JP4145962B2 - ブラシ封止体 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１の上位概念によるブラシ封止体に関する。
この種のブラシ封止体は、例えばハウジングと比較的大きい回転数で回転するロータとの間の中間スペースを漏れ防止して密閉するため、ガスタービンで使用されている。一般に、この封止は加圧下の高温ガスが存在している時に行われる。これ等の条件の下では単純なゴムリングのパッキングで満足な封止作用を得ることができないので、種々のブラシ封止体が多数開発されている。これ等のブラシ封止体では、厚く一纏めにされたブラシの端部が支持板の内部穴の内部縁部分の上に突き出ていて、支持板の内部縁部分とロータの表面の間をできる限り狭く維持すべき中間スペースを封止する。この中間スペースは必ず存在する。何故なら、封止体、ハウジングおよびロータの寸法が熱応力、熱膨張等で変化するので、安全のため、支持板とロータの間の最低の遊び以下となってはならないからである。
封止体のところに大きな差圧があると、低圧側に配置されている支持板がブラシをロータの軸に平行の延びる方向に低圧側に向けて曲げることを防止する。ブラシの曲がりにより半径方向の長さが短くなり、そのため支持板の内部縁部分とロータの表面の間の中間スペースが開くので、曲がりが防止され、これが漏れを大きくする。しかし、ブラシの突出端部の曲がりを防止できない。
前記および以後では、軸方向とはロータの長手軸に平行に進む方向であると、また半径方向もしくは半径方向の面とはロータの長手軸に垂直に進む方向もしくは垂直に延びる面であると解すべきである。
欧州特許出願第０４５３３１５号明細書により周知のブラシ封止体では、支持板全体が支持面として働き、この支持面にはブラシがその突出端部を除いて残りの全長にわたって接触している。封止作用を改善するため、支持板の内部穴の内部縁部分に除去可能な材料層があり、支持面を延長し、ブラシをその先端まで保護し、同時に支持板とロータの間の中間スペースを狭めている。
しかし、この封止体では、特に差圧がある場合、例えば熱応力や熱膨張により生じ得る伸びがロータにあると、半径方向に外向きに曲がるが、この姿勢で空気力学的な作用によりロータを戻した後にも中心位置になっていることが欠点である。ブラシの横方向のずれにより、支持板とロータの間の中間スペースが開くので、漏れが著しくなる。その場合、ブラシは支持板に付着し、力が完全になくなると、つまり差圧がほぼ零になると、元の姿勢に戻り、中間スペースが再び閉じるか封止されることが知られている。
国際特許出願ＷＯ−Ａ−８６／０５２５２号明細書により圧力の異なる二つのスペースを封止するためホルダー内に多数のブラシを備えたブラシ封止体が知られている。このブラシ封止体では、高圧側に対する封止作用を改善するため、ブラシを調節手段により5°〜45°の角度βで調整している。圧力差が加わると、ブラシは高圧側から気密面に対して押圧される。これは一方で確実な封止作用を与えるが、一方ではブラシが著しく磨耗する。
ドイツ特許出願公開第３９０７６１４号明細書には、一つのハウジングに組み立てある二つの支持リングの間に挟持された切れ目を入れた管に装着されたブラシ封止体が開示されている。この場合、高圧側の支持リングの内部縁部分は低圧側の支持リングの内部縁部分に比べてロータの表面に対して大きな距離を持っている。ブラシに合わせた低圧側の支持リングの特別な構成はブラシの調整と同じように記載されていない。
欧州特許出願公開第０７７８４３１号明細書によりブラシ封止体が知られている。このブラシ封止体では、半径方向に立て掛けてあるブラシと低圧側の間に配置さている支持部材は、ブラシとこの支持部材の間に一つの室があり、この室にブラシの復帰力を高めるため液体を導入し、この液体の圧力が低圧側の圧力より高いように構成されている。
欧州特許出願公開第０６１７２１６号明細書には、ブラシが圧力の印加により自由な最終部分に当接する余白部分のある支持板を備えたブラシ封止装置が開示されている。
この発明の課題は、差圧が大きく、ロータの伸びが大きい時でも、封止作用を良好にするように、冒頭に述べた種類のブラシ封止体を改良することにある。
上記課題の解決策は、この発明により、請求項１の特徴部分による構成に特徴がある。
