JP4008790B2 - 板ブラシシール装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸と相対部品との間をシールする板ブラシシール装置に関する。
更に詳しくは、例えば、航空機、ガスタービン等の回転軸と相対変位する相対部品との間をシールする板ブラシシール装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
本発明の関連技術には、図６に示すブラシシール装置１００Ａが存在する。
図６は、回転軸１２０が貫通するケーシング１１０との間に取り付けられたブラシシール装置１００Ａの断面図である。このブラシシール装置１００Ａはケーシング１１０に取り付けられて回転軸１２０との間を剛毛１０１により仕切って被密封流体をシールしている。
【０００３】
このブラシシール装置１００Ａは、全体がリング状に形成されて、ケーシング１１０の取付溝部１１２に取り付けられる。そして、ブラシシール装置１００Ａの主要な構成は、ブラシシール１０９と背板１０２と支持板１０３である。このブラシシール１０９は、多数の剛毛１０１が軸方向へ複数に配列されると共に、その複数の配列が円周に沿って密接に配列されて壁状を成している。このブラシシール１０９は一端部が結合されて取付部１０４を形成している。又、ブラシシール１０９の自由端面１０５は回転軸１２０に間隙を設けて嵌合している。この剛毛１０１の線径は、一般に、０．０５ｍｍから０．５ｍｍのものが用いられている。そして、その本数は、前周で何万、何十万本となる。
【０００４】
このブラシシール１０９の低圧側領域Ｐ２側の側面には、環状に形成された背板１０２が側面１０８をブラシシール１０９と接触状態にして配置されおり、この背板１０２は、高圧側領域Ｐ１の被密封流体の圧力を受けても剛毛１０１が変形しないように支持している。
又、ブラシシール１０９の他方の面には、保持板１０３がリング板に形成されて背板１０２との間でブラシシール１０９の取付部１０４側を狭持している。この保持板１０３は、ブラシシール１０９の自由端側が動きの自由度を発揮できるように径方向の幅が狭くされてブラシシール１０９を被密封流体側に露出させている。
【０００５】
そして、背板１０２とブラシシール１０９の取付部１０４と保持板１０３とは、一端が溶接されて結合部１０６を成している。ブラシシール装置１００は，少なくとも、剛毛１０１からなるために背板１０２を必要とする。
この結合部１０６に於いて、前述したように剛毛１０１は細線から形成されているから、剛毛１０１を厚肉の背板１０２と保持板１０３との間に挟持して溶接すると、剛毛１０１が背板１０２や保持板１０３よりも早く溶けてしまうので、特殊の溶接機で溶接しなければならない。このために製造がコスト高になる。
【０００６】
又、このブラシシール１０９は、何万本数の剛毛１０１がある厚さの束にされて周方向に沿って配列されると共に、回転軸１２０の径方向に対して回転軸１２０の回転する方向へ傾斜させることもある。
このように剛毛１０１を傾斜した状態にして多数の剛毛１０１を配列することは、剛毛１０１が細線であり、しかも短いから、その剛毛１０１の配列及び溶接が困難をきたしている。
【０００７】
更に、このブラシシール１０９の正常状態は、図６の実線で示すように、回転軸１２０を自由端面１０５に接触又は近接状態に嵌合する必要がある。このために、ブラシシール１０９の自由端面１０５は、回転軸１２０に嵌合するようにワイヤ放電加工機などにより精密仕上げに加工されている。しかし、剛毛１０１は変形しやすいので、この加工が極めて困難になっている。そこで、ブラシシール１０９の自由端面１０５は、回転軸１２０に対してＣの間隙を設けて嵌合しているのが現状である。
更に、剛毛１０１は、細線から製作されているから、ブラシシール１０９の自由端面１０５側の各剛毛１０１に高圧側領域Ｐ１における被密封流体の圧力を受けると、各剛毛１０１間に間隙が生じて被密封流体が低圧側領域Ｐ２へ流出するため、シール能力を向上させることが困難である。
【０００８】
