JP2007187310A - 環状シールのための固定治具及び検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分割型環状シール（１２）の内径及び／又は同心度を容易に検査でき、任意選択的に測定することができる固定治具組立体（２０、５０）及び検査方法を提供する。
【解決手段】本固定治具組立体（２０、５０）は、基台（３０、６０）上に支持された少なくとも２つの固定治具セグメント（２１、５１）を有し、これらの固定治具セグメント（２１、５１）によって、外側縁部（２８、５８）と環状シール（１２）の断面形状と対応した断面形状をもつ溝（２４、５４）とを有する環状固定治具ハウジング（２２、５２）が、形成される。本固定治具組立体（２０、５０）はさらに、環状シール（１２）が固定治具ハウジング（２２、５２）の溝（２４、５４）内に組込まれた時に、それを固定治具ハウジング（２２、５２）の内周面（２６、５６）に沿って移動させながら該環状シール（１２）の少なくとも１つの寸法特性を評価するためのデバイス又は装置を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはターボ機械内で使用するタイプの動的シールのような環状シールに関する。より具体的には、本発明は、据付けに先立って、それによって環状シールの寸法特性を確認することができる固定治具及び検査方法に関する。

蒸気タービン並びに航空機用及び工業用ガスタービンでは、ラビリンス型パッキンとブラシシールとを広く使用して、例えば蒸気タービンのロータ及びダイアフラム内側ウエブのような回転及び固定タービン構成要素間に動的シールを形成している。伝統的なラビリンスパッキンは、固定構成要素の内周面から半径方向内向きに隣接する回転構成要素に向けて突出しているがその回転構成要素と接触しない一連の歯を含み、それによって回転構成要素の表面に直ぐ隣接して蛇行軸方向流路を構成する一連の部分的障壁を形成する。ブラシシールは、ラビリンスパッキンの歯と同様に固定構成要素の内周面から半径方向内向きに回転構成要素に向けて突出した繊維又はブリストルを含む。ラビリンスパッキンと対照的に、ブラシシールは通常、回転構成要素の隣接する円周面と摩擦接触状態になって、回転構成要素の円周面の周りの流れに対する実質的に連続的な障壁を形成することを意図している。この点で、ブラシシールは、ラビリンスパッキンと比較して二次的流れ損失に対してより有効な障壁を形成し、つまりより良好なシール性能をもたらし、従ってこの部分の性能を大きく向上させるための潜在能力を有する。しかしながら、それらのシール性能は、摩擦接触に依存しているので、ブラシシールをその設計寸法及び公差、特にその内径及び同心度に対して適合させることは、極めて重要である。

完全な環状構造体として製造しかつ次に切断して、その後据付け時に再び組立てて元の環状シール構造体を再構成することができる複数の円弧状セグメントを形成するブラシシールが、これまでに開発されてきた。具体的な実施例では、高強度ポリマー（例えば、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標））で形成したブラシシールをその直径に沿って切断して、２つの半円形（１８０°）の円弧状セグメントが形成される。切断時に再分布した残留応力（ブリストルを支える裏当て構造体内の）と共にそのポリマー材料の弾力性により、各セグメントはその内径（ＩＤ）寸法が変化した状態になる。その結果、その「自由」状態におけるシールの寸法検査は、困難であり、またシールが設計寸法及び交差と一致しないシールの危険性が増大することになる。シールは、最終据付け時にそのセグメントを再組立てした後に検査することができるが、一般的なタービン据付けのスペースは限られており、また現場でそのような検査を実施することは困難であるので、そのような方法は現実的なものにはなり得ない。

上記の観点により、検査に先立ってシールを据付ける必要なしに分割型ブラシシール（同様にその他の環状シール）の寸法特性を確認することが望ましいといえる。

本発明は、最終据付けに先立って、それによって分割型環状シールの内径及び／又は同心度を容易に検査しまた任意選択的に測定することができる固定治具組立体及び検査方法を提供する。

