磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置
【課題】磁気シール（２２０）を有するシステム（２００）を提供する。
【解決手段】本システム（２００）は、第１の部品（２０５）及び第２の部品（２１０）を有する回転機械を含む。磁気シール（２２０）は、第１の部品（２０５）に装着され、磁気シール（２２０）と第２の部品（２１０）との間にギャップ（２１５）ができるように第２の部品（２１０）に対して位置付ける。磁気シール（２２０）は、第１の磁気素子（２３０）と、第２の磁気素子（２３５）により磁気シール（２２０）に作用される力に応じて調整するよう適合されるコンプラアント材料（２２５）とを含む。第２の磁気素子（２３５）は、第２の部品（２１０）に装着され、磁気シール（２２０）と第２の部品（２１０）との間のギャップ（２１５）を、第２の磁気素子（２３５）による磁気シール（２２０）に作用する力に応じて修正するができる。
【解決手段】本システム（２００）は、第１の部品（２０５）及び第２の部品（２１０）を有する回転機械を含む。磁気シール（２２０）は、第１の部品（２０５）に装着され、磁気シール（２２０）と第２の部品（２１０）との間にギャップ（２１５）ができるように第２の部品（２１０）に対して位置付ける。磁気シール（２２０）は、第１の磁気素子（２３０）と、第２の磁気素子（２３５）により磁気シール（２２０）に作用される力に応じて調整するよう適合されるコンプラアント材料（２２５）とを含む。第２の磁気素子（２３５）は、第２の部品（２１０）に装着され、磁気シール（２２０）と第２の部品（２１０）との間のギャップ（２１５）を、第２の磁気素子（２３５）による磁気シール（２２０）に作用する力に応じて修正するができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転及び静止部品を備えた機械に関し、より具体的には、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電及び機械駆動用途で使用され蒸気及びガスタービンなどの回転機械は、一般に、回転及び静止部品を備えた大型の機械である。作動時には、このような回転機械は、これらの部品間の空気の制御された流れに依存する。タービンでは、例えば、種々のタービン段を流れる高圧空気は、一連の静止及び回転部品を通過することができる。特定の静止及び回転部品を通過すると、高圧領域から低圧領域などへの空気漏出は一般に望ましくない。この理由の１つとして、静止及び回転部品間のシールを用いることができる。空気漏出の制御に加えて、シールを用いて、軸受ハウジング及びロータ部品などの一部の部品からパージキャビティなどの他の部品に向かって空気流を配向することができる。回転機械の効率は、空気漏出を阻止し、静止及び回転部品間の空気の流れを配向するこのようなシールの能力に依存することができる。
【０００３】
幾つかの異なるシール設計が回転機械で使用されてきた。これらのシールは、「パンプキンティース」シール、ラビリンスシール、ハニカムシール及びブラシシールを含むことができる。これらの設計は、部品間にわたる空気漏出を最小限にし、部品間の空気流を配向することを目的としている。これらのシールは、静止及び回転部品間に位置付けることができるので、このようなシールは、これらの部品と物理的に接触することができる。シールが摩滅すると、機械の効率が低下し、故障の確率が高くなる可能性がある。
【０００４】
従って、空気漏出を低減し、回転機械における空気流を制御するためにシールを改善する必要性がある。より具体的には、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７３９０９４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、上述の必要性の一部又は全てに対処することができる。本発明の特定の実施形態は、一般に、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に関する。一実施形態では、回転機械において磁気シールを提供する方法を提供することができる。本方法は、回転機械において磁気シールを第１の部品に装着する段階を含むことができる。本方法はまた、磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるように第２の部品に対して磁気シールを位置付ける段階を含むことができる。磁気シールは、第１の磁気素子と、磁気シールに対して作用される力に応じて調整するよう適合されたコンプラアント材料とを含むことができる。本方法はまた、第２の磁気素子を第２の部品に装着し、磁気シールに対して力を作用させるようにする段階を含むことができる。本方法はさらに、第２の磁気素子によって作用される力に応じてコンプラアント材料を調整し、ギャップを修正する段階をさらに含むことができる。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、磁気シールを提供するためのシステムを提供することができる。本システムは、第１の部品及び第２の部品を有する回転機械を含むことができる。磁気シールは、第１の部品に装着され、磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるように第２の部品に対して位置付けることができる。磁気シールは、第１の磁気素子と、磁気シールに作用される力に応じて調整するよう適合されるコンプラアント材料とを含むことができる。第２の磁気素子は、第２の部品に装着され、磁気シールに対して力を作用させるよう適合され、磁気シールと第２の部品との間にギャップを修正できるようにする。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態では、磁気シールを提供するための装置を提供できる。装置は、第１の磁気素子及びコンプラアント材料を備えた磁気シールを含むことができる。磁気シールは、回転機械において第１の部品に装着され、回転機械において磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるよう動作可能とすることができる。第２の磁気素子は、回転機械において第２の部品に装着され、磁気シールに対して力を作用させるよう動作可能にすることができる。コンプラアント材料は、第２の磁気素子により作用される力に応じてさらに調整するよう動作可能とすることができる。
【０００９】
本発明の他の実施形態及び態様は、添付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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】回転機械の一部としての静止及び回転部品の図。
【図２】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的なシステムの図。
【図３】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的なシステムの図。
【図４】磁気シールを提供するための例示的な装置の図。
【図５】磁気シールを提供するための例示的な装置の図。
【図６】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的な方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以上、本発明についてその概要を説明したが、次に添付の図面を参照して説明する。添付図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。
【００１２】
次に、本発明の例示的な実施形態が示された添付図面を参照しながら、本発明を以下でより詳細に説明する。本発明は、多くの異なる形態で具現化することができるが、本明細書で記載される例示的な実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、当業者に対して本発明の技術的範囲を十分に伝えるようにするために提示するものである。図面全体を通して、同じ参照符号は、同様な要素を示している。
【００１３】
図１は、システム１００の一部として静止及び回転部品を示す。システム１００は、燃焼タイプのガスタービン、蒸気タイプのガスタービン、圧縮機などの何れかの回転機械を含むことができる。燃焼タイプのガスタービンでは、直列流れの関係で吸気口（すなわち入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（すなわち排気ノズル）を含むガス経路がある。作動時には、燃焼タイプのガスタービンでは、タービンセクションを駆動するのに燃焼ガスを用いることができる。すなわち、燃焼ガスを用いて比較的高速度で複数のロータホイールを回転させることができ、該ロータホイールが、その各々野周りに軸方向に離間した複数のロータブレードを支持している。このようなロータホイールは、周りを囲む複数の非回転ステータに回転可能に取り付けることができ、ここでは、ロータホイールと周囲のステータとの間にギャップを形成することができる。
