JP5930413B2 - 低撓のバイメタル製ロータ用封止材 - Google Patents

Description

本開示は、２０１０年８月３日に提出された米国特許出願第１２／８４９,３５６号に対し優先権を主張し、これをもって、その内容が全体として参照により本開示に含まれる。

ターボ機関内の典型的なロータ用封止材組立体は、固定されたケーシングと回転シャフトとの間に配置され、前記回転シャフトが、最も内側の径に封止部材を設置している環状の間仕切壁を貫いている。キャリヤ・リングが、前記間仕切壁と封止部材との間に挿入されるのが一般的であり、それによって、全体の間仕切壁を置き換えることなく前記封止材の取替えおよび／または品質向上を可能にする連結具を提供する。多くの種類の封止材が使用可能であるけれども、通常は、ラビリンス・シール、ダンパー・シール、および／または孔パターン・シールが、そのような利用に供される。運転中には、前記封止面が前記シャフトに対し概して平行に配置され、低圧の空洞と高圧の空洞を分離するように構成され、それによって、前記シャフトと前記封止材との間に形成された狭い空隙を通して加圧流体の損失を最小限化する。

しかしながら、高圧空洞内で高められた圧力は、潜在的に前記間仕切壁を一方に撓ませ、前記封止材組立体に「円錐形化」効果を生じさせる。円錐形化は、前記シャフト近傍の前記封止材組立体の最も内側の径が、前記高圧領域内での前記圧力によって、前記低圧領域に向かって撓む場合に生じ、それによって前記シャフトに隣接するその平行状の配置から前記封止面が逸脱する。この逸脱した配置において、前記封止材の注入口はツマリ効果を生じ、前記封止材の注出口は拡散筒のように振る舞い、その両者の現象は顕著に封止特性を変化させ、かつロータを動的不安定状態に導く。円錐形化は前記キャリヤ・リングと前記封止材との間の連結箇所によって拡大され、該連結箇所は、通常それらの間にかなりの遊び量をもたせることが可能なＴ型溝または同様のレール継ぎ手である。前記封止材組立体の一方の側での前記圧力が増加すると、前記キャリヤ・リングと前記封止材との間の前記遊びは、前記円錐形化を増加させる傾向にあり、それによって、ロータの動的不安定状態の増大に帰着する。

したがって、必要なことは、封止材組立体上の円錐形化の有害な効果を全体的に削減または除去することである。

本開示の実施の形態は封止材組立体を提供することがある。該封止材組立体は、外面及び内面を有する環状の間仕切壁と、前記環状の間仕切壁の前記内面に隣接して配置されたキャリヤ・リングとを有するのが好ましい。前記封止材組立体はさらに、前記キャリヤ・リングの最も内側の面に金属結合した封止基体を有し、該封止基体は、封止面を形成している。

本開示の実施の形態は、さらに、ターボ機関のケーシング内で使用するための封止材組立体を提供することがある。前記封止材組立体は、外面と内面とを有する環状の間仕切壁と、前記環状の間仕切壁の前記内面に隣接するように配置されたキャリヤ・リングとを含有するのが好ましく、前記外面は前記ケーシングに連結されている。前記封止材組立体は、前記キャリヤ・リングに金属結合された磨耗性封止基体と、前記磨耗性封止基体に形成された封止面とを含有することも好ましく、前記封止面は、ロータの近傍に配置され、かつ前記ターボ機関の運転の間に実質的にロータに対して平行に維持される。

本開示の実施の形態は、さらに封止材組立体を製造する方法を提供することもある。前記方法は、磨耗性素材を、高弾性率を有するキャリヤ・リングに結合すること、および封止面を形成するために前記磨耗性素材を機械加工することを含有するのが好ましい。前記方法は、さらに、前記キャリヤ・リングを、高弾性率を有する環状の間仕切壁に連結させることを含有することが好ましい。

