JP4035050B2

JP4035050B2 - 回転面漏止め装置

Info

Publication number: JP4035050B2
Application number: JP2002509679A
Authority: JP
Inventors: ジャオキングゼン
Original assignee: パーキネルマーフルーイッドサイエンシーズ
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: WO2002004844A2; AU2001280025A1; JP2007263374A; US20020014743A1; WO2002004844A3; JP2004502913A; EP1299663A2; ATE338903T1; US7044470B2; DE60122890D1; EP1299663B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転面漏止め装置に関し、とくにターボマシン（turbomachine）用の回転面漏止め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的な回転面漏止め装置は、ステータ又は適正位置に取り付けた漏止め環と、ロータ又は軸等の回転機械部品と共に回転する共働環とを有する。漏止め環及び共働環の両者の漏止め面は、相互に非常に近接しているが接触しない。加圧流体（例えば空気）膜を両漏止め面の間に形成して、両者を分離して摩擦による損耗を防止する。
【０００３】
典型的な流体膜は、漏止め環又は共働環の何れかの漏止め面に切った１組の螺旋状溝によって形成される。共働環の回転時に、流体が、両漏止め面を離隔し且つ漏止め膜を形成するに十分な圧力で２つの環の外側径から内側径へ向かう向き（又は逆向き）に強制供給（ポンピング）される。この点に関し、米国特許第5,769,604号を引用により本明細書中の記載に代える。
【０００４】
非接触膜上乗せ型の面漏止め（Non-contacting, film-riding face seals）が1969年の最初の導入以来、工業用に好評裏に使用されている。この面漏止めは、漏れ及び磨耗が極めて小さいという特徴を有する。これらの特徴の故に、ガスタービンエンジン用の大径非接触型面漏止めの開発が航空宇宙産業において継続的に試みられている。
【０００５】
しかし、高速回転の大軸径ターボマシン用の面漏止めの実用化には、２つの大きな困難がある。第１は、その大きさに起因する漏止め面の平滑性管理の困難である。第２は、大きな熱及び圧力効果によりロータとステータの両者の漏止め面に内向き又は外向きの歪み（以下、コーニング（ coning ）という）が生じ得るという困難である。発散流路（divergent flow path）を生む負偏向（negative deflection）は、標準的な流体力学上の面漏止めに対する致命傷の原因となり得るが、その理由はその場合に両面間の領域へのガス流が遮断されることにある。標準的な流体力学上の面漏止めでは、負偏向が、面漏止めの流れの下にある膜の厚さより遥かに大きくなると見込まれる。大きな正コーニングもまた大径の面漏止めの破損を招くが、その理由はそれによる膜硬さの弱化が面接触の可能性を増すからである。
【０００６】
従来の螺旋状溝の面漏止めが大型タービンエンジンにおける過酷な環境条件に耐え切れないとの理解に基づいて、米国特許第5,769,604号は大型タービンエンジン用の希望が当初期待できた螺旋状溝設計を提案している。２組の漏止め区域と、２つの供給溝と、1つの付加的ダム区域とを面漏止めのために使う。この構成は、従来の螺旋状溝による面漏止め設計に比し約３倍の膜硬さを与え、ロータの偏向に対するステータの適応力を増強する。しかし、この米国特許第5,769,604号記載の設計においても、端縁（外径）部から中央部への漏止め区域ポンピングを常時行なうので、端縁接触防止能力に限界があるという大きな制限がある。更に米国特許第5,769,604号が開示した漏止めポンピング溝の構成はかなり複雑である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の一目的は、回転面漏止め装置の改良を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、大軸径ターボマシンに利用可能な回転面漏止め装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の更なる目的は、ステータ又はロータのコーニングに影響されない回転面漏止め装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、両漏止め面の間に、たとえ熱及び／又は圧力効果によって一方の漏止め面にコーニングが生じた時にも、均一厚さの流体膜を維持する設計の回転面漏止め装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の更なる目的は、設計上の融通性がある回転面漏止め装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、設計が比較的複雑でない回転面漏止め装置を提供することにある。
【００１３】
本発明が更に目的とするのは、漏止め面の中央部から内向き及び外向きの両向きへ同時に流体を指向させる（ポンピングする）設計の回転面漏止め装置の提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱及び／又は圧力効果に起因する一方の漏止め面のコーニング発生時にもロータ及びステータの漏止め面の間に厚さ一様の流体膜を維持するような改良形回転面漏止め装置が、ロータ又はステータの漏止め面におけるポンピング溝の設計、すなわち漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に流体を指向させる（ポンピングする）ようなポンピング溝の設計により実現できる旨の知見に基づいて達成されたものである。