【００１４】
このギャップ内の空気漏出が出力損失を生じ、システム効率に悪影響を及ぼす可能性があるので、部品設計に応じてこのギャップを小さくすることが望ましい場合がある。同時に、これらの静止及び回転部品は、熱作用に起因してシフト、振動又は拡大する可能性があるので、最小クリアランスギャップを維持することも望ましい場合がある。例えば、過渡運転中、１以上の部品が相対移動することができ、これは、これらの部品を隔てるギャップが小さすぎる場合には、部品が互いに接触し、部品の損傷に至る可能性があることを意味する。従って、最小クリアランスギャップを必要とする可能性が高い。このクリアランスギャップのサイズは、異なる熱膨張係数を有する静止及び回転部品用の材料を用いることによって小さくすることができるが、完全に削減することはできない。静止部品に対する回転部品の相対移動は、ある程度のクリアランスギャップを維持することが必要である。
【００１５】
回転ロータホイール及び静止ステータなど、回転機械における２つの部品間のクリアランスギャップに関連する空気漏出を低減するために、１以上のシールを用いることができる。システム１００において、ハニカム型ラビリンスシールを用いて、静止及び回転部品間の空気流を修正することができる。ラビリンスシール歯１０５は、ロータホイール１１０上に装着され、ステータ１２０の一部に装着されたハニカム構造体１１５に半径方向に対向して位置することができる。システム１００のハニカム型ラビリンスシールは、ロータホイール１１０とステータ１２０との間の空気流を抑制することができる。作動中、ハニカム型ラビリンスシールは、ロータホイール１１０及びステータ１２０の表面構造が互いに接近すると摩滅し、これは熱過渡及び／又はエンジン振動に起因することができる。すなわち、２つの部品が互いに接近すると、互いに接触する可能性が高くなり、その結果としてハニカム型ラビリンスシールの摩滅の可能性がある機械的摩擦を生じる。ハニカム型ラビリンスシールが摩滅すると、システム１００が機能しなくなる可能性がある。加えて、摩擦は、システム１００の温度上昇を引き起こし、システム１００の性能を阻害する可能性がある。場合によっては、これらの作用並びに従来のシステム１００に付随する多くの故障事象を削減することが望ましい。
【００１６】
図２及び図３は、本発明の一実施形態による磁気シールを提供する例示的なシステム２００及び３００を示している。システム２００及び／又はシステム３００は、圧縮機、タービン又はポンプなどの回転機械の何れかのタイプの一部とすることができる。例示的な実施形態において、システム２００は、圧縮機を表し、第１の圧縮機及び第２の圧縮機を含むことができる。例えば、第１の部品は、静止部品２０５を含むことができ、回転部品２１０などの第２の部品を囲むことができる。静止部品２０５は、回転部品２１０に対して、これらの間にギャップ２１５を形成するよう位置付けられる。
【００１７】
回転部品２１０は、車軸に対して横断方向に装着することができ、静止部品２０５により囲まれながら回転するよう構成することができる。回転部品２１０は、限定ではないが、タービンホイール、圧縮機ホイール、軸受組立体又はシャフトなどの回転機械における何れかの回転部品とすることができる点は理解される。ギャップ２１５は、空気を回転部品２１０と静止部品２０５との間で軸方向に流すことを可能にすることができる。例示的な実施形態において、ギャップ２１５は、回転部品２１０と静止部品２０５との間の半径方向クリアランスに関連して説明されるが、ギャップ２１５は、限定ではないが、半径方向クリアランス、軸方向クリアランス、線形クリアランス、非線形クリアランスなど、第１の部品及び第２の部品間に存在することができる何らかのギャップを機械中に含むことができる点は理解される。
【００１８】
例示的な実施形態において、ギャップ２１５は、軸方向空気流を可能にすることができる半径方向クリアランスに相当することができる。ギャップ２１５に関連する軸方向空気流を低減するために、磁気シール２２０を設けることができる。磁気シール２２０は、コンプラアント材料及び第１の磁気素子を含むことができる。コンプラアント材料は、バッフル又は圧潰性ホイルなど、変形可能構造体を含むことができる。一実施形態において、コンプラアント材料は、静止部品に装着することができ、第２の磁気素子は、コンプラアント材料に装着することができる。他の実施形態では、第１の磁気素子及びコンプラアント材料は、一体化して磁気的にコンプライアントな構造体を提供することができる。
【００１９】
例示的なシステム２００及び３００において、コンプラアント材料は、バッフル２２５を含むことができる。バッフル２２５は、回転部品２１０の周りで共形となり、ギャップ２１５を低減するよう適合されたコンプライアントシートメタル構造体を含むことができる。バッフル２２５には、シール磁石２３０のような第１の磁気素子を装着することができ、回転部品２１０には、回転磁石２３５などの第２の磁気素子を装着することができる。
【００２０】
シール磁石２３０及び回転磁石２３５は、永久磁石、電磁石など、あらゆるタイプの磁石とすることができる。永久磁石は、キュリー点によって特徴付けることができる。キュリー点は、永久磁石が消磁される温度を規定している。サマリウムコバルト磁石又はネオジム磁石などの希土類磁石は、比較的高いキュリー点を有し、該磁石が比較的高温に耐え得ることを意味する。この理由の１つとして、システム２００が高温タービンエンジン段の一部を含む幾つかの実施形態、或いは、シール磁石２３０及び／又は回転磁石２３５が高温に曝されるような実施形態では、高温に耐え得る希土類磁石を用いることができる。
【００２１】
回転磁石２３５は、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に力を作用させるよう構成することができる。例示的なシステム２００において、この構成は、シール磁石２３０に比較的近接近して回転磁石２３５を回転部品２１０に装着する段階と、回転磁石２３５のＮ極がシール磁石２３０の対応するＮ極と対向するように回転磁石２３５を配向する段階とを含むことができる。別の実施形態では、回転磁石２３５は、回転磁石２３５のＳ極がシール磁石２３０の対応するＳ極対向するように装着することができる。このようにすると、回転磁石２３５及びシール磁石２３０は互いに反発し、シール磁石２３０はコンプラアントバッフル２２５に装着されるので、コンプラアントバッフル２２５は反発力に応答して撓むことができる。回転部品２１０が運動中であるときは、バッフル２２５はさらに、回転部品２１０に物理的に接触することなくギャップ２１５のサイズを維持するように回転部品２１０に関連する移動に一致し、これにより部品の移動と一致できるシール表面を提供することができる。部品に付随するこのような移動は、一つには、熱膨張及び／又は振動の結果とすることができる。
【００２２】
過渡事象中の共形シール表面を提供することに加えて、回転磁石２３５及び磁気シール２２０は、流体力の存在下で共形シール表面を提供するよう適合することができる。流体力は、流れの特定形態が本体表面に加えられたときに、該本体に作用する力である。例示的な実施形態において、磁気シール２２０は、流体力及び／又は過渡事象の存在下で共形のシール表面を提供するようさらに適合することができる。
【００２３】
図３を参照して例示するように、システム３００は圧縮機とすることができるので、作動中、３４０での圧力Ｐ１及び３４５での圧力Ｐ２は、静止部品２０５及び回転部品２１０と関連付けることができる。圧縮機の実施形態では、３４５での圧力Ｐ２は、３４０での圧力Ｐ１よりも相対的に大きいとすることができ、これは、３４５での圧力Ｐ２がコンプラアントバッフル２２５を押し下げ、回転部品２１０が車軸の周りを回転するときにギャップ２１５のサイズを小さくできることを意味する。回転磁石２３５なしで、３４５での圧力Ｐ２が３４０での圧力Ｐ１よりも十分に大きい場合、バッフル２２５は、回転部品２３５に向かって下方に撓むことができ、これにより回転部品２１０とバッフル２２５との間の物理的接触を生じる結果となる。熱膨張に伴うような過渡事象中、回転部品２１０は静止部品２０５に向かって延びて、静止部品２０５ではなく、同様にバッフル２２５に接触できるようになる。
【００２４】
回転磁石２３５は、磁気シール２２０に力を作用させることにより、比較的一貫したシールを提供するようにギャップのサイズを維持することができる。作動時には、熱的作用及び／又は振動に伴う圧力勾配又は物理的膨張により、回転部品２１０がバッフル２２５及び静止部品２０５に接近するようになるので、回転磁石２３５の反発力によりバッフル２２５が３５０の公称位置から３５５の変位位置まで調整することができる。換言すると、回転部品２１０の非共形表面がバッフル２２５の共形表面と相対移動すると、シール磁石２３０及び回転磁石２３５に関連する磁気反発力は、上記共形表面を変形させて、部品間の接触を妨げ、ギャップ２１５を維持することができる。
