JP6744992B2 - リーフシール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸、たとえば、ターボ機械の回転する部分（たとえば、ガスタービンの軸）用のシールに関するものである。特に、本発明は、回転部材（rotating member）を封止するために複数のリーフ部材（leaf member）を利用するリーフシールアセンブリ（leaf seal assembly）に関するものである。

圧力作動式リーフシールアセンブリ（pressure actuated leaf seal assembly）は、国際公開第２０１１／１５６８０８号（公開されている米国特許出願第２０１１／３０３４１０１号に対応する）において提案されている。シールは、シール部材のリーフ端の下にフィルムライディング動圧／静圧ランナー（film riding, hydrodynamic/hydrostatic runner）を備える。本開示の実施形態によるリーフシールアセンブリは、ランナーを回転体上の作動流体の薄膜上に浮遊させるために必要な揚力を発生するのに適切な回転速度および回転圧力が存在するようになるまで、ランナーを回転体から離れた状態に維持し、ランナーが回転体と擦れないようにする。それに加えて、ランナーは、回転体に実質的に平行なままランナーが半径方向に移動するように、リーフシール部材に取り付けられるか、または加えられる。一実施形態において、ランナーはリーフシール部材に結合されている別個の構造を備えることができ、別の実施形態において、ランナーはリーフシール部材の遠位端に耐摩耗性パッドを備えることができる。動作条件に達した後、圧力が平衡してランナーがランナーと表面との間の膜上の小さなクリアランスギャップで浮かぶことができるようになるまで、圧力がシールアセンブリに作用しランナーを封止面の方へ付勢する。したがって、国際公開第２０１１／１５６８０８号において参照されているタイプのシールは、「フィルムライディング圧力活性化リーフシール（Film Riding Pressure Activated Leaf Seal）」と考えられるものとしてよい。

将来の厳しい目標を達成するためにタービンの効率、使用間隔、および寿命に対する発電における期待は高まる一方である。熱成長、ミスアライメント、およびローター動力学に適応しつつ回転部分と非回転部分との間の間隙を封止することは、重要なニーズである。接触シールは、時間の経過によって封止効率の低下を呈する。したがって、フィルムライディング非接触シールの使用を可能にする配置構成を実現することに潜在的な利点があり得ることが理解されている。

出願人は、概念実証のためにフィルムライディング圧力活性化リーフシール（「ＦＲＰＡＬＳ」）に対する初期試験解析を実施した。そのような試験は、大規模な二次元の直線状封止セグメントを有する特殊設計の試験装置を使用して完了した。ランナーの下の圧力プロファイルおよび間隙が、０．１２０インチの設計コールドクリアランス（design cold clearance）における理論的特性と比較して調査され、報告されている。活性化挙動をより広く理解するために、設計点の両側に（either side）コールドビルドクリアランス（cold build clearance）を用いて、さらなる試験が実施された。

軸の封止は、ターボ機械の効率および性能にとって不可欠のものである。業界では使用間隔を延長し、部品の摩耗による出力の低下を減らすことが期待されていることから、非接触かつコンプライアントな封止（compliant sealing）技術が発達した。タービンの寿命の全期間にわたる軸の封止による効率低下は、熱変形、ミスアライメント、製造公差、および過渡的偏位（transient excursions）などの複数の変動要因の結果である。

接触式であるが、ブラシシールなどのコンプライアントシール（compliant seal）は、いくつかの用途では最大１００，０００時間まで有効に稼動する実証済み技術である。これらはタービン内のすべての配置に対して適切であるというわけではなく、ローター−ステーター間の大きな半径方向の偏位（large radial rotor-stator excursions）による摩耗の影響を受けやすい場合がある。ラビリンス歯などの、従来の非接触方式の解決手段は、半径方向に大きなクリアランスのある設計となっているが、その結果、定常状態の動作条件の下では漏れの発生が潜在的に高い。

非接触コンプライアントシール（たとえば、米国特許第８，４７４，８２７号、米国特許第８，１７２，２３２号、および米国特許第９，３５９，９０８号において開示されているようなシール）は、過渡状態において半径方向に移動し、用途における条件の範囲（the range of conditions within the application）に対して接触することなくローターとシールとの間に十分なクリアランスを維持するために、特定の設計の範囲内での力の釣り合いに依存する。

圧力活性化リーフシール（「ＰＡＬＳ」）概念から進んだ、ＦＲＰＡＬＳへの発展形態は、２０１０年に初めて導入された（図１に示されている）。この静圧コンプライアントシールは、始動／停止条件において大きなクリアランスを維持しながら、所望の動作条件の下で、圧力負荷がかかったときに作動して閉じるリーフをローターへ偏向させるというＰＡＬＳ概念を使用する。この概念は、用途要件を満たすのに必要な条件の下で作動するように設計されているいくつかの構成要素からなる。最初に、シールは、低温条件においてランナーに対して比較的大きい半径方向クリアランスを有する。シール全体に圧力低下が加えられてゆくときに、レイリーステップによって生じるランナーの下の平衡膜力がフィルムライディングシールをもたらすまで、リーフ要素に作用する力がローターに向かう半径方向の閉鎖をもたらす。リーフおよびランナーは、シール閉鎖がタービンの始動／停止条件に適応でき、さらには基本負荷条件において軸への小さいクリアランスを保って動作できることを確実にするように設計される。シールは、一般的に、タービンの予測された動作サイクルで軸と接触することを回避するように設計される。

出願人は、リーフが流れの方向に対して角度を有するという点で逆配向のＦＲＰＡＬＳ設計を提案している（図２４）。出願人は、この新規性のある配置構成が結果として、よりコンパクトな設計を提供し、より様々な用途に対するシールを実現し得ることを確認した。

したがって、本発明の実施形態は、回転構成要素と固定構成要素との間の間隙内で使用するためのリーフシールアセンブリを実現するものとしてよく、リーフシールアセンブリは、
略平面状の表面を有する少なくとも１つのリーフシールと、
少なくとも１つのリーフシールの遠位端に結合されているランナーであって、少なくとも１つのリーフシールは、非加圧不動作状態においてランナーを回転構成要素から離れた第１の位置に維持し、加圧動作状態においてランナーを、回転構成要素に近いが接触していない第２の位置に移動する、ランナーとを備え、
少なくとも１つのリーフシールは流れの方向に対して角度を有する。

