(57)【要約】【課題】高レベルシール性能を維持しつつ、動作条件でシールの摩耗及び断裂を最小限にする改良タービンシールシステム及び装置を提供する。【解決手段】固定構造体（４０４）と回転構造体（４０２）との間の半径方向間隙からの軸方向漏れを防ぐためのタービンエンジンのシールであって、半径方向間隙が、該半径方向間隙を挟んで対向する外側半径方向表面と内側半径方向表面とで規定され、シールが、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の一方に配置された第１の溝（４０８）と、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方から半径方向に突出する第１の歯状部（４０７）とを備え、第１の溝（４０８）は、上流端に、第１の歯状部（４０７）が位置する表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部（４１０）を含み、下流端に急傾斜部（４０９）を含み、第１の歯状部（４０７）は、溝（４０８）の上流端の軸方向位置のほぼ直ぐ上流側の軸方向位置を含む。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定構造体（４０４）と回転構造体（４０２）との間の半径方向間隙を通る軸方向漏出を阻止するためのタービンエンジンのシールであって、前記半径方向間隙が、該半径方向間隙を挟んで対向する外側半径方向表面と内側半径方向表面とによって定められ、前記シールが、
前記内側半径方向表面及び前記外側半径方向表面の一方に配置された第１の溝（４０８）と、
前記内側半径方向表面及び前記外側半径方向表面の他方から半径方向に突出する第１の歯状部（４０７）と
を備えるシールであって、
前記第１の溝（４０８）は、上流端において、前記第１の歯状部（４０７）が位置する表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部（４１０）を含み、下流端において急傾斜部（４０９）を含み、前記第１の歯状部（４０７）は、前記溝（４０８）の上流端の軸方向位置のほぼ直ぐ上流側にある軸方向位置を含む、シール。
【請求項２】
前記溝（４０８）が前記固定構造体（４０４）上に配置され、前記歯状部（４０７）が前記回転構造体（４０２）上に配置される、請求項１記載のシール。
【請求項３】
前記溝（４０８）が前記回転構造体（４０２）上に配置され、前記歯状部（４０７）が前記固定構造体（４０４）上に配置される、請求項１記載のシール。
【請求項４】
前記溝（４０８）が前記内側半径方向表面上に配置され、前記歯状部（４０７）が前記外側半径方向表面上に配置される、請求項１記載のシール。
【請求項５】
前記溝（４０８）が前記外側半径方向表面上に配置され、前記歯状部（４０７）が前記内側半径方向表面上に配置される、請求項１記載のシール。
【請求項６】
前記歯状部（４０７）が、前記内側半径方向表面及び前記外側半径方向表面の他方の一体部分である、請求項１記載のシール。
【請求項７】
前記第１の歯状部（４０７）と同じ半径方向表面から半径方向に突出する第２の歯状部（４０７）をさらに備え、前記第２の歯状部（４０７）が、前記第１の溝（４０８）の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む、請求項１記載のシール。
【請求項８】
前記第１の歯状部（４０７）及び前記第２の歯状部（４０７）が前向き傾斜を含み、前記傾斜した第１の歯状部（４０７）及び傾斜した第２の歯状部（４０７）の前方点の軸方向位置が、前記傾斜した歯状部が続く溝（４０８）の後方縁部の軸方向位置の下流側にある軸方向位置を含む、請求項７記載のシール。
【請求項９】
第２の溝（４０８）をさらに備え、該第２の溝（４０８）が、上流端において、前記第２の歯状部（４０７）が位置する半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部（４１０）を含み、下流端において急傾斜部（４０９）を含む、請求項７記載のシール。
【請求項１０】
前記第１の歯状部（４０７）と同じ半径方向表面から半径方向に突出し、前記第２の溝（４０８）の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む第３の歯状部（４０７）と、
上流端において前記第１の歯状部（４０７）が位置する半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部（４１０）を含み、下流端において急傾斜部（４０９）を含む第３の溝（４０８）と
をさらに備え、
