(57)【要約】【課題】ターボ機械のためのシール組立体を提供すること。【解決手段】ターボ機械用のシール組立体は、第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングを含む。また、シールリングに隣接して配置され、第１の位置にあるときよりも第２の位置にあるときのほうがシールリングの複数のトンネルのうちのより多くのトンネルと整列する複数の開口を有する後方リングも含まれる。さらに、シールリング及び後方リングを動作可能に接続する保持要素が含まれる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械用のシール組立体であって、
第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングと、
前記シールリングに隣接して配置され、前記第１の位置にあるときよりも前記第２の位置にあるときのほうが前記シールリングの複数のトンネルのうちのより多くのトンネルと整列する複数の開口を有する後方リングと、
前記シールリング及び前記後方リングを動作可能に接続する保持要素と
を備える、シール組立体。
【請求項２】
前記後方リングが、前記シールリングが前記第１の位置にあるときに前記複数のトンネルのうちの少なくとも１つを覆うように構成されている、請求項１記載のシール組立体。
【請求項３】
前記後方リングが、前記シールリングが前記第２の位置にあるときに前記複数のトンネルを覆わないように構成されている、請求項２記載のシール組立体。
【請求項４】
前記複数の開口の少なくとも１つが開放スロットである、請求項３記載のシール組立体。
【請求項５】
前記シールリングが前記第２の位置にあるときには、前記第１の位置にあるときよりも高い圧力がシール面上に作用する、請求項３記載のシール組立体。
【請求項６】
前記後方リングが、回転防止部品を介して前記保持要素に結合され、前記シールリングは、フューズ型接続を介して前記保持要素に結合され、これにより前記シールリングが前記第１の位置から前記第２の位置まで回転できる、請求項１記載のシール組立体。
【請求項７】
前記回転防止部品が、前記後方リングを前記保持要素に動作可能に結合する固定ピンを含み、前記フューズ型接続が、破断スロットと前記固定ピンとを含み、前記固定ピンが、通常作動下で前記第１の位置で前記シールリングを前記保持要素に結合する、請求項６記載のシール組立体。
【請求項８】
前記破断スロットが、第１の部分と第２の部分とを含み、前記固定ピンは、前記シールリングが前記第１の位置にあるときに前記第１の部分内に配置され、前記シールリングが前記第２の位置にあるときに前記第２の部分内に配置される、請求項７記載のシール組立体。
【請求項９】
ターボ機械用のシール組立体であって、
比較的円形のシール面と、
第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングと、
前記シールリングに隣接して配置され且つ複数の開口を有する後方リングと
を備え、前記複数のトンネルのうちの少なくとも１つが、一方の端部において前記比較的円形のシール面に開いており、且つ前記シールリングが前記第１の位置にあるときに他方の端部において前記後方リングによって覆われており、
前記シール組立体がさらに、
前記シールリング及び前記後方リングを動作可能に接続する保持要素を備え、前記シールリングが前記後方リングに対して回転可能である、シール組立体。
【請求項１０】
前記後方リングの複数の開口が、前記シールリングが前記第１の位置にあるときに前記複数のトンネルのうちの少なくとも１つと整列するよう構成されている、請求項９記載のシール組立体。
【請求項１１】
前記シールリングが前記第１の位置にあるときよりも前記第２の位置にあるときのほうが、少なくとも１つより多くのトンネルが前記複数の開口と整列している、請求項１０記載のシール組立体。
【請求項１２】
前記シールリングが前記第１の位置にあるときよりも前記第２の位置にあるときのほうが、より高い圧力が前記比較的円形のシール面に作用する、請求項１１記載のシール組立体。
【請求項１３】
前記後方リングが回転防止部品を介して前記保持要素に結合され、前記シールリングは、フューズ型接続を介して前記保持要素に結合され、これにより前記シールリングが前記第１の位置から前記第２の位置まで回転できる、請求項９記載のシール組立体。
【請求項１４】
