(57)【要約】【課題】　本発明は、回転シールに関し、より具体的には多段ブラシシールに関する。【解決手段】　シールに対して相対的に回転させられる隣接するランド部（１２）に沿う圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を全体的に分配するように、最初にシールの設計を特定することにより多段のブラシシール（２０、２２）を製造する。シールのブローダウンなしに荷重を分配するように、該シールを修正する。ランド部との回転安定性を保証するように、シール（２０、２２）を更に修正する。シールのブローダウン圧力を求めるために、圧力を加えて該シールを形成し試験する。次に、ブローダウンのもとで圧力荷重を分配するように、シールを再び修正する。このように、ブローダウンの影響のもとでシールは原位置で荷重を分担する。【選択図】　　　図１
2004084951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段シール（１０）を製造する方法であって、
　シールに対して相対的に回転させられるランド部（１２）に沿う圧力差を全体的にシールするために、共通の設計を有する最初の第１及び第２のブラシシール（２０、２２）を特定し、
　ブローダウンなしに前記圧力差による荷重を分配できるように前記シールの共通の設計特徴を修正し、
　前記ランド部との回転安定性を保証するように前記シールを修正し、
　試験圧力のもとで前記シールを試験して該シールのブローダウン圧力を求め、
　前記ブローダウンのもとでの前記圧力荷重を実質的に均一に分配できるように、前記シールの前記共通の設計特徴を修正する、
段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法によって製造された多段シール（１０）であって、該シールのブローダウンのもとでの前記圧力荷重を均一に分配するための前記シールにおける異なる構成を有する単一の設計特徴を除いて、前記第１及び第２のシール（２０、２２）が実質的に等しい設計を有する多段シール。
【請求項３】
前方プレート（２６ａ、２６ｂ）と後方プレート（２８ａ、２８ｂ）との間の軸方向位置において遠位端が前記プレートから自由長だけ延びるように取り付けられたブリストル（２４ａ、ｂ）の束を含むものとしての前記共通の設計を有する前記第１及び第２のシール（２０、２２）が最初に特定され、
　前記ランド部と擦れる際の発熱が最小になり、該ランド部に対する前記回転安定性が保証されるように前記ブリストルの自由長と剛性が修正される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記シールを試験して、前記圧力差によって該シールを通って流される流体（１８）の圧力、温度、及び質量流量を測定し、
　前記測定された圧力、温度、及び質量流量を分析して、前記シールの各々についての前記ブローダウンを求める、
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各々が、前方プレート（２６ａ、２６ｂ）と後方プレート（２８ａ、２８ｂ）との間の軸方向位置において遠位端が前記プレートから自由長だけ延びるように取り付けられたブリストル（２４ａ、ｂ）の束を含み、前記シールに対して相対的に回転させられるランド部（１２）に沿う圧力差を全体的にシールする第１及び第２のブラシシール（２０、２２）を備え、
　前記第１及び第２のシールが、前記ランド部に対して回転安定性を有する状態で、前記ブリストルのブローダウン圧力のもとでの前記圧力差による荷重を実質的に均一に分配するように異なる形状にされた共通の設計特徴を有する、
ことを特徴とする多段シール（１０）。
【請求項６】
前記共通の設計特徴が、前記ブリストルの端と前記ランド部（１２）との間の間隙であり、該間隙が、前記圧力荷重を分配するように前記第１及び第２のシールにおいて異なることを特徴とする請求項５に記載の多段シール。
【請求項７】
前記共通の設計特徴が、前記ブリストルの束のパッキング密度であり、該パッキング密度が、前記圧力荷重を分配するように前記第１及び第２のシールについて異なることを特徴とする請求項５に記載の多段シール。
【請求項８】
