JP2016537590A - アブレイダブルシールおよびシール構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に磁気軸受式ロータ（２）のためのアブレイダブルシール（１）に関する。アブレイダブルシール（１）はシール外殻部（３）を含んでおり、前記シール外殻部（３）は前記ロータ（２）を受容するための楕円形の開口部を有している。本発明はまた、このようなアブレイダブルシール（１）を有するシール構造体に関する。

Description

本発明は独立請求項１のおいて書き部に記載のアブレイダブルシールと、独立請求項４のおいて書き部に記載のシール構造体に関する。

流体機関において効率を向上させるために、回転式部材と固定式部材の間の半径方向隙間はできる限り小さく保持されなければならず、それにより流体機関内部の流れ損失を最小化する。半径方向隙間を密封するために、多くの場合、いわゆるアブレイダブルシールが用いられる。アブレイダブルシールは当該アブレイダブルシールの内側に、剥離可能な、ならし運転層を有している。ならし運転層はアブレイダブルシールのシールストリップにおいて、ロータもしくはタービン翼の先端が擦られること、およびならし運転を行うことを可能にし、その際、回転式部材において損傷が生じることはない。

古典的なならし運転層としてすでに長く知られているハニカムシールは、蜂巣状の構造を有しており、当該蜂巣状の構造は擦られる際に部分的に軟化し、部分的に剥離され得、それにより回転式部材と固定式部材の間の最小間隙が成立する。

新式のならし運転層は、発泡金属合金の形の多孔性材料から形成されている。このようなアブレイダブルシールは例えば特許文献１に開示されている。

アブレイダブルシールの選択にあたっては、好適なならし運転層の選択のほかに、取り分けアブレイダブルシールの正しい内径に留意すべきである。このとき内径は回転式部材の直径から得られる一方、回転式部材が行う、当該回転式部材の軸方向中心位置からの半径方向の変位から得られる。小さすぎる内径が選択されると、流体機関の作動中の比較的大きな半径方向の変位の際、流体機関のロータあるいは翼先端がアブレイダブルシールを強く擦りすぎることがあり、それによりアブレイダブルシールが破壊される恐れがある。予想される半径方向の変位が大きいほど、内径およびそれとともに回転式部材と固定式部材の間の半径方向隙間は大きく選択されなければならない。

電磁的に支承されるロータの場合、構造形式上、非常に大きな半径方向の変位が生じる。無電流状態において、ロータは通常いわゆるタッチダウン軸受に設けられており、当該タッチダウン軸受は、ロータの落下の際には当該ロータを捕捉することも行う。電流が供給された状態で、ロータは磁気軸受によって概ね垂直に持ち上げられ、この位置で保持される。シールの内径を選択する際、垂直方向の変位が考慮されなければならない。垂直方向の変位が大きいために内径が大きくなり、それにより半径方向隙間が大きくなり、それにより効率損失が大きくなる。

欧州特許出願公開第１０１３８９０号明細書

上記の問題に鑑み、本発明は流体機関に用いられる際に効率を増大させることを可能にするアブレイダブルシールを形成することを課題とする。本発明はまた、このようなアブレイダブルシールを備えるシール構造体を提供することを課題とする。

前記の課題は、アブレイダブルシールについては独立請求項１の特徴によって解決され、シール構造体については独立請求項４の特徴によって解決される。

個々に、または互いに組み合わせて用いることができる本発明のさらなる構成は、従属請求項の対象である。

特に磁気軸受式のロータのための本発明に係るアブレイダブルシールであって、シール外殻部を含むアブレイダブルシールは、当該シール外殻部がロータを受容するための楕円形の開口部を有していることを特徴とする。

シール外殻部の楕円形の開口部によって、ロータと固定式ハウジングの間の半径方向隙間は特に、ロータの変位が概ね、例えば磁気軸受式のロータの場合に見られるような方向において生じる場合、最小化され得る。アブレイダブルシールはその場合、当該アブレイダブルシールの長手方向の延在がロータの主たる変位の方向と概ね一致するように配向され得る。これにより半径方向隙間は、主たる変位に対して横方向に最小化され得る。このように開口部を楕円形に形成することは、長手方向においてロータの大きな変位を許容するとともに、横方向において半径方向隙間が小さくなるようにする。

アブレイダブルシールのシール外殻部はこのとき、シール外殻部のならし運転層ゆえに、当該シール外殻部においてロータもしくはタービン翼が軽く擦れることと、ならし運転を行うこととを可能にし、それにより半径方向隙間をさらに低減することができる。

本発明の一の構成では、シール外殻部が分割式に形成されている。シール外殻部の分割式の形成は、アブレイダブルシールのより簡単な取り付けを可能にする。

本発明のさらなる有利な構成では、アブレイダブルシールがラビリンス式アブレイダブルシールとして形成されている。ラビリンスシールは流れ方向に対して横方向に、かつ互いに距離を有して設けられている、周回する複数のシールストリップを有しており、当該シールストリップはアブレイダブルシールのシール効果を向上させることができる。

