(57)【要約】      （修正有）【課題】同軸で相対的に回転する２つの構成要素の間にシールを形成するためのリーフシールが提供される。【解決手段】リーフシールは、一対の、重ねられたリーフ７２，７４の環状パック９０を備えており、環状パックのうち少なくとも一方の環状パックのリーフ縁部が他方の構成要素と摺接するように提供され、環状パックは、調整された軸方向すき間ｇ，ｓによって互いから軸方向に離隔される。各環状パック内において、シールを通過する軸方向の漏洩流を許容するリーフ間間隙によって、隣り合うリーフが互いから分離されるように、リーフが向かい合わせに重ねられ、軸方向から見たときに、対の各環状パックのリーフが対の他方の環状パックのリーフ間間隙を実質的に覆うように、環状パックが位置決めされる。調整された軸方向すき間は、シールにおいて、シールを通過する漏洩流の量を決める支配的な流動制約である。【選択図】図４
2013174344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸で相対的に回転する２つの構成要素の間にシールを形成するためのリーフシールであって、一対の、重ねられたリーフの環状パックを備えており、各環状パックは、前記構成要素のうちの一方へ取り付けられて、各環状パックのリーフが他方の前記構成要素へ向けて延びることができ、これにより、前記環状パックのうち少なくとも一方の環状パックのリーフ縁部が前記他方の構成要素と摺接するように提供され、前記環状パックは、調整された軸方向すき間によって互いから軸方向に離隔され、
各環状パック内において、前記シールを通過する軸方向の漏洩流を許容するリーフ間間隙によって、隣り合う前記リーフが互いから分離されるように、前記リーフが向かい合わせに重ねられ、軸方向から見たときに、前記対の各環状パックのリーフが前記対の他方の環状パックのリーフ間間隙を実質的に覆うように、前記環状パックが位置決めされ、
前記調整された軸方向すき間は、前記シールにおいて、前記シールを通過する漏洩流の量を決める支配的な流動制約である、リーフシール。
【請求項２】
各環状パックは、前記構成要素のうちの一方に、当該パックの前記リーフ縁部が他方の前記構成要素と摺接するように、取り付け可能である、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項３】
前記調整された軸方向すき間は、使用時に、前記調整された軸方向すき間での圧力降下が、前記シールでの全圧力降下の少なくとも５０％となるように特定される、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項４】
前記調整された軸方向すき間は、前記対の各環状パックについてＡ／（２Ｌ）という値よりも小さく、Ａは、軸方向に見たときの、各環状パックの個々のリーフ間間隙の面積であり、Ｌは、各環状パックの横断面における、各環状パックの個々のリーフの長さである、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項５】
さらに、前記シールの軸方向端部の一方または両方にカバープレートを備えており、前記または各カバープレートは、最も近くに位置する、重ねられたリーフの環状パックから軸方向距離（ｓ）だけ軸方向に離隔され、軸方向に見たときに、前記または各カバープレートは、前記最も近くに位置する環状パックの径方向の広がりの少なくとも一部を覆う、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項６】
前記環状パックのうち少なくとも一方の環状パック内において、スペーサ要素が、各リーフの基部から横方向へ延びて、他方の前記環状パックの隣り合うリーフの間に配置される、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項７】
さらに、重ねられたリーフの１つまたは複数の別の環状パックを備え、前記１つまたは複数の別の環状パックは、互いに隣接する環状パックの１つまたは複数の別の対を形成し、前記別の環状パックの各々は、前記構成要素のうちの一方に取り付けられて、前記別の環状パックのリーフが他方の前記構成要素に向けて延びることができ、前記または各別の対の環状パックは、別の軸方向すき間によって互いから軸方向に離隔され、
各別の環状パック内において、前記シールを通過する漏洩流を許容するリーフ間間隙によって、隣り合うリーフが互いから分離されるように、前記リーフが向かい合わせに重ねられる、請求項１に記載のリーフシール。
【請求項８】
前記または各別の環状パックは、軸方向に見たときに、前記または各別の対において各環状パックのリーフが、隣接する環状パックのリーフ間間隙を実質的に覆うように位置決めされる、請求項７に記載のリーフシール。
【請求項９】
前記または各別の対において、スペーサ要素（８８）が、少なくとも１つの前記環状パックの各リーフの基部から横方向に延びて、隣接する環状パックの隣り合うリーフの間に配置される、請求項８に記載のリーフシール。
【請求項１０】
前記シールにおいて、前記調整された軸方向すき間が、前記シールを通過する漏洩流の量を決める単一の支配的な流動制約となるように、前記調整された軸方向すき間が前記または各別の軸方向すき間に対して特定される、請求項７に記載のリーフシール。
【請求項１１】
前記シールの軸方向の端部に、最も近くに位置する環状パックの径方向の広がりの少なくとも一部を覆うための環状カバープレートを有しない、請求項７に記載のリーフシール。
