JP2016502618A - 回転機械用のフィルム浮動空力シール - Google Patents

Abstract

回転機械用のシールアセンブリが提供される。シールアセンブリは、不動のハウジングとロータとの中間に周状に配置される複数のシール装置セグメント（１６）を備える。シール装置セグメント（１６）の各々が、ステータインターフェイス要素を備える。さらに、シール装置セグメントは、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯と、荷重支持面領域（３２）とを有するシュープレートを備え、シュープレートは、最も前方のラビリンス歯（２０）の上流部分への高圧流体および最も後方のラビリンス歯の下流部分への低圧流体を可能にする。さらに、シール装置セグメントは、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触し、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触する二次シール（２８）と、シュープレート（１８）およびステータインターフェイス要素に取り付けられた複数のベローズばねまたはひだとを備える。【選択図】図１

Description

本出願は、概して、ターボ機械用のシールアセンブリに関し、より詳しくは、ロータ−ステータのすき間などを封止するためのフィルム浮動（ｆｉｌｍ ｒｉｄｉｎｇ）シールアセンブリに関する。

ガスタービンエンジン、航空機用エンジン、および蒸気タービンなど、さまざまな種類のターボ機械が公知であり、発電、推進、などに広く使用されている。ターボ機械の効率は、部分的には、内部の構成部品の間のすき間、およびそれらのすき間を通る一次および二次の流体の漏れに左右される。例えば、特定のロータ−ステータの境界に、熱的または機械的に引き起こされる大きな相対運動に対応するために、大きなすき間を意図的に許すことができる。高圧の領域から低圧の領域へとこれらのすき間を通過する流体の漏れにより、結果として、ターボ機械の効率が悪くなる可能性がある。そのような漏れは、漏れた流体が有用な仕事を果たすことができない点で、効率に影響を及ぼす可能性がある。

種々の種類のシールシステムが、ターボ機械を通って流れる流体の漏れを最小限にするために使用される。しかしながら、シールシステムは、種々の動作段階において、比較的高い温度、温度勾配、ならびに熱的および機械的な膨張および収縮を被ることが多く、結果として、シールシステムにおけるすき間が増大または減少する可能性がある。例えば、始動時の過渡的な段階においてきわめて狭いすき間で動作するように組み立てられた従来のラビリンスシールは、定常状態においては大きなすき間で動作し、結果として定常状態の動作における性能の低下につながりかねない。

したがって、ターボ機械においてロータ−ステータのすき間の封止に使用される弾力的（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）なシールアセンブリについて、改善が望まれる。好ましくは、そのような弾力的なシールアセンブリは、過渡的な動作におけるこすれ、接触に起因する摩耗、および損傷を避けつつ、定常状態の動作においてより密な封止をもたらすことができる。そのようなシールアセンブリは、製造が安価であり、かつ関連の部品の寿命向上をもたらしながら、全体としてのシステムの効率を改善すべきである。

欧州特許出願公開第２４９５３９８号明細書

本発明の実施形態によれば、回転機械用のシールアセンブリが提供される。シールアセンブリは、不動のハウジングとロータとの中間に周状に配置される複数のシール装置セグメントを備える。シール装置セグメントの各々が、ステータインターフェイス要素を備える。さらに、シール装置セグメントは、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯と、荷重支持面領域とを有するシュープレートを備え、シュープレートは、最も前方のラビリンス歯の上流部分への高圧流体および最も後方のラビリンス歯の下流部分への低圧流体を可能にするように構成され、シュープレートとロータとの間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成される。さらに、シール装置セグメントは、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触するように構成され、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触するように構成された二次シールと、シュープレートおよびステータインターフェイス要素に接続された複数のベローズばねまたはひだとを備える。

本発明の実施形態によれば、シール装置セグメントを製造する方法が提供される。本方法は、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯と、荷重支持面領域とを備えるシュープレートを、回転機械の不動のハウジングとロータとの間に配置するステップを含み、シュープレートは、最も前方のラビリンス歯の上流部分への高圧流体および最も後方のラビリンス歯の下流部分への低圧流体を可能にするように構成され、シュープレートとロータとの間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成される。さらに、本方法は、二次シールを、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触し、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触するように配置するステップを含む。さらに、本方法は、複数のベローズばねまたはひだを、シュープレートおよびステータインターフェイス要素に接続するステップを含む。

本発明の実施形態によれば、回転機械が提供される。回転機械は、ロータと、不動のハウジングと、不動のハウジングとロータとの中間に周状に配置された複数のシール装置セグメントとを備え、各々のセグメントは、ステータインターフェイス要素およびシュープレートを備え、シュープレートは、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯と、荷重支持面領域とを備え、シュープレートは、最も前方のラビリンス歯の上流部分への高圧流体および最も後方のラビリンス歯の下流部分への低圧流体を可能にするように構成され、シュープレートとロータとの間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成される。さらに、各々のセグメントは、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触するように構成され、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触するように構成された二次シールと、シュープレートおよびステータインターフェイス要素に接続された複数のベローズばねまたはひだとを備える。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して検討したときに、よりよく理解されるであろう。添付の図面において、類似の文字は、図面の全体を通して類似の部分を表している。