請求項１から３のいずれか一項に記載の少なくとも一つのアブレイダブルシールを含む本発明に係るシール構造体であって、ロータとハウジングの間の間隙を密封するためのシール構造体であり、前記ロータは能動型磁気軸受に支承され、前記ロータの故障時または静止時に当該ロータの支承を担うタッチダウン軸受が設けられているシール構造体は、前記アブレイダブルシールの配置が、当該アブレイダブルシールの長手軸線Ｌが概ね垂直に向けられているように行われることを特徴とする。アブレイダブルシールの長手軸線が垂直に向けられていることによって、ロータを持ち上げる際、もしくはロータをタッチダウン軸受内に下ろす際、当該ロータもしくは翼の先端が、アブレイダブルシールのシール外殻部と強く接触しすぎないことが保証される。ロータもしくは翼の先端が、アブレイダブルシールのシール外殻部と強く接触しすぎると、シール外殻部の損傷を招きかねない。同時にシール外殻部の楕円形の形により、横方向において非常に狭いシール間隙が実現され、それによりシール間隙を最適に密封することができ、それとともにアブレイダブルシールの効率が向上する。

このようにシール外殻部を楕円形に形成することにより、特に例えば磁気軸受式ロータにおいて見られるように、主たる方向において大きな変位を有するロータにおいて、アブレイダブルシールの効率を向上させることが実現される。

本発明の実施の形態を図１に基づいて以下に説明する。

本発明に係るアブレイダブルシールを有する、本発明に係るシール構造体を半径方向断面において示す図である。

図１は本発明に係るアブレイダブルシールを有する、本発明に係るシール構造体を半径方向断面において示している。このとき本図はシール構造体の概略的かつ非常に簡略化された表示を行っているのみであり、当該表示においては、本発明の主要な構成部材のみが示されている。

図１はシール構造体を示しており、当該シール構造体は少なくとも一つのアブレイダブルシール１を含み、当該アブレイダブルシールはハウジング４に設けられている。アブレイダブルシール１はロータ２とハウジング４の間の半径方向隙間を密閉するために役立つ。シール外殻部３は垂直方向に分割されて形成されている（３．１；３．２）。シール外殻部３の内側はならし運転被膜５を有しており、当該ならし運転被膜においてロータは擦られ得、もしくはならし運転を行い得る。ロータ２は図示されない能動型磁気軸受に支承され、タッチダウン軸受が備えられ、当該タッチダウン軸受はロータ２の落下時、または静止時にロータ２の支承を担う。無電流状態において、ロータ２は当該ロータの下端位置Ａにある。当該下端位置Ａにおいて、ロータ２はならし運転被膜５と接触し得、軸受はならし運転被膜５において、軽く擦ることだけが行われるように向けられており、それによりロータ２が下ろされることによってならし運転被膜５が破壊されることはない。作動時にロータ２は能動型磁気軸受によって上端位置Ｂに持ち上げられる。アブレイダブルシール１は、当該アブレイダブルシール１においてロータ２が強く擦られすぎることなく、アブレイダブルシールが当該ロータ２の下端位置Ａから上端位置Ｂへの軸線方向における最大変位を可能にするように形成され、かつ配置されている。アブレイダブルシールにおいてロータが強く擦られすぎると、アブレイダブルシール１の破壊を生じさせかねない。このためにアブレイダブルシール１は、当該アブレイダブルシールの長手軸線Ｌが概ね垂直に向けられているように配置されている。ロータ２を持ち上げる際、および故障時にロータが落下する際、ロータ２の概ね垂直な変位が生じるからである。このときアブレイダブルシール１を楕円形に形成することにより同時に、横方向において狭い半径方向隙間が実現され、これにより全体として最適化されたシール隙間が得られ、それとともに効率が向上される。

このとき取り付け上の理由から、まず垂直なシール外殻部３．１が水平方向にハウジング４に挿入され、その後ロータ２がシール外殻部３．１内に下ろされ、第二のシール外殻部３．２が載置され、続いて垂直なシール外殻部３．１；３．２が９０°回転されることが有意義である。

本発明に係るアブレイダブルシールおよび本発明に係るシール構造体は、実施の形態において説明されているようにロータとハウジングの間のシール隙間を密閉することだけでなく、タービン翼の先端とハウジングの間の隙間を密封することにも適している。本発明に係るアブレイダブルシールおよび本発明に係るシール構造体は、ロータが主たる方向において比較的大きく変位するのに対し、その他の方向においては小さく変位するというものならどこでも用いることができる。この場合、アブレイダブルシールの楕円形の形成により、回転式部材とハウジングの間の半径方向隙間は最小化され得、それとともに効率は最適化され得る。

１ アブレイダブルシール
２ ロータ
３．１ シール外殻部
３．２ シール外殻部
４ ハウジング
５ ならし運転被膜
Ａ 下端位置
Ｂ 上端位置
Ｌ アブレイダブルシールの長手軸線

Claims (4)

1. 特に磁気軸受式のロータ（２）のためのアブレイダブルシール（１）であって、シール外殻部（３）を含むアブレイダブルシールにおいて、
   前記シール外殻部（３）は、前記ロータ（２）を受容するための楕円形の開口部を有していることを特徴とするアブレイダブルシール（１）。
2. 前記シール外殻部（３）は、分割式に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール（１）。
3. 前記アブレイダブルシール（１）は、ラビリンス式アブレイダブルシールとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアブレイダブルシール（１）。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の少なくとも一つのアブレイダブルシール（１）を含むシール構造体であって、ロータ（２）とハウジング（４）の間の間隙を密封するためのシール構造体であり、前記ロータ（２）は能動型磁気軸受に支承され、前記ロータ（２）の故障時または静止時に当該ロータ（２）の支承を担うタッチダウン軸受が設けられているシール構造体において、
   前記アブレイダブルシール（１）は、当該アブレイダブルシールの長手軸線（Ｌ）が概ね垂直に向けられているように設けられていることを特徴とするシール構造体。

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