JP2020045900A - ガスタービンエンジン用のシールアセンブリ、ガスタービンエンジン、およびシールアセンブリの作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン用のシールアセンブリを提供する。【解決手段】 ガスタービンエンジン用のシールアセンブリであって、炭素材料で形成されたシールと、シールに対して回転するように配置されたシールシートであって、シールおよびシールシートがそれぞれ一緒になって摺動シールを画定するシール面を有し、シールシートのシール面上に炭素膜をさらに有する、シールシートとを有したシールアセンブリ。【選択図】図４

Description

（関連出願の相互参照）
２０１８年９月１９日に出願された「ＳＥＡＬ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＦＯＲ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＥＮＧＩＮＥ」と題される米国特許出願第６２／７３３，５９２号の利益が主張されており、この米国特許出願の開示は、参照によってその全体が本明細書にそのまま明記されているかのように組み込まれる。

本開示は、シールアセンブリに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン用のベアリングシールに関する。

ガスタービンエンジンは、オイルの漏れを防ぐためにシールされる必要があるベアリングの固定構成要素内に取り付けられた回転要素を有する。このようなシールは、ベアリングシールまたはオイルシールとして知られている。そのような目的のためのシールの一形態は炭素シールであり、この場合は、炭素材料シールが回転要素の周りにまたは回転要素に対して密接に配置される。このようなシールは、最初に作動したときに、炭素シールからシールアセンブリの回転要素またはシートに炭素が移動して、シート上に炭素の膜を形成する。この膜は、許容可能な低摩擦係数で動作している間に、シールとシートとの間のオイルの漏れが防止されるように、シールとの摩擦係数を低くすることが意図されている。

膜が形成されるこの動作期間は、シールの慣らし段階と呼ばれる。慣らし中に過度の摩擦が発生することがあり、結果として、シールのパーツが過度に摩耗し、シールまたはシートの位置で過度の熱が起こり得るなどの問題を招く。この問題は、高速でかつ比較的低い圧力で動作するシールでは一層深刻であり、摩擦によりすでに高い温度をさらに増加させるおそれがある。本開示は、この問題に対処するものである。

本開示においては、炭素材料を含むシールと、シールに対して回転するように配置されたシールシートであって、シールおよびシールシートがそれぞれ一緒になって摺動シールを画定するシール面を有し、シールシートのシール面上に炭素膜をさらに含む、シールシートとを備えた、ガスタービンエンジン用のシールアセンブリが提供される。

本開示のさらなる非限定的な態様によれば、炭素膜が、ｓｐ２含有量およびｓｐ３含有量を有するＤＬＣ膜を含み、ｓｐ２含有量がｓｐ３含有量よりも大きい。

本開示の別の非限定的な態様では、膜は、１００〜２００ｎｍの厚さを有する。

本開示のさらなる非限定的な態様では、炭素膜に、耐摩耗性を高めるための炭化物形成金属がドープされる。

本開示のさらにさらなる非限定的な態様では、炭化物形成金属は、タングステン、シリコン、クロム、モリブデン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。

本開示の別の非限定的な態様では、炭化物形成金属は、タングステン、シリコン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。

本開示のさらなる非限定的な態様では、シールはエレクトログラファイト級の炭素を含む。

本開示のさらにさらなる非限定的な態様では、シールのシール面とシールシートのシール面とが、０．１未満の摩擦係数を有する。

別の構成では、回転性要素および固定されたシール保持具と、請求項１に記載のシールアセンブリであって、シールがシール保持具によって保持され、シールシートが回転性要素上に取り付けられている、シールアセンブリとを備えたガスタービンエンジンもまた提供される。

別の非限定的な構成において、シールアセンブリを作成する方法は、シールシートに対してシールを配置することであって、シールが炭素材料を含み、シールシートが、シールに対して回転するように配置され、シールとシールシートとがそれぞれ、一緒になって摺動シールを画定するシール面を有する、配置すること、およびシールシートのシール面上に炭素膜を堆積することのステップを含む。

