JP3721198B2 - 安全で反回転タブを有するブラシシール - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ブラシシールに係り、特にターボ機械で使用されるブラシシールに関する。
発明は、航空機エンジンの分野で発展したけれども、ブラシが回転と静止面との間の流体流をブロックするために使用される他の分野にも適用される。
発明の背景
ブラシシールは、シャフトのような回転部材と隣り合う固定面との間のシール用として一般に用いられる装置である。ブラシの各アレイは背板と側板間に挾持されている。背板は、低圧側にあり、かつ高圧側からの曲りをブラシの刺毛（ブリストル）を保護するためにブラシの長さ方向に伸びている。
ブリストルは、典形的に径方向に関してわずかに角度付けされており、かつ回転の方向から離れている。この特徴により、作用とすり減りの間のブリストルのバックリングが防止される。すり減りの他の源は回転面との接触によって生じるシールの回転による。円環状のブラシシールの逆の取付けは、もちろん、シールのすり減りと不適当な機能である。後方向に設置されると、背板は、高圧力側にありかつブリストルが低圧力側に曲るのを防止する支持がない。この曲りはブラシシールと回転面との間のシール接触の効果を減少させる。さらに、ブリストルは回転方向に角度付けされており、その結果、ブリストルのバックリングは、むしろ妨害されるよりも助長される。このことはシールの効果を減少させる。さらに、後方向に設置されると、ブラシシールは、正しくシートされない高レベルの振動を導くとともにシール破壊の危険性が増す。
逆取付けを防ぐための従来の装置は、ブラシシールの側板に加工された開口によって受けられるピンであって、背板ではない。他の従来の装置は、支持構造物に加工された溝と協動する側板に加工されたへりを含んでいる。ブラシシールは、側板と背板との間の刺毛を挾むとともにそれから挾まれた装置を互に溶接することによって作られる。結合した後に、組立てられたブラシシールは、逆設置を防止するために必要である開口又はふちを形成するために加工される。
逆取付けを防止するブラシシールアッセンブリーの最近の例は、ブラシシールアッセンブリーと題する、ハンラハンによる米国特許第５，０６６，０２５号に開示されている。この装置においては、溝は、ブラシシール用のキャリアを規定支持構造物内に加工されている。くぼみは長い背板ではなく短い側板を受けるための大きさとされている。逆取付けは、保持リングが設置されることが出来ないようなシールの軸方向位置を、オフセットする。それ故に、逆方向取付けは、ブラシシールの特別な加工を必要とすることなく、除外される。
上記の技術にかかわらず、出願人の譲受人の指示下にある科学者および技術者達は、改良されたブラシシールを発展させるために働いている。
発明の開示
本発明は、製作後のブラシシール加工が、ブラシステージ間および背板と側板間の溶接を衰くするということの確認について、一部除外される。効果において、ブラシシール上の安全なふちを形成するために、従来技術のシール加工では、溶接結合の部分を取り除く。弱化されたブラシシールは、使用時に損害を受け易い。
本発明によれば、ブラシシールは、ブラシの回転をブロックするとともにブラシシールの不適当な設置を防ぐためのブラシシール保持手段を係合するタブを含んでいる。
本発明の特定の実施例によれば、保持手段はキャリアに固設されかつきりかきを有するリングであり、ブラシシールはブラシシールから外方に伸びるへりを含んでいる。リングのきりかきは、へりときりかき間の係合により回転しないようにへりを収容する大きさである。
本発明の他の実施例によれば、ブラシシールの取付け方法は、ブラシシールをキャリアと回転面間の円環状スペースに挿入するステップと、タブが保持手段のきりかき内に配設されるように保持手段をブラシシールに係合させるステップ、および保持手段を固定した関係でキャリアに取付けるステップを含んでいる。
