JP2011038509A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく該流体機械内の変形を回避するようにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に遮断されている流体機械を提供する。
【解決手段】流体機械であって、一つのステータ、該ステータに対して回転可能に支承されている一つのロータ、及び、半径方向に形成された一つの隙間をステータとロータとの間で流体が流れないよう密封する一つのブラシシールを備えており、前記ブラシシールは一つのブラシホルダ及び複数のシール剛毛を備えており、該複数のシール剛毛はそれぞれ、前記ブラシホルダに取付けられた第１端部及び一つの密封面と接触している第２端部を備えており、該密封面はそれぞれの前記シール剛毛の前記第２端に対して回転移動可能である、流体機械において、前記密封面が、ステータとロータとの間に配置された、前記隙間を半径方向に分割する一つの中間スリーブの周面で構成されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の流体機械に関する。

上記のような流体機械は、たとえば特許文献１より知られている。請求項１のおいて書きに記載のブラシシールは、たとえば特許文献２より知られている。

流体機械には、たとえばプロペラ機械及びリペラ機械、ロータリーポンプ、及び、ガスタービン、蒸気タービンなどのターボ機械、及び、遠心圧縮機及び軸流圧縮機などのロータリーコンプレッサが含まれる。

ターボ機械のような流体機械においては、流体機械のそれぞれのロータを、ラビリンスシール、メカニカルシール、又はブラシシール（Brushsealとも）を用いて、流体が漏れないよう密封することができる。ブラシシ−ルの場合、該ブラシシールのシール剛毛（ブラシワイヤとも）は、ターボ機械のロータ、たとえばシャフトとして構成されているロータに直接接触する。ブラシシールにより、たとえば、該ターボ機械の流体部から、該ターボ機械のブラケット周辺に流入する作動流体の量、たとえばコンプレッサエアの量が制限される。

図１及び図２には、請求項１のおいて書きに記載の、ガスタービンとして構成された流体機械１が図示されている。図１及び図２から理解されるように、該流体機械１は、本願明細書ではガスタービンケーシングとして構成されたステータ１０と、該ステータ１０に対して回転可能に支承され、且つ本願明細書ではシャフトとして構成されたロータ２０と、前記ステータ１０内で前記ロータ２０の回転可能な支承を実現するロータリーベアリング３０及び４０と、前記ステータ１０と前記ロータ２０との間で流体が流れないように、半径方向ＲＲに形成された隙間Ｓを密封する２つのブラシシール５０と、を備えている。

特に図２から理解されるように、各ブラシシール５０には、一つのブラシホルダ５１及び複数のシール剛毛５２が備わっていて、該シール剛毛５２のそれぞれは前記ブラシホルダ５１に取付けられている第１端部と、本図では前記ロータ２０の外周面２１により形成される密封面Ｄに接触している第２端部とを備えている。そのためにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成され、このとき前記密封面Ｄはそれぞれのシール剛毛５２の前記第２端部に対して回転移動可能であり、本図では特に回転可能である。

前記流体機械１の運転において、回転ロータ２０と、本願明細書では静的なブラシシール５０との間の相対運動により、シール剛毛５２とロータ２０の外周面２１との間の摩擦によってロータ２０の密封面Ｄ及びシール剛毛５２の発熱につながる。

しかしながら、この従来の密封において問題であるのは、密封面Ｄとシール剛毛５２との接触ゾーン内でランアウトが起こると、密封面Ｄの発熱が不均一になることである。この不均一な発熱により、ランアウトの強化及びロータ２０の変形（本願明細書ではシャフトがロータリーベアリング３０と４０との間でたわむという形での変形）につながる可能性があり、その変形によりロータ振動が不適切に強くなって流体機械１をさらに運転することが妨げられる。

欧州特許第０８３４６８８号公報 独国特許第６０１２４２０４号明細書

本発明の課題は、流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく該流体機械内の変形を回避するようにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に遮断されている、請求項１のおいて書きに記載の流体機械を提供することである、

この課題は、請求項１に記載の流体機械により解決される。本発明の発展形は従属請求項で定義されている。

本発明によると、流体機械は一つのステータ、該ステータに対して回転可能に支承された一つのロータと、該ロータの半径方向に形成された隙間をステータとロータとの間で流体が流れないようにする一つのブラシシールとを有している。該ブラシシールには一つのブラシホルダ及び複数のシール剛毛が備わっており、該複数のシール剛毛は、前記ブラシホルダに固定されている第１端部、及び、密封面に接触している第２端部を有しているため、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成されている。前記密封面は、それぞれのシール剛毛の第２端部に対して回転移動可能である。

