JP4551064B2 - 回転部材用のシール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に回転機械用の端面シールに関し、より具体的には、端面シール組立体のための二次シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
端面シールは、より高い圧力区域からより低い圧力区域に向かって生じる、２つの構成部品間の間隙を通しての漏洩を最小にするために用いられる。このようなシールは、例えば蒸気タービン及びガスタービンなどの回転機械において用いられてきた。端面シールは、蒸気タービン内のロータとステータとの間の蒸気の漏洩を最小にし、またガスタービン内のロータとステータとの間の加圧空気又は燃焼ガスの漏洩を最小にする。
【０００３】
端面シール及び吸引シールを含む、可動要素を有する軸方向シールは、摺動する二次シールを必要とする。この二次シールは、一次シールと同じ圧力比を処理する能力がなければならないし、また漏洩は最小限でなければならない。二次シールは、一方が固定部品であり他方が軸方向に摺動する部品である２つの部品間で機能する。二次シールは、ドライ式（無潤滑式）であり、かつ内部摩擦の少ないものでなければならない。ガスタービンエンジン用途では、二次シールは更に、厳しい熱環境及びダストを含む厳しい作動環境に曝される。二次シールは、２つの部分の間をシールする能力がなければならないが、変化する熱伝導係数を持つ周囲の高温ガスにより異なる率で半径方向に偏倚する。従来技術による二次シールは、一般的に二次シール要素として複数の弓形のセグメント又はピストンリングを用い、多数のコイルばねによって該シール要素を位置決めしている。このことは、不必要に多数の部品を必要とすることになる。更に、高いガス速度の時に、ダストが、コイルばねのような断続した部品の材料を侵食して取り去り、シール破損を招く可能性がある。
【特許文献１】
米国特許第６３７１４８８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、単純な構造を備えた二次シールを有する端面シール組立体に対する要求がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の要求は、軸方向に移動可能な状態でシール支持構造体に取り付けられた環状のシール本体を有する端面シール組立体を提供する本発明によって満たされる。ピストンリングが、環状のシール本体とシール支持構造体との間に配置されて二次シールを形成する。環状の波形ばねである第１のロケータばねが、シール支持構造体とピストンリングとの間に配置されて、該ピストンリングを軸方向に付勢する。随意的に、これもまた波形ばねである第２のロケータばねをピストンリングとシール支持構造体との間に配置して、該ピストンリングを半径方向に付勢してもよい。
【０００６】
本発明及び従来技術に優るその利点は、付属の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。
【０００７】
本発明として見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に具体的に指摘されかつ明確に請求されている。しかしながら、本発明は、付属の図面と関連してなされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面においては様々な図を通じて同じ参照符号が同一の要素を表しているが、その図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンのサンプ区域のような比較的高い圧力Ｐ（高）の区域と流路のような比較的低い圧力Ｐ(低)の区域との間の漏洩をシールする例示的なシール組立体１０を示す。シール組立体１０の基本的構成部品は、ロータ１２と固定シール支持組立体１４とシール本体１６とであり、それら全てが、図１において符号Ａを付した長手方向軸線の周りに配置されている。例えばタービンロータであるロータ１２は、ほぼディスク形状をしており、第１の軸方向に面した一次シール面１３を形成する。
【０００９】
シール支持構造体１４は、回転しない構成部品であり、環状のほぼ円筒形部分３６を含む。第１の円周フランジ４０が、円筒形部分３６の第１の端部から半径方向内向きに延びる。第１のフランジ４０は、軸方向に面した二次シール面４１を形成する。第２の円周フランジ３８が、円筒形部分３６から半径方向内向きに延び、かつ第１のフランジ４０から軸方向に間隔を置いて配置される。第３のフランジ４２が、円筒形部分３６の第１の端部から半径方向外向きに延びる。この第３のフランジ４２は、後述する軸方向位置決めピンを受け入れる目的で該フランジ４２を貫通して形成された１つ又はそれ以上の孔４３を有する。