本発明の第１の態様によると、本固定治具組立体は、基台と該基台上に支持された少なくとも２つの固定治具セグメントとを含む。組立てられた時に、固定治具セグメントは、外側縁部と該外側縁部に隣接しかつその内周面内に形成された溝とを有する環状の固定治具ハウジングを形成する。溝は、環状シールの断面形状と対応した断面形状を有する。本固定治具組立体はさらに、環状シールが固定治具ハウジングの溝内に組込まれた時に、それを固定治具ハウジングの内周面に沿って移動させながら該環状シールの少なくとも１つの寸法特性を評価するための手段を含む。

本発明の第２の態様によると、本検査方法は、基台上に少なくとも２つの固定治具セグメントを組立てて、外側縁部と該外側縁部に隣接し、その内周面内に形成されかつ環状シールの断面形状と対応した断面形状をもつ溝とを有する環状固定治具ハウジングを形成する段階を含む。固定治具ハウジングの溝内に複数の円弧状セグメントを組込んで該溝内に環状シールを組立てるようにする段階の後に、
環状シールの少なくとも1つの寸法特性は、固定治具ハウジングの内周面に沿って検査装置を移動させることによって評価される。

上記から、本発明の利点は、ターボ機械のポリマーブラシシールのような可撓性の複数セグメント型環状シールを、該環状シールを模擬組込み状態で１つ又はそれ以上の臨界データに対して寸法検査するのを可能にする比較的単純な分割型固定治具ハウジングを使用する点にあることが理解できる。もう１つの利点は、本固定治具組立体が持運び可能であり、本検査方法を現場で行うことを可能にすることができる点である。本固定治具組立体及び検査方法は、シールの内径の同心度並びに／又はシールの最大及び最小直径寸法との適合性を定量的及び／又は定性的に保証するために使用することができる。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から一層よく理解されるであろう。

図１は、本発明の固定治具組立体及び方法によって検査することができるタイプの環状シール組立体１０の断面図である。シール組立体１０は、蒸気タービン内においてそのようなタービンの軸方向に隣り合う段間で使用して、それに対してバケットが取付けられたロータと該ロータを囲みかつそれによりノズル隔壁が支持されるケーシングとの間の漏洩を最少にするシールの代表的なものである。当業者にはよく知られているように、様々なタービン構成及び用途が可能であり、それらは本発明の技術的範囲内にある。従って、シール組立体１０に対して意図した据付けの具体的なタイプについては詳しくは説明しないことにする。

図示するように、シール組立体１０は、ハウジング１３を含み、ハウジング１３は、ラビリンス型パッキンに関連するタイプのものである１対の歯１４間でグルーブ１５内に配置されたブラシシール組立体１２を含む。図１のシール組立体１０は、本発明により検査することができる環状シールのタイプを単に例示するためのものであり、その他の環状シールのタイプ及び構成もまた本発明の技術的範囲内にあることを理解されたい。シール組立体１０が意図したターボ機械内に据付けられた時、ブラシシール組立体１２は、ターボ機械の軸線に対して軸方向に歯１４間に位置する。従って、ラビリンス歯１４は、ブラシシール組立体１２に対するバックアップシールとして働き、それ故に好ましいものであるが、シール組立体１０にとっては任意選択的な構成要素である。ターボ機械内で使用する様々なタイプのブラシシールと同様に、図１に示すブラシシール組立体１２は、それとの間をシールしようとする表面、例えばターボ機械のロータとの間で規定のギャップを又は該ロータとの所定の接触を継続的に維持し、それによってラビリンスパッキンで可能なよりも良好なシールを行うようになっている。この理由から、ブラシシール組立体１２は、ターボ機械内にシール組立体１０を据付けた時に、半径方向内向きに突出してロータと摩擦接触するブリストル１６を含むようになっている。当技術分野では公知なように、ブラシシールブリストル１６とラビリンス歯１４とは、多様な材料で形成することができ、最新式ターボ機械において使用する場合には、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）及びその他の耐熱高強度ポリマー材料が、ブラシシール組立体１２及びそのブリストル１６用として注目に値する実例であり、他方、延性金属が、ブラシシール組立体１２を囲みかつ該ブラシシール組立体１２を支持する歯１４及びハウジング１３用として好ましい。シール組立体１０において使用することが期待できるその他の材料には、炭素繊維材料が含まれる。

