(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１嵌合体（７０）と第２嵌合体（８０）との間のキャビティ（７５）をシールし、該キャビティ内に高圧領域（ＰH）と低圧領域（ＰL）を作り出すようにされたクロスシールを含むシール組立体であって、前記クロスシールは、シム集合体（６４）及び該シム集合体（６４）に物理的に取り付けられたクロス集合体（６２）を有し、前記シム集合体（６４）が、第１嵌合体（７０）と第２嵌合体（８０）との間の前記キャビティの高圧領域（ＰH）に接する外側境界を形成し、前記クロスシールの第１の周辺部が、前記高圧領域（ＰH）に接する前記シム集合体（６４）を含むとともに、第２の嵌合体（８０）とシール接触する前記クロス集合体（６２）の第２の部分を含んでおり、前記クロスシールの第２の周辺部が、前記低圧領域（ＰL）に接する前記クロス集合体（６２）の第１の部分を含むことを特徴とするシール組立体。
【請求項２】
前記第２嵌合体（８０）が筒状であって、前記第１嵌合体（７０）との間に管状キャビティ（７５）を形成するように前記第１嵌合体に対して配置され、前記クロスシールが前記第１嵌合体（７０）に物理的に取り付けられ、かつ前記管状キャビティ（７５）を通って前記第２嵌合体（８０）とシール接触していることを特徴とする請求項１に記載のシール組立体。
【請求項３】
前記クロスシールのシール密度が、前記高圧領域（ＰH）と低圧領域（ＰL）の間の圧力差に基づいて選択されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記選択されるシール密度によって、前記クロスシールが前記第２嵌合体（８０）とのシール接触を生じさせることを特徴とする請求項２に記載のシール組立体。
【請求項５】
前記クロスシールが、前記第２嵌合体（８０）とシール接触する第１の円筒形部分（６６Ａ，６８Ａ）と、第１嵌合体（７０）に物理的に連結した第２部分（６６Ｂ，６８Ｂ）と、前記第１の円筒形部分（６６Ａ，６８Ａ）と第１嵌合体（７０）に物理的に連結した第２部分（６６Ｂ，６８Ｂ）とを連結するための接合部分（６６Ｃ，６８Ｃ）とを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシール組立体。
【請求項６】
前記第１嵌合体（７０）に物理的に連結した第２部分が第２の円筒形部分（６６Ｂ）であることを特徴とする請求項５に記載のシール組立体。
【請求項７】
前記シム集合体（６４）が前記筒状キャビティ（７５）の高圧領域（ＰH）と接する外周部と、前記クロス集合体（６２）の外周部と連結した内周部とを有しており、前記クロス集合体（６２）の内周部が前記筒状キャビティ（７５）の低圧領域（ＰL）と接していることを特徴とする請求項２に記載のシール組立体。
【請求項８】
前記シム集合体（６４）の外周部の端部が、第２嵌合体とシール接触していることを特徴とする請求項７に記載のシール組立体。
【請求項９】
前記クロスシールが、ほぼ切頭円錐形の部分を有するとともに、第１嵌合体（７０）と第２嵌合体（８０）との間のキャビティ（７５）をシールし、かつ外周面を有する第２嵌合体（８０）とシール接触しており、前記ほぼ切頭円錐形の部分の外側境界が第１嵌合体（７０）と第２嵌合体（８０）との間に延在するシム集合体（６４）によって形成され、該シム集合体（６４）が、第２嵌合体（８０）の前記外周面とシール接触する端部を有していて、前記クロス集合体（６２）の一部が第２嵌合体（８０）の前記外周面とシール接触している、請求項１記載のシール組立体。
【請求項１０】
