JP4212156B2 - 可撓性布シール・アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的にはシールに関し、特に、可撓性布シール・アセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールは流体の漏れを最少にするために使用される。公知のシールとして布シールがあり、これは概して不通気性のシム集合材と、このシム集合材を全体的に包囲する布集合材とを有する。布シールは、例えば動力発生に用いる蒸気タービンおよびガスタービン用のシール・アセンブリや航空機および船舶の推進に用いるガスタービン用のシール・アセンブリに使用可能であるが、これらに限らず多くの用途に用い得るものである。
【０００３】
蒸気タービンは、通例、直流関係にある蒸気入口とタービンと蒸気出口とを含む蒸気通路を有する。ガスタービンは、通例、直流関係にある空気入口と圧縮機と燃焼器とタービンとガス出口（または排気ノズル）とを含むガス通路を有する。ガスまたは蒸気通路からの漏洩あるいはガスまたは蒸気通路内への漏洩のような、比較的高圧の区域から比較的低圧の区域へのガスまたは蒸気の漏洩は一般に望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン域におけるガス通路漏洩はガスタービンの効率を下げるので、燃料費が高くなる。また、ガスタービンの燃焼器域でガス通路漏洩が生じると、出力レベルを保つために燃焼温度を上げることが必要になり、このような燃焼温度上昇の結果として汚染が増加し、例えばＮＯｘとＣＯの発生量が多くなる。
【０００４】
ガス通路漏洩は、燃焼器とタービンとの間の間隙のような比較的大きなガスタービン構成部相互間の隙間を介して生じ、またガス通路漏洩は、燃焼器ケーシング・セグメント相互間の間隙のような比較的小さなガスタービン構成部相互間の間隙を介して生じる。このような構成部は相異なる形状の表面を有し、組立ての整合不良の影響を受け、そして振動する。例えば、振動は、運転速度に達する前に一つ以上の危険振動数を通過しなければならないタービン・ロータの始動の際に特に重要である。また、高温部を有する構成部、例えば燃焼器およびタービンは、熱的には高温ガス流を通し通例様々な熱膨張を起こす。蒸気通路漏洩は、ガスタービン構成部間の間隙によるガス通路漏洩と同様に、蒸気タービン構成部間の間隙を介して生じる。
【０００５】
幾つかの布シール装置がガスタービンのガス通路漏洩間隙と蒸気タービンの蒸気通路漏洩間隙とにおいて用いるものとして既に提案されている。しかし、このような従来の布シール・アセンブリは２つの構成部相互間の漏洩路間隙の寸法の大きな変化に対応することができないので、このような「大間隙変化」の用途に用いるものとして提案されることはなかった。従来の布シール・アセンブリをこのような「大間隙変化」用途に用いた場合、布シールは両構成部相互間の間隙が非常に小さくなった時にクリンプを起こし（すなわち非弾性的に曲がり）、その後に間隙が正常に戻るか又は非常に大きくなった時に漏止めの役をなさなくなるおそれがある。
【０００６】
このような「大間隙変化」用途に用いられた従来のシールは、例えば金属製の通常の剛性シールまたはリーフ・シールであり、２．４％の漏れ率を有し得る（この漏れは主として、相異なる表面形状、組立て不整合、振動、熱膨張および／または摩耗によるシール周囲の流れからのものである）。燃焼器ではこのような漏れの結果として、１５ｐｐｍ（またはそれ以上）のＮＯｘと、同様な量のＣＯとが発生し得る。通常の剛性シールまたはリーフ・シールは漏止め能力が布シールほど高くないことに注意されたい。そこで必要とされるものは、振動、熱膨張差等によるガス通路漏洩間隙寸法の大きな変化に対応し得る可撓性布シールを有する改良されたシール・アセンブリである。
【０００７】
【発明の概要】
