JP3974571B2 - Seal assembly for rotating machinery - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンエンジンなどの回転機械で使用されるシールアセンブリに関する。   The present invention relates to a seal assembly for use in a rotating machine such as a gas turbine engine.

本発明は、2つの同心軸の間の環状部を封止するために検討されている最新の設計における重要な問題点を扱うものであり、このような環状部では、固定された取付箇所がないためにシール要素の回転が要求される。従来の封止法は、ピストンリングなどの中実の二次シールを使用する。シール要素が固定されていない軸の間の用途では、中実の二次シールが受ける慣性力によって二次シールとその支持要素との間に高い摩擦力が生じ、これにより、軸方向の移動が妨げられるか、または少なくとも望ましくない摩耗が生じてしまう。   The present invention addresses an important issue in modern designs that are being considered to seal an annulus between two concentric shafts, where a fixed mounting location is present. Therefore, rotation of the sealing element is required. Conventional sealing methods use a solid secondary seal such as a piston ring. In applications between shafts where the sealing element is not fixed, the inertial force experienced by a solid secondary seal creates a high frictional force between the secondary seal and its support element, which reduces axial movement. It is disturbed or at least undesired wear occurs.

従って、本発明の目的は、回転機械で使用されるシールアセンブリを提供することである。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a seal assembly for use with a rotating machine.

本発明の他の目的は、同じ方向または反対方向に回転する2つの同心軸の間に形成される環状部を封止することができるシールアセンブリを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a seal assembly that can seal an annulus formed between two concentric shafts that rotate in the same or opposite directions.

本発明のまた他の目的は、1つの軸と固定子とを封止するために適用可能なシールアセンブリを提供することである。   It is still another object of the present invention to provide a seal assembly that can be applied to seal one shaft and a stator.

これらの目的は、本発明のシールアセンブリによって達成される。   These objects are achieved by the seal assembly of the present invention.

本発明によると、回転機械で使用されるシールアセンブリが提供される。このシールアセンブリは、第1の要素と、取付要素によって第1の要素に取り付けられたシールキャリアと、第1の要素から離間された第2の要素と、第2の要素上に配置されたシール走行要素と、取付要素を通して高圧供給源から低圧室へとガスが漏れるのを防止する液圧シール手段と、を有する。   In accordance with the present invention, a seal assembly for use in a rotating machine is provided. The seal assembly includes a first element, a seal carrier attached to the first element by an attachment element, a second element spaced from the first element, and a seal disposed on the second element. A running element and hydraulic sealing means for preventing gas from leaking from the high pressure supply to the low pressure chamber through the mounting element.

本発明のシャフトシールの他の詳細、目的、および付随する利点は、以下の最良の形態および添付図面に示されている。   Other details, objects and attendant advantages of the shaft seal of the present invention are illustrated in the following best mode and accompanying drawings.

図には、高圧供給源12からガスタービンエンジンのベアリング室などの低圧室14へのガスの漏れを減少させる回転機械用のシールアセンブリ10が示されている。本発明のシールアセンブリ10は、同じ方向または反対方向に回転する2つの同心軸の間に形成される環状部に適用可能である。また、本発明のシールアセンブリは、1つの軸と固定子とを封止するためにも有用である。   Shown is a seal assembly 10 for a rotating machine that reduces gas leakage from a high pressure source 12 to a low pressure chamber 14, such as a bearing chamber of a gas turbine engine. The seal assembly 10 of the present invention is applicable to an annulus formed between two concentric shafts that rotate in the same or opposite directions. The seal assembly of the present invention is also useful for sealing one shaft and the stator.