シールに対して相対的に回転させられるランド部（１２）に沿う圧力差を全体的にシールするために、最初の第１及び第２ブラシシール（２０、２１）を特定し、
　ブローダウンなしに前記圧力差による荷重を分配するように前記シールを修正し、
　前記ランド部に対する回転安定性を保証するように前記シールを修正し、
　試験圧力のもとで前記シールを試験して該シールのブローダウン圧力を求め、
　前記ブローダウンのもとで前記圧力荷重を分配するように前記シールを修正する、
段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８の方法により製造された多段シール（１０）であって、該シールのブローダウンのもとでの前記圧力荷重を実質的に均一に分配するように前記シール（２０、２２）の異なる構成を有する多段シール。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、
　各々が、前方プレート（２６ａ、２６ｂ）と後方プレート（２８ａ、２８ｂ）との間に軸方向位置において遠位端が前記プレートから自由長だけ延びるように取り付けられたブリストル（２４ａ、２４ｂ）の束を有する前記第１及び第２のシール（２０、２２）が最初に特定され、
　前記ランド部と擦れる際の発熱が最小になり、該ランド部に対する前記回転安定性が保証されるように前記ブリストルの自由長と剛性が修正される、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般に回転シールに関し、より具体的には多段ブラシシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
　種々の形態のエンジン又はモータは、相対的に高圧の領域と低圧の領域を分離するように特に構成された種々の形態のシールを内部に含む。例えば、ガスタービンエンジン及び蒸気タービンエンジンは、空気、燃焼ガス及び蒸気が、その圧力及び温度の変化を伴って下流側に流れる種々の段を内部に有する。
【０００３】
　タービンエンジンは、出力仕事及び性能効率を最大にするために、できる限り大きく作られる。また、大きなタービンには、これに対応する大きな流体流れの圧力低下があり、これにより作動中に適切なシールを必要とする。
【０００４】
　ラビリンスシールにおいては、環状のシール歯の列が、望ましくない摩擦の可能性を減少させるための半径方向間隙を有する状態で、協働するランド部に対して相対的に回転するように、該協働するランド部に緊密に隣接して配置される。一般にタービンエンジンに見られる別の形態のシールは、ブリストルの束が支持プレート間に取り付けられ、該ブリストルの遠位端が該支持プレートから自由に延びて、隣接するランド部との間に回転シールを形成するブラシシールである。ブリストルは、ランド部から傾斜させられ、該ランド部との間に小さな間隙を形成するか、又は該ランド部と干渉接触することができる。
【０００５】
　ブラシシールは、例えば、ランド部に対して相対的に回転する間に安定性を保持し、作動中に適切に長い寿命を有しながら、タービンエンジンにおいて非常に高い圧力を効果的にシールする能力を提供するものである。
【０００６】
　単段のブラシシールは、シールの実用的な限界が最大約４００ｐｓｉｄの圧力差であり、適切な安全係数をとれば、これに対応して該限界が低下することが経験的に示された。ブラシシールに過大な圧力が加わることは、過度の漏れ、塑性変形、又は短期間における疲労破壊を引き起こすことになる。
【０００７】
　ブラシシールを直列に配置することもできるが、約４００ｐｓｉｄを超える非常に高い圧力差をシールするブラシシールの能力は、ブラシシール間の荷重分配の実際上の変化を考慮して各々のシールに与えられる安全係数によって限界値が低下し、４００ｐｓｉｄ限界の２倍より大幅に低いものに制限されることもまた経験により示された。更に、２つを超えて付加的な直列のブラシシールを設けることは、それら多段のブラシシールに加えられる圧力差をシールする実際的な能力を増加させるものではないことが経験により示された。
【０００８】
　２つ又はそれ以上の段の同一のブラシシールにおいては、第１の段は、ブラシシール組立体を横切る圧力荷重全体の少ない方の部分を負担することができ、最後のブラシシールが、圧力荷重全体の大部分を支持することになる。したがって、多段のブラシシールのシール能力は、最後の段によって制限され、これに対応して、作動中にシールが安全に支持することができる最大圧力差が制限される。
