JP2003521649A - 自動調心ブラシシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、回転及び静止（固定）コンポーネント間をシールするための自動調心ブラシシールに関する。 【解決手段】 自動調心ブラシシールは回転コンポーネントを取囲む固定コンポーネントに形成された環状の溝に配置されるが、ここで固定及び回転コンポーネントは共通の軸線を持つ。ブラシシールは、回転コンポーネントとシール接触するように突出する複数のブリストルを含む。ブラシシールは、溝内に半径方向の間隙を有し、ブラシシールは溝内で自由に浮動する半径方向の偏倚運動し、固定コンポーネントの軸線に対する回転コンポーネントの回転軸線の偏移にも拘わらず、回転コンポーネントとの同心性を保つことを可能にする。別の形態では、ブラシシールは、複数の弓形セグメントを含み、これら弓形セグメントはセグメントを半径方向に動くように付勢するらせん状スプリングを持ち、ブリストルの先端が回転コンポーネントに対してシールすることを可能にする。さらに別の実施形態では、板ばねが各セグメントを付勢し、そのブリストルの回転コンポーネントとの接触を保つ。さらに別の実施形態では、シールセグメントは、セグメントの両側の高圧及び低圧領域をシールするＯリングシールを用いて、半径方向に圧力バランスされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、蒸気及びガスタービンのような回転機械用のブラシシールに関し、
より具体的には回転及び静止（固定）コンポーネント間をシールするための自動
調心ブラシシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】

発電や機械駆動分野に用いられる蒸気及びガスタービンのような回転機械は、
一般的に多くのタービン段からなる大型機械である。タービンでは、タービン段
を流れる高温高圧流体は、一連の静止（固定）及び回転コンポーネントを通って
流れなければならず、漏洩を抑制するために固定及び回転コンポーネント間のシ
ールが用いられる。シールはまた、高温ガス通路以外のタービンの他の場所、例
えば回転シャフトと固定コンポーネントとの間の端部パッキングにおいて用いら
れる。タービンの効率は漏洩を防止するシールの能力によって直接左右される。

【０００３】 種々のタイプのシールが、ターボ機械類のみならずその他の機械類において回
転及び固定コンポーネント間に用いられてきた。そのようなシールの種類には、
ラビリンス型シール、ブラシシール、ラビリンス／ブラシ組合せシールその他が
含まれる。ブラシシールには、他のタイプのシールと比較して多くの長所と利点
がある。ブラシシールは、一般的に固定コンポーネントに、例えば回転コンポー
ネントを取囲む固定された半径方向位置に取り付けられる。そのような固定ブラ
シシールは常に同心である機構には非常に満足すべきシールをもたらすものの、
それら固定ブラシシールは、例えばタービンの熱過渡及び安定状態の運転状況時
において、回転及び固定コンポーネント間の大きな相対的軸線ずれ動作に適応し
ない。つまり、ブラシシールはシャフトを取囲むハウジングに対するシャフトの
非常に小さい半径方向偏倚に対してのみ適応する。分析によって過渡的な動きを
正確に予知することは非常に困難な作業である。固定及び回転コンポーネント間
の相対的な動きの測定は、コストが高くかかり時間を費やす。回転及び固定のコ
ンポーネントの中心線が組立て中あるいは運転中に同心でない場合、シールはそ
れ自体では回転コンポーネントの周りに同心性を保つことは不可能である。不正
確に設置された固定ブラシシールの結果は、厳しいものとなる可能性がある。例
えば、シャフトとブラシシール支持プレートが摩擦し、摩擦による熱の結果ロー
タ振動が生じることもありうる。一般に、ブラシシールの性能は低下する。ブラ
シシールのフェンス高さ、つまり回転シャフトと支持プレートの縁との間の距離
を増加させて、摩擦の可能性を低くすることはできるが、そのことはシールの押
圧能力を低下させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

