(57)【要約】【課題】  従来のカーボンフェイスシールと比較して相対的に緩やかに劣化し、かつ劣化が進んだ場合にメンテナンスの必要性が検知できるシュラウドを備えた改良型のカーボンフェイスシールを提供する。【解決手段】  タービンエンジンのカーボンリングシール５２が、軸方向に延びるノーズ部５６をもつとともに、第１の半径方向内側の領域が第２の半径方向外側の領域よりも軸方向に延びるように第１のステップ６１と第２のステップ６３を画定する階段状の形状をとる。ノーズ部の磨耗が進んだ際にも第２のステップ６３が残存するので、流体圧によりシート部２４から離れることがなく、流体漏れを生じさせる可能性が低い。さらに磨耗が進んでもシュラウド４２先端部がシールシート部２４と接触するため高いシール率が維持される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールシート部と、シールハウジングによって支持されかつ前記シールシート部と協働してシールを確立するシール要素と、を備えるフェイスシールであって、前記ハウジングがシール要素支持部とシュラウドとを含んでなることを特徴とするフェイスシール。
【請求項２】
前記シュラウドが、前記支持部に比べて軸方向に延長していることを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項３】
カーボンリングが軸方向に延びるノーズ部をもつブランクを含むとともに、前記ブランクが、第１の半径方向の領域が第２の半径方向の領域を軸方向に上回るように延びる階段状となることを特徴とする請求項２に記載のフェイスシール。
【請求項４】
前記第１および第２の半径方向の領域が、各々第１および第２のステップを画定するとともに、前記シュラウドが軸方向に前記第１のステップと前記第２のステップとの間にある先端部をもつことを特徴とする請求項３に記載のフェイスシール。
【請求項５】
ちょうど２つのステップを備えてなることを特徴とする請求項３に記載のフェイスシール。
【請求項６】
前記シールシート部がシールリングであり、前記シール要素が前記支持部と前記シュラウドとの間に半径方向に固定されたカーボンリングであることを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項７】
前記シュラウドが、前記支持部の半径方向内側にあることを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項８】
前記シールハウジングが所定の材料でつくられ、前記シュラウドがこれと同一の材料でつくられた先端部をもつことを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項９】
前記シールハウジングが母材でつくられ、前記シュラウドが第２の材料に含浸された先端部をもつことを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項１０】
前記第２の材料が、
（ａ）前記母材よりも潤滑性のある材料と、
（ｂ）前記母材よりも硬質の材料と、
（ｃ）前記母材よりも磨耗しやすい材料と、
よりなる材料のグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載のフェイスシール。
【請求項１１】
前記シュラウドが、接合された先端部をもち、前記先端部を除く前記シールハウジングが母材でつくられるとともに、前記先端部が第２の材料を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項１２】
前記第２の材料が、
（ａ）前記母材よりも潤滑性のある材料と、
（ｂ）前記母材よりも硬質の材料と、
（ｃ）前記母材よりも磨耗しやすい材料と、
よりなる材料のグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載のフェイスシール。
【請求項１３】
前記シュラウドが茎状部と先端部とを含むとともに、前記先端部が前記茎状部に固定された挿入部であることを特徴とする請求項１に記載のフェイスシール。
【請求項１４】
前記挿入部が、
（ａ）半径方向に外側にスナップをもつ挿入部と、
（ｂ）半径方向に内側にスナップをもつ挿入部と、
（ｃ）モールド先端部をもつ挿入部と、
よりなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３に記載のフェイスシール。
【請求項１５】
シール要素支持部と、シュラウドと、が基部から共通の方向に延びたフェイスシールのシールハウジングであって、前記シール要素支持部および前記基部がシール要素を受け入れる空間を画定することを特徴とするシールハウジング。
【請求項１６】
前記シュラウドが、前記シール要素支持部に比べて同じ方向に延長していることを特徴とする請求項１５に記載のシールハウジング。
【請求項１７】
ブランクと、このブランクから所定の方向に延びるノーズ部と、を備えてなるフェイスシールのシール要素であって、前記ブランクの第１の領域が前記ブランクの第２の領域を上回るように前記所定の方向に延び、前記ノーズ部が磨耗した場合に前記シール要素がシールシート部から離れるのを防ぐようにステップを画定するシール要素。
【請求項１８】
前記部品がシールアセンブリに取り付けられたとき、前記第１の領域およびこれに関連する第１のステップが、前記第２の領域およびこれに関連する第２のステップの、半径方向内側となることを特徴とする請求項１７に記載のシール要素。
【請求項１９】
ちょうど２つのステップを備えてなることを特徴とする請求項１８に記載のシール要素。
【請求項２０】
ブランクと、このブランクから所定の方向に延びるノーズ部と、を備えてなるフェイスシールのシール要素であって、前記ブランクの第１の領域が前記ブランクの第２の領域を上回るように前記所定の方向に延びるとともに、前記第１および第２の領域が半径方向に前記ノーズ部の両側にあることを特徴とするシール要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフェイスシールに関し、特に従来のシールと比較して相対的に緩やかに劣化する特性をもつカーボンフェイスシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンフェイスシールはタービンエンジンなどの機械装置に用いられ、高流体圧力領域と低流体圧力領域との間の流体シールとして作用する。例えば、カーボンシールは高温、高圧の空気が低圧力で運転するベアリング区画に流入するのを防ぐように用いられる。タービンエンジンにおける一般的なカーボンシールは、環状の回転しない軸方向に移動が可能なシールハウジングに固定された環状カーボンリングを含む。またシールはシールシート部を含み、回転シャフトに取り付けられてカーボンリングに軸方向に隣接するように位置決めされる。カーボンリングは基部（すなわちブランク）およびこの基部から軸方向に延びるノーズ部を含む。ノーズ部はシールハウジングに作用するスプリング力と、シールハウジングおよびカーボンリングに作用する軸方向に対向する流体圧力の正味の合力と、の組み合わせによってシールシート部に接触するように押し付けられる。カーボンリングとシールシート部との間の接触面積はノーズ部の環状領域と等しい。ノーズ部とシールシート部との間の接触部は、シールを半径方向に横切る流体漏れ、すなわちシールシート部の回転軸に向かう方向もしくはこれから離れる方向の流体漏れを阻止する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
運転中、ノーズ部は徐々に磨耗する。通常、シールはノーズ部が完全に磨耗する前に交換もしくは改修される。しかしながら、時として加速的なシール磨耗により結果的にノーズ部が完全に磨耗してしまう可能性があり、カーボンリングにおける基部がシールシート部と接触する。その結果、カーボンリングとシールシート部との接触面積は基部の環状領域と等しくなり、これはノーズ部の接触面積よりも大きい。これは軸方向に対向する流体圧力の合力に影響を及ぼし、正味の圧力による力によってカーボンリングとシールシート部との間に信頼性のある確実な接触が維持されるためには好ましくない。悪いことに、ノーズ部がシールシート部と接触する通常の状態から、基部がシールシート部と接触するきわめて劣化した状態への遷移は、めったには発生しないが、ほとんど前触れもなく起こりうる。さらに、カーボンリングの突然の破損や劣化は流体圧力による合力に同様の悪影響を及ぼす。結果としてエンジン運転中に流体がシールを越えて漏れる、不測のエンジン運転期間がある場合がある。
【０００４】
