JP5028918B2

JP5028918B2 - 回転物体用シール装置

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Publication number: JP5028918B2
Application number: JP2006244949A
Authority: JP
Inventors: 崇博田部井
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008064260A

Description

この発明は、蒸気タービンの回転軸などの回転物体がケーシングなどの静止物体を貫通する部位などに設けられる回転物体用シール装置に関するものである。

例えば蒸気タービンでは、蒸気タービンの回転軸などの回転物体がケーシングなどの静止物体を貫通する部位には、この部位から蒸気タービンの作動流体である蒸気が漏れ出るのを抑制するために、一般にラビリンスシールと呼ばれている複数の非接触式のシールフィンを用いた回転物体用シール装置が用いられている（例えば、特許文献１参照。)。また、前記シールフィンに替えて、多数本の線状体の束を回転物体の円形状外面部に対して円弧状の壁状に配列してなるブラシシールが採用された回転物体用シール装置が用いられているものもある（例えば、特許文献２参照。)。
特開２００２−３５７１０３号公報（第４−７頁、第１，２図）特開２００３−１４１３０号公報（第２，３頁、第９−１４図）

前述した従来技術によるラビリンスシール方式による回転物体用シール装置では、蒸気などの作動流体に対するシール性能を高めるためには、シールフィンの先端部とこの先端部が相対する静止物体側の部材との間の相互間隙を狭くすることが望ましい。しかし、回転物体がその回転に伴って振動を発生する場合には、この振動の発生時であってもシールフィン先端部が相対する静止物体側の部材と接触しないようにするために、止むを得ず前記相互間隙の間隙長を広くせざるをえない。この結果、ラビリンスシール方式の回転物体用シール装置を採用した場合には、そのシール性能の向上には限界がある。また、前述した異なる従来技術であるブラシシール方式の回転物体用シール装置は、作動流体のシールを行うのが多数本の線状体の束であり、この線状体は多くの場合に０．１０ｍｍ〜０．２０ｍｍ程度前後の太さを持つものである。したがって、ブラシシール方式の回転物体用シール装置では、線状体の先端部が相対する回転物体と接触した場合でも線状体が容易に変形するので、この線状体の先端部の相対する部位の回転物体との間の相互位置関係を、近接状態または接触状態にすることができることで、そのシール性能をラビリンスシール方式の場合よりも向上させることができる。

しかしながら、このような従来技術のブラシシール方式の回転物体用シール装置では、線状体の先端部の相対する部位の回転物体との間の相互位置関係が近接状態とされ、線状体の先端部の相対する部位の回転物体との間に僅かな間隙が設けられるように設定されたものであっても、回転物体にその回転に伴って振動が発生する場合には、線状体の先端部が相対する部位の回転物体と接触する頻度が増大する。これにより、回転物体用シール装置には線状体の摩耗・脱落によるシール性能の低下やブラシシールの寿命問題などの発生を招き、また、回転物体には、線状体の先端部と相対する部位に耐摩耗性処理を施すことが必要となることで、そのことによる製造原価の増大の問題が発生する。さらに、ブラシシール方式の回転物体用シール装置ではその線状体の曲げ剛性値が、ラビリンスシール方式のシールフィンの曲げ剛性値よりも極めて小さいために、作動流体により回転物体用シール装置に加えられる圧力により線状体が低圧側に曲げられる変形量が増大することで、ブラシシールが全体的に低圧側に押し曲げられ、シール性能の大きな低下が発生する虞がある。したがって、この発明の目的は、シール性能を確保しながら線状体と回転物体との接触頻度の低減が可能なブラシシール方式の回転物体用シール装置を提供することにある。

