JP6047236B2 - 回転機械のためのフィルムライディングシール - Google Patents

Description

本出願は、一般に、ターボ機械のためのシールアセンブリに関し、より詳細には、ロータ／ステータ隙間などをシールするためのフィルムライディングシールアセンブリに関する。

ガスタービンエンジン、航空機エンジン、およびスチームタービンなど、様々なタイプのターボ機械が知られており、発電、推進などのために広く使用されている。ターボ機械の効率は、部分的には、内部構成要素間のクリアランスとこれらのクリアランスを通る１次流体および２次流体の漏れに依存する。たとえば、熱的または機械的に誘起される大きい相対運動に対応するために、いくつかのロータ−ステータ界面において、大きいクリアランスが意図的に許容されることがある。高圧の領域から低圧の領域に向かってこれらの隙間を通る流体の漏れは、ターボ機械に不十分な効率をもたらすことがある。そのような漏れは、漏れた流体が有用な仕事を実行しなくなるという点において、効率に悪影響を与えることがある。

異なるタイプのシールシステムが、ターボ機械を通って流れる流体の漏れを最小化するために使用される。しかしながら、シールシステムは、しばしば、シールシステムを介するクリアランスを増加または減少させ得る様々な動作段階の間に、比較的高い温度、温度勾配、ならびに熱的および機械的な膨張および収縮にさらされる。たとえば、起動の過渡期の間に非常に密なクリアランスで運転するように組み立てられる伝統的なラビリンスシールは、定常状態動作の間に大きいクリアランスで運転し、それによって定常状態動作において不十分な性能を引き起こすことがある。

したがって、ロータ−ステータの隙間をシールするための、ターボ機械とともに使用する改善された適応的（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）シールアセンブリが要望されている。好ましいことに、そのような適応的シールアセンブリは、定常状態動作の間により密なシーリングをもたらしながら、過渡動作の間に接触および損傷によって生じる摩擦、摩耗を回避することができる。そのようなシールアセンブリは、システム全体の効率を改善しながら、製作するのに費用がかからず、関連部品により長い寿命をもたらす。

本発明の一実施形態によれば、回転機械に対するシールアセンブリが提供される。シールアセンブリは、固定ハウジングとロータとの中間に円周方向に配設された複数のシーリング装置セグメントを含む。セグメントの各々は、前シュー部および後シュー部を有しかつそれらの間にロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯を有し、高圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の前部に、低圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の後ろに与えるように構成されかつシュープレートとロータとの間に動的空気力を生成するようにさらに構成された、シュープレートを含む。シーリング装置は、セグメントの漏れを低減するためにスプラインシールを配設することを可能にするための溝またはスロットを有するステータ界面要素を含む。同じく、シーリング装置セグメントは、シュープレートとステータ界面要素とに接続され、高圧流体が前キャビティを占めかつ低圧流体が後キャビティを占めることを可能にするように構成された、複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャを含む。さらに、シーリング装置セグメントは、一端においてステータ界面要素と一体化され、他端において複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャとシュープレートとの周りに配置された２次シールを含む。

本発明の一実施形態によれば、シールアセンブリを製造する方法が提供される。方法は、固定ハウジングとロータとの中間に配置されたシールアセンブリのための複数のシーリング装置セグメントを設けるステップを含む。方法は、前シュー部および後シュー部を有しかつそれらの間にロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯を有し、高圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の前部に、低圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の後ろに与えるように構成されかつシュープレートとロータとの間に動的空気力を生成するようにさらに構成された、シュープレートを設けるステップを含む。同じく、方法は、高圧流体が前キャビティを占めかつ低圧流体が後キャビティを占めることを可能にするように構成された複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャを、シュープレートとステータ界面要素とに接続するステップを含む。さらに、方法は、セグメントの漏れを低減するためにステータ界面要素内の溝またはスロットの中にスプラインシールを配設するステップを含む。方法は、２次シールの一端をステータ界面要素と一体化するステップと、２次シールの他端を複数の蛇腹スプリングとシュープレートとの周りに配置するステップとを含む。

本発明の一実施形態によれば、回転機械が提供される。回転機械は、ロータと、ステータハウジングと、固定ハウジングとロータとの中間に円周方向に配設された複数のシーリング装置セグメントとを含み、セグメントの各々は、前シュー部および後シュー部を有しかつそれらの間にロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯を有し、高圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の前部に、低圧流体を１つまたは複数のラビリンス歯の後ろに与えるように構成されかつシュープレートとロータとの間に動的空気力を生成するようにさらに構成された、シュープレートを備える。同じく、セグメントの各々は、セグメントの漏れを低減するためにスプラインシールを配設することを可能にする溝またはスロットを含むステータ界面要素を含む。シーリング装置セグメントは、シュープレートとステータ界面要素とに接続され、高圧流体が前キャビティを占めかつ低圧流体が後キャビティを占めることを可能にするように構成された、複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャと、一端においてステータ界面要素と一体化され、他端において複数の蛇腹スプリングとシュープレートとの周りに配置された２次シールとをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、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ながら読めばより良く理解されよう。図面を通して、同じ記号は同じ部品を表す。

