JP2009185811A - 引込み弾性プレートシール - Google Patents

Abstract

【課題】 引込み弾性プレートシールを提供する。
【解決手段】 回転要素（２）と固定要素（４）の間の空間をシールするシール装置は、固定要素（４）内で調節可能に支持されて、弾性プレートシール（８）を支持する弾性プレートシールハウジング（６）と、弾性プレートシールハウジング（６）と固定要素（４）の間に設けられて、弾性プレートシールハウジング（６）を回転要素（２）の表面から離れる方向に付勢するスプリング装置（１０）とからなる。代替的、または追加的には、弾性プレートシールハウジング（６）を回転要素（２）の表面から離れる方向に移動させる１つ以上のアクチュエータ（３０）を設けてもよい。
【選択図】 図７

Description

本発明は、引込み弾性プレートシールに関する。本発明は、特にターボ機械で用いる引込み弾性プレートシールに関する。

ロータ（例えば回転軸）とステータ（例えば、固定シェル、ケーシングまたはハウジング）の間の動的シールを提供するために、弾性プレートシールが用いられる。弾性プレートシールは、良好なシール、非接触動作および高圧性能を提供するために、ターボ機械において用いられる。弾性プレートシールの例は、例えば、米国特許公報第６，３４３，７９２号（特許文献２１）および第６，９７６，６８０号（特許文献２８）に開示されている。

上記のリーフシール設計では、リーフがその先端部において密に充填されている場合、シール根元部に近いリーフの間に隙間が残るような幾何学的形状が要求される。これらの隙間は、シールの高圧側から低圧側への漏れ経路を増大させる。

また、漏れを最小限に抑えるために、タービンのロータと周囲ケーシングの間に円周配列でシールセグメントを半径方向に配置することが知られている。従来から、ラビリンスパッキンリングや、シールとロータの間に半径方向間隔を設定するためにケーシング上の表面に対してセグメントを半径方向内向きに保持するスプリングを用いて、ロータが接触した場合には、セグメントを半径方向外向きに移動させることができる。しかしながら、ラビリンスシール性能は、固定および回転構成要素が干渉して、ラビリンス歯を摩擦させて、シール間隔が恒久的に広げられるような過渡事象の結果として、時間の経過とともに低下する。「正圧」可変間隔ラビリンスパッキンを採用することによって、摩擦に起因する性能低下を低減することが知られており、そのような摩擦が最も起こりやすい無流量または低流量条件下で、パッキンリングセグメントの開状態を保持するためにスプリングが用いられる。周囲圧力は、高負荷時にはスプリングに打ち勝って、リングを閉運転位置に閉じるように作用する。そのような可変間隔正圧パッキンは、例えば、米国特許公報第６，７１５，７６６号（特許文献２６）および第６，６９５，３１６号（特許文献２５）で開示される。

また、シールとロータの摩擦が差し迫っている場合は、一連の高圧流体アクチュエータを利用してシールセグメントをロータから離れるように移動させる、調節シールも知られている。外部高圧空気供給制御装置が設けられて、高圧作動流体がアクチュエータに供給される。アクチュエータは、アクチュエータの加圧でシールセグメントの開きまたは引込みが生じるように、ステータ（例えば、パッキンケーシング）とシールセグメント（例えば、パッキンリングセグメント）の間に配置される。アクチュエータの加圧がない場合は、機械の周囲圧力によってシールセグメントが強制的に閉じられる。そのような調節シールの例としては、例えば、米国特許公報第６，５０２，８２３号（特許文献２２）および第６，７８６，４８７号（特許文献２７）が挙げられる。

米国公開特許第２００７／０１２０３２９Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０１３２１９２Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０２３７６２３Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０２３７６２８Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０２５７４４５Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０２７４８２９Ａ１号公報 米国公開特許第２００７／０２９６１５９Ａ１号公報 米国公開特許第２００８／００４２３６５Ａ１号公報 米国公開特許第２００８／００４２３６７Ａ１号公報 米国公開特許第２００８／００６１５１３Ａ１号公報 米国特許第４，４３６，３１１号公報 米国特許第５，００２，２８８号公報 米国特許第５，３９５，１２４号公報 米国特許第５，６０３，５１０号公報 米国特許第５，７０９，３８８号公報 米国特許第５，８１０，３６５号公報 米国特許第５，９７１，４００号公報 米国特許第６，０２２，０２７号公報 米国特許第６，０６５，７５４号公報 米国特許第６，１３９，０１８号公報 米国特許第６，３４３，７９２Ｂ１号公報 米国特許第６，５０２，８２３Ｂ１号公報 米国特許第６，５７２，１１５Ｂ１号公報 米国特許第６，６５１，９８６Ｂ２号公報 米国特許第６，６９５，３１６Ｂ２号公報 米国特許第６，７１５，７６６Ｂ２号公報 米国特許第６，７８６，４８７Ｂ２号公報 米国特許第６，９７６，６８０Ｂ２号公報 米国特許第７，２２９，２４６Ｂ２号公報 米国特許第７，３４４，３５７Ｂ２号公報

