JP5330670B2 - ターボ機械の内部に適用するための改良された流体アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械のアクチュエータ及びその適用に関する。特に、本発明は、アクチュエータのピストンとシリンダとの間を密封するための改良されたピストンリング構成を含むターボ機械のアクチュエータ、及びターボ機械においてアジャスタブルシールを作動する改良された方法に関する。

ターボ機械の内部の流体アクチュエータは、通常、非常に高い温度及び圧力という苛酷な周囲環境にさらされ、パッキンリング及びアジャスタブルシールなどの構成要素を移動するために１平方インチ当たり３，０００ポンドまでの高い作動圧力を利用する。

アクチュエータが加えることができる力の量を制限する要因の１つは、アクチュエータの密封の有効度である。密封が有効であるほど、作動流体の漏れは少なくなり、加えることができる作動力は大きくなる。密封の効果が損なわれるにつれて、各アクチュエータにより加えられる作動力は減少する。従って、所望の構成要素を移動するために、より多くの量のアクチュエータを利用する必要がある。より有効な密封が実現されれば、各アクチュエータにより加えられる力の量を増加でき、従って、所望の構成要素を移動するために必要なアクチュエータの数を減らすこともできる。

ベローズアクチュエータは、ターボ機械に適用されるアクチュエータの種類の１つである。ベローズアクチュエータは、内部にピストンが配置されたシリンダと、ピストンをシリンダに結合するベローズとを含む。ベローズはシリンダとピストンとの間を密封し、それによって高圧領域及び低圧領域を形成する。ベローズが所定の場所にあるとき、高圧領域と低圧領域との間に漏れは全くなく、有効な密封状態が得られる。しかし、ベローズは、アクチュエータの過度の加圧、アクチュエータの両側における逆加圧、側部荷重、作動空気中の水分、動作環境中の異物等の条件及びベローズの寿命を限定し、その結果、アクチュエータの耐用年数を限定するその他の条件による障害を受けやすい。ベローズの故障は、アクチュエータが確実に加えられる最大作動力の減少を招き、アクチュエータの機能を完全に停止させてしまう場合もある。

ベローズアクチュエータに代わるものとして、ピストンリング密封アクチュエータがある。ベローズアクチュエータと同様に、ピストンリング密封アクチュエータは内部にピストンが配置されたシリンダを含む。しかしこの場合、密封は、ピストンに形成された１つ以上のピストンリング溝又はシリンダに形成された１つ以上の溝に挿入される１つ以上のピストンリングによって実行される。ターボ機械の環境に存在する高圧及び高温の条件下で、ピストンリングシールはベローズシールよりも障害を受けにくいが、ピストンリングシールを有する典型的なアクチュエータは、ピストンリングとシリンダ壁との間及びピストンリングとピストンリング溝との間で漏れを起こしやすい。この漏れによって、典型的なピストンリングシール構造を有するアクチュエータの作動力も限定され、ターボ機械内部で構成要素を移動するためには所望の数より多くのアクチュエータが必要になる。更に、所望の作動を実行するために、より多くの作動流体が必要とされる。

前述のように、ターボ機械の内部における高圧高温環境の中で漏れをほぼゼロに抑え、長い耐用年数を有するアクチュエータを提供することが好都合である。寿命が長く且つ密封が有効であるほど、アクチュエータにより大きな作動力を加えられるので、所望の構成要素を移動するために要求されるアクチュエータの数は少なくなる。アクチュエータの漏れが少なければ必要な作動流体の量も少なくなるため、作動システム全体の構造が単純になる。寿命が長く且つアクチュエータの高圧側からアクチュエータの低圧側への漏れがほぼゼロであるようなアクチュエータシール構成が必要とされる。

本発明は、入力ポートを有するシリンダと、少なくとも一部がシリンダの内側に配置されたピストンと、１つ以上の周囲ピストンリング溝に配置された１つ以上のピストンリングとを含むアクチュエータにおいて密封を改善することにより、上述の問題を解決する。アクチュエータは、１つ以上のピストンリング及び前記ピストンリングの高圧側に隣接して周囲ピストンリング溝に挿入された少なくとも１つのばねを更に含む。

