JP6194343B2 - 可撓性フィルムライディングシール - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ターボ機械のためのシール組立体に関し、より具体的には、ロータ／ステータクリアランス等をシールするためのフィルムライディングシール組立体に関する。

ガスタービンエンジン、航空機エンジン、及び蒸気タービン等の種々のタイプのターボ機械が公知であり、発電や推進用途で広く使用されている。ターボ機械の効率は、各内部要素のクリアランスと、このクリアランスを通る一次流体及び二次流体の漏洩に部分的に依存する。例えば、大きなクリアランスは、熱的又は機械的に誘起される大きな相対運動に対応するために、特定のロータ／ステータ接合部に意図的に許容される場合がある。高圧領域から低圧領域までのこの隙間を通る流体の漏洩は、ターボ機械の低い効率につながる場合がある。このような漏洩は、漏洩した流体が有効仕事を行うことができないという点で効率に影響を及ぼす場合がある。

異なるタイプのシーリングシステムを使用してターボ機械を通って流れる流体の漏洩を最小限にすることができる。しかしながら、シーリングシステムは、シーリングシステムを介するクリアランスを増加又は減少させる場合がある種々の運転段階の間に、比較的高い温度、温度勾配、並びに熱的及び機械的な膨張及び収縮の影響を受ける場合が多い。例えば、始動の過渡期に非常に密なクリアランスで動作するように組み付けられる伝統的なラビリンスシールは、定常運転の間に大きなクリアランスで動作する可能性があるので、定常運転時の性能低下につながる。

ラビリンスシールの性能を改善する１つの公知のシール形式は、「フィルムライディング」シールであり、シールの固定部が空気の薄膜上に載り、シールの回転部に追従することができる。このタイプのシールが適切に機能するためには、空気膜力とばね力との間の釣り合いを得るために、十分なリフト力を発生できることが必要である。空気膜は非常に薄いので、運転状態に起因するロータ又はステータの変形に非常に敏感である（遠心力、不均一な温度分布等）。ステータとロータとの間の相対的な変形が増えると、シール空気膜の荷重負担能力が低下して接触が起こる。従来技術の設計は、変形に全く適合しない剛性のあるリフト形状を使用する。これによってシールは接触を防ぐための十分な力を発生することができない。

従って、ロータ表面の変形を許容して、しっかりしたシールを可能にするフィルムライディングシールに対するニーズが依然としてある。

本発明はこのニーズに取り組むものであり、対向するシーリング面の形状の変形に適合するように可撓性のあるフィルムライディングフォイルシールを提供する。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

本発明の実施形態に従って構成された、静止状態における回転機械のフィルムライディングシール組立体の断面図。 図１のシール組立体の後部正面図。 偏向状態における、図１のシール組立体の断面図。

各図にわたって同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の態様に従って構成された例示的なシール組立体１０を示す。

シール組立体１０は、長手方向軸線１８の周りで回転するように取り付けられ、前端１４及び後端１６を有するロータ要素１２と相互作用する。

本明細書で用いる場合、用語「軸方向」又は「長手方向」は、ガスタービンエンジン又は他のタービン機械の回転軸に平行な方向を指すが、用語「半径方向」は、軸方向と直交する方向を指し、さらに用語「接線方向」又は「円周方向」は、軸方向及び半径方向と相互に直交する方向を指すことに留意されたい。（図１及び２の矢印「Ａ」、「Ｒ」、及び「Ｔ」を参照されたい）。本明細書で用いる場合、用語「前方」又は「前部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に上流側にある位置を指し、用語「後方」又は「後部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に下流側にある位置を指す。この空気流は図１において矢印「Ｆ」で示される。これらの方向を示す用語は、明細書において単に便宜的に使用され、これによって説明される構造体の特定の方向を必要としない。

