JP2004510969A - ブラシシールの固有振動数を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、加圧及び／又はシミュレートしたロータとの干渉のもとでの、ブラシシールセグメントの固有振動数を測定するための振動数の測定装置及び方法に関する。ブラシシールセグメント（２４）が、圧力容器（１０）内部にエレメントのアーチ形表面に対して取付けられ、その両側の異なる圧力の領域間のシールを構成する。容器をある振動数の範囲で振動させることにより、圧力負荷のもとでのブラシシールセグメントの固有振動数を確認することができる。さらに、アーチ形表面とブリストル先端との間の干渉を調節することにより、種々の干渉負荷のもとでのブラシシールの固有振動数を同様に確認することができる。圧力容器は、加振テーブルに容器を連結するためのマウント（５０）を有し、所定範囲の振動数で容器を振動させることが可能になる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力及び／又はシミュレートしたロータとの干渉のもとでの、ブラシシールセグメントの固有振動数を測定するための振動数試験装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
ブラシシールは、大型の蒸気及びガスタービンそして航空機エンジンのようなより難しい条件で、固定構成部品と回転構成部品との間をシールするためにますます利用されている。一般的に、ブラシシールは、１つ又はそれ以上の裏当て板から延びて自由端部で終わる、セラミック又は金属材料で形成された複数のブリストルを含む。ブラシシールは通常、シールされる構成部品の間を、例えば一般的には固定要素から延びて、ブリストルの自由端部を回転構成部品に接触させる。また、通常の方法としては、ブリストルの基端部は一対の裏当て板の間に配置され、裏当て板に溶接される。裏当て板は一般的に、よく知られたように、固定構成部品、例えば蒸気タービンのロータの周りのダイアフラムに固定される。ブリストルは、ブリストルの自由端部がロータに接触しロータとでシールを形成するように、通常ロータの半径からロータの回転方向にずれた角度で裏当て板から延びる。ブリストルは、事実上、回転構成部品の表面に沿って接触する、複数の片持ち梁を構成する。固定構成部品と回転構成部品との間のブラシシールによるシーリングはまた、通常ブラシシールセグメントで形成される。例えば、６つのアーチ形のシールセグメントで構成し、各セグメントがほぼ６０゜の範囲で延び、端と端とを付き合わせて配置され、回転構成部品の周りに完全な３６０°のシ―ルを形成することができる。
【０００３】
理解されるように、苛酷な流れ条件は、ブラシシールの１つ又はそれ以上の固有振動数を励振する危険を持っている。ブラシシールが使用中にその共鳴振動数で励振された場合は、高サイクル疲労のために、ブリストルがその溶接された基端部の近傍やその自由長さに沿って、折れる可能性がある。この現象のため、ブラシシールセグメントは、シールの固有振動数を確認するために加振テーブルで通常試験され、振動数を掃引しながらストロボスコープを用いてブラシシールセグメントの固有振動数が測定される。しかしながら、ブリストルはシール内で互いに接して詰められているので、ブリストル自身の間の摩擦は、ブラシシールの固有振動数を、種々の作動圧力すなわちシールの両側の領域間の差圧によって変化させる原因となる。すなわち、圧力負荷が増加すると互いに接触して一緒に詰められているブリストルはシール剛性を増加させ、シールの固有振動数を変化させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ブラシシールの固有振動数は種々の圧力負荷で変化するのみならず、ロータとの干渉の関数としても変化する。すなわち、ブラシシールとロータとの間に加えられる力もまたシールの固有振動数を変化させる。従って、圧力負荷及び／又はロータとの干渉のもとでの固有振動数を測定するためのブラシシールセグメントの試験装置及び方法についての必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によると、ブラシシールに対して予想される選択された作動圧力に加圧できる圧力容器が、関心のある振動数領域を掃引する加振テーブル上に取付けられる。ブラシシールセグメント、好ましくは小さいアーチ状セグメントのみが、圧力容器内に取付けられる。ブラシシールが使用されるときブリストルの先端が接触するロータをシミュレートした半径を有するエレメントが、圧力容器内に取付けられ、これによりブラシシールセグメントとエレメントとは、シミュレートされたシールを形成する。シールは、シールの両側の領域が異なる圧力になるように、圧力容器内に配置される。加振テーブルが関心のある振動数を掃引しながら、ブラシのブリストルの固有振動数を測定するために、例えばストロボスコープを使用するための覗き窓が圧力容器内に設けられる。
【０００６】