タービンの起動および停止時には、シール全体の圧力降下が最小または皆無になるので、弾性プレートシールは非接触動作の際に流体力学的な揚力に依存することになる。弾性シールとロータとが接触すると、シールとロータとが摩耗、発熱するとともにロータが動的に不安定になる。

本発明の一実施形態では、回転要素と固定要素の間の空間をシールするシール装置は、該固定要素内で調節可能に支持されて、弾性プレートシールを支持する弾性プレートシールハウジングと、該弾性プレートシールハウジングと該固定要素の間に設けられて、該弾性プレートシールハウジングを該回転要素の表面から離れる方向に付勢するスプリング装置とからなっている。

本発明の別の実施形態では、回転要素と固定要素の間の空間をシールするシール装置は、該固定要素内で調節可能に支持されて、弾性プレートシールを支持する弾性プレートシールハウジングと、該弾性プレートシールハウジングと該固定要素の間に設けられて、シールとロータの干渉が差し迫っている場合は、該弾性プレートシールハウジングを該回転要素の表面から離れる方向に移動させるアクチュエータとからなっている。

閉位置にある、本発明の一実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 開位置にある、図１の引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。 本発明の別の実施形態にしたがった引込み弾性プレートシールを示す。

図１および図２を参照すると、ターボ機械は、ロータ２と、ロータ２を回転可能に支持するステータ４とを備えている。弾性プレートシールハウジング６は、ステータ４内でスプリング装置１０によって調節可能位置に支持される。弾性プレートシールハウジング６は、例えば、シングル（ｓｈｉｎｇｌｅ）シールであってもよい弾性プレートシール８を支持する。図２に示すように、引込み弾性プレートシールは開位置にあり、スプリング装置１０は、弾性プレートシール８がロータ２と接触しないように、弾性プレートシールハウジング６をロータ２から離れるように付勢する。ターボ機械の起動および開始時、機械の内部の流体圧力は、シールの開状態を保つスプリング装置１０の半径方向外向きのスプリング力に打ち勝つのに不十分である。弾性プレートシール８はそのような過渡事象中にロータ２との接触の影響を最も受けやすいので、弾性プレートシール８を引込むことで弾性プレートシール８とロータ２の間に大きな半径方向隙間を生じさせることによって、接触の可能性を排除する。シール８とロータ２との接触がなくなることで、さらに、シールの摩耗、発熱、およびロータの動的問題が避けられる。

定常運転時、機械の周囲圧力は、弾性プレートシール８をロータ２の近くに半径方向に移動させる力を発生させるのに十分なほど高く増加する。これにより、弾性プレートシール８とロータ２の間の隙間が最小限に抑えられて、機械の定常運転時の良好なシール性能がもたらされるため、機械の熱力学的効率が向上する。

図３に示すように、本発明の別の実施形態では、弾性プレートシールハウジング６が弾性プレートシール８を支持する。弾性プレートシール８は、ターボ機械の軸方向の流れを制限するための軸流絞り部１２を備えている。

図４を参照すると、本発明の別の実施形態では、弾性プレートシールハウジング６が弾性プレートシール８を支持しており、ターボ機械の半径方向流を制限するための半径方向流絞り部１４が弾性プレートシールハウジング６内に設けられる。

図５に示す本発明の別の実施形態によれば、弾性プレートシールハウジング６は引込みラビリンスシール１６を備えている。弾性プレートシール８は、引込みラビリンスシール１６によって支持される。引込みラビリンスシール１６は、ロータ表面に対向する高低ラビリンス歯１８を備えている。シールとロータ２の間に入り組んだ流路を作るために、ロータ表面に一連の高低ランド部２０を備えてもよい。

