JP2008039180A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リーフ要素を利用するシール装置において、ブローダウン圧力のためその先端にて過剰な摩耗を受け易いことの解決を図る。
【解決手段】シール装置１０がシール装置の側部Ａ、Ｂの間の圧力差を亙って後表面に押し付けられるとき、これらの先端は回転軸と係合するよう押し付けられ、このため軸及び先端の摩耗が生じる。１つ以上のシール要素を亙って側方向に伸びる通路１２を提供することにより、圧力逃がし効果が維持され、従ってブローダウン力を制限する状態が維持される。通路１２はシール装置の低圧側にて半径方向に且つ垂直方向にも伸びている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シール装置、より具体的には、回転軸及び同様のものに関して利用され且つ、リーフ要素又はブリスル（剛毛）にて形成されたシール装置に関する。

ガスタービンエンジンのような機械にて的確なシール装置を提供することは、その機械内の作動段を分離させ及びその他の理由のため重要である。シール装置は効率的でなければならないが、また、交換及び（又は）メンテナンス前の許容可能な作動期間に亙って充分な耐久性を有しなければならない。軸の一側部と反対側部との間にてシールを提供するため、作動中、回転軸に向けて伸びるブリスルを備える、ブラシシールを提供することが既知である。ブリスルは、僅かな漏洩流れが生じたとき、その先端を通じて、回転軸の面上に静止し又はより通常、回転軸の面の上方に僅かに乗り上げてシールを形成する。より近年、典型的に、回転軸に向けて伸びる可撓性の金属タブの形態をしたリーフ要素を備え、タブの底部先端の端縁が再度、回転軸の表面に隣接して、シールを形成するリーフシールが開発されている。

密封効果を決定するのは、リーフ要素のブリスル又は端縁の先端であるが、全体として、トルク荷重又はその他のものの結果としての不均衡に起因する回転中の軸の整合外れ及び偏向に対応するため、ある程度の可撓性が提供されなければならない。かかる状況において、ブリスル又は要素の軸に対して的確な提供状態を維持するため、これらのブリスル又はリーフ要素は、可能な限り制御し得ることが望ましい。

先行技術の図１には、典型的なリーフシール装置１が示されている。リーフシール装置１は、矢印３の方向に向けて回転するロータ２と関係している。かかる状況において、リーフ要素４は、密封効果を提供するため、ロータ２に対する配置（ｌａｙ）角度を有する。シール要素４は、裏当て部材６と、それぞれの板７、８とにより形成されたハウジング内にて離間部材５によって互いに分離されている。一側部、すなわち前側板７は、高圧側部Ａである一方、別の側部Ｂは低圧側部であることことが理解されよう。ロータ２が矢印３の方向に向けて回転し、また、側部Ａ、Ｂの間の圧力差のため、空気力学的ブローダウン効果が発生され、要素４は、的確にロータ２に対して提供されることが理解されよう。

空気力学的ブローダウン力は、先行技術の図面２に示されている。先行技術の図面２と比較するため、先行技術の図面１にて使用されたものと同様の参照番号が用いられている。このように、リーフ４は、全体として、リーフ４がロータ２に向けてブローダウンし、良好なシール効果を実現するのを許容する設計とされている。このブローダウン効果は、シール４を通過する空気流９を発生させるべく空気力学的力を使用することにより形成される。しかし、発生されたブローダウン力が過度に大きい場合、先端の端縁１０又は先端の端縁１０が係合するロータ２の表面が過度に摩耗することになろう。その何れの場合でも、シール装置が過早に破損するか、又は許容可能な作動性能の期間が少なくとも短くなり、予防的メンテナンス及び修理が必要となるであろう。過剰なブローダウン力は、高圧側部Ａから低圧側部Ｂへの圧力降下が増大する結果、全体としてリーフ４が後方に向け軸方向に動くことに起因する。典型的に、リーフ４が後カバー板８と接触するよう充分に後方に動いたとき、シールを通過する全ての空気流は、リーフをブローダウンする作用を果たすから、ブローダウン力は段階的に変化する。

本発明の形態に従い、ハウジングと、複数のリーフシール部材とを備え、ハウジングは、低圧領域に隣接する少なくとも１つの板を備え、各リーフシール部材の少なくとも一部分がハウジング内に伸び、板は、１つ以上のリーフシール部材を横断して横方向に伸び且つ、該シール部材と関係した少なくとも１つの通路を画成し、流路は、ハウジングに対する末端にて低圧領域と連通する、シール装置が提供される。