前記第３の溝（４０８）の上流端が、前記第３の歯状部（４０７）の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む、請求項９記載のシール。
【請求項１１】
前記第１の歯状部（４０７）と同じ半径方向表面から半径方向に突出する第４の歯状部（４０７）をさらに備え、該第４の歯状部（４０７）が、前記第３の溝（４０８）の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む、請求項１０記載のシール。
【請求項１２】
前記第１の溝（４０８）の上流端の緩傾斜部（４１０）と、軸方向に整列された基準線との間に角度Θ１が全体的に形成され、前記第１の溝（４０８）は、前記角度Θ１が約２５〜５５度であるように構成され、前記第１の溝（４０８）の下流端の急傾斜部（４０９）と、軸方向に整列された基準線との間に角度Θ２が全体的に形成され、前記第１の溝（４０８）は、前記角度Θ２が約８０〜１００度であるように構成される、請求項１記載のシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、タービンエンジンの効率及び作動を改善するためのシステム及び装置に関し、本明細書では、別途記載しない限り、蒸気タービンエンジン、燃焼タービンエンジン、航空機エンジン、発電エンジンなどを始めとするあらゆるタイプのタービン又は回転式エンジンを包含する。より具体的には、特に限定されないが、本出願は、タービンエンジンをシールすること、特に、タービンエンジンの固定及び回転部品間の漏出流を最小限にすることに関係するシステム及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタービンエンジンでは、固定部品と回転部品との間の作動流体の漏出を最小限にする手段としてラビリンスシールを使用することが多い。これらの固定及び回転部品は一般に、放射状の形状である。一般に、これらのシールは、固定又は回転部品の何れにおいても、複数の軸方向に間隔を置いて配置された歯状部を含み、これらは、半径方向表面と一体的に機械加工されるか、或いは、半径方向表面に挿入される。通常は、対向する半径方向表面が機械加工されて、軸方向に間隔を置いて配置される突出する環状ランドを提供し、これらは、ランド間の半径方向表面と共に、シール組立体の一部とみなされる。歯状部とランドの高い部分及び低い部分との間の間隙は「クリアランス」と呼ばれ、該クリアランスを最小限に維持することは、作動流体の漏出を最少にし、エンジン効率を改善する点で重要である。
【０００３】
しかしながら、例えば、エンジン始動、停止、又は負荷変動を含むことができる作動過渡状態は、固定部品に対して回転部品の軸方向移動をもたらすことが多く、１つの半径方向表面上のラビリンスシールを定める歯状部又は他の構造体が対向する半径方向表面上の歯状部又は構造体と接触又は衝突させるようにすることができる。この接触は通常、半径方向表面の歯状部及びプロファイルの摩耗をもたらす。このような損傷は、シール欠陥及び作動流体漏出の増大を生じる可能性がある。
【０００４】
従来の蒸気タービン設計の実施には一般に、本開示で以下に説明するように、一方で、効果的なシール形成の提供と、他方で、シールに対する最小限の損傷の確保とのトレードオフを必要とする。既存のシールは、効果的なシールを提供するが、これらの設計は、ロータの軸方向移動に起因してその後にシールへの損傷をもたらす場合がある。或いは、他の従来のシールは、このような損傷を阻止するが、広いクリアランスを必要とし、間隙を通る作動流体の流れのシールが不十分になる。
【０００５】
その結果、高レベルのシール性能を提供しながら、特定の動作条件の間のシールの摩耗及び断裂を最小限する改善されたシールシステム及び装置に対する必要性が依然として存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７２９３９５３号明細書
【発明の概要】
【０００７】
従って、本出願は、固定構造体と回転構造体との間の半径方向間隙を通る軸方向漏出を阻止するためのタービンエンジンのシールであって、半径方向間隙が、該半径方向間隙を挟んで対向する外側半径方向表面と内側半径方向表面とによって定められ、シールが、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の一方に配置された第１の溝と、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方から半径方向に突出する第１の歯状部とを備え、第１の溝は、上流端において、第１の歯状部が位置する表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部を含み、下流端において急傾斜部を含み、第１の歯状部は、溝の上流端の軸方向位置のほぼ直ぐ上流側にある軸方向位置を含む。
