JP7181994B2 - 回転防止特徴を有する非接触シール - Google Patents

Description

本発明は、互いに対して相対的に回転可能な２つの機械構成要素の間の円周方向の間隙をシールするためのシールに関する、より詳細には、機械構成要素の１つに沿ってそれと非接触シールを形成する位置に延びる少なくとも１つのシューを有するシールに関する。

ガスタービンエンジンのようなターボ機械は、現在、重要な用途のためにラビリンスシール、ブラシシール又はカーボンシールのいずれかに依存している。ラビリンスシールは、適切なシールを提供するが、エンジンの動作の全てのポイントで半径方向公差を維持することに極めて依存している。半径方向のリアランスには、熱膨張、シャフト運動、許容誤差スタックアップ、ラブ許容誤差などの要素を考慮する必要がある。最大のラビリンスシール効果を達成するためには、シールクリアランスの最小化が必要である。クリアランスが維持されない場合の漏れの増加に加えて、エンジン振動の増加の可能性がある。ストレートスルーラビリンスシールは間隙変化に最も敏感で、間隙が大きいとキャリーオーバー効果が生じる。段付きのラビリンスシールは、半径方向間隙と同様に軸方向間隙に非常に依存しており、それは各ランド部で可能な歯数を制限する。予備溝付きラビリンスシールは、軸方向のクリアランス及び半径方向のクリアランスの両方に依存し、段付きのシールよりも良好な漏れ性能を提供するためには、半径方向のリアランスの２倍未満の軸方向のクリアランスを有していなければならない。

ガスタービンエンジンのようなターボ機械は、大型化、高効率化、堅牢化が進んでいる。特にエンジン系の高温部では、大型の動翼及び静翼が利用されている。現代のエンジンで実施されている高圧力比及び高いエンジン焼成温度を考慮すると、翼型のようなある種の構成要素、例えば静翼及び回転翼は、現在存在するものよりも効率的なシール能力を必要とする。

現在のアセンブリでは、ターボ機械における回転部品と静止部品との間のクリアランスは、性能の低い範囲にある。コンプレッサベーンキャリア、タービン－シュラウドキャビティ構成、中間シャフト等において、空力損失のいくつかのドライバが存在し、これがターボ機械の効率を低下させる。１つのドライバは、回転性の構成部品上の流れである。クリアランス領域の下流で生じる混合損失は高く、ステージ効率と出力の低下に寄与する。先端キャビティを通る流れが主流と結合し、２つの流れが異なる速度を持つ場合、追加の混合損失が発生する。翼端漏れは、本質的に仕事を抽出するための機会を失う。また、翼端漏れは空力２次損失にも寄与する。

本発明の一形態では、第１の機械構成要素と、軸方向の長手方向軸を中心として第１の機械構成要素に対して回転可能である第２の機械構成要素との間の円周方向の間隙をシールするためのシールアセンブリは、外側リングに沿ってシールアセンブリの全ての構成要素をまとめて保持するシールキャリアを含み、１次シールを含み、１次シールは、第１及び第２の機械構成要素の１つに沿って延在し、それと非接触シールを生成する少なくとも１つのシューを含み、シューはスロットと共に形成されており、第１及び第２の機械構成要素の１つに接続するように構成され、少なくとも１つのシューに接続された少なくとも１つのバネ要素を含み、少なくとも１つのバネ要素は、第１及び第２の機械構成要素の間の円周方向の間隙の１次シールの生成を補助するために、流体の流れによって少なくとも１つのシューに加えられる流体圧力に応じて、少なくとも１つのシューと共に偏向及び移動させるのに有効であり、少なくとも１つのシュー内に形成されたスロット内に延びる溝を含む中間プレートを含み、並んで配向された少なくとも１つのシール要素を備える少なくとも１つの２次シールを含み、少なくとも１つのシール要素は、中間プレートの溝に面一に入っており、少なくとも１つのシューに形成されたスロット内に延在し、少なくとも１つのバネ要素を軸方向にシールし、また、２次シールの少なくとも１つのシール要素に隣り合い、少なくとも１つのシューに形成されたスロット内に延在する前面プレート（１２）を含み、少なくとも１つのシール要素及び中間プレートは、それぞれ、シールアセンブリ内での少なくとも１つのシール要素に対する回転をひとまとめに防止する、少なくとも１つのピン又は少なくとも１つの穴のうちの１つを有している。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の図面、説明、および特許請求の範囲を参照して、より良く理解されるであろう。

