KR102089024B1 - 브러시 시일 - Google Patents

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KR102089024B1
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타케시 호소에
히데유키 이노우에
토루 코노
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이구루코교 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, 피밀봉 유체의 누설이 적은 브러시 시일을 제공한다.
복수의 브리슬이 묶어진 브러시(4)와, 상기 브러시의 저압측에 배치되고, 피밀봉 유체를 도입하는 홈(10)이 형성된 원환상의 백 플레이트(2)를 구비하는 브러시 시일에 있어서, 상기 홈(10)은, 상기 백 플레이트(2)의 둘레 방향 및 상기 브러시(4)의 연재 방향(B)에 대하여 경사져 복수 형성되어 있다.

Description

브러시 시일
본 발명은, 터빈 등의 회전 기계의 상대 회전하는 2부재 간을 시일하는 브러시 시일에 관한 것이다.
터빈 등의 회전 기계에는, 로터의 주위를 따라 고압측으로부터 저압측으로 기체가 새는 것을 억제하기 위해 시일이 이용되고 있다. 회전 기계의 스테이터와 로터의 틈새 변화나 편심(偏心)에 시일이 추종하여 밀폐 능력을 발휘하는 것이 요망되고 있으며, 이러한 관점에서, 래버린스 시일을 대신하여 극세의 브리슬을 묶은 브러시 시일이 채용되고 있다.
도 7에 나타나는 바와 같이, 종래의 브러시 시일(100)은, 극세의 브리슬이 묶어진 브러시(102)와, 고압측(H)의 사이드 플레이트(105)와, 저압측(L)의 백 플레이트(107)로 주로 구성되어 있다. 회전 기기의 가동시에는, 피밀봉 유체의 압력에 의해 브러시(102)가 백 플레이트(107)측으로 밀어붙여지기 때문에, 로터(109)의 열팽창이나 편심에 의해 로터(109)와 브러시(102)의 선단의 틈이 발생해도 브러시(102)의 이동이 원활하게 행해지기 어려워, 브러시 시일(100)이 원래 갖는 추종성을 충분하게 발휘할 수 없는 경우가 있었다. 그래서, 백 플레이트(107)에 원주홈(108)을 형성하고, 이 원주홈(108)에 피밀봉 유체를 도입함으로써, 브러시(102)에 백 플레이트(107)측으로부터 밸런스 압력을 작용시켜, 브러시(102)가 백 플레이트(107)측으로 밀어붙여지는 힘을 저감하여, 상기 추종성을 확보하는 것이 제안되고 있다(예를 들어 특허문헌 1을 참조).
일본공개특허공보 제2002-139154호(단락 0033, 도 1)
그러나, 특허문헌 1의 브러시 시일은, 밸런스 압력을 브러시(102)에 작용시키기 위해, 백 플레이트(107)에 원주홈(108)을 원주 방향을 따라 배치하고 있다. 그 때문에, 고압측(H)과 저압측(L) 사이의 압력차가 커짐에 따라, 브러시(102)가 백 플레이트(107)측으로 밀어붙여지면, 브러시(102)의 일부가 원주홈(108)에 인입하여 굴곡해서, 브러시(102)의 선단이 로터(109)로부터 떨어지는 방향으로 이동하여, 브러시(102)와 로터(109) 사이에 소기 이상의 간격의 갭(g)이 발생하고 이 갭(g)을 통하여 새는 피밀봉 유체가 늘어날 우려가 있었다(도 8을 참조).
또한, 특허문헌 1의 다른 브러시 시일(100)은, 원주홈(108)의 지름 방향 중앙부에 환상의 지지부(110)를 설치하여, 브러시(102)의 변형량을 작게 하고 있다. 전술과 마찬가지로, 고압측(H)의 압력이 높아지면, 브러시(102)의 일부가 원주홈(108)에 인입하여 굴곡해서, 브러시(102)의 선단이 로터(109)로부터 떨어질 우려가 있었다. 또한, 지지부(110)는 지름 방향 중앙에 설치되어 있고, 사용시에 브러시(102)는 동일한 지지부(110)에 맞닿기 때문에, 당해 지지부(110)의 개소에서 브러시(102)가 닳아 끊어질 우려가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 피밀봉 유체의 누설이 적은 브러시 시일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 브러시 시일은,
복수의 브리슬이 묶어진 브러시와, 상기 브러시의 저압측에 배치되고, 피밀봉 유체를 도입하는 홈이 형성된 원환상의 백 플레이트를 구비하는 브러시 시일에 있어서,
상기 홈은, 상기 백 플레이트의 둘레 방향 및 상기 브러시의 연재 방향에 대하여 경사져 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 홈을 경사지게 하고 있기 때문에 브러시에 대하여 다수의 홈이 배치되어 있고, 당해 브러시는 홈간의 다수의 랜드에 의해 축방향으로 맞닿음 지지되기 때문에, 브러시의 축방향으로의 휨이 적어 피밀봉 유체의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 상기 복수의 홈은, 동일한 형상으로 형성되고 또한 둘레 방향으로 등배(等配)되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 브러시에 대하여, 홈으로부터 작용하는 압력이 브러시의 연재 방향으로 균등하게 작용하기 때문에, 브러시의 축방향으로의 휨을 보다 적게 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 홈은, 비연속의 독립된 홈인 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 홈의 주위에 연속하는 랜드가 존재하기 때문에, 피밀봉 유체가 홈 내에 확실하게 저류된다.