本発明によると、回転コンポーネントが半径方向の偏倚を生じたとき、ブラシ
シールが回転コンポーネントの軸線との同心性を保つことを可能にする自動調心
ブラシシール組立体が提供される。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本発明のブラシシールは、数多くの異なった構成とすることができる。その基
本的形状では、ブラシシールはブラシシールブリストルを備える環状の支持プレ
ートを含み、ブラシシールブリストルは回転コンポーネントと接触するように支
持プレートから半径方向にあるいは回転方向に傾斜して延びている。ブラシシー
ルは、固定コンポーネントの溝内に配置され、溝の基底とブラシシールの半径方
向最外端部との間に間隙を設けてある。ブラシシールにかかる半径方向の拘束を
取り除くことによって、シールは半径方向に「浮動」し、大きな不均一なブリス
トル変形を生じることなく、回転シャフトの半径方向偏倚に追随することができ
る。このようにして、シールは、回転コンポーネントの回転軸線と同心性を保つ
ことができる。

【０００６】 本発明の他の形態では、自動調心ブラシシールは、セグメント構成で提供され
る。即ち、ブラシシールのブリストルのための支持プレート、または上流及び下
流側支持プレートを含むことができる複数の弓形セグメントは、短いセグメント
、例えば６０度または９０度の範囲に延びるセグメントが集まって回転コンポー
ネントを取囲む実質的に環状に繋がったリングを構成するようになっている。そ
のように構成されたセグメント及び環状リングは、必要な半径方向の間隙と同時
に、セグメントを半径方向内方に付勢しブラシシールブリストルの回転コンポー
ネントとの接触を保つスプリングを設けて、固定コンポーネントの溝内に配置さ
れる。好ましい形態におけるスプリングは、セグメントの周辺に完全な３６０度
に延びるガータスプリングとすることができる。代わりに、半径方向内側方向の
付勢力は、複数の板ばねを、各セグメントに対して一枚の板ばねとして、半径方
向の溝の基底とセグメントの外側表面との間に設けることによって与えることが
できる。本発明のさらに別の形態では、ガータ／Ｏリング組合せシールを固定コ
ンポーネントの溝内の第２の溝に配置することもできる。

【０００７】 ガータスプリングとＯリングシールとを組み合わせることによって、圧力バラ
ンスがとれたセグメント状ブラシシールを得ることができる。この実施形態では
、Ｏリングシールの下流側の溝中に低圧流体を入れることによって、ブラシシー
ルの内径及び外径にかかる圧力をバランスさせる。ここにあげた全ての実施形態
において、スプリングによって与えられる付勢力は、スプリングのばね定数がブ
リストルパックのばね定数と比較して低くなるようにしなければならないことが
分かるであろう。スプリングは、シールセグメントをシャフトと接触状態に保つ
だけではなく、固定及び回転コンポーネント間に相対的軸線ずれ動作があるとき
に、設計フェンス高さを保つことを可能にする。

【０００８】 本発明の好ましい形態では、軸線の周りを回転可能なコンポーネントと、軸線
の周りの回転に対して静止しており、回転コンポーネントに向かって開口する円
周方向に延びる溝を持つ固定コンポーネントと、溝内に配置され、複数のブリス
トルとブリストルのための支持体とを有し、ブリストルが支持体に固定され、支
持体を超えて突出し回転コンポーネントとシール接触するブラシシールと、を含
み、ブラシシール及び溝は、それらの間に半径方向の間隙を有し、固定コンポー
ネントの軸線に対する回転コンポーネントの回転軸線の偏移にも拘わらず、ブラ
シシールが半径方向に動き、実質的な同心性と回転コンポーネントとのシール接
触を保つことを可能にする、回転機械が提供される。

【０００９】 従って、本発明の主目的は、ターボ機械類において回転及び固定ポーネント間
のシールを行うための新規で改良された自動調心ブラシシール組立体を提供する
ことである。

