JPH05195816A

JPH05195816A - リングシール

Info

Publication number: JPH05195816A
Application number: JP4259344A
Authority: JP
Inventors: Adam N Pope; アダム・ネルソン・ポープ; Ming-Fong Hwang; ミン−フォン−フワン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1993-08-03
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPH0819860B2; EP0535850A1; US5169159A; CA2076109A1

Abstract

(57)【要約】【目的】シーリング界面に低い有効クリアランスレベ
ルを維持するリングシールを提供する。【構成】リングシール１０は、その高圧側に連続な円
周方向外径シールダム１６を有している。このシールダ
ムは軸線方向ベント２７によりリングシールの低圧側に
空気動力学的に連結されている。リングシールの高圧側
の複数の上流面ベント３８が、対応する上流横方向シー
リングダム１８に空気動力学的に連結されている。リン
グシールの低圧側の複数の下流面ベント３２が、対応す
る下流横方向シーリングダム３０に空気動力学的に連結
されている。上流及び下流面ベントはリングシールに対
して発揮される軸線方向の力を軽減するように作用す
る。外径シールダムに空気動力学的に連結された外径ベ
ント２７は、リングシールを静止外側シート１２に対し
て押し付ける半径方向の力を増加するように作用し、こ
れによりリングシールは所望の固定位置を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願の表示】本出願は、本出願人に譲渡された米
国特許出願第７５７，７７７号及び第７５７，７７４号
と関連している。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
のガス流路に隣接するシーリング装置、特にリングシー
ルの高圧側にその外径に隣接してシールダムを有するリ
ングシールに関する。

【０００３】

【従来の技術】現在のガスタービンエンジン技術では、
ラビリンスシールを用いて、ガス流路を分離し、循環を
低減し、寄生損失を最小限に抑え、キャビティ圧力を維
持し、こうしてロータスラストバランスを制御してい
る。これらのシールは、一組のラビリンス「歯」及び摩
擦当て（ラブストリップ）の間に半径方向に形成された
一連の環状狭隘部を通して高圧ガスを絞ることにより、
高圧ガスの漏れを制御する。歯と摩擦当てとを予め切削
加工して、エンジン組立レベルで所定の半径方向クリア
ランスをとる。摩擦当ては摩耗性で、動的運転中に歯が
摩擦当てを軽くこすり、こうして最小のクリアランスを
得る。

【０００４】ラビリンスシールが小さなクリアランスを
保つ能力は、ラビリンス歯のナイフエッジの摩耗と、対
応する摩擦当ての摩耗とにより大きく限定される。半径
方向及び遠心方向の大きな熱膨張及び収縮も摩耗の原因
となる。更に、ある範囲のシャフト回転速度にわたって
起こる軸線方向並進及びジャイロ運動からも摩耗が生じ
る。摩耗速度は一般に、空気温度、圧力、そして航空機
エンジンの場合、高いＧマヌーバ及び硬着陸の関数であ
る。

【０００５】このように小さなクリアランスを維持でき
ない結果として、ラビリンスシールの大部分は過剰な漏
れを生じる。一次及び二次流路に位置するラビリンスシ
ールの過剰な漏れは、エンジン効率、性能、燃料消費及
び／又はタービンブレード寿命に悪影響を与える。この
ような訳で、小さなクリアランスレベルを維持し、エン
ジンの運転状態に起因する摩耗を余り受けないシール機
構が求められている。

【０００６】

【発明の目的】従って、本発明の目的は、シーリング界
面に低い有効クリアランスレベルを維持するシールを提
供することにある。本発明の他の目的は、組立及び装着
の簡単なシールを提供することにある。本発明の他の目
的は、長い使用期間にわたって有効なシールを提供する
ことにある。

