JP5830247B2 - ラビリンスシールパッキングリングの方法及び装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械で使用されるシールの分野に関する。より詳細には、本明細書で開示される主題は、タービン又は圧縮機のロータとケーシング又はステータのような固定構成要素との境界面に適用するための漸進的クリアランスラビリンスシールに関する。

ロータクリアランスは、シールに対するロータの摩耗を防ぐことができるように十分大きく構成される場合があるので、ガスタービン、蒸気タービン、航空機エンジン、圧縮機、及び他のターボ機械システムで使用されるラビリンスシールは過剰な漏出を起こしやすい。ロータがシールに接触している場合、これはロータ摩耗とも呼ばれ、シールが損傷を受け、その後に更に大きなクリアランスを生成する可能性がある。具体的には、ロータ摩耗は、速度上昇に伴うジャーナル軸受における流体潤滑フィルムの進行に起因したロータ動力学的励起、ロータ及びステータの相対的な熱変形、又はロータ中心のシフトを含むことができる幾つかのロータ過渡応答の間にガスタービンで発生する可能性がある。ガスタービンが始動中のような臨界速度になったときに偏位が生じる可能性がある。ガスタービン内の異なる構成要素間の熱的相違によって歪みが生じる可能性がある。ラビリンスシールがステータに堅固に結合できるときにはロータの過渡応答中にシールとロータとの間のクリアランスを調節することができないので、このクリアランスが大きいことが必要となる。ガスタービンの回転構成要素と固定構成要素との間のクリアランスは、タービンの効率及び性能の両方に影響を及ぼす可能性がある。ガスタービンの設計において、構成部品間のクリアランスが狭いほどより高い効率をもたらすことができる。蒸気タービン、航空機エンジン、又は圧縮機などの他のターボ機械システムにおいて同様のロータ過渡応答が生じ、この過渡応答は予測が困難である場合が多い。

加えて、ラビリンスシールは、可変クリアランス正圧パッキング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐａｃｋｉｎｇ：ＶＣＰＰＰ）リングで構成することができ、該リングは、バネを用いてラビリンスシールをロータから離れて大きなクリアランスにまで付勢する。これは、始動ロータ過渡応答中のロータ摩耗の予防を促進する。シールにわたる差圧が特定の値を超えて増大すると、ＶＣＰＰＰリングにかかる力によって、シールを小さなロータクリアランスにまで閉鎖させるようにする。ＶＣＰＰＰリング設計において、ＶＣＰＰＰリングがケーシング又はステータに接触する蒸気シール継手が存在する。この継手の機械的摩擦により、ＶＣＰＰＰリングの開閉のヒステリシスをもたらす場合がある。ＶＣＰＰＰリングが閉鎖した後のロータ過渡応答が存在する場合、ロータ摩耗及びラビリンス歯状部への損傷が存在することになる。

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態では、ターボ機械は、固定ハウジングと軸線の周りを回転するロータとを含む。ターボ機械用のシール組立体は、固定ハウジングの内部表面に結合され且つ半径方向面に位置付けられた少なくとも１つの弓形プレートを含む。加えて、シール組立体は、ロータ及びプレートの中間に配置された円周方向にセグメント化されるパッキングリングを含む。パッキングリングは、プレートに沿って半径方向に移動するよう位置付けられる。シール組立体はまた、パッキングリング及びロータの中間に配置された複数の弓形歯状部を含む。歯状部の各々のクリアランスは、ターボ機械の上流側部から下流側部まで漸進的に減少する。歯状部のクリアランスの漸進的減少によって、シール組立体の圧力差により生じる静水力の受動的フィードバックがもたらされ、先端クリアランスが減少するにつれて半径方向外向きの力がパッキングリングをロータから離れて移動させ、先端クリアランスが増大するにつれて半径方向内向きの力がパッキングリングをロータに向けて移動させるようにする。最後に、シール組立体はまた、弓形プレート及びパッキングリングの中間に配置され且つこれら両方に結合された付勢部材を含む。

第２の実施形態では、ターボ機械の固定ハウジングと、該ターボ機械の軸線の周りに転回する回転要素との間のガス経路をシールする方法は、半径方向平面において固定ハウジングの内部表面上に少なくとも１つの弓形プレートを配置する段階を含む。本方法はまた、弓形プレートに隣接して円周方向にセグメント化されるパッキングリングを配置する段階を含む。加えて、本方法は、複数の弓形歯状部をパッキングリング及び回転要素の中間に配置する段階を含む。歯状部のクリアランスは、ターボ機械の上流側部から下流側部まで漸進的に減少する。本方法はまた、付勢部材をパッキングリング及び固定ハウジングの中間に配置する段階を含む。該付勢部材は、パッキングリング及び固定ハウジングに結合される。

