JPH11182684A - 可撓性布シール・アセンブリ - Google Patents
可撓性布シール・アセンブリInfo
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Abstract
法の大きな変化に対応し得る可撓性布シールを有するシ
ール・アセンブリを提供する。 【解決手段】 シール・アセンブリは、シム集合材(1
22)とそれを包囲する布集合材(124)とを含む可
撓性布シール(122)と、長手方向軸線を持つ第1管
状端部(114)と、第1管状端部の付近に配置され
て、それから離隔し且つそれと同軸的に整合した第2管
状端部(116)とを有する。第1管状端部は相互間に
切欠き(140)を画成する滑らかな相隔たる第1およ
び第2表面部分(136,138)を有する。切欠きは
頂部(144)が底部(142)より幅広である。布シ
ールの第1縁(126)が切欠きの底部内に配置され
る。第2管状端部は、第1管状端部の少なくとも一部分
を囲み且つ布シールと接触する滑らかな第3表面部分
(148)を有する。
Description
し、特に、可撓性布シール・アセンブリに関する。
使用される。公知のシールとして布シールがあり、これ
は概して不通気性のシム集合材と、このシム集合材を全
体的に包囲する布集合材とを有する。布シールは、例え
ば動力発生に用いる蒸気タービンおよびガスタービン用
のシール・アセンブリや航空機および船舶の推進に用い
るガスタービン用のシール・アセンブリに使用可能であ
るが、これらに限らず多くの用途に用い得るものであ
る。
気入口とタービンと蒸気出口とを含む蒸気通路を有す
る。ガスタービンは、通例、直流関係にある空気入口と
圧縮機と燃焼器とタービンとガス出口(または排気ノズ
ル)とを含むガス通路を有する。ガスまたは蒸気通路か
らの漏洩あるいはガスまたは蒸気通路内への漏洩のよう
な、比較的高圧の区域から比較的低圧の区域へのガスま
たは蒸気の漏洩は一般に望ましくない。例えば、ガスタ
ービンのタービン域におけるガス通路漏洩はガスタービ
ンの効率を下げるので、燃料費が高くなる。また、ガス
タービンの燃焼器域でガス通路漏洩が生じると、出力レ
ベルを保つために燃焼温度を上げることが必要になり、
このような燃焼温度上昇の結果として汚染が増加し、例
えばNOxとCOの発生量が多くなる。
の間隙のような比較的大きなガスタービン構成部相互間
の隙間を介して生じ、またガス通路漏洩は、燃焼器ケー
シング・セグメント相互間の間隙のような比較的小さな
ガスタービン構成部相互間の間隙を介して生じる。この
ような構成部は相異なる形状の表面を有し、組立ての整
合不良の影響を受け、そして振動する。例えば、振動
は、運転速度に達する前に一つ以上の危険振動数を通過
しなければならないタービン・ロータの始動の際に特に
重要である。また、高温部を有する構成部、例えば燃焼
器およびタービンは、熱的には高温ガス流を通し通例様
々な熱膨張を起こす。蒸気通路漏洩は、ガスタービン構
成部間の間隙によるガス通路漏洩と同様に、蒸気タービ
ン構成部間の間隙を介して生じる。
ス通路漏洩間隙と蒸気タービンの蒸気通路漏洩間隙とに
おいて用いるものとして既に提案されている。しかし、
このような従来の布シール・アセンブリは2つの構成部
相互間の漏洩路間隙の寸法の大きな変化に対応すること
ができないので、このような「大間隙変化」の用途に用
いるものとして提案されることはなかった。従来の布シ
ール・アセンブリをこのような「大間隙変化」用途に用
いた場合、布シールは両構成部相互間の間隙が非常に小
さくなった時にクリンプを起こし(すなわち非弾性的に
曲がり)、その後に間隙が正常に戻るか又は非常に大き
くなった時に漏止めの役をなさなくなるおそれがある。
た従来のシールは、例えば金属製の通常の剛性シールま
たはリーフ・シールであり、2.4%の漏れ率を有し得
る(この漏れは主として、相異なる表面形状、組立て不
整合、振動、熱膨張および/または摩耗によるシール周
囲の流れからのものである)。燃焼器ではこのような漏
れの結果として、15ppm(またはそれ以上)のNO
xと、同様な量のCOとが発生し得る。通常の剛性シー
ルまたはリーフ・シールは漏止め能力が布シールほど高
くないことに注意されたい。そこで必要とされるもの
