(57)【要約】      （修正有）【課題】回転機械の中に流れる流体の漏れを最低限に抑える、進歩した新しい追従式フォイルシールが必要とされている。【解決手段】追従式フォイルシール１０は、ロータ２２の少なくとも一部の周りに円周状に位置するように構成される下部フォイル１１と、追従的に前記ロータ２２に面すると共に、ステータ２１及び前記ロータ２２の間に位置するように前記下部フォイル１１を配置することを、前記ステータ２１と協働して行う構成である一つ以上の上部フォイル１２、１３とを含む。追従式フォイルシールアセンブリ及び回転機械２０も提示される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（２２、４２）の少なくとも一部の周りに円周状に位置するように構成される下部フォイル（１１、３１）と、
追従的に前記ロータ（２２、４２）に面すると共に、ステータ（２１、４１）と前記ロータ（２２、４２）との間に位置するように前記下部フォイル（１１、３１）を配置することを、前記ステータ（２１、４１）と協働して行う構成である一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）とを含む追従式フォイルシール（１０、３０）。
【請求項２】
前記下部フォイル（１１、３１）及び前記一つ以上の上部フォイルは一体型（１２、１３、３２）に形成され、前記一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）のうちの少なくとも一つは、前記ステータ（２２、４２）内に画定される少なくとも一つの窪み内に収容される、請求項１に記載の追従式フォイルシール。
【請求項３】
前記追従式フォイルシール（３０）は、一つの上部フォイル（３２）を含み、前記一つの上部フォイル（３２）はサドル型の形状を有する、請求項１または２に記載の追従式フォイルシール。
【請求項４】
前記追従式フォイルシール（１０）は、直接ステータ（２１）と協働するように構成される第１上部フォイル（１２）と、前記第１上部フォイル（１２）に接続されて、前記下部フォイル（１１）を保持するように構成される第２上部フォイル（１３）とを含み、前記追従式フォイルシール（１０）はＺ字形状を有する、請求項１または２に記載の追従式フォイルシール。
【請求項５】
端と端を接続して設けられ、ロータ（２２、４２）の周りに環状に位置するように構成される複数の追従式フォイルシールを含む追従式フォイルシールアセンブリにおいて、各追従式フォイルシール（１０、３０）は、
前記ロータ（２２、４２）の少なくとも一部の周りで円周状に位置するように構成される下部フォイル（１１、３１）と、
追従的に前記ロータ（２２、４２）に面すると共に、ステータ（２１、４１）と前記ロータ（２２、４２）との間に位置するように前記下部フォイル（１１、３１）を配置することを、前記ステータ（２１、４１）と協働して行う構成である一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）とを含む、追従式フォイルシールアセンブリ。
【請求項６】
各追従式フォイルシールの前記下部フォイル（１１、３１）及び前記一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）は一体型に形成され、各追従式フォイルシール（１０、３０）の前記一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）のうちの少なくとも一つは、前記ステータ（２１、４１）内に画定される少なくとも一つの窪み内に収容される、請求項５に記載の追従式フォイルシールアセンブリ。
【請求項７】
各追従式フォイルシール（１０）は、前記ステータ（２１）と直接協働するように構成される第１上部フォイル（１２）と、前記第１上部フォイル（１２）及び前記下部フォイル（１１）に接続される第２上部フォイル（１３）とを含む、請求項５または６に記載の追従式フォイルシールアセンブリ。
【請求項８】
ステータ（２１、４１）と、
前記ステータ（２１、４１）内に回転可能に収容されるロータ（２２、４２）と、
端と端が接続されて、前記ロータ（２２、４２）の周りに環状に位置するように設けられる、複数の追従式フォイルシールとを含む回転機械（２０、４０）において、各追従式フォイルシール（１０、３０）は、
前記ロータ（２２、４２）の少なくとも一部の周りで円周状に位置するように構成される下部フォイル（１１、３１）と、
