JP2008038898A

JP2008038898A - 吸気型ラビリンスシール

Info

Publication number: JP2008038898A
Application number: JP2007153957A
Authority: JP
Inventors: William L Herron; ウィリアム・エル・ヘロン; Joseph C Albers; ジョセフ・シー・アルバース; Christopher C Glynn; クリストファー・シー・グリン; Peter Crudgington; ピーター・クラッジングトン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-06-10
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2008-02-21
Also published as: RU2007121952A; DE102007027364A1; FR2902172A1; CA2591249A1

Abstract

【課題】低漏洩かつ高耐久性である端面シールを提供する。
【解決手段】シール本体（４８）は、環状の軸方向延在部分（７２）と、一次シール面（５０）を規定し、該軸方向延在部分（７２）と協働して略Ｌ字型断面を規定する半径方向延在部分（７０）と、少なくとも１つの環状の軸方向延在シール歯（８８）とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、概して回転機械用の端面シールに関し、より詳細には吸気型すなわち気体平衡型端面シールに関する。

端面シールは、２つの構成要素間の間隔を通る、高圧領域から低圧領域への漏れを最小限にするために使用される。そのようなシールは、回転機械、例えば蒸気タービンやガスタービンにおいて使用されてきた。

ガスタービンにおいて、端面シールは、固定ハードウェア間、回転要素と固定要素の間で使用され、異なる回転要素間で使用されてもよい。これらの異なる構成要素間の間隔すなわち漏れ経路は密封しなければならず、適用されるシールは、機械の運転サイクル中に発達する構成要素の熱的および機械的な差による間隔変動を補うことができる必要がある。

密封すべき可変間隔は、例えばブラシシールまたはリーフシールを使用して、構成要素間で維持される弾性接触を提供するか、または例えばラビリンスシールを使用して、圧力損失、ひいては流量の減少をもたらす複雑な漏れ経路を形成することにより、一般に調整される。回転要素と固定要素の間のラビリンスシールにおいて、間隔を閉鎖する最終手段は、軟性（「摩耗性」）固定基盤に対してラビリンスの回転歯の摩擦を生じさせることにより調整してもよい。初期間隔のため、また隣接面とシールの接触のため、これらのシールはいずれも、すべての性能要件および耐久性要件を満たすことはできない。

一例として、図１は、コンプレッサ１０の後部と、拡散器１２と、環状燃焼器１４と、固定ノズル１８およびタービンロータ２２に担持される回転タービン翼２０を含む高圧タービン１６とを含むガスタービンエンジンの一部を図示する。コンプレッサ１０は、シャフト２４を介してタービン１６によって駆動される。高温ガス一次流路「Ｆ」とシャフト２４の間の空間は、二次流路を規定する。効率の最大化や摩耗の回避などのさまざまな理由から、二次流路からの漏れをできるだけ制御することが望まれている。これは、そこからの流れを削減または遮断する１つ以上のシールアセンブリを含むことにより行われる。図示の例では、摩耗性固定部材３２の反対側に位置する半径方向外方に延在する複数の環状シール歯３０を有する回転部材２８を含むコンプレッサ排気圧力（ＣＤＰ）シールアセンブリ２６は、拡散器１２の内部に配置される。摩耗性固定部材４０の反対側に位置する半径方向外方に延在する複数の環状シール歯３８を有する回転部材３６を含む前方外側シール（ＦＯＳ）３４は、タービンノズル１８の内部に配置される。端面シールは、エンジンと同様に他の場所でも使用される。ＣＤＰシールアセンブリ２６およびＦＯＳ３４は共に、上記のような長期の運転によって劣化に曝される。
米国特許第５，２８４，３４７号公報米国特許第５，３１１，７３４号公報米国特許第５，９７５，５３７号公報米国特許第６，０４５，１３４号公報米国特許第６，１０５，９６７号公報米国特許第６，６７６，３６９号公報米国特許第６，７１９，２９６号公報米国特許第６，７５８，４７７号公報