図１に示すタイプのシール組立体は一般的に、蒸気又はガスタービンのダイアフラム内側ウエブのようなターボ機械の固定構造体の溝内に据付けられる。このように据付けられた時、シール組立体１０の外周表面１８は溝内に受けられて、歯１４とブリストル１６とがタービンのロータに向けて半径方向内向きに延びるようになる。シール組立体１０のシール性能は、主としてブリストル１６とロータとの間での規定のギャップ又は所定の摩擦接触を維持することに依存するので、ブリストル１６は、シール組立体１０の臨界内径（ＩＤ）及び同心度を確定する。

図２〜図４は、本発明の第１の実施形態による、シール組立体１０のブラシシール組立体１２の内径及び／又は同心度を評価するようになった固定治具組立体２０を示す。図２〜図４に示すように、固定治具組立体２０は、１対の固定治具セグメント２１を含み、これら１対の固定治具セグメント２１は、組立てられかつ基台３０に対して固定された時に環状形状を有する固定治具ハウジング２２を形成する。固定治具セグメント２１と固定治具基台３０とを多様な材料で作り、また固定治具セグメント２１を固定治具基台３０に固定するのに様々な締結方法を使用して、ブラシシール組立体１２を収納しまたブラシシール組立体１２を評価するために使用する装置を支持するのに十分な強度及び剛性を得ることができる。図４から明らかなように、固定治具ハウジング２２は、該固定治具ハウジング２２の外側縁部２８近くでその内周面２６内に設置された溝２４を含む。固定治具溝２４は、シール組立体１０をその意図するターボ機械に据付けた時に、その中にブラシシール組立体１２が収納されることになるシール組立体１０のグルーブ１５の直径、幅及び深さと一致するような構成及び寸法にされる。さらに、固定治具ハウジング２２の縁部２８は、図１のシール組立体１０の上歯１４を模擬したような形状及び寸法にされるのが好ましい。

図２及び図３において、ブラシシール組立体１２は、アーマチュア組立体３２による検査のために溝２４内に取付けられた状態で示している。アーマチュア組立体３２は、固定治具基台３０に対してピボット動可能に取付けられたバー３４を含み、該バー３４の両端部の少なくとも１つが固定治具ハウジング２２の溝２４と該溝２４内に組込まれた時のブラシシール組立体１２とに近接して通過することになるようになる。バー３４は、好ましくはその長さに沿って中央部に設置されたボア３６と該ボア３６内のブッシング３８とを有し、ブッシング３８が、固定治具基台３０に固定されたピン４０を受け、それによって該バー３４が基台３０の上方に回転可能に支持されたものとして図示している。クランプ４２はバー３４をピン４０に固定して、該バー３４が、ピン４０に対して垂直でありかつ固定治具溝２４、従って該固定治具溝２４内に組込まれたブラシシール組立体１２を含む平面と平行である平面内で回転することを保証する。