前記保持要素が固定ピンを含み、該固定ピンが、前記シールの破断スロットを貫通して延びることにより前記シールを前記シールリングに動作可能に結合する、請求項９記載のシール組立体。
【請求項１５】
前記シールリングの破断スロットが、第１の部分と第２の部分とを含み、前記固定ピンは、前記シールリングが前記第１の位置にあるときに前記第１の部分内に配置され、前記シールリングが前記第２の位置にあるときに前記第２の部分内に配置される、請求項１４記載のシール組立体。
【請求項１６】
前記シール組立体が、ロータの外面に近接して配置される、請求項９記載のシール組立体。
【請求項１７】
ターボ機械用のシール組立体であって、
比較的円形のシール面と、
第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングと、
前記シールリングに隣接して配置され且つ複数の開口を有する後方リングと
を備え、前記後方リングは、前記シールリングが前記第１の位置にあるときに前記複数のトンネルの少なくとも１つを覆うように構成され、前記複数の開口のうちの少なくとも１つが前記第２の位置でトンネルを覆っておらず、
前記シール組立体がさらに、
前記シールリング及び前記後方リングを動作可能に接続する保持要素を備え、
前記、シール組立体。
【請求項１８】
前記シール組立体が、ロータの外面に近接して配置される、請求項１７記載のシール組立体。
【請求項１９】
前記後方リングが、回転防止部品を介して前記保持要素に結合され、前記シールリングは、フューズ型接続を介して前記保持要素に結合され、これにより前記シールリングが前記第１の位置から前記第２の位置まで回転できる、請求項１７記載のシール組立体。
【請求項２０】
前記シールリングが前記第１の位置にあるときよりも前記第２の位置にあるときのほうが、より高い圧力がシール面に作用する、請求項１９記載のシール組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細にはターボ機械用のシール組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のタイプのターボ機械において、ターボ機械内の複数の部品と共に多くの機能を提供するのにシールが利用される。１つのこのようなタイプのシールは、通常は２〜３ミル以下のクリアランスで作動する非接触面シールである。漏洩が少ないこと、摩耗が少ない、及び心振れに反応しにくいなどの機能上の利点を提供するが、効率の悪さが依然として残っている。例えば、開口力を提供する水力学又は流体静圧学的特徴要素は、製造公差及び誤差を含む複数の要因に起因して不適切となる可能性があり、その結果、ターボ機械部品間の自己摩擦及びこれに関連する望ましくないシステムへの影響をもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７８２７６８５号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の１つの態様では、ターボ機械用のシール組立体は、第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングを含む。また、シールリングに隣接して配置され、第１の位置にあるときよりも第２の位置にあるときのほうがシールリングの複数のトンネルのうちのより多くのトンネルと整列する複数の開口を有する後方リングも含まれる。さらに、シールリング及び後方リングを動作可能に接続する保持要素が含まれる。
【０００５】
本発明の別の態様では、ターボ機械用のシール組立体は、比較的円形のシール面を含む。また、第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングが含まれる。さらに、シールリングに隣接して配置され且つ複数の開口を有する後方リングが含まれる。複数のトンネルのうちの少なくとも１つが、一方の端部において比較的円形のシール面に開いており、且つシールリングが第１の位置にあるときに他方の端部において後方リングによって覆われている。さらにまた、シールリング及び後方リングを動作可能に接続する保持要素が含まれ、該シールリングが後方リングに対して回転可能である。
【０００６】
本発明のさらに別の態様では、ターボ機械用のシール組立体は、比較的円形のシール面を含む。また、第１の位置と第２の位置との間で回転可能であって複数のトンネルを有するシールリングが含まれる。さらに、シールリングに隣接して配置され且つ複数の開口を有する後方リングが含まれ、後方リングは、シールリングが第１の位置にあるときに複数のトンネルの少なくとも１つを覆うように構成され、複数の開口のうちの少なくとも１つが第２の位置でトンネルを覆っていない。さらにまた、シールリング及び前記後方リングを動作可能に接続する保持要素が含まれ、シールリングが前記後方リングに対して回転可能である。