は、振動、熱膨張差等によるガス通路漏洩間隙寸法の大
きな変化に対応し得る可撓性布シールを有する改良され
たシール・アセンブリである。
シールと第1管状端部と第2管状端部とを含む。可撓性
布シールは、概して不通気性のシム集合材と、このシム
集合材を全体的に包囲している布集合材と、概して相対
する第1および第2縁と、第1および第2縁と境を接し
且つ布集合材の厚さだけ離隔された概して相対する第1
および第2面とを有する。第1管状端部は、概して滑ら
かであって概して相対して相隔たる第1および第2表面
部分を有する。第1および第2表面部分は相互間に切欠
きを画成する。切欠きは比較的狭い底部と比較的幅広の
頂部とを有し、この頂部はまたその付近における可撓性
布シールの厚さより幅広であり、そして切欠きはその底
部から第1管状端部の長手方向延在軸線から外向きに延
在する。第2表面部分は概して外側が湾曲しており、可
撓性布シールの第1縁は切欠き内にその底部の付近に配
置され、そして可撓性布シールの第1面は第1縁の付近
で第1管状端部の第1表面部分に次のような方向、すな
わち、それの軸線への投影が第1長手方向を定めるよう
な方向に面する。第2管状端部は、第1管状端部の付近
に配置されてそれから離隔され且つそれと概して同軸的
に整合される。第2管状端部は概して滑らかな第3表面
部分を有し、この第3表面部分は第1管状端部の少なく
とも一部分を囲み且つ第1長手方向とは逆の長手方向に
移行するにつれて軸線から遠ざかるように延在する。可
撓性布シールの第1面は第2縁の付近で第3表面部分と
接触する。第1面は比較的低圧の区域にさらされる第1
面部を有する。第2面は、第1面部とは概して反対の側
にあって比較的高圧の区域にさらされる第2面部を有す
る。可撓性布シールの第2縁は次のような方向、すなわ
ち、それの軸線への投影が第1長手方向とは逆の向きと
整合するような方向を向いている。
布シールの第2面は、間隙が非常に小さい間は、外側湾
曲第2表面部分に接触し、このような第2表面部分は弾
性変形を阻止するように支持をなす。さもなければ、当
業者には理解できるように、「大間隙変化」用途におい
て弾性変形が生じる。工学的な解析によれば、本発明の
シール・アセンブリを用いるとガスまたは蒸気の漏れ率
は0.4%になり、これは、動力発生に用いるガスター
ビンまたは蒸気タービンの諸用途では、従来の剛性シー
ルまたはリーフ・シールあるいは従来の布シール装置と
比べて毎年タービン1台当たり数万ドルの節約になり得
る。本発明のシール・アセンブリの使用によるこのよう
な改良ガス通路漏洩に応じて、NOxとCOの発生も少
なくなり、NOx発生量9ppmとCO発生量9ppm
という将来の政府汚染基準に適合することが期待され
る。
要素を表す。図1〜図3は本発明の第1好適実施例のシ
ール・アセンブリ110を示す。シール・アセンブリ1
10は可撓性布シール112と第1管状端部114と第
2管状端部116とを含む。シール・アセンブリ110
は第1および第2管状端部114および116(これら
のほんの一部分だけを図示してある)の間の気体(例え
ば圧縮空気または燃焼ガス)通路または蒸気通路漏れ間
隙118を全体的に密封するためのものである。好まし
くは、第1および第2管状端部114および116はそ
れぞれ中空直円柱形であり、第1管状端部114は第1
タービン構成部(望ましくは第1ガスタービン構成部、
好ましくは燃焼器)の端部であり、第2管状端部116
は第2タービン構成部(望ましくは第2ガスタービン構
成部、好ましくは第1段ノズル)の端部である。両管状
端部は、例えば円錐形ダクトまたは正方形導管である
が、これらに限らず、技術者によって選択された任意の
管形でよい。
ル112は、概して不通気性のシム集合材122と、シ
ム集合材122を概して包囲している布集合材124と
を有し、厚さ120持つ。可撓性布シール112はま
た、概して相対する第1および第2縁126および12
8と、第1および第2縁126および128と境を接し
且つ厚さ120だけ離隔された概して相対する第1およ
び第2面130および132とを有する。布シールの一
例は米国特許第5586773号に開示されている。好
ましくは、厚さ120は可撓性布シール112全体にわ
たってほぼ一定である。
