JP6704496B2 - ２つの機械構成部材間にある周方向に延在する間隙をシールするためのシール - Google Patents

Description

本発明は、２つの機械構成部材間にある周方向に延在する間隙をシールするためのシールに関し、機械構成部材のうちの一方は、他方の機械構成部材に対して軸方向回りに回転できるように取り付けられており、このシールは、機械構成部材間で非接触型シール作用を確立するための少なくとも１つのシュー、及び、シューへの流体圧の作用に反応してシューの径方向の動きが可能となるように、機械構成部材のうちの１つにシューを支持する少なくとも１つのバネ素子を備える主シールと、バネ素子を軸方向にシールする補助シールであって、軸方向に互いに隣接する少なくとも２つの層を有する、補助シールと、を備えている。

請求項１の前提部分に従ったシールは、例えば、特許文献１から知られている。シールは、特に、ロータとターボマシンのハウジングとの間の間隙をシールするために使用される。

上述のシールの利点は、シールを横切って作用する体積流によってシール間隙が設定され、従って、ロータ及びハウジングの異なる位置の場合に柔軟に再調整されることである。この動作原理は、キャリア上にバネ状に懸下されたシューとして知られているものに実装される。このシステムは、主シールシステム（主シールとも称される）である。

上記径方向可撓性シールは、軸方向補助シールシステムすなわち補助シールを必要とし、この補助シールは、同様に、変化する軸方向間隙を可撓性の態様でシールする。これは、例えば、各別にスプリングシステムを備えた２つのシートを介して、キャリアに押し付けられ、従って、シューの方向に開口間隙を閉じる。２つのスプリングシステム、すなわちシューのスプリングシステム及び補助シールのスプリングシステムが低摩擦の態様で並列に動作し得、同時に、補助シールのためのスプリングシステムの領域が同様に被覆されたままであるために、２つの構成部材、すなわち中間プレート及びカバーを設ける。カバーは、主シールシステムに関して遊びを有し、補助シールシステムに関して互いに隙間を有する。ガスタービンの用途では、上記作動原理は、非常に複雑な構成部材によって実現されなければならない。結果として、非常に高い製造精度を維持しなければならず、製造の不正確さの結果としての、及び、温度の影響の結果としての、構成部材の歪みは、補助シールシステムを閉塞し得、補助シールの対応する幅狭のシートは、必要に応じて、シューの方向に開口軸方向の間隙を完全に閉じることができない。

米国特許出願公開第２００８／１０００００号明細書

本発明は、従来技術と比較して機能性の信頼性が高く、ガスタービンでの使用により特に適したシールを具現化することを目的とする。

本発明によれば、目的は、２つの機械構成部材間にある周方向に延在する間隙をシールするためのシールによって達成され、この機械構成部材のうちの一方が、他方の機械構成部材に対して軸方向回りに回転できるように取り付けられており、シールは、機械構成部材間に非接触型シール作用を確立するための少なくとも１つのシューと、シューを一方の機械構成部材に支持し、それにより、シューへの流体圧の作用に応じてシューの径方向運動を可能とする少なくとも１つのバネ素子と、を備える主シールと、バネ素子を軸方向でシールする補助シールであって、軸方向で互いに隣接する少なくとも２つの層を有する、補助シールと、を備え、層は、互いに径方向に隣接する２つのシートを各別に備え、層それぞれにおいて、一方のシートは、静止しており、他方のシートは、シューに固定されることによって移動可能に取り付けられており、２つの層それぞれにおける２つの移動可能なシートは、異なる幅を有しており、径方向から見ると、２つの移動可能なシートのうち幅広である一方は、層を構成するために幅狭の静止したシートと組み合わされており、２つの移動可能なシートのうちの幅狭のシートは、層を構成するために幅広の静止したシートと組み合わされており、一方の層の幅広の移動可能なシートは、径方向において、他方の層の幅広の静止したシートと重なる。