第３の実施形態では、タービン又は圧縮機は、軸線の周りを回転するロータと、該ロータを囲む固定ハウジングと、ロータ及び固定ハウジングの中間に配置された円周方向にセグメント化されるシール組立体とを含む。シール組立体の各セグメントは更に、固定ハウジングの内部表面に結合され且つ半径方向平面に位置付けられる少なくとも１つの弓形プレートを含む。シール組立体の各セグメントはまた、ロータ及びプレートの中間に配置されたパッキングリングの弓形セグメントを含む。パッキングリングは、プレートに沿って半径方向に移動するよう位置付けられる。弓形セグメントは、蒸気シール継手を含まない。シール組立体の各セグメントはまた、パッキングリング及びロータの中間に配置された複数の弓形歯状部を含む。各歯状部のクリアランスは、タービン又は圧縮機の上流側から下流側まで漸進的に減少する。歯状部のクリアランスの漸進的減少によって、シール組立体の圧力差により生じる静水力の受動的フィードバックがもたらされ、その結果、先端クリアランスが減少するにつれて半径方向外向きの力がパッキングリングをロータから離れて移動させ、先端クリアランスが増大するにつれて半径方向内向きの力がパッキングリングをロータに向けて移動させるようにする。最後に、シール組立体の各セグメントは、弓形プレート及びパッキングリングの弓形セグメントの中間に配置された付勢部材を含む。該付勢部材は、弓形プレート及びパッキングリングに結合される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本開示の一実施形態によるタービンシステムの断面図。 本発明の一実施形態によるシール組立体を有する、図１に示すようなタービンシステムのシール区域の斜視図。 本発明の一実施形態によるパッキングリング上に歯状部を備えたシール組立体の断面図。 本発明の一実施形態による、パッキングリング上に歯状部と回転要素上に隆起ランドとを備えたシール組立体の断面図。 本発明の一実施形態による、回転要素上に歯状部を備えたシール組立体の断面図。 本発明の一実施形態による、パッキングリング上の歯状部と複数のプレートとを備えたシール組立体の断面図。 本発明の一実施形態による、パッキングリング及び回転要素の両方に歯状部を備えたシール組立体の断面図。 本発明の一実施形態による、最後の歯状部クリアランス又は先端クリアランスの関数としてパッキングリング歯状部による予期される圧力分布を示すグラフ。 本発明の一実施形態による、パッキングリングに作用する閉鎖及び開放力を示すグラフ。 本発明の一実施形態による、平衡クリアランスの概念を示すグラフ。 本発明の一実施形態による、平衡クリアランスが上流側及び下流側の圧力の圧力比にどのように依存するかを示すグラフ。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

図１は、種々の構成要素を含むタービンシステム１０の一実施形態の断面図であるが、簡潔にする目的でその一部は図示されていない。図示の実施形態では、ガスタービンシステム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、及びタービンセクション１６を含む。タービンセクション１６は、固定ハウジング１８と、軸線２２の周りを回転する回転要素２０とを含む。可動ブレード２４は、回転要素２０に取り付けられ、固定ブレード２６は固定ハウジング１８に取り付けられる。可動ブレード２４及び固定ブレード２６は、軸方向に交互して配列される。シュラウド可動ブレード２４と固定ハウジング１８との間の位置２８、回転要素２０と固定ブレード２６との間の位置３０、又は回転要素２０と固定ハウジング１８との間の端部パッキンシール位置３２など、シール組立体を設置できる複数の実施可能な位置がある。

図２は、図１のタービンシステム１０のシール組立体３２の一実施形態の斜視図である。空気、燃料、又は他のガスは、上流側部３４でタービンシステム１０に流入し、下流側部３６でシステムから流出する。図示の実施形態では、軸線４０により軸方向が示され、軸線４２により半径方向が示されている。弓形プレート４４は、回転要素２０に面する固定ハウジング１８の弓形面に結合される。特定の実施形態では、プレート４４は、鋼鉄又は合金鋼から作ることができる。更に、プレートの断面は図２に示すようにＴ形を示すことができる。プレート４４は、ハウジング１８に堅固に取り付けることができる。加えて、プレート４４は、完全な３６０度リング、２つの１８０度リング、又は併せて完全なリングを形成するより小さな円弧として配置することができる。更に、特定の実施形態では、プレート４４は、同様に構成された複数のプレートからなることができる。

