、装
置側シール２３が介装されて高圧空気室２４と低圧空気
室２５とを形成するとともに、高速軸２１と低速軸２２
と内側端部と差動カーボンシール１２とで囲まれた空間
内と連通する連通孔２６が低速軸２２側に形成され、低
圧空気室２５内と連通するようになっている。

【０００７】また、高圧空気室２４内に高圧空気を供給
する空気供給孔２７が装置本体２０に形成されるととも
に、低圧空気室２５内を大気開放状態にする大気開放孔
２８が装置本体２０に形成してある。

【０００８】このように構成した試験装置では、高速軸
２１と低速軸２２を回転駆動するとともに、高圧空気室
２４に空気供給孔２７から圧縮空気を流量計で供給量Ｑ
を計測しながら供給して差動カーボンシール１２に差圧
が加わる状態にし、低圧空気室２５の大気開放孔２８を
大気開放とし、圧縮空気の供給量Ｑと漏れ空気量Ｑ1が
等しいとして差動カーボンシール１２の漏れ性能を試験
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
試験装置では、装置本体２０と低速軸２２との間をシー
ルする装置側シール２３からの漏れ空気量はほぼ零と考
えて高圧空気室２４に供給する空気量Ｑが供試体である
差動カーボンシール１２からの漏れ空気量Ｑ1 と等しい
として試験を行っていたが、実機の場合に比べて漏れ空
気量Ｑ1 が多めに計測されてしまうという問題があるこ
とが分かった。

【００１０】この発明はかかる従来技術の有する課題を
解決するためになされたもので、差動カーボンシールの
性能を実機と同じ状態で試験することができ、その結果
に基づき最適設計を行うことができる差動カーボンシー
ルの性能試験装置を提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記従来技術が有する課
題を解決するためこの発明の請求項１記載の差動カーボ
ンシールの性能試験装置は、高速回転軸と低速回転軸と
の間に設けられるとともに、高圧室と低圧室とをシール
する差動カーボンシールの性能試験装置であって、気密
状態の装置本体内に高速回転軸と低速回転軸とを配置す
るとともに、これらの高低速回転軸間に供試用の差動カ
ーボンシールを介装し、前記高低速回転軸のいずれか一
方と前記装置本体との間に前記差動カーボンシールでシ
ールされる前記高低圧室との間をシールする装置側シー
ルを２重に配置する一方、これら装置側シール間を大気
に開放する大気開放孔を前記装置本体に設け、前記高圧
室に供給する加圧用作動気体の供給量を測定する流量検
出器を設けるとともに、前記差動カーボンシールと前記
２重の装置側シールとでシールされた前記低圧室に漏れ
る作動気体の流量を測定しシール性能を知る流量検出器
を設けたことを特徴とするものである。

【００１２】この差動カーボンシールの性能試験装置に
よれば、気密状態の装置本体内に高速回転軸と低速回転
軸とを配置し、これらの高低速回転軸間に供試用の差動
カーボンシールを介装し、高低速回転軸のいずれか一方
と装置本体との間に差動カーボンシールでシールされる
高低圧室との間をシールする装置側シールを２重に配置
しておき、これら２重の装置側シール間を大気に開放す
る大気開放孔を設け、高圧室に供給する加圧用作動気体
の供給量を測定する流量検出器と、差動カーボンシール
と２重の装置側シールとでシールされた低圧室に漏れる
作動気体の流量を測定する流量検出器を設けるようにし
ており、装置側シールからの作動気体の漏れを２重の装
置側シールの間の大気開放孔から大気に開放して低圧室
に流入しないようにし、低圧室には供試体である差動カ
ーボンシールからの漏れ空気量だけを流入させ、流量検
出器で正確に漏れ空気量を測定できるようにしている。

【００１３】これにより、差動カーボンシールの最適設
計が可能となり、これを用いるエンジンなどの性能向上
を図ることができる。

【００１４】また、この発明の請求項２記載の差動カー
ボンシールの性能試験装置は、請求項１記載の構成に加
え、前記高低速回転軸が２軸ターボファンエンジンの高
速軸と低速軸であることを特徴とするものである。