この構成により、シール前後の予想される作動圧力差での、ブラシシールの固有振動数が確認できる。さらに、エレメントの半径方向の表面をブリストルの先端に対し近付くように又は離れるように調節することにより、ブリストルとシミュレートされたロータとの間の干渉のレベルを変化させることができる。その結果、変化する圧力及び／又はブリストルとシミュレートされたロータとの間の干渉度合いのもとで、ブラシシールの固有振動数が確認できる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態において、ブラシシールのための固有振動数の試験装置は、マウントを有する筐体とマウントに取付けられたアーチ形ブラシシールセグメントとを含む。ブラシシールセグメントは、裏当て板に支持され、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端で終わる複数のブリストルを含む。筐体内部のエレメントは、ブリストル先端に接触するためのアーチ形表面を有し、ブラシシールセグメントと共に、その両側のそれぞれ異なる圧力の２つの領域間のシールを形成する。筐体に設けられた接続部は筐体を加振機に連結し、加振機は、筐体及びその中に取付けられたブラシシールセグメントをある振動数の範囲で振動させ、差圧負荷のもとでのブラシシールセグメントの固有振動数を確認する。或いは、ブラシシールセグメントは、一対の裏当て板に支持され、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端で終わる複数のブリストルを含む。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態において、少なくとも１つの裏当て板に取付けられ、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端で終わる複数のブリストルを有するブラシシールセグメントの固有振動数を測定する方法は、ブリストル先端を、その両側のそれぞれ異なる圧力の領域間に位置するエレメントとのシールを形成するようにエレメントに沿って接触させ、シール前後に差圧を与えて、圧力容器内にブラシシールセグメントを配置する段階と、ある振動数の範囲で圧力容器を加振して、差圧のもとでのブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階とを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の好ましい実施形態において、少なくとも１つの裏当て板に取付けられ、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端で終わる複数のブリストルを有するブラシシールセグメントの固有振動数を測定する方法は、ブリストル先端を、エレメントとの干渉の大きさを定めて該エレメントに沿って接触させて、取付具内にブラシシールセグメントを配置する段階と、ブラシシールセグメントとエレメントとの間の前記干渉の大きさでのブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階とを含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面には、側部壁１２、相対向する端部壁１４及び１６、上部壁１８及び底部壁２０を有する圧力容器又は筐体１０を示す。各壁は、既知の通常の方法で加圧できる筐体を形成する。圧力容器の内部には、好ましくは、端部壁１６上に配置された一対の取付けブラケット又はクランプ２２を備える、マウントが設けられる。ブラケット２２は、ブラシシールセグメント２４を試験の目的のために筐体内部に固定する。図示するように、ブラシシール２４は一対の裏当て板２６及び２８を含み、それらの間に複数のブリストル３０が配置される。ブリストルは通常、裏当て板の間に配置されて基端部の近傍で溶接され、ブリストルは裏当て板の間から自由に延びてブリストル先端３２で終わる。ブラシシールセグメント２４は、２つの裏当て板がより好ましいが、１つの裏当て板を備えてもよいことが分かるであろう。
【００１１】
ブラシシールセグメント２４は、シールクランプ２２により壁１６の内面に隣接して固定される。一対のエンドサポート３４及び３６もまた端部壁１６に支持され、セグメント２４の端部をシールする。エンドサポート３４は、ブリストル先端に達しないところで終わっており、そのためブリストル先端が側部壁１２に形成された覗き窓３８を通して観察できる。エンドサポート３６はブリストル先端の半径にほぼ整合するアーチ形の上部表面を有する。ブラシシールセグメント２４は、別の方法による環状のブラシシールのアーチ形部分を形成してもよいことが分かるであろう。筐体はまた、端部壁１６を貫通する、周囲圧力への出口４０を備える。
【００１２】
半径すなわちロータ表面をシミュレートしたアーチ形表面４４を有するエレメント４２が、上部壁１８の下面に沿って支持される。アーチ形表面は、ブリストル３０の先端３２に接触する。エレメント４２は、このように筐体内に突出し、そのアーチ形表面４４はブラシシールの先端３２に沿って接触する。この接触により、またエンドサポート３４及び３６が試験に供されるセグメントを実質的にシールすることより、ブリストル先端と表面４４との間の接触により形成されたシールの両側の領域間に圧力差がつくり出される。前述の構成では、ブラシシールセグメント２４は、ブリストル先端を出口４０に近接させて筐体中に置かれ、その結果、周囲圧力の領域が１つの側に存在し、より高い圧力の領域が、その反対側の圧力容器の残りの部分に近接して存在する。従って、圧力容器の加圧により、ブリストルの１つの側の領域は、ブリストルの反対側の領域より高い圧力となり、低い圧力の領域は出口４０を通じて大気に開放されている。２つの領域間の、試験装置の種々の部分を通過する漏洩は著しくなく不都合なものではない。試験の目的のためには、２つの領域間のシール前後の予め定められた圧力差を維持することのみが必要である。
