JP2010521230A - Brush seal assembly and its production method - Google Patents
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Abstract
ブラシシールに用いられる剛毛パックは、支持部材と複数の剛毛を有する。剛毛は支持部材に対して折り曲げられて折り目を形成し、折り目と対向して支持部材に隣接し集合している。 The bristle pack used for the brush seal has a support member and a plurality of bristles. The bristles are bent with respect to the support member to form a crease, and the bristles are adjacent to the support member and are opposed to the fold.
Description
本発明は、一般的に高圧と低圧の領域間のギャップをシールするためのブラシシールに関し、より詳細には、支持部材回りに集められた剛毛で作られたブラシシールに関する。 The present invention relates generally to brush seals for sealing gaps between high and low pressure regions, and more particularly to brush seals made of bristles collected around a support member.
例えばガスタービンエンジンで見られるギャップをシールするためにブラシシールを用いることは、当技術分野で周知である。例えば、ガスタービンエンジンにおいて、エンジンの回転軸周りのマシンハウジングとローター間の円周状ギャップや、エンジン内の異なる流体圧を有する二つの空間の間の円周状ギャップにおける流体の漏れを最小化するために、ブラシシールがよく利用されている。システム内における液体又は気体からなる流体圧は、吐出圧力(流体が漏れ出ようとする、エンジンハウジングの外側の圧力)より大きく、従ってシステムに圧力差を生成させる。ここで用いられるように、ブラシシールのシステム圧力側を高圧側と称し、一方、ブラシシールの吐出圧力側を低圧側と称する。 The use of brush seals to seal gaps found, for example, in gas turbine engines is well known in the art. For example, in gas turbine engines, fluid leakage is minimized in the circumferential gap between the machine housing and rotor around the rotational axis of the engine and in the circumferential gap between two spaces with different fluid pressures in the engine. For this purpose, brush seals are often used. The fluid pressure consisting of liquid or gas in the system is greater than the discharge pressure (pressure outside the engine housing at which the fluid tries to leak), thus causing the system to create a pressure differential. As used herein, the system pressure side of the brush seal is referred to as the high pressure side, while the discharge pressure side of the brush seal is referred to as the low pressure side.
既知のブラシシールは、金属製又は非金属製のファイバから作ることができる。金属製のブラシシールは、一般的に昇温動作に適したコバルト又はニッケルベースの高温超合金ワイヤから作られたファイバを有している。非金属製ブラシシールは、セラミック又は高分子材料から作られたファイバを有することができる。 Known brush seals can be made from metallic or non-metallic fibers. Metal brush seals typically have fibers made from high temperature superalloy wires based on cobalt or nickel that are suitable for elevated temperature operation. Non-metallic brush seals can have fibers made from ceramic or polymeric materials.
図1は、従来のブラシシールの一部を示している。従来のブラシシールは、伝統的に柔軟な剛毛パック1と、ギャップをシールするための複数の剛毛2を有しており、剛毛2は例えばローターのような1つのコンポーネントと接触するための自由端を有している。従来技術の剛毛パック1における剛毛2は、一般的にチャネル4で剛毛2を圧接することによって支持部材3に固定されている。例えば米国特許第4730876号に示され記載されているような、圧着用管4を用いて剛毛2を固定することは、圧着用管4が支持部材3と剛毛2に対して圧着するまでは剛毛2が固定されないため、しばしば困難である。結果的に、この製造方法は時間がかかり、費用がかかるものであった。従って、シンプルで製造し易い剛毛パックとそれを用いたブラシシールに対するニーズが存在した。
FIG. 1 shows a part of a conventional brush seal. A conventional brush seal has a traditionally
本発明は、ブラシシールで用いる剛毛パックと、ブラシシールと、剛毛パックの作成方法を提供する。剛毛パックは、長い支持部材と複数の剛毛とを有する。剛毛は支持部材に対して折り曲げられて折り目を形成し、また折り目の反対側に支持部材に隣接して集められる。 The present invention provides a bristle pack for use in a brush seal, a brush seal, and a method for producing the bristle pack. The bristle pack has a long support member and a plurality of bristles. The bristles are folded with respect to the support member to form a fold and are collected adjacent to the support member on the opposite side of the fold.
