JP4886102B2 - 部品間のギャップを無接触でシールする装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体機械、特にガスタービン、のギャップを無接触でシールする装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械の構造は、互いに不動及び又は可動の部品を並べることを前提とする。これらの部品の間には機能的な理由からしばしば単数又は複数のギャップが残されており、これらのギャップは流体機械の流動通路内で一次流体流がそれをまたぐように流れる。これに伴い、一次流体がギャップ内に浸入する。特にガスタービンの高熱ガス部分においては、部品ギャップ内に高熱の一次流体が浸入することは、一次流体の温度が高く、しばしば許容し得る最大材料温度を超えるので、どうしても回避しなければならない。それにもかかわらずギャップ内に高温の一次流体が浸入すると、ギャップに隣接している部品との熱交換の結果、これらの部品の温度を許容し得ないほど高くすることがある。この結果、部品の損傷、特に部品の亀裂、あるいは少なくとも部品耐用寿命の明確な短縮が生ぜしめられる。更にギャップは一次流体流のもれ、ひいてはガスタービンの効率の低下をもたらす。
【０００３】
従来は、これらのギャップは、例えばシール薄板及びシール条片、ベローズ並びにばね負荷されたシールのような機械的なシールによって、あるいはまた動流体力式シール装置によって、一次流体に対してシールされた。
【０００４】
機械的なシールはそれが接触原理で作用するために、摩滅し、したがって短い耐用寿命しか有していない。
【０００５】
従来公知の動流体力式シール装置においては、ギャップを単方向の押しのけ流によって遮断することが行われている。この押しのけ流はギャップを一次流体に対して、例えば CH 529 914 に記載されているようにギャップから一次流体流内に吹き出される連続的な二次流体流によって、あるいはギャップを覆う二次流体流によって、シールする。
【０００６】
前者の場合には、ギャップは一次流とは逆の側のギャップ開口において大きな逆圧の二次流体を供給される。二次流体の大きな圧力は二次流体側の貯蔵器から一次流内への単方向のギャップ流を生ぜしめる。
【０００７】
ギャップを動流体力式にシールする第２の公知の方法においては、ギャップ縦方向に対して横方向の、ギャップを覆う二次流体膜の形の単方向二次流体流が生ぜしめられる。これによって二次流体の押しのけ作用のために、ギャップ内にある第３の流体に対する一次流体の流動機械的な分離が達成される。この場合第３の流体は第３の流体貯蔵器から供給され、一次流とは逆の側のギャップ開口からギャップ内に流れる。２つの部品の間のギャップではなしに、１つの部品の凹所である場合には、この凹所は閉じた部品輪郭を有している。したがって、例えば供給通路のような付加的な装置が配置されていない限り、第３の流体の貯蔵器に接続することができない。凹所のデッドボリュームとして渦流の、一次流とは逆の側に残されている凹所の容積は以下においては簡単にやはり第３の流体側のギャップ部分と呼ぶ。
【０００８】
しかしながら、両方の動流体力式シール装置は比較的に多量の、シールのために使用される二次流体を必要とする。更に、実地において普通に使用される圧縮機範囲から分岐せしめられる二次流体の場合には、この方法は特にタービン入口範囲における作用をしばしばわずかにする。その原因として、例えばタービンの入口案内車の前方における流動のせき止めが一次流体流の静圧を局所的に高めることを挙げることができる。したがって、燃焼室内での一次流の圧力損失が一般に極めてわずかである場合、タービン入口範囲におけるギャップをまたいで流れる際の一次流の局所的な静圧は、燃焼室の直前で取り出されてタービンに供給される二次流体の圧力よりも高い。この圧力差に基づいて、高熱の一次流体が少なくともギャップの部分範囲内に局所的に流入することになる。
【０００９】
熱的又は機械的な部品膨張及びこれから生ずるギャップの幾何学的寸法の変化並びにギャップ縦方向における部品相互のしゅう動は使用されるシールに対する要求を著しく高める。熱的に生ぜしめられる部品幾何学寸法の変化は、特にガスタービンの高熱ガス部分において生ずる。その結果、機械的シールにおいても、また動流体力式シール装置においても、しばしば誤機能が生ずる。更に、機械的シールの耐用寿命が著しく短縮される。
【００１０】
特許明細書 GB 855 040 及び US 3 645 544 に記載されているシール装置においては、ギャップを一次流体に対してシールするために、二次流体がギャップ内に、ギャップ内に渦系が形成されるように、供給される。しかしここに記載されている装置は、部品が互いに相対的に回転して、ギャップが全周にわたって延びているような２つの部品の間のギャップをシールするためにしか使用することができない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、流体機械において生ずるギャップを無接触でかつ経済的にシールする装置及び方法を開発することである。この場合、ギャップは互いに不動又は互いに可動の部品の間の部品ギャップとして、あるいはまた１つの部品のギャップ形の凹所として構成されていることができる。この装置及び方法は特に、運転中に熱的及び機械的な部品膨張に基づいてギャップの幾何学寸法が変化するガスタービンの高熱ガス部分において確実に使用されるようにするという観点においても、開発されるようにする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の構成では、二次流体が、ギャップ内であるいはギャップに直接に接して、ギャップに沿った少なくとも単数又は複数の部分範囲内で、渦流を形成するようにした。この場合渦流は有利にはギャップ全幅にわたって形成される。