【０００８】
幾つかの実施形態では、溝が固定構造体上に配置され、歯状部が回転構造体上に配置される。幾つかの実施形態では、溝が回転構造体上に配置され、歯状部が固定構造体上に配置される。幾つかの実施形態では、溝が内側半径方向表面上に配置され、歯状部が外側半径方向表面上に配置される。幾つかの実施形態では、外側半径方向表面上に配置され、歯状部が内側半径方向表面上に配置される。幾つかの実施形態では、歯状部が、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方の一体部分である。幾つかの実施形態では、歯状部が、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方に挿入され及び／又はコーキングされる。
【０００９】
幾つかの実施形態では、シールはさらに、第１の歯状部と同じ半径方向表面から半径方向に突出する第２の歯状部を含む。第２の歯状部は、第１の溝の上流端の軸方向位置のほぼ直ぐ上流側にある軸方向位置を含むことができる。幾つかの実施形態では、第１の歯状部及び第２の歯状部が前向き傾斜を含み、傾斜した第１の歯状部及び傾斜した第２の歯状部の前方点の軸方向位置が、傾斜した歯状部が続く溝の後方縁部の軸方向位置の下流側にある軸方向位置を含む。
【００１０】
幾つかの実施形態では、シールはさらに第２の溝を含み、該第２の溝が、上流端において、第２の歯状部が位置する半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部を含み、下流端において急傾斜部を含む。幾つかの実施形態では、シールがさらに、第１の歯状部と同じ半径方向表面から半径方向に突出し、第２の溝の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む第３の歯状部と、上流端において第１の歯状部が位置する半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部を含み、下流端において急傾斜部を含む第３の溝とをさらに備え、第３の溝の上流端が、第３の歯状部の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む。
【００１１】
幾つかの実施形態では、第１の歯状部と同じ半径方向表面から半径方向に突出する第４の歯状部をさらに含み、該第４の歯状部が、第３の溝の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を含む。
【００１２】
幾つかの実施形態では、第１の溝の上流端の緩傾斜部と、軸方向に整列された基準線との間に角度Θ１が全体的に形成され、該第１の溝は、角度Θ１が約２５〜５５度であるように構成される。さらに、第１の溝の下流端の急傾斜部と、軸方向に整列された基準線との間に角度Θ２が全体的に形成され、該第１の溝は、角度Θ２が約８０〜１００度であるように構成される。
【００１３】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び添付の請求項を併用しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査すると明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の高低シールを示す図。
【図２】相互連結シールと一般的に呼ばれる、代替の従来のシールを示す図。
【図３】タービンエンジンで使用できる別の従来のシールを示す図。
【図４】例えば、タービンエンジン応用で使用できる本出願の例示的な実施形態によるシールを示す図。
【図５】図４に例示するシールの流体流パターンを示す図。
【図６】本出願による例示的なシールの種々の部品の好ましい寸法を説明するのに役立つ図。
【図７】図中で左から右への作動流体の流れによって発生する流れパターンと共に、本発明の代替の実施形態を示す図。
【図８】本発明の例示的な実施形態による別のシールを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。
【００１６】
図面を参照しながら以下で詳細な説明を行う。図１、２、及び３は、当該技術分野で公知のタービンエンジンにおいて一般的に使用されるシールを示している。続いて、本発明の例示的な実施形態を説明する。
【００１７】
