JP7705708B2 - 自己矯正流体力学的シール - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１２月１９日に出願された米国特許出願第６２／９５０，６４７号の利益を主張し、この開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

径方向セグメント化シールは、航空機エンジン、歯車ボックス及び圧縮器において長年にわたり、航空宇宙及び産業用途で成功裏に使用されてきた。現在のセグメント化シール、流体力学的、及び接触は、航空機エンジン、圧縮器、及び歯車ボックス内のプロセス流体の重大な漏出及び減圧を防止するように設計される。適切に設計された場合に、シールは適切に機能する。この設計サイクルの一部は、エンジンシャフトのテーパを計算、測定、又は推定し、このテーパ角度をセグメント化シール内径と一致させ、したがって、漏出を最小にすることである。このテーパリングの予測は、シール内径とシャフト外径との境界面での構造及び熱の有限要素並びに粘性及び摩擦加熱予測の正確な組み合わせを必要とするので、複雑な手間である。流体力学的径方向シールの場合、この計算の精度は、良好なシール性能に優先する。テーパがシステム圧力側に開口している場合、十分なリフトオフが起こらない場合があり、流体力学的パッドがシステム圧力になるか、又はそれに非常に近い状態になり、これは、従来の接触径方向シールとして動作する。これは、システム温度を上昇させ、シールの寿命を制限する。反対に、テーパが大気側に開口している場合、システム側からのシステム流体が大気に通気され、流体力学的シールパッド領域には圧力の蓄積が起こらない。この状況では、シールの寿命及びエンジンの完全性がかなり損なわれる。改善が望まれている。

回転部材に対する流体力学的シールを形成するためのシールアセンブリのセグメントは、第１及び第２の側部の間を延び、回転部材との流体力学的シールを形成するための径方向内面を画定する本体を含むことができる。本体は、本体第１及び第２の側部の間を延びる主表面と、主表面から凹設された流体入口部分と、流体入口部分に隣接して位置付けられ、かつ周方向に延びる流体力学的パッド領域であって、流体力学的パッド領域が、ランド部分によって分離された第１のセクション及び第２のセクションを含み、第１及び第２のセクションが、主表面から凹設される、流体力学的パッド領域と、を含むことができる。

流体力学的シールアセンブリは、フランジと、リングを形成するためにフランジによって支持された上記に従う複数のセグメントと、を含むことができる。

機械は、回転可能シャフトと、フランジ及び回転する回転可能シャフトが通って延在するリングを形成するためにフランジによって支持された上記に従う複数のセグメントを含む流体力学的シールアセンブリと、を含むことができる。

いくつかの実施例では、第１及び第２のセクションの一方又は両方は、一定の幅を有する。

いくつかの実施例では、第１及び第２のセクションは、流体入口部分から離れる方向に減少する深さを有する。

いくつかの実施例では、セグメントは、カーボン材料から形成される。

いくつかの実施例では、第１及び第２のセクションは、互いに等しい長さを有する。

いくつかの実施例では、セグメントは、主表面に隣接する周方向溝を更に含む。

いくつかの実施例では、第１と第２のセクションの組み合わせた幅は、主表面の幅のそれの少なくとも半分である。

多数の流体力学的シールセグメントが固定される、周方向にセグメント化されたシールアセンブリの概略図である。

図１に示されるアセンブリの複数のシールセグメントの概略図である。

回転シャフトを備える据付用途における、図１に示されるシールアセンブリの概略断面図である。

図１に示されるシールアセンブリの流体力学的シールセグメントの斜視図である。

図４に示される流体力学的シールセグメントの第１の側面図である。

セグメントが３つの流体力学的シール配設によって提供される、図４に示される流体力学的シールセグメントの表側の図である。

流体力学的シール配設のうちの１つの特徴を示す、図６の参照部７に示される、図４に示される流体力学的シールセグメントの一部分の表側の図である。

図４に示される流体力学的シールセグメント部分の第１の側面図である。

図４に示される流体力学的シールセグメント部分の第２の側面図である。

図６に示される流体力学的シールセグメント部分の表側の斜視図である。

図５の線１１－１１に沿って切断した、図４に示される流体力学的シールセグメント部分の断面図である。

図６に示される流体力学的シールセグメント部分の表側の斜視図を示す、図４に示される流体力学的シールセグメントの概略断面図であり、流体力学的シール配設は、シールセグメントを平衡状態に維持する。

