JP2001355737A - 表面追従ブラシシール - Google Patents

表面追従ブラシシール

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JP2001355737A JP2001051648A JP2001051648A JP2001355737A JP 2001355737 A JP2001355737 A JP 2001355737A JP 2001051648 A JP2001051648 A JP 2001051648A JP 2001051648 A JP2001051648 A JP 2001051648A JP 2001355737 A JP2001355737 A JP 2001355737A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン心合わせのかなりのずれによる剛毛
の過早および過大摩耗を減らしブラシシールの寿命と密
封効率を増す。 【解決手段】 ブラシシール（３４）に保持体（４２）
と、複数のたわみ支持ワイヤ（５８）によって保持体
（４２）から移動自在に吊り下げられた担持体（５６）
とを設けることにより、ブラシシールの寿命と密封効率
が増加する。複数の剛毛（５９）が担持体（５６）に固
定される。好ましくは、保持体（４２）は静止部材（３
６）に取付けられ、そして剛毛（５９）は回転部材（３
８）と密封係合をなす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は一般的にはブラシシールに関
し、特に、ガスタービンエンジンで用いるブラシシール
に関する。
【０００２】ガスタービンエンジンは周知の原理によっ
て作動し、流入した大気が軸方向延在流路を通ることに
よりエンジンを通流する。流入空気の少なくとも一部分
はエンジンの圧縮機部内で圧縮され、次いで燃焼器内で
燃料と混ぜられかつ燃焼して高エネルギー高温排気流を
発生する。この高温ガス流は燃焼器を出た後、タービン
部を通り、これによりエネルギーが排気流から抽出され
て圧縮機を駆動しかつ有用仕事、例えば、飛行中の航空
機の推進に役立つ。
【０００３】エンジン内の気体、例えば、大気、排気等
の制御されない漏れはエンジン効率の低下をもたらす。
このエネルギー損失を制御するためにシールが用いら
れ、この制御は、シールを漏流路内に介在させてエンジ
ンの一部分から他部に通流する気体の量を減らすことに
よりなされる。ラビリンスシールが通常ガスタービンエ
ンジン内で使用されており、相対的に可動な構成部間の
密封に役立つ。しかし、ラビリンスシールの代わりにブ
ラシシールを用いることも知られている。
【０００４】従来のブラシシールには通例剛毛束が含ま
れ、１対の環状板間に配置された複数の剛毛を有する。
剛毛は通常、エンジン中心線から引かれた半径に対して
約４５度の角度で配置される。ブラシシールは通例その
半径方向外縁に沿ってエンジン静止部分に取付けられ、
そして剛毛の半径方向内側自由端はエンジン回転部分の
密封表面と密封係合をなすように配置される。ブラシシ
ールはエンジンの一部を他部に対して完全に密封するよ
うに機能するものではなく、剛毛間に生じる曲がりくね
った流路によって通流気体を減らしそしてエンジン両部
間の圧力差を制御するものである。
【０００５】剛毛束における剛毛は幾分たわみ得るの
で、エンジン過渡状態中に曲がることができ、しかも過
渡状態が終わった後密封能力を保ち得る。このような過
渡状態は、例えば、エンジンの静止部分と回転部分間の
熱膨張差と、エンジン振動および（または）偏心軸回転
によるエンジンの静止部分と回転部分間の相対横運動を
包含する。ブラシシールの密封効率は、時の経過ととも
に、エンジン回転部分の密封表面に接触する剛毛端の摩
耗と、剛毛端と密封表面との全体的な接触とから影響を
受ける。しかし、ある場合には、エンジン両部間の相対
横運動はかなりの剛毛たわみをひき起こすほどの大きさ
になるおそれがあり、これにより剛毛の過早および過大
摩耗が発生する。過早剛毛摩耗は、さもなければ必要で
あるより早くシールまたは剛毛束の交換を必要とし、従
ってエンジン運転費が増加する。
