(57)【要約】      （修正有）【課題】回転機械用の空力シール組立体の提供。【解決手段】組立体１０は固定ハウジングとロータの中間に円周方向に配置されたシール装置セグメント１２を含み、ロータに面して複数のラビリンス歯状部１６を間に有する前方及び後方シューセクションを備えたシュープレート１４を含む。シュープレートはラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体とラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、シュープレートとロータとの間で空力的力を発生させるように構成される。シール装置セグメントはシュープレートと上部界接要素２４とに接続され、高圧流体が前方キャビティを占有し低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成されたベローズバネ２２又は可撓部を含む。シール装置セグメントは第１の一方端にて上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にてベローズバネ又は可撓部及びシュープレートの周りに位置付けられた２次シールを含む。【選択図】図１
2014015927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ハウジングとロータの中間に円周方向に配置された複数のシール装置セグメントを備えた、回転機械用の空力シール組立体であって、
前記シール装置セグメントの各々が、
前記ロータに面して複数のラビリンス歯状部を間に有する前方シューセクション及び後方シューセクションを備え、前記複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と前記複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つ前記ロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成されたシュープレートと、
前記シュープレートと上部界接要素とに接続され、前記高圧流体が前方キャビティを占有し前記低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成された複数のベローズバネ又は可撓部と、
第１の一方端にて前記上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にて前記複数のベローズバネ又は可撓部及び前記シュープレートの周りに位置付けられた２次シールと、
を含む、空力シール組立体。
【請求項２】
前記シュープレートが、前記回転機械の高圧側に向かう前記シュープレートの上部及び前記前方シュープレートセクションの円周方向の幅の差違に起因して形成された前方シュー供給溝を含む、請求項１に記載の空力シール組立体。
【請求項３】
前記シュープレートが、前記回転機械の低圧側に向かう前記シュープレートの上部及び前記後方シュープレートセクションの円周方向の幅の差違に起因して形成された後方シュー送給溝を含む、請求項２に記載の空力シール組立体。
【請求項４】
前記複数のベローズバネの各々が、前記上部界接要素及び前記シュープレートの円周方向の幅の各々よりも小さい円周方向幅を含む、請求項１に記載の空力シール組立体。
【請求項５】
前記複数のベローズバネが、前方ベローズバネ及び後方ベローズバネを含む、請求項１に記載の空力シール組立体。
【請求項６】
前記シール装置セグメントの各々が、前記シューシールと前記シュープレートとの間の線接触を含み、前記シューシールと前記シュープレートとの間の線接触の何れかの側部上で前記前方ベローズバネ及び前記後方ベローズバネを対称的又はほぼ対称的に分離する、請求項５に記載の空力シール組立体。
【請求項７】
前記シュープレートが、前記複数のラビリンス歯状部の前方部分への流体の軸方向流れを可能にするよう、前記回転機械の高圧側にて前記線接触の前に配置された複数の前方ポートから構成される、請求項６に記載の空力シール組立体。
【請求項８】
前記複数の前方ポートが、円周方向に角度が付けられ、前記流体が前記前方キャビティから前記複数のラビリンス歯状部の前方部分に流れるときに流体にスワールを与えるようにする、請求項７に記載の空力シール組立体。
【請求項９】
前記前方キャビティが、前記回転機械の高圧側にて前記上部界接要素、前記２次シール、前記前方ベローズバネ、及び前記シュープレートによって形成される、請求項８に記載の空力シール組立体。
【請求項１０】
前記シュープレートが、前記回転機械の低圧側にて前記線接触の後に配置され且つ前記複数のラビリンス歯状部の背面を前記後方キャビティに接続するよう構成された１つ又はそれ以上の後方ポートを含む、請求項６に記載の空力シール組立体。
【請求項１１】
