JP2012092829A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギー流漏れを防止又は少なくとも実質的に制限するためのシール装置を提供する。
【解決手段】端部３２，３３，４２，４３が細長い本体両端部に画成された細長い本体３１，４１を各々含む少なくとも第１及び第２の隣接するシールセグメント３０，４０であって、第１のシールセグメントの端部が、第１のシール表面の平面から突出する第１の雄部品を含んでいて、第１の雄部品の周囲に第１の雌対合部を画成しており、第２のシールセグメントの端部が、第２のシール表面の平面から突出する第２の雄部品を含んでいて、第２の雄部品の周囲に第２の雌対合部を画成しており、第１及び第２の雄部品が、第１及び第２の雄部品重なり部を少なくとも２方向に形成するように第２及び第１の雌対合部にそれぞれ受け入れられる、シール装置２０。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示す主題はシール装置に関し、より詳細には、漏洩流を制限するためのシール装置に関する。

蒸気タービンエンジンなどタービンエンジンでは、蒸気など高エネルギー流がタービン部を通して方向付けられ、タービン部にてタービンバケットと空気力学的に相互作用してタービンバケットを回転させ、それにより動力及び／又は電気を生成することができる。従って、高エネルギー流及びタービンバケットの相互作用によってタービンバケットが回転するので、高エネルギー流のあらゆる漏れは、動力生成及び／又は発電における効率コストを意味する。

場合によっては、高エネルギー流の漏れが、タービンエンジンの静止部品間に画成された漏洩流路を通して発生する。従って、高エネルギー流漏れを防止又は少なくとも実質的に制限するために、一般に、ゼロクリアランスシールがこれらの漏洩流路内に設置される。ゼロクリアランスシールが使用されるのは、シール自体と静止部材との間の間隙がゼロ又はほとんどゼロとなるように形成されるからである。しかし、実際には、ゼロクリアランスシールであっても、機械加工公差又はシールの熱膨張に関連する誤差のために高エネルギー流の漏れを発生させるおそれがある。

ゼロクリアランスシールが高エネルギー流の漏れを発生させると、漏れは軸（すなわち、タービンの長手方向の長さに沿った）方向、半径（すなわち、タービンから半径方向に外向きの）方向又は軸方向及び半径方向のどの方向にも方向付けられる可能性がある。

米国特許第７６３１８７９号明細書

本発明の一態様によれば、シール装置が提供され、シール装置は、細長い本体を各々含む少なくとも第１及び第２の隣接するシールセグメントを備えており、細長い本体の両端部に画成された端部は、第１のシールセグメントの端部が第２のシールセグメントの相補的な端部と接合するように配置されており、第１のシールセグメントの端部が、第１のシール表面の平面から突出する第１の雄部品を含んでいて、第１の雄部品の周囲に第１の雌対合部を画成しており、第２のシールセグメントの端部が、第２のシール表面の平面から突出する第２の雄部品を含んでいて、第２の雄部品の周囲に第２の雌対合部を画成しており、第１及び第２の雄部品が、それぞれ第２及び第１の雌対合部に嵌め込むことができて、少なくとも２方向に第１及び第２の雄部品重なり部を形成する。

本発明の他の一態様によれば、シール装置が提供され、シール装置は、細長い本体を各々含む４以上のシールセグメントを備えており、細長い本体の両端部に画成された端部は、各シールセグメントの端部が隣接シールセグメントの相補的な端部と接合して環状シールを形成するように両端突合せ構成で配置されており、各シールセグメントの両端部が、第１及び第２のシール表面の平面からそれぞれ突出する第１及び第２の雄部品を含んでいて、第１及び第２の雄部品の周囲に第１及び第２の雌対合部をそれぞれ画成し、隣接するシールセグメントの第１及び第２の雄部品が、隣接するシールセグメントの第２及び第１の雌対合部にそれぞれ嵌め込むことができて、環状シールの軸方向及び半径方向に対して規定される少なくとも軸方向及び半径方向に第１及び第２の雄部品の重なり部を形成する。

本発明の更に他の一態様によれば、タービンエンジンが提供され、タービンエンジンは、複数の静止部品を備えており、それらの間に漏洩流路が画成されており、静止部品間に環状シールが配設されて、漏洩流路に沿った漏れを軸方向及び半径方向で制限しており、環状シールは、細長い本体を各々含む少なくとも第１及び第２の隣接するシールセグメントを備えており、細長い本体の両端部に画成された端部は、第１のシールセグメントの端部が第２のシールセグメントの相補的な端部と接合するように配置されており、第１のシールセグメントの端部が、第１のシール表面の平面から突出する第１の雄部品を含んでいて、第１の雄部品の周囲に第１の雌対合部を画成しており、第２のシールセグメントの端部が、第２のシール表面の平面から突出する第２の雄部品を含んでいて、第２の雄部品の周囲に第２の雌対合部を画成しており、第１及び第２の雄部品が、それぞれ第２及び第１の雌対合部に嵌め込むことができて、少なくとも軸方向及び半径方向に第１及び第２の雄部品重なり部を形成する。