本発明の一般的な目的は、剛毛パックと、ブラシシールと、シンプルで製造し易い剛毛パックの製造方法を提供することである。この目的は、支持部材に対して折り曲げられて、折り目の反対側に支持部材と隣接して集められた剛毛を有する剛毛パックを提供することによって達成される。 A general object of the present invention is to provide a bristle pack, a brush seal, and a method for producing a bristle pack that is simple and easy to manufacture. This object is achieved by providing a bristle pack having bristles folded against the support member and collected adjacent to the support member on the opposite side of the fold.
本発明のこれらの目的や他の目的と長所は、以下の明細書の記載によって明らかになるであろう。以下の詳細な説明において、本発明の好ましい実施例が、添付図面を参照して記載される。これらの実施例は、本発明の全範囲を表わすものではない。むしろ本発明は他の実施例においても採用される。従って、発明の大きさを解釈するために請求項を参考にするべきである。 These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the description of the following specification. In the following detailed description, preferred embodiments of the invention are described with reference to the accompanying drawings. These examples do not represent the full scope of the invention. Rather, the present invention is employed in other embodiments. Accordingly, the claims should be consulted to interpret the size of the invention.
最初に図2を参照して、例えばロッド又は芯材からなる支持部材16回りに折り曲げられた複数の剛毛14で構成された剛毛パック12を有するブラシシール10を示す。図2に概略的に示すように、剛毛14が支持部材16を包んで、剛毛パック12を形成している。図2に示す実施例において、剛毛パック12は、ローター26に取り付け可能なブラシシールハウジング18に設けられて、剛毛14は半径方向内側に延在して、回転軸24と係合している。もちろん、本発明の範囲を逸脱することなしに、ブラシシールハウジング18を回転軸24に取り付けて、剛毛14をローター26に係合させることができる。
Referring initially to FIG. 2, there is shown a
支持部材16は、好ましくは柔軟性のある金属で形成された、固体の又は網組された芯線である。支持部材16は、ブラシシール用途に要求される所望の形状に形成される。柔軟性のある支持部材が好ましいが、本発明の範囲を逸脱することなしに、支持部材16は剛性フレームで構成することができる。最も好ましくは、支持部材16は、そこに固定された剛毛14を切断したり折ったりするような荒れた端部を有さない。
The
例えば図3で示すように支持部材16が円形であった場合、剛毛14は支持部材16に対して包み込み、又は折り曲げられて、折り目28を支持部材16の外径部に形成する。各剛毛14の先端部32は、半径方向内側に延在して、回転軸24と係合する。もちろん、もしブラシシール10が回転軸24に設けられた場合、剛毛の折り目28は、円形支持部材16の内径を形成し、剛毛14の先端部32は、半径方向外側に延在する。
For example, when the
折り目28と反対側で支持部材16に隣接したところに剛毛14を集めて結ぶことによって、剛毛14は支持部材16に固定される。図3ないし6に開示された実施例において、折り目28と反対側で支持部材16に隣接したところに剛毛14を集めて結ぶ縫製糸36によって、剛毛14は支持部材16に固定されている。剛毛14を集めて結ぶために用いられる縫製糸36は、剛毛14と同じ材料でできていても良いし、例えば綿、金属、ポリマー、セラミック等の他の適切な材料でできた糸でも良い。剛毛14は、図3ないし6に示すように、個別の房状になるようにグループ化され、又は結ばれることができるし、又は本発明の範囲を逸脱することなく、長い連続した細片状に形成することもできる。
The
折り曲げられた剛毛14に対して圧着用管4を圧着することで、例えば図1の従来例の管のような圧着用管4、又はUリングを、支持部材16に対して剛毛14をさらに固定するために利用することができる。安全性を高めるために、必要があれば、剛毛14を支持部材16に接着剤で接着することができる。
By crimping the