追従的に前記ロータ（２２、４２）に面すると共に、前記ステータ（２１、４１）及び前記ロータ（２２、４２）の間に位置するように前記下部フォイル（１１、３１）を配置することを、前記ステータ（２１、４１）と協働して行う構成である一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）とを含む、回転機械（２０、４０）。
【請求項９】
前記ステータ（２１、４１）は、その内部に円周状に分布する一つ以上の窪み（２１０、５０）を含み、
前記一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）のうちの少なくとも一つは、個別の前記一つ以上の窪み（２１０、５０）に収容される、請求項８に記載の回転機械。
【請求項１０】
各追従式フォイルシール（１０、３０）の前記下部フォイル（１１、３１）及び前記一つ以上の上部フォイル（１２、１３、３２）は一体型に形成される、請求項８または９に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して回転機械用のシールに関する。より詳細には、本発明は、回転機械の中に流れる流体の漏れを最低限に抑える追従式フォイルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなど、各種のタイプの回転機械が知られており、広範囲に利用されている。これらの回転機械の効率は、回転機械の構成要素の内部精度に左右される。例えば、精度の甘い回転機械は、内部構成要素間に比較的貧弱な嵌合状態を有する可能性があり、その結果、回転機械内で、高圧の領域から低圧の領域に向かって比較的高い割合で流体の漏れが生じるなど、効率の劣るものになり得る。
【０００３】
回転機械内に生じる流体の漏れを所望のレベルまで抑制するために、異なるタイプの隙間シールが回転機械に採用される。ただし、回転機械の変動する動作状態は、前述の隙間シールを設計する時に、ある種の困難さをもたらす。例えば、回転機械の回転軸が回転する時、この回転軸は、高速の回転速度において、遠心性の若干の伸びを呈する可能性がある。また、回転中、極端な速度変化、温度変動、非同心の位置合わせ、又は他の要因によって、回転軸が径方向に偏位する場合がある。従って、隙間シールは、このような動的状態に適応しなければならない。
【０００４】
ラビリンスシールは、回転軸のすぐ近くで、一連の歯又はブレードを利用することによって圧力を抑制する隙間シールである。このようなシールは既知であり、また信頼できるものである。ただし、ラビリンスシールは、高い割合でガス漏れを発生させることに加え、概して、回転軸の偏位に対する耐性に欠ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，１００，１５８号
【特許文献２】米国特許第５，３７０，４０２号
【特許文献３】米国特許第５，４２７，４５５号
【特許文献４】米国特許第５，５０９，６６４号
【特許文献５】米国特許第５，６３２，４９３号
【特許文献６】米国特許第５，７６９，６０４号
【特許文献７】米国特許第５，７９１，８６８号
【特許文献８】米国特許第５，８３３，３６９号
【特許文献９】米国特許第５，９０２，０４９号
【特許文献１０】米国特許第５，９１５，８４１号
【特許文献１１】米国特許第６，５０５，８３７号
【特許文献１２】米国特許第６，５２７，２７４号
【特許文献１３】米国特許第４，０８２，３７５号
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００７／０１８３６９７Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、回転機械の中に流れる流体の漏れを最低限に抑える、進歩した新しい追従式フォイルシールが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、追従式フォイルシールが提供される。この追従式フォイルシールは、ロータの周りに円周状に位置するように構成される下部フォイルと、追従的にロータに面すると共に、ステータと前記ロータとの間に位置するように前記下部フォイルを配置することを、ステータと協働して行う構成である一つ以上の上部フォイルとを含む。
【０００８】
本発明の他の実施形態によれば、追従式フォイルシールアセンブリが提供される。追従式フォイルシールアセンブリは、端と端を接続して設けられ、ロータの周りに環状に位置するように構成される複数の追従式フォイルシールを含む。各追従式フォイルシールは、前記ロータの少なくとも一部の周りに円周状に位置するように構成される下部フォイルと、追従的にロータに面すると共に、ステータと前記ロータとの間に位置するように前記下部フォイルを配置することを、前記ステータと協働して行う構成である一つ以上の上部フォイルとを含む。
