JP2008509369A - リーフシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】リーフシール要素３２、５２にて非平行な面取り加工端縁４１、６１と相互に関係するようにウジング３３、５３内に端縁部分４０、６０が存在するリーフシール装置３０、５０が提供される。かかる状況において、リーフシール要素３２、５２が回転軸３７、５７に対して外方向４２、６２又は内方向４３、６３に向けて偏向する結果、端縁４０、６０と面取り加工端縁４１、６１との間の制御空隙Ｘ、ＸＸが変化する。このような制御空隙Ｘ、ＸＸの増大又は減少がリーフシール要素３２、５２に提供される空気力学的半径方向力を調節し、これによりこれらの要素３２、５２は、所望のリーフ位置にてより正確に維持してより優れた磨耗抵抗の性能を実現しつつ、漏洩を最適にすることができる。

Description

本発明は、リーフシール装置、より具体的には、回転軸に関して利用される、かかるリーフシール装置に関する。

軸の両側部の領域を分割するシールを提供することが必要な多数の状況が存在することが理解されよう。しかし、これらの軸は、その回転中、偏心を受け、このため、従来、ラビリンス又はブラシシールが利用されている。ブラシシールは、典型的に、シール装置を渡って障壁を形成し得るよう軸に向けて突き出したある深さの毛房を備えている。勿論、特に、補強板を使用することにより、又は高い差圧のため、これらの毛房が「ロック」されて、軸と係合するならば、これらの毛房の先端は、磨耗することが理解されよう。

近年、リーフシールは、ブラシシールの早期の磨耗及び短い作動寿命を解決するような設計とされている。これらのリーフシールは、上述したブラシシール装置の毛房に代えて金属リーフを使用する。半径方向に順応性を有するが、軸方向には剛性である軸方向へのある深さを有するリーフが提供される。軸方向への剛性は、支持する補強リングを不要にし、このため、シール装置を渡って差圧が加えられたとき、リーフシール要素がその位置にてロックする傾向は解消される。軸とシールリーフの端縁との間の殆どの接触磨耗を生じさせるのは、シール要素がその位置にてロックされることである。

従来のリーフシールは、単一の毛房と比較してリーフの本来的な軸方向剛性のため、ブラシシールと関係した軸方向曲がりの問題を解消する。リーフと共に積み重ねる方法は、漏洩路となるであろう空隙をリーフ間に形成する。このため、この流れを制限するため、前側及び後側プレートを採用している。これらのプレートの位置決めは、リーフの基本的な振舞いを変化させる可能性があることが観察される。緊密な前側プレート又は緊密な半径方向隙間の前側プレートは、リーフを上昇させるブローアップ力を促進する一方、緊密な後側プレートすなわち緊密な半径方向隙間の後側プレートは、リーフを下降させるブローダウン力を促進することになろう。従来、１つ又は他方の基本的特徴を促進するように幾何学的形態が規定され、また、漏洩の増加は、基本的にブローアップ設計の構成に起因し、また、磨耗の増加は、基本的にブローダウンの構成に起因する。

理想的には、軸に隣接するリーフの端縁には、その間に僅かな空隙が提供され、これらのリーフは、その空隙を渡って空気漏洩部に実質的に乗り上げ、回転軸にてリーフのシール要素における早期の接触磨耗を阻止するようにすることである。空隙は可能な限り狭小であり、空気の漏洩は、かかる空気の乗り上げ効果を生じさせるが、シールを渡る実際の漏洩を制限するのに必要最小限でなければならないことが理解されよう。典型的に、軸の軸方向長さに沿った隣接する位置に多数のリーフシール装置が設けられ、組み合わせた組立体を渡るそれらの深さを通じて漏洩を更に制限することが理解されよう。しかし、リーフシール要素の端縁と軸とが近接していることは、接触、従って、磨耗の可能性を増すことになる。

