JP4688448B2 - 回転シール - Google Patents

Description

この発明は、排ガスタービン式過給機の分野に関する。この発明は、請求項１の上位概念に基づく、即ち半径方向に予応力を受けたピストンリングとそのピストンリングによって密封される少なくとの二つの構成部材とから成り、この構成部材はピストンリングの領域にピストンリングと密封接触している接触面を有し、少なくとも一つの第一構成部材とピストンリングとが互いに対して回転でき、第一構成部材の接触面がピストンリングの対応する第一接触面と密封的に共働し、ピストンリングが異なる材料から成る少なくとも二つの領域を有し、第一接触面が第一構成部材の接触面と共働し、二つの領域の内の第一領域に配置されている回転シールに関し、並びに請求項５の上位概念に基づく、即ち少なくとも二つの互いに対して回転する構成部材を密封するピストンリングであって、ピストンリングは密封共働するために一つの第一構成部材の一つの接触面を備えている第一接触面と、密封共働するために一つの第二構成部材の一つの接触面を備えている第二接触面とを有し、ピストンリングは構成部材の一方と密封共働するために半径方向応力を作用でき、そしてピストンリングは異なる材料から成る少なくとも二つの領域を包含し、二つの領域の第一領域には第一接触面が配置されているピストンリングに関する。この発明は、さらに適切な回転シールを備えるタービン式過給機の分野に関する。

タービン式過給機における回転する部材を密封する商慣習上のピストンリングは増加する出力上昇とそれと関連した熱的負荷によりもはやピストンリングの機能を軸シールとして完全に認め得る状態ではない。

ピストンリングは一つの固定した部材と少なくとも一つの回転する部材との間に配置され、ガスパッキング及び／又はオイルパッキングとして役立つ。通常はピストンリングはタービン式過給機の組立ての際に半径方向外方に向いた予応力を作用されて、固定した部材と力一体的に且つ密封して接続されている。運転中にピストンリングは高い隣接する空気圧或いは排ガス圧によって回転する部材に方向に押圧される。それによってピストンリングと回転部材の間の密封隙間は減少して、それで所望の密封作用を導く。最小密封隙間により最適な密封作用を達成するために、新たに据え付けられたピストンリングは回転部材に関する摩擦によって軸方向において研磨されている。運転中の密封隙間にて仕上げ条件付き寸法偏差（公差）の不利な効果は研磨によって取り除かれる。ピストンリングと回転部材の間の摩擦はピストンリングの強力な発熱を導く。

タービン側では、ピストンリングが運転条件付きでも極めて高い温度にさらされるようになる。しかも、定常運転の温度は契約上のレベル（vertraeglich Niveau ）では比較的一定である。けれども、タービン式過給機が閉鎖される時に激しい再発熱を生じるので、ピストンリング温度は予応力の喪失に対して臨界的範囲に達し得る。特に緊急停止の際に、冷却処置が取り除かれなければならないときには、極めて高い温度ピークが生じる。

ピストンリングが熱く成り過ぎると、半径方向予応力が失われて、ピストンリングは固定部材に対してもはや十分には密封されない。これは、材料に応じて既に３５０℃の温度から生じる。そのために、応力緩和されたピストンリングは回転部材と一緒に回転する傾向があり、それによりピストンリングは異常にすり減り、しかも最終的に破壊し得る。損傷したピストンリングはタービン式過給機の著しい運転障害をまねき得る。

従来のピストンリングの材料選択の際には、一方では、研磨処理を支援して出来るだけ最適なパッキングを得るために、出来るだけ柔らかい材料が使用されることが考慮されている。他方では、僅かな熱負荷の場合でさえ予応力を危険にさらさないように、出来るだけ耐クリープ性で耐熱性の材料が使用されるべきである。けれども、柔らかく且つ耐クリープ性であることは、相容れない材料特性と言わないだけで結合することは困難である。それ故に、材料の選択では、妥協策が取り入れられ、一方向或いは他方向に一致する譲歩が行われる。

