JP2008069968A - 単一の弾性プレート部材を使用したシャフトシール - Google Patents

単一の弾性プレート部材を使用したシャフトシール Download PDF

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Abstract

【課題】ロータ(12)のような回転シャフトとステータ(14、15)との間の漏洩を減少させるシャフトシールを提供する。
【解決手段】本シャフトシール又はシングルシールは、対面関係の状態でステータに取付けられた複数の弾性プレート部材(16)を含む。弾性プレート部材は、ステータと回転シャフトとの間にシールリングを形成する。弾性プレート部材の各々は、複数のシングル(18)を含み、隣接する弾性プレート部材は、シングルが軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、互いに配置される。
【選択図】 図3

Description

本発明は、一般的にターボ機械において見られる回転構成部品と固定構成部品との間のシール構造に関し、より具体的には、軸方向漏洩を減少させるのに有効な千鳥状配置したシングルを含む弾性プレートシール装置に関する。
ロータ(例えば、回転シャフト)とステータ(例えば、固定シェル、ケーシング又はハウジング)との間の動的シールは、ターボ機械において重要な関心事である。これ迄、幾つかのシール方法が提案されてきた。具体的には、リーフシール、ブラシシール、フィンガシール、シムシールなどと呼ばれるシールを含む可撓性部材に基づいたシールが利用されてきた。
ブラシシールは、密にパックしたほぼ円筒形のブリストルを含み、これらブリストルは、その千鳥状配置の故に漏洩を防止するのに有効である。ブリストルは、低い半径方向剛性を有し、この低い半径方向剛性により、定常状態運転時に緊密な間隙を維持すると同時に、ロータが偏位した場合にブリストルが偏位に合わせて大きく移動することが可能になる。しかしながら、ブラシシールは、シールの両側における一定の圧力差までしか有効でない。ブリストルのほぼ円筒形の幾何学形状のために、ブラシシールは、軸方向において低い剛性を有する傾向があり、このことにより、最大作動可能圧力差がほぼ1000psiよりも低い値に制限される。本説明においての半径方向及び軸方向とは、ターボ機械軸線に対して定めたものである。
この問題を克服するために、より高い軸方向剛性、従って大きな圧力差を処理する性能を有するプレート状幾何学形状を含むリーフシールが提案されている。しかしながら、リーフシールの幾何学形状のために、軸方向漏洩が依然として問題として残っている。すなわち、図1を参照すると、ロータRに対して緊密に近接させて均一な厚さのリーフLをパックした場合に、リーフ根元部においてギャップGが生じることになり、このギャップが、漏洩を引き起こす可能性があり、次にこのシールの利点を相殺するおそれがある。
米国特許第5,135,237号公報 米国特許第5,749,584号公報 米国特許第5,755,445号公報 米国特許第5,941,685号公報 米国特許第5,961,125号公報 米国特許第5,961,280号公報 米国特許第5,971,400号公報 米国特許第6,027,121号公報 米国特許第6,030,175号公報 米国特許第6,045,134号公報 米国特許第6,053,699号公報 米国特許第6,079,945号公報 米国特許第6,105,966号公報 米国特許第6,105,967号公報 米国特許第6,131,910号公報 米国特許第6,131,911号公報 米国特許第6,139,018号公報 米国特許第6,139,019号公報 米国特許第6,168,162号公報 米国特許第6,196,550号公報 米国特許第6,250,640号公報 米国特許第6,250,641号公報 米国特許第6,257,586号公報 米国特許第6,260,269号公報 米国特許第6,261,057号公報 米国特許第6,286,211号公報 米国特許第6,308,958号公報 米国特許第6,331,006号公報 米国特許第6,343,792号公報 米国特許第6,364,316号公報 米国特許第6,367,806号公報 米国特許第6,428,009号公報 米国特許第6,431,827号公報 米国特許第6,435,513号公報 米国特許第6,439,844号公報 米国特許第6,460,857号公報 米国特許第6,644,667号公報 米国特許第6,685,427号公報 米国特許第6,786,487号公報 米国特許第6,790,001号公報 米国特許第6,854,735号公報 米国特許出願公開第2003/0062686号公報