１つ以上のピストンリングの低圧面と周囲ピストンリング溝の低圧面との間を密封するために、ばねは１つ以上のピストンリングに予荷重を与える。

本発明は、ピストンリング密封アクチュエータを使用してアジャスタブルシールを半径方向に移動する方法を更に含む。方法は、アジャスタブルシールを軸方向に移動することと、アジャスタブルシールと一次密封面との一次軸方向接触を破断することとを含む。一次軸方向接触が破断されると、アジャスタブルシールに作用する半径方向圧力が減少する。その結果、アジャスタブルシールを半径方向に移動するために必要とされる力の量が減少される。アジャスタブルシールは、より少ない数のアクチュエータ又は各々の作動力が小さいアクチュエータを使用して半径方向に移動される。

本発明の上記の目的及び特徴並びにその他の目的及び特徴は、添付の図面と関連させた以下の説明から更に明らかになるであろう。

本発明であるとみなされる主題は、本明細書の冒頭において特許請求の範囲の中で特定して指摘され且つ明確に特許請求される。本発明の上記の目的、特徴及び利点並びにその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連させた以下の詳細な説明から明らかである。

詳細な説明において、図面を参照しながら、例として挙げられる本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、ピストンシリンダアクチュエータ（流体アクチュエータ組立体）１０は、少なくとも一部がシリンダ１４の内側に配置されたピストン１２を含む。ピストン１２は、ピストン１２の周囲に沿って１つ以上のピストンリング溝１６を規定する。ピストンリング溝１６に１つ以上のピストンリング２０が組付けられる。図２に示されるように、１つ以上のピストンリング２０は、１つ以上のピストンリング溝１６の中に各ピストンリング溝１６の低圧面２４に当接するように配置される。１つ以上のピストンリング２０の高圧側において各ピストンリング溝１６に波形ばね２２を挿入することにより、１つ以上のピストンリング２０は低圧面２４に当接して予荷重を与えられる。各ピストンリング溝１６の低圧面２４に当接して１つ以上のピストンリング２０に予荷重を与えるために波形ばね２２を使用することにより、１つ以上のピストンリング２０と低圧面２４との間に、アクチュエータ１０の高圧側４２からアクチュエータ１０の低圧側４４への漏れを防止するシールが形成される。

あるいは、図３に示されるように、１つ以上のピストンリング溝１６はシリンダ１４に配置されてもよい。本実施形態においては、１つ以上のピストンリング２０は、各ピストンリング溝１６の低圧面２４に当接するように１つ以上のピストンリング溝１６に配置される。１つ以上のピストンリング２０の高圧側において各ピストンリング溝１６に波形ばね２２を挿入することにより、１つ以上のピストンリング２０は低圧面２４に対して予荷重を与えられる。

再び図２を参照すると、１つ以上のピストンリング２０の材料、量、厚さ及び半径方向幅などのパラメータは、交換がより容易である１つ以上のピストンリング２０に摩耗を集中させる一方で１つ以上のピストンリング２０がシリンダ１４の内径３２に適応した形状になり、アクチュエータ１０を有効に密封するように選択される。例えば、同一のアクチュエータ１０において１つの相対的に分厚いピストンリング２０を使用するより、複数の薄いピストンリング２０のスタックを利用するほうが望ましい。これは、薄いピストンリング２０のスタックのピストン１２の軸と平行な方向の組合せ軸方向剛性が１つの分厚いピストンリング２０の軸方向剛性と等しく、薄いピストンリング２０の剛性がピストンの軸に対して垂直方向に低いので、薄いピストンリング２０はシリンダ１４の内径３２の形状によりよく適応するためである。

