JP5864912B2

JP5864912B2 - ラビリンスシールのパッキンリングのための方法および装置

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Publication number: JP5864912B2
Application number: JP2011142569A
Authority: JP
Inventors: フリシケシュ・ヴィシュヴァス・デオ; ビナヤク・ロイ
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Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-28
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Also published as: FR2962157B1; RU2598962C2; FR2962157A1; US20120003080A1; JP2012013083A; RU2011126283A; DE102011050967A1; US9181817B2

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、タービンまたは圧縮機の中のロータなどの回転部品と、ケーシングまたはステータなどの固定部品との界面に適用するための、累進クリアランスのラビリンスシールに関する。

ガスタービン、蒸気タービン、航空機エンジン、圧縮機および他のターボ機械システム内で使用されるラビリンスシールは、ロータがシールと摩擦するのを防止する助けとなるのに十分なようにロータクリアランスが大きく構成される可能性があるので、過剰な漏れを生じやすい。ロータがシールと接触した場合（ロータ摩擦（ｒｏｔｏｒ−ｒｕｂ）と呼ばれる）、シールは損傷し、その後、さらに大きなクリアランスが生じる可能性がある。具体的には、ロータ摩擦は、ロータの動的励振、ロータとステータとの相対的熱変形、または増加する速度に伴うジャーナル軸受内の動的流体潤滑膜（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇｆｉｌｍ）の発達によるロータの偏心を含むことができるいくつかのロータの過渡現象中に、ガスタービン内で発生する可能性がある。たわみは、ガスタービンが、起動中などに臨界速度を通過するときに、発生する可能性がある。ゆがみは、ガスタービン内の異なる部品間の熱的相違によって引き起こされる可能性がある。ラビリンスシールは、ステータに緊密に結合されるので、ロータの過渡現象の間にそのクリアランスを調節することができないため、シールとロータとの間に大きなクリアランスが必要となる。ガスタービンの回転部品と固定部品との間のクリアランスは、タービンの効率と性能と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では、部品間の厳密な許容誤差で、より高い効率がもたらされうる。同様のロータの過渡現象が、蒸気タービン、航空機エンジン、または圧縮機など、他のターボ機械システムにおいて発生し、その過渡現象は、多くの場合、予測が困難である。

加えて、ラビリンスシールは、ラビリンスシールをロータから大きなクリアランスで離れるようにばねで偏倚する可変クリアランス正圧パッキン（ＶＣＰＰＰ）リングと共に構成することができる。このことが、起動時のロータの過渡現象の間のロータ摩擦を防ぐのを助ける。シールの両端間の差圧が一定の値を超えて蓄積すると、ＶＣＰＰＰリングにかかる力が、ＶＣＰＰＰリングを、ロータとのクリアランスが小さくなるまで近づけさせる。ＶＣＰＰＰリングの設計では、蒸気シールジョイントがあり、そこでＶＣＰＰＰリングがケーシングまたはステータに接触する。このジョイントにおける摩擦は、ＶＣＰＰＰリングの開閉においてヒステリシスを導く可能性がある。ＶＣＰＰＰリングが閉じた後にロータの過渡現象があった場合、ロータ摩擦、およびラビリンスの歯の損傷が生じる。

米国特許出願公開第２００８／０２６７７６３号公報

最初に請求された本発明の範囲と同等のいくつかの実施形態が、以下に要約される。これらの実施形態は、請求される発明の範囲を限定する意図はなく、本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することだけを意図するものである。実際、本発明は、以下に説明する実施形態と同様であっても、異なってもよい、多様な形態を包含することができる。

第１の実施形態では、ターボ機械は、固定ハウジングおよび軸周りに回転するロータを含む。ターボ機械のためのシール組立体は、固定ハウジングの内面に結合され、半径方向の平面内に設置された少なくとも１つのアーチ型のプレートを含む。加えて、シール組立体は、ロータとプレートの中間に配置されたパッキンリングを含む。パッキンリングは、プレートに沿って半径方向に動くように設置される。また、シール組立体は、パッキンリングとロータの中間に配置された複数のアーチ状の歯を含む。複数のアーチ状の歯は、アーチ状の歯の少なくとも１つのサブセットを含む。少なくとも１本のアーチ状の歯のクリアランスは、残りのアーチ状の歯のクリアランスと異なる。少なくとも１つのサブセットのアーチ状の歯のクリアランスは、ターボ機械の上流側からターボ機械の下流側に進みながら累増することはない。アーチ状の歯のクリアランスは、シール組立体の両端間の差圧によって生じた静的流体力内に受動的フィードバックを生成し、それにより、先端クリアランスが減少するにつれて外向きの半径方向力が、パッキンリングがロータから離れる動きを引き起こし、先端クリアランスが増加するにつれて内向きの半径方向力が、パッキンリングがロータに向かう動きを引き起こす。最終的に、シール組立体はまた、アーチ状のプレートとパッキンリングの中間に配置され、それら両者に結合されるバイアス部材を含む。

第２の実施形態では、ターボ機械は、固定ハウジングおよび軸周りに回転するロータを含む。ターボ機械のためのシール組立体は、固定ハウジングの内面に結合され、半径方向の平面内に設置された少なくとも１つのアーチ状のプレートを含む。加えて、シール組立体は、ロータとプレートの中間に配置されたパッキンリングを含む。パッキンリングは、プレートに沿って半径方向に動くように設置される。また、シール組立体は、パッキンリングとロータの中間に配置された複数のアーチ状の歯を含む。少なくとも１本のアーチ状の歯のクリアランスは、残りのアーチ状の歯のクリアランスと異なる。アーチ状の歯のクリアランスは、ターボ機械の上流側からターボ機械の下流側に進みながら累増することはない。アーチ状の歯のクリアランスは、シール組立体の両端間の差圧によって生じる静的流体力内に受動的フィードバックを生成し、それにより、先端クリアランスが減少するにつれて外向きの半径方向力が、パッキンリングがロータから離れる動きを引き起こし、先端クリアランスが増加するにつれて内向きの半径方向力が、パッキンリングがロータに向かう動きを引き起こす。最終的に、シール組立体はまた、アーチ状のプレートとパッキンリングの中間に配置され、それら両者に結合されるバイアス部材を含む。