図６に示される流体力学的シールセグメント部分の表側の斜視図を示す、図４に示される流体力学的シールセグメントの概略断面図であり、流体力学的シール配設の自己矯正力が、シールセグメントを平衡状態に戻すように作用する。

本明細書で開示するタイプの流体力学的シール配設を有する径方向セグメント化シールの計算流体力学解析であり、開示された設計によって生成された局所的な自己矯正力を示す。

局所的な自己矯正力を伴わない従来の技術径方向セグメント化シールの計算流体力学解析である。

説明の一部に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本開示のいくつかの態様を例示する。図面の簡単な説明は、以下の通りである。

様々な実施例を図面を参照して詳細に説明し、図面中の類似の参照番号は、いくつかの図を通じて類似の部品及びアセンブリを表す。様々な実施例への言及は、本明細書に添付された特許請求の範囲を限定するものではない。更に、本明細書に記載されるいずれの実施例も、限定することを意図するものではなく、添付の特許請求の範囲の多くの可能な実施例のいくつかを単に説明するものである。図面を参照すると、類似の参照番号は、いくつかの図面を通じて類似又は同様の構成要素に対応する。

図１～図１４を参照すると、回転部材に対する封止するためのシールアセンブリ１０のセグメント１００が開示されている。セグメント１００は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，７７０，８９５号に示され、記載されているタイプのシールアセンブリで使用され得る。図１及び図２に示されるように、セグメント１００は、周方向にセグメント化されたシールアセンブリ１０で使用され得る。一態様では、周方向シールアセンブリ１０は、フランジアセンブリ１２によって支持される複数の隣接して配置されたセグメント１００を含むものとして示される。引き続き図１及び図２を参照して分かるように、シールアセンブリ１０は、セグメント１００がシールを提供するためにシャフト１４を中心に配向されるように、シャフト１４（図３を参照されたい）が通って延びることができる環１０ａを画定する。

一態様では、セグメント１００は、第１及び第２の側１０２ａ、１０２ｂの間を延び、かつ第１及び第２の端部１０２ｃ、１０２ｄの間を延びる円弧状本体１０２を含む。一実施例では、本体１０２は、カーボンを含む材料から形成される。第１及び第２の端部１０２ｃ、１０２ｄは、多数のセグメントが組み合わされてリングを形成することができるように、互いに対してある角度で配向される。したがって、第１及び第２の端部１０２ｃ、１０２ｄの間に画定される角度範囲は、典型的には、７２度、９０度、１２０度、又は１８０度などの３６０度の約数である。図１及び図２に示される実施例では、各々がシールリングの１２０度（θ_１、θ_２、θ_３＝１２０度）の分割部分を形成する３つのセグメント１００が提供される。更に、図２～図６に示されるように、セグメント１００は、隣接するセグメントと重なり合う又は相互接続することを意図した協働する特徴部１１２、１１４を含み得る。本体１０２は、径方向又は周方向外面１０２ｅと、径方向又は周方向内面１０２ｆとを画定するものとして更に示される。径方向内面１０２ｆは、部分的に主表面１０２ｈを有することを特徴とし得る。径方向内面１０２ｆは、セグメント１００の穴側に対応し、シャフト又はランナーなどの回転部材に対する封止面を提供する。