各ピストンリング２０は、ピストン１２の直径２８より小さいが１つ以上のピストンリング溝１６の直径３０より大きい内径２６と、アクチュエータ１０が内部から加圧された場合にシリンダの内径３２との間に十分なシールを形成できる大きさの外径４０とを有する。図４に示されるように、ピストンリング２０の端部３６を引離した状態でピストンリング２０をピストンリング溝１６に装着できるように、各ピストンリング２０は割れ目３４を含む。

アクチュエータ１０の高圧側４２からアクチュエータ１０の低圧側４４への漏れを減少するために、各ピストンリング２０にある割れ目３４は、図４に示されるような重ね継手として構成される。これにより、ピストンリング２０がピストン１２に装着された場合、各ピストンリング２０の端部３６の間に狭く曲がりくねった漏れ経路が残される。更に、各ピストンリング溝１６に複数のピストンリング２０が挿入される場合、各割れ目３４がそれに隣接するピストンリング２０の割れ目３４から周囲方向に１８０°ずれた位置に配置されるように、ピストンリング２０は組立て時に積み重ねられる。例えば、３つのピストンリング２０のスタックにおいて第１のピストンリング２０の割れ目３４が約０°の位置にある場合、第２のピストンリング２０の割れ目３４は約１８０°の位置に配置され、第３のピストンリング２０の割れ目３４は約０°の位置に配置される。各ピストンリング２０の割れ目３４の向きをこのように規定することにより、各ピストンリングの割れ目３４から別のピストンリングの割れ目３４に至る第２の曲がりくねった漏れ経路が形成され、その結果、高圧側４２から低圧側４４への漏れは最小限に抑えられる。

波形ばね２２は、アクチュエータ１０の高圧側４２において１つ以上のピストンリング溝１６の各々に挿入される。波形ばね２２は周囲に沿って波状の形状を有する。図５に示されるように、波形ばね２２がピストンリング溝１６に挿入されたとき、波形ばね２２と隣接するピストンリング２０との間及び波形ばね２２とピストンリング溝１６の高圧面４６との間に空隙が形成されるように、波形ばね２２は構成される。本発明は、各ピストンリング溝１６に挿入される波形ばね２２の使用に限定されない。例えば、図７に示されるようなコイルばね８４又は図５にも示される周囲に沿って配列された複数の板ばねセグメントなどの他の種類のばねが使用されてもよい。

波形ばね２２は、１つ以上のピストンリング溝１６の各々の低圧面２４に向かってピストンリング２０に予荷重を与えることにより、アクチュエータ１０の高圧側４２からアクチュエータ１０の低圧側４４への漏れを最小限に抑えるように作用する。１つ以上のピストンリング溝１６への組付けを容易にするために、波形ばね２２は各ピストンリング２０と同様の割れ目を有する。漏れを更に最小限にするために、波形ばね２２の割れ目が隣接するピストンリング２０の割れ目３４に対向して約１８０°の位置に配置されるように、波形ばね２２はピストンリング溝１６に挿入される。従って、ピストンリング２０はピストンリング溝１６の低圧面２４に当接して予荷重を与えられ、アクチュエータ１０が加圧される前に初期密封を実現する。

一実施形態においては、シリンダ１４はピストン１２より大きい内径３２を有し、ピストン１２はシリンダ１４の内側に配置される。更に、シリンダ１４の底部５０は円錐台形である。円錐台形であるとシリンダ１４の底部５０の中央で厚みが増すため、シリンダ１４の強度及び剛性が増加する。それにより、シリンダ１４は、大きな変形又は障害を引起こさずに高い作動流体圧力に対して更なる耐性を有する。図１に示されるように、シリンダ１４は入力ポート５２を含む。入力ポート５２は、シリンダ１４の外側からシリンダ１４の内側へ作動流体を導入する。