【００１３】
【発明の効果】
従来公知の動流体力式方法に対する重要な利点として、ギャップのシールに必要な二次流体流量が減少せしめられる。それは、第３の流体側のギャップ部分内にある第３の流体からの一次流体流の流動機械的な分離が二次流体の比較的に薄い渦層によって行われるからである。この場合二次流体及び第３の流体は基本的には同一の貯蔵器から取り出すことができ、しかしその際ギャップへの流れの適当な圧力条件を考慮しなければならない。二次流体の渦流を形成することによって、各二次流体粒子がギャップを横断して何回も流れて、何回もシール作用を行うことになる。この場合渦流の二次流体は単にわずかにしか一次流体又は第３の流体と混合しない。
【００１４】
単方向のシール流に対する渦流の別の重要な利点は、渦の固有の安定性において見出された。一次流体に対する二次流体の圧力差がわずかである場合にも、渦流は安定しており、シール作用が確実に行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
流れの案内を安定にしかつ簡単にするために、回転中心点あるいは回転軸線を中心とする渦流が形成されるように、二次流体を案内するのが特に有利であると分かった。一次流側のギャップ出口範囲内への二次流体の供給部を適当に配置することによって渦流のこの回転が供給流に作用する一次流の力によって生ぜしめられる。
【００１６】
本発明の有利な１実施形態では、流れの案内は、ギャップ内でギャップの縦方向若しくは周方向に配置された１つの室内で行われる。ギャップが両方の部品あるいは回転対称的な機械、例えばガスタービンの外周に沿って配置されている場合には、ギャップの縦方向は両方の部品又は機械の周方向と同一である。以下においては、ギャップの縦方向についてだけ述べる。本発明のこの実施形態では、室の側壁によって、二次流体流の、一次流体流とはほとんど無関係な、位置が確定されている渦形成が生ぜしめられる。この場合、室を形成する部品側壁の切り欠きはギャップを形成している部品に関して対称的に、あるいは非対称的に、構成しておくことができる。回転する渦流の流れの案内は、有利には、回転室内で行われる。回転室内にデッド領域が生ずることを回避するために、室の輪郭は渦流の外側の流動ベクトルに適合させて、有利には円形又はだ円形に、形成しておくことができる。したがって、回転室を部品側壁に関して対称的に形成する場合には、ギャップを形成する部品の横断面で見て、ギャップに接する部品輪郭にそれぞれ半円形又は半だ円形の切り欠きが生ずる。
【００１７】
室は、特に回転対称的な機械における両方の部品の外周に沿ったエンドレスギャップをシールするためのエンドレス室として、又は有限の寸法を有する室として構成しておくことができる。有限のギャップ内の有限の寸法の室はギャップ長さに関してギャップの始端又は終端を超えて延びることができる。また、有限のギャップ内に、あるいはエンドレスのギャップ内に、局所的な室を配置することも可能である。この場合局所的な室はギャップの部分範囲にわたって延びているに過ぎない。エンドレスギャップ内の局所的な室は、特に、シールを単に局所的に行う場合、あるいはまたギャップをシールする別の装置又は方法の局所的な補強を行おうとする場合に、使用される。ガスタービンにおいては、特に燃焼室と、タービン案内羽根の前方におけるせき止めに基づいて一次流の静圧が局所的に増大せしめられている第１のタービン案内車との間の部品ギャップにおいて、従来のシール装置を補強することは重要である。このために、一次流の静圧が局所的に高められている範囲においては、有利には局所的な室がギャップ内に配置されている。
【００１８】
別の実施形態においては、室は部分室に分割することができる。室を部分室に分割することは、有利には仕切壁によって行われる。ターボ機械ではこれらの仕切壁は有利には半径方向に配置される。したがって各部分室に対して、渦流の強度を、例えば部分室に供給される二次流体量を変化させることによって、変化させることができる。
【００１９】
不動の部品と可動の部品との間のギャップの場合には、ギャップあるいは室内に案内エレメントを配置するのが有利である。この場合案内エレメントは有利にはギャップ深さ方向に斜めに配置されたあるいは曲げられた案内ウェブである。これらの案内エレメントは部品壁、有利には可動の部品壁に固定されている。両方の側壁の相対運動に基づいて、供給された二次流体は案内エレメントによって可動壁の回転方向に連行される。二次流体に作用する剪断力及び遠心力は二次流体の流れの渦形成をもたらす。
【００２０】
しかし有利にはこのような案内エレメントは相互に不動の部品の間のギャップ内にも配置される。
【００２１】
ギャップ内に配置された室内での渦流は、渦流が壁輪郭によって案内される範囲と、渦流の案内が行われない範囲とに分割される。案内されない流れ範囲はギャップを横断する際の範囲である。ギャップを横断する際の渦流の誤流は、一次流体及び第３の流体の圧力変化の基づいて、並びに熱的又は機械的なギャップの幾何学寸法変化、特に部品相互のしゅう動に基づいて、生ずることがある。この誤流自体は二次流体の渦流の部分的あるいは場合によっては全体的な崩壊をもたらすことがある。その結果、一次流体が室内に部分的に浸入し、極端な場合にはそれどころか渦流のシール作用が完全に失われることがある。
【００２２】
壁側の案内のない流れ範囲を減少させるために、室の有利な１実施形態では、ギャップを形成する一方又は両方の側壁は、それぞれの側壁の輪郭のそれぞれ１つの案内リップを有している。これらの案内リップの流れ案内機能に応じて、これらの案内リップを二次流体の生ぜしめられる渦流の回転方向で見た室のそれぞれの渦出口範囲に配置するのが有利である。この場合、案内リップはギャップ内に突入している。案内リップの室内側の輪郭は、有利な１実施形態では、室を形成する側壁輪郭を延長して渦流の外側の流動ベクトルに適合させて形成されている。