本発明の一実施形態による、回転機械のフィルムライディングシールアセンブリを示すロータの断面図である。 本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメントの斜視図である。 本発明の別の実施形態による、フレキシャを有するシーリング装置セグメントの斜視図である。 本発明の一実施形態による、フィルムライディングシールアセンブリの正面図の一部分である。 本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメントの側面図である。 本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメントの底面図である。 本発明の別の実施形態による、シーリング装置セグメントの斜視図である。 本発明の別の実施形態による、２次シールと一体化された支持構造要素を有するシーリング装置セグメントの斜視図である。 本発明の一実施形態による、隣接するシーリング装置セグメント間にシップラップシムを有するフィルムライディングシールアセンブリである。 本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント内の後ポートを示す図である。 本発明の一実施形態による、空気力学シールアセンブリ内のシュー−ロータ曲率を示す図である。 本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント内のレイリーステップ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｓｔｅｐ）を示す図である。 本発明の一実施形態による、ロータ−ステータシールアセンブリのロータ表面の特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）を示す図である。 本発明の一実施形態による、回転機械の固定ハウジングと回転機械の軸周りに回転する回転可能要素との間にフィルムライディングシールを形成する方法にともなう例示的なステップを示すフローチャートである。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介するとき、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」という冠詞は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることが意図されており、列挙された要素以外に追加の要素が存在する可能性があることを意味する。動作パラメータの任意の例は、開示する実施形態の他のパラメータを排除するものではない。

図１は、本発明の一実施形態による、回転機械のフィルムライディングシールアセンブリ１０の断面図である。シールアセンブリ１０は、シールアセンブリ１０が固定ハウジングとロータシャフト１３との中間にあるように、ロータシャフト１３周りに円周方向に配列される。固定ハウジングは、シールアセンブリ１０の半径方向外側領域を形成するステータ界面要素２４を含むことができる。シールアセンブリ１０は、互いに隣接して設置されてシールアセンブリ１０を形成する、複数のシーリング装置セグメント１２を含む。シーリング装置セグメント１２の各々は、ロータシャフト１３に接近して設置されたシュープレート１４を含む。回転機械が動作する間に、シュープレート１４は、ロータシャフト１３の上の流体膜上に乗る。同じく、シールアセンブリ１０は、シュープレート１４のロータシャフト表面に対向する面に設置された１つまたは複数のラビリンス歯（図２に１６で示す）を含む。ラビリンス歯は、回転機械のシールアセンブリ１０の両側上で、高圧領域１８（図２に示す）からの流体と低圧領域２０（図２に示す）からの流体とを実質的に分離する。同じく、シールアセンブリ１０は、シュープレート１４と界面要素２４とに取り付けられた複数の蛇腹スプリング３０、３２（図２に示す）またはフレキシャ３１、３３（図３に示す）を含む。この図では、シーリング装置セグメント１２の各々の中に設置される前蛇腹スプリング３０だけを示す。シーリング装置セグメント１２の各々は、各シュープレート１４とロータシャフト１３との間にクリアランス隙間が存在するように、ロータに対して組み立てられる。隣接するシーリング装置セグメント１２も、それらの間にクリアランス隙間を含む。

図２は、本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント１２の斜視図である。図示のように、シーリング装置セグメント１２は、前シュー部２６および後シュー部２８を有しかつそれらの間にロータシャフト（図１に１３で示す）に対向する１つまたは複数のラビリンス歯１６を有するシュープレート１４を含む。シーリング装置セグメント１２は、前蛇腹スプリング３０および後蛇腹スプリング３２からなる１つまたは複数の蛇腹スプリングを含む。シーリング装置セグメント１２は、一端を片持ち梁部３６を介してステータ上部の界面要素２４に取り付けられ、他端において複数の蛇腹スプリング３０、３２とシュープレート１４との周りに配置された２次シール３４をさらに含む。２次シール３４の各々は、１つの第２の端部においてシュープレート１４との線接触を形成する。この実施形態では、ステータ界面要素２４は、隣接するシーリング装置セグメント１２のステータ界面要素間の漏れを低減するためにスプラインシールを配設することを可能にするための溝またはスロット３５を含む。さらに、この実施形態に示すように、蛇腹スプリング３０、３２および２次シール３４は、円周方向においてまっすぐである。まっすぐな蛇腹スプリング３０、３２およびまっすぐな２次シール３４は、機械的応力を低いままとすることができる。別の実施形態では、蛇腹スプリング３０、３２および２次シール３４は、円周方向において曲がっていてよい。

シールアセンブリ１０（図１に示す）において、近接するシーリング装置セグメント１２からの２次シール３４は、上部界面要素２４とシュープレート１４との間の流体の流れに対する抵抗経路を形成する。一実施形態では、前蛇腹スプリング３０および後蛇腹スプリング３２は、２次シール３４とシュープレート１４との間で接触する線の両側に対称に設置される。この対称的配列は、シュープレート１４が最小の傾きで半径方向に並進運動することを可能にする（前シュー部２６の縁部が後シュー部２８の縁部よりロータに近い、逆もまた同様）。同じく、対称設計によって生じるより少ない傾きは、シュープレート１４が、（ロータが膨張する事象の間に）半径方向内向きおよび半径方向外向きの両方にロバストに大きい変位を移動することができる。