【０００９】
　各シール段の荷重分配能力を変えるために、隣接するランド部との間のシール間隙を変えることが知られている。しかしながら、シール間隙の特定の値は、シール能力全体に影響を及ぼすものであり、大きな間隙は荷重能力を減少させ、一方、小さな間隙は荷重能力が増加する。
【００１０】
　しかしながら、エンジンの過渡的作動中においては、小さな間隙によりブリストルとランド部との摩擦が増大し、摩擦の擦れを伴い、これに対応して構成部品が加熱される。典型的な例においては、ランド部は回転シャフトの外周によって定められ、ブラシシールは固定されている。シャフトとブリストルとの摩擦擦れにより、該シャフトが局部的に加熱され、これに対応して熱膨張がもたらされ、該熱膨張は回転シャフトの安定性に悪影響を与える恐れがある。摩擦下でシャフトが熱膨張するにつれて、摩擦力が更に増大して該シャフトの摩擦熱を更に増加させる。また、シャフトは揺動のような望ましくない不安定性を受けやすく、エンジン全体の緊急停止を必要とする場合がある。
【００１１】
　また、ブリストルの幾何学的形状は、該ブリストルの最大シール能力にも影響を及ぼす。柔らかい、即ち可撓性のブリストルは、圧力差によって大きく撓みやすく、硬い、即ち剛体のブリストルは、ランド部との摩擦によって摩擦熱が増大する。更に、ブリストルの束を横切って加わる圧力差がブリストルのブローダウンをもたらし、このときに、傾斜したブリストルが半径方向内方にわずかに偏向させられ、これに対応してランド部と擦れる際の摩擦による加熱が増大することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
　これらの相互に関連したブラシシール作動の効果を考慮すると、従来の周知の多段ブラシシールは、直列配置された２つのブラシシールに制限され、シールの適切な安全係数に基づけば、全体の圧力差は現在の実際的な制限の５５０ｐｓｉｄとなる。また、多段シール間に荷重分配を達成する能力は、ブリストルの摩擦及びロータの安定性によって制限される。
【００１３】
　したがって、シールの最大荷重支持能力を向上させるための改善された多段ブラシシールを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
　シールに対して相対的に回転させられる隣接するランド部に沿う圧力差を全体的に分配するように、最初にシールの設計を特定することによって、多段のブラシシールを製造する。シールのブローダウンなしに荷重を分配するように、該シールを修正する。ランド部との回転安定性を保証するように、シールを更に修正する。シールのブローダウン圧力を求めるために、圧力を加えて該シールを形成し試験する。次に、ブローダウンのもとで圧力荷重を分配するように、シールを再び修正する。このようにして、ブローダウンの影響のもとで、シールが原位置で荷重を分配するようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
　好ましい例示的な実施形態によると、本発明は、その更なる目的及び利点と共に添付の図面と関連した以下の詳細な説明においてより具体的に説明される。
【００１６】
　ロータシャフトの例示的な形態において、環状ランド部１２の周りに同心円状に配置された多段の環状シール１０が、図１に断面で示される。このシールは、ロータシャフトの軸方向即ち長手方向の中心軸１６の周りに同軸に、環状のシール支持体１４内に適切に取り付けられる。
【００１７】
　図１において、シールは、大きな産業用ガスタービンエンジン又は蒸気タービンエンジン用の回転シャフトを囲む固定部品又はステータ部品として構成されている。或いは、該ランド部１２を固定し、シールがランド部に対して回転運動するように取り付けてもよい。
【００１８】
　いずれの構成においても、エンジンの作動中にシールとランド部は相対的に回転し、シールは、該シールの軸方向両側に保持される圧力差をシールするように構成される。例えば、蒸気のような流体１８は、シールの右側に高圧Ｐ１で保持され、多段シールにより効果的にシールされて、低圧Ｐ２のもとで保持された該シールの左側にある領域への該シールとランド部間の漏れを最小に抑える。
【００１９】