前記後方キャビティが、前記回転機械の低圧側にて前記上部界接要素、前記２次シール、前記後方ベローズバネ、及び前記シュープレートによって形成される、請求項１０に記載の空力シール組立体。
【請求項１２】
前記１つ又はそれ以上の後方ポートが、円周方向に角度が付けられ、前記複数のラビリンス歯状部の後方から前記後方キャビティに流れる流体に対して接線方向の流れを与えるようにする、請求項１０に記載の空力シール組立体。
【請求項１３】
前記１つ又はそれ以上の後方ポートが、直線状ポート又は円周方向に角度が付いたポートであり、前記複数のラビリンス歯状部の後方から前記シール装置セグメントの下流側キャビティへの流体の流れを可能にする、請求項１０に記載の空力シール組立体。
【請求項１４】
前記前方シューセクション及び前記後方シューセクションの各々が、前記シール装置セグメントにかかる追加の上向きの推力に対する薄膜を発生させるＲａｙｌｅｉｇｈステップを含む、請求項１に記載の空力シール組立体。
【請求項１５】
前記ロータに面する前記シュープレートの側部が、前記ロータの曲率半径とは異なる曲率半径を含む、請求項１に記載の空力シール組立体。
【請求項１６】
前記ロータに面する前記シュープレートの側部の曲率半径が、前記ロータの曲率半径よりも大きい、請求項１５に記載の空力シール組立体。
【請求項１７】
タービン構成要素用の空力シール装置であって、
回転可能要素に面して前方シューセクション及び後方シューセクションの間に複数のラビリンス歯状部を有し、前記複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と前記複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つ更に前記シュープレートと前記ロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成されたシュープレートと、
前記シュープレートと上部界接要素とに接続され、前記高圧流体が前方キャビティを占有し前記低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成された複数のベローズバネ又は可撓部と、
第１の一方端にて前記上部界接要素に接続され、第２の一方端にて前記複数のベローズバネ又は可撓部及び前記シュープレートの周りに位置付けられた２次シールと、
を備え、
前記２次シールが、前記回転機械の高圧側及び低圧側に向けて前記前方キャビティ及び前記後方キャビティを形成するよう前記シール装置内に配置される、空力シール装置。
【請求項１８】
前記回転機械の高圧側及び低圧側それぞれに向けて前記シュープレートの側部にて前方シュー供給溝及び後方シュー送給溝を更に備える、請求項１７に記載の空力シール装置。
【請求項１９】
前記複数のベローズバネの各々が、前記上部界接要素及び前記シュープレートの円周方向の幅の各々よりも小さい円周方向幅を含む、請求項１７に記載の空力シール装置。
【請求項２０】
前記前方キャビティ内に配置された複数の前方プレートと、前記後方キャビティ内に配置された１つ又はそれ以上の後方ポートを更に備える、請求項１７に記載の空力シール装置。
【請求項２１】
回転機械の固定ハウジングと該回転機械の軸線の周りに転回する回転可能要素との間に空力シールを形成する方法であって、
前記固定ハウジング及び前記回転可能要素の中間に複数のシール装置セグメントを配置するステップを含み、
前記シール装置セグメントの各々が、前方シューセクションと後方シューセクションとの間に複数のラビリンス歯状部を有するシュープレートを含み、該シュープレートが、前記複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と前記複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つ前記シュープレートと前記ロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成され、
前記方法が更に、
前記シール装置セグメントの各々において、前記高圧流体が前方キャビティを占有し前記低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成された複数のベローズバネ又は可撓部を前記シュープレート及び上部界接要素に取り付けるステップと、
前記シール装置セグメントの各々内に２次シールを配置して前方キャビティ及び後方キャビティを形成するステップと、
を含み、前記２次シールが、第１の一方端にて前記上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にて前記複数のベローズバネ又は可撓部及び前記シュープレートの周りに位置付けられる、方法。
【請求項２２】
