(57)【要約】  本発明は、シャフトシール（１０）によって離間した２つの流体空間（２、４）、特にシャフト（１）に対して軸方向に配置された２つのガス空間の間における漏洩を減少させるためのシャフトシール（１０）であって、前記シャフトシール（１０）は、受容部（１５）に固定されている複数の柔軟な薄板要素（１２）を含んでおり、前記受容部（１５）は、前記シャフトシール（１０）の第１の直径（１７）であり、前記薄板要素（１２）の、前記受容部（１５）に背向する端部（１３）は、第２の直径（１８）を決定しており、前記薄板要素（１２）は、前記受容部（１５）に背向する前記端部（１３）に凹部（１６）を有しているシャフトシール（１０）において、前記薄板要素（１２）は、第１の周縁領域（２１）と第２の周縁領域（２２）とを有しており、前記第２の周縁領域（２２）の幅は、前記第１の周縁領域（２１）の幅よりも大きいことを特徴とするシャフトシール（１０）に関する。
2017503120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトシール（１０）によって離間した２つの流体空間（２、４）、特にシャフト（１）に対して軸方向に配置された２つのガス空間の間における漏洩を減少させるためのシャフトシール（１０）であって、前記シャフトシール（１０）は、受容部（１５）に固定されている複数の柔軟な薄板要素（１２）を含んでおり、前記受容部（１５）は、前記シャフトシール（１０）の第１の直径（１７）であり、前記薄板要素（１２）の、前記受容部（１５）に背向する端部（１３）は、第２の直径（１８）を決定しており、前記薄板要素（１２）は、前記受容部（１５）に背向する前記端部（１３）に凹部（１６）を有している、シャフトシール（１０）において、
前記薄板要素（１２）は、第１の周縁領域（２１）と第２の周縁領域（２２）とを有しており、前記第２の周縁領域（２２）の幅は、前記第１の周縁領域（２１）の幅よりも大きいことを特徴とするシャフトシール（１０）。
【請求項２】
前記薄板要素（１２）が、さらなる凹部（２３）、特にハニカム形状又は四角形の凹部を有していることを特徴とする、請求項１に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項３】
前記さらなる凹部（２３）が、渦流室（２４）を形成することを特徴とする、請求項２に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項４】
前記第１の直径（１７）が、前記シャフトシール（１０）の外径であり、前記第２の直径（１８）が、前記シャフトシール（１０）の内径であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項５】
前記第２の周縁領域（２２）の幅は、ほぼ凹部（１６）の幅の分だけ、前記第１の周縁領域（２１）の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項６】
前記凹部（１６）の間には、ウェブ（１９）が設けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項７】
前記ウェブ（１９）の幅が、前記凹部（１６）の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項８】
前記薄板要素（１２）が、交互に１８０°回転して配置されているので、薄板要素（１２ａ）の前記凹部（１６）又はさらなる凹部（２３）は、後続の薄板要素（１２ｂ）の前記ウェブ（１９）によって、完全に塞がれることを特徴とする、請求項７に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項９】
前記薄板要素（１２）間には、凹部（１６、２３）を有さない少なくとも１つの薄板要素（３２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項１０】
前記シャフトシール（１０）が前記シャフト（１）に取り付けられている場合、前記シャフト（１）上の突起（４１）は、前記薄板要素（１２）の前記凹部（１６）に係合することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）を有するガスタービン。
【請求項１２】
シャフトシール（１０）によって離間した２つの流体空間（２、４）の間における漏洩を減少させるためのシャフトシール（１０）を製造するための方法であって、前記シャフトシール（１０）は、特にシャフト（１）に対して軸方向に位置している２つのガス空間を分離するように配置され、複数の柔軟な薄板要素（１２）が受容部（１５）内に固定され、前記受容部（１５）によって、前記シャフトシール（１０）の第１の直径が決定され、前記薄板要素（１２）の前記受容部（１５）に背向する端部（１３）によって、第２の直径（１８）が決定され、前記薄板要素（１２）には、前記受容部（１５）に背向する前記端部（１３）において、凹部（１６）が導入される方法において、