本発明は、低漏洩かつ高耐久性である端面シールを提供する。シール要素間の間隔は、シール歯がシールロータを擦ることのないように制御される。これにより、エンジンの製造時点および長期間の使用後もまた、効率的な密封が提供される。一次シール面を通る漏れは、従来技術の端面シールに比べて約２５％削減され得ることが推測される。

１つの態様によれば、本発明は、ほぼ軸方向に面する第１の一次シール面を規定する第１環状要素と、ほぼ軸方向に面する第２の一次シール面を規定し、該第２の一次シール面が該第１の一次シール面に面して配置されるようにシールサポートに対して軸方向に移動可能な関係で取り付けられる第２環状要素とを有するシールアセンブリであって、該第１の一次シール面および第２の一次シール面の少なくとも１つがそこから軸方向に延在する少なくとも１つの環状シール歯を有するシールアセンブリを提供する。

本発明の別の態様によれば、軸周囲に配置されるシールアセンブリ用のシール本体は、環状の軸方向延在部分と、一次シール面を規定し、該軸方向延在部分と協働して略Ｌ字型断面を規定する半径方向延在部分と、該一次シール面から軸方向に延在する少なくとも１つの環状シール歯とを含む。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジン用の軸周囲に配置されるシールアセンブリは、軸方向に面する第１の一次シール面を有するロータと、該ロータに隣接して配置される固定シールサポートと、該シールサポートに取り付けられ、該ロータと該シールサポートの間に配置され、該シールサポートに対して軸方向に移動可能であり、該第１の一次シール面に対向する軸方向に面する第２の一次シール面を規定する略半径方向延在部分および略軸方向延在部分を含む環状シール本体とを含み、該第１の一次シール面および第２の一次シール面の少なくとも１つがそこから軸方向に延在する少なくとも１つの環状シール歯を有する。

本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。

同一の参照番号がさまざまな図において同一の要素を指す図面を参照すると、図２および図３は、比較的高圧の領域Ｐ（高）と比較的低圧の領域Ｐ（低）の間の漏れを密封する例示的なシールアセンブリ４２を示す。この特定の例では、シールアセンブリ４２は上記のようなコンプレッサ排気圧力（ＣＤＰ）シールの代わりとなり、コアシャフト２４’と拡散器ケーシング１２’の間に配置されるが、シールアセンブリ４２の特徴は、端面シールが要求されるすべての用途で使用できることだと理解されたい。シールアセンブリ４２の基本的な構成要素は、ロータ４４と、固定シールサポート４６と、シール本体４８（「スライダ」と呼ばれることもある）とを含むことができ、すべてエンジンの長手方向軸の周囲に配置される。ロータ４４は略円板状であり、軸方向に面する第１の一次シール面５０を規定する。

シールサポート４６は非回転式の軸方向延在要素であり、半径方向に面する二次シール面４７を規定する。図示の例では連続的な３６０度リングであるが、分割された環状構造または個別サポートの配列として構成することができる。その後部５２は、１つ以上の留め具５６によって拡散器１２’に固定される半径方向延在フランジ５４を有する。その前部５８は、１つ以上のスプリングシート６０を担持する。この例では、シールサポート４６の周辺を囲んで等間隔に５つのスプリングシートがあるが、代わりにスプリングシート６０は連続的または分割された環状構造として構成することもできる。図３で最も良く見られるように、スプリングシート６０は、略円筒体６２と、横方向に延在する１対の取付イヤー６３を規定する円弧状フランジ６４とを有する。スプリングシートは、１つ以上の留め具６５によってシールサポート４６に固定される。円筒体６２は、シール本体４８の相補的配列スロット６８内に受容される半径方向内方に延在する配列レール６６を含んで、シールサポート４６とシール本体４８の所望の相対的な角度配列すなわち「クロッキング」を維持する。したがって、シール本体４８はシールサポート４６によって担持されることによって、横方向には動かないが軸方向には動くことができるようになる。

