JP2000503373A - セラミックロータの円周方向密封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転シヤフトとシヤフトを外囲する固定ハウジングの間を密封する円周方向密封装置であり、その密封装置は、ハウジングに装着され半径方向内側に面するカーボン部を有するステータと、カーボン部と摩擦接触する半径方向外側に面する面を有するセラミツク密封部材を具備するロータとから成る。またロータはセラミツク密封部材をシヤフトに対し装着するための金属締付装置を有する。締付装置は軸方向にたわみ性を有する締付部材と、ロツクアツプ装置の圧縮力をうけるとセラミツク密封部材の装着フランジに締め付けられる半径方向にたわみ性を有する締付部材とを包有してなる。

Description

【発明の詳細な説明】 セラミツクロータの円周方向密封装置 （技術分野） 本発明は、回転シヤフトに沿つて密封する際に使用される円周方向密封装置で 、特に回転シヤフトに対してたわみ可能に装着されるセラミツク密封ロータの円 周方向密封装置に関する。 （背景技術） この種の円周方向密封装置は例えばガスタービンエンジンに採用されており、 エンジンの回転シヤフトが壁即ち隔壁を貫通する場合にそのシヤフトに沿つて流 体が漏洩することを防止する。図１を参照するに代表的な円周方向密封装置は、 シールロータ20の如き回転部材とシールロータ31のような非回転部材とを備える 。ロータ20は金属で作られており、回転シヤフト12に装着される。ロータ20は更 に半径方向外側に面する密封面21を有する。シールステータ31にはハウジング34 に装着される金属リング35とその半径方向内側に位置する面に装着されるカーボ ン密封リング36とが含有される。カーボンリング36が密封面21を外囲して矢印38 で示される漏れ通路を密封可能にするようなシールステータ31とロータ20とが具 備される。カーボンリング36に対する損傷を防止するために、リング36と密封面 間に半径方向の小さいギヤツプが保持される。 上述した密封装置に関する共通の問題は、カーボンリング36と密封面21間の半 径方向のギヤツプの変動の結果によつて 生じる。このギヤツプ変動は一部は遠心力の影響によるロータ20の機械的な拡大 に因るものであるが、より大きな影響力が温度変化による金属ロータとカーボン リング間の熱膨張の差に因つて生じる。即ちこの差は二つの部材の熱膨張率が異 なることに起因する。半径方向のギヤツプの変動は、半径方向のギヤツプが広く 空き過ぎる、あるいはギヤツプが完全に閉鎖されない等の場合に不都合な影響が 生じることになる。 ギヤツプが大きくなりすぎると、密封装置を経て漏洩する量が増加し、密封効 率が低下する。更にこの流量の増大によつて、近接する空洞部の圧力の制御が悪 影響を受け、その内部の高圧ガスの使用目的が損なわれる。一方ギヤツプが小さ すぎると、カーボンリングとロータ間とが実質的に接触され、部材の一方あるい は双方ともが短期間の間に損傷される危惧がある。 密封装置の性能を改善する一の方法としては、密封ロータをチタニウムで作成 することが提案されており、このチタニウムは熱膨張率が最小の金属の一つであ り、更に密封ロータに必要とされる強度要件をも満たすものである。チタニウム ロータとカーボンリング間の熱膨張の差は、ニツケルあるいは鉄を基材にした合 金による従来のロータの密封装置に比べ大幅に小さくなるが、密封装置の性能を 十分に改善する程度には減少されるまでには至つていない。これはチタニウムの 熱膨張率が金属としては最小であつても、カーボンよりは相当に大きいためであ る。更にチタニウムは従来のロータの合金ほど十分な耐久性がなく、従つてステ ータとの接触に依つ て損傷を受け易い。 他の方法はロータを積極的に冷却することにある。密封ロータは内面に冷却オ イルを流すことによつて、冷却できる。