JP2008509336A - シーリング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ローター（１０）とステーター（１１）との間の隙間（１２）を非気密的にシールするための、特に流体エンジンの、シーリング装置で、シーリング要素サポートに取り付けられた複数のシーリング要素を備えるシールを含み、前記シーリング要素サポートが、少なくとも部分的に、サポート要素（１７）とカバー要素（１８）とによって境界の定まる容器（１６）内に配置されているものに関する。そして本発明は、シーリング要素サポートが、１箇所もしくは数箇所、間欠されたリングとして構成されていることに、特徴づけられる。シーリング要素サポートの自由端部（１９、２０）が、間欠領域内で、周方向で重なる。サポート要素（１７）の輪郭線とカバー要素（１８）の輪郭線とが、シーリング要素サポートの輪郭線とシーリング要素（１５）の輪郭線とに適合する。そしてシーリング要素サポートの各部品の少なくとも一方の端部（１９、２０）が、ねじれ抑止ストップ（２１、２２）に付随している。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１において述べた前提部分の定義に従ったシーリング装置に関する。さらに本発明は、流体流動機関、ガスタービンならびにスチームタービンに関する。

流動流体機関において、特に、航空機のエンジンのようなガスタービンにおいて、互いに相対して動く２つの部品、すなわち流動流体機関におけるステーターとローターとを、この流動流体機関を通過するガス流体の流動から、シールすべき適用ケースが多々ある。なかでもガスタービンは特に、少なくとも１個のコンプレッサーならびに少なくとも１個のタービンを有し、そのあるいはそれぞれのコンプレッサーならびにそのあるいはそれぞれのタービンが、静止ステーターに相対して回転するローターを有している。このステーターは特に、固定型ガイドベーンを付随して有する据置きのハウジングである。そしてタービンあるいはコンプレッサーのローターは、ローターブレードを付随して有し、これらのブレードは、固定型ガイドベーンに相対して、ならびに据置きハウジングに相対して、ローターと共に、回転するものである。

ガスタービンの効率を最適化するために、なかでも必要なことは特に、コンプレッサーおよびタービンそれぞれにおいて、回転ローターと静止ステーターとの間の流体の漏れを最小化することである。これには特に、固定型ガイドベーンの半径方向内側の端部と、回転ローターとの間の隙間をシールすることが要求される。固定型ガイドベーンの半径方向内側の端部と、回転ローターとの間の隙間をシールするためのシーリング装置のことを、「インナーエアシール」と記述することもある。また例えば、回転ローターブレードの半径方向外側の端部と据置きハウジングとの間の隙間も、シールすべきもののひとつである。この回転ローターブレードの半径方向外側の端部とハウジングとの間の隙間をシールするシーリング装置のことを、「アウターエアシール」として記述することもある。

さらに他にも、回転ローターと静止ステーターとの間にシールすべき隙間がある。ローターとステーターとの間のシーリング装置のことを、ダイナミックシーリング装置と呼ぶこともある。

ローターとステーターとの間の隙間を非気密的にシールするために、ブラシシールとしてのダイナミックシーリング装置を設けることが、本技術分野ですでに知られている。ドイツ特許DE 195 27 605 C2やDE 101 22 732 C2で述べられているように、本技術分野でブラシシールが言及されている。本技術分野から公知のこれらのブラシシールの場合、それぞれのブラシシールは、ブリストルキャリヤーの周りに巻きつけられたワイヤタイプの複数のブリストルでできており、さらにこのブリストルキャリヤーは、コア要素とクランプリングとから成る。ブリストルキャリヤーとブリストルからできているユニットが実際のブラシシールを形成しており、このユニットはサポートリングとカバーリングとから境界の定まる受け入れスペース内に配列されている。