本発明による流体機械は、前記密封面が、ステータとロータとの間にあって前記隙間を半径方向に分割する中間スリーブ又は中間ブッシュの周面により形成されていることを特徴としている。

密封面を中間スリーブ上で移動させることにより、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に分断されるため、流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく流体機械内の変形が回避される。

本発明によると中間スリーブは、ブラシシールの回転部又は固定（静止）部のいずれかに取付けられる。この取付けは好適には、一方では十分な安定性が達成され、また他方では中間スリーブと該中間スリーブが取付けられている部分との間の熱伝達をできるだけわずかにするように行われる。該わずかな熱伝達は、たとえば、接触面をできるだけ小さくすることにより、及び／又は、中間スリーブと該中間スリーブを取付ける部分との間に断熱層を設けることにより達成することができる。

本発明によるとブラシホルダはステータに取付けることができ、中間スリーブは、ロータと一緒に回転するようにロータに取付けることができる。この場合、密封面を形成する中間スリーブの周面は外周面となる。しかしながら本発明によると、ブラシホルダをロータに取付け、中間スリーブをステータに固定的に取付けることも可能であるため、その場合は、密封面を形成する中間スリーブの周面は内周面となる。それぞれの解決法は、所望の運転特性及び構造上の状況から導き出せる。

さらに本発明によるとロータは、たとえば、ステータ内（たとえばケーシング内）で回転するシャフト、また、ステータ（たとえば軸）を中心として回転するケーシングで構成することができる。それぞれの解決法は、所望の運転特性及び構造上の状況から導き出せる。

本発明の一つの実施形態によると、中間スリーブにより、前記隙間は、密封面に隣接する第１の隙間部と、密封面とは反対側にあって中間スリーブ周面に隣接する第２の隙間部とに半径方向に分割され、この時、該第２隙間部の半径方向の長さはゼロより大きい。

換言すると、中間スリーブと、この中間スリーブを取付ける部分（たとえばロータ又はステータ）との間にエアギャップが存在しており、このエアギャップにより中間スリーブと該中間スリーブを取付ける部分との間に追加的な断熱が好適に確保される。それにより密封面及び、中間スリーブを取付ける部分からの熱伝達がさらに難しくなるため、中間スリーブ取付部分の入熱による変形がより確実に回避される。

本発明のさらなる一つの実施形態によると中間スリーブには、フランジが設けられており、このフランジを介して中間スリーブが、ステータ又はロータのフランジ取付部に相対回動不能に取付けられている。

本発明のこの形態は、取付けの十分な安定性を確保しつつ、中間スリーブと該中間スリーブ取付部分（本願明細書では、特にステータ又はロータ）との間の接触面をできるだけ小さくすることを確保するという点において、特に好適である。

本発明のさらなる一つの実施形態によるとフランジは、取外し可能な取付手段によりフランジ取付部に取付けられている。そのような取付手段は、たとえば、ネジ式接続器具、リベット式接続器具、クランプ式接続器具などとすることができる。取外し可能な接続器具により、特に、たとえば摩耗した中間スリーブの交換が容易になる。

フランジ接続によりとりわけ、フランジとフランジ取付部との間に断熱層を挿入することが容易に可能になる。

本発明のさらなる実施形態によると、フランジは中間スリーブの軸方向端部に配置されているため、該フランジは該軸方向端部においてリング状のフランジ面を備えており、該フランジ面は流体密封の状態でフランジ取付部に隣接している。

本発明のこの形態により、中間スリーブと中間スリーブ取付部との間で流体が流れないように密封することが確実に確保される。

本発明のさらなる一つの実施形態によると、ロータは一本のシャフトで構成されており、中間スリーブは相対回動不能に該ロータに取付けられているため、密封面が該中間スリーブの外周面により形成され、このときブラシホルダは相対回動不能にステータに取付けられている。

本発明のこのような形態は、特に容易かつ機能確実に製造することができる。

本発明のさらなる一つの実施形態によると、中間スリーブの内径は、シャフトの外径より大きいため、中間スリーブの内周面とシャフトの外周面との間にはリング状の隙間が形成される。

本発明のこの形態により、中間スリーブと、本願明細書ではシャフトとして構成されているロータで形成された、中間スリーブ取付部との間に、断熱エアギャップが単純かつロバストに実現される。