　作動中にシールを挟んで作用する圧力差Ｐ１−Ｐ２は比較的高圧とすることができ、例えば約４００ｐｓｉｄより大きく、更に、安全係数２を有する２つ又はそれ以上の段からなる従来のブラシシールの、現在知られている最大圧力差能力である約５５０ｐｓｉｄよりも大幅に高くすることができる。上述のように、従来のブラシシールは、シールの損傷又はロータの不安定性のリスクを増大させること無く、こうした非常に高い圧力をシールする能力を有するものではない。
【００２０】
　図１に示される多段シールは、共通の設計を共有する第１及び第２の環状のブラシシール２０及び２２を含む。各ブラシシールには、環状の前方支持プレート２６ａ、ｂと環状の後方裏当てプレート２８ａ、ｂとの間の軸方向位置に取り付けられた環状の束すなわち多数のブリストル２４ａ、ｂが含まれる。
【００２１】
　第１及び第２のブリストル２４ａ、ｂの近位端すなわち下端部は、対応する溶接部３０によって、それぞれ第１の前方プレート及び第２の後方プレートの対応する下端部に従来の方法で適切に接合される。
【００２２】
　以下に更に説明されるように、個々のブラシシール２０、２２は、本発明により修正されたもの以外は従来型の共通の設計を有する。例えば、ブリストルの遠位端は、取付プレート間に積層された前方プレートから自由長Ａ１、２だけ延びて、対応する後方プレート２８ａ、ｂの遠位端からカンチレバー式に延び、隣接するランド部１２との間に対応する半径方向の間隙Ｂ１、Ｂ２を定める。
【００２３】
　図１に示される例示的な実施形態において、ブリストルの束は、環状の後方プレート２８ａ、ｂの半径方向の全長を超えて延び、更にそこから半径方向内方に延びている。対応する後方プレートの遠位端からブリストルの遠位端までの半径方向内方の延長部分が、対応するフェンス高さＣ１、２を定める。
【００２４】
　これに対応して、協働する前方プレート２６ａ、ｂは、該前方プレートの半径方向内方の遠位端から半径方向外方に、ブリストルとの間に軸方向の間隙を形成する凹部を有し、対応する自由長Ａ１、２を定める。図１に示される実施形態においては、２段のブラシシールが、ブリストルの束間で測定された軸方向間隔Ｄだけ軸方向に離間して配設される。
【００２５】
　したがって、作動中、高圧の流体１８は、第１のブラシシール２０の第１の前方プレート２６ａに封止され、内部のシャフトの自由な回転を可能にする、対応する小さな半径方向の間隙Ｂ１を有した状態で、第１の束のブリストルによって効果的にシールされる。しかしながら、流体１８の一部は、第１のブリストル２４ａ及び第１の間隙Ｂ１を通って漏れ、第２のブラシシール２２に向けて下流に流れる。次に、低圧の流体は、シャフトの周りに小さな半径方向の第２の間隙Ｂ２を有した状態で、第２の束のブリストル２４ｂによってシールされる。また、この低圧の流体の一部は、第２のブリストル２４ｂ及び第２の間隙Ｂ２を通って、第２の後方プレート２８ｂの面の近くに保持された低圧領域内に漏れる。
【００２６】
　図２に示されるように、図１に示される第１のブリストル２４ａと同様に、第２のブリストル２４ｂが、接線に対し約４５度から６０度までの傾斜角で、対応する取付プレートの間に接線方向に傾斜する。シャフトランド部１２の回転方向が、図２において反時計回りとして示されており、ブリストルはその反対側に傾斜するので、該シャフトランド部と該ブリストルとの間に時折生じる摩擦擦れにより、該ブリストルが半径方向外方に撓み又は屈曲することになる。
【００２７】
　個々のブリストル２４ａ、ｂは、数ミル単位で測定された比較的小さな直径を有する、合金鋼のようなどのような従来の材料で形成することもできる。ブリストルの材料組成、長さ、直径及び傾斜角は、シャフトランド部１２との摩擦の結果として生じる曲げ剛性に影響を与える。
【００２８】
　上述のように、圧力差Ｐ１−Ｐ２による圧力荷重を分配するために、２段のブラシシール２０、２２を同一に構成することができるが、従来の構成では、約５５０ｐｓｉｄを超える高い圧力差に耐えることができない。そのような従来の設計のブリストルは比較的剛体であり、シャフトとブリストルとの摩擦中にシャフトの熱が上昇し、揺動を含むシャフトの不安定性が生じる恐れがある。
【００２９】