【００１５】
本発明の特徴は、漏止め面を有する第１部材と複数のポンピング溝付き漏止め面を有する環状の第２部材とを備えた回転面漏止め装置にある。一つ以上の第１ポンピング溝組の各ポンピング溝が第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の外側径に向けて外向きに延びる。また、一つ以上の第２ポンピング溝組の各ポンピング溝が第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の内側径に向けて内向きに延びる。こうして、熱及び／又は圧力効果のため一方の漏止め面のコーニング発生時に、漏止め面の中央部に供給される流体を当該漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させて第１及び第２部材の間に厚さ一様の流体膜を形成する。第１及び第２部材を離隔偏倚させるばねを設け、第１及び第２部材の一方に当該一方と共に移動可能に保持部材を取り付け、その一方の部材と保持部材との間に前記ばねに打ち勝って第１及び第２部材の漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙を設ける。
【００１６】
漏止め面の中央部に、流体を供給するための供給溝を設ける。一実施例においては、供給溝を第２部材中の漏止め面の中央部に設ける。
【００１７】
供給溝を不連続とし、不連続に形成された複数の供給溝区域から第２部材の漏止め面の中央部に流体を供給する。各供給溝区域に、傾斜付きであり得るオリフィスを設ける。
【００１８】
一実施例では、第１部材をステータ環とし第２部材をロータ環とする。又は、第１部材をロータ環とし第２部材をステータ環とする。
【００１９】
典型的には、第１ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を漏止め面の外縁部の内側に位置決めし、第２ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を漏止め面の内奥部に位置決めする。一実施例においては、第１ポンピング溝組及び第２ポンピング溝組を漏止め面の中央部の相互に近接した位置で始める。他の実施例においては、第１ポンピング溝組のポンピング溝の始まり位置を第２ポンピング溝組のポンピング溝の始まり位置からずらす。第１ポンピング溝組のポンピング溝を漏止め面の中央部から外向きに湾曲させ、第２ポンピング溝組のポンピング溝を漏止め面の中央部から内向きに湾曲させてもよい。好ましい実施例においては、全てのポンピング溝の深さをそれらの幅より大きくする。各ポンピング溝に内側端縁と外側端縁とを設け、両端縁を内向きに湾曲させてもよい。典型的には、各ポンピング溝組に同数のポンピング溝を含める。供給溝を丸底又は方形底としてもよい。
【００２０】
また典型的には、保持部材に軸を固定し、ばねを当該軸の周りに配置し且つ移動不能部材に当接させる。
【００２１】
また、ステータに取り付けた保持部材の構成を、ロータが正コーニングを起こした時にステータに負コーニングを起こさせ且つロータが負コーニングを起こした時にステータに正コーニングを起こさせるようにする。
【００２２】
本発明装置の一実施例においては、第１部材が供給オリフィス付き漏止め面を有し、そのオリフィスを複数の供給溝区域が形成された第１部材の不連続な供給溝内に位置決めし、環状の第２部材が複数のポンピング溝付き漏止め面を有し、第２部材のポンピング溝に第２部材の漏止め面のほぼ中央部から始まり第２部材の外側径に向けて外向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第１ポンピング溝組と第２部材の漏止め面のほぼ中央部から始まり第２部材の内側径に向けて内向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第２ポンピング溝組とを含め、熱及び／又は圧力効果のため一方の漏止め面でのコーニング発生時に、第１部材の供給オリフィスにより第２部材の漏止め面の中央部に供給される流体を当該漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させて第１及び第２部材の間に厚さ一様の流体膜を形成する。第１及び第２部材を離隔偏倚させるばねを設け、第１及び第２部材の一方に当該一方と共に移動可能に保持部材を取り付け、その一方の部材と保持部材との間に前記ばねに打ち勝って第１及び第２部材の漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙を設ける。
【００２３】
本発明による完全な回転面漏止め装置は、漏止め面を有する環状のステータとステータ漏止め面に極めて接近した漏止め面を有する環状のロータとを備える。ロータ正コーニング時におけるステータ負コーニング許容又はロータ負コーニング時におけるステータ正コーニング許容作用のある後ろ座を有するステータ保持部材を設ける。また、ステータとロータとを離隔偏倚させるばねを設け、ステータと保持部材との間に前記ばねに打ち勝ってステータ及びロータの漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙を設ける。ロータ（又はステータ）の漏止め面は、ロータ又はステータの漏止め面の内側径に向けて内向きに延びるポンピング溝を有する第１区域と、ロータ又はステータの漏止め面の外側径に向けて外向きに延びるポンピング溝を有する第２区域との少なくとも２区域に分けられる。ステータ（又はロータ）貫通の流体供給オリフィスを有するステータ（又はロータ）の漏止め面は、そのオリフィスを複数の供給溝区域が形成されたステータ（又はロータ）の不連続な供給溝内に位置決めし、内向きに延びるポンピング溝と外向きに延びるポンピング溝とへ同時に流体を指向させてステータに対しロータ正コーニング時の負コーニング又はロータ負コーニング時の正コーニングを生起させる。