本発明は、シールシステムを提案することの検討に基づいており、このシールシステムにおいて、さらなるバネシステムを必要とせず、シールシステムの脆弱性及び複雑な設計は、既知の補助シールシステムの重要なポイントの１つであると考えられる。提案されたシールにおいて、特に、中間プレートが分配されており、その結果、従来技術による補助シールと中間プレートとの間の危機的な相互作用を回避する。補助シールのクランプをもはや必要としないので、シールの信頼性はかなり改善される。さらに、補助シールのシートの不均一性がなくなるため、潜在的な再加工作業を大幅に削減する。積層構造のために、シールの組立中の複雑さも同様に大幅に低減する。補助シールに対して複雑に作用するシステムはもはや存在せず、その結果、設計及び組立を簡素化し、シールの製造中の試験の数を減少させる。

ここで、層は、同一の位置軸方向を有する単一シートまたは２つ以上のシートの径方向並置を意味すると理解される。

２層の場合において、軸方向外側の層は、隣接する層の一部と最大伸長位置で径方向に重なり合う。これは、次に、複数回交互に行われ得る。径方向内側の層は、あるときに重なり、径方向外側の層は、あるときに重なる。重なり合うシートのためのスペースを提供するそれぞれの短いシートは、単に軸方向スペーサ要素であると理解され、それにより、上に位置する次の層が再び平面状に位置する。

さらなる単一シートは、選択的に、最後の最外層として任意に適用し得、このシートは、このシートの下にある層と周方向で重なり、キャリアに直接または間接的に固定される。上記層は、輸送、設置及び場合によっては操作のために、この層の下にある薄く損傷しやすいシートの保護機能を果たす。

シートは、高温耐性及び／または耐腐性材料、特に鋼から好都合に構成される。移動可能なシートは、特に、定めた作動寿命の間、シール面を構成するために必要な表面品質を維持し、上記時間の作動中の強度の要件を満たす材料から構成される。高温用途では、高温耐性鋼、ニッケル合金またはコバルト基合金、例えばインコネル（登録商標）、ヘインズ（登録商標）または同等の材料を選択し得る。十分な強度を有する耐食性材料は、全ての用途に便利であり、比較的低い温度負荷を有するものであっても、これら耐食性材料は、耐用年数にわたってシール面を構成するために必要な表面品質を有する。

好ましい一実施形態によれば、複数の移動可能なシートが、周方向に設けられており、一方の層の幅広の移動可能なシートが、周方向において、他方の層の幅狭の移動可能なシートと重なる。周方向に結果として生じる重畳は、シールのシール特性をさらに改善する。

さらなる好ましい実施形態によれば、層は、少なくとも重畳領域内で互いに接触しないように配置される。それぞれのさらなる層の構成において、特に、幅狭のシートは、下にある層と新しい層との間に一時的に導入され得、この幅狭のシートは、シートをその位置に固定した後に再び除去される。その結果、一定の遊びを実現し得、この遊びは、シート層間の摩擦を減少させ、広がっている圧力の横方向力を受けてシステムを阻害しない。

１つの層のシートは、好ましくは、互いに接触しないように配置される。 これは、特に、シールのシューに流体圧を加える間に当てはまる。ここで、１つの層のシート間に生じる径方向間隙は、径方向にかつ場合によっては周方向に互いに直接隣接する２つの層のシートの重畳によってシールされる。

少なくとも１つの層において、移動可能なシートの数は、好ましくは、シューの数に対応する。ここで、移動可能なシートは、円弧状であり、それらのサイズは、シューのサイズに最適な方法で適合される。

最内層の静止したシートは、好ましくは、中間プレートを介して形成される。上記中間プレートは、高い剛性を有していなければならず、そのため、他のシート層の圧力を支持し得る。その結果、軸方向の力は、中間プレートを介して吸収される。従って、上記力が機能性を損なうことになるので、移動可能なシューを押すことを防止する。その結果、シールの移動可能部分と剛性のある外形との間の相互作用を分離し、移動可能性を確保する。中間プレートに加えて補助シールの層をさらに１層だけ導入する場合では、構成部材の数が最も少ない場合においても、基本的に同じ機能を達成することができる。