シールアセンブリ10は、シール走行要素20とシールキャリア26とを含む。シールキャリア26は、第1の要素28と共に回転するとともに、柔軟性のある取付部30によって第1の要素28に柔軟に取り付けられている。第1の要素28は、2つの同心軸のうちの内側の軸でありうる。柔軟性のある取付部30は、当該技術で周知の適切な柔軟性のある取付部とすることができる。シールキャリア26は、第1の要素28に対して軸方向に移動可能となるように取り付けられている。シール走行要素20は、軸方向に面するとともに第2の要素24に取り付けられているかまたは第2の要素24に設けられた一次シール面22を有している。第2の要素24は、2つの同心軸のうちの外側の軸または固定要素でありうる。所望であれば、シール走行要素20は、第2の要素24と一体に形成することができる。一次シール面22は、シール走行要素20とシールキャリア26とが近接もしくは接触していることを要する。一次シール面22は、高回転滑りに耐性があることが好ましく、シールキャリア26と一次シール面22とを分離する流体力学的な力を発生させるリフト形状(lift geometry)を含みうる。   The seal assembly 10 includes a seal travel element 20 and a seal carrier 26. The seal carrier 26 rotates with the first element 28 and is flexibly attached to the first element 28 by a flexible attachment 30. The first element 28 can be the inner axis of the two concentric axes. The flexible attachment portion 30 can be any suitable flexible attachment portion known in the art. The seal carrier 26 is attached so as to be movable in the axial direction with respect to the first element 28. The seal travel element 20 has a primary seal surface 22 facing in the axial direction and attached to the second element 24 or provided on the second element 24. The second element 24 can be the outer axis of the two concentric axes or a fixed element. If desired, the seal travel element 20 can be integrally formed with the second element 24. The primary seal surface 22 requires that the seal travel element 20 and the seal carrier 26 are in close proximity or in contact. The primary seal surface 22 is preferably resistant to high rotational slip and may include a lift geometry that generates a hydrodynamic force that separates the seal carrier 26 and the primary seal surface 22.

柔軟性のある取付部30を通るガスの漏れは、液圧シール32によって防止されており、この液圧シール32は、液体34の慣性を利用する。液圧シール32は、シールキャリア26、バックプレート36、およびL字型フィン38によって構成される。液体は、第1の要素28に設けられた1つまたはそれ以上の供給穴40を通して液圧シール32に供給される。供給源12内の圧力Phが室14内の圧力PLよりも大きい場合には、フィン38の上流の液体面42は、下流の液体面44よりも大きい半径で安定化する。シールキャリア26の前方壁46およびバックプレート36の内径は、液体を流出させずに上述の高さの差を許容するように設計されている。 Gas leakage through the flexible mounting 30 is prevented by a hydraulic seal 32 that utilizes the inertia of the liquid 34. The hydraulic seal 32 includes a seal carrier 26, a back plate 36, and an L-shaped fin 38. Liquid is supplied to the hydraulic seal 32 through one or more supply holes 40 provided in the first element 28. When the pressure P h in the source 12 is greater than the pressure P L in the chamber 14, the liquid surface 42 upstream of the fin 38 stabilizes with a larger radius than the liquid surface 44 downstream. The inner diameters of the front wall 46 and the back plate 36 of the seal carrier 26 are designed to allow the above-described height difference without causing liquid to flow out.

本発明のシールアセンブリの好適実施例は、液圧シール32で使用される液体を連続的に補充することを含む。望ましくない粒子状物質や異物の堆積を防止するために、1つまたはそれ以上のドレン穴48がシールキャリア26とフィン38との間のトラフ(溝部)49の外側面に設けられている。液体を連続的に補充することは、一次シール境界面で生じる熱を除去するためにも有用である。液体は、ドレン穴48から流出する速度よりも早い速度で供給穴40から流入することが好ましい。過剰な液体は、設計および運転条件によって、バックプレート36または前方壁46の内径を越えて流出する。   A preferred embodiment of the seal assembly of the present invention includes continuously refilling the liquid used in the hydraulic seal 32. One or more drain holes 48 are provided on the outer surface of the trough (groove) 49 between the seal carrier 26 and the fins 38 to prevent unwanted particulate matter and foreign matter from accumulating. The continuous replenishment of liquid is also useful for removing heat generated at the primary seal interface. The liquid preferably flows from the supply hole 40 at a speed faster than the speed at which the liquid flows out from the drain hole 48. Excess liquid flows beyond the inner diameter of backplate 36 or front wall 46, depending on design and operating conditions.

