JP2011069280A - 多段ブラシシールを備えた封止機構 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたって安定した封止性能を発揮する、多段型ブラシシールを備えた封止機構を提供する。
【解決手段】高圧領域（Ｈ）と低圧領域（Ｌ）との間を封止する封止機構（４７）に、前記高圧領域（Ｈ）から前記低圧領域（Ｌ）への空気の流れをシールする複数のブラシシール段（５５，５６，５７）と、前記空気の流れの一部を、前記複数のブラシシール段の下流側の少なくとも１つのブラシシール段（５７）から迂回させる迂回路（ＢＰ）とを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転体と非回転体とを有する、例えばガスタービンエンジンのような装置において、高圧領域と低圧領域との間をシールする非接触型の封止機構に関する。

圧縮機とタービンの間に支持軸受けを持つ形式のガスタービンエンジンにおいて、ロータのような回転部材とハウジングのような非回転部材との間の隙間を介して、圧縮機出口付近の高圧領域から回転軸周辺の常圧領域に空気が流出するのを封止するために、例えば、非接触型のラビリンスシールのような封止機構が用いられている。ラビリンスシールは、低コストで信頼性が高いシール部材である反面、空気の漏れ量が多く、ガスタービンエンジンの効率低下を招く。そこで、漏れ空気量を低減するために、ブラシシールと呼ばれる、微細な金属ワイヤを束ねて構成された非接触型の封止機構が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開平７−２１７４５２号公報

しかしながら、このブラシシールには、適切に作動するのに耐え得る差圧の上限（限界差圧）があることから、大きな差圧が生じる場所に適用する場合には、複数段のブラシシールを直列に配置した多段状で使用する必要がある。ところが、この形態で使用する場合、原理的に最下流段のブラシシールに大きな差圧がかかることになる。すなわち、上流側に位置するシール部では高圧で空気密度が高い一方、下流に位置するシール部では低圧で空気密度が低く、これらは連続した流れであることから、上流では隙間流速が小さく、下流では隙間流速が大きくなる。その結果、下流側に位置するブラシシール段ほど大きな差圧を負担することになる。

その結果、下流側、特に最下流側のシール段が選択的に損耗し、十分な慣らし運転を経ずに運用された場合、最下流側のシールの機能が喪失することにより、上流側へ逐次的にシールの損傷が進行し、封止機構全体の寿命が低下する。また、このような封止機構が使用されるガスタービンエンジンなどの装置の信頼性が低下し、メンテナンスのコストが増大する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、長期にわたって安定した封止性能を発揮する、多段型ブラシシールを備えた封止機構、および、このような封止機構を備えることにより、長期信頼性に優れるガスタービンエンジンを提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る封止機構は、高圧領域と低圧領域との間を封止する機構であって、前記高圧領域から前記低圧領域への空気の流れをシールする複数のブラシシール段と、前記空気の流れの一部を、前記複数のブラシシール段の下流側の少なくとも１つのブラシシール段から迂回させる迂回路とを備えている。

この構成によれば、複数のブラシシールのうち、原理的に大きな差圧がかかる下流側のブラシシール段に空気の迂回路を設けることにより、下流側のブラシシール段が負担する差圧が低減され、特定のブラシシール段のみが早期に損耗することが防止される。その結果、封止機構の寿命および信頼性が向上する。

本発明に係る封止機構において、前記複数の、例えば３段のブラシシール段の最下流側のブラシシール段に、前記迂回路を設けることができる。通常の設置環境では、上述のように、原理的に最下流側に配置されるブラシシール段に最大の差圧がかかることになる。したがって、最も損耗の激しい最下流側のシール段に迂回路を設けることにより、効果的かつ効率的に封止機構の寿命向上を図ることができる。

本発明に係る封止機構は、さらに、前記複数のブラシシール段に直列に接続されたラビリンスシールを備えていてもよい。このように、作動原理の異なる封止機構を組み合わせて使用することにより、封止機構全体の信頼性が一層向上する。

また、本発明に係る封止機構の前記迂回路の中途に圧力調整装置が設けられていてもよい。この構成によれば、迂回路を設けたブラシシール段にかかる差圧を高精度に制御することが可能となるので、一層効果的に封止機構の寿命および信頼性を向上させることができる。

本発明にかかるガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機と前記タービンとの間に設けられて、回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記軸受を収納する常圧の収容空間と、前記圧縮機の出口に連通する高圧領域と前記収容空間との間に設けられた、上記の封止機構とを備えている。このように構成することにより、封止機構の寿命・信頼性向上に伴いガスタービンエンジンの寿命および信頼性も向上し、さらには、メンテナンスコストが低減する。

