JP2015514184A

JP2015514184A - ターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置

Info

Publication number: JP2015514184A
Application number: JP2015503912A
Authority: JP
Inventors: ピエロ，アルノー・ジャン−マリー; モレアル，セルジュ・ルネ
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2015-05-18
Also published as: US20150063981A1; RU2014143971A; WO2013150198A1; CN104246146A; EP2836685B1; RU2632066C2; US9909452B2; EP2836685A1; FR2989116B1; FR2989116A1; CA2869617A1; CN104246146B

Abstract

本発明は、外側シャフト（１２）との接触によって封止を実施することが可能な環状シール（２３）を備えるターボ機械の同軸シャフトを封止するための装置（２０）に関し、前記装置は、前記環状シール（２３）と前記外側シャフト（１２）との接触領域を潤滑することが可能な潤滑手段を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、ターボ機械および２本の同軸の回転シャフトの間を封止するシステムの分野に関する。

本発明は、より詳細には、ターボ機械の２本の同軸の回転シャフトの間に配置される動的な封止装置に関する。

ターボ機械において、例えば高圧ロータおよび低圧ロータなどの２本の回転シャフトの間に設けられる軸受または歯車などの機械的部材を取り囲む筐体を画定し、これを隔離することが必要である。このような筐体において、油が注入されることで機械的部材を潤滑し冷却する。筐体の絶縁は、特に２つの回転シャフトの間を封止装置を必要とする。

このような種類の用途において接触を持たない封止装置を使用することが知られている。しかしながらラビリンスタイプの接触を持たない封止装置は、高い空気流量を必要とし、ときには所望される筐体の加圧を実現することが困難である。さらに、空気と油の混合体が筐体内で形成され、これは空気を排出する前に脱油装置を必要とする。よって妥協点を見つけることが難しく、このような封止装置は目的とされる性能を達成することが可能であるとは限らない。最終的にこのようなタイプのシールは、かなり油を含む空気流量を扱うため高価でかさばり、かつ重量がある脱油装置の存在を必要とする。

炭素シールまたは均一なブラシシールタイプの接触を有する封止装置、すなわちシャフト間シールを使用することも知られている。しかしながらこのような装置は壊れやすく、特にストレートターニング段階において、すなわち相対的に軸方向に変位する際、シールと、隣接する金属リングやガラスプレートが接触した場合、高い発熱リスクを有する。

この文脈において、本発明は、共回転または逆回転する回転シャフトと共に作動するように適合された封止装置を提供することで、上記にあげた問題を解決することを可能にすることを目指している。

この目的のために、本発明は、外側シャフトと接触することによって封止を実施することが可能な環状シールを含む、ターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置を提供し、前記装置は、前記環状シールと前記外側シャフトの接触領域を潤滑することが可能な潤滑手段を含むことを特徴とする。

このように本発明による装置によって、接触を有する封止装置の利点（優れた性能）を接触の潤滑と組み合わせることで摩耗や接触領域における発熱のリスクを除くことができる。

本発明によるターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置はまた、単独で、あるいは技術的に実現可能な組み合わせに従って考慮した上で以下の１つまたは複数の特徴を有することができる：
−前記環状シールと前記外側シャフトの接触が、弾性手段および／または油圧式手段によって保証され、
−前記油圧式手段が、複数のピストンと協同することで前記環状シールにひずみを及ぼすシリンダによって形成される、
−ピストンが前記環状シールと一体式である、
−前記複数のピストンに及ぼされる油圧ひずみが、前記シリンダの内部の作動液の遠心分離によって行われる、
−前記複数のピストンの一部または前記複数のピストンの全てが、環状シールと外側シャフトの接触領域に作動液を運ぶことが可能なポートを有する、
−前記環状シールがピストンのポートに面するように位置決めされたポートを含む、
−装置が、前記環状シールと前記内側シャフトの封止を保証する弾性セグメントを含む。

本発明の１つの目的はまた、低圧ロータと、高圧ロータとを含むターボ機械を提供することであり、それは、前記低圧シャフトと前記高圧シャフトの間の機械的部材を取り囲む筐体の封止を実施するために本発明による封止装置を含むことを特徴とする。