ドイツ特許DE 195 27 605 C2やDE 101 22 732 C2によるブラシシールにおいて、コア要素とクランプリングとから成るブリストルキャリヤーは、閉鎖リングとして設けられ、受け入れスペース内に、固定されて、すなわち動かないように、特にクランプされて、位置づけられている。本技術分野から知られているとおりに、ブリストルキャリヤーが閉鎖リングとして設けられたことによって、ブリストルキャリヤーは実質的に非弾性となっており、そのため、公知のブラシシールにおいて、一方では、ローターとステーターとの間のシールすべき隙間に、例えば偏心や他の物理的な変形が起きても、他方では、ローターとステーターとの間のシールすべき隙間に、例えば熱膨張率の違いなどによって熱的変形が引き起こされても、それらの補正は部分的にしかできないようになっている。本技術分野のブラシシールでは、シールすべき隙間が動的に変化しても、もっぱら、ブリストルを撓ませることでしか補正できず、その結果、一方では相当量の摩擦熱を生成させ、他方ではブラシシールのブリストルに実質的な磨耗を起こさせている。したがって、本技術分野で公知のブラシシールでは、シールすべき隙間に運転中に起きた変形の補正は、適正なものには至っていないのである。

このような背景を踏まえたうえで、本発明の目的は、新規のシーリング装置を案出することにある。この目的は、本明細書の頭書で言及したシーリング装置を、請求項１の特徴部分のところで述べた特性によって、より深めることによって、達成される。本発明によれば、シーリング要素キャリヤーは、ひとつまたはそれより多くの不連続箇所を有するリングとして設けられ、シーリング要素キャリヤーの自由端部が、不連続箇所の領域において周方向で相互に重なり、サポート要素の輪郭線とカバー要素の輪郭線とが、シーリング要素キャリヤーの輪郭線とシーリング要素の輪郭線とに適合し、さらに回転抑止器具が、シーリング要素キャリヤーの各部品の少なくとも一方の端部に付随している。

本発明の好適な態様によれば、シールがブラシシールとして、シーリング要素はブリストルとして、そしてシーリング要素キャリヤーはブリストルキャリヤーとして設けられ、本発明によるシーリング装置は、ローターとステーターとの間の隙間をシールするための自己適合型のブラシシールを提供するものとなっている。すなわち、このシーリング装置は、磨耗の増加を受けることなく、シールすべき隙間の変形に対して自動的な補正ができるのである。そしてこのブリストルキャリヤーはもはや、本技術分野の方法でこれまでそうであったような閉鎖リングとしてではなく、不連続な螺旋型のもしくは開放リングとして設けられ、その自由端部が周方向で相互に重なるようになっている。さらに加えて、ブリストルキャリヤーは受け入れスペース内を、回転抑止器具による周方向の可動性の制限は受けつつ、自由に動くことができる。螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤーは、一方で、受け入れスペース内で偏心的に位置をずらすことができ、他方で、そのリング周を広げたり狭めたりすることによって、ブラシシールの内側の径をローターの外側の径に適合させることができる。

こうして、本発明によるシーリング装置は多数の長所を提供する。まず、すべての運転状態において、シールすべき隙間の流体の漏れは、ブラシシールの内側の径が自動的に適合されることによって、確実に最小限におさえられる。さらに、ローターの偏心やステーターの偏心いずれに対しても、ならびに運転に際して固有に生じる隙間の変形に対しても、自動的に補正することが可能である。このような結果、ブラシシールの適用範囲は格段に広がり、それと同時に、ブラシシールへの磨耗が低減する。

本発明をさらに好適にしたひとつの形態によれば、螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤーの周方向で相互に重なる端部が、軸方向および半径方向でオフセットされて、このブリストルキャリヤーの端部のオフセットは、ブリストルキャリヤーの半径方向内側の端部が、ブリストルキャリヤーの半径方向外側の端部に取り付けられたブリストルに、抗して安定するようになっている。