リーフシールアセンブリは、ガスタービンなどのターボ機械の回転構成要素と固定構成要素との間で使用するためのものであってよい。

少なくとも１つのリーフシールは、少なくとも一組のリーフシール部材を含み得る。たとえば、リーフシールは、複数のリーフシール部材を含むものとしてよい。

当業者であれば、リーフシールの方向／アライメントを説明する際に、（特に断りがない限り）これは、一般的に、シールアセンブリまたはターボ機械の軸方向に沿って延在する半径方向断面内で見たときに略平面状のシール表面の平面を指すことを意図していることを理解するであろう。横断面方向で見たときに、リーフシール部材は、実質的に環状の輪郭を有する。

シールアセンブリが、一般的に、使用している回転構成要素とアライメントされることは理解されるであろう。そのようなものとして、シールの軸方向への言及（references to the axial direction of the seal）は、組み立てられ／使用されるときに回転構成要素の軸に実質的に平行である方向（すなわち、シールが使用されているターボ機械構成要素の軸方向）に対応する。同様に、半径方向は、組み立てられ／使用されているときに回転構成要素の半径方向に実質的に平行である（したがって、軸方向に概ね垂直である）方向に対応すると理解される。

流れ方向は、シールの高圧側から低圧側への方向である。したがって、本発明の実施形態は、代替的に、少なくとも１つのリーフシールがシールの低圧側の方へ軸方向後方に延在するように傾斜していることを意味すると理解される。言い換えれば、リーフシールの遠位（または自由）端は、近位（または支持）端の軸方向下流にあるものとしてよい。

回転構成要素と固定構成要素との間の間隙は、構成要素のうちの１つを囲む実質的に環状の間隙であってよい。

少なくとも１つのリーフシールは、たとえば、ターボ機械の軸方向に対して（relativeto the axial direction）後方に角度を付けられるものとしてよい。流れ方向は、一般的に、ターボ機械の軸方向に実質的にアライメントされると理解されるであろう。

少なくとも１つのリーフシールは、間隙の一方の半径方向側（固定構成要素の近位）から間隙の他方の側（回転構成要素の近位）の方へ延在すると理解されるであろう。したがって、本発明の傾斜したリーフシールは、構成要素の軸方向に垂直でなく流れの方向に傾斜している方向で、支持表面から半径方向に延在する。遠位端は、近位端の略半径方向内向きにあるが（間隙を横切って（across the gap）突き出るので）、これは、いくつかの配置構成では逆にされ得ることが理解されるであろう。

この配置構成は、リーフシールの通常の構成に対して直接反転されることは理解されるであろう。既知の構成（国際公開第２０１１／１５６８０８号に示されているものなど）では、リーフシールは、その支持体／基部から順方向で流れ方向へ傾斜している。これは、リーフシールの前端が支持体の軸方向前方にあり、リーフの平面状表面が高圧側に向かって傾斜していることを意味する。

出願人は、本発明の実施形態による逆にされたシール配置構成が予想外に有効であり、よりコンパクトな配置構成を実現するために利用され得ることを見出した。この結果、より様々な用途に使用することができるシールが実現され得る。

本発明のさらなる態様によれば、回転構成要素と固定構成要素との間の間隙内で使用するためのリーフシールアセンブリが実現され、リーフシールアセンブリは、
略平面状の表面を有する第１のリーフシールと、
第１のリーフシールから間隙の軸方向に沿って離間して配置される、略平面状の表面を有する第２のリーフシールと、
第１および第２のリーフシールの遠位端に結合されているランナーであって、リーフシールは、非加圧不動作状態においてランナーを回転構成要素から離れた第１の位置に維持し、加圧動作状態においてランナーを、回転構成要素に近いが接触していない第２の位置に移動する、ランナーと、を備え、
キャビティが第１のリーフシール、第２のリーフシール、およびランナーによって画定され、第１のリーフシールは、回転構成要素が加圧動作状態にあるときにキャビティが加圧されるように通気される。

第１のリーフシールは、シールアセンブリの高圧側にあるものとしてよい（および第２のリーフシールは、リーフシールアセンブリの低圧側にあるものとしてよい）。したがって、キャビティは、動作状態においてシールアセンブリの高圧側に通気されてよい。

出願人は、上流の高圧の流体でキャビティを加圧することが、ランナーを第２の動作可能位置（すなわち、回転構成要素に近く、「フィルムライディング」状態となる位置）の方へ半径方向に付勢するのに役立つことを見出した。

キャビティは、シールアセンブリの支持体によってさらに拘束されるものとしてよい。そのように、キャビティは、支持体およびランナーの対向する表面によって半径方向に、ならびに第１および第２のリーフシールによって軸方向に拘束される、少なくとも部分的に環状の空間であってよい。支持体は、ランナーに略平行であり、かつランナーから半径方向に離間して並ぶものとしてよい。

第１のリーフアセンブリは、複数の方法によってシールアセンブリの高圧側に通気されてよい。第１のリーフシールは、第１のリーフシールの軸方向の全厚を貫通する１つまたは複数の開口（たとえば、穴、溝、および／またはキャスタレーションのうちの少なくとも１つ）を備えるものとしてよい。当業者であれば、既存の圧力活性化リーフシールは、平面シールが封止空間の必要な幾何学的形状（典型的には環状であってよい）を取ることを可能にするように縁から延在する半径方向溝を備えるものとしてよいが、そのような溝は、通気シールを提供することを意図しておらず−典型的にはそのリーフシールまたは各リーフシールは、シールを通る流れを防ぐようにミスアライメントされた溝を有する複数のリーフシール部材を備える、ということを認識されよう。

リーフシールアセンブリは、複数のアーチ形セグメントから形成されるものとしてよい。アーチ形セグメントは、各々、シールの部分円周上セクションを実現するものとしてよく、実質的に環状のシール配置構成を提供するように組み立てられる。これから（他のコンプライアントシール配置構成から）理解されるように、セグメント分割されたシールは、製造および設置に関して利点を有するものとしてよい。