【００２５】
少なくともこのようにすると、本発明の特定の実施形態は、磁力を利用して連続して可変のシール表面を提供することができ、振動及び／又は熱膨張に関係なくギャップ２１５のサイズを維持することができる。加えて、ギャップ２１５のサイズを維持することができるので、軸方向空気流の量は、静止部品２０５及び回転部品２１０と物理的に接触するシールを使用することなく制御することができる。
【００２６】
本発明の他の実施形態では、システム２００及び／又はシステム３００は、ギャップ２１５に関連する半径方向クリアランスのサイズを決定するために検知デバイスを含むことができる。一実施形態において、バッフル２２５は、導電性回路及び／又は誘導コイルをバッフル２２５に装着することなどにより、回転磁石２３５の回転運動に少なくとも部分的に基づいて比較的微量の電流を発生するよう修正することができる。回路及び／又はコイルは、回転磁石２３５により発生する磁束を検知し、回転磁石２３５の回転運動の結果として部分的に対応する電流を発生するよう適合させることができる。
【００２７】
回転磁石２３５の回転運動により発生する電流の大きさは、電気センサなどの適切な検知デバイスにより検知し、ギャップ２１５のサイズと関連付けることができる。適切な検知デバイスは、限定ではないが、マルチメーター、電流計、電圧計又は同様のものを含むことができる。ギャップ２１５のサイズの関連付けは、検知デバイスからの電流情報を受け取るよう適合された１以上のプロセッサにより実行することができる。一実施形態において、ギャップ２１５のサイズは、検知デバイスから受け取った電流情報に少なくとも部分的に基づいてプロセッサが決定することができる。別の実施形態では、プロセッサは、検知デバイスからの情報を受け取り、少なくとも１つの磁気シールが発生する電流に少なくとも部分的に基づいてギャップに関連付けられた空気流を求めるよう適合させることができる。プロセッサの実施形態は、限定ではないが、ＡＳＩＣ、コンパレータ、ディファレンシャルモジュール又は他のハードウェア手段を含むことができる。プロセッサはまた、ソフトウェア又は他のコンピュータ実行可能命令を含むことができ、これらは、メモリ内に格納でき、プロセッサ又は他の処理手段により実行されて、上述のような１以上のオペレーションを実施することができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態では、上述の永久磁石の代わり又はこれと組み合わせて電磁石を用いることができる。例えば、一実施形態において、回転磁石２３５は電磁石とすることができる。バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に力を作用させるために、電流を回転磁石２３５に提供して電磁石を帯磁させることができる。電流が増加すると、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に作用する力の大きさも増加し、バッフル２２５の変位を増大させることができる。電流が減少すると、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に作用する力の大きさも減少し、従って、バッフル２２５の撓みが減少することができる。このようにして、回転磁石２３５に与えられる電流の量を変化させることによって、ギャップ２１５のサイズを増減させ、ギャップ２１５を通る軸方向空気流の量を調整することができる。
【００２９】
図４及び５は、本発明の他の実施形態による磁気シールを提供する例示的なシステム及び装置４００及び５００を図示しており、ここで実施形態４００及び５００は、タービンシステムなどの回転機械の一部を含むことができる。システム２００と同様に、システム４００及び５００は、ステータ４０５などの静止部品と、ロータホイール４１０などの回転部品とを含むことができる。ステータ４０５は、半径方向クリアランスにより特徴付けられるギャップ４１５及び５１５を形成するように、ロータホイール４１０に対して位置付けることができる。例示的なシステム４００及び５００は、高温で動作するよう構成することができ、その結果、４１１にて冷却空気をステータ４０５に提供し、ステータ４０５の動作温度を調節できるようにする。
【００３０】
システム４００及び５００はさらに、１以上の磁気シールを含むことができる。システム４００は、例えば、圧潰性ホイル４２５及びシール磁石４３０を備えた磁気シール４２０を含むことができる。圧潰性ホイル４２５は、相対的に円環体に似た構造にすることができる。圧潰性ホイル５２５及びシール磁石５３０を備えた磁気シール５２０を含むことができるシステム５００において、圧潰性ホイル５２５は、蛇腹様構造体に似た構造にすることができる。両方の実施形態では、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、４１１での冷却空気の供給により提供される圧力に応じて下方に調整するよう構成することができる。磁気シール４２０及び磁気シール５２０はまた、漏出ステータ４０５により４１１で提供される冷却空気の量を低減し、約６００〜８００°Ｆなどの比較的低温でステータ４０５を維持するよう適合させることができる。例示的な実施形態では、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、ステータ４０５内の比較的一貫した空気圧力を維持するために部分的にステータ４０５から漏出する冷却空気の量を修正及び／又は制限するためにバイア４２６、４２７、５２６及び５２７それぞれを含むことができる。
【００３１】
磁気シール４２０及び５２０は、比較的一貫した空気圧力を維持するよう適合させることができるので、磁気シール４２０及び磁気シール５２０はまた、システム４００及び５００において特定の部品に対して４１１にて提供される冷却空気を送るよう適合させることができる点は理解されるであろう。これらの部品は、磁気シール４２０及び５２０に関連する１以上の部品を含むことができる。例えば、バイア４２６、４２７、５２６及び５２７は、回転磁石４３５及び５３５に冷却空気を配向するよう位置付けることができる。ガスタービンシステムなどの一部の実施形態では、回転磁石４３５及び５３５は、比較的高温に曝される可能性があり、冷却されないままである場合、消磁される可能性がある。消磁は、磁気シール４２０及び５２０の機能不全に関連することができる。この理由の１つとして、バイア４２６、４２７、５２６及び５２７は、回転磁石４３５及び５３５に冷却空気を送り、回転磁石４３５及び５３５が消磁の発生し得る関連キュリー点を下回って動作できるように適合させることができる。
【００３２】
例示的なシステム４００及び５００では、圧潰性ホイル４２５及び５２５はまた、均衡点に至るまでロータホイール４１０に装着された回転磁石４３５及び５３５が作用する力に応じて内向きに調整するよう構成することができる。より具体的には、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、熱膨張及び／又は振動の結果など、ロータホイール４１０が磁気シール４２０及び５２０に向かってクリープするときにロータホイール４１０から内向きに調整するよう構成することができる。４１１において提供される対応する空気圧が磁気シール４２０及び５２０を外向きに押し進める場合、システム４００における磁石４３０及び４３５並びにシステム５００における磁石５３０及び５３５により提供される対応する磁力は、力平衡が得られるまで磁気シールを内向きに押し進める。この平衡点において、システム４００及び５００におけるギャップ４１５及びギャップ５１５のサイズを相対的に維持することができる。
【００３３】
図６は、本発明の別の実施形態による磁気シールを提供する例示的な方法６００を示している。方法６００は、ブロック６０５から始まることができ、ここで磁気シールは、回転機械の第１の部品に装着することができる。回転機械は、タービン、圧縮機、ポンプなどの回転部品を有する何れかの機械を含むことができる。第１の部品は、ステータなどの静止部品もしくは静止部品の一部、或いはロータなどの回転部品もしくは回転部品の一部とすることができる。これと同時に、磁気シールは、第１の磁気素子及びコンプラアント材料を含むことができる。第１の磁気素子及びコンプラアント材料を備えた磁気シールの例示的な実施形態は、上記の図１から図５に関連して説明されたものを含むことができる。第１の磁気素子は、永久磁石又は電磁石のようなあらゆる磁気素子とすることができる点は理解されるであろう。
【００３４】