弓形パッキングリング４６は、プレート４４及び回転要素２０の中間に配置される。リング４６は、併せて完全なリングを形成する複数のセグメントからなることができる。特定の実施形態では、リングは、鋼鉄又は合金鋼から作ることができる。更に、リングは、ギャップ４７を設けた状態で、プレート４４と嵌合するよう構成される。付勢部材５２は、固定ハウジング１８及びパッキングリング４６の中間に配置される。付勢部材５２は、軸受可撓部として働き、軸方向４０に高い剛性をもたらし、半径方向４２に低い剛性をもたらす。軸方向に高い剛性は軸方向の大きな動きを制約する。半径方向に低い剛性により、パッキングリング４６が半径方向に移動できるようになる。加えて、付勢部材は、パッキングリング４６の重量を支持し、流れのない条件下で該パッキングリング４６が回転要素２０に触れるのを防ぐ。特定の実施形態では、付勢部材５２は、複数の可撓部からなることができる。各可撓部の一方端５０は、パッキングリング４６に機械的に結合され、各可撓部の他方端５２は、固定ハウジング１８に、或いはＴ形のときにはプレート４４に機械的に結合することができる。特定の実施形態では、機械的結合の実施例は、ボルト締め、溶接処理、又は２つの構造体を機械的に付着させる他の好適な技術を含むことができる。他の実施形態では、可撓端部５０は、パッキングリング４６の一体部分であり、ハウジング１８に機械的に付着させることができる。更に別の実施形態では、可撓端部５２は、固定ハウジング１８の、或いはＴ形のときにはプレート４４の一体部分であり、パッキングリング４６に機械的に付着させることができる。この実施形態では、各可撓部は、大きな幅厚縦横比を有するカンチレバーとして示されている。高い軸方向剛性及び低い半径方向剛性を達成する他の可撓部設計も実施可能である。

パッキングリング４６は更に、回転要素２０に面するリングの表面に結合された複数の弓形歯状部５４を含む。リング４６の各セグメント上に配置された各歯状部のセグメントは併せて回転要素２０の周りに完全なリングを形成する。特定の実施形態では、歯状部５４は、合金鋼から作ることができる。更に、歯状部と回転要素２０間のクリアランスは、タービン又は圧縮機の上流側部３４から下流側部３６まで漸進的に小さくなる。これは、上流側部３４から下流側部３６までの歯状部高さを漸進的に増加させることによって達成することができる。クリアランスの減少は、線形、２次、放物線、又は本質的に任意とすることができる。加えて、隣接する歯状部間の空間は同じか又は変化してもよく、これは以下で検討される。

図３は、パッキングリング４６上に歯状部を備えたシール組立体６０の一実施形態の断面図である。図示の実施形態では、パッキングリング４６は、可撓部の２つのセット、すなわち、可撓部の上流側セット６６及び可撓部の下流側セット６８によってプレート４４に結合される。可撓部の上流側セット６６及び下流側セット６８の半径方向コンプライアンスがバネとして概略的に示されている。図示の特定の実施形態では、可撓部の上流側及び下流側配列は、パッキングリング４６において、プレート４４を囲むリングの上流側位置及び下流側位置と一致するよう使用される。前方ギャップ７４は、パッキングリング４６の上流側部分とプレート４４との間に存在し、同様に後方ギャップ７６は、パッキングリングの下流側部分とプレートとの間に存在する。これらのギャップは、漏出流に対する流れ抵抗を提供し、漏出流を低減するために最小限にされるべきである。特定の実施形態では、前方ギャップ７４及び後方ギャップ７６は、およそ５０マイクロメートルから２５０マイクロメートルの間とすることができる。可撓部の高い軸方向剛性により、作動中に前方ギャップ及び後方ギャップがほぼ同じ値に維持される。パッキングリング４６とプレート４４との間にはポケット７８が存在する。ポケット７８の高さ７９は、ロータ過渡応答中のロータ摩耗を回避するのに十分な半径方向の動きを許容するよう設計される。ガスは、前方ギャップ７４、ポケット７８、及び後方ギャップ７６を通って存在する漏出経路８０を介して漏出する。従って、前方ギャップ７４及び後方ギャップ７６は、経路８０を通って漏出するガスの量を低減するよう構成される。更に、パッキングリング４６は、摩擦を排除するための蒸気シール継手を含まず、以下で検討する受動的フィードバック力に応答してパッキングリングが半径方向に移動できるようにする。