これはロータの温度を下げ、それに対応 して熱膨張大も減少させるので、望ましい。このようにロータの熱膨張を積極的 に制御することにより、ステータとロータ間の膨張差を最少に出来る。積極的な 冷却法の問題点は回転子にオイルを供給する装置を設ける必要がありこのため構 成がより複雑になり、これに伴いコストが増大することが挙げられる。他の問題 点は密封装置の密封面に極めて接近してオイルを追加する場合に、密封装置のガ ス側が汚染される危惧が高くなることにある。 しかし外部冷却構成を使用せずにロータが熱膨張したカーボンリングに近接し て移動するようにしたもの、またはカーボンリングとロータとの接触による損傷 を最小にするようにしたもの等、エンジン動作中十分に機械的な特性を持ち、熱 的および機械的膨張が十分に低い密封ロータの円周方向密封装置の提供が望まれ ている。 （発明の開示） 本発明の目的は、カーボンリングとロータ間の連係が温度が変化しても実質的 に一定に維持され得る円周方向密封装置を提供することである。 本発明によれば上記目的は、円周方向密封装置が、半径方向内側に面するカー ボン部を有したステータと半径方向外側に面するセラミツク密封体を含むロータ とを備え、セラミツ ク密封体が上記のカーボン部と摩擦接触されるように構成することによつて達成 される。またロータはセラミツク密封体を回転シヤフトに対し装着するための金 属の締付部材を具備する。締付部材は軸方向たわみ締付部材および半径方向たわ み締付部材を包有し、半径方向たわみ締付部材はロツクアツプ装置の圧縮力を受 けたときセラミツク密封体の取付フランジに対しに共に装着され得ることになる 。 セラミツク密封体の熱および機械的膨張特性はカーボン密封部の熱的膨張と同 様である。従つてセラミツク密封体は温度変化しても、カーボン部との摩擦接触 を維持出来る。更に締付部材により、セラミツク体がロツクアツプ装置の圧縮力 が加わらないよう隔離され、これによりセラミツク密封体に対する損傷が有効に 避けられ得る。 本発明の他の目的、特徴および利点は、以下に述べる発明の望ましい実施態様 の詳細な説明と添付の図面による説明から明らかとなろう。 （図面の簡単な説明） 図１は従来の円周方向密封装置を備えたガスタービンエンジンの部分断面図、 図２は本発明による円周方向密封装置を備えたガスタービンエンジンの部分断面 図、図３は図２の円周方向密封装置の分解斜視図、図４は図２の円周方向密封装 置の部分拡大図、図５は図２の円周方向密封装置の他の実施態様の断面図である 。 （発明を実施するための最良の形態） 図を参照するに図２には参照番号10で示されるガスタービ ンエンジンの一部分が示される。この一部分10には、半径方向に延びるコンプレ ツサホイール16のようなエンジンの回転部品を装着する回転シヤフトが包有され ている。固定ハウジング34はシヤフト12を外囲している。ハウジング34はシヤフ ト12上に装着される内部レース32を有したべアリング上に装着される。且つ円周 方向密封装置29はハウジング34とシヤフト12の間に装着される。密封装置29は従 来のステータ31を包有しており、ステータ31はハウジング34に装着される金属リ ング35およびステータの半径方向内側に向く面に装着されたカーボン密封リング を備えるか、あるいはカーボン部はリング35内に埋め込まれる。 一方密封装置29は新規な密封ロータ49を包有する。ロータ49には、矢印38で示 されるガス流の漏れを抑止するために、カーボンリング36に対して摩擦接触する 半径方向外側に面した密封面51を有するセラミツク、望ましくは窒化珪素の円筒 部材50が包有される。円筒部材50の軸方向の一端部には、半径方向外側に延びる フランジ53が具備され、オイル流がベアリング30を経て密封面に達することを防 ぐ油きりとして機能する。円筒部材50の同一の軸方向端部には、半径方向内側に 延びて配設されたフランジ70が設けられ、軸方向の締付負荷を受容可能な軸方向 の面を有する。