JP5478502B2

JP5478502B2 - 密封セグメントおよび密封セグメント構造

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Publication number: JP5478502B2
Application number: JP2010538378A
Authority: JP
Inventors: エミール・アシェンブルック; ミハエル・ブラスヴィヒ; ジャマン・エル・マサルメ; フランク・ライス
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2008-11-03
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-11-03
Also published as: DE102007062681A1; CA2701748C; EP2238315B1; WO2009080142A1; US20100247005A1; EP2238315A1; CA2701748A1; JP2011512473A; US9182039B2

Description

本発明は、互いに相対的に運動可能な２つの部材を密封結合するための、請求項１に記載の密封セグメントと、密封セグメント構造、および当該密封セグメント構造を有するターボ機関に関する。

隣り合う部材を密封結合するための密封セグメント自体は、既に知られている。隣り合う部材が互いに対して相対運動可能とされる密封セグメントは、例えば特許文献１に開示されている。当該密封セグメントは、複数の金属リングとプラスチックリングとから構成され、サンドイッチ状に形成されており、密封効果を保持しつつ回転の負荷に耐え得るようになっている。当該密封セグメントの欠点は、とりわけ、コストを要するサンドイッチ状の構造である。さらに不利な点は、この密封セグメントによって、２つの部材の互いに対する相対的な回転運動が可能となるにすぎないことである。互いに対する、双方の部材の最大限の相対運動は、密封セグメントが剪断荷重に耐え得る力によって限定される。そのため密封セグメントは、どのような相対運動の際にも材質疲労に耐え切れず、それによって耐久年数に対して後まで残る悪影響を及ぼす。

独国特許第２４５３６４５号明細書

本発明の課題は、隣り合う部材同士の互いに対する様々な相対運動を可能にし、かつ耐久年数が長い密封セグメントと、密封セグメント構造と、そのような密封セグメント構造を有するターボ機関とを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する密封セグメントと、請求項１７の特徴を有する密封セグメント構造と、当該密封セグメント構造を有する、請求項２１の特徴を有するターボ機関とによって解決される。

互いに相対的に運動可能な隣り合う２つの部材を密封結合するための、本発明に係る密封セグメントは、ウェブを介して互いに結合されている２つの密封体を有している。密封体は、部材の凹部に設置可能であり、当該部材と共にそれぞれ１つの滑り軸受を構成している。これにより、密封セグメントは、２つの部材の間に継手状に設けられ、両部材の互いに相対的な旋回運動も軸方向の運動も補償され得る。このとき、密封セグメントは捩られず、又は変形されず、それによって従来の解決法と比べて耐久年数が長くなる。同時に、すべての相対運動を介して、耐圧・耐熱結合がもたらされる。さらに、本発明に従って密封セグメントを継手状に形成することにより、部材間のずれが応力が作用しない状態で補償可能である。

密封セグメントの好ましい材質は、金属である。

密封体は好適には円筒状であり、密封効果を高めるために、径方向に弾力性を有して形成されている。これによって、密封体はその密封面で予応力をかけられて、向かい合う凹部の内面に当接することができる。

特に、密封体は互いに対して軸方向に平行に延在しており、それゆえ互いに平行に設けられている、向かい合う部材の長手方向ノッチとリングノッチに取り付けが可能となる。

実施例では、密封体とウェブとを有する密封セグメントは、筒状の物体から一体的に形作られている。

別の実施例では、密封体とウェブとを有する密封セグメントは、唯一の板状の密封要素から形成されている。このとき、板状の密封要素の開いた端部分は、ウェブに達せられるか、又は当該ウェブから離隔されている。