前記第２嵌合体（８０）がタービンエンジンの燃料ノズルのバーナ管（２５）であり、前記第１嵌合体（７０）がキャップ組立体（４０）であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のシール組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静的又は動的回転用途のためのシールに向けられる。より具体的には、本発明は、静的又は動的用途のための圧力作動クロスシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの相対的に移動可能な機械的部材が極めて近接している用途において、ガスを含む流体の漏れを最小限にするために、シールを使用することができる。これら部材は、潤滑油リザーバに対するタービンシャフト、又はタービン段を横切る圧力差に耐えなければならない固定支持構造体に対する回転可能なタービン段のように、互いに実質的に相対的な動きを有するものである。また、これら部材間の動きが、振動又は熱膨張によって引き起こされる場合もある。
【０００３】
ガスタービン燃焼システムを含む多くのシステムにおいて、ガス及び空気の漏れは、部品の性能に悪い影響を与える可能性がある。嵌合部品は、異なる材料から形成されることがあり、作動中に異なる温度に曝される場合がある。その結果、部品は、一般に、異なる大きさの熱膨張を経験する。例えば、ガスタービンにおける燃料ノズルバーナ管と燃焼ライナ・キャップ組立体支持構造体とは、熱膨張に基づいて、互いに、半径方向、軸線方向、及び円周方向に動く。燃焼工程における動的振動のために同様の相対的な動きが起こる場合もある。漏れを防ぎ、燃料ノズルバーナ管の相対的動きを補正するために、分割リング金属シールが、燃料ノズルバーナ管の外径の周りに配置され、バーナ管とキャップ組立体支持構造体の部分との間に界接面を提供する。
【０００４】
燃料ノズルバーナ管とキャップ組立体支持構造体との間では、気密のシールではなく、一定量の漏れが望まれる。この点に関して、燃焼反応帯からの高温ガスは、燃料ノズルバーナ管とキャップ組立体支持構造体部品との間の管状キャビティ内に「逆流」する傾向がある。高温ガスが管状キャビティに流入すると、機械設備を損傷する可能性があり、部品の耐用寿命を目立って短くする。逆流を防ぐために、一定量の漏れ空気がシールを通って流れるようにする必要がある。この関心事に取り組む試みにおいて、従来の分割リング金属シールには、いくらかの空気の漏れを可能にするために、シールを通って溝穴の切込みを有するものがある。
【０００５】
分割リング金属シールには、いくつか問題がある。シールは金属であり、対応する部品も金属であるため、該部品とシールが擦れ、振動し、さもなければ、互いに反対方向に動く傾向があり、シール及び部品の過度の摩耗を引き起こす。さらに、製造に起因するわずかな物理的不具合のため、バーナ管及びキャップ組立体支持構造体部品とシールとは、通常、完全には嵌り合わない。言い換えると、各々の部品は、特定の許容誤差で製造されており、現実世界の制限により完全に形づくられてはいない。さらに、時間が経過すると、部品とシールは、熱変形と物理的摩耗のため形状が変わる傾向がある。その結果、バーナ管の周りの空気の漏れ量は、効果的に制御されることができず、かつ、ある位置から他の位置の間で異なり、不均一になる傾向がある。
【０００６】
過去には、タービンシステムにおいて、相当な数のシールが使用されてきた。回転する嵌合面又は振動する嵌合面の間に、ラビリンスシールが使用されてきた。しかしながら、ラビリンスシールは、特に表面に欠陥がある場合、振動性の動き又は回転する面に容易に順応しない。従って、ラビリンスシールが、特に効果的であるとは実証されていない。
【特許文献１】
特開平１１−１８２６８４公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ブラシシールは、ガス及び蒸気タービンを含め、多くの環境において使用されてきた。ブラシシールは、一般に、ラビリンスシールよりも、欠陥がある表面を含む回転及び／又は振動する嵌合面によく順応する。ブラシシールは、ラビリンスシールよりも効果的であることが実証されてきたが、製造するために非常に費用がかかり、また、取り扱いが難しい。例えば、ブラシシールの非常に細い剛毛のワイヤは、組み立て前に一緒に束ねられない。その結果、必要とされる厚さに所定の層の剛毛を配置し、結果物であるシールを形成するのに適当な剛毛の束を形成することは困難な工程である。