本発明の主な特徴は、ブラシシールから外方に伸びるタブである。この特徴によって、ブラシの回転が防止され、ブラシシールの摩耗が最小になるという利点が得られる。ブラシシールのブラシは回転面とのシール接触にある。この接触は、ブラシシールが回転面の回転方向に回るのを助長する。タブは、保持手段のきりかき内に嵌合し、ブラシシールの回転運動をブロックするためにきりかきの側に係合する。タブの他の利点はブラシシールの設置を安全にすることである。タブは、ブラシシールが後方すなわち背板が高圧力空洞に面して設置されると、タブがキャリアと干渉するように、径方向に配置されている。この干渉は保持手段がキャリアとブラシの双方と係合するのを防止し、それ故に、ブラシシールは保持手段によって固定保持されることが出来ない。
本発明のさらなる利点は、従来技術において使用されている開口又はふちを生成するために、ブラシシールの加工の低減の結果としてのブラシシールの増加した耐久力があることである。さらに、本発明は支持構造物にくぼみ又は溝の加工が不要である。このステップの低減によりブラシシールの設置費用が少なくなる。
本発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添付図面に示されているような実施例の次の詳細な説明に鑑みてより明白になる。
【図面の簡単な説明】
第１図はガスタービンエンジンの一部を断面にした側面図である。
第２図はガスタービンエンジンの部分断面側面図である。
第３図は反回転タブを有するロータステージの部分断面側面図である。
第４図は第３図の線４−４に沿って取られたブラシシールの軸方向から見た断面図である。
第５図は反回転タブを有するブラシシールの他の実施例の部分断面図である。
第６図は第５図の線６−６に沿って取られたブラシシールの他の実施例の部分断面図である。
発明を実施するための最良な形態
順次軸方向軸２２のまわりに配置されかつ流路２４を有するコンプレッサ１４，燃焼器１６，およびタービン１８を有するガスタービンエンジンが、第１図に示されている。コンプレッサ１４を通して流れる作動流体は、この作動流体にエネルギーを伝達するために、複数の回転コンプレッサ羽根２６によって係合されている。燃焼器１６内で、燃料は作動流体と混合され、それから、混合物は燃焼される。燃焼の生成物からなる作動流体はタービン１８を通して流れる。このエネルギーの一部は、コンプレッサ１４とタービン１８に接続されたシャフト３２を回転させるために使用される。
燃焼に関連する高い温度と燃焼の生成物によって、タービン１８内の構成要素が損害を受ける可能性がある。そのような損害が起こる可能性を減らすために、冷却流体がコンプレッサ１４から引き出されタービン１８に流される。この冷却流体は、燃焼器１６の回りを流れ、これにより燃焼からの熱の伝達をバイパスする。
シール手段３４は、タービン構成要素を冷却する前に冷却流体がタービン１８内の熱い作動流体と混合しないことを確実にするために、使用される。第２−６図は、側板３６と組み合せて冷却流体を第１段のロータディスク３８と第１段のロータ羽根３８に向けるために使用されるシール手段３４について開示している。
シール手段３４は径方向内部ブラシシールアッセンブリー４２と径方向外部ブラシシールアッセンブリー４４を含んでいる。内部ブラシシール４２は、冷却空洞４６と、シャフト３２と隣り合うタービン構造との間の分離によって規定される径方向内部空洞４８との間の流体流を妨げる。外部ブラシシールアッセンブリー４４は、冷却空洞４６と、ロータ羽根アッセンブリーと上流の羽根アッセンブリーとの間に配置された羽根空洞５２との間の流体流を妨げる。
接線方向の機内注入器５４（ＴＯＢＩ）は冷却流体を冷却空洞４６に供給する。冷却流体は、この空洞４６から、ディスク側板３６とロータディスク３８の軸方向分離によって規定されるディスク空洞３６に流れる。ディスク３８とロータ羽根３８における流路（図示せず）は、冷却流体を、これらの構造物を冷却するために、ディスク３８とロータ羽根を通して流す手段を提供する。
内部ブラシシールアッセンブリー４２は第３図においてより詳しく示されている。内部ブラシシールアッセンブリー４２は、固定キャリア５８，ブラシシール６２，およびリティナー６４を、含んでいる。キャリア５８は、隣り合う支持構造物の延長であり、かつブラシシール６２のシート６６，ブラシシール６２を軸方向に支持する肩６８，およびファスナー７２を含んでいる。ブラシシール６２はシート６６内で肩６８に軸方向に隣接して配置されている。シート６６とブラシシール６２間の径方向の干渉はスナップフィットに帰因する。リティナー６４は、肩６８からブラシシール６２の軸方向反対側に配置されているとともに、肩６８と組み合せてブラシシール６２をその軸位置に保持する。リティナー６４はファスナー７２との係合によってキャリア５８に固定して取付けられている。