さらなる実施例では、密封セグメントは、ウェブ領域で互いに結合されている板状の２つの密封要素から成っている。製造技術上の理由から、当該２つの密封要素が同一の形状を備えていれば、有利である。密封要素の開いた端部分は、取り付けられた状態では、互いから間隔があけられていてよい。複数の密封セグメントを軸方向に互いに連続して使用する場合には、板状の密封要素が長手方向にそれぞれ互いに対してずらされて設けられ、その結果階段状の材料の重なりが密封セグメントの間に作られることによって、隣り合う密封セグメント間の密封効果を高めることができる。

実施例では、密封セグメントの弾力性を高めるために、少なくとも１つの密封体に横断スリットが形成されており、当該横断スリットはウェブにまで延伸していてよい。複数の横断スリットが１つの密封体に交互に備わり、当該複数の横断スリットがウェブを越えて別の密封体に延伸していることによって、弾力性をさらに高めることができる。

密封セグメントと密封面とをより良好に冷却するために、密封体には少なくとも部分的に穴をあけられていてよい。選択的に、密封体は溝が付けられて形成されていてもよい。同様に、冷却空気供給機と接続可能な少なくとも１つの貫通孔を広範囲に有するウェブを形成することも考えられ得る。

複数の密封セグメントは、本発明に係る密封セグメント構造を形作る。このとき、隣り合う密封体に、それぞれ１つの接続要素が軸方向に挿入されていれば、特に、密封セグメントを互いに安定させ、かつ滑り軸受を安定させるために有利である。接続要素は、たとえば螺旋バネ、弾力性のあるロッド、あるいはボール状の端部分を有するバーであってよい。

本発明に係る密封セグメント構造の密封効果は、ターボ機関の熱ガス路で使用する際に、たとえば燃焼室側とタービン側との間の接続領域において、いわゆる熱ガス侵入が回避されるように、最適化されている。さらに、密封セグメントを冷却することによって、過熱や過度の冷却空気の消費を防ぐことができる。密封セグメントによって、燃料もしくは空気は再生産可能に分配されることができ、かつ熱ガス路において漏出物の侵入を予防し、それによってターボ機関の高い効果程度が確実に達成され得る。

本発明のその他の有利な実施例は、さらなる従属請求項の対象である。

次に、本発明の好ましい実施例が、概略図に基づいて詳述される。図に示されるのは以下である。

取り付けられた状態での密封セグメントの第１の実施例を有する、本発明に係る第１の模範的な密封セグメント構造の３次元図である。図１の密封セグメント構造の単独図である。図１と図２の密封セグメントの単独図である。本発明に係る第２の模範的な密封セグメント構造である。本発明に係る密封セグメントの第２の実施例である。本発明に係る密封セグメントの第３の実施例である。本発明に係る密封セグメントの第４の実施例である。本発明に係る密封セグメントの第５の実施例である。本発明に係る密封セグメントの第６の実施例である。本発明に係る密封セグメントの第７の実施例である。

図１は、隣り合う２つの部材４，６を耐圧・耐熱結合するための、本発明に係る密封セグメント構造２の斜視図である。部材４，６は、非常に単純化されて図示されており、間隙８を介して互いから離隔している。密封セグメント構造２は、複数の金属製の密封セグメントから成っている。該密封セグメントの例として、２つの密封セグメント１０，１２が表されている。

密封セグメント１０，１２それぞれが、軸方向に対して平行に配設された円筒状の２つの密封体１４，１６を有している。密封体１４，１６それぞれは、広範囲に形成された１つのウェブ１８を介して互いに結合されている。密封体１４，１６は、径方向に弾力性を有して形成されている。さらに、密封体１４，１６それぞれが、互いに対して平行に延在している一組のノッチ内面２８，３０又は３２，３４を有している、図１ではＵ字状に湾曲した矩形状の１つの長手方向ノッチ２０，２２に部分的に入り込んでいる。密封体１４，１６は、円周側に密封面２４，２６を形成されており、密封体１４，１６には、密封面２４，２６において予応力が作用し、密封体１４，１６は、部分的に密封され、ノッチ内面２８，３０，３２，３４に当接する。