前記シュープレートが、高圧側及び低圧側それぞれに向かう前記シュープレートの両側に前方シュー供給溝及び後方シュー供給溝を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数のベローズバネの各々が、前記上部界接要素及び前記シュープレートの円周方向の幅の各々よりも小さい円周方向幅を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記シュープレートが、前記前方キャビティに配置された複数の前方ポートと、前記後方キャビティに配置された１つ又はそれ以上の後方ポートとを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記シュープレートが、ＮＡＳＡ  ＰＳ３０４、ＮＡＳＡ  ＰＳ４００、グラファイト、ダイアモンド状炭素、又は六方晶窒化ホウ素の群から選択された固体潤滑コーティング、又は他の同様の固体潤滑コーティングを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
本発明は、エネルギー省により授与された契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づき政府の支援を得て為された。政府は、本発明において一定の権利を有する。
（技術分野）
本出願は、全体的に、ターボ機械用のシール組立体に関し、より詳細にはロータ／ステータギャップ及び同様のものをシールするための改良された空力シール組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン、航空機エンジン、及び蒸気タービンなどの種々のタイプのターボ機械が公知であり、発電用、推進用、及び同様のものにおいて広く使用されている。ターボ機械の効率は、１つには、内部構成要素間のクリアランス並びにこれらのクリアランスを通過する１次及び２次流体の漏洩に依存する。例えば、熱的又は機械的に誘起される大きな相対運動に対処するために、特定のロータ−ステータ界接面にて大きなクリアランスを意図的に許容する場合がある。これらのギャップを通る高圧領域から低圧領域への流体漏洩は、ターボ機械の効率の低下をもたらす可能性がある。このような漏洩は、漏出した流体が有用な仕事を行うことができない点で効率に影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
ターボ機械を流れる流体漏洩を最小限にするために、様々なタイプのシールシステムが使用される。しかしながら、シールシステムは、多くの場合、種々の作動段階の間に比較的高い温度、温度勾配、並びに温度及び機械的膨張及び収縮に曝され、そこを通るクリアランスを増減する可能性がある。例えば、始動過渡相の間に極めて緊密なクリアランスで稼働するよう組み立てられた従来のラビリンスシールは、定常状態作動中には大きなクリアランスで稼働し、これにより定常状態作動での性能低下につながる可能性がある。
【０００４】
従って、ターボ機械と共に使用する改善された柔軟なシール組立体に対する要求がある。好ましくは、このような柔軟なシール組立体は、定常状態作動中により緊密なシールを提供できると同時に、過渡作動中の摩擦、接触よって引き起こされる摩耗、及び損傷を回避することができる。このようなシール組立体は、全体のシステム効率を改善すると同時に、製造を安価にし、関連部品の寿命の増大をもたらすはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，１７２，２３２号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の１つの実施形態によれば、回転機械用の空力シール組立体が提供される。本組立体は、固定ハウジングとロータの中間に円周方向に配置された複数のシール装置セグメントを含む。セグメントの各々は、ロータに面して複数のラビリンス歯状部を間に有する前方シューセクション及び後方シューセクションを備えたシュープレートを含む。シュープレートは、複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つシュープレートとロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成されている。シール装置セグメントはまた、シュープレートと上部界接要素とに接続され、高圧流体が前方キャビティを占有し低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成された複数のベローズバネ又は可撓部を含む。更にシール装置セグメントは、第１の一方端にて上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にて複数のベローズバネ又は可撓部及びシュープレートの周りに位置付けられた２次シールを含む。
【０００７】