この発明では前述の目的は、
１）円形状の外面形状を持つ円形状外面部を有する回転物体とこの回転物体の前記円形状外面部と相対する内周面を有する静止物体との相互間に形成される間隙部を作動流体が通流することを抑制するために前記静止物体に配設されるシール装置において、剛性を有する多数本の線条体の束が前記回転物体の円形状外面部に対して円弧状の壁状に配列されるように前記静止物体に配設され、両側面部に高圧側、低圧側の空間を形成するブラシシールと、前記ブラシシールの低圧側の側面部に相対して設けられる背板体と、を有し、前記背板体は、前記ブラシシールの低圧側の側面部との間に、前記作動流体が前記高圧側から前記ブラシシールの内周面先端部と前記回転物体の円形状外面部との間隙を介して低圧側に漏れ出たものである漏れ流体を通流させる漏れ流体通路を形成するとともに、前記漏れ流体通路の終端部分に形成されて、この漏れ流体通路を通流した前記漏れ流体を前記低圧側の圧力を持つ空間に排出するための貫通孔を有し、前記ブラシシールの低圧側の側面部に加わる静圧を、前記線条体の先端部に近い部位よりも前記貫通孔に近い部位ほど小さい値としたことで前記線条体を前記低圧側へ拡大する力を働かせ、該拡大力と前記線条体の反力とをバランスさせることにより、前記ブラシシールの前記内周面先端部と前記回転物体の前記円形状外面部との前記間隙の間隙長を形成したこと、または、
２）前記１項に記載の回転物体用シール装置において、前記背板体は、前記漏れ流体通路の終端部分に円弧状に形成され、前記貫通孔に連通する凹溝を有すること、さらにまたは、
３）前記１項または２項に記載の回転物体用シール装置において、前記背板よりも下流の前記回転物体の周面部に、前記背板体の内周面と前記回転物体の円形状外面部の表面との間の間隙を通過する漏れ流体に対する流体抵抗となる流体抵抗体を備えることにより達成される。

この発明による回転物体用シール装置では、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記の効果を得られる。
（イ）前記課題を解決するための手段の項の第（１）項による構成とすることで、全体として長方形の断面を持つ円環状をなすブラシシールの低圧側の圧力が印加される低圧側の側面部と背板体との間に漏れ流体通流路が形成され、この漏れ流体通流路にブラシシールの内周側から外周側に向かう漏れ流体が通流するようにされる。漏れ流体通流路が持つ流体抵抗要素によってこの漏れ流体に生じる差圧がそのままブラシシールの低圧側の側面部に印加されることで、ブラシシールにブラシシールの内周側を拡げるように拡大力が作用することになる。この拡大力の作用によってブラシシールの線状体の先端部と回転物体の円形状外面部の表面との間に所定の間隙長を持つ間隙が形成されることで、装置の運転時においての線状体と円形状外面部との相互接触が防止されて、線状体の摩耗・脱落によるブラシシールのシール性能の低下とそれに伴うブラシシールの寿命問題などの防止が可能になる。また同時に、回転物体の円形状外面部の表面に施す耐摩耗性処理の不要化，あるいはその耐摩耗性度合いの軽減を図ることも可能になる。

また、ブラシシールの両側面と直交する方向には、前記低圧側の側面部と，高圧側の圧力が印加される高圧側の側面部のそれぞれに印加される静圧の差圧が印加されることで、高圧側の側面部のみに高圧の静圧が印加される従来例の場合よりも印加される圧力値が低減される。これに加えて、低圧側の側面部に印加される前記差圧の値はブラシシールの線状体の先端部に近づくにしたがってその値が小さくなるという分布を呈する利点がある。これ等のことが総合されて、高圧側の圧力によってブラシシールの線状体が低圧側の側面部の側に曲げられる変形を受けることによるその変形量が低減されることで、ブラシシールのシール性能を実質的に保持することも可能になる。また、
（ロ）前記課題を解決するための手段の項の第（２）項による構成とすることで、漏れ流体通流路に面する部位に形成された凹溝は全体としては円環状に形成されることによって、漏れ流体通流路内を通流する漏れ流体の円形状外面部の円周方向に関する流れ方が一様化され、このことにより、漏れ流体に生じる圧力損失、この圧力損失に起因する漏れ流体の静圧値の全低下量、この静圧値の全低下量により定まる線状体の基部に印加される漏れ流体の静圧値とこの静圧値が直接的に関与する前記拡大力も一様化される。そうして、拡大力が円形状外面部の円周方向に関して一様化されることで、線状体の先端部と円形状外面部の表面との間の間隙の前記間隙長の一様化が可能になる。さらにまた、
（ハ）前記課題を解決するための手段の項の第（３）項による構成とすることで、回転物体の円形状外面部とシール装置とのシール部分から漏れ出た漏れ流体から分流されて、背板体の内周面と前記円形状外面部の表面との間の間隙から流れ出る一方の漏れ流体の流れが流体抵抗体により邪魔されることでその流量が低減される。この結果、前記シール部分から漏れ出た漏れ流体から分流されて、前記漏れ流体通流路を通流する他方の漏れ流体の流量が増大されることで、他方の漏れ流体に生じる圧力損失を増大させる。この圧力損失の増大は前記（ロ）項で述べた関係から前記拡大力を増大させることになるので、この発明の回転物体用シール装置によって得られる効果の増大が可能になる。