米国特許第３０９９４５３号明細書（特許文献１）は、一つのピストンリングとこのリングに固定された第二リングとによって静止ハウジングに対して回転構成部材を密封する回転シールを開示し、その際にピストンリングに固定された第二リングは摩擦接触によって両構成部材の一方に対して研磨されている。ピストンリングに固定されたリングは研磨処理を支援する柔らかい材料から仕上げられている。密封は、ピストンリングとそのピストンリングに固定された第二リングとを軸方向において回転構成部材に対して押圧するばねによって保証される。

欧州特許出願公開第１１３０２２０号明細書（特許文献２）は、回転部材における摩擦によって軸方向に研磨されているピストンリングによって静止ハウジングに対して回転構成部材を密封する回転シールを開示する。ピストンリングの激し過ぎる研磨を阻止するために、ハウジングにストッパが設けられ、軸方向におけるピストンリングの移動性を制限する。
米国特許第３０９９４５３号明細書 欧州特許出願公開第１１３０２２０号明細書

それ故に、この発明の課題は、より高い熱負荷の際にも軸密封を完全に保証する前記種類の回転シール並びに対応するピストンリングを創作することである。

この発明によると、この課題は、特許請求項１及び請求項５の特徴事項によって解決される。
この発明による回転シールは、異なる材料から成る少なくとも二つの領域をもつピストンリングを包含し、回転構成部材と共働する接触面を包含する除去層領域はピストンリングと第一構成部材の間の所望の研磨処理を最適に支援するために柔らかく容易に除去される材料から製作され、耐熱性領域は半径方向予応力を継続的に維持するために耐クリープ性材料から製作されている。

異なる材料から二つの領域に区分されるピストンリングは、そのピストンリングが高耐クリープ性材料から成る耐熱性領域により必要とされた半径方向予応力の維持を永続的に可能とし、同時に柔らかい除去材料から成る除去層領域によりピストンリングと回転部材の間の所望の研磨処理を適切に支援する利点を有する。それにより材料の選択の際には、上記妥協策は無用である。

この発明による回転シールでは、好ましくはピストンリングの移動可能性を軸方向において制限するストッパが設けられている。これは、研磨処理中にピストンリングの研磨深さを制御することを可能とする。その際に除去領域は好ましくはストッパに到るまで少なくともピストンリングの最大移動可能性と一致する厚さを有する。

この発明によるピストンリングは、好ましくは第一の柔らかい除去層領域がリングの形態に形成され、そのリングがプ性材料により軸方向に且つ半径方向にそれぞれすくなくとも一片側で第二の耐熱性領域を包囲するように構成されている。それによって、柔らかい除去層領域が運転中により硬質耐熱性領域から半径方向に離れ移動されることが阻止される。
他の利点は従属請求項から明らかになる。

次に、この発明による結合部の実施例が図面に基づいて概略的に図示されて詳細に説明される。すべての図面には同じ作用要素は同じ参照符号を備えている。図１は回転部材と固定ハウジング部材の間に配置された二つの回転シールを備えるタービン式過給機の正面図を示し、図２は研磨処理の開始前にこの発明により設計された図１によるタービン側回転シールの拡大図を示し、図３は研磨処理の終了後の作用状態における図２による回転シールを示し、図４は研磨処理の終了後の運転状態におけるこの発明により設計された図１によるコンプレッサー側回転シールの拡大図を示し、図５は図１による回転シールのピストンリングの一方を示し、図６はａ）研磨処理の開始前とｂ）研磨処理の終了後の運転状態の図５によるピストンリングを通るＶ−Ｖに沿って案内された断面図を示す。

図１は概略的にタービン式過給機の部分正面図を示す。左側面には、回転可能に支承される軸３に固定されているコンプレッサー羽根車１が示されている。軸は再び右側面上のタービン羽根車２と接続している。タービン羽根車は図示されていない羽根を包含し、その羽根を介してタービン羽根車が排ガス流により駆動される。コンプレッサー羽根車は同様に図示されていない羽根を包含する。