【００１３】
エレメント４２は上部プレートに対して調節可能であり、アーチ形表面４４はより大きい又はより少ない程度にブリストル３２に接触することができる。すなわち、ブラシシールセグメントとそれに対してブラシシールセグメントがシールするロータとの間の実際の干渉を、エレメント４２を試験に供されるセグメント３４のブリストル先端に対し近付くように又は離れるように調節することによりシミュレートすることができる。例えば、シム４３が、この干渉を調節するために使用できる。ネジ調節器のような他の装置も、表面４４をブリストル先端に対して近付くように及び離れるように移動させるために使用できる。
【００１４】
ブリストルの固有振動数は、ストロボスコープを通常の方法で使用することにより確認できる。また、上部及び前部壁１８及び１４は、ブリストルが試験に供される間観察できるように透明な材料で形成されることにより、それぞれ覗き窓を備えることができる。さらに、圧力容器１０が異なる向きで加振テーブルに連結できるように、種々の接続部５０が圧力容器１０の壁に設けられる。このように、少なくとも側部、底部及び端部壁が容器１０を加振テーブルに固定するための接続部５０を有し、それにより振動数試験を３つの主要直交方向で行なうことができる。
【００１５】
試験装置を使用するため、圧力容器が加振テーブルに取付けられる。アーチ形のブラシシールセグメント４４が、クランプ２２により、背部壁１６にかつエンドサポート３４と３６との間に固定される。上部壁１８に固定されたエレメント４２と共に上部壁が圧力容器に固定され、エレメント４２のアーチ形表面４４がブリストルの先端に接触する。例えば、種々のシムをエレメント４２に対して使用することにより、アーチ形表面４４とブリストル先端との間の使用中の干渉が、その１部分が試験されているブラシシールとロータとの間の実際の干渉にシミュレートされるように調節できる。圧力容器は開口部４０以外は密封され、容器が加圧されて、シールセグメント３４の両側の領域間に圧力差を生じさせる。次に、加振テーブルが、関心のある振動数の範囲を掃引する。加振機の振動数がシールセグメントの固有振動数に合致したとき、ブリストルの励振が種々の覗き窓を通し又は筐体の１つ又はそれ以上の透明材料で形成された壁を通して捕捉される。この構成を用い、ブラシシールの固有振動数が圧力負荷のもとで測定され、その結果、ブラシシールへの予想圧力負荷でのブラシシールの固有振動数を求めることができる。
【００１６】
さらに、シールの固有振動数は、種々の半径方向の干渉のもとで測定されることができる。すなわち、一般的に、ブラシシールは、ある大きさの半径方向の力でロータに接触し、その力もまた実際の使用におけるブラシシールの固有振動数を変化させる。ブリストル先端に実際のブラシシールにおけるのと同様な半径方向の力を加えるようにエレメント４２を調整することによって、ブラシシールのこの半径方向の荷重負荷のもとでの固有振動数を、測定することができる。この測定は、圧力負荷すなわちシール前後の差圧がある状態で又は圧力負荷がない状態で行なうことができる。
【００１７】
本発明の一部の好ましい特徴のみを示し説明したが、当業者は多くの修正及び変更ができるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれる全てのそのような修正及び変更を保護する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】本発明の好ましい実施形態による、ブラシシールのための固有振動数の試験装置の好ましい実施形態の分解斜視図。
【符号の説明】
１０　圧力容器
１２　側部壁
１４　前部壁
１６　背部壁
１８　上部壁
２０　底部壁
２２　クランプ
２４　ブラシシールセグメント
２６、２８　裏当て板
３０　ブリストル
３２　ブリストル先端
３４、３６　エンドサポート
３８　覗き窓
４０　出口
４２　エレメント
４３　シム
４４　エレメントのアーチ形表面
５０　接続部

Claims (14)

1. ブラシシールのための固有振動数の試験装置であって、
   マウント（２２）を有する筐体（１０）と、
   少なくとも１つの裏当て板（２６）に支持され、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端（３２）で終わる複数のブリストル（３０）を含む、前記マウント（２２）に取付けられたアーチ形ブラシシールセグメント（２４）と、
   前記ブリストル先端に接触するためのアーチ形表面を有し、前記ブラシシールセグメントと共に、前記ブラシシールセグメントに差圧が負荷されるように、その両側のそれぞれ異なる圧力の２つの領域間のシールを形成する、前記筐体内部のエレメント（４２）と、
   前記筐体を加振機に連結するための、前記筐体に設けられた接続部（５０）と、を含み、