本発明の１つの実施形態によれば、タービン構成要素用の空力シール装置が提供される。シール装置は、回転可能要素に面して前方シューセクション及び後方シューセクションの間に複数のラビリンス歯状部を有するシュープレートを含む。シュープレートは、複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つ更にシュープレートとロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成される。シール装置はまた、シュープレートと上部界接要素とに接続された複数のベローズバネ又は可撓部を含み、該複数のベローズバネ又は可撓部は、高圧流体が前方キャビティを占有し低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成されている。更に、シール装置は、第１の一方端にて上部界接要素に接続され、第２の一方端にて複数のベローズバネ又は可撓部及びシュープレートの周りに位置付けられた２次シールを含み、シール装置内に配置された２次シールが、回転機械の高圧側及び低圧側に向けて前方キャビティ及び後方キャビティを形成するように構成される。
【０００８】
本発明の１つの実施形態によれば、回転機械の固定ハウジングと該回転機械の軸線の周りに転回する回転可能要素との間にガスシールを形成する方法が提供される。本方法は、固定ハウジング及び回転可能要素の中間に複数のシール装置セグメントを配置するステップを含む。シール装置セグメントの各々は、前方シューセクションと後方シューセクションとの間に複数のラビリンス歯状部を有するシュープレートを含み、該シュープレートが、複数のラビリンス歯状部の前方部分への高圧流体と複数のラビリンス歯状部の背部への低圧流体とを可能にするよう構成され、且つシュープレートとロータとの間で空力的力を発生させるように更に構成されている。本方法また、シール装置セグメントの各々において複数のベローズバネ又は可撓部をシュープレート及び上部界接要素に取り付けるステップを含み、該複数のベローズバネ又は可撓部は、高圧流体が前方キャビティを占有し低圧流体が後方キャビティを占有できるように構成されている。更に、本方法は、シール装置セグメントの各々内に２次シールを配置して前方キャビティ及び後方キャビティを形成するステップを含み、２次シールが、第１の一方端にて上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にて複数のベローズバネ又は可撓部及びシュープレートの周りに位置付けられる。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１つの実施形態による、回転機械用の空力シール組立体の斜視図。
【図２】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントの斜視図。
【図３】本発明の別の実施形態による、可撓部を備えたシール装置セグメントの斜視図。
【図４】本発明の１つの実施形態による、空力シール組立体の一部の正面図。
【図５】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントの側面図。
【図６】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントの底面図。
【図７】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントの後方ポートの図。
【図８】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントの別の後方ポートの図。
【図９】本発明の１つの実施形態による、空力シール組立体におけるシュー−ロータ曲率の図。
【図１０】本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメントのＲａｙｌｅｉｇｈステップの図。
【図１１】本発明の１つの実施形態による、回転機械の固定ハウジングと回転機械の軸線の周りに転回する回転可能要素との間に空力シールを形成する方法に関するステップを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。動作パラメータの何れかの実施例は、開示された実施形態の他のパラメータだけに限定されない。
【００１２】
