JP2012145224A - 楕円状密封システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械を通る漏れを低減し、しかも過渡運転中、並びに定常運転状態中に適切な隙間を保持する回転機械の改良型密封システムであり、漏れの低減によって効率全体が高まり、しかも内部の部品への損傷が防止される。
【解決手段】回転機械のロータ１２０及びステータハウジングと共に使用される楕円状密封システム１４０を提供する。楕円状密封システム１４０は、摩耗性コーティング１７０を施した幾つかの密封セグメント２６０を備える。摩耗性コーティング１７０を施した密封セグメント２６０は、略楕円形の形状２４０を有する。幾つかのバイアス部材は、密封セグメント２６０及びステータハウジングと連絡する。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に、回転機械と共に使用されるシールに関し、より具体的には、回転圧縮機などの回転機械と共に使用される楕円形の形状を有する、規格に準拠する摩耗性のラビリンス密封システムに関する。

回転機械では、１つ又は複数のシールが一般に回転部品と静止部品との間の境界面に沿って延びている。例えば、圧縮機、タービンなどは、ケーシング又はベーン内に配置された一連の回転ブレード又はバケット間の境界面に、１つ又は複数のシールを有する。これらのシールは、回転部品の上流側と下流側との間の圧力差を保つことを意図している。一般に、シールにおける隙間寸法が小さいほど、回転機械全体にわたる漏れを制限することによってシールの性能と、回転機械全体の効率が高まる。

しかし、シール及びその部品は、始動中及び別の種類の過渡運転中など、回転機械の様々な運転段階中に比較的高い温度、熱勾配、及び熱膨張及び収縮にさらされることがある。通常は、このような過渡運転中の回転部品と静止部品との接触及び損傷の可能性を低くするため、シールは余分の隙間寸法を含む。しかし、この余分の隙間寸法もシールでの漏れ流のため、シール及び回転機械全体の性能と効率を低下させることがある。ロータとケーシングの間の流体漏れは圧縮機の効率を低下させるため、燃料コストが増大することになる。

米国特許出願公開第２００７／０２４８４５２Ａ１号

従って、圧縮機などの回転機械を通る漏れを低減し、しかも過渡運転中、並びに定常運転状態中に適切な隙間を保持する回転機械の改良型密封システムが望まれる。このような漏れの低減によって効率全体が高まり、しかも内部の部品への損傷が防止されよう。

従って、本発明は、回転機械のロータ及びステータハウジングと共に使用される楕円状密封システムを提供する。楕円状密封システムは、摩耗性コーティングを有する幾つかの密封セグメントを含む。摩耗性コーティングを有する密封セグメントは、略楕円形の形状のものである。幾つかのバイアス部材が、密封セグメント及びステータハウジングと連絡する。

本発明は更に、回転機械のロータ及びステータハウジングと共に使用される楕円状密封システムを提供する。楕円状密封システムは、摩耗性コーティングを有する一対の楕円状密封セグメントを含む。摩耗性コーティングを有する一対の楕円状密封セグメントをロータに向かって偏倚するために、幾つかのバイアス部材が楕円状密封セグメント及びステータハウジングと連絡する。

本発明は更に、回転機械を提供する。回転機械はステータハウジングと、ロータと、両者の間に配置され、摩耗性コーティングを有する一対の楕円状密封セグメントと、摩耗性コーティングを有する一対の楕円状密封セグメントをロータへと偏倚させるために、一対の楕円状密封セグメント及びステータハウジングと連絡する幾つかのバイアス部材とを含む。

幾つかの図面及び添付の請求項と共に以下の詳細な説明を検討すると、当業者には本発明の上記及びその他の特徴並びに改良が明らかになろう。

ガスタービンエンジンの概略図である。 回転機械内に配置された、本明細書に記載の楕円状密封システムの断面図である。 回転機械のロータの周囲に配置された、図２の楕円状密封システムの軸断面図である。

次いで、幾つかの図面を通して同様の数字が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０などの回転機械の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含む。圧縮機１５は流入空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は圧縮された空気流２０を燃焼器２５に給送する。燃焼器２５は圧縮された空気流２０を圧縮された燃料流３０と混合し、混合気を点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５しか図示していないが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含む。そして、燃焼ガス流３５はタービン４０に送られる。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械的作用を生成する。タービン４０内で生成された機械的作用は、圧縮機１５及び発電機などの外部負荷４５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び／又はその他の種類の燃料を使用する。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社などが販売する幾つかの異なるガスタービンエンジンの１つである。ガスタービンエンジン１０は別の構成のものでもよく、別の種類の構成部品を使用してもよい。本明細書では別の種類のガスタービンエンジンを使用してもよい。本明細書では更に、複数のガスタービンエンジン１０、別の種類のタービン、及び別の種類の発電装置を共に使用してもよい。本明細書では更に、別の種類の回転機械を使用してもよい。