パッキングリング４６は更に、回転要素２０に面する表面上に配置された、上流側歯状部７０及び下流側歯状部７２を含む複数の弓形歯状部を含む。下流側歯状部７２の先端と回転要素２０との間の距離は、下流側先端クリアランス８４として定義される。特定の実施形態では、作動中の下流側先端クリアランス８４は、およそ１２５マイクロメートルと３８０マイクロメートルとの間とすることができる。上流側歯状部７０の先端と回転要素２０との間の距離は、上流側先端クリアランス８２として定義される。上流側先端クリアランス８２と下流側先端クリアランス８４との差は、クリアランス・プログレッション（漸進）として定義され、特定の実施形態では、これは、およそ４００マイクロメートルと１４００マイクロメートルの間とすることができる。上流側先端クリアランス８２は、下流側先端クリアランス８４よりも大きい。更に、各歯状部のクリアランスは、上流側部３４から下流側部３６まで漸進的に減少する。この歯状部クリアランスの漸進は、パッキングリング４６に作用する受動的フィードバック力をもたらし、以下で検討される。図４を参照すると、隆起ランド１０２を有するシール組立体１００の代替の実施形態の断面図が示されており、これはまた、歯状部のクリアランスが上流側部３４から下流側部３６まで漸進的に減少するのを例示している。このような「高低」特徴部は、漏出流に対してより蛇行した経路をもたらすのに有効とすることができる。図３及び４に示すように、隣接する歯状部間の空間８６は、均一又は不均一の何れであってもよい。例えば、一実施形態では、空間８６は、上流側部３４から下流側部３６まで増大することができる。更に、ラビリンスシールの幅は、該ラビリンスシールの圧力差によって決まる。最後に、ガスは、各歯状部の先端と回転要素２０との間に存在し、最終的には下流側先端クリアランス８４を通る漏出経路９０を通って漏出する。従って、下流側先端クリアランス８４は、経路９０を通って漏出するガスの量を低減するよう構成される。

図３及び４に示す他の寸法は、パッキングリング４６とプレート４４との間の距離９２を含む。距離９２の最小値は、予期される過渡応答を許容する必要がある。距離９２の最小値は、パッケージング上の制約によって決定付けられる。プレート４４は圧力差に起因した撓みがあまり大きくてならないはずであるため、幅９４は、シールの圧力差によって決まる。

図５は、回転要素２０上に歯状部を備えたシール組立体１１０の代替の実施形態の断面図である。図示の実施形態では、高さ、空間、及び構成を含む歯状部の全ての態様は、図３のパッキングリング４６上に配置された歯状部と同一とすることができる。パッキングリング４６は、回転要素２０に面する表面上に配置された歯状部を有し、リングにはアブレイダブルコーティング１１２が設けられている以外は、図３のリングと同一である。特定の実施形態では、アブレイダブルコーティング１１２は、ニッケル、クロム、アルミニウム、六方晶窒化ホウ素、鉄、又はこれらの組み合わせを含むことができる。他のアブレイダブル材料を使用することもできる。アブレイダブルコーティング１１２の組成は、歯状部の何れかの先端がコーティングと接触する場合には、歯状部に損傷を与えることなくコーティングが優先的に摩滅するようなものである。図示の特定の実施形態では、下流側先端クリアランス８４及び上流側先端クリアランス８２は、パッキングリングのアブレイダブルコーティング１１２と下流側歯状部７２及び上流側歯状部７０のそれぞれの先端との間の距離を表す。図３に示すものと同様の図５に示す他の要素は、上記で既に検討した。

図６は、複数のプレートを備えたシール組立体１２０の代替の実施形態の断面図である。図示の実施形態では、中間プレート４４に加えて、上流側プレート１２２及び下流側プレート１２４がある。上流側及び下流側プレートを追加することにより、より堅牢な漏出経路８０がもたらされる。具体的には、漏出経路８０を通過するあらゆるガスは、上流側プレート１２２とパッキングリング４６の上流側部分との間のギャップ＃１ １２６、リングの上流側部分と中間プレート４４との間のギャップ＃２ １２８、プレート４４とリングの下流側部分との間のギャップ＃３ １３０、及びリングの下流側部分と下流側プレート１２４との間のギャップ＃４ １３２を通ることができる。これらのギャップは、漏出流に対する流れ抵抗を提供し、漏出流を低減するために最小限にする必要がある。このような経路８０は、図３及び５に示す経路と比べてガス漏出量を低減することができる。図３に示すものと同様の図６に示す他の要素は、上記で既に検討した。