は可撓性および弾性を有し、概して無孔であり且つ概し
て不通気性である。シム集合材122の弾性は可撓性布
シール112の密封性を保つとともに、相異なる表面形
状、組立て不整合、振動および/または第1および第2
管状端部114および116の間に熱的に誘起された相
対移動に対処し得る。シム集合材122は(図3に示す
ように)少なくとも一つのシム層からなる。シム集合材
122は、可撓性を高めるために千鳥形に配設したスロ
ットを有する少なくとも2つの重なり合う(好ましくは
同様な)シム層で構成し得る。シム層は金属、セラミッ
クおよび/または重合体シートを有する(好ましくは、
実質上これらから構成される)。シム用材料の選定およ
びシム層の厚さの選定は、特定シール用途の漏止めと可
撓性と弾性の要件に適合するように技術者によってなさ
れる。好ましくは、シム集合材122は4層以下のシム
層を有する。好ましくは、シム集合材122はほぼ10
0分の1〜100分の20インチの厚さを有し、各シム
層は例えばインコ750(Inco−750)またはH
S−188のような高温コバルト基超合金を有する(好
ましくは、実質上こそれから構成される)。シム層は特
定シール用途に基づいて相異なる材料で構成され及び/
又は相異なる厚さを有し得ることに注意されたい。
可撓性であって、(図3に示すように)少なくとも1層
の布からなる。布集合材124は重なり合う少なくとも
2層の布で構成し得る。1層の布は金属、セラミックお
よび/または重合体の繊維を有する(好ましくは、実質
上これらから構成される)。このような繊維は織るか編
むかあるいは型押しすることにより1層の布にしたもの
である。層構造(すなわち、織物、編物または型押し構
造)の選定および布材料の選定並びに1層の厚さの選定
は、特定シール用途の耐摩耗性と可撓性と漏止めの要件
に適合するように技術者によってなされる。好ましく
は、布集合材124は2層以下の布を有する。このよう
な多重布層は特定シール用途に基づいて相異なる材料で
構成し、相異なる層構造(すなわち、織物、編物または
型押し構造)を有し、および/または相異なる厚さを有
し得ることに注意されたい。好ましくは、各布層は織布
層である。布集合材124の一例は、例えばL−605
またはヘインズ25(Haynes−25)のような高
温コバルト基超合金を有する(好ましくは、実質上それ
から構成される)ダッチ・トウィル(Dutch Tw
ill)織り布集合材である。布集合材124がシム集
合材122と接触している時、布層の「平面(plan
e)」における漏れが横糸方向と斜め方向とたて糸方向
において減少することに注意されたい。また、多くのガ
スタービン・シール用途(例えば燃焼器ケーシング・セ
グメント相互間の用途)では湾曲フォイル層集合材が必
要であることに注意されたい。図示してないが、シム集
合材は第1および/または第2縁において布集合材を突
き抜けてもよいことを指摘しておく。
114は、概して長手方向に延在する軸線134を有す
る。図1および図2において、可撓性布シール112並
びに第1および第2管状端部114および116は軸線
134の上側にある部分だけが示されていて、軸線13
4の下側にある部分は明示のため省略されていることに
注意されたい。第1管状端部114はまた、概して滑ら
かであり且つ概して相対して相隔たる第1および第2表
面部分136および138を有し、両表面部分は相互間
に切欠き140を画成する。切欠き140は比較的狭い
底部142と比較的幅広の頂部144とを有し、切欠き
140の頂部144はまたその付近における可撓性布シ
ール112の厚さ120より幅広であり、そして切欠き
140は底部142から軸線134から外向きに延在す
る。第2表面部分138は概して外側が湾曲している。
可撓性布シール112の第1縁126は切欠き140内
に切欠き底部142の付近に配置され、そして可撓性布
シール112の第1面130は第1縁126の付近で第
1表面部分136に次のような方向、すなわち、該方向
の軸線134への投影が第1長手方向146を定めるよ
うな方向に面する。「(ある物の)付近」という用語の
意味は、本発明の説明のために、それに限定されない
が、その物の「位置」も含むことに注意されたい。
