JP4344786B2 - 軸受キャビティのためのブラシシール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受キャビティ内で発生したオイルミストが、軸受キャビティの外側へ通過するのを防ぐためのブラシシールに関し、より具体的には、効果的にオイルミストを軸受キャビティ内に保持するために回転部品に係合させるための、高い可撓性があり、密にまとめられた剛毛を有するブラシシールに関する。
【０００２】
【発明の背景】
回転機械は、一般に、例えばハウジングのような固定部品に対して回転可能なシャフトのような第１回転部品を含む。シャフトは、典型的には、ハウジングに固定された一つ又はそれ以上の軸受の中で回転可能である。軸受は軸受キャビティを含み、また、一般的には油膜を含む。軸受キャビティ内のシャフトの回転運動は、オイルミストを生じさせ、該オイルミストは、軸受キャビティから出ていくことを防がれなくてはならない。さもなければ、オイルミストは回転機械の他の部分に沈殿し、機械に損傷を引き起こす可能性がある。また、軸受キャビティから流れてくるオイルミストは、外の周囲環境に沈殿し、安全上の問題、及び、もちろん不快な美的状況を引き起こす可能性がある。
【特許文献１】
特表平０６−５０１２９８号公報
【０００３】
多くの回転機械において、固定部品が回転部品の周りにしっかりと嵌まっている単純で緊密な間隙シールは、オイルミストが軸受キャビティから移動するのを防ぐのに十分である。しかしながら、一定の用途においては、ロータの半径方向に大きな変位が起こる可能性がある。従って、間隙シールの緊密度は、ロータの半径方向変位の関数である。そのような変位に順応させるため、シール位置において回転部品と固定部品との間に適当な間隔が必要であり、しばしば、オイルミストが開口部を通して軸受キャビティから流れるか又は移動するのに十分な間隙が残されることになる。オイルの流出を阻止するために一般に使用される別のシールは、ラビリンスシールである。ラビリンスシールは、軸方向に間隔をもって固定部品から実質的に半径方向に突出する複数の歯を備えており、この歯は、固定部品に機械加工されるか又はインサートとして固定部品に付加される。これらの歯は相対的に小さな軸方向の寸法を有し、一般的に回転する部品よりも軟質の材料で形成されているので、半径方向の変位の場合には回転する部品への損傷は起こり難い。回転部品とラビリンスシールとの間の曲がりくねった経路が、少なくとも単純な間隙シールと同じくらい有効なシールをつくりだすことが理解されるであろう。しかしながら、大きいすなわち著しい半径方向の変位の場合には、ラビリンスシールの歯は損傷を受け、いったん損傷を受けると、不可逆的に、残存するシールの耐用年数にわたり、漏れ流量の増加が生じる。さらに、ほとんどのラビリンスシールの実施において、シールは、該シールを形成するために、大がかりな量の機械加工を必要とする大きく複雑な鋳造体を伴う。また、これらラビリンスシールの質量は大きくなりがちであり、組み立てを困難にしている。従って、オイルミストの漏れを防ぐ、又は最小にするように軸受キャビティをシールし、同様の目的のために用いられるシールにとって一般的である機械加工の複雑さを避けるための、効果的で低コストのシールに対する必要性がある。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の好ましい実施形態によると、ロータのような回転可能な部品と、オイル軸受キャビティを含むオイル軸受を有するハウジングのような固定部品とを備える回転機械が提供される。キャビティ内のオイルは、オイルミストを発生させ、このオイルミストは、ブラシシールによって回転部品の一方又は両側のキャビティに封じ込められる。ブラシシールは、軸受キャビティをシールするための唯一のシールを構成するものであってもよく、又は、一つ又はそれ以上のラビリンスシール歯、或いは別のブラシシールにブラシシールを組合せた形態であってもよい。各々のブラシシールは、複数のブラシシールが突出するようになった裏あて材を含み、ブラシシールの先端は、回転部品と係合する。軸受キャビティからオイルミストが移動するのを防ぐためのシール環境は、低圧の環境、すなわち、シールを挟んでわずかな又は最小限の圧力差があるにすぎないので、回転部品の半径方向の変位に順応するために、シールの剛毛を非常に可撓性のある材料から形成することができる。さらに、剛毛の傾斜角、すなわち半径方向に対する剛毛の角度は、従来のブラシシールと比較して小さくてもよく、すなわち、約５〜１０度程度である。剛毛は、ポリマー材料で形成されるのが好ましい。
【０００５】