本開示は、添付した図面を用いて読み取る場合には、下記の詳細な説明から最も良く理解される。工業上の通常の慣例にしたがって、種々の特徴が一定の比に描かれていない。実際、前記種々の特徴の前記大きさは、考察の明瞭性のために任意に拡大されまたは縮小されている可能性がある。

は、本開示の１または２以上の実施の形態に係る典型的な封止材組立体を例示する。

は、本開示の１または２以上の実施の形態に係る、図１の前記封止材組立体の一部の斜視図を例示する。

は、本開示の１または２以上の実施の形態に係る、封止材組立体を製造する概略的な流れ図を例示する。

発明の詳細な説明

下記の開示は、本発明の種々の特徴、構造または機能を実施するためのいくつかの典型的な実施の形態を記述していることが理解されるべきである。構成部分、配置および形状の典型的な実施の形態が下記に記載されて本開示を簡単化している。しかしながら、これらの典型的な実施の形態は、単に、例示として提供されるものであって、本発明の前記範囲を制限する意図はない。加えて、本開示は、種々の典型的な実施の形態においておよびここに提供された図面に渡って、参照符号および／または文字を繰り返すだろう。この繰り返しは、簡単化及び明瞭化の目的のためであって、それ自身の中に、前記種々の典型的な実施の形態および／または前記種々の図面で考察された形状の間の関係を規定するものではない。さらに、下記の説明内での第２の構成要素上にまたは第２の構成要素上方での第１の構成要素の形成は、前記第１および第２の構成要素が、直接の接触で形成される実施の形態を含有することがあり、かつ、追加の構成要素が、前記第１および第２の構成要素の間に挿入されるように形成され、それによって、前記第１および第２の構成要素が直接的な接触状態にないこともある実施の形態を含有することもある。最後に、下記に提示される前記典型的な実施の形態は、任意の結合方法で結合されても良い。すなわち、１の実施の形態からの任意の要素が、本開示の範囲を逸脱することなく任意の他の典型的な実施の形態において使用されることがある。

加えて、ある種の語句が下記の説明および特許請求の範囲を通して使用されて特定の構成部分を言及している。いわゆる当業者が認めるように、種々の団体が、異なる名称によって同一の構成部分を言及することがあり、そうであるので、ここに記載された前記要素に対する命名の伝統的手法は、ここでそうでないように特に規定しない限りは、本発明の範囲を限定する意図はない。さらに、ここで用いられた前記命名の伝統的手法は、名称において異なるが機能において異ならない構成部分間を識別する意図はない。加えて、下記の考察及び特許請求の範囲において、前記語句「含有すること」および「有すること」は、開放型様式で使用され、したがって、「（それ）を有するが、（それ）に限定されない」ことを意味するように解釈すべきである。本開示での全ての数値は、もしそうでないと特に記述しない限りには、厳密または近似的である可能性がある。したがって、本開示の種々の実施の形態は、前記意図した範囲から逸脱することなく、ここに開示された前記数値、値及び範囲から外れることがある。さらに、前記特許請求の範囲または明細書で使用されているように、前記語句「または」は、排他的および包括的な場合の両方を含有するように意図している。すなわち、「ＡまたはＢ」は、そうでないようにここに明示していない限りは、「ＡおよびＢの内の少なくとも１つ」と同義語であることを意図している。

図１および図２は、記載された１または２以上の実施の形態に係る典型的な封止材組立体１００を例示している。少なくとも１の実施の形態において、前記封止材組立体１００は、間仕切壁封止材または釣り合いピストン・シールであり、遠心型コンプレッサ、軸流コンプレッサ、ターボチャージャ、発電機タービン、または蒸気タービンのようなターボ機関内に配置されている。図１に例示されているように、前記封止材組立体１００は、ケーシングまたはハウジング１０２内に設けられ、ロータ１０４の周囲に延びているのが好ましい。