本発明の例示的な実施形態では、シャフトシールが、回転シャフトとステータとの間の漏洩を減少させる。本シャフトシールは、対面関係の状態でステータに取付けられかつステータと回転シャフトとの間にシールリングを形成した複数の弾性プレート部材を含む。弾性プレート部材の各々は、複数のシングルを含み、隣接する弾性プレート部材は、シングルが軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、互いに配置される。この弾性プレートシールの好ましい実施形態はまた、シングルシールとも呼ばれる。
本発明の別の例示的な実施形態では、回転シャフトとステータとの間の漏洩を減少させるためのシャフトシールを製造する方法は、(a)その各々が複数のシングルを含む複数の弾性プレート部材を準備する段階と、(b)複数の弾性プレート部材を対面関係の状態でステータに取付けて該ステータと回転シャフトとの間にシールリングを形成する段階と、(c)シングルが軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、隣接する弾性プレート部材を互いに位置決めする段階とを含む。
従来型のリーフシールでは、リーフが、その先端部において密にパックされまたその根元部において緩くパックされるので、リーフパックに流入する高圧側から低圧側への漏洩は、半径方向外向きに流れ/拡大し、次に軸方向に流れ、最後に該漏洩がリーフパックから流出する時に収束する傾向がある。本明細書で説明する弾性プレートシールは、幾何学形状的にもまた機能的にも従来型の弾性プレートシールと従来型のブラシシールとの間の合成物である構造により、上記の軸方向漏洩を著しく減少させる。シングル(shingle)シールとしても知られる、本明細書で説明する弾性プレートシールの幾何学構成は、弾性プレートシールがシングルの千鳥状配置によるブラシシールの低い漏洩特質と共にプレート状シングル部材による従来型のリーフシールの高い圧力差性能とを保持するようになる。
図2及び図3を参照すると、シャフトシール又はシングルシール10は、回転シャフトのようなロータ12とステータ15に取付けられたハウジング14との間における高圧領域から低圧領域への軸方向漏洩を減少させる働きをする。シャフトシール10には、その根元部において対面関係(すなわち、面対面接合)の状態でハウジング14に固定された複数の弾性プレート部材16が設けられ、次にハウジング14が、ステータ15と組立てられる。この弾性プレート部材16の構成により、ハウジング14と回転シャフト12との間にシールリングが形成される。
本明細書で説明する例示的なシングルシールは、図4に示すように、少なくとも2種類の弾性プレート部材16A、16Bを含む。弾性プレート部材16A、16Bは、交互に重ね合される。図4に示すように、弾性プレート部材16A、16Bの各々は、くしに類似しており、複数のシングル18を含む。隣接する弾性プレート部材16A、16Bは、シングル18が軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、互いに配置される。上述のように、本説明においての軸方向とは、ターボ機械の軸線を意味する。すなわち、図1に示す従来型のリーフシール構造では、リーフLは、ロータRに対して緊密に近接させてパックされており、その結果としてリーフ根元部において軸方向の漏洩を引き起こす可能性があるギャップGが生じる。本明細書で説明するシングルシール10では、隣接する弾性プレート部材16A、16Bを重ねて、その構成要素のシングル18が少なくとも部分的に千鳥状配置されて、従来型のリーフシールにおけるギャップGによる軸方向漏洩を軽減するようにする。図2には、シングル18を軸方向漏洩方向に千鳥状配置した状態で示している。また、図9〜図11を参照すると、図9は、シール根元部における蛇行漏洩流路を示している。これらの図は、2つの重ねた弾性プレート部材の組(軸方向ビューにおいて見られるように)のみを示しているが、シール外径、シール内径、リーフ長さ、リーフ剛性などのようなシール10の全体要件及び幾何学形状制約条件に応じて2つよりも多い組を同じ方式で重ねるようにすることもできる。