本発明の実施形態において、リーフシールアセンブリはセグメント分割されてよく、第１のリーフシールの通気は、隣接するセグメントのリーフシール間にクリアランスギャップを設けることによって便宜的に提供されてよい。たとえば、各セグメントの第１のリーフシールセクションは、各セグメントの第２のリーフシールセクションに対して作動長を短縮し得る。第１のリーフシールの各セグメントの端部セクションは、たとえば、解放され得る。したがって、リーフシールアセンブリのセグメントが組み立てられるときに、第１のリーフシールは、セグメント接合部において周方向に離間して並ぶ一連の開口部を備える。対照的に、第２のリーフシールは解放されず、セグメントが組み立てられるときに連続的な／途切れのない円周シールを実現する。

ランナーは、封止面を備え得る。封止面は、輪郭において、回転構成要素の形状に実質的に、対応するものとしてよい。たとえば、封止面は、回転構成要素を周方向に囲むものとしてよい。ランナー、およびしたがって封止面は、典型的には、封止面の各セグメントが回転構成要素の形状に概ね対応するアーチ形セクションであるようにセグメント分割されるものとしてよい。

ランナーの封止面は、少なくとも１つの流れ制御機構、たとえば、封止面内に／封止面の面上に形成される三次元機構を備え得る。たとえば、封止面は、動作状態において回転体とランナーとの間に形成される膜を最適化するように少なくとも１つの流れ制御機構を備え得る。たとえば、流れ制御機構は、膜厚を増大させるように配置構成されてよい。そのような機構は、シールアセンブリのより高い圧力能力を改善し得る。

流れ制御機構は、たとえば、封止面内に形成された少なくとも１つのリブまたは溝を備えるものとしてよい。複数の溝またはリブが、封止面の周りに周方向に、間隔をあけて並ぶものとしてよい。その、または各溝またはリブ（The, or each, slot or rib）は、シールアセンブリの軸方向で封止面の長さに沿って延在するものとしてよい。その、または各溝またはリブは、軸方向に対して傾斜していてよく、したがって、たとえば、軸方向と円周方向の両方に延在し得る。その、または各溝またはリブは、実質的に直線状であってよい。本発明の実施形態に従って封止面上に一連の溝またはリブを設けることで、（動作状態においてランナーを回転構成要素の方へ付勢する）膜の剛性を高め、ランナーの上側に作用する力と反対の力を作用させやすくしてもよい。流れ制御機構は、また、シールアセンブリの別々のセグメントの間の接合部での縁損失を低減するのにも役立ち得る（そのような接合部における損失は最小にされ得るが、シールは使用時に移動しなければならず、製造公差の影響を受けやすく、したがってセグメント間の小さな間隙は完全に回避することはできないことは理解されるであろう）。

本発明のさらなる態様によれば、回転構成要素と固定構成要素との間の間隙内で使用するためのセグメント分割されたリーフシールアセンブリが実現され、リーフシールアセンブリは、
複数のアーチ形セグメントであって、各セグメントは
略平面状の表面を有する少なくとも１つのリーフシールセグメントと、
リーフシールアセンブリを固定構成要素に接続して固定するための、少なくとも１つのリーフシールの近位端に結合されている支持セグメントと、
少なくとも１つのリーフシールセグメントの遠位端に結合されているランナーセグメントであって、少なくとも１つのリーフシールセグメントは、非加圧不動作状態においてランナーを回転構成要素から離れた第１の位置に維持し、加圧動作状態においてランナーを、回転構成要素に近いが接触していない第２の位置に移動する、ランナーセグメントとを備え、
ランナーセグメントは、周方向に変化する半径方向厚さを備える、複数のアーチ形セグメントを具備する。

複数のアーチ形セグメントは、完全な環状シールを形成するように組み立てられ得ることは理解されるであろう。したがって、複数のアーチ形セグメントのリーフシールセグメント、支持セグメント、およびランナーセグメントは、各々、シールアセンブリの対応する完全な構成要素を形成し得る。

ランナーセグメントは、ランナーセグメントの中心に最小半径方向厚さを有し、ランナーセグメントの外側領域に最大半径方向厚さを有するものとしてよい。したがって、ランナーセグメントは、ローター側にアーチ形封止面を有し、リーフシールとのインターフェース（the interface with the leaf seal）に実質的に直線状の表面を有するものとしてよい。

支持セグメントは、周方向に変化する半径方向厚さを有するものとしてよい。支持セグメントは、セグメントの中心に最大半径方向厚さを有し、セグメントの外側領域に最小半径方向厚さを有するものとしてよい。そのようなものとして、支持セグメントは、ステーター側にアーチ形外面（たとえば、バッキングリングと係合／接合するように配置構成されるものとしてよい）を、リーフシールとのインターフェースに実質的に直線状の表面を有するものとしてよい。

したがって、実施形態に従うセグメント分割されたシールは、ランナーセグメントおよび支持セグメントの実質的に平行に離間して並ぶ直線状の表面の間に作用する複数のリーフシールセグメントを備えるものとしてよいことは理解されるであろう。

完全なセグメント分割されたシールアセンブリは、なおも、回転部材と固定部材との間を封止することができる環状配置構成に、シールの円形の円周境界を画定するランナーセグメントの内面および支持体の外面を与える。リーフシールは、多角形リーフシールを画定する一連の略接線方向にアライメントされた伸長部材を備えるものとしてよい。