異なる作動状態に適するよう振舞いを変化させるようにシールを配置することができるならば、有益であろう。

本発明に従い、ハウジング内にて突き出すリーフシール要素を備えて、リーフシール要素の少なくとも幾つかは、端縁の面取り加工面を有し、また、ハウジングは、端縁の面取り加工面と関係した端縁部分を有し、これにより、使用時、リーフシールの偏向によって端縁の面取り加工面と端縁部分との間の制御空隙を変化させ、偏向に対するリーフシール要素による抵抗を変化させることができるようにした、リーフシール装置が提供される。

典型的に、リーフシール要素は、ハウジング内にて半径方向に突き出す。
通常、全てのリーフシール要素は、同一の面取り加工端縁を有し、これによりリーフシールの両側部は、互いに平行ではない。全体として、端縁の面取り加工面は、直線状内方截頭円錐部であり又はリーフシールから外方に傾斜している。

全体として、ハウジングの端縁部分は、端縁の面取り加工面に向けた内方の球形脚部を備えている。
通常、リーフシール要素は、使用時、回転軸に向けてハウジング内にて角度を成して設けられる。全体として、端縁部分は、通常、使用時、装置の高圧側となるように配置される。

本発明に更に従って、上述したように、複数のリーフシール装置を備える、リーフシールの組み合わせ体が提供される。
更に、本発明によれば、上述したように、リーフシール装置及び（又は）リーフシールの組み合わせ体を備えるエンジンが提供される。

以下、単に一例として且つ添付図面に関して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明は、リーフの位置に基づいてブローアップ又はブローダウン振舞いを変化させる構成を画成する。例えば、増大した差圧を伴う増加した軸の直径（例えば、遠心力の増加に起因する）に対応し得るよう、最初に「ブローアップ」の形態にあるシールを画成することが望ましい。しかし、ブローアップ特徴を制限し、また、多少のブローダウンによって変化した作動状態にて少ない漏洩を促進することが望ましいことがしばしばである。これは、リーフの輪郭外形の前側及び（又は）後側の輪郭外形を設定し、所定の組みの制御隙間を所定のリーフの方向にて提供することにより実現することができる。作動のために必要とされる力に依存して、簡単な面取り加工面、又はより複雑な複合的面取り加工面又は曲線部を使用することができる。

従来のリーフシール装置１を示す図１及び図２について説明する。このため、装置１は、リーフシール要素２を規制し且つ提供するように側部プレート４、５を有するハウジング３内に固定された多数のリーフシール要素２を備えている。軸７に向けて突き出すハウジングの全周の回りに要素２が存在することが理解されよう。要素２は、積み重ねられ、小さいほぼ正三角形の空隙６がリーフシール２の外側シール直径に向けて形成される。更なる追加的な作用部が存在しないならば、これらの空隙６は、シール要素１を渡る漏洩通路となる。ハウジング３内にて横に並べたリーフシール要素２の包装した組立体に入り且つ該組立体から出る流れを制限するため、側部プレート４、５が設けられる。

理解し得るように、リーフ２は、実質的に半径方向内方である角度を付けた形態にて回転軸７に向けて突き出し、回転軸７の表面と接触したリーフシール要素２が漏洩を最小にし得るよう配置される。側部プレート４、５の内径８は、利用可能な入口面積が最小となるように選ばれる。側部プレート４、５の内径８と回転軸７との間の空隙は、制限されるが、軸７が偏心状態で回転するのに十分な軸方向隙間が存在するように維持される。

リーフシール要素２には、要素２を上昇させ（ブローアップ）又は下降させ（ブローダウン）軸７と係合する傾向のリーフの力が加えられる。これらのリーフの力は、隙間、シール装置１を渡って上流側９から下流側１０までの作用可能な密封圧力の降下程度、軸７の回転速度を選ぶことによって発生される。上述したように、特定の問題点は、リーフシール要素２によって軸７に過剰な下向きの圧力が加わり、これによりこれらのリーフシール要素２が早期に磨耗し、従ってシール装置１の性能が劣化することに関する。