前記封止材組立体１００は、環状の間仕切壁１０６であって、該間仕切壁１０６の外径１１０において前記ケーシング１０２と連結しまたはその一部を形成する環状の間仕切壁１０６を含有することがある。前記環状の間仕切壁１０６は、前記ターボ機関の低圧側１１３から高圧側１１１を分離するために設けられた軸流封止面として形成されることがある。キャリヤ・リング１０８は、前記間仕切壁１０６の内径１１２と連結しさもなければその内径の近傍に配置されることがある。少なくとも１の実施の形態では、前記間仕切壁１０６は、前記キャリヤ・リング１０８内に延びさもなければ前記キャリヤ・リング１０８内に居続ける１以上のガス通路または分流孔１１４を形成する。運転中には、前記分流孔１１４は前記高圧側１１１から高圧プロセスガスを取って、それを前記キャリヤ・リング１０８に隣接して注入し、前記キャリヤ・リング１０８と前記ロータ１０４との間でのプロセスガスの渦の生成を防止する。ご察しのように、これは、潜在的にロータ１０４の安定性に影響を与える可能性のある前記空気力学的交差結合効果を削減する。

典型的な実施の形態において、前記間仕切壁１０６及び前記キャリヤ・リング１０８は、各々、鋼鉄のような高弾性率を示す物質から形成されるものがある。しかしながら、他の実施の形態では、鉄合金、ニッケル合金、チタン合金、これらの組合せ等のようなまたはこれらに限定されない他の高強度の物質を使用することもある。少なくとも１の実施の形態では、高弾性率は、前記リング１０８及び壁１０６に対して用いられる物質に対しては、約100GPaから約300GPaの範囲に及ぶことが好ましい。

１または２以上の実施の形態では、ギャップ１１６が、前記間仕切壁１０６の内径１１２と前記キャリヤ・リング１０８との間に形成されることが好ましい。それによって前記キャリヤ・リング１０８に、小さな量の「遊び」または「スラック」を提供することになる。
前記ギャップ１１６のサイズが、説明目的のために拡大されているが、概して、大きくとも、千分の10インチまたは、千分の数インチよりも小さいオーダであることが好ましい。

運転の間は、前記ギャップ１１６内の前記遊びは、前記キャリヤ・リング１０８が、前記封止材組立体１００の一方の側での圧力の増強に応答して、前記ロータ１０４に関し軸方向に移動することを可能にすることがある。前記キャリヤ・リング１０８と前記間仕切壁１０６との間のより堅い相互の連結は、取外しおよび／または置換えがより困難かまたは全く不可能となるであろうことを考慮すると、前記遊びは、また、前記キャリヤ・リング１０８のより簡単な取外しのために設けられているといえる。

前記封止材組立体１００は、また、前記ロータ１０４に隣接して配置された封止面１２０を有しかつそれらの間に空隙１２２を形成する封止基体１１８を含有するのが好ましい。再び、前記空隙１２２の前記サイズは、説明目的のために、拡大されていることに注意すべきであるが、この分野では、ターボ機関ではシャフトと封止面との間の前記空隙は一般的には、大きくても、約千分の10インチよりも小さいオーダであることが知られている。前記封止基体１１８は、以下でより詳細に記述するように、前記キャリヤ・リング１０８の部分と連結されるか、またはさもなければ前記キャリヤ・リング１０８の部分を形成することがある。少なくとも１の実施の形態では、前記封止面１２０は、その縦方向に沿って前記ロータ１０４と実質的に平行に配置されるだろう。１または２以上の実施の形態では、前記封止基体１１８は、前記封止面１２０に渡って存在する可能性のある圧力の差動に耐えることのできる十分な機械的な強度を有する磨耗性物質で全体的に形成されることがある。例えば、前記封止基体１１８は、アルミニウム合金、銅合金、粉末金属合金、炭素含有鉄合金、ポリマー、これらの組合せ等のような物質であるがこれらに限定されるものではない物質から形成することができる。ご察しのように、そのような磨耗性物質は有利な磨耗許容性を示す可能性があり、もし前記ロータ１０４が前記封止基体１１８と接触するならば、前記封止面１２０は、概して、前記ロータ１０４を損傷したり、またはそうでなくても前記ロータ１０４を抑えたりしないだろう、そして、さらに、前記物質の封止特性を維持するだろう。