図２及び図３には、ホルダ４６によりバー３４の一端部に取付けられたものとしてマイクロメータ４４を示しており、マイクロメータ４４は、ブラシシール組立体１２のブリストル１６によって確定された該ブラシシール組立体１２の内径（ＩＤ）を測定するように配向されかつ配置される。マイクロメータ４４は、ブッシング３８とピン４０とにより確定されたその回転軸線上でバー３４を回転させた時に、シール組立体１０のＩＤにおける変動の表示を行うことができる、ダイヤルインジケータ、コンパレータ、非接触測定装置などのようなあらゆる適当なタイプのものとすることができる。マイクロメータ４４の測定値表示は、電子的に或いは例えば目盛板によるように視覚的に行うことができる。ピン４０上でバー３４を回転させながら、マイクロメータ４４の出力を使用してブラシシール組立体１２の内径の正確な定量的寸法を得ることができ、或いはブラシシール組立体１２に許容される最小及び最大ＩＤ寸法に対する適合度（「適合−不適合」）の定量的評価を行うことができる。

図５及び図６は、本発明の第２の実施形態による、ブラシシール組立体１２の内径及び／又は同心度を評価するようになった固定治具組立体５０を示す。図２〜図４の固定治具組立体２０と同様に、固定治具組立体５０は、組立てられかつ基台６０に固定された時に環状の固定治具ハウジング５２を形成する１対の固定治具セグメント５１を含むようになっている。これもまた前述の固定治具組立体２０と同様に、固定治具ハウジング５２は、該ハウジング５２の外側縁部５８近くでその内周面５６内に設置されかつ図１のシール組立体１０内にブラシシール組立体１２を収納するグルーブ１５の直径、幅及び深さと一致するような構成及び寸法にされた内部溝５４を有することが図６から分かる。さらに、固定治具ハウジング５２の縁部５８は、図１のシール組立体１０の上歯１４を模擬するような形状及び寸法にすることができる。図２〜図４の実施形態とは対照的に、図５及び図６の固定治具組立体５０は、シール組立体１２に許容される最小及び最大ＩＤ寸法に対する適合度（「適合−不適合」）に基づいて、溝５４内に組込んだブラシシール組立体１２を定量的に評価するための検査ブロック６２を備えている。

図５及び図６においては、検査ブロック６２は、該ブロック６２に対して回転可能に取付けられた1対のローラ６４によって固定治具ハウジング５２の縁部５８で支持されて、ブロック６２の輪郭表面６６が、縁部５８と該縁部５８下方に軸方向に間隔を置いて配置されたリブ７４との内周面に当接するようになったものとして図示している。この理由から、輪郭表面６６は、縁部５８及びリブ７４の内周面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径を有するのが好ましい。図７で分かるように、輪郭表面６６内には１対の孔７６があり、これらの孔７６によってシャフト（図示せず）を用いてローラ６４を回転可能に取付けることができる。また図７で分かるように、輪郭表面６６内には、孔７６の下方にチャネル６８が形成される。ローラ６４に対するチャネル６８の位置は、該チャネル６８が固定治具溝５４内に組込まれたブラシシール組立体１２のブラシシールブリストル１６と軸方向に整列するような位置であり、またチャネル６８の幅は、ブリストル１６の幅に対応するような寸法にされる。固定治具ハウジング５２の縁部５８及びリブ７４の内周面に対して固定治具溝５４の半径方向深さを正確な寸法にすることによって、輪郭表面６６を縁部５８及びリブ７４と当接させた状態で検査ブロック６２がハウジング５２の周りを移動する時、チャネル６８は、溝５４の底面から正確な所定の距離を通り、また溝５４内に組込まれたブラシシール組立体１２に対して正確な位置を有することになる。