【０００６】エンジン心合わせのかなりのずれによる剛
毛の過早および過大摩耗を減らすことによりブラシシー
ルの寿命と密封効率を増すことが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】上述の必要に応じて、本発明は、保持体
と、複数のたわみ支持ワイヤによって保持体から移動自
在に吊り下げられた担持体とを有するブラシシールを提
供する。複数の剛毛が担持体に固定される。好ましく
は、保持体は静止部材に取付けられ、そして剛毛は回転
部材と密封係合をなす。
【０００８】本発明と、先行技術に対するその利点は、
添付図面と関連する以下の詳述と特許請求の範囲の記載
から明らかとなろう。
【０００９】
【発明の詳述】添付図面の全図を通じて同符号は同要素
を表す。図１に示した航空機ガスタービンエンジン１０
において可能な一適用例に関して本発明を説明する。詳
述すると、エンジン１０は高バイパス比ターボファンエ
ンジンであり、長手方向中心線１２を中心として軸方向
直流連通をなすファン１４と圧縮機部１６と燃焼器部１
８とタービン部２０とを含んでいる。流入空気がエンジ
ン１０に入り、この空気流の一部分はバイパスダクト２
２を通流してバイパス推力を発生する。空気流の残部は
圧縮機部１６に入る。この空気は圧縮機部１６内で圧縮
されそして燃焼器部１８に通され、そこで燃料と混ぜら
れ、そして空燃混合気の点火が行われる。点火された空
燃混合気は高温ガス流となりタービン部２０を通る。タ
ービン部２０はエネルギーを高温ガス流から抽出し、そ
してこのエネルギーを用いて圧縮機部１６と、前述のバ
イパス推力を発生するファン１４とに動力を与える。
【００１０】図２にタービン部２０の一部分をさらに詳
細に示す。周知のように、タービン部２０は、複数の周
方向列をなす実質的に半径方向向きの動翼２４と、動翼
列と交互に配置された一つ以上の周方向列をなす実質的
に半径方向に延在する静翼２６とを備えている。各列の
動翼２４はロータディスク２８に装着されている。ロー
タディスク２８はタービン軸円錐体３２を介してタービ
ン回転軸３０に剛着され、エンジン中心線１２（図２に
は示してない）を中心として回転する。タービン部２０
にはさらに複数のブラシシール３４が含まれ、エンジン
の静止構造部材またはシール支持体３６と、回転部材３
８との間に介在し、回転部材３８はタービン軸円錐体３
２に剛着されてそれとともに回転する。回転部材３８は
概して筒形でありそして対応するシール支持体３６内に
部分的に配置され、シール支持体３６も概して筒形であ
る。
【００１１】後に詳述のように、各ブラシシール３４に
は複数の剛毛が含まれ、対応シール支持体３６に固定さ
れている所から対応回転部材３８と密封係合をなす所ま
で延在する。ブラシシール３４はタービン部２０内に配
置され、エンジン１０内の一つの空洞から他の空洞への
気体、例えば、様々な圧力の冷却空気の望ましくない漏
れを防止するようになっている。本発明のブラシシール
はここではターボファンエンジンのタービン部内の使用
に関して説明してあるが、この適用に限定されないこと
に注意されたい。実際に、本発明はガスタービンエンジ
ン内あるいは他所における多くの他の用途に使用するこ
とができる。
【００１２】図３に本発明のブラシシール３４の実施例
をさらに詳細に示す。ブラシシール３４はシール支持体
３６と回転部材３８との間の環状間隙内に配置されてい
る。上述のように、シール支持体３６と回転部材３８は
概して筒形であり、そして静止シール支持体３６は前述
の環状間隙を画成するように回転部材３８の前端を囲ん
でいる。回転部材３８は、その後端に形成したフランジ
３９を介して、タービン軸円錐体３２（図３には示して
ない）に結合されている。環状間隙は第１空洞４０と第
２空洞４１との間に漏流路を形成する。例示のために、
第１空洞４０は第２空洞４１より圧力が高いとすれば、
間隙を通る流れは図３に矢印Ａで示した方向に向く。
【００１３】ブラシシール３４には環状保持体４２が含
まれ、シール支持体３６の後端に形成したシールポケッ
ト４４内に、中心線１２に対して同軸的に配置されてい
る。シールポケット４４はシール支持体３６の後端に設