さらなる非限定的な実施形態では、配置することのステップの前に堆積することのステップが実行される。

さらにさらなる非限定的な実施形態では、本方法は、シールに対してシールシートを回転させるステップをさらに含み、それによって、シールからシールシート上に炭素転写膜が炭素膜を覆って堆積される。

別の非限定的な実施形態では、炭素膜が、物理的気相成長によってシールシートのシール面に被着される。

シールアセンブリの他の詳細は、以下の詳細な説明および添付の図面に明記され、図面中、同様の参照番号は同様の要素を示している。

ガスタービンエンジンの一部の簡略化された断面図である。 ガスタービンエンジン用の従来技術のシールアセンブリの簡略化された断面図である。 慣らし運転およびその後の定常状態運転を通じて、図２のシールアセンブリについて摩擦係数を示す図である。 本明細書に開示されるガスタービンエンジン用のシールアセンブリの簡略化された断面図である。 慣らし運転およびその後の定常状態運転を通じて、図４のシールについて摩擦係数を示す図である。

本開示は、ガスタービンエンジン用のシールアセンブリに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンのオイルシール用の炭素シールアセンブリに関する。

図１は、ガスタービンエンジンの一部の断面図であり、そのようなエンジンの典型的な構成要素を示す。本開示の関心の対象となるのは、エンジンの様々な作動している構成要素が結合される回転シャフト１０と、構造１０と連携して所望の機能を実行する固定構造１２、１４、１６、１８とである。エンジンの他の特徴については、本開示に関連する特徴に注目させるために、図１の図から取り除かれているか、または簡単な略図に要約されている。

このような設定では、図１は、前部シールアセンブリ２０および後部シールアセンブリ２２を示し、これらのそれぞれが、シールを通るオイルの漏れまたは流れを防止し、それによって、ガスタービンエンジン内の、例えば、シーリングアセンブリ２０、２２の間に画定されたベアリングコンパートメント内の、希望されかつ必要とされる場所にオイルを維持する働きをする。

シールアセンブリ２０は、前部シールシート２４および炭素シール２６によって画定される。炭素シール２６は、回転要素１０およびシールシート２４に対して静止したままである。図１に示すように、これらの構成要素の各々はシール面２８、３０を有し、これらが一緒になってシールを画定する。これらの面２８、３０は互いに対して摺動し、これらの面を通るオイルの漏れを防ぐ。同様に、シールアセンブリ２２は、後部シールシート３２および炭素シールアセンブリ３４によって画定され、これらの各々は、これらの表面を通るオイルの漏れを防ぐためのシールを一緒になって画定するシール面３６、３８を有する。

図２は、面３６、３８を含む炭素シール３４およびシールシート３２の部分を示す。図示のように、炭素シール３４は未処理のシールシート３６に隣接して配置され、このシールアセンブリの初期動作は、図３に示すように、面の間の摩擦係数が相対的に高く始まり、徐々に減少する慣らし段階をもたらす。図２の右側部分に示す画像は、慣らし段階後のシールアセンブリ２２を示す。この段階で、薄い転写膜４０が炭素シール３４からシールシート３２のシール面３６に転写されている。この膜４０が面３６に転写されてしまえば、シールアセンブリ２２は、シールアセンブリの残りの寿命の間は、定常状態条件で動作する。図３は、慣らし段階中に存在していたよりも相対的に低い摩擦係数を有したシールアセンブリの動作のこの部分を示す。

図２は、炭素シール３４に設けることができる膜コントローラ４２を有した炭素シール３４を示す。これらの膜コントローラ４２は、転写膜４０の厚さの過剰な堆積を防止し、それによって、一方の側の炭素シール３４と他方の転写膜４０とによって画定される所望の炭素−炭素摺動面を維持する働きをする。