２次シール３４とシュープレート１４との間で接触する線を越える少量の漏れが存在する。２次シール３４は、シーリング装置セグメント１２を、回転機械の高圧側１８に向かう前キャビティ３８と低圧側２０に向かう後キャビティ４０とに区分するように構成される。

図３に示す一実施形態では、シーリング装置セグメント１３は、シュープレート１４と上部界面要素２４とに接続された複数のフレキシャ３１、３３を含む。１つまたは複数のフレキシャは、Ｗ型またはＶ型のいずれかであってよい。シーリング装置セグメント１３の他の特徴は、シーリング装置セグメント１２と同様である。図３の複数のフレキシャ３１、３３または図２の蛇腹スプリング３０、３２の各々は、上部界面要素２４およびシュープレート１４の円周方向の幅の各々より狭い円周方向の幅を含む。このことで、回転機械が加圧されるときに、流体が前蛇腹スプリング３０またはフレキシャ３１の周りに流れて前キャビティ３８を加圧することが確実になる。同様に、回転機械の低圧側２０において、低圧流体が後蛇腹スプリング３２またはフレキシャ３３の周りに流れ、後キャビティ４０内の２次シール３４の後ろに低圧を生じる。

さらに、図２または図３の一実施形態では、シーリング装置セグメント１２は、回転機械の高圧側１８に向かうシュープレート１４の側面における前シュー供給溝４２と、回転機械の低圧側２０に向かうシュープレートの側面１４における後シュー供給溝４４とを含む。シュープレート１４の上部４６は、底部４８より広い円周方向の幅を含み、供給溝４２、４４を形成する。前シュー供給溝４２は、ラビリンス歯１６の上流に設置された前キャビティ３８に高圧流体が流入することを可能にする。同様に、後シュー供給溝４４は、ラビリンス歯１６の下流に設置された後キャビティ４０に低圧空気が流れることを可能にする。図２および図３に示すように、シュープレート１４はまた、流体の軸方向の流れを１つまたは複数のラビリンス歯１６の前部に与えるために回転機械の高圧側１８における線接触の上流に設置された、複数の前ポート５０を含む。さらに、シュープレート１４はまた、回転機械の低圧側２０における線接触の下流に設置された１つまたは複数の後ポート５２を含む。一実施形態では、１つまたは複数の後ポート５２は、単一または複数のラビリンス歯１６の後から後キャビティ４０に流入する流体に接線流を与えるために、円周方向に傾いている。別の実施形態では、１つまたは複数の後ポート５２は、シーリング装置セグメント１２のラビリンス歯１６の後ろから後キャビティ４０に流体が流れることを可能にするために、まっすぐなポートまたは円周方向に傾いたポートである。

シールアセンブリ１０（図１に示す）内の隣接するシーリング装置セグメント１２間に、隣接する２次シール３４間のクリアランス隙間が存在する。図４は、隣接するシーリング装置セグメント１２（図１に示す）間の半径方向隙間を示す、シールアセンブリ１０（図１に示す）の一部分である。図示のように、ステータ上部界面要素２４は、ステータハウジングの一部分を形成し、隣接するシーリング装置セグメント１２間にステータ−ステータ半径方向隙間４１を有する。スプラインスロット３５（図２、図３に示す）内にスプラインシールが存在することによって、近接するシーリング装置セグメント間の様々なステータ−ステータ半径方向隙間によって生じる可能性がある漏れ経路に対して、前キャビティ３８内の高圧流体と後キャビティ４０内の低圧流体との間に漏れ抵抗がもたらされる。非限定的な例では、スプラインシールは、約０．００３インチ〜約０．０１５インチの厚さであり、高温金属合金で作製される。同じく、隣接する２次シール３４は、半径方向の２次シールセグメント隙間４３を示す。同じく、近接するシュープレート１４間に半径方向セグメント隙間４７が存在する。シールアセンブリ１０において、近接するシュープレート１４間および近接する２次シール３４間の半径方向隙間４１、４３、４７は、シーリング装置セグメント１２のロータに向かう任意の半径方向の動き、またはシーリング装置セグメント１２の任意の円周方向の熱膨張がセグメントの固着を生じないように構成される。

図５は、本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント１２の側面図である。一実施形態に示すように、前蛇腹スプリング３０および後蛇腹スプリング３２は、ろう付け接合部４９によって上部界面要素２４とシュープレート１４とに接続される。同じく、図５は、シュープレート１４および２次シール３４上に作用する様々な圧迫力を示す。前キャビティ３８および後キャビティ４０において、シーリング装置セグメント１２を加圧することによって、シュープレート１４は、回転機械の起動動作の間にロータに向かって移動させられる。非限定的な例では、シュープレート１４は、気体静力学モード（ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｅ）の動作において流体膜上に乗ることができ、その流体膜厚さは、ロータとの初期シールアセンブリクリアランスに応じて約３／１０００インチ〜５／１０００インチに及ぶことがある。