116は、第1管状端部114の付近に配置されて、そ
れから離隔され且つそれと概して同軸的に整合される。
第2管状端部116は概して滑らかな第3表面部分14
8を有し、この第3表面部分は第1管状端部114の少
なくとも一部分を囲み、且つ第1長手方向146とは逆
の長手方向に移行するにつれて軸線134から遠ざかる
ように延在する。可撓性布シール112の第1面130
は第2縁128の付近で第3表面部分148と接触す
る。可撓性布シール112の第1面130は比較的低圧
の区域152にさらされる第1面部150を有する。可
撓性布シール112の第2面132は、第1面部150
とは概して反対の側にあり且つ比較的高圧の区域156
にさらされる第2面部154を有する。好ましくは、低
圧域152は第1および第2管状端部114および11
6の内側に延在し、高圧域156は第1および第2管状
端部114および116の外側に延在する。可撓性布シ
ール112の第2縁128は次のような方向、すなわ
ち、それの軸線134への投影が第1長手方向146と
は逆の向きと整合するような方向を向いている。軸線1
34からの第1および第2管状端部114および116
の半径方向距離は運転状態によっては等しくなくてもよ
いことに注意されたい。運転中、漏れ間隙118は、主
として、第1および第2管状端部114および116の
相対振動および/または第1および第2管状端部114
および116の熱膨張差によって寸法が変わる。前述の
ように、可撓性布シール112の第2面132は、間隙
118が非常に小さい間は、第1管状端部114の外側
湾曲第2表面部分138に接触し(図1参照)、このよ
うな第2表面部分は可撓性布シール112(特に可撓性
布シール112のシム集合材122)の弾性変形を阻止
するように支持をなす。このような第2表面部分がなけ
れば、当業者には理解できるように、「大間隙変化」用
途において弾性変形が発生する。
アセンブリ210を示す。シール・アセンブリ210は
前述の第1好適実施例のシール・アセンブリ110と同
様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・
アセンブリ210では、第1管状端部214の第1表面
部分236が、軸線234から半径方向外向きに移行す
るにつれて、第1長手方向246とは逆の方向に向かっ
てより多く湾曲している。これに比べて、シール・アセ
ンブリ110における第1管状端部114の第1表面部
分136は軸線134から概して半径方向外向きに延在
する。
アセンブリ310を示す。シール・アセンブリ310は
前述の第1好適実施例のシール・アセンブリ110と同
様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・
アセンブリ310では、第1管状端部314の第1表面
部分336が、軸線334から半径方向外向きに移行す
るにつれて、第1長手方向346に向かってより多く湾
曲している。これに比べて、シール・アセンブリ110
における第1管状端部114の第1表面部分136は軸
線134から概して半径方向外向きに延在する。
アセンブリ410を示す。シール・アセンブリ410は
前述の第1好適実施例のシール・アセンブリ110と同
様であるが、以下に述べるような違いがある。シール・
アセンブリ410では、第2管状端部416の第3表面
部分448が、自由端460を有するフランジ458の
一部分であり、自由端460は次のような方向、すなわ
ち、それの軸線434への投影が第1長手方向446と
整合するような方向を向いている。これに比べて、シー
ル・アセンブリ110における第2管状端部116の第
3表面部分148は、自由端160を有するフランジ1
58の一部分であり、自由端160は次のような方向、
すなわち、それの軸線134への投影が第1長手方向1
46とは逆の向きと整合するような方向を向いている。
分536および第2表面部分538と、第2管状端部5
16の第3表面部分548とを含む本発明のシール・ア
センブリの第5好適実施例510の概略を示す。シール
・アセンブリ510は前述の第1好適実施例のシール・
アセンブリ110と同様であるが、以下に述べるような
違いがある。シール・アセンブリ510では、低圧域5
52が第1および第2管状端部514および516の外