本発明の実施形態による回転機械のフィルム浮動シールアセンブリの斜視図である。 本発明の実施形態によるシール装置セグメントの斜視図である。 本発明の実施形態による回転機械のフィルム浮動シールアセンブリの隣接するシール装置セグメントの斜視図である。 本発明の別の実施形態によるシール装置セグメントの斜視図である。 本発明の実施形態によるシール装置セグメントの一部分の正面からの斜視図である。 本発明の別の実施形態によるシール装置セグメントの斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態によるシール装置セグメントの斜視図である。 本発明の一実施形態によるシール装置セグメントの一部分である。 本発明の別の実施形態によるシール装置セグメントの一部分である。 本発明の実施形態によるシュープレートおよび二次シールに作用する種々の圧力による力を示すシール装置セグメントの側面図である。 本発明の実施形態によるシール装置セグメント１７の中心における断面図である。 本発明の実施形態によるシールアセンブリにおけるシュー−ロータの湾曲を示している。 本発明の実施形態によるシール装置セグメントの荷重支持面における溝を示している。 本発明の実施形態によるロータ−ステータ間シールアセンブリを示している。 本発明の実施形態によるシール装置セグメントの一部分を示している。 本発明の実施形態によるシール装置セグメントの製造方法に含まれる工程を説明するフロー図である。

本発明の種々の実施形態の構成要素を照会するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、その構成要素が１つ以上存在することを意味するように意図される。用語「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包含であるように意図され、そこに挙げられた構成要素以外のさらなる構成要素が存在してもよいことを意味する。動作パラメータのいずれの例も、開示される実施形態について他のパラメータを除外するものではない。

図１は、本発明の実施形態による回転機械用のフィルム浮動シールアセンブリ１０（全体の３６０度のアセンブリの代わりに、いくつかのセグメントだけが図示されている）の斜視図である。フィルム浮動シールアセンブリ１０は、それぞれ１１、１３、および１５によって与えられるとおりの軸方向、径方向、および周方向における向きを有するものとして図示されている。シールアセンブリ１０は、不動のハウジング１２とロータシャフト（図示されていない）との間に位置するように、回転機械において軸方向に配置されたロータシャフト（図示されていない）の周囲に周状に配置されている。不動のハウジング１２は、シールアセンブリ１０の径方向外側の領域を形成する複数のステータインターフェイス要素１４を備えている。シールアセンブリ１０は、互いに隣接して位置してシールアセンブリ１０を形成する複数のシール装置セグメント１６を備えている。シール装置セグメント１６の各々は、ロータシャフト（図示されていない）に近接して位置するシュープレート１８を備えている。回転機械の動作時に、シュープレート１８は、ロータシャフト（図示されていない）の上方の流体膜上を浮動する。さらに、シールアセンブリ１０は、ロータシャフトの表面に面する側においてシュープレート１８上に位置する１つ以上のラビリンス歯２０を備える。図示のとおりの一実施形態において、１つ以上のラビリンス歯２０は、シュープレート１８の最も前方の領域に向かって位置している。別の実施形態において、１つ以上のラビリンス歯２０は、シュープレート１８の最も後方の領域に向かって位置する。１つ以上のラビリンス歯２０は、回転機械のシールアセンブリ１０の各側に位置する高圧領域２２および低圧領域２４を実質的に隔てる。さらに、シールアセンブリ１０は、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素１４に接触するように構成され、径方向内側の端部においてシュープレート１８に接触するように構成された複数の二次シール２６を備える。一実施形態において、二次シール２６は、外側層部分２８（図２に示されている）および内側層部分３０（図２に示されている）を備えており、二次シール２６の外側層部分２８の各々が、隣同士の二次シールセグメント１６の内側層部分３０の間に形成されるシール装置セグメントすき間に重なっている。

図２は、本発明の実施形態によるシール装置セグメント１６の斜視図である。図示のとおり、シール装置セグメント１６は、ステータインターフェイス要素１４と、シュープレート１８とを備えている。図示のとおりの実施形態において、シュープレート１８は、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯２０と、荷重支持面領域３２とを備えている。シュープレート１８は、最も前方のラビリンス歯２０の上流部分３４への高圧流体および最も後方のラビリンス歯２０の下流部分３６への低圧流体を可能にするように構成され、シュープレート１８とロータとの間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成されている。さらに、シール装置セグメント１６は、シュープレート１８とステータインターフェイス要素１４とに取り付けられた複数のベローズばね３８、４０を備えている。一実施形態において、シール装置セグメント１６は、複数のベローズばねの代わりに、シュープレート１８とステータインターフェイス要素１４とに取り付けられた複数のひだを備える。

図示のとおり、シュープレート１８は、軸方向において１つ以上のラビリンス歯２０の下流に位置し、最も後方のラビリンス歯２０の下流部分３６から後方空洞４２への低圧流体の流れを可能にする１つ以上のポート１９を備える。一実施形態において、１つ以上のポート１９は、ラビリンス歯２０の背後から複数のベローズばね３８、４０またはひだと、ステータインターフェイス要素１４と、シュープレート１８とで形成された後方空洞４２への低圧流体の径方向の流れを可能にするように、斜めにされている。別の実施形態において、１つ以上のポート１９は、流体がラビリンス歯の背後からシュープレート１８の径方向上方に移動するときに流体に渦運動を生じさせる低圧流体の周方向の流れを可能にするように、斜めにされる。渦運動により、流体は、ロータの回転方向またはロータの回転方向とは反対の接線方向の速度を得る。さらに、シュープレート１８は、シュープレート１８の荷重支持面領域３２の両側に、軸方向に向けられた供給溝４４を備える。軸方向においてラビリンス歯２０の下流に位置するシュープレート１８の１つ以上のポート１９が、供給溝４４と協働して、ラビリンス歯２０の下流における低圧流体の存在を保証する。

さらに図示のとおり、シール装置セグメント１６は、外側層部分２８と内側層部分３０とを有する二次シール２６をさらに備えている。一実施形態において、内側層部分３０は、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素１４に溶接またはろう付けによって取り付けられる。二次シール２６の外側層部分２８は、隣接したシール装置セグメント１６の内側層部分３０の間のセグメントすき間に重なる突出部分を備えている。二次シール２６の外側層部分２８の詳細は、フィルム浮動シールアセンブリ１０の隣接するシール装置セグメント１６を示す図３にさらに示されている。