【００２３】
室の壁で案内されない範囲における渦流の、誤流として形成される拡散は付加的に室輪郭の少なくとも１つのアンダカットを介して考慮することができる。室輪郭のこのアンダカットは有利には次のように形成される。すなわち、室を形成する側壁の、生ぜしめられる渦の回転方向で見た輪郭のそれぞれ渦入口範囲において渦流の中心点に対する間隔が上流側の室形成側壁の渦出口範囲における間隔よりも大きくなるように、形成されている。案内リップと、渦回転方向で下流側に配置された部品のアンダカットとを特に有利に組み合わせることによって、渦流はギャップを横断する際にスキーのジャンプ台に類似した効果を受ける。
【００２４】
二次流体の供給は有利には、ギャップ又は室内に開口する供給通路を介して行われる。供給通路の配置は有利には、二次流体が渦を支持するように室、ギャップあるいはギャップの直ぐ周辺内に供給されるように、選ぶことができる。この場合、室又はギャップの円周及び縦方向における供給通路の位置決めは、室又はギャップの幾何学寸法、供給通路の横断面及び達成すべき渦強さに関連して選ばれる。有利には供給通路の配置は次のように、すなわち二次流体の分配された供給を介して、供給される二次流体のその都度の供給量及び供給パルスがシールすべきギャップに沿って渦流を維持するように、選ばれる。
【００２５】
室の円周に沿った供給通路の有利な配置として、供給通路は１つ又は２つの列で配置されている。２列の配置の場合には、供給通路を次のように、すなわち供給通路それぞれ対をなして１つの室横断平面内に位置するように、位置決めするのが有利である。
【００２６】
ギャップのシールすべき範囲内への二次流体の供給方向は基本的に渦を支持するように選ぶのが有利である。有利には二次流体の供給は、渦流の縁範囲内に渦流に関して近似的に接線方向の吹き込み方向で行われる。このことは渦流の再エネルギ化をもたらす。二次流体の供給がギャップの中心平面に対して垂直に行われると、局所的な不動の渦が形成される。二次流体の供給が平面図で見てギャップの中心平面に対する垂線とは異なる角度で行われる場合には、渦流はギャップ縦方向の付加的な速度ベクトル成分を与えられる。したがって渦流はギャップに沿って移動する。このような傾斜供給の利点として、ギャップ縦方向での渦流の、垂直供給に比べて大きな空間的延びを挙げることができる。
【００２７】
一次流のギャップに沿った静圧が変化する場合には、少なくとも１つの供給通路を一次流の静圧が最高の横断平面内に配置するのが有利である。したがって一面では、渦流は最高の一次流体側の流動抵抗を有する平面内で再エネルギ化され、他面では、供給される二次流体は一次流の圧力勾配に従う。これによってギャップの内部における渦流の縦運動が支持される。
【００２８】
供給通路の横断面は原理的には任意に選択可能である。円形に形成された供給通路は製作技術的に簡単に製作することができるのに対し、スリット形に形成された供給通路は二次流体を渦流内に指向性をもって供給することを可能にする。この場合室又はギャップ内に開口する供給通路は互いに一様でないように形成しなければならない。
【００２９】
特に不動の部品と可動の部品との間のギャップの場合には、二次流体を室にギャップ自体を通して供給するのが有利である。この場合供給は例えば、ギャップの一次流とは逆の側の自由端部に配置されている貯蔵器から行われる。回転機械においては、機械内部に配置されている中空室がこのような貯蔵器として役立ち、この貯蔵器は特にガスタービンの場合には流体を圧縮機範囲から供給される。一面ではギャップ自体を通しての二次流体のこの供給は普通は極めてわずかな構造的経費及び製作技術的経費で実現することができる。他面ではこれによって、室に至るまでのギャップ全体が二次流体によって満たされ、したがって一次流体のギャップ内への浸入が付加的に困難になるという利点が生ずる。更に、特にガスタービンの高熱ガス部分においては、圧縮機範囲から取り出された二次流体を使用する場合、ギャップに接する部品の冷却が行われる。
【００３０】
二次流体が室にギャップ自体を通して供給される場合、ギャップ又は室内に付加的に案内エレメントを配置するのが特に有利である。これによって、構造的に簡単に、二次流体の渦形成を行わせることが可能である。
【００３１】
特に、長いギャップあるいはエンドレスギャップの場合には、少なくとも１つの渦偏向器を室内に配置するのが有利である。この渦偏向器は渦流を意識的にかつ局所的に崩壊させ、渦流の流体を室から一次流内に流出させる。このことは特に、渦流の中心の流体をも更新するために、有利である。
【００３２】
全体として、ガスタービンのタービン範囲において、前もって部品冷却のために大抵は閉じられている冷却通路内で使用された二次流体を使用するのが、理にかなっており、少なくとも充分である。
【００３３】
基本的に、渦流の各配置において、二次流体と一次流体及び、使用されている場合には第３の流体との相互作用が行われる。流体流の移行範囲において流体粒子に作用する粘性の剪断力はパルスの散逸損失のほかに、相互の流体交換を生ぜしめる。この相互作用はギャップ内の室の構造的な配置及び一次流体側及び第３の流体側の幾何学的ギャップ開口に関連して、かつ供給通路の配置に関連して、意識的に制御することができる。有利にはこれらの関連し合うパラメータは、渦を形成する流体が次第に一次流内に排出されるように、選ぶことができる。同じように、新しい二次流体を供給通路を介して連続的に供給することが必要である。供給通路を介しての二次空気の供給のほかに、第３の流体側の貯蔵器から流体を渦流内に吸い込むことも行うことができる。
【００３４】