さらに、最内層の移動可能シートは、好ましくは、シューを径方向に取り付けることによって形成される。従って、最内層の移動可能シートは、シューの不可欠な構成部材であり、その結果、必要な部品の数及び締結作業の数をさらに減少させる。

シールの特に満足なシール作用に関して、３つの層が設けられており、軸方向最内層及び最外層は、同一構造である。ここで、軸方向最内層及び最外層それぞれは、幅広の静止したシートと組み合わされた幅狭の移動可能なシートを有し、これら層間に位置する中間層は、幅狭の静止したシートと組み合わされた幅広の移動可能なシートを有する、または、その逆を有する。

移動可能なシートは、有利には、シューに固定される。さらに、有利であることは、シールが主シール用のキャリアを有し、静止したシートがキャリアに固定されている。このようにして、移動可能なシートとシューとの間、及び／または、静止したシートとキャリアとの間には、信頼性のある、破壊のない接続が確立され、この接続は、動作中に解放され得ない。遊びは、積層構造の結果として溶接中に直接設定され得る。さらに、シートを直接溶接しかつ対応する遊びを一時的なスペーサ要素によって設定し得るので、不均一性を無視し得る。クランプ及び組立装置は、特に、その結果として分配される。ここで、シートは、例えば、対応する幾何学的形状に溶接される、ロウ付けされ、填隙される(calking)、または、添加方法によって溶融される、または、ネジ締めまたはリベット締めによって固定される。

また、本発明によれば、本発明の目的は、２つの機械構成部材を備えるユニットにより達成され、機械構成部材のうちの一方は、他方の機械構成部材に対して軸方向回りに回転可能に取り付けられ、２つの機械構成部材間には、周方向に延在する間隙が構成され、周方向に延在する間隙には、上記請求項のいずれか１項に記載のシールが配置され、軸方向最内層の軸方向厚さは、補助シールの位置によって、シューと対向する機械構成部材との間の間隙の寸法を設定可能に選択する。ここでの利点は、シールと機械構成部材との間の必要な非接触型間隙を、シートの位置に起因して、補助シールのレバー作用を介して技術的に許容される限度内に設定し得ることである。

シートをシュー上に正確に軸方向位置決めした補助シールの簡略化された実施態様に関して、軸方向最内層は、好ましくは、シール作用なしに、単にスペーサ要素としてシール層の下方に配置される。

図面を用いて本発明の例示的な実施形態をより詳細に説明する。

主シールを有するシールの円弧状の詳細部の平面図を示す。 径方向に重なるシートを有する補助シール層を有する第１実施形態にかかるシールの平面図を示す。 図２によるシールの断面図を示す。 補助シールの第２層を有する第１実施形態にかかるシールの平面図を示す。 図４によるシールの断面図を示す。 第３層を有する第１実施形態によるシールを通るさらなる断面を示す。 補助シールの第１層を有するシールの円弧状の詳細部の平面図を示す。 径方向及び周方向に重なるシートを有する補助シール層を有するシールの第２実施形態の平面図を示す。 第３実施形態にかかるシールを通る断面を示す。

同一の参照符号は、図において同じ意味を有する。

図１は、２つの機械構成部材（ここではより詳細には示されていない）間の周方向に延在する間隙をシールするためのシール２の一部を示しており、これら２つの機械構成部材は、軸方向回りに互いに相対的に回転され得る。軸方向は、点Ａによって記号的に識別されており、間隔比は、図面では維持されないが、点Ａは、完全なシール２によって形成される円の中心を表すことを意図する。また、図１は、径方向Ｒ及び周方向Ｕを示す。

シール２は、機械構成部材間に非接触型シールを確立するための複数のシュー６として知られているものを有する主シール４を含む。機能を果たすことを可能とするために、シュー６は、それぞれにおいて、１つのバネ素子８を介してバネ付勢態様でキャリア１０上に取り付けられている。シュー６は、キャリア１０によって機械構成部材のうちの一方に支持されており、それにより、シューの径方向の動きは、シュー６に流体圧が作用することに応じて可能となる。