第３の実施形態では、タービンまたは圧縮機は、軸周りに回転するロータと、ロータを取り囲む固定ハウジングと、ロータと固定ハウジングの中間に配置されるシール組立体とを含む。さらに、シール組立体の各セグメントは、固定ハウジングの内面に結合され、半径方向の平面内に設置された少なくとも１つのアーチ状のプレートを含む。また、シール組立体の各セグメントは、ロータとプレートの中間に配置されたパッキンリングのアーチ状のセグメントを含む。パッキンリングは、プレートに沿って半径方向に動くように設置される。アーチ状のセグメントは、蒸気シールジョイントを含まない。また、シール組立体の各セグメントは、パッキンリングとロータの中間に配置された複数のアーチ状の歯を含む。複数のアーチ状の歯は、アーチ状の歯の少なくとも１つのサブセットを含む。少なくとも１本のアーチ状の歯のクリアランスは、残りのアーチ状の歯のクリアランスと異なる。少なくとも１つのサブセットのアーチ状の歯のクリアランスは、タービンまたは圧縮機の上流側からタービンまたは圧縮機の下流側に進みながら累増することはない。アーチ状の歯のクリアランスは、シール組立体の両端間の差圧によって生じる静的流体力内に受動的フィードバックを生成し、それにより、先端クリアランスが減少するにつれて外向きの半径方向力が、パッキンリングがロータから離れる動きを引き起こし、先端クリアランスが増加するにつれて内向きの半径方向力が、パッキンリングがロータに向かう動きを引き起こす。最終的に、シール組立体の各セグメントは、アーチ状のプレートとパッキンリングのアーチ状のセグメントの中間に配置されたバイアス部材を含む。バイアス部材は、アーチ状のプレートおよびパッキンリングに結合される。

本発明の上記および他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面を参照して読めば、より良く理解されるであろう。図面を通して、同じ記号は同じ部品を表す。

本開示の一実施形態によるタービンシステムの横断面図である。図１に示すように、本開示の一実施形態によるシール組立体を有するタービンシステムのシーリング領域を示す斜視図である。本開示の一実施形態による、パッキンリング上に歯を有するシール組立体の横断面図である。本開示の一実施形態による、パッキンリング上に歯を有し、かつ回転要素上に隆起したランドを有するシール組立体の横断面図である。本開示の一実施形態による、回転要素上に歯を有するシール組立体の横断面図である。本開示の一実施形態による、パッキンリング上に歯を有し、かつ複数のプレートを有するシール組立体の横断面図である。本開示の一実施形態による、パッキンリングおよび回転要素の両方の上に歯を有するシール組立体の横断面図である。本開示の一実施形態による、８本の歯のサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、８本の歯の異なるサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、８本の歯の別のサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、８本の歯のさらに別のサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、８本の歯のさらに別のサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、歯の２つのサブセットの軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。本開示の一実施形態による、最後の歯のクリアランスまたは先端クリアランスに応じて決まる、パッキンリングの歯の下で予測される圧力分布を示すグラフである。本開示の一実施形態による、パッキンリングに作用する閉じる力および開く力を示すグラフである。本開示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である。本開示の一実施形態による、平衡クリアランスが、いかにして上流の圧力と下流の圧力との圧力比に応じて決まるかを示すグラフである。

本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する努力はするが、実際の実施物のすべての特徴が、本明細書で説明されるわけではない。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおけるような、任意の実際の実施物を開発する際に、実施物毎に変化するシステム関連およびビジネス関連の制約への適合など、開発者の具体的な目標を達成するために、実施物に固有の数多くの決定がなされなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、本開示の利点を有する当業者にとって、日常的な設計、組み立ておよび製造の仕事であろうことを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを意図する。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は包括的であり、列挙された要素の他に追加の要素が存在する可能性があることを意味することを意図する。

図１は、多様な部品を含むことができるタービンシステム１０の一実施形態の横断面図であり、それらの部品のいくつかは、簡潔にするために図示されていない。図示の実施形態では、ガスタービンシステム１０は、圧縮機部１２と、燃焼器部１４と、タービン部１６とを含む。タービン部１６は、固定ハウジング１８と、軸２２周りに回転する回転要素２０とを含む。移動ブレード２４が回転要素２０に取り付けられ、固定ブレード２６が固定ハウジング１８に取り付けられる。移動ブレード２４および固定ブレード２６が、軸方向に交互に配列される。シール組立体が装着されうる可能性のある場所が、覆われた移動ブレード２４と固定ハウジング１８との間の場所２８、回転要素２０と固定ブレード２６との間の場所３０、または回転要素２０と固定ハウジング１８との間のエンドパッキンのシール場所３２など、数カ所存在する。

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、燃料または他のガスが、上流側３４においてタービンシステム１０に入り、下流側３６においてシステムを出る。図示の実施形態では、軸方向を軸４０で、半径方向を軸４２で示す。アーチ状のプレート４４は、回転要素２０に面する、固定ハウジング１８のアーチ状の表面に結合される。ある実施形態では、プレート４４は、鋼または合金鋼で作られてもよい。さらに、プレートの横断面は、図２に示すようにＴ字型に見えてもよい。プレート４４は、ハウジング１８に、堅固に取り付けられてもよい。加えて、プレート４４は、完全な３６０度のリングとして、２つの１８０度の弧として、または完全なリングを共に形成するより小さな弧として、配置されてもよい。さらに、ある実施形態では、プレート４４は、同じように構成された複数のプレートからなることができる。