【０００７】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】シールシステムの側面図。
【図２】シール組立体の斜視図。
【図３】固定ピンを有する保持要素の斜視図。
【図４】保持要素によって固定される後方リングの斜視図。
【図５】後方リングに動作可能に結合されたシールリングの斜視図。
【図６】第１の位置にあるシールリングの正面図。
【図７】第２の位置にあるシールリングの正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１１】
図１を参照すると、タービンシステムのようなターボ機械（図示せず）内で使用するためのシールシステム１が示され、ロータ５０上のロータ面５１と、シールリング１２を含むシール組立体１０と、後方リング１４と、シール面１６とを含む。シール組立体１０はまた、静止部品に取り付けられ、又は静止部品の一部である保持要素１８を含む。回転防止部品２０が保持要素１８に固定され、シールリング１２及び後方リング１４が軸方向に移動できるようにしながら回転を阻止する。バネ１９は、シールリング１２をロータ面５１から又はロータ面に向けて付勢するのに使用される。シール組立体１０はまた、シールリング１２を軸方向に滑動させることを可能にしながら、シールリング１２と保持要素１８との間の漏洩を阻止する２次シール１７を含む。シールリング１２は、作動流体をシール面１６に送給する複数のトンネル４２を含む。後方リング１４は、設計条件で開放しているトンネル４２の一部と一致する開口３０からなる。シール面１６とロータ面５１との間に摩擦がある場合、摩擦トルクがシールリング１２をハードストップまで所定量だけ回転させる。これと同時に、後方リング１４は回転しない。回転後の位置では、より多くのトンネル４２開口が後方リング１４上の開口３０と一致する。従って、より多くのトンネル４２がシール面１６の流体圧力を増大させる高圧作動流体に曝される。圧力増大によりシールリング１２がロータ面５１から押しやられ、シールシステム１がより大きなクリアランスで作動する。このようなフェールセーフ設計により、摩擦が生じた場合に、シールシステム１がシール面１６の更なる損傷を回避できる。
【００１２】
図２を参照すると、シール組立体１０は、ターボ機械内の種々の領域で利用することができ、特に高圧領域と低圧領域（互いに対して）との間のターボ機械内の種々の部品に関連付けることができる。このような応用では、シール組立体１０は、相対的に円形であり、ロータ５０を少なくとも部分的に囲んで、望ましい位置でシールを提供するように配置される。シール組立体１０は、ロータ面５１から約１０ミル（１インチの１０００分の１）未満のクリアランスで作動する非接触シール組立体である。フェールセーフ設計により、シールシステム１は、信頼性のある方法で狭いクリアランスで作動できる。
【００１３】
図３を参照すると、保持要素１８の一部は、シール面１６に隣接して配置され、バネ１９によりシールリング１２の後方端部に間接的に結合することができる。保持要素１８は、シール面１６に向けて軸方向前方に延びる固定ピン２０を含む。上述のように、シール組立体１０は、種々の向きでターボ機械の種々の領域で利用することができるが、図示の実施例では、本明細書において、シール組立体１０は、前述のタービン組立体のロータ５０の外側表面に近接した向きにされる。
【００１４】
図４を参照すると、後方リング１４は、嵌合方式で回転防止のために固定ピン２０を受けるピン受け貫通孔２２を含む。後方リング１４は、実質的に円形又は楕円経路で円周方向に延びるベース部分２３と、複数の開口とを含む。これらの複数の開口３０は、単にプレートを含むことができるフィンガー２８間の閉じた孔又は開放ギャップとすることができる。好適な代替の幾何学的構成は、後方リング１４上の複数の開口３０を形成するのに好適とすることができる点は企図される。
【００１５】