図７は、パッキングリング４６及び回転要素２０の両方に配置された歯状部を備えるシール組立体１４０の代替の実施形態の断面図である。図示の実施形態では、パッキングリング４６は、回転要素２０に面する表面上に配置され、上流側歯状部１４２及び下流側歯状部１４４を含む複数の弓形歯状部を含むことができる。更に、回転要素２０は、パッキングリング４６に面する表面上に配置され、上流側歯状部１４６及び下流側歯状部１４８を含む複数の弓形歯状部を含むことができる。パッキングリング４６上の隣接する歯状部間の空間８６は、回転要素２０上の隣接する歯状部間の空間８７と比べて異なるものとすることができる。図３に示すシール組立体６０と同様に、各歯状部間の空間８６及び８７は均一又は非均一の何れであってもよい。ラビリンスシール１５０の幅は、その圧力差によって決まり、クリアランスが小さいことにより他のラビリンスシールの幅よりも小さくすることができる。かみ合い型歯状部を用いると、歯状部の１つのセットのみを有する実施形態よりも更に蛇行しているので有利とすることができる。特定の実施形態では、図５に示すものと同様のアブレイダブルコーティングをパッキングリング４６上に設けることができる。図３に示すものと同様の図７に示す他の要素は、上記で既に検討した。

図８は、パッキングリング歯状部による圧力分布のシミュレーション結果を最後の歯状部クリアランス又は先端クリアランスの関数として示したグラフである。グラフにおいて、横座標（ｘ軸）１６２は、センチメートル単位の歯状部の軸方向位置を表し、縦座標（ｙ軸）１６４は、１２．８ＭＰａの上流側圧力及び１０．３ＭＰａの下流側圧力におけるメガパスカル単位の歯状部圧力を表している。このグラフの曲線は、軸方向圧力プロファイルと呼ばれる。３つの事例が示されており、すなわち、第１の事例１６６は、最後の歯状部クリアランスが１２５マイクロメートルであるときの圧力分布を示し、第２の事例１６８は、３８０マイクロメートルのリンスを示し、最後の事例１６８は、６３５マイクロメートルのクリアランスによる結果を示している。これら３つの事例は、パッキングリングが半径方向内向き又は外向きに移動したときの圧力プロファイルの変化（及びパッキングリングへの結果として生じる力）を示すシミュレーションにおいて使用される。各事例において、軸方向に沿った同じ箇所に配置されたた５つの歯状部があり、シール幅は同じである。各歯状部間の空間は、横座標１６２に沿って左から右に増大し、該空間が不均一になる。加えて、各事例での歯状部のクリアランス漸進は同じであり、すなわちおよそ７６０マイクロメートルで且つ漸進が直線的に生じる。換言すると、事例１６６を実施例として用いると、クリアランスは、上流側歯状部から下流側歯状部までに８９０、６９９、３１８、及び１２５マイクロメートルになる。従って、事例１６８の上流側歯状部のクリアランスは１１４０マイクロメートルであり、事例１６９では１３９５マイクロメートルとなる。図示のグラフにおいて、事例１６６の各それぞれの歯状部での圧力は、事例１６８及び１６９よりも大きい。従って、最後の歯状部でのクリアランスは、先端クリアランスの変化に起因して変化し、圧力プロファイルは図８に示すように変化する。