【０００７】

【発明の概要】このような目的及び効果を達成する本発
明のリングシールは、上流横方向面（フェイス）シーリ
ングダムを含んでおり、この上流横方向面シーリングダ
ムは高圧側から発生する軸線方向の力Ｆ₁を受ける。こ
のシーリングダムは、一連の軸線方向ベントによりリン
グシールの低圧側に空気動力学的に連結されている。高
圧側の複数の上流面ベントは、対応する上流横方向シー
リングダムに空気動力学的に連結されている。低圧側の
複数の下流面ベントは、対応する下流横方向シーリング
ダムに空気動力学的に連結されている。上流及び下流面
ベントは、リングシールに対して発揮される軸線方向の
力を軽減するように作用し、外径ベントは、リングシー
ルを静止外側シートに対して押し付ける半径方向の力を
増加するように作用し、これによりリングシールが所望
の固定位置を維持する。本発明は、軍事用及び民間航空
機に用いるタービンエンジンにも、船舶用及び工業用エ
ンジンにも適用できる。具体的な実施例では、外径シー
ルダムは高圧側で上流横方向面シーリングダムに直角に
連結されている。外径シーリングダムは、半径方向の力
の成分（Ｆ₃）により静止外側シートに対して押し付け
られて、静止外側シートに摩擦係合する。リングシール
は更に、下流横方向面シーリングダムが設けられ、これ
はシールリングの外径に直角に連結されている。シール
リングの下流横方向面は、軸線方向の圧力の力Ｆ₁とは
反対向きの軸線方向の圧力の力Ｆ₂を受ける。リングシ
ールの上流軸線方向面を回転グランドから第１の空間に
より分離する。上流軸線方向側面は上流横方向面シーリ
ングダムを含んでいる。リングシールの下流軸線方向側
面を回転グランドから第２の空間により分離する。リン
グシールの下流軸線方向側面は下流横方向面シーリング
ダムを含んでいる。リングシールの半径方向内側表面
を、回転グランドから第３の空間により分離する。

【０００８】本発明の構成及びその効果を一層よく理解
できるように、以下に、図面を参照しながら本発明を詳
しく説明する。

【０００９】

【具体的な構成】図面において、同じ参照符号は同一か
対応する部品を示す。図１及び図２において、本発明の
リングシール１０は、エンジンの静止フレームやその他
の非回転部材（図示せず）に取り付けられた静止外側シ
ート１２と摩擦係合している。リングシール１０は、タ
ービン段と圧縮段とを相互連結するシャフト等の回転構
造（図示せず）に固定された回転グランド１４の内側に
位置している。

【００１０】外径（半径方向外面）シールダム１６は静
止外側シート１２の半径方向内側のボア又は面に摩擦係
合しており、リングシール１０の上流高圧（Ｐ₁）側に
位置する横方向面（フェイス）シーリングダム１８と共
に、リングシール１０のコーナ部分を形成している。横
方向面シーリングダム１８を含んでいるリングシール１
０の上流軸線方向表面２０は、回転グランド１４から第
１空間２２により分離されており、その第１空間２２は
代表的には約０．００１インチの幅Ｈ₁を有している。
リングシール１０の半径方向内側の面又はボア２４は回
転グランド１４から第２空間２６により分離されてお
り、その第２空間２６は半径方向幅が約０．１インチで
ある。第２空間２６は中間圧力Ｐ₂の区域を表す。下流
軸線方向表面２８は、リングシール１０の低圧（Ｐ₃）
側で回転グランド１４から第３空間２９により分離され
ており、その第３空間２９も代表的には約０．００１イ
ンチの幅Ｈ₂を有している。ボアベント２７は、外径シ
ールダム１６の片側をシール１０の低圧側と空気動力学
的に連結している。

【００１１】上述したＨ₁及びＨ₂の寸法からわかるよ
うに、グランドの軸線方向幅はシールリングの軸線方向
幅よりほんのわずか大きいだけである。後で説明する理
由で、シール／グランド界面での合計の横方向シール面
クリアランスの変化はきわめて小さく、（Ｈ₁＋Ｈ₂）
が０．０００５インチ〜０．００２５インチの範囲にあ
る。

【００１２】下流又は低圧軸線方向表面２８は、その一
部に内部表面３０_Iを有しており、内部表面３０_Iは軸
線方向表面２８にほぼ平行で、下流面ベント３２及び下
流円周方向面グルーブ又は隙間３４両方の深さを画定す
る。下流軸線方向表面２８の浅いへこみは、下流面ベン
ト３２及び円周方向グルーブ３４に当接している流体動
力学的ベアリング浮上（リフト）パッド３６を表す。