図4に示すように、シングル18は、円周方向ビューにおいて矩形であるのが好ましい。しかしながら、本発明は、代わりに他の形状を使用することができるので、この形状に限定しようとするものではない。例えば、それに限定されないが矩形、T字形、段部状、三角形、台形、楕円形、六角形など又はその他の不規則な形状のようなあらゆる形状を特定の用途及びその要件に適するものとすることができる。図22には、別の形状の例示的な弾性プレート部材を示している。さらに、図9〜図11に見られるように、個々のシングルの断面は矩形であるが、本発明は、この断面形状に限定されるものではない。所定の用途に応じて、楕円形、六角形又はその他の断面形状も利用することができる。シングルシール組立体当りの全シングル18の数は、特定の用途での必要に応じて2つほどの少数から、例えば図3に示す7つのようなあらゆる多くの数まで変化させることができる。一般的に、シングルシールにおけるより多くのシングルの数は、そのことが漏洩流路(図9参照)における回旋数を増加させるので、シール性能を高めることができる。さらに、シングル18の幅は、図3に示すように、シングルシール組立体の範囲内で変化させることができる。
図5は、隣接する弾性プレート部材16A、16Bを示す軸方向ビューである。隣接する弾性プレート部材16A、16Bのシングル18を相対的に位置決めすることにより、シングルシール10は、隣接する弾性プレート部材16A、16Bのシングル18をそのそれぞれの先端部において挿置して、該隣接する弾性プレート部材16A、16Bのその先端部における厚さが単一の弾性プレート部材の厚さに事実上等しくなるようにすることが可能になる。従って、互いに重ね合わされた弾性プレート部材16A及び16Bにより、根元部において弾性プレート厚さの2倍でありかつ先端部において弾性プレート厚さに等しい有効厚さを有する幾何学形状が得られる。図5における軸方向ビューは、シール根元部における2つのプレート厚さがシール先端部における単一のプレート厚さに徐々に移行するのを示しているが、シングルシール10は、シール根元部における有効厚さが弾性プレート厚さの非整数倍となるように設計することができる。同様に、シングル18は、シール根元部においていかなる重なりも存在しないような図5とは異なり、根元部自体において部分的重なりを有することができる。シールにおける有効厚さの選択は一般的に、シール外径、シール内径、弾性プレート長さ、弾性プレート剛性などのようなシールの全体要件及び幾何学形状制約条件によって決められる。
図1に示すような従来型のリーフシールでは、大きな漏洩通路が、真っ直ぐな遮るものがない流れライを許すリーフ根元部におけるギャップGにより生じている。本明細書で説明するシングルシール10では、根元部において千鳥状配置のシングル構成により、従来型のブラシシール(図9における漏洩流路を参照)に類似した形態で軸方向漏洩が大きく減少する。さらに、くし状の弾性プレート構造における各シングル18は、高い軸方向剛性及び低い半径方向剛性を維持し、従って従来型のリーフシールの利点を保持する。実際には、高い軸方向剛性は、シングル18が隣接するシングル18を拘束する又は隣接するシングル18に絡みつかないことを保証するのに役立つ。
弾性プレート部材16、従ってシングル18は、軸方向ビューで見た時に、直線状又は均一な厚さのものにするのではなく、むしろ曲線状又はテーパ状にすることができる。図6は、湾曲を有する例示的な弾性プレート部材16を示している。さらに、同一の弾性プレート部材16内の異なるシングル18は、異なるテーパ及び/又は湾曲を有することができる。
弾性プレート16は、以下の目的、すなわち相対的摺動時における摩擦、磨耗及び発熱を最少にすること、製造時において拡散障壁として作用すること、高温度運転を可能にすること及びシール寿命を向上させることの1つ又はそれ以上を達成するために、特殊材料で被覆するか又は表面処理することができる。弾性プレート先端部に極めて接近しているロータの表面もまた、上記又は他の理由のために被覆することができる。共通の被覆方法には、2〜3例を挙げると、物理蒸着法、溶射法及び電着法が含まれる。被覆材料には、それに限定されないが、窒化チタン、窒化ジルコニウム、固体滑剤を伴ったニッケルクロム−炭化クロム、ニッケルなどが含まれる。