本発明の好ましい形態によると、ブラシシールは、固定部品に固着することができる板金の裏あてプレートに取り付けられる。例えば、各々がおよそ１８０度にわたって延びている２つの環状の板金プレートが、半径方向の最内側縁部に沿ってブラシシールの剛毛を拘束する裏あてプレートを支持する。板金の支持体は、ハウジングにボルト留めされているだけである。板金製のブラシシール支持体を形成することにより、構成は非常に軽量になり、大がかりな機械加工を必要とせず、取付けが簡単になり、しかもブラシシールのすべての利点が保たれる。さらに、この種の構成により、ブラシシールを既存のシールへの後付けとして用いることができる。例えば、一つ又はそれ以上のラビリンスシール歯を既存のシールから除去し、低コストの方法でブラシシールと取り換えることができる。この種のブラシシールは、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、原動機などを含む、オイル軸受キャビティのためのシールが必要な、実質的にあらゆる形式の回転機械において使用できることが理解されるであろう。また、シールを横切る圧力差が低いために、ブラシシール剛毛は、従来のブラシシールの剛毛よりずっと小さい直径に形成することができ、それゆえに、非常に密にまとめられた剛毛とすることができることも理解されるであろう。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態によると、回転可能な部品と、壁を有するハウジングと該壁の一方の側にある軸受キャビティ内の軸受とを含み、該軸受キャビティが、軸受キャビティ内の回転可能な部品の回転によって生成されるオイルミストを含む、回転しないように固定された部品と、
軸受キャビティ内の該オイルミストが該ハウジング壁を通過して軸受キャビティの外側に移動するのを実質的にシールするための回転可能な部品と該壁との間のシールと、を備え、該シールは、ハウジング壁によって支持され、回転可能な部品と係合する可撓性のある剛毛及び該剛毛を支えるための裏あてプレートとを有するブラシシールを含んでおり、ハウジング壁に固定するために該裏あてプレートを支持する板金取付けプレートが設けられた、回転機械が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に図面、特に図１を参照すると、回転可能な部品すなわち軸受キャビティ１６の両側の壁１５を貫通するシャフト１４を有する回転機械の固定部品の一部を形成する固定軸受台１２を有する軸受全体が、１０で示されている。典型的には、軸受キャビティ１６はオイルを含んでおり、該オイルは、ロータ１４の回転によってオイルミストを発生させる。オイル軸受キャビティからのオイルミストの漏れを防ぐために、該軸受キャビティの両側の各々に一対のシール１８が設けられる。図１に示すように、シール１８は、一連のラビリンス歯２０を含む。シャフトが大きな半径方向の変位を有する場合、ラビリンスシールは、大きな間隙を必要とし、オイル軸受キャビティからオイルミストが漏れるようになる。また、時間が経つにつれて、かつ、半径方向の変位が大きい場合、ラビリンスシールの歯は不可逆的に平らにされ、シャフトとの間隙を増大させ、それゆえ残存するシール能力を減少させる。
【０００８】
本発明の好ましい形態によると、一つ又はそれ以上のラビリンスシール２０がブラシシールに置き換えられ、あるいはブラシシールによってのみシールが行なわれる。例えば、図２に示すように、一対のラビリンスシールの歯２０が、該歯２０から軸方向に間隔を置いたブラシシール２４を伴ってシャフト１４上に重なって示されている。ラビリンスシール歯は、しばしば、シール取付け構造体２２の一部分として機械加工されるものであり、機械加工によって取り除かれブラシシールに置き換えられることが可能である。図示された形態において、ブラシシール２４は、一対の裏あてプレート２６及び２８と、該裏あてプレートの間に配置されそこから突出する剛毛３０とを含む。ブラシシールに剛毛３０を固定する多くの異なる方法があるが、代表的には、剛毛は、回転部品１４と係合する剛毛の先端とは反対側の端部で裏あてプレートの間に溶着される。ここに説明するＫｅｖｌａｒ（商標）のようなポリマーの剛毛の場合、該剛毛を、熱溶着工程によって固定することができ、或いは、裏あてプレート２６と２８との間にクランプすることができる。例えば、該剛毛を環状又は半環状のワイヤーの周りに折り曲げ裏あてプレートを互いにクランプし、ブラシシール内に剛毛を固定保持することができる。
【０００９】
裏あてプレート２６及び２８は、アルミニウム、ポリエステル又はすずのような犠牲材料で形成することが好ましい。このようにすると、裏あてプレートの内径は、シャフト１４の外径に非常に近付けることができ、すなわち、フェンス高さｈを非常に小さくすることができる。シャフトの半径方向の変位が、該シャフトと裏あてプレートとの間の接触を引き起こす可能性がある。しかしながら、そのような犠牲材料で形成された裏あてプレートでは、シールの効果は実質的に影響を受けない。
【００１０】
剛毛は、非常に細い直径を有し、かつ、密にまとめられているのが好ましい。例えば、Ｋｅｖｌａｒ（商標）のようなポリマーの剛毛を使用することによって、剛毛の傾斜角、すなわち回転部品の半径方向に対する剛毛の角度を回転部品１４の半径方向の変位に順応させながら、およそ０〜１０度の範囲に、また、好ましくはおよそ５〜１０度に最小化することが可能である。たとえ半径方向の変位があっても、剛毛の先端は、ロータ１４の表面との係合状態に維持されることが理解されるであろう。
【００１１】