図３に示されるとおり、二次シール２６の外側層部分２８の一部分が、径方向外側の端部において、溶接またはろう付けによってステータインターフェイス要素または内側層部分３０に取り付けられる。外側層部分２８の残りの突出部分は、隣接したシール装置セグメント１６の内側層部分３０の間のセグメントすき間に重なる。外側層部分２８の突出部分は、１つのシール装置セグメント１６を過ぎて延びており、隣のシール装置セグメント１６の内側層部分３０に重なっている。さらに、外側層部分２８は、隣接するシール装置セグメント１６の内側層部分３０に重なって自由に摺動する。図３に示されるとおり、二次シール２６の内側層部分３０だけが、径方向内側においてシュープレート１８の高くされたノーズ４８に線接触するように構成されている。

さらに、図２および図３に示される実施形態において、ステータインターフェイス要素１４は、隣り合うシール装置セグメント１６のステータインターフェイス要素１４の間のセグメントすき間漏れを軽減すべくスプラインシールシムの配置を可能にするために、１つ以上の溝またはスロット５０を側面に備える。同様に、シュープレートも、隣り合うシール装置セグメント１６のシュープレート１８の間のセグメントすき間漏れを軽減すべくスプラインシールシムの配置を可能にするために、溝またはスロット５２を備えることができる。

図４は、本発明の実施形態によるシール装置セグメント１６の別の斜視図である。図示のとおりの一実施形態において、シュープレート１８は、１つ以上の軸方向リブ部分４６をさらに備える。１つ以上の軸方向リブ部分４６は回転機械の稼働時の空気力学的および空気静力学的荷重に対する、シュープレート１８の曲げ剛性を高めるために使用される。

図５は、本発明の実施形態によるシール装置セグメントの一部分の正面からの斜視図である。二次シール２６が、二次シール２６（図２、図３、および図４に示されている）の内側層部分３０（図２および図３に示されている）の径方向外側の端部がろう付けまたは溶接によって取り付けられるステータインターフェイス要素の平坦領域６０を説明する目的で、図示されていないことに注意すべきである。

図６は、本発明の別の実施形態によるシール装置セグメント１７の斜視図である。図示のとおり、シュープレート１８は、二次シール２６の内側層部分３０との接触のための高くされたノーズ部７２を有するＬ字形の構造物７０を備えている。Ｌ字形の構造物は、高圧側２２を低圧側２４から隔てるようにシュープレート１８の前端に向かって位置している１つ以上のラビリンス歯２０を備えている。この実施形態において、Ｌ字形の構造物は、最も後方のラビリンス歯２０の下流部分から後方空洞４２への低圧流体の流れを可能にするための１つ以上のポート７４を備える。

図７は、本発明のさらに別の実施形態によるシール装置セグメント２１の斜視図である。この実施形態において、シュープレート１８は、二次シール２６の内側層部分３０との接触のための高くされたノーズ部７３を有するＬ字形の構造物７１を備えている。Ｌ字形の構造物は、高圧側を低圧側から隔てるようにシュープレート１８の後端に向かって位置している１つ以上のラビリンス歯３１を備え、複数のベローズばね３８、４０またはひだと、ステータインターフェイス要素１４と、シュープレート１８とによって形成される前方空洞３３から最も前方のラビリンス歯３１の上流部分への高圧流体の流れを可能にするための１つ以上のポート２７をさらに備える。一実施形態において、１つ以上のポート２７は、前方空洞３３から最も前方のラビリンス歯３１の上流部分へと高圧流体の径方向の流れを可能にするように、斜めにされている。別の実施形態において、１つ以上のポート２７は、流体が前方空洞３３から最も前方のラビリンス歯３１の上流部分に移動するときに流体に渦運動を生じさせる高圧流体の周方向の流れを可能にするように、斜めにされる。

図８は、本発明の一実施形態によるシール装置セグメント２３の一部分を示している。外側層部分２８および内側層部分３０を有する二次シール２６が、回転機械の軸方向に垂直な方向に対して最適角度「α」を包含するように傾けられるように、ステータインターフェイス要素１４に取り付けられている。この最適角度「α」は、二次シール２６のうちの圧力が加わる部分の有効長の減少の場合に生じる接触力の減少を補償するために、ほぼ一定の大きさの接触力を得るために備えられている。

図９は、本発明の一実施形態によるシール装置セグメント２５の一部分を示している。図示のとおり、この実施形態において、二次シール２６は、外側層部分８０および内側層部分８２を備えており、内側層部分８２は、シュープレート１８の径方向の運動の際に線接触において二次シール２６とシュープレート１８の高くされたノーズ４８との間にほぼ一定の力を維持するための傾斜した外形を有している。