気体静力学動作モードでは、加圧によって、２次シール３４が半径方向内向きに変形させられ、シュープレート１４がロータ１３（図１に示す）に向かって押される。２次シール３４がシュープレート１４をロータに向かって押す間、蛇腹スプリング３０、３２は、シュープレート１４の動きを支持し、案内する。２次シールの接触力および蛇腹スプリング力に加えて、シュープレート１４は気体静力学圧力荷重も受ける。これらの気体静力学荷重は、シュープレート１４周りに流体が存在することによって生じる。図５の半径方向外面に示すように、シュープレート１４は、２次シール３４とシュープレート１４との間の２次シールの線接触の両側に、高圧（Ｐ_high）および低圧（Ｐ_low）を受ける。

一実施形態では、前ポート５０および２つの前シュー供給溝４２（図２、図３に示す）は、前キャビティ３８から単一または複数のラビリンス歯１６の前側に高圧流体をもたらす。同様に、１つまたは複数の後ポート５２および後シュー供給溝４４（図２、図３に示す）は、後キャビティ４０から単一または複数のラビリンス歯１６の後側に低圧流体をもたらす。したがって、単一または複数のラビリンス歯１６は、シーリング装置セグメント１２にわたって圧力降下を受け、ロータ−シュープレート隙間に沿った漏れに対する流れ制限をもたらす機能を果たす。前ポート５０の存在によって、２次シール３４の上流のシュープレート１４の全面が、高圧流体にさらされる。同様に、１つまたは複数の後ポート５２は、２次シール３４の下流のシュープレート１４の全面が、低圧流体にさらされることを確実にする。流体膜厚が、シュープレート１４とロータ表面との間で３／１０００〜５／１０００インチであるとき、ロータの回転によって、シュープレート１４の下の流体膜圧力に、前ポート５０によって生じる高圧と後ポート５２によって生じる低圧とに著しい差が引き起こされることはない。その結果、シュープレート１４上の正味の流体荷重はほぼゼロである。２次シール力Δｐがシュープレート１４を内向きに押すので、シュープレート１４は、ほぼゼロの正味の流体荷重に影響されて半径方向内向きに移動し、シュープレートを支持する蛇腹スプリングが、この半径方向内向きの動きに抗して作用する。

図６は、本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント１２の底面図である。この実施形態では、シーリング装置セグメント１２は、４つのポートを含む前ポート５０を示す。他の実施形態では、前ポート５０は、４つのポートより少なくてよく、または多くてもよい。現在の実施形態では、前ポート５０は、流体が、前ポート５０から単一または複数のラビリンス歯１６の前に軸方向に流れることを可能にするように構成される。別の実施形態では、前ポート５０は、流体が前キャビティ３８から単一または複数のラビリンス歯１６の前部に流れるときに、流体に渦巻きを起こす（接線速度を与える）ために、円周方向に傾けられる。この実施形態では、後ポート５２の第１の一端を、シーリング装置セグメント１２の底面図に示す。後ポート５２は、ラビリンス歯１６の背面と後キャビティ４０とを接続する。図示のように、後ポート５２の１つの開口が、ラビリンス歯１６の背面に対向して、後シュー部２８の第１の縁部に設置される。後キャビティ４０内の後ポート５２の第２の開口を図７に示す。一実施形態では、後ポート５２はより多くのポートに分割されてよい。さらなる実施形態では、１つまたは複数の後ポート５２は、単一または複数のラビリンス歯１６の後から後キャビティ４０に流入する流体に接線流を与えるために、円周方向に傾けられる。

図８は、本発明の別の実施形態による、２次シール３４と一体化された支持構造要素３７を有するシーリング装置セグメント１５の斜視図である。この実施形態では、２次シール３４の一端は、ステータ上部界面要素２４内に設置されたスロット４３内に取り付けられた角度付き端部４１を含む。支持構造要素３７は、ステータ上部界面要素２４の延長部である。支持構造要素３７は、２次シール３４の半径方向外向きの動きが比較的小さい抵抗で可能である一方で、２次シール３４の半径方向内向きの動きが、後述するように低減されるように、２次シール３４と界面接続する。支持構造要素３７は、前キャビティ３８内の高圧流体と後キャビティ４０における低圧流体との間の、ステータ−ステータ隙間における漏れを制限するために、スプラインシールシムを配設することを可能にするための溝またはスロット３９を含むことができる。シーリング装置セグメント１５の他の特徴は、シーリング装置セグメント１２、１３（図２、図３に示す）の特徴と同様である。溝またはスロット３９内でスプラインシールシムを使用することは、近接するセグメントのステータ−ステータ隙間の間の漏れを低減すること、ならびに近接するセグメントの２次シール間の漏れを制限することを意図している。溝またはスロット３９およびスプラインシールシムの厚さは、近接するステータ界面要素の組み立てのばらつきまたは熱および圧力によるたわみによって、近接するステータ界面要素２４間に生じる半径方向および軸方向の不整合に耐えられるように構成される。