チャネル６８の深さは、ブロック６２が幾つかの方法の１つでシール組立体１２の内径及び同心度（ブリストル１６によって確定された）を評価することを可能にするような寸法にされる。例えば、チャネル６８の深さは、ブラシシール組立体１２の最小内径と一致するような寸法にすることができるから、固定治具ハウジング５２の円周面に沿ってブロック６２を移動させる（例えば、手動で）ことによって、許容範囲外のＩＤ状態は、ブリストル１６とチャネル６８の底面との間の摩擦接触を検知することによって確認することができるようになる。摩擦接触の検知は、図８に示すように、ブリストル１６が溝６８と接触したかどうかを検知するのを助ける接触感受性物質７０を溝６８の底面内に置くことによって可能にすることができる。物質７０は、感圧被着テープとすることができ、検査後における溝６８に対するこのテープの被着度が、ブリストル１６が溝６８の底面と干渉接触したかどうか、またどの程度干渉接触したかを示すことになる。物質７０のもう１つの例は、溝６８の底面に塗布したチョークのような粉末であり、この粉末によって規定を下まわる寸法のＩＤを有するブラシシール組立体１２は、幾らかの粉末がブリストル１６に転移したかどうかを見るように視覚的にそのブリストル１６を検査することによって検知することができる。次に、そのチャネル６８がシール組立体１０の最大ＩＤと一致するような寸法になった深さを有する第２の検査ブロック６２を使用して、ブリストル１６とチャネル６８の底面との間の摩擦接触がないことによって許容範囲外の最大ＩＤ状態を判定する。

図９は、溝６８の別の構成を示しており、溝６８内には、ブラシシール組立体１２の最小及び最大許容ＩＤに対応する２つの異なる深さを形成した段部７２が設けられる。図９に示すように、２つの千鳥配列した孔７６の組を設け、２つのローラ６４をこの２つの孔７６の組に選択的に取付けて、チャネル深さの1つが固定治具溝５４内に組込まれたブラシシール組立体１２のブラシシールブリストル１６と軸方向に整列するようにすることができる。この方法により、単一の検査ブロック６２により、許容範囲外の最大及び最小ＩＤ状態を同時に検知することができる。この方法もまた、図８の接触感受性物質７０を使用することができる。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは明らかである。例えば、本発明の固定治具ハウジングは２つの固定治具セグメントを含むものとして図示しかつ説明しているが、ハウジングは、あらゆる数のセグメントに分割することができる。さらに、本発明はターボ機械のためのブラシシールと関連させて説明してきたが、本発明では、その他のタイプの環状形状のシールでの使用の用途を見出すことができる。従って、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

本発明により検査することができるタイプのブラシシール組立体を含む、ターボ機械用のシール組立体の断面図。 本発明の第１の実施形態による固定治具組立体の斜視図。 図２の固定治具組立体の分解図。 図２の固定治具組立体の断面図。 本発明の第２の実施形態による固定治具組立体の斜視図。 図５の固定治具組立体の断面図。 図５に示す固定治具組立体の検査ブロックの斜視図。 本発明の別の実施形態による検査ブロックの断面図。 本発明の別の実施形態による検査ブロックの斜視図。

符号の説明

１０ シール組立体
１２ ブラシシール組立体
１３ ハウジング
１４ 歯
１５ グルーブ
１６ ブリストル
１８ 表面
２０ 固定治具組立体
２１ 固定治具セグメント
２２ 固定治具ハウジング
２４ 溝
２６ 円周面
２８ 縁部
３０ 固定治具基台
３２ アーマチュア組立体
３４ バー
３６ ボア
３８ ブッシング
４０ ピン
４２ クランプ
４４ マイクロメータ
５０ 固定治具組立体
５１ 固定治具セグメント
５２ 固定治具ハウジング
５４ 溝
５６ 円周面
５８ 縁部
６０ 基台
６２ ブロック
６４ ローラ
６６ 表面
６８ チャネル
７０ 物質
７２ 段部
７４ リブ
７６ 孔

Claims (10)