以上のように、本発明に係る多段ブラシシールを備えた封止機構によれば、迂回路を設けたことにより下流側のブラシシールが負担する差圧が低減される。したがって、特定のブラシシールが損耗することが防止され、封止機構が長期にわたって良好な封止性能を維持できる。また、このような封止機構を備えるガスタービンエンジンの寿命や長期信頼性が向上する。

本発明の第１実施形態に係る封止機構を備えるガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図１の封止機構を示す断面図である。 図２の要部を拡大して示す断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態に係る封止機構を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る封止機構を備えたガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）の一部を破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向の圧縮機側を「前側」と呼び、タービン側を「後側」と呼ぶ場合がある。

この実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いている。この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分を構成するロータ１１の前部の外周面に、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。その圧縮空気ＣＡは、圧縮機３の下流端部に接続するディフューザ２１を介して燃焼器５に送給される。

燃焼器５は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。燃焼器５では、圧縮機３から送給された圧縮空気ＣＡが、燃料ノズル２３から燃焼器５内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧがタービン７に送られる。

タービン７は、ロータ１１の後部を覆うタービンケーシング２５を備え、このタービンケーシング２５の内周部には複数段のタービン静翼２７が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、ロータ１１の後部には、各段のタービン静翼２７の下流側に位置するように複数段のタービン動翼２９が設けられている。ロータ１１は前後に分離された２軸型であり、その全体が、ハウジング１５に、前部、中央部、後部の軸受３１，３３，３５を介して回転自在に支持されている。

圧縮機３とタービン７との間には、ロータ１１の中央部を覆うインナケーシング３９が設けられ、このインナケーシング３９とハウジング１５との間に、圧縮機３から燃焼器５へ向かう圧縮空気ＣＡの通路である前記ディフューザ２１が形成されている。ディフューザ２１の径方向内側には、ロータ１１を圧縮空気ＣＡの一部によって冷却するための冷却用空間４１が形成されている。冷却用空間４１には、圧縮機３からの圧縮空気ＣＡの出口に隣接する、非回転部材であるディフューザ２１の上流端と、回転部材であるロータ１１との隙間４３から、圧縮空気ＣＡの一部が漏れて流入する。

一方、中央部の軸受３３の周辺のインナケーシング３９とロータ１１との間の空間が、軸受収容空間４５として形成されている。この軸受収容空間４５と冷却用空間４１との間に、封止機構４７が設けられている。上述のように、封止機構４７の上流側は、隙間４３から圧縮空気ＣＡが流れ込むので、常圧よりも圧力が高い高圧領域Ｈとなっている。一方、封止機構４７の下流側には、空気導入路４９により外部から冷却用空気が導入されており、したがって、ほぼ常圧、つまり高圧領域Ｈよりも低圧に維持された低圧領域Ｌとなっている。すなわち、封止機構４７は、これら高圧領域Ｈと低圧領域Ｌの間を封止している。

図２の断面図に示すように、封止機構４７は、直列に配列された複数（本実施形態では３つ）のシール部（第１〜第３シール部）５１，５２，５３から構成されている。これら第１〜第３シール部５１〜５３のうち、最上流側の第１シール部５１および最下流側の第３シール部５３は、ともにラビリンスシールとして形成されている。一方、第１および第３シール部５１，５３の間に配置された第２シール部５２は、直列に配列された複数（本実施形態では３つ）のブラシシール段（第１〜第３ブラシシール段）５５，５６，５７を有する多段ブラシシールとして形成されている。なお、多段ブラシシールからなるシール部とラビリンスシールからなるシール部とは、どのような順序で配列してもよい。また、封止機構４７を、多段ブラシシールからなるシール部のみで構成してもよいが、ラビリンスシールのような作動原理の異なるシールと併用することにより、封止機構４７全体の封止機能および信頼性が向上する。

第２シール部５２は、第１〜第３ブラシシール段５５〜５７を軸心方向に積層した多段ブラシシール部材６１と、多段ブラシシール部材６１を軸心方向に挟み込んで支持する環状の支持部材６３とからなる。支持部材６３は、インナケーシング３９の内側に嵌合されており、径方向内側に開口した環状の凹所を有する保持部６３ａを備え、この保持部６３ａによって多段ブラシシール部材を収容し保持している。