さらに、剛毛の剛性は非常に低いことが好ましい。例えば、従来のブラシシールは、約１〜２ｐｓｉ／ミルの剛性を有するＫｅｖｌａｒ（商標）の剛毛を使用している。本発明のブラシシールに使用される剛毛の剛性は、０．２〜０．４ｐｓｉ／ミルの程度であり、剛毛に柔らかさ、すなわち可撓性を与える範囲の下限、すなわち０．２ｐｓｉ／ミルが好ましく、非常に小さい剛毛直径である。従来のブラシシールの剛毛は、約５〜７ミルの直径を有する。しかしながら、ここでの剛毛は、約０．５〜１．０ミルの範囲、好ましくは約０．５６ミルの直径である。なお、単位に関して、１ｐｓｉ＝６８９５Pa＝１４５Ｎ/mmの関係であり、１ミル＝０．０２５４mmの関係である。剛性の不足、すなわち剛毛の柔らかさは、それがシャフトと係合している剛毛の先端が炭化又はコークス化する高い温度になることを妨げ又は抑制するという点で、重要である。剛毛の先端で炭化又はコースクス化が起こった場合、該先端は、実質的に、ひどくシャフトに刻み目をつける切削工具として働くであろう。わずかな剛性のみ有する本発明の剛毛を用いると、剛毛先端のコークス化が避けられる。この構成の結果、シャフトへの損傷がなく、軸受キャビティからのオイルミストは、軸受キャビティ内に効果的に封じ込められる。
【００１２】
図３に示す、本発明の実施形態を参照すると、従来技術のラビリンスシールは、一対のブラシシール３６及び３８により完全に置き換えられている。さらに、ブラシシールを、容易、簡単かつ安価に、固定部品に固定することができる。前述のことを達成するために、一対のブラシシールが板金プレート４０の両側に配置される。例えば、板金プレートは、容易に固定部品４２にボルト留め可能な半環状のプレートを含むことができる。この形態において、各々のブラシシールは、図２のブラシシールと同じように配置される。すなわち、一対の裏あてプレート４４及び４６は、剛毛を固定するために、まとめられた剛毛の両側に設けられている。剛毛４８は、先端が回転部品５０の表面に係合するように、裏あてプレートから突出する。従って、板金プレート４０と、裏あてプレート４４及び４６を半円形の形態に形成することによって、ブラシシールをオリジナルの装置として、或いは既存のシールへの後付けとして、容易に取り付けることができる。後付けとして、ブラシシール組立体を回転部品と係合した剛毛と共にハウジングに容易にボルト止めできるように、ボルト穴を固定ハウジング及び板金プレート４０内に形成することができる。
【００１３】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して述べてきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、それとは逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる種々の変更形態及び均等な配置を含むように意図されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 軸受の両側にラビリンスシールが設けられた、従来技術の軸受キャビティとシャフトを含む軸受の断面図。
【図２】 軸受キャビティの両端のいずれかにおけるシールの拡大断面図。
【図３】 板金取付けプレートを用いる本発明による単純化したシールの断面図。
【符号の説明】
１０ 軸受
１４ シャフト
１６ 軸受キャビティ
２０ ラビリンス歯
２２ シール取付け構造体
２４ ブラシシール
２６、２８ 裏あてプレート
３０ 剛毛

Claims (7)

1. 回転可能な部品（１４）と、
   壁を有するハウジングと前記壁の一方の側にある軸受キャビティ（１６）内の軸受とを含み、前記軸受キャビティが、該軸受キャビティ内の回転可能な部品の回転によって生成されるオイルミストを含む、回転しないように固定された部品と、
   前記ハウジング壁によって支持され、前記回転可能な部品と係合する可撓性のある剛毛（３０、４８）及び該剛毛を支えるための裏あてプレート（２６、４４、４６）を有するブラシシールを含んでおり、前記軸受キャビティ（１６）内の前記オイルミストが前記ハウジング壁を通過して前記軸受キャビティの外側に移動するのを実質的にシールするために、前記回転可能な部品と前記壁との間に設けられたシール（２４、３６、３８）と、
   を備え、
   前記剛毛がポリマー材料で形成されており、２７１４５６６９２Ｐａ／ｍ（１ｐｓｉ／ミル）より小さい剛性を有し、
   前記回転部品の半径方向に対する前記剛毛（３０、４８）の傾斜角が５〜１０度である
   ことを特徴とする回転機械。
2. 前記剛毛が約５４２９１３３８Ｐａ／ｍ（０．２ｐｓｉ／ミル）の剛性を有することを特徴とする、請求項１に記載の回転機械。
3. 前記ハウジング壁に固定するために前記裏あてプレートを支持する板金取付けプレート（４０）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 前記ハウジング壁に支持され、最初に述べた前記ブラシシールから軸方向に間隔を置いて配置された第２のブラシシールを含むことを特徴とする、請求項３に記載の回転機械。
5. 前記ブラシシールが前記板金プレートの両側に取り付けられていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の回転機械。
6. 前記剛毛が０．００００１２７から０．００００２５４ｍ（０．５から１．０ミル）の範囲の直径を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転機械。
7. 前記裏あてプレート（２６、４４、４６）は、アルミニウム、ポリエステル又はすずからなる犠牲材料で形成されている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転機械。

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