本発明のシール・アセンブリは可撓性布シールと第１管状端部と第２管状端部とを含む。可撓性布シールは、概して不通気性のシム集合材と、このシム集合材を全体的に包囲している布集合材と、概して相対する第１および第２縁と、第１および第２縁と境を接し且つ布集合材の厚さだけ離隔された概して相対する第１および第２面とを有する。第１管状端部は、概して滑らかであって概して相対して相隔たる第１および第２表面部分を有する。第１および第２表面部分は相互間に切欠きを画成する。切欠きは比較的狭い底部と比較的幅広の頂部とを有し、この頂部はまたその付近における可撓性布シールの厚さより幅広であり、そして切欠きはその底部から第１管状端部の長手方向延在軸線から外向きに延在する。第２表面部分は概して外側が湾曲しており、可撓性布シールの第１縁は切欠き内にその底部の付近に配置され、そして可撓性布シールの第１面は第１縁の付近で第１管状端部の第１表面部分に次のような方向、すなわち、それの軸線への投影が第１長手方向を定めるような方向に面する。第２管状端部は、第１管状端部の付近に配置されてそれから離隔され且つそれと概して同軸的に整合される。第２管状端部は概して滑らかな第３表面部分を有し、この第３表面部分は第１管状端部の少なくとも一部分を囲み且つ第１長手方向とは逆の長手方向に移行するにつれて軸線から遠ざかるように延在する。可撓性布シールの第１面は第２縁の付近で第３表面部分と接触する。第１面は比較的低圧の区域にさらされる第１面部を有する。第２面は、第１面部とは概して反対の側にあって比較的高圧の区域にさらされる第２面部を有する。可撓性布シールの第２縁は次のような方向、すなわち、それの軸線への投影が第１長手方向とは逆の向きと整合するような方向を向いている。
【０００８】
本発明から様々な利点が得られる。可撓性布シールの第２面は、間隙が非常に小さい間は、外側湾曲第２表面部分に接触し、このような第２表面部分は弾性変形を阻止するように支持をなす。さもなければ、当業者には理解できるように、「大間隙変化」用途において弾性変形が生じる。工学的な解析によれば、本発明のシール・アセンブリを用いるとガスまたは蒸気の漏れ率は０．４％になり、これは、動力発生に用いるガスタービンまたは蒸気タービンの諸用途では、従来の剛性シールまたはリーフ・シールあるいは従来の布シール装置と比べて毎年タービン１台当たり数万ドルの節約になり得る。本発明のシール・アセンブリの使用によるこのような改良ガス通路漏洩に応じて、ＮＯｘとＣＯの発生も少なくなり、ＮＯｘ発生量９ｐｐｍとＣＯ発生量９ｐｐｍという将来の政府汚染基準に適合することが期待される。
【０００９】
【詳しい説明】
添付図面の全図を通じて同じ符号は同じ要素を表す。図１〜図３は本発明の第１好適実施例のシール・アセンブリ１１０を示す。シール・アセンブリ１１０は可撓性布シール１１２と第１管状端部１１４と第２管状端部１１６とを含む。シール・アセンブリ１１０は第１および第２管状端部１１４および１１６（これらのほんの一部分だけを図示してある）の間の気体（例えば圧縮空気または燃焼ガス）通路または蒸気通路漏れ間隙１１８を全体的に密封するためのものである。好ましくは、第１および第２管状端部１１４および１１６はそれぞれ中空直円柱形であり、第１管状端部１１４は第１タービン構成部（望ましくは第１ガスタービン構成部、好ましくは燃焼器）の端部であり、第２管状端部１１６は第２タービン構成部（望ましくは第２ガスタービン構成部、好ましくは第１段ノズル）の端部である。両管状端部は、例えば円錐形ダクトまたは正方形導管であるが、これらに限らず、技術者によって選択された任意の管形でよい。
【００１０】
シール・アセンブリ１１０の可撓性布シール１１２は、概して不通気性のシム集合材１２２と、シム集合材１２２を概して包囲している布集合材１２４とを有し、厚さ１２０持つ。可撓性布シール１１２はまた、概して相対する第１および第２縁１２６および１２８と、第１および第２縁１２６および１２８と境を接し且つ厚さ１２０だけ離隔された概して相対する第１および第２面１３０および１３２とを有する。布シールの一例は米国特許第５５８６７７３号に開示されている。好ましくは、厚さ１２０は可撓性布シール１１２全体にわたってほぼ一定である。
【００１１】