更にロータ49はこの締付負荷を加えるための金属で環状の２個の 締付部材52、54を有する。 締付部52は円筒部56を備え、円筒部56は一端部に半径方向内側に延びるフラン ジ58と、他端部に半径方向外側に延びる リツプ部60とを有する。円筒部56の長さと厚さは、締付部52に対し半径方向にた わみ性を与えるように選定される。即ち円筒部56はフランジ58に固定された片持 ち状のビームとして機能する。望ましい半径方向のたわみ性を得るために、円筒 部56の厚さと長さの割合が望ましくは１対５以下にする要がある。 締付部54の円筒部62は一端部に半径方向内側に延びるフランジ64を、且つ他端 部に軸方向の面を有する。図４に示すように円筒部62は、円筒部62を貫通する複 数の円周方向に延びるスロツト74を具備する。このスロツト74が円筒部62に軸方 向のたわみ性を与えて、円筒部62がマツトレスのバネのように伸縮可能になつて いる。必ずしも必要ではないが、各スロツト74の円周方向の端部に、直径がスロ ツトの幅の約２倍の孔76を設けることがある。この孔76は円筒部56が軸方向に負 荷を加えられるときの応力の集中を軽減するように作用する。 図３を参照するに、エンジン10の組立中に、スペーサ26がシヤフト12の上方に 位置することにより、スペーサ24が肩部14に対し軸方向に当接する。次に締付部 52はフランジ58がスペーサ26に接触するまでスペーサ26上を滑動する。次にセラ ミツク部材50がシヤフト12および締付部52の上方に取り付けられていて、フラン ジ70の軸方向面の一つがリツプ部60と接触するようになる。好ましくは締付部52 の円筒部56は先細に構成されているため、セラミツク部材50がリツプ部60に接近 すると、軸方向の動作が抑止され、この結果完全に取り付け られたとき、幾分軸方向にプレス嵌めされる。軸方向の僅かなプレス嵌めにより 、セラミツク部材50が軸方向に確実に位置決めされ得る。先細のテーパ角度は軸 方向からわずか15度程度である。次に締付部54は、その軸方向の面66がフランジ 70の他の軸方向面と当接するまで、シヤフト12と締付部52との上方を滑動させる ことによつて取り付けられる。締付部54の寸法はフランジ64とフランジ58の間に 軸方向のギヤツプが形成されるように選定される。 次にベアイング30と他の回転部品がシヤフト12に装着される。シヤフト12に装 着する最後部材はナツト（図示せず）であり、これにトルクが加えられ、よつて 矢印Ｆで示される約30,000ポンドの圧縮力が軸方向に与えられる。この力はシヤ フト12上に装着される他の部品、特に内部レースに、次いでフランジ64、次にフ ランジ58、次いでスペーサ26を介して伝達され、肩部14からの抗力を受ける。し かし内部レース32、フランジ64、フランジ58およびスペーサ26は、ボルト上に置 かれた多数の座金がボルト頭によつて圧縮されると同様に、座金スタツク上にナ ツトを締めることにより圧縮された積重スタツクになる。荷重を受けて積み重ね られた部品はロツクアツプ装置と呼ぶ。圧縮荷重がロツクアツプ装置を介して加 えられると、フランジ64と58の間の軸方向ギヤツプがなくなり、円筒部62が圧縮 されてセラミツク部材50のフランジ70が締め付けられる。 この構成の重要な利点はセラミツク部材50が、スロツト74による得られる締付 部54の軸方向のたわみ性による圧縮荷重 Ｆをうけないことにある。 従つて円周方向密封装置29のセラミツク部材50により密封効果が従来品に比し 大幅に向上される。セラミツクの熱膨張はその熱膨張率が低いので、小になる。 また遠心力による半径方向の機械的膨張も、セラミツクの重量に対する剛性の割 合が高いために小さくなる。従つてセラミツク部材50は、カーボン部36を近接さ せることができ、この結果その間のギヤツプがエンジン10の動作範囲の全体を通 して、更に安定して一定化される。 