別の実施形態においては、シリンダ１４は、シリンダ１４の内径３２の底部に流れ均一化溝５４を更に含んでもよい。流れ均一化溝５４は、アクチュエータ１０が最初に加圧されるときにシリンダ１４の周囲に沿って圧力を均等化する働きをする。当初、ピストン１２は完全な後退位置にあり、シリンダ１４の底部５０に当接する。入力ポート５２を経て作動流体がシリンダ１４に導入されると、作動流体は、まず周囲全体に沿って流れ均一化溝５４を満たし、その後ピストン１２は引上げられる。流れ均一化溝５４が存在するために、シリンダ１４の周囲に沿って圧力が均等化されるので、ピストン１２の初期運動はシリンダ１４の内径３２に平行な状態により近くなる。その結果、摩耗の危険性は低下し、アクチュエータの潜在仕事生成能力は向上する。

更に別の実施形態においては、図１に示されるように、アクチュエータ１０の動作中にシリンダ１４に対してピストン１２が回転するのを防止するために、シリンダ１４は、底部５０にクロッキング溝穴５８を更に含む。ピストン１２の底面６２の対応する位置に、底面６２から突出するクロッキングピン６０がある。シリンダ１４の内側でピストン１２が作動される間、クロッキングピン６０はクロッキング溝穴５８の中に配置された状態に留まり、それにより、シリンダ１４に対してピストン１２が回転するのを阻止する。

ピストン１２及び１つ以上のピストンリング２０は、アクチュエータ１０の動作中にピストン１２、１つ以上のピストンリング２０及びシリンダ１４の内径３２の間の密封を向上する独自の方法を提供する。シリンダ１４の入力ポート５２を経て流入する作動流体によりアクチュエータ１０が最初に加圧されると、作動流体は波形ばね２２とピストンリング溝１６との間の空隙、波形ばね２２と隣接するピストンリング２０との間の空隙及び１つ以上のピストンリング２０の内径２６とピストンリング溝１６の直径３０との間の空間６４をそれぞれ満たす。空間６４における作動流体の圧力は、１つ以上のピストンリング２０に半径方向外側の力を加え、それにより、１つ以上のピストンリング２０とシリンダ１４の内径３２との間の密封を向上する。アクチュエータ１０の密封が改善されることにより、アクチュエータ１０の内側の流体圧力が上昇し、その結果、より高い作動力を得ることができる。

一実施形態においては、シリンダ１４は、１つ以上のピストンリング２０より高い耐磨耗特性を有する材料から製造される。従って、アクチュエータ１０が長期間にわたり機能するにつれて、１つ以上のピストンリング２０の形状はシリンダ１４の内径３２の形状に適応するようになる。そのため、１つ以上のピストンリング２０とシリンダ１４の内径３２との間の密封は更に改善される。

別の面は、上述のピストンリング密封アクチュエータを使用してアジャスタブルシールを作動するための改良された方法である。図６は、そのような作動方法の１つを示す。まず、この場合には作動力８２が半径方向ではなく軸方向に加えられる。この作動力が軸方向荷重力８０を上回って一次密封面７６における接触が損なわれると、空洞部７４から高圧流体が逃げるため、アジャスタブルシール７０の周囲の圧力分布は均等化される。従って、アジャスタブルシール７０の半径方向作動が実行される場合に要求される作動力は小さくなり、アジャスタブルシール７０に作用する力はそれほど大きく変動せず、アジャスタブルシール７０の動きをより精密に制御できる。また、この方法によれば、半径方向作動中にアジャスタブルシール７０は一次密封面７６と接触しなくなるので、必要とされるアクチュエータを小型化できると共に、アクチュエータの数も少なくてすむ。従って、半径方向圧力荷重が大幅に減少し、境界面の摩擦力が排除されるため、必要な作動力は著しく減少される。