本出願の発明を明確に説明するために、タービンエンジンの特定の機械構成要素又は部品を言及し説明する用語を選択することが必要な場合がある。当該業界で通常使用される用語は、可能な限り、一般に受け入れられる意味と適合するように使用及び利用される。しかしながら、このような用語は広義に与えられ、本明細書で意図する意味及び添付の請求項の範囲が不当に制限されるような狭義に解釈されない。当業者であれば、特定の構成要素が複数の異なる名称で呼ばれる場合が多いことは理解されるであろう。加えて、本明細書で単一の要素として説明できる事柄は、別の状況では複数の構成要素を含み、又は複数の構成要素からなるものとして言及することができ、或いは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして説明できる事柄は、単一要素に構築され、場合によっては単一の要素として言及することができる。従って、本明細書で記載される本発明の範囲を理解する際に、提供される用語及び説明にのみ留意するのではなく、本明細書で記載される構成要素の構造、構成、機能、及び／又は使用に対しても留意すべきである。
【００１８】
加えて、本明細書では幾つかの記述上の用語を使用する場合がある。これらの用語の意味は、以下の定義を包含する。本明細書で使用される「下流」及び「上流」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。すなわち、用語「下流」とは流れ方向を意味し、用語「上流」とは、タービンを通る流れと逆方向を意味する。これらの用語に関連して、用語「後方」及び／又は「後縁」は、説明されている構成要素の下流方向、下流端部、及び／又は下流端部の方向を指す。また、用語「前方」又は「前縁」は、説明されている構成要素の上流方向、上流端部、及び／又は上流端部の方向を指す。用語「半径方向」は、軸線に垂直な動き又は位置を指す。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに必要となることが多い。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線により近接して位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「内寄り」又は「半径方向内向き」にあると表現することができる。反対に、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線からより遠くに位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「外寄り」又は「半径方向外向き」にあると表現することができる。用語「軸方向」とは、軸線に平行な動き又は位置を指す。また、用語「円周方向」とは、軸線を中心とした動き又は位置を指す。蒸気タービンにおける用語「ノズル」とは、ガスタービン及びジェットタービンにおける「ステータ」と同じ構造体を指す。
【００１９】
ここで各図面を参照すると、図１は、従来の高低（ｈｉ−ｌｏ）シール１００を示し、図１において左から右側の下流側に流れる漏出流に複雑な経路をもたらすようにしている。高低とは、高さが交互する（高低の）歯状部を備えたタイプのラビリンスシールである。この構成は、シールの対向する表面上で歯状部と溝４０８との間の狭いクリアランスを可能にする。ラビリンスシールは、シールの対向する側部で高圧領域から低圧領域への流体の流れに対して比較的多くの障壁部（歯状部など）を配置することによって機能し、各障壁部は、流体を蛇行経路に追従するよう強制させ、圧力低下をもたらす。高低シール１００は、先鋭なシール歯状部又はＪ型シールとすることができる、軸方向に間隔を置いて配置された短い歯状部１０４及び長い歯状部１０５を備えたロータ１０２と、ノズル（又はステータ）１０６との間に存在する。短い歯状部１０４及び長い歯状部１０５は、ロータ１０２の内側半径方向表面からノズル１０６の内側半径方向表面に向けて突出し、短い歯状部１０４と隆起ランド（又は高ランド）１０８との間、及び長い歯状部１０５と表面１１０との間に狭いクリアランス１０７を備えた「高低」設計を有する。従って、高低シール１００は、高低シール１００の対向する側部上で高圧領域（図１の左側）から低圧領域（図１の右側）への流体の流れに対して比較的多くの障壁部（短い歯状部１０４、長い歯状部１０５、及び隆起ランド１０８など）を提供する。高低設計に起因して、流体は蛇行経路を流れるよう強制され、高低シール１００の前後で圧力低下を生じる。既に検討したように、始動、停止、又は負荷変動、その他の間のタービンエンジンの作動過渡状態は、回転部品の軸方向移動、並びに長い歯状部１０５による隆起ランド１０８の可能性のある接触又は打撃をもたらすことが多い。この動作は、高低シール１００に大きな損傷を与え、タービン内の漏出流を阻止する機能を低下させる可能性がある。
【００２０】
