JP2008106940A - 円周方向に変化する揚力を有する流体力学的シール - Google Patents

Abstract

【課題】 シールアセンブリに関する。
【解決手段】 高高度で且つ低表面速度で効率的に動作するシールアセンブリは第１シールリング、第２シールリング、及びハイドロパッドを含んでいる。第１シールリングは一般的に環状であり、且つ放射状で円周方向を規定する。第２シールリングは第１シールリングに対して対向関係に位置決めされ、回転軸の周囲で第１シールリングに対して回転可能に取付けられる。第１シールリングと第２シールリングの一方に形成された複数のハイドロパッドは嵌合リングの円周の周囲で変化する揚力を与える。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照
該当なし。

連邦政府委託研究開発に関する申立て
該当なし。

本発明はシャフトアセンブリの分野に関し、特に、ハウジングとシャフト間に隔壁を設けるための流体力学的シールに関する。

機械端面シールは固定ハウジングと回転シャフト間のシール（封止）を与えるため一般的に使用されている。このようなシールはシャフトに取付けられた回転リング又はローター又はハウジングに取付けられた固定リング又はローターを含んでいる。ステーター又はローターはその間に偏倚されたシールを設けるために他方に偏倚される。

液体又はガス等のプロセス流体が回転シャフトを伝わってハウジングから漏れるのを防止する典型的なシール設計では緩衝流体を含む中間室と流体で連通する２つのシールを含んでいる。一方のシールはステーターとローター間のシールでの圧力を有する緩衝流体をプロセス流体を含むハウジングに放射状にポンプ送りする。ハウジング内のプロセス流体は中間室内の緩衝流体より低圧である。他方のシールは、中間室内の緩衝流体より低圧である環境のような、ハウジング外の環境に緩衝流体を放射状にポンプ送りする。

この放射ポンプ輸送を達成するため、各シールはステーターやローターの端面にバネ溝を有する。これらの溝は回転シャフトの半径及び円周に対して角度付けされており、ローターが回転していると、溝はシールを横断して緩衝流体を放射状にポンプ送りする。緩衝流体がポンプ送りされるローターとステーター間に間隙を形成するためローターとステーターを互いに対して偏倚する油圧及び機械力に打勝つ揚力を発生させるために、ローターは充分な速度で回転しなければならない。このように、低圧外部環境に高圧緩衝流体を、即ち、処理流体をポンプ送りすることはハウジングからプロセス流体のロスを防止する。米国特許第５，３７５，８５３号はこの型のシール設計を開示している。

他の設計において、溝付端面シールは高圧ガス（例えば、可燃性ガス）と環境大気間の封止のためにポンプで使用される。この状況において、一般的に２個のシールが使用される。溝付内部シールは高圧ガスを中間室に放射状にポンプ送りし、溝付外部シールは中間室から大気へ放射状にポンプ送りする。中間室は高圧ガスをポンプ送りされたガスが燃える余剰ガス燃焼煙突に送る。外部シールを通じて失われる高圧ガスの量は最小化される。この型のシールの例は米国特許第５，２１７，２３３号に開示されている。

これらの型のシールは本出願の発明の譲受人に譲渡され且つここに充分に添付された米国特許第５，９４１，５３２号及び米国特許第６，２５７，５８９号に開示されたような航空宇宙応用にも使用される。航空宇宙応用での使用において、これらのシールは有効である限定された動作の可能性を持っている。低表面速度で且つ（極低環境気圧の）高高度条件で、シールは油圧機械閉鎖力に打勝つための十分な揚力を発生せず、シール端面間の接触及び特性劣化になる可能性が明らかになった。低表面速度／高高度条件でより効率的に作動するシールに対する要望が存在する。

本発明は一般的に環状であり、且つ放射状で且つ円周方向を規定する第１シールリングを含むシールアセンブリを提供する。第２シールリングは第１シールリングに対して対向する関係に位置決めされ、回転軸の周辺の第１シールリングに対して回転可能に取付けられる。第１シールリングと第２シールリングの一方に形成された複数のハイドロパッドが嵌合リングの周囲で変化する揚力を与える。一実施例において、ハイドロパッドは回転軸の周囲で偏心リングを形成する。他の実施例において、ハイドロパッドの外周は回転軸に対して偏心している。更に他の実施例において、複数のハイドロパッドの各々は公称中心を有し、公称中心は回転軸からずれた位置から円周方向に離間している。

本発明の一般的な目的は高高度及び低表面速度で効率的に動作するハイドロパッドを有するシールアセンブリを提供することである。本目的はスクイーズ膜効果が高高度及び低表面速度で第１及び第２リングを軸方向に離間させる嵌合リングの周囲で変化する揚力を有するシールを提供することにより達成される。