【００２４】
外向きに延びるポンピング溝がロータ（又はステータ）の漏止め面のほぼ中央部から始まって外側に延び、内向きに延びるポンピング溝がロータ（又はステータ）の漏止め面のほぼ中央部から始まって内側に延び、オリフィス経由で漏止め面の中央部へ供給される流体を漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
好ましい実施例の説明及び添付図面による以下の説明から、当業者であれば他の目的、実施態様、及び利点に想到するであろう。図１を参照するに、典型的な回転面漏止め装置は、第１部材（例えば、ロータ又は共働環）10とその近傍に隣接する第２部材（例えば、ステータ又は漏止め環）12とを有する。ロータ10を軸14に取り付けたものとして示すが、これを各種機械の回転部に取り付けてもよい。従来技術について説明したように、ロータ10及びステータ12の漏止め面の間に加圧流体膜を形成する。
【００２６】
上記米国特許の記載のように、従来技術で説明した回転面漏止め装置は、ロータ及びステータ両者の漏止め環の外径が約４インチ（約10cm）以下の時に満足すべき動作をする。
【００２７】
しかし、ターボマシンはより大きな寸法（例えば外径が約８インチ（約20cm）以上）のロータ10'及びステータ12'を必要とする。図２の矢印16に示すように、これらの大径漏止め部材10'及び12'には、大きな熱及び／又は圧力の影響により内向き又は外向きにコーニング（cone,coning）が生じ得る。従来の漏止め面では、ロータ10'及びステータ12'の外径部から内径部18へ向かう向きに（又は逆向きに）流体を指向させる（ポンピングする）ので、ロータ10'が内向きにコーニングすると流体（ガス）の流れが遮断され、大径面の漏止め喪失が起こる。
【００２８】
これに比し本発明では、流体を、漏止め環の中心部から内側径へ向かう内向き（矢印20で示す）及び外側径へ向かう外向き（矢印22で示す）の両向きに同時に指向させる。従って、矢印16のような面コーニングの発生時にもガス供給の遮断は決して起こらない。更に、ステータ環を可撓性とする設計及び離散的な２つの溝部が、漏止め環をして共働面のコーニングに正しく応答させ、図１７〜図２０に示すように両漏止め面の間に一様厚さの流体膜を生じさせる。
【００２９】
典型的には図３及び図５のロータ10'が、ポンピング溝31、32の群の付いた漏止め面30を有する。一方のポンピング溝32の組は、各溝が漏止め面30の中心部近傍から始まりロータ10'の外側径へ向け外向きに延びる。他方のポンピング溝31の組では、各溝が漏止め面30の中心部近傍から始まりロータ10'の内側径へ向け内向きに延びる。図４及び図６のステータ12'が漏止め面40を有し、その漏止め面40のほぼ中央部に不連続な流体供給溝部42がある。各流体供給溝部42は、ステータ12'の板厚貫通のオリフィス44を有する。ロータ10'の回転に応じ空気がオリフィス44を通過し図３のロータ10'の漏止め面30の中央部へ供給され、次いで図５に示すよう溝31の組による内向き及び溝32の組による外向きの両向きへ同時にポンピングされ、熱又は圧力効果により一方の漏止め面にコーニングが生じた時に、２つの漏止め環の漏止め面の間に一様厚さの流体膜を形成する。
【００３０】
【実施例】
ロータ10'の一例は窒化ケイ素からなり、外径9.8インチ（約24.9cm）、内径７インチ（約17.8cm）、厚さ0.529インチ（約1.34cm）であった。各ポンピング溝の深さは0.00055インチ（約0.00140cm）で、幅0.445インチ（約1.13cm）あった。同じ実施例において図４のステータ12'は、外径9.6インチ（約24.4cm）、内径7.8インチ（約19.8cm）、厚さ0.35インチ（約0.89cm）の炭素製であった。各流体供給溝部は深さ0.02インチ（約0.051cm）であり、それらは全て幅0.1インチ（約0.254cm）、長さ0.645インチ（約1.64cm）あった。各オリフィス44の直径は0.02インチ（約0.051cm）であった。
【００３１】
図７に示す他の実施例のステータ12''（又はその代わりのロータ）は、内向きポンピング溝31及び外向きポンピング溝32を有し、更に中央位置のオリフィス44付き連続流体供給溝42'を有する。従って、この実施例のロータ（又はその代わりのステータ）は、平坦な漏止め面を有するものとしてもよい。
【００３２】
ポンピング溝32の先端は漏止め面40'の外側部50の内方で終端し、ポンピング溝31の先端は漏止め面40'の内側部52の外方で終端する。従って、この漏止め面40'の外側部50及び内側部52はダム（dams）を形成し、ポンピング溝の間の領域はランド（lands）を形成する。
【００３３】
以上の図示例では、内向き及び外向きのポンピング溝が相互に近傍位置で始まっている。図８に示す交互分枝構造では、外向きポンピング溝32と内向きポンピング溝31とがそれぞれ交互に延び出す流体供給溝42をステータ12'''に設ける。このステータ（又はロータ）の漏止め面は、内側区域60と外側区域62との２区域を有することとなる。典型的には、ステータ環12'''が保持装置に取り付けられ、その保持装置がガスタービンエンジンの回転部分に取り付けた回転環（ロータ）に対向する。ステータ環12'''は、屈曲可能でロータ漏止め面に順応できるように設計される。漏止め面を正又は負のコーニングから復帰可能にするため、ステータ環12'''上に、中央位置に設置の不連続（又は連続）構造の流体供給溝42により区分した漏止め内側区域60と外側区域62とを含める。流体圧作動の漏止め面の各区域60、62は、それぞれ交互のポンピング溝31、32とランド70、72と漏止め面の端縁近傍のダム部74、76とからなる流体圧作動部を有する。微量の漏れが許されるシステム流体を、限定供給用オリフィス44経由で漏止め面の流体供給溝42へ供給し、更にステータ（又は／及びロータ）の特殊設計溝31、32によって内向き及び外向きの両向きへ同時にポンピングする。好ましくは、システム流体を高圧側又は高密度側から進入させる。