本発明の1つの実施例において、剛毛14が直径約0.02〜0.05インチのねじった、又は編んだセラミック又は高分子繊維によって形成されている。セラミック剛毛は、例えば酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化ボロン等のセラミック酸化物や、Nextel(商標登録)ファイバ、炭化ケイ素ファイバや、他の全体的にセラミック/金属又はセラミック/セラミック合成材料で作られたセラミックファイバ等を含むがこれに限定されるものではない適切な高温セラミック繊維で、形成することができる。高分子剛毛は、超高強度のKEVLAR(登録商標)繊維や、高強度で中程度の温度(〜300℃)の用途に用いるNOMEX(登録商標)繊維等を含むがこれに限定されるものではない適切な高温高分子材料で、形成することができる。KEVLAR(登録商標)とNOMEX(登録商標)とは、DuPontが製造する合成芳香族ポリアミドポリマーである。他の適切な高分子材料も、ブラシシールのためにねじったり又は編んだりした繊維として利用することができ、これは当業者には周知である。
In one embodiment of the invention, the
1つの実施例においては、NOMEX(登録商標)ファイバが好ましい。なぜなら、NOMEX(登録商標)ファイバは、全体的に耐熱・耐炎衝撃特性が必須の用途に対して、強い織物に仕立てられるからである。NOMEX(登録商標)は、非常に薄くて、直径が約25マイクロメータから0.001インチの範囲で、低い弾性率を有している。ねじったNOMEX(登録商標)ファイバは、個々のファイバよりかなり厚くて、直径が約900ミクロンから0.36インチの範囲であり、従来の自動ブラシストリップ製造プロセスを利用してブラシストリップを製造できるほどに剛直である。これは、以下で説明するブラシシールインサートに加工されるNOMEX(商標登録)ブラシストリップの製造コストを低減するのに役立つ。 In one embodiment, NOMEX® fiber is preferred. This is because NOMEX (registered trademark) fiber is tailored into a strong woven fabric for applications where heat resistance and flame shock resistance are essential. NOMEX® is very thin and has a low modulus of elasticity, ranging from about 25 micrometers to 0.001 inches in diameter. Twisted NOMEX® fibers are significantly thicker than individual fibers, with diameters ranging from about 900 microns to 0.36 inches, so that conventional automated brush strip manufacturing processes can be used to manufacture brush strips. It is rigid. This helps to reduce the manufacturing costs of NOMEX® brush strips that are processed into brush seal inserts described below.
ローターの運動中の高分子ファイバの曲げを容易にするために、ファイバストリップは流体の流れの軸方向に、低圧(Lp)側に向かって、傾けることができる。幾らかの剛性を提供するために、図2に示すブラシシールハウジング18を形成するより剛直な前方プレート52と剛直な後方プレート54に取り付けられた、より薄い前方プレート44と後方プレート48の間の軸方向に傾いた位置に、柔軟な剛毛パック12を保持することができる。もちろん、必要があれば、本発明の範囲から逸脱することなく、剛毛パック12を高圧側に向かって傾けることもできる。
To facilitate bending of the polymer fiber during rotor movement, the fiber strip can be tilted in the axial direction of the fluid flow, towards the low pressure (Lp) side. To provide some rigidity, between the
剛毛の先端部32のみを露出して、取り付け中や取り扱いミスの際に、より柔らかな高分子ファイバの損傷を防ぐために、柔軟なプレートは、剛毛14を所定の長さまで延在することができる。高分子ブラシシールは、インターシャフトシール構成のために、第一端部でステータハウジング又はローター26に取り付けられ、第二端部で回転軸24と接触する。剛毛パックは、柔軟な金属製バックプレートセグメントによって支持されているので、回転シールとして、遠心力に由来する高分子ファイバにおけるストレスは最小化されている。金属製セグメントは、遠心力による最大曲げ応力に耐えるように設計されている。剛毛14を、流体の流れ方向に対して軸方向に傾けた前方プレートと後方プレート44、48、52、54の間に固定することによって、(プレート44、48、52、54は、外径方向の剛直なプレート52、54と内径方向のより薄いプレート44、48とで構成されているが、)剛直パックの変位が制御されて、剛毛パック12におけるストレスが最小化される。