図２の要部を拡大した図３に示すように、各ブラシシール段５５〜５７は、多数の微細なワイヤを束ねて形成した環状のブラシ部６５と、このブラシ部６５を上流側および下流側から挟み込む環状の前板６７および背板６９とで構成されている。ブラシ部６５の上流側に配置される前板６７は、ブラシ部６５とほぼ同一の外径およびブラシ部６５よりも大幅に大きい内径を有している。一方、ブラシ部６５の下流側に配置される背板６９は、ブラシ部６５とほぼ同一の外径およびブラシ部６５よりも若干大きく前板６７よりも小さい内径を有している。図３のIV-IV線に沿った断面図である図４に示すように、ブラシ部６５では、多数の直線状のワイヤ６５ａが、径方向外方から径方向内方に向かって、ロータ１１の回転方向Ｒに傾斜するように配列されている。ワイヤ６５ａの径方向内端縁とロータ１１との間には僅かな隙間がある。

図３の第１〜第３ブラシシール段５５〜５７のうち、軸方向の前端（上流端）に位置する第１ブラシシール段５５の前板６７には、前方に突出する環状の係合凸部５５ａが形成されており、軸方向の後端に位置する第３ブラシシール段５７の背板６９には、後方に突出する環状の係合凸部５７ａが形成されている。一方、支持部材６３の保持部６３ｂには、前側と後側の、第１シール段の係合凸部５５ａおよび第３ブラシシール段５７の係合凸部５７ａに対応する位置に、軸心方向前方および後方にそれぞれ凹む環状の係合溝６３ｂａ，６３ｂｂが設けられている。

支持部材６３は、軸心方向に分割される２つの分割体７１，７３によって構成されており、前側の第１分割体７１によって係合溝６３ｂａを含む保持部６３の大部分が形成され、後側の第２分割体７３によって、支持部材６３の後側の係合溝６３ｂｂが形成されている。さらに、両分割体７１，７３によって保持部６３ａの凹所が形成されている。また、支持部材６３の前側の内周端部６３ｃは、上流側から下流側に向かって小径となるテーパ状に形成されており、第２シール部５２に流れ込む漏れ空気ＬＡの導入ガイドとして機能する。

図３に示すように、多段ブラシシールからなる第２シール部５２には、第１シール部５１から流れてきた漏れ空気ＬＡの一部を、最下流側に位置する第３ブラシシール段５７から迂回させる迂回路ＢＰが設けられている。詳細には、第３ブラシシール段５７の前板６７の前壁に形成された、径方向に貫通する第１通気溝７５と、支持部材６３の保持部６３ｂの内周面６３ｂｃから、基部６３ａの後側の側面６３ａａに貫通する通気孔７７と、通気孔７７の基部後端面における開口７７ａから径方向内側に延びて第２シール部５３の下流側に開口する第２通気溝７９とによって迂回路ＢＰが形成されている。この迂回路ＢＰは、第２シール部の円周方向の１箇所にのみ設けてもよく、円周方向の複数個所に等間隔に設けてもよい。

なお、第１実施形態として、多段ブラシシールからなる第２シール部５２を、３段のブラシシール段５５〜５７で構成した例を説明したが、多段ブラシシール部を形成するブラシシール段の数は、２段であってもよく、４段以上であってもよい。また、本実施形態では、迂回路ＢＰを、最も大きな差圧がかかる最下流のブラシシール段５７にのみ設けたが、封止機構４７が使用される機器の仕様や設置環境などに応じて、迂回路ＢＰがない場合に大きな差圧がかかることにより損耗の程度が大きくなる１つまたは複数のブラシシール段に設けることができる。複数のブラシシール段に迂回路ＢＰを設ける場合、各ブラシシール段にかかる差圧に応じて、迂回路ＢＰの開口面積を適宜設定することなどにより、迂回される空気ＢＡの量をブラシシール段毎に異ならせてもよい。

次に、上記で説明した第１実施形態に係る封止機構４７の動作について説明する。

図１に示すように、圧縮機３で圧縮された高圧の圧縮空気ＣＡは、その大部分がディフューザ２１から燃焼器５に流入するが、一部は、ディフューザ２１の上流端とロータ１１との隙間４３を介して冷却用空間４１に流入する。圧縮空気ＣＡが流入した冷却用空間４１は、常圧の軸受収容空間４５への通路が、封止機構４７によって封止されており、常圧よりも高い圧力が維持されている。しかしながら、非回転部材であるインナーケーシング３９と回転部材であるロータ１１との間を封止する封止機構４７は、非接触型のシール機構として構成されているため、図２に示すように、圧縮空気ＣＡのごく一部は、漏れ空気ＬＡとして、封止機構４７を介して低圧領域Ｌである軸受収容空間４５側に流出する。