方法６００は、ブロック６１０に進むことができ、ここで、第２の磁気素子を回転機械の第２の部品に装着することができる。第２の部品は、例えば、回転部品及び静止部品など、回転機械における何れかの部品を含むことができる。第２の部品は、第１の部品に装着されたときに、第２の部品と少なくとも１つの磁気シールとの間に半径方向クリアランスを提供するよう磁気シールに対して位置付けることができる。図２のギャップ２１５のような半径方向ギャップは、同様に図に関して上記で説明された静止部品２０５及び回転部品２１０のような、第１の部品及び第２の部品間に軸方向に空気を流すことを可能にすることができる。第２の磁気素子は、永久磁石及び電磁石のような何れかの磁気素子とすることができ、ブロック６１５において磁気シールに力を作用させるよう構成することができる。一実施形態において、第２の磁気素子は、永久磁石であり、同様に永久磁石とすることができる第１の磁気素子に関連して構成することができ、第１の磁気素子及び第２の磁気素子の極が互いに相対するように位置付けられるようにする。このようにして、第２の磁気素子は、磁気シールに対して力を作用させることができる。別の実施形態では、第２の磁気素子又は第１の磁気素子の何れかは電磁石とすることができ、電磁石に供給される電流により、磁気素子が磁気シールに対して力を作用させることが可能になる。例えば、任意選択のブロック６２０において示す方法６００の一実施形態において、第２の磁気素子は、電磁石とすることができ、電磁石に供給される電流により、第２の磁気素子が磁気シールに対して力を作用させることが可能になる。同様に、この実施形態において、電磁石の極は、第２の磁気素子及び第１の磁気素子の極が互いに相対するように第１の磁気素子に対して位置付けることができる。このような位置付けは、物理的配置によるか又は電磁石に提供される電流のバイアスにより達成することができる。
【００３５】
ブロック６２５において、方法６００は、第２の磁気素子により作用される力に応じた磁気シールを備えたコンプラアント材料を調整する段階に進むことができる。この調整は、磁気シール及び第２の部品間の半径方向クリアランスを修正することができる。一実施形態において、この調整は、任意選択ブロック６３０で示される第１の部品及び第２の部品かの軸方向空気流の決定に関連付けることができる。例えば、第１の磁気素子及び第２の磁気素子は、回転機械の所与の動作点において最小クリアランスを維持するよう設計することができる。第１の磁気素子及び／又は第２の磁気素子が電磁石である別の実施形態では、何れかの磁気素子に提供される電流を調整して半径方向クリアランスを調整し、これにより軸方向空気流を調整することができる。半径方向クリアランスを調整すると、回転機械に関連する１以上のパラメータに従って軸方向空気流を決定することができる。
【００３６】
本発明の特定の実施形態は、磁気シールとの物理的接触を必要とすることなく、第１の部品及び第２の部品に関連付けられた半径方向クリアランスを維持することができるので、本発明の特定の実施形態は、機械作動中に互いに摩耗又は接触するシールに関連する特定の問題を解決することができる。より詳細には、本発明の特定の実施形態は、劣化が少なく、従来のシステムで提供されるものよりも良好なシールを提供することができる。改善されたシール性能は、本発明の少なくとも１つの技術的作用である。改善されたシール耐久性は、本発明の少なくとも１つの別の技術的作用である。
【００３７】
さらに、本発明の特定の実施形態は、第１の部品及び第２の部品間のシール表面をどのような関連する摩擦もなく提供することができるので、本発明のこのような実施形態は、一部の部品の運転耐用年数を改善することができる。磁気シールとシール表面との間の摩擦がない場合、シール及びその対応するシール表面に関連する加熱作用が低減される。加熱作用が低減されると、これらのシール表面に関連する１以上の部品についての温度プロファイルが小さくなる。１以上の部品についての小さな温度プロファイルは、部品並びに回転機械のより長い耐用年数をもたらすことができる。回転機械及び機械部品についての改善された運転耐用年数は、本発明の他の技術的作用である。
【００３８】
上述の明細書及び関連図面で提示された教示の利点を有する本発明の関連する当業者であれば、本明細書で記載された本発明の多くの修正及び他の実施形態も想起されるであろう。すなわち、当業者であれば、本発明は多くの形態で具現化することができ、上述の実施形態に限定されるものではない点は理解されるであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、修正及び他の実施形態は、添付の請求項の範囲に含まれることが意図される点を理解されたい。本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。
【符号の説明】
【００３９】
１００ システム
１０５ ラビリンスシール歯
１１０ ロータホイール
１１５ ハニカム構造体
１２０ ステータ
２００ システム
２０５ 静止部品
２１０ 回転部品
２２０ 磁気シール
２２５ コンプラアントバッフル
２３０ シール磁石
２３５ 回転 磁石
３００ システム
３４０ 圧力Ｐ１
３４５ 圧力Ｐ２
３５０ 公称位置
３５５ 変位位置
４００ システム
４０５ ステータ
４１０ ロータホイール
４１１ 低温空気源
４１５ ギャップ
４２０ 磁気シール
４２５ 圧潰性ホイル構造体
４２６ 通気バイア
４２７ 通気バイア
４３０ シール磁石
４３５ 回転磁石
５００ システム
５１５ ギャップ
５２０ 磁気シール
５２５ 圧潰性ホイル構造体
５２６ 通気バイア
５２７ 通気バイア
５３０ シール磁石
５３５ 回転磁石
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転及び静止部品を備えた機械に関し、より具体的には、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電及び機械駆動用途で使用され蒸気及びガスタービンなどの回転機械は、一般に、回転及び静止部品を備えた大型の機械である。作動時には、このような回転機械は、これらの部品間の空気の制御された流れに依存する。タービンでは、例えば、種々のタービン段を流れる高圧空気は、一連の静止及び回転部品を通過することができる。特定の静止及び回転部品を通過すると、高圧領域から低圧領域などへの空気漏出は一般に望ましくない。この理由の１つとして、静止及び回転部品間のシールを用いることができる。空気漏出の制御に加えて、シールを用いて、軸受ハウジング及びロータ部品などの一部の部品からパージキャビティなどの他の部品に向かって空気流を配向することができる。回転機械の効率は、空気漏出を阻止し、静止及び回転部品間の空気の流れを配向するこのようなシールの能力に依存することができる。
【０００３】
幾つかの異なるシール設計が回転機械で使用されてきた。これらのシールは、「パンプキンティース」シール、ラビリンスシール、ハニカムシール及びブラシシールを含むことができる。これらの設計は、部品間にわたる空気漏出を最小限にし、部品間の空気流を配向することを目的としている。これらのシールは、静止及び回転部品間に位置付けることができるので、このようなシールは、これらの部品と物理的に接触することができる。シールが摩滅すると、機械の効率が低下し、故障の確率が高くなる可能性がある。
【０００４】
従って、空気漏出を低減し、回転機械における空気流を制御するためにシールを改善する必要性がある。より具体的には、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７３９０９４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、上述の必要性の一部又は全てに対処することができる。本発明の特定の実施形態は、一般に、磁気シールを提供するためのシステム、方法及び装置に関する。一実施形態では、回転機械において磁気シールを提供する方法を提供することができる。本方法は、回転機械において磁気シールを第１の部品に装着する段階を含むことができる。本方法はまた、磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるように第２の部品に対して磁気シールを位置付ける段階を含むことができる。磁気シールは、第１の磁気素子と、磁気シールに対して作用される力に応じて調整するよう適合されたコンプラアント材料とを含むことができる。本方法はまた、第２の磁気素子を第２の部品に装着し、磁気シールに対して力を作用させるようにする段階を含むことができる。本方法はさらに、第２の磁気素子によって作用される力に応じてコンプラアント材料を調整し、ギャップを修正する段階をさらに含むことができる。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、磁気シールを提供するためのシステムを提供することができる。本システムは、第１の部品及び第２の部品を有する回転機械を含むことができる。磁気シールは、第１の部品に装着され、磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるように第２の部品に対して位置付けることができる。磁気シールは、第１の磁気素子と、磁気シールに作用される力に応じて調整するよう適合されるコンプラアント材料とを含むことができる。第２の磁気素子は、第２の部品に装着され、磁気シールに対して力を作用させるよう適合され、磁気シールと第２の部品との間にギャップを修正できるようにする。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態では、磁気シールを提供するための装置を提供できる。装置は、第１の磁気素子及びコンプラアント材料を備えた磁気シールを含むことができる。磁気シールは、回転機械において第１の部品に装着され、回転機械において磁気シールと第２の部品との間にギャップを設けるよう動作可能とすることができる。第２の磁気素子は、回転機械において第２の部品に装着され、磁気シールに対して力を作用させるよう動作可能にすることができる。コンプラアント材料は、第２の磁気素子により作用される力に応じてさらに調整するよう動作可能とすることができる。