【００３４】
この設計の主要な利点の一つは、漏止め面コーニングに対する適応性にある。漏止め面がどちら側へコーニングしようとも、間隔が狭い方の漏止め面の内側区域60又は外側区域62が収束膜を形成し、正常値を超える解離力を生じると共に、間隔が広い他方の外側区域62又は内側区域60が離散膜を形成し、正常値未満の解離力を生じる。従って、漏止め面の両区域60、62が協働して一様膜厚を回復させる。本発明のこの部分を図１６〜図２０により更に説明する。
【００３５】
典型的には、製造上の理由から、図９に示すように流体供給溝を連続構造として区分しない。図９の漏止め面パターンは、ステータ面上若しくはロータ面上の刻印、又はロータ及びステータ両者の面上における刻印の組合せとすることができる。溝及びランドの対の数は、内側・外側区域60・62に対して異なるものとしてもよい。内向きに延びるポンピング溝31及び外向きに延びるポンピング溝32は通常極めて浅く、例えば深さが僅か200〜900マイクロインチ（約508〜2280μm）である。図１０〜図１３の例では、ポンピング溝31及び32がロータの漏止め面にあり、流体供給溝42がステータの漏止め面にある。図示例のロータは硬質材料製であり、深い流体供給オリフィス44の流入端は図１２のように丸め端80とするか又は図１３のように方形端82とすることができる。図示例とは逆に、ポンピング溝31及び32をロータ上に設け、流体供給溝42及びオリフィス44をロータ上に設けてもよい。図１２及び図１３に示すように典型的には、流体供給オリフィス44を、回転軸に関し回転方向と反対向きに傾斜させ、流体送りの効率向上を図る。
【００３６】
本発明に独特の特徴は、何れの実施例においても、面漏止め手段が面漏止め環（ring）の内部から内方及び外方端縁へ向け流体をポンピングすることにある。これにより、漏止め面が大幅に偏倚したシビアな状態においても、漏止めの正常機能を保つことができる。流体が中央部から入るので、漏止め面への流体到達を漏止め面コーニングが遮断することは決して起こらない。ポンピング溝の輪郭を、好適なポンピング効果と膜硬さとが得られるように設計する。ポンピング溝は螺旋パターンを通常有し、製作の便宜上それを円弧で近似するのが普通である。しかし図１４に示すように、各ポンピング溝の内側及び外側端縁は何れも漏止め面の中心に向けて内向きにカーブする。図９の設計例では、内向き指向用ポンピング溝31の組が漏止め面の中心部から内向きにカーブし、外向き指向用ポンピング溝32の組が漏止め面の中心部から外向きにカーブする。好ましい実施例において、ポンピング溝の幅はその深さより遥かに大きい。
【００３７】
更に他の実施例においては、図１５の三区域92、94、96からなる漏止め面90のように、２つ以上の漏止め面区域を設ける。この例では、外方延びポンピング溝98が漏止め面区域92にあり、内方延びポンピング溝100が漏止め面区域96にある。これに代え、外方延びポンピング溝104を漏止め面区域92に置き、外方延びポンピング溝106を漏止め面区域94に置き、内方延びポンピング溝108を漏止め面区域96に置いてもよい。
【００３８】
図１６において、ロータ環（rotor ring）漏止め面を線220で示し、そこに働く圧力分布を符号200で示す。この例において、ステータ環（stator ring）202は図９に示すポンピング溝を有するものとする。流体膜用間隙を符号204で示す。ステータ保持部材206の後ろ座208がステータ環202を適正位置に保持してその回転を防止する。二次漏止め210を設けてもよい。典型的には、ステータ環202をコーニング偏位に応じて屈曲可能に設計し、そのためステータ環202の厚さを製造可能な限り薄くし、漏止め面の平滑性を確保する。この漏止め面の回転可能性とステータ環202の屈曲可能性との組合せが、この漏止め装置をロータ環面のコーニングに対し高度に適応可能とする。コーニングが流体膜用間隙204をして外径から内径に向けて離散させる場合には、そのコーニングを負コーニングと定義する。ステータ又はロータに起因するコーニングが、ステータ漏止め面とロータ漏止め面との間に収束的な流体膜用間隙204を生成させる場合には、そのコーニングを正コーニングと定義する。図１６は、設計動作条件における漏止め面上の典型的圧力分布200を示す。この条件では、ロータの漏止め面とステータ202の漏止め面とが平行な向きにある。漏止め面の外側区域62、流体供給溝、及び内側区域60からの全作用力（total force）とそれらの等価作用点（equivalent acting position）をそれぞれベクトル214、216、218で表す。この条件下で、ステータ環202に作用する正味モーメントはゼロである。
【００３９】
しかし図１７に示すように、ロータ環漏止め面220が偏位して負コーニングを起こすと、漏止め面外側区域62が収束膜（convergent film）に作用し、ステータ202の漏止め面における外側向きポンピング溝32をより効果的に作動させ、この流体力学的区域により高い圧力を生じさせる。これをベクトル214'として示す。従って、外側区域62がより大きな正モーメントを生じ対応漏止め面の外径間の間隔を開けさせる。他方、漏止め面内側区域60が離散型膜（divergent film）に作用する。これが内側向きポンピング溝31の流体力学的効果を減少させる。圧力が低下し、ベクトル218'に示すように漏止め面内側区域で生じる負モーメントが減少する。正モーメントの正味増大がステータ環202に正コーニングを起こさせ、図１８に示すように一様厚さの膜を形成する。
【００４０】