アーチ状のパッキンリング４６は、プレート４４と回転要素２０の中間に配置される。リング４６は、完全なリングを共に形成する複数のセグメントからなることができる。ある実施形態では、リングは、鋼または合金鋼から作られてもよい。さらに、リングは、プレート４４とギャップ４７で対合するように構成される。偏倚部材４８が、固定ハウジング１８とパッキンリング４６の中間に配置される。偏倚部材４８は、軸受のフレキシャとして作用し、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。高い軸方向の剛性は、軸方向の大幅な運動を抑制する。低い半径方向の剛性は、パッキンリング４６が半径方向に動くことを許容する。加えて、偏倚部材は、パッキンリング４６の重量を支え、流れのない条件下でパッキンリング４６が回転要素２０と接触することを防止する。ある実施形態では、偏倚部材４８は、複数のフレキシャからなることができる。各フレキシャの一端５０は、パッキンリング４６に機械的に結合されてもよく、各フレキシャの他端５２は、固定ハウジング１８に、またはプレート４４がＴ字形である場合はプレート４４に、機械的に結合されてもよい。ある実施形態では、機械的結合の例は、２つの構造物を機械的に取り付けるために、ボルト締め、溶着、または他の適切な技術を含むことができる。他の実施形態では、フレキシャの端５０は、パッキンリング４６と一体の一部であってもよく、ハウジング１８に機械的に取り付けられてもよい。さらに別の実施形態では、フレキシャの端５２は、固定ハウジング１８と、またはプレート４４がＴ字形の場合はプレート４４と、一体の一部であってもよく、パッキンリング４６に機械的に取り付けられてもよい。この実施形態では、各フレキシャは、大きな幅対厚さのアスペクト比を有する片持ち梁として示される。他のフレキシャの設計もまた、高い軸方向の剛性と低い半径方向の剛性とを達成することができる。

さらに、パッキンリング４６は、回転要素２０に面するリングの表面に結合された複数のアーチ状の歯５４を含む。リング４６の各セグメント上に配置された各歯のセグメントは、回転要素２０周りに完全なリングを共に形成する。ある実施形態では、歯５４は、合金鋼から作られてもよい。歯５４は、歯の１つまたは複数のサブセット内に配列されてもよい。回転要素２０と歯５４のうちの少なくとも１本との間のクリアランスは、残りの歯５４のクリアランスと異なる。言い換えれば、すべての歯５４のクリアランスが同一であるわけではない。例えば、６本の歯５４のパッキンリング４６は、５つの同一のクリアランスと１つの異なるクリアランスとを含むことができる。６本の歯５４を使用する他の例は、４つの同一のクリアランスと２つの異なるクリアランス、３つの同一のクリアランスと３つの異なるクリアランス、２つの同一のクリアランスと４つの異なるクリアランス、および６つの互いにすべて異なるクリアランスを含む。さらに、回転要素２０と少なくとも１つのサブセットの歯５４との間のクリアランスは、タービンまたは圧縮機の上流側３４から下流側３６に向かって漸次増加することはない。例えば、少なくとも１つのサブセットのクリアランスは、タービンまたは圧縮機の上流側３４から下流側３６に進みながら累減してもよい。ある実施形態では、すべてではないがいくつかのクリアランスは、同じであってもよい。累増することのないクリアランスのために、少なくとも１つのサブセットの歯５４の高さは、上流側３４から下流側３６に進みながら累減することはない。ある実施形態では、歯５４のすべてではないがいくつかの高さは、同じであってもよい。クリアランスの任意の減少は、１次、２次、放物線、または任意の特性であってもよい。加えて、隣接する歯５４の間、または歯５４の隣接するサブセット間の間隔は、同じであっても、変化してもよく、そのことを、以下に論じる。

図３は、パッキンリング４６上に歯を有するシール組立体６０の一実施形態の横断面図である。図示の実施形態では、パッキンリング４６は、上流側の１組のフレキシャ６６および下流側の１組のフレキシャ６８の２組のフレキシャによって、プレート４４に結合される。上流側の１組６６および下流側の１組６８のフレキシャの半径方向のコンプライアンスを、ばねとして概略的に示す。図示の特定の実施形態では、上流および下流のフレキシャの機構は、パッキンリング４６が、プレート４４を取り囲むリングの上流および下流の位置に一致するように使用される。前ギャップ７４は、パッキンリング４６の上流部とプレート４４との間に存在し、同様に、後ギャップ７６は、パッキンリングの下流部とプレートとの間に存在する。これらのギャップは、漏れ流れに対する流れの抵抗をもたらし、漏れ流れを低減するために、最小化されるべきである。ある実施形態では、前ギャップ７４および後ギャップ７６は、約５０マイクロメートルと２５０マイクロメートルとの間であってもよい。フレキシャの高い軸方向の剛性は、前ギャップおよび後ギャップを、運転中、ほぼ同じ値に維持する。ポケット７８は、パッキンリング４６とプレート４４との間に存在する。ポケット７８の高さ７９は、ロータの過渡現象中にロータ摩擦を回避するのに十分な半径方向の運動を許容するように設計される。ガスは、前ギャップ７４、ポケット７８および後ギャップ７６を通して存在する漏れ経路８０を通って漏れる。したがって、前ギャップ７４および後ギャップ７６は、経路８０を通って漏れるガスの量を低減するように構成される。さらに、一実施形態では、パッキンリング４６は、摩擦を排除するための蒸気シールジョイントを含まず、そのことで、パッキンリングが以下に論じる受動的フィードバック力応答して半径方向に動くことが可能になる。