従って、摩耗及び熱膨張に起因する半径方向、軸線方向及び円周方向の寸法の変化に順応するように十分に弾力的がある漏れの少ないシールを提供するための、より安価な機構を提供する必要性がある。また、通り抜ける漏れの量を調整することができるシールへの必要性がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術のシールの多くの短所を克服する。本発明の例示的な実施によると、クロスシールが、界接面を通る圧力を斟酌して、２つの嵌合体間に介在する。本発明の１つの態様において、漏れの少ないクロスシールが提供され、界接面を通る圧力に基づいて、ガスを含む流体が少なくともクロスシールのクロス集合体の一部を通って流れることができる領域を含むように、クロスシールを設計することができる。本発明の別の態様において、キャビティから不要なガスを除去するために、及び／又は該キャビティ或いは該キャビティの境界を提供している嵌合体の表面を冷却するために、シールを通って流れるガスを使用することができる。
【０００９】
本発明のさらに別の態様において、界接面を通る圧力差を知ることにより、クロス層の厚さ及び数を含むクロスシールの密度を、所望の漏れ量又は流量を考慮して設計することができる。本発明の別の態様において、摩耗、振動、熱変形及び他の種類の動きに起因する半径方向、軸線方向及び円周方向の寸法の変化に順応するように、可撓性があり、十分に弾力的なクロスシールを使用して、嵌合面間の効果的なシールを実現することができる。本発明のさらに別の態様において、シール接触を維持するために必要とされる接触荷重を最小限にするために、シールにおける圧力低下に基づいてクロスシールの密度を選択し、それによって、嵌合体及びシールの摩耗を減少させることができる。
【００１０】
本発明の別の態様において、界接面として作用するよう、燃料ノズルのバーナ管とキャップ組立体との間の管状のキャビティ内に高温織成クロスシールを設けることができる。本発明の別の態様において、バーナ管とキャップ組立体を分離している管状のキャビティから不要な高温ガスを除去するように、織成クロスシールを通る漏れを制御することができる。
【００１１】
本発明の別の態様によると、高圧領域と接触するようにシム集合体を設け、該シム集合体の一部が、耐摩耗性を向上させながら効果的に漏れを防ぐように、嵌合部材とシール接触するクロスシールの設計を実施することができる。本発明の別の態様において、圧力作動の高温織成クロスシールを、回転部品の周りの動的シールとして使用することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の態様において、圧力荷重により嵌合体にかかる接触力を減少させるように、シムの剛性を調節することができる。クロスシールを挟んだ圧力差を知ることにより、所定の圧力レベルまでシール接触を確実にする剛性を有するように、シールの設計を調整又は較正することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の態様において、シール組立体は、クロス集合体とシム集合体とを有するクロスシールを含むことができ、該クロスシールは、嵌合体と管状部材の間の管状キャビティをシールするようにされる。クロスシールは、嵌合体に物理的に取り付けることが可能であり、管状キャビティを貫通し、管状部材とシール接触する。また、クロスシールは、管状キャビティを高圧領域と低圧領域に分離することができる。本発明の１つの態様において、クロス集合体は、シム集合体の周りに巻き付けられる。
【００１４】
本発明の実施形態によるクロスシールの利点の１つは、その相対的コストが、円形シールの用途において使用される他のシールのコストより大幅に減少されることである。
【００１５】