図２は、相互連結シール２００と一般的に呼ばれる従来の別のシールを描いている。図示のように、歯状部２０４を備えたロータ２０２は、ノズル（又はロータ）２０８から突出する隆起ランド２０６に密接に取り付けることができる。隆起ランド２０６は、本質的に歯状部であり、ロータ２０２から突出する歯状部２０４と相互連結するよう設計される。ロータ２０２及びノズル２０８は、隆起ランド２０６間の歯状部２０４と表面２１２との間に一定のクリアランス２１０を含むよう構成される。この相互連結シール２００は、流体流に延伸経路を提供するが、相互連結シール２００は、ロータ２０２の軸方向移動に起因する損傷を受けやすいままである。ロータ２０２の軸方向移動は、歯状部２０４と歯状部２０６との間の距離によって制限することができる。
【００２１】
図３は、突出する歯状部３０４を備えたロータ３０２を示す、別の従来のタービンエンジンシール３００を例示している。ノズル（又はステータ）３０６は、平坦面３０８を有し、軸方向移動に起因した従来のタービンエンジンシール３００への損傷を防ぐことができる。しかしながら、この従来のタービンエンジンシール３００は、左から右へ下流側に流れる流体が適度に誘導される直進的な経路を有するので、十分なシールを提供することができない。
【００２２】
ここで図４を参照すると、本出願の例示的な実施形態によるタービン又は回転エンジン用のシール４００が示される。幾つかの実施形態では、シール４００は、タービンエンジンの固定構造と回転構造との間の間隙において利用することができる。以下で説明するように、シール４００は、間隙を通る作動流体の流れ又は漏出を阻止すると共に、シールへの損傷をもたらすことのない、回転及び固定構造間の軸方向移動を可能にする効果的なシールを提供できる。すなわち、複数の図で示され且つ以下で詳細に検討されるように、幾つかの実施形態では、間隙の両端で互いに対向するシール４００の構造は、半径方向には重なり合わず、シール損傷接触の恐れが無く部品が軸方向に移動できる。幾つかの実施形態では、固定構造体又は部品は、蒸気タービンノズル内側カバー、ガスタービンステータ内側プレート、又は単にパッキンリング、並びに他の固定構造体とすることができる。さらに、幾つかの実施形態では、回転構造体又は部品は、ロータ、シャフト、又はロータに接続されたディスクもしくはドラム、並びに他の回転構造体とすることができる。本発明の実施形態では、シール４００は、ロータ４０２である回転構造体と、ノズル４０４である固定構造体との間に配置される。上記で述べたように、請求項に記載された発明の範囲は、蒸気タービンエンジン、燃焼タービンエンジン、航空機エンジン、発電エンジンなどを始めとするあらゆるタイプのタービン又は回転式エンジンを含む。
【００２３】
図４に戻ると、ロータ４０２は、ノズル４０４の半径方向表面に面する半径方向表面を有することができる。ロータ４０２は、表面から突出する幾つかの歯状部４０７を含むことができ、ノズル４０４は、幾つかの溝４０８を有する内側カバー４０５を有する。
【００２４】
ノズル４０４の上流端において、第１の溝４０８は、ノズル内側カバー４０５の半径方向表面に機械加工することができる。ロータ２０２の上流端において、第１の歯状部４０７は、ロータ４０２の半径方向表面からノズル内側カバー４０５に向かって半径方向に突出することができる。流体流の下流方向は、図４に示すように左から右である。図示のように、第１の溝４０８の下流端は、下流方向に移動するときにロータ４０２に向かって傾斜した急傾斜部４０９を含むことができ、第１の溝４０８の上流端は、下流方向に移動するときにロータ４０２から離れる方向に傾斜した実質的に凸面状の緩傾斜部４１０を含むことができる。第１の溝４０８の下流端の急傾斜部４０９は、凹状円弧状の緩傾斜部４１０の端部と交わり、これにより本出願の例示的な実施形態による第１の溝４０８を形成することができる。本発明の例示的な実施形態では、第１の溝４０８の上流端の緩傾斜部４１０は、図４に示すように、滑らかな曲線輪郭を形成することができる。代替の実施形態では、溝４０８の１つ又はそれ以上の緩傾斜部４１０は、曲線輪郭ではなく線形又は平坦な輪郭を有することができる。第１の歯状部４０７の軸方向位置は、第１の溝４０８の上流端の軸方向位置の直ぐ上流側に位置することができる。
【００２５】
第１の溝４０８から下流方向に移動すると、シール４００は、ロータ４０２からノズル４０４に向かって半径方向に延びる第２の歯状部４０７を含むことができる。第２の歯状部４０７は、第１の溝４０８の下流端の軸方向位置の直ぐ下流側の軸方向位置を占めることができる。第２の第２の溝４０８もまた設けることができ、該第２の第２の溝４０８の上流端が第２の歯状部４０７の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側に軸方向に位置付けることができるようにする。