シール本体４８は、連続的または分割されてもよい環状要素であり、半径方向延在部分７０と軸方向延在部分７２とを備えた略Ｌ字型断面を有する。

複数の引き戻しスプリング７３は、スプリングシート６０とシール本体４８の半径方向外方延在フランジ７４との間に配置される。各引き戻しスプリング７３の後部は、フランジ７４のスプリングポケット７６または他の適当な位置決め機構内に位置決めされる。引き戻しスプリング７３は、シール本体４８をロータ４４から離れる方向へ移動させる働きをする。この機能は、以下でより詳細に説明する。図示の例では５つの圧縮型コイルスプリングが存在するが、タイプや個数が異なるスプリングを使用することもできる。

二次シール７８、例えば公知のタイプのピストンリングは、フランジ７４の溝８０内に配置され、スプリングサポートアセンブリ４６の軸方向に面する二次シール面４７を密封する。ピストンリングは、連続的（またはほぼ連続的）な円周シールを提供する公知のタイプのものでよい。二次シール７８の目的は、一次シールと同様の圧力差の影響を受ける、シール本体４８とシールサポート４６の間の経路からの漏れを、シール本体４８を軸方向に移動させながら防止することである。なお、上記のシール要素と取付構造の具体的な形状は重要ではなく、シールアセンブリ４２の機能面に影響を及ぼすことなく特定の用途に合わせて変化させてもよい。

図４および図５に示すように、シール本体４８の半径方向延在部分７０は、軸方向に面する第２の一次シール面８２を規定する。この第２の一次シール面８２はロータ４４に近接して配置され、第１の一次シール面５０に対向する。一般に「スタートシール」と呼ばれる円周シール歯８４は、半径方向延在部分７０の外端からロータ４４の外側まで軸方向に延在し、特定の例では、半径方向内方に角度付けされる。流体通路８６，８７は、運転中のシール本体４８の静圧平衡に求められるような公知の方法で、半径方向延在部分７０を通って形成される（以下により詳細に説明する）。

第２の一次シール面８２は、環状溝８３によって隔てられる平面状の内側部分８２Ａと外側部分８２Ｂを含む。外側部分８２Ｂは、少なくとも１つ、また任意的には、連続的または蛇行性の流路を形成して半径方向へ流体を流すために、環状で半径方向に離間された複数の軸方向延在シール歯８８を含み、一次流路から二次流路への流れを制限する。図示の例では、環状の丸底溝９０によって隔てられる、テーパ断面形状を有する２つのシール歯８８Ａおよび８８Ｂがある。歯８８は、所望であれば平面状表面から突出させることもできる。シール歯形状は逆にすることができる、すなわちシール歯８８は、代わりに第１の一次シール面５０上に形成することができることも理解されたい。

第２の一次シール面８２の形状は部分的に、シール歯８８のさまざまな特性によって規定することができ、それらの特性は、シール歯８８の個数、軸方向の高さ「Ｈ」、先端の幅「Ｗ」、断面の先端角「Ａ」、傾き角「Ｓ」と呼ばれる軸方向へ／からの広がり（なお、この角度は図示の例では非常に小さい）、半径方向間隔すなわちピッチ「Ｐ」、および「Ｌ」で示されるシール歯８８全体の半径方向範囲すなわち全長などを含む。これらの寸法の非限定的な例は次のとおりである：歯の高さＨは約０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）、歯の角度Ａは約１０度、傾き角Ｓは約０度〜約４５度、先端の幅Ｗは約０．１３ｍｍ（０．００５インチ）〜約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）、およびピッチＰは約１．３ｍｍ（０．０５インチ）から３．８ｍｍ（０．１５インチ）。これらの値は、特定の用途に合わせて変更してもよい。

図示の例では、第１の一次シール面５０は、内側部分５０Ａと、第２の一次シール面８２のシール歯８８の先端から内側部分８２Ａまでの軸方向距離と実質的に等しい距離「Ｄ」（図２参照）によって内側部分５０Ａの軸方向前方にオフセットされている外側部分５０Ｂとを有する。この形状により、半径流を抑える「ステップ」が第１の一次シール面５０の内側部分５０Ａと外側部分５０Ｂの分岐点に規定され、運転中、シール歯８８の末端部分は第１の一次シール面５０の内側部分５０Ａと外側部分５０Ｂの間で軸方向に配置される。