又、他の関連技術として、図７に示すブラシシール装置１００Ｂが存在する。この図７は、薄板の板ブラシ（ストリップ）２０９を回転軸１２０の周方向に積層状態に重ねて高圧側領域Ｐ１と低圧側領域Ｐ２をシールするものである。
この板ブラシ２０９の外周部は、ろう付部２０５により接着して取付部１０４に形成されている。そして、この取付部１０４はケーシング１１０の溝部に取り付けられる。又、板ブラシ２０９の低圧側領域Ｐ２側の側面には背板１０２が配置されていると共に、高圧領域側Ｐ１側の側面には保持板１０３が配置されており、この両板１０２，１０３により板ブラシ２０９の両側を支持している。そして、環状を成す多数の板ブラシ２０９により被密封流体をシールする。
【０００９】
しかし、板ブラシ２０９は剛性があるので、板ブラシ２０９の自由端面と回転軸１２０の外周面との間隔を大きくして嵌合しなければならず、この間隙により被密封流体をシールする能力に問題が生じる。叉、この板ブラシ２０９と回転軸１２０との間隙が大きいために間隙を一定に組み立てることが困難である。
しかも、板ブラシ２０９は、０．０５ｍｍから０．５ｍｍのような薄板を方形に加工すると共に、傾斜しなければならないので、この板ブラシ２０９は、傾斜方向へ滑るので、積層した配列が困難である。特に、板ブラシ２０９を３０°以上に傾斜させて配列しようとすると、各板ブラシ２０９の自由端側が不揃いになるので、シール能力が低下する。
【００１０】
更に、被密封流体の圧力が作用する方向に接合して重ねられる板ブラシ２０９は、単なる平板のみ、叉は回転軸１２０の回転反対方向へ曲げられている。このために、板ブラシ２０９に回転軸１２０が振動したり偏芯したりして当接したときに板ブラシ２０９は当接方向へ弾性変形することが困難になる。その結果、板ブラシ２０９の自由端は、回転軸１２０との摩擦により摩耗してシール能力を更に低下させることになる。更に、回転軸１２０は板ブラシ２０９との摩擦により回転軸１２０の動力ロスを惹起する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その技術的課題は、板ブラシシール装置が回転軸と当接しても容易に弾性変形して摩耗するのを防止することにある。更に、板ブラシシール装置を回転軸に密接状態に嵌合可能にして、シール能力を向上させることにある。
【００１２】
更に、板ブラシシール装置の組立を容易にして組立コストを低減することにある。 特に、板ブラシシール装置は、板ブラシの整列・組立作業を容易にすると共に、板ブラシの長手方向の長さが短い場合でも弾性変形能力を発揮させることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述のような課題を解決するために成されたものであって、その課題を解決するための技術的手段は、以下のように構成されている。
【００１４】
請求項１に係わる本発明の板ブラシシール装置は、間隙を有して相対移動する一方のケーシングの孔の周りに取付けられて他方のロータの外周面との間をシールする板ブラシシール装置であって、薄板状の一端側に基板部を有するとともに他端側にシール板部を有する板ブラシと、板ブラシの基板部をロータの外周の周りに対向板面が互いに合わされて環状体に形成するとともにケーシングに取り付け可能にされた取付部と、板ブラシのシール板部も対向板面が互いに合わされてロータの外周の廻りに環状に形成されて被密封流体をシールするシール部とを具備し、シール部には基板部側から自由端部側に向かってロータの移動方向へ曲げられて湾曲部に形成したシール板部を有し、且つ湾曲部の自由端部側の対向板面間の間隙が湾曲部の取付部側の対向板面間の間隙よりも大きく形成されているものである。
【００１５】
この請求項１に係わる本発明の板ブラシシール装置では、一方の相対部品（ケーシングとも言う）に取付部の各基板部が傾斜することなく配列できるので、この配列状態に組立てることが極めて容易になる。しかも、各板ブラシを円環状に配列するとき、板ブラシの基板部の端面を治具の保持面に接合して配列すれば、板ブラシのシール板部は湾曲部に曲げられているから、配列が簡単になる。更に、板ブラシは、他方の相対部品に対して曲げられた状態で弾性変形可能に対面できるので、他方の相対部品と間隙の少ない接合状態に配置できる（同時に、湾曲部により被密封流体の圧力を受ける面に対しても強度が増す）。この為に、シール部におけるシール板部の他方の相対部品との接合面間は間隙が少なくなるから、シール部の能力を向上することが可能になる。