図１０は、本発明の実施形態によるシュープレート１８および二次シール２６に作用する種々の圧力による力を示すシール装置セグメント１６の側面図である。一例（ただし、これに限られるわけではない）において、シュープレート１８は、空気静力学的な動作の態様において流体膜上を浮動することができ、流体膜の厚さは、ロータとの初期シールアセンブリすき間に応じて、約３／１０００インチ〜５／１０００インチの範囲であってよい。空気静力学的な動作の態様において、シュープレート１８に作用する力は、二次シール２６からの接触力（二次シール２６には、加圧時に前方側への圧力による力Ｐ_highおよび後方側への圧力による力Ｐ_lowが作用する）に起因する軸方向の力Ｎと、二次シール２６からの接触力に起因する摩擦力μＮと、高くされたノーズ４８の上方および下方のそれぞれの圧力による力Ｐ_low、Ｐ_highが等しくないことに起因するシュープレート１８への小さな径方向の開き力と、シュープレート１８の径方向の垂直面への圧力が等しくないことで生じる軸方向の力である。荷重支持面領域３２が、圧力による力Ｐ_shoeに曝され、内側空洞側のシュー面が、圧力による力Ｐ_lowに曝されることに、注意すべきである。加圧時、回転がない場合、軸方向の圧力低下の大部分がラビリンス歯２０をまたいで生じるため、圧力Ｐ_shoeはＰ_lowにほぼ等しい。この空気静力学的な意味において、シュープレート１８は、本質的に、高くされたノーズ４８を横切る不釣り合いな径方向の力によって引き起こされるきわめて小さな開き力だけを残し、シューの長さの大部分において圧力が径方向において釣り合う。このような圧力が釣り合ったシールは、低圧および高圧の両方の用途において好都合であり、加圧によってシールに過度の開きおよび漏れが生じることがない。図６に示したとおりのシール装置セグメント１７が、シール装置セグメント１６に関して述べた力と同様のシュープレート１８および二次シール２６に作用する圧力による力を含むことができることに、注意すべきである。しかしながら、図７に示した実施形態２１について、上記の検討が、前方空洞３３における圧力による力がＰ_highであること、および圧力による力Ｐ_shoeがＰ_highにほぼ等しいことを除いて、同様に有効であることを、さらに注意すべきである。さらに、図２、図６、および図７に示したとおりのこれらの種々の実施形態において、モーメントの釣り合いは、後述される傾きゼロの設計にて対処され、ロータ速度の影響は、空気力学的な動作の態様において対処される。

図１０に示されるとおりのこの実施形態において、径方向外側の端部における二次シール２６とステータインターフェイス要素１４との間の接触の位置、径方向内側の端部における二次シール２６の内側層部分３０とシュープレート１８との間の接触の位置（すなわち、高くされたノーズの場所）、ならびに所定の位置における複数のベローズばね３８、４０またはひだのシュープレート１８およびステータインターフェイス要素１４への取り付け場所は、シュープレートの前後の傾きをゼロまたは小さくするために複数のベローズばねまたはひだに作用する有効軸方向力Ｆの作用の線の相対位置にもとづく。複数のベローズばねまたはひだに作用する有効軸方向力Ｆの作用の線の位置は、シューへのすべての印加力に起因して生じるモーメント（ベローズばね３８、４０またはひだがシュープレート１８につながるベローズばね３８、４０またはひだの軸方向における中央に位置する点を中心にして計算されるモーメント）の合計を、シュープレート１８に作用する総計の軸方向力によって除算したものと定義される。傾きがゼロであることで、回転機械の加圧の前、後、および最中にシュープレートがロータに平行な状態を保つことに、注意すべきである。このシュープレート１８の傾きゼロは、有効軸方向力Ｆの作用の線が、ベローズばね３８、４０またはひだの中央点（径方向）に作用する場合に達成される。この実施形態に示されるとおり、有効軸方向力Ｆの相対位置は、中間点Ｍであり、ここでＭは、複数のベローズばね３８、４０またはひだのシュープレート１８への取り付け点から複数のベローズばね３８、４０またはひだのステータインターフェイス要素１４への取り付け点まで径方向に測定される長さの半分である。製造時に、有効軸方向力Ｆの作用の線は、シュープレート１８の寸法（高くされたノーズ４８の厚さまたは位置あるいは高くされたノーズ４８の半径）、二次シール２６の寸法および材料特性（長さ、厚さ、傾き角／外形）、複数のベローズばねまたはひだの寸法および材料（径方向の高さ、厚さ）、ならびに二次シール２６およびシュープレート１８の摩擦特性のうちの１つ以上を調節することによって、中間点Ｍを通過するように保証される。シュープレート１８は、空気力学的な動作の態様において流体膜上を浮動することができ、流体膜の厚さは、ロータとの初期シールアセンブリすき間に応じて、約０．３／１０００インチ〜３／１０００インチの範囲であってよい。力の釣り合いおよび傾きゼロの空気静力学モードについての上記検討は、圧力Ｐ_shoeが後述されるシューの設計の特徴に起因して空気力学モードの場合に空気静力学モードと比べて異なる（より大きい）点を除き、空気力学モードにおいても同様に有効である。追加の圧力Ｐ_shoeは、ベローズばねまたはひだの圧縮に起因して引き起こされる径方向のばね力によって釣り合わせられる。

図１１は、本発明の実施形態によるシール装置セグメント１７の中心における断面図である。図示のとおり、シュープレート１８は、ロータ−シューのすき間への高圧流体の流れを可能にするための軸方向に配置された１つ以上の加圧ポート９０を備える。この高圧流体が、シュープレート１８を径方向外側に約１／１０００インチ〜２／１０００インチ移動させる小さな開き力を生じさせる。この初期の浮上または開きは、線対線（ｌｉｎｅ−ｏｎ−ｌｉｎｅ）でロータと組み立てられ、あるいは干渉を伴ってロータと組み立てられるシール装置セグメントにとって重要である。１つ以上の加圧ポート９０は、シール装置セグメント１７をロータにより近づけて組み立てるうえで好都合である。１つ以上の加圧ポート９０は、初期の回転の始動の段階において、空気力学的な力がシュープレート−ロータの接触を回避するために充分には大きくない場合に、ロータとシュープレートとの間に空気静力学的な圧力分布をもたらすことによってシュープレート１８をロータから離れるように浮上させることで、始動時のこすれの回避を助ける。ポート９０の軸方向における位置は、空気静力学的な圧力の分布によって、シューの前後の傾きを伴わない一様なシュープレートの浮上が生じるように、適切に選択される。別の実施形態においては、可撓管（図１１には示されていない）が、荷重支持面へと高圧流体を運ぶために適切に導かれる。管の可撓性は、管の接続によって引き起こされる追加の径方向の剛性を伴うことなくシュープレート１８の径方向の運動を可能にするように設計される。