ブラシシール６２は、３組のブラシ７４，ブラシの各アレイ用の組合された背板７６と側板７８，風損カバー８２，およびタブ８４を、含んでいる。ブラシ７４の各アレイは、回転面８６に向かって内方に伸びるとともに、回転方向に角度付けされている（第３図参照）。背板７６と側板７８は公知のブラシシールで共通に使用される典形的なものである。背板７６は低圧力側にあり、側板７８は高圧力側である。風損カバー８２は冷却空洞４６内に面している。この位置において、風損カバー８２は、ブラシシール６２のアレイが冷却空洞４６の環状部分のまわりを回転する冷却流体との接触するのを、ブロックする。
タブ８４は、へり８８が径方向外縁に規定されるように断面Ｌ形である。タブ８４は、風損カバー８２に溶接された留金であり、リティナー６４の平均半径Ｒ２の外方の半径Ｒ１まで径方向外方に伸びている。タブ８４の径方向の伸びを収容するために、リティナー６４はタブ８４に関して径方向円周方向に伸びるきりかき９２を含んでいる。
外部ブラシシールアッセンブリー４４は本発明の他の実施例を示す。外部ブラシシールアッセンブリー４４は第５図と第６図により詳細に示されている。外部ブラシシールアッセンブリー４４は固定キャリア９４，ブラシシール９６，および複数の羽根カバー板９８を含んでいる。キャリア９４は、隣接する支持構造の延長であり、ブラシシール９６用のシート１０２を含んでいる。
内部ブラシシールアッセンブリー４２に関して、ブラシシールとシート１０２間にスナップフィットが存在する。羽根カバー板９８は、ブラシシールを軸方向に支持するために、ブラシシールの低圧力側に配置されているとともに、キャリア９４と組み合せて、プラシシール９６を軸方向位置に保持する。羽根カバー９８は円周方向に離間し、その各々は機械的な取付け１０４によってキャリア９４に固定して取付けられる。
ブラシシールアッセンブリー４４は、ブラシ１０６の２つのアレイ，ブラシ１０６の各アレイ用の背板１０８と側板１１２の組合せ，風損カバー１１４およびタブ１１６を含んでいる。ブラシ１０６の各アレイは、ディスク側板３６の回転面方向径方向に伸びるとともに、回転方向に角度付けされている（第６図参照）。背板１０８は、タブ１１６がロータディスク３８側の背板１０８に固定されていることを除いて、ブラシシール６２のこれらと同じである。風損カバー１１４は冷却空洞４６内に面している。
ブラシシールアッセンブリー４２について、風損カバー１１４は、ブラシ１０６のアレイが、冷却空洞の環状部分のまわりを回転する冷却流体に接触するのを防ぐ。
タブ１１６は、また、ヘリ１１８が径方向外部縁に規定されるように、断面Ｌ形である。タブ１１６は、下流の背板１０８に溶接された留め金であり、羽根カバー板９８の平均半径Ｒ４の外方の半径Ｒ３とキャリア９４の半径Ｒ５の外方まで径方向に伸びる。タブ１１６の径方向の伸びを収容するために、羽根カバー板９８はタブ１１６のまわりを径方向および円周方向に伸びるきりかき１１２を含んでいる。第６図に示すように、きりかき１２２は円周方向に離間した羽根カバー板９８の扇形に切り欠かれた隣接する角１２４によって規定される。
ガスタービンの動作中に、冷却流体は、ＴＯＢＩ５４から吐出されるとともに、冷却空洞４６に流れる。この冷却流体は、羽根空洞５２，ディスク空洞５６および内部空洞４８内の流体とは異なる正圧力を持っている。結果として、流体は内部ブラシシールと外部ブラシ４２，４４を通して強制的に逃がされる。冷却空洞４６と他の空洞４８，５２間の圧力差によりブラシシール６２，９６は下流方向に押される。内部ブラシシール６２に対して、キャリア５８の肩６８はこの力に対して軸方向に支持し、外部ブラシシール９６に対して、羽根カバー板９８はこの力に対して軸方向に支持する。