またセラミツクとカーボン間の摩擦・摩耗特性は従来の場合より大幅に改善さ れ、密封面51が従来の断続摩擦接触ではなくカーボン部36に摩擦接触される。 図５に示される密封体の他の実施態様においては、セラミツク部材50ａが二つ の金属締付部52ａと54ａ間で締め付けられる。セラミツク部材50ａは、図示の如 く軸方向の締付荷重を受容可能な軸方向面71および72を包有する。半径方向にた わむ部材52ａは細手の円筒部56aを有し、この円筒部56aは一端部に面71を締め付 けるための半径方向外側に延びるリツプ部60ａと、他端部に回転シヤフト12に対 して装着するための半径方向内側に延びるフランジ部58ａとを具備している。フ ランジ部58ａは、部品を軸方向に位置決めするための一体スペーサ部26を有して いる。 軸方向にたわむたわみ部材54ａは、軸方向にたわみ性を与えるように、円周方 向に延びるスロツト（図示せず）を有する円筒部62ａと、シヤフト12に装着され るために一端部から 半径方向内側に延びるフランジ部64ａと、軸方向の締付荷重を面72に加えるため の他端部における面66ａとを包有している。ロツクアツプ装置は、ナツト80にト ルクを加えることにより、スペーサ部26ａ、フランジ部64ａ、ベアリングの内部 レース32ａ、および一以上の付加される回転部品（図示せず）を介して軸方向に 負荷され伝達され、シヤフト12の肩部（図示せず）から抗力を受けることにより 形成される。ロツクアツプ装置により、セラミツク部材50ａが上述の一実施態様 で説明したと同様の方法でリツプ部60ａと面66ａの間でたわみ性を伴なつて締め 付けられる。 図５の実施態様の設計変更は当業者には容易に理解されよう。従つて本発明の 上述の実施態様は一例であり、ここに添付の請求の範囲に記載した本発明の範囲 および精神がこれらの実施態様の開示によつて制限されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，Ｌ Ｖ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 オブライエン，マイケル エフ. アメリカ合衆国 アリゾナ州 85338，グ ツドイヤー，サイプレス ストリート 13432 ウエスト (72)発明者 フラー，フレツド アメリカ合衆国 アリゾナ州 85018，フ エニツクス，パサデナ アベニユー 3611 イースト (72)発明者 ボイド，ゲイリー アメリカ合衆国 コロラド州 81301，ド ランゴ，レイクサイド ドライブ 535 ノース

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジングに装着され、半径方向内側に面したカーボン部を有する密封ステ ータと、シヤフトに装着される金属の締付部材を有する密封ロータと、締付部材 に装着され、カーボン部と摩擦接触される半径方向外側に面する面を有するセラ ミツク密封部材とを備え、軸方向に延びる回転シヤフトとそのシヤフトを外囲す るハウジングの間を密封してなる円周方向密封装置。 ２．セラミツク密封部材が軸方向に面する第１および第２の装着面を有してなる 請求項１の密封装置。 ３．締付装置がロツクアツプ装置により生ぜしめられる圧縮力によりシヤフトに 保持されてなる請求項２の密封装置。 ４．締付装置が、シヤフトに装着され、第１の装着面と接触する軸方向に面する 第１の面を備えた環状で軸方向にたわみ性を有する第１の締付部材と、シヤフト に装着され、第２の装着面と接触する軸方向に面する第２の面を有する環状で半 径方向にたわみ性を有する第２の締付部材とからなり、それによつて、第１およ び第２の締付部材に圧縮力が加えられたときに第１の締付部材は圧縮され第２の 締付部材は引つ張られて、セラミツク密封部材が締め付けられるように構成され てなる請求項３の密封装置。