【００１０】
シール本体１６が、シール支持構造体１４に取り付けられる。シール本体１６は、環状の構成部品であり、かつ図１に示すようにほぼＴ字形状の断面を有する。シール本体１６は、半径方向に延びる部分１８と軸方向に延びる部分２０とを含む。半径方向に延びる部分１８は、軸方向に面した第２の一次シール面２４を形成する。この第２の一次シール面２４は、ロータ１２に近接して配置されて、第１の一次シール面１３に面する。一般に「スタータシール」と呼ばれる円周方向のシール歯状突起２６が、半径方向に延びる部分１８の内端部から延びる。流体通路２５、２７、２９は、作動中にシール本体１６を静圧バランスさせる（後でより詳細に説明する）必要性に応じて、半径方向に延びる部分１８を貫通して公知の方法で形成されることができる。外側フランジ４４が、半径方向に延びる部分１８から半径方向外向きに延びる。１つ又はそれ以上の位置決めピン４６が、外側フランジ４４に取り付けられ、かつ軸方向に延びる。位置決めピン４６は、シール支持構造体１４の第３のフランジ４２の孔４３内に受け入れられる。位置決めピン４６を孔４３内に配置することにより、シール本体１６を半径方向及び円周方向に拘束しながら、該シール本体１６がシール支持構造体１４に対して軸方向に移動することが可能になる。軸方向に延びる部分２０はまた、半径方向に面した二次延長面２１を形成する。
【００１１】
シール本体延長部２８が、シール本体１６の軸方向に延びる部分２０に取り付けられる。シール本体延長部２８は、断面がほぼＬ字形状であり、ほぼ円筒形部分３５と環状のフランジ３４を形成するディスク形状部分とを有する。円筒形部分３５は、シール本体１６の軸方向に延びる部分２０の内径に対してぴったりと嵌合する。シール本体１６の軸方向に延びる部分２０及びシール本体延長部２８内にそれぞれ形成された溝２２及び３０に嵌る円周方向のロックワイヤ３２によって、シール延長部２８は、シール本体１６に保持される。
【００１２】
引き戻しばね４８が、シール本体延長部２８のフランジ３４とシール支持構造体１４の第２のフランジ３８との間に配置される。引き戻しばね４８は、シール本体１６をロータ１２から離れる方向に移動させる働きをする。この機能は、後でより詳細に述べる。図２及び図３に示すように、引き戻しばね４８は、波形ばねと呼ばれる形式の環状のばねであり、一連の交互する波形６４を含む。波形６４のピークから谷までの高さＨ１は、軸方向に測定して、引き戻しばね４８が取り付けられた時に該引き戻しばね４８がシール本体延長部２８及びそれに取り付けられたシール本体１６をロータ１２から軸方向に離れる方向に付勢するように、選定される。波形ばねをこの機能のために用いることは、シール組立体１０内の部品の数を減少させ、複雑さを減らしかつ組立を簡単にするので、従来技術のシール組立体内で用いられている複数のコイルばねに優る利点を有する。その上、波形ばねを用いることは、侵食を受けやすいコイルばねの細いワイヤ要素の使用を回避する。
【００１３】
ピストンリング５０の形態の二次シールが、２つのフランジ３８及び４０間の環状空間内に配置されて、第１のフランジ４０の軸方向に面した二次シール面４１とシール本体１６の軸方向部分２０の半径方向に面した二次シール面２１とに対するシールを行う。ピストンリング５０の目的は、一次シールと同じ圧力差を受ける、シール本体１６とシール支持構造体１４との間の流路を通しての漏洩を、シール本体１６の軸方向の移動を可能にしながら防止することである。
【００１４】
ピストンリング５０は、図４により詳細に示されている。ピストンリング５０は、連続する(又は、ほとんど連続する)円周方向のシールを形成する公知の形式のものである。ピストンリング５０は、１つの円周方向位置で分割されており、該ピストンリング５０に半径方向内向きのばね張力が与えられるように、設置される時に僅かに拡張される。ピストンリング５０は、重なり合うエンドタブ６０及び６２のような、リング端部間の漏洩を減少させるのに役立つ公知の形状を含むことができる。異なる形式の端部構成、すなわち多部品又は「間隙なし」リング、或いはタンデムリング(図示せず)のような他の公知の様々なリング構造もまた、用いることができる。
【００１５】
