(57)【要約】      （修正有）【課題】同軸で相対的に回転する２つの要素の間をシールするリーフシールを提供する。【解決手段】リーフシールは、環状に積層されたリーフ群、または、環状に積層され、軸方向に複数配列されたリーフ群を備える。リーフ群またはリーフ群の各々は、一方の構成要素に、そのリーフ１３２が、リーフ群のリーフ端部が他方の構成要素と摺動可能に接触するように他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付け可能である。リーフシールは、シールの各軸方向端部に上流側および下流側カバープレート１３５，１３５’を更に備える。各カバープレートは、それぞれの軸方向間隙によって、隣接する環状リーフ群から間隔を空けて配置される。軸方向に見たときに、各カバープレートは、隣接するリーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆う。上流側および／または下流側カバープレートは、可撓性を有し、シールが作動中に受ける差圧の下で軸方向に反る。【選択図】図７
2013177970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするためのリーフシールであって、
環状に積層されたリーフ群、または、環状に積層されるとともに、軸方向に複数配列されたリーフ群を備え、
前記リーフ群または前記リーフ群の各々は、一方の前記構成要素に、前記リーフ群または前記リーフ群の各々のリーフが、前記リーフ群のリーフ端部が他方の前記構成要素と摺動可能に接触するように該他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付け可能であり、
前記リーフシールは、更に、前記シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備え、
前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートの各々は、それぞれの軸方向間隙によって、隣接する前記環状のリーフ群から間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、前記隣接するリーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っており、
前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートの少なくとも一方は、可撓性を有しており、前記シールが作動中に受ける差圧の下で軸方向に反る
リーフシール。
【請求項２】
請求項１に記載のリーフシールであって、
前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートの各々は、前記リーフ群の前記リーフ端部の遠位にある基部から、前記リーフ群の前記リーフ端部の近位にある端部まで径方向に延びて形成されており、
前記カバープレートの前記遠位基部から前記近位端部までの、メートル単位での径方向距離をｈとし、前記カバープレートのメートル単位での厚みをｔとしたときに、前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートの少なくとも一方についての比（ｈ４／ｔ３）は、５以上である
リーフシール。
【請求項３】
リーフシールにおけるブローダウンまたはブローアップを制御する方法であって、
請求項１に記載のリーフシールを用意する工程と、
前記可撓性カバープレートまたは前記可撓性カバープレートの各々が軸方向に反って、前記それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、前記隣接するリーフ群のブローダウンまたはブローアップの量を制御するように、差圧の下で前記シールを作動させる工程と
を備える方法。
【請求項４】
相対的に回転する構成要素に対して過速度制御を行う方法であって、
同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするリーフシールを用意する工程を備え、
前記リーフシールは、環状に積層されたリーフ群を備え、
前記リーフ群は、一方の前記構成要素に、前記リーフ群のリーフが、前記リーフ群のリーフ端部が他方の前記構成要素と摺動可能に接触するように該他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付けられており、
前記リーフシールは、更に、前記シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備え、
前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートの各々は、それぞれの軸方向間隙によって、前記環状のリーフ群から間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、前記リーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っており、