けたものとして示されているが、本発明はこの形状に限
定されないことに注意されたい。密封すべき特定のシー
ル支持体と回転部材の組合せの形状に従って、シールポ
ケットをシール支持体の前端に設けてもよい。シールポ
ケット４４は半径方向向きの壁４６と、軸方向向きの壁
４８とを含んでいる。取付けフランジ５０が軸方向壁４
８の末端から半径方向外方に延在する。保持体４２は保
持板５２によってシール支持体３６に取付けられてい
る。保持板５２は、従来の締結具５４によって取付けフ
ランジ５０に固定された環状部材であり、保持体４２に
強固に係合してそれを圧力ばめによりシールポケット４
４内に係止するようになっている。環状担持体５６が保
持体４２内に半径方向に配置され、そして複数本の軸方
向向きのたわみ支持ワイヤ５８（図３には１本だけを示
す）によって保持体４２から移動自在に吊り下げられて
いる。支持ワイヤ５８はたわみ得るので、担持体５６は
エンジン中心線１２（図３には示してない）に対して半
径方向に移動し得る。
【００１４】ブラシシール３４はさらに、担持体５６の
周囲に沿って配置された複数の剛毛５９からなる剛毛束
を含んでいる。剛毛５９の半径方向最外端は担持体５６
に固定され、そして半径方向内側自由端は回転部材３８
の外面と係合し、こうして第１および第２空洞４０、４
１間の漏流路を密封する。剛毛５９は幾分たわみ得るの
で、エンジン過渡状態中に発生し得る半径方向および軸
方向の相対移動に耐えることができ、しかも過渡状態が
終わった後密封能力を保ち得る。さらに、担持体５６は
保持体４２から移動自在に吊り下げられているので、剛
毛５９の自由端は、エンジンの過渡状態中、回転部材３
８の外面に追従することができる。これにより剛毛のた
わみが減少し、従って剛毛の摩耗が減少する。
【００１５】図４〜図６に見られるように、担持体５６
には環状本体部６０が含まれ、その半径方向外端に軸方
向後方延在フランジ６２が形成されている。剛毛５９
は、環状本体部６０と、ブラシシール３４の高圧側に配
置された環状前板６３との間に介在する。フランジ６２
は、その後面に形成された複数のポケット６４を有す
る。図４と図６に明示のように、ポケット６４はフラン
ジ６２の周囲に沿って配設され、相互間に狭い区域が存
在する。ポケット６４は担持体５６の質量を減らすの
で、担持体５６はシール支持体３６に対する回転部材３
８の横移動に応じて迅速に移動する。フランジ６２はま
た複数の穴６６を有し、穴６６は隣合うポケット６４間
に形成されており、支持ワイヤ５８の対応する一つの端
を支承する。好ましくは、一つを除く隣合うポケット６
４間の各区域内に穴６６の一つが形成される。隣合うポ
ケット６４間の他の区域には、図６に示すように、スロ
ット６８が設けられており、フランジ６２の半径方向厚
さを貫通している。
【００１６】保持体４２には筒形本体部７０が含まれ、
その後端に半径方向内方延在フランジ７２が形成されて
いる。フランジ７２には複数の穴７４が形成されてお
り、対応支持ワイヤ５８の他端を支承する。筒形本体部
７０の前縁７６は半径方向壁４６と当接し、保持体４２
をシールポケット４４内に軸方向に位置づける。保持体
４２は、好ましくは、軸方向壁４８より幾分軸方向に長
く、保持板５２と係合した時、保持体４２の適当な装填
を確実にする。さらに、筒形本体部７０の内径は担持体
５６の外径より大きく、担持体５６と筒形本体部７０と
の間に半径方向間隙を画成するようになっている。
【００１７】回り止めタング７８が、筒形本体部７０の
前縁７６近辺にただし前縁から離れた位置で本体部７０
から半径方向内方に延在する。回り止めタング７８はス
ロット６８内に受入れられて、担持体５６と係合しそし
て保持体４２に対する担持体５６の回転を阻止するよう
になっている。回り止めタング７８は、疲労寿命を延ば
すのに十分な厚さ（０．２５インチ程度）を有する。
【００１８】図６に見られるように、たわみリンク８０
が担持体５６と回り止めタング７８との間でスロット６
８内に配置されている。好ましくは、たわみリンク８０
は、一端が担持体５６に取付けられた金属バンドの形態
のものであり、周方向に延在して回り止めタング７８と
係合する。従って、たわみリンク８０は、担持体５６が