更に、シール部における板ブラシのシール板部は湾曲部に曲げられているとともに湾曲部の対向板面間に間隙が設けられているから（図４及び図５に示すように、シール板部の自由端部側の厚さが徐々に狭くしたり、長いシール板部の両側に長さの短いシール板部を配列することにより、結果的に、自由端部側の対向板面間に間隙が形成される）他方の相対部品が当接しても弾性変形により摩擦が低減できる。この為に、シール部の他方の相対部品に対する摩擦を低減することが可能になると同時に、弾性変形能力により、摩擦による摩耗を防止できる。また、シール部の摩耗によるシール能力の低下を湾曲部の構成により防止することが可能になる。
【００１６】
請求項２に係わる本発明の板ブラシシール装置は、シール部における湾曲部の自由端部側の対向板面間の間隙は、自由端部の長さが異なる板ブラシを複数枚重ねて一対にした積層板ブラシをさらに連続に重ねて合わせて形成されているものである。
【００１７】
この請求項２に係わる本発明の板ブラシシール装置では、全体を環状に形成したときに、環状の外周長さが内周長さより長くなる分、同一厚さの板ブラシを環状に配列したときに外周側の板ブラシの配列面間に間隙が生じるが、自由端部側が長くされた各板ブラシの間に短い板ブラシを配列すると板ブラシの配列面間の間隙が少なくなる。このため、板ブラシシール装置のシール能力を向上させることが可能になる。
更に、シール部において、各自由端部の長さが異なる板ブラシが配列されているので、シール部の他方の相対部品に対する弾性変形が向上し、他方の相対部品と接触したときの摩擦・摩耗を防止することが可能になる。
【００１８】
請求項３に係わる本発明の板ブラシシール装置は、シール部における湾曲部の自由端部側の対向板面間の間隙は、各シール板部の自由端部の長さが長いのと短いのとを重ね合わせて交互に変えて形成されているものである。
【００１９】
この請求項３に係わる本発明の板ブラシシール装置では、各シール板部の自由端部の長さを異にしてシール部における自由端部の長い各シール板部の配列方向の両側に自由端部側が短いシール板部を配列してそこに間隙を形成しているから（自由端部方向から見ると凹凸に形成される）、板ブラシの配列間の間隙により各シール板部の湾曲部における弾性変形が容易になる。特に、シール部における配列間の間隙は、板ブラシの肉厚を必要に応じて薄くすることができるので、シール部の全体の弾性変形能力を向上することが可能になる。同時に、シール部のシール能力を向上させることが可能になる。
【００２０】
請求項４に係わる本発明の板ブラシシール装置は、シール部における湾曲部の自由端部側の対向板面間の間隙は、取付部側より自由端部側に向かって徐々に薄肉に形成された各シール板部間により形成されているものである。
【００２１】
この請求項４に係わる本発明の板ブラシシール装置では、各板ブラシのシール板部側が取付部側よりも徐々に薄肉に形成された結果、配列された対向板面間に間隙が形成されているので、板ブラシの自由端部側の湾曲部と相まってシール板部の弾性変形能力を向上させることが可能になる。特に、環状を成す板ブラシシール装置は、周りの長さにおける内周と外周との周長さ差を板ブラシの厚肉の調整により解消して間隙が生じるのをなくすことができるから、取付部の各基板部間の側面間にスペーサを設けなくとも、各板ブラシを配列したのみで間隙のない環状に形成することが可能になる。このため、板ブラシシール装置の取付部側のシール能力が向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる好ましい１実施の形態の板ブラシシール装置を図面に基づいて詳述する。尚、以下の図面は、設計に基づいて描いた図面である。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施の形態を示すものであって、ガスタービンのケーシング５０の孔５０Ａにロータ６０が嵌通した両部品間の間隙を高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とに仕切るように組み込んだ板ブラシシール装置１を軸方向へ断面にした半断面図である。