２次シール３４と界面接続する支持構造要素３７は、非線形スプリング剛性特性を２次シール３４に与える。一実施形態では、２次シール３４は、双線形スプリング剛性特性を２次シール３４に与える。半径方向内向きの動きに対して、２次シール挙動は、一端が支持構造要素３７に取り付けられ、他端がシュープレート１４に沿って軸方向に自由に滑動する、短くて堅い片持ち梁と同様である。２次シール３４の堅いスプリング特性は、半径方向内向きのシューの動きの程度を制限するために、また加圧および半径方向内向きの動きによって生じる２次シール３４内の機械的応力を制限するために、半径方向内向きの動きにとって望ましい。反対に、ロータが膨張する事象の間（すなわち、シューが半径方向外向きに動くとき）に、短くて堅い２次シール３４によって提供される抵抗は望ましくない。しかしながら、２次シール３４は、支持構造要素３７に取り付けられていないので、２次シール３４は、支持構造要素３７から容易に離昇／剥離することができる。半径方向外向きの動きの場合には、２次シール挙動は、外向きのシューの動きに対して低減された抵抗を有する、柔らかくて長い片持ち梁と同様である。

図９は、本発明の一実施形態による、隣接するシーリング装置セグメント１２間に複数のシップラップシム７２を有するフィルムライディングシールアセンブリ７０である。複数のシップラップシム７２は、シールアセンブリ７０内の隣接する２次シール３４と重なるように配設される。シップラップシム７２の各々は、互いに角度を成して取り付けられた第１のシム７４と第２のシム７６とを含む。一実施形態では、シップラップシム７２の各々は、あるセグメントの２次シールに取り付けられた（ろう付けされた）湾曲した金属シムであり、それによって、そのシムは、近接するセグメントの２次シールの上に延びる。湾曲したシム７４、７６の挟角（ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ）は、２つの近接する２次シール３４に沿った直線間に形成される角度と一致するように構成される。シップラップシム７２の各々に対して、第１のシム７４は、２次シール３４のうちの１つに取り付けられ、第２のシム７６は、シールアセンブリ７０の隣接する２次シール上を自由に滑動するように構成された延長シムである。そのような延長シムは、加圧されると閉じて、近接する２次シール３４間のセグメント隙間の漏れを低減することが予期される。

シールアセンブリ７０は、各シュープレート１４とロータ１３との間、および近接する各シュープレート１４の間にクリアランス隙間が存在するように、ロータ１３（図１に示す）に対して組み立てられる。同じく、近接するセグメント１２の２次シール３４は、セグメントの固着を回避するために、（図９に示すようにシップラップシム７２によって覆われるときを除いて）それらの間にクリアランス隙間を有する。加圧されると、流体は、前蛇腹スプリング３０（シールセグメント１４、２４より幅が短い）回りに流れ、前キャビティ３８（図１に示す）を加圧する。スプラインシールおよび／またはシップラップシム７０とともに、近接するセグメント１２からの２次シール３４は、ステータ界面要素２４とシュープレート１４との間の流体流れに対する抵抗経路を形成する。各２次シール３４はそれぞれのシュープレートと線接触を形成するので、シューと２次シールとの間のこの線接触を超える漏れ、ならびにスプラインシールおよびシップラップシム７０の配列にわたる漏れは比較的少ない。低圧流体が、後蛇腹３２（図２に示す）の周辺を流れ、２次シール３４、スプラインおよび／またはシップラップシム７０の配列の後ろに低圧を生じる。したがって、シールアセンブリ７０にわたる圧力降下は、２次シール３４、スプラインおよび／またはシップラップシム７０の配列にわたって発生する。シールを加圧することで、シュープレート１４がロータに向かって動かされ、その最初の組み立てのクリアランスに応じて各セグメント１２のシュープレートが流体膜（３／１０００〜５／１０００インチ厚）の上に乗り、それによって気体静力学モードで動作する。

図１０は、本発明の一実施形態による、シーリング装置セグメント１２内の別の後ポート５２を示す。この実施形態では、１つまたは複数の後ポート５２は、複数のラビリンス歯１６の後から直接シーリング装置セグメント１２の下流キャビティに流体が流れることを可能にするために、まっすぐなポートまたは円周方向に傾いたポートである。１つまたは複数の後ポート５２の第１の端部開口が、ラビリンス歯１６の背面に対向して、後シュー部２８の第１の縁部に設置され得る。この実施形態で示すように、１つまたは複数の後ポート５２の第２の端部開口が、シュープレート１４の後シュー部の第２の縁部に設置され、流体の流れを、複数のラビリンス歯１６の後から直接シーリング装置セグメント１２の下流キャビティに案内する。

図１１は、本発明の一実施形態による、シールアセンブリ１０内のシュー−ロータ曲率を示す。シールアセンブリ１０はまた、空気力学モードの動作で動作する。ロータ−シュープレート隙間が（たとえば、熱的過渡現象がクリアランスの変化を生じる間に）縮小し始めると、薄い流体膜５１が追加の圧力を蓄積し始める。この実施形態では、シュープレート１４の曲率半径がロータ半径より大きくなるように、意図的に加工されている。その結果、ロータ−シュープレート隙間が小さくなる（一般的に１／１０００インチ未満）と、流体膜５１は、回転方向に単調に収束するかまたは収束−発散する。流体くさびの形態のこの流体膜は、追加の圧力を蓄積させる。薄膜の物理的特性は、流体力学的ジャーナル軸受またはフォイル軸受からよく理解されており、適切な流体流れモデルを使用してモデル化することができる。基本原理は、回転方向における流体膜厚における負の勾配が、流体膜内圧力をその境界圧力を超えて増大させることである。薄い流体膜によって生じた追加の圧力は、蛇腹スプリング３０、３２を圧搾し、それによってシュープレート１４を半径方向外向きに移動させ、ロータがシュープレート１４と接触するのを防止する。この意味で、ロータの外向きの偏移が、あらゆるシーリング装置セグメント１２上のシュープレート１４によって追跡される。