これらと本発明の他の新規な利点、詳細、実施の形態、特徴、及び態様は、後に続く、本発明を説明するのに有用な、本明細書に挙げた、本発明の詳細な説明、付随した特許請求の範囲及び添付の図面から、当業者には明らかであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１から図４を参照すると、本発明を実施することができる例示的なガスタービンの環境が示される。ガスタービンにおいて、複数の燃焼器が、機械の軸の周りに環状の列に配置されている。図１に示すように、各々の燃焼器は複数の燃料ノズル２０を含み、該燃料ノズルは、エンドカバーと呼ばれる燃料マニホルドプレート１０に取り付けられている。燃料ノズル２０の数は、所望の性能によって変えることができる（例えば、図３では５つの燃料ノズルが示され、また図１では４つの燃料ノズルが示されている）。各々の燃料ノズル２０は、例えば、溶接部２８によって燃料ノズル２０の残り部分に溶接されているバーナ管２５を含む多くの部品を有する。また、各々の燃料ノズル２０は、拡散ガス先端部３０を有する。燃料ノズル２０は、燃焼工程に使用される圧縮空気と燃焼帯との境界を提供する、キャップ組立体４０と呼ばれる構造体を貫通する。各々の燃料ノズル２０のバーナ管２５は、界接面（図１から図３では図示せず）を介してキャップ組立体４０に係合する。界接面は、バーナ管２５とキャップ組立体４０の間の管状キャビティ５０内に配置される。燃料ノズル２０は、燃焼帯すなわち「反応帯」における実際の燃焼に先立って、バーナ管２５の予混合帯５２内でガスと空気を予混合することを可能にする。燃焼帯は、バーナ管２５の拡散ガス先端部３０からすぐ下流側にある。燃焼に先立つガスと空気の予混合は、より均一な燃料／空気の混合を可能にし、ガスタービンにおいて排出物質を最小限にする点で重要である。
【００１７】
図２に示すキャップ組立体４０の分解図を参照すると、キャップ組立体４０は、内側本体組立体４２、外側本体組立体４４、及び外側バレル組立体４８を含む。外側バレル組立体４８は、該外側バレル組立体４８に連結された外側本体組立体４４と外側本体組立体４４に連結された内側本体組立体４２と共に示されている。４つの燃料ノズル２０は、外側本体組立体４４の４つの管状穴内においてキャップ組立体４０と係合する。本発明の例示的な実施形態において、位置４６は、シールが燃料ノズルのバーナ管との間に介在することができるキャップ組立体４０の例示的な部分を表している。空気が、穴４５（図２において）を通って流れ、最終的には、図３に示すようにキャップ組立体４０とバーナ管２５の間の管状キャビティ５０に流入することができる。図４は、バーナ管２５が内部に係合されたキャップ組立体４０の部分断面を示す。図示されるように、クロスシールを含むシール組立体６０が、バーナ管２５とキャップ組立体４０の間の管状キャビティ５０内に配置される。シールリテーナ５５が、シール組立体６０をキャップ組立体４０に連結する。シールリテーナ５５は、キャップ組立体４０に永久的に固定されてもよく、また、キャップ組立体４０の一部であってもよい。
【００１８】
図５（Ａ）から図５（Ｃ）は、図４に示すバーナ管２５とキャップ組立体４０との間における介在物として用いることができる、例示的なラップ型クロスシールの構成を示す。図５（Ａ）から図５（Ｃ）及び図６（Ａ）から図６（Ｃ）におけるクロスシールの構成を、ノズル、管及び他の円形のシール用途の周りの漏れの少ない静的シールとして、或いは、それには限定されないが、ガス又は蒸気タービン環境における回転部品の周りの動的シールとして使用可能であることが理解されるはずである。
【００１９】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）は、漏れがないことが所望される、回転部品の周りのような、静的用途又は動的用途において界接面として使用することができる例示的なクリンプ加工されたクロスシールの構成を示す。
【００２０】