또한, 상기 백 플레이트의 상기 홈보다도 지름 방향 내측에는 둘레 방향으로 연속하는 랜드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 홈에 도입된 피밀봉 유체가 저압측으로 유출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 브러시 및 상기 홈은 상기 백 플레이트의 지름 방향에 대하여 각각 반대측에 경사져 연재되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 브러시에 대하여 많은 홈을 배치할 수 있다.
또한, 상기 홈은 상기 백 플레이트의 둘레 방향으로 45도 경사져 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 브러시에 대하여 많은 홈을 배치할 수 있다.
도 1은, 실시예 1에 있어서의 브러시 시일의 단면도이다.
도 2는, 도 1의 백 플레이트의 정면도이며, 그 일부의 영역에 있어서 브러시를 장착한 상태를 나타내는 도면이다. 설명의 편의상, 브러시의 밀도는 성기게 작도하고 있다.
도 3은, 도 2의 백 플레이트의 III-III 단면도이다.
도 4는, 도 2의 백 플레이트의 Ⅳ 영역의 확대도이며, 해칭 개소는 오목부를 나타낸다.
도 5는, 홈의 경사 각도에 의한 브러시의 이동을 비교하여 설명하는 도면이며, (a)는 브러시가 45도 경사지는 경우를 설명하는 도면이고, (b)는 브러시가 60도 경사지는 경우를 설명하는 도면이다.
도 6은, 실시예 2의 백 플레이트의 확대도이며, 해칭 개소는 오목부를 나타낸다.
도 7은, 종래의 브러시 시일을 나타내는 단면도이다.
도 8은, 도 7의 브러시 시일의 사용 상태를 설명하는 단면도이다.
도 9은, 종래의 다른 브러시 시일의 사용 상태를 설명하는 단면도이다.
본 발명에 따른 브러시 시일을 실시하기 위한 형태를 실시예에 기초하여 이하에 설명한다.
실시예 1
실시예 1에 따른 브러시 시일에 대해, 도 1부터 도 5를 참조하여 설명한다.
도 1에는, 터빈 등의 회전 기계의 축봉(軸封)에 브러시 시일(1)을 이용하는 예가 나타나 있고, 브러시(4)의 선단이 회전 기계의 로터(9)에 근접 내지 접촉함으로써, 회전 기계 내부의 고압측(H)의 증기, 연료 가스 등의 피밀봉 기체는 저압측(L)으로 새는 것이 억제되고 있다. 또한, 로터(9)의 흔들림 회전 등에 의한 편심이나, 열에 의한 체적 변화에 의해, 로터(9)와 브러시(4)의 선단의 상대 거리가 변화해도, 브러시(4) 전체가 지름 방향으로 변형하고, 당해 거리의 변화에 브러시(4)를 추종시킬 수 있는 것이며, 브러시(4)의 선단의 마모도 억제된다.
브러시 시일(1)은 원환상으로 형성되고, 저압측(L)의 백 플레이트(2), 고압측(H)의 사이드 플레이트(3) 및 브러시(4)로 주로 구성되어 있다. 백 플레이트(2)와 사이드 플레이트(3)는, 브러시(4)를 끼워 넣은 상태에서 스폿페이싱 구멍(6)에 삽입된 볼트(5)에 의해 체결 고정되어 있다. 브러시(4)는 복수의 브리슬로 이루어지는 브러시부(4a) 및 복수의 브리슬을 묶어 일단을 용접 또는 코킹에 의해 일체화된 부착부(4b)로 주로 구성되고, 그 단면은 대략 해머 형상으로 형성되어 있다. 또한, 브리슬은 와이어의 선지름이 0.05∼0.5mm, 재질이 강, 니켈기나 코발트기 등의 합금, 세라믹스, 또한, 부착부(4b)는 금속에 의해 형성되어 있다. 또한, 백 플레이트(2) 및 사이드 플레이트(3)는 스테인리스강에 의해 형성되어 있지만, 그 재료는 불문한다.