図４および図５は共に本開示のシールアセンブリを示し、炭素膜４４は最初にシールシート３２のシール面３６に塗布される。この炭素膜は、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）薄膜の形態で設けることができ、この膜は、シールアセンブリのいずれかの動作の前に、シールシート３２に塗布される。したがって、シールアセンブリの初期動作中に、炭素シール３４は膜４４に対して摺動し、したがって、慣らし段階なしに、動作の開始から炭素−炭素摺動面を有する。このことは図５に示しており、定常状態の動作は、有意な慣らし段階なしで、実質的に即座に開始し、定常状態での摩擦係数は、図３に示すものと比較して相対的に低い。図４に示すシールアセンブリを有したガスタービンエンジンの運転中に、転写膜は、炭素シール３４からＤＬＣ薄膜４４を覆って最終的にさらに堆積され、この転写膜の厚さはまた、例えば、膜コントローラ４２によって制御される。この膜コントローラ４２は、本開示のこの態様に従って、炭素シール３４内に存在させることができる。

炭素シール３４は、エレクトログラファイト級の炭素であるＦＴ２６５０などの好適なエレクトロ炭素から提供され得る。シールシートは、典型的には、炭化クロム被覆された対向面またはシールシートを有する構造を含むが、これに限定されない、多種多様な材料から提供され得る。

膜４４は、上記で指定したように、ｓｐ２およびｓｐ３の含有量を有するＤＬＣ材料から形成されたＤＬＣ薄膜であってもよく、ｓｐ２含有量はｓｐ３含有量よりも大きい。ｓｐ２含有量は材料のグラファイト含有量を示し、一方ｓｐ３含有量は材料のダイヤモンド様含有量を示す。１つの非限定的な構成では、膜材料のｓｐ２含有量はｓｐ３含有量よりも大きい。ＤＬＣ材料を特徴付けるための別の態様は、マイクロラマンと呼ばれる。マイクロラマンは「Ｇ」ピークおよび「Ｄ」ピークを提供し、これらはそれぞれ無秩序およびグラファイトを指す。本開示で使用するＤＬＣ膜は、マイクロラマン分析に基づいて、＜１．０または＝１．０のＩ（Ｄ）／Ｉ（Ｇ）ピーク比を有し得る。

別の非限定的な構成では、ＤＬＣ膜に炭化物形成金属をドープして、膜の耐摩耗性を改善することができる。このような炭化物形成金属は、タングステンもしくはシリコンまたはこれらの組み合わせを含み得、これらの金属は、耐摩耗性を向上させる炭化物を膜中に形成するのに役立つ。場合によっては、炭化物形成金属は、同様にまたは加えて、炭化物の形成をやはり支援し得るクロムもしくはモリブデンまたはこれらの組み合わせであってもよい。

再び図１を参照すると、シール２６、３４は、構造１２、１８などのいずれかの好適な構造またはシール保持具に固定することによって、ガスタービンエンジンに取り付けることができることを理解されたい。さらに、シールシート２４、３６は、回転性要素１０が回転したときに、シール面２８、３０、および３６、３８がそれぞれ互いに近接して摺動するように、回転部材１０に適切に取り付けることができる。

ＤＬＣ膜４４は、物理的気相成長（ＰＶＤ）により、シールシートに適切に塗布することが好ましく、１００〜２００ｎｍの厚さを適切に有することが好ましい。膜４４を被着する他の方法は、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）などを、本開示の広い範囲内で利用することができる。

ＤＬＣ膜４４は、シールアセンブリがガスタービンエンジンに組み込まれる前に、シールシートに適切に被着され得る。このようにして、シールアセンブリが運転を開始されるときに、膜４４は既に所定の位置にあり、図３および図５に比較して示すように、慣らし段階が短く、それほど過酷ではない。

図４および図５の図は、後部シールアセンブリに関して提示されていることを理解されたい。前部シールアセンブリのための同じ構成要素の図は、構造は同じであるが左から右へと反転するため、本明細書では提供されない。