図５（Ａ）から図５（Ｃ）に示すように、長い、可撓性のクロス−シム集合体（すなわち、クロスシール）は、第１嵌合体７０から延びているシム集合体６４の周りを包むクロス集合体６２からなる複合構造体を含む。クロス−シム集合体は、キャビティ７５内を通り、第２嵌合体８０と接触し、該第２嵌合体をシールする。第２嵌合体８０は、静止部品又は回転部品のいずれでもよいことが分かるであろう。可撓性のクロス−シム集合体を金属板７２の間に挟むことができ、これら金属板は両方とも、例示的なシール組立体の一部を形成する。金属板７２は、図４に示す例示的なガスタービン用途のシールリテーナ５５に類似していると考えてもよい。
【００２１】
図５（Ａ）に示す本発明の例示的な実施形態において、クロス集合体６２の一部であるクロスシールの端部６１が、第２嵌合体８０とシール接触している。嵌合体８０が管状部材である本発明の１つの実施形態において、クロス−シム集合体を含むクロスシールが、ほぼ切頭円錐形の一部分を構成する。
【００２２】
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に、本発明の他の例示的な実施形態を示す。図５（Ｂ）（図５（Ｃ））において、クロスシールは、嵌合体８０とシール接触している第１部分６６Ａ（図５（Ｃ）の６８Ａ）と、クロスシールを嵌合体７０に物理的に連結している第２部分６６Ｂ（図５（Ｃ）の６８Ｂ）と、該第１部分６６Ａ（図５（Ｃ）の６８Ａ）と第２部分６６Ｂ（図５（Ｃ）の６８Ｂ）を連結するための接合部分６６Ｃ（図５（Ｃ）の６８Ｃ）とを含む。図５（Ｂ）（図５（Ｃ））の好ましい実施形態において、第１部分６６Ａ（６８Ａ）は円筒形部分であり、接合部分６６Ｃ（図５（Ｃ）の６８Ｃ）は、ほぼ切頭円錐形の一部分を構成する。図５（Ｂ）の好ましい実施形態において、第２部分もまた円筒形部分である。図５（Ｂ）（図５（Ｃ））において、第１部分６６Ａ（図５（Ｃ）の６８Ａ）の一部であるクロス組立体６２の一部が、嵌合体８０とシール接触している。第１部分６６Ａ（６８Ａ）はまた、クロス組立体６２の別の部分及びシム組立体６４の一部を含む。
【００２３】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）もまた、クロス集合体６２とシム集合体６４の複合構造体を含む、長い、可撓性のクロスシールを示す。図５（Ａ）から図５（Ｃ）のクロス−シム集合体とは異なり、シム集合体６４は、クリンプ加工された端部が第２嵌合体８０に接触し、キャビティ７５の高圧領域ＰHに接触した外周部を有する。シム集合体６４の内周部は、クロス集合体６２の外周部に連結され、クロス集合体６２の内周部がキャビティ７５の低圧領域ＰLに接触している。
【００２４】
図６（Ａ）の本発明の例示的な実施形態は、図５（Ａ）の実施形態と形状が類似している。異なるのは、図６（Ａ）においては、クロス−シム集合体を含むクロスシールがほぼ切頭円錐形の一部分を構成し、ほぼ切頭円錐形の一部分の外側境界がシム集合体６４によって形成される点である。また、図６（Ａ）において、シム集合体６４の一部である、クロスシールの端部６１が、第２嵌合体８０にシール接触している。
【００２５】
図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）の例示的な実施形態は、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）の実施形態に、それぞれ形状が類似している。図６（Ｂ）（図６（Ｃ））において、クロスシールは、嵌合体８０とシール接触している第１部分６６Ａ（図６（Ｃ）の６８Ａ）と、クロスシールを嵌合体７０に物理的に連結している第２部分６６Ｂ（図６（Ｃ）の６８Ｂ）と、第１部分６６Ａ（図６（Ｃ）の６８Ａ）と第２部分６６Ｂ（図６（Ｃ）の６８Ｂ）を連結するための接合部分６６Ｃ（図６（Ｃ）の６８Ｃ）とを含む。図６（Ｂ）（図６（Ｃ））の好ましい実施形態において、第１部分６６Ａ（６８Ａ）は、円筒形部分であり、接合部分６６Ｃ（図６（Ｃ）の６８Ｃ）は、ほぼ切頭円錐形の一部分を構成する。図６（Ｂ）の好ましい実施形態において、第２部分もまた円筒形の部分である。図６（Ｂ）（図６（Ｃ））において、第１部分６６Ａ（図６（Ｃ）の６８Ａ）の一部である、シム集合体６４の一部及びクロス集合体６２の一部が、嵌合体８０とシール接触している。第１部分６６Ａ（６８Ａ）はまた、クロス集合体６２の別の部分を含む。