【０００９】
本発明の実施形態は、さらに回転機械を提供する。この回転機械は、ステータと、前記ステータ内に回転可能に収容されるロータと、前記ロータの周りに環状に位置するように、端と端を接続して設けられる複数の追従式フォイルシールとを含む。各追従式フォイルシールは、前記ロータの少なくとも一部の周りに円周状に位置するように構成される下部フォイルと、追従的に前記ロータに面すると共に、前記ステータと前記ロータとの間に位置するように前記下部フォイルを配置することを、前記ステータと協働して行う構成である一つ以上の上部フォイルとを含む。
【００１０】
本開示について、前述したもの及び他の態様、特徴、及び利点は、下記の詳細な説明を付属の図面と組み合わせて考慮することで、より明瞭になるであろう。図面は次のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る追従式フォイルシールの模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る追従式フォイルシール、ステータ、及びそのロータのアセンブリを示すのに有用な、回転機械の模式的断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る追従式フォイルシールの模式図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る回転機械の模式図である。
【図５】図４に示した回転機械の部分４４の模式的拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、付属の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。下記の説明において、よく知られている機能又は構成については、不必要な細部において本開示を不明瞭にすることを回避するため、詳細には記載しない。
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態に係る追従式フォイルシール１０を示す。本発明の実施形態において、「追従」という用語は、フォイルシール１０が、ロータの偏位や、径方向の伸びなどに追従して動くことで、間に所望の隙間を維持できることを表すものである。図１に示すように、追従式フォイルシール１０は、下部フォイル１１、第１上部フォイル１２、並びに下部フォイル１１及び第１上部フォイル１２に接続された第２上部フォイル１３を含む。
【００１４】
本発明の実施形態において、下部フォイル１１、第１上部フォイル１２、及び第２上部フォイル１３は、ニッケル基鋼や、ベリリウム銅合金や、ベリリウム青銅合金など、耐疲労性であると共に、高い機械的強度を有する金属で作製されて良い。いくつかの非限定的な例において、下部フォイル１１、第１上部フォイル１２、及び第２上部フォイル１３は、ニッケル基合金や、ＲＥＮＥ（登録商標）超合金シート（ＲＥＮＥは、ゼネラルエレクトリック社の登録商標）や、インコネル（登録商標）超合金シート（インコネルはスペシャルメタル社の登録商標）や、他の適切な合金など、フォイル１１〜１３の高温での利用を実現できる合金で作製することができる。一つの非限定的な例において、フォイル１１〜１３は、ウェストヴァージニア州、ハンティントンのインコ社からＩｎｃｏｎｅｌ  Ｘ−７５０という商品名で販売されている合金で作製される。また、フォイル１１〜１３の材料は、当然のことながら、追従式フォイルシール１０が利用される特定の用途に応じて変更することができる。
【００１５】
図示した実施形態において、下部フォイル１１は平坦であり、第１及び第２の上部フォイル１２〜１３は波形である。下部フォイル１１は、自由端１１０と、前記自由端１１０の反対側の接続端１１１とを含む。接続端１１１は、下部フォイル１１の剛性を改善するために、上向きに湾曲して、第２上部フォイル１３の一方端（参照符号なし）に接合する。第２上部フォイル１３は、前記下部フォイル１１に接続された一方端の反対側に、他方端（参照符号なし）をさらに含み、この他方端は、第１上部フォイル１２の一端部に接続される。第１上部フォイル１２は、前記第２上部フォイル１３に接続された一端部の反対側に、フランジ端１２０をさらに含む。従って、追従式フォイルシール１０は、Ｚ字形である。また、一例において、下部フォイル１１の幅は、約１０ｍｍであって良く、第１及び第２の上部フォイル１２〜１３の幅は、約１５ｍｍであって良い。
【００１６】