【請求項１２】
前記他方の構成要素と、前記シールの軸方向外側にある前記環状パックのリーフ縁部との間に、環状通路が形成される、請求項１１に記載のリーフシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの、同軸で相対的に回転する構成要素の間を封止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、全体が１０で示されるダクト付きファンガスタービンエンジンは、主回転軸Ｘ−Ｘを有する。エンジンは、軸流順序で、吸気口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。ナセル２１がエンジン１０全体を囲み、吸気口１１と、バイパスダクト２２と、バイパス排気ノズル２３とを画定する。
【０００３】
ガスタービンエンジン１０は、従来の方法で作動し、吸気口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空気流と、バイパスダクト２２を通過して推進推力を与える第２空気流Ｂとを生成する。中圧圧縮機１３は、中圧圧縮機１３内へ誘導される空気流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へ誘導され、ここで燃料と混合され、この混合物が燃焼される。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。高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンは、それぞれ、適切な相互連結シャフトにより、高圧圧縮機１４および中圧圧縮機１３およびファン１２を駆動する。
【０００５】
リーフシールは、リーフ（換言すれば、薄板）材の区分（ｓｅｃｔｉｏｎ）から形成されており、リーフ材は、組立体内にある各々のリーフの、並置されたリーフ縁部でシール面を作り出すために、適切な向きに向けられている。シール遮断部（ｂａｒｒｉｅｒ）を設けるために、リーフの縁部、したがってシール面をシャフトの方へ向ける目的で、通常、リーフは回転シャフトの周りに周方向に並べられる。リーフ要素を正しく並べて、リーフ縁部、したがってシール面を提供するために、通常、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あってもよく、各リーフと一体に形成されてもよい。リーフの縁部、また同様にシール面は、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、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、２つの相対的に回転する構成要素の間、または、２つの静止している構成要素の間にでさえ、シールの一方の側で比較的高い圧力を、また、他方の側で比較的低い圧力を維持するためにシールを形成することがある。図２は、例として、リーフシール組立体３１の一部の切り欠き斜視図を模式的に示しており、リーフシール組立体３１は、カバープレート３５付きの支持環３４を備えたハウジングに固定されたスペーサ３３から延びるリーフ３２を備える。リーフ３２は、矢印３８によって表される方向に一般に回転する回転構成要素の面３７の方へリーフ縁部３６を向けている。リーフ３２、特にリーフ３２のリーフ縁部３６は、組立体３１を横断してシールを形成するように面３７に作用する。面３７の回転に合わせて良好なシール効果が確実に生じるように、各リーフ３２は、一般に可撓性を有する。
【０００７】
スペーサ３３は、可撓性が確実に得られるように、リーフ３２を面３７の方へ適切に向けることが一般に求められ、これは、一般に、図示のようにリーフ３２と面３７の間に傾斜角をつけて行われる。
【０００８】
米国特許第６２６７３８１号は、２組のシール要素を直列に並べて設けることを提案している。例えば、図３は、環状リーフパック（ｐａｃｋ）５６、５８によって形成されたシールの長手方向断面図を模式的に示す。各パックにおいて、リーフ４６は静止している外側ハウジング４４の間を延び、リーフの縁部は軸４２と摺接する。リーフパックは、軸方向にすき間６０だけ分離されている。カバープレート６２がリーフパックの上流と下流に設置されていて、リーフパックから距離６４だけ分離されている。
【０００９】
図２および３に示されているようなリーフシールは、リーフパックを通る流路面積の大半を塞ぐことに関して、リーフシールのカバープレートに依存する。流路面積は、シールの漏洩性能との関連が強い。リーフパックのすぐ上流および下流にあるカバープレートは、このカバープレートが、一般にリーフの基部近くで一番大きいリーフ間間隙のほとんどを覆うので、リーフパックを直接通る流路面積を小さくすることができる。カバープレートからリーフパックまでの距離を小さくすれば、シールの漏洩はさらに減る。これは、このようにすれば、各カバープレートと、隣接するリーフパックとの間の空間から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からである。よって、漏洩を最小限にするには、従来、カバープレートからリーフパックまでの距離を最小にすることが望ましかった。
【００１０】