【００２６】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）のクロスシールの実施形態において、少ない漏れを許容するように、シム集合体６４に溝穴をつけてもよい。代わりに、実施形態によっては、効果的に漏れを閉塞させるため、シム集合体に溝穴をつけず、不透過性にしてもよい。シム集合体６４に溝穴をつけない場合、ガスタービンの連絡片と第１段ノズルとの間のような用途において漏れを最小限にするか又は排除する狙いで、クロスシールを使用することが可能である。この例においては、クロスシールは、管状部材の周りではなく、２つの平らな面の間に使用される。また、クロス集合体６２だけが嵌合体８０とシール接触してシム集合体６４とクロス集合体６２の一部が高圧領域ＰHと接触できるように、図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示す例示的な実施形態の構成を変更することができる。これらの構成を、図１から図４に関して説明した燃料ノズルバーナ管２５とキャップ組立体４０の間のような少ない漏れの用途に適用してもよい。
【００２７】
図５（Ａ）から図５（Ｃ）までの各々の実施形態におけるクロス−シム集合体は、シールを介して流体（例えば、空気のような気体）の漏れを許容するよう設計されている。本発明の実施形態に従った漏れが、ガスの漏れに関して、以下に説明されているが、そのような説明は単に例示的なものであって、本発明をガス以外の流体の漏れに適用できることが理解されるべきである。
【００２８】
本発明の例示的な実施形態において、漏れは、少なくとも、シム集合体６４の先端又は底部と第２嵌合体８０に接触しているクロスシールの部分との間に配置された、クロスシールのクロス集合体６２の部分を通して生じる。クロスシール組立体６２は多孔性であり、したがって、いくらかのガスの流れを許容する。別の実施形態において、冷却のためのような高い流量が所望される用途では、クロスシールはシム集合体を含まなくてもよい。上述のように、例えば図６（Ａ）から図６（Ｃ）の溝穴がつけられた構成において、漏れはシム集合体６４を介して起こる。
【００２９】
クロス−シム集合体の厚さは、構造体全体にわたってほぼ一定であることが好ましい。高圧領域は、ＰHにより表わされるようにクロス−シム集合体の外側にあり、また低圧領域PLはクロスーシム集合体の内側にある。従って、例えば、第１嵌合体と第２嵌合体８０との相対的振動、相対的回転及び／又は熱膨張差により、キャビティ７５の大きさが変化する場合、クロスシールは第２嵌合体８０とのシール接触を維持することができる。この点について、異なる圧力レベルに基づいてシール接触を維持するために必要な剛性を与えるように、クロスシールを調整することができる。
【００３０】
クロスシールのクロス集合体６２は可撓性があり、図５（Ａ）から図５（Ｃ）の実施形態のような実施形態において、シム集合体６４の周りを包む少なくとも一層のクロスを含む。これに代えて、クロス層は、２つの積層されたクロスの層を含んでもよい。各々のクロス層は、織成され、編まれ、或いは繊維層状に押し固められた、金属、セラミック及び／又はポリマーの繊維を含むことができる。各々のクロス層は、シールの剛性を著しく増加させることなく、犠牲摩耗量及び耐摩耗性を提供する。クロス層は、多孔性のために、金属層より弾力性がある。したがって、クロスシールは、熱変形、振動及び他の相対的動きによって引き起こされる嵌合体の大きさと形状の変化に、より容易に適合することができ、よって、効果的なシールを提供する。さらに、クロス集合体は、シム集合体に伝わる熱を減少させることができ、よって、金属が金属に擦れるとき摩擦によって引き起こされる嵌合部材への構造的劣化を減少させる。
【００３１】