さらに、シール２は、積層構造の補助シール１２を有しており、この積層構造は、バネ素子８を軸方向Ａにシールしており、補助シール１２は、軸方向Ａから見て、互いに隣接する少なくとも２つの層を有する。

第１層１４を図２及び図３に示す。第１層１４は、２つの円状または円弧状のシート１６、１８によって形成されており、これらシートは、互いに径方向に隣接して配置されている。径方向外側シート１６は、キャリア１０上に支持されることによって固定される。径方向内側にあるシート１８は、シュー６に固定されてシューと共に径方向に移動することによって、移動可能に取り付けられている。径方向の設置スペースは、２つのシート１６、１８を介して対称的に利用されない。２つのシート１６、１８のうちの一方は、幅が広く、他方は、幅が狭く、この配置は、任意である（この場合は、径方向外側にある静止シート１６が内側にある移動可能シート１８より幅広である）。

層１４は、主シール上に直接溶接され、シート１６、１８は、最大押圧位置で接触されないべきであり、従って、内部間隙１９は、２つのシート１６、１８の間に構成される。

シール２の第２層２０は、図４及び図５からわかる。同様に、第２層２０は、静止シート２２と、複数片の移動可能シート２４と、を備えており、上記層中で上述では径方向に幅広のシートは、第１層と比較してより薄いが、その逆も同様である（ここでは、径方向外側にある静止シート２２が幅狭であり、径方向内側にある移動可能シート２４が幅広である場合を示す）。

層１４、２０の間には、中間間隙２５があり、その結果、層１４、２０は、互いに接触することなく取り付けられる。

幅狭のシートと幅広のシートとを交互にすることにより、第１層１４の幅広の静止シート１６が第２層２０の幅広の移動可能シート２４と重なることが導かれる。従って、軸方向Ａに流れる流体に対するバリアが形成され、その結果、補助シール１２、特にバネ素子８の背後の空間は、軸方向にシールされる。

図２から図５の実施形態の代替例として、第１層１４は、幅狭の静止シートと組み合わされた幅広の移動可能シートから形成され、第２層２０は、幅広の静止シートと組み合わされた幅狭の移動可能シートから形成されることが可能である。

ここで、層１４、２０それぞれのシート１６、１８、２２、２４は、同じ軸方向厚さを有する、または、少なくとも同じ軸方向位置にある。ここで、静止シート１６、２２は、特に、それぞれの次の層の準備表面として働く、すなわち、次の層の静止シートの高さは、それらを用いて形成される。これは、図６からも分かり、この図６から第３層２６も同様に明らかである。第３層２６は、幅狭の移動可能シート３０によって補完された幅広の静止シート２８を含む。従って、図示の例示的な実施形態では、第１層１４及び第３層２６は、同じ構造を有する。厚さ及び間隙は、軸方向に広がる圧縮力が常にシート１６、１８、２２、２４の接触を確実にするが、互いの間の妨害またはシュー６の軸方向弾性の結果としての閉塞を防止するように設計される。

静止シート１６、２２、２８は、特に、円状、半円状または円弧状のシートである。移動可能シート１８、２４、３０は、セグメント化されている。移動可能シート１８、２４、３０の数は、シュー６の数に相当し、純粋な径方向の重畳の場合には、周方向Ｕの長さもシュー６の長さにほぼ対応する。周方向Ｕに重なる場合には、周方向Ｕにおける全て移動可能シート１８、２４、３０の全長は、全てのシュー６の全長にほぼ対応する。

さらに、図６による第３層２６は、第２層２０のうちの１以上の幅広の移動可能シート２４と重なり合う、幅広の静止シート２８のみからなることも考えられる。

本発明によるさらなる実施形態を図７及び図８に示す。補助シール１２の第１層１４は、図７から見られ得、第１層１４は、図２による第１層１４と同一である。さらなる層３２の場合において、静止シート２２は、同様に、図４による静止シート２２と同じである。しかしながら、セグメント化した移動可能シート３４は、周方向に長い構成であり、その結果、第１層１４の移動可能シート１８と重なる。従って、径方向Ｒ及び周方向Ｕ双方における重畳は、２つの層１４、３２の間で生じる。