以下この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
『実施の形態１』図１はこの発明の実施の形態の一例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は図１，図２に示した回転物体用シール装置のブラシシールに作動流体によって与えられる静圧を模式的に説明する説明図であり、（ａ）は図１におけるブラシシールの高圧側の側面部に与えられる静圧を示し、（ｂ）は図１におけるブラシシールの低圧側の側面部に与えられる静圧を示し、（ｃ）は図１におけるブラシシールの高圧側の側面部に与えられる静圧と低圧側の側面部に与えられる静圧との差圧を示す。図１，図２において、１は、この発明による回転物体用シール装置であり、７は、例えば回転軸などの回転物体であり、８は回転物体用シール装置１が装着される例えばケーシングなどの静止物体である。回転物体用シール装置１が配設される部位の回転物体７には、円形状の外面形状をした円形状外面部７１が形成され、この円形状の外面は回転物体７の回転中心位置（不図示）に対して同心とされている。

図２において、回転物体７の紙面における下側に描かれている円弧状の矢印は、この事例の場合の回転物体７の回転方向を示している。静止物体８は円形状外面部７１と相対されると共に円形状外面部７１と同心の円形状の内周面８１を有し、この内周面８１には回転物体用シール装置１を装着する部位に、例えば凹溝８２が円環状に形成されている。静止物体８の内周面８１と回転物体７の円形状外面部７１との間の間隙部９（後記間隙部９Ａと後記間隙部９Ｂを総称する場合には、このように称する。）は間隔寸法Ｌを有している。この間隙部９には、回転物体７と静止物体８とを備える装置が例えば蒸気タービンである場合には、蒸気タービンの運転中にはその作動流体である蒸気が満たされることになる。そうして、間隙部９が回転物体用シール装置１により仕切られることで回転物体用シール装置１の両側面の間には差圧が生じ、例えば、図１の紙面に向かって回転物体用シール装置１の左側となる間隙部９Ａは相対的に高圧となり、図１の紙面に向かって回転物体用シール装置１の右側となる間隙部９Ｂは相対的に低圧となる。

回転物体用シール装置１は、多数本の直線状の線状体３の束を回転物体７の円形状外面部７１に対して円弧状の壁状に配列することで，全体としては長方形の断面を持つ円環状の外形を持つブラシシール２と、このブラシシール２を支持して静止物体８の凹溝８２に装着するための円環状に形成された支持部４とを備える。全体としてのブラシシール２は間隙部９Ａに面していて作動流体である蒸気の相対的に高圧な圧力が印加される高圧側の側面部である側面２１と、作動流体である蒸気の相対的に低圧な圧力が印加される間隙部９Ｂに支持部４の後記背板体５を介して面している低圧側の側面部である側面２２とを持つが、これ等の側面２１，側面２２は形状・寸法が同一である。ブラシシール２に用いられる線状体３は、例えば、前記『特許文献２』において第９図，第１０図などを用いて説明されているブラシシール１０９で採用されている剛毛１０１と同等品である。この線状体３は、図２に示されているように、回転物体７の径方向に対して傾斜させて配設されている。ただし、この発明の回転物体用シール装置１では、円形状外面部７１の表面と対向することになる線状体３の先端部３ａは、回転物体７が回転していない場合には、円形状外面部７１の表面とほぼ接触している状態になるように設定されている。

支持部４はブラシシール２の側面２１の外周部分に当接される保持体４１と、ブラシシール２の側面２２の外周部分に当接される支持面５１を持つ背板体５とを有する。背板体５はこの発明の回転物体用シール装置１に特徴的な部材であり、前記支持面５１と、この支持面５１に対して寸法Ｄの段差を設けて形成された段差面５２と、この段差面５２の支持面５１側の終端部分に形成された貫通孔５５とを持つ。背板体５はその内周端面５ａと円形状外面部７１の表面との間に、狭い間隙Ｇ_５が形成されるように設定されている。また、貫通孔５５は、例えば、円周上にほぼ等間隔で形成された円形の貫通孔であり、この貫通孔５５を通流する後記漏れ流体９２の中心位置と回転物体７の円形状外面部７１との間の間隔寸法Ｌ_５５は、この事例の場合には前記間隔寸法Ｌよりも小さい値に設定されている。背板体５が前記のように形成されていることによって、ブラシシール２の側面２２と段差面５２との間には、回転物体７の軸長方向寸法が寸法Ｄの円環状の空間が形成されるが、この空間は漏れ流体９２を通流させる漏れ流体通流路５３であり、この漏れ流体通流路５３は貫通孔５５に連通されていることになる。なお、静止物体８，回転物体用シール装置１は組立・分解作業上の必要から、例えば、上下２分割などの複数に分割される構造とされている。