回転軸には、接触面１１の相対的な位置を矢印Ａの方向に向けて変位させる可能性のある多数の偏心状の回転が加わる可能性があることが理解されよう。かかる変位は、リーフシール要素２に圧力を加え、これらの変位に対応し得るよう撓みを生じさせる。リーフシール要素２が撓むと、全体として、リーフシール要素２の間の領域１２内にて漏洩が生じるが、これにも拘わらず、側部プレート４、５の規制のため、この漏洩は規制され、また、リーフシール要素２の端部と表面１１との間の強制ロック係合状態を生じさせ、これらの要素２と該表面１１との間に大きい磨耗を生じさせる可能性がある。しかし、この漏洩を一層良く制御することを通じて、本発明に従って以下に説明する実施の形態を利用し、リーフシール要素のより制御された変形及び変更を実現すると共に、これによりリーフシール要素の端部と回転軸の表面との間に、緊密ではあるが、隔たった位置決め状態が維持されるようにすることが望ましい。かかる状況において、シール効果は維持され、しかも回転軸の表面に隣接するシール要素の端縁の磨耗は減少することになろう。

図３及び図４には、本発明に従ったリーフシール装置の第一の実施の形態が示されている。このように、装置３０は、ハウジング３３内にて回転軸３７に向けて角度を付けて半径方向に突き出す上述したような多数のリーフシール要素３２を備えている。ハウジング３３は、リーフシール要素３２を規制し且つ回転軸３７に向けて提供する側部プレート３４、３５を備えている。上述したように、ハウジング３３は、側部プレート３４、３５を通じて内径部３８を有し、このため、偏心状の回転に対応し得るよう最小の入口領域３１が存在する。

全体として、本発明に従い、高圧力側３９に向けたハウジング３３の上流の側部プレート３４は、ハウジング３３の軸方向内方に伸びてシール要素３２の面取り加工端縁４１と係合する端縁部分４０を有している。このため、リーフシール要素３２は、非平行な性質である。面取り加工端縁４１の切断し又は截頭した性質のため、シール要素３２が方向４２に向けて撓むとき、制御空隙Ｘが増大することが理解されよう。増大した制御空隙Ｘは、提供される空気力学的力を調節し且つ、軸３７内での偏心状の回転の点にて必要とされる撓みと適合するように半径方向力を調節することを許容する。これと代替的に、面取り加工端縁４１が端縁部分４０に向けて動くとき、矢印４３の方向への動きが生じる際、制御空隙Ｘは減少する。かかる状況において、偏向動作４２、４３の方向に依存して、半径方向への力が反復的に変化し、リーフシール要素３２と回転軸３７の表面３１との間の正確な空隙に乗り上がる位置にリーフシール要素３２が適正に配置されるようにするのに必要とされる偏向に適合するように調節することを可能にする。適正な位置は、装置にとって安定的な状況となる状態に等しいであろう。

図５及び図６には、本発明に従ったリーフシール装置５０の第二の実施の形態が示されている。全体として、第二の実施の形態は、図３及び図４に示した、内方に又は切断した面取り加工端縁４１ではなくて、外方の面取り加工端縁を提供する。この装置５０は、同様に、回転軸５７の回りにてハウジング５３から角度を成して半径方向に突き出す位置に配置されたリーフシール要素５２を備えている。その内部に、リーフシール要素５２が提供される側部プレート５４、５５が設けられる。面取り加工端縁６１と関係してその端縁６０と面取り加工端縁６１との間の制御空隙ＸＸがリーフシール要素５２の偏向に依存して変化するように、ハウジング５３の軸方向内方に伸びる球形の端縁部分６０が提供される。このように、矢印６２の方向に向けて外方に偏向する結果、制御空隙ＸＸは減少する一方、矢印６３の方向に向けて内方に偏向する結果、制御空隙ＸＸは開放する。上記に示したように、これらの制御空隙ＸＸの幅の変化は、提供される空気力学的力を変化させ、従って、軸に対する要素５２の位置を制御することになる。