【００１３】上流軸線方向表面２０は内部エッジ１８_I
を有しており、内部エッジ１８_Iは上流軸線方向表面２
０にほぼ平行で、上流面ベント３８及び上流円周方向面
グルーブ４０両方の深さを画定する。外径シールダム１
６、上流横方向面シーリングダム１８及び下流横方向面
シーリングダム３０は、実際上、高圧空気側Ｐ₁から低
圧空気側Ｐ₃への圧力降下に関与する３つの主要なシー
ルダムである。リングシール１０は、フローティング
（浮上）半径方向ブッシングと同様な原理で動作する
が、動作方向は軸線方向である。

【００１４】図２を参照すると、本発明をもっとよく理
解できる。外径シールダム１６は本発明のリングシール
の半径方向最外端となっている。ボアベント２７は横方
向面３０から外径シールダム１６の壁へ延在している。
流体動力学的ベアリング浮上パッド３６は下流面ベント
３２間に配置されており、ベント３２は面グルーブ３４
につながっている。

【００１５】図３に、リングシール１０に作用する主要
な力と圧力プロファイルとを示す。Ｐ₁は上流の高圧を
示し、Ｐ₂は中間圧力であり、Ｐ₃は下流の低圧であ
る。Ｆ ₁及びＦ₂は軸線方向の力、Ｆ₃及びＦ₄は半径
方向の力である。運転中は、高圧Ｐ₁がリングシール１
０を低圧Ｐ₃側に向けて押す。リングシールがＰ₃側で
回転グランド１４に近付くにつれて、空間２６及び２９
を通る空気流が少なくなり、そのためＰ₂がＰ₁に近付
く。高圧Ｐ₁は力Ｆ₃をリングシール１０に対して発揮
させ、そのためリングシールが外側静止シート１２に押
し付けられ、そこでは摩擦によりすべり運動が阻止され
る。従って、シールは自己センタリング性となる。更
に、リングシール１０がＰ₃側に移動し過ぎると、（グ
ランドが傾斜しているか、中心回転軸線に直角でない場
合に）回転グランドはシールを最高円弧点でＰ₁側に押
す。又、流体動力学的空気ベアリング浮上パッド３６は
Ｐ₃側への移動を妨げる。

【００１６】図４は本発明のリングシールの上流側を軸
線方向に見た図である。リングシールは、２つの１８０
°セグメント４２及び４４を、それぞれの端部で相補形
状の保持フック４６Ａ及び４６Ｂにより連結した構成で
ある。リングシール１０は、半径方向に広げられるよう
に、自動車のピストンリングと同様の単一ギャップを設
けた１つの連続体とすることもできる。しかしながら、
組立時にリングをグランドの外径より大きく広げること
による過応力問題を克服するために、セグメント状リン
グが好適である。

【００１７】上流面ベント又はスロット３８（図４には
３０個を図示）は、上流円周方向面グルーブ４０と直角
に連結しており、上流軸線方向表面２０が面ベント３８
間に且つ上流円周方向面グルーブ４０の半径方向内側に
配置されている。面ベント３８は深さが約０．１インチ
〜０．１１５インチである。上流横方向面シーリングダ
ム１８は円周方向面グルーブ４０の半径方向外側に配置
されている。

【００１８】図５Ａはリングシールの下流側を軸線方向
に見た図である。複数の流体静力学的ベアリング浮上パ
ッド３６が下流軸線方向表面２８にエッチングされてお
り（２８個のパッドを図示）、セグメント４２及び４４
を保持フック４６Ａ及び４６Ｂで接合したところにはパ
ッドが存在しない。複数の軸線方向面ベント又はスロッ
ト３２がパッド間に配置されている（３０個の面ベント
を図示）。面ベントは深さが約０．１００インチ〜０．
１１５インチである。シールは半径方向厚さが約０．３
５インチ〜０．６５インチで、均一である。