実際には、ロータ要素１２は、シャフト、ディスク、又は他の回転要素（図示せず）に組み込むこと又は取り付けることができる。ロータ要素１２は、以下に詳細に説明するように、シーリング界面の一部として機能するアーチ形外面２０を有する。外面２０は、第１の半径の円筒形前方セクション２２及び第２の小さな半径の円筒形後方セクション２４を含むことができる。また、後方セクション２４は、前方セクション２２に対して引っ込んだ場所にあると説明することができ、後方を向いた段部２６は、前方セクション２２と後方セクション２４の交差部に形成されている。作動時、ロータ要素１２及びシール組立体１０は、前端１４に隣接した第１の比較的高い静空気圧「Ｐｈｉｇｈ」の空気流、及び後端１６に隣接した第２の比較的低い静空気圧「Ｐｌｏｗ」の空気流にさらされる。シール組立体１０がない場合、ＰｈｉｇｈとＰｌｏｗとの差圧は、矢印「ＬＦ」で示す漏れ流を引き起こす傾向があり、シール組立体１０の目的及び機能はこのような漏れ流を低減するものである。

シール組立体１０は、ロータ要素１２を取り囲んで配置された、前端３０及び後端３２を有するシール本体２８を含む。実際には、シール本体は、ターボ機械装置の静止構造体に、又はその一部に取り付けることになる。シール本体２８は、単一の連続リングとすること、又は集合的に完全なリングを定める各セグメントの環状アレイを備えることができる。例示した実施例において、シール本体２８は、セグメント化されている。各セグメントは、端面３４を有すると共に、公知のタイプのスプラインシール（図示せず）を収容するように構成されたシールスロット３６を含むことができ、隣接する各端面３４の間の漏れをシールするようになっている。

後方フランジ４０は、シール本体２８の後端近くから半径方向内向きに延びる。一連の梁型ばね４２は、後方フランジ４０から軸方向前方に延びる。単一のばね４２は、シール本体２８の各セグメントに設けることができる。

１又はそれ以上のシール歯、梁４７、及びシュープレートを備えるシュー４３は、各ばね４２の前端４６で支持される。

１又はそれ以上のアーチ形ラビリンスシール歯４４は、シュー４３の前端に配置される。この特定の実施例では単一のシール歯４４が示されている（代替的に２又はそれ以上のシール歯４４を平行かつ軸方向に離間した構成で配置することができる）。シール歯４４は、ロータ要素１２に向かって半径方向内向きに延び、ロータ要素１２の外面２０から、特に外面２０の前方セクション２２から小さな所定距離で終端する。

また、シュー４３は、シール歯４４から後方かつ半径方向内向きに延びる梁４７を有する。シュープレート４８は、梁４７の各々の後端５０に配置される。シュープレート４８はアーチ形内面５２を有する。内面５２は、軸方向に沿って平らでロータ要素１２の外面２０と平行である。内面５２は、円周方向に沿ってアーチ形である。公知の流体力学的軸受構造の原理に従って、内面５２のアーチ形状は、内面５２と外面２０との間の半径方向クリアランスにおいて円周方向勾配を定めるように形成される。図２に最も良く示される例示の実施例において、内面５２の曲率半径は、ロータ要素１２の外面２０の半径よりも大きいように意図的に機械加工される。例えば、周縁位置「Ｃ１」及び「Ｃ２」の半径方向クリアランスは、中心位置「Ｃ３」の半径方向クリアランスよりも大きくすることができる。

二次シール５４は、シール本体２８の前端３０の近くに配置される。二次シール５４は、前方フランジ５６、中央フランジ５８、シールリーフ６０、裏当てばね６２、及びピン６４を備える。シールリーフ６０は、前方フランジ５６と中央フランジ５８との間に定められたポケット６６内に配置される。また、裏当てばね６２は、ポケット６６内に配置され、さらにシールリーフ６０を軸方向後方に付勢するように配置されているので、中央フランジ５８の外側リップ６８、同様にシュー４３の内側リップ７０に当接する。ピン６４は、フランジ５６、５８、裏当てばね６２、及びシールリーフ６０を貫通して軸方向に延び、二次シール５４を全体として保持する。二次シール５４は、各セグメントのリングとして構成することができ、例えば、シール組立体１０の各セグメントに設けられた１つのシールリーフ６０、裏当てばね６２、及びピン６４が存在する。