径方向の重畳と同等の方法で、この構造は、径方向外側にある不動領域内の周方向Ｕで不連続とされていないシート１６と、移動可能領域内のシュー６ごとに互いに独立しているセグメント化したシート１８と、からも始まる。上記層１４は、主シールに直接溶接され、対応する溝を介して填隙され(calked)、付加的に製造された全体設計を介してロウ付けまたは溶融されており、最大押圧位置で接触させない。この基本位置は、摩擦を避けるために必要である。

ここで、移動可能シート２４、３０及び／または静止シート２２、２８それぞれは、１つのユニットを構造的に形成し得る、または、このタイプのユニットとして設置され得る。

対照的に、次の層３２は、周方向Ｕで１つの移動可能シュー６から次のシュー６まで重畳が生じる点で第１のアプローチとは異なる。次に、次の層は、同じ原理に従ってもたらされるが、逆方向に重なり合う。ここで、それぞれにおいて互いに上方に位置する層１４、３２は、溶接する、ロウ付けする、または、填隙する間、幅狭のスペーサシートによって互いに任意に分離され得、それにより、摩擦を最小限に抑え、上記想定された間隙を達成し、これら間隙は、軸方向の圧縮荷重の下でシールを可能にするが、シート１６、１８、２２、２４、２８、３０自体の弾性に、または、シュー６及びバネ素子８の弾性にもかかわらず、閉塞しない。

同様に、本実施形態では、径方向外側領域において、保護シートが、径方向外側領域として、単一の、いくぶん厚い保護シート（ここには示されていない）を連続的に適用し得、この径方向外側領域は、径方向内側領域において互いに独立しているセグメント化したシート３４と重なり合う。この下の層の径方向外側にある不動領域にシートが導入されていない場合において、対応する間隙（当該シートの軸方向全高）を考慮しなければならない。上記選択的なシートを導入する場合において、このシートは、非常に剛性を有しており、それにより、圧力は、シート積層体に伝達され得る。接合中に一時的な幅狭の中間層を介して最小の遊びを導入することは、同様に、より高い摩擦を避けるために、ここでは適切である。

図９は、さらなる実施形態を示しており、この実施形態では、補助シール１２のシール動作が単に第２層２０及び第３層２６を介して確立されている。第１層３６は、スペーサ層であり、ここでは、幅狭の静止シート１６及び幅狭の移動可能シート１８双方を備え、これらシート間には、大きな内部間隙１９がある。シール層２０、２６の軸方向位置は、上記層３６によって画定されており、この層は、シール層２０、２６の間の直接的なシール作用を伴わずに、静止シート１６及び移動可能シート１８を備えており、それにより、シールと回転可能な機械構成部材（ロータ）との間の必要な非接触型間隙は、技術的に許容される限度内に設定され得る。厚いスペーサ層３６を介して補助シール１２の位置を軸上流に移動させると、主シール４と回転機械構成部材との間の間隙が開く。スペーサ層３６を減少させ、従って、補助シール１２の位置を軸方向下流に移動させると、主シール４と回転機械構成部材との間の間隙を閉じる。従って、最終接合前の上記中間層の厚さを設定することを用いて、各シールを品質試験に付し、上記スペーサ層３６の適切な厚さを選択し得、それにより、主シール４と回転機械構成部材との間の間隙の要件を満足させ、次いで、最終状態で組み立てられ接合されるようにする。

２ シール、４ 主シール、６ 移動可能シュー、８ バネ素子、１０ キャリア、１２ 補助シール、１４ 第１層、１６ 径方向外側シート，移動可能シート、１８ シート、２０ 第２層，シール層、２２，２８ 静止シート、２４ 移動可能シート、２６ 第３層，シール層、３２ さらなる層、３４ 移動可能シート

Claims (11)