【００１９】図５Ｂに示すように、ベントは下流円周方
向グルーブ３４と直角に連結している。下流横方向面シ
ーリングダム３０はリングシール１０の周りに円周方向
に延在しており、円周方向面グルーブ３４の半径方向外
側に配置されている。複数の外径ベント２７が下流横方
向面３０の半径方向外側に配置されており、軸線方向に
シールダム１６まで延在している。

【００２０】図６Ａにおいて、本発明による流体動力学
的ベアリング浮上パッド３６は、リングシールの下流軸
線方向表面２８に、各浮上パッドの片側が面ベント３２
につながるようにエッチングされている。矢印３７はグ
ランド表面の回転方向を示す。図６Ｂに本発明の一実施
例による傾斜（テーパ）パッド３６Ｔを示し、図６Ｃに
本発明の他の実施例による段形パッド３６Ｓを示す。図
６Ｂ及び６Ｃは図６ＡのＣ−Ｃ線に沿って切った断面で
ある。図６Ｃの圧力プロファイルグラフは、傾斜パッド
にも段形パッドにも成り立ち、最大流体動力学的圧力Ｐ
_MAXが傾斜パッドでも段形パッドでも、パッドの面ベン
ト３２と接触しない側で生じることを示している。

【００２１】図７はリングシールの各１８０°セグメン
トの端部をタブ保持フック４６Ａ及び４６Ｂにより連結
する接合部を示す。自由な状態では、ばね４８が端部ギ
ャップ５１をギャップ５０がゼロになるまで、押し開け
ている。ばね力が、角度θの半径方向内向きの力成分と
協動して、２つのセグメントをロックし、グランド１４
から離脱するのを防止する。端部ギャップ５１に直角な
外径シールダム１６は、半径方向シート１２のボアより
大きい（図１参照）。半径方向シート１２のボア内に組
み込むときには、リングの外径を半径方向シート１２に
はまるように収縮させ、ギャップクリアランス５０を増
加し、ギャップクリアランス５１を減少させる。円周方
向クリアランス５０及び５１を、シールリング及び外側
シート材料の熱膨張率の差を吸収するように選択する。
１０００°Ｆ以下の温度レベルにさらされるシールリン
グ用の材料としては、炭素グラファイトが好適である。
もっと高い温度の場合には、加工可能なマイカガラスセ
ラミック（ＭＡＣＯＲ）又は耐熱（Ｍｅｅｈａｎｉｔ
ｅ）鉄をシールリング用材料として選択するのが好まし
い。

【００２２】シールが適正に機能するためには、リング
シール１０は本質的に静止状態に且つ外側静止シート１
２に着座した状態に留まる必要がある。シート１２での
摩擦が、回転グランド１４の下流面に対する連続な軸線
方向すべり及びこすれを防止する。従って、リングシー
ル１０は、半径方向力成分（Ｆ_r＝Ｆ₃−Ｆ₄）に静止
外側シート１２上の摩擦係数Ｃ_fを乗じた積が、圧力の
力の軸線方向成分（Ｆ _a＝Ｆ₁−Ｆ₂）より大きくなる
ように、圧力バランスを均衡させる必要がある。すべて
の圧力レベルについて関係Ｆ_a＜Ｆ_r・Ｃ_fが必要であ
る。

【００２３】この関係を満足するために、本発明のリン
グシール１０は、外径シールダム１６を上流高圧側に配
置している。これに対して、従来技術では、シールダム
を下流低圧側に配置するのが代表的である。本発明で
は、外径ベント２７が低圧Ｐ₃空気を外径シールダム１
６の下流エッジまで送り込み、この結果、半径方向圧力
の着座力Ｆ_rの大きさが著しく増加する。