【００２４】
この図１において、板ブラシシール装置１は、ケーシング（一方の相対部品）５０とロータ（他方の相対部品叉は回転軸）６０との間に組み立てられている。板ブラシシール装置１を構成する板ブラシ３は、図１に示すように方形状に形成されて、一方にシール板部３Ａを設けるとともに、他方に基板部３Ｂを設けている。
この板ブラシシール装置１の取付部２Ａは、板ブラシ３をロータ６０の周面に沿って環状に配列（以下、配列を積層とも言うが、積層とは各図に示すように並べるという意味であって、上下に重ねると言う意味ではない）した基板部３Ｂの両側に背板部２Ａ１と保持部２Ａ２とを取り付けるとともに、各部品を一体に溶接して形成する。なお、この背板部２Ａ１と保持部２Ａ２とを断面Ｕ字形状に一体に形成して環状に配列された基板部３Ｂの外周を覆うように挟持しても良い。そして、板ブラシシール装置１の取付部２Ａは、構成部品の一方の相対部品であるケーシング５０の内周面に設けられた段部５１にスナップリング１４を介して取り付けられている。この背板部２Ａ１は、板ブラシシール装置１の取付部２Ａ側におけるシール部２Ｂの板ブラシ３の積層間に隙間がある場合に被密封流体をシールする役目をする。従って、板ブラシ３の積層間に間隙が少ない場合には、背板部２Ａ１を設けなくとも被密封流体をシールすることが可能になる。
また、図１に示すように、シール部２Ｂは、取付部２Ａの内周側にあって、各板ブラシ３を環状に配列した各シール板部３Ａにより形成する。
【００２５】
図２は、板ブラシシール装置１のシール部２Ａ側がロータ６０に嵌合した状態を示す１部の正面図である。
この板ブラシシール装置１のシール部２Ｂは、図２に示すように、板ブラシ３の自由端部５側がロータ６０の回転方向へ向かって湾曲部３Ａ１に形成されている。この板ブラシ３は、図４に示すように、基板部３Ｂから自由端部５に向かって徐々に薄肉に形成されて積層した対向板面間に間隙を形成している。その薄肉に変化する全体の寸法割合は、環状体の内径と外径の寸法差を考慮して積層したときに、積層した対向板面間に隙間がないように形成されている。
この板ブラシシール装置１のシール部２Ｂの自由端部５は、他方の部品であるロータ６０の外周面と０．０１から１ｍｍというような微小な間隙で嵌合している。この状態で、板ブラシシール装置１により高圧Ｐ１側の被密封流体をシールするものであるから、微小間隙から被密封流体が漏洩する量は、低圧Ｐ２側にも圧力があるから微小となる。
叉、シール部２Ｂは、湾曲部３Ａ１に形成されているために、ロータ６０と当接しても湾曲方向へ弾性変形するので、摩擦係数を低減することが可能になる。
【００２６】
図３は、本発明の第２実施の形態を示す板ブラシシール装置１の平面図である。この板ブラシシール装置１は、円環状に形成したものであり、板ブラシ３の基板部３Ｂの外周面を溶接して固着した取付部２Ａに形成したものである。この板ブラシシール装置１では、取付部２Ａに直接に背板部２Ａ１及び保持部２Ａ２が一体化されていない。この背板部２Ａ１を用いるか否かは、被密封流体の圧力の大きさに応じて選択できる。この背板部２Ａ１及び保持部２Ａ２は板ブラシシール装置１の補助部品に相当するものである。
板ブラシシール装置１のシール部２Ｂは、板ブラシ３の自由端部５側が湾曲部３Ａ１に形成されている。この板ブラシ３の湾曲部３Ａ１に曲げられた方向は、ロータ６０の回転方向である。
【００２７】
図４は、図３のＡ部を拡大したシール部２Ｂの正面図である。この図４に於いて、各板ブラシ３の基板部３Ｂは、積層しやすいように略同一肉厚に形成されている。そして、シール板部３Ａは、基板部３Ｂの端部から湾曲部３Ａ１が形成されている。更に、シール板部３Ａは、この基板部３Ｂから自由端部５に向かって徐々に厚さが薄肉に形成されているので、図４に示すように、各対向板面間に間隙が形成される。そして、シール板部３Ａは、自由端部５に於いて弾性的可撓性を有するような薄肉に構成されている。