側に延在し、そして高圧域556が第1および第2管状
端部514および516の内側に延在する。これに比べ
て、シール・アセンブリ110では、低圧域152は第
1および第2管状端部114および116の内側に延在
し、そして高圧域156は第1および第2管状端部11
4および116の外側に延在する。これは、シール・ア
センブリ510では第1長手方向546が第1シール・
アセンブリ110の第1長手方向146とは逆であるか
らである。これは、シール・アセンブリ110では第1
表面部分136が第2表面部分138より第1管状端部
114の自由端162に近いのに対し、シール・アセン
ブリ510では第1表面部分536が第2表面部分53
8より第1管状端部514の自由端562から遠くにあ
るということによる。
目的で説明したが、本発明は開示した明確な態様に限定
されるものではなく、明らかに、上述の教示から多様な
改変が可能である。
の概略断面図であり、2つの構成部相互間の漏れ間隙が
その最小所定位置にある場合を示す。
互間の漏れ間隙がその最大所定位置にある場合を示す。
である。
第2好適実施例の概略断面図である。
第3好適実施例の概略断面図である。
第4好適実施例の概略断面図である。
第5好適実施例の概略断面図である。
アセンブリ 112 可撓性布シール 114、214、314、514 第1管状端部 116、416、516 第2管状端部 122 シム集合材 124 布集合材 126 第1縁 128 第2縁 130 第1面 132 第2面 134、234、334、434 軸線 136、236、336、536 第1表面部分 138、538 第2表面部分 140 切欠き 142 切欠き底部 144 切欠き頂部 146、246、346、446、546 第1長手
方向 148、448、548 第3表面部分 150 第1面部 152、552 低圧域 154 第2面部 156 高圧域
Claims (3)
- 【請求項1】 a)厚さと、概して不通気性のシム集合
材と、このシム集合材を概して包囲している布集合材
と、概して相対する第1および第2縁と、前記第1およ
び第2縁と境を接し且つ前記厚さだけ離隔された概して
相対する第1および第2面とを備えた可撓性布シール
と、 b)概して長手方向に延在する軸線と、概して滑らかで
且つ概して相対して相隔たる第1および第2表面部分と
を有する第1管状端部であって、前記第1および第2表
面部分は相互間に切欠きを画成し、前記切欠きは比較的
狭い底部と比較的幅広の頂部とを有し、この頂部はまた
その付近における前記可撓性布シールの前記厚さより幅
広であり、前記切欠きは前記底部から前記軸線から外向
きに延在し、前記第2表面部分は概して外側が湾曲して
おり、前記第1縁は前記切欠き内に前記底部の付近に配
置され、そして前記第1面は前記第1縁の付近で前記第
1表面部分に次のような方向、すなわち、それの前記軸
線への投影が第1長手方向を定めるような方向に面する
ようにした第1管状端部と、 c)前記第1管状端部の付近に配置されて、それから離
隔され且つそれと概して同軸的に整合された第2管状端
部であって、概して滑らかな第3表面部分を有し、この
第3表面部分は前記第1管状端部の少なくとも一部分を
囲み、且つ前記第1長手方向とは逆の長手方向に移行す
るにつれて前記軸線から遠ざかるように延在し、前記第
1面は前記第2縁の付近で前記第3表面部分と接触し、
前記第1面は比較的低圧の区域にさらされる第1面部を
有し、前記第2面は前記第1面部とは概して反対の側に
あり且つ比較的高圧の区域にさらされる第2面部を有
し、そして前記第2縁は次のような方向、すなわち、そ
れの前記軸線への投影が前記第1長手方向とは逆の向き
と整合するような方向を向いているようにした第2管状
端部とを含んでいることを特徴とするシール・アセンブ
リ。 - 【請求項2】 前記低圧域は前記第1および第2管状端
部の内側に延在し、前記高圧域は前記第1および第2管
状端部の外側に延在する請求項1記載のシール・アセン
ブリ。 - 【請求項3】 前記第1および第2管状端部はそれぞれ
中空直円柱形である請求項2記載のシール・アセンブ
リ。
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