本発明は、図面の助けを借りて、より詳細に示される。図は好ましい構成を示しており、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の実施例のシールアセンブリの分解図を示す。 シールアセンブリの実施例の一部の立面図を示す。 本発明の実施例の一部の立面図を示す。 本発明の実施例の一部の立面図を示す。 本発明の実施例の一部の立面図を示す。 本発明の実施例の一部の立面図を示す。 本発明の実施例の一部の端部図を示す。 本発明の実施例の一部の斜視図を示す。

以下の好ましい実施形態の詳細な説明においては、本明細書の一部を構成する添付図面を参照する。これらの図中には、本発明が実施されることがある具体的な実施形態が、限定的ではなく、例示的に示されている。他の実施形態を利用してもよいこと、また、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく変更を行ってもよいことを理解すべきである。

大まかには、本発明の実施形態は、第１の機械構成要素と第２の機械構成要素との間の円周方向の間隙をシールするためのシールアセンブリを提供し、このシールアセンブリは、縦軸を中心として第１の機械構成要素に対して回転可能である。シールアセンブリは、シールキャリアと、１次シールと、中間プレートと、少なくとも１つの２次シールと、前面プレートとを含む。少なくとも１つの２次シールは、少なくとも１つのシール要素を含む。少なくとも１つのシール要素及び中間プレートは、それぞれ、少なくとも１つのピン又は少なくとも１つの穴のうちの１つを有し、それらはシールアセンブリ内での少なくとも１つのシール要素に対する回転をひとまとめに防止する。

ターボ機械は、通常、コンプレッサ部と、燃焼器と、タービン部とを含む。コンプレッサ部は周囲の空気を吸い込み、圧縮する。コンプレッサ部からの圧縮空気は、燃焼器部内の１つまたは複数の燃焼器へ入る。圧縮された空気は、燃焼器内で燃料と混合され、混合気は高温作動ガスを形成するために燃焼器内で燃焼される。高温作動ガスはタービン部に送られ、そこで静止翼と回転翼の交互列を通って膨張され、ロータを駆動できる動力を発生させるために使用される。その後、タービン部を出る膨張した気体は、排気部を介してエンジンから排気される。

コンプレッサ部およびタービン部は、回転構成要素と静止構成要素との間に隙間またはクリアランスが存在し得る幾つかの位置を含み得る。エンジンの運転中、コンプレッサおよびタービンセクションのクリアランスを通る流体の漏れによってシステム損失が発生する可能性がある。このシステム損失は、システムの作動効率を低下させる。流体の漏れの例は、回転ブレードの先端と、外側シュラウドまたはベーンキャリアのような、周りを取り囲む静止構造または境界との間のクリアランスを横切ることである。

シールは、ガスタービンエンジン内の区域にわたる漏れを防止するために必要である。第１の機械構成要素と第２の機械構成要素との間の円周方向の間隙をシールする回転防止特徴部を備えた非接触シールが望まれている。

図１は、ガスタービンのようなターボ機械に含まれ得るシールアセンブリ１０の実施形態の分解図を示す。図７及び図８は、シールアセンブリ１０をその組立形態で示す。シールアセンブリ１０は、前面プレート１２と、少なくとも１つの２次シール１４と、中間プレート２２と、１次シール２６と、シールキャリア３６とを含み得る。図７に示す組み立てられたシールアセンブリ１０は、固定ステータ７２及び回転ロータ４８のような第１の機械構成要素３８及び第２の機械構成要素４０といった２つの部品の間の、円周方向の間隙１１の非接触シールを作る。