　しかしながら、本発明によると、ブリストルとランド部との間の時折生じる摩擦によってロータの安定性に悪影響を及ぼすことなく、全体的な荷重支持能力を大幅に増加させるように、２つのブラシシール２０、２２を適切に修正することができる。
【００３０】
　より具体的には、図３は、ロータの安定性も享受しながら増加した荷重支持能力を有する構成の、図１及び図２に示される多段シール１０の製造の例示的な実施形態を形成するフローチャートを示す。この方法は、多段シールを用いるように意図された環境を定める、従来の境界条件又はエンジン条件で始まる。例えば、境界条件には、高圧Ｐ１及び低圧Ｐ２、対応するこれらの間の圧力差、流体１８の温度、シャフトの回転速度、半径方向の寸法を含むシャフト１２とシールとの間の全体の幾何学的形状、及びブリストルとランド部間の開始時の封止を含む、シールのステータ部品とロータ部品との間の予想される熱膨張差が含まれる。
【００３１】
　予想される作動高圧荷重のもとで個々の荷重支持能力を最大にするように、２つのブラシシール２０、２２の最初の構成が従来の方法で特定される。したがって、対応する最初のシール設計は、対応する最大圧力荷重に耐えるように、傾斜したブリストルの最大撓み剛性を有するものとなる。
【００３２】
　図１及び図２に示されるシールの例示的な実施形態において、公称作動に対して回転ランド部１２との間に適切な間隙Ｂ１、Ｂ２を有するように、ブリストルが最初に設計される。シール部品はシャフトに対して熱膨張差を生じるので、最初に選択されたシール間隙は、ロータランド部１２との接触を最小にし、それに対応して該接触により発生する熱が最小となるように、切り広げられるか又は拡大される。大きな半径方向の間隙は、シールの性能を低減させ、エンジンの効率も低下させる点に留意すべきである。
【００３３】
　２次元（２−Ｄ）の計算流れモデルが、対応するソフトウェア内に適切に定められ、図３に概略的に示される従来のデジタルプログラマブルコンピュータ３２において分析され、２つのシールの半径方向の間隙Ｂ１、Ｂ２を決定又は設定し、ブローダウンを考慮することなく、好ましくは等分に該２つのシール間の圧力荷重を分担させる。該プロセスのこの段階において、多段シールの設計は、従来のものであり、実際の環境においてシールの原位置での作動で生じるブローダウンを考慮することなく行われる。２−Ｄの流れモデル・ソフトウェアは、バージニア州、Ｃｈａｎｔｉｌｌｙ所在のＡＢＺ，Ｉｎｃから市販されている「Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｌｏｗ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ」のような従来のものである。
【００３４】
　対応する半径方向の間隙Ｂ１、Ｂ２を調整することによって、圧力荷重を２つのシールの間に等しく分担することができるが、これは、ブローダウンを考慮しない分析上のシール性能の予測にすぎない。実際には、ブローダウンは、別個のブラシシール間の荷重分担を含む、多段シールの性能に著しい影響を与える。
【００３５】
　多段シールは、その最も弱いシールと同じ強さでしかない。内部の２つのブラシシールのうちのいずれか一つが故障すると、即座にもう一方のブラシシールも故障することになるので、従来の２段のブラシシールは、適切な作動上の安全係数を有するように設計され、上述のようにこれに対応する圧力荷重性能についての制限を有する。
【００３６】
　例えば、約２の適切な安全係数を有する２−Ｄモデルによって予測された荷重により、第１及び第２の束のブリストル２４ａ、２４ｂの対応するフェンス高さＣ１、Ｃ２及び対応する厚さＥ１、Ｅ２（図１を参照）を設定することによって、適切な安全係数を従来の方法で多段シールの設計に導入することができる。
【００３７】
　ブローダウンは、意図された環境におけるシールの重要な作動パラメータであり、図２に概略的に示されている。加圧流体１８が両方の束の個々のブリストル２４ａ、２４ｂの間を通るときに、ブリストルは、弾性的に撓むか又は想像線で示されるように半径方向内方に配置され、該ブリストルの遠位端とランド部１２との間の有効間隙を減少させる。加圧下におけるブリストルの半径方向内方の屈曲は、大きさが小さいために数ミル又はミリメートルで表され、圧力差による作動中のブローダウンの影響を表す。
【００３８】