1. 複数の円弧状セグメントを含む環状シール（１２）を検査するための固定治具組立体（２０、５０）であって、
   基台（３０、６０）と、
   前記基台（３０、６０）上に支持され、組立てられた時に外側縁部（２８、５８）と該外側縁部に隣接しかつその内周面（２６、５６）内に形成された溝（２４、５４）とを有する環状固定治具ハウジング（２２、５２）を形成し、前記溝（２４、５４）が前記環状シール（１２）の断面形状と対応した断面形状を有するようになる少なくとも２つの固定治具セグメント（２１、５１）と、
   前記固定治具ハウジング（２２、５２）の溝（２４、５４）内に組込まれた時の前記環状シール（１２）の少なくとも１つの寸法特性を評価するための手段（３２、６２）と、を含み、
   前記評価手段（３２、６２）が、前記固定治具ハウジング（２２、５２）の内周面（２６、５６）に沿って移動可能である、
   固定治具組立体（２０、５０）。
2. 前記評価手段（３２、６２）によって判定される少なくとも１つの寸法特性が、前記固定治具ハウジング（２２、５２）の溝（２４、５４）内に取付けられた時の前記環状シール（１２）の内径を含むことを特徴とする、請求項１記載の固定治具組立体（２０、５０）。
3. 前記評価手段（３２、６２）によって判定される少なくとも１つの寸法特性が、前記固定治具ハウジング（２２、５２）の溝（２４、５４）内に取付けられた時の前記環状シール（１２）の内径の同心度を含むことを特徴とする、請求項１記載の固定治具組立体（２０、５０）。
4. 前記評価手段（３２、６２）が、マイクロメータ（４４）と、前記固定治具ハウジング（２２）の中心軸線の周りでかつ該固定治具ハウジング（２２）の溝（２４）の近傍で前記マイクロメータ（４４）を回転させるための手段（３４、３６、３８、４０、４２）とを含むことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項記載の固定治具組立体（２０）。
5. 前記回転手段（３４、３６、３８、４０、４２）が、前記基台（３０）にピボット動可能に取付けられたビーム（３４）を含み、前記マイクロメータ（４４）が、前記ビーム（３４）に取付けられることを特徴とする、請求項４記載の固定治具組立体（２０）。
6. 前記評価手段（６２）が、可動部材（６２）と、前記可動部材（６２）が前記固定治具ハウジング（２２）の内周面（５６）に沿って移動する時に該固定治具ハウジング（５２）の溝（５４）に隣接して該可動部材（６２）を移動可能に支持するための手段（６４）とを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の固定治具組立体（５０）。
7. 前記支持手段（６４）が、前記固定治具ハウジング（５２）の外側縁部（５８）により前記可動部材（６２）を支持することを特徴とする、請求項６記載の固定治具組立体（５０）。
8. 前記可動部材（６２）が、該可動部材の半径方向外側表面（６６）内に検査チャネル（６８）を含み、前記検査チャネル（６８）が、前記環状シール（１２）の内径許容範囲限度値に対応した深さを有することを特徴とする、請求項６又は請求項７記載の固定治具組立体（５０）。
9. 前記可動部材（６２）が前記固定治具ハウジング（５２）の内周面（２６、５６）に沿って移動する時に前記環状シール（１２）との摩擦接触を表示するための、前記検査チャネル（６８）内に設置された手段（７０）をさらに含む、請求項８記載の固定治具組立体（５０）。
10. 複数の円弧状セグメントを含む環状シール（１２）を検査する方法であって、
    基台（３０、６０）上に少なくとも２つの固定治具セグメント（２１、５１）を組立てて、外側縁部（２８、５８）と該外側縁部に隣接しかつその内周面（２６、５６）内に形成されて前記環状シール（１２）の断面形状と対応した断面形状をもつ溝（２４、５４）とを有する環状固定治具ハウジング（２２、５２）を形成する段階と、
    前記固定治具ハウジング（２２、５２）の溝（２４、５４）内に前記環状シール（１２）の複数の円弧状セグメントを組込んで、該溝（２４、５４）内に前記環状シール（１２）を組立てるようにする段階と、
    前記固定治具ハウジング（２２、５２）の内周面（２６、５６）に沿って検査装置（３２、６２）を移動させることによって、前記環状シール（１２）の少なくとも1つの寸法特性を評価する段階と、
    を含む方法。

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