運転中、シール本体４８はロータ４４と協働するシールを形成する。引き戻しスプリング７３はシール本体４８をロータ４４から離れる方向に保持して、エンジンが停止した際の２つの構成要素間の接触を防止する。エンジン運転速度が上昇すると、エンジンの一次および二次流路領域の流体圧力が上昇し、それにしたがってシールアセンブリ４２がその軸方向に面する表面に作用する上昇圧力を受けることによって、シール本体４８はロータ４４に向かって動かされることになる。シール本体４８のさまざまな部分の相対的な表面領域、通路８６，８７の個数および寸法、および引き戻しスプリング７３の寸法を公知の方法で選択することにより、シールアセンブリ４２は選択された運転条件で流体静力学的に圧力の平衡が保たれる。したがって、第２の一次シール面８２は第１の一次シール面５０に決して接触しないが、例えば約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）から約０．１３ｍｍ（０．００５インチ）のわずかな軸方向間隔で作動する。吸気型シールアセンブリ４２の小さな作動間隔は、シール歯８８を通り、第１および第２の一次シール面５０および８２間の複雑な流路と組み合わされて、漏れを最小限に抑える。

図６は、ロータ１４４と、シールサポート１４６と、半径方向延在部分１７０および軸方向延在部分１７２をそれぞれ備えるシール本体１４８とを含む別のシールアセンブリ１４２を図示する。シールアセンブリ１４２は上記のシールアセンブリと同様の構造であるが、第１および第２の一次シール面１５０および１８２の形状が異なる。円周スタートシール１８４は、半径方向延在部分１７０の外端から軸方向に延在する。流体通路１８６，１８７は、シール本体１４８の静圧平衡に求められるような公知の方法で、半径方向延在部分１７０を通って形成してもよい。

第２の一次シール面１８２は、少なくとも１つ、また任意的には、半径方向に連続的または蛇行性の流路を形成するための環状で半径方向に離間された複数の軸方向延在シール歯１８８を含む。図示の例では、環状の丸底溝１９０によって隔てられる、テーパ断面形状を有する３つのシール歯１８８Ａ，１８８Ｂ，１８８Ｃがある。

第１および第２の一次シール面１５０および１８２間のシールの特性は、シールアセンブリ４８に関して上述したのと同様の方法で特定の用途に合わせて変更してもよい。

丸底を有する環状シール溝９２は、第１の一次シール面１５０に形成される。対応のシール歯１８８Ｃは、他のシール歯１８８Ａおよび１８８Ｂよりも大きな高さを有しており、シール溝９２内に突出して運転中の漏れをさら削減する。

これらのシールアセンブリは、ラビリンスシールという複雑な漏れ経路を提供することによって、平らな端面シールと比べて漏れを削減する。しかしながら、隣接する構成要素を擦りかねない従来技術のラビリンスシールと対照的に、シール要素間の間隔は、シール歯がシールロータを擦ることのないように制御される。これにより、エンジンの製造時点および長期間の使用後もまた、効率的な密封が提供される。

以上では端面シールアセンブリを説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、それらには本発明の精神および範囲を逸脱することなくさまざまな変更が可能であることが当業者には明らかであろう。

従来技術のガスタービンエンジンの一部の概略側面図である。本発明の実施形態にしたがって構成された端面シールアセンブリの概略側断面図である。図２の端面シールアセンブリの一部の正面図である。図２の端面シールアセンブリの一部の拡大断面図である。図２の端面シールアセンブリの一部の別の拡大断面図である。別の例示的な端面シールアセンブリの概略側断面図である。