本発明のこれらの且つ他の態様は意図する特許請求の範囲が与えられる本発明の範囲を規定することを意図していない。以下の記載において、本発明の好ましい実施例を部分的に形成し且つ例示により示されるが限定を与えない添付図面が参照される。このような実施例は本発明の範囲を規定するものでなく、その目的には特許請求の範囲を参照しなければならない。

図１は航空宇宙用ガスタービン１０におけるハイドロパッドシールの使用を示している。ハイドロパッドシールがエンジン１０内の種々の場所で使用でき、標準（非ハイドロパッド）シールの代わりに使用できることが分かった。図１において、エンジン１０は圧縮機入り口シール１１、圧縮機／駆動シール１２、中間シール１４、タービンシール１６、及びギアボックスシール１８としてハイドロパッドシールを使用している。使用は一定速度駆動、交流発電機、始動機、発電機、脱油機、燃料ポンプ、油圧ポンプ、ギアボックス、主シャフト、燃料制御シール（図示せず）のようなアクセサリーシールを含んでいる。ハイドロパッドシールは最高約６００度（華氏）に及ぶ温度で実質的にリーク無しに動作する。ハイドロパッドは小型用に最高１２０，０００ｒｐｍのシャフト速度で動作し、逆圧力を取り扱うように設計できる。ハイドロパッドシールは液体又はガス等の実質的に任意の流体で作動する。

図２及び図３は固定ハウジング２２に位置決めされた回転シャフト２０及びその間に取付けられたシールアセンブリ２４の断面図である。シールアセンブリ２４は２つのシールリング、即ち、シャフト２０の回転軸とほぼ同軸である回転軸３８の周囲で回転のためのシャフト２０に取付けられた嵌合リング２８と、ハウジング２２に取付けられたシールノーズ３０を含んでいる。金属ベロー３２はハウジング２２とシールノーズ３０間に位置決めされ、シールノーズ３０の軸方向の動きを可能にする。

嵌合リング２８とノーズシール３０は硬化鋼、炭素、シリコンカーバイド、炭素複合材、セラミック、タングステン、及びそれらの合成物のような従来技術で既知の適切な材料で製造される。好ましくは、嵌合リング２８は硬化鋼のような延性材料である。

作動流体４２（例えば、油）は嵌合リング２８外に（例えば、外径に）ある。空気４０は嵌合リング２８の内径に位置決めされている。空気４０は概略的に示されるようにフィルタ４５によりろ過される。空気４０は好ましくは高所を飛行する航空機の場合ほぼ１４．７ｐｓｉａ（海抜での標準絶対圧力）以下である大気圧である。ここで使用されるように、語句「ほぼ１４．７ｐｓｉａ以下」は大気空気が高空を飛行する航空機により直面する大気空気を意味する。しかしながら、シールアセンブリ２４は本発明の範囲から逸脱することなく大気圧が１４．７ｐｓｉａ以上である海抜のような他の高度で使用できる。

図３に示されるように、シャフト２０の回転時に、ハイドロパッド２６は嵌合リング２８とシールノーズ３０間にシール界面を形成する嵌合リング２８とシールリング３０間に小間隙５６を形成するため、空気４０を嵌合リング２８とシールノーズ３０間に強制する。空気４０が圧縮されると共に、作動流体４２がシール界面を通過するのを防止する障壁が形成される。図２に示されるように、シャフト２０が回転していない場合、シールノーズ３０は嵌合リング２８の面５２と係合し、ハイドロパッド２６の外周３６の外部で作動流体４２を封じる。ハイドロパッド２６が嵌合リング２８の全面５２に放射状に伸びていないので、作動流体４２の空気４０との分離が達成される。本実施例では固定ハウジング２２内で回転する嵌合リング２８を図示しているが、固定ハウジング２２が固定位置の嵌合リング２８と共に回転することも可能である。

図４に示されるように、複数のハイドロパッド２６は嵌合リング２８の面５２に形成される。嵌合リング２８に形成された各ハイドロパッド２６は先端部４４と後端部４６により外端部５０に結合される内端部４８を含んでいる。ハイドロパッド２６の内端部４８は回転軸から実質的に等距離である内周を規定する。ハイドロパッド２６の外端部５０は偏心している、即ち、回転軸３８に対してずれている中心５４を有する外周即ちリングを規定する。有利なことには、ハイドロパッド２６のこの偏心方向は回転嵌合リング２８の面５２で偏心状態の揚力を生じさせる。