図１，図２に示すこの発明の実施の形態の一例による回転物体用シール装置１を前述の構成を持つようにしたことによって得られる特徴を、回転物体用シール装置１と，回転物体７および静止物体８とでなる装置が蒸気タービンであるとして説明する。まず、蒸気タービンに蒸気の供給が開始されてはいるが蒸気タービンがまだ停止状態にある場合には、間隙部９Ａの蒸気圧Ｐ_Ａが間隙部９Ｂの蒸気圧Ｐ_Ｂよりも高くなって、間隙部９Ａと間隙部９Ｂとの間に差圧が生じたとしても、この差圧によって線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間からの漏れ流体（漏れ蒸気でもあるが、説明の都合上このように記載する。）９１は実質的には発生しないとしてよい。その理由は、前述したように回転物体用シール装置１のブラシシール２の線状体３の先端部３ａが円形状外面部７１の表面とほぼ接触していることで、漏れ流体９１の通流に対する抵抗が大きいためである。

蒸気タービンが停止状態から回転状態に移行した場合には、回転物体７にその回転に伴って機械的振動が発生することは避けがたいために、この回転物体７の機械的振動によって、線状体３の先端部３ａと回転物体７の円形状外面部７１の表面とが衝突し合うことによって、線状体３の先端部３ａと回転物体７の円形状外面部７１の表面との間に若干の間隙が形成されることになる。そうすると、この間隙を通過して間隙部９Ａから間隙部９Ｂに向かう漏れ流体９１が生じる（図１を参照）。この漏れ流体９１は、ブラシシール２の側面２２に到達すると、漏れ流体通流路５３→貫通孔５５の流路を通流して間隙部９Ｂに達する漏れ流体９２（図１に矢印付き実線で示す。）と、背板体５の内周端面５ａと円形状外面部７１の表面との間の間隙Ｇ_５を通流して間隙部９Ｂに至る漏れ流体９３（図１に矢印付き点線で示す。）とに分流される。

この内の漏れ流体９２は、この発明の背板体５の持つ前記構成によって得られることができるようになった漏れ流体であり、漏れ流体通流路５３内をブラシシール２の側面２２に沿って、ブラシシール２の側面２２に位置する線状体３の先端部３ａを起点，貫通孔５５を終点として通流する流れである。なお、この漏れ流体９２は図１においては紙面に向かって上向きに通流するとして描いてあるが、回転物体用シール装置１と，回転物体７および静止物体８とでなる装置を全体的に見た場合には、漏れ流体９２は回転物体７の回転中心位置（図示せず）を中心として、漏れ流体通流路５３内を放射状に通流する流れである。そうして、ブラシシール２の側面２１には前記したように間隙部９Ａに満たされる作動流体である蒸気の相対的に高圧な圧力（静圧）Ｐ_Ａが印加される。間隔寸法Ｌの間隙部９Ａに満たされる蒸気の圧力は、この間隙部内では一様であるとしてよいので、これを表したのが図３（ａ）である。

圧力はスカラー量であるが、図３（ａ）の矢印は側面２１に印加される圧力（静圧）Ｐ_Ａが間隙部９Ａ内では一様な値を持つことを表したものである。漏れ流体９１は間隙部９Ａ内では図３（ａ）に示したＰ_Ａの圧力（静圧）値を持つが、線状体３の先端部３ａと回転物体７の円形状外面部７１の表面との間の間隙を通流する際に、ブラシシール２や円形状外面部７１との摩擦あるいは渦流損などの流体抵抗要素によって圧力損失が生じるので、ブラシシール２の側面２２に位置する線状体３の先端部３ａに到達した漏れ流体９１の静圧値Ｐ_２０は、間隙部９Ａ内での静圧値よりも低下している。漏れ流体通流路５３内を通流する漏れ流体９２の静圧値は、側面２２の線状体３の先端部３ａの位置ではこの部位を通流する漏れ流体９１の静圧値Ｐ_２０と同一である。