両羽根車間の領域には、図示されていない軸方向軸受と半径方向軸受が配置されている。このために、コンプレッサー羽根車における軸方向ストッパと軸における軸方向ストッパとの間に任意の数の部材が挟み込まれ、それら部材は運転状態では軸と一緒に回転し、密封及び／又は軸受作用を受ける。

それぞれに両羽根車の裏側には、回転しないハウジング部材４が配置されており、そのハウジング部材は軸受領域に対して一方では発生する熱を、他方では流路を支配する圧力を遮蔽する。高い圧力を軸受領域から出さず、それにより潤滑油を回転しないハウジングの軸受領域から出さないために、ハウジング部材４と軸と共に回転する部材の間に一致する回転シールが配置されている。

タービン側パッキング装置は図２と図３において概略的に図示されている。下部には、それぞれにピストンリング５用の循環する溝２２を備えるタービン羽根車２の一部が図示されている。タービン羽根車２の半径方向外部には、ハウジング部材４が配置されている。溝２２のコンプレッサー側壁は接触面２１として役立ち、その接触面は密封するためにパッキングリング５の一致する接触面と共働する。

ピストンリング５は組立ての際に溝２２に取り付けられる。引き続いてタービン羽根車２は右から軸方向にハウジング部材４に挿入される。その際にハウジング部材が一つ或いは複数の箇所４２における押し込み路に沿って、或いは連続的に狭くなるので、ピストンリングは半径方向予応力を作用される。このために、ピストンリングは、図５に図示される如く、好ましくはスリット５３を備えて、対応する半径方向予応力を許容するばねリングとして構成されている。ピストンリングは軸方向においてハウジング部材４の内面に沿って移動される。その場合に、ピストンリングは溝２２に締め付けられず、軸方向に十分の数ミリメートルまでの遊びを有する。

図４に概略的に図示されたコンプレッサー側パッキング装置の場合には、ピストンリング５は回転軸と接続するコンプレッサー羽根車１と回転しないハウジング部材４の間の移行領域に配置されている。コンプレッサー羽根車と軸の軸方向ストッパの間にはしっかりと留められて一緒に回転する部材６、例えば軸受部材或いは密封円板が図示されている。

ピストンリング５は組立ての際に左から軸方向にハウジング部材４に挿入される。その際にハウジング部材が一つ或いは複数の箇所４２における押し込み路に沿って、或いは連続的に狭くなるので、ピストンリングは半径方向予応力を作用される。このために、ピストンリングは、好ましくは再びばねリングとして形成されている。引き続いてコンプレッサー羽根車がハウジング部材４に挿入されて軸に固定される。この場合に、ピストンリングは最終的に組立ての終了にはコンプレッサー羽根車の軸方向ストッパと密封円板６の間に配置されているから、ピストンリングは軸方向において軸方向ストッパ１２を通してハウジング部材４の内面に沿って移動される。その場合に、ピストンリングは締め付けられず、軸方向に十分の数ミリメートルまでの遊びを有する。密封円板６は、密封するためにパッキングリング５の一致する接触面と共働する接触面６１を包含する。

新たに組立てられたピストンリングの最初の運転開始の場合に、互いに回転する接触面の接触領域における上記研磨処理中に摩擦誘発材料浸食を生じる。その場合に、ピストンリング５はこの一回の研磨処理中に図３にて矢印で示された高圧によって溝２２の回転接触面２１或いは密封円板６の接触面６１に対して押し込まれ、砥石車によるようにこの密封円板により研削される。

ピストンリングが研磨処理の終了後に前進運転の際に深過ぎに研削されるか、或いはかなりすり減らされることを阻止するために、ハウジング部材４には軸方向ストッパ４１が設けられている。軸方向ストッパはピストンリングの軸方向移動可能性を限定する。それで、タービン式過給機の運転状態では、密封して共働する接触面の領域にて実質的に力伝達は軸方向において生じない。ピストンリングへの矢印方向に向いた力は軸方向ストッパ４１から反作用される。