逆に、図１９及び図２０に示すように、ロータ環漏止め面220が偏位して正コーニングを起こすと、漏止め面外側区域62が離散型膜に作用し、外側向きポンピング溝32をその効果が減少するように作動させ、この流体力学的区域により低い圧力を生じさせる。これをベクトル214''として示す。他方、漏止め面内側区域60が収束型膜に作用する。これが内側向きポンピング溝31の流体力学的効果を増大させる。圧力が増大し、ベクトル218''に示すように漏止め面内側区域で生じる負モーメントが増大する。負モーメントの正味増大がステータ環202に負コーニングを起こさせ、図２０に示すように一様厚さの膜を形成する。
【００４１】
即ち、ロータの負コーニングは図１７及び図１８に示すようにステータ環の正コーニングを促し、ロータの正コーニングは図１９及び図２０に示すようにステータ環の負コーニングを促す。ロータ及びステータの実際の動きの相対的大きさを上記図では説明のために誇張して示してあり、またロータ及びステータは変形時に僅かに曲がることを理解すべきであるが、コーニングほど大きくはない。
【００４２】
要するに、従来の軸方向の膜硬さでは、大径の漏止め面に対して漏止めの適正な安定性を与えない。漏止め装置のコーニングからの回復能力が漏止め安定性の決定的要因である。軸方向膜硬さとコーニングに対する膜硬さとは、異なるものであるが相互に関連している。コーニングに対する膜硬さは、２つの漏止め面を平行に近い位置に保ち、ロータのふれ（runout）発生時にステータ環をしてロータ環の軸方向運動に追随させる。コーニングに対する膜硬さが漏止め面の大きなコーニングを防ぐに足るものでない時は軸方向膜硬さも喪われ、漏止め装置が良好なダイナミック追従動作を遂行できなくなる。
【００４３】
図４を参照して説明したように、流体供給溝42のポケットは、図３の内側及び外側向きポンピング溝31、32への流体供給を行なう。図８の実施例では、負コーニング発生時に内側漏止め区域が開放され大きな漏れを生じる。図４の流体供給オリフィス44は、流体供給を制限するオリフィスとして作用する。従って、内側区域は飢餓状態で作動し、開放力を著しく低減させる。この機構は漏止め面コーニングの低減、即ちコーニング膜硬さの増大に貢献する。他方、外側漏止め区域は収束膜状態での動作時にダム開放を小さくする。所要の流量値は小さくなる。その結果、通過流量を小さくして供給オリフィスでの圧力損失を抑制できる。従って、外側漏止め区域が大きな開放力を発生させ、漏止め装置のコーニングからの回復を助ける。即ち、それにより膜のコーニング硬さを向上させる。
【００４４】
供給抑制付き設計のオリフィスは軸方向の膜硬さの改善に有効であるが、その理由は、両漏止め面間の圧力が、膜厚さの関数である螺旋溝の流体動力学的効果だけでなく、抑制付きオリフィスの流体静力学的効果にも影響されるからである。供給溝内の圧力は、供給穴を通る流量に強く影響される。
【００４５】
膜厚の増加に伴い、供給穴における圧力損失が増大する。開放力は、漏止め面における圧力降下に伴って低下する。非常に薄い膜であっても、二重螺旋ポンピング溝だけで十分な膜硬さを発生させることができ、供給抑制付きオリフィスを比較的厚い膜に対し効果最大となる設計として、漏止め装置が広範囲の膜厚さに対して大きな膜硬さを持てるようにすることができる。換言すれば、両漏止め面が一旦開かれると、螺旋溝からの流体動力学的効果が徐々に消え、流体静力学的効果が進入（kick in）して開放力の膜厚へ依存性が持続する。本発明者等が米国航空学会（American Institute of Aeronautic）2000に発表した「高速高温用の適応可能な二重螺旋溝型面漏止め装置（Adaptive Divert Double-Spiral Groove Face Seals for High Speed, High Temperature Applications）」と題する論文に記載の関連データをここに援用する。
【００４６】
供給抑制付き設計のオリフィスの使用は、漏止め装置の入出力間の圧力差が小さい場合のステータ後退を可能にする。始動又は停止の過程において、ロータ速度に比例する流体動力学的リフト力（lift force）は分離動作に不足となり得る。
【００４７】
図２１は、固定部240とロータ220が取り付けられる回転部とを有するガスタービンへ適宜に取り付けたロータ220及びステータ202を示す。この場合にもステータ202は図９に示す構成の漏止め面を有する。ステータ保持部材206は、矢印242の示す方向にステータ202と共に移動可能である。ばね246が、ステータ環202をロータ220から離すように偏倚する。ステータ保持部材206とステータ202との間隔248、及びステータ保持部材206と取付具270との間隔258にはシステム圧力が加えられ、作動時のその圧力は、ばね246に打ち勝ちステータ202及びステータ保持部材206を上記説明の流体膜で隔てられるロータ220の至近位置へ押圧する。典型的には、保持部材206に軸250を固定し、ばね246を軸250の周囲に配置すると共にエンジンの静止部分240と一体の構造物272に固定の不動構造物270に当接させる。
【００４８】
エンジンの始動及び停止過程においては、ステータ環202における圧力差は消滅するので、ばね246の弾性力がステータ202をロータ220の漏止め面から引き離し、それらの漏止め面相互の接触及び摩擦を防止する。エンジンが高速度で作動して上記圧力差が予め定めた一定値に達すると、抑制付きオリフィスにおける圧力降下による閉鎖力がばね246の弾力に打ち勝ってステータ環202をロータ220へ引き寄せる。米国航空宇宙学会（AIAA、American Institute of Aeronautics and Astronautics）から1996年に発行されたベイヤパリ等（Bayepalli et al）著の「航空機エンジン用吸引型漏止め面の力学的解析（Dynamic Analysis of Aspiring Face Seal for Aircraft Engine Application）」を参照し且つここに援用する。
【００４９】