本発明は、上で説明されたが、これは、上述した特徴、または以下の説明もしくは図面内に記載された特徴の、任意の独創的な組合せに拡大適用される。

本発明は様々な方法で実施されてよく、その実施形態は、添付図面を参照しつつ例示としてのみ説明される。

フィルムライディング圧力活性化リーフシールアセンブリ（一般的に国際公開第２０１１／１５６８０８号で開示されているタイプ）の一例を示す概略三次元部分断面図である。 一実施形態による逆フィルムライディング圧力活性化リーフシールアセンブリを示す概略断面図である。 一実施形態によるセグメント分割されたリーフシールアセンブリを示す図である。 図３の実施形態によるリーフシールの断面図である。 図３および図４の実施形態によるリーフシールのセグメントインターフェースを示す図である。 図３および図４の実施形態によるリーフシールのセグメントインターフェースを示す図である。 さらなる実施形態による封止面上の流れ制御機構を備えるリーフシールのセグメントを示す図である。 さらなる実施形態による封止面上の流れ制御機構を備えるリーフシールのセグメントを示す図である。 さらなる実施形態による封止面上の流れ制御機構を備えるリーフシールのセグメントを示す図である。

図１は、フィルムライディング圧力活性化リーフシールアセンブリ１０（一般的に国際公開第２０１１／１５６８０８号で開示されているタイプ）の一例を提示している。リーフシールアセンブリ１０は、ターボ機械（たとえば、ガスタービン）の回転構成要素１と固定構成要素２との間に延在する環状の間隙を封止するように配置構成される。リーフシールアセンブリ１０は、第１の高圧側ＨＰと第２の低圧側ＬＰとの間に障壁を画定する。高圧側ＨＰは、低圧側の上流にあり、図１に示されているような流体の流れ方向は、実質的に左から右へ（およびシールアセンブリの軸方向に沿って）である。

リーフシールアセンブリは、少なくとも一組のリーフシール部材を含む第１のリーフシール２０を備える。各リーフシール部材は、略平面状であり、流れ方向に面する平面状表面を備える。わかりやすくするために、図１は、リーフシール２０内にリーフシール部材の単一の層のみを示している。しかしながら、当業者であれば、リーフシール２０は、実際、複数の層状のリーフシール部材から形成されることを理解するであろう。各リーフシール部材は、リーフシール２０が必要な幾何学的形状をとることができるように複数の溝または切欠２５を備える。溝または切欠２５は（国際公開第２０１１／１５６８０８号においてより詳しく説明されているように）、リーフシールが溝または切欠２５を通る流体流をブロックするように、隣接するリーフシール部材がリーフシール２０内に組み立てられたときに互いにミスアライメントになることが理解されるであろう。

第２のリーフシール３０が、第１のリーフシール２０から軸方向に沿って離間して並ぶように設けられる。第１のリーフシール３０と同様に、わかりやすくするために、単一のリーフシール部材のみが図１に示されているが、当業者であれば、典型的には第２のリーフシール３０は複数の層状のリーフシール部材を含み得ることを理解するであろう。

シールアセンブリ１０は、ターボ機械内のシールアセンブリ１０を支持し、アライメントするための支持配置構成４０をさらに備える。そのような支持アセンブリは、他の形態のコンプライアントシール（たとえば、ブラシシールおよび非フィルムライディングリーフシール）から当業者に知られるであろうし、したがって支持配置構成４０の詳細な構造は本明細書では説明しない。支持アセンブリは、一般的に、シールアセンブリ１０をターボ機械のステーター２に取り付ける（たとえば、キー溝内に受け入れられ、適所に溶接される）ために使用されるバッキングリング４２を備えるものとしてよい。支持アセンブリ４０は、リーフシール支持要素またはバッキングプレート４４および４６も備え得る。バッキングプレート４４、４６は、両方ともそれぞれのリーフシール２０、３０を支持し、アライメントすることができる。

フィルムライディング圧力活性化リーフシール（ＦＲＰＡＬＳ）は、もっぱら、少なくとも１つのリーフシール２０／３０の遠位端に結合されているランナー５０を備えることによって、標準的なリーフシールと区別される。図解されている例では、ランナー５０は、第１のリーフシール２０および第２のリーフシール３０の両方に結合されている。国際公開第２０１１／１５６８０８号においてさらに詳しく説明されているように、リーフシール２０、３０は、非加圧不動作状態においてランナーを回転構成要素から離れている第１の位置に維持するように配置構成されている。ターボ機械が動作可能であるときに、シール１０を横切って（across the seal 10）発生する圧力差は、ランナー５０をローター１の方へ移動させる。作動圧力に到達すると、ローター１とランナー５０の封止面５２との間に作動流体の薄膜が形成される。封止面５２の前方で、ランナーは「レイリーステップ」または「レイリーパッド」５１を備えるものとしてよい−そのような構成は当技術分野でよく知られており、滑り軸受／シール配置構成における負荷容量を最適化し得るものとしてよいことに留意されたい。

薄膜の形成は揚力を発生させ、これによりランナーが、ローター１に近いが接触していない、第２の位置にあることが確実にされる。この配置構成は、有利には、シール１０が、作動圧力に到達するまでローターから遠ざけられることを確実にし、通常の動作条件および一時的動作条件（たとえば、ターボ機械の通常動作中に生じるおそれのある一時的偏心偏位（eccentric transient excursions））の両方の下でローター１との接触を回避する封止クリアランスを維持する。

ＦＲＰＡＬＳ配置構成の効果の妥当性を確認するために試験が実施されており、次にこの試験についてもっぱら例として説明する。計算解析（計算流体力学および有限要素解析）と物理的試験との組合せが実施された。

ランナーの幾何学的形状（たとえば、軸方向ステップ長、半径方向ステップ高さ、半径方向間隙、およびランナー全長に対するステップ長の比を含むレイリーステップ）を最適化するために複数の試験が実施されており、これらは試験毎に所望の幾何学的形状のランナーブロックセグメントを形成することによって達成された。次のセクションにおける解析的設計で使用するためのランナークリアランスの関数としてランナー力および圧力中心を決定するために、ランナー圧力プロファイルデータが記録されて処理された。フルスケールの概念実証に対するランナー幾何学的形状は、これらの物理的ベンチテスト結果に基づいた。ベンチテストからの膜力特性は、有限要素モデリング（「ＦＥＭ」）モデルで使用され、ＦＥＭモデルで予測された性能と試験において観察された性能とが非常によく合致していたことは、ベンチテスト結果が正確であったことの確認になっている。