漏れ流体９２は漏れ流体通流路５３内を通流する際に、ブラシシール２や背板体５との摩擦あるいは渦流損などの流体抵抗要素によって圧力損失が生じるので、漏れ流体９２の静圧値は貫通孔５５に近づくに従って低下する。漏れ流体９２の平均流速が漏れ流体通流路５３内でほぼ均等であると大胆に仮定すると、この漏れ流体９２が通流するのにしたがってその静圧値が低下して行く割合はリニアであることになる。そうして、漏れ流体９２の静圧値の低下は漏れ流体９２が貫通孔５５に流れ込むことになる間隔寸法Ｌ_５５の位置まで継続し、間隔寸法Ｌ_５５に到達した漏れ流体９２の静圧は静圧値Ｐ_２１となる。そうして、円形状外面部７１から見て間隔寸法Ｌ_５５よりも遠い部位の漏れ流体通流路５３内では、漏れ流体９２の静圧値は間隔寸法Ｌ_５５における静圧値Ｐ_２１と同等の関係になる。これ等のことを表したのが図３（ｂ）である。また、漏れ流体通流路５３内を通流する漏れ流体９２が持つ静圧値は、ブラシシール２の側面２２が漏れ流体通流路５３を構成していることで、そのままブラシシール２の側面２２に印加される。図３（ｂ）の矢印は図３（ａ）の場合と同様に、側面２２の各部に印加される圧力（静圧）を示している。

また、図３（ｂ）は漏れ流体９２の静圧値が、線状体３の先端部３ａの位置では間隙部９Ａ内での静圧値Ｐ_Ａよりも低下した静圧値Ｐ_２０であり、漏れ流体９２が貫通孔５５に流入する間隔寸法Ｌ_５５の位置では静圧値Ｐ_２１を持つことを示している。さらに、図３（ｂ）は漏れ流体９２の線状体３の先端部３ａの位置から間隔寸法Ｌ_５５の位置までの間の圧力損失に起因する静圧値の低下割合がリニアであり、この圧力損失に起因する静圧値の全低下量がΔＰ_２になることを示している。ブラシシール２には、前述したように側面２１と側面２２のそれぞれに、図３（ａ）に示した静圧と図３（ｂ）に示した静圧が同時に印加されることで、ブラシシール２の側面２１，側面２２と直交する方向に関しては、全体としてはこれ等の静圧の差圧が印加されることになる。図３（ｃ）はブラシシール２に印加されるこの差圧を示しており、この差圧によりブラシシール２が加圧される加圧方向は、間隙部９Ａ内の静圧値Ｐ_Ａによりブラシシール２が加圧される場合の加圧方向と同一であることを示している。また、図３（ｃ）では、ブラシシール２の側面２１，側面２２と直交する方向に受ける差圧は、線状体３の先端部３ａの位置ではΔＰ_２０（ΔＰ_２０＝Ｐ_Ａ−Ｐ_２０）であり、間隔寸法Ｌ_５５の位置以遠ではΔＰ_２１（ΔＰ_２１＝Ｐ_Ａ−Ｐ_２１）であることを示している。

前記の図３（ｂ）に示した静圧がブラシシール２の側面２２に印加されることにより、例えば、ブラシシール２の線状体３の先端部３ａには静圧値Ｐ_２０の静圧が、また、ブラシシール２の支持部４で支持される線状体３の基部には静圧値Ｐ_２１の静圧がそれぞれ印加される。この図３（ｂ）に示した静圧は、全体としては円環状の外形を持つブラシシール２の内周部分から外周の近傍部分の間に広く印加されることになる。ブラシシール２がその外周の近傍部分で支持部４によって支持されていて固定されていることと、前記したように回転物体用シール装置１では静圧値Ｐ_２０＞静圧値Ｐ_２１の関係にあることによって、ブラシシール２の内周部分だけに限定しても静圧値Ｐ_２０と静圧値Ｐ_２１の差圧であるΔＰ_２によって、その内周径が拡大される方向に働くなど、拡大力Ｆを図２に白抜きの矢印で示したように受けることになる。

この拡大力Ｆを受けたブラシシール２は、傾斜させて配設されている線状体３がその剛性値に応じて撓むことで、線状体３の先端部３ａを連ねたブラシシール２の内周径が拡大する。ブラシシール２の内周径が拡大することは、ブラシシール２の線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間の間隙長を増大させることになるので、漏れ流体９１の通流に対する抵抗が減少して漏れ流体９１の流量が増大し、これに伴って漏れ流体９２の流量も増大する。流体の圧力損失を取り扱う分野ではよく知られているように、同一流路における流体の圧力損失値は流体の流速のほぼ２乗に比例する関係にある。したがって、漏れ流体通流路５３内の圧力損失に起因する漏れ流体９２に生ずる静圧値の全低下量に対応する差圧ΔＰ_２の値は、漏れ流体通流路５３内の漏れ流体９２の流速、すなわち、漏れ流体９２の流量のほぼ２乗に比例することになる。