図１２に示す別の実施形態では、薄い流体膜は、回転方向においてシュープレート１４上に１つまたは複数のレイリーステップ６０、６２が存在することによって、追加の力が発生する。図示のように、前シュー部２６が第１のレイリーステップ６０を含み、後シュー部２８が第２のレイリーステップ６２を含む。複数の前ポート５０および１つまたは複数の後ポート５２はまた、シール動作の薄膜空気力学モードにおいて発生する可能性のある追加の熱を運び去るための冷却ポートとしての目的にかなうことに留意されたい。

２つのシュー部、すなわち前シュー部２６および後シュー部２８が存在することで、（円周方向軸回りの）空気力学モーメントが両方向に発生することが可能になる。たとえば、後シュー部２８の後縁部が前シュー部２６の前縁部よりロータに近くなるように、シュープレート１４が傾いている場合、後シュー部２８は、前シュー部２６より大きい動的空気力を発生し、結果としてもたらされた空気力学モーメントがシューの傾きを修正することになる。同様に、前シュー部２６がロータにより近い場合に、前シュー部２６は、空気力学的な傾き修正を可能にする。全体的に、ロータとの曲率非整合あるいは１つまたは複数のレイリーステップ６０、６２を有する２つのシュープレート部配列は、半径方向クリアランス変化ばかりでなくシールの前後の傾きをも修正できる自動修正式シール挙動を可能にする。

非限定的な例では、蛇腹スプリング３０、３２と２次シール３４（図２に示す）の両方は、Ｉｎｃｏｎｅｌ Ｘ７５０またはＲｅｎｅ４１のような高温金属合金シムから形成される。蛇腹スプリング３０、３２の両端部は、上部界面要素２４とシュープレート１４とにろう付けされる。２次シール３４は、ステータまたは上部界面要素２４に片持ち梁で支持され（ろう付けされ）、シュープレート表面上を軸方向に自由に滑動する。本実施形態では、２次シール３４の自由端は、シュープレート１４に（図示のように）接し、常時シュープレート１４と接触したままである。一実施形態では、加圧される前は、２次シール３４とシュープレート１４との間に隙間が存在し（非接触であり）、この隙間は、加圧されると閉じて、２次シール３４とシュープレート１４との間の接触を確立することになる。一実施形態では、シュープレート１４およびステータ界面部分または上部界面要素２４は、機械加工されるかまたは鋳造される。一実施形態では、シュープレートの半径方向最内側の表面は、シュープレート１４とロータとの間の偶発的摩擦を処理することができる同様の被膜であるＮＡＳＡ ＰＳ３０４またはＮＡＳＡ ＰＳ４００などの潤滑被膜で被覆することができる。別の実施形態では、シュープレート１４と界面接続するロータ表面は、ロータの硬さ、耐食性、および良好な表面仕上げを維持する能力を改善するために、炭化クロムまたはチタンアルミニウム窒化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）または同様の被膜で被覆することができる。

図１３は、本発明の一実施形態による、ロータ−ステータシールアセンブリ８０を示す。一実施形態では、ロータステータシールアセンブリ８０は、回転機械の動作中に動的空気力を発生させるために軸方向または接線方向に傾けられた、ロータ上の溝またはスロット８２を含む。別の実施形態では、ロータステータシールアセンブリ８０は、回転機械の動作中に動的空気力を発生させるために矢筈模様（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｐａｔｔｅｒｎ）の、ロータ上の溝またはスロット８４を含む。

さらに、一実施形態では、前シュー２６の下のロータ１３の一部分は、軸方向と接線方向とが組み合わされた方向に配向された溝またはスロットまたはポケット８２を含む。さらに、この実施形態では、後シュー２８の下のロータ１３の一部分は、矢筈模様を含む。さらに別の実施形態では、前シュー２６および後シュー２８の各々の下のロータ１３は、完全に軸方向に配向されたポケット／溝／スロット、あるいは軸方向と接線方向とが組み合わされた方向の溝または矢筈模様を含む。ロータ１３上の溝は、回転方向に、または回転と反対の方向に整列することができる。