可撓性布シール１１２のシム集合材１２２は可撓性および弾性を有し、概して無孔であり且つ概して不通気性である。シム集合材１２２の弾性は可撓性布シール１１２の密封性を保つとともに、相異なる表面形状、組立て不整合、振動および／または第１および第２管状端部１１４および１１６の間に熱的に誘起された相対移動に対処し得る。シム集合材１２２は（図３に示すように）少なくとも一つのシム層からなる。シム集合材１２２は、可撓性を高めるために千鳥形に配設したスロットを有する少なくとも２つの重なり合う（好ましくは同様な）シム層で構成し得る。シム層は金属、セラミックおよび／または重合体シートを有する（好ましくは、実質上これらから構成される）。シム用材料の選定およびシム層の厚さの選定は、特定シール用途の漏止めと可撓性と弾性の要件に適合するように技術者によってなされる。好ましくは、シム集合材１２２は４層以下のシム層を有する。好ましくは、シム集合材１２２はほぼ１００分の１〜１００分の２０インチの厚さを有し、各シム層は例えばインコ７５０（Ｉｎｃｏ−７５０）またはＨＳ−１８８のような高温コバルト基超合金を有する（好ましくは、実質上こそれから構成される）。シム層は特定シール用途に基づいて相異なる材料で構成され及び／又は相異なる厚さを有し得ることに注意されたい。
【００１２】
可撓性布シール１１２の布集合材１２４は可撓性であって、（図３に示すように）少なくとも１層の布からなる。布集合材１２４は重なり合う少なくとも２層の布で構成し得る。１層の布は金属、セラミックおよび／または重合体の繊維を有する（好ましくは、実質上これらから構成される）。このような繊維は織るか編むかあるいは型押しすることにより１層の布にしたものである。層構造（すなわち、織物、編物または型押し構造）の選定および布材料の選定並びに１層の厚さの選定は、特定シール用途の耐摩耗性と可撓性と漏止めの要件に適合するように技術者によってなされる。好ましくは、布集合材１２４は２層以下の布を有する。このような多重布層は特定シール用途に基づいて相異なる材料で構成し、相異なる層構造（すなわち、織物、編物または型押し構造）を有し、および／または相異なる厚さを有し得ることに注意されたい。好ましくは、各布層は織布層である。布集合材１２４の一例は、例えばＬ−６０５またはヘインズ２５（Ｈａｙｎｅｓ−２５）のような高温コバルト基超合金を有する（好ましくは、実質上それから構成される）ダッチ・トウィル（Ｄｕｔｃｈ Ｔｗｉｌｌ）織り布集合材である。布集合材１２４がシム集合材１２２と接触している時、布層の「平面 （ｐｌａｎｅ）」における漏れが横糸方向と斜め方向とたて糸方向において減少することに注意されたい。また、多くのガスタービン・シール用途（例えば燃焼器ケーシング・セグメント相互間の用途）では湾曲フォイル層集合材が必要であることに注意されたい。図示してないが、シム集合材は第１および／または第２縁において布集合材を突き抜けてもよいことを指摘しておく。
【００１３】
シール・アセンブリ１１０の第１管状端部１１４は、概して長手方向に延在する軸線１３４を有する。図１および図２において、可撓性布シール１１２並びに第１および第２管状端部１１４および１１６は軸線１３４の上側にある部分だけが示されていて、軸線１３４の下側にある部分は明示のため省略されていることに注意されたい。第１管状端部１１４はまた、概して滑らかであり且つ概して相対して相隔たる第１および第２表面部分１３６および１３８を有し、両表面部分は相互間に切欠き１４０を画成する。切欠き１４０は比較的狭い底部１４２と比較的幅広の頂部１４４とを有し、切欠き１４０の頂部１４４はまたその付近における可撓性布シール１１２の厚さ１２０より幅広であり、そして切欠き１４０は底部１４２から軸線１３４から外向きに延在する。第２表面部分１３８は概して外側が湾曲している。可撓性布シール１１２の第１縁１２６は切欠き１４０内に切欠き底部１４２の付近に配置され、そして可撓性布シール１１２の第１面１３０は第１縁１２６の付近で第１表面部分１３６に次のような方向、すなわち、該方向の軸線１３４への投影が第１長手方向１４６を定めるような方向に面する。「（ある物の）付近」という用語の意味は、本発明の説明のために、それに限定されないが、その物の「位置」も含むことに注意されたい。
【００１４】
シール・アセンブリ１１０の第２管状端部１１６は、第１管状端部１１４の付近に配置されて、それから離隔され且つそれと概して同軸的に整合される。第２管状端部１１６は概して滑らかな第３表面部分１４８を有し、この第３表面部分は第１管状端部１１４の少なくとも一部分を囲み、且つ第１長手方向１４６とは逆の長手方向に移行するにつれて軸線１３４から遠ざかるように延在する。可撓性布シール１１２の第１面１３０は第２縁１２８の付近で第３表面部分１４８と接触する。可撓性布シール１１２の第１面１３０は比較的低圧の区域１５２にさらされる第１面部１５０を有する。可撓性布シール１１２の第２面１３２は、第１面部１５０とは概して反対の側にあり且つ比較的高圧の区域１５６にさらされる第２面部１５４を有する。