制御空隙Ｘ、ＸＸを制御し、これによりその制御空隙Ｘ、ＸＸを通る漏洩を制御することを許容する球形の端縁部分４０、６０及び対向した面取り加工端縁４１、６１を適正に選ぶことにより、偏向に対する半径方向抵抗力、すなわちブローアップ又はブローダウン力に対する感受性が変化することを保証することが可能となる。この変化は、回転軸３７、５７の偏心度にて及び（又は）シール装置３０、５０を渡る差圧に依存して、リーフシール要素３２、５２にて必要とされる偏向と適合する。端縁部分４０、６０、面取り加工端縁４１、６１のサイズ及び形状を適正に選ぶことにより、半径方向力の必要な応答性及び調節を特定の用途に必要とされるように調整することができる。端縁部分４０、６０及び面取り加工端縁４１、６１は、共に、シール装置３０、５０の上流の前縁及び（又は）装置３０、５０の下流又は後縁側部すなわち側部プレート３５、５５に設けることが可能であることが理解されよう。かかる配置により、リーフシール要素３２、５２に対し変化する偏向応答性を提供することができ、これによりロック接触、すなわちシール装置３０、５０の早期の故障に至る有害な磨耗を伴う、これらの要素３２、５２と軸３７、５７との間の過剰なブローダウン圧力が減少する。

面取り加工端縁４１、６１と関係して端縁部分４０、６０を使用することは、リーフシール要素３２、５２を形成することのできる型式の材料に加えて、望ましい密封効果及び作動寿命を実現し得るようその厚さ及び形状の点にて更なる設計上の選択を提供することになる。

非平行な応答のため、端縁部分４０、６０及び面取り加工端縁４１、６１の相対的な位置決めは、軸５７の回りで直線状である必要はないことが理解されよう。このため、リーフシール要素３２、５２の偏向状態に依存して幅が広がり又は狭小となる制御空隙Ｘ、ＸＸの進行は、変位に伴い、制御空隙Ｘ、ＸＸの幅を均一に一定の状態で変化させることができず、このため半径方向力は、偏向と共に不均一に変化する可能性がある。かかる状況において、可能であれば、面取り加工端縁４０、４１は、破線４４、６４により示した湾曲し又はさもなければ凹状の形状を有し、これにより制御空隙Ｘ、ＸＸの変化は、矢印４２、４３；６２、６３の方向への偏向と共に不均一に変化するようにする。

従来、リーフシール要素パック又はスタックの上流側面の作用部（プレート３４、５４）は、「ブローアップ」振舞いを制御する傾向となる一方、下流側の作用部（サイドプレート３５、５５）は、シール装置３０、５０の「ブローダウン」振舞いを制御する傾向となることが理解されよう。図３及び図４に示した実施の形態を図５及び図６の実施の形態と共に組み合わせて、その組み合わせ体の入口側及び出口側にシール装置の組み合わせ体を形成することにより、制御オリフィスを使用することによってリーフシール要素３２、５２の圧力偏位の最大効果を制限し、望ましい半径方向力の「ブローアップ」振舞い及び「ブローダウン」振舞いをシール要素３２、５２の偏向に対して必要とされるように切り換えることが可能となる。このように、偏心状に回転軸３７、５７は、より対称であるシール組み合わせ体を提供することができる。かかる状況において、半径方向力を変化させ且つ調節することを可能にすることにより、ハウジング３３、５３内に形成されたシールパック内にて共に組み合わされた多数のリーフシール要素が望まれる予め配置されたリーフシール要素の姿勢を回転軸３７、５７にて保持し、磨耗の減少により漏洩の振舞い及び作動寿命を最適にすることが可能である。