回転嵌合リング２８の面５２に偏心状態の揚力特性を適用することにより、嵌合リング２８の円周で変化する揚力が発生する。嵌合リング２８が回転すると、揚力は時間の関数として変化する。この揚力の変化は嵌合リング２８とシールノーズ３０間の作動流体４２がスクイーズ膜効果の結果として揚力を発生させるポンピング作用（面の転頭運動）を発生する。スクイーズ膜効果は嵌合リング２８の低回転速度のハイドロパッド２６と流体密度のパターンの流体力学的性質により作られる揚力を補完する。有利なことには、シーリング界面に許容される作動流体４２は嵌合リング２８とシールノーズ間の間隙を初めに形成し、高高度と低回転速度での分離を維持する。しかしながら、嵌合リング２８の回転と共に、外径から嵌合リング２８とシールノーズ３０間のシール界面にもたらせる作動流体４２はハイドロパッドにより生じる放射状ポンピングにより放射状で且つ外方向に圧迫され、作動流体４２がシール界面を通過するのを防止する。

作動液膜圧はハイドロパッド２６が放射ポンピングの方向に最小に伸張する位置で最低であるので、好ましくは、嵌合リング２８は、図４及び図５に示されるように、嵌合リング２８とシールノーズ３０間のシール界面に流体を導入するためこの場所で溝を付けられ又は面取りされる。ここで開示された実施例において、空気４０は嵌合リング２８の内径から嵌合リング２８の外径に向かってポンプ送りされる。したがって、ここで開示された実施例において、面取り部５８が嵌合リング２８の外径に形成される。面取り部５８を嵌合リング２８上に形成することが好まれるが、本発明の範囲を逸脱することなく、面取り部又は溝部が面取り部５８を、嵌合リング２８に形成する代わりに又はに追加して、シールノーズ３０上に形成可能である。さらに、もし空気又は他の流体がシールの外径からシールの内径に向けてポンプ送りされると、好ましくは、溝部又は面取り部が嵌合リング及び／又はシールノーズの内径に形成される。

嵌合リング２８とシールノーズ３０間のシール界面の作動流体４２は空気のみより高粘性を有するので、シールノーズ３０の嵌合リング２８からの分離は界面で空気で生ずるより低速度で生ずる。シール界面のこの作動流体４２は界面での熱の発生及び磨耗を減少させる。揚力形状の偏心性のため、固定シールノーズ３０は変化する揚力のため嵌合リング２８の回転面５２に対して傾斜する傾向にある。この傾斜も流体力学的揚力を更に補完する滑動部軸受け形状を実質的に形成する。

図６はハイドロパッドの拡大図である。ハイドロパッド２６の好ましい構成は前端部４４と後端部４６が放射状に且つ外方向に広がり、内端部４８と外端部５０により接続されることである。ハイドロパッド２６の外端部５０は回転軸３８に対して偏心しているハイドロパッド２６の外周を規定する。好ましくは、内端部４８と外端部５０は実質的に直線であり、内端部４８と外端部５０との中間で公称中心を規定する。この公称中心６０はハイドロパッド２６の偏心方向を更に規定する回転軸３８からずれた点５４の周囲に離間している。

ハイドロパッド２６の好ましい深さは応用しだいで変化する。図示されたハイドロパッド２６はほぼ０．０００１インチから０．００２５インチの任意の深さ及びシール面の内径周りの一定の角度にある多くの浅い溝部からなる。溝部の深さ及び数と経路の角度は一定値に固定され、必要であれば、所定の動作条件に合致するように選ばれる。ハイドロパッド２６は当技術で既知である任意の方法により嵌合リング上に形成できる。１つの好ましい方法はここでは参照のために添付された米国特許第６，２５７，５８９号に開示されている。

本発明の前記記載は例示と説明のために提示された。更に、本明細書は本発明をここで開示された形状に限定するものではない。したがって、上記教示、関連技術の熟達又は知識に相応する変形及び改造は本発明の範囲内である。ここに記載された実施例は更に本発明を実施するために知られた最良の態様を説明すること及び他の当業者がこのような又は他の実施例で本発明を利用し及び本発明の特有な応用及び用途により要求される種々の変形で利用するのを可能にすることを意図している。添付の特許請求の範囲を従来技術により許容される程度に変形実施例を含むように解釈すべきことが意図される。

図１はガスタービンエンジンでの種々の応用におけるハイドロパッドシールの使用を示す図である。 図２はシールノーズが嵌合リングと係合している固定ハウジングに位置決めされた回転シャフトの部分断面図である。 図３はシールノーズが嵌合リングから持ち上げられた固定ハウジングに位置決めされた回転シャフトの部分断面図である。 図４はハイドロパッドを有する嵌合リングの前面図である。 図５は図３の嵌合リングの側面図である。 図６はハイドロパッドの拡大図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１１、１２、１４、１６、１８ シール
２０ 回転シャフト
２２ 固定ハウジング
２４ シールアセンブリ
２６ ハイドロパッド
２８ 嵌合リング
３０ シールノーズ
３２ 金属ベロー
４０ 空気
４２ 作動流体
４５ フィルタ
５６ 間隙
５８ 面取り部