【００２４】運転中は、面ベント３２及び３８が中間圧
力Ｐ₂を対応する横方向面シーリングダム３０及び１８
の内部エッジ３０_I及び１８_Iまで送り込み、正味の軸
線方向圧力の力Ｆ_aを大きく減少させる。更に、摩擦係
数を大きくするために、半径方向シート１２の表面を粗
面とすることができる。流体動力学的ベアリング浮上パ
ッド３６を下流軸線方向表面２８内に切削加工して丈夫
なガス膜を生成し、これによりステータ−ロータ間の軸
線方向並進中のリング−グランド界面接触荷重を（並進
がクリアランスより大きい場合）低減するかなくす。図
６Ａに示すように、数個（３つを図示）のガス浮上パッ
ド３６が、円周方向に、極めて深く溝切りされた面ベン
ト３２により分離されている。シャフトが回転するにつ
れて、シャフトの流体動力学的回転が空気をベアリング
浮上パッド３６の空間に押し込む。極めて浅い流体動力
学的ベアリングポケットと、回転シャフトに連結された
回転グランド１４の表面との界面におけるせん断勾配に
より、流体動力学的な圧力上昇が生じる。前述したよう
に、ベアリング形状は、荷重及び寿命条件に応じて、傾
斜パッド３６Ｔ（図６Ｂ）又は段形パッド３６Ｓ（図６
Ｃ）とすることができる。

【００２５】本発明のリングシールの効果は、シーリン
グ界面における有効な漏洩クリアランス区域を、シール
の直径にかかわりなく、非常に低いレベル、即ち約０．
００２インチ以下に維持することができることである。
これに対して、ラビリンスシールは、通常、直径１イン
チ当たり０．００１インチの半径方向クリアランスにて
動作すると考えられる。つまり、直径１０インチのラビ
リンスシールは０．０１０インチの半径方向クリアラン
スを有する。

【００２６】従って、本発明によれば、燃料消費を有意
に低減し、タービンブレード寿命を長くし、エンジンの
全体的効率／性能を向上することができる。以上の詳細
な説明は例示であって、限定的なものではない。上述し
た教示に照らして種々の変更や改変が可能である。従っ
て、本発明はここで特定した態様以外にも実施すること
ができ、そのような変更例も本発明の範囲内に入るもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリングシールセグメントの線図的半径
方向断面図である。

【図２】本発明のリングシールセグメントの一部の斜視
（部分的に断面を示す）図である。

【図３】図１と同様のリングシールセグメントの線図的
半径方向断面図であって、本発明のリングシールに作用
する力を表示した力グラフを含む図である。

【図４】本発明のリングシールの上流側を軸線方向に見
た線図である。

【図５】本発明のリングシールの構成を示す図であっ
て、図５Ａはリングシールの下流側を軸線方向に見た線
図、及び図５Ｂは図５Ａのリングシールの一部の拡大斜
視図ある。

【図６】本発明のリングシールの構成を示す図であっ
て、図６Ａはシールリングの下流側を軸線方向に見た拡
大図、図６Ｂは本発明の一実施例による傾斜形の流体動
力学的空気浮上パッドを示す図６ＡのＣ−Ｃ線方向断面
図、及び図６Ｃは本発明の他の実施例による段形の流体
動力学的空気浮上パッドを示す図６ＡのＣ−Ｃ線方向断
面（最大流体動力学的圧力が生じる位置を示すグラフを
含む）図である。

