JP2009024872A - 動的ブラシシール - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の欠点を克服する動的ブラシ付きシールを提供すること。
【解決手段】シールはロータ（１８）とステータとの間の空隙の封止を実現できる。シールはロータ（１８）またはステータに固定された繊維遮断物（４）の収容体を備える。繊維遮断物は、片側では上流側圧力、他方側では下流側圧力を受け、上流側圧力は下流側圧力より高い。繊維遮断物（４）は、圧力が低い位置の、すなわち下流側圧力の位置のシール面とある角度を有するように、ステータまたはロータ（１８）上に支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータとステータとの間の封止を実現する動的ブラシ付きシールに関する。

この種類のブラシ付きシールは、主に、空気を含む区画室と空気およびオイルの混合物を含む区画室との間の封止を形成するため、あるいは高圧および低圧コンプレッサおよび高圧および低圧タービン内の空気を含む２つの区画室の間の封止を形成するために使用される。

より詳細には、本発明は非金属繊維遮断物からなるブラシ付きシールに関し、このシールは、ロータまたはステータに固定された繊維遮断物の収容体を備える、ロータとステータとの間の空隙の封止を実現できる。繊維遮断物は、片側では上流側圧力、他方側では下流側圧力を受け、上流側圧力は下流側圧力より高い。

このような用途に現在使用されるシールは、充填物の損失、したがって生産品の減少を発生する、磨耗性の複数の断面制限体と称される、軟質材料のリング内に形成するタング（ｔｏｎｇｕｅ）と呼ばれる環状歯を備える、ラビリンス式シールである。このようなシールでは、空気の透過性が高く、この結果ターボ機械はオイルを消費し、コスト上昇を招き、また環境に対して有害となる。

一般に、機室の空気をサンプリングするためのキャビティの封止を実現するブラシ付きシールも知られている（ＥＰ１５１７００６）。このキャビティは、第１には、コンプレッサの外部シェルおよびこのシェルに結合された環状構造体と、第２には、ディフューザグリッドの外部ハウジング、外部ハウジングに結合された当接部およびモータハウジングの外部シェルによって形成される。シールは繊維遮断物を備え、この繊維遮断物は、半径の外側方向に延び、および環状構造体の一体部分を形成し、ブラシ付きシールを取り囲む、円筒形シールの内側面で支持されている。しかし、この種類のシールは、磨耗の問題のない場合には固定的なシールを形成する。

ガスタービン燃焼室における自己調節ブラシ付きシールも知られている（ＵＳ５４００５８６）。ガスタービンは、タービンの出力端に取り付けた燃焼室と、第１段パイプから間隔を空けた移行部分とを組み込んでいる。ブラシ付きシールは、移行部分と第１段パイプとの間の封止を実現する。シールは、移行部分または第１段パイプのいずれかで支持される封止シェルを備える。ガスケットは、封止シェルと接触して移行部分と第１段パイプとの間に含まれる空間の漏れを防止する、繊維遮断物を備える。この種類のシールはまた、固定的な封止を形成し、磨耗による問題も発生しない。

１９５０年代以来ターボ機械用途において使用されてきた、金属ブッシュを有するシールもまた知られている。この技術に関して留意すべき最も重要な点は、圧力に耐える隔壁に毛を押し付ける必要があることである（後部リング）。この結果、印加圧力に比例してブラシを硬化させ、この結果、これら条件の下で存在する空隙を遮蔽する場合、ブラシの磨耗を加速させる可能性がある。少なくともロータとの接触により、シールの磨耗が加速され、封止特性の劣化を招く。
欧州特許第１５１７００６号明細書 米国特許第５４００５８６号明細書 英国特許出願公開第２２９１９３９号明細書 欧州特許出願公開第１５５９８７３号明細書 英国特許出願公開第２２５０７９０号明細書 欧州特許出願公開第０５７６３１６号明細書 独国特許出願公開第３９０７６１４号明細書

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する動的ブラシ付きシールである。これらの目的は、繊維遮断物が、圧力の最も低い位置の、すなわち下流側圧力の位置のシール面とある角度を有するように、ステータまたはロータ上に支持されるようにすることにより、本発明によって達成される。

この特性のため、ロータまたはステータとの接触圧力を提供する繊維遮断物の弾力性が、繊維遮断物を着座位置から持ち上げる空気力と釣合い、これにより、ロータまたはステーへの接触圧力を最小限にする効果を有する。この方法により、シールの磨耗は可能な限り小さくできる。

運転速度においては、わずかな空隙が存在し、この空隙を横切って、わずかな空気流が生じるが、空気−オイル混合物（オイルミストを有する空気）に含まれるオイルはシールの下流側に維持され、これにより、オイル漏れは完全に回避される。