Claims (20)

1. 一般的に環状であり且つ放射状で且つ円周方向を規定する第１シールリングと；
   回転軸の周辺に回転可能に取付けられ、前記第１シールリングに対して対向関係に位置決めされてその間の界面を規定する第２シールリングと；
   前記第１シールリングと第２シールリングの一方に形成された複数のハイドロパッドであり、各々が内端部と、前記内端部から放射状に且つ外方向に離間した外端部を有し、前記内端部が前記ハイドロパッドの内周部を規定し、前記外端部が前記ハイドロパッドの外周部を規定し、前記内周部と前記外周部の一方が前記回転軸に対して偏心しているところの複数のハイドロパッドと；
   を具備することを特徴とするシールアセンブリ。
2. 前記外周部が前記回転軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
3. 前記内周部と前記外周部の他方が前記回転軸から等距離であることを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
4. 前記ハイドロパッドの各々が前記内端部を前記外端部に相互接続する先端部を有することを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
5. 前記ハイドロパッドの各々が前記内端部を前記外端部に相互接続する後端部を有することを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
6. 前記ハイドロパッドは前記シールアセンブリの内径から前記シールアセンブリの外径に空気をポンプ送りするように位置決めされることを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
7. 前記第１シールリングと前記第２シールリングの前記一方が内径と外径を有し、前記第１シールリングと前記第２シールリングの前記一方は前記ハイドロパッドがポンプ注入方向に最小限に伸びる前記内径と前記外径の一方に形成された面取り部を有することを特徴とする請求項１記載のシールアセンブリ。
8. 一般的に環状であり、放射状に且つ円周方向を規定する第１シールリングと；
   前記第１シールリングに対して対向関係に位置決めされ、且つ回転軸の周囲の前記第１シールリングに対して回転可能に設けられた第２シールリングと；
   前記第１シールリングと前記第２シールリングの一方に形成され且つ前記第１シールリングと前記第２シールリングの前記一方の円周周辺で変化する揚力を与える複数のハイドロパッドと；
   を具備することを特徴とするシールアセンブリ。
9. 前記ハイドロパッドの各々が前記内端部と前記外端部間に挿入された公称中心を有し、且つ前記公称中心は前記回転軸から偏位した位置の周囲で円周方向に離間されていることを特徴とする請求項８記載のシールアセンブリ。
10. 前記内端部が前記ハイドロパッドの内周を規定し、前記外端部が前記ハイドロパッドの外周を規定し、前記内周と前記外周の一方が前記回転軸に対して偏心していることを特徴とする請求項９記載のシールアセンブリ。
11. 前記外周が前記回転軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１０記載のシールアセンブリ。
12. 前記内周と前記外周の他方が前記回転軸からほぼ等距離であることを特徴とする請求項１０記載のシールアセンブリ。
13. 前記ハイドロパッドの各々が前記内端部を前記外端部に相互に接続する先端部を有することを特徴とする請求項９記載のシールアセンブリ。
14. 前記ハイドロパッドの各々が前記内端部を前記外端部に相互に接続する後端部を有することを特徴とする請求項９記載のシールアセンブリ。
15. 前記ハイドロパッドが前記シールアセンブリの内径から前記シールアセンブリの外径に向かって空気をポンプ送りするように位置決めされることを特徴とする請求項８記載のシールアセンブリ。
16. 前記第１シールリングと前記第２シールリングの前記一方は内径と外径を有し、前記第１シールリングと前記第２シールリングの前記一方は前記ハイドロパッドがポンプ送り方向に最低限に伸びている前記内径と前記外径の１つに形成された面取り部を有することを特徴とする請求項８記載のシールアセンブリ。
17. 一般的に環状であり、且つ放射状且つ円周方向を規定する第１シールリングと；
    前記第１シールリングに対して対向関係に位置決めされ、且つ回転軸の周囲の前記第１シールリングに対して回転可能に設けられた第２シールリングと；
    前記回転軸の周囲の偏心リングを形成する複数のハイドロパッドと；
    を具備することを特徴とするシールアセンブリ。
18. 前記ハイドロパッドの各々が内端部と前記内端部から放射状に且つ内方向に離間した外端部を有し、前記内端部が前記ハイドロパッドの内周を規定し、前記外端部が前記ハイドロパッドの外周を規定し、前記内周と前記外周の一方が前記回転軸周辺の前記偏心リングを規定することを特徴とする請求項１７記載のシールアセンブリ。
19. 前記外周が前記回転軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１８記載のシールアセンブリ。
20. 前記内周と前記外周の他方が前記回転軸からほぼ等距離にあることを特徴とする請求項１８記載のシールアセンブリ。

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