各第２の薄板要素（１２）は、それぞれ１８０°回転して配置されるので、薄板要素（１２ａ）の前記凹部（１６）は、後続の薄板要素（１２ｂ）のウェブ（１９）によって、完全に塞がれることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフトシールによって離間した２つの流体空間の間における漏洩を減少させるためのシャフトシールと、シャフトシールを製造するための方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン、ターボチャージャ、又は圧縮機では、ガスは、その貫流方向に沿って、回転するシャフトに対して軸方向において、通常は多段プロセスで圧縮されるか、又は、膨張する。その際、圧縮機又はタービンの効率を上昇させるために、ガス空間は、対応する圧縮段又は膨張段の上流で、当該圧縮段又は膨張段の下流のガス空間に対して密封され、漏洩が削減される。そのために、特に、ラビリンスシール、ブラシシール、又は、いわゆる薄板シール（英語ではリーフシール）が用いられる。
【０００３】
ラビリンスシールは、ターボ機械では、古典的なシール要素である。ラビリンスシールは、使いこなされており、製造者にとって、製造は比較的容易であり、安価である。ラビリンスシールの欠点は、しばしば大きな摩耗をもたらすロータの大きな動きに関して、比較的許容値が低いことにある。改善策として、設計者は、対応して大きな間隙を設けざるを得ないので、密封効果と機能とにネガティブな影響がもたらされる。
【０００４】
ブラシシールとリーフシールとは、動作中のロータからは回避されるシールコンセプトである。ブラシシールは、ワイヤー束を有しており、当該ワイヤー束は、全方向において弾性であり、従って、比較的高い圧力差を密封するのにはあまり適していない。なぜなら、ブラシが避けるからである。ブラシを支持するために、部分的に、支持リングが設けられる。ロータがブラシに近づくと、ブラシは跳ね返り、比較的圧力差が大きい場合には、比較的大きい間隙が生じる。ここでは、リーフシールは、明らかな利点を提供する。なぜなら、リーフシールの各薄板要素は、ブラシシールのブラシよりも明らかに硬いからである。しかしながら、リーフシールは、ブラシシールに対して、薄板要素が、回転するシャフトが作動する際に、比較的高い摩擦トルクを生成するという欠点を有している。２つの隣接する薄板要素の境界に沿って、狭くはあるが、軸方向において比較的長い密封間隙を形成することによって、設計者は、リーフシールを用いる際に、リーフシールが動作している間、当該密封間隙の維持に依存しなければならない。複数のブラシシール又はリーフシールを前後に配置することは、設置空間及び費用の理由から、一般的ではない。特許文献１からは、ターボ機械のシャフトを密封するためのリーフシールが知られている。特許文献２からは、リーフシールの原理を、薄板要素とハウジングとの間のラビリンスシールの周囲に付加的に拡大したリーフシールが知られている。
【０００５】
特許文献３は、複数の柔軟なシールストリップを有するシールを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３０２７０８号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１８９００５９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／０００７３１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、同じ枠組み条件において、従来のシールコンセプトよりも機械的及び／又は熱的負荷が小さいシャフトシールを供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本課題は、請求項１、請求項１１、及び、請求項１２に記載の特徴によって解決される。好ましい態様は、さらなる請求項に記載されている。
【０００９】
シャフトシールによって離間した２つの流体空間、特にシャフトに対して軸方向に配置された２つのガス空間の間の漏洩を減少させるための、本発明に係るシャフトシールは、受容部内に固定された複数の柔軟な薄板要素を含んでおり、当該受容部は、シャフトシールの第１の直径であり、当該受容部に背向する薄板要素の端部は、第２の直径を決定しており、薄板要素が、受容部に背向する端部において、凹部を有していることが特徴である。
【００１０】
本発明に係るシャフトシールは、受容部に背向する薄板要素の端部における凹部を通じて、薄板要素とシャフト又はハウジングとの間の作動トルク又は摩擦トルクが減少するという利点を提供する。摩擦トルクが減少することによって、薄板要素への入熱も減少するので、必要に応じて、薄板要素を、より小さい間隙と共に、受容部に導入することができる。
【００１１】