このため、漏れ流体９２の流量の増大は、差圧ΔＰ_２の増大，ひいては拡大力Ｆの増大をもたらし、この結果、漏れ流体９２の流量のさらなる増大をもたらすことになる。しかし、線状体３に撓みが生じた場合には、その形状・寸法および物性値などから定まる剛性値に従って線状体３に反力が生じるので、線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間の間隙長は、最終的には、この反力が拡大力Ｆとバランスすることになるある値の間隙長に落ち着くことになる。図１では線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間の最終的な間隙長を間隙長Ｇで示し、図１〜図３では間隙長Ｇとなった場合の回転物体用シール装置１の状態を示している。そうして、この間隙長Ｇの値が前述した関係から定まるものであることから、間隙長Ｇの値は、回転物体用シール装置１と，回転物体７および静止物体８とでなる蒸気タービンの仕様が既知で有る場合には、線状体３を含むブラシシール２の仕様、支持部４とりわけ背板体５の形状・寸法を定めることにより予め決定することができる。

このために、この発明の回転物体用シール装置１と，回転物体７および静止物体８とでなる蒸気タービンの場合には、蒸気タービンが停止状態にある場合にブラシシール２の線状体３の先端部３ａが円形状外面部７１の表面とほぼ接触しているものであっても、蒸気タービンの定常運転時には、この発明の特徴である前記拡大力Ｆの作用により、線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間に所定の間隙長Ｇを持つ間隙が形成できることになる。こうしたことにより、定常運転時の回転物体用シール装置１では線状体３と円形状外面部７１の表面との間の相互接触が生じないために、線状体３の摩耗・脱落によるシール性能の低下と、それに伴うブラシシールの寿命問題などが発生せず、また、回転物体７は、線状体３の先端部３ａと相対する円形状外面部７１の表面に施す耐摩耗性処理を不要化，あるいはその耐摩耗性度合いの軽減を図ることができることになる。

前記『特許文献２』の第９図を用いて説明された従来例の場合には、ブラシシール１０９の側面と直交する方向にはＰ１（この発明の回転物体用シール装置１の間隙部９Ａの蒸気圧Ｐ_Ａに相当）のみが印加されることになっており、この発明の回転物体用シール装置１の場合のブラシシール２の側面２２に印加される図３（ｂ）に示した静圧は存在していない。しかし、この発明のブラシシール２の場合には前記したように、側面２２には図３（ｂ）に示した静圧が印加されることで、ブラシシール２の側面２１，側面２２と直交する方向には、図３（ｃ）に示した差圧が印加されることになり、その値は蒸気圧Ｐ_Ａ単体の場合よりも小さくなる。そうして、ブラシシール２の線状体３の基部付近に加わる差圧はΔＰ_２１であるが、ブラシシール２の線状体３の先端部３ａに加わる差圧はΔＰ_２１よりも小さいΔＰ_２０である。ブラシシール２の線状体３の側面２１，側面２２と直交する方向の変形量は、線状体３が支持部４で支持されていて，線状体３の基部で固定されていることから、材料力学の知見を用いると、断面形状・寸法が長さ方向に関して均一である片持梁において、分布荷重を受ける場合に生じる撓み量として把握することができる。

そうして、片持梁の先端部の撓み量を小さくするには，分布荷重による全荷重により片持梁の固定点に与えられるモーメントを小さくすればよいことになり、したがって、全荷重の値を一定とした条件下で片持梁の先端部の撓み量を小さくするには，固定点から離れた部位に加わる荷重の値を小さくすればよいことになる。図３（ｃ）に示された差圧値の分布は、前記した片持梁の先端部の撓み量を小さくする条件と合致していることが分かる。すなわち、前述したことを纏めると、この発明の回転物体用シール装置１では、ブラシシール２の線状体３の側面２１，側面２２と直交する方向に加わるのは蒸気圧Ｐ_Ａ単体よりも小さい値の図３（ｃ）に示したような差圧であり、しかも、この差圧の分布が線状体３の先端部３ａに近い部位ほど小さい値になっている。したがって、回転物体用シール装置１では、作動流体である蒸気により回転物体用シール装置１に加えられる相対的に高圧な圧力（静圧）Ｐ_Ａにより線状体３が背板体５側に曲げられる変形量が、前記『特許文献２』の第９図を用いて説明された従来例の場合よりも低減される。

そうして、この発明の回転物体用シール装置１では、線状体３が背板体５側に曲げられる変形量が前記のように従来例の場合よりも低減されることで、ブラシシール２のシール性能を実質的に保持することができようになると共に、前記拡大力Ｆの作用によって線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間に所定の間隙長Ｇを持つ間隙が形成されることで、線状体３の摩耗・脱落によるシール性能の低下やブラシシールの寿命問題などが解消され、また、円形状外面部７１の表面に施す耐摩耗性処理を不要，少なくとも軽減できることになるとの、大きな効果を得ることができることになる。