第１のロケータばね５２が、第２の内側フランジ３８とピストンリング５２との間の環状空間内に配置される。第１のロケータばねは、環状の波形ばねであり、その構造は、引き戻しばね４８の構造に似ていて、複数の交互する波形を含む。波形のピークから谷までの高さ(自由状態での)は、軸方向に測定して、第１のロケータばね５２が取り付けられる空間の軸方向長さよりも大きい。従って、第１のロケータばね５２が取り付けられると、該第１のロケータばね５２はピストンリング５０をシール支持構造体１４の軸方向に面した二次シール面４１に対して軸方向に付勢することになる。
【００１６】
ピストンリング５０の寸法は、そのばね張力が作動状態下において該ピストンリングをシール本体１６の半径方向に面したシール面２１に対してシール接触状態に保持するように、選定することができる。随意的に、ピストンリング５０は、該ピストンリング５０とシール支持構造体１４との間の環状空間内に配置された第２のロケータばね５４によって、半径方向に面した二次シール面２１に対して押し当てられる位置に付勢されてもよい。
【００１７】
例示的な第２のロケータばね５４が、図５及び図６により詳細に示されている。第２のロケータばね５４は、隣接する構成部品に対して半径方向に向いた力を加えることを意図している。図面に見られるように、第２のロケータばね５４は、環状の波形ばねであり、一連の交互する波形５８を含む。波形５８のピークから谷までの高さＨ２(自由状態での)は、半径方向に測定して、波形ばね５４が取り付けられるピストンリング５０の外側にある環状空間の半径方向高さよりも大きい。従って、第２のロケータばね５４が取り付けられると、該第２のロケータばね５４は、シール本体１６の半径方向に面した二次シール面２１をシールするように、ピストンリング５０を半径方向内向きに付勢することになる。
【００１８】
作動中に、シール本体１６は、ロータ１２と協働してシールを形成する。引き戻しばね４８は、シール本体１６をロータ１２から離れた状態に保持して、エンジンが停止されているか又はアイドリングで作動されている時に２つの構成部品間の接触を防止する。エンジン作動速度が増加するにつれて、エンジンの流路及びサンプ区域内の流体圧力は増大し、従ってシール組立体１０は、その軸方向に面した表面に作用する増大した圧力を受け、その作用により、シール本体１６をロータ１２の方向へ移動させることになる。シール本体１６の異なる部分の相対表面積、通路２５、２７及び２９の数及び寸法、並びに引き戻しばね４８の寸法を公知の方法で選定することによって、シール組立体１０は、所定の作動状態において静圧バランスされる。従って、第２の一次シール面２４は、第１の一次シール面１３には決して接触しないが、例えば約０．０３〜０．０５ｍｍ（０．００１〜０．００２ｉｎ．）のような小さい間隙で作動する。吸引シール組立体の狭い作動隙間は、漏洩を最小にする。過剰な漏洩を生じることなくシール本体１６の必要な軸方向の移動を可能にするために、ピストンリング５０は、第１のロケータばね５２と随意的に第２のロケータばね５４とにより、軸方向に面した二次シール面４１においてシール支持構造体１４に対するシールと、半径方向に面した二次シール面２１においてシール本体１６に対するシールとの両方を行う位置に付勢される。
【００１９】
非接触吸引式端面シールに関しての本発明の二次シールについて説明してきたが、ピストンリング及びロケータばねの構成はまた、本明細書で説明した例示的な実施形態に類似の構造を持ち、二次シールを必要とするような、例えば摩擦接触式端面シールなどの他の形式のシール組立体に用いることもできる。
【００２０】
以上は、軸方向に移動可能な状態でシール支持構造体に取り付けられた環状のシール本体を有する端面シール組立体を説明したものである。ピストンリングが、環状のシール本体とシール支持構造体との間に配置されて二次シールを形成する。環状の波形ばねである第１のロケータばねが、シール支持構造体とピストンリングとの間に配置されて、該ピストンリングを軸方向に付勢する。随意的に、これもまたまた波形ばねである第２のロケータばねを、ピストンリングとシール支持構造体との間に配置して、該ピストンリングを半径方向に付勢するようにしてもよい。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、それらの実施形態対する様々な変更を行うことが可能である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成された例示的なシール組立体の部分断面図。
【図２】 本発明に用いられる例示的な軸方向波形ばねの正面図。
【図３】 図２の線３−３に沿って見た図。
【図４】 本発明に用いられる例示的なピストンリングの正面図。
【図５】 本発明に用いられる半径方向波形ばねの正面図。
【図６】 図５の線６−６に沿って見た図。
【符号の説明】