従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載されたシャフトシールの有利なさらなる構成及び改善が可能である。
【００１２】
有利なさらなる構成は、薄板要素内に、さらなる凹部が設けられていることにある。さらなる凹部によって、シャフトに対して径方向の、すなわちシャフトの回転方向における薄板要素の剛性が、さらに減少し、従って、作動トルクがさらに減少し得る。さらに、凹部によって、シャフトに対して軸方向の、すなわち、薄板要素のシール方向における剛性は、可能な限り維持される。このとき、凹部がハニカム形状又は四角形に配置されていると特に有利である。このような造形を通じて、薄板要素内に小さな渦流室を導入することが可能であり、渦流室の形成によって、摩擦面が縮小し、薄板要素とシャフトとが機械的に接触した際の入熱が減少する。また、渦流室の形成は、ラビリンスシールに対して、流れの旋回運動を特に良好に分散させることができるので、有利である。
【００１３】
さらに、第１の直径が、シャフトシールの外径であり、第２の直径が、シャフトシールの内径であると有利であると規定されている。この構成では、受容部は、シャフトシールの外径を形成しており、当該受容部は、容易かつ安価に、ハウジング内に固定され得る。
【００１４】
本発明に係るシャフトシールの別のさらなる構成は、薄板要素が、第１の周縁領域と第２の周縁領域とを有しており、第２の周縁領域の幅は、第１の周縁領域の幅よりも大きいことにある。非対称に造形された薄板要素は、複数の利点を提供する。一方では、第２の、より幅の大きい周縁領域は、同じ方向において平行に配置された場合、特に良好な密封効果を発揮できる。他方では、このような薄板要素の非対称な造形によって、特に第２の周縁領域の幅がほぼ凹部の幅の分だけ第１の周縁領域の幅よりも大きい場合、薄板要素の１つの変型例のみでシールを実現する可能性が生じ得る。当該シールにおいては、薄板要素内の凹部それぞれは、連続する１８０°回転して配置された薄板要素内の、凹部間に配置されたウェブによって、完全に遮蔽される。そのために、ウェブは凹部よりも幅が大きくなるように形成され、それによって、凹部をウェブによって完全に覆うことが可能になる。
【００１５】
さらに、シャフトシールは、凹部を備えていない少なくとも１つの薄板要素を有していること、すなわち、凹部を有する薄板要素の間には、凹部を有さない少なくとも１つの薄板要素が配置されていることが有利であると規定されている。このような凹部を有さない薄板要素によって、密封効果を高めることが可能であり、凹部を有さない薄板要素、又は、好ましくは周囲に亘って分散した、凹部を有さない薄板要素それぞれによる摩擦と、従って作動トルクとは、わずかに増大するのみである。
【００１６】
別の有利なさらなる構成は、シャフトシールがシャフトに取り付けられている場合、シャフト上の突起は薄板要素の凹部に係合していることにある。薄板要素を同じ方向に配置している場合、突起の高さに応じて、付加的なラビリンスシールが薄板要素の凹部内に得られるが、しかしまた、シャフト上に小さな突起が存在することも可能であり、当該突起は、薄板要素とシャフトとの間のシール縁部において旋回運動を生じさせ、当該旋回運動によって、シール縁部の領域において密封効果が高められる。
【００１７】
本発明はさらに、シャフトシールを製造するための方法に関しており、特に、例えば射出成形部材及び押し抜き部材として安価に製造可能な、非対称の薄板要素の１つの変型例のみが設けられていることが規定されている。その際、各第２の薄板要素は、隣接する薄板要素に対してそれぞれ１８０°回転して配置されるので、薄板要素の凹部は、それぞれ隣接する薄板要素のウェブによって完全に塞がれる。
【００１８】
以下に、本発明に係るシャフトシールの実施例を、添付された図面を用いて説明する。その際、同じ部材又は同じ機能を有する部材には、同じ参照符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るシャフトシールを有するシャフトを示す図である。
【図２】本発明に係るシャフトシールを有するシャフトの放射断面を示す図である。
【図３】本発明に係るシャフトシールの薄板要素を示す図である。
【図３ａ】本発明に係るシャフトシールの代替的な薄板要素を示す図である。
【図３ｂ】本発明に係るシャフトシールの薄板要素のさらなる実施例を示す図である。
【図４】本発明に係るシャフトシールの複数の薄板要素の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１には、本発明に係るシャフトシール１０の実施例が示されている。シャフトシール１０は、受容部１５を有しており、当該受容部には、複数の柔軟な薄板要素１２が固定されている。シャフトシール１０は、ハウジング５内に嵌め込まれており、受容部１５は、例えば押し付けるプロセスを通じた形状接続によって、ハウジング５に固定されている。その際、受容部１５の、ハウジング５に対向する面は、第１の直径１７を決定している。薄板要素１２は、受容部１５に背向する端部１３では、シャフト１の方向を向いており、薄板要素１２の端部１３は、シャフト１が停止している場合、シャフト１に接している。シャフトシール１０によって、シャフト１に沿った軸方向において、第１の流体空間２が第２の流体空間４に対して密封される。その際、薄板要素１２の端部１３は、第２の直径１８を決定する。