本発明の１つの目的はまた、２本の同軸の回転シャフトの間の機械的部材を取り囲む筐体の封止を実施することが可能な本発明による封止装置を含むターボ機械の前記２本の同軸の回転シャフトを締結する方法を提供することであり、前記方法は、
−前記内側シャフトの周りに外側シャフトの第１の部分を締結し、前記第１の部分が、外側シャフトの主要な部分に対して前記第１の部分を固定するための手段を備えるステップと、
−前記封止装置を前記内側シャフト上に取り付けるステップと、
−外側シャフトの前記第１の部分を軸方向にブロックするステップと、
−前記外側回転シャフトの主要な部分を内側回転シャフトと共に締結するステップと、
−外側シャフトの前記第１の部分を外側シャフトの前記主要な部分と共に固定するステップと、
−前記第１の部分を軸方向にブロック解除するステップと、
−前記外側シャフトをその作動位置に位置決めするように締結を調節するステップとを含む。

有利には、軸方向にブロックするステップは、バイヨネットシステムを形成する前記シリンダ上に配置された第２の扇形リブと協同する前記外側シャフト上に配置された第１の扇形リブによって行われる。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して、指示することを目的としており、決して限定する目的ではない以下に提示されるその記載からより明らかになるであろう。

ターボ機械の内側シャフトと外側シャフトの間の環境に位置決めされた、本発明による同軸シャフトの間を封止するための装置の概観を概略的に示す図である。図１に例示される機械的部材を含む筐体の封止を保証することを可能にする本発明による封止装置の詳細な図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。低圧回転シャフトと、高圧回転シャフトとを含むターボ機械内に本発明による前記封止装置を取り付けるための方法の一ステップを概略的に示す図である。封止装置を位置決めする際、２本の回転シャフトを組み立てるのに利用されるバイヨネットシステムの原理を示す図である。封止装置を位置決めする際、２本の回転シャフトを組み立てるのに利用されるバイヨネットシステムの原理を示す図である。

図面を通して、共通の要素は、そうでないことが指摘されなければ同一の参照番号を有する。

図１は、内側回転シャフト１１と外側回転シャフト１２の間に設けられた機械的部材１６を取り囲む筐体１５のところに位置決めされた封止装置２０の概観を表している。図２は、図１に例示される筐体１５と、封止装置のより詳細な図である。

図１および図２に示される例示の実施形態では、内側回転シャフト１１は、ターボ機械の高圧タービンロータであり、外側回転シャフト１２は、ターボ機械の低圧タービンロータである。

本発明による封止装置２０は、
−内側シャフト１１に固定された、より詳細には図１に示される実施形態による高圧ロータのジャーナル１３に固定されたシリンダ２１と、
−内側シャフト１１に対して同心状に位置決めされた環状形状のシールによって形成される封止手段２３と、
−封止手段２３にひずみを及ぼすことが可能な例えば圧縮ひもなどの弾性手段２４と、
−環状シール２３の円周上に分散され、シリンダ２１によって作動されるピストンが封止手段２３にひずみを及ぼすようにシリンダ２１と封止手段２３の間に配置されるピストン２２と、
−作動液の漏出が環状シール２３と内側シャフト１１のジャーナル１３の間の環状シール２３の縁部上に限定されることを可能にする環状セグメント２５とを含む。

図１および図２に示される本発明の実施形態によると、環状セグメント２５は、ジャーナル１３内にそのために設けられた環状の溝の中に配置される。このような有利な位置決めにおいて、環状セグメント２５は、このセグメントが遠心力の作用を受けて膨張するため特定の事前のひずみを必要としないことから、環状シール２３とジャーナル１３との封止を保証する。

作動中、封止装置２０全体は、内側シャフト１１の速度で回転する。よって環状セグメント２５が受ける摩擦によるひずみのみが、２本の回転シャフトにおける相対的な軸方向の変位に起因するものであり、これはいかなる加温作用も生成しない。このような軸方向の変位は慣例的にターボ機械の分野では「ストレートターニング（ｓｔｒａｉｇｈｔｔｕｒｎｉｎｇ）」と呼ばれ、ターボ機械の過渡的な作動段階における高圧ロータと低圧ロータの相対的な軸方向の変位に相当する。