以上、本発明の特定の特徴を一部の図面に示しながら他の図面に示さなかったが、これは各特徴が本発明の他の諸特徴の一つ以上と組合せ得るので便宜上そうしたに過ぎない。ここに用いた「含む」、「備える」、「有する」及び「付き」の語は、広く且つ包括的に解釈すべきであり、特定の物理的相互関係に限定されない。更に、本出願の何れの実施例をも唯一の可能な実施例と理解すべきでない。当業者には、他の実施例が特許請求の範囲内において想到し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、回転面漏止め装置の主要部品を示す図式的斜視図である。
【図２】は、図１と同様であるが回転面漏止め装置の径がかなり大きく且つコーニングが生じる回転面漏止め装置の図式的斜視図である。
【図３】は、本発明装置におけるロータの漏止め面の図式的斜視図である。
【図４】は、本発明装置におけるステータの漏止め面の図式的斜視図である。
【図５】は、図３の線５−５から見た要部説明図である。
【図６】は、図４の線６−６から見た要部説明図である。
【図７】は、本発明装置における漏止め面の他の実施例の要部説明図である。
【図８】は、本発明装置の一実施例における漏止め面の配置の要部説明図である。
【図９】は、本発明装置の回転面漏止め装置における漏止め面の他の実施例の説明図である。
【図１０】は、本発明装置の回転面漏止め装置におけるステータ又はロータの漏止め面を示す図である。
【図１１】は、本発明装置の回転面漏止め装置におけるステータ又はロータの漏止め面の説明図である。
【図１２】及び
【図１３】は、図１０の線Ａ−Ａから見た本発明装置のロータの二実施例の要部断面図である。
【図１４】は、本発明装置のステータ又はロータの漏止め面に対する溝輪郭の一実施例の図式的説明図である。
【図１５】は、本発明装置のステータ又はロータの漏止め面に対する溝輪郭の他の実施例の図式的説明図である。
【図１６】は、ロータ偏位がない場合における本発明の面漏止め装置の縦断面図である。
【図１７】は、ロータが負のコーニングを開始した時の圧力プロファイルを示す縦断面図である。
【図１８】は、ロータの負コーニングに応じステータが正のコーニングをした点を除き図１７と同様な縦断面図である。
【図１９】は、ロータが正のコーニングを開始した時の圧力プロファイルを示す縦断面図である。
【図２０】は、ロータの正コーニングに応じステータが負のコーニングをした点を除き図１９と同様な縦断面図である。
【図２１】は、タ−ボ機構に装着した本発明のロータ面漏止め装置の図式的詳細断面図である。
【符号の説明】
10…第１部材（ロータ、又は共働環）
12…第２部材（ステータ、又は漏止め環）
14…軸 16、20、22…矢印
18…内径 30、40…漏止め面
31…ポンピング溝（内側向き）
32…ポンピング溝（外側向き）
42…流体供給溝 44…オリフィス
50…外側部 52…内側部
60…内側区域 62…外側区域
70、72…ランド 74、76…ダム区域
80…丸め端 82…方形端
90…漏止め面 92、94、96…漏止め面区域
98、104…外方延びポンピング溝
100、102…内方延びポンピング溝
200…圧力分布 202…ステータ環
204…流体膜用間隙 206…ステータ保持部材
208…後ろ座 210…二次漏止め
214…外側区域からの全作用力のベクトル
216…流体供給域からの全作用力のベクトル
218…内側区域からの全作用力のベクトル
220…ステータ環の漏止め面
240…静止部分 246…ばね
248、258…間隔 250…軸
270…取付具 272…構造物

Claims

漏止め面を有する第１部材；
複数のポンピング溝付き漏止め面を有する環状の第２部材であって、当該ポンピング溝に当該第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の外側径に向けて外向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第１ポンピング溝組と、当該第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の内側径に向けて内向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第２ポンピング溝組とを含め、熱及び／又は圧力効果による一方の漏止め面でのコーニング発生時に、当該漏止め面の中央部に供給される流体を当該第２部材の漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させて第１及び第２部材の漏止め面の間に厚さ一様の流体膜を形成する第２部材；
前記第１及び第２部材を離隔偏倚させるばね；
前記第１及び第２部材の一方に当該一方と共に移動可能に取り付けた保持部材；
前記第１及び第２部材の一方と保持部材との間に設けられ且つ前記ばねに打ち勝って第１及び第２部材の漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙；並びに
不連続に形成された複数の供給溝区域からなり前記第２部材の漏止め面の中央部に流体を供給する供給溝
を備えてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記供給溝を第１部材内に設けてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記供給溝を第２部材内の漏止め面の中央部に設けてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記各供給溝区域の内部にオリフィスを設けてなる回転面漏止め装置。