１０ シール組立体
１２ ロータ
１３ 軸方向に面した第１の一次シール面
１４ シール支持構造体
１６ シール本体
１８ シール本体の半径方向に延びる部分
２０ シール本体の軸方向に延びる部分
２１ 半径方向に面した二次延長面
２４ 軸方向に面した第２の一次シール面
２８ シール本体延長部
３６ シール支持構造体の円筒形部分
３８ 第２のフランジ
４０ 第１のフランジ
４１ 軸方向に面した二次シール面
４２ 第３のフランジ
４６ 位置決めピン
４８ 引き戻しばね
５０ ピストンリング
５２ 第１のロケータばね
５４ 第２のロケータばね

Claims (4)

1. 軸方向に面した第１の一次シール面（１３）を形成する第１の環状の構成部品と、
   軸方向に面した第２の一次シール面（２４）を形成し、かつ該第２の一次シール面（２４）が前記第１の一次シール面（１３）に面して配置されるように、軸方向に移動可能な状態でシール支持構造体（１４）に取り付けられた第２の環状の構成部品と、
   前記シール支持構造体（１４）と前記第２の環状の構成部品とにシール接触して配置されたピストンリング（５０）と、
   該ピストンリング（５０）を軸方向に付勢するために前記シール支持構造体（１４）と該ピストンリング（５０）との間に配置された、環状の波形ばねである第１のロケータばね（５２）と、
   前記シール支持構造体（１４）と該ピストンリング（５０）との間に配置され、
   前記ピストンリングを半径方向内向きに付勢する、環状の波形ばねである第２のロケータばね（５４）と、
   前記シール本体（１６）の軸方向に延びる部分（２０）に取り付けられたＬ字状のシール本体延長部（２８）と、
   前記シール支持構造体（１４）に設けられた半径方向に延びる第２フランジ（３８）と前記シール本体延長部（２８）の半径方向に延びるフランジ（３４）と、の間に配置された引き戻しばね（４８）と
   を含み、
   前記引き戻しばねは、環状の波形ばねであり、前記シール本体延長部（２８）及びシール本体（１６）を、前記ロータ（１２）から軸方向に離れる方向に付勢することを特徴とするシール組立体。
2. 前記シール支持構造体（１４）は、軸方向に面した二次シール面を形成する円周フランジを含み、前記第１のロケータばね（５２）は、前記ピストンリング（５０）を前記軸方向に面した二次シール面とシール接触するように付勢することを特徴とする、請求項１に記載のシール組立体。
3. ガスタービンエンジン用の、軸線の周りに配置されたシール組立体であって、
   軸方向に面した第１の一次シール面（１３）を有するロータと、
   該ロータに隣接して配置された固定のシール支持構造体（１４）と、
   該シール支持構造体（１４）に取り付けられて前記ロータと該シール支持構造体（１４）との間に配置され、該シール支持構造体（１４）に対して軸方向に移動可能であり、前記第１の一次シール面（１３）に面する軸方向に面した第２の一次シール面（２４）を形成する半径方向に延びる部分と半径方向に面した二次シール面（２１）を形成する軸方向に延びる部分とを含む、環状のシール本体（１６）と、
   該シール本体の前記軸方向に延びる部分の周りに配置された環状のピストンリング（５０）と、
   該ピストンリング（５０）を前記シール支持構造体（１４）とシール接触するように軸方向に付勢するために、該ピストンリング（５０）と前記シール支持構造体（１４）との間に配置された、環状の波形ばねである第１のロケータばね（５２）と、
   前記シール支持構造体（１４）と該ピストンリング（５０）との間に配置され、
   前記ピストンリングを前記半径方向に面した二次シール面（２１）に対して半径方向内向きに付勢する、環状の波形ばねである第２のロケータばね（５４）と、
   前記シール本体（１６）の軸方向に延びる部分（２０）に取り付けられたＬ字状のシール本体延長部（２８）と、
   前記シール支持構造体（１４）に設けられた半径方向に延びる第２フランジ（３８）と前記シール本体延長部（２８）の半径方向に延びるフランジ（３４）と、の間に配置された引き戻しばね（４８）と
   を含み、
   前記引き戻しばねは、環状の波形ばねであり、前記シール本体延長部（２８）及びシール本体（１６）を、前記ロータ（１２）から軸方向に離れる方向に付勢することを特徴とするシール組立体。
4. 前記シール支持構造体（１４）は、軸方向に面した二次シール面を形成する第１の半径方向に延びる円周フランジを含むことを特徴とする、請求項３に記載のシール組立体。

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