シール支持体３６に対する回転部材３８の横移動によっ
て半径方向に滑る際に、担持体５６と回り止めタング７
８との間の摩擦を減らす。好ましくは、たわみリンク８
０は回り止めタング７８の圧力側、すなわち、担持体５
６が回転部材３８の回転によって押圧する回り止めタン
グ７８の側に配置される。代替的に、たわみリンク８０
を省略してもよく、その場合のスロット６８の幅は回り
止めタング７８の幅よりわずかに大きい。
【００１９】前述のように、担持体５６はたわみ支持ワ
イヤ５８によって保持体４２から移動自在に吊り下げら
れている。各支持ワイヤ５８は、担持体フランジ６２に
形成した穴６６の一つから、保持体フランジ７２に形成
した穴７４の対応する一つまで軸方向に延在する。各支
持ワイヤ５８の両端はそれぞれ担持体フランジ６２と保
持体フランジ７２とに溶接等によって固定されている。
図４に見られるように、穴６６と穴７４にはテ−パが付
いており、従って、支持ワイヤ５８によって支持体され
る荷重は、担持体フランジ６２と保持体フランジ７２そ
れぞれの全厚さまたは長さにわたって分布する。詳述す
ると、穴６６の後端はその前端より大きな開口を有し、
そして穴７４の前端はその後端より大きな開口を有す
る。支持ワイヤ５８は周方向に等間隔で隔置され、そし
て利用される支持ワイヤ５８の数は、担持体５６の支持
に十分でなければならない。好ましくは、十分な支持ワ
イヤ５８を用いて、支持ワイヤ５８の幾つかが破損した
場合にブラシシール３４の存続を可能にする。代表的な
場合、少なくとも１０本の支持ワイヤ５８を用いる。
【００２０】支持ワイヤ５８の長さは、担持体５６をシ
ールポケット４４の半径方向壁４６に極めて接近した位
置に、ただし同壁に接触しないように位置づけるような
長さである。これは担持体５６と半径方向壁４６との間
に狭い軸方向間隙をもたらすので、これら２つの要素
は、担持体５６がシール支持体３６に対する回転部材３
８の横移動によって半径方向に動く時、互いに摩擦しな
い。支持ワイヤ５８はまた、担持体５６の半径方向外縁
と保持体４２の筒形本体部７０との間に十分な間隙を残
して担持体５６の半径方向運動を許容するように、担持
体５６を半径方向に位置づける。担持体５６の軸方向後
方運動は、回り止めタング７８と支持ワイヤ５８の軸方
向剛性によって抑止される。
【００２１】担持体５６と半径方向壁４６との間の軸方
向間隙は非常に狭い間隙であるが、第１空洞４０と第２
空洞４１との間の漏流路となる。複数の同心溝８２が担
持体５６の環状本体部６０の前面に形成され、半径方向
壁４６に面している。その結果、溝８２と、それらの間
に形成されたランドは、担持体５６と半径方向壁４６と
の間のラビリンスシールとして機能し、こうして、狭い
軸方向間隙を通る漏流路を密封する。
【００２２】以上、エンジン心合わせのかなりのずれに
よる剛毛の過早および過大摩耗を減らすブラシシールを
説明した。本発明の特定実施例について説明したが、当
業者には明らかなように、本発明の範囲内で様々な改変
が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボファンガスタービンエンジンの一例の縦
断面図であり、本発明の一適用例を示す。
【図２】図１のガスタービンエンジンのタービン部の詳
細断面図である。
【図３】ブラシシールの一実施例の断面図である。
【図４】図３のブラシシールの拡大図である。
【図５】図４の線５−５に沿うブラシシールの軸方向断
面図である。
【図６】図４の線６−６に沿うブラシシールの軸方向断
面図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン １２ エンジン中心線 ３４ ブラシシール ３６ 静止部材 ３８ 回転部材 ４２ 保持体 ４４ シールポケット ４６ 半径方向壁 ４８ 軸方向壁 ５２ 保持板 ５６ 担持体 ５８ たわみ支持ワイヤ ５９ 剛毛 ６２ フランジ ６４ ポケット ６６ 穴 ６８ スロット ７２ フランジ ７４ 穴 ７８ 回り止めタング ８０ たわみリンク