本発明の複数の実施形態によると、流体機械は、ターボ機械、特にガスタービン又はターボコンプレッサで構成される。

ガスタービンとして構成された流体機械の基本構造の断面を図式的に示した図である。 図１の部分Ａを拡大し、従来技術の流体機械のブラシシールを示した図である。 図１の部分Ａ’を拡大し、本発明の実施形態による流体機械のブラシシールを示した図である。

以下、好適な実施形態を用いて、及び、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。

図１及び図３に図示されているように、本願明細書ではガスタービンとして構成されている流体機械１は、本願明細書ではガスタービンケーシングとして構成されているステータ１０と、該ステータ１０に対して回転可能に支承され、且つ本願明細書ではシャフトとして構成されているロータ２０と、該ステータ１０内でロータ２０の回転可能な支承を実現する２つのロータリーベアリング３０、４０と、ステータ１０とロータ２０との間で流体が流れないように半径方向ＲＲに形成された隙間Ｓを密封する２つのブラシシール５０’と、を備えている。

特に図３から理解されるように、各ブラシシール５０’は、一つのブラシホルダ５１及び複数のシール剛毛５２を備えている。シール剛毛５２はそれぞれ、ブラシホルダ５１に固定された第１端部と、密封面Ｄ’に接触している第２端部とを有しているため、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成されており、このとき密封面Ｄ’はそれぞれのシール剛毛５２の第２端部に対して回転移動可能であり、本図では特に回転可能である。

図３から理解されるように、密封面Ｄ’は、ステータ１０とロータ２０との間に配置されていて隙間Ｓを半径方向に分割する、ロータ２０に相対回動不能に取付けられた中間スリーブ６０の外周面６１から形成されており、このときブラシホルダ５１はステータ１０に対して相対的に回動不能に取付けられている。

隙間Ｓは、中間スリーブ６０により、密封面Ｄ’に隣接する第１隙間部と、密封面Ｄ’とは反対側の中間スリーブ６０の内周面（記号なし）に隣接する第２隙間部とに半径方向に分割されており、このとき第２隙間部の半径方向長さはゼロより大きい。

つまり、中間スリーブ６０の内径は、ロータ（シャフト）２０の外径より大きいため、中間スリーブ６０の前記内周面とロータ２０の外周面２１との間にリング状の隙間が形成される。

換言すると、中間スリーブ６０と、中間スリーブ６０を取付けているロータ２０との間にエアギャップ（リング状の隙間）が存在し、このエアギャップにより、中間スリーブ６０とロータ２０との間の断熱が好適に確保される。それにより、密封面Ｄ’からロータ２０への熱伝導が難しくなるため、それにより、中間スリーブ６０を取付けているロータ２０が入熱により変形することが回避される。

図３からさらに理解されるように、中間スリーブ６０には、フランジ６２が設けられており、このフランジ６２を介して中間スリーブ６０がロータ２０のフランジ取付部２２に対して相対的に回動不能に取付けられている。フランジ６２は、中間スリーブ６０の軸方向端部に配置されているため、フランジ６２は該軸方向端部においてリング状のフランジ面（独立した記号なし）を有しており、該リング状のフランジ面は、フランジ取付部２２の引っこんだ取付面（独立した記号なし）に流体密封状態で隣接している。図３には示されていないが、フランジ６２の前記リング状フランジ面と、フランジ取付部２２の前記引っこんだ取付面との間の流体密封及び断熱を達成するために、平型ガスケットを設けることもできる。

図３に示されているように、フランジ６２は、本図ではネジ式接続器具の形で実現された、取外し可能な取付手段を用いて、ロータ２０のフランジ取付部２２に取付けられている。

その結果、本発明の一つの実施形態によると、本図ではシャフトとして構成されているロータ２０に中間スリーブ又は中間ブッシュ６０が設けられており、この中間スリーブ６０は、軸方向フランジ６２及び取外し可能な取付手段によりロータ２０に接続されている。中間スリーブ６０とロータ２０との間にはリング状の隙間が存在する。ブラシシール５０’のシール剛毛又はブラシワイヤ５２は、中間スリーブ６０の外周面６１で形成される密封面Ｄ’に隣接している。

ロータ２０は、ロータ２０のフランジ取付部２２とフランジ６２との接続部によってのみ中間スリーブ６０に接続されていて、そのためにブラシシール５０’の領域における熱伝導によりロータ２０が直接加熱されることが回避されるため、中間スリーブ６０にランアウトがあって中間スリーブ６０が不均一に変形しても、場合によっては中間スリーブ６０のランアウトの悪化につながるだけとなる。