【００１０】

【発明の実施の形態】

さて、図面、特に図１には、本発明による回転及び固定コンポーネント間の自
動調心ブラシシールを示す。特に、全般を１０で示すブラシシールは、例えばシ
ャフト１２のような回転コンポーネントと、例えばその回転軸線をＡで示すシャ
フト１２を取囲むハウジング１４のような固定コンポーネントとの間に配置され
る。ハウジング１４中に設けられる開口は、円形で軸線Ａと共通の軸線上にある
ことが分かる。

【００１１】 ブラシシール１０は、複数のブリストル１６を含み、ブリストル１６はほぼ半
径方向に延びることができるが、好ましくは例えば図３及び図５の実施形態に示
すように、半径方向からシャフト１２の回転方向にある角度ずらして位置させる
ことができる。ブリストルは、１対のプレート１８及び２０の間にそれぞれ挟持
又は配置される。プレート１８及び２０と共にブリストル１６は、回転シャフト
１２の周りに完全な３６０度の円環を形成する。ブリストル１６は、一般的に直
径０．００２〜０．００６インチに引き抜き加工された合金ワイヤで形成される
が、高圧の環境下ではさらに大きい直径のワイヤを用いてもよい。しかしながら
、ブリストルは、ポリマーあるいはセラミック材料で形成されることもできるが
、例えばＩｎｃｏｎｅｌＸ７５０またはＨａｙｎｅｓ−２５で形成された金属ブ
リストルが好ましいことを理解されたい。図１を詳細に検討すると、支持プレー
ト２０は、高圧側からの荷重により、もしあるとしたら図で矢印Ｂで示した、ま
た図の左から右へのシール洩れの方向のブリストル１６の変形を防止することが
分かる。従って、ブリストル１６の末端は下流側の環状支持プレート２０の内径
の縁を越えて突出し、回転コンポーネント１２、例えば回転シャフトの表面と接
触しシールを構成する。ブリストル１６は、例えばブラシシールの最外端直径に
沿って溶接ビード２２を施すなど、プレート１８及び２０の間に溶接されること
が好ましい。ブリストルは、回転コンポーネントの半径方向の最大偏向に対応す
る半径方向距離ｈだけ、支持プレート２０の半径方向内側端部から突出している
。従って、距離ｈは、その最大偏向に対応する最小値でなければならず、特定の
機械及びシール位置についてのその軸線Ａに対する回転コンポーネントの予期さ
れる相対的な半径方向の偏向あるいは偏移に左右される。このように、距離ｈは
支持プレート２０の最小フェンス高さであり、その内径の縁はシャフトまでの距
離ｈを越えなければならない。

【００１２】 図１に示すように、ブラシシール１０は、固定コンポーネント１４の内側表面
中に形成された溝２４内に配置される。溝２４の基底２６は、ブラシシールの外
径を超える直径を持ち、ブラシシールと溝の基底との間に半径方向の間隙を形成
している。この構成の結果、ブラシシールの半径方向の動きにおける全ての拘束
が取り去られ、ブラシシール１０は溝２４内で「浮動」していることが分かる。
その結果として、熱過渡および安定状態の運転時における軸線Ａの半径方向の偏
倚にも拘わらず、ブラシシール１０は回転コンポーネント１２の回転軸線Ａと同
心に保たれる。つまり、シャフト１２の実際の回転は、設計された回転軸線から
半径方向に偏移する可能性があり、その場合にはブラシシール１０は、溝２４内
での半径方向の動きによって、シャフト１２の軸線Ａに自動整列あるいは自動調
心される。結果として、たとえ組立てや運転中のシャフトの半径方向偏倚にも拘
わらず、ブラシシール及びシャフトの軸線は共通の軸線を持つ。