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，  Ａｐｒｉｌ  ２００４，  ｐｐ．  ３４２−３５０、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）の動作にも影響する。ブローダウンおよびブローアップを制御するには、前側のカバープレートからリーフパックまでの距離と、後ろ側のリーフパックからカバープレートまでの距離との比が正確に調整される必要がある。過剰なブローダウンは、リーフの摩耗を加速させる可能性があり、過剰なブローアップは、漏洩の増大につながる。
【００１１】
リーフパックとカバープレートの製造時に適用される製造公差のために、上記は、設計上の対立を生む。具体的には、両方の距離が小さいと（例えば、製造公差と同程度の大きさであると）、漏洩性能はよいが、間隙比が、したがって、ブローアップおよびブローダウン制御が悪くなる。同様に、両方の間隙が大きいと（例えば、大きさが製造公差よりも大きいと）、ブローアップおよびブローダウン制御はよくなり、一方、漏洩性能が悪くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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】
【００１３】
本発明は、同軸で相対的に回転する２つの構成要素の間にシールを形成するためのリーフシールであって、一対の、重ねられたリーフの環状パックを備えており、各環状パックは、構成要素のうちの一方へ取り付けられて、各環状パックのリーフが他方の構成要素へ向けて延びることができ、これにより、環状パックのうち少なくとも一方の環状パックのリーフ縁部が他方の構成要素と摺接するように提供され、環状パックは、調整された軸方向すき間によって互いから軸方向に離隔され、
各環状パック内において、シールを通過する軸方向の漏洩流を許容するリーフ間間隙によって、隣り合うリーフが互いから分離されるように、リーフが向かい合わせに重ねられ、軸方向から見たときに、対の各環状パックのリーフが対の他方の環状パックのリーフ間間隙を実質的に覆うように、環状パックが位置決めされ、
調整された軸方向すき間は、シールにおいて、シールを通過する漏洩流の量を決める支配的な流動制約である、リーフシールを提供する。
【００１４】
シールにおける他の制約としては、各パックのリーフ間間隙があり、また、シールの端部にカバープレートがある場合、カバープレート周囲の、隣接するパックからの、または、隣接するパックへの流路がある。しかしながら、調整された軸方向すき間は、シールを通る漏洩流の量に、これらのどれよりも大きな制約を与える。
【００１５】
有利には、調整された軸方向すき間を支配的な流動制約にすることにより、漏洩性能に影響を及ぼすことなく、存在しうるあらゆるカバープレートと、隣接するパックとの間の距離を増大させることが可能である。このようにすると、公称間隙を製造公差よりも大きくすることができるので、シールのブローアップおよびブローダウン特性をよりうまく制御できる。実際に、カバープレートの一方または両方の使用を回避できる可能性がある。
【００１６】
本発明のオプションとしての特徴を以下に記載する。これらは、前述したように、本発明で単独に、または、任意の組み合わせで利用可能である。
好ましくは、各パックは、構成要素の一方に、当該パックのリーフ縁部が他方の構成要素と摺接をするように、取り付け可能である。
【００１７】
好ましくは、調整された軸方向すき間は、使用時に、調整された軸方向すき間での圧力降下が、シールでの全圧力降下の少なくとも５０％、より好ましくは、少なくとも６０、７０、８０、または、９０％となるように特定される。
【００１８】
調整された軸方向すき間は、通常は、対の各パックについてＡ／（２Ｌ）という値よりも小さい。Ａは、軸方向に見たときの、各パックでの個々のリーフ間間隙の面積であり、Ｌは、各パックの横断面での、各パックの個々のリーフの長さである。好ましくは、調整された軸方向すき間は、対の各パックについて、１／２  Ａ／（２Ｌ）、１／４  Ａ／（２Ｌ）、または、１／８  Ａ／（２Ｌ）という値より小さい。
【００１９】
リーフシールは、シールの軸方向端部の一方または両方に環状カバープレートをさらに有し、カバープレートまたは各カバープレートは、最も近くに位置する、重ねられたリーフの環状パックから軸方向距離だけ軸方向に離隔されており、軸方向に見たときに、カバープレートまたは各カバープレートは、最も近くに位置するパックの径方向の広がりの少なくとも一部を覆うものであってもよい。ただし、調整された軸方向すき間は、シールにおける支配的な流動制約であり、シールを通る漏洩流の量を決めるように特定される。したがって、カバープレートまたは各カバープレートの軸方向距離は、従来のカバープレートの軸方向距離よりも大きくできる。これに代わりまたは加えて、カバープレートまたは各カバープレートが覆う径方向の範囲は、従来のカバープレートの範囲よりも小さくできる。このようにすれば、シールのブローアップおよびブローダウンは、カバープレートの製造公差における違いにほとんど影響されずに制御できる。カバープレートまたは各カバープレートは、通常、他方の構成要素の表面と、カバープレートの、この表面の近くにある縁部との間に環状通路を形成する。好ましくは、調整された軸方向すき間は、カバープレートまたは各カバープレートで（ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）という値よりも小さい。ここで、Ｒは、各環状通路と、カバープレートおよび隣接するリーフパックの間に形成される空間との間を通過する径方向流れに対する円筒状流路面積であり、Ａ’は、軸方向に見たときの、隣接するパックの各リーフ間間隙の、それぞれのカバープレートによって塞がれていない面積であり、また、Ｌは、隣接するパックの横断面での個々のリーフの長さである。好ましくは、調整された軸方向すき間は、カバープレートまたは各カバープレートで１／２  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）、１／４  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）、または、１／８  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）という値より小さい。