【０００９】
本発明の他の実施形態及び態様は、添付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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】回転機械の一部としての静止及び回転部品の図。
【図２】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的なシステムの図。
【図３】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的なシステムの図。
【図４】磁気シールを提供するための例示的な装置の図。
【図５】磁気シールを提供するための例示的な装置の図。
【図６】本発明の一実施形態による磁気シールを提供するための例示的な方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以上、本発明についてその概要を説明したが、次に添付の図面を参照して説明する。添付図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。
【００１２】
次に、本発明の例示的な実施形態が示された添付図面を参照しながら、本発明を以下でより詳細に説明する。本発明は、多くの異なる形態で具現化することができるが、本明細書で記載される例示的な実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、当業者に対して本発明の技術的範囲を十分に伝えるようにするために提示するものである。図面全体を通して、同じ参照符号は、同様な要素を示している。
【００１３】
図１は、システム１００の一部として静止及び回転部品を示す。システム１００は、燃焼タイプのガスタービン、蒸気タイプのガスタービン、圧縮機などの何れかの回転機械を含むことができる。燃焼タイプのガスタービンでは、直列流れの関係で吸気口（すなわち入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（すなわち排気ノズル）を含むガス経路がある。作動時には、燃焼タイプのガスタービンでは、タービンセクションを駆動するのに燃焼ガスを用いることができる。すなわち、燃焼ガスを用いて比較的高速度で複数のロータホイールを回転させることができ、該ロータホイールが、その各々野周りに軸方向に離間した複数のロータブレードを支持している。このようなロータホイールは、周りを囲む複数の非回転ステータに回転可能に取り付けることができ、ここでは、ロータホイールと周囲のステータとの間にギャップを形成することができる。
【００１４】
このギャップ内の空気漏出が出力損失を生じ、システム効率に悪影響を及ぼす可能性があるので、部品設計に応じてこのギャップを小さくすることが望ましい場合がある。同時に、これらの静止及び回転部品は、熱作用に起因してシフト、振動又は拡大する可能性があるので、最小クリアランスギャップを維持することも望ましい場合がある。例えば、過渡運転中、１以上の部品が相対移動することができ、これは、これらの部品を隔てるギャップが小さすぎる場合には、部品が互いに接触し、部品の損傷に至る可能性があることを意味する。従って、最小クリアランスギャップを必要とする可能性が高い。このクリアランスギャップのサイズは、異なる熱膨張係数を有する静止及び回転部品用の材料を用いることによって小さくすることができるが、完全に削減することはできない。静止部品に対する回転部品の相対移動は、ある程度のクリアランスギャップを維持することが必要である。
【００１５】
回転ロータホイール及び静止ステータなど、回転機械における２つの部品間のクリアランスギャップに関連する空気漏出を低減するために、１以上のシールを用いることができる。システム１００において、ハニカム型ラビリンスシールを用いて、静止及び回転部品間の空気流を修正することができる。ラビリンスシール歯１０５は、ロータホイール１１０上に装着され、ステータ１２０の一部に装着されたハニカム構造体１１５に半径方向に対向して位置することができる。システム１００のハニカム型ラビリンスシールは、ロータホイール１１０とステータ１２０との間の空気流を抑制することができる。作動中、ハニカム型ラビリンスシールは、ロータホイール１１０及びステータ１２０の表面構造が互いに接近すると摩滅し、これは熱過渡及び／又はエンジン振動に起因することができる。すなわち、２つの部品が互いに接近すると、互いに接触する可能性が高くなり、その結果としてハニカム型ラビリンスシールの摩滅の可能性がある機械的摩擦を生じる。ハニカム型ラビリンスシールが摩滅すると、システム１００が機能しなくなる可能性がある。加えて、摩擦は、システム１００の温度上昇を引き起こし、システム１００の性能を阻害する可能性がある。場合によっては、これらの作用並びに従来のシステム１００に付随する多くの故障事象を削減することが望ましい。
【００１６】
図２及び図３は、本発明の一実施形態による磁気シールを提供する例示的なシステム２００及び３００を示している。システム２００及び／又はシステム３００は、圧縮機、タービン又はポンプなどの回転機械の何れかのタイプの一部とすることができる。例示的な実施形態において、システム２００は、圧縮機を表し、第１の圧縮機及び第２の圧縮機を含むことができる。例えば、第１の部品は、静止部品２０５を含むことができ、回転部品２１０などの第２の部品を囲むことができる。静止部品２０５は、回転部品２１０に対して、これらの間にギャップ２１５を形成するよう位置付けられる。
【００１７】
回転部品２１０は、車軸に対して横断方向に装着することができ、静止部品２０５により囲まれながら回転するよう構成することができる。回転部品２１０は、限定ではないが、タービンホイール、圧縮機ホイール、軸受組立体又はシャフトなどの回転機械における何れかの回転部品とすることができる点は理解される。ギャップ２１５は、空気を回転部品２１０と静止部品２０５との間で軸方向に流すことを可能にすることができる。例示的な実施形態において、ギャップ２１５は、回転部品２１０と静止部品２０５との間の半径方向クリアランスに関連して説明されるが、ギャップ２１５は、限定ではないが、半径方向クリアランス、軸方向クリアランス、線形クリアランス、非線形クリアランスなど、第１の部品及び第２の部品間に存在することができる何らかのギャップを機械中に含むことができる点は理解される。
【００１８】
例示的な実施形態において、ギャップ２１５は、軸方向空気流を可能にすることができる半径方向クリアランスに相当することができる。ギャップ２１５に関連する軸方向空気流を低減するために、磁気シール２２０を設けることができる。磁気シール２２０は、コンプラアント材料及び第１の磁気素子を含むことができる。コンプラアント材料は、バッフル又は圧潰性ホイルなど、変形可能構造体を含むことができる。一実施形態において、コンプラアント材料は、静止部品に装着することができ、第２の磁気素子は、コンプラアント材料に装着することができる。他の実施形態では、第１の磁気素子及びコンプラアント材料は、一体化して磁気的にコンプライアントな構造体を提供することができる。
【００１９】
例示的なシステム２００及び３００において、コンプラアント材料は、バッフル２２５を含むことができる。バッフル２２５は、回転部品２１０の周りで共形となり、ギャップ２１５を低減するよう適合されたコンプライアントシートメタル構造体を含むことができる。バッフル２２５には、シール磁石２３０のような第１の磁気素子を装着することができ、回転部品２１０には、回転磁石２３５などの第２の磁気素子を装着することができる。
【００２０】
シール磁石２３０及び回転磁石２３５は、永久磁石、電磁石など、あらゆるタイプの磁石とすることができる。永久磁石は、キュリー点によって特徴付けることができる。キュリー点は、永久磁石が消磁される温度を規定している。サマリウムコバルト磁石又はネオジム磁石などの希土類磁石は、比較的高いキュリー点を有し、該磁石が比較的高温に耐え得ることを意味する。この理由の１つとして、システム２００が高温タービンエンジン段の一部を含む幾つかの実施形態、或いは、シール磁石２３０及び／又は回転磁石２３５が高温に曝されるような実施形態では、高温に耐え得る希土類磁石を用いることができる。