非限定的な実施例において、シール組立体１０の構成要素（すなわち、本体２８、ばね４２、梁４７、及びシュープレート４８）、並びにロータ要素１２及び二次シール５４は、高温金属合金から作ることができる。シール組立体１０の各セグメントは、個別の構成要素から作ることができ、これらは製造後にろう付け又は溶接等のプロセスを利用して接合される。もしくは、シール組立体１０の全て又はその一部は、例えば、単一の金属ブロックから機械加工された単一構造とすることができる。

随意的に、シュープレート４８は、硬質相及び固体潤滑剤に加えてクロム、ニッケル、モリブデン基といった潤滑性及び／又は耐摩耗性コーティングでコーティングすることができる。他の非限定的な実施例において、コーティングは、コバルト基合金から成ることができる。このようなコーティングによって、シュープレート４８とロータ要素１２との間の偶発的な接触時の損傷を防ぐことができる。随意的に、ロータ要素１２の外面２０は、クロムカーバイド又はタングステンカーバイド又は類似のコーティングでコーティングして、ロータの硬度、耐食性、及び良好な表面仕上げを維持する能力を高めることができる。

作動時、ロータ要素からシューの隙間が低減し始めると（例えば、クリアランスの変化を引き起こす熱的過渡イベント時）、流体薄膜「ＦＦ」が追加の圧力を形成し始める。その結果、ロータ−シュープレートの隙間が小さくなる場合（典型的には１／１０００インチ未満）、流体膜ＦＦは、単調に縮小するか又は回転方向に縮小−拡大する。この流体くさびの形態の流体膜は、追加圧力が形成されるようにする。薄膜の物理特性は、流体力学的ジャーナル軸受又はフォイル軸受から良く理解され、適切な流体流モデルを用いてモデル化することができる。基本原理は、回転方向の流体膜厚さの何らかの負勾配が、その境界圧力を超えて流体膜の圧力を増大させることである。流体薄膜によって引き起こされた追加圧力は、ばね４２を撓ませて、シュープレート４８が半径方向に移動してロータ要素１２がシュープレート４８と接触するのを防止する。この意味で、シュープレート４８は、ロータ要素１２の何らかの外向きの変位に追従する。換言すると、シール歯４４は、梁４７によってシュープレート４８に物理的に連結されるので、シール歯４４は、シュープレート４８と合致して撓む。この機構によって、作動時、シール歯４４はロータ要素１２の外面２０に確実に接触しないことになる。後方を向いた段部２６が存在するので、主要な圧力降下がラビリンスシール歯４４を横切って確実に発生して、高速の空気流が流体膜ＦＦを妨害しない。

梁４７の前端７２及び後端５０は、それぞればね４２の前端４６及びシュープレート４８にしっかりと結合する。梁４７の形状及び寸法は、単なる半径方向の移動（つまり、回転せず、さらに非半径方向軸に沿って平行移動しない）に対するシュープレート４８の半径方向の偏位ができる限り制限されるように選択される。換言すると、この配置は、シュープレート４８の長手方向の傾きを抑制する。より詳細には、梁４７の後端５０に作用する半径方向外向きの力は、ばね４２の半径方向外向きの撓み、及びばね４２の前端４６上のモーメントをもたらす。図３に示すように、このモーメントは、ばね４２の固有の曲げ形状に逆らうものであり、シュープレート４８を傾ける傾向があり、ばね４２を浅い「Ｓ」形状に撓ませる。適切な補償を実現するために、梁４７は、ばね４２の軸方向長さの約半分である。

作動時、ロータ要素１２は、熱的及び機械的変形を受ける。図３に示すように、これによって、外面２０の形状が、基本的に円筒形状からアーチ形状に変わる。シューが従来設計のように硬質である場合、ロータ要素−シューの隙間がシュープレート４８の長さにわたって変わることになり、一部の位置ではこの隙間が大きすぎてシューの持ち上げ力が低下し、この隙間が小さすぎるとシュープレート４８と外面２０との間に接触する危険がある。