本発明の好適な態様が、従属請求項および以下の叙述から、導かれる。本発明の例示的な態様のひとつについて、図面を参照しながら、以下に詳細に明らかにしていく。ただし本発明は、この態様によって限定されるものではない。図面の説明は次のとおりである。
図１： ローターとステーターの断面図で、これらローターとステーターとの間の隙間を非気密的にシールするための、本発明によるシーリング装置を合わせて、示したものである。
図２： 図１の横断線II-IIにおける、本発明によるシーリング装置の断面図である。
図３： 図２の横断線III-IIIにおける、本発明によるシーリング装置の断面図である。
以下、図１から３を参照しながら、本発明をより詳細に述べる。
図１は、軸方向上で見て、ローター１０、ならびにローター１０を取り囲むステーター１１、ローター１０とステーター１１との間に形成されたシールすべき隙間１２を示したものである。ブラシシールは、ローター１０とステーター１１との間の隙間１２をシールするために提供されたもので、ブラシシールハウジング１３と、ブリストルキャリヤー１４と、およびブリストルキャリヤー１４に取り付けられた複数のブリストル１５とから成る。図２は、図１の装置を横断線II-IIから断面的に見た、つまり周方向上で見た図を示している。図３は、図１および２の装置を図２の横断線III-IIIから、つまり半径方向上で見た図を示している。

図２からわかるように、ブリストルキャリヤー１４は、少なくとも部分的に、受け入れスペース１６内に位置づけられており、ブリストル１５の自由端部は、隙間１２をシールするために、受け入れスペース１６から突き出て、ローター１０の上側に向かって直立している。受け入れスペース１６は、その境界が、サポート要素１７ならびにカバー要素１８から定まり、これらのうち、サポート要素１７は、シールすべき隙間１２の低圧側に配置されているほうである。サポート要素１７はしばしば、サポートリングとして言及され、同様に、カバー要素１８はしばしば、カバーリングとして言及される。

本発明によれば、ブリストルキャリヤー１４は不連続なリングとして、したがって螺旋型リングとして設けられ、ブリストルキャリヤー１４の自由端部１９および２０は、周方向で相互に重なるようになっている。したがってブリストルキャリヤー１４は、弾性を有する開放リングとして、受け入れスペース１６内で固定されているのではなく、受け入れスペース内のある範囲内を自由に動けるように設けられている。

かくして、ここに例示された態様において、ブリストルキャリヤー１４は周方向で可動であり、ただし、この周方向の可動性は２個の回転抑止器具２１および２２によって、制限されたものとなっている。第１回転抑止器具２１は、ブリストルキャリヤー１４の第１端部２０に付随し、ローター１０によるひとつの主要回転方向２３におけるブリストルキャリヤー１４の可動性を制限もしくは限定している。そして第２回転抑止器具２２は、ブリストルキャリヤー１４の第２自由端部１９に付随し、ローター１０によるひとつの主要回転方向２３と向き合う方向におけるブリストルキャリヤー１４の可動性を制限している。周方向の可動性に加えて、半径方向の可動性も提供されている。この半径方向の可動性によって、内側の径が、隙間１２の偏心や変形に自動的に適合できるようになっている。さらに加えて、軸方向の可動性もまたある程度提供されている。半径方向の可動性ならびに軸方向の可動性は、それぞれ、受け入れスペース１６の外形寸法、サポート要素１７の輪郭線そして、ひいてはカバー要素１８の輪郭線によって制限される。

ここに例示された態様において、螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤー１４は、軸方向の螺旋ならびに径方向の螺旋の両方を形成する。ここで軸方向の螺旋とは、ブリストルキャリヤー１４の周方向で互いに重なる端部１９および２０が、軸方向で相互にオフセットしていることと理解すべきである。またここで径方向の螺旋とは、ブリストルキャリヤー１４の周方向で互いに重なる端部１９および２０が、半径方向で相互にオフセットしていることと理解すべきである。ブリストルキャリヤー１４の端部１９および２０による、軸方向のオフセット、ならびに半径方向のオフセットは、図２よりわかる。これに関して、図２によれば、ブリストルキャリヤー１４の端部１９および２０が相互にオフセットして、ブリストルキャリヤー１４の半径方向内側の端部１９が、ブリストルキャリヤー１４の半径方向外側の端部２０に取り付けられたブリストル１５に、抗して安定するようになっている。本発明においてそのうえでなお、ブリストルキャリヤー１４の端部１９および２０の軸方向のオフセットが十分にあったなら、これらの半径方向のオフセットをさらに大きくすると、シーリング作用を高めるために、好ましい。