メンテナンスの必要性を明確に指摘し、かつ検知が可能な、良好な運転特性を示すように緩やかに劣化するカーボンシールが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に記載のフェイスシールの一実施例はシールシート部およびシールハウジングにより支持されるシール要素を含む。シール要素はシールシート部と協働してシールを確立する。ハウジングはシール要素支持部およびシュラウドを含む。
【０００６】
シールの変形例としては、シールハウジングにおける他の部分と比較して潤滑性や、硬度、もしくは磨耗性の異なる特性をもつ先端部を備えたシュラウドを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１を参照すると、タービンエンジンのような、回転機械のシャフト２０は中心軸２２の周りを回転可能である。環状リング２４の形状をとるシールシート部がシャフトの肩部に対してナット２６によって固定されている。シールシート部２４はシャフト２０から半径方向に外側へ延びて中心軸２２を取り囲む。シールシート部２４はフェイスシールアセンブリの一部品である。
【０００８】
またフェイスシールアセンブリは環状の回転しないシールサポート２８および一組の環状シールハウジング３２を含む。各々のシールハウジング３２は基部３４およびこの基部の一端に溝付きの二次シールホルダ３６を含む。二次シールホルダ３６はシールサポート２８の円筒穴と接触した状態に二次シール３８を支持する。シールハウジング３２のもう一端は軸方向に延びるシュラウド４２およびシール要素支持部としての役割を果たす軸方向に延びる支持部リップ４４を含む。シュラウド４２はリップ４４から半径方向にオフセットされてシール要素を受ける環状空間４６を画定する。またシュラウド４２はリップ４４に比べて延長されている。周方向に配置されたスロット５０をもつ環状フランジ４８はリップ４４から半径方向外側へ延びる。
【０００９】
またフェイスシールアセンブリは、空間４６にあってリップ４４に締まりばめで固定されたシール要素５２を含む。シール要素は基部すなわちブランク５４およびブランク５４から軸方向に延びるノーズ部５６を含む。ブランクは二段ステップ状であり、ブランクにおける第１の半径方向内側の領域５８は、このブランクの第２の半径方向外側の領域６０を軸方向に上回るように延び、第１すなわち半径方向内側のステップ６１と第２すなわち半径方向外側のステップ６３を画定する。さらに、内側ステップ６１はシュラウド４２の先端部を軸方向に上回っているのに対し、外側ステップ６３はシュラウド４２先端部を軸方向に越えてはいない。言い換えれば、シュラウド４２先端部は軸方向にステップ６１とステップ６３との間にある。シール要素は一般的に黒鉛状炭素材料からつくられ、純炭素からつくられてはいないが、往々にして炭素材料と呼ばれる。図示の応用例では、炭素部品は環状であるためカーボンリングと呼ぶことができる。
【００１０】
ピン６４として代表して示すような、一連の周方向に配置された支持ピンの各々がシールサポート２８から軸方向に延びてフランジ４８の対応するスロット５０を貫通している。スプリング６６（図５〜図８に示す）は各ピン６４から周方向にオフセットされている。これらのスプリング６６がハウジング３２のフランジ４８とサポート２８との間で圧縮されており、スプリング６６がフランジ４８に力を加え、カーボンリング５２のノーズ部５６がシールシート部２４と接触するように押し付けている。ノーズ部５６とシールシート部２４との境界面は、図の左側に見られるように潤滑されていない、すなわち「乾燥」していてもよく、もしくは図の右側に見られるように潤滑されている、すなわち「湿潤」していてもよい。湿潤シールでは、潤滑油はシールシート部内に周方向に配置された潤滑油通路６８を通って境界面へと流れる。
【００１１】
エンジン運転中、シールの半径方向内側かつシャフト２０の半径方向外側の環状キャビティ７０内には高温空気が存在する。潤滑油と混合した低圧空気がベアリング区画７２を占有しており、この区画７２はシールの外側の領域である。シールは高圧空気が低圧ベアリング区画７２に漏れるのを阻止する。
【００１２】
