JP2004068965A - 接触型シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシの磨耗が進行した場合でも、ブラシの回転軸への押付力を確保してシール性能を維持することができ、ブラシシールを新品に交換することなく長期間使用することができる接触型シール装置を提供することを目的とする。
【解決手段】作動流体６１が充填されたケーシング５中に回転軸１を配し、この回転軸の周面にブラシシールを配して前記作動流体の封止を行う接触型シール装置において、前記ブラシシールａ，ｂ，ｃは、前記回転軸周りに分割されて配されるように構成され、前記ケーシングは、前記ブラシシール相互間に配されるように前記回転軸の軸心に向って突出し、前記ブラシシールとの当接面がテーパー状に形成された凸状案内部６を有するとともに、前記ブラシシールを前記回転軸の周面に向けて押付力を与える押圧手段８，１１，２４を有することを特徴とする接触型シール装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械に用いられて回転軸周りにおける作動流体の漏れを低減しつつシール作用を行う接触型シール装置に係り、とくにその磨耗対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン・ガスタービン等の高温高圧の作動流体を扱うターボ機械では、シール性能を向上させて全体効率を上げるために、近年では接触タイプのブラシシールが使用されるようになってきている。使用されているブラシシールは、図１０に示すように比較的細いワイヤあるいは樹脂系等の素線を束ねてなるブラシを形成し、回転軸１のシール部に素線が環状になるように配置している。
【０００３】
そして、回転軸１とブラシ２の先端とは、接触させるかあるいは相互間に極めて狭い隙間を持たせて配置している。また、ブラシ２は、ブラシホルダー３によりブラシの素線を挟み込むようにしてブラシ固定部４で溶接し、ブラシホルダー３をケーシング５により支持している。
【０００４】
一般に、シールは、機械の高圧部から流れてくる作動流体を封止するために用いられることから、その前後で圧力差が生じる。そこで、ブラシ２は、作動流体の圧力差により低圧側に傾かないように、ある程度剛性を持たせている。また、ブラシ２の素線は回転軸１と接触しているため、回転軸１が磨耗しないように、回転軸１のブラシ２との接触面には非常に硬い材料でコーティングを施している。
【０００５】
ブラシシールのシール作用は、次の通りである。図９に示すように、ブラシシールの上流側（高圧側）から到来する流体６１は、そのブラシ２の素線に当る。素線は非常に密に植え込まれているため、素線と流体６１との間には流体摩擦が発生して流体に対し強力な吹き抜け抵抗として作用し、効率の良いシールを提供する。
【０００６】
ここで、ブラシシールは、回転軸１と接触しているので、素線の磨耗は避けられず経年的なシール性能の劣化が起こり、定期検査の都度、ブラシシールの交換が実施されている。そして、磨耗が進行してシール性能が劣化した場合には、ブラシシール全体、つまりブラシ２およびこのブラシ２と連結されたブラシホルダー３を新品と交換している。
【０００７】
図１１および図１２は、従来の接触型シール装置の正断面図である。大型回転機に、この種のシール装置を装着する場合、機器の組立作業性の点から周方向に分割した構造とするのが通例であり、ここでは３分割の例で示す。図１１の構成は、ケーシング５に固定された板ばね５１の復元力により、ブラシ２の中央部が回転軸１に押し付けられている例である。また図１２の構成は、初期状態で圧縮されている円環状に屈曲された弾性体５３が、ケーシング５内周側に固定されており、この弾性体５３の復元力によりブラシ２が、回転軸１に押し付けられている例である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの例においては、板ばね５１または弾性体５３は、初期設定でブラシ２を回転軸１に押し付けているが、ブラシホルダー３相互の接触面５４が接触して円管形状を形成しているため、初期の設定でブラシの径方向内側への押付力とブラシ内径は、幾何学的に決定されてしまう。
【０００９】
したがって、ブラシと回転軸の摩擦によりブラシの磨耗が進行すると、所定のブラシの押付力が得られなくなってしまうとともに、それが進行するとブラシと回転軸との間に隙間ができて、この隙間から作動流体が漏れてしまい、シール性能が損なわれてしまう。
【００１０】