前記封止基体１１８は、化学的および／または金属加工的に前記キャリヤ・リング１０８と結合されるのが好ましく、それによって、それらの間に確立される可能性がある機械的な結合を除去する。ご察しのように、機械的な結合の除去は、高弾性率のキャリヤ・リング１０８の堅さと、前記磨耗性封止基体１１８の有利な疲労特性とを組み合わせることに役に立つ可能性がある。したがって、全体にわたる前記封止材組立体１００は、従来の封止材組立体の配置に対して実質的に堅固になる。それによって、より高い作動圧力の下で、前記封止材組立体１００の好ましくない円錐形化効果を削減しまたは完全に除去する。円錐形化の削減または除去により、前記封止面１２０は、運転の間には、前記ロータ１０４に関し、概してその平行な配置のままであって、基準から外れた封止面１２０によって引き起こされる好ましくないロータ１０４振動を削減しまたは除去する。さらに、より堅い封止材組立体１００は、圧縮ステージ間のより高い圧力を支持することもできて、それによって、全体にわたる機構効率および成果を増加させる。

典型的な実施の形態においては、前記封止基体１１８は、１または２以上の熱間静水圧加圧成形処理を通して、前記キャリヤ・リング１０８に金属結合されることができる。例えば、１の実施の形態では、前記磨耗性封止基体１１８および前記キャリヤ・リング１０８は、高圧閉込め容器内に相互に隣接して置かれることがあり、そこでは、前記封止基体１１８は、前記キャリヤ・リング１０８の内径表面内に納められている。前記高圧閉込め容器内では、前記磨耗性封止基体１１８およびキャリヤ・リング１０８は、高めの温度と静水圧ガス圧力の両方を被る可能性がある。熱および圧力の同時の適用は、プラスチックの変形、クリープ、および拡散接合の組み合わせを介して２つの構成部分間の空隙および微小空洞を除去する。その結果は、強い金属加工的な金属マトリクス合成接合の生成である。他の実施の形態では、粉末金属を用いた熱間静水圧加圧成形が、キャリヤ・リング１０８および封止基体１１８のために企てられることがある。
加熱および圧力の前記粉末金属への適用は、実質的に一様な細かい粒状のサイズを100パーセント近くの濃度でもつ純粋で、均質な物質、および、２つの物質の間の金属マトリクス合成接合の生成に帰着することができる。

他の典型的な実施の形態では、前記封止基体１１８は、爆発的に前記キャリヤ・リング１０８に金属被覆（クラッディング）してバイメタル板を生み出し、それによってそれらの間に金属マトリクス合成接合を形成することがある。
例えば、前記封止基体１１８用の磨耗性物質は、２つの物質を高品質の金属結合された結合箇所に押し付けるように配置され制御された爆発を用いることによって、実質上平面状のキャリヤ・リング１０８の基体に爆発的に金属被覆することがある。前記金属被覆した板は、それから円筒の形態または形状に巻かれて、前記磨耗性物質が前記内径上にあり、その後、高弾性率を示す完全な環状シリンダ内に溶接され、硬蝋付けされまたは接合されることがある。さらに他の実施の形態では、アルミニウム被覆物質のような前記被覆物質は、リング状の鉄シリンダ内に置かれ、それから前記シリンダの前記内面に爆発被覆されることもある。

同様の処理において、前記封止基体１１８は、前記キャリヤ・リング１０８にレーザで金属被覆されて、金属マトリクス合成接合を形成することがある。例えば、前記封止基体１１８の用の前記磨耗性物質の粉抹形状は、実質的に平面状のキャリヤ・リング１０８の基体に置かれ、同時にレーザを用いて溶かされかつ固まらせて、前記磨耗性金属によって前記基体を金属被覆することがある。前記金属被覆された基体はそれから円筒の形態または形状に巻装されて、前記磨耗性物質が内径となり、その後、高弾性率の物質の環に溶接され、硬蝋付けされ、又は接合されることがある。

