JPS6261827B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は非接触式シールに係わり、特にタービ
ン機械のような機械の、固定部材と回転部材との
間の非接触式ガスシールに関するものである。こ
こに、非接触式シールとは、回転部材と固定部材
との対面するシール部材が、抵抗を有する〓間を
形成するよう、相互に極く接近している種類のシ
ールを意味するものであつて、この２種類のシー
ル部材間の流体の流れを完全に阻止するものでは
ない。

（従来の技術） 回転部材と、流体を含む固定部材としてのハウ
ジングとの間の流体の流れをシールするための摺
動シールは公知である。しかしながら、これはハ
ウジングの中に配置されたセグメントが、回転部
材のシール面に対面するシール面を有するととも
に、セグメントを「サーフボード」のように流体
上に乗せて回転部材に対して上昇させる、複数に
分割した分割式の摺動シールである。また、かか
るシールは、このような上昇力をゆつくりと生じ
させるため、流体の薄い膜の厚さを、回転部材の
回転方向に減少させる形状のガスシールである。

このようなシールは、非接触式シールとして作
用する。シールのセグメントの背後を取巻くガス
の漏洩は、ハウジングとシールとしてのセグメン
トとの間の接触面に形成される２次シールによつ
て防止される。

（発明が解決しようとする問題点） このような、シールの作用が行われている間、
どのような状況下でも摺動接触が起こらないこと
を保証するために、セグメントの相対する面と回
転部材（この間で流体による持上げ力が生ずる）
が、相対的に回転する方向に対して直角な方向に
平行であることが厳しく要求される。しかしなが
ら、相対する持上げ面と相対する側面は相互に直
角をなすとともに、２次シールを形成するために
相対する側面が、反対側の高圧流体の圧力によつ
て接触する方向に押されるので、直角をなす面の
いずれの面のいかなる不整合も、上昇力の前記平
行関係の確立を妨げてしまう。

（発明の目的） 本発明の目的は、異なる面の間に前記不整合が
存在しても、それが持上げ面を平行になすことに
影響を与えないような液体用の非接触式シールを
提供することにある。

（発明の概要） 本発明によれば、機械の相対的回転が可能の構
成部材の間の流体の流れを減少させるための非接
触式シールは、シール面を有し、一方の構成部材
内に配置され、そのシール面が他の構成部材の協
働するシール面と対向して両部材間にシール部を
形成するシール環と、前記シール面に対して直角
の方向に動く自由度を持たしてシール環を配置す
るとともに、シール環との間にシールを施したハ
ウジングとを有し、前記シール環は多数のセグメ
ントにより構成され、各セグメントはシール区域
と上昇区域を含むシール面を有し、前記シール区
域は全シール面の一部を形成する非接触式シール
において、各セグメントの上昇区域はセグメント
の前端から後端まで延び、各セグメントの前端は
隣接するセグメントの後端の表面と重ね合せに配
置され、この重ね合せは、隣接するセグメントの
端部間に段部を形成し、少なくとも各セグメント
の上昇区域とこれに相面する前記他の構成部材の
シール面との間にテーパ状の〓間を作り、この〓
間が各セグメントの後端の方向に狭まるように形
成され、シール環とハウジングの間の流体シール
をなす狭い突出部は前記シール環の低圧側の各セ
グメントの側面に備えられ、この突出部はハウジ
ングの相対する側面に接触してハウジングに対し
て各セグメントの傾斜を許容する支点を形成し、
少なくとも重なり合うセグメントの一方が前記傾
斜の発生を許容するための第２の支点となるよう
な傾斜した輪郭であるよう構成されている。

この装置によつて、シール環が作動中の流体圧
力にさらされた時に、２次シールの重なり部分の
表面も、相対する持上げ面の配列に何等拘束され
ない。

ラジアルシールの場合、即ち持上げ面が軸方向
にも半径方向にも延びて、側面が半径方向に延び
る場合には、狭い突出部は各セグメントの長さ方
向に沿つて弦状に直線的に延びている。シールが
面シールである場合、持上げ面が半径方向に延
び、狭い突出部は各セグメントの周囲に沿つて円
弧状に延びている。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図はガスタービンエンジンのタービンロー
タを示し、このタービンロータは多数のタービン
ブレード４を周囲に装着したロータデイスク２を
有する。このロータデイスク２は固定ケーシング
６の中で回転可能であるとともに、軸方向に延び
るシリンダ８を支持し、このシリンダ８は非接触
式ガスシールの回転部分を構成し、このガスシー
ルはステータ構成体９を通る高圧作動流体の漏れ
を最少にするよう設計されている。シリンダ８は
半径方向に外側に面する面１０を有し、この面１
０は精密な機械加工によつてシール面として仕上
げられ、摩擦係数の小さいコーテイングが適当に
施されている。