請求項４の漏止め装置において、前記オリフィスを傾斜付きとしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１部材をステータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項６の漏止め装置において、前記第２部材をロータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１部材をロータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項８の漏止め装置において、前記第２部材をステータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を第２部材の漏止め面の外縁部の内側に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第２ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を第２部材の漏止め面の内奥部に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組及び第２ポンピング溝組の始端を第２部材の漏止め面の中央部の相互に近接した部位に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組の始まり位置を第２ポンピング溝組の始まり位置からずらせてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組を第２部材の漏止め面の中央部から外向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第２ポンピング溝組を第２部材の漏止め面の中央部から内向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、全ての前記ポンピング溝の幅をそれらの深さより大きくしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記各ポンピング溝に内側端縁と外側端縁とを設け、両端縁を第２部材の滑止め面の中央部に向けて内向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記各ポンピング溝組に同数のポンピング溝を含めてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記供給溝の底を丸めてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記供給溝の底を方形にしてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記保持部材に軸を固定し、前記ばねを当該軸の周りに配置し且つ移動不能部材に当接させてなる回転面漏止め装置。
請求項１の漏止め装置において、前記第１及び第２部材の一方に、他方が正コーニングを起こした時に一方に負コーニングを起こさせ且つ他方が負コーニングを起こした時に一方に正コーニングを起こさせる構成の保持部材を取り付けてなる回転面漏止め装置。
供給オリフィス付き漏止め面を有する第１部材であって、当該オリフィスが複数の供給溝区域を形成する第１部材の不連続な供給溝内に位置決めされた第１部材；
複数のポンピング溝付き漏止め面を有する環状の第２部材であって、当該ポンピング溝に当該第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の外側径に向けて外向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第１ポンピング溝組と当該第２部材の漏止め面の中央部から始まり第２部材の内側径に向けて内向きに延びるポンピング溝からなる一つ以上の第２ポンピング溝組とを含め、熱及び／又は圧力効果のため一方の漏止め面でのコーニング発生時に、第１部材の供給オリフィスにより第２部材の漏止め面の中央部に供給される流体を当該漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させて第１及び第２部材の漏止め面の間に厚さ一様の流体膜を形成する第２部材；
前記第１及び第２部材を離隔偏倚させるばね；
前記第１及び第２部材の一方に当該一方と共に移動可能に取り付けた保持部材；並びに
前記第１及び第２部材の一方と保持部材との間に設けられ且つ前記ばねに打ち勝って第１及び第２部材の漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙
を備えてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記各供給溝区域に第１部材の厚さ貫通の供給オリフィスを設けてなる回転面漏止め装置。
請求項２４の漏止め装置において、前記供給オリフィスを傾斜付きとしてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１部材をステータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項２６の漏止め装置において、前記第２部材をロータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１部材をロータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項２８の漏止め装置において、前記第２部材をステータ環としてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を第２部材の漏止め面の外縁部の内側に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第２ポンピング溝組の各ポンピング溝の終端を第２部材の漏止め面の内奥部に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組及び第２ポンピング溝組の始端を第２部材の漏止め面の中央部の相互に近接した部位に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組及び第２ポンピング溝組の始端をずらせてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