前記方法は、更に、前記リーフ群の前後間において予め定められた差圧に達したときに、前記リーフ群が軸方向に反って、前記それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、前記リーフ群のブローダウンの量を増大させて、制動トルクを前記他方の構成要素に加えるように、前記シールを作動させる工程を備える
方法。
【請求項５】
相対的に回転する構成要素に対して過速度制御を行う方法であって、
同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするリーフシールを用意する工程を備え、
前記リーフシールは、環状に積層されるとともに、軸方向に複数配列されたリーフ群を備え、
前記リーフ群の各々は、一方の前記構成要素に、前記リーフ群の各々のリーフが、前記リーフ群のリーフ端部が他方の前記構成要素と摺動可能に接触するように該他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付けられており、
前記リーフシールは、更に、前記シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備え、
前記上流側カバープレートおよび前記下流側カバープレートは、それぞれの軸方向間隙によって、前記環状リーフ群のうちの最も上流側および最も下流側のそれぞれから間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、各々が、それぞれの前記リーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っており、
前記方法は、更に、前記リーフ群の前後間において予め定められた差圧に達したときに、前記最も上流側および前記最も下流側の少なくとも一方の前記リーフ群が軸方向に反って、前記それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、前記リーフ群のブローダウンの量を増大させて、制動トルクを前記他方の構成要素に加えるように、前記シールを作動させる工程を備える
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同軸で、相対的に回転する２つの構成要素の間を密閉するためのリーフシール（leaf seal）に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照すると、全体を１０で示すダクテッドファン・ガスタービンエンジンは、主回転軸Ｘ−Ｘを有する。このエンジンは、軸方向の流れの順で、空気取入口１１と、推進ファン１２と、中圧圧縮機１３と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１５と、高圧タービン１６と、中圧タービン１７と、低圧タービン１８と、コアエンジン排気ノズル１９とを備える。エンジン室２１がエンジン１０全体を囲み、取入口１１と、バイパスダクト２２と、バイパス排気ノズル２３とを形成する。
【０００３】
ガスタービンエンジン１０は、従来の方法で稼働し、取入口１１に流入する空気がファン１２で加速されて、２つの空気流、すなわち、中圧圧縮機１３へ入る第１の空気流Ａと、バイパスダクト２２を通過して推進推力を与える第２の空気流Ｂとを生成する。中圧圧縮機１３は、中圧圧縮機１３の中へと誘導される空気流Ａを、この空気をさらに圧縮する高圧圧縮機１４へ送る前に圧縮する。
【０００４】
高圧圧縮機１４から排出された圧縮空気は、燃焼器１５の中へと誘導され、ここで燃料と混合され、混合物は燃焼される。結果として得られる高温燃焼生成物は、次に、高圧タービン１６、中圧タービン１７および低圧タービン１８を通って膨張してこれらを駆動し、その後、ノズル１９から排出されて、さらに推進推力を与える。高、中および低圧タービンは、それぞれ、適当な相互連結軸によって、高圧圧縮機１４および中圧圧縮機１３ならびにファン１２を駆動する。
【０００５】
リーフシールは、リーフ材料の断片（section）から形成されており、この断片は、アセンブリにおける各々のリーフの、近接して並べられたリーフ端部からシール面を作るように適切に与えられている。通常、リーフは、シール壁（seal barrier）を設ける目的でリーフ端部ひいてはシール面を回転軸の方へ向けるために、その軸周りに周方向に並べられる。通常、リーフ要素を正確に並べて、リーフ端部ひいてはシール面を与えるために、スペーサ部材が各リーフの間に設けられる。これらのスペーサは、独立した構成要素でもよいし、各リーフと一体に形成されていてもよい。リーフ端部、そして同じようにシール面も、回転面に対して、事実上、上下に浮遊する。
【０００６】