図３に示す実施形態では、パッキンリング４６は、６本のアーチ状の歯の１サブセットをさらに含む。他の実施形態は、アーチ状の歯の、２つ以上のサブセットを含むことができる。上流側の歯７０および下流側の歯７２は、回転要素２０に面するパッキンリング４６の表面に配置される。下流の歯７２の先端と回転要素２０との間の距離は、下流の先端クリアランス８４として定義される。ある実施形態では、動作している下流の先端クリアランス８４は、ほぼ１２５マイクロメートルと３８０マイクロメートルとの間であってもよい。上流の歯７０の先端と回転要素２０との間の距離は、上流の先端クリアランス８２として定義される。上流先端クリアランス８２と下流の先端クリアランス８４との間の差は、クリアランスの累進（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）８３として定義され、クリアランスの累進８３は、ある実施形態では、ほぼ４００マイクロメートルと１４００マイクロメートルとの間であってもよい。上流の先端クリアランス８２は、下流の先端クリアランス８４より大きい。さらに、各歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながら累減する。歯のクリアランスのこの累進は、パッキンリング４６に作用する、以下に論じる受動的フィードバック力を生成する。

図４を見ると、隆起したランド１０２を有するシール組立体１００の代替実施形態の横断面図を示し、横断面図はまた、歯のクリアランスが、上流側３４から下流側３６に動きながら累減することを示す。そのような「高−低」フィーチャは、漏れ流れに対してより屈曲した経路を生成するのに有効でありうる。図３および図４に示すように、隣接する歯の間の間隔８６は、均一であっても、不均一であってもよい。例えば、一実施形態では、間隔８６は、上流側３４から下流側３６に動きながら増加してもよい。さらに、ラビリンスシール８８の幅は、ラビリンスシール８８の両端間の差圧に応じて決まる。最終的に、ガスは、各歯の先端と回転要素２０との間に存在する漏れ経路９０を通り、最後に下流の先端クリアランス８４を通って漏れる。したがって、下流の先端クリアランス８４は、経路９０を通って漏れるガスの量を低減するように構成される。

図３および図４に示す他の寸法は、パッキンリング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、予測される半径方向の過渡現象を考慮に入れなければならない。距離９２の最大値は、パッケージングの制約によって決定される。幅９４は、プレート４４が差圧で大幅に変形することのないように、シールの両端間の差圧に応じて決まる。

図５は、回転要素２０の上に歯を有するシール組立体１１０の代替実施形態の横断面図である。図示の実施形態では、高さ、間隔および構成を含む、歯のすべての特徴は、図３のパッキンリング上に配置された歯と同一であってもよい。パッキンリング４６は、回転要素２０に面する表面に配置された歯を有する代わりに、摩耗性皮膜１１２がリング上にもたらされることを除いて、図３のリングと同一である。ある実施形態では、摩耗性皮膜１１２は、ニッケル、クロム、アルミニウム、六方晶窒化ホウ素、鉄、またはそれらの組合せを含むことができる。他の摩耗性材料が、同様に使用されてもよい。摩耗性皮膜１１２の組成は、仮にいずれかの歯の先端が皮膜と接触すると、歯に損傷を与えることなく、皮膜が先に摩耗するような組成である。図示の特定の実施形態では、下流の先端クリアランス８４は、それぞれ、パッキンリングの摩耗性皮膜１１２と下流の歯７２の先端との間の距離を、また、上流の先端クリアランス８２は、パッキンリングの摩耗性皮膜１１２と上流の歯７０の先端との間の距離を表す。図３に示す要素に共通する、図５に示す他の要素は、上で説明されている。

図６は、複数のプレートを有するシール組立体１２０の代替実施形態の横断面図である。図示の実施形態では、中間プレート４４に加えて、上流のプレート１２２および下流のプレート１２４が存在する。上流および下流のプレートの追加で、より屈曲した漏れ経路８０が生成される。具体的には、漏れ経路８０を通る任意のガスは、上流のプレート１２２とパッキンリング４６の上流部との間の第１のギャップ１２６と、リングの上流部と中間プレート４４との間の第２のギャップ１２８と、プレート４４とリングの下流部との間の第３のギャップ１３０と、リングの下流部と下流のプレート１２４との間の第４のギャップ１３２とを通って進んでよい。これらのギャップが、漏れ流れに対する流れの抵抗をもたらし、漏れ流れを低減するために最小化されるべきである。そのような経路８０は、図３および図５に示す経路と比べて、ガス漏れの量を低減することができる。図３に示す要素に共通する、図６に示す他の要素は、上で説明されている。

図７は、パッキンリング４６および回転要素２０の両方の上に配置された歯を有するシール組立体１４０の代替実施形態の横断面図である。図示の実施形態では、パッキンリング４６は、１１本のアーチ状の歯のサブセットを含む。他の実施形態は、アーチ状の歯の２つ以上のサブセットを含むことができる。パッキンリング４６は、回転要素２０に面する表面に配置された、上流の歯１４２および下流の歯１４４を含む、６本のアーチ状の歯の第１の群を含む。さらに、回転要素２０は、パッキンリング４６に面する表面に配置された上流の歯１４６および下流の歯１４８を含む、５本のアーチ状の歯の第２の群を含む。パッキンリング４６上の隣接する歯の間の間隔８６は、回転要素２０上の隣接する歯の間の間隔８７と比べて、異なってもよい。図３に示すシール組立体６０と同様に、各歯の間の間隔８６および８７は均一であっても、不均一であってもよい。ラビリンスシール１５０の幅は、ラビリンスシール１５０の両端間の差圧に応じて決まり、クリアランスがより小さいので、他のラビリンスシールの幅より小さくてもよい。かみ合う歯を使用することは、漏れ経路９０が、１群のみの歯を有する一実施形態に対して、より屈曲するので有利であり、より少ない漏れをもたらす。ある実施形態では、図５に示す摩耗性皮膜に類似の摩耗性皮膜が、パッキンリング４６の上にもたらされてもよい。図３に示す要素に共通する、図７に示す他の要素は、上で説明されている。