シャフト３２とロータディスク３８が回転するにつれて、ブラシシール６２，９６の刺毛は回転面によって係合される。この係合によって、ブラシシール６２，９６に円周方向の力が生じる。ブラシシール６２，９６およびシート６６，１０２のスナップフィットによって、およびリティナー６４のきりかき９２の側に対して据える内部ブラシシール６２上のタブ８４および羽根カバー９８の扇形に切り欠かれた角１２６の側に対して据える外部ブラシシール９６上のタブ１１６によって、円周方向の力は反作用される。これらの係合の結果として、ブラシシール６２，９６の回転が防止される。
ブラシシールは次の方法において支持構造物に組み込まれる。ブラシシールアッセンブリー４２に対して、ブラシシール６２は、背板７６が内部空洞４８に面するブラシシール６２の側にあるように、一定方向に向けられる。ブラシシール６２は、キャリア５８上の位置に挿入されるとともに、キャリア５８の肩６８に対して設置される。タブ６８とヘリ８８がきりかき９２内にあるように、リティナー６４は風損カバー８２にわたって設置される。それから、ファスナー７２はリティナー６４とキャリア５８と係合される。ブラシシール６２が、後方すなわち背板７６が冷却空洞に面するブラシシール６２の側に位置する状態で配置が試みられる場合に、ヘリ８８とタブ８４はキャリア５８の肩６８に係合し、これによりキャリア５８の肩６８からブラシシール６２を軸方向にオフセットする。この軸方向のオフセットにより、リティナー６４はファスナー７２を介してキャリア５８と係合し易いのを防止される。
ブラシシールアッセンブリー４４に対して、ブラシシール９６は、背板１０８が羽根空洞５２に面するブラシシール９６上にあるように、正しく配置される。ブラシシール９６はキャリア９４上の位置に挿入される。羽根カバー板９８は、タブ１１６とヘリ１１８がきりかき２２内にあるように、外部ブラシシール９６の下流の背板１０８にわたって配置される。それから、ファスナー１０４は羽根カバー板９８に係合される。ブラシシール９６が後方、すなわち背板１０８が冷却空洞４６に面するブラシシール９６の側に位置する状態で配置が試みられる場合には、タブ１１６のヘリ１１８は、支持構造物に係合し、ブラシシールの設置を防止する。
第２図から第６図において開示されているリティナー６４と羽根カバー板９８は、ブラシシール６２，９６をキャリア５８，９４に保持するためにブラシシールと係合可能である保持手段の代表的なものである。さらに、ブラシシールアレイの量は、外部ブラシシール９６用の２つおよび内部ブラシシール６２用の３つとして示されている。本発明は１つ又はそれ以上のブラシのアレイを有するブラシシールに適用可能であることは当業者にとって明白である。
発明は模範的な実施例について開示されているけれども、発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変形，省略および追加が可能であることは当業者にとって明白である。

Claims (18)

1. 固定キャリア（５８，９４）と該キャリアに近接する回転面との間の円環状のスペースを介して流体流を妨げるためのブラシシール（６２，９６）であって、このブラシシールは、設置状態において径方向でかつ周方向に伸びており、円環状のスペースは、軸のまわりに配置されかつ第１の空洞（４６）と第２の空洞（４８，５２）を分離し、第１の空洞は第２の空洞よりも高い圧力を有し、キャリアは保持手段（６４，９８）を含み、この保持手段はブラシシールが設置された状態においてブラシシールをキャリアに固定保持するようにブラシシールと係合可能であり、
   スペースを介して伸びるブラシのアレイ（７４，１０６）と、ブラシのアレイの側に隣り合うとともにブラシシールが設置された状態において第２の空洞に面する背板（７６，１０８）、およびブラシのアレイの反対の側に隣り合う側板（７８，１１２）を含む少なくとも一つのブラシステージ、および
   ブラシステージに固定した関係で配置されるとともに、ブラシシールから軸方向外向きに伸びて軸のまわりでのブラシステージの回転をブロックするために保持手段（６４，９８）に係合するタブ（８４，１１６）によって構成されており、該タブは、ブラシシールがブラシのアレイと第１の空洞間に背板が位置するように誤って配置されたときにはキャリアと干渉して保持手段によってブラシシールがキャリアに保持されることを阻止することを特徴とする、ブラシシール。
