JPS6261828B2 - - 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、ハウジングの接触面とシールのセグメ
ントとの間に形成される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） しかしながら、シールセグメントと、これに対
面するシール面との間の極めて小さな早退運動
が、この上昇の損失と２つの構成部材間の摺動接
触を生じさせる限り、セグメントに生じる上昇の
程度は、各セグメントとこれに対面するシール面
との間のテーパ状の〓間の形状によつて致命的に
左右される。

同様に、セグメントが通常装着される固定構成
部材の中の回転可能な構成部材の偏心運動は、そ
の運動方向にシールの〓間を減少させるととも
に、回転可能な構成部材の反対側のシールの〓間
を開き、その結果、この反対側の漏洩〓間を増大
させるとともに、シールを取巻く他の箇所のシー
ルの〓間の形状を変化させてしまう。このような
問題は、シールの前後に、例えばガスタービンエ
ンジンに典型的に見られる3.516乃至7.031Kg／cm²
（50乃至100psi）程度の比較的大きい圧力差があ
り、構成部材の相対的な回転速度が大きい時に
は、この種のシールのガスシールとしての効率を
低下させてしまう。

（発明の目的） 本発明の目的は、比較的高い圧力差をシールす
るため、例えばガスタービンエンジンに使用でき
る改良された非接触式シールを提供することにあ
り、このシールは上記の欠点を減少乃至除去した
ものである。

（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対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、セグメントの半径方向の相対的な動きを
許容するがセグメントの相対的な位置を維持する
装置が設けられている。

この装置によつて、作動中の２つの構成部材の
間で偏心運動が継続している間、セグメントの端
部がこの周囲から突出してしまうことなく調和し
て運動するよう強制され、他方、２つの構成部材
は膨脹及び収縮が許容される。

セグメントの「前端」及び「後端」とは、回転
可能な構成部材の回転する方向に対するものであ
り、本発明のラジアルシールに関する実施例にお
いて、シール環をハウジングに配置するための装
置は、１個又は２個以上のスプリング環を有し、
このスプリング環はシール環を構成する各セグメ
ントの側面に設けられた凹条部内に並べて配置さ
れている。セグメントの昇降は、テーパ状の〓間
を横断しテーパ面に設けられた溝を経由して、高
圧流体がこの圧力で低圧側に流れて、平行となつ
て行われることが好ましい。これによつて、上昇
区域の上昇力が増大する。

セグメントの相対的な円周上の位置を維持する
装置は、回し金付き環を有し、この環は回し金及
びつかみ金具によつて、ハウジングと各セグメン
トに固定される。

（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１５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４
８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１９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２
３を設ける。この突出部２３の立上がり高さは、
例えば0.254〜0.508mm（0.010〜0.020in）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２２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。

これにより、第３図に示すように、セグメント
１６が半径方向、即ち同図Ｚ−Ｚ方向に移動可能
に構成されている。

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
れて並ぶ凹条部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３０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、これの回し金３６がセグ
メント１６の切欠き３７に嵌合して、セグメント
１６に対する回し金付き環３４の相対的な回転が
防止される。従つて、シリンダ８がハウジング１
４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１２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
シールとして作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はロータデイスク２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の周囲に沿つて円弧状に取巻いている
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、ガスタ
ービン等、比較的高い圧力差を有し、しかも固定
部材の中の回転可能な構成部材が偏心運動して
も、その運動方向にシールの〓間を減少したり、
この反対側のシールの〓間を増大させることな
く、シールの〓間の形状が変化してしまうことを
極力防止することができる。従つて、流体の漏洩
を最少限に抑えることができるとともに、シール
としての効率が低下してしまうことを防止するこ
とができ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、３２……凹状部、３４……回
し金付き環、３６……回し金、３７……切欠き、
３８……つかみ金具、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
   昇区域とこれに相対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、セグメントの半径方向の相対的な動きを許容
   するがセグメントの相対的な位置を維持する装置
   が設けられていることを特徴とする機械の相対的
   な回転部材間の流体流を減少させるための非接触
   式シール。 ２ セグメントの相対的な円周上の位置を維持す
   るための装置が、ハウジングと各セグメントとに
   対して掛けられた回し金及びつかみ金具を設けた
   回し金付き環を有す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 ハウジングが機械の構造の一部を構成するこ
   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。 ４ ハウジングが機械の一部を構成し、これにシ
   ール環が組立てられ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。 ５ シールが機械の固定部材に配置され、このシ
   ール面が回転部材のシール面を支点として支持さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第４項のいずれかに記載の非接触式シール。 ６ シール環が機械の回転する構成部材に配置さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第５項のいずれかに記載の非接触式シール。 ７ シールがラジアルシールであつて、シール環
   をハウジングに配置するための装置が、各セグメ
   ントに設けた凹状部に嵌合するスプリング環を少
   なくとも１個有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載の非接触
   式シール。 ８ 各セグメントのシール面に上昇区域とシール
   区域とに区分する溝が設けられ、この溝はシール
   面の高圧側から設けた凹部に連通していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のい
   ずれかに記載の非接触式シール。 ９ 機械の相対的に回転する２つの構成部材間に
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第８項のいずれかに記載の非接触式シール。 １０ 機械がガスタービンエンジンであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第９項のい
   ずれかに記載の非接触式シール。