１ポンピング溝組を第２部材の漏止め面の中央部から外向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第２ポンピング溝組を第２部材の漏止め面の中央部から内向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、全ての前記ポンピング溝の幅をそれらの深さより大きくしてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記各ポンピング溝に内側端縁と外側端縁とを設け、両端縁を第２部材の滑止め面の中央部に向けて内向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記各ポンピング溝組に同数のポンピング溝を含めてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１部材の供給溝の断面に丸めた底を設けてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１部材の供給溝の断面に方形底を設けてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記保持部材に軸を固定し、前記ばねを当該軸の周りに配置し且つ移動不能部材に当接させてなる回転面漏止め装置。
請求項２３の漏止め装置において、前記第１及び第２部材の一方に、他方が正コーニングを起こした時に一方に負コーニングを起こさせ且つ他方が負コーニングを起こした時に一方に正コーニングを起こさせる構成の保持部材を取り付けてなる回転面漏止め装置。
漏止め面を有する環状のステータ；
ステータ漏止め面に極めて接近した漏止め面を有する環状のロータ；
ロータ正コーニング時のステータ負コーニング許容又はロータ負コーニング時のステータ正コーニング許容作用のある後ろ座を有するステータ保持部材；
前記ステータとロータとを離隔偏倚させるばね；
前記ステータと保持部材との間に設けられ且つ前記ばねに打ち勝ってステータ及びロータの漏止め面を至近位置へ押圧する所定レベルのシステム圧力が加えられる間隙；
前記ロータ又はステータの漏止め面であって、ロータ又はステータの漏止め面の内側径に向けて内向きに延びるポンピング溝を有する第１区域と、ロータ又はステータの漏止め面の外側径に向けて外向きに延びるポンピング溝を有する第２区域との少なくとも２区域に分けられた区域化漏止め面；及び
ロータ又はステータの漏止め面であって、複数の供給溝区域を形成する不連続な供給溝内に位置決めされ且つロータ又はステータを貫通する流体供給オリフィスを有し、前記内向きに延びるポンピング溝と外向きに延びるポンピング溝とへ同時に流体を指向させてステータに対しロータ正コーニング時の負コーニング又はロータ負コーニング時の正コーニングを生起させるオリフィス付き漏止め面
を備えてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記外向きに延びるポンピング溝がロータ又はステータの漏止め面の中央部から始まって外側に延び、前記内向きに延びるポンピング溝がロータ又はステータの漏止め面の中央部から始まって内側に延び、前記オリフィス経由でロータ又はステータの漏止め面の中央部へ供給される流体を漏止め面の中央部から内向き・外向きの両向きへ同時に指向させてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記供給溝区域にオリフィスを形成してなる回転面漏止め装置。
請求項４５の漏止め装置において、前記オリフィスを傾斜付きとしてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記オリフィスを傾斜付きとしてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記ステータ漏止め面にポンピング溝を形成してなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記ロータ漏止め面にポンピング溝を形成してなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記ロータ漏止め面にオリフィスを形成してなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記ステータ漏止め面にオリフィスを形成してなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記外向きに延びるポンピング溝の終端を漏止め面の外縁部の内側に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記内向きに延びるポンピング溝の終端を漏止め面の内奥部に位置決めしてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、全ての前記ポンピング溝を相互に近接した位置で始めてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記各ポンピング溝の始端をずらせてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、全ての前記ポンピング溝の幅をそれらの深さより大きくしてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記各ポンピング溝に内側端縁と外側端縁とを設け、両端縁をロータ又はステータの中央部に向けて内向きに湾曲させてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記各ポンピング溝組に同数のポンピング溝を含めてなる回転面漏止め装置。
請求項４３の漏止め装置において、前記保持部材に軸を固定し、前記ばねを当該軸の周りに配置し且つ移動不能部材に当接させてなる回転面漏止め装置。