【００２１】
回転磁石２３５は、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に力を作用させるよう構成することができる。例示的なシステム２００において、この構成は、シール磁石２３０に比較的近接近して回転磁石２３５を回転部品２１０に装着する段階と、回転磁石２３５のＮ極がシール磁石２３０の対応するＮ極と対向するように回転磁石２３５を配向する段階とを含むことができる。別の実施形態では、回転磁石２３５は、回転磁石２３５のＳ極がシール磁石２３０の対応するＳ極対向するように装着することができる。このようにすると、回転磁石２３５及びシール磁石２３０は互いに反発し、シール磁石２３０はコンプラアントバッフル２２５に装着されるので、コンプラアントバッフル２２５は反発力に応答して撓むことができる。回転部品２１０が運動中であるときは、バッフル２２５はさらに、回転部品２１０に物理的に接触することなくギャップ２１５のサイズを維持するように回転部品２１０に関連する移動に一致し、これにより部品の移動と一致できるシール表面を提供することができる。部品に付随するこのような移動は、一つには、熱膨張及び／又は振動の結果とすることができる。
【００２２】
過渡事象中の共形シール表面を提供することに加えて、回転磁石２３５及び磁気シール２２０は、流体力の存在下で共形シール表面を提供するよう適合することができる。流体力は、流れの特定形態が本体表面に加えられたときに、該本体に作用する力である。例示的な実施形態において、磁気シール２２０は、流体力及び／又は過渡事象の存在下で共形のシール表面を提供するようさらに適合することができる。
【００２３】
図３を参照して例示するように、システム３００は圧縮機とすることができるので、作動中、３４０での圧力Ｐ１及び３４５での圧力Ｐ２は、静止部品２０５及び回転部品２１０と関連付けることができる。圧縮機の実施形態では、３４５での圧力Ｐ２は、３４０での圧力Ｐ１よりも相対的に大きいとすることができ、これは、３４５での圧力Ｐ２がコンプラアントバッフル２２５を押し下げ、回転部品２１０が車軸の周りを回転するときにギャップ２１５のサイズを小さくできることを意味する。回転磁石２３５なしで、３４５での圧力Ｐ２が３４０での圧力Ｐ１よりも十分に大きい場合、バッフル２２５は、回転部品２３５に向かって下方に撓むことができ、これにより回転部品２１０とバッフル２２５との間の物理的接触を生じる結果となる。熱膨張に伴うような過渡事象中、回転部品２１０は静止部品２０５に向かって延びて、静止部品２０５ではなく、同様にバッフル２２５に接触できるようになる。
【００２４】
回転磁石２３５は、磁気シール２２０に力を作用させることにより、比較的一貫したシールを提供するようにギャップのサイズを維持することができる。作動時には、熱的作用及び／又は振動に伴う圧力勾配又は物理的膨張により、回転部品２１０がバッフル２２５及び静止部品２０５に接近するようになるので、回転磁石２３５の反発力によりバッフル２２５が３５０の公称位置から３５５の変位位置まで調整することができる。換言すると、回転部品２１０の非共形表面がバッフル２２５の共形表面と相対移動すると、シール磁石２３０及び回転磁石２３５に関連する磁気反発力は、上記共形表面を変形させて、部品間の接触を妨げ、ギャップ２１５を維持することができる。
【００２５】
少なくともこのようにすると、本発明の特定の実施形態は、磁力を利用して連続して可変のシール表面を提供することができ、振動及び／又は熱膨張に関係なくギャップ２１５のサイズを維持することができる。加えて、ギャップ２１５のサイズを維持することができるので、軸方向空気流の量は、静止部品２０５及び回転部品２１０と物理的に接触するシールを使用することなく制御することができる。
【００２６】
本発明の他の実施形態では、システム２００及び／又はシステム３００は、ギャップ２１５に関連する半径方向クリアランスのサイズを決定するために検知デバイスを含むことができる。一実施形態において、バッフル２２５は、導電性回路及び／又は誘導コイルをバッフル２２５に装着することなどにより、回転磁石２３５の回転運動に少なくとも部分的に基づいて比較的微量の電流を発生するよう修正することができる。回路及び／又はコイルは、回転磁石２３５により発生する磁束を検知し、回転磁石２３５の回転運動の結果として部分的に対応する電流を発生するよう適合させることができる。
【００２７】
回転磁石２３５の回転運動により発生する電流の大きさは、電気センサなどの適切な検知デバイスにより検知し、ギャップ２１５のサイズと関連付けることができる。適切な検知デバイスは、限定ではないが、マルチメーター、電流計、電圧計又は同様のものを含むことができる。ギャップ２１５のサイズの関連付けは、検知デバイスからの電流情報を受け取るよう適合された１以上のプロセッサにより実行することができる。一実施形態において、ギャップ２１５のサイズは、検知デバイスから受け取った電流情報に少なくとも部分的に基づいてプロセッサが決定することができる。別の実施形態では、プロセッサは、検知デバイスからの情報を受け取り、少なくとも１つの磁気シールが発生する電流に少なくとも部分的に基づいてギャップに関連付けられた空気流を求めるよう適合させることができる。プロセッサの実施形態は、限定ではないが、ＡＳＩＣ、コンパレータ、ディファレンシャルモジュール又は他のハードウェア手段を含むことができる。プロセッサはまた、ソフトウェア又は他のコンピュータ実行可能命令を含むことができ、これらは、メモリ内に格納でき、プロセッサ又は他の処理手段により実行されて、上述のような１以上のオペレーションを実施することができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態では、上述の永久磁石の代わり又はこれと組み合わせて電磁石を用いることができる。例えば、一実施形態において、回転磁石２３５は電磁石とすることができる。バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に力を作用させるために、電流を回転磁石２３５に提供して電磁石を帯磁させることができる。電流が増加すると、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に作用する力の大きさも増加し、バッフル２２５の変位を増大させることができる。電流が減少すると、バッフル２２５及びシール磁石２３０を含む磁気シール２２０に作用する力の大きさも減少し、従って、バッフル２２５の撓みが減少することができる。このようにして、回転磁石２３５に与えられる電流の量を変化させることによって、ギャップ２１５のサイズを増減させ、ギャップ２１５を通る軸方向空気流の量を調整することができる。
【００２９】
図４及び５は、本発明の他の実施形態による磁気シールを提供する例示的なシステム及び装置４００及び５００を図示しており、ここで実施形態４００及び５００は、タービンシステムなどの回転機械の一部を含むことができる。システム２００と同様に、システム４００及び５００は、ステータ４０５などの静止部品と、ロータホイール４１０などの回転部品とを含むことができる。ステータ４０５は、半径方向クリアランスにより特徴付けられるギャップ４１５及び５１５を形成するように、ロータホイール４１０に対して位置付けることができる。例示的なシステム４００及び５００は、高温で動作するよう構成することができ、その結果、４１１にて冷却空気をステータ４０５に提供し、ステータ４０５の動作温度を調節できるようにする。
【００３０】
システム４００及び５００はさらに、１以上の磁気シールを含むことができる。システム４００は、例えば、圧潰性ホイル４２５及びシール磁石４３０を備えた磁気シール４２０を含むことができる。圧潰性ホイル４２５は、相対的に円環体に似た構造にすることができる。圧潰性ホイル５２５及びシール磁石５３０を備えた磁気シール５２０を含むことができるシステム５００において、圧潰性ホイル５２５は、蛇腹様構造体に似た構造にすることができる。両方の実施形態では、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、４１１での冷却空気の供給により提供される圧力に応じて下方に調整するよう構成することができる。磁気シール４２０及び磁気シール５２０はまた、漏出ステータ４０５により４１１で提供される冷却空気の量を低減し、約６００〜８００°Ｆなどの比較的低温でステータ４０５を維持するよう適合させることができる。例示的な実施形態では、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、ステータ４０５内の比較的一貫した空気圧力を維持するために部分的にステータ４０５から漏出する冷却空気の量を修正及び／又は制限するためにバイア４２６、４２７、５２６及び５２７それぞれを含むことができる。
【００３１】