【００２０】
少なくとも１つのパックの中では（好ましくは、各パックの中では）、スペーサ要素が各リーフの基部から横方向へ（つまり、軸方向に）延びて、他のパックの隣り合うリーフの間に入ることができる。スペーサは、都合よくリーフ間間隙を形成でき、また、軸方向に見たときに、対における各パックのリーフが対における他のパックのリーフ間間隙を実質的に覆うようにパックが位置することを保証する。
【００２１】
リーフシールは、重ねられたリーフの１つまたは複数の別の環状パックをさらに有してよく、この１つまたは複数の別の環状パックは、互いに隣接するパックの１つまたは複数の別の対を形成するものであり、各別のパックは、構成要素の一方へ取り付けられて、この別のパックのリーフが他方の構成要素の方へ延びることができ、また、別の対のパックまたは各別の対のパックが、別の軸方向すき間によって互いから軸方向に離隔されており、各別のパック内では、シールを通過する漏洩流を許容するリーフ間間隙によって、隣り合うリーフが互いから分離されるように、リーフが向かい合わせに重ねられるものであってもよい。通常、別のパックまたは各別のパックは、軸方向に見たときに、別の対または各別の対の中で、各パックのリーフが隣接するパックのリーフ間間隙を実質的に覆うように位置決めされる。この場合、別の対または各別の対の中で、スペーサ要素が、少なくとも１つのパック（好ましくは各パック）の各リーフの基部から横方向に延びて、隣接するパックの隣り合うリーフの間に入るものであってもよい。別のパックまたは各別のパックのリーフ縁部は、他方の構成要素と摺接するように向けられるものであってもよい。
【００２２】
調整された軸方向すき間は、別の軸方向すき間または各別の軸方向すき間に対して、調整された軸方向すき間が、シールを通過する漏洩流の量を決める、シールで唯一の支配的な流動制約となるように特定されるものであってもよい。例えば、１つまたは複数の別のパックの対があったとしても、調整された軸方向すき間での圧力降下は、シールでの全圧力降下の少なくとも３０％、好ましくは、少なくとも４０、５０、６０、７０、８０、または、９０％であってもよい。
【００２３】
一例において、リーフシールは、重ねられたリーフの３つの環状のパック（つまり、第１の端部パック、中央パック、および、第２の端部パック）を有し、各パックが構成要素の一方に、このパックのリーフが他方の構成要素の方へ延びる状態で取り付けられる、こととすることができる。３つのパックは、（第１端部パックと中央パックからなる）パックの第１端部対と、（中央パックと第２端部パックからなる）パックの第２端部対とを形成する。第１端部対には第１軸方向すき間があり、第２端部対には第２軸方向すき間がある。各対の中では、パックが、軸方向から見たときに、対における各パックのリーフが、対における他方のパックのリーフ間間隙を実質的に覆うように位置する。少なくとも中央パックのリーフは（また、一般には、第１および第２の端部パックのリーフも）、他方の構成要素と摺接する方へ向けられる。第１および第２の軸方向すき間の一方が、この場合、支配的な流動制約になる。
【００２４】
別の軸方向すき間または各別の軸方向すき間は、それぞれの対の各パックでＡ／（２Ｌ）という値よりも小さく、好ましくは、１／２  Ａ／（２Ｌ）、１／４  Ａ／（２Ｌ）、または、１／８  Ａ／（２Ｌ）よりも小さいことであってもよい。
【００２５】
リーフシールが、重ねられたリーフの１つまたは複数の別の環状パックを有する場合、リーフシールは、最も近くにあるパックの径方向の広がりの少なくとも一部を覆うための環状カバープレートがシールの軸方向の端部になくてもよい。代わりに、シールのブローアップおよびブローダウン動作は、パックの外側の対（つまり、それぞれ、シールの軸方向端部にある２つの対）のそれぞれの軸方向すき間を調整することによって決められてもよい。重ねられたリーフの環状パックが３つあるリーフシールでは、これらは、単に、第１および第２の軸方向すき間である。環状カバープレートがないリーフシールでは、外側にあるパック内において、（つまり、それぞれシールの軸方向端部にある２つのパック内において）、他方の構成要素の近くにあるリーフ縁部が、好ましくは、他方の構成要素から離隔されている。つまり、近くにあるリーフ縁部は、他方の構成要素と摺接せず、他方の構成要素と、外側のパックのリーフ縁部との間に、それぞれの環状通路が形成されるようにする。他方の構成要素からのリーフ縁部の間隔の大きさを調整することが、シールのブローアップおよびブローダウン動作を決める追加的なまたは代替の手段になる可能性がある。別の選択肢は、シールの一方の軸方向端部に環状カバープレートを設けて最も近くにあるパックの径方向における広がりの少なくとも一部を覆うが、シールの他方の軸方向端部に対応する環状カバープレートを設けないことである。この場合、他方の構成要素と、環状カバープレートがないシールの軸方向端部にある外側パックのリーフ縁部との間に、環状通路を形成することができる。