全体として、リーフシール部材は角度を付けて提供される。
典型的に、通路は湾曲している。これと代替的に、通路は半径方向に伸びている。可能であれば、通路は環状部分を有するものとする。可能であれば、環状部分はハウジング内に完全な環状リングを備えるものとする。

全体として、通路は、リーフシール部材の角度に対して反対方向に向けた角度を有する。可能であれば、通路及びリーフシール部材は、所望の角度にて互いに横断する位置にあるよう配置されるものとする。典型的に、所望の角度は９０°である。

可能であれば、通路は可変深さを有するものとする。可能であれば、通路は、その長さに沿って及び（又は）その幅を亙って可変深さを有するものとする。
可能であれば、通路は可変幅を有するものとする。

全体として、通路はハウジングの後側板に配置される。
可能であれば、通路はリップ端縁を有するものとする。
本発明の形態に従い、シール装置を有するタービンエンジンが提供される。

次に、添付図面を参照して単に一例としての本発明の実施の形態について説明する。

上述したように、過剰なブローダウン力によってシール部材又は要素の先端が過早に摩耗する。これらのシール要素は、ブラシシールにてリーフ又はブリスルを備えることができる。その何れの場合でも、ブローダウン力を制限することが有益であろう。全体として、リーフ要素がハウジングの後カバーと接触する前に、これらのシール要素とハウジングとの間に空隙が提供され、該空隙を通って空気はリーフの後縁と後側カバー板との間にて逃げることができ、リーフに作用するブローダウン力は遥かに少なくなることが理解されよう。かかる状況において、本発明は、圧力逃がし通路を特に提供する。該通路は、シール要素が後側、すなわちシール装置内にて低圧側板と接触するときでさえ、漏洩分が逃げることを可能にする。

図１には、本発明の形態に従ったシール装置の一部分の概略斜視図が示されている。このように、シール装置１０は、通路１２が板１１の対面する面１３に設けられる板１１を備えている。通路１２は、通路１２に要求される寸法及び輪郭外形に依存して、化学的エッチング、放電加工又はフライス削り加工を含む、任意の適当な手段により形成される。リーフ１４の形態をしたシール要素は、面１３及び通路１２に隣接して設けられる。実際のシール装置において、板１１は、環状リング内を伸び、また、多数のシール要素が板１１の前方に、また、反対側にて別の板の前方に提供され、裏当てリングが先行技術の図１に示したものと同様の態様にて頂部に配置されることが理解されよう。

使用時、上述したように、シール要素１４は、シール装置を亙る空気流によって操作されよう。要素１４は、ブローダウン力によって偏向され、板１１と接触し、この場合、通路１２は、要素１４のかかる後方軸方向への動きの結果して過剰なブローダウン力が生じるのを回避すべく、圧力逃がし溝（ｇｕｌｌｙ）を提供する。全体として、板１１は、充分な数の通路１２を有しており、シール要素１４の各々は、１つの通路１２と少なくとも関係付けられることが理解されよう。通路１２は、全体として、１つ以上のシール要素を亙って側方向に伸びる側方部分を有する。

図２には、多数の通路１２を示す図１に示した板１１の前側概略図が示されている。理解し得るように、通路１２は、全体として均一に分配されており、図示した実施の形態において、内端縁１５から外端縁１６まで全体として湾曲した形態をとる。しかし、異なる機能又はその他の何らかの理由のため望まれる場合、通路は、作動上の必要条件に依存して不均一に分配されるようにすることが可能であることも理解されよう。

通路１２とシール要素１４との間の関係は、的確な作用を保証するために重要であることが理解されよう。シール要素１４の各々は、少なくとも１つの圧力通路１２によって圧力を逃がすことになろう。図３には、板１１の通路１２とシール要素１４との間の関係のより詳細図が示されている。理解し得るように、通路１２及び要素１４は、実質的に、シール要素１４の配置角度に対抗する通路１２の角度にて横断し、リーフが通路１２内に捕捉されないことを保証する。通路が同一向きであるとき、ブローダウン圧力は、リーフを板１１に向けて付勢するため、リーフは通路内に係合し、使用時、撓むことができず又はそれ自体ルーズに作用して、提供される密封効果を顕著に劣化させることが理解されよう。

通路１２の分配状態はシール要素１４の配置角度に依存する。上述したように、全体として、シール要素１４の各々は、少なくとも１つの通路１２によって圧力が逃がされ、このため、配置角度が急峻であればある程、シール装置の円周の全体に亙って圧力逃がし部を提供するためには、より多くの通路１２が必要とされよう。しかし、過度に多くの通路である場合、シール装置を亙る体積流量にて過剰な漏洩が生じ、作動時、シール装置の効果を損なうことも事実である。かかる状況において、解析又はその他の手段の何れかを通じて、個別の作動可能なシール装置の具体化のため、シール要素に対する通路１２の正確な数及びそれらの配置角度１７が選ばれる。