図１２は、本発明の実施形態によるシールアセンブリ１０におけるシュー−ロータの湾曲を示している。シールアセンブリ１０は、空気力学的な動作モードでも動作する。ロータ−シュープレートのすき間が（例えば、すき間の変化を生じさせる熱的な過渡の事象の際に）減少し始める場合、薄い流体膜１００により、追加の圧力が形成され始める。この実施形態において、シュープレート１８の曲率半径は、ロータの半径よりも大きくなるように意図的に機械加工される。結果として、ロータ−シュープレートのすき間が小さく（典型的には、１／１０００インチ未満に）なるとき、流体膜１００は、回転の方向に単調に先細り、または先細り−末広がりのいずれかとなる。この流体くさびの形態の流体膜が、追加の圧力の高まりを生じさせる。薄膜の物理学は、流体力学ジャーナル軸受またはホイル軸受から充分に知られており、適切な流体モデルを使用してモデル化することができる。基本原理は、回転の方向において流体膜の厚さに負の勾配が存在すると、流体膜における圧力が、その境界圧力を上回って上昇するというものである。薄い流体膜によって引き起こされる追加の圧力が、ベローズばね３８、４０を圧縮し、シュープレート１８を径方向外側に移動させ、ロータ９２をシュープレート１８に接触しないように保つ。この意味で、ロータ９２の外方向への偏位が存在しても、各々のシール装置セグメント１６、１７、２３、２５のシュープレート１８によって追跡される。

図１３に示されるとおりの別の実施形態においては、薄い流体膜が、ロータに面する荷重支持面領域３２における溝１１０またはポケット（図１３には示されていない）の存在に起因して、追加の空気力学的な力を生じさせる。溝１１０またはポケットは、回転の方向において先細りの流体膜の形成を生じさせる一連のくさびの形態である。溝１１０またはポケットを、軸方向に対して斜めに整列させることができる。さらに別の実施形態において、荷重支持面領域３２は、空気力学的な力を生じさせるためのロータに面する１つ以上のレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）ステップを備える。

図１４は、本発明の実施形態によるロータ−ステータ間シールアセンブリ１２０を示している。一実施形態において、ロータ−ステータ間シールアセンブリ１２０は、ターボ機械の稼働時に空気力学的な力を生じさせるための杉綾模様（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｐａｔｔｅｒｎ）のスロット１２２をロータ９２の表面に備えている。ロータ９２の表面の杉綾模様は、回転の方向または回転の方向とは反対の方向であってよい。別の実施形態において、ロータ９２は、軸方向に配置され、あるいは軸方向−接線方向の組み合わせにて斜めに配置された溝またはポケットあるいはスロットを備える（斜めに配置された溝、ポケット、あるいはスロットは図１４には示されていない）。さらに、ロータ９２の表面のスロットまたは溝あるいはポケットは、回転の方向または回転の方向とは反対の方向に整列させられる。

図１５は、ラビリンス歯２０が荷重支持面３２から離れて径方向の高さ「ｈ」に位置しているシール装置セグメント１６の一部分の断面図を示している。これは、荷重支持部とロータとの間のすき間よりも大きいロータからのすき間にて動作するラビリンス歯２０をもたらす。この径方向のすき間の差が、双方向の傾きの補正の適応を可能にする。回転機械の稼働時に、荷重支持面領域３２は、軸方向に沿ってロータにほぼ平行に浮動するように意図される。しかしながら、組み立ての不釣り合いあるいは予期せぬ熱または圧力の荷重に起因して、荷重支持面領域３２は、荷重支持面領域３２の前縁または後縁のいずれかがロータにより近づくように傾く。後縁の方がロータにより近い場合、後縁とロータとの間の浮動のすき間が、前縁とロータとの間の浮動のすき間よりも小さい。これにより、シュープレート１８に後縁の付近においてより大きい空気力学的な力が生じ、シュープレートへの空気力学的なモーメントを補正する。この空気力学的なモーメントが、シュープレートが後縁においてロータにこすれることを防止する。他方で、荷重支持面領域３２が、前縁の方がロータにより近くなるように傾き、かつ寸法「ｈ」（上述のとおり）がゼロである場合、シュープレートの傾きの補正に必要な空気力学的なモーメントを生じさせるために利用できる領域が不充分であるため、ラビリンス歯２０がロータにこすれる可能性がある。しかしながら、ゼロではないすき間「ｈ」ゆえに、荷重支持面領域３２の前縁が、ラビリンス歯２０がロータにこすれるよりも前にロータと干渉することで、荷重支持部が必要な補正の空気力学的なモーメントを生じさせることを可能にする。

一例（ただし、これに限られるわけではない）においては、ベローズばね３８、４０および二次シール２６（図２に示されているとおり）の両方が、Ｉｎｃｏｎｅｌ Ｘ７５０またはＲｅｎｅ４１などの高温金属合金シムから形成される。一実施形態においては、ベローズばね３８、４０の両端が、機械加工または鋳造によるステータインターフェイス要素１４およびシュープレート１８にろう付けされる。別の実施形態においては、ベローズばねまたはひだが、ステータインターフェイス、ベローズまたはひだ、ならびにシューをただ１つの金属ブロックから機械加工することを可能にするＥＤＭ法を使用して機械加工される。一例（ただし、これに限られるわけではない）においては、シュープレート１８の荷重支持部３２を、主成分としてのクロムまたはニッケルあるいはモリブデンと硬い相および固体潤滑剤とで構成される潤滑および／または耐摩耗のコーティングで覆うことができる。別の例（ただし、これに限られるわけではない）においては、シュープレート１８の荷重支持面３２のコーティングが、コバルト主体の合金で構成される。そのようなコーティングは、シュープレート１８とロータとの間の意図せぬこすれに対処することができる。別の実施形態においては、シュープレート１８と干渉するロータ表面を、ロータの硬さ、耐食性、および良好な表面仕上げを維持する能力を改善するために、炭化クロムまたは炭化タングステンあるいは同様のコーティングで覆うことができる。

