JP4500476B2 - 非密閉流体シール用シールリング - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の、共軸で互いに相対回転するシール要素の間に絞り通路を有する非密閉流体シール用シールリングに関する。
【０００２】
この種のシールリングは、ガスタービン駆動装置のラビリンスシールに好んで使用され、共軸の通常静的な流入口被覆とともに流体工学的絞り箇所を形成し、それによって様々な運転圧でガスに直撃される隣接空間を維持する。この場合こうしたシールリングは、専門家の間で通常「シールフィン」と呼ばれるシールリブを軸方向に幾つか順次設置するのが普通である。特に大型駆動装置では、シールフィンと流入口被覆の間で軸方向および径方向に大きな相対運動が生じ、その際にシールフィンが径方向に流入口被覆に侵入して、それを軸方向にある長さにわたって削り取る。この流入プロセスは、通常は１フライト後に大幅に停止し、以後は望ましい再現可能なシール作用が生じるとされている。平滑なシールフィンの場合、流入口被覆に対する作用は、フィン先端の高い熱負荷を伴う摩擦プロセスである。このため亀裂を伴う構造変化が生じ、最悪の場合シールリングが破壊して駆動装置に危険をもたらす。この問題に対処する「フィン先端防護被覆」と呼ばれる多くの対策が知られる。
【０００３】
このためドイツ特許ＤＥ ４３４１ ２１６ Ｃ２は、間隙もしくはラビリンスシールのシール部品を金属と硬質粒子の結合による被覆で保護し、その際硬質粒子は、表面を平らな同一平面にして均一に形成した部材として設置される。この構造では、流入口材料が摩擦によりはがれるだけでなく、熱可塑性の流動によっても押し退けられることになる。しかしこれは、摩擦による強度の熱発生があることに基づき、それがまたフィン材料を損傷する。
【０００４】
ドイツ特許ＤＥ １９７ ３０ ００８ Ｃ１は、金属製の駆動装置部品の防護被覆を保護する。これは、被覆（Ａｎｓｔｒｅｉｆｅｎ）の際に流入口被覆に施され、セラミック層を囲み、各先端とそれらの間の空き空間を削り取った材料の搬出に適合させ、その形状が被覆前に構成部品表面を成形、好ましくはぎざ付けにより形成するものである。従ってシールフィン全体は、円周上に一様に分布する多くの刃を持ち、表面にセラミック被覆した鋸刃のように形成される。この解決法は、特に刃ないし先端の間の多くの空き空間が一般的にシール効果を悪化させる欠点を有する。先端の材料断面が小さく点状に熱誘導されるため局部的な熱流圧縮が発生し、それが平滑なシールフィンの場合より高いため材料組織にとってきわめて危険になるおそれがある。それだけでなく、Ｖ字形で脚部に鋭いへりを持つ空き空間が応力上昇させるノッチを形成し、そこから危険な亀裂が発生するおそれがある。効率の良い摩擦と、熱的に危険のない流入プロセスの点では、目の粗い刃が有利である。これは良好なシール効果という要求に反するので、実際にはきわめて細かい平坦な刃が使用可能である。その限りではこの解決法でも、上記の熱による欠点を有する摩擦現象がある。
【０００５】
これら周知の解決法とその欠点に対し本発明の課題は、非密閉流体シール、特にガスタービン駆動装置のラビリンスシールを創出し、一方で高速、摩擦的で、熱的、機械的に問題のない流入プロセスと、他方で、適当で機械的に削り取れる流入口被覆と協働する良好で再現可能で計算可能なシール作用を保証することである。
【０００６】
この課題は、請求項１とそのプレアンブルの優れた特徴の結合により解決される。
【０００７】
本発明のシールリングは、従来の実施形態の特徴と、少なくとも１つの平滑で回転対称のシールリブと摩擦による形態を有利に組み合わせ、その際シールリブの１つまたは少数の不連続な位置だけにのみ、シールリブの輪郭線から突き出す１つまたは少数の刃物要素を設置する。これら刃物要素は、実際に切れる、ないし削れて頑丈、すなわち機械的に高耐性であるため、短時間に大がかりな研磨作業なしに十分に被覆材料を削り取り、平滑で密閉なシールリブ輪郭線のため望ましい間隙ができる。
【０００８】
切削による製作では、低速で回転する材料を加工するために、「ねじ切り」（Ｇｅｗｉｎｄｅｗｉｒｂｅｌｎ）と呼ばれる、１つまたは少数の内向きに突き出した刃を有する高速回転の中空の工具を使用する方法が知られている。工具と工作物がねじ切りのとき互いに共軸でないとしても、この方法は、本発明のシールリングの流入プロセスを思わせる。従属請求項には、本発明の好ましい形態が記載される。
【０００９】
以下に、本発明を図面に基づきさらに詳細に説明する。なお、それらは簡略化して実寸通りでない図である。
【００１０】
図１のシールリングは、少なくとも概ね回転対称な支持部３を有し、この支持部３は、少なくとも１つの隣接し回転する構成部品（図示せず）と堅固に結合されている。支持部３には、径方向に外向きの２つのシールリブ５、６を設置し、それらは円周の大部分にわたって平滑で回転対称な輪郭線を有する。従ってそれらの自由へり８、９も概ね平滑で回転対称、すなわち円筒形である。補足すれば、１つの支持部にはシールリブ１つだけまたは２つ以上設置でき、直径において少なくとも２種類のシールリブの自由へりによる段差があってもよい、すなわち大きさが異なってもよく、またシールリブすべてまたは一部が径方向に内向きに支持部から突き出してもよい。
【００１１】
破線の輪郭線１１、１２は、刃物要素とそれらの回転軌跡を示す。刃物要素１１、１２がそれぞれ径方向に、両面が径方向且つ軸方向にシールリブ輪郭線から突き出すのがわかる。これにより、シールリブ５、６自身はそれらの自由な密閉へり８、９を含め対向する流入口被覆１７と実際上接触することがないので、表面硬化、防護被覆などの対策が完全に不要となる。
【００１２】
隣接する静的シール要素として破線で示す流入口被覆１７は、（実際によくあるように）金属製のハニカム構造であり、その材料は比較的問題なく切削加工で処理できる、すなわちある程度の可延性と正確な破壊挙動を示す必要があろう。
【００１３】
径方向のくり込み間隙を越えるシールリング１と流入口被覆１７間の径方向と軸方向の相対運動により、流入口被覆１７は、内側を領域ごとに削られるため、全負荷サイクル後、たとえば操作によるフライト後に特徴的な流入口輪郭線１８が形成され、以後の運転で変化しないか、またはほとんど変化しない。流入口輪郭線１８は、発生する刃物要素１１、１２のすべての相対的偏向の外部包絡線に概ね対応する。
【００１４】
流入プロセスは構成部品の寿命のごく一部分にすぎないので、その終了後に刃物要素を取り外すか、シールリブ輪郭線と同一平面まで削ることができる。取り外しできる刃物要素は、リブと同一平面の交換部材と交換できる。これらすべては、例えば最初の駆動装置オーバーホールの部品として適している。
【００１５】
図２は、シールリング２上の形態の異なる刃物要素１３ないし１６を、支持部４上で径方向で外側のシールリブ７とともに詳細に示す。この場合、自由な密閉へり１０は上向きである。左図にプレート状の刃物要素１３を示し、軸方向ないし径方向すなわちシールリブ７に水平に、これを通って設置される。刃物要素１３は、径方向（上向き）に、両側面を軸方向に（右前方と左後方に向かって）シールリブ輪郭線から突き出している。切断形状は詳細に図示せず、その場合の適当な角度、チップ排出および破断装置については専門技術者に委ねる。刃物要素１３は、通常シールリブ７より硬い材料、好ましくは硬質合金、セラミックもしくはそれベースの材料結合でなければならない。材料との関係で、形状閉合を補うはんだ付けや接着など材料接着による結合が有用である。さらに応力除去穴１９があり、刃物要素１３脚部でのシールリブ材料内の危険な切り欠き応力を防ぐ。密閉性のため応力除去穴１９は、栓、接着剤またははんだなどで塞ぐことができる。左から２番目の刃物要素１４は同じくプレート状に形成されるが、その配置は径方向、シールリブ７の片側で基本的に円周方向に、ポケット状の凹み内にある。片側の配置は、少なくとも１対の刃物要素１４がシールリブごとに配置されることを要し、その際それらは軸方向に対向または円周方向に配置される。
【００１６】
左から３番目の刃物要素１５は、最初の刃物要素１３とくさび形の点で異なるが、軸方向及び径方向の配置は同じである。くさび形は、径方向でも形状閉合による固定を可能にし、そのため遠心力から確実に保全できる。材料閉合による追加的固定は、いずれにせよ軸方向の移動を防ぐのに有効である。さらにくさび形は、２つの側面刃の「引き切り」（ｚｉｅｈｅｎｄｅｎ Ｓｃｈｎｉｔｔ）を可能にする。シールリブ７を通る２つの下側のくさび角の領域で応力に対する有効な応力除去配置が可能であるが、ここでは説明しない。右の刃物要素１６は、純粋に形状閉合による固定の特性を有する。このため、脚部領域で円筒状に段差付けし、刃ないしヘッド領域で直角に形成される。シールリング２に対する組み込みは、内側から径方向に差し込んで行われる。内側への抜け落ちに対する対策を行うことができる（図示せず）。この種の刃物要素は、支持する構成部品の断面を局部的に比較的大きく減少させるので、シールリングの支持部を厚くしなければならないという欠点を有することは、確かである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シールリング及びシールリングと協働する流入口被覆の軸方向の部分断面図である。
【図２】 シールリングと各種の刃物要素の部分透視図である。