【００２１】
薄板要素１２は、そのシャフト１に対向する端部１３に、凹部１６を有しており、当該凹部は、ウェブ１９を通じて互いに離間している。シャフト１には、突起４１を形成することが可能であり、当該突起は、薄板要素１２の凹部１６の向かい側に配置されており、凹部１６に係合可能である。凹部１６に係合した突起４１によって、ラビリンスが形成され、それによって、薄板１２に沿った軸方向における密封効果が高められる。
【００２２】
運転中、シャフト１は回転しており、作動段階において、シャフトシール１０の薄板要素１２は、当初は依然としてシャフト１に接しており、シャフトが特定の回転数以上になると、力学に基づいて、シャフト１から上昇し、密封間隙１１を形成する。図２には、回転するシャフト１が放射断面で示されており、矢印が、シャフト１の回転方向を示している。凹部１６によって、薄板要素１２間の接触面も、薄板要素１２の剛性も減少し、それによって、作動プロセスにおける摩擦と、従って薄板要素１２への入熱とが減少する。
【００２３】
図３には、本発明に係るシャフトシール１０の薄板要素１２の実施例が開示されている。薄板要素１２は、その端部１３に凹部１６を有しており、当該凹部は、ウェブ１９によって離間している。その際、薄板要素１２は非対称の形状を有しており、薄板要素１２は、凹部１６の領域において、第１の周縁領域２１と第２の周縁領域２２とによって境界されている。凹部１６は、幅ｌを有しており、幅ｌは、ウェブ１９の幅ｂよりも小さい。このとき、第１の周縁領域２１の幅は、ほぼ幅ｌの分だけ、第２の周縁領域２２の幅よりも小さい。
【００２４】
図３ａには、薄板要素１２の代替的な実施例が示されており、当該薄板要素は、図３に係る実施形態とほぼ同じ構造において、さらなる凹部２３を付加的に有しており、当該凹部は、例えば四角形又は菱形に形成されている。さらなる凹部２３によって、薄板要素１２の熱伝導率と、シャフト１に対して径方向における剛性とは、さらに低下するが、軸方向における剛性は、可能な限り維持される。さらなる凹部２３によって、渦流室２４が形成される。薄板要素１２の表面が滑らかである場合、流れの乱れは少なくなるので、流入時の旋回運動の後、清浄な分流が発達し、間隙の貫流が促進される。
【００２５】
しかしながら、これは、シール要素においては望ましくない。従って、渦流室２４によって、乱流が付加的に生成され、この乱流によって、２つの隣接する薄板要素１２間の密封効果が高められる。薄板要素１２とシャフト１との間の機械的接触に際して、入熱は著しく減少する。なぜなら、凹部１６及び渦流室２４を通じて、摩擦面が縮小し、薄板要素１２に沿った熱伝導が減少するからである。
【００２６】
図３ｂには、薄板要素１２のさらなる実施例が示されている。その際、薄板要素１２ａは、図３ａの描写に対して、１８０°回転し、薄板要素１２ｂとして図示されている。薄板要素１２をそれぞれ互いに対して１８０°回転させて配置するので、薄板要素１２ａはそれぞれ、薄板要素１２ｂと隣接し、薄板要素１２ａのウェブ１９はそれぞれ薄板要素１２ｂの凹部１６を遮蔽し、薄板要素１２ｂのウェブ１９は薄板要素１２ａの凹部１６を遮蔽しており、薄板要素１２ａ、１２ｂの間には、さらなる凹部２３によって、それぞれ渦流室２４が形成されている。シャフトシール１０の周囲に亘る、複数の薄板要素１２ａ、１２ｂのこのような配置は、図４に示されている。
【００２７】
代替的に、密封効果を高めるために、少なくとも１つの薄板要素１２ではなく、凹部を有さない薄板要素を用いても良い。そのために、代替的に、シャフトシール１０の周囲に亘って分散して、好ましくは周囲に亘って均等に分散して、凹部を有さない薄板要素１２を配置しても良い。
【００２８】
さらに、シャフト１は、突起４１を有していても良く、当該突起は、シャフト１の動的動作において、薄板要素１２の凹部１６に係合しないか、わずかに係合するのみである。ラビリンスシールの代わりに、シャフト１に沿って、小さな渦が生じ、この渦によって、平らなシャフト１に対して同様に密封効果を高めることができる。
【００２９】
本発明を、好ましい実施例によって、詳細に説明してきたが、本発明は、記載された例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  シャフト
２  第１の流体空間
４  第２の流体空間
５  ハウジング
１０  シャフトシール
１１  密封間隙
１２、１２ａ、１２ｂ  薄板要素
１３  端部
１５  受容部
１６  凹部
１７  第１の直径
１８  第２の直径
１９  ウェブ
２１  第１の周縁領域
２２  第２の周縁領域
２３  凹部