2. 保持手段が、キャリアに固設されているとともにブラシシールにわたって伸びるリングであり、タブが第１の空洞に面するブラシシールの側に配置されている、ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のブラシシール。
3. 保持手段が羽根アッセンブリー側板であり、羽根アッセンブリー側板が隣接する羽根アッセンブリーに取付けられているとともにブラシシールにわたって伸び、タブが第２の空洞に面するブラシシール側に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のブラシシール。
4. タブが、ブラシシールから外方に伸びるヘリ（８８，１１８）を含み、保持手段が、ヘリを収容するように設けられたきりかき（９２，１２２）を含んでおり、ヘリときりかきとの係合により軸のまわりのブラシシールの回転がブロックされる、ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のブラシシール。
5. タブが、ブラシシールから外方に伸びるヘリを含み、リングが、ヘリを収容するように設けられたきりかきを含んでおり、ヘリときりかきとの係合により軸のまわりのブラシシールの回転がブロックされる、ことを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のブラシシール。
6. タブが、ブラシシールから外方に伸びるヘリを含み、羽根アッセンブリー側板が、ヘリを収容するように設けられたきりかきを含んでおり、ヘリときりかきとの係合により軸のまわりのブラシシールの回転がブロックされる、ことを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載のブラシシール。
7. 円環状のスペースを介しての流体流を妨げるためのブラシシールアッセンブリーであって、円環状のスペースは、軸のまわりに配置されかつ第１の空洞（４６）から第２の空洞（４８，５２）を分離し、第１の空洞は第２の空洞よりも高い圧力を有し、
   固定キャリア（５８，９４）と、キャリアに近接する回転面と、少なくとも一つのブラシステージ、およびブラシステージに固定した関係で配置されたタブ（８４，１１６）を含み、ブラシステージは配置状態において径方向でかつ周方向に伸びており、キャリアは保持手段（６４，９８）を含み、この保持手段はブラシステージをキャリアに固定保持するようにブラシステージと係合可能であり、ブラシステージは、スペースを通して伸びるブラシのアレイ（７６，１０６）と、第２の空洞に面しブラシのアレイの側に隣接する背板（７６，１０８）、およびブラシのアレイの反対側に隣接する側板（７８，１１２）を含み、タブは、ブラシステージから軸方向外向きに伸びて軸のまわりでのブラシステージの回転をブロックするために保持手段（６４，９８）と係合し、該タブは、ブラシステージがブラシのアレイと第１の空洞間に背板が位置するように誤って取付けられたときにはキャリアと干渉して保持手段によってブラシシールがキャリアに固定保持されることを阻止する、ことを特徴とする、ブラシシールアッセンブリー。
8. 保持手段がキャリアに固設されているとともにブラシステージにわたって伸びるリングであり、タブが第１の空洞に面するブラシステージの側に配置されている、ことを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のブラシシールアッセンブリー。
9. 保持手段が羽根アッセンブリー側板であって、羽根アッセンブリー側板は隣接する羽根アッセンブリーに取付けられているとともにブラシステージにわたって伸び、タブは第２の空洞に面するブラシステージの側に配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のブラシシールアッセンブリー。
10. タブがブラシステージから外方に伸びるへり（８８，１１８）を含み、保持手段は、へりを収容するように設けられたきりかき（９２，１２２）を含んでおり、へりときりかきとの係合により軸のまわりでのブラシステージの回転がブロックされることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のブラシシールアッセンブリー。