密封セグメント１０，１２と部材４，６との間の熱膨張の違いを調整するために、少なくとも１つの密封体１４，１６は、ノッチベース３６，３８から離隔されている。すなわち、向かい合う長手方向ノッチ２０，２２のノッチベース３６，３８の距離は、密封セグメント１０，１２の横方向軸線４０に沿った、密封セグメント１０，１２の広がりよりも大きい。

本発明では、密封体１４，１６は、部材４，６と共に滑り軸受を構成し、これにより部材４，６に継手状に軸受けされるようになっている。長手方向ノッチ２０，２２は、軸受金として用いられ、当該軸受金によって、部材４，６は、長手方向ノッチ２０，２２の長手軸線４２に沿って軸方向における、互いに相対的な運動も、長手軸４２を中心とした旋回運動４４も可能となる。密封体１４，１６が弾力性を有して形成されていることによって、予応力が生じる。当該予応力によって、部材４，６の互いに対する相対運動とは関係なく、密封面２４，２６とノッチ内面２８，３０又は３２，３４との間が耐圧・耐熱結合され、その結果として、部材４，６の間の間隙８が密封され閉じられる。これと同時に、長手方向ノッチ２０，２２の間のずれが、長手方向ノッチ２０，２２に応力を発生させることなく、密封セグメント１０，１２の継手状の軸受を介して補償される。

図２は、図１の密封セグメント構造２を表わす。密封セグメント１０，１２は同一であり、それぞれ対称的に形成されている。密封セグメント１０，１２は、軸方向に互いに連続して設けられており、向かい合う端面４６，４８において密封されて接している。密封体１４，１６，５０，５２は、中空に形成されている。軸方向に互いに連続している密封体１４，１６又は５０，５２によって、接続要素５４，５６がそれぞれガイドされている。接続要素５４，５６は、図２では螺旋バネであり、密封セグメント１０，１２を前後方向において安定させ、且つ滑り軸受又は継手も安定させることができる。同様に、接続要素５４，５６によって、図１で示された長手方向ノッチ２０，２２に密封セグメント構造２を容易にはめ込むことができる。そのようなはめ込みは、好適には旋回運動を介して行われる。密封セグメント１０に表わす図３において、密封セグメント１０，１２を詳細に説明する。

図３を参照すると、密封セグメント１０が、２つの板状の密封要素５８，６０から成り、密封要素５８，６０が、その中央領域においてウェブ１８で互いに固定されて結合されている。さらに、密封要素５８，６０が、その端部領域において窪み状に形成されている。その結果として、凸状の窪み面６１，６２，６３，６４が向かい合う構造において、円筒状の密封体１４，１６が形成される。これにより、密封セグメント１０は、骨の形態又はダンベルの形態を有する。密封体１４，１６はそれぞれ、密封要素５８，６０の対向する端部分７０，７４又は７２，７６の間に形成された、長手方向間隙６６，６８を介して開放されて形成されている。これによって、密封体１４，１６の弾性効果と予応力とに影響を及ぼすことができる。

図４は、本発明に係る密封セグメント構造７８のさらなる実施例を表わす。密封セグメント構造７８は、図１と図２とに記載された上述の密封セグメント構造２とは異なり、２つの板状の密封要素５８，６０又は８４，８６が長手軸方向４２に互いにずれて形成されている密封セグメント８０，８２を備えている。密封要素５８，６０又は８４，８６の、軸方向にずれた構造によって、密封セグメント８０，８２の間の端面の密封領域は、階段状に形成され、両方の密封セグメント８０，８２の材料による覆いが生じるので、当該材料による覆いが、密封セグメント８０，８２の間の密封効果を最適化する。