各弾性プレート及び/又はシングルは、それに限定されないが、位置合わせ、固定及び間隔取りのような組立て段階を可能にする、根元部における付加的機構を有することができる。一般的な実施例は、図3及び図4に示す弾性プレート根元部におけるT字形機構23である。また、図7、図8、図13、図18及び図22も参照されたい。
さらに、図7及び図8における円周方向ビューに見られる、固定シェル15又はハウジング14に取付けられたリング36のような垂直機構をさらに設けることができる。リング36は、シングルの軸方向前方 (前方リング36A) に、シングルの軸方向後方 (後方リング36B) に、シングルの列間 (図8における中間リング36C) に、又はシングル内部 (図7における内部リング36D) に配置し、それによって、シングル18に対して軸方向支持を与え、さらに軸方向漏洩流を減少させ、またリフト、ブローダウン及びツイストのようなシングルの撓み動作に対する制御を行うことができる。
図4を参照すると、弾性プレート部材16A、16Bは、ワイヤEDM、スタンピング、エッチングなどのようなあらゆる好適な方法を使用して個々に製作することができる。製作した後、弾性プレート部材16A、16Bは、例えばT字形セクション23のような位置合わせ機構を使用して交互に組立てられかつシール根元部において溶接などによって接合される。それに代えて、隣接する弾性プレート部材16A、16Bは、図12〜図13に示すように、単一の部品として共に製作し、次にリーフ根元部を通過する線24に沿って折り畳むことができる。T字形セクション23は、他の同様の折り畳んだシングル構造ペアとの間での位置合わせ及び組立てを可能にするように組み込むことができる。折り畳み線24は、コイニング、エッチングなどによってマーク付けすることができる。
図14〜図18には、弾性プレート部材を製作するための別のやり方を示す。図14は、交互構造の弾性プレート部材16A、16Bとそれら部材間の折り畳み線24とを含む連続したストリップ材料22のロールを示している。弾性プレート部材16A及び16Bの構造は、例えばエッチング、パンチング、スタンピング、又はEDMなどのような方法によってストリップ材料22上に形成することができる。図14における陰影領域は、上記のような方法によって取り除かれる。この段階に続いて、ストリップ材料22は、図15に示すように折り畳み線24に沿って交互にアコーディオン形状に折り畳むことができる。折り畳み線24はまた、パンチング又はエッチング工程の一部として形成することもできる。折り畳まれると、アコーディオン形状は、緊密に重ね合せ、例えばワイヤEDMを使用して線(1)26に沿ってトリム加工し、溶接などを使用して線(2)28(図16)に沿って接合することができる。得られた弾性プレート部材16の組立体は次に、所望の曲率に折り畳み、シール10の他の構成部品に取付けることができる。さらに、アコーディオンは、図17に示すように製作することができ、この場合には、弾性プレート部材16は線(1)30及び線(3)32に沿って接合され、また弾性プレート部材16は線(2)34に沿って切断される。この構成により、2つのシングルシール組立体が同時に製作される。
さらに、図18に示すように、ストリップ材料22には、その後の位置合わせ及び組立ての目的のために、T字形セクション23を組み込むことができる。折り畳み線24に沿って交互に折り畳んだ後に、得られたアコーディオン状スタックは、一端部で接合し、また他端部でトリム加工することができる。弾性プレートスタックの接合端部は次に、スタックのT字形セクションを収容する必要な湾曲部を備えたハウジング内に嵌挿することができる。
パンチング段階と折り畳み段階との間に、付加的なバリ取り段階を含ませることができ、この段階において、折り畳んでいない連続ストリップが紙やすり又は同様なバリ取り装置間を通過するようにすることができる。上記の製造段階の全てを一連の形態で連続して実行する単一の機械を設計又は構成することができる。