【００２６】
本発明の実施形態では、第２の溝４０８の上流端は、ロータ４０２の半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部４１０を含むことができ、第２の溝４０８の下流端は、第１の溝４０８に関して上記で説明されたことと同様に、急傾斜部４０９を含むことができる。急傾斜部４０９は、滑らかな凹状円弧状の緩傾斜部４１０と交わり、従って、第２の溝４０８を形成することができる。ロータ４０２表面から半径方向に突出する第３の歯状部４０７は、第２の溝４０８の下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側の軸方向位置に位置することができる。幾つかの実施形態では、第３の溝４０８が存在してもよく、第３の溝４０８の上流端が第３の歯状部４０７の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側に位置するようにする。ここで、第１及び第２の溝４０８と同様に、第３の溝４０８の下流端は、ロータ４０２の半径方向表面から離れる方向に傾斜する緩傾斜部４１０を提示することができる。第３の溝４０８の下流端は急傾斜部４０９を含むことができ、該急傾斜部４０９は、第３の溝４０８の上流端にて緩傾斜部４１０と接続されて第３の溝４０８を形成することができる。幾つかの実施形態では、第４の歯状部４０７は、第３の溝４０８の下流端の軸方向位置の直ぐ下流側にある軸方向位置においてロータ４０２から半径方向に突出することができる。シール４００の全ての歯状部４０７は、対向する半径方向表面に向かって半径方向に延び、各歯状部４０７は、該対向する表面に相対的に近接した位置で終端するようにすることができる。図４において、この相対的に小さな距離はクリアランス４０と呼ばれる。
【００２７】
本発明の実施形態は、回転表面（図４の実施形態ではロータ４０２）上に配置される歯状部４０７と、固定表面上の溝４０８（図４の実施形態ではノズル４０４）とについて記載しているが、図４及び７に記載する実施形態を含む代替の実施形態では、回転表面が溝４０８を含むこと、及び歯状部４０７を固定表面上に取り付けることも可能である。図４に示すように、歯状部４０７は、内側半径方向表面上に取り付けることができ、対向する外側半径方向表面には溝４０８を含む。或いは、図には示していないが、他の実施形態は、外側半径方向表面（この表面が回転しているか、又は固定であるかに関わらず）から突出する歯状部４０７と、対向する内側半径方向表面（この表面が回転しているか、又は固定であるかに関わらず）上に存在する溝４０８とを含むことができる。
【００２８】
一般に、上記で述べたように、図４の非接触性シール構造により、ロータ４０２の自由な軸方向移動を可能にしながら、過渡動作状態中に対向する構造体の軸方向移動に起因することが多いシール４００への損傷を防ぐ。さらに、シール４００の構造は、次に検討するように、作動流体の漏出を阻止する流路をもたらすような効果的なシールを提供する。
【００２９】
図５は、図４に示すシール４００の流路パターン５００を描いている。図のノズル４０４は溝４０８を含み、図４に関して検討した輪郭を形成し、歯状部４０７はロータ４０２から突出している。作動中、第１の歯状部４０７のクリアランスを通って下流側に流れる漏出流体は、全体的に、図５に示す溝４０８の上流部分の緩傾斜部４１０に従う。一般に、シール４００は、様々な面取り部（破線で示す面取り部５０２）を通る流体の通過を制御することにより非接触シール作用をもたらし、結果として制御された流体渦流５０４の再循環運動及び形成を得ることができる。再循環運動は、流体を外向きに押しだし、流体が、急傾斜部４０９での急停止までノズル４０４の曲線輪郭に従うようにする。溝４０８輪郭及び面取り部５０２の縦横比が設定され、流体流が溝４０８の曲線輪郭に密接して従い、以下の検討で説明するように、オーバーシュート現象を生じる。
【００３０】
第１の溝４０８の下流端付近では、流体は、第１の溝４０８の下流端において急勾配の障壁、すなわち急傾斜部４０９に衝突する。この障害物により、流体が強制的に内向きの半径方向に流れるようにする。この流れ方向を考慮して、流体が溝４０８の境界から出ると、流体は一般に、溝４０８の直ぐ下流側の歯状部４０７により定められるクリアランス４２０をオーバーシュートする。すなわち、第１の溝４０８の下流端にて急傾斜部４０９により流体に与えられる流れ方向に起因して、流体（又はその大きな割合）は、下流側進行を提供する間隙に届かない。どのようなガイドも存在しない場合、流体流は、歯状部４０７と対向するノズル内側カバー４０５表面との間のクリアランス４２０に向かって方向が変化する。小さいが強い渦流５０５は、クリアランス４２０の直ぐ上流側に形成される。渦流５０５は、直接の流体漏出経路を実質的に阻止する。従って、シール４００は、他の従来のシールの幾つかの欠点を有することなく、極めて効果的なシール特性をもたらす。さらに、ロータ４０２の軸方向移動によりシール４００に損傷を与える可能性はない。流体流れパターン５００は、例示的なものであり、当然、本発明の他の構成では、より多くの溝４０８及び歯状部を備えたシール、又は異なる形状の溝４０８又は歯状部を有するものなど、流れパターンが変わる。しかしながら、本発明の種々の実施形態は、十分に複雑な経路を流体に提供し、高品質のシールを保証する。