『実施の形態２』図４はこの発明の実施の形態の異なる例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図である。なお、以下の説明においては、図１，図２に示したこの発明の実施の形態の一例の回転物体用シール装置および関連する部材と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説明に用いる図中には、図１，図２で付した符号については極力代表的な符号のみを記すようにしている。図４において、１Ａは、図１，図２に示したこの発明による回転物体用シール装置１に対して、支持部４に替えて支持部４Ａを用いるようにした回転物体用シール装置である。支持部４Ａは図１に示した支持部４に対し、背板体５に替えて凹溝５８を持つ背板体５Ａを用いるようにしている。背板体５Ａが持つ凹溝５８は、段差面５２の支持面５１側の終端部分の漏れ流体通流路５３に面する部位に設けられて円弧状に形成されており、貫通孔５５はこの凹溝５８に連通させて形成されている。なお、回転物体用シール装置１Ａは組立・分解作業上の必要から、例えば、上下２分割などの複数に分割される構造とされているので、凹溝５８は全体としては円環状に形成されていることになる。

図４に示したこの発明の実施の形態の異なる例による回転物体用シール装置１Ａについて、前記回転物体用シール装置１についての説明内容を基にして説明する。図４に示すこの発明の実施の形態の異なる例による回転物体用シール装置１Ａでは前述の構成としたので、図１，図２に示したこの発明の実施の形態の一例の回転物体用シール装置１と対比すると、漏れ流体９２の漏れ流体通流路５３内の通流状態に特徴がある。すなわち、凹溝５８が漏れ流体通流路５３に面して前記のように形成されていることで、回転物体用シール装置１Ａの場合の漏れ流体９２は、漏れ流体通流路５３→凹溝５８→貫通孔５５の経路で通流して間隙部９Ｂに達する流れになる。この場合の漏れ流体９２の漏れ流体通流路５３内における通流状態は、ブラシシール２の側面２２に位置する線状体３の先端部３ａを起点として、凹溝５８に向けて漏れ流体通流路５３内を回転物体７の回転中心位置（図示せず）を中心として放射状に通流する。図４に例示した場合には、この漏れ流体９２は間隔寸法Ｌ_５５の位置付近を中心として凹溝５８に流れ込み、以降、凹溝５８内を通流して貫通孔５５に至り、貫通孔５５内を通流して間隙部９Ｂに達することになる。

回転物体用シール装置１Ａでは、凹溝５８が全体としては円環状に形成されていることによって、線状体３の先端部３ａからブラシシール２の側面２２に沿って放射状に凹溝５８に流れ込むまでの漏れ流体９２の円形状外面部７１の円周方向に関する流れ方は、凹溝５８を持たない前記この発明の回転物体用シール装置１の場合よりも一様化される。このことにより、漏れ流体９２の線状体３の先端部３ａの位置から間隔寸法Ｌ_５５の位置までの間の圧力損失に起因する静圧値の全低下量ΔＰ_２、したがって漏れ流体９２が間隔寸法Ｌ_５５の位置で持つ静圧値Ｐ_２１も、回転物体用シール装置１の場合よりも一様化される。そうして、この発明の回転物体用シール装置１に対する説明の中で既に述べたように、この静圧値Ｐ_２１は、ブラシシール２の側面２２に位置する線状体３の先端部３ａで漏れ流体９２が持つ静圧値Ｐ_２０と共に、拡大力Ｆの生成に関して直接的に寄与する要素であるので、拡大力Ｆの値が円形状外面部７１の円周方向に関して一様化されることになる。すなわち、この発明の回転物体用シール装置１Ａは、拡大力Ｆの値が一様化されることで、回転物体７の回転中心軸線（図示せず）上から見た場合に、線状体３の先端部３ａと円形状外面部７１の表面との間の間隙長Ｇを、この発明の回転物体用シール装置１の場合よりも一様化することができるという利点を得ることができる。

『実施の形態３』図５はこの発明の実施の形態のさらに異なる例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図である。図５において、１Ｂは、図１，図２に示したこの発明による回転物体用シール装置１に対して、流体抵抗体６を回転物体７に追加して備えるようにした回転物体用シール装置である。流体抵抗体６は、例えば、前記『特許文献１』において第１図を用いて説明されているシールフィン２４と同様の構造を持つ部材であり、背板体５の内周端面と円形状外面部７１の表面との間の間隙Ｇ_５に対面させて設けられる。このフィン状の流体抵抗体６は、例えば、回転物体７の円形状外面部７１に形成された円環状の凹溝７６に装着される。なお、流体抵抗体６は、組立・分解作業上の必要から、例えば、上下２分割に分割される構造とされる。