図９は、パッキングリング４６における半径方向の力平衡を示すグラフであり、パッキングリングに作用する閉鎖及び開放力は、それぞれ１９０及び１９２として表される。２つの異なる力がパッキングリングに作用する。第１に、流体力は、ロータの回転に起因してパッキングリング上に生成される揚力である。第２に、静水力は、シール組立体の圧力差又は何れかの結果として生じる漏出流に起因してパッキングリング上に生成される力である。流体力は静水力と比べて有意ではない。開示される実施形態の受動的フィードバックは、より堅牢な設計で結果として生じる静水力に影響を及ぼすように構成される。図９に戻ると、矢印が長い程より大きな圧力であることを示している。一実施形態では、上流側部３４からプレートのギャップの始まりまでの距離１８２は、およそ２．５ｃｍから５ｃｍの間とすることができる。同様に、ギャップから下流側部３６までの距離１８６はまた、およそ２．５ｃｍから５ｃｍの間とすることができる。ギャップ１８４の幅は、およそ１．２ｃｍから４．０ｃｍの間とすることができる。距離１８２、１８４、及び１８６は全て、閉鎖力１９０を変化するよう構成することができる。各歯状部間の空間１８８は、均一又は不均一の何れであってもよい。下向きに示されてパッキングリングの上部に作用している矢印は、閉鎖力１９０を表す。これに対応して、上向きで且つパッキングリングの下部に作用する矢印は、開放力１９２を表す。図示のグラフにおいて、３つの異なる圧力量は、閉鎖力１９０として加えられる。最初に、上流側距離１８２に対応して、パッキングリングの上流側部分に高い圧力１９４が加えられる。次に、ギャップ距離１８４に対応して、パッキングリングのギャップに中間の圧力１９６が加えられる。最後に、下流側距離１８６に対応して、パッキングリングの下流側部分に低い圧力１９６が加えられる。各セクションにおいて、圧力すなわち閉鎖力は、同じ高さを有する矢印で表されるように、パッキングリングの半径方向移動によって影響されない。

開放力１９２に注目すると、上流側部での圧力１９４は高圧閉鎖力に等しく、下流側部での圧力１９８は低圧閉鎖力に等しい。開放力１９２は、歯状部クリアランスの減少に伴って上流側部から下流側部まで漸進的に減少する。図８の圧力プロファイル下の区域は、パッキングリング４６への開放力１９２に対応する。小さな先端クリアランスでは、事例１６６にあるような圧力プロファイル下の区域は、事例１６９にあるような大きな先端クリアランスにおける圧力プロファイル下の区域よりも大きい。従って、開放力は、小さな先端クリアランスではより大きく、大きな先端クリアランスではより小さい。大きな先端クリアランスは、負の方向、すなわち内向き正味半径方向の力をもたらし、小さな先端クリアランスは、正の方向、すなわち外向き正味半径方向の力をもたらす。閉鎖力と開放力が互いに等しいクリアランスは、平衡クリアランスを表す。平衡クリアランスは、クリアランス漸進プロファイル（例えば、線形、２次、放物線、及びその他）、歯状部間空間、パッキングリングセクションの幅１８２、１８４、及び１８６、並びに前方ギャップと後方ギャップとの比を含む、幾つかの変数により影響を受ける。これらの変数は、漏出が低減される所望の平衡クリアランスを得るように操作することができる。

図１０は、平衡クリアランスの概念を示すシミュレーション結果のグラフである。グラフにおいて、横座標１７２はマイクロメートル単位の最終歯状部クリアランスを表し、縦座標１７４は、ニュートン単位の正味半径方向力を表す。ここで、正の半径方向の力は、パッキングリングを開放させる外向きの半径方向の力に相当し、負の半径方向の力は、パッキングリングを閉鎖させる内向きの半径方向の力に相当する。曲線１７６は、最終歯状部クリアランスの関数としての正味半径方向力の変化を示している。平衡クリアランス１７８は、正味半径方向力がゼロであり、パッキングリングの移動が無い結果となるときに起こる。このシミュレーションでは、平衡クリアランス１７８は、およそ３４０マイクロメートルで起こる。平衡クリアランスと圧力比べとの間の関係は、図１１に関して以下で検討する。

図１１は、平衡クリアランスが上流側及び下流側の圧力の圧力比にどのように依存するかを示すシミュレーション結果のグラフである。グラフでは、横座標２０２は、マイクロメートル単位の最終歯状部クリアランスを表し、縦座標２０４は、ニュートン単位の正味半径方向力を表す。これらの事例は以下のことを示している。第１の事例２０６は、上流側圧力が高いときの半径方向を示している。第２の事例２０８は、圧力が中間の値であるときの半径方向を表している。最後の事例２０９は、低い圧力による結果を示している。３つの事例全てにおいて、下流側圧力に対する上流側圧力の比が同じであり、唯一の相違点は、各事例の圧力差である。従って、これら３つの事例のシミュレーション結果は、上流側及び下流側圧力の比の特定の値において、圧力の値に関係なくシール組立体がほぼ同じ値の平衡クリアランスを有することを実証している。