【００１５】この差動カーボンシールの性能試験装置に
よれば、高低速回転軸を２軸ターボファンエンジンの高
速軸と低速軸に模擬するようにしており、２軸ターボフ
ァンエンジンにおいてラビリンスシールに代えて用いら
れる差動カーボンシールの性能を正確に知り、最適設計
を行って、エンジンの性能向上を図ることができるよう
になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面に基づき詳細に説明する。図１はこの発明の
差動カーボンシールの性能試験装置の一実施の形態にか
かる概略断面図である。

【００１７】この差動カーボンシールの性能試験装置３
０は、気密状態の箱体で構成された装置本体３１を備え
ており、この装置本体３１の両側板３１ａ，３１ｂに、
図示しない駆動装置で駆動される、高速回転軸３２と低
速回転軸３３とが配置されて回転可能に取り付けられ、
高速回転軸３２の内側端部３２ａを囲むように低速回転
軸３３の内側端部３３ａが配置されている。

【００１８】そして、高速回転軸３２の内側端部３２ａ
は、先端が開口した底付き円筒状とされて底部分に高速
回転軸３３が連結されており、低速回転軸３３の内側端
部３３ａは、中間部が塞がれた大径円筒状とされて中間
部中心外側に低速回転軸３３が連結され、これら２つの
回転する内側端部３２ａ，３３ａの間に供試体となる差
動カーボンシール１２が装着されるようになっている。

【００１９】さらに、低速回転軸３３の内側端部３３ａ
の大径円筒部の外周と固定側である装置本体３１との間
には、２つの装置側シール３４，３４ａが間隔をあけて
２重に介装してあり、一方の装置側シール３４の外側に
高圧空気室３５が、他方の装置側シール３４ａの外側に
低圧空気室３６が形成されるようにシールしている。そ
して、高速回転軸３２の内側端部３２ａと低速回転軸３
３の内側端部３３ａと差動カーボンシール１２とで囲ま
れた空間内と連通する連通孔３７が低速回転軸３３の内
側端部３３ａの中間部に形成され、低圧空気室３６内と
連通するようになっている。

【００２０】また、２つの装置側シール３４，３４ａで
シールされた中央空間内を大気開放状態にする大気開放
孔３８が装置本体３１に形成してあり、高圧空気室３５
内に高圧空気を供給する空気供給孔３９が装置本体３１
に形成され、流量計４０が接続されて供給空気量Ｑが測
定できるとともに、低圧空気室３６内に差動カーボンシ
ール１２を介して漏れる空気を測定するための流量検出
器４１を取り付ける取付孔４２が装置本体３１に形成し
てある。

【００２１】このように構成した差動カーボンシールの
性能試験装置３０では、高速回転軸３２と低速回転軸３
３を回転駆動するとともに、高圧空気室３５に空気供給
孔３９から圧縮空気を流量計４０で供給量Ｑを計測しな
がら供給して差動カーボンシール１２に差圧が加わる状
態にし、低圧空気室３６の取付孔４２に取り付けた流量
検出器４１で圧縮空気の漏れ空気量Ｑ1 を測定して差動
カーボンシール１２の漏れ性能試験を行う。

【００２２】すると、高圧空気室３５と低圧空気室３６
をシールする２つの装置側シール３４，３４ａのうち、
高圧空気室３５側の装置側シール３４から空気が中央空
間内に漏れることになるが、この装置側シール３４，３
４ａの間の中央空間には、大気開放孔３８が設けてある
ので、漏れた空気がそのまま大気中に開放され、しかも
中央空間内が大気圧状態となるので、低圧空気室３６側
の装置側シール３４ａとの間の圧力差がなく、装置側シ
ール３４から漏れた空気が低圧空気室３６に入ることが
ない。

【００２３】これにより、低圧空気室３６の取付孔４２
に取り付けた流量検出器４１で検出される空気は、差動
カーボンシール１２からの漏れ空気だけとなり、その検
出値が正確な漏れ空気量Ｑ1 となる。

【００２４】したがって、この漏れ空気量Ｑ1 に基づい
て差動カーボンシールを設計することで最適設計を行っ
て漏れ空気量を低減することができ、抽気された高圧空
気を大気中に放出させることを防止して有効に利用で
き、エンジンの性能向上などを図ることができる。