単に配置角度に加えて、通路１２の数は、シール要素のアスペクト比、すなわちシール装置のハウジング輪におけるその軸方向幅及びシール要素の包装密度と比較した要素の長さに依存することも理解されよう。所定の配置角度１７、従ってシール要素の長さの場合、シール要素は、相対的に広い軸方向幅を有するとき、すなわち使用時の捩れを許容し難いとき、軸方向後方に動く傾向は少なくなる。同様に、シール要素の包装密度が大きい、すなわち単位円周当たりの要素の数が多ければ、シール要素が捩れる可能性は減少し、このため、過剰なブローダウン力に関する問題点は減少する。

本発明の形態に従った通路１２は、シール装置にて最小の流れ逃がし経路を提供することが理解されよう。
上述したように、全体として、通路１２は、通路１２の各々に要求される寸法及び輪郭外形に依存して化学的にエッチングし、放電加工又はフライス削りされよう。典型的に、通路の幅及び深さは、シールを通る体積流量の漏洩量の増大を制限し得るよう最小にされよう。シール装置の後側における利用可能な断面積は、体積流量に関して決定的なファクタであることが理解されよう。通常の使用時、要素１４の後側と表面１３（図１）との間に空隙が存在し、この空隙は、上述したように過剰なブローダウン力を回避するが、これにも拘らず、通路１２を含めることは、利用可能な表面積を増し、このため、本発明の形態に従ってシール装置を亙る体積流量が増加する可能性が増すことになる。

本発明の形態に従った通路１２は、シール要素が軸方向後方に動いて板１１と接触するのを阻止しないが、かかる動きの結果として生じる過剰なブローダウン力は制限する。
板１１に通路を提供することは、通常の作動時、シール装置を亙る体積流量が制限された状態でのみ増大することを条件として、多数の形態をとることができる。図１ないし図３には、内側部１５から外側部１６まで湾曲した形態を有する通路１２が示されている。この湾曲した形態は、シール要素１４と通路１２との間にほぼ９０°の入射角度を提供する。単に説明の目的にのみ示した実施の形態におけるシール要素は、湾曲した形態を有することも理解されよう。しかし、湾曲した形態ではなくて、本発明のその他の形態に従った通路は、本発明の形態に従って板１１の製造に関する作動上の必要条件及び（又は）能力に依存して適するよう直線状とし又は角度を付けることが可能である。

シール装置を亙る体積流量を考慮することが重要である。かかる状況において、本発明の形態に従った通路は、シール装置のシール要素に関する圧力逃がしの必要条件に依存して、その幅及び（又は）長さを調節することにより、かかる体積流量を制御し得るよう適正な形態とすることができる。通路の深さは、必要条件に依存してその長さ又は幅に沿って変更することが可能であることも理解されよう。例えば、環状板１１の中心に近い半径方向位置における通路の深さは、その位置における増大した体積流量を反映し得るよう、環状板１１の外周縁端縁に向けた通路の部分と比較して、より大きくすることができる。この深さの増加は、特に、本発明の形態に従ってリーフ要素が軸方向に変位することにより、要素を含むハウジングの板と係合するとき、半径方向内方に動く際、蓄積する体積流量の増大を反映するであろう。

シール装置を亙る漏洩体積流量を減少させる１つの方策は、半径方向に伸びる通路の数を少なくし、環状リング通路が板の回りを伸びるようにすることであろう。図４には、本発明の形態のこの代替的な実施の形態が示されている。このように、板２１は、内端縁２５から外端縁２６まで伸びる半径方向通路２２を有し、環状通路２３が板２１の円周の回りを伸びている。かかる状況において、リーフ２４の各々（リーフ２４の比率のみが説明の目的のため提供される）は、１つ又はより多くの環状通路２３により過剰なブローダウン圧力が逃される。この場合、環状通路は、上述したように、より少数の半径方向通路２２内に供給する。かかる方策はシールを亙る漏洩体積流量の増加を制限することになる。

図４に示した通路２２は、依然として板２１の内周と外周との間にて実質的に角度を成して提供されることが理解されよう。図５には、半径方向通路が直線状で且つ板３１の端縁に対して垂直である更なる代替例が示されている。図４に示した実施の形態におけるように、環状通路３３が提供され、シール要素３４（これら要素の単に代表的な数が説明の目的のため示されている）は、この場合にも、環状通路３３によって圧力逃しされる。その場合、環状通路は、上述したように過剰なブローダウン力を逃すため、垂直に直線状に提供された小数の通路３２に供給する。