従って、提案のシールの利点は、より大きなロータ過渡応答が存在する場合でも小さなクリアランスが維持され、漏出が少なく高効率をもたらす点である。これが起こる理由は、クリアランスが小さいときには受動的フィードバックが半径方向外向きの力をもたらし、クリアランスが大きいときには半径方向内向きの力をもたらすためである。このことは、上記の実施形態で説明された漸進クリアランスシール組立体が示した受動的フィードバック現象を実証している。このような受動的フィードバックは、タービン又は圧縮機の過酷な環境で故障するか又は信頼性が低くなる可能性があるどのような追加のセンサ又はアクチュエータも必要とすることなく機能する。圧力条件が変化すると、平衡クリアランスは、タービン又は圧縮機の損傷の可能性を低減し、漏出経路を小さくするようにして調整される。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ タービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ 固定ハウジング
２０ 回転要素
２２ 軸線
２４ 可動ブレード
２６ 固定ブレード
２８ 可動ブレードと固定ハウジングとの間のシール組立体位置
３０ 回転要素と固定ブレードとの間のシール組立体位置
３２ 回転要素と固定ハウジングとの間のシール組立体位置
３４ 上流側部
３６ 下流側部
４０ 軸方向軸線
４２ 半径方向軸線
４４ 弓形プレート
４６ 弓形パッキングリング
４７ ギャップ
４８ 付勢部材
５０ パッキングリングに結合された付勢部材の端部
５２ 固定ハウジング又は弓形プレートに結合された付勢部材の端部
５４ 弓形歯状部
６０ パッキングリング上に歯状部を備えたシール組立体
６６ 上流側可撓部
６８ 下流側可撓部
７０ 上流側歯状部
７２ 下流側歯状部
７４ 前方ギャップ
７６ 後方ギャップ
７８ ポケット
７９ ポケット高さ
８０ 弓形プレートと弓形パッキングリングとの間の漏出経路
８２ 上流側先端クリアランス
８３ クリアランス漸進
８４ 下流側先端クリアランス
８６ 隣接する歯状部間の空間
８７ 回転要素上の隣接する歯状部間の空間
８８ ラビリンスシールの幅
９０ 歯状部と回転要素との間の漏出経路
９２ 弓形パッキングリングと弓形プレートとの間の距離
９４ 弓形プレートの垂直方向部材の幅
１００ 隆起ランドを備えたシール組立体
１０２ 隆起ランド
１１０ 回転要素上の歯状部を備えたシール組立体
１１２ アブレイダブルコーティング
１２０ 複数の弓形プレートを備えたシール組立体
１２２ 上流側弓形プレート
１２４ 下流側弓形プレート
１２６ 上流側弓形プレートと弓形パッキングリングの上流側部分との間のギャップ
１２８ 弓形パッキングリングの上流側部分と中間弓形プレートとの間のギャップ
１３０ 中間弓形プレートと弓形パッキングリングの下流側部分との間のギャップ
１３２ 弓形パッキングリングの下流側部分と下流側弓形プレートとの間のギャップ
１４０ 弓形パッキングリング及び回転要素上の歯状部を備えたシール組立体
１４２ 上流側弓形パッキングリング歯状部
１４４ 下流側弓形パッキングリング歯状部
１４６ 上流側回転要素歯状部
１４８ 下流側回転要素歯状部
１５０ ラビリンスシールの幅
１６０ 最後の歯状部クリアランスの関数としてのパッキングリング下の圧力分布のグラフ
１６２ 歯状部（横座標）の軸方向位置
１６４ 歯状部（縦座標）下の圧力
１６６ 最後の歯状部クリアランスが１２５マイクロメートルであるときの事例
１６８ 最後の歯状部クリアランスが３８０マイクロメートルであるときの事例
１６９ 最後の歯状部クリアランスが６３５マイクロメートルであるときの事例
１７０ 平衡クリアランスを示すグラフ
１７２ 最後の歯状部クリアランス（横座標）
１７４ 正味半径方向の力（縦座標）
１７６ 最後の歯状部クリアランスの関数としての正味半径方向の力の変化を示す曲線
１７８ 平衡クリアランス
１８０ 半径方向の力平衡を示すグラフ
１８２ 上流側部からギャップの始まりまでの距離
１８４ ギャップの幅
１８６ ギャップから下流側までの距離
１８８ 隣接する歯状部間の空間
１９０ 閉鎖力
１９２ 開放力
１９４ 高い圧力
１９６ 中間圧力
１９８ 低い圧力
２００ 平衡クリアランスが圧力比にどのように依存するかを示すグラフ
２０２ 最後の歯状部クリアランス（横座標）
２０４ 正味半径方向の力（縦座標）
２０６ 上流側圧力が高いときの事例
２０８ 上流側圧力が中間であるときの事例
２０９ 上流側圧力が低いときの事例