【００１３】 次ぎに図２及び図３において、ここでは同一の参照番号を後に「ａ」と言う接
尾字を付けて同様の部品に適用するが、ブラシシール１０ａは複数の弓形セグメ
ント、例えばセグメント３０の形態をしている。セグメント３０は、いかなる数
のセグメント、例えば４個から８個あるいは１０個までのセグメントが含むこと
ができるが、弓形の長さが互いに等しいことが好ましい。セグメント３０はまた
、半径方向に延びる端面、あるいは、図示するように傾斜したブリストルと同じ
方向に軸線Ａの半径から傾斜した端面を持つことができる。端面間に適当な間隔
を置くことによって、セグメント３０は互いに独立して半径方向内方及び外方へ
動くことができることが分かるであろう。

【００１４】 セグメントのブリストルの末端が回転シャフト１２ａの表面と一定したシール
接触を保つために、セグメントは半径方向内側方向に付勢される。半径方向内側
方向の付勢力を得るために、円周方向に延びるガータスプリング３２がブラシシ
ール１０ａの外径の周りに設けられる。ガータスプリング３２は、セグメントを
半径方向内方に付勢するが、ロータ１２ａが半径方向に偏倚運動したときブラシ
シールセグメントが半径方向外方に移動するのを許すために、ブリスクパックの
ばね定数と比較して低い付勢力を有する。セグメント状ブラシシール１０ａは、
それ以外では固定コンポーネント１４ａの溝２４ａ内で自由に浮動している。

【００１５】 次ぎに図４及び図５において、ここでは同一の参照番号を後に「ｂ」と言う接
尾字を付けて前の実施形態と同様の部品に適用するが、前の実施形態のそれと類
似のブラシシールセグメント３０ｂを示す。しかしながら、この形態では半径方
向内側方向の付勢力は、板ばね３２'によって各セグメントに与えられる。板ば
ねは溝２４ｂの基底２６ｂとの間で作用するが、追加の板ばねを設けることはで
きるが、各セグメント３０ｂに対して１つの板ばね３２’があることが好ましい
。ばねをセグメントに固定して組立てを容易にするために、板ばね３２’の一端
がブラシシールの外径にあるスロットに折り込まれ、一方反対側の端部は自由に
しておくのが好ましい。その結果、各セグメント３０ｂは、他のセグメントの内
側方向への付勢とは独立して、半径方向内側方向に付勢される。このようにして
、設計軸線Ａからずれたシャフトの半径方向の偏倚にも拘わらず、ブリストル１
６ｂの末端はシャフト１２ｂの外側表面とシール接触を保つ。

【００１６】 次ぎに図６には、高圧分野に使用する本発明の形態を示す。ガータスプリング
は、溝内でＯリングシール及びシールと組合わされて、ブラシシールの両側に高
圧及び低圧領域を設け、ブラシシールの内径及び外径にかかる圧力をバランスさ
せる。溝２４ｃは、シールの高圧側即ち上流側にダブテール４０を含み、同時に
ガータスプリング／Ｏリング組合せシールを受入れるために半径方向外方に形成
された別の溝４２を含む。溝４２とブラシシールセグメント、特にブリストルと
は共通の直径平面内に位置する。ガータスプリング及びＯリング４４組合せシー
ルは、溝４２の中及び溝４２の両側の間をシールし、２つのチャンバ４６及び４
８を形成する。プレート１８ｃと固定フック５０との間のスペースは、高圧流体
がチャンバ４６に入るのを許し、それによってブラシシールの上流側のＩ．Ｄ．
（内径）及びＯ．Ｄ．（外径）の間の圧力をバランスさせる。通路４５はブラシ
シールの下流側の低圧領域とシールの下流側の溝２４ｃのチャンバ４８との間を
連通している。

【００１７】 この構造の結果、上流側プレート１８ｃの直径にかかる高圧は、溝４２内、即
ち支持プレート１８ｃの外径上のチャンバ４６内の高圧でバランスされる。下流
側プレート２０ｃの内径及び外径にかかる低圧もまた、互いにバランスされる。
このようにして、半径方向内側方向の正味の付勢力は、図２の実施形態と同様に
、ガータスプリングによってのみセグメントにかけられる。