渦流のほかに付加的に、従来の機械的なシールエレメントをギャップ内に配置しておくことができる。例えば、ガスタービン内の部品ギャップの付加的な機械的シールのために、溝内に挿入されたシール条片を取り付けることができる。この場合部品は相互に不動であっても、可動であってもよい。これらの機械的なシールエレメントの配置は有利には渦流の、一次流体流とは逆の側において行われる。ギャップ自体を通しての二次流体の供給はシール条片と組み合わせて行うこともできる。この目的のために有利な１実施形態では、構造的に簡単に、シール条片に流通開口を設けておくことができる。これらの流通開口は有利にはギャップ中心平面に対して適当な角度で傾斜せしめられており、したがってシール条片を通過する二次流体は室内に入る際に既に予備ねじりを有している。流通開口の傾斜角、幾何学寸法並びに繰り返し頻度は有利には渦流を維持する視点で選ぶことができる。
【００３５】
特にガスタービンの高熱ガス部分のギャップのシールのために回転する渦流を使用することの、従来の装置及び方法に対する別の利点は、回転の結果生ずる渦流の温度プロフィールに存する。渦流の流体組成が均一である場合には、高温の流体粒子は渦流の中心に集中し、これに対し低温の流体粒子は渦流の外側範囲内に遠心分離される。この物理的効果から、ギャップを動流体力式にシールする従来の装置及び方法に比較して、直接的に２つの渦流の利点が生ずる。一面ではこの遠心力効果は、低温の流体が渦の外側範囲に集まって、渦流の外側の速度ベクトルがギャップを形成する部品に接することによって、この隣接部品との熱交換を生ぜしめる。このことはガスタービンの高熱ガス部分においては、一般に当該の部品の冷却をもたらす。他面では、ギャップ内に、大抵はギャップの側壁に浸入して、渦流によってつかまれる高熱の一次流の流体が渦流の外側範囲から渦流の内部に押し込まれる。したがってこの場合生ずる部品壁の温度は最大で、渦流の混合流体に相応する混合温度である。
【００３６】
室及び渦流を閉じ込めるギャップ横断面の寸法が小さいと、渦流が強められ、熱の移行が良好に行われる。しかしこれによって生ずる渦流の大きな速度は同時に流れの散逸性圧力損失を大きくする。このことは、供給通路をギャップ又は室に沿って短い間隔で配置して、流れを再エネルギ化することを必要にする。
【００３７】
ギャップの動流体力式シールのための二次流体の本発明による流れの案内の、機械的シールに対する重要な利点は、ギャップを形成する部品が幾何学的に相互にしゅう動した場合に、渦流を適合させ得ることである。このしゅう動はガスタービンの運転中における機械的又は熱的な部品膨張の結果生ずることがある。室の小さな幾何学寸法は絶対的な適合能力を制限する。
【００３８】
押しのけ流としての二次流体の流れを案内する本発明による別の装置では、流れ通路がスラローム通路として形成される。この場合スラローム通路は有利には、相互に不動の部品の間のギャップに沿って、自由に選択可能な曲率半径のＳ字の湾曲部を連続させた室として構成されている。回転室と同じようにして、スラローム室内に、例えば案内リップ、アンダカット、供給通路及び又は流通開口を有しているか有していない付加的な機械的シールのような別のエレメントを配置するのが有利である。またスラローム通路はエンドレス室として、あるいは局所的な室として構成することができ、更に仕切壁によって部分室に分割しておくことができる。
【００３９】
【実施例】
図１は２つの部品２１及び２２の断面を示し、これらの部品の間には本発明によるシール装置が配置されているギャップ２０が残されている。この場合、部品２１及び２２が相互に不動であるか、あるいは相互に可動であるかは、基本的には等価である。
【００４０】
この場合、ギャップ２０の部品側壁２３及び２４はそれぞれ１つの半円形の切り欠き２５を部品２１及び２２の輪郭に有している。この実施例では、切り欠きはギャップ２０内の、ギャップ２０の幅にほぼ等しい深さのところに配置されている。切り欠きの半径はギャップ２０の幅の半分にほぼ等しい。両方の部品が組み立てられている場合、これらの切り欠きはだ円形の室２６を形成する。室２６の壁輪郭は図示の装置ではそれぞれ、ギャップ２０内に突入している案内リップ５０を介して延長されている。この場合これらの案内リップ５０はギャップ２０の幅のほぼ４０％だけギャップ２０内に突入している。
【００４１】
この実施例では、部品２１及び２２内にそれぞれ１つの供給通路４０が配置されていて、これらの供給通路は、偏心的にかつギャップ中心平面に対して垂直に、それぞれの案内リップ５０の近くで室内に開口している。この場合供給通路４０の配置は、二次流体１１の供給が室２６の外側範囲内に室輪郭に対して近似的に平行に行われるように、選ばれている。供給通路４０の横断面はスリット状、卵形あるいはまた円形であることができる。供給通路が円形である場合には、製作技術的に簡単に孔によって供給通路を実現することができる。この実施例では供給通路はそれぞれ対をなして室２６の１つの横断平面内に位置している。図２はギャップ２０の縦方向の供給通路４０の配置を平面図で示したものである。供給通路４０はギャップ中心平面２７に対して傾斜角４１で傾斜して室２６内に開口している。
【００４２】
両方の部品は、図１に示すように、その外面３０に沿って一次流体１０によって流過される。ギャップ２０は第３の流体１２によって満たされており、この第３の流体はギャップ２０の、一次流体１０とは逆の側の自由開口を通って、ギャップ２０内に浸入する。供給通路４０を経て室２６内に入れられた二次流体１１は渦流１３を形成する。室壁による流れの案内によって、渦流１３は室２６の中心軸線を中心として回転する。このための前提は、二次流体１１の全圧が一次流体１０の静圧及び第３の流体１２の全圧よりも少なくともわずかに大きいことである。
【００４３】
供給される二次流体１１の速度ベクトルは、図２の平面図で見て、供給通路４０が傾斜角４１で傾斜せしめられているために、ギャップ２０の縦方向の成分を有している。この速度成分は渦流を室２６の縦方向に前進せしめる。
【００４４】