また、予め接触面に隙間を設けるように設定しても、この隙間から作動流体が漏れない範囲での設定量は極めて小さなものとなり、板ばね５１または弾性体５３の調整できる位置範囲が狭い。このため、磨耗が進行してブラシシールが板ばね５１または弾性体５３の復元力によって径方向内側に移動した際に、ブラシホルダー３と板ばね５１または弾性体５３とが離れてしまい、その後さらに磨耗が進行した場合には復元力が得られず、終にはブラシ２と回転軸１との間に隙間が生じてしまい、シール性能が得られない事態に陥り易い。
【００１１】
また図１０の例では、ブラシホルダー３と板ばね５１との接触面積が小さいために、板ばね５１の復元力が、回転軸１の周上に分布しているブラシ２全体から回転軸１に対する押付力として伝達され難い、という問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の点を考慮してなされたもので、ブラシの磨耗が進行した場合でも、ブラシの回転軸への押付力を確保してシール性能を維持することができ、ブラシシールを新品に交換することなく長期間使用することができる接触型シール装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の、作動流体が充填されたケーシング中に回転軸を配し、この回転軸の周面にブラシシールを配して前記作動流体の封止を行う接触型シール装置において、前記ブラシシールは、前記回転軸周りに分割されて配されるように構成され、前記ケーシングは、前記ブラシシール相互間に配されるように前記回転軸の軸心に向って突出し、前記ブラシシールとの当接面がテーパー状に形成された凸状案内部を有するとともに、前記ブラシシールを前記回転軸の周面に向けて押付力を与える押圧手段を有することを特徴とする接触型シール装置、
請求項２記載の、請求項１記載の接触型シール装置における前記凸状案内部は、前記当接面の延長線の交点が前記回転軸の軸心まで到達しない位置になるように形成された接触型シール装置、
請求項３記載の、請求項１記載の接触型シール装置における押圧手段は、前記ケーシングに設けられた支持装置によって支持されたコイルばねにより、前記ブラシシールを前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置、
請求項４記載の、請求項３記載の接触型シール装置における前記支持装置に位置調整用スライド機構を具備したことを特徴とする接触型シール装置、
請求項５記載の、請求項１記載の接触型シール装置における押圧手段は、前記ケーシングに取り付けられたナットおよび締付ボルトに連結した前記押圧手段により、前記ブラシシールを前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置、
請求項６記載の、請求項１記載の接触型シール装置における前記押圧手段に力検出素子を設置し、前記ブラシシールの前記回転軸への押付力を検出するようにしたことを特徴とする接触型シール装置、
請求項７記載の、請求項１記載の接触型シール装置における前記ブラシシールの下流側圧力を検知し、前記ケーシングに取り付けられたベローに作動流体を導入し、該ベローが前記押圧手段を動作させることを特徴とする接触型シール装置、
請求項８記載の、請求項１記載の接触型シール装置における前記ブラシシールの周方向分割数を偶数とし、１８０°の対向位置関係にある各ブラシと回転軸との接触周長を等しくし、分割された前記各ブラシシールの各々における下流側圧力の差をベローに導入することを特徴とする接触型シール装置、
請求項９記載の、請求項７または８記載の接触型シール装置における前記ブラシシールの上流側圧力と前記ブラシシールの下流側圧力との差を前記ベローに導入することを特徴とする接触型シール装置、および
請求項１０記載の、請求項１記載の接触型シール装置における前記押圧手段は、前記ケーシングと前記ブラシシールとの間にフォイル機構を有し、該フォイル機構により、前記ブラシシールを前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置、
を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施例を示す正断面図である。ブラシシールの周方向分割数（この場合、３）に応じた数の凸状案内部６をケーシング５の内周側に設け、凸状案内部６に設置したばね支持部９にて支持されているコイルばね８によりブラシホルダー３に対して径方向内向きの復元力が働く。
【００１６】
この実施例の特徴は、凸状案内部６が所定角のテーパー面を有する点にある。すなわち、凸状案内部６のテーパー角は、両テーパー面の延長線の交点が回転軸１の軸線位置に達しない位置としている。これにより、ブラシの磨耗が生じたとき、コイルばね８によりブラシホルダー３全体が径方向内側に押し付けられ易くなる結果、凸状案内部６のテーパー面に沿って移動し所定の押付力を保つことができる。