ガスタービンエンジンでは、シールの一方の側で比較的高い圧力を、そして、他方の側で比較的低い圧力を維持するために、リーフシールを使用して、静止している構成要素と回転する構成要素との間に、相対的に回転する２つの構成要素の間に、または、静止している２つの構成要素の間にさえ、シールを形成することができる。図２は、例えば、リーフシール・アセンブリ３１の一部の切り欠き斜視図を概略的に示している。このリーフシール・アセンブリ３１は、スペーサ要素３３から延びる一群のリーフ３２を備え、スペーサ要素３３は、上流剛体カバープレート３５および下流剛体カバープレート３５’を有する支持環３４を備えたハウジングに固定されている。図３は、リーフ群およびハウジングの縦断面を概略的に示している。複数のリーフ３２は、リーフ端部３６を、矢印３８によって描かれている方向に全体が回転する回転構成要素の面３７の方へ向けている。リーフ３２、特にリーフ３２のリーフ端部３６は、アセンブリ３１の全体に亘ってシールを作るために、面３７に当たるように作用する。各リーフ３２は、面３７の回転に合わせて良好なシール効果が生じるように、全体にコンプライアンス特性を有する。可撓性を確実に利用できるようにして、リーフ３２を面３７の方へ適切に向けるために、一般に、複数のスペーサ３３が必要である。リーフ３２を面３７の方へ向けることは、図示のように、一般に、リーフ３２と面３７との間に傾斜角を有するように行われる。
【０００７】
図２および３に示されているようなリーフシールは、リーフ群を通る流動領域の大部分を塞ぐことを、リーフシールのカバープレート３５，３５’に頼っている。流動領域は、シールの漏れ性能と強く関連している。リーフ群の直ぐ上流および下流にあるカバープレートは、リーフ群を直接通過する流動領域を減らすことができる。これは、カバープレートがリーフ間間隙の大部分を覆うからである。このリーフ間間隙は、一般に、リーフの根元近くで最大である。カバープレートからリーフ群までの間隙ｘ，ｘ’を小さくすると、各々のカバープレートと、隣接するリーフ群との間の空間において径方向外側または内側に流れることができる空気の量が減ることから、シールの漏れがさらに減少する。したがって、漏れを最小にするには、カバープレートからリーフ群までの間隙を最小にすることが、通常、望まれる。
【０００８】
しかし、このようなカバープレートは、（例えば、H. Nakane et al., The Development of High-Performance Leaf Seals, Trans. ASME, Vol. 126, 2004年4月, 342〜350頁で議論されているように）シールのブローアップ（blow-up）およびブローダウン（blow-down）性能にも影響する。ブローダウンおよびブローアップを制御するためには、前部のカバープレートからリーフ群までの距離と、後部のリーフ群からカバープレートまでの距離と、の比を正確に制御する必要がある。過剰なブローダウンは、リーフの摩耗を早めることにつながることがあり、過剰なブローアップは、漏れの増大につながる。
【０００９】
（例えば、G Franceschini et al., Improved Understanding of Blow-down in Filament Seals, Journal of Turbomachinery, 132(4), 2010年10月, 041004頁 TURBO-09-1028で議論されているように）シールの前後間に小さな差圧が加えられている場合、ブローダウンは、シールの前後間に加えられている差圧に比例する。相当な差圧がリーフシールの前後間に加えられている場合、リーフは、図４に示されているように、圧力によって軸方向に反る。したがって、前部の間隙ｘは開き、後部の間隙ｘ’は閉じるが、これは、カバープレートの、リーフ端部の近位にある端部で最も著しく起こり、ブローダウン構成がますますひどくなる（ブローダウンは、差圧だけのときより、はるかに強くなる）。この結果、ロータに接触する大きな力が一般的に望ましくないまさにその圧力のときに、リーフシールは、リーフシールの前後間の高い差圧に起因して大きなトルクを加え、カバープレートからリーフ群までの間隙が、高いブローダウンの構成になっていることによって、事態は著しく悪化する。これにより、リーフシールが受けることができる最大差圧が著しく制限される。
【００１０】
米国特許出願第２００３／００６８２２４号は、高圧側に配置された高圧側プレートと、低圧側に配置された低圧側プレートとを有し、高圧側プレートと低圧側プレートとの間にリーフ群を保持するようにしたリーフシールを提案している。可撓性プレートがリーフ群と高圧側プレートとの間に配置され、リーフ群から離れないようにリーフ群に固定される。
【００１１】
米国特許出願第２００８／０２６５５１４号は、剛体前部壁と、剛体後部壁との間の空洞部に設置されたリーフ群を有するリーフシールを提案している。前部壁および後部壁は、スライド移動可能であり、これらの壁の間の距離を変えて、前部壁とリーフ群との間の間隙、および、後部壁とリーフ群との間の間隙の幅を変更することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願第２００３／００６８２２４号