さらに図２を参照すると、上記のシュラウド付きのシールの運転は、従来のシールをまず考慮することによって最もよく理解できる。図２は通常すなわち実質的に劣化していない状態の従来のシールを示す。図２はシールが通常の劣化した状態、すなわち突起部が単に部分的に磨耗している状態を示すにも十分である。矢印ＦSはスプリング６６によってシールハウジング３２に及ぼされた力を表す。力グラフｆOおよびｆCは、シールハウジング、カーボンリング、および二次シールに対して、キャビティ７０および区画７２における異なる圧力の結果として作用する、軸方向に対向し半径方向に分布した力ＦOおよびＦCを示す。グラフｆOおよびｆC内の力ベクトルは全体の空気圧力の比較を容易にするため各々共通の平面で終端をなすように図示されている。しかしながら、力は実際には、シールハウジング、カーボンリング、および二次シールの軸方向に対向する面に作用していることが当業者にとって理解できるであろう。グラフｆCは、シールの高圧側に作用する相対的に高い圧力とシールの低圧側に作用する低い圧力を示す。グラフｆOは、シールの高圧側に作用する高い圧力、シールの低圧側に作用する低い圧力、およびカーボンリングのノーズ部５６にわたる境界領域における半径方向に変化する圧力を示す。明らかなように、ノーズ部は狭い半径方向の領域にわたって高圧力から低圧力に抑える。ＦSとＦCとの和はＦOを上回りシールの密閉を保つ。
【００１３】
図３はノーズ部が完全に磨耗した、従来のシールがきわめて劣化した状態を示す。ＦCは図２と同一である。しかしながら、ノーズ部が磨耗しているため、カーボンリングの基部５４は図２の境界領域に比べ、相対的に広い半径方向の境界領域にわたって高圧力から低圧力に抑える。その結果、より高い圧力、したがってより大きい力が、図２の場合に比べてより広い半径方向の領域に及ぼされる。したがって、図３のきわめて劣化したシールに作用する合計の力ＦOは、図２の通常の、すなわち普通に劣化したシールに作用する合計の力ＦOを上回る。さらに、スプリングの増大した伸び率（圧縮率の低下）や結果として生じるスプリング力の減少のためにＦSは図２のＦSよりも若干小さい。シールに作用する力の変化のため、ＦOがＦSとＦCとの和を上回り結果的にカーボンリング５２がシールシート部２４から離れてしまう可能性がある。小さい流体流の矢印で示すようにこの分離により、結果として生じる隙間を通して漏れを生じさせる。カーボンリングがこの円周の一部もしくは全体に沿って分離した場合、力グラフや力は図４のようになる。またこれにより図４に示すように結果として漏れが生じる可能性がある。
【００１４】
前述のように、ノーズ部５６がシールシート部２４と接触している通常状態から、きわめて劣化した状態もしくは激しく劣化した状態へと遷移が起こることはごくまれであるが、ほとんど前触れもなく起こりうる。その結果、運転中に流体がシールを越えて漏れる、不測のエンジン運転期間がある場合がある。
【００１５】
図５は図２に対応するが、改良型の二段ステップ状のシュラウド付きシールの、劣化していないもしくは普通に劣化した状態を示す。明らかなように、力は図２の力と実質的に同じで、結果的にシールの密閉を促す。
【００１６】
図６は改良型の二段ステップ状のシュラウド付きシールの、図３の従来のシールにおける状態と同様のきわめて劣化した状態を示す。図６のカーボンリング５２のブランク５４は、第２の半径方向領域６０および対応したステップ６３を軸方向に上回るように軸方向に延びた第１の半径方向領域５８および対応するステップ６１を含んでなる。さらに、図５のシールはシールハウジング３２にシュラウド４２を含む。軸方向に延びる第１の領域５８は図３の境界領域に比べ、より半径方向に狭い境界領域にわたって高圧力から低圧力に抑える。したがって、図６の合計の力ＦOは図３の合計の力ＦOに比べて小さい。結果として、図６のカーボンリング５２は図３のカーボンリングに比べてシールシート部２４から分離する可能性が低い。
【００１７】
図７は改良型のシュラウド付きシールがさらに激しく劣化した状態を示す。図６に比べ、図７はカーボンリング５２が磨耗して本質的にシュラウド４２まで後退していることを示し、その結果シュラウドによる抑圧効果を示している。シュラウド４２およびカーボンリング５２の軸方向に延びる第１の領域５８は図３の境界領域に比べ、半径方向により狭い境界領域にわたり、高圧力を抑える。したがって、図７の力の大きさＦOは図３の力の大きさＦOよりも小さい。その結果、図７のカーボンリング５２は図３のカーボンリングに比べシールシート部２４から離れて漏れを生じさせる可能性は低い。さらにカーボンリング５２の磨耗が進むと、シュラウド４２先端部が最終的にシールシート部２４と接触して結果的により顕著な抑圧効果をもたらす。