各シールアセンブリ１０は、１次シール２６の一部として、少なくとも１つのシュー２８を含み、また状況によっては、ロータ４８の外面に沿った非接触位置に位置する円周方向に離間した複数のシュー２８を含む。各シュー２８は、シール面７０と、図１に見られるようにシール面７０に向かって半径方向内側に延びるスロット３０とを有している。少なくとも１つのシュー２８は、機械部品の１つに対して２つ以上の突起部７８、又はフィン、で形成されており、また、図５に見られるように、１次シール２６の底部である。この考察のために、「軸方向」又は「軸方向に離間」という用語は、ステータ７２及びロータ４８の長手方向軸４２に沿った方向を指し、「半径方向」とは、長手方向軸４２に対して垂直な方向を指す。シールアセンブリ１０は、タービンの長手方向軸４２に対して円周方向Ｃに沿って延在してもよい。

特定の作動条件、特により高い圧力では、例えばシュー２８とロータ４８の対向面との間の間隔を維持するために、ロータ４８に対するシュー２８の半径方向の動きの範囲を制限することが望ましい。１次シール２６は、図５でより良く分かるように、円周方向に離間した複数のばね要素又は少なくとも一つのばね要素３４、を含むことができる。各バネ要素３４は、内側バンド５２と、内側バンド５２から半径方向外側に離間した外側バンド５４とを有して形成されている。それぞれのバンド５２、５４の一端は、ステータ７２に取り付けられている又はステータ７２と一体に形成されている、そして、その反対側の端部は第１ストップ３２に接続されている。第１ストップ３２は、シュー２８に接続されている又はシュー２８と一体に形成されている脚部５６と、シュー２８に対向するアーム部５８とを含み、このアーム部５８は、ステータ７２に形成された凹部内に受け入れられてもよい。凹部は、第１ストップ３２のアーム部５８と整列して位置決めされた肩部７４を有する。

第２のストップ６０は、シュー２８に接続されている又はシュー２８と一体に形成されている。第２ストップ６０は、内側バンド５２及び外側バンド５４がステータ７２に接続する点に近い位置では、第１ストップ３２から円周方向に離間している。第２ストップ６０は、脚部６２とアーム部６４とで形成されている。アーム部６４は、ステータ７２の凹部内に受け入れられてもよい。凹部は、第２ストップ６０のアーム部６４と整列して位置決めされた肩部７４を有する。

シールアセンブリの実施形態がガスタービンエンジンのような用途で使用される場合のような特定の状況では、空力学的な力がもたらされ、この力はシュー２８に流体圧力をかけ、それをロータ４８に向かって半径方向内側に移動させる。ばね要素３４は偏り、そして、例えばロータ４８とステータ７２との間に円周方向の間隙１１の１次シールを作るために、シュー２８と共に移動する。第１ストップ３２及び第２ストップ６０は、シュー２８の半径方向内側および外側への動きの範囲を、ロータ４８に対して半径方向Ｒに、限定することができる。第１ストップ３２のアーム部５８と肩部との間及び第２ストップ６０のアーム部６４と肩部との間には隙間が設けられており、その結果、シュー２８はロータ４８に対して半径方向内側へ動くことができる。上述した内向き運動は、肩部２８がロータ４８に接触することを避けるためのアーム部と肩部の係合によって、又は、両者の間の間隙の設計公差を超えることによって、制限される。アーム部は、シュー２８がロータ４８に対して半径方向外側へ移動する場合にもステータ７２に接触することができ、その方向でのシュー２８の移動を制限する。