本発明の実施形態において、下部フォイル１１、第１上部フォイル１２、及び第２上部フォイル１３は、一体型に形成されて良い。「一体型」の用語は、鋳造、溶接、リベット結合など、いくつかの既知の方法によって、フォイル１１〜１３が一体化されて、一つの部品として機能できることを表している。すなわち、図１に示すように、第２上部フォイル１３は、鋳造、溶接、又はリベット結合によって、下部フォイル１１上及び第１上部フォイル１２に接続されて設けられる。フォイル１１〜１３を一体化する他の適切な取り付け方法も利用できる。いくつかの実施形態において、フォイル１１〜１３は、着脱可能であっても、又は着脱式でなくても良い。
【００１７】
図２に、回転機械２０の模式的断面図を示す。図２に示すように、回転機械２０は、ステータ２１、前記ステータ２１内に回転可能に配設されるロータ２２、及びシールアセンブリ（参照符号なし）を含み、前記シールアセンブリは、端と端が接続されて（図４に示すシールアセンブリ４３と同様に）、ロータ２２の少なくとも一部の周りで円周状に配設される複数の追従式フォイルシール１０を含む。
【００１８】
また、図２の回転機械２０の実施形態は一例であることに留意されたい。一つの非限定的な例において、シールアセンブリは、端と端が接続されて、ロータ２２全体の周囲に、円周状又は環状に設けられる５つの追従式フォイルシール１０を含む。
【００１９】
図２に示すように、下部フォイル１１は、ロータ２２に面している。ステータ２１は、その円周上に設けられる窪み２１０を含む。第１上部フォイル１２のフランジ端１２０は、前記窪み２１０内に収容されて、前記ステータ２１と前記ロータ２２の間でフォイル１１〜１３を保持する。一部の実施形態において、フランジ端１２０は、窪み２１０内に直接、遊動的又は摺動可能に収容されて、ロータ２２に対する追従式フォイルシール１０の径方向及び軸方向両方の移動に柔軟性を与えることができるため、下部フォイル１１が追従的にロータ２２に面して、間に所望の間隔を維持することによって、ロータ２２の回転中、一次シール機能を実行する。また、フランジ端１２０は、ステータ２１に固定されても良い。一つの非限定的な例において、フランジ端１２０は、ステータ２１に溶接される。図示した実施形態において、第１上部フォイル１２は、ばねのような弾性部品として機能して、追従式フォイルシール１０の柔軟性を向上させることができ、第１及び第２の上部フォイル１２〜１３は、ロータ２２の回転中の漏れを最小限に抑制する二次シール機能を実行することができる。一つの非限定的な例において、下部フォイル１１及び第２上部フォイル１３の少なくともいずれかは、ステータ２１内に保持されなくても良い。
【００２０】
また、本発明の実施形態において、ロータ２２は、軸２２０を中心に回転することができるため、径方向は、軸２２０に対して近接又は離隔する方向として定義でき、軸方向は、軸２２０に沿った、又は軸２２０と平行な方向として定義でき、周方向は、軸２２０の周りをめぐる方向として定義できる。
【００２１】
図示した実施形態において、動作中、高圧ＰＨの領域及び低圧ＰＬの領域は、追従式フォイルシール１０の両側に分配されるため、追従式フォイルシール１０の両端に圧力差が生じる。下部フォイル１１の自由端１１０及び接続端１１１は、高圧の領域及び低圧の領域にそれぞれ接している。ロータ２２の回転及び圧力差の存在により、ロータ２２と下部フォイル１１の間に、粘性流体力学効果に起因するガス膜などの流体膜が形成される。ガス膜の圧力は、徐々に増加して、ロータ２２から離れるように下部フォイル１１を持ち上げる。
【００２２】
従って、形成されたガス膜は、追従式フォイルシール１０とロータ２２の間の非接触の動作を促進して、ロータ２２の回転を支持する。下部フォイル１１は、ガス膜の形成を促進して、高圧領域と低圧領域の間で、ロータ２２に一次シール機能を提供する。第１及び第２の上部フォイル１２〜１３は、特に、ロータ２２がより大きく偏位する時に、下部フォイル１１がロータ２２の偏位に容易に追随できるようにする。また、第１及び第２の上部フォイル１２〜１３は、高圧の領域から低圧の領域に流れるガスの経路をブロックすることで、二次シールとして機能する。従って、第２上部フォイル１３、下部フォイル１１、及び第１上部フォイル１２の協働により、高圧の領域から低圧の領域へのガスの漏れを最小限に抑えることができる。いくつかの例において、動作中、各下部フォイル１１とロータ２２の間の空間（参照符号なし）から、もしくは、シールアセンブリの２つの隣接する追従式フォイルシール同士の間の隙間（参照符号なし）から、又はその両方から、許容できる量ではあるが、少量のガスが漏れる場合がある。
【００２３】