本発明は、任意の用途にて使用されるガスタービンエンジンに関して特に適用可能である。これらのエンジンは、全体としてコンプレッサ及びタービンがカスケード状であり、このため各段の間にシール隔離部を必要とする多軸型のものであることが理解されよう。かかる状況において、適宜な組み合わせにて提供されるリーフシール装置は、かかる段の隔離を実現すべく利用される。シール装置３０、５０は、回転軸の軸方向長さに沿ってカスケード状に組み合わされ、必要な密封隔離効果を提供する。

制御空隙Ｘ、ＸＸが変化するように、面取り加工端縁４１、６１と関係した球形端縁部分４０、６０を提供することにより、その内部に空気が制御空隙Ｘ、ＸＸを通って漏洩するポケット４５、６５が形成されることが理解されよう。ポケット４５、６５内へのこの気体の漏洩は、かかる隣接する要素３２、５２の間にて内側リーフシール要素の間隔へのオリフィスを通じての導入によりリーフシール要素３２、５２を要求されるようより確実に配置すべく要求される半径方向力、従って、偏向の応答性を所望通りに変化させることになる。これらのポケット４５、６５の寸法は、同様に、シールの組み合わせにて個別に且つ集合的に適正なシール装置３０、５０の性能となるように必要とされるように決定されよう。

図７を参照すると、ガスタービンエンジンは、全体として参照番号１１０で表示され、また、軸方向流れ系統にて吸気口１１１と、推進ファン１１２と、中間圧コンプレッサ１１３と、高圧コンプレッサ１１４と、燃焼装置１１５と、高圧タービン１１６と、中間圧タービン１１７と、低圧タービン１１８と、排気ノズル１１９とを備えている。

ガスタービンエンジン１１０は、従来の態様にて作動し、このため、吸気口１１１に入る空気は、ファン１１２により加速され、該ファンは、中間圧コンプレッサ１１３内への第一の空気流と、推進スラスト力を提供する第二の空気流という２つの空気流を発生させる。中間圧コンプレッサは、その空気を更なる圧縮が行われる高圧コンプレッサ１１４に送り出す前に、該コンプレッサ内に向けられた空気流を備えている。

高圧コンプレッサ１１４から排気された圧縮空気は、燃焼装置１１５内に向けられ、該燃焼装置にてその圧縮空気は燃料と混合され、混合体は燃焼される。次に、形成される高温の燃焼生成物は、高圧タービン、中間圧タービン及び低圧タービン１１６、１１７、１１８を通って膨張し、これによりこれらのタービンを駆動し、その後にノズル１１９を通じて排気されて追加的な推進スラスト力を提供する。高圧タービン、中間圧タービン及び低圧タービン１１６、１１７、１１８は、それぞれ適宜な相互接続軸によって高圧コンプレッサ、中間圧コンプレッサ１１４、１１３及びファン１１２を駆動する。

本発明に従ったリーフシール装置及び組み合わせは、相互接続軸の回りにて利用し、コンプレッサ段とタービン段との間を隔離し且つその間の気体の漏洩を防止することができる。

前側及び後側プレートは、制御オリフィスが生じる箇所である半径を画成するのを助け得るように作用部を有することができることが理解されよう。この作用部は、最内方直径又は何らかのその他の半径方向位置にあるようにすることができる。ブローアップ又はブローダウン振舞いは、直線状側部のリーフにて可能な場合よりも広い範囲の作動状態に対し特別に設定し且つ最適化することができる。このように、本発明に従った典型的なシール装置の場合、以下のような動き／制御が行われるであろう。

軸が上方に動いて接触するためには、リーフ要素の端縁は上方に動かし／押し上げられ、このため、上流の制御端縁のとき、ブローアップが増すに伴い、リーフの離れる動きが生じ、また、下流の制御端縁のとき、リーフから軸への力が大きく、より大きいブローダウン力が生じ、改変した下流の制御端縁のとき、ブローダウンは、ある限界点まで増大し、このため、リーフから軸への望ましく／制御可能な力の増大が実現される。しかし、これは、制限されて、可能であれば軸の最大の動きのとき、「軽い負荷」を保証し、また、最終的に、併用的制御のとき、すなわち上流及び下流の制御端縁の双方のとき、ブローアップは、軸から離れるリーフの最初の動作と共に最初に増大し、下流の端縁が制御を開始し、ブローダウン押し込み力により軸に入り、安定的な位置となる。