これにより、ブラシがその最終部分のみで支持面に支持されるため、差圧が大きくてもブラシの柔軟性が著しく増大するという利点が生じる。ブラシは装着位置から離れた最終部分で最大の柔軟性を有し、更に流れる漏れ空気により常時励起されて振動しているので、ブラシは回転運動をする。つまり、ブラシは突出する時に外向きに横に押圧され、ロータが中心位置に戻ると直ぐブラシの最初の位置に戻る。更に、ブラシと支持板の間の中間スペースに流れる漏れ空気により空気のクッションが生じ、これがブラシと支持面の間の摩擦を低減し、ブラシが支持板に付着することを防止している。
支持部分に対するブラシの最終部分の所定の姿勢を実現するために、ブラシは半径方向の面、つまりロータの長手軸に対して半径方向の面に対して支持板の方向に傾いている。ブラシは約６°の角度で傾くと好ましい。
他の有利な構成では、支持板はブラシの装着領域からブラシに対して軸方向に間隔を保って延び、支持板の内部穴の内部縁部分に隣接してブラシの方向に傾いた領域を有し、その内部側面にはブラシの最終部分を支持できる支持部分が形成される。
支持部分に支持すべきブラシの最終部分の長さは最大で全長の４分の１であると有利である。何故なら、ブラシは装着領域から離れた最終部分に最大の柔軟性があるので、ブラシは支持部分に当たっていても、回避動作の後に直ちに元のの姿勢に再び戻るからである。
更に、前板の内部縁部分は支持板の内部縁部分に比べてロータの表面に対してより大きい間隔を有する。前板の内部縁部分とロータの表面の間にもただ僅かな中間スペースが生じ、より大きな作製公差が許される。これにより、所謂「ブローダウン」（Blow down）効果が最小になり、ブラシの磨耗が大きくなる。更に、これによりブラシは組立と解体時に損傷に対して保護され、空気の渦による損傷に対して保護される。
ブラシを前板と支持板の間の片側に装着するので、半径方向の面に対して種々の立て掛け角度あるいは傾斜角度でブラシを前板と支持板の間に簡単に保持できる。
装着領域において、ブラシと前板及び支持板との間にクランプ片を配置し、その中に芯線の周りに巻き付けたブラシパケットをクランプすると合理的である。
この発明の他の有利な構成は従属請求項に記載されている。
以下、この発明によるブラシ封止体の実施例の模式横断面を示す図面（図１）を参照してこの発明をより詳しく説明する。
図１はハウジング２の中に装着されている全体に符号１を付けたブラシ封止体を示す。ハウジング２の穴３を通してロータ４が延びている。このロータの表面に符号５が、そして長手軸に符号６が付けてある。ブラシ封止体１には、実質上前板７，支持板８および多数の密に詰め込んだブラシ９がある。ブラシ９は前板７と支持板８の間の１０のところに装着されている。差圧がブラシ封止体１に加わっている場合、前板７が高圧側に、また支持板８が低圧側に配置されている。片側に装着されているブラシ９は前板７と支持板８の間に延びていて、装着個所１０から離れている自由端１１を前板７と支持板８の内部縁部分１２や１３の上に突出させている。ブラシ９はこの端部１１をロータ４の表面５に接触させているので、支持板８の内部縁部分１２とロータ４の表面５の間のリング状の中間スペース１４を封止する。
前板７と支持板８にはそれぞれロータ４の長手軸６に対して同軸の内部穴があるので、内部縁部分１２や１３はロータ４の表面５に対して間隔を保っている。前板７の内部縁部分１２にもロータの表面６に対して比較的小さい遊びしかない。当業者に周知の種々の材料で作製できるブラシ９は、こうして取扱時や運転中の空気渦による損傷に対して保護される。
支持板８には、この実施例の場合、ロータ軸６に対して半径方向の面内で延びている第一部分１５がある。この部分の外部面１６は前板７の外面１７に平行にハウジング２にブラシ封止体１を正確に合わせて取り付けるためにある。更に、前板７と支持板８には、内向きに直角に折れたそれぞれ一つの部分がある。しかし、これ等の部分はここでは重要でないが、ただ念のために述べておく。