   前記筐体及びその中に取付けられた前記ブラシシールセグメントをある振動数の範囲で振動させ、前記差圧負荷のもとでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を確認することができる、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記筐体を直交関係の３つの軸について振動させるための、前記筐体に設けられた接続部（５０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記振動数の範囲及び前記差圧における前記ブリストルの固有振動数を確認するための、前記筐体を貫く複数の覗き窓（３８、１８、１４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記エレメントは、前記アーチ形表面と前記ブリストル先端との間の干渉を調節するために、前記筐体内部に調節可能に取付けられ、それにより、前記ブラシシールセグメントの固有振動数を、前記表面と前記ブリストル先端との間の異なる干渉のもとで確認することができることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. ブラシシールのための固有振動数の試験装置であって、
   マウント（２２）を有する筐体（１０）と、
   少なくとも１つの裏当て板（２６、２８）に支持され、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端（３２）で終わる複数のブリストル（３０）を含む、前記筐体の内部で前記マウントに取付けられたアーチ形ブラシシールセグメント（２４）と、
   前記ブリストル先端に接触するためのアーチ形表面を有し、該アーチ形表面と前記ブリストル先端との間の干渉を調節するために前記筐体内部で位置調節可能である、前記筐体内部のエレメント（４２）と、
   前記筐体を加振機に連結するための、前記筐体に設けられた接続部（５０）と、を含み、
   前記筐体及びその中に取付けられた前記ブラシシールセグメントをある振動数の範囲で振動させ、前記表面と前記ブリストル先端との間の異なる干渉のもとでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を確認することができる、
   ことを特徴とする装置。
6. 前記筐体を直交関係の３つの軸について振動させるための、前記筐体に設けられた接続部（５０）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記振動数の範囲における前記ブリストルの固有振動数を確認するための、前記筐体を貫く複数の覗き窓（３８、１８、１４）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. 少なくとも１つの裏当て板（２６）に取付けられ、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端（３２）で終わる複数のブリストル（３０）を有するブラシシールセグメントの固有振動数を測定する方法であって、
   前記ブリストル先端（３２）を、エレメント（４２）とのかつその両側のそれぞれ異なる圧力の領域間のシールを形成するように前記エレメントに沿って接触させ、前記シール前後に差圧を与えて、圧力容器内に前記ブラシシールセグメント（２４）を配置する段階と、
   ある振動数の範囲で前記圧力容器を加振して、前記差圧のもとでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記シール前後の圧力差を第２の差圧に変更する段階と、ある振動数の範囲で前記圧力容器を加振する段階と、前記第２の差圧のもとでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記ブリストル先端（３２）と前記エレメント（４２）との間の干渉を調節する段階と、前記差圧及び調節された干渉のもとでの前記シールの固有振動数を測定する段階とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 少なくとも１つの裏当て板に取付けられ、該裏当て板から自由に延びてブリストル先端（３２）で終わる複数のブリストル（３０）を有するブラシシールセグメントの固有振動数を測定する方法であって、
    前記ブリストル先端を、エレメントとの干渉の大きさを定めて該エレメントに沿って接触させて、取付具内に前記ブラシシールセグメントを配置する段階と、
    前記ブラシシールセグメントとエレメントとの間の前記干渉の大きさでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する前記段階が、ある振動数の範囲で前記取付具を加振する段階を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ブラシシールセグメントとエレメントとの間の前記干渉を前記第１の干渉の大きさと異なる第２の干渉の大きさに調節する段階と、前記ブリストルとエレメントとの間の前記第２の干渉の大きさでの前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する段階とを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記ブラシシールセグメントの固有振動数を測定する前記段階が、ある振動数の範囲で前記取付具を加振する段階を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。