解析的分析のため、シールが適応する必要のあるローターの偏心率を含む、典型的な用途に対する仕様が設計プロセスの始めに確定された。これは、軸受の中心線に対してシールを移動するステーターの熱変形、シールのミスアライメントおよび振れ、または軸受内のローターの半径方向運動によるものである可能性がある。これらの仕様では、ローターとのポジティブクリアランスを維持しながらランナーが半径方向にどれだけ移動する必要があり得るかを定めた。

シールの上流および下流の両方の作動圧力、さらには流体温度および粘度が指定されなければならない。新しい設計が、同様の用途のために他のＦＲＰＡＬＳを設計することからの経験に基づき、各シールパラメータを推定することから始まった。ランナー構成が以前の経験と異なることが予想される場合、そのランナー構成に対する膜力特性を確定するために詳細なＣＦＤモデリングおよび／または試験が必要である。次いで、ＦＥＭはＣＦＤまたはベンチテストからの膜力データを使用して、そのバージョンが仕様をどれだけ正確に満たしていたかを判断した。パラメータおよび新しいＦＥＭ解析の体系的変化が、すべての所望の仕様を満たす概念設計を精緻化するために使用され、それにより、漏れを最低に抑えるために公称動作条件の下でシールランナーとローターとの間のクリアランスを最小になるようにした（図４）。

ランナー偏心率の範囲に対してランナーとローターとの間のクリアランスをプロットすることは、パラメータの体系的変化があるときにシール設計の性能を比較して最良の設計を決定するのに役立った。そのようなプロットを取得するために、ＦＥＭ解析は、単なる単一の点解析ではなく、ローターとシールハウジングとの間の半径方向距離を、上流および下流の圧力を指定された値で一定に保ちながら、非定常解析において滑らかに変化させた。これにより、すべての要件を満たし、最大偏心率でのローターの擦れを回避しながら公称動作条件における漏れを最小（最も狭いランナー／ロータークリアランス）に維持するように一組の設計パラメータを選択する上で（selecting）シールがどのように振る舞い、支持されるかに関して、よく示された。このプロセスで変化する典型的な設計パラメータは、シールリーフ長、シールリーフ厚さ、リーフのニーアングル（組み立てられたときのリーフとローターの軸と平行な直線との間の角度）、圧力が印加されるときにリーフが巻き付く支持体の曲率半径、ランナーを支持する二組のリーフの間の軸方向の距離、ランナー軸方向長、およびステップまでの軸方向距離であった。

大きな用途規模の静的試験を行うために、カスタム試験装置が利用された。セグメントが垂直方向に調整可能な頂部プレートに取り付けられ、それによりビルド偏心率（build eccentricity）の効果を調査した。最後に、流れが中心ランナーの下を通ったときの圧力分布を記録し、完全なフィルムライディングを保証するよう間隙を監視するために、１４個の静圧トランスデューサおよび４個の近接プローブをスタティックベースプレート（static base plate）に装備した。高速度写真を使用して閉じる事象の画像をキャプチャするために、覗き窓が利用された。ＦＲＰＡＬＳセグメントは、以下の幾何学的形状をとるように、ベンチテスト結果および解析的アプローチの組合せを使用して設計された（もっぱら参照として提供されると理解されるものである−当業者であれば、本明細書で説明されている方法は、特定の要件に対する好適な幾何学的形状をもたらすために使用できることを理解するであろう）。
● ランナー軸方向長−１．５００インチ［３８．１ｍｍ］
● レイリーステップ高さ−０．０１０インチ［０．２５ｍｍ］
● レイリーステップ軸方向距離−０．６００インチ［１５．２４ｍｍ］
● リーフ厚さ−０．０２８インチ［０．７１ｍｍ］
● リーフ長−２．３７５インチ［６０．３３ｍｍ］
● リーフ角度−５２度［０．９０８ｒａｄ］
● 支持体の曲率半径−６．６００インチ［１６７．６４ｍｍ］

近接プローブは、リーフが閉じた後に膜間隙を監視し、各コーナーを傾きと揺れについて比較するために使用された。クリアランスステップ、レイリーステップ、およびフィルムライディング領域を含むランナーの全長にわたる位置で静圧を測定するために、静圧トランスデューサも使用された。

試験手順は、低温状態のランナーとベースプレートとの間の半径方向距離を０．１２０インチ［３．０５ｍｍ］に設定することによって始まった。これは、この設計に対する解析的アプローチを使用して計算された最適設計条件であり、０偏心率と称される。次いで、圧力が、リーフ／ランナーアセンブリが閉じるまで一定の速さでベースプレート、すなわち、「ローター」に印加された。圧力を、５ｐｓｉ［０．３ｂａｒ］の増分単位で５０ｐｓｉｇ［３．５ｂａｒｇ］の最大上流圧力まで変化させてから、圧力を下げ、各圧力点でデータの平均をとった。この手順は、低温状態においてランナーとベースプレートとの間の半径方向距離を増減することによって、意図された設計点からの偏心率範囲について繰り返された。

次に、試験の結果を、より詳しく説明する。０．１２０インチ［３．５ｍｍ］の設計クリアランスまたは０偏心率での初期試験により、リーフの安定した動作が明らかとなった。閉じる事象は不安定性の兆候を示さず、シールは試験期間全体にわたって安定したままであった。

近接プローブは、信頼できるフィルムライディングが約２０ｐｓｉｇ［１．４ｂａｒｇ］の上流圧力で達成される前に、閉じる事象の最終段階をキャプチャし、圧力を取り除いたときにヒステリシスがほとんどない状態で、最大５０ｐｓｉｇ［３．５ｂａｒｇ］までで、０．００５〜０．０１０インチ［０．１３〜０．２５ｍｍ］までの一定の間隙を維持した。コールドビルドクリアランスが近接プローブの範囲を外れており、低速データロギングが長時間の試験のために動作中であったため、完全に閉じる事象はキャプチャされなかった。