図１は、本発明の１つの実施形態による、回転機械の空力シール組立体１０の斜視図である。空力シール組立体１０は、ロータシャフト（図示せず）の周りに円周方向に配列され、シール組立体１０が固定ハウジング（図示せず）とロータシャフトの中間にあるようにする。シール組立体１０は、互いに隣接して配置されてシール組立体１０を形成する複数のシール装置セグメント１２を含む。シール装置セグメント１２の各々は、ロータシャフトに近接して配置されたシュープレート１４を含む。回転機械の作動中、シュープレート１４は、ロータシャフト上方の空力流体膜上に載っている。シール組立体１０はまた、ロータシャフト表面に面する側部にてシュープレート１４上に配置された複数のラビリンス歯状部１６を含む。ラビリンス歯状部は、回転機械の空力シール組立体１０の何れかの側部上の高圧領域１８又は低圧領域２０から流体を実質的に分離する。シール組立体１０はまた、シュープレート１４及び上部界接要素２４に取り付けた複数のベローズバネ２２を含む。シール装置セグメント１２の各々は、ロータに対して組み立てられ、各シュープレート１４とロータシャフトとの間にクリアランスギャップがあるようにされる。隣接するシール装置セグメント１２はまた、これらの間にクリアランスギャップを含む。シール装置セグメント１２の各々は、図２において詳細に説明する。
【００１３】
図２は、本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメント１２の斜視図である。図示のように、シール装置セグメント１２は、ロータシャフト（図示せず）に面して複数のラビリンス歯状部１６を間に有する、前方シューセクション２６及び後方シューセクション２８を備えたシュープレート１４を含む。シール装置セグメント１２は、前方ベローズバネ３０及び後方ベローズバネ３２から構成される１つ又はそれ以上のベローズバネを含む。シール装置セグメント１２は更に、第１の一方端においてカンチレバービームセクション３６を介して上部界接要素２４に取り付けられ、第２の一方端において複数のベローズバネ３０、３２及びシュープレート１４の周りに位置付けられた２次シール３４を含み、該２次シール３４の各々は、第２の一方端においてシュープレート１４と線接触を形成する。１つの実施形態において、２次シール３４は、上部界接要素２４に直接取り付けることができる。この実施形態において示すように、ベローズバネ３０、３２及び２次シール３４は、円周方向で直線状である。直線状ベローズバネ３０、３２及び直線状２次シール３４により、機械的応力を低く保持することが可能となる。別の実施形態において、ベローズバネ３０、３２及び２次シール３４は、円周方向に湾曲していてもよい。
【００１４】
シール組立体１０（図１に示す）において、隣接したシール装置セグメント１２からの２次シール３４が、上部界接要素２４とシュープレート１４との間の流体の流れに対する抑制経路を形成する。１つの実施形態において、前方ベローズバネ３０及び後方ベローズバネ３２は、２次シール３４とシュープレート１４との間の接触線の両側に対称的に配置される。この対称的な配列によって、シュープレート１４は、最小の傾き（前方シューセクション２６の縁部が後方シューセクション２８の縁部よりもロータに近接して、或いはその逆）で半径方向に並進できるようになる。対称的設計によって生じる傾きの低減はまた、（ロータ膨張事象中に）堅牢な方法で半径方向内向き及び半径方向外向きの両方に大きな変位を移動することが確実にできるようにする。
【００１５】
２次シール３４とシュープレート１４との間の接触線を越える僅かな漏洩が存在する。２次シール３４は、シール装置セグメント１２を回転機械の高圧側１８に向けて前方キャビティ３８と、回転機械の低圧側２０に向けて後方キャビティ４０とに区分するよう構成される。
【００１６】
図３に示す１つの実施形態において、シール装置セグメント１３は、シュープレート１４及び上部界接要素２４に接続された複数の可撓部３１、３３を含む。図３の複数の可撓部３１、３３又は図２のベローズバネ３０、３２の各々は、上部界接要素２４及びシュープレート１４の円周方向幅の各々よりも小さい円周方向幅から構成される。これにより、回転機械が加圧状態にあるときに、流体が前方ベローズバネ３０又は可撓部３１の周りに流れて、前方キャビティ３８を加圧するのが確実になる。同様に、回転機械の低圧側２０では、低圧流体が後方ベローズバネ３２又は可撓部３３の周りに流れ、後方キャビティ４０内の２次シール３４の後方に低圧を生成するようになる。
【００１７】
更に、図２の１つの実施形態において、シール装置セグメント１２は、回転機械の高圧側１８及び低圧側２０それぞれに向かうシュープレート１４の両側部にて前方シュー供給溝４２及び後方シュー供給溝４４を含む。シュープレート１４の上部４６は、供給溝４２、４４を形成する底部４８よりも幅広の円周方向幅を含む。シール組立体１０（図１に示すような）における隣接するシール装置セグメント１２間には、隣接する２次シール３４の間にクリアランスギャップが存在する。クリアランスギャップに加えて、図４にて検討するような半径方向ギャップが存在する。
【００１８】