一般に、ガスタービンエンジン１０の高圧領域から低圧領域へのガス流路からの、又はガス流路へのガス漏れは好ましくない。前述のように、圧縮機１５内の、及び／又はタービン４０内のガス流路漏れは、ガスタービンエンジン１０全体の効率を低下させ、燃料コストの増大を招くことがある。従って、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５及び／又はタービン４０内に設けられる密封システム５０を含む。密封システム５０は、静止部品と回転部品との隙間を最小にすることに役立つ。その結果、これらの部品を通る流体漏れは最小限になり、効率全体を高める。

図２は、本明細書で記載する回転機械１００の一部を示す。この実施例では、回転機械１００は、上記の圧縮機１５と同様の圧縮機１１０を含む。一般に、圧縮機１１０は、ステータハウジング１３０内部に配置されたロータ１２０を含む。ロータ１２０は入力デバイスシャフト（図示せず）、その他に結合される。同様に、ステータハウジング１３０は、ロータ１２０及びその部品、その他と流体連通する幾つかの吸気口と排気口（図示せず）とを含む。ロータ１２０の回転中、流入する流体は吸気口を通して吸気され、圧縮された流体は排気口を通って排気される。本明細書では別の構成、及び別の部品を使用してもよい。

楕円状密封システム１４０は、ロータ１２０とステータハウジング１３０との間に配置される。楕円状密封システム１４０は、その構成部品を損傷せずにシステムを通る流体漏れを制御するように構成される。本明細書では、圧縮機１１０との関連で記載されるが、蒸気タービン、ガスタービンなどを含むどの種類の回転機械１００に楕円状密封システム１４０を使用してもよい。

楕円状密封システム１４０は、ステータハウジング１３０のスロット１６０内に配置された出没式パッキンリング１５０を含む。パッキンリング１５０は略Ｉ字形であるが、本明細書では別の構成を用いる。パッキンリング１５０は、ロータ１２０に面する摩耗性コーティング１７０を含む。摩耗性コーティング１７０は、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウム、六方晶窒化ホウ素の合金、及びポリエステル、ポリイミドなどのポリマーを含む。あるいは、摩耗性コーティング１７０はニッケル、クロム、アルミニウム、及び粘度（ベントナイト）を含み得る。更に、摩耗性コーティング１７０は、ニッケル、黒鉛、及びステンレス鋼を含み得る。更に、摩耗性コーティング１７０は、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ホウ素、及び窒素を含み得る。更に、摩耗性コーティング１７０は、非金属材料（例えば静電粉体塗装プロセスで塗布されるポリテトラフルオロエチレン、又は機械装置によって塗着されるポリテトラフルオロエチレンを充填した合成雲母）を含み得る。摩耗性コーティング１７０は、所望の任意のサイズ、形状、及び／又は配向の所望の任意の材料を使用してよい。

ばね１９０などの幾つかのバイアス部材１８０を、パッキンリング１５０とステータハウジング１３０との間に配置する。バイアス部材１８０は、板ばね、コイルばね、螺旋ばね、流体圧ばね、空気圧ばね、積層ワッシャなどを含む。バイアス部材１８０は、パッキンリング１５０をロータ１２０に向かって偏倚するように構成される。この実施例では、バイアス部材１８０は、概ね１２時の位置と、概ね６時の位置に配置される。本明細書では別の位置に配置してもよい。本明細書では、任意の数又は種類のバイアス部材１８０を使用する。本明細書では、別の構成及び別の部品を使用してもよい。

ロータ１２０は更に、楕円状密封システム１４０の方向に延びる幾つかの歯２００を含む。歯２００は、ロータ１２０上の幾つかのスロット２２０内に配置された幾つかの「Ｊ」形条片２１０の形態である。Ｊ条片２１０は、幾つかのワイヤ２３０又は別の種類の連結手段を介して、ロータスロット２２０内の所定位置に保持される。Ｊ条片２１０はステンレス鋼、又はその他の種類の実質的に剛性の材料から製造される。Ｊ条片２１０の一部又は全部は、ロータ１２０の摩耗性コーティング１７０と接触する。Ｊ条片２１０は、摩耗性コーティング１７０との接触によって損傷又は摩損した場合は、交換のためにロータ１２０から取外し可能である。本明細書では別の構成及び別の部品を使用してもよい。

図３は、楕円状密封システム１４０の軸断面図である。図示のように、楕円状密封システム１４０は、概ね楕円形の形状２４０を有する。特に、摩耗性コーティング１７０を施したパッキンリング１５０は、概ね楕円形の形状２４０を形成する。「楕円形」という用語を用いることによって、様々な種類の双曲面形状、放物面形状、及びその他の種類の同類の形状も含まれる。本明細書では別の構成を使用してもよい。楕円状密封システム１４０は、ロータ１２０の周囲に配置されるものとして示されている。水平の矢印２５０は、ロータ１２０と延長した歯２００、又はＪ条片２１０との外径にほぼ等しいシールの主軸を示す。本明細書では別の構成を使用してもよい。