백 플레이트(2)의 브러시(4)와 축방향에 대향하는 위치에는 홈(10)이 형성되어 있고, 고압측(H)의 기체의 압력(PH)이 브러시(4)에 작용하고, 브러시(4)를 백 플레이트(2)측으로 압압력(押壓力)(F1)에 의해 압압(押壓)한다. 한편, 주로 브러시(4)의 브리슬 사이를 통과한 기체가 홈(10)에 의해 보존유지되고, 브러시(4)를 사이드 플레이트(3)측으로 압압력(F2)에 의해 압압한다. 이 압압력(F2)에 의해 압압력(F1)의 전부 또는 일부를 없앰으로써, 브러시(4)와 백 플레이트(2)의 브러시 대향면(11)과의 사이에 작용하는 힘을 작게 할 수 있어, 브러시(4)가 지름 방향으로 원활하게 변형·이동할 수 있게 되어 있다.
이어서 홈(10)의 상세에 대해서 주로 도 3, 4를 참조하여 설명한다. 각 홈(10)은, 동일한 형상의 대략 평행 사변형으로 형성되어 있고, 브러시 대향면(11)에 둘레 방향으로 등배되어 있다. 홈(10)은 직선부(10c)의 지름 방향 양단부(10a, 10b)가 각각 평면에서 본 경우 사각(斜角) 형상이 되는 대략 직선 형상을 나타내고 있다. 각 홈(10)은 각각 독립되어 있고, 각 홈(10)의 주위에는, 내경측 랜드면(11A), 홈간 랜드면(11B), 외경측 랜드면(11C)이 배치되어 있다. 내경측 랜드면(11A)은 둘레 방향으로 연속하여 형성되어 있다. 이에 따라, 사용시에, 홈(10)에 저류된 기체가 내경측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 억제하고 있다. 홈간 랜드면(11B)의 둘레 방향 길이는, 홈(10)의 둘레 방향 길이보다도 길게 형성하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 브러시(4)가 홈간 랜드면(11B)에 접촉하는 면적을 넓게 확보할 수 있기 때문에, 브러시(4)로부터 홈간 랜드면(11B)에 작용하는 단위 면적당의 힘을 작게 할 수 있다. 또한, 내경측 랜드면(11A), 홈간 랜드면(11B), 외경측 랜드면(11C)은 각각 평면이며, 또한 동일한 면(높이)인 것이 바람직하다. 또한, 홈(10)과 내경측 랜드면(11A), 홈간 랜드면(11B), 외경측 랜드면(11C)과의 사이의 에지는, 모따기나 R형상으로 되어 있다. 이에 따라, 브러시(4)가 에지에 의해 닳아 끊어지는 것을 방지하고 있다. 또한, 홈(10)의 길이, 폭, 깊이는, 유체 기기의 사양에 따라서 결정하면 좋고, 예를 들어 각각 수십mm, 수mm, 10분의 수mm 정도로 하면 좋다.
홈(10)은, 브러시 대향면(11) 상에서 지름 방향(R)에 대하여 경사져 형성되어 있고, 그 연재 방향(G)과 지름 방향(R)이 이루는 각(θ)은 대략 45도이다. 즉, 연재 방향(G)은 브러시 대향면(11) 상의 둘레 방향에 대해서도 대략 45도의 각도로 경사져 있다(정확하게는 둘레 상에 있어서의 접선에 대하여 대략 45도의 각도로 경사져 있다). 또한, 브러시(4)는, 브러시 대향면(11) 상의 지름 방향(R)에 대하여 경사져 설치되어 있고, 그 연재 방향(B)과 지름 방향(R)이 이루는 각(φ)은 대략 45도이다. 그리고, 홈(10)과 브러시(4)의 경사 방향은, 지름 방향(R)에 대하여 반대측이기 때문에, 각각의 연재 방향(G)과 연재 방향(B)과는 대략 직교하고 있다.