その圧力分布は、上流圧力に関して各配置におけるランナーの下で圧力の略直線的な関係を示した。クリアランスステップ下の圧力は、非常に似た値をとるように見えた。レイリーステップ下の圧力は、クリアランスステップの圧力より低いが、ここでもまた、互いに値が類似している。フィルムライディング面下の圧力は、軸方向長とともに非線形に減少するように見えた。前から後ろへの圧力分布は、上流圧力からクリアランスステップへの圧力低下が無視できるくらい小さいことを示すことがわかった。約２ｐｓｉ［０．１４ｂａｒ］の低下は、４０ｐｓｉ［２．７６ｂａｒ］の上流圧力において、レイリーステップで見られた。レイリーステップの軸方向長にわたる圧力分布は、長さに沿って圧力が等しい値で一定のままであった。レイリーステップからフィルムライディング表面までのステップにおいて、４０ｐｓｉ［２．７６ｂａｒ］の上流圧力において約５ｐｓｉ［０．３４ｂａｒ］の、より大きい圧力低下が見られた。フィルムライディング表面の軸方向長にわたる圧力は、大気条件の下流圧力に対して非線形分布となっている。

０．１２０インチ［３．０５ｍｍ］の設計クリアランスにおける圧力スイープへの補足として、偏心も調査された。上で説明されている解析的設計では、４０ｐｓｉｇ［２．７６ｂａｒｇ］の上流圧力に対する一定範囲の偏心率値においてランナーの平均クリアランスを予測した。試験結果は、解析的結果とともにプロットされ、よい相関を示し、ＣＦＤおよびＦＥＭモデルの正当性が立証された。試験中にすべての偏心率において完全圧力スイープが実行されたが、上流圧力が２０ｐｓｉｇ［１．３８ｂａｒｇ］未満の場合、これらの圧力においてシールが閉鎖の過程にあり、結果をわかりにくくするので、この値より高い値の傾向に従わない。２０〜５０ｐｓｉｇ［１．３８〜３．４５ｂａｒｇ］に対する結果は、設計点からより大きいクリアランスまでの偏心率に対する値が類似していた。しかしながら、干渉が大きくなると、間隙は、約０．００５インチ［０．１３ｍｍ］の２０〜５０ｐｓｉｇ［１．３８〜３．４５ｂａｒｇ］からの間隙内の全増加量で圧力とともに増大した。

解析的設計プロセスでは、前から後へのランナーの傾きを考慮し、試験に対する最適な設計を実現した。この傾きは、近接プローブを使用して試験全体を通して監視された。

この試験プログラムにおいて、圧力および偏心率の範囲にわたる傾きの平均角度が調査された。傾きの最大角度は、０．０６０インチ［１．５２ｍｍ］の偏心率および５０ｐｓｉｇ［３．７９ｂａｒｇ］の上流圧力において最大０．１６度までであった。試験全体にわたる傾きの値は正のままであり、ランナーの後縁が前縁より低いことを示していた。傾きは、０〜０．０２インチ［０〜０．５１ｍｍ］の偏心率の範囲内の角度の収束を有する偏心率および圧力の両方と０偏心率に対する圧力とともに減少する角度とに依存するように見える。

試験ではランナーの振れも調べた。ここで、振れは、左から右へのランナーの平均角度であった。結果から、最大角度が０．０７度以下であることがわかった。結果は、偏心または圧力が振れの直接的原因であるかどうかを判断するのに決定的でなかった。

最後に、シールを手動で励起し、共振の効果を調べることが試みられた。０．０５０インチ［１．２７ｍｍ］のシムがランナーの下に置かれた。２５ｐｓｉの圧力が印加され、ランナーがシムに対して完全に閉じていることを確実にした。次いで、シムは、ランナーの下から速やかに取り出され、高速データ取得を使用して、それらの効果をキャプチャするために、高速写真と併せて近接プローブからの間隙をログに記録した。この試験では、シールを不安定にすることができず、約８３Ｈｚの１１回の振動以内で、シールは安定しフィルムライディング状態に戻った。

当業者であれば、ベンチテスト、解析的モデリング、および大きな用途規模の試験をすべて組み合わせることで、ＦＲＰＡＬＳの概念を実証したことを理解するであろう。封止仕様に対する最適な幾何学的形状を得るために使用された解析的モデルの正当性を実証するために、高速ベンチテストを使用する設計プロセスが開発されている。この方法は、フィルムライディング概念とともに、大規模リグ試験データを使用することに対する正当性を実証されている。

また、ＦＲＰＡＬＳは一定範囲の条件において有効であることが証明され、設計点において適切に作動するだけでなく、様々な偏心率で広範な圧力にわたって、効果的に機能を果たす能力を示したことも理解されるであろう。これまでの試験では、共振または安定性問題の兆候を示していないが、これらの領域へのさらなる調査が将来に予定されている。

そこで、本発明の一実施形態により、出願人は、「逆」配向である修正されたＦＲＰＡＬＳ配置構成を提案している。図２に概略が示されているように、逆配置構成は、流れの方向に対して角度を有するリーフシール２０’および３０’上に取り付けられているランナー５０’を利用する。出願人は、この新規性のある配置構成が結果として、よりコンパクトな設計を提供し、より様々な用途に対するシールを実現し得ることを確認した。

図２および図４に示されているように、流れ方向は左から右へ延びている。リーフシールアセンブリ１０’は、ステーター２’に接続されている支持体４０’を備える。第１のリーフシール２０’が高圧側にあり第２のシール３０’が低圧側にある。ランナー５０’は、ローター１’の近位のリーフシール２０’、３０’の遠位端に接続されている。リーフシール２０’および３０’は、流れの方向に対して角度を有していることがわかる。リーフシールは、支持体４０’に固定されている（ステーター２’の近位にある）近位端２１’および３１’から遠位／自由端２２’および３２’（ローター１’の近位にある）までステーター２とローター１との間の間隙を横切って（across the gap）延在する。遠位端２２’および３２’はランナー５０’を支持する。この逆配置構成において、各リーフシール２０’、３０’のリーフシール部材は、それらがシールの低圧側の方へ軸方向後方に延在するように傾斜することは理解されるであろう。したがって、リーフシール２０’および３０’の圧力シールの遠位端２２’および３２’は、近位端２１’および３１’の軸方向下流にある。