研磨の際に除去領域５１の柔らかい材料が剥削されるので、除去層の軸方向拡張部ａはピストンリングの軸方向ストッパ４１によって限定された最大変位ｂより大きく選定されている。それ故に、ピストンリング５２の本体の硬い材料と硬い接触面２１或いは６１との互いの摩擦による望まれぬ大きい熱発生が起らない。

図５と図６に詳細に図示されたピストンリング５はこの発明により異なる材料から製造される二つの領域５１と５２を包含する。図６ａはタービン式過給機の最初の運転開始とそれと接続した研磨処理の前のピストンリングを示すのに対して、図６ｂには研磨後のピストンリングが図示されている。その際に、第一領域の一部５４が研削されていることを明らかに確認できる。

溝の接触面２１或いは密封円板の接触面６１と共働する接触面が位置する除去領域５１は、柔らかく容易に除去される材料、例えばニッケルー黒鉛ー合金から製作される。ピストンリングの本体を形成する第二領域５２の材料の場合には、例えばＩＮＣＯＮＥＬのような硬いがしかし高耐クリープ性の材料が重要である。高耐クリープ性材料は、高温度の際にも弾性が失われない特殊な特性を有する。予応力に応答し得るばね力は材料に応じて６００℃までの温度に維持され得る。

例えば２．５〜３．０ｍｍのピストンリングの軸方向幅の場合には、０．５〜０．７ｍｍの厚さを備える除去層を形成することで十分である。それ故に、先に記載された研磨処理の場合には僅かな熱成長の際にも隙間パッキングの所望の最適化を達成するために十分に柔らかい材料は剥削され得る。

ピストンリングの製造の場合には、好ましくはまず最初にピストンリングの本体５２は製作され、例えば回転される。引き続いて除去層５１は上張りとして塗布され、例えば火炎噴射（flammgespritzt）される。前もって除去領域に設けられた窪みがピストンリングの本体から除去され得る。好ましくは除去層５１は半径方向外方に硬い耐クリープ性材料によって限定されている。それによって、運転中に柔らかい除去層が変形されて半径方向外方に押圧されることは阻止され得る。さらに、それにより、上張りの塗布の際に意図された領域の外部の材料の沈殿はより良く阻止され得る。

この発明によるピストンリングは、例えば複数の回転部材が密封されべきである、或いは回転部材が複数の互いに分離されてピストンリングと共働する接触面を有するときに、複数の除去領域を備えられ得る。

タービン式過給機における要件がこれを許容するならば、この発明によるピストンリングは片側のみに、例えばタービン側のみに使用され得るのに対して、他の面は従来のピストンリングにより密封される。

回転部材と固定ハウジング部材の間に配置された二つの回転シールを備えるタービン式過給機の正面図を示す。 研磨処理の開始前にこの発明により設計された図１によるタービン側回転シールの拡大図を示す。 研磨処理の終了後の作用状態における図２による回転シールを示す。 研磨処理の終了後の運転状態におけるこの発明により設計された図１によるコンプレッサー側回転シールの拡大図を示す。 図１による回転シールのピストンリングの一方を示す。 ａ）研磨処理の開始前とｂ）研磨処理の終了後の運転状態の図５によるピストンリングを通るＶ−Ｖに沿って案内された断面図を示す。

符号の説明

１．．．．．コンプレッサー羽根車
１１．．．．半径方向溝
１２．．．．軸方向ストッパ
２．．．．．タービン羽根車
２１．．．．接触面、研磨領域
２２．．．．半径方向溝
３．．．．．軸
４．．．．．ハウジング部材
４１．．．．軸方向ストッパ
４２．．．．半径方向狭小部
５．．．．．ピストンリング
５１．．．．除去領域
５２．．．．耐クリープ性領域
５３．．．．環状隙間
５４．．．．研磨された領域
６．．．．．密封円板
６１．．．．接触面、研磨領域
ａ．．．．．除去領域の厚さ
ｂ．．．．．ピストンリングの最大変位