【００３１】
流れパターンの実験及びコンピュータモデルリングを通じて、特定の寸法及び寸法に関連する特定の比率が他のものよりもシールの点でより有効であることが判っている。図６は、シール４００の種々の部分の例示的な寸法を説明する助けとなり、上述のように、３つの溝４０８及び４つの歯状部４０７を含む。他の実施において、シール４００の特定の構造的特徴の変化（溝４０８及び歯状部の数、溝４０８の形状、又は、歯状部の軸方向位置に対する溝４０８の軸方向位置）は、請求項によって定義される範囲によってのみ制限される。幾つかの実施形態では、溝４０８の緩傾斜部４１０のほぼ直ぐ上流側の平坦部分６０２の幅は、約０．０５〜０．１５インチとすることができる。より好ましくは、溝４０８の緩傾斜部４１０のほぼ直ぐ上流の平坦部分６０２の幅は、約０．１１０インチであり、シール４００をコンパクトにすることができる。
【００３２】
幾つかの実施形態では、２つの連続した歯状部４０７間の軸方向長さ６０４は、約０．２インチ〜０．４インチとすることができる。より好ましくは、２つの連続した歯状部４０７間の軸方向長さ６０４は、約０．３２８インチとすることができる。幾つかの実施形態では、溝４０８の半径方向深さ６０６は、約０．０５〜０．２インチとすることができる。より好ましくは、溝４０８の半径方向深さ６０６は、０．１０６インチ前後とすることができる。幾つかの実施形態では、歯状部４０７の半径方向高さ６０８は、約０．０５〜０．２インチとすることができる。より好ましくは、歯状部４０７の半径方向高さ６０８は、約０．１１０インチとすることができる。幾つかの実施形態では、半径方向間隙１１０の半径方向距離は、約０．０５〜０．２インチとすることができる。より好ましくは、半径方向間隙１１０の半径方向距離は、０．１４０インチ前後とすることができる。さらに、溝４０８の急傾斜部４０９の直ぐ上流の小円弧６１２の半径は、約０．０１５インチとすることができ、溝４０８の緩傾斜部４１０により定められる円弧６１４の半径は、約０．２５０インチとすることができる。
【００３３】
加えて、上述のように、流れパターンの実験及びコンピュータモデルリングを通じて、特定の寸法に関連する特定の比率が他のものよりもシールの点でより有効であることが判っている。
【００３４】
溝４０８の半径方向深さ６０６を半径方向間隙６１０の半径方向距離で除すことによって定義される比Ｘは、約０．３〜０．５の範囲にあることができる。半径方向間隙６１０の半径方向距離を２つの連続した歯状部４０７の間の軸方向長さ６０４で除すことによって定義される別の比Ｙは、約０．２５〜０．５の範囲にあることができる。２つの連続した歯状部４０７の間の軸方向長さ６０４に対する歯状部４０７の半径方向高さ６０８の比Ｚは、約０．２５〜０．５の範囲内にあることができる。歯状部４０７の半径方向高さ６０８を半径方向間隙６１０の半径方向距離で除すことによって定義される比Ｗは、約０．７５〜０．９の範囲にあることができる。
【００３５】
別の寸法セットは、シール４００について定義することができ、以下のように設定される。溝４０８の上流端の緩傾斜部４１０と、軸方向に整列した基準線との間に全体的に形成される角度Θ１は、約１５〜６５度、又は約２５〜５５度の範囲にあることができ、或いは、約３５度とすることができる。さらに、溝４０８の下流端の急傾斜部４０９と軸方向に整列した基準線との間に全体的に形成される角度Θ２は、約９０度とすることができ、或いは、約７０と１１０度、又は約８０〜１００度の範囲にあることができる。
【００３６】
１つの要素の寸法の値はシール４００の別の同様の要素には適用できないことは理解されたい。例えば、角度Θ１のような寸法は、シール４００の溝４０８毎に変わることができる。上述の寸法は、シール特性全体にわたり有効な好ましい実施形態の実施例として提供される。幾つかの寸法は、より良好な局所シール効果をもたらすためにより大きくすることができ、歯状部間の距離のサイズを大きくして、所与のスペースに収めることができる歯状部の数を低減してもよいが、性能に悪影響を及ぼす可能性がある点を理解されたい。