この各板ブラシ３は、環状に積層されており、基板部３Ｂは、径方向を成す平面を接合状態に積層されると共に、シール板部３Ａは、図４に示すよう形で湾曲部３Ａ１（図２を参照）が湾曲状態でロータ６０（図２を参照）と接合できる。そして、板ブラシ３の基板部３Ｂの積層面間（対向板面間とも言う）には、ほとんど隙間がなくなるように接合する。
この第２実施の形態の板ブラシシール装置１に於いても、シール部２Ｂは、湾曲部３Ａ１の構成と、薄肉にしたシール板部３Ａの構成とにより、被密封流体に対するシール能力の向上と共に、ロータ６０の当接に対して弾性変形能力により摩擦係数の低減を可能にしている。
【００２８】
図２及び図４に示す板ブラシ３の自由端部５に向かって徐々に薄肉にする加工は、ニッケル基合金、ステンレス鋼、鋼板等の金属薄板に板ブラシ３の形状をレジストによりパターン形成する。このレジストは、０．０５ｍｍから０．５ｍｍの厚さの金属薄板の表面をクリーニングし、その後に金属薄板の表面にスクリーン印刷法、ドライフイルム／写真法、液体レジスト／写真法により板ブラシ３のパターンにレジストする。
そして、板ブラシ３の自由端部５に向かって徐々に薄肉にする加工は、エッチングにより簡単に形成できる。このエッチングはレーザエッチング、プラズマエッチング、化学処理エッチング、ショットブラスト等の加工により精密にして簡単にできる。これらの加工は、マイクロ加工を含めて最近の加工技術で簡単に製作できるので、詳細は省略する。
その他の構成は、図１叉は図２の同一符号で示すものと同様である。
【００２９】
図５は、本発明の第３実施の形態を示す板ブラシシール装置１の１部の正面図である。この板ブラシシール装置１の板ブラシ３は、長さの異なる４枚が一対を成して積層板ブラシ４に構成する。シール部２Ｂは、この自由端部５の長さが異なる各板ブラシ３を配列してシール部２Ｂの自由端部５側が内周側から見て凹凸になるように積層されるとともに、湾曲部３Ａ１により湾曲にされているから、シール部２Ｂの積層面間に隙間を少なくするように形成できる。各板ブラシ３は、厚さが略一定の薄板から製作される。この板ブラシ３の材質はステンレス鋼、ニッケル基合金、鋼、セラミック材製の薄板である。そして、板ブラシ３は薄肉に形成できるから、３枚を一組叉は６枚を一組のように積層して積層板ブラシ４に形成できる。
このように略同一厚さの板ブラシ３を積層して板ブラシシール装置１に形成すると、シール部２Ｂの弾性変形力が増加してロータ６０との摩擦係数を低減できる。
しかも、シール部２Ｂは、長さが異なる板ブラシ３により密集積層しているから、シール能力も向上する。
その他の構成は、図１叉は図２の同一符号で示すものと同様である。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の本発明に係わる板ブラシシール装置によれば、板ブラシの取付部側の各基板部を積層すると共に、シール板部の湾曲部を互いに接合して積層すると、積層に於いて、板ブラシが滑ることなく簡単に積層させることが可能になるので、多数の板ブラシを組み立てるとき、組立コストを低減できる効果を奏する。
叉、板ブラシのシール板部は湾曲部に形成されているから、他方の部品の当接に対して曲げられた状態で弾性変形可能に対応できるので、摩擦係数が小さくなる。そして、シール部の他方の部品に対して摩耗が防止できる効果を奏する。
更に、湾曲部に形成された板ブラシの積層されたシール部は、他方の部品に微小な間隔叉は接合状態で嵌合できるから、間隙を無くしてシール部のシール能力を向上することが可能になる。
【００３１】
請求項２の本発明に係わる板ブラシシール装置によれば、環状を成す板ブラシシール装置に於いて、外周長さが内周長さより長くなる分、同一厚さの板ブラシを積層すると外周側の板ブラシ間に間隙が生じるが、長い各板ブラシの間に短い板ブラシを積層するとシール部の積層間隙が少なくなるから、シール能力を向上させる効果を奏する。叉、板ブラシを支持する背板も省略できるから部品点数を少なくできる効果を奏する。