図４は、隣接するシュープレート１４（図１に示すような）間の半径方向ギャップを示すシール組立体１０（図１に示すような）の一部である。図示のように、ステータハウジングの一部に対する上部界接要素２４は、隣接するシール装置セグメント１２間にステータ−ステータ半径方向ギャップを有する。隣接する２次シール３４もまた、半径方向ギャップを示している。更に、前方シューセクション２６（図２に示すような）において、シュープレート１４の上部４６及び底部４８は、前方シュー供給溝４２を形成する。隣接するシューの複数のラビリンス歯状部は、隣接するシュー間のセグメントギャップを形成する。シール組立体１０において、隣接するシュープレート１４及び隣接する２次シール３４間のセグメント半径方向ギャップは、ロータに向かうシール装置セグメント１２の半径方向運動及びセグメント１２のあらゆる円周方向熱膨張がセグメント結合を生じないように設計される。
【００１９】
図２に示すように、シュープレート１４はまた、回転機械の高圧側１８における線接触の前に配置された複数の前方ポート５０を含み、複数のラビリンス歯状部１６の前方部分への流体の軸方向流れを可能にするようにする。更に、シュープレート１４は、回転機械の低圧側２０において線接触の後に配置された１つ又はそれ以上の後方ポート５２を含む。１つの実施形態において、１つ又はそれ以上の後方ポート５２は、円周方向に角度が付けられ、複数のラビリンス歯状部１６の後方から後方キャビティ４０内に流れる流体に対して接線方向の流れを与えるようにする。別の実施形態において、１つ又はそれ以上の後方ポート５２は、直線状ポート又は円周方向に角度が付いたポートであり、ラビリンス歯状部１６の後方からシール装置セグメント１２の後方キャビティ４０への流体の流れを可能にする。
【００２０】
図５は、本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメント１２の側面図である。１つの実施形態において図示するように、前方ベローズバネ３０及び後方ベローズバネ３２は、上部界接要素２４及びシュープレート１４にろう付け継手により接続される。図５はまた、シュープレート１４及び２次シール３４に作用する種々の圧力の力を示している。前方キャビティ３８及び後方キャビティ４０において、シール装置セグメント１２の加圧によって、回転機械の始動作動中にシュープレート１４がロータに向かって移動するようになる。非限定的な実施例において、シュープレート１４は、気体静力学動作モードで流体膜上に載ることができ、該流体膜厚みは、ロータとの初期シール組立体クリアランスに応じて、約３／１０００インチ〜５／１０００インチの範囲にわたることができる。
【００２１】
気体静力学動作モードでは、加圧により、２次シール３４が半径方向に撓み、シュープレート１４をロータに向けて押し付けるようになる。２次シール３４がシュープレート１４をロータに向けて押し付けている間、ベローズバネ３０、３２は、シュープレート１４の動きを支持し誘導する。２次シール接触力及びベローズバネ力とは別に、シュープレート１４はまた、気体静力学的圧力負荷を受ける。これらの気体静力学的圧力負荷は、シュープレート１４の周りに流体が存在することによって引き起こされる。図５の半径方向外面に示すように、シュープレート１４は、２次シール３４とシュープレート１４との間の２次シール線接触の両側部上で高圧流体と低圧流体とに曝される。
【００２２】
１つの実施形態において、前方ポート５０及び２つの前方シュー供給溝４２（図２、３に示すような）は、前方キャビティ３８からの高圧流体を複数のラビリンス歯状部１６の前側に移動させる。同様に、１つ又はそれ以上の後方ポート５２及び後方シュー供給溝４４（図２、３に示すような）は、後方キャビティ４０からの低圧流体を複数のラビリンス歯状部１６の後側に移動させる。従って、複数のラビリンス歯状部１６は、シール装置セグメント１２にわたって圧力低下を受け、ロータ−シュープレート間ギャップに沿った漏洩の流れ制限を提供する機能を果たす。前方ポート５０が存在することに起因して、２次シール３４の上流側のシュープレート１４の全ての面が高圧流体に曝される。同様に、１つ又はそれ以上の後方ポート５２は、２次シール３４の下流側のシュープレート１４の全ての面が低圧流体に曝されるのが確保される。シュープレート１４とロータ表面との間の流体膜厚みが３／１０００から５／１０００インチ又はそれ以上である場合、ロータの回転により、シュープレート１４の真下の流体膜圧が、前方ポート５０及び後方ポート５２によって引き起こされる高圧及び低圧と有意に相違しないようになる。結果として、シュープレート１４にかかる正味流体負荷はほぼゼロである。シュープレート１４は、ほぼゼロの正味流体負荷の影響下で半径方向内向きに移動し、２次シールの接触力がシュープレート１４を内向きに押し進め、この半径方向内向きの移動に対してベローズバネがシュープレート１４を支持する。
【００２３】