２４  渦流室
４１  突起
ｂ  幅
ｌ  幅
【図１】
2017503120.tif 000003
【図２】
2017503120.tif 000004
【図３】
2017503120.tif 000005
【図３ａ】
2017503120.tif 000006
【図３ｂ】
2017503120.tif 000007
【図４】
2017503120.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月26日(2016.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトシール（１０）によって離間した２つの流体空間（２、４）の間における漏洩を減少させるためのシャフトシール（１０）であって、前記シャフトシール（１０）は、受容部（１５）に固定されている複数の柔軟な薄板要素（１２）を含んでおり、前記受容部（１５）は、前記シャフトシール（１０）の第１の直径（１７）であり、前記薄板要素（１２）の、前記受容部（１５）に背向する端部（１３）は、第２の直径（１８）を決定しており、前記薄板要素（１２）は、前記受容部（１５）に背向する前記端部（１３）に凹部（１６）を有している、シャフトシール（１０）において、
前記薄板要素（１２）は、第１の周縁領域（２１）と第２の周縁領域（２２）とを有しており、前記第２の周縁領域（２２）の幅は、前記第１の周縁領域（２１）の幅よりも大きいことを特徴とするシャフトシール（１０）。
【請求項２】
前記薄板要素（１２）が、さらなる凹部（２３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項３】
前記さらなる凹部（２３）が、渦流室（２４）を形成することを特徴とする、請求項２に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項４】
前記第１の直径（１７）が、前記シャフトシール（１０）の外径であり、前記第２の直径（１８）が、前記シャフトシール（１０）の内径であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項５】
前記第２の周縁領域（２２）の幅は、凹部（１６）の幅の分だけ、前記第１の周縁領域（２１）の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項６】
前記凹部（１６）の間には、ウェブ（１９）が設けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項７】
前記ウェブ（１９）の幅が、前記凹部（１６）の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項８】
前記薄板要素（１２）が、交互に１８０°回転して配置されているので、薄板要素（１２ａ）の前記凹部（１６）又はさらなる凹部（２３）は、後続の薄板要素（１２ｂ）の前記ウェブ（１９）によって、完全に塞がれることを特徴とする、請求項７に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項９】
前記薄板要素（１２）間には、凹部（１６、２３）を有さない少なくとも１つの薄板要素（３２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項１０】
前記シャフトシール（１０）がシャフト（１）に取り付けられている場合、前記シャフト（１）上の突起（４１）は、前記薄板要素（１２）の前記凹部（１６）に係合することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のシャフトシール（１０）を有するガスタービン。
【請求項１２】
シャフトシール（１０）によって離間した２つの流体空間（２、４）の間における漏洩を減少させるためのシャフトシール（１０）を製造するための方法であって、複数の柔軟な薄板要素（１２）が受容部（１５）内に固定され、前記受容部（１５）によって、前記シャフトシール（１０）の第１の直径が決定され、前記薄板要素（１２）の前記受容部（１５）に背向する端部（１３）によって、第２の直径（１８）が決定され、前記薄板要素（１２）には、前記受容部（１５）に背向する前記端部（１３）において、凹部（１６）が導入される方法において、
各第２の薄板要素（１２）は、それぞれ１８０°回転して配置されるので、薄板要素（１２ａ）の前記凹部（１６）は、後続の薄板要素（１２ｂ）のウェブ（１９）によって、完全に塞がれることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2017503120.tif 000009
2017503120.tif 000010
2017503120.tif 000011
2017503120.tif 000012
2017503120.tif 000013
2017503120.tif 000014