図３を参照すると、シールアセンブリ１０の概略断面図が示され、シールアセンブリ１０がシャフト又はランナー１４上に装着され、シールセグメント１００がシャフト又はランナー１４を中心に配設されるように示される。表されるように、各シールセグメント１００は、周方向圧力平衡溝１０２ｇ、シールダム１０２ｏ、及び軸方向圧力平衡溝１０２ｉが設けられている本体１０２を有するものとして示される。シールセグメント１００は、後で示され、説明される追加的な特徴を含む。シールアセンブリ１０もまた、シールセグメント１００を収容するフランジ２２を含むものとして示される。コイルばね２４、ワッシャ２６、及びリテーナ２８は、シールセグメント１００を軸方向に付勢するために提供され、一方で、周方向ガーターばね３０は、シールセグメント１００を共に保持するために、シールセグメント１００の外面を中心に提供される。

一態様では、各セグメント１００の径方向内面１０２ｆは、流体力学的流体流を制御することによって封止を簡易化するための１つ以上の流体力学的配設１０５によって画定される。例えば、図１及び図２に概略的に示されるように、セグメント１００の各々には、合計１２個の流体力学的配設１０５を得るため、４つの流体力学的配設１０５が設けられる。セグメント１００は、単一の流体力学的配設１０５又は任意の数の所望の配設１０５を備えることができる。例えば、図４～図６に示される特定の実施例セグメント１００は、３つの流体力学的配設が設けられる。

一態様では、図７及び図１０で最も簡単に分かるように、流体力学的配設１０５は、第１の側１０２ａと圧力平衡溝１０２ｇとの間で径方向内面１０２ｆを横方向に横断して延びる入口部分１０２ｈを含むことができる。入口部分１０２ｈは、流体がシールセグメントの径方向内面１０２ｆに送給されることを可能にし、それによって、流体力学的シールがシステム流体の連続供給を有することを確実にする。示される実施例では、入口部分１０２ｈは、主表面１０２ｈよりも低く凹設され、かつ側部１０２ａから圧力平衡溝１０２ｇに向かってテーパ状である。他の構成が可能である。例えば、入口部分１０２ｈは、一定の幅を有することができ、又は多数の径方向穿設孔を設けることができる。

一態様では、流体力学的配設１０５は、入口部分１０２ｈに隣接する流体力学的パッド領域１０２ｊを有する。流体力学的パッド領域１０２ｊは、主表面１０２ｈよりも低く凹設され、また、引き込み部分１０２ｋと、ランド部分１０２ｐによって分離された円周方向に延びる第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎと、を含むものとして示される。示される実施例では、ランド部分１０２ｐは、主表面１０２ｈの一部である。この構成は、流体力学的パッド領域１０２ｊのタインを画定する第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎを有するフォーク状構成と称され得る。一般的には、引き込み部分１０２ｋは、第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎに向かう方向にテーパ状である深さを有し、一方で、第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎもまた、第２の端部１０２ｄに向かう方向にテーパ状になり続ける深さを有し、第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎは、第２の端部１０２ｄに向かう方向においてより浅くなる。示される実施例では、セクション１０２ｍ、１０２ｎは、等しい長さ及び幅を有する。しかしながら、ランド部分１０２ｐは、セクション１０２ｍ、１０２ｎが互いに異なる長さを有するように、及び／又は互いに異なる幅を有するように構成することができる。セクション１０２ｍ、１０２ｎもまた、一定の幅を有するものとして示される。しかしながら、セクション１０２ｍ、１０２ｎの一方又は両方は、様々な幅、例えば、第２の端部１０２ｄに向かってテーパ状である幅を有し得る。更に、開示されるセクション１０２ｍ、１０２ｎは、それらが主表面１０２ｈの中央線から等距離であるように、主表面１０２ｈに対称的に配設されるものとして示され、主表面１０２ｈは、側部１０２ａから円周方向溝１０２ｇまで延びる表面として画定される。しかしながら、セクション１０２ｍ、１０２ｎは、非対称的に配設され得、セクション１０２ｍ、１０２ｎの一方が、セクション１０２ｍ、１０２ｎの他方と比較して、主表面１０２ｈの中央線に対してより近くに、又はより遠く離れて配置される。それに応じて、ランド１０２ｐは、そのような配設に適合させるために、様々な幅で配置及び成形され得る。一般に、セクション１０２ｍ、１０２ｎの幅は、約０．０２インチ以上であり得る。ランド部分１０２ｐの幅は、セクション１０２ｍ、１０２ｎの所望の幅が達成されるように選択され得る。示される実施例では、第１と第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎの組み合わせた幅は、主表面の幅の少なくとも半分である。一実施例では、第１と第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎの組み合わせた幅は、主表面の幅の半分よりも広い。