図６は、本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメント１２の底面図である。この実施形態において、シール装置セグメント１２は、４つのポートを含む前方ポート５０を示している。他の実施形態では、前方ポート５０は、４つよりも少ないポート又はより多いポートでとすることができる。現行の実施形態において、前方ポート５０は、前方ポート５０から複数のラビリンス歯状部１６の正面に軸方向に流体を流すことができるように構成されている。別の実施形態において、前方ポート５０は、円周方向に角度が付けられ、流体が前方キャビティ３８から複数のラビリンス歯状部１６の前方部分に流れるときに流体にスワールを与える（接線速度を起こす）ようにする。この実施形態において、後方ポート５２の第１の一方端がシール装置セグメント１２の底面図により示されている。後方ポート５２は、ラビリンス歯状部１６の背面を後方キャビティ４０に接続する。図示のように、後方ポート５２の第１の一方端開口は、ラビリンス歯状部１６の背面に面する後方シューセクション２８の第１の縁部に配置される。後方キャビティ４０における後方ポート５２の第２の一方端の開口が図７に示される。１つの実施形態において、後方ポート５２は、より多くのポートに分割することができる。別の実施形態において、１つ又はそれ以上の後方ポート５２は、円周方向に角度が付けられ、複数のラビリンス歯状部１６の後方から後方キャビティ４０に流れる流体に対して接線方向の流れを与えるようにする。
【００２４】
図８は、本発明の１つの実施形態による、シール装置セグメント１２の別の後方ポート５２を示す。この実施形態において、１つ又はそれ以上の後方ポート５２は、直線状ポート又は円周方向に角度が付いたポートであり、複数のラビリンス歯状部１６の後方からシール装置セグメント１２の下流側キャビティへの流体の流れを可能にする。１つ又はそれ以上の後方ポート５２の第１の端部開口は、ラビリンス歯状部１６の背面に面する後方シューセクション２８の第１の縁部に配置することができる。この実施形態において図示するように、１つ又はそれ以上の後方ポート５２の第２の端部開口は、シュープレート１４の後方シューセクションの第２の縁部に配置され、流体の流れを複数のラビリンス歯状部１６の後方からシール装置セグメント１２の下流側キャビティに直接配向することができるようにする。
【００２５】
図９は、本発明の１つの実施形態による、空力シール組立体１０におけるシュー−ロータの曲率を示している。シール組立体１０はまた、気体静力学動作モードで作動している。ロータ−シュープレートギャップが減少し始めた（例えば、クリアランスの変化を引き起こす熱又は機械的かと事象中に）ときには、流体薄膜が追加の圧力を生じ始める。この実施形態では、シュープレート１４の曲率半径は、意図的にロータ半径よりも大きくなっている。その結果、ロータ−シュープレートギャップが小さくなると（１／１０００インチよりも小さい）、流体膜が回転方向で単調に縮小するか又は縮小−拡大する。この流体楔形の流体膜は、追加の圧力増大をもたらす。薄膜の物理的特性は、流体力学的ジャーナル軸受又はフォイル軸受から容易に理解され、適切な流体流モデルを用いてモデル化することができる。この基本原理は、流体膜厚みのあらゆる負の勾配が、流体膜の圧力を境界圧力よりも上回って増大させることである。流体薄膜によって生じる追加の圧力は、ベローズバネ３０、３２を両側から圧迫し、これによりシュープレート１４を半径方向外向きに移動させ、ロータがシュープレート１４と接触しないようにする。この意味で、ロータのあらゆる外向きの偏位が、全てのシール装置セグメント１２上のシュープレート１４によって追従される。
【００２６】
図１０に示す別の実施形態において、流体薄膜は、回転方向でシュープレート１４上に１つ又はそれ以上のＲａｙｌｅｉｇｈステップ６０、６２が存在することに起因した追加の力を発生する。図示のように、前方シューセクション２６は、第１のＲａｙｌｅｉｇｈステップ６０を含み、後方シューセクション２８は、第２のＲａｙｌｅｉｇｈステップ６２を含む。複数の前方ポート５０及び１つ又はそれ以上の後方ポート５２もまた、シール動作の薄膜空力モードで発生する可能性がある追加の熱を取り除くための冷却ポートとしての目的に役立つ点に留意されたい。これら２つのシューセクション、すなわち、前方シューセクション２６及び後方シューセクション２８が存在することにより、両方向の空気力学モーメント（円周方向軸線の周り）の生成が可能となる。例えば、シュープレート１４が傾いて、後方シューセクション２８の後方縁部が前方シューセクション２６の前方縁部よりもロータに近接するようになった場合には、後方シューセクション２８は、前方シューセクション２６よりもより大きな空力的力を発生し、結果として生じる空気力学モーメントがシューの傾きを補正することになる。同様に、前方シューセクション２６は、ロータに接近した場合の空力的傾き補正を可能にする。全体として、ロータ又は１つ又はそれ以上のＲａｙｌｅｉｇｈステップ６０、６２との曲率が一致しない２つのシュープレートセクション構成は、自己補正シール動作を可能にし、半径方向クリアランス変化だけでなく、シールの前方−後方傾きも補正することができる。