好ましくは、低圧域１５２は第１および第２管状端部１１４および１１６の内側に延在し、高圧域１５６は第１および第２管状端部１１４および１１６の外側に延在する。可撓性布シール１１２の第２縁１２８は次のような方向、すなわち、それの軸線１３４への投影が第１長手方向１４６とは逆の向きと整合するような方向を向いている。軸線１３４からの第１および第２管状端部１１４および１１６の半径方向距離は運転状態によっては等しくなくてもよいことに注意されたい。運転中、漏れ間隙１１８は、主として、第１および第２管状端部１１４および１１６の相対振動および／または第１および第２管状端部１１４および１１６の熱膨張差によって寸法が変わる。前述のように、可撓性布シール１１２の第２面１３２は、間隙１１８が非常に小さい間は、第１管状端部１１４の外側湾曲第２表面部分１３８に接触し（図１参照）、このような第２表面部分は可撓性布シール１１２（特に可撓性布シール１１２のシム集合材１２２）の弾性変形を阻止するように支持をなす。このような第２表面部分がなければ、当業者には理解できるように、「大間隙変化」用途において弾性変形が発生する。
【００１５】
図４は本発明の第２好適実施例のシール・アセンブリ２１０を示す。シール・アセンブリ２１０は前述の第１好適実施例のシール・アセンブリ１１０と同様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・アセンブリ２１０では、第１管状端部２１４の第１表面部分２３６が、軸線２３４から半径方向外向きに移行するにつれて、第１長手方向２４６とは逆の方向に向かってより多く湾曲している。これに比べて、シール・アセンブリ１１０における第１管状端部１１４の第１表面部分１３６は軸線１３４から概して半径方向外向きに延在する。
【００１６】
図５は本発明の第３好適実施例のシール・アセンブリ３１０を示す。シール・アセンブリ３１０は前述の第１好適実施例のシール・アセンブリ１１０と同様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・アセンブリ３１０では、第１管状端部３１４の第１表面部分３３６が、軸線３３４から半径方向外向きに移行するにつれて、第１長手方向３４６に向かってより多く湾曲している。これに比べて、シール・アセンブリ１１０における第１管状端部１１４の第１表面部分１３６は軸線１３４から概して半径方向外向きに延在する。
【００１７】
図６は本発明の第４好適実施例のシール・アセンブリ４１０を示す。シール・アセンブリ４１０は前述の第１好適実施例のシール・アセンブリ１１０と同様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・アセンブリ４１０では、第２管状端部４１６の第３表面部分４４８が、自由端４６０を有するフランジ４５８の一部分であり、自由端４６０は次のような方向、すなわち、それの軸線４３４への投影が第１長手方向４４６と整合するような方向を向いている。これに比べて、シール・アセンブリ１１０における第２管状端部１１６の第３表面部分１４８は、自由端１６０を有するフランジ１５８の一部分であり、自由端１６０は次のような方向、すなわち、それの軸線１３４への投影が第１長手方向１４６とは逆の向きと整合するような方向を向いている。
【００１８】
図７は、第１管状端部５１４の第１表面部分５３６および第２表面部分５３８と、第２管状端部５１６の第３表面部分５４８とを含む本発明のシール・アセンブリの第５好適実施例５１０の概略を示す。シール・アセンブリ５１０は前述の第１好適実施例のシール・アセンブリ１１０と同様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・アセンブリ５１０では、低圧域５５２が第１および第２管状端部５１４および５１６の外側に延在し、そして高圧域５５６が第１および第２管状端部５１４および５１６の内側に延在する。これに比べて、シール・アセンブリ１１０では、低圧域１５２は第１および第２管状端部１１４および１１６の内側に延在し、そして高圧域１５６は第１および第２管状端部１１４および１１６の外側に延在する。これは、シール・アセンブリ５１０では第１長手方向５４６が第１シール・アセンブリ１１０の第１長手方向１４６とは逆であるからである。これは、シール・アセンブリ１１０では第１表面部分１３６が第２表面部分１３８より第１管状端部１１４の自由端１６２に近いのに対し、シール・アセンブリ５１０では第１表面部分５３６が第２表面部分５３８より第１管状端部５１４の自由端５６２から遠くにあるということによる。