Claims (2)

1. 共軸で互いに相対回転するシール要素間の絞り通路を有する非密閉流体シール用のシールリングであって、
   少なくとも１つの構成部分に通じる支持部と、
   径方向に外向きまたは内向きに支持部全体の周囲に延びるシールリブとを有し、
   シールリブの自由な周囲縁部が運転中に径方向に対向する流入口被覆とともに流体力学的絞り位置を形成し、シールリブが流入口被覆に対して摩擦的な幾何形状を有する、シールリングにおいて、
   シールリブ（５、６、７）がその周囲の大部分にわたって平滑で回転対称な輪郭線を有し、シールリブ（５、６、７）の１つまたは複数の位置に、１つまたは複数の刃物要素（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が設置され、前記刃物要素（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が径方向に、且つ片面または両面で軸方向にシールリブ（５、６、７）の輪郭線から突出し、前記刃物要素（１１、１２、１３、１４、１５、１６）が金属、セラミックで被覆した金属またはセラミック製であり、形状係合、または材料接着によりシールリブ（５、６、７）と結合されることを特徴とするシールリング。
2. シールリブ（５、６、７）の１カ所乃至４カ所に、それぞれ１つの刃物要素（１１、１２、１３、１４、１５、１６）、または軸方向に対向する１対の刃物要素（１４）が設置されることを特徴とする請求項１に記載のシールリング。

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