【００２５】なお、上記実施の形態では、この差動カー
ボンシールの性能試験装置で２軸のターボファンエンジ
ンの高速軸と低速軸との間をシールする差動カーボンシ
ールの性能試験を行う場合を例に説明したが、これに限
らず他の機器の高速軸と低速軸との間をシールする場合
の差動カーボンシールに広く適用でき、シール対象も空
気に限らず他の気体をシールする場合であっても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上、一実施の形態とともに具体的に説
明したように、この発明の請求項１記載の差動カーボン
シールの性能試験装置によれば、気密状態の装置本体内
に高速回転軸と低速回転軸とを配置し、これらの高低速
回転軸間に供試用の差動カーボンシールを介装し、高低
速回転軸のいずれか一方と装置本体との間に差動カーボ
ンシールでシールされる高低圧室との間をシールする装
置側シールを２重に配置しておき、これら２重の装置側
シール間を大気に開放する大気開放孔を設け、高圧室に
供給する加圧用作動気体の供給量を測定する流量検出器
と、差動カーボンシールと２重の装置側シールとでシー
ルされた低圧室に漏れる作動気体の流量を測定する流量
検出器を設けるようにしたので、装置側シールからの作
動気体の漏れを２重の装置側シールの間の大気開放孔か
ら大気に開放して低圧室に流入しないようにでき、低圧
室には供試体である差動カーボンシールからの漏れ空気
量だけを流入させることができ、流量検出器で正確に漏
れ空気量を測定することができる。

【００２７】これにより、差動カーボンシールの最適設
計が可能となり、漏れ空気量を低減して差動カーボンシ
ールを用いるエンジンなどの性能向上を図ることができ
る。

【００２８】また、この発明の請求項２記載の差動カー
ボンシールの性能試験装置によれば、高低速回転軸を２
軸ターボファンエンジンの高速軸と低速軸に模擬するよ
うにしたので、２軸ターボファンエンジンにおいてラビ
リンスシールに代えて用いられる差動カーボンシールの
性能を正確に知り、最適設計を行って漏れ空気量を低減
でき、抽気した高圧空気を漏洩させること無く有効に利
用でき、エンジンの性能向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の差動カーボンシールの性能試験装置
の一実施の形態にかかる概略断面図である。

【図２】この発明の性能試験対象である差動カーボンシ
ールが設置される機器の一例にかかる２軸のターボファ
ンエンジンの概略構成図および部分拡大図である。

【図３】これまで考えられていた差動カーボンシールの
性能試験装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１２ 差動カーボンシール（供試体） ３０ 差動カーボンシールの性能試験装置 ３１ 装置本体 ３２ 高速回転軸 ３３ 低速回転軸 ３４，３４ａ 装置側シール ３５ 高圧空気室 ３６ 低圧空気室 ３７ 連通孔 ３８ 大気開放孔 ３９ 空気供給孔 ４０ 流量計 ４１ 取付孔 ４２ 流量検出器 Ｑ 供給空気量 Ｑ1 漏れ空気量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高速回転軸と低速回転軸との間に設けられ
   るとともに、高圧室と低圧室とをシールする差動カーボ
   ンシールの性能試験装置であって、気密状態の装置本体
   内に高速回転軸と低速回転軸とを配置するとともに、こ
   れらの高低速回転軸間に供試用の差動カーボンシールを
   介装し、前記高低速回転軸のいずれか一方と前記装置本
   体との間に前記差動カーボンシールでシールされる前記
   高低圧室との間をシールする装置側シールを２重に配置
   する一方、これら装置側シール間を大気に開放する大気
   開放孔を前記装置本体に設け、前記高圧室に供給する加
   圧用作動気体の供給量を測定する流量検出器を設けると
   ともに、前記差動カーボンシールと前記２重の装置側シ
   ールとでシールされた前記低圧室に漏れる作動気体の流
   量を測定しシール性能を知る流量検出器を設けたことを
   特徴とする差動カーボンシールの性能試験装置。
2. 【請求項２】前記高低速回転軸が２軸ターボファンエン
   ジンの高速軸と低速軸であることを特徴とする請求項１
   記載の差動カーボンシールの性能試験装置。