生ぜしめられた渦流１３は、本発明によれば、渦流１３の押しのけ作用によって、一次流体１０を第３の流体１２から分離せしめる。それにもかかわらずギャップ２０内に浸入する一次流体は回転する渦流１３によってつかまれ、やはり回転せしめられる。一次流体１０，二次流体１１及び第３の流体１２の組成が均質であるか、あるいはほぼ均質であり、一次流体１０の温度が二次流体１１の温度よりも高い場合には、これらの流体の温度による密度差によって、高熱の流体部分が回転する渦流１３の中心部内に押し込まれる。したがってギャップ内に浸入する一次流体１４は渦流１３内に捕らえられ、それ以上ギャップ２０内に浸入しない。
【００４５】
一次流体１０，二次流体１１及び第３の流体１２の圧力に関連して、渦流１３と第３の流体１２との間でやはり流体交換が行われ、また渦流１３から一次流体１０内への流出も行われる。この相互作用及び一次流体１０，二次流体１１及び第３の流体１２の混合は、特に室２６の幾何学的形成によっても影響を受ける。室、特に渦流１３のギャップを横断する範囲内の流れを案内するエレメントの幾何学的形成を適当に選択すると、一次流体１０内への渦流１３の単にわずかな流体損失が生ぜしめられ、第３の流体１２のギャップ範囲内への流体の流れはほとんど生じない。この場合、一次流体１０内へ渦流１３の流体を意識的に流出させることは、渦流１３の流体を新しく供給される二次流体１１によって更新するために、どうしても望まれることである。渦流１３を取り囲む切り欠き２５と、渦流１３の、切り欠きに接する渦外側の流れベクトルとの間に、ギャップ２０の動流体力式シールに対して付加的に、熱交換が行われる。この熱交換は一般に、特にタービンにおいて、渦流の範囲内で渦流１３に接する部品２１，２２の冷却を生ぜしめる。熱移行ひいては冷却の強化は、渦流１３の速度を増大させることによって、達成することができる。大きな速度自体は、二次流体１１の量を同じにして、室２６の幾何学寸法を小さくすることによって、あるいは室の幾何学寸法を同じにして、二次流体１１の量を増大させることによって、生じる。
【００４６】
図３は、特に可動の部品１２１と不動の部品１２２との間のギャップ１２０において使用される本発明によるシール装置の別の実施例を示す。この場合、室１２６は次のように形成されている。すなわち、ギャップを形成する両方の部品の一方、有利には不動の部品１２２が、ギャップを形成する部品側壁１２４の輪郭に半円形の切り欠き１２５を有しているように、室１２６が形成されている。第２の部品、有利には可動の部品１２１は、部品側壁１２３の輪郭に明確に押し出された案内リップ１５０を有しているに過ぎない。この案内リップ１５０は室１２６に対して相対的に一次流側に配置されていて、ギャップ１２０の幅の約７０％だけギャップ１２０内に突出している。
【００４７】
二次流体１１１の供給は一面では供給通路１４０を介して行われ、この供給通路は不動の部品１２２内で、図１におけると同じように、ギャップ中心平面１２７に対して垂直な吹き込み方向をもって室１２６の下方の縁範囲内に配置されている。付加的に図３に示した実施例においては室１２６への二次流体１１５の供給がギャップ１２０自体を介して行われる。
【００４８】
半径方向１８０若しくはギャップ深さ方向１８１とは逆の方向にギャップ１２０から流出する二次流体１１５は、案内リップ１５０によって流れをギャップ横方向に変向せしめられる。二次流体は、不動の部品の切り欠き１２５の輪郭に従って再びギャップ深さ方向１８１に、更に再びギャップ横方向に変向せしめられる。最後のギャップ横方向の変向範囲において、形成される渦流１１３は、不動の部品１２２の供給通路１４０を介して供給される二次流体１１１によって変向を助けられる。したがって、不動の部品１２２内の供給通路のこのように選ばれた配置は、渦流１１３がギャップ１２０内に逆流することを阻止する。したがって第２の案内リップを省略することができる。
【００４９】
形成された渦流１１３は第１実施例に関連して説明したのと同じ作用形式でギャップ１２０をシールする。
【００５０】
この実施例は、特にギャップを形成する両方の部品の一方が共通の部品軸線を中心として回転する場合に、有利である。このことは例えば、ターボ機械特にガスタービンにおいて、ロータとステータとの間の場合である。ギャップ１２０内での二次流体１１５のロータ側壁摩擦によって、二次流体１１５は回転せしめられる。この場合二次流体１１５に作用する遠心力は、室１２６への供給流としての二次流体１１５の半径方向１８０の流出を助ける。このことは特に、一次流体１１０に対する二次流体１１１，１１５の圧力差が極めて小さい場合に、有利である。
【００５１】
半径方向で斜めにあるいは曲げられて配置されている案内エレメント―これは最も簡単な構造の場合案内ウェブとして実現されている―によって、渦流に付加的な円周方向の速度成分を与えることができる。図４のａ）及びｂ）においては、このような案内ウェブ１６０が、図３に示した本発明の実施例を補足して、回転する部品１２１に固定されている。案内リップ１５０への案内ウェブ１６０の移行に関連して、渦流に、円周方向の速度ベクトルが与えられる。案内リップへの案内ウェブの移行部における角度が平らであると、円周方向の速度成分が大きくなる。ギャップ内に突出している縁の経過は半径方向でギャップ中心平面に対して傾斜角１６１を有している。これによって、主として、図３に示したように室１２６のこの形成の場合に生ずる室の中心平面に対するギャップの中心平面のずれ１２９及び案内リップ１５０の輪郭のずれが考慮される。
【００５２】