図１４は、シールアセンブリを製造する方法に関与するステップを示すフローチャート１００である。方法は、固定ハウジングとロータとの中間に配置されたシールアセンブリのために複数のシーリング装置セグメントを設けるステップを含み、ステップ１０１で提供される。ステップ１０２で、方法は、前シュー部および後シュー部を有しかつそれらの間にロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯を有するシュープレートを設けるステップを含む。ステップ１０４で、方法は、シュープレートとステータ界面要素とに複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャを接続するステップを含む。方法は、ステータ界面要素とシュープレートとに複数の蛇腹スプリングまたはフレキシャを締結またはろう付けするステップを含む。さらに、ステップ１０６で、方法は、漏れを防止するためにステータ界面要素内の溝またはスロットの中にスプラインシールを配設するステップを含む。ステップ１０８で、方法はまた、２次シールの一端をステータ界面要素と一体化するステップと、２次シールの第２の端部を複数の蛇腹スプリングとシュープレートとの周りに配置するステップとを含む。一実施形態では、方法は、ステータ界面要素に２次シールを締結またはろう付けするステップをさらに含む。別の実施形態では、方法はまた、米航空宇宙局（ＮＡＳＡ）によって開発され、ＮＡＳＡ ＰＳ３０４またはＮＡＳＡ ＰＳ４００として知られているプラズマ溶射（ＰＳ）を含む金属酸化物ベースの被膜のグループから選択された潤滑被膜で、シュープレートの半径方向最内側の表面を被覆するステップを含む。さらに別の実施形態では、方法はまた、黒鉛、ダイヤモンド状炭素、および六方晶窒化ホウ素、または同様の他の固体潤滑剤および耐摩耗性被膜のグループから選択された潤滑被膜で、シュープレートの半径方向最内側の表面を被覆するステップを含む。さらに、別の実施形態では、方法は、炭化クロム、チタンアルミニウム窒化物などのグループから選択された材料で、シュープレートと界面接続するロータ表面を被覆するステップを含む。

有利なことに、本空気力学シールアセンブリは、大きい圧力降下および大きい過渡事象をともなう回転機械内のいくつかの場所に対する高信頼でロバストなシールである。シールアセンブリはまた、製作するのに経済的である。シールの非接触動作は、大きく変化するロータの過渡的位置に対して、本シールアセンブリを特に魅力的にする。さらに、本発明は、スプリング堅さと耐圧性能とを独立に制御することが可能であり、それによって、高い圧力降下に依然として耐えられる適応的シールを設計することが可能になる。さらに、本発明は、シュープレートが、気体静力学動作中にロータと平行に滞留し、空気力学モード中にロータに平行に並進運動することを可能にする。同じく、本発明は、半径方向の動きに対する改善された予測可能性（漏れ性能およびロバスト性に対する向上した予測可能性）を含む。

さらに、当業者は、異なる実施形態から様々な特徴の互換性を認識するであろう。同様に、説明した様々な方法ステップおよび特徴、ならびにそのような方法および特徴の各々に対する他の知られている等価物は、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技法を構築するために、当業者の一人によって混合され、適合され得る。当然ながら、必ずしも、上記で説明したそのような目的または利点のすべてが、いずれかの特定の実施形態に従って実現できるとは限らないことを理解されたい。したがって、たとえば、本明細書で教示する一利点または利点群を達成または最適化するが、必ずしも本明細書で教示または示唆する他の目的または利点を達成するとは限らない様式で、本明細書で説明したシステムおよび技法が具現化または遂行され得ることを、当業者は認識するであろう。

本発明のいくつかの特徴だけを、本明細書で図示し、説明したが、多くの修正形態および変形形態を、当業者は想到するであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨の範囲に入るすべてのそのような修正形態および変形形態をカバーすることが意図されていることを理解されたい。

１０ フィルムライディングシールアセンブリ、シールアセンブリ
１２ シーリング装置セグメント
１３ ロータシャフト
１３ シーリング装置セグメント
１４ シュープレート
１５ シーリング装置セグメント
１６ ラビリンス歯
１８ 高圧領域
２０ 低圧領域
２４ ステータ界面要素
２６ 前シュー部
２８ 後シュー部
３０ 前蛇腹スプリング
３１ フレキシャ
３２ 後蛇腹スプリング
３３ フレキシャ
３４ ２次シール
３５ 溝またはスロット、スプラインスロット
３６ 片持ち梁部
３８ 前キャビティ
４０ 後キャビティ
４１ ステータ−ステータ半径方向隙間
４２ 前シュー供給溝
４３ 半径方向の２次シールセグメント隙間
４４ 後シュー供給溝
４６ シュープレートの上部
４７ 半径方向セグメント隙間
４８ シュープレートの底部
４９ ろう付け接合部
５０ 前ポート
５１ 流体膜
５２ 後ポート
６０ レイリーステップ
６２ レイリーステップ
７０ フィルムライディングシールアセンブリ
７２ シップラップシム
７４ 湾曲したシム
７６ 湾曲したシム
８０ ロータ−ステータシールアセンブリ
８２ ロータ上の溝またはスロットまたはポケット
８４ ロータ上の溝またはスロット

Claims (16)