図１６は、シール装置セグメントの製造方法に含まれる工程を説明するフロー図２００である。工程２０２において、本方法は、回転機械において、ロータに面する１つ以上のラビリンス歯と、不動のハウジングとロータとの間に位置する荷重支持面領域とを備えるシュープレートを配置することを含む。シュープレートは、最も前方のラビリンス歯の上流部分への高圧流体および最も後方のラビリンス歯の下流部分への低圧流体を可能にするように構成され、シュープレートとロータとの間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成される。工程２０４において、本方法は、二次シールを、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触し、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触するように配置することをさらに含む。さらに、工程２０６において、本方法は、複数のベローズばねまたはひだを、シュープレートおよびステータインターフェイス要素に接続することを含む。本方法は、二次シールを、シュープレートの前後の傾きをゼロまたは小さくするために、複数のベローズばねまたはひだへの有効軸方向力の作用の線の相対位置にもとづく所定の位置にて、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素に接触させ、径方向内側の端部においてシュープレートの高くされたノーズに接触させることを含む。

さらに、本方法は、二次シールの内側層部分をステータインターフェイス要素に接続し、この内側層部分をシュープレートの高くされたノーズに接触させることをさらに含む。さらに、本方法は、隣り合うシール装置セグメントの内側層部分の間のセグメントすき間を、二次シールの外側層部分の突出部分と重ねることをさらに含む。

別の実施形態において、本方法は、シュープレートの荷重支持面領域を潤滑コーティングおよび／または耐摩耗コーティングで覆うことをさらに含む。一例（ただし、これに限られるわけではない）において、シュープレート１８の荷重支持面３２の耐摩耗および潤滑コーティングは、主成分としてのクロムまたはニッケルあるいはモリブデンと、硬い相および固体潤滑剤とで構成される。別の例（ただし、これに限られるわけではない）においては、シュープレート１８の荷重支持面３２のコーティングが、コバルト主体の合金で構成される。そのようなコーティングは、シュープレート１８とロータとの間の意図せぬこすれに対処することができる。さらに、別の実施形態において、本方法は、シュープレートと干渉するロータ表面を耐摩耗性のコーティング材料で覆うことを含む。一例（ただし、これに限られるわけではない）において、耐摩耗性のコーティング材料は、炭化クロムまたは炭化タングステンなどのグループから選択される。

好都合には、本発明の空気力学的シールアセンブリは、圧力低下および変動が大きい回転機械のいくつかの場所のための信頼できる丈夫なシールである。また、これらのシールアセンブリは、経済的に製造される。シールの非接触の動作が、これらのシールを、ロータの変動の大きい場所にとってとくに魅力的にする。さらに、本発明は、ばねの剛性および圧力に抵抗する能力の独立した制御を可能にすることで、大きな差圧に耐えることができる弾力的なシールの設計を可能にする。さらに、本発明は、シュープレートを空気静力学的な動作において軸方向に沿ってロータにほぼ平行に保ち、空気力学的な態様において軸方向に沿ってロータに対してほぼ平行に平行移動させることを可能にする。さらに、本発明は、径方向の運動の予測可能性の改善（漏れ性能およびロバスト性の予測可能性の向上）を含む。

さらに、当業者であれば、異なる実施形態からの種々の特徴の入れ換え可能性を認識できるであろう。同様に、当業者であれば、上述の方法の種々の工程および特徴ならびにそのような方法および特徴の各々についての他の公知の同等物を、混ぜ合わせて適合させることで、本発明の原理に従ったさらなるシステムおよび技術を構築することができる。当然ながら、個々の実施形態において上述のような目的および利点の必ずしもすべてが達成されなくてもよいことを、理解すべきである。すなわち、例えば、本明細書に教示される１つの利点または利点群を、本明細書において教示または示唆されうる他の目的または利点を必ずしも達成することなく達成または最適化するやり方で、本明細書に記載のシステムおよび技術を具現化または実行できることを、当業者であれば理解できるであろう。

本発明の特定の特徴だけを本明細書において図示および説明したが、当業者であれば、多数の改良および変更に想到できるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、そのようなすべての改良および変更を本発明の真の精神の範囲に包含されるものとして含むように意図されていることを、理解すべきである。

１０ フィルム浮動シールアセンブリ、シールアセンブリ
１２ 不動のハウジング
１４ ステータインターフェイス要素
１６ シール装置セグメント、二次シールセグメント
１７ シール装置セグメント
１８ シュープレート
１９ １つ以上のポート
２０ ラビリンス歯
２１ シール装置セグメント
２２ 高圧側、高圧領域
２３ シール装置セグメント
２４ 低圧側、低圧領域
２５ シール装置セグメント
２６ 二次シール
２７ １つ以上のポート
２８ 外側層部分
３０ 内側層部分
３１ ラビリンス歯
３２ 荷重支持部、荷重支持面、荷重支持面領域
３３ 前方空洞
３４ （ラビリンス歯の）上流部分
３６ （ラビリンス歯の）下流部分
３８ ベローズばね
４０ ベローズばね
４２ 後方空洞
４４ 供給溝
４６ １つ以上の軸方向リブ部分
４８ 高くされたノーズ
５０ 溝またはスロット
５２ 溝またはスロット
６０ 平坦領域
７０ Ｌ字形の構造物
７１ Ｌ字形の構造物
７２ 高くされたノーズ部
７３ 高くされたノーズ部
７４ １つ以上のポート
８０ 外側層部分
８２ 内側層部分
９０ 加圧ポート、ポート
９２ ロータ
１００ 流体膜
１１０ 溝
１２０ ロータ−ステータ間シールアセンブリ
１２２ 杉綾模様のスロット
２００ フロー図
２０２ 工程
２０４ 工程
２０６ 工程
Ｆ 有効軸方向力
Ｍ 中間点
Ｎ 力
Ｐｈｉｇｈ 力
Ｐｌｏｗ 力
Ｐｓｈｏｅ 力、圧力
μＮ 摩擦力