【００２６】
特に上記の段落に記載のように外側のパックがカバープレートの役を果たす場合、外側のパックは、好ましくは、全リーフ間流路面積が比較的小さくなるように構成される。このことは、厚いリーフを使用して、他方の構成要素近くのリーフ縁部で隣り合うリーフと干渉する（接触する）ようにリーフを詰めることで達成してもよい。このようなリーフパックは、通常、径方向の流入（ｉｎｃｕｒｓｉｏｎｓ）に対する可撓性があまりないことから、他方の構成要素と、その近くにある縁部との間の径方向距離は、好ましくは、動作中にまったく接触しないように定められる。もっとも、より一般的に言えば、シールのどのリーフパックも、リーフの厚さが、シールの他の１つまたは複数のリーフパックのリーフの厚さと異なってもよい。
【００２７】
一般に、軸方向に見た場合、外側パックまたは各外側パックのリーフ間間隙の全流路面積は、内側パックまたは各内側パックのリーフ間間隙の全流路面積の５０％より小さい。
以下に、本発明のさらに別のオプションとしての特徴を記載する。
【００２８】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら、例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ガスタービンエンジンの模式的な長手方向断面図である。
【図２】リーフシール組立体の一部の模式的な切り欠き斜視図である。
【図３】直列に並べた環状リーフパックによって形成されたシールの長手方向断面を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す図である。
【図５】図４のシールのリーフパックの、半径Ａ−Ａでの接線方向断面を、パック間の軸方向すき間領域の拡大図とともに模式的に示す図である。
【図６】（ａ）スペーサ要素が各リーフの基部から横方向に延びるＬ字形状薄片と、（ｂ）Ｌ字形状薄片を組み立てて、２つのリーフパックにしたものを模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す図である。
【図８】（ａ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を組み立てて、第２実施形態の３つのリーフパックにしたものとを模式的に示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す図である。
【図１０】（ａ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を組み立てて、第３実施形態の３つのリーフパックにしたものとを模式的に示す図である。
【図１１】第３実施形態のシールの変形例の端面図を模式的に示す図である。
【図１２】（ａ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を組み立てて、第２実施形態のシールの変形例である３つのリーフパックにしたものとを模式的に示す図である。
【図１３】（ａ）Ｍ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片、逆Ｕ字形状薄片、および、Ｍ字形状薄片を組み立てて、第２実施形態のシールのさらに別の変形例である３つのリーフパックにしたものとを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図４は、本発明の第１実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す。シールは、重ねられたリーフからなる環状パックの対７０を有する。各パックのリーフ７２、７４は、径方向外側にある静止しているハウジング（不図示）に取り付けられており、また、リーフ縁部を有する。リーフ縁部は、軸７８回りに回転する、径方向内側のロータ７６と摺接する。パックは、相互から、調整された軸方向すき間ｇだけ軸方向に離隔されている。上流および下流の環状カバープレート８０、８２は、ハウジングから径方向内側へ延び、隣接するパックの径方向の広がりの一部を覆う。それぞれの環状通路８１、８３が、ロータ７６の表面と、カバープレートの、ロータ近くの縁部との間に形成されている。それぞれのスペーサ８４、８６により、カバープレートのパックからの軸方向間隔が距離ｓだけあいている。
【００３１】
図５は、半径Ａ−Ａでのパックの接線方向断面を、軸方向すき間ｇの領域の拡大図とともに模式的に示す。リーフは、隣り合うリーフが互いからリーフ間間隙ｈだけ分離されるように各パックの中で向かい合わせに重ねられる。リーフ間間隙ｈにより、（矢印で示す）軸方向の漏洩流がシールを通ることができる。さらに、２つのリーフパックは、軸方向に見たときに、第１のパックのリーフが第２のパックにあるリーフ間間隙ｈを塞ぎ、また、その逆も成り立つように、周方向に位置する。よって、漏洩流が一方のパックから他方へと流れるためには、漏洩流は、軸方向すき間ｇを通る曲がりくねった経路をうまく通り抜けなければならない。
【００３２】