他の典型的な実施の形態では、前記封止基体１１８は、遠心力を利用して前記キャリヤ・リング１０８に鋳造され、それによって、前記２つの物質の間に金属マトリクス合成接合を形成することがある。例えば、前記キャリヤ・リング１０８は、最初、鋳造機構内に配置され、その軸に関して回転される。前記リング１０８が回転している間に、溶けた磨耗性物質（例えば、前記封止基体１１８）は、前記鋳造機構に注がれる。前記溶けた磨耗性物質が遠心力を利用して前記キャリヤ・リング１０８が置かれた前記内壁に向かって投射されさもなければ押しやる。冷却後、前記溶けた磨耗性物質は凝固させられ、それによって前記キャリヤ・リング１０８に対する磨耗性内面を形成する。

さらに他の実施の形態では、前記磨耗性封止基体１１８は、前記キャリヤ・リング１０８に溶接され、硬蝋付けされ、またはさもなければ接合されることがある。ご察しのように、前記封止基体１１８は、前記キャリヤ・リング１０８の全円筒または半分の外板のいずれかに溶接され、硬蝋付けされさもなければ接合することがある。

前記キャリヤ・リング１０８に一旦結合されれば、前記封止基体１１８は、それから最終的な封止面１２０の配置に最終加工されるだろう。例えば、前記封止基体１１８は、加工されて、例えば、ラビリンス・シール用のラビリンス歯、孔パターン・シール用の打ち抜き、または、空気力学的渦巻き破壊のようなかなり多数の封止面１２０を形成する。少なくとも１の実施の形態では、前記封止基体１１８の前記磨耗性物質は、少なくとも、１のラビリンス・シールの例における歯、および／または、ある孔パターン・シール内の前記打ち抜きの前記深さと同じぐらい厚いことがある。しかしながら、他の実施の形態では、前記封止基体１１８は、前記歯および／または前記打ち抜きの深さよりも半径方向に薄いが、同時に前記シャフト１０４が前記封止基体１１８を通して使用に耐えない程度に充分に半径方向に厚いこともある。

図１及び図２を引き続き参照しながら、図３を参照すると、前記封止材組立体１００を製造する方法３００の具体例が、ここに概略記述されているように例示されている。前記方法３００は、ステップ３０２におけるように、高弾性率の基体に、磨耗性物質層を金属結合する工程を含有することがある。少なくとも１の実施の形態では、前記基体はここに記述されているように、前記キャリヤ・リング１０８を含有することがある。前記磨耗性物質は、それから、ステップ３０４におけるように、加工されて上述した封止面１２０を形成する。前記封止面１２０と前記基体１１８との組合せは、それから、ステップ３０６におけるように、間仕切壁１０６と連結され、またはそうでなければ、間仕切壁１０６に隣接して配置されることがある。前記間仕切壁１０６に対して、一旦連結されさもなければ隣接して配置されると、それらの間に小さな量の遊びが存在して、前記基体１１８は隣接するロータ１０４に関して軸方向に移動することが可能となる。この配置において、前記封止材組立体１００は、高弾性率を示して円錐形化を防止し、また前記ロータ１０４を損傷しさもなければ抑えることのない磨耗性表面を提供することができる。

金属加工的または化学的に前記封止基体１１８を前記キャリヤ・リング１０８に結合することは、それらの間の結合箇所を排除することができ、それによって、前記封止材組立体１００の円錐形化を削減しまたは排除することに役立つ。したがって、前記封止面１２０は、運転の間に前記ロータ１０４に関する概して平行な配置に維持されて、ロータの力学的な不安定性に導くことになる好ましくない封止面１２０を削減することができる。

前述したことはいくつかの実施の形態の特徴を概説して、いわゆる当業者は本開示をより良く理解することができる。いわゆる当業者は、ここに紹介した実施の形態と同一の目的を実行し、および／または同一の利益を達成するために他の方法及び構成を設計しまたは変更するための基礎として本開示を喜んで使用する可能性があることを承認すべきである。いわゆる当業者は、また、そのような等価な構成は、本開示の主旨及び範囲から逸脱していないこと、および、彼らが本開示の主旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変形、置換えおよび変更を行なうことを十分に理解すべきである。