本発明の解決法は、たとえばガスタービンなどの流体機械をブラシシールにより密封する、あらゆる場合に適用できる。本発明の複数の実施形態によると、本発明はたとえば、ディスク式のロータユニット、フルロータユニット、溶接されたロータユニットに適用できる。

本発明の解決法は、流体機械のベアリング周囲の密封、及び、たとえばコンプレッサ又はタービン段落などの流体機械の個々の段落間の密封に使用することができる。

中間スリーブの中間スリーブ取付部又は保持部への取付けは、記述したフランジ接続の他にも、シュリンク、溶接、又はその他の取付要素を用いて行うことができる。

１ 流体機械
１０ ステータ
２０ ロータ
２１ 外周面
２２ フランジ取付部
３０ ロータリーベアリング
４０ ロータリーベアリング
５０ ブラシシール
５０’ブラシシール
５１ ブラシホルダ
５２ シール剛毛
６０ 中間スリーブ
６１ 外周面
６２ フランジ
Ｄ 密封面
Ｄ’ 密封面
Ｓ 隙間
ＲＲ 半径方向

Claims (9)

1. 流体機械（１）であって、一つのステータ（１０）と、該ステータ（１０）に対して回転可能に支承されている一つのロータ（２０）と、前記ステータ（１０）と前記ロータ（２０）との間で流体が流れないように、半径方向（ＲＲ）に形成された一つの隙間（Ｓ）を密封する一つのブラシシール（５０’）と、を備えており、
   前記ブラシシール（５０’）は、一つのブラシホルダ（５１）及び複数のシール剛毛（５２）を備えており、
   該複数のシール剛毛（５２）はそれぞれ、前記ブラシホルダ（５１）に取付けられた第１端部と、一つの密封面（Ｄ’）と接触している第２端部と、を備えており、
   前記密封面（Ｄ’）は、それぞれの前記シール剛毛（５２）の前記第２端部に対して回転移動可能である、流体機械において、
   前記密封面（Ｄ’）が、前記ステータ（１０）と前記ロータ（２０）との間に配置された、前記隙間（Ｓ）を半径方向に分割する一つの中間スリーブ（６０）の周面で構成されていることを特徴とする、流体機械。
2. 前記中間スリーブ（６０）により、前記隙間（Ｓ）が、前記密封面（Ｄ’）に隣接する第１の隙間部分と、前記密封面（Ｄ’）とは反対側にある、前記中間スリーブ（６０）の周面に隣接する第２の隙間部分と、に半径方向に分割され、
   該第２隙間部分の半径方向の長さは、ゼロより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の流体機械（１）。
3. 前記中間スリーブ（６０）には、一つのフランジ（６２）が設けられており、
   該フランジ（６２）を介して前記中間スリーブ（６０）が前記ステータ（１０）又は前記ロータ（２０）のフランジ取付部（２２）に対して相対的に回動不能に取付けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の流体機械（１）。
4. 前記フランジ（６２）が、取外し可能な取付手段を用いて前記フランジ取付部（２２）に取付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の流体機械（１）。
5. 前記フランジ（６２）が、前記中間スリーブ（６０）の一つの軸方向端部に配置されているために、該軸方向端部において前記フランジ（６２）がリング状のフランジ面を有しており、
   該フランジ面は、流体密封されて前記フランジ取付部（２２）の取付面に隣接していることを特徴とする、請求項３又は４のいずれか一項に記載の流体機械（１）。
6. 前記ロータ（２０）が一つのシャフトで構成されており、及び、前記中間スリーブ（６０）が前記ロータ（２０）に相対回動不能に取付けられているために、前記密封面（Ｄ’）が前記中間スリーブ（６０）の外周面（６１）で構成されていること、及び、前記ブラシホルダ（５１）が前記ステータ（１０）に対して相対的に回動不能に取付けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の流体機械（１）。
7. 前記中間スリーブ（６０）の内径が前記シャフトの外径より大きいために、前記中間スリーブ（６０）の内周面と前記シャフトの外周面（２１）との間にリング状の隙間が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の流体機械（１）。
8. 前記流体機械（１）がターボ機械で構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の流体機械（１）。
9. 前記流体機械（１）がガスタービン又はターボコンプレッサで構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の流体機械（１）。

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