この性質に対応するために、シュープレート４８は、柔軟性又は可撓性のあるものとされる。これを実現するために、シュープレート４８の厚さを含む全体寸法は、作動時の通常の機械力及び圧力を受けた場合に、軸平面及び放射平面において十分な可撓性をもつことができるように選択される。作動時、流体膜ＦＦは、より小さな隙間が存在する場所でより大きいな力を発生する（例えば、熱的勾配に起因して外面２０が湾曲した場合）。この増大した力は、梁４７の後端から所定距離でばね力に抗して作用し、シュープレート４８を隙間の大きさに等しく変形させて外面形状に一致させる。図３において、シュープレート４８は、凹状−外向き形状に撓むように示されている。外面２０が通常の円筒形状に戻る場合、シュープレート４８は同様に、静的形状に戻る。従って、柔軟機能は自己調節的である。本明細書で用いる場合、用語「柔軟」又は「可撓性」は、シュープレート４８が、シール組立体１０の通常の作動で発生する力によって単独で変形するように剛性が十分に低いことを意味することに関連して用いられる。この力の大きさは、特定の用途に応じて様々とすることができるが、一般に数ポンドの大きさである。

作動時、二次シール５４は、最初、裏当てばね６２の圧力によって内側リップ７０及び外側リップ６８に対して保持される。差圧（Ｐｈｉｇｈ−Ｐｌｏｗ）は接触荷重を増加させる。作動時、遠心膨張及びロータ１２とステータとの間の熱的不整合に起因して、ロータ１２は、シール上に接近する傾向があるはずである。ロータ外面２０は、シュープレート４８に向かって移動することになり、これを半径方向外向きに移動させる。これにより外側リップ６８と内側リップ７０との間の距離が短くなり、圧力が加わる領域が小さくなって、シールリーフ６０上の圧力荷重が低下してシール歯４４と二次シール５４との間の摩擦が最小になる。

前述のシール組立体１０は、従来のフィルムライディングシールに対していくつかの利点を有する。剛性のあるステータ持ち上げ形態を可撓性のある形態に切り替えることで、シールはロータの変形に適合することができ、シールのリフト能力が高くなる。本発明が対処する他の問題点は裏当てばねである。さらに、梁ばね４２は、高い半径方向及び軸方向荷重が加わった場合でも、許容できる大きさの半径方向移動、ばね剛性、及び応力をもたらすことができる。最後に、リーフ形二次シールは、他のタイプのシールに比べてより大きな組み立て公差に対応することができる。

前記は可撓性フィルムライディングシールを説明している。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で説明する各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同一、同等、又は類似の目的を果たしながら別の特徴に置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

１０ シール組立体
１２ ロータ要素
１４ 前端
１８ 長手方向軸線
２０ アーチ形外面
２２ 前方セクション
２４ 後方セクション
２６ 後方を向いた段部
２８ シール本体
３０ 前端
３２ 後端
３４ 端面
３６ シールスロット
４０ 後方フランジ
４２ 梁ばね
４３ シュー
４４ シール歯
４６ 前端
４７ 梁
４８ シュープレート
５０ 後端
５２ アーチ形内面
５４ 二次シール
５６ 前方フランジ
５８ 中央フランジ
６０ シールリーフ
６２ 裏当てばね
６４ ピン
６６ ポケット
６８ 外側リップ
７０ 内側リップ

Claims (12)