【特許文献２】米国特許出願第２００８／０２６５５１４号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】H. Nakane et al.、The Development of High-Performance Leaf Seals、Trans. ASME、Vol. 126、２００４年４月、３４２〜３５０頁
【非特許文献２】G Franceschini et al.、Improved Understanding of Blow-down in Filament Seals、Journal of Turbomachinery、１３２（４）、２０１０年１０月、０４１００４頁、TURBO-09−1028
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、リーフシールの性能を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の態様において、本発明は、同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするためのリーフシールを提供する。このリーフシールは、環状に積層されたリーフ群、または、環状に積層されるとともに、軸方向に複数配列されたリーフ群を備える。リーフ群またはリーフ群の各々は、一方の構成要素に、リーフ群またはリーフ群の各々のリーフが、リーフ群のリーフ端部が他方の構成要素と摺動可能に接触するように他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付け可能である。リーフシールは、更に、シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備える。上流側カバープレートおよび下流側カバープレートの各々は、それぞれの軸方向間隙によって、隣接する環状のリーフ群から間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、隣接するリーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っている。上流側カバープレートおよび下流側カバープレートの少なくとも一方は、可撓性を有しており、シールが作動中に受ける差圧の下で軸方向に反る。
【００１６】
差圧の下で柔軟に反る上流側カバープレートおよび／または下流側カバープレートを有することにより、それぞれの軸方向間隙の幅を作動中に制御でき、例えば、ブローダウンを低減または排除でき、ひいてはトルクを低減または排除でき、有益である。
【００１７】
例えば、リーフ端部と、他方の構成要素との間で静止時に隙間がない場合、リーフ端部と、他方の構成要素との間に接触負荷はない。しかし、軸方向に硬いリーフ群および軸方向に硬いカバープレートでは、ブローダウンは、一般に、差圧とともに直線的に大きくなる。したがって、トルクを減らすには、下流側カバープレートが、差圧が加えられた状態でリーフ群に対して若干開くように曲がること（つまり、それぞれの軸方向間隙を大きくするように反ること）、および／または、上流側カバープレートが、差圧が加えられた状態で若干閉じるように曲がること（つまり、それぞれの軸方向間隙を小さくするように反ること）が望ましいことがある。
【００１８】
リーフ端部と、他方の構成要素との間で静止時に正の隙間がある場合も、リーフ端部と、他方の構成要素との間に接触負荷はない。しかし、ここでは、隙間を閉じるために、ブローダウンを少し誘発することが望ましいことがある。したがって、隙間がない場合と比べて、下流側カバープレートは、差圧が加えられた状態と同程度に曲がって開く必要がなく、および／または、上流側カバープレートは、差圧が加えられた状態と同程度に曲がって閉じる必要がない可能性がある。
【００１９】
リーフ端部と、他方の構成要素との間で静止時に接触負荷がある場合は、ブローアップを誘発して、加圧の増大とともに通常生じるブローダウンを相殺することが一般的に望ましい。このようにすると、リーフ端部と、他方の構成要素との間にかかる負荷を、圧力が増大するにつれて低減、または、排除することができる。このことは、下流側カバープレートが、差圧が加えられた状態で、対応する隙間がない場合よりも開くこと、および／または、上流側プレートが、差圧が加えられた状態で、対応する隙間がない場合よりも閉じることによって達成できる。
【００２０】
第２の態様おいて、本発明は、リーフシールにおけるブローダウンまたはブローアップを制御する方法を提供する。この方法は、第１の態様１のリーフシールを用意する工程と、可撓性カバープレートまたは可撓性カバープレートの各々が軸方向に反って、それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、隣接するリーフ群のブローダウンまたはブローアップの量を制御するように、差圧の下でシールを作動させる工程とを備える。