LがPhよりも大きくなる圧力の瞬間的な逆転時にトラフ49から望ましくない液体の排出を減少させるために、種々の細部をシールアセンブリに組み込むことができる。また、望ましくない液体の捕捉を防止する特徴部も含まれうる。液圧シール32から一次シールの上流側に液体が流出するおそれがある漏れ領域を最小化するように、前方壁46の内径は案内径52と精密な公差に維持される。一次シール面22と前方壁46との間に形成されるトラフ51に収集された液体は、ドレン穴50を通って排出可能となっている。ドレン穴50は、通常の運転時にガスの漏れが最小となるように設計することができる。所定の運転条件において、バルブを使用してドレン穴50の一部または全てを覆うこともできる。 Various details can be incorporated into the seal assembly to reduce undesirable liquid drainage from the trough 49 upon a momentary reversal of pressure where P L is greater than P h . Features that prevent unwanted liquid capture may also be included. The inner diameter of the front wall 46 is maintained within close tolerances with the guide diameter 52 so as to minimize the leakage area where liquid may flow out of the hydraulic seal 32 upstream of the primary seal. The liquid collected in the trough 51 formed between the primary sealing surface 22 and the front wall 46 can be discharged through the drain hole 50. The drain hole 50 can be designed to minimize gas leakage during normal operation. Under certain operating conditions, a valve may be used to cover part or all of the drain hole 50.

いくつかの用途では、一次シール境界面22は、高い摩擦速度に耐性を有する必要がある。このような用途のためのシールアセンブリは、面22の形状によって発生する流体力学的なリフト力を利用する。また、より低い摩擦速度の用途には、種々の一次シール装置が知られている。このような装置には、一次シール境界面と直接接触し、油で潤滑されることもある炭素を用いる設計が含まれる。所望であれば、このような装置をシール境界面22に使用することもできる。   In some applications, the primary seal interface 22 needs to be resistant to high friction rates. A seal assembly for such an application takes advantage of the hydrodynamic lift force generated by the shape of the surface 22. Also, various primary seal devices are known for lower friction speed applications. Such devices include designs using carbon that is in direct contact with the primary seal interface and may be lubricated with oil. Such a device can be used for the seal interface 22 if desired.

所望であれば、本発明のシールアセンブリ10は、シールキャリア26が第2の要素24に柔軟に取り付けられ、シール走行要素20が第1の要素28に取り付けられるように構成することができる。このような構成では、液圧二次シール32は第1の要素24と共に回転する。   If desired, the seal assembly 10 of the present invention can be configured such that the seal carrier 26 is flexibly attached to the second element 24 and the seal travel element 20 is attached to the first element 28. In such a configuration, the hydraulic secondary seal 32 rotates with the first element 24.

本発明のシールアセンブリは、高い慣性負荷によって二次液圧シールで摩擦や摩耗が生じないという点で有利である。さらに、二次液圧シールは、第1の要素28と第2の要素24との間の相対的な軸方向移動およびずれを許容することができる。   The seal assembly of the present invention is advantageous in that no friction or wear occurs in the secondary hydraulic seal due to high inertia loads. Further, the secondary hydraulic seal can allow relative axial movement and displacement between the first element 28 and the second element 24.

本発明によって上述した目的、手段、および利点を完全に満たすシャフトシールが提供されることが明らかである。本発明を具体的な実施例に関連して説明したが、当業者には上述の説明から他の代替物、改良および変更が明らかとなるであろう。従って、請求項の範囲内であるこのような代替物、改良および変更も本発明に含まれる。   Clearly, the present invention provides a shaft seal that fully satisfies the objects, means, and advantages set forth above. Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, other alternatives, modifications and changes will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Accordingly, such alternatives, modifications and variations that fall within the scope of the claims are also encompassed by the invention.

本発明に係るシャフトシールアセンブリの説明図である。It is explanatory drawing of the shaft seal assembly which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…シールアセンブリ
12…高圧供給源
14…低圧室
20…シール走行要素
22…一次シール面
24…第2の要素
26…シールキャリア
28…第1の要素
30…柔軟性のある取付部
32…液圧シール
36…バックプレート
38…L字型フィン
40…供給穴
42…上流の液体面
44…下流の液体面
46…前方壁
48,50…ドレン穴
49,51…トラフ
52…案内径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Seal assembly 12 ... High pressure supply source 14 ... Low-pressure chamber 20 ... Seal running element 22 ... Primary seal surface 24 ... Second element 26 ... Seal carrier 28 ... First element 30 ... Flexible attachment part 32 ... Liquid Pressure seal 36 ... Back plate 38 ... L-shaped fin 40 ... Supply hole 42 ... Upstream liquid surface 44 ... Downstream liquid surface 46 ... Front wall 48, 50 ... Drain hole 49, 51 ... Trough 52 ... Guide diameter