支持板８の内部縁部分１３に隣接する支持板８の領域１８はブラシ９の方向に傾き、この支持板の内側１９に支持面２０が形成され、この支持面の上にブラシ９をその最終部分２１で支持できる。装着個所１０のところに認識できるように、ブラシ９あるいはブラシの束は芯線２５の上に巻装され、断面に開放したリングの形（Ｃ型管）を有する切れ目を入れた管として形成されたクランプ片２４によりクランプされている。ブラシ９は、この実施例の場合、半径方向の面２２に対して支持板８の方向に傾いている。その角度は約６°である。こうして、支持板８の支持面２０に対して、ブラシ９の最終部分２１の所定の姿勢を実現することができる。しかし、この処置は必ず必要ではない。何故なら、最終部分２１が差圧によっても支持面２０に対して押圧されるからである。つまり、差圧が非常に高いと、ブラシ９の支持部分２０に対する押圧力が低減できる。
支持板８の支持面２０の半径方向の長さ１はブラシ９の自由な（全）長Ｌの約５分の１であるので、ブラシ９はその長さＬの大部分の領域にわたり支持板８の内部面１９に対して間隔のある中間スペース２３を形成して延びている。
ブラシ９は装着個所１０から離れている最終部分２１で最も柔軟で、更に、中間スペース２３に流入する漏れ空気により常時振動を励起しているので、ブラシ９はロータ４が伸びた時にその中心位置から横に反れ、ロータ４の伸びを与える原因、例えば熱応力が無くなった後に直接ロータと共に元の姿勢に戻る動くをする。更に、中間スペース２３内に形成される空気クッションによりブラシ９の最終部分２１と支持板８の支持部分２０の間の摩擦が低減する。そのため、差圧が加わり、ロータ４が伸びた時でもブラシ封止体１の良好な封止作用が保証されるので、漏れの著しい上昇が生じない。

Claims (8)

1. ロータが貫通する穴を持つハウジングに対してロータを封止するブラシ封止体であって、ブラシ封止体はハウジング（２）に取り付けられる前板（７）および支持板（８）とを備え、前板（７）と支持板（８）の間に、多数のブラシ（９）がその自由端を支持板（８）の内部縁部分（１３）の上に突出させ、かつロータ（４）の表面（５）と接触させるように保持されており、前板（７）の内部縁部分（１２）がロータ（４）の表面（５）に対して狭い間隔を有するとともに、支持板（８）の内部縁部分（１３）がロータの表面（５）に対して狭い間隔を有し、支持板（８）がブラシ（９）を曲げに対して保護するブラシ封止体において、
   ブラシ（９）が、ブラシの長さ（１）にわたる最終部分（２１）を支持板（８）の支持部分（２０）で支持され、ブラシの残りの長さ（Ｌ−１）にわたり支持板（８）に対して間隔を保って延びるとともに、装着個所（１０）を通る半径方向の面（２２）に対して、低圧側に配置されている支持板（８）の方向に傾いていることと、
   支持板（８）は、ブラシ（９）に対して軸方向の間隔を保って延び、支持板（８）の内部穴の内部縁部分（１３）に隣接してブラシ（９）の方向に傾いた領域（１８）を有し、その内部の側面（１９）上でブラシ（９）の最終部分（２１）を支持する支持部分（２０）が形成されていることと、
   を特徴とするブラシ封止体。
2. ブラシ（９）は約６°の角度で傾いていることを特徴とする請求項１に記載のブラシ封止体。
3. 支持部分（２０）で支持されているブラシ（９）の最終部分（２１）の長さ（１）はブラシの全長（Ｌ）の最大で４分の１であることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシ封止体。
4. 長さ（１）は約２mmであることを特徴とする請求項３に記載のブラシ封止体。
5. 前板（７）の内部縁部分（１２）は支持板（８）の内部縁部分（１３）に比べてロータ（４）の表面（５）に対してより大きい間隔を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のブラシ封止体。
6. ブラシ（９）は自由端（１１）から離れている端部を前板（７）あるいは支持板（８）の間にクランプされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のブラシ封止体。
7. 装着領域（１０）において、ブラシ（９）と前板（７）及び支持板（８）との間にクランプ片（２４）が配置されていることを特徴とする請求項６に記載のブラシ封止体。
8. クランプ片（２４）は切れ目を入れた管であることを特徴とする請求項７に記載のブラシ封止体。

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