図５を参照すると、シールリング１２は、後方リング１４に隣接し且つその軸方向前方に配置される。シールリング１２は、嵌合方式で固定ピン２０を受ける破断スロット３２のような保持要素１８とフューズ型接続を含む。後方リング１４が保持要素１８及び従ってシール面１６により回転するのを確実に且つ堅固に阻止するピン受け貫通孔を含む後方リング１４とは対照的に、シールリング１２は、破断スロット３２の長さ内で後方リング１４及び保持要素１８に対して回転可能である。シールリング１２の回転は、例えば、作動中のロータ５０の摩擦などの多くの理由で生じる可能性がある。
【００１６】
破断スロット３２は、少なくとも２つのセグメント、すなわち第１の受け部３４と第２の受け部３６とから構成される。第１の受け部３４及び第２の受け部３６は両方とも、固定ピン２０を囲むのに十分な直径のものである。第１の受け部３４及び第２の受け部３６は、薄いバンド又は上部戻り止め３８及び下部戻り止め４０により分離される。第１の受け部３４及び第２の受け部３６の分離構造とは関係なく、分離構造により与えられる構造及び／又は摩擦力は、最大でも一定の回転トルクで第１の受け部３４又は第２の受け部３６内で固定ピン２０の位置決めを維持するのに十分である。上述のロータ５０の摩擦のようなシールリング１２に作用するトルクは、シールリング１２の回転を与えるのに十分であり、シールリング１２が固定ピン２０と第１の受け部３４又は第２の受け部３６との亜大の摩擦力及び／又は構造力に打ち勝つ。この力に打ち勝つのに十分なトルクは、適用分野に依存し、第１の受け部３４及び第２の受け部３６の間の分離構造を変えることにより、必要に応じて修正することができる。
【００１７】
別の実施形態では、フューズ型接続は、シールリング１２上のピン及び保持要素１８上の破断スロット３２とすることができる。さらに別の実施形態では、ピンは、破断スロット３２内のバンドの代わりに犠牲特徴要素としてロータ摩擦時に剪断されるように設計することができる。
【００１８】
図６及び７を参照すると、シールリング１２は、シールリング１２を通って軸方向に延びる複数のトンネル４２を含む。第１の位置で、シールリング１２の破断スロット３２の第１の受け部３４内の固定ピン２０の位置決めに対応して、シールリング１２の複数のトンネル４２の少なくとも１つは、後方リング１４の複数のフィンガー２８によりシールリング１２の軸方向後方面上で覆われる。複数のトンネル４２の数及び位置は、調整可能であり、特定の用途に合わせて修正することができる。これに関連して、複数のフィンガー２８の数及び形状を修正し、複数のトンネル４２の幾つが覆われるかによって決定付けられる所望の機能を提供することができる。
【００１９】
上述のように、シールリング１２は、後方リング１４に対して回転可能であり、このような回転は、シールリング１２に対して力が導入されたときに生じる。上述のように、このような力により、固定ピン２０を破断スロット３２の第１の受け部３４から破断スロットの第２の受け部３６に駆動し、或いはその反対をするのに十分なトルクをシールリング１２が与えることができる。第１の位置から第２の位置に移動すると、ここで固定ピン２０は第２の受け部３６内にあり、シールリング１２の複数の追加のトンネル４２は、後方リング１４によって、具体的には後方リング１４の複数のフィンガー２８によって覆われなくなる。複数のトンネル４２の曝露の促進を支援するため、複数のフィンガー２８の各々は、図６に示すように、シールリング１２が第２の位置に配置されたときに複数のトンネル４２のうちの１つに対応する少なくとも１つの開口３０を含む。
【００２０】
複数のトンネル４２のうちの一部又は全てを曝露することにより、有利には、高圧の空気が複数のトンネル４２を通って流れ、シール面１６、又は軸受のような他の何れかの隣接する構造体からシールリング１２を分離することが可能となる。このようなシール組立体１０によってシール摩擦の可能性が低減される。
【００２１】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２２】
１０  シール組立体
１２  シール
１４  シールリング
１６  シール面
１８  保持要素
１９  バネ
２０  固定ピン
２２  ピン受け開口
２３  ベース部分
２４  外側直径
２６  内径
２８  複数のフィンガー
３０  開口
３２  破断スロット
３４  第１の受け部
３６  第２の受け部
３８  上部戻り止め
４０  下部戻り止め
４２  複数のトンネル
５０  ロータ
５１  ロータ面
【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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