Claims (10)

1. 固定ハウジング（１８）と軸線（２２）の周りを回転するロータ（２０）とを備えるターボ機械用のシール組立体であって、該シール組立体が、
   前記固定ハウジング（１８）の内部表面に結合し且つ半径方向平面に位置付けられた少なくとも１つの弓形プレート（４４）と、
   円周方向にセグメント化されたパッキングリング（４６）であって、前記ロータ（２０）と前記プレート（４４）の中間に配置され、前記プレート（４４）に沿って半径方向（４２）に移動するよう位置付けられたパッキングリング（４６）と、
   前記パッキングリング（４６）と前記ロータ（２０）の中間に配置された複数の弓形歯状部（５４）であって、前記歯状部の各々のクリアランスが、前記ターボ機械の上流側部（３４）から下流側部（３６）まで漸進的に減少し、前記歯状部のクリアランスの漸進的減少によって、前記シール組立体の圧力差により生じる静水力の受動的フィードバックがもたらされ、先端クリアランスが減少するにつれて、半径方向外向きの力が前記パッキングリング（４６）を前記ロータ（２０）から離れる方向に移動させ、前記先端クリアランスが増大するにつれて、半径方向内向きの力が前記パッキングリング（４６）を前記ロータ（２０）に向けて移動させる、複数の弓形歯状部（５４）と、
   前記弓形プレート（４４）と前記パッキングリング（４６）の中間に配置され且つこれら両方に結合した付勢部材（４８）と
   を備えている、シール組立体。
2. 前記付勢部材（４８）が軸受として機能し、前記パッキングリング（４６）の軸方向（４０）の移動を制限し、前記パッキングリング（４６）の半径方向（４２）の移動を許容する、請求項１記載のシール組立体。
3. 前記静水力の受動的フィードバックが、前記複数の歯状部（５４）と前記ロータ（２０）との間で平衡クリアランスを維持して、ロータ過渡応答中に前記複数の歯状部（５４）が前記ロータ（２０）に接触するのを阻止する、請求項１又は請求項２記載のシール組立体。
4. 前記複数の弓形歯状部（５４）が前記パッキングリング（４６）に結合している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシール組立体。
5. 前記複数の弓形歯状部（５４）が前記ロータ（２０）に結合している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシール組立体。
6. 前記複数の弓形歯状部（５４）の第１のサブセットが前記パッキングリング（４６）に結合していて、前記複数の弓形歯状部（５４）の第２のサブセットが前記ロータ（２０）に結合しており、前記複数の弓形歯状部（５４）の第１のサブセット及び第２のサブセットが互いにかみ合うように配列される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシール組立体。
7. 前記ロータ（２０）に面する前記パッキングリング（４６）の表面上にアブレイダブルコーティング（１１２）が配置される、請求項５又は請求項６記載のシール組立体。
8. 前記付勢部材（４８）が、前記弓形プレート（４４）及び前記パッキングリング（４６）に機械的に結合した複数の可撓部を含み、該複数の可撓部が、前記パッキングリング（４６）を半径方向（４２）には移動させるが、軸方向（４０）の移動は制限するよう構成される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のシール組立体。
9. 前記プレート（４４）と前記パッキングリング（４６）の間の前方ギャップ（７４）及び後方ギャップ（７６）が、該前方ギャップ（７４）及び後方ギャップ（７６）を通過する漏出を低減するよう構成されている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のシール組立体。
10. ターボ機械の固定ハウジング（１８）と、該ターボ機械の軸線の周りで回転する回転要素（２０）との間のガス経路をシールする方法であって、
    前記固定ハウジング（１８）の内部表面上に少なくとも１つの弓形プレート（４４）を半径方向平面に配置する段階と、
    円周方向にセグメント化されたパッキングリング（４６）を前記弓形プレート（４４）に隣接して配置する段階と、
    前記ターボ機械の上流側部（３４）から下流側部（３６）まで歯状部が漸進的に減少する複数の弓形歯状部（５４）を前記パッキングリング（４６）と前記回転要素（２０）の中間に配置する段階と、
    前記パッキングリング（４６）及び前記固定ハウジング（１８）に結合した付勢部材（４８）を前記パッキングリング（４６）と前記固定ハウジング（１８）の中間に配置する段階と
    を含む方法。

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