動作中に、流体（例えば、空気）は、入口１０２ｈから横方向に進入し、次いで、円周方向に指向され、引き込み部分１０２ｋで圧縮される。引き込み部分から、流体は、ランド部分１０２ｐによって分割され、第１及び第２のセクション１０２ｍ、１０２ｎに進入し、そこで流体は、セクション１０２ｍ、１０２ｎの長さに沿って進行して更に圧縮される。図４から概略的に分かるように、シャフト１４及び主表面１０２ｈが完全に平行である状況では、セクション１０２ｍの長さを横断する流体によって増加的に生成された結果として生じる上方への圧力Ｐ１は、セクション１０２ｎの長さを横断する流体によって生成される圧力Ｐ２に略等しくなる。したがって、セクション１０２ｍ、１０２ｎにおいて圧縮流体によって生じた圧力は、概略平衡状態であり、かつそうでない場合にシールセグメント１００をシールセグメント１００の縦方向軸Ｘを中心に第１又は第２の側部１０２ａ、１０２ｂのいずれかに向かって振動させるモーメント力を生じさせない。

図１３を参照すると、シャフト１４に僅かなシャフトのテーパ又は揺動が生じたときに、表面１０２ｈは、必然的にシャフト１４の外面と平行ではなくなる。軽微なテーパリングは、±０．００１インチ以下の程度である。そのような状態は、図１３から分かるように、また、テーパがまだ生じていない図１２とは対照的に、セクション１０２ｍ、１０２ｎの各々においてＰ１とＰ２との間に不均一な圧力をもたらす。したがって、シャフト１４と表面１０２との間により短い離間距離を有する側に最も近い、セクション１０２ｍ、１０２ｎと関連付けられた圧力は、他のセクション１０２ｍ、１０２ｎへの圧力よりも大きくなり、したがって、縦方向軸Ｘ又は軸Ｘに平行な軸などの別の軸のいずれかを中心に他方の側へ回転させるようにシールセグメント１００を回転させるための矯正又は復元力を生じる。一般的には、シャフト１４と表面１０２との間により短い離間距離を有する側を閉口側と称することができ、他方の側を開口側と称することができる。テーパ方向にかかわらず、テーパの開口側のセグメント１０２ｍ、１０２ｎは、より少ない膜剛性を生じ、したがって、閉口側のセグメント１０２ｍ、１０２ｎよりも少ない流体力学的な力を生じる。閉口側は、より固い流体力学的膜を生じ、したがって、より高いリフトオフ力を生じる。この状況は、矯正モーメントをもたらし、すなわち、シールが平衡に到達しようとする。したがって、テーパがどちらの側に存在しているかにかかわらず、シールに流体が送給されていれば、流体力学的な矯正力がもたらされる。図１２で例示されるように、シールセグメント１００の内径表面１０２ｈが、シャフト表面と平行である場合は、流体力学的膜を不安定にし得るテーパ状のシャフトとは対照的に、より安定した流体力学的膜を提供する。