フロントページの続き (72)発明者 ジミー・アレン・マーフィー アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、プランテーション・ドライ ブ、7921番 (72)発明者 ロナルド・リチャード・エスクリッジ アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、ノース・ウインドウッド・ド ライブ、6436番 Ｆターム(参考） 3G002 HA00 HA01 3J043 AA17 BA07 CA05 CB22 DA05

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 保持体（４２）と、複数のたわみ支持ワ
    イヤ（５８）によって前記保持体（４２）から移動自在
    に吊り下げられた担持体（５６）と、前記担持体（５
    ６）に固定された複数の剛毛（５９）とからなるブラシ
    シール（３４）。
  2. 【請求項２】 前記保持体（４２）は、静止部材（３
    ６）に形成したシールポケット（４４）内に配置されて
    いる、請求項１記載のブラシシール（３４）。
  3. 【請求項３】 前記静止部材（３６）に固定されて前記
    保持体（４２）を前記シールポケット（４４）内に保持
    する保持板（５２）をさらに含む請求項２記載のブラシ
    シール（３４）。
  4. 【請求項４】 前記シールポケット（４４）は壁（４
    ６）を含み、前記担持体（５６）は前記壁（４６）から
    隔てられている、請求項２記載のブラシシール（３
    ４）。
  5. 【請求項５】 前記壁（４６）に面している前記担持体
    （５６）の表面に形成した複数の同心溝（８２）をさら
    に含む請求項４記載のブラシシール（３４）。
  6. 【請求項６】 前記担持体（５６）と前記保持体（４
    ２）の一方に形成したスロット（６８）と、前記担持体
    （５６）と前記保持体（４２）の他方に形成したタング
    （７８）とをさらに含み、前記タング（７８）は前記ス
    ロット（６８）に受入れられている、請求項１記載のブ
    ラシシール（３４）。
  7. 【請求項７】 前記担持体（５６）と前記タング（７
    ８）との間で前記スロット（６８）内に配置されたたわ
    みリンク（８０）をさらに含む請求項６記載のブラシシ
    ール（３４）。
  8. 【請求項８】 前記タング（７８）は圧力側を有し、そ
    して前記たわみリンク（８０）は前記タング（７８）の
    前記圧力側と係合する、請求項７記載のブラシシール
    （３４）。
  9. 【請求項９】 前記担持体（５６）はそれに形成したフ
    ランジ（６２）を有する請求項１記載のブラシシール
    （３４）。
  10. 【請求項１０】 前記フランジ（６２）はそれに形成し
    た複数のポケット（６４）を有する、請求項９記載のブ
    ラシシール（３４）。
  11. 【請求項１１】 前記フランジ（６２）に形成したスロ
    ット（６８）と、前記保持体（４２）に形成したタング
    （７８）とをさらに含み、前記タング（７８）は前記ス
    ロット（６８）に受入れられている、請求項９記載のブ
    ラシシール（３４）。
  12. 【請求項１２】 前記フランジ（６２）と前記タング
    （７８）との間で前記スロット（６８）内に配置された
    たわみリンク（８０）をさらに含む請求項１１記載のブ
    ラシシール（３４）。
  13. 【請求項１３】 前記タング（７８）は圧力側を有し、
    そして前記たわみリンク（８０）は前記タング（７８）
    の前記圧力側と係合する、請求項１２記載のブラシシー
    ル（３４）。
  14. 【請求項１４】 各支持ワイヤ（５８）の第１端が、前
    記保持体（４２）に形成した複数の穴（７４）の対応す
    る一つ内に支承され、そして各支持ワイヤ（５８）の第
    ２端が、前記担持体（５６）に形成した複数の穴（６
    ６）の対応する一つ内に支承されている、請求項１記載
    のブラシシール（３４）。
  15. 【請求項１５】 前記保持体（４２）に形成した前記穴
    （７４）と、前記担持体（５６）に形成した前記穴（６