The flexible plate can extend the
図3ないし図6に示された実施例において、剛毛パック12は、所望の剛毛密度が得られるまで、支持部材16周りに剛毛14を包む又は折り曲げることによって作成されている。支持部材16周りに剛毛14を包む又は折り曲げることで、各剛毛14に折り目28を形成する。上述のように、剛毛14は、金属、セラミック、高分子、有機材料やこれらの組み合わせをもとに作成することができる。剛毛14は、縫製糸36によって支持部材16に対して固定され、縫製糸16は、折り目28の反対側で支持部材16に隣接した剛毛14を集めて結ぶ。
In the embodiment shown in FIGS. 3-6, the
ひとたび所望の長さの剛毛パック12が得られると、支持部材の端部42同士が、溶接で接続される。理想的には、これは突き合わせ溶接で行なわれるが、端部42同士を接着剤で接続することも、他の手段によって接続することもできる。ここで開示された実施例では、最終組立てで輪状に形成され、ブラシシール組立体10のハウジング18のような適切なハードウエアに組み付けることができる。好ましくは、支持部材16と剛毛パック12が輪状、又は円形に形成される。しかし、剛毛パック12は、本発明の範囲を逸脱することなく、例えば正方形、長方形、楕円形、三角形等のあらゆる形状をとることができる。
Once the desired length of
図7ないし図9に示す他の実施例において、上述のように、剛毛パック112は、支持部材116周りに剛毛114を包むことによって、各剛毛114に折り目を形成する。図7ないし図9に示す他の実施例において、例えばステープルのような金属性クリップ132が、剛毛114の各グループに対してステープラーで綴じる等によって、巻き付けられている。クリップ132は、折り目128の反対側に支持部材116に隣接して剛毛114を集めて結ぶことによって、個々の房144を形成している。隣接する房144は、隣接した剛毛114のグループに巻き付けられた隣接するクリップ132によって形成されている。有利なことに、各クリップ132は迅速かつ効率的に剛毛の各グループを支持部材に固定する。
7-9, the
ここに開示された実施例から、種々の変形をなすことができることが理解されるであろう。従って、上の記述は発明を限定するものではなく、単に好ましい実施例の例示にすぎない。本発明の範囲と精神と意図の範囲内で、当業者は他の変形を想定するであろう。 It will be understood that various modifications can be made to the embodiments disclosed herein. Accordingly, the above description is not intended to limit the invention but merely to illustrate preferred embodiments. Those skilled in the art will envision other modifications within the scope, spirit and intent of the present invention.
Claims (21)
前記支持部材に対して折り曲げられて折り目を形成し、前記折り目に対向して前記支持部材に隣接して集合する複数の剛毛と、
によって構成された、ブラシシールに用いるための剛毛パック。 A support member;
A plurality of bristles that are bent with respect to the support member to form a crease, and are gathered adjacent to the support member to face the fold;
A bristle pack for use in a brush seal constructed by
前記折り目に対向して前記支持部材に隣接した剛毛を集めて、前記支持部材に対して前記剛毛を固定するステップと、
によって構成された、剛毛パックの作成方法。 Bending a plurality of bristles with respect to the support member to form a crease;
Collecting bristles adjacent to the support member opposite the fold and fixing the bristles to the support member;
A method of creating a bristle pack composed of
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