環状シール２３は、金属シールまたは炭素シールである。

環状シール２３は、円形に分散された複数の止まり穴３１を有しており、前記穴の各々が、ピストン２２を収容するように適合されている。穴の直径は、ピストン２２と圧力嵌め結合をなすように適合されることでピストン２２を固定し環状シール２３と動力学的に接続する。

環状シール２３の外壁３６が、外側シャフト１２のフランジ１７の要素を形成し筐体１５の境界を定めることで、第１の環状壁１７ａと接触が可能となり、筐体１５の封止を実施することになり、フランジ１７は、第１の環状壁１７ａと、第２の環状壁１７ｂとを含んでいる。

環状シール２３の外壁３６は、ターボ機械を作動させる際はシリンダ２１内の作動液の遠心分離によって作動されるピストン２２の圧力によって、ターボ機械の停止段階では、詳細にはピストン２２に及ぼされる油圧が必要以上に低い場合にはシール２３と第１のフランジ１７ａとの永続的な接触を保証するために環状シール２３とシリンダ２１の間に位置決めされた、ひもなどの弾性手段２４によって環状フランジ１７ａに押し当てて保持される。

永続的な油のストックを確実にするために、保持装置２６が、シリンダ２１の下部に設けられる。この油のストックは、専用の油によって供給され、図１から図２に示されるようにターボ機械における用途の範囲における、例えば転がり軸受の内輪によって運ばれる。

ピストン２２の数は、
−上流および下流の空気圧、
−弾性手段２４の力、
−特にセグメントと環状シールの接続の摩擦によって生成される環状シール２３の変位に対する抵抗とを考慮することによって環状シール２３に対する軸方向のひずみを均衡させるように調節されることになる。

ピストン２２は有利には、過渡期を含めたターボ機械の全ての作動状況において環状シール２３と環状壁１７ａの永続的な接触を保証し、かつ第１の環状壁１７ａに対するシール２３の摩擦による熱出力を可能な限り少なく生成するように寸法が決められる。

ピストン２２の全てまたは一部は、ピストン２２の構造を長手方向に通過するそれぞれの構造上の穴を有することで、作動液流をピストン２２の端部に設けられた注入器を介してシリンダ２１から環状シール２３と環状フランジ１７ａとの接触領域に搬送することが可能な内部チャネルを形成する。この目的のために、止まり穴３１の底部を形成する壁はポートを有しており、これはピストン２２の穴３３に面し、外壁３６上に配置された環状の溝３５と連通している。

このような構成によって、作動液がシリンダ２１から外壁３６に流れることが可能になることで、環状シール２３の円周上に油膜を形成することによって接触領域の永続的な潤滑を保証する。

接触領域の潤滑はまた、保証されるべき環状シール２３と第１の環状壁１７ａの間のこのような領域の永続的な冷却作用も可能にし、これにより封止装置２０の早すぎる摩耗を阻止する。

リングの回転軸に対する止まり穴３１の半径方向の位置は、シリンダ２１内のピストン２２のはめ込みの直径に相当する。

ピストン２２を出る油の別の一部は、特に過渡期におけるストレートターニングに起因する相対的な変位において２つの部分における潤滑を確実にするために、ピストン２２とシリンダ２１の間に在る隙間によって漏れ出る。

全ての油は遠心力による作用によって円錐壁１７ｃ上で回収され、回収ポンプに接続された筐体の底部における導管によって形成される筐体１５の従来の油回収システムに排出される。

均一なシール／フランジ接続のセグメント／シール接続からもたらされる予想される油の漏出を回収するために、第１の環状壁１７ａと、第２の環状壁１７ｂとが油回収ボウル２８を形成する。この回収ボウル２８は、封止システム２０の上流に位置している。この回収ボウル２８の底部において、第１の環状壁１７ａは、第１の環状壁１７ａと円錐壁１７ｃとの境界に少なくとも１つの穴２９を含むことで、このような漏出が筐体１５内に再び導入されることを可能にする。第２の環状壁１７ｂの内径（すなわちその開口径）は、第２の環状壁１７ｂが、ターボ機械を作動する際、作動液の漏出の回収障壁の役割を果たすように第１の環状壁１７ａの内径より小さい。有利には、この第２の環状壁１７ｂの内径は、環境の幾何学的要件に応じてできるだけ限り最小限にすべきである。