具体的には、図３に示すように、封止機構４７の最上流側に位置する第１シール部５１のラビリンスシールを通過した漏れ空気ＬＡは、第１シール部５１の下流側に位置する、多段ブラシシールからなる第２シール部５２に達する。第２シール部５２に達した漏れ空気ＬＡは、その上流部に配置された第１および第２ブラシシール段５５，５６を経て、第３ブラシシール段５７に到達し、その大部分は第３ブラシシール段５７によってシールされるが、一部が迂回路ＢＰを介して第２シール部の下流側に迂回空気ＢＰとして流出する。

理想的には、各ブラシシール段が負担する差圧は等しい値となるが、迂回路ＢＰがない場合、実際には上流側に位置するブラシシール段ほど大きな圧力を受けることになり、漏れ空気密度が高い。一方、下流側のブラシシール段になるほど受ける圧力は小さくなるので、漏れ空気の密度が低下していく。これらは連続した流れであることから、上流側ブラシシールの漏れ空気速度は小さく、下流側になるほど漏れ空気速度が大きくなる。その結果、下流側に位置するブラシシール段ほど大きな差圧を負担することになり、最下流に位置するブラシシール段に最も大きな差圧がかかり、これによる損耗も大きくなる。

しかしながら、本実施形態に係る封止機構４７では、最下流側に位置するブラシシール段５７に空気の迂回路ＢＰを設けたので、このブラシシール段５７にかかる差圧が低減される。その結果、特定のブラシシール段、この例では第３ブラシシール段５７のみが早期に損耗することが防止され、封止機構４７の寿命および信頼性が向上するとともに、封止機構４７が使用されるガスタービン１の寿命および信頼性も向上する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る封止機構４７を示す概略構成図である。この封止機構４７および封止機構４７が使用されるガスタービンエンジンは、以下で特に説明する点を除き、第１実施形態と同様の構成を有している。

本実施形態では、迂回路ＢＰを、ブラシシール段の上流側から下流側に連通させるように設けた一点鎖線で示す流路管８１によって形成している。さらに、この流路管８１、すなわち迂回路ＢＰの中途には、圧力調整装置８３である調圧弁が設けられている。この流路管８１は、例えばパイプによって形成されており、その一部がインナケーシング３９よりも外方に位置し、この部分に圧力調整装置８３を設ける。圧力調整装置８３に発生する差圧を大きくすることにより、第３ブラシシール段５７のブラシ部６５の前後にかかる差圧が小さくなる。

迂回路ＢＰの中途に設ける圧力調整装置８３は、調圧弁に限らず、圧力調整装置を設置するのに要するスペース、圧力調整精度、コスト等を考慮して適宜選択される。例えば、リリーフ弁等を圧力調整装置として使用することができる。

このように、迂回路ＢＰの中途に圧力調整装置８３を設けることにより、迂回路ＢＰを設けたブラシシール段にかかる差圧を高精度に制御することができるので、一層効果的に封止機構４７の寿命および信頼性を向上させることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
１１ ロータ（回転軸）
３１，３３，３５ 軸受
４５ 軸受収容空間
４７ 封止機構
５５，５６，５７ ブラシシール段
ＢＰ 迂回路
Ｈ 高圧領域
Ｌ 低圧領域
ＣＡ 圧縮空気
ＬＡ 漏れ空気
ＢＡ 迂回空気

Claims (6)

1. 高圧領域と低圧領域との間を封止する機構であって、
   前記高圧領域から前記低圧領域への空気の流れをシールする複数のブラシシール段と、
   前記空気の流れの一部を、前記複数のブラシシール段の下流側の少なくとも１つのブラシシール段から迂回させる迂回路と、
   を備える封止機構。
2. 請求項１において、前記複数のブラシシール段の最下流側のブラシシール段に、前記迂回路が設けられている封止機構。
3. 請求項２において、３段のブラシシール段の最下流側のブラシシール段に、前記迂回路が設けられている封止機構。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、さらに、前記複数のブラシシール段に直列に接続されたラビリンスシールを備える封止機構。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記迂回路の中途に圧力調整装置が設けられている封止機構。
6. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの高圧空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   前記圧縮機と前記タービンとの間に設けられて、回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記軸受を収納する常圧の収容空間と、
   前記圧縮機の出口に連通する高圧領域と前記収容空間との間に設けられた、請求項１〜５のいずれか一項に記載の封止機構と、
   を備えるガスタービンエンジン。

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