繊維遮断物は５°から４５°（それぞれの角度を含む）の間の角度αで、より好ましくは、１０°から３０°の角度で、出口の方向に傾斜している。

特定の１つの実施形態では、収容体はその上に繊維遮断物を巻き付ける内部包囲体と、繊維遮断物を取り囲む外部包囲体とを備える。

有利には、ブラシ付きシールは、外部包囲体と繊維遮断物との間に配置された、上流側リングと下流側リングとを備える。

有利には、内部包囲体と外部包囲体とはＣ字型を形成する。

好ましい実施形態では、ブラシ付きシールは内部包囲体の中心に置かれたコイルばねを備えるが、任意の種類の弾性リングもまたこの機能を提供できる。

特定の１つの実施形態では、下流側リングは面取り部を備える。

より好ましくは、ブラシ付きシールは支持体に取り付けられ、上記支持体はハウジングを備え、このハウジング内に収容体が収納され、ハウジング内に収容体を固定するストップリングがある。

特定の１つの実施形態では、下流側リングは支持体より短く、支持体はその上に繊維遮断物を支持して、皿形状を形成するシェルフを有する。

さらに好ましくは、ストップリングは収容体を押し付けることにより、収容体を変形させて、収容体と収容体のハウジングとの間の固定的なシールを実現する。

本発明はまた、本発明によるブラシ付きシールを備えるタービンまたはターボ機械コンプレッサに関する。

最後に、本発明は、本発明によるブラシ付きシールを備える、タービンおよび／またはコンプレッサを組み込んだターボ機械に関する。

本発明他の特徴および利点はまた、添付図面を参照する説明のために提示される実例の実施形態の以下の説明を読むことにより、明らかになるであろう。

図１では、ブラシ付きシールは、上方に向くＣ字型の内部包囲体２を備える。ブラシを形成する繊維遮断部４は内部包囲体の上に巻き付けられている。繊維遮断部は上流側リング６と下流側リング８とによって保持されている。上流側リング６および下流側リング８は、下方に向くＣ字型の形状を有する外部包囲体１０によって所定の位置に保持される。さらに、コイルばね１２が内部包囲体２の内部にある。内部包囲体はコイルばね１２上に支持されている。角度αは５°から４５°（それぞれの角度を含む）の間であり、より好ましくは、１０°から３０°の角度である。

ブラシ４は約６μｍの直径のカーボンの毛から形成されている。層の厚みは、用途に応じて１ｍｍから４ｍｍの間で変化する。

シールの取り付けは図２に示されている。参照符号１４は毛４の自由な長さを示すのに対して、参照符号１６はステータ１８上に支持された皿状の毛４の後部リングの下の高さを示す。ロータ１８の表面の垂線に対する毛の角度はαで示される。その皿状端部の曲率半径はρで示される。内部包囲体２、外部包囲体１０、上流側および下流側リング６、８は収容体を形成する。図３Ａでは、毛４はロータ１８上に支持されている。毛は上流側圧力および下流側圧力を受け、その圧力の差は差圧２０を生成する。毛４はロータ１８に接触圧力２２を加える。この接触圧力２２は、毛をロータ１８から持ち上げるように作用する差圧２０によって減少する。金属ブラシ付きシールと異なり、本発明は後部リングに毛を押し付けることによって圧力に反対に作用することを意図しない。後部リングの空隙は均一な寸法とされ、これにより、層はロータと後部リングとの間に移動できる。

図３Ｂに示されるとおり、毛はロータ１８上の毛の支持体から持ち上げることができる。この結果、毛の先端部とステータ１８との間にわずかな空隙が生じ、この空隙に漏れ流れが発生する。本発明により、この漏れを抑制できる。

取り付けると、後部リング８の下にブラシの偏りが生じる。空気力が層上に自由に加わり、高差圧においてロータから層を持ち上げることができる。透過特性は２．５バールを超えて大幅に低減するが、磨耗は加圧によって徐々に減少する。ブラシの剛性が封止圧力に一致することにより、作動中の運転速度における接触圧力を最小にし、したがってシールの磨耗を最小にする。

ロータへのブラシ圧力２８による磨耗速度の変化を表す曲線２６が図４に示されている。図で示される、磨耗速度は明らかにロータへのブラシ圧力にしたがって変化する。１００％のブラシ圧力では、磨耗速度は最大であり、その後、磨耗速度はロータへのブラシ圧力と共に減少し、ロータへのブラシ圧力が最小になると、最小値に達する。