渦流を案内する室はギャップの全長に沿って形成しておくことができる。したがって、両方の部品の円周に沿って延びるエンドレスギャップはシールのためにやはりエンドレスの室を有している。有限のギャップの場合には室はギャップの延びを超えて延びることもできる。しかし、室を局所的な室としてギャップ内に配置しておくこともできる。この場合局所的な室は単にギャップの部分範囲あるいは区分にわたって延びているに過ぎない。図５においてはこのような局所的な室２２６が、ガスタービンの燃焼室とタービン入口案内車との間の部品ギャップの断面図で示されている。局所的な室２２６は羽根中心に関してほぼ対称的にタービン案内羽根２８２の前方でギャップ縦方向に配置されている。この場合半分示されている室の供給通路２４０は互いに同じ間隔で、局所的な室２２６の、一次流に面した上方の縁に記載されている。
【００５３】
ギャップ内での単数又は複数の室のこの配置は特に次の場合に有利である。すなわち、ギャップがその全長で一次流に対してシールする必要がない場合か、あるいは従来のシール法をギャップの複数の区分において局所的に補強する場合である。この場合は特にガスタービンのタービン入口範囲内で生ずる。入口案内羽根の羽根プロフィールに流れる一次流の、特に羽根のよどみ点における局所的なせき止めによって、このせき止めの供給流れに対する反作用で、各羽根通路に対して、燃焼室とタービンとの間の部品ギャップの平面内における静圧の近似的に正弦波形の経過が形成される。タービン案内羽根の前における静圧２８５のこのような分配は図６に示されている。外部からの圧力吸気の供給が必要でないようにするために、ガスタービン内の冷却流体及びシール流体は普通は圧縮機範囲の一次流から取り出される。同時に燃焼室内の一次流の圧力損失が単にわずかである状態で、燃焼室とタービンとの間の部品ギャップの動流体力式シールのために使用されるシール流体は、しばしば、一次流の平均静圧よりも単にわずかにしか大きくない全圧を有している。一次流のせき止めによって一次流の静圧の局所的な増大が生ずると、従来のシール法では、ギャップの部分範囲内に、シール流体の過度にわずかな逆圧力によって、ギャップのシールがもはや充分に行われなくなる。特にこの使用例の場合、局所的な室内に形成される渦流は圧力差がわずかな場合でも確実に機能するギャップのシールをもたらす。
【００５４】
図７は図１に示した構造と類似した室の実施例を示す。室３２６を形成する切り欠き３２５は両方の部品３２１及び３２２にそれぞれ形成されている。図７に示した実施例では、図１における案内リップ５０は省略されている。その代わりに図７の室は、一次流に面したギャップ横断の範囲内で部品輪郭のアンダカット３５１を有している。付加的にギャップ内への室輪郭の移行部の縁はアンダカットの範囲において丸みを付けられているのに対し、図１の案内リップの相応する縁あるいはまた室半部からの渦流の出口範囲は、流れの掻き取り縁として鋭く形成されている。図８はアンダカット３５１を部品３２１の側面図で示す。このアンダカット３５１は、部品３２２の切り欠き３２５から出る渦流３１３の流体がギャップを横断した後に、流れのベクトルがある程度拡散する場合でも、再び部品３２１の切り欠き３２５内に入るようにするのに役立つ。更にアンダカット３５１によって、部品３２１及び３２２が熱的あるいは機械的に相互にギャップ深さ方向にしゅう動する場合でも、充分に衝撃のない渦流３１３の案内が行われる。この場合、室の流れを案内する壁輪郭の、流れのつまずきを生ぜしめるようなずれを回避する、部品相互のしゅう動に関する室輪郭の公差はギャップ深さ方向のアンダカット３５１の寸法に限定されている。アンダカット３５１が過度に大きい場合には、渦流３１３は一次流体３１０を吸い込む。
【００５５】
室３２６を補足して、図７においては機械的なシールが室３２８の一次流体３１０とは逆の側に配置されている。この機械的なシールは溝内に挿入されたシール条片３７０から成っている。
【００５６】
更に、図９に示したシール条片４７０には流通開口４７１が設けられている。この流通開口４７１はギャップ４２０を通して二次流体４１１を室４２６に供給することを可能にする。流通開口４７１は製作技術的に極めて簡単な実施例では、シール条片の長さにわたって分配された円形横断面の孔として実現されている。別の実施例では流通開口はだ円形又はスリット形の横断面を有することもできる。この場合室４２６内への二次流体４１１の流入はギャップ中心平面４２７に対する流通開口４７１の傾斜に相応する傾斜角４７２で行われる。ギャップ４２０から斜めに傾斜した流通開口４７１内への二次流体４１１の支障のない流入を保証するために、図９に示した実施例では、構造的に付加的に供給ポケット４７３が設けられた。
【００５７】
基本的には室は、ギャップを形成する部品側壁の輪郭の非対称的な切り欠きから形成することもできる。図１０は非対称的な部品輪郭を有するこのような室５２６を示す。図３に示した室１２６も非対称的な部品輪郭を有している。
【００５８】
図１１は、独立請求項１３の別の有利な実施例を示す。この本発明による装置は、ギャップ６２０を、ギャップをまたいで流れる一次流体６１０に対してシールするのに役立つ。この場合流れの案内はスラローム通路６９０として構成された室内で行われる。この室はギャップ６２０に沿ったＳ字の湾曲部内に配置されている。二次流体６１１は、図１２に示すように、溝内に挿入されたシール条片６７０の流通開口６７１を介してスラローム通路６９０に供給される。流通開口６７１は、スラローム通路６９０に関するその都度の位置に関連して、ギャップ中心平面６２７に対して変化する傾斜角６７２で傾斜せしめられている。有利には二次流体６１１は室の側方ポケット６９１内に供給される。この場合、供給される二次流体６１１がギャップ６２０から直接に一次流体６１０内に流出することによる渦流６１３の直接的な損失が最小になる。一次流側でギャップ６２０を横断して流れることはやはり部品のアンダカット６５１によって助けられる。アンダカットによって増大せしめられるスラローム通路６９０の流れ横断面は、図１３に示すように、スラローム通路６９０の側方ポケット６９１の横断面減少部６９２によって再び減少せしめられる。この横断面減少は連続的に行うこともできる。