次に、等しいクリアランスの２つ以上の歯を有するサブセットを含む種々の実施形態を見ると、図８〜図１２は、軸方向の位置に応じて決まる先端クリアランスを示すグラフである。以下のグラフでは、横座標（ｘ軸）１６４が、歯の軸方向の位置をセンチメートルで表し、縦座標（ｙ軸）１６６が、先端クリアランスをマイクロメートルで表す。より小さい軸方向の位置が、上流側３４により近い位置に相当し、より大きい軸方向の位置が、下流側３６により近い位置に相当する。種々の実施形態では、サブセットの歯の間の間隔は、均一であっても、不均一であってもよい。

図８のグラフ１６０に示す実施形態では、サブセット１６２は、第１のクリアランス１６８と、第２のクリアランス１７０と、第３のクリアランス１７２とを含み、それらは累減する。歯の高さとクリアランスとの間の関係を示すために、歯１７３を、参照のために、第３のクリアランス１７２の上に示す。次の３つのクリアランス１７４は同一であり、第３のクリアランス１７２より小さい。次の２つのクリアランス１７６は同一であり、３つのクリアランス１７４より小さい。図８に示すように、クリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながら累増することはなく、それにより、以下に説明するように、受動的フィードバック力が生成される。すなわち、サブセット１６２の中の歯のいくつかが、同じ高さを有するとしても、上流側３４から下流側３６に動きながらサブセット１６２内でクリアランスが増加することはない。さらに、シール組立体のある実施形態は、以下に説明するように、２つ以上のサブセット１６２を含むことができる。

図９は、８本の歯のサブセット１８２の軸方向の位置に応じて決まるクリアランスを示すグラフ１８０である。図示の実施形態では、第１の２つのクリアランス１８４は同一である。同様に、第２の２つのクリアランス１８６、第３の２つのクリアランス１８８および第４の２つのクリアランス１９０は、それぞれ同一である。さらに、第１の２つのクリアランス１８４は第２の２つのクリアランス１８６より大きく、第２の２つのクリアランス１８６は第３の２つのクリアランス１８８より大きく、第３の２つのクリアランス１８８は第４の２つのクリアランス１９０より大きい。言い換えれば、たとえサブセット１８２の中の４対のクリアランスがそれぞれ同じであるとしても、上流側３４から下流側３６に動きながらクリアランスが累増することはない。他の実施形態は、同じクリアランスの３つ以上の歯を含むことができる。図９に示すように、クリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながらサブセット１８２内で増加することはなく、それにより、受動的フィードバック力が生成される。

図１０は、８本の歯のサブセット２０２の軸方向の位置に応じて決まるクリアランスを示すグラフ２００である。図示の実施形態では、第１の４つのクリアランス２０４は同一である。同様に、第２の４つのクリアランス２０６は同一であり、第１の４つのクリアランス２０４より小さい。他の実施形態は、同一のクリアランスの、４本より多いかまたは少ない歯を含むことができる。加えて、ある実施形態は、同一のクリアランスの第２の群より多いかまたは少ない歯を有する、同一のクリアランスの第１の群を含むことができる。図１０に示すように、歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながらサブセット２０２内で増加することはなく、それにより、受動的フィードバック力が生成される。

図１１は、８本の歯のサブセット２１２の軸方向の位置に応じて決まるクリアランスを示すグラフ２１０である。図示の実施形態では、第１の２つのクリアランス２１４は同一である。また、次の４つのクリアランス２１６は同一であり、第１の２つのクリアランス２１４より小さい。最後の２つのクリアランス２１８は同一であり、４つのクリアランス２１６より小さい。同じクリアランスの歯の数を変えることによって、パッキンリングに沿った受動的フィードバック力の分布が、特定の用途の必要性に適うように調節されうる。他の実施形態は、同じクリアランスの、より多いかまたはより少ない歯を含むことができる。図１１に示すように、歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながらサブセット２１２内で増加することはなく、それにより、受動的フィードバック力が生成される。

図１２は、８本の歯の異なるサブセット２３２の軸方向の位置に応じて決まるクリアランスを示すグラフ２３０である。図示の実施形態では、第１の４つのクリアランス２３４は同一である。また、次の２つのクリアランス２３６は同一であり、第１の４つのクリアランス２３４より小さい。最後の２つのクリアランス２３８は同一であり、２つのクリアランス２３６より小さい。図１１と比べて、パッキンリングがロータに向かう動きを引き起こす内向きの半径方向力は、第１の４つのクリアランス２３４が図１１の第１の４つのクリアランスより大きいので、図１２の上流側３４付近でより大きくなる。１サブセット内でクリアランスを変化させることによって、パッキンリングに沿った受動的フィードバック力の分布が、特定の用途の必要性に適うように調節されうる。他の実施形態は、同一のクリアランスの、より多いかまたはより少ない歯を含むことができる。図１２に示すように、歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながらサブセット２３２内で増加することはなく、それにより、受動的フィードバック力が生成される。