楕円状密封システム１４０は、更に幾つかのセグメント２６０を有する。この実施例では、楕円状密封システム１４０は２つのセグメント２６０、すなわち第１半部２７０と第２半部２８０のみを有する。本明細書では任意の数のセグメント２６０を使用する。２つの半部２７０、２８０のみを使用することによって、楕円状密封システム１４０を通る追加の端部ギャップ漏れが生じることはない。同様に、（垂直の矢印２９０で示す）概ね１２時の位置、及び概ね６時の位置にバイアス部材１８０を使用することで、一般に半部２７０、２８０は中心及びロータ１２０に向かって押し込まれてこれと接触する。動作圧も追加の密封力をもたらす。

楕円形の形状２４０を用いることによって、楕円状密封システム１４０の摩耗性コーティング１７０とロータ１２０のＪ条片２１０との間の干渉係合３００が可能になる。特に、バイアス部材１８０によって概ね６時の位置と概ね１２時の位置でより深い干渉係合３００が可能になり、概ね３時の位置と概ね９時の位置での線上係合３１０がもたらされる。従って、密封システム１４０は径方向係合を向上させるホイールアイシールの役割を果たす。同様に、最小数のセグメント２６０、すなわち第１半部２７０と第２半部２８０とを使用すれば、楕円状密封システム１４０を通る追加の端部ギャップ漏れが生じることはない。このように漏れ流が低減することで、本明細書の楕円形の形状２４０、バイアス部材１８０、及び／又は摩耗性コーティング１７０の組み合わせにより、圧縮機と回転機械の全体的な効率が高まるであろう。

上記の記述は本発明の特定の実施形態のみに関するものであり、以下の請求項及び等価物により定義される本発明の基本的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書には当業者によって多くの変更及び修正を加えてもよいことは明らかであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ 負荷
５０ 密封システム
１００ 回転機械
１１０ 圧縮機
１２０ ロータ
１３０ ステータハウジング
１４０ 楕円状密封システム
１５０ パッキンリング
１６０ ステータスロット
１７０ 摩耗性コーティング
１８０ バイアス部材
１９０ ばね
２００ 歯
２１０ Ｊ条片
２２０ ロータスロット
２３０ ワイヤ
２４０ 楕円形の形状
２５０ 水平の矢印
２６０ セグメント
２７０ 第１半部
２８０ 第２半部
２９０ 垂直の矢印
３００ 干渉係合
３１０ 線上係合

Claims (11)

1. 回転機械（１００）のロータ（１２０）及びステータハウジング（１３０）と共に使用される楕円状密封システム（１４０）であって、
   各々が摩耗性コーティング（１７０）を含む複数の密封セグメント（２６０）を備え、
   前記摩耗性コーティング（１７０）を有する前記複数の密封セグメント（２６０）が略楕円形の形状（２４０）を有し、
   前記複数の密封セグメント（２６０）及び前記ステータハウジング（１３０）と連絡する複数のバイアス部材（１８０）を備える、楕円状密封システム（１４０）。
2. 前記複数の密封セグメント（２６０）がパッキンリング（１５０）を含む、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
3. 前記複数の密封セグメント（２６０）が第１半部（２７０）と第２半部（２８０）とを含む、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
4. 前記ロータ（１２０）が複数の歯（２００）を含み、前記複数の歯（２００）が前記複数の密封セグメント（２６０）の前記摩耗性コーティング（１７０）と係合する、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
5. 前記複数の歯（２００）が複数のＪ条片（２１０）を含み、前記複数のＪ条片（２１０）が前記複数の密封セグメント（２６０）の前記摩耗性コーティング（１７０）と係合する、請求項４に記載の楕円状密封システム（１４０）。
6. 前記複数のバイアス部材（１８０）が、概ね１２時の位置及び概ね６時の位置に配置され、前記複数の密封セグメント（２６０）を前記ロータ（１２０）に向かって偏倚させる、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
7. 前記複数のバイアス部材（１８０）が、前記複数の密封セグメント（２６０）を前記ロータ（１２０）に向かって偏倚させる複数のばね（１９０）を含む、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
8. 前記摩耗性コーティング（１７０）を施した前記複数の密封セグメント（２６０）が、概ね１２時の位置及び概ね６時の位置で前記ロータ（１２０）と干渉係合（３００）する、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
9. 前記摩耗性コーティング（１７０）を施した前記複数の密封セグメント（２６０）が、概ね３時の位置及び概ね９時の位置で前記ロータ（１２０）と線上係合（３１０）する、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
10. 前記摩耗性コーティング（１７０）を施した前記複数の密封セグメント（２６０）が、前記ロータ（１２０）と前記複数の歯（２００）との外径であるシール主軸（２５０）を含む、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。
11. 前記回転機械（１００）が圧縮機（１１０）を含む、請求項１に記載の楕円状密封システム（１４０）。

Images