符号の説明

１２’ 拡散器ケーシング
２４’ コアシャフト
４２シールアセンブリ
４４ロータ
４６シールサポート
４７二次シール面
４８シール本体（「スライダ」）
５０一次シール面
５０Ａ内側部分
５０Ｂ外側部分
５２後部
５４半径方向延在フランジ
５６留め具
５８前部
６０スプリングシート
６２円筒体
６３取付イヤー
６４円弧状フランジ
６５留め具
６６配列レール
６８配列スロット
７０半径方向延在部分
７２軸方向延在部分
７３引き戻しスプリング
７４半径方向外方延在フランジ
７６スプリングポケット
７８二次シール
８０溝
８２第２の一次シール面
８２Ａ内側部分
８２Ｂ外側部分
８４円周シール歯（「スタートシール」）
８６流体通路
８７流体通路
８８軸方向延在シール歯
８８Ａシール歯
８８Ｂシール歯
９０溝
９２環状シール溝
１４２シールアセンブリ
１４４ロータ
１４６シールサポート
１４８シール本体
１５０第１の一次シール面
１７０半径方向延在部分
１７２軸方向延在部分
１８２第２の一次シール面
１８４円周スタートシール
１８６流体通路
１８７流体通路
１８８軸方向延在シール歯
１８８Ａシール歯
１８８Ｂシール歯
１８８Ｃシール歯
１９０丸底溝
Ａシール歯の断面角
Ｄ軸方向距離
Ｈシール歯高さ
Ｌシール歯の半径方向範囲すなわち全長
Ｐシール歯の半径方向間隔（「ピッチ」）
Ｓシール歯の軸方向距離角（「傾斜角」）
Ｗシール歯の先端幅

Claims

ガスタービンエンジンの軸周囲に配置されるシールアセンブリであって、
軸方向に面する第１の一次シール面（５０）を有するロータ（４４）と、
該ロータ（４４）に隣接して配置される固定シールサポート（４６）と、
該シールサポート（４６）に取り付けられ、該ロータ（４４）と該シールサポート（４６）の間に配置される環状のシール本体（４８）と
を含み、
前記シール本体（４８）は、前記シールサポート（４６）に対して軸方向に移動可能であり、該第１の一次シール面（５０）に対向する軸方向に面する第２の一次シール面（４７）を規定する略半径方向延在部分と、略軸方向延在部分（７２）とを含み、
前記第１の一次シール面（５０）および第２の一次シール面（８２）の少なくとも選択された１つが、そこから軸方向に延在する少なくとも１つの環状シール歯（８８）を有する、シールアセンブリ。
該シールサポート（４６）が半径方向に面する二次シール面（４７）を規定する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該シール本体（４８）の該軸方向延在部分が、該シール本体（４８）を軸方向に移動させながら該二次シール面（４７）と接触する二次シールを担持する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該シール歯（８８）の少なくとも１つがテーパ断面形状を有する、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該第１および第２の一次シール面がその中に、該シール歯（８８）の反対側に位置する環状シール溝（８０）を含む、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該第２の一次シール面（４７）が、
略平面状内側部分（５０Ａ）と、
該内側部分（５０Ａ）の半径方向外部に配置され、該シール歯（８８）を担持する外側部分（５０Ｂ）とを含む、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該第１の一次シール面（５０）が内側部分（５０Ａ）と、該内側部分（５０Ａ）の軸方向前方にオフセットされる外側部分（５０Ｂ）とを有して、半径流を抑えるステップが該内側部分および外側部分の分岐点（５０）で規定されるようになっている、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該シール歯（８８）の少なくとも１つの末端部分が該第１の一次シール面（５０）の該内側部分（５０Ａ）および外側部分（５０Ｂ）間の軸方向に配置される、請求項７に記載のシールアセンブリ。
該第２の一次シール面（８２）からほぼ軸方向に延在する環状スタートシールをさらに含む、請求項１に記載のシールアセンブリ。
該シール本体（４８）を該ロータ（４４）から離れる方向に付勢するように、該シール本体（４８）と該シールサポート（４６）の間に配置される少なくとも１つの引き戻しスプリング（７３）をさらに含む、請求項１に記載のシールアセンブリ。