パンチング段階の一部として、シール根元領域におけるストリップ材料上に調整深さのディンプルを形成して、部材間のあらゆる必要なスペースを形成するようにすることができる。調整厚さの被膜のような他のスペース機構もまた、組み込むことができる。
上記の方法は、シール根元部において整数倍の弾性プレート有効厚さを可能にする製作方法を提供する。その1つを以下に説明するが、シール根元部において分数重なり(軸方向ビューにおいて見られるような)又は非整数倍の弾性プレート有効厚さ可能にすることができる他の実施可能な製造方法を考えることができる。
シングルシールを製作するさらに別の方法は、従来型のリーフシールを使用し、この従来型のリーフシールを、ワイヤEDMなどを使用して図19に示す切断線38に沿って様々な厚さの幾つかの平行なセグメントに垂直に切断することができる。これにより、図20に示すスペーサシム40を使用して軸方向に間隔を置いて配置された複数のシールセグメントが得られる。その後、このセグメントは、図21に示すように、シール軸線の周りで互いに交互に回転させて、シングル間に必要な千鳥状配置を形成する。このことが達成されると、セグメントは再接合される。
本明細書で説明したシングルシールは、幾何学形状的にも機能的にも従来型のリーフシールと従来型のブラシシールとの間の合成物である。上記のシングルシールの幾何学構成は、該幾何学構成がシングルの千鳥状配置によるブラシシールの低い漏洩特質と共にプレート状シングルによるリーフシールの高い圧力差性能とを保持するようになる。
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
従来型リーフシールの軸方向ビューを示す図。 本明細書に説明したシングルシールの軸方向ビューを示す図 本明細書に説明したシングルシールの円周方向ビューを示す図。 本明細書に説明したシングルシールにおける個々にまた互いに重ね合せた交互の弾性プレート部材の円周方向ビューを示す図。 シングルシールにおける重ね合せた弾性プレート部材の軸方向ビューを示す図。 シングルシールの別の実施形態における湾曲した弾性プレート部材の軸方向ビューを示す図。 前方、後方及び中間リングを組み込んだシングルシールの実施形態の円周方向ビューを示す図。 前方、後方及び中間リングを組み込んだシングルシールの実施形態の円周方向ビューを示す図。 シングルシール根元端部の断面斜視図。 シングルシール先端端部の断面斜視図。 別の実施形態におけるシングルシール先端端部の断面斜視図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成する別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成するさらに別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成するさらに別の製造方法を示す図。 本明細書に説明したシングルシールを形成するさらに別の製造方法を示す図。 円周方向ビューで別の形状の例示的な弾性プレート部材を示す図。
符号の説明
10 シングルシール
12 ロータ
14 ハウジング
15 ステータ
16 弾性プレート部材
16A、16B 弾性プレート部材
18 シングル
23 T字形機構
36 リング
36A 前方リング
36B 後方リング
36C 中間リング
36D 内部リング
24 折り畳み線
22 ストリップ材料
26 線(1)
28 線(2)
30 線(1)
32 線(3)
34 線(2)
38 切断線
40 スペーサシム

Claims (18)

  1. 回転シャフト(12)とステータ(14、15)との間の漏洩を減少させるためのシャフトシールであって、
    対面関係の状態で前記ステータに取付けられかつ該ステータと前記回転シャフトとの間にシールリングを形成した複数の弾性プレート部材(16)を含み、
    前記弾性プレート部材の各々が、複数のシングル(18)を含み、
    隣接する弾性プレート部材が、前記シングルが軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、互いに配置される、
    シャフトシール。
  2. 前記ステータが、固定シェルに取付け可能なハウジング(14)である、請求項1記載のシャフトシール。