Claims (15)

1. 外面及び内面を有する環状の間仕切壁と、
   前記環状の間仕切壁の前記内面に隣接して配置されたキャリヤ・リングと、
   前記キャリヤ・リングの最も内側の面に金属結合した封止基体とを有し、
   該封止基体は、封止面を形成するとともに、
   前記環状の間仕切壁は、前記キャリヤ・リング内に延びかつ該封止材組立体の高圧側からの高圧プロセスガスを前記キャリヤ・リングに隣接して注入するように配置された１または２以上の分流孔を形成する封止材組立体。
2. 前記環状の間仕切壁の前記内面と前記キャリヤ・リングとの間に形成されたギャップをさらに有し、前記キャリヤ・リングは、前記封止材組立体の前記高圧側で強められた圧力に応答して軸方向に移動することができる請求項１に記載の封止材組立体。
3. 前記環状の間仕切壁及び前記キャリヤ・リングは、高弾性率を示す物質から形成された請求項１に記載の封止材組立体。
4. 前記物質は、鉄合金、ニッケル合金、またはチタン合金である請求項３に記載の封止材組立体。
5. 前記封止基体は、磨耗性物質から形成された請求項１に記載の封止材組立体。
6. 前記磨耗性物質は、アルミニウム合金、銅合金、粉末金属合金、炭素含有鉄合金、またはポリマーである請求項５に記載の封止材組立体。
7. 釣り合いピストン・シールをさらに有する請求項１に記載の封止材組立体。
8. 外面及び内面を有する環状の間仕切壁と、
   前記環状の間仕切壁の前記内面に隣接して配置されたキャリヤ・リングと、
   前記キャリヤ・リングと金属結合した磨耗性封止基体と、
   前記磨耗性封止基体に形成された封止面とを有し、
   前記外面は、ターボ機械のケーシングと結合し、前記封止面は、ロータに隣接して配置されかつ前記ターボ機関の運転の間には、そこに実質的に平行に維持されるとともに、
   前記環状の間仕切壁は、前記キャリヤ・リング内に延びかつ該封止材組立体の高圧側からの高圧プロセスガスを前記キャリヤ・リングに隣接して注入するように配置された１または２以上の分流孔を形成するターボ機関のケーシング内で用いる封止材組立体。
9. 前記間仕切壁の前記内面と前記キャリヤ・リングとの間に形成されたギャップをさらに有し、前記キャリヤ・リングは、前記封止材組立体の高圧側で強められた前記圧力に応答して、前記ロータに関する軸方向に移動するように配置された請求項８に記載の封止材組立体。
10. 前記封止面は、ラビリンス・シール用の歯または孔パターン・シール用の打ち抜きを有する請求項８に記載の封止材組立体。
11. 前記環状の間仕切壁および前記キャリヤ・リングは、鉄合金、ニッケル合金またはチタン合金から形成された請求項８に記載の封止材組立体。
12. 前記磨耗性封止基体は、アルミニウム合金、銅合金、粉末金属合金、炭素含有鉄合金またはポリマーから形成された請求項８に記載の封止材組立体。
13. 磨耗性物質を高弾性率をもつキャリヤ・リングに対して、金属結合し、
    前記磨耗性物質を機械加工して封止面を形成し、
    前記キャリヤ・リングを、高弾性率をもつ環状の間仕切壁に連結させるとともに、
    前記環状の間仕切壁は、前記キャリヤ・リング内に延びかつ該封止材組立体の高圧側からの高圧プロセスガスを前記キャリヤ・リングに隣接して注入するように配置された１または２以上の分流孔を形成する封止材組立体製造方法。
14. 前記磨耗性物質は、熱間静水圧加圧成形技術を介して前記キャリヤ・リングと金属結合される請求項１３に記載の方法。
15. 前記封止面は、一連の歯または打ち抜きを形成する請求項１３に記載の方法。

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