図１３は、２つのサブセットの歯の軸方向の位置に応じて決まるクリアランスを示すグラフ２５０である。図示の実施形態では、第１のサブセット２５２および第２のサブセット２５４のそれぞれが、４本の歯を含む。第１のサブセット２５２は、第１のクリアランス２５６、第２のクリアランス２５８、第３のクリアランス２６０および第４のクリアランス２６２を含み、それらのすべては、互いに異なる。第２のサブセット２５４は、第１のクリアランス２６４、第２のクリアランス２６６、第３のクリアランス２６８および第４のクリアランス２６９を含み、それらのすべてもまた、互いに異なる。他の実施形態では、第１のサブセット２５２および第２のサブセット２５４は、図８〜図１２に示すように、等しい高さの歯を含むことができる。図１３に示すように、第１のサブセット２５２の中の歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながら累減し、サブセット２５２内で受動的フィードバック力が生成される。加えて、第２のサブセット２５４の歯のクリアランスは、上流側３４から下流側３６に動きながら累減し、サブセット２５４内で受動的フィードバック力が生成される。他の実施形態は、受動的フィードバック力がシール組立体の少なくとも１つのサブセット内に生成される状態で、３つ以上のサブセットを含有することができる。さらに、２つ以上のサブセットを使用することは、各サブセットが累減するクリアランスを有する複数の歯を含むことができるので、シール組立体を通る漏れ流れに対して、より屈曲した経路を生成することができる。最後に、サブセット間の間隔は、均一であっても、不均一であってもよい。

図１４は、最後の歯のクリアランスまたは先端クリアランスに応じて決まる、パッキンリングの歯の下の圧力分布のシミュレーション結果を示すグラフ２７０である。グラフにおいて、横座標１６２は、歯の軸方向の位置をセンチメートルで表し、縦座標２７４は、上流の圧力１２．８ＭＰａおよび下流の圧力１０．３ＭＰａに対する歯の下の圧力をメガパスカルで表す。このグラフの曲線は、軸方向圧力特性と呼ばれる。３つの事例が示され、第１の事例２７６は最後の歯のクリアランスが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２７８は３８０マイクロメートルのクリアランスを表し、最後の事例２８０は６３５マイクロメートルのクリアランスに対する結果を示す。これら３つの事例は、パッキンリングが半径方向に内向きまたは外向きに動くときの、圧力特性（およびパッキンリング上に結果としてもたらされる力）の変化を示すためのシミュレーション内で使用される。各事例は、５本のアーチ状の歯の１つのサブセットを含み、３つの事例に対する歯は、軸方向に沿った同じ点に位置し、同じシール幅である。各歯の間の間隔は、横座標１６２に沿って左から右に動きながら増加し、間隔を不均一にしている。加えて、各事例に対する歯のクリアランスの累進は同じ、すなわち約７６０マイクロメートルであり、累進は線形に発生する。言い換えれば、一例として事例２７６を使用すると、クリアランスは、上流の歯から下流の歯に動きながら、８９０、６９９、５０８、３１８、および１２５マイクロメートルとなるであろう。したがって、事例２７８に対する上流の歯のクリアランスは、１１４０マイクロメートルとなり、事例２８０に対して１３９５マイクロメートルとなるであろう。図示のグラフでは、事例２７６のそれぞれ個々の歯の下の圧力は、事例２７８および２８０より高い。したがって、最後の歯の下のクリアランスは先端クリアランスの変化によって変わるので、図１４に示すように、圧力特性は変化する。

図１５は、パッキンリング４６に対する半径方向の力の平衡を示すグラフ２９０であり、パッキンリングに作用する閉じる力を３００で、開く力を３０２で、それぞれ示す。２つの異なる力がパッキンリングに作用する。第１の、動的流体力は、ロータの回転が原因でパッキンリングに生成される揚力である。第２の、静的流体力は、シール組立体の両端間の差圧または結果としてもたらされる漏れ流れが原因でパッキンリング上に生成される力である。動的流体力は、静的流体力に比べると重要ではない。開示した実施形態の受動的フィードバックは、静的流体力に影響を及ぼすように構成され、よりロバストな設計をもたらす。図１５に戻ると、より長い矢は、より大きな圧力を表す。一実施形態では、上流側３４からプレートに対するギャップの始まりまでの距離２９２は、約２．５ｃｍと５ｃｍとの間であってもよい。同様に、ギャップから下流側３６までの距離２９６も、約２．５ｃｍと５ｃｍとの間であってもよい。ギャップ２９４の幅は、約１．２ｃｍと４．０ｃｍとの間であってもよい。距離２９２、２９４および２９６は、すべて、閉じる力３００を変えるように構成されうる。各歯の間の間隔２９８は、均一であっても、不均一であってもよい。下方を指し、パッキンリングの頂部に作用するように示される矢は、閉じる力３００を表す。それに対応して、上方を指し、パッキンリングの底部に作用する矢は、開く力３０２を表す。図示のグラフでは、３つの異なる量の圧力が、閉じる力３００として加えられる。第１に、高い圧力３０４が、上流の距離２９２に対応する、パッキンリングの上流部に加えられる。第２に、中間の圧力３０６が、ギャップ距離２９４に対応する、パッキンリングのギャップ部に加えられる。最後に、低い圧力３０８が、下流の距離２９６に対応する、パッキンリングの下流部に加えられる。各部における圧力、したがって閉じる力は、同じ高さを有する矢で表されるように、パッキンリングの半径方向の運動によって影響を受けることはない。