　ブローダウンが、ランド部１２とブリストルとの間隙に影響を与えるので、ブローダウンはロータの安定性にも影響を与える。したがって、従来の計算流れ力学（ＣＦＤ）を用いて、２−Ｄモデルにおいて予測された荷重分担の配分を確認し、更に、回転シャフトによる作動に関連したシール安定性のパラメータを与えることができる。ＣＦＤ分析は、同じか又は異なるデジタルプログラマブルコンピュータ３２において、３次元（３−Ｄ）で行われる。ＣＦＤソフトウェアは、ニューヨーク州メルビル所在のＣＤ−ａｄａｐｃｏから市販されているＳＴＡＲ−ＣＤのような従来のものである。
【００３９】
　３−Ｄ分析を用いて、適切な安定性基準を満足させるように２つのシールの最初の設計を更に修正し、例えば、許容できない揺動を有することなくロータ部品の安定作動を保証することができる。３−Ｄ分析を用いて、２つのブリストルの束の自由長Ａ１、Ａ２、該２つのブリストルの束の間の軸方向間隔Ｄ、及び結果として生じる該ブリストルの撓み剛性を特定することが好ましい。
【００４０】
　更に３−Ｄ分析を用いて、自由長、軸方向間隔、及びシール間隔Ｂ１、Ｂ２を最適化し、適切な安定性を保持しながらブリストルとランド部との摩擦による発熱を最小にすることができる。
【００４１】
　上に開示された多段シールを製造する方法は、該シールの適切な設計の仕様を定めるために順に分析して、ロータの安定性を保持しながらシール間に荷重を実質的に等しく分担させることが好ましい。しかしながら、このように設計された多段シールの原位置での作動には、実際に性能のばらつきがあり、分析によって完全に予測することはできない。
【００４２】
　したがって、このように分析によって設計された多段シールを適切な寸法又は縮尺で実際に形成し試験して、意図された又は原位置での環境における性能を実験的に求める。
【００４３】
　多段シールを試験する際には、圧力、温度、及び質量流量をシールの高圧側と低圧側の間で測定し、各々のシールのブローダウンを見出すか又は求める。上に開示された同じ２−Ｄの流れモデルを従来の方法で用いて、測定された性能に基づいた各々のシールのブローダウンを求めることもできる。
【００４４】
　次に、２−Ｄの流れモデルを再び用いて、各々のシールについての半径方向の間隙Ｂ１、Ｂ２を再設定し、測定されたブローダウンの影響のもとで圧力荷重を実質的に等しく分担させることができる。技術的判断又は試行錯誤によって、対応する測定されたブローダウンと共に２つの間隙Ｂ１、Ｂ２のそれぞれの寸法を増加又は減少させて、圧力荷重を等しく分担させることができる。
【００４５】
　このように、ブローダウンの影響なしに最初に多段シールを従来の方法で分析によって設計し、次に原位置での作動の安定性を最適化し、シール性能及び動作を測定するために形成し試験することができる。次に、試験による実験的データを用いて圧力差によるブローダウンを求め、測定されたブローダウンを用いて安定的作動を達成しながら、荷重を等しく分担させるようにシールの設計を更に修正することができる。
【００４６】
　多段シールを製造するこの方法により、２つのブラシシールがもたらされ、この２つのブラシシールは、ロータの安定性を保持しながら圧力荷重を原位置で実質的に等しく分担させるのに必要とされるものを除き、その他は、設計及び構成を同一にすることができる。このように、圧力荷重をより正確に等しく分担させるように２つのブラシシールを設計することができ、これに対応して、その全体的な能力を向上させ、多段シールにわたって作用する圧力差全体を安全に分担させることができる。比較的軽微であるが重要な２つのブラシシールの幾何学的形状の変化により、圧力差能力の実質的な向上を達成することができ、これは、ブローダウンの影響にもかかわらず意図された環境において原位置で確実に得ることができる。
【００４７】
　更に、この方法を更に用いて、３つ又はそれ以上の段のブラシシールを採用し、各々のシールにおけるブローダウンの影響を含む該シール間の荷重分担を正確に制御することができる。上述のように、２段を超える従来の多段ブラシシールは、第３段又はそれ以上の段については荷重支持能力の増加が、たとえあるとしてもほとんどない。
【００４８】