特定のシール用途に関連した耐摩耗性、可撓性、及びシールの必要条件に基づいて該シールを調整又は較正することが望まれるとき、クロス層の構成（例えば、織成され、編まれ、又は押し固められた）、クロス層のために選ばれる材料、及びクロス層の厚さについての選択が、当業者によってなされることが可能である。多層のクロス層は、シール用途によって、異なる材料、異なる層構成（例えば、織成され、編まれ、又は押し固められた）、及び／又は異なる厚さ或いは密度を含むことができる。タービン用途においては、クロス層が織成されたもの（例えば、Ｄｕｔｃｈ  Ｔｗｉｌｌ織を使用して）であることが好ましい。タービン用途で使用される例示的なクロス集合体では、Ｄｕｔｃｈ  Ｔｗｉｌｌ織成クロス層を使用し、該クロス層は、Ｌ−６０５又はＨａｙｎｅｓ−２５のような高温コバルト基超合金でつくられている。
【００３２】
クロスシールのシム集合体６４は、可撓性があり、弾力性があり、ほぼ無孔で、かつ、ほぼガス不透過性のものとすることができる。シム集合体６４の弾力的性質が、クロスシールのシール特性を維持しながら、第１嵌合面７０と第２の嵌合面８０の間の異なる表面形状、組み立ての心ずれ、振動及び／又は熱的に引き起こされた相対的動きを許容する。このように、可撓性のあるシム集合体６４は、圧力荷重を支持する構造部材として働き、しかも、干渉又は移動、すなわち自由状態から変位の後にクロスシールを回復させるある程度の弾力性を与える。
【００３３】
シム集合体６４は、少なくとも１つのシム層（薄い金属層）を含むが、強度を増すために、２層又はそれ以上の、重ねられた同一のシム層を含むことができる。タービン用途には、シム集合体は４層又はそれより少ないシム層を含むことが好ましい。シム集合体６４は、強度を維持しながら可撓性を付加するために、及び／又は、シールが嵌合体の表面の湾曲に適合するのを助けるために、互いにスポット溶接された、薄く切られた及び／又は互い違い状に配置された板金片を有することができる。また、比較的少量の流体をクロスシールを通して流すように、シム集合体６４に溝穴をつけてもよい。当業者は、シム集合体の材料及び各々のシム層の厚さの選択し、特定のシール用途のシール性、可撓性、及び弾力性の必要性に従ってシールを調整又は較正することができる。各々のシム層は、金属、セラミック、及び／又はポリマーの薄板を含む。タービン用途には、シム集合体は、一般的に１インチ（２．５４cm）の１／１００と１／５の間の厚さを有し、また、各々のシム層は、Ｉｎｃｏ−７５０又はＨＳ−１８８のような高温コバルト基超合金を含む。
【００３４】
摩耗寿命を最大限にするため接触荷重を最小限にする必要がある用途（例えば、回転軸の周りのシール）において、シムの剛性を、圧力荷重（すなわち、シールを挟む圧力差）に起因する接触力を減少させるように調整することができる。さらに、クロスシールの設計を、所定の圧力差レベルをわずかに超えるシール接触を保証するため、較正された剛性を提供するように調節することができる。圧力差レベルを知れば、最大限の圧力差レベルを満たし、それによって接触荷重を制御し、摩耗を最小限にするように、適切な互い違い状の配置及び／又は薄切りのシム層、及び／又はクロス層を含むようにシム集合体を設計することができる。さらに、本発明のクロスシールが嵌合体とシール接触するのを保証するために、シールにおける予期される圧力低下に基づいて、クロス−シム集合体の密度を選択することができる。このように、シールに適用される接触力が、特定の温度及び圧力条件に対してシール接触を維持するために必要とされる最小限の接触力よりわずかに上であるように、シールの密度を選択することが可能である。
【００３５】
図１から図４に示すガスタービン用途にクロスシールを適用する場合には、第１嵌合体は固定取り付けされたシールリテーナ５５を含むキャップ組立体４０に相当し、第２嵌合体はバーナ管２５に相当し、また、キャビティ７５は管状キャビティ５０に相当する。この用途において、空気は高圧側から低圧側に流れる。
【００３６】