円錐壁１７ｃもまた、扇形リブ３７を有する。このリブ３７は取り付け段階に使用され、後に詳細に記載する。この扇形リブ３７がこのように円錐壁１７ｃの円周上にくぼんだ部分を有することで、油がこの壁１７ｃ上に効率よく流れることが可能になる。この壁上への油の流れをさらに改善するために、扇形リブ３７の固い部分は穴を有することができる。

図３から図１０は、高圧シャフト１１と、低圧シャフト１２とを含むターボ機械における封止装置２０の種々の取り付けステップを示している。

図３は、高圧シャフト１１のジャーナル１３の下流部分においてそのために意図された筐体内でのセグメント２５の据え付けステップから成る取り付け方法の第１のステップを示している。

図４は、取り付け方法の第２のステップを示している。この第２のステップは、環状壁１７ａと、１７ｂとを含む低圧タービンのフランジ１７をもたらすステップで成り立っている。このフランジは、低圧タービンのこの部分を低圧タービンのモジュールに対して組み立てることを可能にする植込みボルトを装備することで低圧シャフト全体を形成する。植込みボルト４１は、ナット４２および長円の穴４３を介してフランジ１７と一体式である。

図５は、封止装置２０をセットアップステップで成り立つ取り付け方法の第３のステップを示している。

図６は、取り付け方法の第４のステップを示している。方法のこの第４のステップは、機械的部材１６を高圧シャフトに対して位置決めするステップで成り立っている。例示の実施形態では、機械的部材１６は、ナット手段と一体式の軸受ｎ°４によって形成され、組立体はこれにより高圧シャフト１１のモジュール全体を形成する。

図７は、本発明による取り付け方法の第５のステップを示しており、これは「バイヨネット」システムを利用してフランジ１７の位置をラッチするステップで成り立っている。バイヨネットシステムは、低圧シャフト１２のフランジ１７の円錐壁１７ｃ上に配置された扇形リブ３７ならびにシリンダ２１上に配置された扇形リブ２７によって形成される。

図１１ａおよび図１１ｂは、２つの扇形リブ３７、２７によって形成されるバイヨネット式のラッチシステムの原理をより精密に示している（図面を簡素化するために２つの歯のみが表されている）。

より精密には、図１１ａは、低圧シャフト１２のフランジ１７が封止装置２０に対して軸方向に可動であるシステムの解除位置を表しており、図１１ｂは、フランジ１７が装置２０に対して軸方向にブロックされたシステムのラッチ位置を表している。

したがってこの第５のラッチステップにおいて、フランジ１７は、センタリング部品として作用するシリンダ２１の扇形リブ２７内に係合するように軸方向に変位される。ひとたび係合すると、フランジ１７のその回転軸に沿ったわずかな回転により、解放位置から図１１ｂに示されるラッチ位置に切り換えることで軸方向および半径方向にフランジ１７を所定の位置に維持することができる。

ラッチ位置において、弾性手段２４が圧縮される。

図８は、事前に組み立てられ平衡を保っている低圧タービンモジュールを所定の位置でフランジ上に締結するステップで成り立つ方法の第６ステップを示している。この目的のために、モジュールは、植込みボルト４１とナットを介してモジュールをフランジ１７に対して締め付けることを可能にする穴を有する。このように組み立てられたモジュールとフランジは、低圧シャフト１２全体を形成する。

図９は、低圧シャフト１２を第５ステップの回転の方向の反対方向に回転させることでバイヨネットシステムを解除し、その後軸方向に摺動させることによって低圧シャフトを封止システムから切り離すことでそれを所定の位置（軸方向の位置）に配置するステップで成り立つ第７ステップを示している。低圧シャフト１２を軸方向に変位させる際、ターボ機械が始動するとすぐに、但しターボ機械の停止段階においても筐体１５の封止を保証するために弾性手段２４が拡張され、先に記載したように環状シール２３を第１の環状壁１７ａに対して押しつけることを可能にする。