【００２１】
第３の態様において、本発明は、相対的に回転する構成要素に対して過速度制御を行う方法を提供する。この方法は、同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするリーフシールを用意する工程を備える。リーフシールは、環状に積層されたリーフ群を備える。リーフ群は、一方の構成要素に、リーフ群のリーフが、リーフ群のリーフ端部が他方の構成要素と摺動可能に接触するように他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付けられている。リーフシールは、更に、シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備える。上流側カバープレートおよび下流側カバープレートの各々は、それぞれの軸方向間隙によって、環状のリーフ群から間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、リーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っている。この方法は、更に、リーフ群の前後間において予め定められた差圧に達したときに、リーフ群が軸方向に反って、それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、リーフ群のブローダウンの量を増大させて、制動トルクを他方の構成要素に加えるように、シールを作動させる工程を備える。
【００２２】
このように、第３の態様の方法では、多くの場合に望ましくないとみなされるブローダウンをうまく使用して、制動トルクによる過速度制御を提供する。
【００２３】
第４の態様において、本発明は、相対的に回転する構成要素に対して過速度制御を行う方法を提供する。この方法は、同軸であり、相対的に回転する２つの構成要素の間をシールするリーフシールを用意する工程を備える。リーフシールは、環状に積層されるとともに、軸方向に複数配列されたリーフ群を備える。リーフ群の各々は、一方の構成要素に、リーフ群の各々のリーフが、リーフ群のリーフ端部が他方の構成要素と摺動可能に接触するように他方の構成要素に向けて延びている状態で、取り付けられている。リーフシールは、更に、シールのそれぞれの軸方向端部において上流側カバープレートと下流側カバープレートとを備える。上流側カバープレートおよび下流側カバープレートは、それぞれの軸方向間隙によって、環状リーフ群のうちの最も上流側および最も下流側のそれぞれから間隔を空けて配置されており、かつ、軸方向に見たときに、各々が、それぞれのリーフ群の径方向の広がりの少なくとも一部を覆っている。この方法は、更に、リーフ群の前後間において予め定められた差圧に達したときに、最も上流側および最も下流側の少なくとも一方のリーフ群が軸方向に反って、それぞれの軸方向間隙の幅を制御し、これにより、リーフ群のブローダウンの量を増大させて、制動トルクを他方の構成要素に加えるように、シールを作動させる工程を備える。
【００２４】
このように、第４の態様のマルチリーフ群・リーフシールは、第３の態様のシングルリーフ群・リーフシールの代替の態様である。
【００２５】
本発明のオプションの特徴を次に説明する。他に示さない限り、これらは、単独で、または、上述したような本発明の態様のいずれか１つとの任意の組み合わせで適用できる。
【００２６】
リーフ群またはリーフ群の各々は、一方の構成要素に、そのリーフ群のリーフ端部が他方の構成要素と摺動可能に接触するように、取り付け可能であることが好ましい。これらの構成要素は、ロータシャフト、および、そのシャフトのためのケーシングとすることができる。通常、リーフ群、または、リーフ群の各々は、径方向外側の構成要素に取り付けられる。
【００２７】
各カバープレートは、通常、隣接するリーフ群のリーフ端部の遠位にある基部から、隣接するリーフ群のリーフ端部の近位にある端部まで、径方向に延びている。
【００２８】
いずれかの、または、各々のカバープレートの比（ｈ４／ｔ３）は、５以上であることが好ましく、より好ましくは、１０または２０以上である。ここで、ｈは、カバープレートの遠位基部から近位端部までの、メートル単位での径方向距離であり、ｔは、カバープレートの、メートル単位での厚さである。比がこのような値であると、カバープレートまたは各々のカバープレートは、例えば、上流側および下流側の間隙のいずれか、もしくは、両方が、最初の、圧力がかかっていないときの幅を維持できるように、または、上流側および下流側の間隙のいずれか、もしくは、両方が、差圧の変化とともにブローダウンを加減するために僅かに閉じたり、開いたりすることができるように、圧力に反応し、軸方向に反ることができる十分な可撓性を有することができる。
【００２９】