これら及びその他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書に添付の特許請求の範囲において具体的に指摘し、且つ、明確に特許請求している。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。

タービンエンジン内の静止部材の間に配設されるシールの側面図である。 図１のシールの軸方向図である。 図１のシールの拡大された軸方向図である。 図１のシールの拡大された半径方向図である。 実施形態による、シールセグメントの端部の斜視図である。 実施形態による、シールセグメントの端部の斜視図である。 実施形態による、図５及び図６に示す端部を補完する他の一方のシールセグメントの端部の斜視図である。 実施形態による、図５及び図６に示す端部を補完する他の一方のシールセグメントの端部の斜視図である。

この詳細な説明は、図面を参照しながら例示として、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１〜図４を参照すると、蒸気タービンエンジン又はガスタービンエンジンなどタービンエンジン１０が提供される。タービンエンジン１０はパッキンヘッドなど第１の静止部品１１及びダイアフラムなど第２の静止部品１２を含む。第１及び第２の静止部品１１及び１２は相対して配設されて、漏洩流路１３を形成する。蒸気タービンエンジンの場合、蒸気など高エネルギー流が主流路から漏れし、漏洩流路１３に沿って流れる。タービンエンジン１０は、漏洩流路１３に沿った高エネルギー流の流れを２以上の方向で制限するシール装置２０を更に含む。

シール装置２０は、少なくとも第１及び第２の隣接するシールセグメント３０及び４０を備えている。第１及び第２のシールセグメント３０及び４０のそれぞれは、両端部３２、３３及び４２、４３がそれぞれ細長い本体両端部に画成された細長い本体３１及び４１を含む。第１及び第２のシールセグメント３０及び４０は、端部（すなわち、第１のシールセグメント３０の端部３３）が相補的な端部（すなわち、第２のシールセグメント４０の端部４２）と接合するように相対して配置される。実施形態によれば、シール装置２０は、類似の形状及び大きさ又は異なる形状及び大きさの４以上のシールセグメントから形成することができ、直線的形状、角ばった形状又は卵型の形状など他の適切な一形状の環状シール５０又はシールを形成するように、各シールセグメントが両端突合せ構成で配置される。

図５〜図８を参照すると、第１のシールセグメント３０の端部３３は第１の雄部品６０を含む。第１の雄部品６０は、第１のシール表面６１の平面に対して実質的に垂直の方向に第１のシール表面６１の平面から突出し、第１の雄部品６０の周囲に第１の雌対合部６２を画成する。同様に、第２のシールセグメント４０の端部４２は、第２のシール表面７１の平面に対して実質的に垂直の方向に第２のシール表面７１の平面から突出し、第２の雄部品７０の周囲に第２の雌対合部７２を画成する第２の雄部品７０を含む。

図３及び図４に示すように、第１の雄部品６０は第２の雌対合部７２に受け入れられ、第２の雄部品７０は第１の雌対合部６２に受け入れられる。このようにして、重なり構造（オーバーラップ構造）が第１の雄部品６０及び第２の雄部品７０から、環状シールの同様の方向に対して画成された少なくとも２方向に形成される。例えば、第１のオーバーラップ構造８０は、図３に示すように、第１の雄部品６０及び第２の雄部品７０から、円周及び半径の方向に形成され、第２のオーバーラップ構造９０（図４参照）は、図４に示すように、第１の雄部品６０及び第２の雄部品７０から円周及び軸の方向に形成される。オーバーラップ構造の方向がシール装置２０の形状によって様々な座標系に対して画成できることは理解されよう。

シール装置２０の少なくとも第１及び第２のシールセグメント３０及び４０は金属材料及び／又は金属合金材料から形成できる。従って、シールセグメント３０及び４０は、周囲温度の上昇及び低下に対して熱的に応答することができる。すなわち、環状シール５０としてシール装置２０を使用する場合、タービンが稼働され、環状シール５０が過熱されると、少なくとも第１及び第２のシールセグメント３０及び４０が熱膨張することになる。この場合、オーバーラップ構造８０及び９０は、充分な円周方向、半径方向及び軸方向の長さＬ１、Ｌ２及びＬ３を有するように構成され、オーバーラップ状態を維持する。

実施形態によれば、少なくとも第１及び第２のシールセグメント３０及び４０のそれぞれの断面は、静止部品１１又は１２の１つと接触して配設される表面を備えるハブ１００と、ハブ１００から延在するフランジ１０１と、シール歯１０２とを含むことができる。シール歯１０２は静止部品１１又は１２の他方と接触して配設されるように構成される。フランジ１０１及びシール歯１０２は、横断する方向にハブ１００から延在する。

図５〜図８に示すように、又、実施形態によれば、第１及び第２の雄部品６０及び７０は、それぞれ相補的に反転した構成で少なくとも３つの突起からなる部分１１０，１２０を各々含むことができる。すなわち、第１の雄部品６０の３つの突起からなる部分１１０は、第１の中央突起１１１と第１の側部突起１１２とを含むことができる。第１の側部突起１１２は、第１の中央突起１１１の幅Ｗ２より狭い幅Ｗ１で互いに分離されている。第１の側部突起１１２は、更に第１の中央突起１１１の表面１１３とシール接触する状態に配設される。