図６に示すように、本発明の別の実施形態によれば、弾性プレートシールハウジング６は、弾性プレートシール８を支持する引込み摩耗性シール２２を備えてもよい。引込み摩耗性シール２２は、ロータ２上に設けられたランド部２０に対向する高低ラビリンス歯１８を備えている。ロータ２のランド部２０上に、摩耗性コーティング２４を設けてもよい。

図７を参照すると、本発明の別の実施形態では、弾性プレートシールハウジング６の引込み摩耗性シール２２は、ラビリンス歯１８の間に摩耗性コーティング２６を設けてもよい。引込み摩耗性シール２２上の摩耗性コーティング２６は、ロータ２上に設けられたラビリンス歯２１と向かい合って設けられる。ロータ２上に設けられた摩耗性コーティング２４は、引込み摩耗性シール２２上に設けられたラビリンス歯１８に対向する。なお、ロータ２は摩耗性コーティングを備えなくてもよいことを理解されたい。

図８に示すように、ロータ２は、弾性プレートシールハウジング６内に支持された弾性プレートシール８に対向するロータ軸面２ａを備えてもよい。スプリング装置１０は、ターボ機械の軸方向に沿って、ロータ軸面２ａから離れるように弾性プレートシールハウジング６を付勢するように構成される。

図９に示すように、本発明の別の実施形態では、弾性プレートシールハウジング６をアクチュエータ３０によって半径方向に調節可能にして、弾性プレートシールハウジング６の調節ラビリンスシール２８とロータ２の間の間隔を調節することができる。調節ラビリンスシール２８は、ロータ２上に設けられたランド部２０に対向するラビリンス歯１８を備えている。アクチュエータ３０は、例えば、必要な時はいつでも弾性プレートシール８を開状態に保持することができる外部加圧空気圧アクチュエータであってもよい。さらに、アクチュエータは、スプリング装置とアクチュエータ（例えば、流体アクチュエータ）の組み合わせでもよいことを理解されたい。また、シール２８はラビリンス歯を備えなくてもよく、シール２８は作動弾性シールとしてだけ機能してもよいことも理解されたい。

図１０を参照すると、弾性プレートシールハウジング６は、ターボ機械における高圧側から低圧側への高圧流体漏れを制限するように構成された、複数の半径方向流絞り部３２および軸流絞り部３３を備える、弾性プレートシール８を支持してもよい。

図１１を参照すると、本発明の別の実施形態では、弾性プレートシールハウジング６は、複数の半径方向流絞り部３２および軸流絞り部３３を有する弾性プレートシール８を支持してもよい。ロータ２は、弾性プレートシールハウジング６に対向するかしめ片３４を備えてもよい。弾性プレートシールハウジング６は、ロータ２のかしめ片３４に向かい合った摩耗性被覆シール３６を備えてもよい。

上記の実施形態では、弾性プレートシール８は、漏れ流れを妨げる、シングルとも呼ばれる軸方向に千鳥状の弾性プレートから構成してもよい。軸流絞り部は、中間リングまたはプレート等の軸流絞り部材を組み込んで、漏れがシールに沿って軸方向に流れる際に強制的に蛇行経路に従わせることによって、シール性能を向上させることができる。上記の実施形態で論じた半径方向流絞り部は、シールのサイドプレートまたは中間プレート内に組み込んで、漏れがそれらのプレートに沿って半径方向に流れる際に蛇行経路に従わせることによって、シール性能を向上させることもできる。

上記の各々の実施形態では、スプリング装置および／またはアクチュエータを用いることで、特に起動および停止時に、シールセグメントをロータから離れるように移動させて、弾性シールの先端部とロータとの接触の可能性を低減または排除する。したがって、上記の実施形態は、シール寿命の向上のみならず、機械性能および信頼性の向上をもたらす。

上記の実施形態は、ラビリンス（例えば、高低）、傾斜歯、噛合歯、またはバーニヤ（Ｖｅｒｎｉｅｒ）パッキンリング等の既存の標準シールと統合してもよい。また、上記の本発明の弾性プレートシールの実施形態は摩耗性またはラビリンスシール内に組み込んでもよいこと、あるいは上記の実施形態の弾性プレートシールは独立構成としてターボ機械に設けてもよいことも理解されたい。