【００１８】
図８は改良型のシュラウド付きシールの、カーボンリング５２がこの円周の全体もしくは一部にわたって離脱している損傷状態を示す。シュラウド４２はシールシート部２４と接触して半径方向の狭い境界にわたって高圧力を抑え、シールを密閉した状態に維持し漏れを阻止する。
【００１９】
明らかなように、改良型のシュラウド付きシールは、従来のシュラウドのないシールよりもゆっくりと劣化する。緩やかな劣化は、その徴候が顕著に現れるがエンジン性能における異常は小さいため望ましい。この小さい異常によりエンジン運転者はシールの交換もしくは修理が必要であることに気づかされる。その後シール劣化がさらに重大な問題を引き起こすほどになる前にこうした交換もしくは修理が実施されうる。
【００２０】
ここまで述べてきたシールにおける構造および運転により、特定の変形例がよりよく認識されうる。
【００２１】
図９は、図１および図５〜図８と同様のシールを示し、ハウジング３２が選択された材料で作られている。シュラウド４２はハウジング基部３４から離れた軸方向の末端に先端部７４をもつ。先端部はハウジングの残りの部分と同様の材料でできている。
【００２２】
図１０は、ハウジング３２が母材からなり、シュラウド４２が第２の材料が含浸されたシュラウド領域の先端部７４をもつシールを示す。代替例として、シュラウド先端部は第２の材料でつくられ、もしくは含浸されたものをシュラウドの他の部分と接合するようにしてもよく、もしくはコーティングでもよい。第２の材料は先端部７４がシールシート部２４に接触するときに望ましい特徴をもつ任意の材料でもよい。これは母材よりも潤滑性のある材料、母材よりも硬質の材料、および母材よりも磨耗しやすい材料を含む。
【００２３】
図１１〜図１３は、シュラウドが茎状部７６およびこの茎状部７６に固定された挿入部（インサート）ないし装着部（アタッチメント）７８の形状の先端部を備えたシールを示す。図１１では挿入部７８が半径方向外側のスナップ８２により取り付けられている。図１２では挿入部７８が半径方向内側のスナップ８４により取り付けられている。図１３では、挿入部７８は、一連の周方向に分布する座ぐりされた穴８６を通して茎状部７６に固定されたモールド先端部である。先端挿入部７８は先端部がシールリング２４に接触するときに望ましい特徴をもつ材料でつくられうる。これは母材よりも潤滑性のある材料、母材よりも硬質の材料、および母材よりも磨耗しやすい材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】改良型のカーボンシールを示す側面断面図。
【図２】従来技術のシールの通常の劣化した状態を示す図。
【図３】従来技術のシールのきわめて劣化した状態を示す図。
【図４】従来技術のシールの損傷した、もしくは激しく劣化した状態を示す図。
【図５】本発明のシールの通常状態を示す図。
【図６】本発明のシールのきわめて劣化した状態を示す図。
【図７】本発明のシールの激しく劣化した状態を示す図。
【図８】本発明のシールの損傷した状態を示す図。
【図９】先端部がシールハウジングの他の部分と同じ材料でつくられたシュラウドをもつシールハウジングを示す図。
【図１０】母材でつくられるとともに、第２の材料でつくられた先端部が接合もしくは含浸されたシュラウドをもつシールハウジングを示す図。
【図１１】挿入もしくは装着される形状の先端部をもつシュラウドを示す図９と同様の図。
【図１２】挿入もしくは装着される形状の先端部をもつシュラウドを示す図９と同様の図。
【図１３】挿入もしくは装着される形状の先端部をもつシュラウドを示す図９と同様の図。
【符号の説明】
【００２５】
２４…シールシート部
４２…シュラウド
５２…カーボンリングシール
５６…ノーズ部
６１…第１のステップ
６３…第２のステップ
【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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【図１２】
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【図１３】
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