【００３７】
これまで、本開示において４つの歯状部と３つの溝４０８を有するシールについて説明してきた。しかしながら、歯状部及び溝４０８の数は、特定のシールサイズ及びシールに関連する他の用件に応じて変えることができる。
【００３８】
図７は、図７において左から右への蒸気の流れによって発生する流れパターンと共に、３歯状シール７００である本発明の代替の実施形態を示している。ここで、３歯状シール７００は、ロータ４０２に対向するノズル４０４上に２つの溝４０８を有することができ、該溝４０８には３つの歯状部４０７を含むことができ、スペース上の制約から特定の用途では必要とされる場合がある小型シールを形成する。図４の例示的な実施形態とは対照的に、この実施形態は、図４に示すシール４００内に溝４０８の上流端により定められる円弧とは対照的に、溝４０８の上流端が真っ直ぐ又は線形の緩傾斜部４１０を含むことができる。溝４０８の上流端は、ロータ４０２の表面から離れる方向に傾斜した緩傾斜部４１０を含むことができ、下流端では、溝４０８は、急傾斜部４０９を含むことができる。
【００３９】
図７から判るように、歯状部４０７のうちの２つは、３歯状シール７００の上流端に位置することができ、２つの歯状部４０７の各々は、図示のように、溝４０８の１つの上流端の軸方向位置のほぼ直ぐ上流側にある。歯状部４０７の１つは、３歯状シール７００の下流端に位置することができる。この歯状部４０７は、３歯状シール７００の下流端に位置する、溝４０８のうちの１つの下流端の軸方向位置のほぼ直ぐ下流側にある軸方向位置を占めることができる。
【００４０】
図５に示すのと同様に、図７の３歯状シール７００は、漏出を阻止する経路に従って流体を強制的に流すシール構造を提供する。さらに、実質的に軸方向移動が生じた場合、歯状部４０７と対向する表面との間の衝突はあり得ず、シールの機能障害を阻止することができる。
【００４１】
本出願の別の実施形態が図８に示される。本明細書で記載される他の実施形態では、歯状部が半径方向の配列を有して示されている（すなわち、歯状部が位置する表面に実質的に垂直であるように）。本発明による歯状部は、傾斜されており、又は傾きを有するが、依然として意図した通りに機能することができる点は理解されるであろう。例えば、図８に示すような１つの好ましい実施形態では、歯状部４０７は、前向き（すなわち、上流方向）に傾くことができる。この配列は、漏出の阻止にはより有効とすることができるが、一般に、歯状部の製造／組み立て／設置のコストが増大する。このタイプの実施形態では、傾斜歯状部の前方点の軸方向位置は、該傾斜歯状部が続く溝４０８の後方縁部の軸方向位置の下流側にあることができる。
【００４２】
当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するようさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため、及び当業者の能力を考慮して、実施可能な繰り返しの全ては本明細書で詳細には提供され又は説明していないが、添付の複数の請求項又はその他によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなす。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更、及び修正が理解されるであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更、及び修正はまた、添付の請求項によって保護される。さらに、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００４３】
１００  高低シール
１０２  ロータ
１０４  短い歯状部
１０５  長い歯状部
１０６  ノズル（又はステータ）
１０７  クリアランス
１０８  隆起ランド（又は高いランド）
１１０  表面
２００  相互連結シール
２０２  ロータ
２０４  歯状部
２０６  隆起ランド
２０８  ノズル（又はステータ）
２１０  クリアランス
２１２  表面
３００  従来のタービンエンジンシール
３０２  ロータ
３０４  突出歯状部
３０６  ノズル（又はステータ）
３０８  表面
４００  シール
４０２  回転構造体／ロータ
４０４  固定構造体／ノズル
４０５  内側カバー
４０７  歯状部
４０８  溝
４０９  急傾斜部
４１０  緩傾斜部
４２０  クリアランス
【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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