　意図された環境において長期間にわたって多段シールの動作及びその性能を予測又は更に試験することによって、開示された多段シールを更に改善することができる。長期にわたるシールの作動は、性能に影響を与える磨耗又は他の要因により性能が変化する。ある期間にわたってシール性能を評価することにより、エンジン状態の変化又は個々の段のブローダウンを求めることができ、これを用いて、長期間の作動にわたる改善された性能を保持するように、シールの設計を更に修正することができる。
【００４９】
　本発明の特定の利点は、ブローダウンのもとで圧力荷重を分担するために、好ましくは等しく荷重を分担する状態で異なる構成を有するようにする単一の設計特徴を除いて、２つのブラシシール２０、２２が実質的に同じであるか又は共通の設計を有することである。図３に示される方法は、大きさ、寸法、及び物質特性を含む実質的に同じ設計特徴及び構成を有する各々のブラシシールの定義で始まる。各々のブラシシールは、種々の幾何学的寸法Ａ、Ｂ、Ｃ及びＥを有する、対応する前方プレートと後方プレートとの間に取り付けられたブリストルの束を含む。また、２つのシールは、寸法Ｄだけ軸方向に離間して配置される。
【００５０】
　上述のプロセス段階のシーケンスにおいて、ブラシシールの最初の設計を修正することによって、ブラシシールにわたって加えられる圧力荷重全体を、所望の通りの適切なわずかな割合変化の範囲内で実質的に等しく分担させるように、シールを再構成することができる。このような荷重の分担は、各々のシールに対応するブローダウンをもたらす、印加された圧力荷重の影響のもとで、意図された環境において原位置で行われるものである。
【００５１】
　シャフトが擦れる際にシールの性能及び安定性の両方に影響を与える上述のブラシシールの２つの設計特徴は、ランド部１２とブリストルとの間の間隙Ｂ１、Ｂ２、及び該ブリストルの束のパッキング密度である。パッキング密度は、各々のブラシシールの周辺の周方向の単位長さ当たりのブリストルの数によって表される。
【００５２】
　上に開示された方法に従って定められた、異なるブラシシールのための異なる構成を有する好ましい実施形態において単一の設計特徴を除き、２つのブラシシールは実質的に同じ設計及び構成として、ブローダウンの影響下における２つのブラシシールの圧力荷重を好ましくは均一に分配することができる。
【００５３】
　図３に示される方法により形成された図１及び図２に示されるブラシシールの一つの実施形態において、ブリストルの遠位端と隣接するランド部１２との間のそれぞれの間隙Ｂ１、Ｂ２を除いて、シールの構成を同一にすることができる。ブラシシールの最初の設計においては、２つの間隙を等しくすることができるが、ブローダウン条件のもとで、またシャフト１２と擦れる際に作動の安定性を有した状態で等しい荷重分配を達成するために、上に開示された方法に従って該２つの間隔を修正することもできる。
【００５４】
　それぞれの間隙の特定の値は、作動の境界条件、シールの基本的な幾何学形状、及び協働するランド部に基づいて設計ごとに変わることになる。しかしながら、一般に、従来の２段のブラシシールが全体の荷重を均一に分配せず、より多くの荷重が上流側シールより下流側シールに支持されるので、図１に示される下流側の第２のブラシシール２２の間隙Ｂ２を、上流側の第１のブラシシール２０の間隙Ｂ１より大きくして、意図された非常に高い圧力荷重に曝されるブローダウンのもとで所望の等しい荷重分配を達成することが好ましい。したがって、２つのブラシシールの設計は、同一のブリストルのパッキング密度というように、他の点では同一にすることができる。
【００５５】
　図３に表される別の実施形態において、２つのブラシシールのそれぞれのパッキング密度を、２つのシールにおいて異なる単一又は共通の設計特徴とし、ロータの安定性を有した状態でブローダウンのもとで等しい荷重分配を行うことができる。この実施形態において、２つのブラシシールのそれぞれの間隙Ｂ１、Ｂ２を、例えばゼロのように互いに等しくし、ブリストルの端部とシャフトとの間に締まり嵌め又は接触嵌めを設けることができる。作動中、ブリストルが回転するランド部１２に接触し、よって該ランド部と擦れ合うので、ブリストルは、ランド部に対する摩擦力を増加させ、該ランド部の摩擦熱のために安定性に影響を与えるブローダウンに依然として曝される。
【００５６】