介在するランド部分を有しない単一の大きいセグメントだけを備える従来の流体力学的パッド領域によって提供されるシールセグメントと比較して、開示される閉口側セグメント１０２ｍ、１０２ｎは、セグメント１０２ｍ、１０２ｎの開口側を出る流体からより大きく保護される。従来の単一パッド形状では、シャフトと開口側のパッドの縁部との離間距離は、不所望に消耗が生じる範囲を画定する。開示される設計によって、開口側セグメント１０２ｍ、１０２ｎは、この位置において略同じ離間距離を有し、したがって、開口側セグメント１０２ｍ、１０２ｎは、同じ消耗力学を受ける。しかしながら、閉口側セグメント１０２ｍ、１０２ｎは、ランド部分１０２ｐによって保護され、これは、上述した離間距離よりも大幅に短いシャフトに対する離間距離を有し、示される実施例では、この離間距離の半分未満である。したがって、閉口側セグメント（図１３のセグメント１０２ｍ）は、流体を圧縮し、シールを動作可能にし続けることが可能である。したがって、望ましい矯正力を生じさせるだけでなく、開示される設計はまた、シャフトがテーパ化又は揺動下にある従来設計と比較して、より高いレベルの機能も維持する。

図１４を参照すると、矯正力が更に例示されており、コンピュータ流体力学モデルによって生成された圧力プロファイルから、セグメント１０２ｍでの高い圧力領域Ｐ１の発生を容易に視認することができる。開示される設計とは対照的に、図１５を参照して分かるように、ランド部分の介在を伴わない単一の大きなセグメントだけを有する従来の流体力学的パッド領域が設けられたシールセグメントＰ１００は、圧縮流体を開口側から排出することが可能な開示される設計と同じ矯正力を生成することはできない。

前述の詳細な説明から、態様の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本開示の態様において修正及び変形を行うことができることは明白であろう。本教示の多くの態様を実施するための最良の態様を詳細に説明してきたが、これらの教示が関連する技術分野に精通する者であれば、添付の特許請求の範囲の範疇にある本教示を実施するための様々な代替的態様を認識するであろう。

Claims (8)

1. 回転部材に対する流体力学的シールを形成するためのシールアセンブリのセグメントであって、
   ａ）第１及び第２の側部の間を延び、前記回転部材との流体力学的シールを形成するための径方向内面を画定する本体であって、
   （ｉ）前記本体の第１及び第２の側部の間を延びる主表面と、
   （ｉｉ）前記主表面から凹設された流体入口部分と、
   （ｉｉｉ）前記流体入口部分に隣接して位置付けられ、かつ周方向に延びる流体力学的パッド領域であって、前記流体力学的パッド領域が、ランド部分によって分離された第１のセクション及び第２のセクションを含み、前記第１及び第２のセクションが、前記主表面から凹設され、前記第１及び第２のセクションは、前記第１及び第２のセクションが周方向に前記流体入口部分から離れる方向に延びるにしたがって徐々に減少する深さを有し、前記主表面で終端する、流体力学的パッド領域と、を画定する、本体を備える、シールアセンブリのセグメント。
2. 前記第１及び第２のセクションのうちの一方又は両方が、一定の幅を有する、請求項１に記載のセグメント。
3. 前記セグメントが、カーボン材料から形成される、請求項１に記載のセグメント。
4. 前記第１及び第２のセクションが、互いに等しい長さを有する、請求項１に記載のセグメント。
5. 前記セグメントが、前記主表面に隣接する周方向溝を更に含む、請求項１に記載のセグメント。
6. 前記第１と第２のセクションの組み合わせた幅が、前記主表面の幅のそれの少なくとも半分である、請求項１に記載のセグメント。
7. 前記セグメントは、流体力学的シールアセンブリを構成する複数のセグメントのうちの１つである、請求項１に記載のセグメント。
8. 前記流体力学的シールアセンブリは、前記複数のセグメントを該複数のセグメントがリングを形成するように支持するフランジを含む、請求項７に記載のセグメント。