図５は、本発明に係る密封セグメント８８の実施例を表わす。密封セグメント８８は、板状の密封要素９０から一体的に作られている。軸方向に対して平行に配置された２つの円筒状の密封体１４，１６が端側で作られ、密封体１４，１６の間にウェブ１８が形成されているように、密封要素９０は変形されている。密封要素９０は、それぞれ反対に位置する２つの開いた端部分７０，７２を有している。端部分７０，７２は、ウェブ１８から離隔している。それに応じて、密封体１４，１６それぞれは、長手方向間隙６６，６８を備えているので、径方向において開放されている。

図６は、本発明に係る密封セグメント９２の実施例を表わす。密封セグメント９２は、図５に表わす上述の密封セグメント８８のように、板状の密封要素９０から形成されている。しかしながら、端部分７０，７２は、図５に表わす密封セグメント８８とは異なり、ウェブ１８に達するので、密封体１４，１６は径方向において閉じている。この場合、端部分７０，７２が、ウェブ１８と固定され結合されている場合がある。

図７は、本発明に係る密封セグメント９４の実施例を表わす。密封セグメント９４は、管状の密封要素９６から形成されている。密封要素９６は、その周囲に亘って閉じた状態に形成されており、軸方向に対して平行に配設された２つの円筒状の密封体１４，１６と広範囲のウェブ１８とが形成されるように変形されている。ウェブ１８を形成している密封要素９６の管内壁部分９８，１００が、互いに結合されていないことによって、密封体１４，１６の弾性効果が発揮される。

図８は、板状の２つの密封要素５８，６０から成る、図３に表わす密封セグメント１０であって、その中央領域においてウェブ１８で接合されている密封セグメント１０を表わす。ウェブ１８には、２つの貫通孔１０２，１０４が開けられている。例えば冷却空気が、貫通孔１０２，１０４を介して、図１に表わす２つの部材４，６の間を通過可能となる。

図９は、密封セグメント１０６の実施例を表わす。密封セグメント１０６は、図１〜図８に表わす上述の密封セグメントと比べて、軸方向に延長されて形成されている。該密封セグメントは、その構成上、図５に表わす密封セグメント８８に相当する。すなわち、該密封セグメントは、板状の密封要素９０を備えており、密封要素９０は、その端側において、軸方向に対して平行に配置された円筒状の密封体１４，１６を形成するように窪み状に変形されている。密封体１４，１６は、広範囲のウェブ１８を介して互いに結合されており、径方向において長手方向間隙６６，６８を介して開放されている。該密封体には、弾力性をある程度高めるために、５つの横断スリット１０８，１１０，１１２，１１４，１１６が設けられており、当該横断スリットは、交互に密封体１４，１６を貫いてウェブ１８にまで延伸している。

図１０は、密封セグメント１１８の実施例を表わす。密封セグメント１１８は、図９に表わす上述の密封セグメント１０６のように、軸方向に延長されて形成されている。該密封セグメントは、その構成上、図３に表わす密封セグメント１０に相当する。すなわち、該密封セグメントは、板状の２つの密封要素５８，６０を備えている。密封要素５８，６０は、その端側において、軸方向に対して平行に配置された円筒状の密封体１４，１６であって、長手方向間隙６６，６８を有している密封体１４，１６を形成するように窪み状に変形されている。該密封要素は、その中央領域においてウェブ１８で互いに固定されて結合されている。該密封体には、弾力性をある程度高めるために、５つの横断スリット１０８，１１０，１１２，１１４，１１６が形成されており、当該横断スリットは、交互に密封体１４又は密封体１６からウェブ１８を越えて別の密封体１６又は別の密封体１４に延伸している。

言及すべきは、前述の模範的な密封セグメントの冷却は、ウェブ１８の少なくとも１つの貫通孔に限定されず、同様に他の冷却のヴァリエーションが考えられ得るということである。たとえば、密封体１４，１６の密封面２４，２６に穴を開けることが挙げられ、それによって特に、ノッチ内面２８，３０，３２，３４の冷却を改良することになる。同様に密封体１４，１６の密封面２４，２６の円周側に溝を付けることによって、ノッチ内面２８，３０，３２，３４の意図された冷却が行われる。もちろん、前述の個々の冷却の実施例は、互いに組み合わせも可能である。