    ６）にテ−パが付いている、請求項１４記載のブラシシ
    ール（３４）。
  16. 【請求項１６】 静止部材（３６）と、軸線（１２）を
    中心として回転する回転部材（３８）との間に位置する
    漏流路を密封するブラシシール（３４）であって、前記
    軸線（１２）の周りに同軸的に配置されそして前記静止
    部材（３６）に取付けられた環状保持体（４２）と、前
    記保持体（４２）内に配置されそして複数のたわみ支持
    ワイヤ（５８）によって前記保持体（４２）から移動自
    在に吊り下げられた環状担持体（５６）と、前記担持体
    （５６）に固定されそして前記回転部材（３８）と密封
    係合をなす複数の剛毛（５９）とからなるブラシシール
    （３４）。
  17. 【請求項１７】 前記保持体（４２）は、前記静止部材
    （３６）に形成したシールポケット（４４）内に配置さ
    れている、請求項１６記載のブラシシール（３４）。
  18. 【請求項１８】 前記静止部材（３６）に固定されて前
    記保持体（４２）を前記シールポケット（４４）内に保
    持する保持板（５２）をさらに含む請求項１７記載のブ
    ラシシール（３４）。
  19. 【請求項１９】 前記シールポケット（４４）は前記軸
    線（１２）に対して半径方向に配向された壁（４６）を
    含み、前記担持体（５６）は前記壁（４６）から隔てら
    れている、請求項１７記載のブラシシール（３４）。
  20. 【請求項２０】 前記壁（４６）に面している前記担持
    体（５６）の表面に形成した複数の同心溝（８２）をさ
    らに含む請求項１９記載のブラシシール（３４）。
  21. 【請求項２１】 前記保持体（４２）は内径を画成しそ
    して前記担持体（５６）は前記内径より小さな外径を画
    成して前記保持体（４２）と前記担持体（５６）との間
    に間隙を設けるようになっている、請求項１６記載のブ
    ラシシール（３４）。
  22. 【請求項２２】 前記担持体（５６）はそれに形成した
    フランジ（６２）を有し、前記フランジ（６２）は前記
    軸線（１２）に対して軸方向に延在する請求項１６記載
    のブラシシール（３４）。
  23. 【請求項２３】 前記フランジ（６２）はそれに形成し
    た複数のポケット（６４）を有する、請求項２２記載の
    ブラシシール（３４）。
  24. 【請求項２４】 前記フランジ（６２）に形成したスロ
    ット（６８）と、前記保持体（４２）に形成したタング
    （７８）とをさらに含み、前記タング（７８）は前記ス
    ロット（６８）に受入れられている、請求項２２記載の
    ブラシシール（３４）。
  25. 【請求項２５】 前記フランジ（６２）と前記タング
    （７８）との間で前記スロット（６８）内に配置された
    たわみリンク（８０）をさらに含む請求項２４記載のブ
    ラシシール（３４）。
  26. 【請求項２６】 前記タング（７８）は圧力側を有し、
    そして前記たわみリンク（８０）は前記タング（７８）
    の前記圧力側と係合する、請求項２５記載のブラシシー
    ル（３４）。
  27. 【請求項２７】 各支持ワイヤ（５８）の第１端が、前
    記保持体（４２）に形成した複数の穴（７４）の対応す
    る一つ内に支承され、そして各支持ワイヤ（５８）の第
    ２端が、前記担持体（５６）に形成した複数の穴（６
    ６）の対応する一つ内に支承されている、請求項１６記
    載のブラシシール（３４）。
  28. 【請求項２８】 前記保持体（４２）に形成した前記穴
    （７４）と、前記担持体（５６）に形成した前記穴（６
    ６）にテ−パが付いている、請求項２７記載のブラシシ
    ール（３４）。
  29. 【請求項２９】 前記支持ワイヤ（５８）は前記軸線
    （１２）に対して軸方向に配向されている請求項１６記
    載のブラシシール（３４）。
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