本開示によるＤＬＣ薄膜４４（図４）の事前被着は、例えば、２００〜３５０°Ｆの間で、高い摺動速度の下に、効果的に動作し得る、低摩擦および耐摩耗性の炭素ベースのシール界面を生じさせることを理解されたい。このことは、摩擦係数が低下し、慣らし段階が改善されることによって、表面下の加熱（例えば摩擦加熱に起因した加熱）を減少させることができ、結果としてシールシステムの長期的な耐摩耗性を改善する。

上記のＤＬＣ膜などの炭素膜をシールシートに被着すると、動作開始時から低摩擦の炭素−炭素界面が形成され、したがって非常に短い慣らし段階を生じさせる。初期動作の間中に、シールシート上に、特にＤＬＣ膜を覆って転写された膜は依然として形成されており、この構成はシールの定常状態の動作を通して維持される。

本明細書に開示されるシールアセンブリによって生じる低摩擦および耐摩耗性は、例えばガスタービンエンジンのベアリングシール、および他の場所でも同様に有用であり得、エンジン構成要素の耐久寿命を大幅に延ばし得ることを理解されたい。さらに、本明細書に開示されるシールアセンブリの利用は、摩耗および熱損傷が原因で早くに取り除かれるパーツの数を減らすことによって、全体的なコストを大幅に削減することができる。

初期にＤＬＣ膜が被着されないシールアセンブリと比較して、慣らし段階の長さとシール構成要素への影響とが低減されるとともに、シールアセンブリの定常状態性能が改善されるシールアセンブリおよび方法が提供されている。シールアセンブリは、その特定の実施形態との関連で説明されたが、上記の説明を読んだ当業者にとっては、他の予期しない代替、修正、および変形が明らかになる可能性がある。したがって、添付の特許請求の範囲の広い範囲に入るそれらの代替、修正、および変形を包含することが意図されている。

Claims (13)

1. ガスタービンエンジン用のシールアセンブリであって、
   炭素材料を含むシールと、
   前記シールに対して回転するように配置されたシールシートであって、前記シールおよび前記シールシートがそれぞれ一緒になって摺動シールを画定するシール面を有し、前記シールシートの前記シール面に炭素膜をさらに含む、シールシートと、
   を備えた、シールアセンブリ。
2. 前記炭素膜が、ｓｐ２含有量およびｓｐ３含有量を有するＤＬＣ膜を含み、前記ｓｐ２含有量が前記ｓｐ３含有量よりも大きい、請求項１に記載のシールアセンブリ。
3. 前記炭素膜が１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する、請求項２に記載のシールアセンブリ。
4. 前記炭素膜に、耐摩耗性を高める炭化物形成金属がドープされた、請求項１に記載のシールアセンブリ。
5. 前記炭化物形成金属が、タングステン、シリコン、クロム、モリブデン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項４に記載のシールアセンブリ。
6. 前記炭化物形成金属が、タングステン、シリコン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項４に記載のシールアセンブリ。
7. 前記シールがエレクトログラファイト級の炭素を含む、請求項１に記載のシールアセンブリ。
8. 前記シールの前記シール面と前記シールシートの前記シール面とが、０．１未満の摩擦係数を有する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
9. 回転性要素および固定されたシール保持具と、
   請求項１に記載のシールアセンブリであって、前記シールが前記シール保持具によって保持され、前記シールシートが前記回転性要素に取り付けられている、シールアセンブリと、
   を備えた、ガスタービンエンジン。
10. シールアセンブリの作成方法であって、
    シールシートに対してシールを配置することであって、前記シールが炭素材料を含み、前記シールシートが、前記シールに対して回転するように配置され、前記シールと前記シールシートとがそれぞれ、一緒になって摺動シールを画定するシール面を有する、シールを配置することと、
    前記シールシートの前記シール面に炭素膜を堆積することと、
    のステップを含む、方法。
11. 前記配置するステップの前に前記堆積するステップが実行される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記シールに対して前記シールシートを回転させるステップをさらに含み、それにより前記シールから前記シールシートに炭素転写膜が前記炭素膜を覆って堆積される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記炭素膜が、物理的気相成長によって前記シールシートの前記シール面に被着される、請求項１０に記載の方法。

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