홈(10)을 둘레 방향 및 브러시(4)에 대하여 경사지게 하고 있기 때문에, 브러시(4)에 대하여 다수의 홈이 배치되게 된다. 도 4의 예에서는, 브러시(4)의 연재 방향(B)에 대략 8개의 홈, 각 1개소의 내경측 랜드면(11A), 외경측 랜드면(11C), 7개소의 홈간 랜드면(11B)이 배치되어 있다. 이와 같이, 브러시(4)는 홈(10)간의 다수의 홈간 랜드면(11B)에 의해 축방향으로 맞닿음 지지되는 동시에, 다수의 홈(10) 내의 기체로부터 브러시(4)에 F2 방향(도 1)의 힘이 작용한다. 그 때문에, 브러시(4)의 축방향으로의 휨이 적어, 갭(g)(도 8, 도 9)이 발생하는 일이 없어, 기체의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 브러시(4)는 홈(10)간의 다수의 홈간 랜드면(11B)에 의해 축방향으로 맞닿음 지지되기 때문에, 브러시(4)에 작용하는 압압력(F1)을 분산하여 받을 수 있다. 또한, 사용 상황이나 타이밍에 의해 지름 방향에 있어서 브러시(4)에 작용하는 압압력(F1)(도 1)이 높은 개소는 상이하기 때문에, 항상 동일한 홈간 랜드면(11B)에 강한 압압력이 작용하는 일이 없어, 브러시(4)가 홈간 랜드면(11B)의 에지와 접촉함으로써 닳아져 절단되는 것을 억제할 수 있다. 이에 대하여, 도 9에 나타나는 브러시 시일(100)에 있어서는, 지지부(110)는 1개소뿐이기 때문에, 사용 상황이나 타이밍에 의해 지름 방향에 있어서 브러시(104)에 작용하는 압압력(F1)이 변화해도, 브러시(104)는 상시 지지부(110)에 접촉하기 때문에 닳아져 절단될 우려가 높다.
또한, 홈(10)이 둘레 방향에 대하여 경사져 있기 때문에, 브러시(4)를 통과한 기체가 지름 방향의 어느 개소로부터 홈(10)에 도입되어도 지름 방향에 걸쳐 유도된다. 이 점에서, 도 9에 나타나는 원주 방향 이중홈(108)과는 상이하게, 지름 방향의 어느 개소로부터 홈(10)에 기체가 도입되어도 지름 방향으로 압력이 유도되어, 지름 방향에 있어서의 홈(10)으로부터의 반력을 균일화할 수 있다.
또한, 브러시(4) 및 홈(10)의 연재 방향(B, G)은, 백 플레이트(2)에 대하여 각각 반대측, 지름 방향(R)에 각각 45도 경사져 있다. 이 배치에 의해, 브러시(4)에 대하여 많은 홈(10)을 배치할 수 있다. 또한, 브러시(4)는, 회전 기기의 가동 상태에 따라서 그 각도가 변화하지만, 가동시(로터(9)의 회전시)에 있어서, 지름 방향(R)에 대하여 대략 45도 경사지는 배치로 하면 좋다.
도 5를 참조하여, 홈(10)의 경사 각도의 상위(相違)에 대해서 설명한다. 도 5(a)에 있어서, 홈(10)의 연재 방향(G45)은, 반경 방향에 대하여, 45도 경사져 있다. 브러시(4)의 연재 방향(B)은 홈(10)과는 반대측이며, 반경 방향에 대하여 45도 경사져 있다. 이 상태로부터 그 연재 방향(B')이 근소하게 변화하면, 브러시(4)가 △α만큼 브러시 대향면(11)을 따라 이동하고, 홈(10)을 점(C1)에서 점(C2)까지 가로지르며, 그 홈(10) 상의 이동 거리는 △L12이다. 마찬가지로, 도 5(b)에 있어서, 홈(10)의 연재 방향(G60)은, 반경 방향에 대하여, 60도 경사져 있다. 브러시(4)의 연재 방향(B)은 홈(10)과는 반대측이며, 반경 방향에 대하여 45도 경사져 있다. 이 상태로부터 그 연재 방향(B')이 근소하게 변화하면, 브러시(4)가 △α만큼 브러시 대향면(11)을 따라 이동하고, 홈(10)을 점(C3)에서 점(C4)까지 가로지르며, 그 홈(10) 상의 이동 거리는 △L34이다. 그리고, 기하학적인 관계로, 이동 거리(△L12)는 이동 거리(△L34)보다도 짧다. 이와 같이, 홈(10)의 연재 방향(G)과 브러시(4)의 연재 방향(B)이 직교에 가까워짐에 따라, 브러시(4)가 이동했을 때에, 홈(10)을 가로지르는 길이가 짧아지기 때문에, 브러시(4)가 닳아 끊어지기 어려워져 내용성(耐用性)이 높아진다.