1. 回転機械のためのシールアセンブリであって、
   固定ハウジングとロータとの中間に円周方向に配設された複数のシーリング装置セグメント（１２）を備え、
   前記セグメントの各々が、
   シュープレート（１４）であって、前シュー部（２６）および後シュー部（２８）を有しかつそれらの間に前記ロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯（１６）を有し、高圧流体を前記１つまたは複数のラビリンス歯の前部に、低圧流体を前記１つまたは複数のラビリンス歯の後ろに与えるように構成されかつシュープレートと前記ロータとの間に動的空気力を生成するようにさらに構成された、シュープレートと、
   漏れを低減するためにスプラインシールを配設することを可能にする溝またはスロットを備えるステータ界面要素（２４）と、
   前記シュープレートと前記ステータ界面要素とに接続され、前記高圧流体が前キャビティを占めかつ前記低圧流体が後キャビティを占めることを可能にするように構成された、高圧側（１８）の前蛇腹スプリング（３０）及び低圧側（２０）の後蛇腹スプリング（ ３２）または高圧側（１８）の前フレキシャ（３１）及び低圧側（２０）の後フレキシャ （３３）と、
   一端において前記ステータ界面要素と一体化され、他端において前記前及び後蛇腹スプリングまたは前及び後フレキシャと前記シュープレートとの周りに配置された２次シール（３４）と
   を備え、
   前記前及び後蛇腹スプリング（３０、３２）又は前記前及び後フレキシャ（３１、３３） は、前記２次シール（３４）及び前記シュープレート（１４）間の接触線の両側に対称に 設置され、
   前記前及び後蛇腹スプリング（３０、３２）又は前記前及び後フレキシャ（３１、３３） の各々は、前記ステータ界面要素（２４）および前記シュープレート（１４）の円周方向 の幅の各々より狭い円周方向の幅を含む、シールアセンブリ。
2. 前記シールアセンブリ内に設置され、前記シールアセンブリ内で隣接する２次シールと重なるように構成された、複数のシップラップシムをさらに備える、請求項１記載のシールアセンブリ。
3. 前記シップラップシムの各々が、互いに角度を付けて取り付けられた第１のシムと第２のシムとを備える、請求項２記載のシールアセンブリ。
4. 前記シップラップシムの各々に対して、前記第１のシムが前記２次シールのうちの１つに取り付けられ、前記第２のシムが前記シールアセンブリの前記隣接する２次シール上を自由に滑動するように構成される、請求項３記載のシールアセンブリ。
5. 前記シュープレートが、前記ロータの半径より大きい、前記ロータに対向する前記シュープレートの半径によって、または前記ロータに対向する前記シュープレート上の１つまたは複数のレイリーステップの存在によって、または前記ロータ上の、軸方向もしくは接線方向にまたは矢筈模様に角度のついた溝もしくはスロットの存在によって、動的空気力を生成するように構成される、請求項１乃至４のいずれか１項記載のシールアセンブリ。
6. 前記２次シールが円周方向にまっすぐである、請求項１乃至５のいずれか１項記載のシールアセンブリ。
7. 前記２次シールが円周方向に曲がっている、請求項１乃至５のいずれか１項記載のシールアセンブリ。
8. 前記２次シールの前記一端が、前記ステータ界面要素内に設置されたスロットの中に取り付けられた角度のついた端部を備える、請求項１乃至７のいずれか１項記載のシールアセンブリ。
9. 前記２次シールが、支持構造要素を介して前記ステータ界面要素と一体化される、請求項８記載のシールアセンブリ。
10. 前記支持構造要素が、前記ステータ界面要素の延長部である、請求項９記載のシールアセンブリ。
11. 前記支持構造要素が、セグメントの漏れを低減するためにスプラインシールを配設することを可能にするための溝またはスロットを備える、請求項１０記載のシールアセンブリ。
12. 前記２次シールの半径方向外向きの動きを可能にするために、前記２次シールが前記支持構造要素と界面接続する、請求項１０記載のシールアセンブリ。
13. 前記２次シールの半径方向内向きの動きを防止するために、前記２次シールが前記支持構造要素と界面接続する、請求項１０記載のシールアセンブリ。
14. 前記シュープレートが、前記接触線の上流に設置された前ポート（５０）と、前記接触 線の下流に設置された後ポート（５２）を更に含む、請求項１乃至１３のいずれか１項に 記載のシールアセンブリ。
15. 固定ハウジングとロータとの中間に配置されたシールアセンブリのために複数のシーリング装置セグメントを設けるステップと、
    前シュー部および後シュー部を有しかつそれらの間に前記ロータに対向する１つまたは複数のラビリンス歯を有するシュープレート、高圧流体を前記１つまたは複数のラビリンス歯の前部に、低圧流体を前記１つまたは複数のラビリンス歯の後ろに与えるように構成されかつ該シュープレートと前記ロータとの間に動的空気力を生成するようにさらに構成された、シュープレートを設けるステップと、
    前記高圧流体が前キャビティを占めかつ前記低圧流体が後キャビティを占めることを可能にするように構成された高圧側の前蛇腹スプリング及び低圧側の後蛇腹スプリングまた は高圧側の前フレキシャ及び低圧側の後フレキシャであって各々がステータ界面要素およ び前記シュープレートの円周方向の幅の各々より狭い円周方向の幅を含む前及び後蛇腹スプリングまたは前及び後フレキシャを、前記シュープレートとステータ界面要素とに接続するステップと、
    漏れを低減するために前記ステータ界面要素内の溝またはスロットの中にスプラインシールを配設するステップと、
    ２次シールの一端を前記ステータ界面要素と一体化するステップと、
    前記前及び後蛇腹スプリングまたは前及び後フレキシャと前記シュープレートとの周りに前記２次シールの他端を配置し且つ該前及び後蛇腹スプリング又は前記前及び後フレキ シャを前記２次シール及び前記シュープレート間の接触線の両側に対称に設置するステップと
    を含む、方法。
16. 前記シュープレートが、前記接触線の上流に設置された前ポート（５０）と、前記接触 線の下流に設置された後ポート（５２）を更に含む、請求項１５に記載の方法。