上記の実施形態は、シングルシール、軸流絞り部を備えた弾性シール、半径方向流絞り部を備えた弾性プレートシール、およびテーパ弾性プレートシールを含むがこれらに限定されるものではない、あらゆるタイプの弾性プレートシールに適用できる。また、上記の実施形態は、半径方向および軸方向シール構成に適用できる。さらに、軸方向シール構成において、上記の実施形態は、セグメントシールだけでなく、非セグメントシールにも適用できる。

また、上記の実施形態は、端部パッキン、中間ロータシール、バケット／シュラウド先端部シール、およびノズル／ステータ根元部シールを含むが、これらに限らず、固定部品と回転部品が近接しているあらゆるシール位置で実施することができる。

また、上記の実施形態は、蒸気およびガスタービン、圧縮機、および航空機エンジン等のあらゆるターボ機械に適用できることを理解されたい。

弾性プレートシールを半径方向に閉じるために可変間隔正圧技術が用いられる場合、上記の本発明の実施形態は、高圧がシールの上流でシールハウジングに作用してシールハウジングを確実に閉じるようにする連通孔を組み込んでもよい。

本発明は現時点で最も実用的かつ好適と考えられる実施形態に関して説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の請求項の精神および範囲に含まれるさまざまな変更および同等の装置を包含することを意図していると理解されたい。

２ ロータ
２ａ ロータ軸面
４ ステータ
６ 弾性プレートシールハウジング
８ 弾性プレートシール
１０ スプリング装置
１２ 軸流絞り部
１４ 半径方向流絞り部
１６ 引込みラビリンスシール
１８ 高低ラビリンス歯（シール）
２０ 高低ランド部／歯
２１ ラビリンス歯（ロータ）
２２ 引込み摩耗性シール
２４ 摩耗性コーティング（ロータ）
２６ 摩耗性コーティング（シール）
２８ 調節ラビリンスシール
３０ アクチュエータ
３２ 半径方向流絞り部
３３ 軸流絞り部
３４ かしめ片
３６ 引込み摩耗性被覆シール

Claims (10)

1. 回転要素（２）と固定要素（４）の間の空間をシールするシール装置であって、
   該固定要素（４）内で調節可能に支持されて、弾性プレートシール（８）を支持する弾性プレートシールハウジング（６）と、
   該弾性プレートシールハウジング（６）と該固定要素（４）の間に設けられて、該弾性プレートシールハウジング（６）を該回転要素（２）の表面から離れる方向に付勢するスプリング装置（１０）とからなるシール装置。
2. 該弾性プレートシール（８）は、軸流絞り部（３３）および／または半径方向流絞り部（３２）を備えている、請求項１に記載のシール装置。
3. 該弾性プレートシールハウジング（６）は、該弾性プレートシールハウジング（６）と該弾性プレートシール（８）の間に設けられた半径方向流絞り部（１４）を備えている、請求項１または請求項２に記載のシール装置。
4. 該弾性プレートシールハウジング（６）は、さらにラビリンスシール（１６）を備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 該弾性プレートシールハウジング（６）の該ラビリンスシール（１６）は、該回転要素（２）上に設けられた高低ランド部（２０）またはラビリンス歯（２１）に対向する高低ラビリンス歯（１８）を備えている、請求項４に記載のシール装置。
6. 該回転要素（２）の該高低ランド部（２０）および／または該ラビリンスシール（１６）は、摩耗性コーティング（２４、２６）を備えている、請求項５に記載のシール装置。
7. 該弾性プレートシール（８）は、該回転要素（２）の軸面（２ａ）に対向する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシール装置。
8. 回転要素（２）と固定要素（４）の間の空間をシールするシール装置であって、
   該固定要素（４）内で調節可能に支持されて、弾性プレートシール（８）を支持する弾性プレートシールハウジング（６）と、
   該弾性プレートシールハウジング（６）と該固定要素（４）の間に設けられて、該弾性プレートシールハウジング（６）を該回転要素（２）の表面から離れる方向に移動させる１つ以上のアクチュエータ（３０）とからなるシール装置。
9. 該１つ以上のアクチュエータ（３０）は、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ、および／またはスプリングである、請求項８に記載のシール装置。
10. 該弾性プレートシール（８）は、該回転要素（２）の軸面（２ａ）または半径方向面に対向する、請求項８または請求項９に記載のシール装置。