何度も述べてきたように、ブリストルキャリヤー１４は、周方向で互いに重なる自由端部１９および２０を有する螺旋型リングとして設けられ、これらの自由端部１９および２０が互いに、少なくとも軸方向でオフセットしており、そして半径方向でも同様に、ただし必須ではなく好ましい場合としてオフセットしている。結局、螺旋型もしくはツル巻型の輪郭線を有するブリストルキャリヤー１４が提供され、このブリストルキャリヤー１４に取り付けられたブリストル１５も、この輪郭線に沿うようになる。サポート要素１７の輪郭線、ひいては、この要素のサポートリップ２４の輪郭線も、ブリストルキャリヤー１４の螺旋型もしくはツル巻型の輪郭線に適合するようになっている。こうして、サポート要素１７およびサポートリップ２４にそれぞれ形成された、ブラシシール１３のブリストル１５との接触面は、ブラシシールの螺旋型もしくはツル巻型の輪郭線に沿っており、ここでは、ネジ状になる。

図１が示すように、ブラシシール１３のブリストル１５を、半径方向に対して立掛けるようにするのが好ましい。あるいはまた、ブリストルを、半径方向に対してこのように立掛けるのではなく平行に延在させてもよい。

ローターとステーターとの間の半径方向の隙間を非気密的にシールすべきいずれの場合に対しても、本発明によるブラシシールが広く適用可能であることが見出されよう。特に本発明によるシーリング装置は、流体流動機関において、特に航空機のエンジンのようなガスタービンにおいて、あるいはスチームタービンにおいても、とりわけ好適に用いられる。かくして、本発明によるシーリング装置は、ガスタービンのコンプレッサー、タービン、それぞれにおける、固定型ガイドベーンの端部とローターとの間の半径方向の隙間をシールするためのいわゆるインナーエアシール、ならびに、回転ローターブレードの自由端部とハウジングとの間の隙間をシールするためのいわゆるアウターエアシールを、実現可能としたのである。

シールは必ずしもブラシシールとして設けられなくてもよい。本発明において、このシーリング要素が、ブラシシールではなく、たとえばストリップタイプ、ラメラタイプ、あるいはセグメントタイプとして設けられてもよい。シーリング要素がストリップタイプやラメラタイプの場合、レーザー切断されるものでよい。セグメントタイプの場合、周方向で相互に重なるようになっていてよい。さらに、ストリップタイプ、ラメラタイプ、セグメントタイプは、シーリング要素キャリヤーとの一体部品を作り上げてもよい。

本発明によるシーリング装置により、すべての運転状態において、シールすべき隙間の漏れは、確実に最小限におさえられ、さらにこの装置は、シールすべき隙間の偏心に対して、あるいは、その隙間に運転上固有に生じる変形に対して、自動的に適合する。つまり、このシーリング装置は自己適合型シールといってよい。本技術分野のこれまでのシーリング装置に比べ、本発明によるシーリング装置では、この装置がローターを覆う範囲の許容程度が格段に上昇するため、ブラシシールの適用範囲も拡がることは明らかである。これに加えて、ブリストルへの磨耗は最小化される。ブラシシールの内側の径が自動的に自己適合するので、より高い許容までの製造が可能であり、このことによって、製造コストを実質的に減少させる。

図１： ローターとステーターの断面図で、これらローターとステーターとの間の隙間を非気密的にシールするための、本発明によるシーリング装置を合わせて、示したものである。
図２： 図１の横断線II-IIにおける、本発明によるシーリング装置の断面図である。
図３： 図２の横断線III-IIIにおける、本発明によるシーリング装置の断面図である。