漏洩流は、シールを通る途中で多くの制約（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ；換言すれば、制限部）を通過しなければならない。第１の制約は、上流側カバープレート８０の径方向内側端部周り、および、このカバープレートと、リーフからなる第１のパック７２との間の空間ｓへ入る通り道である。第２の制約は、リーフからなる第１のパック７２のリーフ間間隙ｈを通る通路である。第３の制約は、軸方向すき間ｇを通る経路である。第４の制約は、リーフからなる第２のパック７４のリーフ間間隙ｈを通る通路である。第５の制約は、リーフからなる第２のパック７４と、下流側カバープレート８２との間の空間ｓから、このカバープレートの径方向内側縁部周りの通り道である。しかしながら、有利には、漏洩流の量を決めるシール内の支配的な（ｄｏｍｉｎａｎｔ；換言すれば、主な）流動制約は、軸方向すき間ｇである。このことから、漏洩性能に影響を及ぼすことなく、カバープレートとリーフパックの間の距離ｓを増やすことができ、結果として、シールのブローアップおよびブローダウン特性をよりうまく制御することができる。
【００３３】
軸方向すき間ｇを確実に支配的な制約とするために、リーフ間間隙ｈと軸方向すき間ｇを通る流動特性について考察をすることができる。より具体的には、リーフ間間隙のうちの１つに漏洩流を通すある圧力差に対して、間隙を通る流量は、
【００３４】
【数１】
2013174344.tif 000003
【００３５】
に比例する。ここで、Ｃｈは、間隙ｈに対する流動係数（ｆｌｏｗ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、ｘは、シールの横断面での、（ｘ＝０での）ロータ７８と摺接するリーフ縁部から、径方向外側へ、（ｘ＝Ｌでの）間隙の端部までの距離である。これは以下のように書き換えることができる。すなわち
（数２）
ＣｈＡ      （２）
ここで、Ａは、横断面での間隙ｈの面積である。軸方向すき間ｇを通る同じ流れの対応する式は、
（数３）
Ｃｇ２ｇＬ      （３）
である。ここで、Ｃｇは、軸方向すき間に対する流動係数である。よって、軸方向すき間ｇが支配的な制約であるためには、以下の不等式が適用されなければならない。すなわち
（数４）
Ｃｇ２ｇＬ＜ＣｈＡ      （４）
さらに、ｇが支配的な制約である場合、Ｃｇは、一般に０．５から１の値をとり、一方、Ｃｈは０．５から１の値をとる。よって、不等式（４）から、ｇが、両方のパックについて好ましくはＡ／（２Ｌ）の値よりも小さくてはならないことになる。（例えば、ｇが１／２  Ａ／（２Ｌ）、１／４  Ａ／（２Ｌ）、または、１／８  Ａ／（２Ｌ）より小さくなるように）ｇの値を小さくすると、パックのリーフ間間隙を通る流れよりも軸方向すき間を通るものの支配を高めることができる。
【００３６】
考察は、軸方向すき間ｇを通る流れに対する、カバープレート８０、８２の周囲でそれぞれの環状通路８１、８３を通る流動特性についてもすることができる。各パックにＮ個のリーフ７２、７４があるとすると、軸方向すき間ｇを通る全流量は以下で与えられる。すなわち
（数５）
ＮＣｇ２ｇＬ      （５）
一方、環状通路８１から出る流量または環状通路８３へ入る流量は以下で与えられる。すなわち
（数６）
ＣＲＲ＋ＣｈＮＡ’      （６）
ここで、Ｒは、環状通路８１から対応する空間ｓへ、または、対応する空間ｓから環状通路８３へ流入する径方向流れに対する円筒状の流路面積であり、ＣＲは、対応する流動係数であり、Ａ’は、シールの軸方向に沿って見たときの、それぞれのカバープレートによって塞がれていない、隣接するパックの各リーフ間間隙ｈの面積Ａの部分である。したがって、ここでも、軸方向すき間ｇが支配的な制約であるためには、以下の不等式が好ましくは適用されるべきである。すなわち
（数７）
ＮＣｇ２ｇＬ＜（ＣＲＲ＋ＣｈＮＡ’）      （７）
Ｃｇ、ＣｈおよびＣＲは、一般に０．５から１までの値をとる。よって、不等式（７）より、ｇは、好ましくは、（ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）より小さくすべきことになる。ここでも、（例えば、ｇが１／２  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）、１／４  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）、または、１／８  （ＮＡ’＋Ｒ）／（Ｎ２Ｌ）より小さくなるように）ｇの値を小さくすると、軸方向すき間を通る流れの支配を高めることができる。
【００３７】
ガスタービン用の典型的なリーフシールは、リーフの軸方向長さが４から５ｍｍで、径方向長さが２０から４０ｍｍのことがあるが、このようなリーフシールについての軸方向すき間ｇの典型的な値は、０．００１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲にある。下限は、製造公差で定まるが、これは、リーフパック間の接触が望ましくなく、回避しなければならないからである。カバープレート８０、８２とリーフパックの間の距離ｓは、スペーサ８４、８６で定まり、よって、通常は０．１ｍｍから２ｍｍの範囲となりうる。しかし、軸方向すき間が支配的な制約であることと矛盾しないためには、好ましくは軸方向すき間が距離ｓの１／２であり、より好ましくは、少なくとも１／４または１／８である。好ましくは、軸方向すき間の両端での圧力降下は、シールの両端での全圧力降下の少なくとも５０％である。
【００３８】