Claims (8)

1. 半径方向に予応力を受けたピストンリング（５）とそのピストンリングによって密封される少なくとも二つの構成部材（２，４、６）とから成り、この構成部材はピストンリングの領域にピストンリングと密封接触している接触面（２１，６１）を有し、少なくとの一つの第一構成部材（２，６）とピストンリングとが互いに対して回転でき、第一構成部材の接触面（２１，６１）はピストンリングの対応する第一接触面と密封的に共働し、ピストンリングは異なる材料から成る少なくとも二つの領域（５１，５２）を有し、第一接触面は第一構成部材（２，６）の接触面（６１）と共働し、二つの領域の内の第一領域、除去層領域（５１）に配置されている回転シールにおいて、除去層領域（５１）はピストンリングと第一構成部材との間に所望の研削処理を適切に支援するために柔らかく容易に除去できる材料から製造されており、そして耐熱性領域（５２）は半径方向予応力を永久に維持する耐クリープ性材料から製造されており、除去層領域（５１）が環状に形成されていて、耐熱性領域（５２）が軸方向と半径方向にそれぞれ少なくとも片側に除去層領域（５１）を包囲することを特徴とする回転シール。
2. 第二構成部材（４）の接触面はピストンリングの対応する第二接触面と密封的に共働し、ピストンリングは第二構成部材の接触面に対して半径方向予応力により押圧されており、ピストンリングは軸方向に第二構成部材の接触面に沿ってピストンリングの除去層領域の少なくとも部分的除去の下に第一構成部材の接触面の方向において第一構成部材の接触面（２１，６１）でピストンリングの第一接触面の摩擦によって移動できることを特徴とする請求項１に記載の回転シール。
3. 第一構成部材の接触面の方向におけるピストンリングの移動可能性はストッパ（４１）により制限されていて、ピストンリングの除去層領域（５１）は第一構成部材の接触面の方向におけるピストンリングの少なくともストッパにより制限された最大変位（ｂ）に一致する移動方向における膨張部（ａ）を有することを特徴とする請求項２に記載の回転シール。
4. 複数の構成部材はピストンリングに対して回転可能に配置されており、そしてピストンリングは柔らかく容易に除去できる材料から成る一致した除去層領域から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転シール。
5. 少なくとも二つの互いに対して回転する構成部材を密封するピストンリングであって、ピストンリングは密封共働するために一つの第一構成部材の一つの接触面を備えている第一接触面と、密封共働するために一つの第二構成部材の一つの接触面を備えている第二接触面とを有し、ピストンリングは構成部材の一方と密封共働するために半径方向応力を作用することができ、そしてピストンリングは異なる材料から成る少なくとも二つの領域（５１，５２）を包含し、二つの領域の除去層領域（５１）には第一接触面が配置されているピストンリングにおいて、除去層領域（５１）はピストンリングと第一構成部材の間に所望の研削処理を最適に支援する柔らかく容易に除去できる材料から、そして耐熱性領域（５２）は半径方向予応力を永久に維持する耐クリープ性材料から製作されており、剥取り領域（５１）が環状に形成されていて、耐熱性領域（５２）が軸方向と半径方向にそれぞれ少なくとも片側に除去層領域（５１）を包囲することを特徴とするピストンリング。
6. ピストンリングが柔らかく容易に除去できる材料から成る複数の除去層領域を包囲することを特徴とする請求項５に記載のピストンリング。
7. 少なくとも一つの除去層領域（５１）と耐熱性領域（５２）はしっかりと互いに固定されていることを特徴とする請求項５乃至請求項６のいずれか一項に記載のピストンリング。
8. 一つのハウジング内にタービン羽根車（２）並びに回転可能に支承された軸（３）を介してタービン羽根車と接続されたコンプレッサー（１）を包含するタービン式過給機において、軸（３）は固定したハウジング部材に対してコンプレッサー羽根車及び／又はタービン羽根車の領域にて請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のパッキングによって密封されていることを特徴とするタービン式過給機。

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