【００２７】
非限定的な実施例において、ベローズバネ３０、３２及び２次シール３４（図２に示すような）の両方は、Ｉｎｃｏｎｅｌ  Ｘ７５０又はＲｅｎｅ４１のような高温金属合金から形成される。ベローズバネ３０、３２の両端は、上部界接要素２４及びシュープレート１４にろう付けされる。２次シール３４は、ステータ又は上部界接要素２４に片持ち（ろう付け）され、シュープレート表面上で軸方向に自由に滑動できる。本発明の実施形態において、２次シール３４の自由端部は、シュープレート１４（図示のような）に接触し、常にシュープレート１４と接触したままである。１つの実施形態において、加圧前に２次シール３４とシュープレート１４との間にギャップ（非接触）が存在することができ、このギャップは、加圧時に塞がって、２次シール３４とシュープレート１４との間に接触を確立するようになる。１つの実施形態において、シュープレート１４及びステータ界接要素又は上部界接要素２４は、機械加工又は鋳造される。１つの実施形態において、シュープレートの半径方向最内表面は、シール動作環境条件でシュープレート１４とロータとの間の意図しない摩擦に対処できる、ＮＡＳＡ  ＰＳ３０４又はＮＡＳＡ  ＰＳ４００のような潤滑コーティング、或いは同様の固体潤滑コーティングでコーティングすることができる。別の実施形態において、シュープレート１４と相互作用するロータ表面は、炭化クロム又は窒化チタンアルミウム、或いは、ロータの硬度、耐腐食性、及び良好な表面仕上げを維持する能力を改善するための同様のコーティングでコーティングすることができる。
【００２８】
図１１は、本発明の１つの実施形態による、回転機械の固定ハウジングと回転機械の軸線の周りに転回する回転可能要素との間に空力シールを形成する方法に関するステップを
示している。ステップ１０２において、本方法は、固定ハウジング及び回転可能要素の中間に複数のシール装置セグメントを配置するステップを含み、シール装置セグメントの各々は、前方シューセクションと後方シューセクションとの間に複数のラビリンス歯状部を有するシュープレートを含む。シュープレートは更に、高圧側及び低圧側それぞれに向かうシュープレートの両側に前方シュー供給溝及び後方シュー供給溝を含む。ステップ１０４では、本方法は、シール装置セグメントの各々のおける複数のベローズバネをシュープレート及び上部界接要素に取り付けるステップを含む。最後に、ステップ１０６において、本方法は、シール装置セグメントの各々内に２次シールを配置して前方キャビティ及び後方キャビティを形成するステップを含み、２次シールは、第１の一方端にて片持ちレバービームセクションを介して上部界接要素に取り付けられ、第２の一方端にて複数のベローズバネ及びシュープレートの周りに位置付けられる。
【００２９】
有利には、本発明の空力シール組立体は、高い圧力低下及び大きな過渡事象に関して回転機械の複数の位置に対し信頼性のある堅牢なシールを提供する。本シール組立体はまた、製造が安価である。シールの非接触作動により、大きなロータ過渡位置においてこれらシールが特に魅力的なものになる。更に、本発明は、バネ剛性及び耐圧能力の独立した制御を可能にし（バネが圧力荷重を受けないので）、これにより高い圧力低下にも依然として耐える柔軟なシール設計を可能にする。更に、本発明は、シュープレートを気体静力学動作においてロータに平行に保持し、気体静力学動作モード中にロータに対して平行に並進させることができる。本発明はまた、半径方向運動に対する改善された予測を含む（漏洩性能及び堅牢性に対する予測性を向上させる）。
【００３０】
更に、当業者であれば、様々な実施形態による種々の特徴部に互換性があることは理解されるであろう。同様に、当業者には、記載される種々の方法ステップ及び特徴部並びにこのような方法及び特徴部に対する他の公知の均等物を組み合わせ且つ適合させて、本発明の原理に従った付加的なシステム及び方法を構成することができる。勿論、上記で説明した全てのこのような目的又は利点が特定の実施形態によって必ずしも達成できる訳ではない点を理解されたい。すなわち、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。
【００３１】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  空力シール組立体
１２  シール装置セグメント
１４  シュープレート
１６  ラビリンス歯状部
１８  回転機械の高圧側
２０  回転機械の低圧側
２２  ベローズバネ
２４  上部界接要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2014015927000001.pdf