各リーフパックのリーフが他方のパックのリーフ間間隙を覆い隠すことを確保しつつ、パックを非常に接近させて位置させるための可能性はたくさんある。例えば、１つの選択肢は、リーフの数が各々等しい２つのリーフパックを、両方のパックのリーフとリーフ間間隙ｈが軸方向に一直線に並んだ状態で互いに隣接させて置き、また、パックを手で叩いて、パックを一直線に並んだ状態からずらす、というものである。スペーサをパックの間に設置して、パック間の軸方向すき間ｇを定めることもできる。
【００３９】
しかしながら、好ましい選択肢は、図６（ａ）に示されるようなＬ字形状薄片を使用することである。このＬ字形状薄片では、スペーサ要素８８が各リーフ７２、７４の基部から横方向に延びる。図６（ｂ）に示されるように、薄片は、次に、第１のリーフパックにおけるリーフ７２のスペーサ要素が第２のリーフパックのリーフ７４の間のスペーサを形成するように、また、その逆も成立するように組み立てられる。さらに、薄片の上縁部に沿った長さＭをリーフの幅Ｎの２倍よりも若干大きく定めることにより、パック間の軸方向すき間ｇをパック間のスペーサに頼ることなく定めることができ、これにより、シールの製造を簡単にすることができる。有利には、スペーサをリーフからの延長部とすることにより、公差調整を向上させられる。具体的には、薄片は、通常、シート材から打ち抜かれる、または、エッチングにより作られ、このような工程では、公差を０．００５ｍｍよりも良好に調整でき、軸方向すき間ｇのような重要な特徴を確実に高精度に定めることができる。
【００４０】
スペーサ要素８８を残りのリーフ７２、７４に対して選択的に薄くすることも、リーフ間間隙ｈを小さくするために使用することができる。
図４から６において、リーフ７２、７４は同じ幅Ｎを有する。しかし、他の実施形態では、異なるパックにおけるリーフの幅が異なっている可能性もある。
【００４１】
一対のリーフパックの間の軸方向すき間を調整して、軸方向すき間がシールにおける支配的な流れの制約であるようにする、という基本概念は、３つ以上のリーフパックを有する、したがって、パックのさらに別の対を有するシールに拡張することができる。例えば、図７は、本発明の第２実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す。図７において、第１実施形態の特徴部に対応する特徴部は、第１実施形態の特徴部と同じ参照番号を有する。シールは、重ねられたリーフからなるさらに別の環状パック９０を有し、このパック９０は、径方向外側にある静止したハウジングに取り付けられていて、かつ、径方向内側にあるロータ７６と摺接するリーフ縁部を有する。よって、リーフ７２、７４は、パックの第１の対７０を形成し、リーフ７４、９０は、パックの第２の対７０’を形成する。第１の対のパックは、互いに軸方向に軸方向すき間ｇだけ離隔されており、第２の対のパックは、互いに軸方向に軸方向すき間ｇ’だけ離隔されている。
【００４２】
このシールを形成するには、図８（ａ）に示されるように、Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を使用することができる。各Ｔ字形状薄片には、リーフ７４と、２つのスペーサ要素８８があり、２つのスペーサ要素８８は、リーフの基部の両側から横方向に延びている。各逆Ｕ字形状薄片には、２つのリーフ７２、９０と、スペーサ要素とがあり、スペーサ要素は、リーフの基部に橋を架けている。図８（ｂ）に示されるように、薄片は、Ｔ字形状薄片のスペーサ要素が外側にあるリーフパックのリーフ７２、９０の間のスペーサを形成するように、かつ、逆Ｕ字形状薄片のスペーサ要素が中央にあるリーフパックのリーフ７４の間のスペーサを形成するように組み立てられる。両方の種類の薄片の上端に沿った長さＭは同一であり、また、パック間の軸方向すき間ｇ、ｇ’は、Ｍに対する、リーフ７２、７４、９０の幅Ｎによって決まる。
【００４３】
軸方向すき間ｇ、ｇ’は、サイズが等しいか同様なものとすることができ、この場合、軸方向すき間ｇ、ｇ’は、実質的に同程度に支配的な流動制約をシール内で形成できる。例えば、両方の軸方向すき間の端から端までの合計の圧力降下は、シールの端から端までの全圧力降下の少なくとも５０％であってもよい。あるいは、軸方向すき間の一方を支配的な流動制約とすることもできる。この場合、軸方向すき間の一方は、シールの端から端までの全圧力降下の少なくとも３０％を生じるものであってもよい。
【００４４】
図９は、本発明の第３実施形態によるシールの長手方向断面を模式的に示す。図１０は、（ａ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を組み立てて、第３実施形態の３つのリーフパックにしたものを模式的に示す。図９および１０において、第１および第２の実施形態の特徴部に対応する特徴部は、第１および第２の実施形態の特徴部と同じ参照番号を有する。第３実施形態は、第２実施形態と同様であるが、シールにカバープレートがなく、また、カバープレート用のスペーサがない点で異なる。さらに、外側にあるリーフパックのリーフ７２、９０の方が径方向の長さが短く、幅Ｎが狭い。リーフ７２、９０は長さが短くしてあるので、これらのリーフの、ロータ７６の近くの縁部は、ロータ７６から間隔があいている。つまり、リーフは、ロータ７６と摺接しない。換言すると、それぞれの環状通路８１’、８３’がロータ７６の表面と、外側のリーフパックにおけるリーフの、ロータに近い縁部との間に形成される。外側のリーフパックにおけるリーフ縁部がロータからあける間隔の大きさは異なる可能性があるが、これは、２つのパックの間で、つまり、環状通路８１’、８３’の間で外径が異なる可能性があるからである。