図３に示されているように、本発明の実施形態によるリーフシールは、典型的には、環状シールであってよい。リーフシールは、したがって、複数のセグメント１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃなどから形成されるものとしてよい。各セグメント１１０は、概アーチ形であり、完全環状リーフシールの部分的円周セクションを形成する。各セグメント１１０は、上で説明されているようにランナー１５０およびリーフシール１２０を備えるものとしてよい。組み立てられたときに、セグメントは連続的バッキングリング１４２を備えるものとしてよい。

製造および／または組み立てが容易であることに加えて、セグメント分割シールのさらなる利点は、各セグメントのランナー１５０および支持体１４０がシールアセンブリの幾何学的形状を単純化するように配置構成され得る点であることに留意されたい。図１の従来技術の配置構成では、リーフシール２０、３０は、複雑な溝付き幾何学的形状を有し、ランナー５０は、ローター１の表面に平行に延在する全体に薄い輪郭の部材である（すなわち、輪郭が環状であるか、または部分的に環状である）。対照的に、本発明の実施形態によるセグメント分割配置構成では、ランナー１５０は、周方向にで変化する半径方向厚さを備える（これは、図５Ａを見てもわかる）。ランナー１５０は、セグメントの中心１５５に最小半径方向厚さを、ランナー１５０の外側領域１５６、１５７に最大半径方向厚さを有する。この厚さの変化により、ランナーがローター側にアーチ形（および部分的に円周方向の）封止面１５２を、及びリーフシール１２０、１３０のインターフェースに実質的に直線状の表面を、有することが可能となる。

同様にして、支持体１４０の厚さは、周方向に変化する半径方向の厚みを有する。支持体１４０は、セグメントの中心１４５に最大半径方向厚さを、外側領域１４６、１４７に最小半径方向厚さを有する。この厚さの変化により、支持体１４０のセグメントがステーター側にアーチ形（および部分的に円周方向の）外面を（バッキングリング１４２と係合／接合するように）、及びリーフシール１２０、１３０のインターフェースに実質的に直線状の表面を、有することを可能にする。

したがって、実施形態によるセグメント分割されたシールは、セグメントが、ランナー１５０および支持体１４０の実質的に平行で離間して並ぶ直線状の表面の間に作用しているリーフシール１２０、１３０を利用することを可能にすることは、理解されるであろう。これは、リーフシール１２０および１３０の幾何学的形状および動力学を簡素化するものとしてよい。ランナー１５０の内面および支持体１４０セグメントの外面がシールの円形の円周境界を形成するので、完全にセグメント分割されたシールアセンブリは、なおも、回転部材と固定部材との間を封止することができる環状配置構成を形成する。しかしながら、リーフシール１２０、１３０は、円形ではなく多角形の形状を形成する、一連の略接線方向にアライメントされる伸長部材として、効果的に形成される。

図４は、図３の実施形態の断面を示している。この実施形態におけるリーフシールの全体的配置構成は、図２の配置構成に対応する。リーフシール１０’はキャビティＣを備えることに留意されたい。キャビティＣは、リーフシールの周りに延在する、少なくとも部分的に環状である空間である（キャビティがシール全体の周りに延在することが可能であるか、または別個のキャビティが各シールセグメント１１０に対して画定されてもよい）。キャビティＣは、支持体４０’およびランナー５０’の対向する表面によって半径方向に、第１のリーフシール２０’および第２のリーフシール３０’によって軸方向に、拘束される。本発明の実施形態によれば、第１の（高圧側）リーフシール２０’は、キャビティＣが矢印Ｖによって概略が示されているように、高圧ＨＰに曝され得るように通気される。

シール１０’の高圧側ＨＰからの高圧流体によるキャビティＣの通気は、ターボ機械からの動作圧力がランナー５０’の後方（非封止）表面に直接作用することを可能にする。これは、ランナーを動作状態に位置決めするのに役立ち、従来技術の配置構成に比べてよりコンパクトな逆配置構成を可能にし得る。

当業者であれば、第１のリーフシール２０’の通気は、複数の方法−たとえば、リーフシール２０’を貫通する特定の開口を設けることによって−達成され得ることを理解するであろう。セグメント分割された配置構成を使用するときにシールを通気するための特に便宜な配置構成が図５に示されている。

図５Ａは、実質的に上で説明されているタイプであるシールセグメント２１０の正面図を示している。第１のリーフシール２２０の外側円周縁２２５および２２６は両方とも解放されており、したがって、シールセグメント２２０の端部まで完全には延在しないことに留意されたい。対照的に、第２のリーフシール２３０は、対応する円周縁２３５および２３６が軸方向において第１のリーフシール２１０の背後で見えるように、セグメント２２０の端部まで完全に延在する。

図５Ｂを見るとわかるように、隣接するシールセグメント２１０ａ、２１０ｂが完全なシールに組み立てられたときに、隣接する円周縁２２５ａおよび２２６ｂの解放された部分は通気溝２２９を形成する。対照的に、他のシール構成要素（たとえば、ランナー２５０ａおよび２５０ｂ）の間の間隔は、シール端部セクションの間に漏れが実質的にないように最小にされる。

図６は、本発明のさらなる実施形態によるシールセグメント３１０の一連の図を示す。この実施形態は、上で説明されているものに実質的に類似しているが、封止面３５２上に三次元流れ制御機構３５３の追加を含む。

三次元流れ制御機構３５３は、動作状態において回転体とランナーとの間に形成される膜を最適化するように備えられる。たとえば、流れ制御機構は、膜厚さを増大させるように配置構成されてよい。利用される特定の流れ制御機構は、シールの動作構成（封止されるべき間隙の意図された流れ条件および寸法など）に依存し得ることは理解される。したがって、当業者は、通常の最適化によって特定の用途に対する流れ制御機構を最適化するものとしてよい。図解されている例において、流れ制御機構３５３は、封止面３５２内に形成された一連の溝を備えている。溝３５３は、シールセグメントの封止面の周りに、周方向に間をあけて並ぶ。各溝３５３は、略直線状であり、シールアセンブリの軸方向に、封止面の長さＬ_Ａに沿って延在する。溝は、軸方向に対して傾斜もしているので、これらはまた、周方向で長さＬ_Ｃに沿って延在する。溝の寸法および幾何学的形状は、特定の用途に合わせて最適化されてよく、たとえば、溝は湾曲しているか、または可変角度を有することも可能である。（いずれの方向においても（in either direction））配向角度および／または長さは、シールの周りの局所的流れ条件に依存し得ることは理解されるであろう。たとえば、流体流は、本来は略軸方向であるが、ローター１の回転面は、膜内の流れに周方向成分を与える。