さらに言及すべきは、前述の模範的な密封セグメントもしくは密封セグメント構造２，７８のはめ込みは、軸方向かつ直角の長手方向ノッチ２０，２２に限定されないということである。同様に例として考えられ得るのは、長手方向ノッチ２０，２２がそのノッチ穴からノッチベース３６，３８の方向に広がるように、ノッチ内面２８，３０もしくは３２，３４がノッチベース３６，３８に対して傾斜している長手方向ノッチ２０，２２を形成することである。

同様に、本発明に係る密封セグメントもしくは密封セグメント構造２，７８の使用は、長手方向ノッチ自体に限定されず、同様にリングノッチでの使用が可能であり、その結果隣り合う部材４，６の間のリング間隙は密封されて閉じることが可能である。このとき、個々の密封セグメントが長手方向において、それぞれのリングノッチに対応するアーチ形および／あるいは対応する複数の横断スリットを有していれば、好適である。端面のリングノッチでの、本発明に係る密封セグメント構造の模範的な使用は、ターボ機関での利用、特に、燃焼室のコンポーネントと、第１ガイドステージのようなタービンのコンポーネントとの間の熱ガス路での利用である。本発明に係る密封セグメント構造の密封体１４を受容するために、対応する燃焼室のコンポーネントは、ガイドステージに対向する端面にリングノッチを備えている。同様に、ガイドステージは、燃焼室のコンポーネントに対向する端面に、密封体１６を受容するためのリングノッチを備えている。たとえば熱応力に基づいて、燃焼室側とタービン側との間に相対運動が生じると、当該相対運動は、たとえば引張力や剪断力といった負荷が密封セグメントにかけられることなく、必要とされる耐圧・耐熱性を維持しながら、密封セグメントを本発明に従って継手状に形成することで補償される。

同様に言及されるべきは、弾力性のある接続要素は螺旋バネに限定されず、同様にたとえば弾力性のあるロッド、あるいはボール状の端頭部を有するバーも考えられ得るということである。

さらに言及されるべきは、密封セグメントは、金属以外の材料からも製造されてよいということである。材料は優先的に、見込まれる周囲の条件によって決定され、たとえばプラスチックであってもよい。さらに、特に密封体１４，１６に、たとえば耐食性があり摩擦の少ないコーティングを施すことが考えられ得る。

開示されているのは、互いに相対的に運動可能な隣り合う２つの部材を密封結合するための密封セグメントであって、ウェブを介して互いに結合されておりかつ部材の凹部に継手状に設置可能な２つの密封体を有する密封セグメントと、複数のそのような密封セグメントを有する密封セグメント構造と、そのような密封セグメント構造を有するターボ機関とである。

２密封セグメント構造
４部材
６部材
８間隙
１０密封セグメント
１２密封セグメント
１４密封体
１６密封体
１８ウェブ
２０長手方向ノッチ
２２長手方向ノッチ
２４密封面
２６密封面
２８ノッチ内面
３０ノッチ内面
３２ノッチ内面
３４ノッチ内面
３６ノッチベース
３８ノッチベース
４０横軸
４２長手軸
４４旋回運動
４６端面
４８端面
５０密封体
５２密封体
５４接続要素
５６接続要素
５８密封要素
６０密封要素
６２窪み面
６４窪み面
６６長手方向間隙
６８長手方向間隙
７０端部分
７２端部分
７４端部分
７６端部分
７８密封セグメント構造
８０密封セグメント
８２密封セグメント
８４密封要素
８６密封要素
８８密封セグメント
９０密封要素
９２密封セグメント
９４密封セグメント
９６密封要素
９８管内壁部分
１００管内壁部分
１０２貫通孔
１０４貫通孔
１０６密封セグメント
１０８横断スリット
１１０横断スリット
１１２横断スリット
１１４横断スリット
１１６横断スリット
１１８密封セグメント