1. ２つの機械構成部材間にある周方向に延在する間隙をシールするためのシール（２）であって、前記機械構成部材のうちの一方が、他方の前記機械構成部材に対して軸方向（Ａ）回りに回転できるように取り付けられており、
   前記機械構成部材間に非接触型シール作用を確立するための少なくとも１つのシュー（６）と、前記シュー（６）を一方の前記機械構成部材に支持し、それにより、前記シュー（６）への流体圧の作用に応じて前記シュー（６）の径方向運動（Ｒ）を可能とする少なくとも１つのバネ素子（８）と、を備える主シール（４）と、
   前記バネ素子（８）を前記軸方向（Ａ）でシールする補助シール（１２）であって、前記軸方向（Ａ）で互いに隣接する少なくとも２つの層（１４、２０）を有する、補助シールと、
   を備え、
   −前記層（１４、２０）が、互いに径方向に隣接する２つのシート（１６、１８、２２、２４）を各別に備え、
   −前記層それぞれにおいて、一方の前記シート（１６、２２）が、静止しており、他方の前記シート（１６、２２）が、前記シュー（６）に固定されることによって移動可能に取り付けられており、
   −２つの前記層（１４、２０）それぞれにおける２つの移動可能な前記シート（１８、２４）が、異なる幅を有しており、径方向（Ｒ）から見ると、２つの移動可能な前記シートのうち幅広である一方が、前記層（２０）を構成するために幅狭の静止した前記シート（２２）と組み合わされており、２つの移動可能な前記シート（１８、２４）のうち幅狭の前記シート（１８）が、前記層（１４）を構成するために幅広の静止した前記シート（１６）と組み合わされており、
   −一方の前記層（２０）の幅広の移動可能な前記シート（２４）が、径方向（Ｒ）において、他方の前記層（１４）の幅広の静止したシート（１６）と重なることを特徴とするシール。
2. 前記層（１４、３２）ごとに、複数の移動可能な前記シート（１８、３４）が、周方向（Ｕ）に設けられており、一方の前記層（３２）の幅広の移動可能な前記シート（３４）が、周方向（Ｕ）において、他方の前記層（１４）の幅狭の移動可能な前記シート（１８）と重なることを特徴とする請求項１に記載のシール。
3. 前記層（１４、２０、２６、３２）が、少なくとも重畳領域において互いに接触しないように配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のシール。
4. 一方の前記層（１４、２０、２６、３２）の前記シート（１６、１８、２２、２４、２８、３０）が、互いに接触しないように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシール。
5. 少なくとも１つの層（１４、２０、２６、３２）において、移動可能な前記シート（１８、２４、３０）の数が、前記シュー（６）の数に対応することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシール。
6. 複数の前記層のうち前記シュー（６）に最も近接して位置する前記層（１４）の静止した前記シート（１６）が、中間プレートを介して形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシール。
7. 複数の前記層のうち前記シュー（６）に最も近接して位置する前記層（１４）の移動可能な前記シート（１８）が、前記シュー（６）を径方向に取り付けることによって形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシール。
8. ３つの前記層（１４、２０、２６）が設けられ、
   複数の前記層のうち前記シュー（６）に最も近接して位置する前記層（１４）及び最も離間して位置する前記層（２６）が、同一構造であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のシール。
9. 前記主シール（４）のキャリア（１０）と、前記キャリア（１０）に固定された静止した前記シート（１６、２２、２８）と、を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のシール。
10. ２つの機械構成部材を備えるユニットであって、
    前記機械構成部材のうちの一方が、他方の前記機械構成部材に対して軸方向（Ａ）回りに回転可能に取り付けられ、
    ２つの前記機械構成部材間には、周方向に延在する間隙が構成され、前記間隙には、請求項１から９のいずれか１項に記載のシールが配置され、
    複数の層のうち前記シュー（６）に最も近接して位置する前記層（１４）の軸方向厚さが、前記補助シール（１２）の位置によって、前記シュー（６）と対向する前記機械構成部材との間の間隙の寸法を設定可能に選択されることを特徴とするユニット。
11. 複数の層のうち前記シュー（６）に最も近接して位置する前記層（３６）が、シール作用を伴わずに、単にスペーサ要素としてシールする前記層（２０、２６）の下方に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のユニット。

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