Claims (27)

1. 回転機械用のシールアセンブリ（１０）であって、
   不動のハウジング（１２）とロータ（９２）との中間に周状に配置された複数のシール装置セグメント（１６）を備えており、
   前記複数のシール装置セグメント（１６）の各々は、
   ステータインターフェイス要素（１４）と、
   前記ロータ（９２）に面する１つ以上のラビリンス歯（２０）と、荷重支持面領域（３２）とを備えており、最も前方のラビリンス歯（２０）の上流部分（３４）への高圧流体および最も後方のラビリンス歯（２０）の下流部分（３６）への低圧流体を可能にするように構成され、前記ロータ（９２）との間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成されたシュープレート（１８）と、
   径方向外側の端部において前記ステータインターフェイス要素（１４）に接触するように構成され、径方向内側の端部において前記シュープレート（１８）の高くされたノーズ（４８）に接触するように構成された二次シール（２６）と、
   前記シュープレート（１８）および前記ステータインターフェイス要素（１４）に取り付けられた複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと
   を備えているシールアセンブリ（１０）。
2. 前記シュープレート（１８）の前記荷重支持面領域（３２）は、前記ロータ（９２）に面する側に、空気力学的な力を発生させるための１つ以上の溝（１１０）またはポケットを備える請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
3. 前記シュープレート（１８）の前記荷重支持面領域（３２）は、前記ロータ（９２）の半径よりも大きい半径を有することで、空気力学的な力を発生させるために接線方向に先細りまたは先細り−末広がりの流体膜の形成をもたらす請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
4. 前記荷重支持面領域（３２）および前記ロータ（９２）は、互いに面する表面に耐摩耗性のコーティングまたは潤滑コーティングの層を備える請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
5. 前記シュープレート（１８）は、前記シュープレート（１８）の前端の方に配置されて前記回転機械において高圧側（２２）を低圧側（２４）から隔てる前記１つ以上のラビリンス歯（２０）と、最も後方のラビリンス歯（２０）の下流部分（３６）から前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと、前記ステータインターフェイス要素（１４）と、前記シュープレート（１８）とで形成される後方空洞（４２）への低圧流体の流れを可能にする１つ以上のポート（１９）とを備える請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
6. 前記１つ以上のポート（１９）は、前記最も後方のラビリンス歯（２０）の背後から前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと、前記ステータインターフェイス要素（１４）と、前記シュープレート（１８）とで形成される前記後方空洞（４２）への低圧流体の径方向の流れを可能にするように、斜めにされている請求項５に記載のシールアセンブリ（１０）。
7. 前記１つ以上のポート（１９）は、流体が前記最も後方のラビリンス歯（２０）の背後から前記シュープレート（１８）の径方向上方に移動するときに流体に渦運動を生じさせる低圧流体の周方向の流れを可能にするように、斜めにされている請求項５に記載のシールアセンブリ（１０）。
8. 前記シュープレート（１８）は、前記二次シールセグメント（１６）との接触のための高くされたノーズ部（７２）を有しているＬ字形の構造物（７０）を備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
9. 前記Ｌ字形の構造物（７０）は、前記シュープレート（１８）の前端の方に配置されて高圧側（２２）を低圧側（２４）から隔てる１つ以上のラビリンス歯（２０）と、最も後方のラビリンス歯（２０）の下流部分（３６）から前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと、前記ステータインターフェイス要素（１４）と、前記シュープレート（１８）とで形成される後方空洞（４２）への低圧流体の流れを可能にする１つ以上のポート（７４）とを備えている請求項８に記載のシールアセンブリ（１０）。
10. 前記Ｌ字形の構造物（７１）は、高圧側（２２）を低圧側（２４）から隔てるように前記シュープレート（１８）の後端の方に配置された１つ以上のラビリンス歯（３１）と、前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと、前記ステータインターフェイス要素（１４）と、前記シュープレート（１８）とによって形成される前方空洞（３３）から最も前方のラビリンス歯（３１）の上流部分（３４）への高圧流体の流れを可能にする１つ以上のポート（２７）とを備えている請求項８に記載のシールアセンブリ（１０）。
11. 前記シュープレート（１８）は、１つ以上の軸方向のリブ（４６）を備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
12. 前記シール装置セグメント（１６）の各々は、前記シュープレート（１８）の前記荷重支持面領域（３２）の両側に軸方向に向けられた供給溝（４４）を備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
13. 前記ロータ（９２）は、空気力学的な力を生じさせるための軸方向に傾けられ、あるいは軸方向および接線方向の組み合わせの方向に傾けられ、もしくは杉綾模様である溝またはスロット（１２２）あるいはポケットロータを備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
14. 前記ロータ（９２）の前記溝またはスロット（１２２）あるいはポケットもしくは前記杉綾模様は、回転の方向または回転の方向とは反対の方向に整列させられている請求項１３に記載のシールアセンブリ（１０）。
15. 荷重支持面領域（３２）すき間よりも大きいラビリンス歯（２０）すき間をさらに備える請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
16. 前記ステータインターフェイス要素（１４）は、隣り合うシール装置セグメント（１６）のステータインターフェイス要素（１４）の間のセグメントすき間漏れを軽減するためのスプラインシールシムの配置を可能にするための１つ以上の溝またはスロット（５０）を側面に備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