図５に示したこの発明の実施の形態のさらに異なる例による回転物体用シール装置１Ｂについて、前記回転物体用シール装置１についての説明内容を基にして説明する。図５に示すこの発明の実施の形態のさらに異なる例による回転物体用シール装置１Ｂでは前述の構成としたので、間隙部９Ａから間隙部９Ｂに向かって流れる漏れ流体９１から分流されて、前記間隙Ｇ_５から間隙部９Ｂに流れ出る漏れ流体９３（図５に矢印付き点線で示す。）は、その流れを流体抵抗体６により邪魔されることで、この発明による回転物体用シール装置１の場合よりもその流量が低減される。この結果、これも漏れ流体９１から分流される漏れ流体９２（漏れ流体通流路５３→貫通孔５５の流路を通流する。）の流量が回転物体用シール装置１の場合よりも増大される。『実施の形態１』の項で説明したように、漏れ流体９２の増大は漏れ流体９２の静圧値の全低下量ΔＰ_２を増大させ、また、この全低下量ΔＰ_２の増大は拡大力Ｆを増大させることになるので、回転物体用シール装置１Ｂでは、回転物体用シール装置１によって得られる効果が増大されることになる。

『実施の形態３』の項における前述の説明では、流体抵抗体６と組み合わされる回転物体用シール装置は回転物体用シール装置１であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、回転物体用シール装置１Ａであってもよい。

この発明の実施の形態の一例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図である。図１におけるＡ−Ａ断面図である。図１，図２に示した回転物体用シール装置のブラシシールに作動流体によって与えられる静圧を模式的に説明する説明図であり、（ａ）は図１におけるブラシシールの高圧側の側面部に与えられる静圧を示し、（ｂ）は図１におけるブラシシールの低圧側の側面部に与えられる静圧を示し、（ｃ）は図１におけるブラシシールの高圧側の側面部に与えられる静圧と低圧側の側面部に与えられる静圧との差圧を示す。この発明の実施の形態の異なる例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図である。この発明の実施の形態のさらに異なる例による回転物体用シール装置を関連する部材と共に示すその要部の側面断面図である。

符号の説明

１回転物体用シール装置
２ブラシシール
２１側面
２２側面
３線状体
４支持部
４１保持体
５背板体
５１支持面
５２段差面
５５貫通孔
７回転物体（回転軸）
７１円形状外面部
８静止物体（ケーシング）

Claims

円形状の外面形状を持つ円形状外面部を有する回転物体とこの回転物体の前記円形状外面部と相対する内周面を有する静止物体との相互間に形成される間隙部を作動流体が通流することを抑制するために前記静止物体に配設されるシール装置において、
剛性を有する多数本の線条体の束が前記回転物体の円形状外面部に対して円弧状の壁状に配列されるように前記静止物体に配設され、両側面部に高圧側、低圧側の空間を形成するブラシシールと、
前記ブラシシールの低圧側の側面部に相対して設けられる背板体と、を有し、
前記背板体は、前記ブラシシールの低圧側の側面部との間に、前記作動流体が前記高圧側から前記ブラシシールの内周面先端部と前記回転物体の円形状外面部との間隙を介して低圧側に漏れ出たものである漏れ流体を通流させる漏れ流体通路を形成するとともに、前記漏れ流体通路の終端部分に形成されて、この漏れ流体通路を通流した前記漏れ流体を前記低圧側の圧力を持つ空間に排出するための貫通孔を有し、
前記ブラシシールの低圧側の側面部に加わる静圧を、前記線条体の先端部に近い部位よりも前記貫通孔に近い部位ほど小さい値としたことで前記線条体を前記低圧側へ拡大する力を働かせ、
該拡大力と前記線条体の反力とをバランスさせることにより、
前記ブラシシールの前記内周面先端部と前記回転物体の前記円形状外面部との前記間隙の間隙長を形成したことを特徴とする回転物体用シール装置。
請求項１に記載の回転物体用シール装置において、前記背板体は、前記漏れ流体通路の終端部分に円弧状に形成され、前記貫通孔に連通する凹溝を有することを特徴とする回転物体用シール装置。
請求項１または２に記載の回転物体用シール装置において、前記背板よりも下流の前記回転物体の周面部に、前記背板体の内周面と前記回転物体の円形状外面部の表面との間の間隙を通過する漏れ流体に対する流体抵抗となる流体抵抗体を備えることを特徴とする回転物体用シール装置。