環状の固定部材としてのハウジング１４の中に
はシール環１２が配設され、このハウジング１４
は隣接するステータ構成体９にボルトで締結され
ている。このシール環１２はステータ構成体９と
シリンダ８との間を埋めて、ここをシールするた
めのものである。

第２図乃至第５図において、シール環１２は複
数のセグメント１６に分割され、各セグメント１
６は半径方向に内側を向くシール面を形成するよ
うに連動する。各セグメント１６の前端は、他の
セグメント１６の後端に重なるように配置され、
隣接セグメント１６，１６の端部間に段部４８が
形成されて、シール環１２のシール面１５とシリ
ンダ８のシール面１０との間にテーパ状の〓間１
９を作ることによつて、前記セグメント１６の前
端２０ががシリンダ８のシール面１０から、常時
僅かに、例えば0.1016mm（0.004in）離れているよ
う配置されている。先細りの〓間１９の高さはロ
ータデイスク２の回転方向に向かつて除々に減少
する。

各セグメント１６は、ハウジング１４とシール
環１２との間のシールを形成するため、ハウジン
グ１４の側面２２に接触するよう平坦に機械加工
された側面２１を有する。接触は、２つの側面２
１，２２の間に反対側の側面から作用する高圧流
体の圧力によつて保持される。

実際上、機械加工の精度が低ければ、各セグメ
ント１６のシール面１５と側面２１とを直角にす
るのが困難になるとともに、ハウジング１４のシ
ール面１０と側面２２とを直角にすることも困難
になる。これらの面を直角にすることについて、
不整合が生じ得るとともに、セグメント１６の側
面２１が高圧ガスによつてハウジング１４の側面
２２と接触する方向に押圧されるので、この２側
面２１，２２はどのような不整合もそのままにし
て一線上に並び、上昇するシール面１５をシリン
ダ８のシール面１０に対して傾斜させようとす
る。上昇するシール面１５の間のテーパ状の〓間
１９の中のガスが持上げる距離は、横向きに平向
なシール面１０，１５によつて決定的に支配され
るので、前記不整合が前記シール面１０，１５を
摺動接触させることはあり得る。このため、第２
図乃至第４図に示すように、各セグメン１６の低
圧側の側面２１に、これを横断するように弦状で
直線的な狭い突出部２３を設ける。この突出部２
３の立上がり高さは、例えば0.254〜0.508mm
（0.01〜0.020in）程度とする。この突出部２３は
面１５と２１とのなす角度、あるいは面１０と２
２のなす角度が直角でなくても、２つのシール面
１０，１５を平行に保持するように各セグメント
１６が傾き得るための支点として作用する。

即ち、第３図に示すように、突出部２３を支点
として、セグメント１６がＸ−Ｘ方向に回動でき
るようにすることにより、セグメント１６とシリ
ンダ８との両端に於ける間隔Ａ，Ｂを一定とし
て、２つのシール面１０，１５を平行に保持する
のである。

また、第４図に示すように、セグメント１６の
相互に重なり合うよう配置された部分の下側に位
置するセグメント１６の表面は、円弧状に除々に
下方に傾斜して、上方に位置するセグメント１６
と線状に接触し、ここを第２の支点として、上方
に位置するセグメント１６が同図Ｙ−Ｙ方向に僅
かに回動できるよう構成されている。