【００１９】
以上、本発明の様々な好適実施例を例示の目的で説明したが、本発明は開示した明確な態様に限定されるものではなく、明らかに、上述の教示から多様な改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシール・アセンブリの第１好適実施例の概略断面図であり、２つの構成部相互間の漏れ間隙がその最小所定位置にある場合を示す。
【図２】図１と同様の断面図であるが、２つの構成部相互間の漏れ間隙がその最大所定位置にある場合を示す。
【図３】図１のシール・アセンブリの布シールの拡大図である。
【図４】図１と同様な、本発明のシール・アセンブリの第２好適実施例の概略断面図である。
【図５】図１と同様な、本発明のシール・アセンブリの第３好適実施例の概略断面図である。
【図６】図１と同様な、本発明のシール・アセンブリの第４好適実施例の概略断面図である。
【図７】図１と同様な、本発明のシール・アセンブリの第５好適実施例の概略断面図である。
【符号の説明】
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ シール・アセンブリ
１１２ 可撓性布シール
１１４、２１４、３１４、５１４ 第１管状端部
１１６、４１６、５１６ 第２管状端部
１２２ シム集合材
１２４ 布集合材
１２６ 第１縁
１２８ 第２縁
１３０ 第１面
１３２ 第２面
１３４、２３４、３３４、４３４ 軸線
１３６、２３６、３３６、５３６ 第１表面部分
１３８、５３８ 第２表面部分
１４０ 切欠き
１４２ 切欠き底部
１４４ 切欠き頂部
１４６、２４６、３４６、４４６、５４６ 第１長手方向
１４８、４４８、５４８ 第３表面部分
１５０ 第１面部
１５２、５５２ 低圧域
１５４ 第２面部
１５６ 高圧域

Claims (3)

1. ａ）厚さと、概して不通気性のシム集合材と、このシム集合材を概して包囲している布集合材と、概して相対する第１および第２縁と、前記第１および第２縁と境を接し且つ前記厚さだけ離隔された概して相対する第１および第２面とを備えた可撓性布シールと、
   ｂ）概して長手方向に延在する軸線と、概して滑らかで且つ概して相対して相隔たる第１および第２表面部分とを有する第１管状端部であって、前記第１および第２表面部分は相互間に切欠きを画成し、前記切欠きは比較的狭い底部と比較的幅広の頂部とを有し、この頂部はまたその付近における前記可撓性布シールの前記厚さより幅広であり、前記切欠きは前記底部から前記軸線から外向きに延在し、前記第２表面部分は概して外側が湾曲しており、前記第１縁は前記切欠き内に前記底部の付近に配置され、そして前記第１面は前記第１縁の付近で前記第１表面部分に次のような方向、すなわち、それの前記軸線への投影が第１長手方向を定めるような方向に面するようにした第１管状端部と、
   ｃ）前記第１管状端部の付近に配置されて、それから離隔され且つそれと概して同軸的に整合された第２管状端部であって、概して滑らかな第３表面部分を有し、この第３表面部分は前記第１管状端部の少なくとも一部分を囲み、且つ前記第１長手方向とは逆の長手方向に移行するにつれて前記軸線から遠ざかるように延在し、前記第１面は前記第２縁の付近で前記第３表面部分と接触し、前記第１面は比較的低圧の区域にさらされる第１面部を有し、前記第２面は前記第１面部とは概して反対の側にあり且つ比較的高圧の区域にさらされる第２面部を有し、そして前記第２縁は次のような方向、すなわち、それの前記軸線への投影が前記第１長手方向とは逆の向きと整合するような方向を向いているようにした第２管状端部と
   を含んでいることを特徴とするシール・アセンブリ。
2. 前記低圧域は前記第１および第２管状端部の内側に延在し、前記高圧域は前記第１および第２管状端部の外側に延在する請求項１記載のシール・アセンブリ。
3. 前記第１および第２管状端部はそれぞれ中空直円柱形である請求項２記載のシール・アセンブリ。

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