膜剛性を高めることに加えて、流れ制御機構は、また、セグメント分割されたシールアセンブリの別々のセグメントの間の接合部での縁損失を低減するのにも役立ち得る（そのような接合部における損失は最小にされ得るが、シールは使用時に移動しなければならず、製造公差の影響を受けやすく、したがってセグメント間の小さな間隙は完全に回避することはできないことは理解されるであろう）。そのようなものとして、流れ制御機構（たとえば、溝と溝との間の周方向間隔）は、封止面の周長にわたって最適化可能であるものとしてよく、たとえば、縁の近位の間隔は、セグメントの中心に向かう間隔と異なり得る。

本発明は好ましい実施形態を参照しつつ上で説明されたが、添付の請求項において定義されているような本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更または修正が行われ得ることは理解されるであろう。

Claims (14)

1. 回転構成要素と固定構成要素との間の間隙内で使用するためのリーフシールアセンブリであって、
   略平面状の表面を有する第１のリーフシールと、
   略平面状の表面を有する第２のリーフシールと、
   前記リーフシールアセンブリを前記固定構成要素に接続して固定するために、前記固定構成要素の近位に配置された前記第１及び第２のリーフシールの近位端に結合されている支持体と、
   ランナーと
   を備え、
   前記第２のリーフシールが前記第１のリーフシールから前記間隙の軸方向に沿って離間して配置されることにより、前記第１のリーフシールは前記第２のリーフシールの上流に配置され、
   前記回転構成要素の近位に配置された前記第１および第２のリーフシールの遠位端に前記ランナーが結合されていることにより、前記第１及び第２のリーフシールは、非加圧不動作状態において前記ランナーを前記回転構成要素から離れた第１の位置に維持し、加圧動作状態において前記ランナーを、前記回転構成要素に近いが接触していない第２の位置に移動し、
   キャビティは前記第１のリーフシール、前記第２のリーフシール、および前記ランナーによって画定され、前記回転構成要素が前記加圧動作状態にあるときに前記キャビティが加圧されるように、前記第１のリーフシールが通気され、
   前記第１及び第２のリーフシールの遠位端が前記第１及び第２のリーフシールの近位端の軸方向下流に配置されるように、前記第１及び第２のリーフシールは、前記間隙を通る流体の流れの方向に対して角度を有する、リーフシールアセンブリ。
2. 前記シールアセンブリの低圧側の方へ、前記シールアセンブリの軸方向に沿って、軸方向後方に前記遠位端が延在するように、前記第１及び第２のリーフシールが傾斜する請求項１に記載のリーフシールアセンブリ。
3. 前記第１のリーフシールは、前記キャビティが前記動作状態において前記シールアセンブリの高圧側に通気されるように、前記シールアセンブリの高圧側に配置される請求項１または２に記載のリーフシールアセンブリ。
4. 前記第１のリーフシールは、前記第１のリーフシールの軸方向の全厚を貫通する１つまたは複数の開口を備える請求項１から３のいずれか一項に記載のリーフシールアセンブリ。
5. 前記リーフシールアセンブリは、複数のアーチ形セグメントから形成され、各セグメントは、前記第１のリーフシール、前記第２のリーフシール、前記支持体及び前記ランナーを備え、前記第１のリーフシールの通気は、隣接するセグメントの前記リーフシールの間のクリアランスギャップによって行われる請求項１から４のいずれか一項に記載のリーフシールアセンブリ。
6. 前記各セグメントにおける前記第１のリーフシールは、同じセグメントの前記第２のリーフシールに対して短縮された作動長を有する請求項５に記載のリーフシールアセンブリ。
7. 前記各セグメントにおける前記ランナーは、周方向に変化する半径方向厚さを備える請求項５または６に記載のリーフシールアセンブリ。
8. 前記各セグメントにおける前記ランナーは、前記ランナーの中心に最小半径方向厚さを、前記ランナーの外側領域に最大半径方向厚さを有し、前記各セグメントにおける前記ランナーはローター側にアーチ形封止面を、前記リーフシールとのインターフェースに実質的に直線状の表面を有する請求項７に記載のリーフシールアセンブリ。
9. 前記各セグメントにおける前記支持体は、前記支持体の中心に最大半径方向厚さを、前記支持体の外側領域に最小半径方向厚さを有するように、周方向に変化する半径方向厚さを有し、前記各セグメントにおける前記支持体は、ステーター側にアーチ形外面を、前記リーフシールとのインターフェースに実質的に直線状の表面を有する請求項７または８に記載のリーフシールアセンブリ。
10. 前記セグメント分割されたシールは、前記ランナーおよび前記支持体の実質的に平行な離間して並ぶ直線状の表面の間に作用する複数のリーフシールを備える請求項７から９のいずれか一項に記載のリーフシールアセンブリ。
11. 前記ランナーは、前記回転構成要素の輪郭に実質的に対応する封止面を備え、前記封止面は、少なくとも１つの流れ制御機構を備える請求項１から１０のいずれか一項に記載のリーフシールアセンブリ。
12. 前記少なくとも１つの流れ制御機構は、前記封止面内に形成された少なくとも１つのリブまたは溝を備える請求項１１に記載のリーフシールアセンブリ。
13. 前記流れ制御機構は、前記封止面の周りに周方向に間をあけて並ぶ複数の溝またはリブを備える請求項１２に記載のリーフシールアセンブリ。
14. 前記または各溝またはリブは、前記シールアセンブリの前記軸方向で前記封止面の長さに沿って延在可能であり、前記軸方向に対して傾斜している請求項１２または１３に記載のリーフシールアセンブリ。