このように、第２の支点を設けることにより、
上記セグメント１６のＸ−Ｘ方向の回動が阻害さ
れないようなされている。

セグメント１６は、高圧の流体によつて、シリ
ンダ８のシール面１０の方向に押圧され、高圧の
流体はセグメント１６の半径方向に外側に向いた
シール面１５に作用する。ガスタービンにおいて
は、この高圧空気はエンジンのコンプレツサから
送られるので、その圧力はエンジンの速度によつ
て支配される。エンジンが低速運転を行い、セグ
メント１６の下側に生じる空気の薄い膜の圧力が
低い時はセグメント１６の背後の空気圧も低く、
その結果、シールはこの範囲で自動的に平衡す
る。このことは、セグメント１６がフランジに接
触している始動時に、セグメント１６の背後に空
気圧がかからないので、特に有利である。

セグメント１６の背後の圧力は、これを持上げ
る力に対抗して作用するので、運転中に発生する
持上げる力が、セグメントを半径方向の内側に押
すガス圧を常に若干上回るようにする必要があ
る。この目的のため、各セグメント１６のシール
面１５には、周囲に延びる溝２５によつて、シー
ル区域２４と上昇区域２６に分割される。凹部２
８は、シールの高圧側からの高圧流体が、シール
の持上げ力を増大するための上昇区域２６の両側
の圧力を平衡させるための溝２５に連通してい
る。上昇力は〓間１９の中の流体によつて生じ、
この流体はシール面１０の回転によつてセグメン
ト１６の後端のこの〓間１９の容積が減少する方
向に引込まれる。

而して、第５図に示すように、高圧空気は凹部
２８を経て溝２５内に供給され、この溝２５から
セグメント１６とシリンダ８との間に形成された
〓間１９を通過して出ていく。この出ていく空気
はセグメント１６の上昇区域２６でセグメント１
６を持上げて支持し、シール区域２４でシールの
役割を果たす。これによつて、このセグメント１
６を持上げる力をこれに作用する背圧より若干大
きくすることができる。

シール区域２４は上昇区域２６と同時に形成さ
れるので、この両表面は同一の湾曲を有し、シー
ル面１０とともにテーパ状の〓間１９を特定す
る。しかしながら、上昇区域２６の表面に立上が
りを設け、シール区域２４の表面と異なる形状と
することにより、この〓間１９からの流体の漏洩
を更に減少させるようにすることができる。

スプリング環３０は、セグメント１６に切込ま
れて並ぶ凹部３２の中に設けられている。これら
は、セグメント１６の背後の高圧ガスの半径方向
に内側に向かう力と、テーパ状の〓間１９の中で
発生する半径方向に外側に向かう力の平衡によつ
て、セグメント１６を半径方向内向き、外向き、
あるいは場合によつてはゼロの弾力を生じるよう
にすることができる。更に、このスプリング環３
０は、シールがシリンダ８から除去された時に、
セグメント１６を正当に保持し、これを放射状に
配置するためのものである。セグメント１６はサ
ークリツプ３３によつて軸方向に配置される。

上昇力を最大にするために、セグメント１６の
最適な形状は、この幅に対する長さの比が３：１
ないし２：１であることが分つている。

セグメント１６が、この円周方向に分離し、
別々に移動することを防止するために、回し金付
き環３４が設けられ、この回し金付き環３４に
は、各セグメント１６に１個ずつの回し金３６が
間隔をおいて設けられ、この回し金３６がセグメ
ント１６の切欠き３７に嵌合する。従つて、シリ
ンダ８がハウジング１４に対して偏心運動を行う
原因となるロータデイスク２の振動やその他の状
況が続く間、セグメント１６のどの１個が外側に
移動しても、この移動が回し金付き環３４を外側
に移動させる。換言すれば、これが全てのセグメ
ント１６をシリンダ８の動きに追随して同一方向
に動かすとともに、各セグメント１６とシリンダ
８との〓間１９の輪郭を一定に保つ。回し金付き
環３４には、回転防止用のつかみ金具３８が連接
され、これによつてハウジング１４に対する回転
が防止され、これが見方を変えれば、シール環１
２とハウジング１４との相対的な回転を防止す
る。つかみ金具３８を、この金具３８を含んだ部
分断面図である第４図の鎖線の内部に便宜的に示
す。

以上の実施例は、シリンダ状の表面の半径方向
の〓間をシールするためのラジアルシールであ
る。このシールの構造を、第６図に示すように面
シールとして利用するようにすることは容易であ
る。第６図において、上記と同一部材は同一番号
で示している。すなわち、この実施例において、
シール環１２を構成するセグメント１６は、ステ
ータ構成体９に隣接するハウジング内に配置さ
れ、この構成体９はタービンデイスクとこれに隣
接する固定されたステータ構成体９の相対的な動
きによつて生じるシール環１２の軸方向の動きに
同調する軸方向に面した開口部を有する。