  3. 前記弾性プレート部材(16)が、その根元部において前記ステータ(14、15)に取付けられる、請求項1記載のシャフトシール。
  4. 前記弾性プレート部材(16)が、その根元部において前記ステータ(14、15)に取付けられかつその先端部において前記シールリングを形成し、
    前記隣接する弾性プレート部材のシングル(18)が、そのそれぞれの先端部において挿置されて、該隣接する弾性プレート部材のその先端部における厚さが単一の弾性プレート部材の厚さにほぼ等しくなるようになる、請求項1記載のシャフトシール。
  5. 前記ステータが、固定シェル(15)に取付け可能なハウジング(14)であり、
    前記ハウジングが、前記弾性プレート部材(16)の前方、中間、内部又は後方の少なくとも1つに配置された少なくとも1つの半径方向に延びる円周方向リング(36)を含む、
    請求項1記載のシャフトシール。
  6. 前記弾性プレート部材(16)が、その根元部において前記ステータ(14、15)に取付けられ、
    前記隣接する弾性プレート部材のシングル(18)が、そのそれぞれの先端部において挿置されて、前記隣接する弾性プレート部材のその先端部における有効厚さが、単一の弾性プレート部材の厚さと2つの側対側接合弾性プレート部材の厚さとの間の範囲にあるようになる、請求項1記載のシャフトシール。
  7. 前記弾性プレート部材(16)が、製造時における拡散接合を防止しかつシャフトシール寿命を向上させるために、摩擦、磨耗及び発熱を最小にするように被覆されるか又は表面処理される、請求項1記載のシャフトシール。
  8. 前記シングル(18)が、矩形である、請求項1記載のシャフトシール。
  9. 前記シングル(18)が、不規則な形状にされる、請求項1記載のシャフトシール。
  10. 前記弾性プレート部材(16)の各々が、異なる形状のシングル(18)を含む、請求項1記載のシャフトシール。
  11. 前記弾性プレート部材(16)が、断面、軸方向ビュー又はシングル幅の少なくとも1つにおいて様々な数及び様々な形状の少なくとも1つのシングル(18)を含む、請求項1記載のシャフトシール。
  12. 前記隣接する弾性プレート部材(16)が、その根元端部において結合される、請求項1記載のシャフトシール。
  13. 前記隣接する弾性プレート部材(16)の2つが、単一のシートから形成されかつ前記根元端部において折り畳まれる、請求項12記載のシャフトシール。
  14. 回転シャフト(12)とステータ(14、15)との間の漏洩を減少させるためのシャフトシールを製造する方法であって、
    (a)その各々が複数のシングル(18)を含む複数の弾性プレート部材(16)を準備する段階と、
    (b)前記複数の弾性プレート部材を対面関係の状態で前記ステータに取付けて該ステータと前記回転シャフトとの間にシールリングを形成する段階と、
    (c)前記シングルが軸方向漏洩方向に少なくとも部分的に千鳥状配置されるように、隣接する弾性プレート部材を互いに位置決めする段階と、
    を含む方法。
  15. 前記段階(a)が、前記弾性プレート部材(16)を個々に製作することによって実施される、請求項14記載の方法。
  16. 前記段階(a)が、前記隣接する弾性プレート部材(16)の2つを単一のシートとして製作することと、前記弾性プレート部材の根元端部において前記単一のシートを折り畳むこととによって実施される、請求項14記載の方法。
  17. 前記段階(a)が、前記弾性プレート部材(16)の複数の部材を単一のシート又はロールとして製作することと、前記弾性プレート部材の端部において前記単一のシート又はロールをアコーディオン形状に折り畳むこととによって実施される、請求項14記載の方法。
  18. 前記準備する段階が、従来型のリーフシールを様々な厚さの平行セグメントに切断して複数のシールセグメントを形成することと、前記複数のシールセグメントをスペーサシム(40)を使用して軸方向に間隔を置いて配置することとによって実施され、
    前記位置決めする段階が、前記複数のシールセグメントをシール軸線の周りで互いに交互に回転させることによって実施される、請求項14記載の方法。
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