17. 前記シュープレート（１８）は、ロータ−シューのすき間への高圧流体の流れを可能にする軸方向に配置された１つ以上の加圧ポート（９０）を備える請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
18. 前記シュープレート（１８）は、隣り合うシール装置セグメント（１６）のシュープレートの間のセグメントすき間漏れを軽減するためのスプラインシールシムの配置を可能にするための溝またはスロット（５２）を備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
19. 径方向外側の端部における前記二次シール（２６）と前記ステータインターフェイス要素（１４）との間の接触の場所、径方向内側の端部における前記二次シール（２６）と前記シュープレート（１８）との間の接触の場所、ならびに前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだの前記シュープレート（１８）および前記ステータインターフェイス要素（１４）への取り付け場所は、前記シュープレート（１８）の前後の傾きをゼロまたは小さくするために有効軸方向力（Ｆ）の作用の線が前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだを前記ベローズばね（３８、４０）またはひだの径方向のおおむね中間において通過するように保証することにもとづく所定の位置にある請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
20. 前記複数のシール装置セグメント（１６）の各々の前記二次シール（２６）は、外側層部分（２８）および内側層部分（３０）を、前記二次シールセグメント（１６）の前記外側層部分（２８）の各々が隣り合う二次シールセグメント（１６）の内側層部分（３０）の間に形成されるシール装置セグメントすき間に重なるようにして備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
21. 前記二次シール（２６）は、前記二次シール（２６）の有効長の減少によって引き起こされる接触力の減少を補償すべくほぼ一定の大きさの接触力を達成するための最適角度を含むように回転機械の軸方向に垂直な方向に対して傾けられている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
22. 前記二次シール（２６）は、前記シュープレート（１８）の径方向の運動の際に線接触において前記二次シールセグメント（１６）と前記シュープレート（１８）との間に一定の力を維持するための斜めの外形を有する内側層部分（３０）を備えている請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
23. シール装置セグメント（１６）を製造する方法であって、
    ロータ（９２）に面する１つ以上のラビリンス歯（２０）と、荷重支持面領域（３２）とを備えており、最も前方のラビリンス歯（２０）の上流部分（３４）への高圧流体および最も後方のラビリンス歯（２０）の下流部分（３６）への低圧流体を可能にするように構成され、前記ロータ（９２）との間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成されたシュープレート（１８）を、回転機械の不動のハウジング（１２）とロータ（９２）との間に配置するステップと、
    二次シール（２６）を、径方向外側の端部においてステータインターフェイス要素（１４）に接触し、径方向内側の端部において前記シュープレート（１８）の高くされたノーズ（４８）に接触するように配置するステップと、
    複数のベローズばね（３８、４０）またはひだを、前記シュープレート（１８）および前記ステータインターフェイス要素（１４）に取り付けるステップと
    を含む方法。
24. 前記シュープレート（１８）の前後の傾きをゼロまたは小さくするために有効軸方向力（Ｆ）の作用の線が前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだを前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだの径方向のおおむね中間において通過するように保証することにもとづく所定の位置にて、前記二次シール（２６）を径方向外側の端部において前記ステータインターフェイス要素（１４）に接触させ、径方向内側の端部において前記シュープレート（１８）の前記高くされたノーズ（４８）に接触させるステップ
    をさらに含む請求項２３に記載の方法。
25. 前記二次シール（２６）の内側層部分（３０）を前記ステータインターフェイス要素（１４）に接触させるとともに、前記内側層部分（３０）を前記シュープレート（１８）の高くされたノーズ（４８）に接触させ、さらに隣り合うシール装置セグメント（１６）の前記内側層部分（３０）の間のセグメントすき間を前記二次シール（２６）の外側層部分（２８）の突出部分と重ねるステップ
    をさらに含む請求項２３に記載の方法。
26. ロータ（９２）と、
    不動のハウジング（１２）と、
    前記不動のハウジング（１２）とロータ（９２）との中間に周状に配置された複数のシール装置セグメント（１６）と
    を備えており、
    前記複数のシール装置セグメント（１６）の各々は、
    ステータインターフェイス要素（１４）と、
    前記ロータ（９２）に面する１つ以上のラビリンス歯（２０）と、荷重支持面領域（３２）とを備えており、最も前方のラビリンス歯（２０）の上流部分（３４）への高圧流体および最も後方のラビリンス歯（２０）の下流部分（３６）への低圧流体を可能にするように構成され、前記ロータ（９２）との間に空気力学的な力を生じさせるようにさらに構成されたシュープレート（１８）と、
    径方向外側の端部において前記ステータインターフェイス要素（１４）に接触するように構成され、径方向内側の端部において前記シュープレート（１８）の高くされたノーズ（４８）に接触するように構成された二次シール（２６）と、
    前記シュープレート（１８）および前記ステータインターフェイス要素（１４）に接続された複数のベローズばね（３８、４０）またはひだと
    を備えている回転機械。
27. 径方向外側の端部における前記二次シール（２６）と前記ステータインターフェイス要素（１４）との間の接触、径方向内側の端部における前記二次シール（２６）と前記シュープレート（１８）との間の接触、ならびに前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだの前記シュープレート（１８）および前記ステータインターフェイス要素（１４）への取り付けは、前記シュープレート（１８）の前後の傾きをゼロまたは小さくするために有効軸方向力（Ｆ）の作用の線が前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだを前記複数のベローズばね（３８、４０）またはひだの径方向のおおむね中間において通過するように保証することにもとづく所定の位置にある請求項２６に記載の回転機械。