　しかしながら、図３に開示された方法は、間隙又はパッキング密度のような異なる設計特徴に従って、ブローダウンのもとで圧力荷重を２つのブラシシール間に分担させるのに必要とされる値を求めることができる。パッキング密度がブリストル間の流量の漏れに影響を与えるので、上に開示された方法に従ってブリストル端部の間隙のように該パッキング密度を調整又は最適化して、２つのブラシシールにより支持されたそれぞれの荷重の量を調整し、ブローダウンのもとで意図された等しい荷重の分配を達成することができる。
【００５７】
　図３に示される方法の別の利点は、図１に示される多段シール１０が、例えば内部に示されたラビリンスシール３４のような付加的なシール能力を有するか又は有さない状態で、２つ又はそれ以上のブラシシールを直列に含むことができることである。ラビリンスシールは、回転するランド部１２との間に対応する端部間隙を有する、軸方向に離間して配置された一連の環状の歯として定義される。
【００５８】
　図１に示されるラビリンスシール３４は、図示されるように第１の後方プレート２８ａ及び第２の前方プレート２６の下端部と一体に形成された共通の環状のフランジから延びる。このように、３段のシールが設けられ、圧力荷重差全体を多段シールの軸方向の両端の間にまとめて分配する。
【００５９】
　従来の方法によってラビリンスシール３４自体を設計し構成して、圧力荷重全体の一部を負担させ、残りの圧力荷重を図３に示された方法により構成された２つのブラシシール２０、２２の間に均一に分配することができる。圧力荷重全体の一部分を第１のブラシシール２０と第２のブラシシール２２との間に実質的に均一に分配し、ブラシシールのそれぞれの荷重を、シールの異なる設計を考慮して該ラビリンスシールの圧力荷重とは異なったものとすることができる。強化されたブラシシールのシール能力のために、図１に示される２つのブラシシールは、多段シール全体にわたる圧力荷重全体の実質的に大部分を全体として支持する。
【００６０】
　図３に示される設計方法において、試験により求められたブローダウンの影響及びロータの安定性の効果を導入することにより、意図された環境に用いるためにブラシシールをより正確に設計することができる。したがって、意図された環境において、及び意図された圧力荷重のもとで、ブラシシールを原位置に導入する場合に、荷重分配を実質的に等しくするか又は同等にして、各々のシールの荷重支持能力を最大にし、よって組立体の有効性及び耐用年数を保証することができる。
【００６１】
　このように、均等な荷重分配を有した状態で直列に用いるための上に開示された方法に従って、従来のブラシシール、特に非常に高い圧力性能用に設計されたブラシシールを修正することができる。この設計方法は、一方のブラシシールが過荷重でなく、他方のブラシシールが荷重不足にならず、したがって、全体のシール構成が、これまで可能であったよりも高い全体圧力荷重を支持することができることを保証するものである。また、上に開示された方法に従って２つよりも多いブラシシールを設計して、多段シール組立体の荷重支持能力全体を更に高め、これまで可能ではなかった程度までシールの圧力荷重能力全体を更に高めることができる。
【００６２】
　本明細書では、本発明の好ましい実施形態及び例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本発明の他の変更が、当業者には本明細書中の教示から明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、協働するランド部に隣接する多段のブラシシールの一部分を貫通する軸方向の部分断面図。
【図２】図１に示される多段のブラシシールの一部分を示す、線２−２に沿って切った半径方向の部分断面図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、図１及び図２に示される多段シールを製造する方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６４】
　１０　多段シール
　１２　ランド部
　１８　流体
　２０、２２　ブラシシール
　２４ａ、２４ｂ　ブリストル
　２６ａ、２６ｂ　前方プレート
　２８ａ、２８ｂ　後方プレート
　３４　ラビリンスシール
【図１】
2004084951.tif 000003
【図２】
2004084951.tif 000004
【図３】
2004084951.tif 000005