【００５９】
スラローム通路６９０内を案内される渦流６１３は、Ｓ字形の通路経過に従って、ギャップ６２０を何回も横断する。通路の経過に従うこのＳ字形の流れの経過には、特に流通開口６７１の傾斜角６７２ひいてはスラローム通路６９０への二次流体６１１の供給に関連して、通路縦方向の渦ベクトルを有する渦系が重畳されている。
【００６０】
Ｓ字の湾曲部の半径が小さいと、渦流６１３の圧力損失が大きくなる。しかし同時にギャップ６２０を頻繁に横断することによって、シール作用及び冷却作用が均質になる。
【００６１】
図１４，１５及び１６に示されている室は付加的に渦偏向器を有している。これらの渦偏向器は、渦組織を局所的に破壊し、これによって渦流の流体を一次流内に流出させるのに役立つ。渦偏向器は図１４〜１６において異なって構成されている。図１４は、渦偏向器として機能する、室の局所的に誇張したアンダカット７６５を示す。このアンダカット７６５は渦回転方向で渦流のギャップ横断箇所の前に配置されている。渦外側の流体は小さな室半径によって、ギャップ横断の際に一次流体７１０内に偏向せしめられる。図１５においては、ギャップを形成する第１の部品８２１の室内に横壁８６６が渦偏向器として配置されている。横壁８６６は流れが室の縦方向に進むことを阻止する。これによって、渦流がギャップ縦方向の速度成分を有している場合には、渦流が室の内部で局所的にせき止められる。このため、渦流の流体が室から一次流体８１０内に局所的に流出する。この流出はギャップを形成する第２の部品８２２内の切り欠き８６７によって助けられる。この切り欠き８６７は室と一次流体８１０の流れとに間に配置されていて、したがってギャップを局所的に増大させる。切り欠き８６７あるいは横壁８６６はそれぞれ単独に形成しておくこともできる。図１６は別の供給通路の配置を示す。単に局所的に配置されている別の供給通路内に供給される二次流体９６８は局所的に渦流を空気力学的に妨げる。この渦流の妨害によって、やはり渦流の流体が一次流体９１０内に流出せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ギャップをシールする横断面図で示した本発明による装置が配置されている、ギャップを形成する２つの部品の断面図を示す。
【図２】本発明による装置を有する図１のギャップの平面図を示す。
【図３】ターボ機械の回転羽根列と不動羽根列との間のギャップをシールする本発明による装置の別の実施例の断面図を示す。
【図４】案内エレメント及び案内リップを備えたギャップを制限する部品壁の横断面図ａ）と側面図ｂ）とを示す。
【図５】タービンロータのディスクの局所的な室の配置を示す。
【図６】タービン羽根の前方及びギャップの高さのところの隣接する羽根通路内の一次流の静的な圧力分布を示す。
【図７】ギャップをシールする本発明による装置並びにこれと組み合わせてシール条片及び室輪郭のアンダカットが配置されている、ギャップを形成する２つの部品の断面図を示す。
【図８】図７の構造の側面図を示す。
【図９】本発明による装置の別の実施例を有し、二次流体がシール条片の流通開口を経て供給されるようになっている、ギャップを形成する２つの部品の断面図を示す。
【図１０】非対称に形成された室を有する、ギャップを形成する２つの部品の断面図を示す。
【図１１】スラローム通路が配置されている平らなギャップの平面図を示す。
【図１２】スラローム通路及びこれと組み合わせて機械的なシール及びスラローム通路のアンダカットを有している、シールを形成する２つの部品の断面図を示す。
【図１３】図１２の転向ポケットの側面図を示す。
【図１４】渦のはぎ取りのための、局所的に誇張したアンダカットを有している室の断面図を示す。
【図１５】横壁と、渦のはぎ取りのための中断部とを有する室の断面図を示す。
【図１６】渦のはぎ取りのための側方から供給される二次流体通路を有する室の断面図を示す。
【符号の説明】
１０ 一次流体、 １１ 二次流体、 １２ 第３の流体、 １３ 渦流、 １４ ギャップ内に浸入する一次流体、 ２０ ギャップ、 ２１及び２２ 部品、 ２３及び２４ 部品側壁、 ２５ 切り欠き、 ２６ 室、 ２７ ギャップ中心平面、 ３０ 外面、 ４０ 供給通路、 ４１ 傾斜角、 ５０ 案内リップ、 １１０ 一次流体、 １１１ 二次流体、 １１３ 渦流、 １１５ ギャップを介して室に供給される二次流体、 １２０ ギャップ、 １２１可動の部品、 １２２ 不動の部品、 １２３及び１２４ 部品側壁、 １２５ 切り欠き、 １２６ 室、 １２７ ギャップ中心平面、 １２９ ずれ、１４０ 供給通路、 １５０ 案内リップ、 １６０ 案内ウェブ、 １６１傾斜角、 １８０ 半径方向、 １８１ ギャップ深さ方向、 ２２６ 室、２４０ 供給通路、 ２８２ タービン案内羽根、 ２８５ 静圧、 ３１０一次流体、 ３１３ 渦流、 ３２１及び３２２ 部品、 ３２５ 切り欠き、 ３２６ 室、 ３５１ アンダカット、 ３７０ シール条片、 ４１１ 二次流体、 ４２０ ギャップ、 ４２１及び４２２ 部品、 ４２６ 室、 ４２７ ギャップ中心平面、 ４７０ シール条片、 ４７１ 流通開口、 ４７２ 傾斜角、 ４７３ 供給ポケット、 ５２１及び５２２ 部品、 ５２６室、 ６１０ 一次流体、 ６１１ 二次流体、 ６１３ 渦流、 ６２０ ギャップ、 ６２１及び６２２ 部品、 ６２７ ギャップ中心平面、 ６５１アンダカット、 ６７０ シール条片、 ６７１ 流通開口、 ６７２ 傾斜角、 ６９０ スラローム通路、 ６９１ 側方ポケット、 ６９２ 横断面減少部、 ７１０ 一次流体、 ７１６ 室から流出する流体、 ７６５ アンダカット、 ８１０ 一次流体、 ８２１及び８２２ 部品、 ８６６ 横壁、 ８６７ 切り欠き、 ９１０ 一次流体、 ９６８ 二次流体

Claims (20)