図３及び図４を参照すると、燃料／空気の予混合気が、バーナ管２５と拡散ガス先端３０との間の予混合帯５２を出て、スワール状態で燃焼帯に流入する。スワール状の混合気に起因する圧力勾配のために、高温ガスの一部が管状キャビティ５０に逆流する傾向がある。管状キャビティ５０への高温ガスの逆流は、バーナ管２５及びキャップ組立体４０を含む機械設備を損傷する可能性がある。この問題を防止し、管状キャビティ内から高温ガスを除去するために、本発明の例示的な実施形態によるクロスシール（例えば、図５（Ａ）から図５（Ｃ）のラップ型シール）を、バーナ管２５とキャップ組立体４０の間の介在物として使用することができる。本発明による例示的なクロスシールは、空気を高圧側から管状キャビティ５０を通って、かつ、シールを通って流れさせ、管状キャビティから高温ガスの逆流を押し出す。
【００３７】
クロスシールの弾力性は、クロスシール設計におけるシール界接面のいかなる不均一性（例えば、反り、熱変形）に対する順応をも可能にする。また、本発明による例示的な漏れの少ないクロスシールを、シール界接面を通った圧力低下を考慮し、クロスシールの密度（例えば、シム集合体６４が不透過性の場合の、図５（Ａ）から図５（Ｃ）のクロス集合体６２を通る有効な流れ領域）を選択することにより、シールを通過する漏れを制御するように設計することができる。つまり、流れの条件（すなわち、圧力及び温度）及び高圧領域と低圧領域との間の圧力低下を知れば、シール密度（シールを通る有効な流量）を、所望の漏れ流量に設定することができる。所望の漏れの設定において、非圧縮性流れに対して次の関係を使用することができる。
【００３８】
【数１】
0004405121.tif 000002
【００３９】
ここで、Ａeff＝シールの有効範囲、ｇc＝重力定数、Ｒ＝空気の気体定数、ＰH＝上流側圧力すなわち高圧領域圧力、ＰL＝下流側圧力すなわち低圧領域圧力、ＴH＝高圧領域温度、Ｗ＝漏れ、である。
【００４０】
本発明の上記の例は、キャップ組立体とバーナ管との間のシール介在物を含むものであるが、本発明は、他のシール用途だけでなく、多くの他のガス及び蒸気タービン用途に適用可能であることが理解されるべきである。例えば、本発明のクロスシールの実施形態は、静止の又は回転する管状部材の周りの平らな表面の間であっても、或いはそうでなくても、圧力差及び／又は流量制御が適用されうるあらゆる用途を含む。
【００４１】
本発明の特定の実施形態を説明し図示したが、当業者により変更を加えることができるので、本発明はそれに限定されるものではないことが理解されるべきである。本出願は、ここに開示され、特許請求がなされた基礎となる発明の技術思想及び技術的範囲内に入る如何なる且つあらゆる変更をも予定するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンにおける、例示的な燃料ノズル及びマニホルド組立体の斜視図。
【図２】  ガスタービンにおける、複数の燃料ノズルが介在可能な、例示的なキャップ組立体の分解図。
【図３】  本発明の例示的な実施形態によるガスタービンにおける、複数の燃料ノズルが介在している例示的なキャップ組立体を燃焼帯からみた斜視図。
【図４】  本発明の例示的な実施形態による、キャップ組立体と燃料ノズルの間の界接面の部分断面図。
【図５】  （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、本発明の例示的な実施形態による、例示的なクロスシール構成の断面図。
【図６】  （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、本発明の他の例示的な実施形態による、例示的なクロスシール構成の断面図。
【符号の説明】
６０  シール組立体
６１  端部
６２  クロス集合体
６４  シム集合体
７０  第１嵌合体
７２  金属板
７５  管状キャビティ
８０  第２嵌合体
ＰH 高圧領域
ＰL 低圧領域
【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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