【００１７】
コイルばね８に接触しているブラシホルダー３は、コイルばね８の復元力により径方向中心向きに力を受ける。凸状案内部６のブラシホルダー３との接触面には、ブラシホルダー３が滑らかに動作するように、摺動面１０（例えばテフロン（登録商標）等の低摩擦特性を持つ物質のコーティング処理実施された面）が形成されている。コイルばね８の復元力はブラシ固定部４にて固定されているブラシ２に伝達し、ブラシ２が回転軸１に対して押し付けられる。
【００１８】
また、凸状案内部６の先端７にもブラシ２を固定させて、回転軸１との僅かな隙間もシールするようにしている。これには、ブラシ２、ブラシホルダー３およびブラシ固定部４を有する構造でありながら、各要素の寸法を縮小することにより小型に構成され、凸状案内部６の先端部空間に対し、回転軸の軸方向と平行な方向から差し込むように形成されたものを用いる。
【００１９】
ここで、凸状案内部６によりブラシホルダー３が周方向に拘束されることから、回転軸１の回転により励起されるブラシシールの周方向の運動は抑制される。
【００２０】
この実施例では、図１１に示した従来例における板ばね５１、および図１２に示した従来例における弾性体５３と比較して、コイルばね８の設定できる位置範囲が広いため、ブラシ２の磨耗が進行しても、コイルばね８とブラシホルダー３とを接触させることができ、ブラシ２の回転軸１の周面に対する押付力を確保できる。
【００２１】
さらにこの実施例では、図１１に示した従来例における板ばね５１と比較して、コイルばね８とブラシホルダー３との接触面積が大きいことから、回転軸１の周上に分布しているブラシ２全体から回転軸１の周面に対して押付力を与えるようになり、力の伝達が良好に行われる。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施例を示す正断面図である。この実施例では、図１に示した第１の実施例に対して、ケーシング５における内周側の凸状案内部６に設けたばね支持部９に、径方向スライド機構を具備させ、かつケーシング５における凸状案内部６の外周側に空隙部２１を設けて、スライド機構付きばね支持部２０へ外部からアクセスできるようにした。
【００２３】
図３は、図２におけるスライド機構付きばね支持部２０の構造をより詳細に示したものである。すなわち、スライド機構付きばね支持部２０は、径方向の長穴を持った固定部材９ａをブラシホルダー３に固定する一方、コイルばね８を掛けるフック９ｂを一端に有し、他端にナット９ｃを有し長穴内を移動する移動部材９ｄを設けてなるものである。これにより、移動部材９ｄの径方向に関する位置調整が可能になり、この位置調整を行えば、ブラシ２の磨耗が進行してもブラシ２の回転軸１への押付力を微調整することが可能になる。
【００２４】
図４は、本発明の第３の実施例を示す正断面図である。この実施例では、図１に示した第１の実施例に対して、コイルばね８ではなく押付板１１によりブラシホルダー３を押し付け、それにより回転軸１が、ブラシホルダー３にブラシ固定部４にて固定されたブラシ２により、押し付けられる。
【００２５】
押付板１１は、締付ボルト１３に連結されていて、この締付ボルト１３はナット１４によりケーシング５に対して固定される。締付ボルト１３およびナット１４は、ケーシング５の外周側からアクセス可能であることから、押付板１１のブラシホルダー３への押付力を調整することができる。ブラシ２の回転軸１への押付力の微調整は、本発明の第２の実施例と同様、ブラシ２の磨耗が進行した後でも可能である。
【００２６】
図５は、本発明の第４の実施例を示す正断面図である。この実施例では、図４に示した第３の実施例に対して、押付板１１に力検出素子１５を設置する。力検出素子１５からは信号１６が出力され、力検出装置１７により読み取られる。力検出装置１７から表示器１９に対し押付板１１によるブラシホルダー３への押付力が与えられ、その数値が表示される。これにより、ブラシ２から回転軸１への押付力を定量的に表示して管理することが可能となり、押付力の微調整を高精度に実施できる。
【００２７】
図６は、本発明の第５の実施例を示す正断面図である。この実施例では、押付板１１の位置調整を行う手段が、ケーシング５に取り付けられたベロー２２である。そして、この実施例では、ブラシシールの回転軸に対する押付力を下流側圧力の大小に応じて加減するようにしている。
【００２８】