1. 第１の部品と第２の部品との互いに向かい合う部品側壁（２３，２４，１２３，１２４）間に形成されているギャップを二次流体によって、部品の外面（３０）に沿って流れる一次流体に対して無接触でシールする装置であって、
   二次流体の流れによって、ギャップ（２０，３２０，４２０）内であるいはギャップに直接に接して、ギャップに沿った少なくとも単数又は複数の部分範囲内で、渦流（１３，３１３）が形成されるようになっており、ギャップ内でギャップ幅に直交しかつ部品の外面（３０）に対して平行な縦方向に延びる１つの室（２６，２２６，３２６，４２６，５２６）が配置されており、該室内で渦流が形成されている形式のものにおいて、
   第１の部品と第２の部品とは、互いに相対的に不動であり、
   更に、ギャップ又は室内に開口している供給通路（４０，２４０，３４０）を有しており、
   二次流体の供給通路がギャップの縦方向断面図でみて、ギャップ又は室の縦軸線（２７，４２７）に対して傾斜角（４１）をもってギャップ又は室内に開口していることを特徴とする、部品間のギャップを無接触でシールする装置。
2. 室が、円形又はだ円形の横断面を有する、渦流の回転室として構成されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 供給通路が殊に渦流の縁範囲においてギャップ又は室内に開口しており、その吹き込み方向が渦流に対して近似的に接線方向であることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 少なくとも１つの供給通路が正確にギャップの、一次流体流が最高の静圧を有している横断面平面内に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
5. 更に、ギャップ又は室内に配置された、二次流体の流れを案内する案内エレメント（１６０）、殊にギャップの幅および縦方向に直交するギャップ深さ方向で斜めに配置又は曲げられた案内ウェブ、を有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 室が、ギャップ内に突出する、二次流体の流れを案内する少なくとも１つの案内リップ（５０，１５０）を有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 回転対称的な機械における両方の部品の外周に沿って延びるエンドレスギャップをシールするための室がエンドレスの室として、両方の部品の外周に形成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 室が局所的な室として形成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
9. 室が仕切壁によって部分室に分割されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. ギャップがシール条片（３７０，４７０）によって機械的にシールされていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. シール条片が流通開口（４７１）を有しており、この流通開口はギャップ中心平面に対して傾斜せしめられていることを特徴とする、請求項１０記載の装置。
12. 室が少なくとも１つの渦偏向器（７６５，８６６，８６７，９６８）を有していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 互いに相対的に不動である第１の部品（６２１）と第２の部品（６２２）との互いに向かい合う部品側壁間に形成されているギャップ（６２０）を二次流体（６１１）によって、部品の外面に沿って流れる一次流体（６１０）に対して無接触でシールする装置において、ギャップ（６２０）内に、ギャップ（６２０）の幅に直交しかつ部品の外面に対して平行な縦方向に、スラローム通路（６９０）として構成された室が配置されており、二次流体の流れによって、ギャップ（６２０）内であるいはギャップ（６２０）に直接に接して、ギャップ（６２０）に沿った少なくとも単数又は複数の部分範囲内で、渦流（６１３）が形成されるようになっており、渦流（６１３）が、スラローム通路（６９０）として構成された室内を案内されるようになっていることを特徴とする、部品間のギャップを無接触でシールする装置。
14. 室が、ギャップ内に突出する、二次流体の流れを案内する少なくとも１つの案内リップを有していることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
15. 回転対称的な機械における両方の部品の外周に沿って延びるエンドレスギャップをシールするための室がエンドレスの室として、両方の部品の外周に形成されていることを特徴とする、請求項１３または１４記載の装置。
16. 室が局所的な室として形成されていることを特徴とする、請求項１３または１４記載の装置。
17. 室が仕切壁によって部分室に分割されていることを特徴とする、請求項１３または１４記載の装置。
18. ギャップがシール条片（３７０，４７０，６７０）によって機械的にシールされていることを特徴とする、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. シール条片が流通開口（４７１，６７１）を有しており、この流通開口はギャップ中心平面（６２７）に対して傾斜せしめられていることを特徴とする、請求項１３から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. 室が少なくとも１つの渦偏向器を有していることを特徴とする、請求項１３から１９までのいずれか１項記載の装置。

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