【００１８】 図１に示す全３６０度ブラシシールあるいは図２から図６までに示すセグメン
ト状ブラシシールを含む本発明の全ての実施形態において、ブラシシールは回転
防止構造を備えている。例えば、図７に示すように、半径方向に延びるスロット
７０が、ブラシシールの支持プレートの一つの軸方向面に沿って形成される。軸
方向に延びるピン７２は、固定コンポーネントから半径方向スロット７０中に延
びてブラシシールの円周方向の動きを防止するが、シールが回転コンポーネント
の偏倚に追随できるように半径方向の動きは可能にしている。３６０度シールに
おいては、ピンは１つのみ必要であるが、セグメント状シールにおいては、セグ
メント１つにつき1つのピンが必要である。

【００１９】 図８は別の回転防止構造を示している。この実施形態においては、半径方向開
口スロット７４が、ブラシシールの支持プレートの一つのフランジ７６中に形成
される。固定コンポーネントに取り付けられた半径方向に延びるピン７８は、ス
ロット７４中に延びて、ブラシシールセグメントの半径方向の動きは可能にしな
がら固定コンポーネントに対してブラシシールの円周方向の動きを防止している
。このように、回転防止構造の両方の形態において、ピンは、固定コンポーネン
トに対するブラシシールの実質的な円周方向の動きを防止するストッパを構成し
ている。

【００２０】 本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものについて説明
してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添
付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる種々の変形形態および
等価の構成を含むことを意図していることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による回転及び固定コンポーネント間の自動調心ブラシシ
ールを示す部分断面図。