図３に、本発明の他の実施形態に係る追従式フォイルシール３０の模式図を示す。図３に示すように、追従式フォイルシール３０は、下部フォイル３１及び上部フォイル３２を含む。すなわち、本発明の実施形態において、追従式フォイルシールは、下部フォイルと、少なくとも一つの上部フォイルとを含んでいれば良い。また、追従式フォイルシール３０の材料は、追従式フォイルシール１０の材料と同様であって良い。
【００２４】
図示した実施形態において、下部フォイル３１は、平坦であり、約１０ｍｍの幅を有する。上部フォイル３２は、サドル型の形状であり、約１５ｍｍの幅を有する。上部フォイル３２は、下部フォイル３１と一体であって良く、一例において、下部フォイル３１の中央部分に配設される。また、上部フォイル３２は、図示するように、２つのフランジ端３２０を含む。
【００２５】
図４に、本発明の他の実施形態に係る回転機械４０の模式図を示す。図５は、図４に示した回転機械４０の部分４４の模式的拡大図を示す。図４に示すように、回転機械４０は、ステータ４１、前記ステータ４１内に回転可能に配設されるロータ４２、及びシールアセンブリ４３を含み、前記シールアセンブリ４３は、端と端が接続されて、ロータ４２の少なくとも一部の周りで円周状に設けられる複数の追従式フォイルシール３０を含む。
【００２６】
図２の実施形態と同様に、図４の回転機械４０の実施形態は例示的なものである。一つの非限定的な例において、シールアセンブリ４３は、端と端が接続されて、ロータ４２全体を取り巻く円周状又は環状に配設される５つの追従式フォイルシール３０を含むことができる。回転機械４０内に追従式フォイルシール３０が組み立てられる時に、下部フォイル３１は、ロータ４２の周りに円周状に配置される。そして、２つのフランジ端３２０は、両方ともステータ４１内でそれぞれの窪み５０（図５に図示）の中に、遊動的又は摺動可能に収容されて、前記ステータ４１と前記ロータ４２の間で、下部フォイル３１及び上部フォイル３２を保持することで、ロータ４２に対する追従式フォイルシール３０の径方向と軸方向の両方の移動に、ある程度の柔軟性を与える。また、ステータ２１の個別の窪み（図示せず）に、一つのフランジ端３２０のみが収容されても良い。特定の実施形態において、一つ以上のフランジ端３２０が、ステータ４１に固定されても良い。従って、下部フォイル３１は、追従的にロータ４２に面して、間に所望の間隔を維持することによって、その間に流体膜を形成し、ロータ４２の回転中、追従式フォイルシール３０とロータ４２の非接触の動作を促進すると共に、一次シールとして機能する。上部フォイル３２は、高圧の領域から低圧の領域に向かってガスが流れる経路をブロックすることで、二次シールとして機能する。また、流体膜は、ロータ４２の回転を支持することができる。
【００２７】
特定の実施形態において、サドル型形状の上部フォイル３２は、追従式フォイルシール３０の柔軟性を改善する弾性部品として機能できるのみならず、高圧の領域から低圧の領域に流れるガスが通る経路をブロックして、二次シール機能を実行することができる。また、各下部フォイル３１とロータ４２の間の空間（参照符号なし）から、もしくはシールアセンブリの２つの隣接する追従式フォイルシール３１同士の間の隙間（参照符号なし）から、又はその両方から、許容できる量ではあるが、少量のガスが漏れる場合がある。
【００２８】
代表的な実施形態において、本開示を図示及び説明したが、本開示は、本開示の精神から少しも逸脱することなく各種の変形及び置き換えが可能であるため、記載した詳細内容に限定されるものではない。このように、本明細書に記載した開示のさらなる変形例及び等価物は、当業者が、単なる通常の実験に過ぎないものを利用して想到することができ、このような変形例及び等価物は、下記の請求項によって定義される開示内容の精神及び範囲内に入ると見なされる。
【符号の説明】
【００２９】
１０、３０  追従式フォイルシール
１１、３１  下部フォイル
１１０  自由端
１１１  接続端
１２  第１上部フォイル
１２０  フランジ端
１３  第２上部フォイル
２０、４０  回転機械
２１、４１  ステータ
２１０、５０  窪み
２２、４２  ロータ
２２０  軸
ＰＨ  高圧
ＰＬ  低圧
３２  上部フォイル
３２０  フランジ端
４３  シールアセンブリ
４４  部分
【図１】
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【図２】
2010151314.tif 000004
【図３】
2010151314.tif 000005
【図４】
2010151314.tif 000006
【図５】
2010151314.tif 000007