あるいは、アジャスタブルシール７０の軸方向作動により、密封面が一次密封面７６から二次密封面７８へ移動するような作動方法が実現されてもよい。その結果、アジャスタブルシール７０の上方の圧力が低くなり、それにより、アジャスタブルシール７０を半径方向に移動するために必要とされる力は著しく軽減される。従って、アジャスタブルシール７０を移動するために必要とされるアクチュエータの数を減少でき、アクチュエータ自体も小型化できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、現時点及び将来において、当業者が特許請求の範囲の範囲内に含まれる種々の改良及び向上を実行できることは理解されるであろう。特許請求の範囲は、最初に説明された発明に対して適正な保護を維持すると解釈されるべきである。

ピストンリングを含むピストン‐シリンダアクチュエータを示した横断面図である。 図１において円「Ａ」で囲まれた領域を示した拡大図である。 ピストンリングを含むピストン‐シリンダアクチュエータの別の実施形態を示した図である。 ピストンリングを示した図である。 波形ばね又は板ばねが装着された状態のピストンリングを内側から見た部分図である。 アジャスタブルシールを示した横断面図である。 コイルばねが装着された状態のピストンリングを内側から見た部分図である。

符号の説明

１０…流体アクチュエータ組立体（ピストン‐シリンダアクチュエータ）、１２…ピストン、１４…シリンダ、１６…ピストンリング溝、２０…ピストンリング、２２…波形ばね、２４…ピストンリング溝の低圧面、２６…ピストンリングの内径、２８…ピストンの直径、３０…ピストンリング溝の直径、３２…シリンダの内径、３４…割れ目、４０…ピストンリングの外径、４２…高圧側、４４…低圧側、４６…高圧面、５２…入力ポート、７０…アジャスタブルシール、７６…一次密封面、７８…二次密封面、８４…コイルばね

Claims (5)

1. 流体アクチュエータ組立体であって、
   入力ポートを有するシリンダと、
   少なくとも一部が前記シリンダの内側に配置されたピストンであって、該ピストンは直径を有し、かつ該ピストンの外周の周りにピストンリング溝を含み、該ピストンリング溝は、前記アクチュエータの低圧側に位置する低圧面と高圧側に位置する高圧面とを有する、該ピストンと、
   その内径と前記ピストンリング溝との間に空間が存在するように、前記ピストンリング溝の前記低圧面に当接するピストンリングであって、該ピストンリングは前記ピストンの前記直径よりも大きな外径を有して、前記アクチュエータが加圧された際に前記ピストンリングと前記シリンダとの間をシールする、該ピストンリングと、
   その内径と前記ピストンリング溝との間に空隙が存在するように、前記ピストンリング溝内に前記ピストンリングに隣接して位置し、かつ前記ピストンリング溝の前記高圧面に当接するばねと、
   を備え、
   前記ばねは、前記ピストンリングと前記ピストンリング溝の前記低圧面との間をシールするために前記ピストンリングに予荷重を与えて、前記アクチュエータの高圧側と低圧側との間の漏れを防ぎ、
   前記アクチュエータが加圧された際に、前記ばねと前記ピストンリング溝との前記空隙および前記ピストンリングと前記ピストンリング溝との前記空間を作動流体で満たして、前記ピストンリングに半径方向外側の力が加えることにより、前記ピストンリングと前記シリンダとの間のシールを強化し、
   前記ピストンリングは、前記ピストンリングを前記ピストンリング溝に挿入し易くなるように、前記内径から前記外径まで分割され、
   複数のピストンリングが前記ピストンリング溝内に挿入され、該複数のピストンリングのうちの少なくとも１つは、隣り合うピストンリングと前記分割の角度位置が異なるように、前記ピストンリング溝内に組付けられる、
   流体アクチュエータ組立体。
2. 前記ばねは板ばねである、請求項１に記載の流体アクチュエータ組立体。
3. 前記ばねはコイルばねである、請求項１に記載の流体アクチュエータ組立体。
4. 前記ばねは１つ以上の板ばねセグメントである、請求項１に記載の流体アクチュエータ組立体。
5. 前記シリンダは前記ピストンリングより耐磨耗性に優れた材料からなる、請求項１に記載の流体アクチュエータ組立体。
   

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