開く力３０２に目を向けると、上流側３０４における圧力は閉じる力の高い圧力に等しく、下流側３０８における圧力は閉じる力の低い圧力に等しい。開く力３０２は、上流側から下流側に動きながら、歯のクリアランスが減少するのに応じて累減する。図１５における圧力特性下の面積は、パッキンリング４６上の開く力３０２に相当する。事例２７６におけるような小さな先端クリアランスに対して、圧力特性下の面積は、事例２８０におけるような大きな先端クリアランスに対する圧力特性下の面積より大きい。したがって、開く力は、小さな先端クリアランスに対してより大きく、大きな先端クリアランスに対してより小さい。大きな先端クリアランスは、負の、すなわち内向きの正味半径方向力をもたらし、小さな先端クリアランスは、正の、すなわち外向きの正味半径方向力をもたらす。閉じる力と開く力と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、クリアランス累進特性（例えば、１次、２次、放物線など）、歯の間の間隔、パッキンリング部の幅２９２、２９４および２９６、および前ギャップの後ギャップに対する比を含む、複数の変数によって影響を受ける。２つ以上のサブセットが存在する場合は、サブセット間の間隔が、平衡クリアランスに影響を及ぼす追加の変数となりうる。これらの変数は、漏れが低減される、所望の平衡クリアランスを達成するように操作されうる。

図１６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３２０である。グラフでは、横座標３２２は、最後の歯のクリアランスをマイクロメートルで表し、縦座標３２４は、正味半径方向力をニュートンで表す。ここで、正の半径方向力は、パッキンリングを開かせる外向きの半径方向力に相当し、負の半径方向力は、パッキンリングを閉ざさせる内向きの半径方向力に相当する。曲線３２６は、最後の歯のクリアランスに応じて決まる正味半径方向力の変化を示す。平衡クリアランス３２８は、正味半径方向力がゼロのときに発生し、結果的にパッキンリングの運動をなくする。このシミュレーションに対して、平衡クリアランス３２８は、約３４０マイクロメートルにおいて発生する。平衡クリアランスと圧力比との間の関係は、図１７に関して後で論じる。

図１７は、平衡クリアランスが、いかにして上流の圧力と下流の圧力との圧力比に応じて決まるかを示すシミュレーション結果のグラフ３４０である。グラフでは、横座標３２２は、最後の歯のクリアランスをマイクロメートルで表し、縦座標３２４は、正味半径方向力をニュートンで表す。３つの事例が示され、第１の事例３４６は、上流の圧力が高いときの半径方向力を示し、第２の事例３４８は、圧力が中間値に近いときの半径方向力を示し、最後の事例３５０は、低い圧力に対する結果を示す。３つの事例のすべてにおいて、上流の圧力の下流の圧力に対する比は同じであり、唯一の違いは、それぞれの事例に対する圧力差である。したがって、これら３つの事例のシミュレーション結果は、上流の圧力と下流の圧力との比の特定の値に対して、シール組立体は、圧力の値にかかわらず、ほぼ同じ平衡クリアランスの値を有するであろうことを例示する。

それゆえ、提案されたシールの利点は、たとえより大きなロータの過渡現象が存在しても、小さなクリアランスが維持され、結果的により少ない漏れとより高い効率とがもたらされる。このことは、受動的フィードバックが、クリアランスが小さいときに、パッキンリング上に半径方向外向きの力を導き、クリアランスが大きいときに半径方向内向きの力を導くために生じる。このことは、前の実施形態において説明した、累進的クリアランスのシール組立体によって示される受動的フィードバック現象を例示する。そのような受動的フィードバックは、タービンまたは圧縮機の厳しい環境内で働かなくなるかまたは信頼性がなくなる可能性のあるセンサまたはアクチュエータを追加することなく、動作する。圧力条件が変化するにつれて、平衡クリアランスは、タービンもしくは圧縮機の損傷の可能性および漏れ経路を低減するように適応する。

この書面による説明は、最良のモードを含めて本発明を開示するための例、ならびに同様に、任意の装置もしくはシステムを作製することおよび使用することと、任意の組み込まれた方法を実施することとを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするための例を、使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者が想起する他の例を包含することができる。そのような他の例は、本特許請求の範囲の字義通りの言語と異なることのない構造的要素を有する場合、または本特許請求の範囲の字義通りの言語とわずかに異なる、等価な構造的要素を有する場合は、本特許請求の範囲内にあることが意図される。