【図２】 本発明の別の実施形態を示す図１と同様の図。

【図３】 図２におけるおおよそ線３−３による部分断面図。

【図４】 本発明の第３の実施形態のブラシシールセグメントを示す図１と
同様の図。

【図５】 図４の実施形態のブラシシールセグメント及びセグメントを付勢
するための板ばねを示す、回転及び固定コンポーネントを通る部分断面図。

【図６】 本発明のさらに別の実施形態を示す図１と同様の図。

【図７】 ブラシシールの支持プレートと係合する軸方向ピンを示す図１と
同様の図。

【図８】 支持プレートのフランジ内の半径方向ピンを示す図４と同様の図
。

【符号の説明】

１０ ブラシシール １２ 回転シャフト １４ 固定ハウジング １６ ブリストル １８、２０ 支持プレート ２２ 溶接ビード ２４ 溝 ２６ 基底 Ａ 軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウッドマンシー，ドナルド・アーネスト アメリカ合衆国、12309、ニューヨーク州、 スケネクタデイ、ディーン・ストリート、 1470番 (72)発明者 ディンク，オスマン・サイム アメリカ合衆国、12180、ニューヨーク州、 トロイ、ニロイ・ドライブ、107番 (72)発明者 ターンキスト，ノーマン・アーノルド アメリカ合衆国、12160、ニューヨーク州、 スローンスビル、コルビン・ヒル・ロー ド、146エー番 (72)発明者 ウォルフ，クリストファー・エドワード アメリカ合衆国、12309、ニューヨーク州、 ニスカユナ、マイロン・ストリート、1455 番 Ｆターム(参考） 3G002 HA07 HA12 3J043 AA16 BA06 BA09 CA20 CB20 DA03 DA05 【要約の続き】 接触を保つ。さらに別の実施形態では、シールセグメン トは、セグメントの両側の高圧及び低圧領域をシールす るＯリングシールを用いて、半径方向に圧力バランスさ れる。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線の周りを回転可能なコンポーネントと、前記軸線の周り
   の回転に対して静止しており、前記回転コンポーネントに向かって開口する円周
   方向に延びる溝を持つ固定コンポーネントと、 前記溝内に配置され、複数のブリストルと該ブリストルのための支持体とを有
   し、前記ブリストルが前記支持体に固定され、前記支持体を超えて突出し前記回
   転コンポーネントとシール接触するブラシシールと、を含み、 前記ブラシシール及び前記溝は、それらの間に半径方向の間隙を有し、前記固
   定コンポーネントの軸線に対する前記回転コンポーネントの回転軸線の偏移にも
   拘わらず、前記ブラシシールが半径方向に動き、実質的な同心性と前記回転コン
   ポーネントとのシール接触を保つことを可能にする、 ことを特徴とする回転機械。
2. 【請求項２】 前記溝及び前記ブラシシールは、それらの間の実質的な半径
   方向の拘束を受けることなく、互いに協働し、前記ブラシシールが前記溝内で自
   由に浮動する半径方向の偏倚運動及び前記回転コンポーネントとの同心性を可能
   にすることを特徴とする、請求項１に記載の機械。
3. 【請求項３】 前記回転コンポーネントは、一部が前記溝内に配置された複
   数の弓形の円周方向に延びるセグメントと、各セグメントを半径方向内側方向に
   動かすように付勢し、前記セグメントにより担持された前記ブリストルを前記回
   転コンポーネントと接触状態に保つスプリングとを含む前記固定ブラシシールの
   半径方向内方に位置することを特徴とする、請求項１に記載の機械。
4. 【請求項４】 前記スプリングは、前記溝内で各セグメントと接触状態で延
   び、前記セグメントを半径方向内方に付勢する、円周方向に延びるらせん状コイ
   ルばねを含むことを特徴とする、請求項３に記載の機械。
5. 【請求項５】 前記回転コンポーネントは前記固定コンポーネントの半径方
   向内方に位置し、前記ブラシシールは、一部が前記溝内に配置された複数の弓形
   の円周方向に延びるセグメントと、前記固定コンポーネントと前記セグメントと
   の間に配置されて、前記セグメントをそれぞれ半径方向内側方向に動かすように
   付勢し、前記セグメントにより担持された前記ブリストルを前記回転コンポーネ
   ントと接触状態に保つスプリングとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の
   機械。
6. 【請求項６】 前記ブラシシールは、一部が前記溝内に配置された複数の弓
   形の円周方向に延びるセグメントと、前記セグメントと前記溝の基底との間に延
   びる各セグメントのためのスプリングとを含むことを特徴とする、請求項１に記
   載の機械。
7. 【請求項７】 前記スプリングの各々が板ばねを含むことを特徴とする、請
   求項６に記載の機械。
8. 【請求項８】 前記回転コンポーネントは前記固定コンポーネントの半径方
   向内方に位置し、前記ブラシシールは、一部が前記溝内に配置された複数の弓形
   の円周方向に延びるセグメントと、各セグメントを半径方向内側方向に動かすよ
   うに付勢し、前記セグメントにより担持された前記ブリストルを前記回転コンポ
   ーネントと接触状態に保つスプリングとを含み、前記ブラシシールは、前記ブラ
   シシールのそれぞれ上流及び下流側の高圧及び低圧領域の間のシールを構成し、
   前記ブラシシールと前記溝との間のシールは前記溝を２つのチャンバに分割し、
   前記ブラシシールの下流低圧側と連通する前記固定コンポーネントの通路が、前
   記下流側からの低圧流体を前記チャンバの一つと連通し、前記ブラシシールの内
   径及び外径に沿う圧力をバランスさせることを特徴とする、請求項１に記載の機
   械。
9. 【請求項９】 前記固定コンポーネントにより担持され、前記ブラシシール
   と係合する回転防止ストッパを含み、前記ブラシシールの半径方向の動きを可能
   にしながら、前記ブラシシールの円周方向の動きを防止することを特徴とする、
   請求項１に記載の機械。