更に、シール部は、各長さの異なる板ブラシが積層されているので、シール部の弾性変形が向上して他方の部品との摩擦・摩耗を防止できる効果を奏する。
【００３２】
請求項３の本発明に係わる板ブラシシール装置によれば、各板ブラシのシール板部側の長さが凹凸に積層された積層板ブラシが連続に積層されているから、板ブラシの長さの異なるシール板部により弾性変形能力が更に向上し、摩耗を防止する効果を奏する。しかも、長さの異なる板ブラシからなるシール部により、シール板部の積層間に間隙が少なくなるから、シール能力が更に向上できる効果を奏する。
【００３３】
請求項４の本発明に係わる板ブラシシール装置によれば、各板ブラシのシール板部側が取付部側よりも徐々に薄肉に形成されているので、板ブラシの自由端部側の湾曲部と相まってシール板部の弾性変形能力を向上させる効果を奏する。
更に、板ブラシの自由端部が薄肉に形成されているから、他方の部品に接合状態に接合しても摩擦力が小さいので、他方の部品との接合間隙をなくすことができ、シール能力を向上できる効果を奏する。
特に、内径に向かって薄肉にされた板ブラシは、環状を成す板ブラシの各基板部間にスペーサを設けることなく、板ブラシを積層したのみで環状に形成することが可能になるので、組立コストが大きく低減できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる板ブラシシール装置の半断面図である。
【図２】図１に示す軸方向の板ブラシシール装置の１部の正面図である。
【図３】本発明の第２実施の形態を示す板ブラシシール装置の平面図である。
【図４】図３の板ブラシシール装置のＡ部の拡大図である。
【図５】本発明の第３実施の形態を示す板ブラシシール装置の１部の正面図である。
【図６】本発明に関連する従来の板ブラシシール装置を取付箇所に装着した半断面図である。
【図７】本発明に関連する従来の板ブラシシール装置を取付箇所に装着した斜視図である。
【符号の説明】
１ 板ブラシシール装置
２Ａ 取付部
２Ａ１ 背板部
２Ａ２ 保持部
２Ｂ シール部
３ 板ブラシ
３Ａ シール板部
３Ａ１ 湾曲部
３Ｂ 基板部
４ 積層板ブラシ
５ 自由端部
５０ 一方の部品（ケーシング）
５１ 段部、６０ 他方の部品（ロータ）

Claims (4)

1. 間隙を有して相対移動する一方のケーシングの孔の周りに取付けられて他方のロータとの間をシールする板ブラシシール装置であって、
   薄板状の一端側に基板部を有するとともに他端側にシール板部を有する板ブラシと、
   前記板ブラシの前記基板部を前記ロータの外周の周りに対向板面が互いに合わされて環状体に形成するとともに前記ケーシングに取り付け可能にされた取付部と、
   前記板ブラシの前記シール板部も前記対向板面が互いに合わされて前記ロータの外周の廻りに環状に形成されて被密封流体をシールするシール部とを具備し、
   前記シール部には前記基板部側から自由端部側に向かって前記ロータの移動方向へ曲げられて湾曲部に形成された前記シール板部を有し、且つ前記湾曲部の前記自由端部側の前記対向板面間の間隙が前記湾曲部の前記取付部側の前記対向板面間の間隙よりも大きく形成されていることを特徴とする板ブラシシール装置。
2. 前記湾曲部の自由端部側の前記対向板面間の間隙は、自由端部の長さが異なる前記板ブラシを複数枚重ねて一対にした積層板ブラシをさらに連続に重ねて合わせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の板ブラシシール装置。
3. 前記湾曲部の自由端部側の前記対向板面間の間隙は、各前記シール板部の自由端部の長さが長いのと短いのとを重ね合わせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の板ブラシシール装置。
4. 前記湾曲部の前記自由端部側の前記対向板面間の間隙は、前記取付部側より前記自由端部側に向かって徐々に薄肉に形成された各前記シール板部の間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の板ブラシシール装置。

Images