１０タービンシステム
１２圧縮機部
１４燃焼器部
１６タービン部
１８固定ハウジング
２０回転要素
２２軸
２４移動ブレード
２６固定ブレード
２８覆われた移動ブレードと固定ハウジングとの間の場所
３０回転要素と固定ブレードとの間の場所
３２エンドパッキンのシール場所
３４上流側
３６下流側
４０軸方向の軸
４２半径方向の軸
４４アーチ状のプレート
４６アーチ状のパッキンリング
４７ギャップ
４８偏倚部材
５０フレキシャの一端
５２フレキシャの他端
５４アーチ状の歯
６０パッキンリング上に歯を有するシール組立体
６６上流のフレキシャ
６８下流のフレキシャ
７０上流側の歯
７２下流側の歯
７４前ギャップ
７６後ギャップ
７８ポケット
７９ポケットの高さ
８０アーチ状のプレートとアーチ状のパッキンリングとの間の漏れ経路
８２上流の先端クリアランス
８３クリアランスの累進
８４下流の先端クリアランス
８６パッキンリングの隣接する歯の間の間隔
８７回転要素の隣接する歯の間の間隔
８８ラビリンスシールの幅
９０アーチ状のパッキンリングと回転要素との間の漏れ経路
９２パッキンリングとプレートとの間の距離
９４アーチ状のプレートの幅
１００隆起したランドを有するシール組立体
１０２隆起したランド
１１０回転要素上に歯を有するシール組立体
１１２摩耗性皮膜
１２０複数のプレートを有するシール組立体
１２２上流のプレート
１２４下流のプレート
１２６第１のギャップ
１２８第２のギャップ
１３０第３のギャップ
１３２第４のギャップ
１４０パッキンリングおよび回転要素の両方の上に歯を有するシール組立体
１４２パッキンリングの上流の歯
１４４パッキンリングの下流の歯
１４６回転要素の上流の歯
１４８回転要素の下流の歯
１５０かみ合う歯を使用するラビリンスシールの幅
１６０サブセット１６２のグラフ
１６２８本の歯のサブセット
１６４横座標（ｘ軸）
１６６縦座標（ｙ軸）
１６８第１のクリアランス
１７０第２のクリアランス
１７２第３のクリアランス
１７３歯
１７４次の３つのクリアランス
１７６次の２つのクリアランス
１８０サブセット１８２のグラフ
１８２８本の歯の異なるサブセット
１８４第１の２つのクリアランス
１８６第２の２つのクリアランス
１８８第３の２つのクリアランス
１９０第４の２つのクリアランス
２００サブセット２０２のグラフ
２０２８本の歯の別のサブセット
２０４第１の４つのクリアランス
２０６第２の４つのクリアランス
２１０サブセット２１２のグラフ
２１２８本の歯のさらに別のサブセット
２１４第１の２つのクリアランス
２１６次の４つのクリアランス
２１８最後の２つのクリアランス
２３０サブセット２３２のグラフ
２３２８本の歯のさらに別のサブセット
２３４第１の４つのクリアランス
２３６次の２つのクリアランス
２３８最後の２つのクリアランス
２５０サブセット２５２のグラフ
２５２第１のサブセット
２５４第２のサブセット
２５６第１のサブセットの第１のクリアランス
２５８第１のサブセットの第２のクリアランス
２６０第１のサブセットの第３のクリアランス
２６２第１のサブセットの第４のクリアランス
２６４第２のサブセットの第１のクリアランス
２６６第２のサブセットの第２のクリアランス
２６８第２のサブセットの第３のクリアランス
２６９第２のサブセットの第４のクリアランス
２７０パッキンリングの歯の下の圧力分布を示すグラフ
２７４縦座標−歯の下の圧力
２７６第１の事例
２７８第２の事例
２８０最後の事例
２９０パッキンリングに対する半径方向の力の平衡を示すグラフ
２９２上流側からギャップの始まりまでの距離
２９４ギャップの幅
２９６ギャップから下流側までの距離
２９８各歯の間の間隔
３００閉じる力
３０２開く力
３０４高い圧力
３０６中間の圧力
３０８低い圧力
３２０平衡クリアランスの概念を示すグラフ
３２２横座標−最後の歯のクリアランス
３２４縦座標−正味半径方向力
３２６最後の歯のクリアランスに応じて決まる正味半径方向力の変化を示す曲線
３２８平衡クリアランス
３４０いかにして平衡クリアランスが圧力比に応じて決まるかを示すグラフ
３４６第１の事例
３４８第２の事例
３５０最後の事例

Claims

固定ハウジング（１８）と軸（２２）周りに回転するロータ（２０）とを備えるターボ機械のためのシール組立体であって、当該シール組立体が、
前記固定ハウジング（１８）の内面に結合され、半径方向平面内に設置された少なくとも１つのアーチ状のプレート（４４）と、
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）に動くように設置されたパッキンリング（４６）と、
前記アーチ状のプレート（４４）と前記パッキンリング（４６）の中間に配置され、それら両方に結合した偏倚部材（４８）と、
前記パッキンリング（４６）上に配置された複数のアーチ状の歯（５４）と
を備えていて、前記複数のアーチ状の歯（５４）の各々の先端と前記ロータ（２０）との間にそれぞれクリアランスが形成されており、前記複数のアーチ状の歯（５４）のうちの少なくとも１本の先端のクリアランスが前記複数のアーチ状の歯（５４）のうちの少なくとも何本かのアーチ状の歯（５４）の先端のクリアランスと異なり、前記複数のアーチ状の歯（５４）の先端のクリアランスが、前記ターボ機械の上流側（３４）から前記ターボ機械の下流側（３６）に向かって累増することはなく、前記複数のアーチ状の歯（５４）の先端のクリアランスが、前記複数のアーチ状の歯（５４）の先端のクリアランスの変化に伴って当該シール組立体に沿って変化する圧力特性によって生じる静的流体力に受動的フィードバックを生成して、ターボ機械の作動時にアーチ状の歯（５４）とロータ（２０）との間で平衡クリアランスを維持できるようにする、シール組立体。
前記静的流体力における受動的フィードバックが、前記複数のアーチ状の歯（５４）と前記ロータ（２０）との間の平衡クリアランスを維持し、それにより、前記複数のアーチ状の歯（５４）が、ロータの過渡現象の際に前記ロータ（２０）と接触するのを防止する、請求項１記載のシール組立体。
前記偏倚部材（４８）が、前記アーチ状のプレート（４４）および前記パッキンリング（４６）に機械的に結合した複数のフレキシャを備えていて、前記複数のフレキシャが、前記パッキンリング（４６）の半径方向（４２）の運動は許容するが、軸方向（４０）の運動は抑制するように構成されている、請求項１又は請求項２記載のシール組立体。
前記偏倚部材（４８）が軸受として作用し、前記パッキンリング（４６）の軸方向（４０）の運動を抑制し、前記パッキンリング（４６）の半径方向（４２）の運動を許容する、請求項１又は請求項２記載のシール組立体。
軸（２２）周りに回転するロータ（２０）と、
前記ロータ（２０）を取り囲む固定ハウジング（１８）と、
前記ロータ（２０）と前記固定ハウジング（１８）の中間に配置された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシール組立体とを備える、タービンまたは圧縮機。