図１０は、回転シャフトならびに封止装置２０の最終的な位置を示している。

このように本発明による装置は、接触による封止を行うことによって、２つの回転部品（例えばターボ機械の高圧シャフトと、低圧シャフト）の間の効率的かつ堅牢な封止を保証することで、優れた性能を提供し、接触を永続的に潤滑することによって加温のリスクや熱の発散を回避することが可能である。

本発明は主に、ターボ機械の高圧シャフトと、低圧シャフトによって記載されてきたが、本発明はまた他の同軸の回転シャフトにも適用可能である。

本発明による装置は特に、２つの反転する回転シャフトと共に使用されるように適合されているが、本発明はまた、２つの共回転する回転シャフトにも適用可能である。

Claims

外側シャフト（１２）との接触によって封止を実施することが可能な環状シール（２３）を含むターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）であって、前記環状シール（２３）と前記外側シャフト（１２）との接触領域を潤滑することが可能な潤滑手段を備えることを特徴とする、装置（２０）。
前記環状シール（２３）と前記外側シャフト（１２）の接触が、弾性手段（２４）および／または油圧式手段（２２、２１）によって保証されることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
前記油圧式手段が、複数のピストン（２２）と協同することで前記環状シール（２３）にひずみを及ぼすシリンダ（２１）によって形成されることを特徴とする、請求項２に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
ピストン（２２）が前記環状シール（２３）と一体式であることを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
前記複数のピストンに及ぼされる油圧式のひずみが、前記シリンダ（２１）の内部の作動液の遠心分離によって行われることを特徴とする、請求項３または４のいずれか一項に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
前記複数のピストン（２２）の一部または前記複数のピストン（２２）の全てが、環状シール（２３）と外側シャフト（１２）の接触領域に作動液を運ぶことが可能なポート（３３）を有することを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
前記環状シール（２３）が、ピストン（２２）のポート（３３）に面するように配置された環状の溝（３５）を有することを特徴とする、請求項６に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
前記環状シール（２３）と前記内側シャフト（１１）の封止を保証する弾性セグメント（２５）を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のターボ機械の同軸シャフトの間を封止するための装置（２０）。
低圧シャフト（１２）と高圧シャフト（１１）の間の機械的部材（１６）を取り囲む筐体（１５）の封止を実施するために請求項１から８のいずれか一項に記載の封止装置（２０）を含むことを特徴とする、低圧ロータ（１２）と、高圧ロータ（１１）とを含むターボ機械。
２本の回転シャフト（１１、１２）の間の機械的部材（１６）を取り囲む筐体（１５）の封止を実施することが可能な請求項１から８のいずれか一項に記載の封止装置（２０）を含むターボ機械の２本の同軸の回転シャフト（１１、１２）を締結するための方法であって、
前記内側シャフト（１１）の周りに外側シャフトの第１の部分（１７）を締結し、前記第１の部分（１７）が、外側シャフトの前記主要な部分に対して前記第１の部分（１７）を固定するための手段（４１）を備えるステップと、
前記封止装置（２０）を前記内側シャフト（１１）上に取り付けるステップと、
外側シャフト（１２）の前記第１の部分（１７）を軸方向にブロックするステップと、
前記外側回転シャフト（１２）の主要な部分を内側回転シャフト（１１）と締結するステップと、
外側シャフトの前記第１の部分（１７）を外側シャフト（１２）の前記主要な部分に固定するステップと、
前記第１の部分（１７）を軸方向にブロック解除するステップと、
前記外側シャフトをその作動位置に位置決めするように締結を調節するステップとを含む、方法。
前記軸方向にブロックするステップが、バイヨネットシステムを形成する前記シリンダ（２１）上に配置された第２の扇形リブ（２７）と協同する前記外側シャフト（１２）上に配置された第１の扇形リブ（３７）によって行われることを特徴とする、請求項１０に記載のターボ機械の２本の同軸の回転シャフト（１１、１２）を締結するための方法。