1. 長手方向軸線（１８）の周りを回転するように取り付けられ、外面（２０）を有するロータ要素（１２）を取り囲む、複数のシーリング組立体セグメントを備えた、回転機械のためのシール装置であって、
   前記セグメントの各々は、
   シュー（４３）と、
   前記シューを静止シール本体（２８）に結合する軸方向に向いた梁ばね（４２）と、
   を備え、
   前記シューは、
   前記外面に向かう１又はそれ以上のラビリンスシール歯（４４）と、
   前記１又はそれ以上のラビリンスシール歯の下流に配置され、前記ロータ要素の外面との間で空気力学的な力を発生するように構成されたシュープレート（４８）と、
   を含み、
   前記シューは、さらに放射−軸平面において、前記シーリング組立体セグメントと前記ロータ要素との相互作用によって生じた流体膜の力に応じて可撓性があるように構成され、
   前記シュープレートは、梁（４７）によって前記ばねに結合され、前記梁は、軸方向に向いており、前端（７２）は、前記ばねの前端（４６）に結合し、後端（５０）は、前記シュープレートに結合し、前記梁は、前記ばねの軸方向長さの約半分であり、これにより、前記シュープレートの長手方向の傾きを防止することを特徴とする、シール装置。
2. 前記シール本体は、一連の環状セグメントを備える、請求項１に記載のシール装置。
3. 前記シール本体と前記シューを結合するリーフを有する二次シールをさらに備え、前記シール本体と前記シューとの相対移動を許容しながらその間の漏洩をシールするようになっている、請求項１又は２に記載のシール装置。
4. 前記二次シール（５４）は、前記シール本体（２８）の前端（３０）に配置され、該二次シール（５４）は、前方フランジ（５６）、中央フランジ（５８）及び裏当てばね（６２）をさらに備え、前記リーフ（６０）及び前記裏当てばね（６２）は、前記前方フランジ（５６）と前記中央フランジ（５８）との間に形成されたポケット（６６）内に配置され、前記裏当てばねが、前記リーフ（６０）を軸方向後方に付勢して、該リーフを前記中央フランジ（５８）の外側リップ（６８）及び前記シュー（４３）の内側リップ（７０）に当接させる、請求項１乃至３に記載のシール装置。
5. 前記前方フランジ（５６）、前記中央フランジ（５８）、前記裏当てばね（６２）及び前記リーフ（６０）を貫通して軸方向に延びるピン（６４）がさらに設けられている、請求項４に記載のシール装置。
6. 前記外面は、前方セクション及び後方セクションを含み、その間には後方を向いた段部が形成されており、
   前記１又はそれ以上のラビリンスシール歯は、前記前方セクションに対向して配置されており、
   前記シュープレートは、前記後方セクションに対向して配置されている、
   請求項１に記載のシール装置。
7. 長手方向軸線（１８）の周りを回転するように取り付けられ、円筒形の外面（２０）を有するロータ要素（１２）と、
   前記ロータ要素を取り囲む環状静止シール本体（２８）と、
   前記シール本体から延び、軸方向を向いた一連の梁ばね（４２）と、
   前記梁ばねの各々に結合して、前記ロータ要素と前記シール本体との間に配置されたシュー（４３）と、
   を備える回転機械装置であって、
   前記シューの各々は、
   前記外面に向いた環状ラビリンスシール歯（４４）と、
   前記ラビリンスシール歯の下流に配置され、前記シュープレートと前記外面とに間で空気力学的な力を発生するように構成されたシュープレート（４８）と、
   を備え、
   前記シューは、さらに放射−軸平面において、前記シュープレートと前記ロータ要素との相互作用によって生じた流体膜の力に応じて可撓性があるように構成され、
   前記シュープレートは、梁（４７）によって前記ばねに結合され、前記梁は、軸方向に向いており、前端（７２）は、前記ばねの前端（４６）に結合し、後端（５０）は、前記シュープレートに結合し、前記梁は、前記ばねの軸方向長さの約半分であり、これにより、前記シュープレートの長手方向の傾きを防止する、ことを特徴とする装置。
8. 前記シール本体は、一連の環状セグメントを備える、請求項７に記載の装置。
9. 上流端部で前記シール本体と前記シューを結合するリーフを有する二次シールをさらに備え、前記シール本体と前記シューとの相対移動を許容しながらその間の漏洩をシールするようになっている、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記二次シール（５４）は、前記シール本体（２８）の前端（３０）に配置され、該二次シール（５４）は、前方フランジ（５６）、中央フランジ（５８）及び裏当てばね（６２）をさらに備え、前記リーフ（６０）及び前記裏当てばね（６２）は、前記前方フランジ（５６）と前記中央フランジ（５８）との間に形成されたポケット（６６）内に配置され、前記裏当てばねが、前記リーフ（６０）を軸方向後方に付勢して、該リーフを前記中央フランジ（５８）の外側リップ（６８）及び前記シュー（４３）の内側リップ（７０）に当接させる、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記前方フランジ（５６）、前記中央フランジ（５８）、前記裏当てばね（６２）及び前記リーフ（６０）を貫通して軸方向に延びるピン（６４）がさらに設けられている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記外面は、前方セクション及び後方セクションを含み、その間には後方を向いた段部が形成されており、
    前記ラビリンスシール歯は、前記前方セクションに対向して配置されており、
    前記シュープレートは、前記後方セクションに対向して配置されている、
    請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の装置。