この実施例では、分割ブラシシールａ，ｂ，ｃの各下流側圧力２３ａ，２３ｂ，２３ｃが、対応する位置の各ベロー２２に加減圧バルブ２９を通して導入され、ベロー２２により、連結されている押付板１１が動作する。下流側圧力が上昇すると、押付板１１が回転軸１を押し付けるように径方向内側に移動し、下流側圧力が低下すると押付板１１が回転軸１から離れるように外径側に移動するように設定しておく。
【００２９】
これは、下流側圧力が高いときはシール性能が劣化していて、下流側圧力が低いときはシール性能が良いことに基づく。分割したブラシシールの各下流側圧力を、対応する位置の各ベロー２２に導入することにより、ブラシ２の磨耗が進行してシール性能が劣化しても、分割した各々の部分においてシール性能の確保が別々に行える。
【００３０】
この実施例では、下流側圧力を検知し、ブラシシールの作動状態を診断し異常の場合はそれを補償するように作動流体を導いて圧力をブラシホルダーにかけ、所定の押付力を確保するものであり、検知する圧力は下流側のものであるが、ブラシホルダーに導く作動流体は下流側・上流側どちらから取り入れてもよい。
【００３１】
図７は、本発明の第６の実施例を示す正断面図である。この実施例では、図６に示した第５の実施例と異なり、ブラシシールは周方向に４分割されていて、ブラシシールａとｃ、またブラシシールｂとｄがそれぞれ１８０°の対向位置関係にある。これにより、各ブラシ２と回転軸１との接触周長を等しくし、各ブラシ下流側圧力の差をベローに導入する。
【００３２】
そして、ブラシ下流側断面における１８０°の対向位置の圧力差をベローに導入すると、これに応じて押付板１１が動作することから、図示断面内でシール性能に差が生じた場合でも、これに対応してシール性能を均等化することができる。
【００３３】
図８は、本発明の第７の実施例を示す正断面図である。この実施例では、図６に示した第５の実施例および図７に示した第６の実施例に対して、ブラシ２の上流側圧力３０とブラシ２の下流側圧力２３との差をベロー２２に導入する。ここではブラシシールを周方向に３分割した例を示す。分割ブラシシールａ，ｂ，ｃの各上流側と下流側との圧力差３０ａ−２３ａ、３０ｂ−２３ｂ、３０ｃ−２３ｃが、対応する位置の各ベロー２２に加減圧バルブ２９を通して導入され、ベロー２２により、連結されている押付板１１が動作する。
【００３４】
各分割ブラシシールａ，ｂ，ｃの上流側と下流側との圧力差を検知することにより、各分割ブラシシールａ，ｂ，ｃでの漏れ量を評価・把握することになる。よって、漏れ量を基に各押付板が動作するようになり、高い精度で各ブラシシールａ，ｂ，ｃのシール性能を確保することができる。
【００３５】
図９は、本発明の第８の実施例を示す正断面図である。この実施例は、第５、第６および第７の各実施例（図６、図７および図８）の接触型シール装置に関して、フォイル機構により、ブラシ２を回転軸１に押し付けている。ケーシング５の内周面にバックフォイル２８が接触していて、押付力を均一化できるような機能を有したバンプフォイル２７は、バックフォイル２８により支持されている。フォイル固定端２５で固定され、フォイル自由端２６を有するトップフォイル２４は、外周側でバンプフォイル２７に接触している。トップフォイル２４内周面にはブラシホルダー３が連結されていて、ブラシ２がブラシ固定部４によってブラシホルダー３に固定されている。
【００３６】
ケーシング５にはベロー２２が設けられており、加減圧バルブ２９を通したブラシ下流側圧力２３が導入される。下流側圧力２３が上昇するとトップフォイル２４が径方向内側に移動し、下流側圧力２３が低下するとトップフォイル２４が外径側に移動するように設定しておく。下流側圧力２３が高いときはシール性能が劣化していて、下流側圧力２３が低いときはシール性能が良いからである。以上のように設定しておけば、ブラシ２のシール性能とフォイル機構の調芯機能とを連動させることができ、ブラシ２の磨耗が進行した場合でもシール性能が確保できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は上述のように、回転機械に用いられ作動流体を封止する接触型シール装置において、ブラシの磨耗が進行した場合でも、ブラシの回転軸への押付力を確保してシール性能を維持することができる。したがって、ブラシシールを頻繁に交換することなく、長期間使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の正断面図。
【図２】本発明の第２実施例の正断面図。
【図３】図２に示した実施例におけるスライド機構付きばね支持部の一例を示す図。
【図４】本発明の第３実施例の正断面図。
【図５】本発明の第４実施例の正断面図。