【図７】シールリングを構成する２つの１８０°セグメ
ントを連結するインターロッキングタブ保持フックの線
図的拡大図である。

【符号の説明】

１０リングシール１２外側シート１４回転グランド１６外径シールダム１８上流横方向面シーリングダム２０上流軸線方向表面２２第１空間２４ボア２６第２空間２７ボアベント２８下流軸線方向表面２９第３空間３０下流横方向面シーリングダム３２下流面ベント３４下流円周方向面グルーブ３６流体力学的ベアリング浮上パッド３８上流面ベント４０上流円周方向面グルーブ４２、４４セグメント４６Ａ、４６Ｂフック５０、５１ギャップクリアランス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンエンジンに用いて低圧側か
ら高圧流体側を分離するリングシールであって、隣接する表面とシール係合関係で当接しており、半径方
向表面上にある比較的狭い外径ボアシールダムと、当該
リングシールの高圧側に隣接して位置しているランドと
を備えているリングシール。
【請求項２】更に、前記高圧側から発生する軸線方向
の力Ｆ₁を受ける上流横方向面シーリングダムと、前記
外径シーリングダムの半径方向内側延長部に直角に連結
されている下流横方向面シーリングダムとを含んでお
り、前記外径ボアシールダムは前記上流面シーリングダムに
高圧側で直角に連結されていると共に静止外側シートに
摩擦係合しており、前記外径シールダムは半径方向の力
成分により前記静止外側シートに対して押し付けられて
おり、前記下流横方向面シーリングダムは、軸線方向の力Ｆ₁
と反対向きであって低圧側から発生する軸線方向の力Ｆ
₂を受けている請求項１に記載のリングシール。
【請求項３】当該リングシールの上流軸線方向側面は
回転グランドから第１の空間により分離されており、前
記上流軸線方向側面は前記上流横方向面シーリングダム
を含んでおり、当該リングシールの下流軸線方向側面は前記回転グラン
ドから第２の空間により分離されており、当該リングシ
ールの前記下流軸線方向側面は前記下流横方向面シーリ
ングダムを含んでいる請求項２に記載のリングシールア
センブリ。
【請求項４】当該リングシールは更に、前記回転グラ
ンドから第３の空間により分離されている半径方向内側
のエッジを含んでいる請求項３に記載のリングシールア
センブリ。
【請求項５】当該リングシールは更に、前記第１の空間と前記第３の空間との境界をなしており
当該リングシールの上流軸線方向側面の一部を含んでい
る上流面ベントと、前記第２の空間と前記第３の空間との境界をなしており
当該リングシールの下流軸線方向側面の一部を含んでい
る下流面ベントとを備えている請求項４に記載のリング
シールアセンブリ。
【請求項６】当該リングシールは更に、前記ボアシールダムと前記下流横方向面シーリングダム
とにより画定されているボアベントを含んでおり、前記上流面ベント及び前記下流面ベントは前記第３の空
間から空気を抽出して、正味の軸線方向の圧力の力Ｆ_a
を減少させ、前記ボアベントは低圧側から空気を抽出し
て、前記静止外側シートに対して発揮される半径方向の
力を増加させる請求項５に記載のリングシールアセンブ
リ。
【請求項７】２つのセグメントを備えており、該２つ
のセグメントは自由な状態でばね力及びセグメントの連
結界面間の角度θによる適当な合力成分により連結して
いるリングシールアセンブリ。
【請求項８】当該シールと、該シールを収容するグラ
ンドを有している相対回転要素との間にほぼこすれのな
い界面を与えると共に、当該シールの一方の側の高圧流
体領域を当該シールの反対側の低圧流体領域から大体分
離するリングシールであって、そのエッジに沿って形成されていると共に当該シールの
円周の周りに延在している比較的狭い外径ボアシールダ
ムと、該シールダムに隣接しており当該シールの周りに
円周方向に延在している外径グルーブと、当該シールの
周りに円周方向に間隔をあけて配置されていると共に前
記グルーブ及び当該シールの低圧側の間に延在している
複数の外径ベントとを有している半径方向外側表面と、当該シールの周りに円周方向に延在していると共に前記
外径シールダムとの連接部で終端する半径方向外側エッ
ジを有している比較的狭い面シールダムと、該面シール
ダムに隣接しており当該シールの周りに円周方向に延在
している面グルーブと、該面グルーブから当該シールの
半径方向内面まで延在している複数の面ベントとを有し
ている軸線方向上流面と、当該シールの周りに円周方向に延在していると共に、当
該面シールランドに隣接しており円周方向に延在してい
る他の面グルーブを有している比較的狭い面シールラン
ドと、前記他の面グルーブから当該シールの前記半径方
向内面まで延在している他の複数の面ベントと、該他の
複数の面ベントのうち隣接するものの間にそれぞれが配
置されている複数の流体動力学的ランド区域とを有して
いる軸線方向下流面とを備えており、前記流体動力学的ランド区域での流体動力学的反力から
生じる当該シールの下流面とグランドの隣接表面との間
の相対回転と、グランド内の流体圧力から当該シールに
発揮され、当該シールの前記半径方向外側表面に大きな
摩擦相互作用を生成する半径方向外向きの圧力とによ
り、当該シールがグランド内に空気動力学的にセンタリ
ングされるリングシール。