実施形態は少なくとも１つの２次シール１４を含み、それは少なくとも１つのシール要素１６又は複数のプレートを含んでいる。少なくとも１つのバネ部材１８は、図３に示すように、外側リング面２０に沿って、プレートから半径方向外側に位置決めすることができる。特定の実施形態では、少なくとも１つのシール要素１６は、並んで配向され、プレートセグメントが少なくとも１つのシュー２８のスロット３０内に延びるように配置された、２つのシール要素１６を含む。少なくとも１つのシール要素１６は、半径方向に偏り、少なくとも１つのシュー２８と共に移動することを助け、これは少なくとも１つのシュー２８への流体圧力の印加に応じて、第１機械構成要素３８及び第２の機械構成要素４０の間の円周方向の間隙１１の２次シール１４の形成を補助する方法で行われる。特定の実施形態では、少なくとも１つの２次シール１４は、アセンブリにおいて同一でありかつ反転され得る後方２次シールと前方２次シールとを含む。

図４は、中間プレート２２を示す。中間プレート２２は、少なくとも１つのシュー２８内に形成されたスロット３０内に延在する中間プレート２２の面に沿って、少なくとも１つの溝２４を含んでおり、また、少なくとも１つの２次シール１４と１次シール２６の少なくとも１つのシュー２８との間に配置されている。少なくとも１つの２次シール１４のシール要素１６は、中間プレート２２の溝２４に嵌合する。

図２は、前面プレート１２を示す。前面プレート１２は、軸方向Ａでシールアセンブリ１０の構成要素を覆うために使用することができる。シールアセンブリ１０は、前面プレート１２と中間プレート２２との間でクランプされた少なくとも１つの２次シールを有することを含んでいてもよい。１次シール２６は２次シール１４の内径を支持することができ、中間プレート２２は２次シール１４の外径を支持することができる。作動中、２次シール１４のバネ部材１８は、中間プレート２２に対して反応し得る。

図６は、シールキャリア３６を示す。シールキャリア３６は、シールキャリア３６の半径方向外側のリング５０の半径方向外側の位置に沿って、シールアセンブリ１０の全ての構成要素をまとめて保持する。ある実施形態では、１次シール２６、中間プレート２２、及び前面プレート１２の半径方向外側表面に沿って、切り欠き６６が存在してもよい。これらの実施形態では、シールキャリア３６は、他の構成要素の切り欠き６６と整列する半径方向内側に延びる突出縁部６８を有し、構成要素が関連領域内に整列するのを助ける。

従来、運転中、どの２次シール１４の位置にもロック機構は存在しない。さらに、２次シール１４は、シールアセンブリ１０の組立中に適所に保持することが困難である。従って、ここで議論する実施形態では、２次シール１４の摩耗の懸念を減らし、組立体を容易にするために、２次シール１４は円周方向にピン止めされている。ピン止めは、円周方向Ｃのみのためのものであり、シールは、半径方向Ｒに自由に動くことができるであろう。一実施形態では、少なくとも１つのピン４４が、中間プレート２２に追加される。少なくとも１つのピン４４に対向する少なくとも１つの孔４６を、少なくとも１つの２次シール１４上に配置することができる。少なくとも１つのピン４４は、中間プレート２２に溶接することができる。少なくとも１つの孔４６は、少なくとも１つの２次シール１４を通って、円形状部、オーバル形状部、Ｕ字形状部、または他の類似の幾何学的形状部に入れることができる。少なくとも１つの孔４６の形状は、２次シール１４からどれだけの遊びを許容できるかを決定する。２次シール１４は、円周方向Ｃでの移動に対して、半径方向Ｒにしか移動できないので、少なくとも１つの２次シール１４のピン止めは、シールアセンブリ１０の設置にも役立つ。他の実施形態では、少なくとも１つのピン４４は少なくとも１つの２次シール１４に追加され得て、少なくとも１つの孔４６は中間プレート２２を通って設けられ得る。

具体的な実施形態について詳細に説明したが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らせば、これらの詳細に対する様々な修正および代替を創出することができるであろうことを理解するであろう。従って、開示された特定の構成は、単に例示を意味するだけであり、添付の特許請求の範囲の全容が与えられるべき発明ならびにその任意の又は全ての均等物の範囲を限定するものではない。