第２の雄部品７０の３つの突起からなる部分１２０は、相補的な形で、第２の中央突起１２１と第２の側部突起１２２とを含むことができる。第２の中央突起１２１は、第１の側部突起１１２の間に受け入れられ、それによって、少なくとも第１の中央突起１１１の表面１１３及び第１の側部突起１１２とシール接触する状態に配設される。第２の側部突起１２２は、第２の中央突起１２１の幅Ｗ４より広い幅Ｗ３で互いに分離されている。そのように、第２の側部突起１２２は、第１の中央突起１１１が受け入れられ、第２の側部突起１２２のそれぞれの表面１２３とシール接触するように配設される空間を画成する。更に、第２の側部突起１２２は第１の側部突起１１２の上部及び第１の中央突起１１１の側部に受け入れられ、少なくとも第１の側部突起１１２のそれぞれの表面１２４と接触して配設される。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明が詳細に説明されたが、このような開示された実施形態に本発明が限定されないことは容易に理解されるはずである。本明細書において説明されていないが、本発明の精神及び範囲と一致する任意の数の変形、変更、代替又は同等の構成を取り入れるように本発明を修正することは可能である。更に、本発明の種々の実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は以上の説明により限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１０ タービンエンジン
１１、１２ 第１及び第２の静止部品
１３ 漏洩流路
２０ シール装置
３０，４０ シールセグメント
３１，４１ 細長い本体
３２，３３，４２，４３ 両端部
５０ 環状シール
６０ 第１の雄部品
６１ 第１のシール表面
６２ 第１の雌対合部
７０ 第２の雄部品
７１ 第２のシール表面
７２ 第２の雌対合部
８０，９０ 第１及び第２のオーバーラップ構造
１００ ハブ
１０１ フランジ
１０２ シール歯
１１０，１２０ ３つの突起からなる部分
１１１ 第１の中央突起
１１２ 第１の側部突起
１１３ 表面
１２１ 第２の中央突起
１２２ 第２の側部突起
１２３、１２４ 表面

Claims (10)

1. シール装置（２０）であって、当該シール装置（２０）が、
   細長い本体（３１，４１）を各々含んでいる第１及び第２の隣接するシールセグメント（３０，４０）であって、細長い本体（３１，４１）の両端部に画成された端部（３２，３３，４２，４３）が、第１のシールセグメントの端部と第２のシールセグメントの相補的な端部とが接合するように構成されている、第１及び第２の隣接するシールセグメント（３０，４０）を
   少なくとも備えており、
   第１のシールセグメントの端部が、第１のシール表面（６１）の平面から突出する第１の雄部品（６０）を含んでいて、第１の雄部品（６０）の周囲に第１の雌対合部（６２）を画成しており、
   第２のシールセグメントの端部が、第２のシール表面（７１）の平面から突出する第２の雄部品（７０）を含んでいて、第２の雄部品（７０）の周囲に第２の雌対合部（７２）を画成しており、
   第１及び第２の雄部品（６０，７０）がそれぞれ第２及び第１の雌対合部に嵌め込むことができて、少なくとも２方向に第１及び第２の雄部品重なり部（８０，９０）を形成する、シール装置（２０）。
2. 少なくとも第１及び第２のシールセグメントが、タービンの静止部品間に配設するための環状シール（５０）を形成するように配置される、請求項１記載のシール装置（２０）。
3. 前記タービンが蒸気タービンを含んでおり、前記環状シール（５０）が蒸気漏洩流を制限する、請求項２記載のシール装置（２０）。
4. 前記静止部品が任意の２つの静止部品を備える、請求項２記載のシール装置（２０）。
5. 少なくとも第１及び第２のシールセグメント（３０，４０）が４以上のシールセグメントを含む、請求項２記載のシール装置（２０）。
6. 少なくとも第１及び第２のシールセグメント（３０，４０）が金属材料又は金属合金材料から形成される、請求項１記載のシール装置（２０）。
7. 第１及び第２の雄部品重なり部（８０，９０）が、少なくとも第１及び第２のシールセグメント（３０，４０）が熱膨張する間、維持される充分な長さを各々有する、請求項１記載のシール装置（２０）。
8. 少なくとも第１及び第２のシールセグメント（３０，４０）のそれぞれの断面が、ハブ（１００）と、前記少なくとも２方向のうちの１方向に前記ハブから延在するフランジ（１０１）と、前記少なくとも２方向の別の１方向に前記ハブから延在するシール歯（１０２）とを備える、請求項１記載のシール装置（２０）。
9. 第１及び第２の雄部品（３０，４０）が各々相補的に反転した構成で３つの突起からなる部分（１１０，１２０）を備える、請求項１記載のシール装置（２０）。
10. １以上の第１及び第２の雄部品（３０，４０）の前記３つの突起からなる部分（１１０，１２０）がシールを備える、請求項９記載のシール装置（２０）。