磁気シール４２０及び５２０は、比較的一貫した空気圧力を維持するよう適合させることができるので、磁気シール４２０及び磁気シール５２０はまた、システム４００及び５００において特定の部品に対して４１１にて提供される冷却空気を送るよう適合させることができる点は理解されるであろう。これらの部品は、磁気シール４２０及び５２０に関連する１以上の部品を含むことができる。例えば、バイア４２６、４２７、５２６及び５２７は、回転磁石４３５及び５３５に冷却空気を配向するよう位置付けることができる。ガスタービンシステムなどの一部の実施形態では、回転磁石４３５及び５３５は、比較的高温に曝される可能性があり、冷却されないままである場合、消磁される可能性がある。消磁は、磁気シール４２０及び５２０の機能不全に関連することができる。この理由の１つとして、バイア４２６、４２７、５２６及び５２７は、回転磁石４３５及び５３５に冷却空気を送り、回転磁石４３５及び５３５が消磁の発生し得る関連キュリー点を下回って動作できるように適合させることができる。
【００３２】
例示的なシステム４００及び５００では、圧潰性ホイル４２５及び５２５はまた、均衡点に至るまでロータホイール４１０に装着された回転磁石４３５及び５３５が作用する力に応じて内向きに調整するよう構成することができる。より具体的には、圧潰性ホイル４２５及び圧潰性ホイル５２５は、熱膨張及び／又は振動の結果など、ロータホイール４１０が磁気シール４２０及び５２０に向かってクリープするときにロータホイール４１０から内向きに調整するよう構成することができる。４１１において提供される対応する空気圧が磁気シール４２０及び５２０を外向きに押し進める場合、システム４００における磁石４３０及び４３５並びにシステム５００における磁石５３０及び５３５により提供される対応する磁力は、力平衡が得られるまで磁気シールを内向きに押し進める。この平衡点において、システム４００及び５００におけるギャップ４１５及びギャップ５１５のサイズを相対的に維持することができる。
【００３３】
図６は、本発明の別の実施形態による磁気シールを提供する例示的な方法６００を示している。方法６００は、ブロック６０５から始まることができ、ここで磁気シールは、回転機械の第１の部品に装着することができる。回転機械は、タービン、圧縮機、ポンプなどの回転部品を有する何れかの機械を含むことができる。第１の部品は、ステータなどの静止部品もしくは静止部品の一部、或いはロータなどの回転部品もしくは回転部品の一部とすることができる。これと同時に、磁気シールは、第１の磁気素子及びコンプラアント材料を含むことができる。第１の磁気素子及びコンプラアント材料を備えた磁気シールの例示的な実施形態は、上記の図１から図５に関連して説明されたものを含むことができる。第１の磁気素子は、永久磁石又は電磁石のようなあらゆる磁気素子とすることができる点は理解されるであろう。
【００３４】
方法６００は、ブロック６１０に進むことができ、ここで、第２の磁気素子を回転機械の第２の部品に装着することができる。第２の部品は、例えば、回転部品及び静止部品など、回転機械における何れかの部品を含むことができる。第２の部品は、第１の部品に装着されたときに、第２の部品と少なくとも１つの磁気シールとの間に半径方向クリアランスを提供するよう磁気シールに対して位置付けることができる。図２のギャップ２１５のような半径方向ギャップは、同様に図に関して上記で説明された静止部品２０５及び回転部品２１０のような、第１の部品及び第２の部品間に軸方向に空気を流すことを可能にすることができる。第２の磁気素子は、永久磁石及び電磁石のような何れかの磁気素子とすることができ、ブロック６１５において磁気シールに力を作用させるよう構成することができる。一実施形態において、第２の磁気素子は、永久磁石であり、同様に永久磁石とすることができる第１の磁気素子に関連して構成することができ、第１の磁気素子及び第２の磁気素子の極が互いに相対するように位置付けられるようにする。このようにして、第２の磁気素子は、磁気シールに対して力を作用させることができる。別の実施形態では、第２の磁気素子又は第１の磁気素子の何れかは電磁石とすることができ、電磁石に供給される電流により、磁気素子が磁気シールに対して力を作用させることが可能になる。例えば、任意選択のブロック６２０において示す方法６００の一実施形態において、第２の磁気素子は、電磁石とすることができ、電磁石に供給される電流により、第２の磁気素子が磁気シールに対して力を作用させることが可能になる。同様に、この実施形態において、電磁石の極は、第２の磁気素子及び第１の磁気素子の極が互いに相対するように第１の磁気素子に対して位置付けることができる。このような位置付けは、物理的配置によるか又は電磁石に提供される電流のバイアスにより達成することができる。
【００３５】
ブロック６２５において、方法６００は、第２の磁気素子により作用される力に応じた磁気シールを備えたコンプラアント材料を調整する段階に進むことができる。この調整は、磁気シール及び第２の部品間の半径方向クリアランスを修正することができる。一実施形態において、この調整は、任意選択ブロック６３０で示される第１の部品及び第２の部品かの軸方向空気流の決定に関連付けることができる。例えば、第１の磁気素子及び第２の磁気素子は、回転機械の所与の動作点において最小クリアランスを維持するよう設計することができる。第１の磁気素子及び／又は第２の磁気素子が電磁石である別の実施形態では、何れかの磁気素子に提供される電流を調整して半径方向クリアランスを調整し、これにより軸方向空気流を調整することができる。半径方向クリアランスを調整すると、回転機械に関連する１以上のパラメータに従って軸方向空気流を決定することができる。
【００３６】
本発明の特定の実施形態は、磁気シールとの物理的接触を必要とすることなく、第１の部品及び第２の部品に関連付けられた半径方向クリアランスを維持することができるので、本発明の特定の実施形態は、機械作動中に互いに摩耗又は接触するシールに関連する特定の問題を解決することができる。より詳細には、本発明の特定の実施形態は、劣化が少なく、従来のシステムで提供されるものよりも良好なシールを提供することができる。改善されたシール性能は、本発明の少なくとも１つの技術的作用である。改善されたシール耐久性は、本発明の少なくとも１つの別の技術的作用である。
【００３７】
さらに、本発明の特定の実施形態は、第１の部品及び第２の部品間のシール表面をどのような関連する摩擦もなく提供することができるので、本発明のこのような実施形態は、一部の部品の運転耐用年数を改善することができる。磁気シールとシール表面との間の摩擦がない場合、シール及びその対応するシール表面に関連する加熱作用が低減される。加熱作用が低減されると、これらのシール表面に関連する１以上の部品についての温度プロファイルが小さくなる。１以上の部品についての小さな温度プロファイルは、部品並びに回転機械のより長い耐用年数をもたらすことができる。回転機械及び機械部品についての改善された運転耐用年数は、本発明の他の技術的作用である。
【００３８】
上述の明細書及び関連図面で提示された教示の利点を有する本発明の関連する当業者であれば、本明細書で記載された本発明の多くの修正及び他の実施形態も想起されるであろう。すなわち、当業者であれば、本発明は多くの形態で具現化することができ、上述の実施形態に限定されるものではない点は理解されるであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、修正及び他の実施形態は、添付の請求項の範囲に含まれることが意図される点を理解されたい。本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。
【符号の説明】
【００３９】
１００ システム
１０５ ラビリンスシール歯
１１０ ロータホイール
１１５ ハニカム構造体
１２０ ステータ
２００ システム
２０５ 静止部品
２１０ 回転部品
２２０ 磁気シール
２２５ コンプラアントバッフル
２３０ シール磁石
２３５ 回転 磁石
３００ システム
３４０ 圧力Ｐ１
３４５ 圧力Ｐ２
３５０ 公称位置
３５５ 変位位置
４００ システム
４０５ ステータ
４１０ ロータホイール
４１１ 低温空気源
４１５ ギャップ
４２０ 磁気シール
４２５ 圧潰性ホイル構造体
４２６ 通気バイア
４２７ 通気バイア
４３０ シール磁石
４３５ 回転磁石
５００ システム
５１５ ギャップ
５２０ 磁気シール
５２５ 圧潰性ホイル構造体
５２６ 通気バイア
５２７ 通気バイア
５３０ シール磁石
５３５ 回転磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械において、第１の磁気素子（２３０）及びコンプラアント材料（２２５）を含む少なくとも１つの磁気シール（２２０）を第１の部品（２０５）に装着する段階と、