（第１または第３の態様の）シングルリーフ群、または、（第１または第４の態様の）最も上流側および最も下流側のリーフ群の一方もしくは両方は、前述した差圧の下で軸方向へ反るように構成されてもよい。また、上流側および／または下流側のカバープレートは、作動中に受ける最大差圧で、それぞれの軸方向間隙の幅であって、隣接するリーフ群のリーフ端部の近位にあるカバープレート端部での幅が、その位置での間隙の、差圧がないときの幅の±２０％以内、好ましくは±１０％以内であってもよいように、上述の差圧の下で軸方向に反ることができる可撓性を有していてもよい。
【００３０】
作動中に受ける最大差圧では、（第１または第３の態様の）シングルリーフ群、または、（第１または第４の態様の）最も上流側のリーフ群は、リーフ端部の近位にあるカバープレート端部での、差圧がないときの上流側間隙の幅の少なくとも約１５％、好ましくは少なくとも約３０％に相当する量（リーフ群のリーフ端部での量）だけリーフ群の上流側の側面を下流方向へ動かす量（リーフ群の反っていない位置に対する相対量）だけ、軸方向に反ってもよい。同様に、作動中に受ける最大差圧では、（第１または第３の態様の）シングルリーフ群、または、（第１または第４の態様の）最も下流側のリーフは、リーフ端部の近位にあるカバープレート端部での、差圧がないときの下流側間隙の幅の少なくとも約１５％、好ましくは少なくとも約３０％に相当する量（リーフ群のリーフ端部での量）だけ、リーフ群の下流側の側面を下流方向へ動かす量（リーフ群の反っていない位置に対する相対量）だけ、軸方向に反ってもよい。
【００３１】
このリーフシールは、例えば、ガスタービンおよび蒸気タービンならびにジェットエンジンに使用できる。もっとも、このリーフシールは、例えば、シャフトに沿って、高圧領域および低圧領域の間をシールすることが必要である他の用途で使用されてもよい。
【００３２】
本発明の第２の態様の方法における別のオプションとしての特徴を次に説明する。
【００３３】
（第２の態様の）シングルリーフ群、または、（第２の態様の）最も上流側および最も下流側のリーフ群の一方もしくは両方は、最大差圧のときに、それぞれの軸方向間隙の幅が、リーフ端部の近位にあるカバープレート端部での、差圧がないときの間隙の幅の±２０％以内、好ましくは、±１０％以内となるように、差圧の下で軸方向に反ってもよい。リーフ端部の近位にあるカバープレート端部でのそれぞれの軸方向間隙は、作動中に受ける差圧の範囲にわたって実質的に不変に維持されることが好ましい。あるいは、ブローダウンの量は、例えば、他方の構成要素に制動トルクを加えるために、カバープレート、または、各々のカバープレートの軸方向の反りによって増大させてもよい。もっとも、別のオプションによれば、ブローアップの量をカバープレート、または、各々のカバープレートの軸方向の反りによって増大させてもよい。
【００３４】
本発明の他のオプションとしての特徴を以下に述べる。
【００３５】
本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら例として次に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ガスタービンエンジンの概略的な縦断面を示す図である。
【図２】リーフシール・アセンブリの一部分の切り取り斜視図を概略的に示す図である。
【図３】図２のシールアセンブリのリーフ群およびハウジングの縦断面を模式的に示す図である。
【図４】リーフシールの前後にかなりの差圧が加えられたときの、図３の縦断面を示す図である。
【図５】本発明の第１ないし第３の実施形態のシールアセンブリのリーフ群およびハウジングの縦断面を概略的に示す図である。
【図６】リーフ群およびハウジングの縦断面を概略的に示す図であって、図６（ａ）は、リーフ群の前後の全軸方向圧力を、図６（ｂ）は、前部カバープレートの前後の圧力を、図６（ｃ）は、リーフ群の前後の圧力を、図６（ｄ）は、後部カバープレートの前後の圧力を、それぞれ説明する図である。
【図７】図５（ａ）ないし図５（ｃ）の第１ないし第３の実施形態に対応する概略的な縦断面を、これらの実施形態の可撓性カバープレートによって生じる反りの種類を説明するために示す図である。
【図８】カバープレートに可撓性を与えるために、前部カバープレートを成形するそれぞれのオプションを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明によるリーフシール・アセンブリは、複数のカバープレートを有することができ、これらのカバープレートは、自身の可撓性により、圧力がかかった状態で軸方向に反って、カバープレートと、隣接するリーフ群との間の軸方向間隙を制御する。例えば、カバープレートの軸方向の反りをリーフ群の軸方向の反りに合わせ、圧力がかかった状態にしたときにカバープレートとリーフ群との間の間隙が公称間隙から実質的に逸脱しないようにすることが可能である。
【００３８】