11. タブがブラシステージから外方に伸びるへりを含み、リングは、へりを収容するように設けられたきりかきを含んでおり、へりときりかきとの係合により軸のまわりでのブラシステージの回転がブロックされることを特徴とする、特許請求の範囲第８項に記載のブラシシールアッセンブリー。
12. タブがブラシステージから外方に伸びるへりを含み、羽根アッセンブリー側板は、へりを収容するように設けられたきりかきを含んでおり、へりときりかきとの係合により軸のまわりでのブラシステージの回転がブロックされることを特徴とする、特許請求の範囲第９項に記載のブラシシールアッセンブリー。
13. ターボマシンにブラシシール（６２，９６）を取付けるための方法であって、ブラシシールは、設置状態において径方向でかつ周方向に伸びており、ターボマシンは、固定キャリア（５８，９４）と、キャリアに近接する回転面と、キャリアと回転面間の分離によって規定され軸のまわりに配置されるとともに第１の空洞（４６）と第２の空洞（４８，５２）を分離する円環状のスペースを含み、第１の空洞が第２の空洞よりも高い圧力を有し、キャリアは保持手段（６４，９８）を含み、この保持手段はブラシシールが設置された状態においてブラシシールをキャリアに固定保持するようにブラシシールと係合可能であり、保持手段がきりかき（９２，１２２）を有し、ブラシシールは、少なくとも一つのブラシステージと、該ブラシステージに固定した関係で配置されたタブ（８４，１１６）を有し、ブラシステージはスペースを介して伸びるブラシのアレイ（７４，１０６）と、ブラシのアレイの側に隣接しブラシシールが取付けられた状態において第２の空洞に面する背板（７６，１０８）、およびブラシのアレイの反対側に隣接する側板（７８，１１２）を含み、タブは、ブラシシールから径方向外向きに伸びて軸のまわりのブラシステージの回転をブロックするために保持手段のきりかきと係合するように配設されており、該タブは、ブラシシールがブラシのアレイと第１の空洞間に背板が位置するように誤って取付けられたときにはキャリアと干渉して保持手段によってブラシシールがキャリアに固定保持されることを阻止し、
    ブラシステージを、背板が第２の空洞に面するように円環状のスペースに挿入するステップと、
    タブがきりかき内に配設されるようにブラシシールと保持手段とを係合させるステップ、および
    保持手段を固定した関係でキャリアに取付けるステップ、によって構成したことを特徴とする方法。
14. 保持手段がリングであり、保持手段とブラシシールとを係合させるステップが第１の空洞に面するブラシシールの一側にリングを係合させ、保持手段を取付けるステップがリングをキャリアに直接取付けることを含む、ことを特徴とする、特許請求の範囲第１３項に記載の方法。
15. 保持手段が羽根アッセンブリー側板であり、保持手段とブラシシールとを係合させるステップが第２の空洞に面するブラシシールの一側に羽根アッセンブリー側板を係合させることを含み、保持手段を取付けるステップが隣接する羽根アッセンブリーに羽根アッセンブリー側板を取付けることを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載の方法。
16. 保持手段がブラシシールから外方に伸びるへり（８８，１１８）を含み、保持手段とブラシシールとを係合させるステップがへりをきりかきに挿入することを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載の方法。
17. 保持手段がブラシシールから外方に伸びるへりを含み、保持手段とブラシシールとを係合させるステップがへりをきりかきに挿入することを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の方法。
18. 保持手段がブラシシールから外方に伸びるへりを含み、保持手段とブラシシールとを係合させるステップがへりをきりかきに挿入することを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１５項に記載の方法。

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