この実施例において、セグメント１６は２次シ
ールを形成する狭いシール用突出部４０が該セグ
メント１６の周囲を取巻いて円弧状に延びている
ことを除いて、上記実施例と実質的に同一であ
る。

配置するための部材は、軽いスプリング部材４
２を有し、このスプリング部材４２はスプリング
環４４から切離され、始動のためにセグメント１
６をロータデイスク２の方向に軽く押すためのも
のであり、また回し金４６を有し、この回し金４
６はセグメント１６の相対的な周辺位置を維持す
るためのものである。

本実施例は機械の固定部材と回転部材との間の
シールについて開示したが、この原理は固定及び
回転の両部材によつて生じる相対的な回転運動が
行われている場合も同じである。従つて、本発明
に基づくシールは、例えば反対方向の回転、ある
いは並列回転するシヤフトのシヤフト間シールと
して使用することができる。この場合、セグメン
トに作用する所定の遠心力を考慮しなければなら
ない。

（発明の効果） 本発明は上記のような構成であるので、シール
すべき回転部材及び固定部材の面が夫々相互に完
全な直角でなく、ある程度の誤差があつても、こ
れがシール性に影響を与えることなく確実に両者
のシールを行うことができる。従つて、この回転
部材及び固定部材加工が著しく容易となるといつ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はガスタービンエンジンのタ
ービン部分に適用した本発明の一実施例を示し、
第１図は要部を示す縦断正面図、第２図は第１図
の−線断面図、第３図は第２図の−線拡
大断面図、第４図は第２図の−線拡大断面
図、第５図は１個のセグメントのシール面を示す
裏面図、第６図は本発明の他の実施例を示す分解
斜視図である。 ２……ロータデイスク、４……タービンブレー
ド、８……シリンダ、１０……シール面、１２…
…シール環、１４……ハウジング、１５……シー
ル面、１６……セグメント、１９……〓間、２
３，４０……突出部、２４……シール区域、２５
……溝、２６……上昇区域、２８……凹部、３０
……スプリング環、３４……回し金付き環、４８
……段部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シール面を有し、一方の構成部材内に配置さ
   れ、そのシール面が他の構成部材の協働するシー
   ル面と対向して両部材間にシール部を形成するシ
   ール環と、前記シール面に対して直角の方向に動
   く自由度を持たしてシール環を配置するととも
   に、シール環との間にシールを施したハウジング
   とを有し、前記シール環は多数のセグメントによ
   り構成され、各セグメントはシール区域と上昇区
   域を含むシール面を有し、前記シール区域は全シ
   ール面の一部を形成する非接触式シールにおい
   て、各セグメントの上昇区域はセグメントの前端
   から後端まで延び、各セグメントの前端は隣接す
   るセグメントの後端の表面と重ね合せに配置さ
   れ、この重ね合せは、隣接するセグメントの端部
   間に段部を形成し、少なくとも各セグメントの上
   昇区域とこれに対面する前記他の構成部材のシー
   ル面との間にテーパ状の〓間を作り、この〓間が
   各セグメントの後端の方向に狭まるように形成さ
   れ、シール環とハウジングの間の流体シールをな
   す狭い突出部は前記シール環の低圧側の各セグメ
   ントの側面に備えられ、この突出部はハウジング
   の相対する側面に接触してハウジングに対して各
   セグメントの傾斜を許容する支点を形成し、少な
   くとも重なり合うセグメントの一方が前記傾斜の
   発生を許容するための第２の支点となるよう傾斜
   した輪郭であることを特徴とする非接触式シー
   ル。 ２ シールが、半径方向に延びる側面を有するラ
   ジアルシールであるとともに、狭い突出部が各セ
   グメントの長さ方向に沿つて弦状に直接的に延び
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   非接触式シール。 ３ シールが、軸に沿つた側面を有する面シール
   であるとともに、狭い突出部が各セグメントの周
   囲に沿つて円弧状に延びることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の非接触式シール。