図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、外側ケーシングとロータシャフトとの間をシールするための、それぞれ本発明の第１から第３の実施形態のリーフシール・アセンブリのリーフ群およびハウジングの縦断面を概略的に示している。各リーフシールは、ハウジング内に固定された一群のリーフ１３２を有しており、ハウジングは、上流側カバープレート１３５と下流側カバープレート１３５’とを有する支持環１３４を備えている。図５（ａ）では、前部カバープレート１３５は、可撓性を有し、軸方向に反ることができるように薄く形成されており、一方、より厚い後部カバープレート１３５’は、事実上剛体であり、反ることができない。図５（ｂ）では、後部カバープレート１３５’が可撓性を有し、前部カバープレート１３５は剛体である。図５（ｃ）では、前部カバープレート１３５と後部カバープレート１３５’との両方が可撓性を有している。図５（ｃ）の第３の実施形態は、圧力をかけているときに、リーフからカバープレートまでの前部間隙ｘおよびそれに対応する後部間隙ｘ’の両方を制御するのに特に有用である。
【００３９】
軸方向に反らせることの目標は、主に、カバープレートとリーフ群との間の間隙を、差圧が加えられた状態でも一定に保つこと、とすることができる。しかし、異なる目的を設定すべき理由があってもよい。一例として、圧力によって前部間隙ｘに比べて若干開く後部カバープレート間隙ｘ’が、リーフシールの前後間での差圧が大きくなるにつれて、若干のブローアップ構成となることを可能にするには、ロータからケーシングまでの径方向間隙に熱的不整合があるために、高い差圧のときよりも多くのブローダウンが低い差圧で必要とされることがある。したがって、カバープレートの可撓性を適切に調節することにより、リーフシールの挙動を、エンジンにおける特定の熱サイクルおよび運動サイクルに合わせることができる。結局、目的は、エンジンサイクルのいくつかの異なる動作点においてシール内腔がシャフト近くに確実に置くことによって、リーフシールをエンジンのサイクルに対して「調整する」こと、とすることができる。
【００４０】
図６は、（ａ）リーフ群の前後の全軸方向圧力、（ｂ）前部カバープレート１３５の前後の圧力、（ｃ）リーフ群の前後の圧力、および、（ｄ）後部カバープレート１３５’の前後の圧力を明らかにするために、リーフ群およびハウジングの縦断面を概略的に示している。リーフ群の前後の圧力は、図４に示されている種類のリーフの反りを生じさせる。前部カバープレートおよび後部カバープレートの前後の圧力は、カバープレート構成と、カバープレートにおける所定の軸方向の反りを生じさせるために必要な可撓性の程度とを決めるのに使用できる。そこで、図７（ａ）ないし（ｃ）は、図５（ａ）ないし（ｃ）の第１ないし第３の実施形態にそれぞれ対応する概略的な縦断面を、これらの実施形態の可撓性カバープレートによって生じる反りの種類を明らかにするために示す。より詳細には、軸方向に可撓性を有する前部カバープレート１３５の場合、図７（ａ）に示されているように、圧力によって前部カバープレートおよびリーフ群の両方が反り、そのため後部間隙ｘ’は閉じるが前部間隙ｘは開かず、これにより、ブローダウンは圧力とともに大きくなるが、図４の剛体前部カバープレートおよび剛体後部カバープレートの場合ほどではない。軸方向に可撓性を有する後部カバープレート１３５’の場合、図７（ｂ）に示されているように、圧力によって後部プレートおよびリーフ群が反り、そのため前部間隙ｘは開くが後部間隙ｘ’は開かず、圧力の増大に伴うブローダウンの増大が再び制限される。前部カバープレート１３５および後部カバープレート１３５’の両方がリーフ群と同程度の軸方向可撓性を有する場合、図７（ｃ）に示されるように、前部間隙ｘおよび後部間隙ｘ’は、圧力が変化しても、実質的に変化しない状態のままであり、したがってブローダウンを著しく低減または排除できるようになる。よって、例えば、目的がブローダウンまたはブローアップの低減または排除であれば、隣接するリーフ群のリーフ端部の近位にあるカバープレート端部での軸方向間隙ｘの幅は、差圧がないときの、その位置での間隙の幅の±２０％以内に維持されてもよい。
【００４１】
図７（ａ）ないし（ｃ）に見られるように、可撓性カバープレートの特別な利点は、縦断面上で、カバープレートが、リーフ群の、対向している側面の曲線状に反った形状に合う曲線状に反った形状をとることができる、ということである。これは、それぞれの間隙の幅を間隙の径方向の広がり全体にわたって一定に保つことを容易にする。
【００４２】
可撓性後部カバープレート１３５’を適切に構成することによって、後部間隙ｘ’が前部間隙ｘと比べて大きくなるようにすると、リーフシールは、圧力の増大に伴ってブローアップを示すことができる。このことは、一部のシールにとって有益になり得る。
【００４３】
カバープレートの反りδは、次式で与えられる。
【数１】
2013177970.tif 000003
【００４４】