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着し、第２の部品（２１０）が少なくとも１つの磁気シール（２２０）との間にギャップ（２１５）を設けるように第１の部品（２０５）に対して位置付けて、第２の磁気素子（２３５）が少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させるように動作可能であるようにする段階と、
コンプラアント材料（２２５）を調整して、第２の磁気素子（２３５）により作用される力に応じてギャップ（２１５）を修正する段階と
を含む方法。
【請求項２】
回転機械において、少なくとも１つの磁気シール（２２０）を第１の部品（２０５）に装着する段階が、タービン、圧縮機又はポンプの少なくともいずれかにおける第１の部品に少なくとも１つの磁気シールを装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着する段階が、タービンホイール、圧縮機ホイール、軸受組立体又はシャフトの１以上に第２の磁気素子を装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
コンプラアント材料（２２５）が、バッフル、圧潰性ホイル又は変形可能構造体の１以上を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着する段階が、回転機械において永久磁石を圧縮機部品に装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
第２の磁気素子（２３５）が、サマリウム、コバルト、ネオジム、鉄又はホウ素の１種以上を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
第２の部品（２１０）に関連する回転運動に少なくとも部分的に基づいて少なくとも１つの磁気シール（２２０）により電流を生成する段階と、
少なくとも１つの磁気シール（２２０）により生成される電流に少なくとも部分的に基づいてギャップ（２１５）に関連する空気流を決定する段階と
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第２の部品（２１０）に装着された第２の磁気素子（２３５）が電磁石であり、当該方法がさらに、第２の磁気素子（２３５）に電流を提供し、少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させる段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第２の磁気素子（２３５）に提供される電流を調整してギャップ（２１５）を修正する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１の部品（２０５）及び第２の部品（２１０）を含む回転機械と、
第１の部品（２０５）に装着され、第２の部品（２１０）との間にギャップ（２１５）を設けるように第２の部品（２１０）に対して位置付けられ、第１の磁気素子（２３０）及びコンプラアント材料（２２５）を含む少なくとも１つの磁気シール（２２０）と、
第２の部品（２１０）に装着され、少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させるように動作し得る第２の磁気素子（２３５）であって、第２の磁気素子（２３５）により作用される力に応じてコンプラアント材料（２２５）が調整されて、第２の部品（２１０）と少なくとも１つの磁気シール（２２０）との間のギャップ（２１５）を修正するよう動作し得る、第２の磁気素子（２３５）と、
第２の部品（２１０）に関連する回転運動に少なくとも部分的に基づいて電流を生成するよう動作する少なくとも１つの磁気シール（２２０）に結合され、該電流を測定するよう動作する少なくとも１つのセンサと、
少なくとも１つのセンサから電流情報を受け取り、少なくとも１つの磁気シール（２２０）により生成される電流に少なくとも部分的に基づいてギャップ（２１５）に関連する空気流を決定するように動作し得る少なくとも１つのプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項１】
回転機械において、第１の磁気素子（２３０）及びコンプラアント材料（２２５）を含む少なくとも１つの磁気シール（２２０）を第１の部品（２０５）に装着する段階と、
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着し、第２の部品（２１０）が少なくとも１つの磁気シール（２２０）との間にギャップ（２１５）を設けるように第１の部品（２０５）に対して位置付けて、第２の磁気素子（２３５）が少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させるように動作可能であるようにする段階と、
コンプラアント材料（２２５）を調整して、第２の磁気素子（２３５）により作用される力に応じてギャップ（２１５）を修正する段階と
を含む方法。
【請求項２】
回転機械において、少なくとも１つの磁気シール（２２０）を第１の部品（２０５）に装着する段階が、タービン、圧縮機又はポンプの少なくともいずれかにおける第１の部品に少なくとも１つの磁気シールを装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着する段階が、タービンホイール、圧縮機ホイール、軸受組立体又はシャフトの１以上に第２の磁気素子を装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
コンプラアント材料（２２５）が、バッフル、圧潰性ホイル又は変形可能構造体の１以上を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
回転機械において、第２の磁気素子（２３５）を第２の部品（２１０）に装着する段階が、回転機械において永久磁石を圧縮機部品に装着する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
第２の磁気素子（２３５）が、サマリウム、コバルト、ネオジム、鉄又はホウ素の１種以上を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
第２の部品（２１０）に関連する回転運動に少なくとも部分的に基づいて少なくとも１つの磁気シール（２２０）により電流を生成する段階と、
少なくとも１つの磁気シール（２２０）により生成される電流に少なくとも部分的に基づいてギャップ（２１５）に関連する空気流を決定する段階と
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第２の部品（２１０）に装着された第２の磁気素子（２３５）が電磁石であり、当該方法がさらに、第２の磁気素子（２３５）に電流を提供し、少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させる段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第２の磁気素子（２３５）に提供される電流を調整してギャップ（２１５）を修正する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１の部品（２０５）及び第２の部品（２１０）を含む回転機械と、
第１の部品（２０５）に装着され、第２の部品（２１０）との間にギャップ（２１５）を設けるように第２の部品（２１０）に対して位置付けられ、第１の磁気素子（２３０）及びコンプラアント材料（２２５）を含む少なくとも１つの磁気シール（２２０）と、
第２の部品（２１０）に装着され、少なくとも１つの磁気シール（２２０）に対して力を作用させるように動作し得る第２の磁気素子（２３５）であって、第２の磁気素子（２３５）により作用される力に応じてコンプラアント材料（２２５）が調整されて、第２の部品（２１０）と少なくとも１つの磁気シール（２２０）との間のギャップ（２１５）を修正するよう動作し得る、第２の磁気素子（２３５）と、
第２の部品（２１０）に関連する回転運動に少なくとも部分的に基づいて電流を生成するよう動作する少なくとも１つの磁気シール（２２０）に結合され、該電流を測定するよう動作する少なくとも１つのセンサと、
少なくとも１つのセンサから電流情報を受け取り、少なくとも１つの磁気シール（２２０）により生成される電流に少なくとも部分的に基づいてギャップ（２１５）に関連する空気流を決定するように動作し得る少なくとも１つのプロセッサと
を備えるシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−６４３２５（Ｐ２０１１−６４３２５Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４９８５（Ｐ２０１０−２０４９８５）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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