Claims (7)

1. 第１の機械構成要素（３８）と、軸方向（Ａ）の長手方向軸（４２）を中心として前記第１の機械構成要素（３８）に対して回転可能である第２の機械構成要素（４０）との間の円周方向の間隙（１１）をシールするためのシールアセンブリ（１０）であって、
   外側リング（５０）に沿って前記シールアセンブリ（１０）の全ての構成要素をまとめて保持するシールキャリア（３６）を含み、
   １次シール（２６）を含み、前記１次シール（２６）は、
   前記第１及び前記第２の機械構成要素（３８、４０）の１つに沿って延在し、それと非接触シールを生成する少なくとも１つのシュー（２８）を含み、前記シュー（２８）はスロット（３０）と共に形成されており、
   前記第１及び前記第２の機械構成要素（３８、４０）の１つに接続するように構成され、前記少なくとも１つのシュー（２８）に接続された少なくとも１つのバネ要素（３４）を含み、前記少なくとも１つのバネ要素（３４）は、前記第１及び前記第２の機械構成要素（３８、４０）の間の円周方向の間隙（１１）の１次シールの生成を補助するために、流体の流れによって前記少なくとも１つのシュー（２８）に加えられる流体圧力に応じて、前記少なくとも１つのシュー（２８）と共に偏向及び移動させるのに有効であり、
   前記少なくとも１つのシュー（２８）内に形成されたスロット（３０）内に延びる溝（２４）を含む中間プレート（２２）を含み、
   並んで配向された少なくとも１つのシール要素（１６）を備える少なくとも１つの２次シール（１４）を含み、前記少なくとも１つのシール要素（１６）は、前記中間プレート（２２）の前記溝（２４）に面一に入っており、前記少なくとも１つのシュー（２８）に形成された前記スロット（３０）内に延在し、前記少なくとも１つのバネ要素（３４）を軸方向（Ａ）にシールし、また、
   前記２次シール（１４）の前記少なくとも１つのシール要素（１６）に隣り合い、前記少なくとも１つのシュー（２８）に形成された前記スロット（３０）内に延在する前面プレート（１２）を含み、
   前記少なくとも１つのシール要素（１６）及び前記中間プレート（２２）は、それぞれ、前記シールアセンブリ（１０）内での前記少なくとも１つのシール要素（１６）に対する回転をひとまとめに防止する、少なくとも１つのピン（４４）又は少なくとも１つの穴（４６）のうちの１つを有し、
   前記シールキャリア（３６）の前記外側リング（５０）は、前記１次シール（２６）、前記中間プレート（２２）、及び、前記前面プレート（１２）と接触している、
   シールアセンブリ（１０）。
2. 前記少なくとも１つの２次シール（１４）が、前記少なくとも１つのシール要素（１６）の外側リング面（２０）に沿って取り付けられた少なくとも１つのバネ部材（１８）を備える、請求項１に記載のシールアセンブリ（１０）。
3. 前記少なくとも１つのピン（４４）は、前記軸方向（Ａ）のみにあり、前記２次シール（１４）を半径方向に自由に移動させる、請求項１または２に記載のシールアセンブリ（１０）。
4. 前記少なくとも１つの穴（４６）は、軸方向（Ａ）から見てオーバル形状を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のシールアセンブリ（１０）。
5. 前記少なくとも１つの穴（４６）は、軸方向（Ａ）から見てＵ字形状である、請求項１乃至３のいずれかに記載のシールアセンブリ（１０）。
6. 前記少なくとも１つのピン（４４）が前記中間プレート（２２）に取り付けられている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシールアセンブリ（１０）。
7. 前記少なくとも１つのピン（４４）は、前記少なくとも１つの２次シール（１４）に取り付けられている、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のシールアセンブリ（１０）。

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