ここで、ｈは、カバープレートの基部（根元）から端部までの径方向の距離であり（図７（ａ）参照）、ΔＰは、カバープレートの前後間の差圧であり、Ｅは、カバープレートの材料のヤング係数であり、ｔは、カバープレートの厚みであり（これも図７（ａ）を参照）、Ｋは、係数であって、リーフシール・カバープレートでは通常約１．４である。カバープレートの可撓性を妥当なものとするには、寸法比（ｈ４／ｔ３）は、通常５以上であり、好ましくは１０または２０以上である。ｈおよびｔは、メートル単位での値である。カバープレートの可撓性は、カバープレートの断面を修正することによって獲得できる。よって、例えば、図８（ａ）に示されているように、カバープレート１３５の厚みを従来の剛体カバープレートと比べて減らすことができる（点線で示されている）。もっとも、これに加えてまたは代えて、例えば、図８（ｂ）および（ｃ）に示されているように、さまざまな径方向の場所で間隙を合わせるために、カバープレートのプロファイルを変更することもできる。別のオプション（図８（ｄ）に示されている）は、カバープレートの、支持環に近接する首部を薄くすることである。これにより、カバープレートの遠位部分を薄くし過ぎることなく、カバープレートの反る量を増やすことができる。さらに別のオプション（図８（ｅ）に示されている）は、比較的薄く、したがって可撓性を有するカバープレートを設けるが、リーフ端部の近位にあるカバープレートの端部に、この位置での間隙を小さくするために、リーフ群１３２の方へ向けられた突出部１３７を設ける、というものである。このような成形のオプションは、圧力負荷の下でのカバープレートの変形の精密な制御を容易にし、ひいては、シールリーフ群とカバープレートとの間の間隙についての、さまざまな径方向位置でのばらつきの制御を容易にし、シール漏れおよびブローダウンの微調整を可能にする。
【００４５】
カバープレートの可撓性をリーフ群の軸方向の反りに合わせることにより、過度のブローダウンに起因する高接触負荷、ひいては高いトルクを引き起こすことなく、シールをより高い圧力差で動かすことができる。これに加えてまたは代えて、圧力がかかった状態でのリーフシールのブローダウン挙動は、所望のブローダウンまたはブローアップをさまざまな圧力で達成できるように、変えることが可能である。例えば、リーフシールは、このようにして、エンジンサイクルに追従するようにより良好に合わせることができる。可撓性カバープレートを採用することのさらなる利点は、シールをより軽量に作ることができることであり、これは、航空宇宙産業での用途で特に有益であり得る。
【００４６】
ブローダウンは、一般に望ましくないものとみなされているが、カバープレートとリーフ群との間の間隙の制御は、圧力差が予め定められた大きさ、例えばエンジンの速度超過に関連した予め定められた大きさに達したときに、故意にブローダウンを生じさせることに使用することができる。リーフ群は、このとき、機械式ブレーキとして機能でき、ブローダウンにより、リーフがシャフトに強く押しつけられ、かなり大きな制動トルクがシャフトに加えられる。リーフを通る空気流は、このようにして生じる摩擦熱に対する冷却流として機能でき、ブレーキを連続的に作動させることを可能にする。この用途では、剛体カバープレートを用いても、間隙の適当な制御を達成可能にできる。
【００４７】
本発明を上述した例示的な実施形態とともに説明したが、本開示を与えられた場合に数多くの等価な修正例および変形例が当業者にとって明らかとなるであろう。例えば、上記実施形態では、リーフ群が径方向外側のハウジングに取り付けられ、その複数のリーフは、内側のロータへ向けて延びる。しかし、他の実施形態では、リーフ群が径方向内側の構成要素に取り付けられ、その複数のリーフが外側の構成要素へ向けて延びていてもよい。さらに、上記の実施形態では、シールアセンブリはリーフ群を１つだけ有するが、他の実施形態では、各アセンブリが軸方向に並べられた複数のリーフ群を有し、カバープレートが、環状のリーフ群の最も上流および最も下流のそれぞれから、それぞれの軸方向間隙だけ間隔を空けて配置されてもよい。したがって、上記に説明した本発明の例示的な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないとみなされる。記載した実施形態に対するさまざまな変更は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができる。
【００４８】
上記に言及した全ての参考文献は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１３２…リーフ（リーフ群）
１３４…支持環
１３５…前部（上流側）カバープレート
１３５’…後部（下流側）カバープレート
１３７…突出部
ｘ…前部間隙
ｘ’…後部間隙
【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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【外国語明細書】
2013177970000001.pdf