【図６】本発明の第５実施例の正断面図。
【図７】本発明の第６実施例の正断面図。
【図８】本発明の第７実施例の正断面図。
【図９】本発明の第８実施例の正断面図。
【図１０】接触型シール装置の基本構造を示す側断面図。
【図１１】従来技術に係る第１実施例の正断面図。
【図１２】従来技術に係る第２実施例の正断面図。
【符号の説明】
１　回転軸、２　ブラシ、３　ブラシホルダー、４　ブラシ固定部、５　ケーシング、６　凸状案内部、７　凸状案内部先端、８　コイルばね、９　ばね支持部、１０　摺動面、１１　押付板、１２　ねじ部、１３　締付ボルト、１４　ナット、１５　力検出素子、１６　出力信号、１７　力検出装置、１８　力信号、１９　表示器、２０　スライド機構付きばね支持部、２１　ケーシング空隙部、２２　ベロー、２３　ブラシ下流側圧力、２３ａ　ブラシａ下流側圧力、２３ｂ　ブラシｂの下流側圧力、２３ｃ　ブラシｃの下流側圧力、２３ｄ　ブラシｄの下流側圧力、２４　トップフォイル、２５　フォイル固定端、２６　フォイル自由端、２７　バンプフォイル、２８　バックフォイル、２９　加減圧バルブ、３０ブラシの上流側圧力、３０ａ　ブラシａの上流側圧力、３０ｂ　ブラシｂの上流側圧力、３０ｃ　ブラシｃの上流側圧力、５１　板ばね、５２　ばね支持部
５３　弾性体、６１　作動流体、ａ，ｂ，ｃ　分割ブラシシール。

Claims (10)

1. 作動流体が充填されたケーシング中に回転軸を配し、この回転軸の周面にブラシシールを配して前記作動流体の封止を行う接触型シール装置において、
   前記ブラシシールは、前記回転軸周りに分割されて配されるように構成され、前記ケーシングは、前記ブラシシール相互間に配されるように前記回転軸の軸心に向って突出し、前記ブラシシールとの当接面がテーパー状に形成された凸状案内部を有するとともに、前記ブラシシールを前記回転軸の周面に向けて押付力を与える押圧手段を有する
   ことを特徴とする接触型シール装置。
2. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記凸状案内部は、前記当接面の延長線の交点が前記回転軸の軸心まで到達しない位置になるように形成された接触型シール装置。
3. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記押圧手段は、前記ケーシングに設けられた支持装置によって支持されたコイルばねにより、前記ブラシシールを前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置。
4. 請求項３記載の接触型シール装置において、
   前記支持装置に位置調整用スライド機構を具備したことを特徴とする接触型シール装置。
5. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記押圧手段は、前記ケーシングに取り付けられたナットおよび締付ボルトに連結され、前記ブラシシールを前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置。
6. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記押圧手段に力検出素子を設置し、前記ブラシシールの前記回転軸への押付力を検出するようにしたことを特徴とする接触型シール装置。
7. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記ブラシシールの下流側圧力を検知し、前記ケーシングに取り付けられたベローに作動流体を導入し、該ベローが前記押圧手段を動作させることを特徴とする接触型シール装置。
8. 請求項１記載の接触型シール装置において、
   前記ブラシシールの周方向分割数を偶数とし、１８０°の対向位置関係にある各ブラシと回転軸との接触周長を実質的に等しくし、分割された前記各ブラシシールの各々における下流側圧力の差をベローに導入することを特徴とする接触型シール装置。
9. 請求項７または８記載の接触型シール装置において、
   前記ブラシシールの上流側圧力と前記ブラシシールの下流側圧力との差を前記ベローに導入することを特徴とする接触型シール装置。
10. 請求項１記載の接触型シール装置において、
    前記押圧手段は、前記ケーシングと前記ブラシシールとの間にフォイル機構を有し、
    該フォイル機構により、前記ブラシシールが前記回転軸に押し付けることを特徴とする接触型シール装置。

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