上述したように、全体として、本発明の形態に従ったシール要素は、航空又は陸上設置のガスタービンエンジン並びに蒸気タービンエンジンのブラシシールにおけるリーフシール又はブリスルパックの形態をとることになろう。これらのシール装置は、エンジンの作動を促進するため、高圧及び低圧領域を分割する作用を果たす。上述した本発明の形態に従って通路を提供することにより、全体として、シールの通常の漏洩レベルが僅かに増大する可能性があるという犠牲を払ってシール要素を受容するハウジングの低圧側板にて過剰なブローダウン圧力は回避される。全体として、図示したように、本発明の形態に従った通路は、角度板を亙って連続的であるか又は板の回りで環状リングの形態をしている。しかし、適当な場合、通路は、上述したように、ブローダウン力に対して圧力を逃すため、通路パターン又は回路内に供給する枝部分を形成するようセグメント化し又は截頭したものとすることができる。かかる状況において、過剰なブローダウン力は回避され、通常の作動時、漏洩を形成するシール要素装置を亙る体積流量を更に制限することになる。更に、通路の深さを変化させることにより、同様に、シール装置を亙る体積流量を制限する流れの規制部を提供することができることも理解されよう。また、通路は、通路の各々を亙る直立の要素を備える堰セグメントを有し、妨害部の上方の流れに利用可能な通路の深さを減少させることも可能であることも理解されよう。

通路の端縁は、使用中の圧力逃がし効果を更に促進するため、シール要素を通路から僅かに離れた位置に保持するリップ部を含むことができる。
本発明の形態に従った通路の数及び分配状態は、作動上の必要条件に依存するであろう。このため、１つ、２つ又はより多くの環状リング通路とすることができ、また、提供される半径方向構成要素の通路の数は、シール要素の各々が本発明の形態に従った１つの通路と少なくとも１回関係することにより圧力逃しされることを保証することに依存するであろう。

本発明の形態に従ったシール装置の概略斜視図である。 本発明の形態に従ったハウジング板の概略図である。 本発明の形態に従ったシール要素を有するハウジング板を示す概略図である。 本発明の形態に従った代替的なシール装置の概略正面図である。 本発明の形態に従ったシール装置の更なる代替的な実施の形態の概略正面図である。

符号の説明

１０ シール装置
１１ 板
１２ 通路
１３ 面
１４ リーフ
１５ 内端縁
１６ 外端縁
１７ 配置角度
２１ 板
２２ 半径方向通路
２３ 環状通路
２４ リーフ
２５ 内端縁
２６ 外端縁
３１ 板
３２ 通路
３３ 環状通路
３４ シール要素

Claims (15)

1. ハウジングと、複数のリーフシール部材とを備えるシール装置において、ハウジングは、低圧領域に隣接する少なくとも１つの板を備え、各リーフシール部材の少なくとも一部分がハウジング内に伸び、板は、１つ以上のリーフシール部材を横断して横方向に伸び且つ、該シール部材と関係した少なくとも１つの通路を画成し、流路は、ハウジングに対する末端にて低圧領域と連通する、シール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置において、リーフシール部材は角度を付けて提供される、シール装置。
3. 請求項１に記載のシール装置において、通路は湾曲している、シール装置。
4. 請求項１に記載のシール装置において、通路は半径方向に伸びている、シール装置。
5. 請求項１に記載のシール装置において、通路は環状部分を有する、シール装置。
6. 請求項１に記載のシール装置において、環状部分はハウジング内に完全な環状リングを備える、シール装置。
7. 請求項１に記載のシール装置において、通路は、リーフシール部材の角度に対して反対方向に向けた角度を有する、シール装置。
8. 請求項１に記載のシール装置において、通路及びリーフシール部材は、所望の角度にて互いに横断する位置にあるよう配置される、シール装置。
9. 請求項８に記載のシール装置において、所望の角度は９０°である、シール装置。
10. 請求項１に記載のシール装置において、通路は可変深さを有する、シール装置。
11. 請求項１０に記載のシール装置において、通路は、その長さに沿って及び（又は）その幅を亙って可変深さを有する、シール装置。
12. 請求項１に記載のシール装置において、通路は可変幅を有する、シール装置。
13. 請求項１に記載のシール装置において、通路はハウジングの後側板に配置される、シール装置。
14. 請求項１に記載のシール装置において、通路はリップ端縁を有する、シール装置。
15. 請求項１に記載されたシール装置を有する、タービンエンジン

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