Claims

互いに相対的に運動可能な隣り合う２つの部材（４，６）を密封結合するための密封セグメントであって、ウェブ（１８）を介して互いに結合され且つ前記部材（４，６）の凹部（２０，２２）に設置可能な、２つの密封体（１４，１６）を有している前記密封セグメントにおいて、
前記密封体（１４，１６）が、前記凹部（２０，２２）と共に滑り軸受を構成しており、
前記密封体（１４，１６）と前記ウェブ（１８）とが、管状の密封要素（９６）から形成されていることを特徴とする密封セグメント。
互いに相対的に運動可能な隣り合う２つの部材（４，６）を密封結合するための密封セグメントであって、ウェブ（１８）を介して互いに結合され且つ前記部材（４，６）の凹部（２０，２２）に設置可能な、２つの密封体（１４，１６）を有している前記密封セグメントにおいて、
前記密封体（１４，１６）が、前記凹部（２０，２２）と共に滑り軸受を構成しており、
前記密封体（１４，１６）と前記ウェブ（１８）とが、板状の密封要素（９０）から形成されており、
該密封要素（９０）の開いた端部分（７０，７２）が、前記ウェブ（１８）に到達していることを特徴とする密封セグメント。
前記密封体（１４，１６）が、円筒状に形成され、径方向において弾力性を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の密封セグメント。
前記密封体（１４，１６）が、軸方向において互いに対して平行に延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の密封セグメント。
前記ウェブ（１８）にまで延伸する横断スリット（１０８，１１０，１１２，１１４，１１６）が、少なくとも１つの密封体（１４，１６）に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の密封セグメント。
前記密封体（１４，１６）が、少なくとも部分的に、穴をあけられた密封面（２４，２６）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の密封セグメント。
前記密封体（１４，１６）それぞれが、溝が付けられた１つの密封面（２４，２６）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の密封セグメント。
前記ウェブ（１８）が、少なくとも１つの貫通孔（１０２，１０４）を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の密封セグメント。
密封要素（５８，６０；８４，８６；９０，９６）が、金属の材質から製造されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の密封セグメント。
軸方向に互いに隣り合って設けられている複数の、請求項１〜９のいずれか一項に記載の密封セグメント（１０，１２；８０；８２；８８；９２；９４；１０６）を有する密封セグメント構造であって、前記密封セグメント（１０，１２；８０；８２；８８；９２；９４；１０６）が、互いに相対的に運動可能な２つの部材（４，６）の凹部（２０，２２）に継手状に軸受けされ、少なくとも２つの接続要素（５４、５６）を介して互いに結合されていることを特徴とする密封セグメント構造。
前記接続要素（５４，５６）が、軸方向において前記密封体（１４，１６）を貫いてガイドされる螺旋バネであることを特徴とする請求項１０に記載の密封セグメント構造。
前記接続要素（５４，５６）が、軸方向において前記密封体（１４，１６）を貫いてガイドされる弾性を有しているロッドであることを特徴とする請求項１０に記載の密封セグメント構造。
前記接続要素（５４，５６）が、軸方向において前記密封体（１４，１６）を貫いてガイドされる、ボール状の端頭部を有するバーであることを特徴とする請求項１０に記載の密封セグメント構造。
軸方向に互いに隣り合って設けられている複数の、請求項１〜９のいずれか一項に記載の密封セグメント（１０，１２；８０；８２；８８；９２；９４；１０６）を有する密封セグメント構造を有するターボ機関であって、
前記密封セグメント（１０，１２；８０；８２；８８；９２；９４；１０６）は、互いに相対的に運動可能な２つの部材（４，６）の凹部（２０，２２）に継手状に軸受けされ、少なくとも２つの接続要素（５４、５６）を介して互いに結合されていることを特徴とするターボ機関。