軸が下方に動く（リーフの接触から離れる）ためには、リーフ自体は下方に動いて、このため、上流の制御端縁のとき、リーフ要素が軸に従動するように動き始めるならば、ブローダウンは増加し、さもなければ、連続的なブローダウンが生じ、下流の制御端縁のとき、ブローアップは増大するが、リーフが動き始めるならば、ブローダウン及び軸の偏心に従動する傾向は少なくなる。同様に、改変した下流端縁制御のとき、リーフが軸に従動するならば、ブローアップは、増大してブローダウンする傾向は減少し、上流及び下流制御端縁の併用的制御のとき、最初に、軸の上昇位置にて、リーフは、軸に従動し、ブローアップがリーフ要素に影響を与えるとき、望ましい位置を実現し、このことは、安定状態の位置が実現されたことを意味する。

上記に鑑みて、広範囲に亙る予想される作動状態に対するシール装置を提供することが可能である。

軸の軸線に向けた従来のリーフシール装置の概略図的な部分断面図である。 図１にて示した従来のリーフシール装置の概略図的な部分断面図である。 回転軸の方向に示したリーフシール装置の第一の実施の形態の概略図的な部分断面図である。 図３に示したリーフシール装置の第一の実施の形態を示す概略図的な部分断面図である。 回転軸の方向に示したリーフシール装置の第二の実施の形態を示す概略図的な部分断面図である。 図５に示したリーフシール装置の第二の実施の形態を示す概略図的な部分断面図である。 エンジンの概略図的な部分断面図である。

Claims (9)

1. ハウジング（３３、５３）内にて突き出したリーフシール要素（３２、５２）を備えて、リーフシール要素（３２、５２）の少なくとも幾つかは、端縁の面取り加工面（４１、６１）を有し、また、ハウジング（３３、５３）は、端縁の面取り加工面（４１、６１）と関係した端縁部分（４０、６０）を有し、これにより、使用時、リーフシールの偏向によって端縁の面取り加工面（４１、６１）と端縁部分（４０、６０）との間の制御空隙（Ｘ、ＸＸ）を変化させ、偏向に対するリーフシール要素（３２、５２）による抵抗を変化させることができるようにした、リーフシール装置（３０、５０）。
2. 請求項１に記載の装置において、リーフシール要素（３２、５２）は、ハウジング（３３、５３）内にて半径方向に突き出す、装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、全てのリーフシール要素（３２、５２）は、同一の面取り加工端縁（４１、６１）を有し、これによりリーフシールの両側部は、互いに平行ではない、装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の装置において、端縁の面取り加工面（４１、６１）は、直線状内方截頭円錐部であり又はリーフシールから外方に傾斜している、装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１つの項に記載の装置において、ハウジングの端縁部分（４０、６０）は、端縁の面取り加工面（４１、６１）に向けた内方の球形脚部を備える、装置。
6. 請求項１ないし５の何れか１つの項に記載の装置において、リーフシール要素（３２、５２）は、使用時、回転軸（３７、５７）に向けてハウジング（３３、５３）内にて角度を成して設けられる、装置。
7. 請求項１ないし６の何れか１つの項に記載の装置において、端縁部分（４０、６０）は、通常、使用時、装置の高圧側（３９）にあるように配置される、装置。
8. 請求項１ないし７の何れか１つの項に記載の複数のリーフシール装置（３０、５０）を備える、リーフシールの組み合わせ体。
9. 請求項１ないし７の何れか１つの項に記載のリーフシール装置（３０、５０)又は請求項８に記載のリーフシールの組み合わせ体を備えるエンジン（１１０）。

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