또한, 복수의 홈(10)은, 동일한 형상으로 형성되고 또한 둘레 방향으로 등배되어 있기 때문에, 브러시(4)에 대하여, 홈(10)으로부터 작용하는 압력이 브러시(4)의 연재 방향(B)에 균등하게 작용한다. 그 때문에, 브러시(4)의 축방향으로의 휨을 보다 적게 할 수 있다.
실시예 2
다음으로, 도 6을 참조하여 실시예 2를 설명한다. 실시예 1에서는, 홈(10)의 직선부(10c)의 지름 방향 양단부(10a, 10b)가 각각 평면에서 본 경우 사각(斜角) 형상의 것이었지만, 실시예 2에서는 지름 방향 양단부(10d, 10e)가 각각 평면에서 본 경우 호형상의 것이다. 또한, 그 외의 구성은 실시예 1과 동일하기 때문에 그 설명을 생략한다. 이와 같이, 지름 방향 양단부(10d, 10e)를 각각 평면에서 본 경우 호형상으로 했기 때문에, 단부에 날카로운 에지가 존재하지 않아, 브러시(4)가 브러시 대향면(11)을 따라 슬라이딩해도, 브러시(4)가 지름 방향 양단부(10d, 10e)에 의해 닳아 끊어질 우려를 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 도면에 의해 설명해 왔지만, 구체적인 구성은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 변경이나 추가가 있어도 본 발명에 포함된다.
예를 들면, 상기 실시예에서는, 홈(10)이 둘레 방향에 대하여 45도 경사지는 예에 대해서 설명했지만, 홈(10)은 둘레 방향 및 브러시(4)의 연재 방향(B)에 대하여 경사지는 것이면 좋다. 또한, 홈(10)의 연재 방향(G)과 브러시(4)의 연재 방향(B)은, 지름 방향(R)에 대하여 반대측이면 바람직하다. 이에 따라, 브러시(4)에 대하여 많은 홈(10)을 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 브러시(4)가 홈(10)을 따라 인입할 우려가 적어지기 때문이다. 홈(10)을 따라 브러시(4)가 인입함으로써, 밀봉성이 저하될 우려 및 홈(10)의 에지와의 접촉에 수반하여 브러시(4)가 닳아 끊어질 우려가 있다.
또한, 홈(10)은 대략 직선상의 것을 예로 설명했지만, 곡면을 갖는 곡선상이라도 좋다. 곡선상의 경우에는, 그 외형의 길이 방향이 백 플레이트(2)의 둘레 방향 및 브러시(4)의 연재 방향과 교차하는 배치로 하면 좋다.
또한, 홈(10) 폭이 대략 일정한 것을 예로 설명했지만, 홈의 연재 방향으로 그 폭이 변화하는 것이라도 좋다.
또한, 홈(10)은 직선상의 홈이 각각 독립되는 예에 대해서 설명했지만, 홈끼리가 연결되어 있는 것이라도 좋다.
1; 브러시 시일
2; 백 플레이트
3; 사이드 플레이트
4; 브러시
4a; 브리슬
4b; 부착부
10; 홈
11; 브러시 대향면
11A; 내경측 랜드면
11B; 홈간 랜드면
11C; 외경측 랜드면
H; 고압측
L; 저압측
G; 홈의 연재 방향
B; 브러시의 연재 방향
R; 지름 방향
θ; 홈의 경사각
φ; 브러시의 경사각

Claims (6)

  1. 복수의 브리슬이 묶어진 브러시와, 상기 브러시의 저압측에 배치되고, 피밀봉 유체를 도입하는 홈이 형성된 원환상의 백 플레이트를 구비하는 브러시 시일에 있어서,
    상기 홈은, 상기 백 플레이트의 둘레 방향(周方向) 및 상기 브러시의 연재 방향에 대하여 경사져 복수 형성되고,
    상기 복수의 홈은, 비연속의 독립된 홈이며,
    상기 복수의 홈의 각각의 주위에는, 내경측 랜드면, 홈간 랜드면, 외경측 랜드면이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시 시일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈은, 동일한 형상으로 형성되고 또한 둘레 방향으로 등배(等配)되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시 시일.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 백 플레이트의 상기 홈보다도 지름 방향 내측에는 둘레 방향으로 연속하는 랜드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시 시일.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 브러시 및 상기 홈은 상기 백 플레이트의 지름 방향에 대하여 각각 반대측에 경사져 연재되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시 시일.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 홈은 상기 백 플레이트의 둘레 방향으로 45도 경사져 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시 시일.
  6. 삭제
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