Claims (12)

柔軟性のある取付要素によって取り付けられたシールキャリアを備える回転軸を有し、前記シールキャリアは、前記取付要素によって前記回転軸に対して軸方向に移動可能となっているとともに、該回転軸に対して相対的に回転しないように設けられており、
前記回転軸から離間されているとともに、シール走行要素を備える第2の要素と、
前記シール走行要素と前記シールキャリアとの間に形成された機械的な一次シール面と、
前記回転軸と前記シールキャリアとの間に形成されているとともに、前記取付要素を通って高圧から低圧室へとガスが漏れるのを防止する液圧シール手段と、をさらに有することを特徴とする回転機械用のシールアセンブリ。
A rotating shaft having a seal carrier mounted by a flexible mounting element, the seal carrier being axially movable with respect to the rotating shaft by the mounting element; It is provided so as not to rotate relative to
A second element spaced apart from the rotating shaft and comprising a seal travel element;
A mechanical primary sealing surface formed between the seal travel element and the seal carrier;
Together is formed between the seal carrier and the rotary shaft, and further comprising a, a hydraulic sealing means for preventing the gas from leaking into the low pressure chamber from the high pressure chamber through said mounting element Seal assembly for rotating machinery.
前記シール走行要素は、前記第2の要素と一体に形成されていることを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。   The seal assembly for a rotary machine according to claim 1, wherein the seal travel element is formed integrally with the second element. 記第2の要素は、第2の回転軸を含むことを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。 Before Stories second element, the seal assembly for a rotary machine according to claim 1, characterized in that it comprises a second rotary shaft. 記第2の要素は、固定要素を含むことを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。 Before Stories second element, the seal assembly for a rotary machine according to claim 1, characterized in that it comprises a fixing element. 前記シールキャリアは、前記シール走行要素に近接して設けられていることを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。   The seal assembly for a rotary machine according to claim 1, wherein the seal carrier is provided in proximity to the seal travel element. 前記シールキャリアは、前記シール走行要素と接触するように設けられていることを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。   The seal assembly for a rotary machine according to claim 1, wherein the seal carrier is provided in contact with the seal travel element. 前記液圧シール手段に液体を供給する液体供給手段をさらに有することを特徴とする請求項1記載の回転機械用のシールアセンブリ。   The seal assembly for a rotary machine according to claim 1, further comprising liquid supply means for supplying liquid to the hydraulic pressure sealing means. 前記液体供給手段は、前記回転軸に設けられた少なくとも1つの供給穴を含むことを特徴とする請求項記載の回転機械用のシールアセンブリ。 The seal assembly for a rotary machine according to claim 7 , wherein the liquid supply means includes at least one supply hole provided in the rotary shaft . 前記液圧シール手段は、前記シールキャリア、バックプレート、およびフィンによって構成されるとともに、前記シールキャリア、前方壁、および前記フィンによって形成されるトラフを有することを特徴とする請求項記載の回転機械用のシールアセンブリ。 9. The rotation according to claim 8, wherein the hydraulic pressure sealing means is constituted by the seal carrier, a back plate, and a fin, and has a trough formed by the seal carrier, a front wall, and the fin. Seal assembly for machine. 前記液圧シール手段は、望ましくない粒子状物質や異物の堆積を防止する防止手段をさらに含むことを特徴とする請求項記載の回転機械用のシールアセンブリ。 The seal assembly for a rotary machine according to claim 9, wherein the hydraulic pressure sealing means further includes a preventing means for preventing accumulation of undesirable particulate matter and foreign matters. 前記防止手段は、前記トラフの外側面に設けられた少なくとも1つのドレン穴を含むことを特徴とする請求項10記載の回転機械用のシールアセンブリ。 The seal assembly for a rotary machine according to claim 10 , wherein the prevention means includes at least one drain hole provided in an outer surface of the trough. 前記液体は、前記少なくとも1つのドレン穴から流出する速度よりも高い速度で前記少なくとも1つの供給穴を通って前記液圧シール手段に流入していることを特徴とする請求項11記載の回転機械用のシールアセンブリ。 12. The rotating machine according to claim 11, wherein the liquid flows into the hydraulic pressure sealing means through the at least one supply hole at a speed higher than a speed at which the liquid flows out from the at least one drain hole. Seal assembly for.
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