Claims (16)

1. ローター（１０）とステーター（１１）との間の隙間（１２）を非気密的にシールするための、特に流動流体機関の、シーリング装置で、シーリング要素キャリヤーに取り付けられた複数のシーリング要素を備えるシールを含み、前記シーリング要素キャリヤーが、少なくとも部分的に、サポート要素（１７）とカバー要素（１８）とによって境界の定まる受け入れスペース（１６）内に配置されている、前記シーリング装置において、シーリング要素キャリヤーが、１個もしくはそれより多くの不連続箇所を有するリングとして設けられ、シーリング要素キャリヤーの自由端部（１９、２０）が、不連続箇所の領域内で、周方向で相互に重なり、サポート要素（１７）の輪郭線とカバー要素（１８）の輪郭線とが、シーリング要素キャリヤーの輪郭線とシーリング要素（１５）の輪郭線とに適合し、そして回転抑止器具（２１、２２）が、シーリング要素キャリヤーの各部品の少なくとも一方の端部（１９、２０）に付随していることを、特徴とする前記シーリング装置。
2. シールがブラシシールとして、シーリング要素がブリストル（１５）として、そしてシーリング要素キャリヤーがブリストルキャリヤー（１４）として設けられた、請求項１記載のシーリング装置。
3. ブリストルキャリヤー（１４）が、受け入れスペース（１６）内に可動的に支持された、弾性を有する開放リングとして設けられた、請求項２記載のシーリング装置。
4. ブリストルキャリヤー（１４）が周方向で可動で、そのあるいはそれぞれの回転抑止器具（２０、２１）が、周方向の可動性を制限している、請求項３記載のシーリング装置。
5. 第１回転抑止器具（２１）が、ローター（１０）のひとつの主要回転方向における可動性を制限し、ブリストルキャリヤー（１４）の第１端部（２０）に付随している、請求項２から４の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
6. 第２回転抑止器具（２２）が、ローターのひとつの主要回転方向に向き合う方向における可動性を制限し、ブリストルキャリヤー（１４）の第２端部（１９）に付随している、請求項５記載のシーリング装置。
7. 螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤー（１４）の周方向で相互に重なり合う端部（１９、２０）が、軸方向でオフセットしている、請求項２から６の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
8. 螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤー（１４）の周方向で相互に重なり合う端部（１９、２０）が、軸方向および半径方向でオフセットしている、請求項２から７の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
9. ブリストルキャリヤー（１４）の端部（１９、２０）がオフセットして、ブリストルキャリヤー（１４）の半径方向内側の端部（１９）が、ブリストルキャリヤー（１４）の半径方向外側の端部（２０）に取り付けられたブリストル（１５）に抗して安定するようになっている、請求項８記載のシーリング装置。
10. サポート要素（１７）の輪郭線が、螺旋型リングとして設けられたブリストルキャリヤー（１４）の輪郭線に適合されて、サポート要素（１４）の輪郭線が、ネジ形状で、ブリストルキャリヤー（１４）の螺旋型もしくはツル巻型輪郭線に沿うようになっている、請求項２から９の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
11. ブラシシールのブリストル（１５）を半径方向に平行に方向付け、半径方向に対して立掛けている、請求項２から１０の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
12. シーリング要素がストリップタイプ、ラメラタイプ、またはセグメントタイプとして設けられた、請求項１記載のシーリング装置。
13. サポート要素とカバー要素とが、ステーター上の輪郭線にしたがって構成されている、請求項１から１２の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置。
14. 請求項１から１３の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置を少なくとも１個有する、流体流動機関。
15. 請求項１から１３の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置を少なくとも１個有する、ガスタービン、特に航空機のエンジン。
16. 請求項１から１３の１項またはそれより多くの項に記載のシーリング装置を少なくとも１個有する、スチームタービン。

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