【００４５】
外側のリーフパックは、事実上、第２実施形態のカバープレートの役割を果たすが、それでも、軸方向すき間ｇ、ｇ’は、シールのブローダウンおよびブローアップ動作を決定する。しかし、軸方向すき間の比を正確に調整できるので、シールのブローダウンおよびブローアップ動作は、ブローダウンおよびブローアップ動作がカバープレートからリーフパックまでの距離の比によって決まる従来のシールの場合よりも、製造のばらつきの影響を受けにくい可能性がある。
【００４６】
第３実施形態の変形例では、カバープレートがシールの上流側または下流側の端部に設けられ、シールの他方の端部にカバープレートがないということも可能である。カバープレートがないシールの端部は、この場合、端部のパックを有することができ、この端部のパックでは、ロータの表面と、そのパックのリーフの、ロータに近い縁部との間に環状通路が形成される。
【００４７】
全ての実施形態で一般的に利用できる選択肢は、環状パックの対であって、その対の一方のパックのリーフが、その対の他方のパックのリーフと異なる厚みを有するものを形成することである。このようにすると、一方のパックの基部でのリーフ厚さとリーフ間間隙との比を他方のパックの対応する比と異なるものにすることができる。この結果得られるリーフパックのさまざまな幾何学的形状は、有用な特性を有することができる。例えば、厚いリーフ７２、９０を第３実施形態の、外側のリーフパックに使用すれば、図１１の模式的な端面図（ｅｎｄ−ｏｎ  ｖｉｅｗ）に示されるように、これらのパックのリーフに、パック内で隣り合うリーフと、リーフの、ロータ７６に近い縁部で接触させることができる（矢印参照）。これにより、外側のリーフにおける径方向の可撓性が小さくなるが、リーフは、ロータ７６と摺接をしないので、このことは、外側のパックの機械的な挙動の観点から許容できることである。加えて、外側のリーフパックのリーフ間間隙ｈを通る漏洩流が減り、外側にあるリーフパックがカバープレートの役割をより効果的に果たすことができる。
【００４８】
パック内で隣り合うリーフを接触させるという概念は、さらに拡張することができる。図１２は、（ａ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片および逆Ｕ字形状薄片を組み立てて、第２実施形態のシールの変形例に係る３つのリーフパックにしたものとを模式的に示す。この変形例では、リーフパックの振動を抑制するために、パックの組み立て時に個々のＴ字形状薄片と逆Ｕ字形状薄片を交互に重ねる代わりに、Ｔ字形状薄片の対と、逆Ｕ字形状薄片の対とが交互に重ねられる。図１２の組立体は、２つのＴ字形状薄片と、これに続く２つの逆Ｕ字形状薄片を含むが、他の組み合わせもまた可能である（例えば、２つのＴ字形状薄片の後に３つの逆Ｕ字形状薄片を設ける）。
【００４９】
逆Ｕ字形状薄片およびＴ字形状薄片に加えて、三ツ股のＭ字形状薄片を使用することもまた有益であり得る。図１３は、（ａ）Ｍ字形状薄片と、（ｂ）Ｔ字形状薄片、逆Ｕ字形状薄片、および、Ｍ字形状薄片を組み立てて第２実施形態のシールの別の変形例に係る３つのリーフパックにしたものを模式的に示す。各Ｍ字形状薄片には、３つのリーフ７２、７４、９０と、３つのスペーサ要素８８とがある。逆Ｕ字形状、Ｔ字形状、および、Ｍ字形状の薄片を図１３（ｂ）に示されるように散在させることにより、図１２のシールに比べて、漏洩特性および耐振動性を改善し、それでいて３つのリーフパックの間で狭い軸方向すき間ｇ、ｇ’を維持しうる。
【００５０】
本発明を上記の例示的な実施形態に関して説明したが、多くの等価な修正例および変形例が当業者に、この開示内容が与えられたときに明らかとなるであろう。例えば、上記の実施形態では、リーフパックが径方向外側にあるハウジングに取り付けられ、リーフパックのリーフが内側にあるロータの方へ延びる。しかし、他の実施形態では、パックは径方向内側の構成要素に取り付けられ、パックのリーフは外側の構成要素の方へ向けて延びてもよい。したがって、上記した本発明の典型的な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものでないと考えられている。記載した実施形態に対して、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更をしうる。
【００５１】
上記に参照した全ての参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【符号の説明】
【００５２】
７０  環状パックの対
７２  リーフ
７４  リーフ
８０  カバープレート
８１  環状通路
８２  カバープレート
８３  環状通路
８４  スペーサ
８６  スペーサ
８８  スペーサ要素
９０  環状パック
ｇ  軸方向すき間
ｓ  軸方向すき間
ｈ  リーフ間間隙
【図１】
2013174344.tif 000004
【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】
2013174344.tif 000009
【図７】
2013174344.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１１】
2013174344.tif 000016
【外国語明細書】
2013174344000001.pdf