要約すると、ブラシは低圧力においてのみ効果的である。ロータ／ステータ接触の実用寿命に対する最も有害な動作は減速である。これら条件における遅いスリップ速度は、多くの用途における磨耗速度の低減を保証する。

図５は、下流側リング８が面取り部３０を備える実施形態の変形形態を示す。この面取り部の機能はブラシ４の傾斜を容易にし、繊維遮断物のせん断を低減することである。図５には、毛は同じ長さでないことが示されている。これは特に、毛の先端部が図５において尖った形で表されている事実から来る。

図６は、ガスケットの収容体が支持体３２に取り付けられている状態を示している。支持体はハウジング３４を備え、ハウジング内に収容体が収納されている。ストップ３６は、ハウジング３４内の収容体を固定する。本発明の１つの特徴によれば、ストップ３６が収容体をわずかに押しつぶすように配置することにより、収容体を楕円形状にし、収容体の上部部分３８をハウジング３４の表面に押し付けて、収容体とハウジングとの間の固定的なシールを実現する。

図７には、下流側リング８を短くした実施形態の変形形態を示す。ハウジング３２は曲面３８を備え、この曲面上で毛４が支持されている。したがって、曲面３８の機能は図５に示された実施形態における面取り部３０の機能と同じである。曲面の目的は毛の自由端の傾斜を容易にすることである。

本発明によるブラシ付きシール等角図を示す。 ブラシの曲率を表す断面図を示す。 ロータへのブラシの接触圧力を示す詳細図である。 ロータから引き離されたブラシを示す詳細図である。 ロータへのブラシの接触圧力による磨耗速度を示す曲線である。 後部リング上にブレーキ領域を備える、図１に示されたガスケットの変形形態である。 ハウジング内に組み込まれたシールを示す等角図である。 シールが短い後部リングを備え、ハウジングが繊維遮断物を支持するためのシェルフを備える変形形態である。

符号の説明

２ 内部包囲体
４ 繊維遮断物
６ 上流側リング
８ 下流側リング
１０ 外部包囲体
１２ コイルばね
１４ 長さ
１６ 高さ
１８ ロータ
２０ 差圧
２２ 接触圧力
２６ 磨耗速度の変化曲線
２８ ロータへのブラシ圧力
３０ 面取り部
３２ 支持体
３４ ハウジング
３６ ストップ
３８ 収容体の上部部分
α 角度

Claims (12)

1. 非金属繊維遮断物からなり、ロータまたはステータに固定された繊維遮断物（４）の収容体を備える、ロータ（１８）とステータとの間の空隙の封止を実現できるブラシ付きシールにして、繊維遮断物が、片側では上流側圧力、他方側では下流側圧力を受け、上流側圧力は下流側圧力より高い、シールであって、
   繊維遮断物（４）が圧力が低い位置の、すなわち下流側のシール面とある角度を有するようにしてステータまたはロータ（１８）上に支持されていることを特徴とする、ブラシ付きシール。
2. 繊維遮断物（４）が５°から４５°（それぞれの角度を含む）の間の角度αで、より好ましくは、１０°から３０°の角度で、流れの方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載のブラシ付きシール。
3. 収容体がその上に繊維遮断物を巻き付ける内部包囲体（２）と、繊維遮断物を取り囲む外部包囲体（１０）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のブラシ付きシール。
4. 外部包囲体（１０）と繊維遮断物（４）との間に配置された、上流側リング（６）と下流側リング（８）とを備えることを特徴とする、請求項３に記載のブラシ付きシール。
5. 内部包囲体（２）と外部包囲体（１０）とがＣ字型を有することを特徴とする、請求項３または４に記載のブラシ付きシール。
6. 内部包囲体（２）の中心に置かれたコイルばね（１２）を備えることを特徴とする、請求項に記載のブラシ付きシール。
7. 下流側リング（８）が面取り部（３０）を備えることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載のブラシ付きシール。
8. 支持体（３２）に取り付けられ、前記支持体がハウジング（３４）を備え、ハウジング（３４）内に収容体および収容体を固定するストップ（３６）が収容されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のブラシ付きシール。
9. 下流側リング（８）が支持体（３２）より短く、支持体がその上に繊維遮断物（４）を支持して、皿形状を形成するシェルフ（３８）を有することを特徴とする、請求項８に記載のブラシ付きシール。
10. ストップ（３６）が収容体を押し付けることにより、収容体を変形させて、収容体と収容体のハウジング（３４）との間の固定的なシールを実現することを特徴とする、請求項８に記載のブラシ付きシール。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のブラシ付きシールを備えることを特徴とする、タービンまたはターボ機械コンプレッサ。
12. 請求項１１に記載のタービンおよび／またはコンプレッサを組み込んでいることを特徴とする、ターボ機械。

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