JP4709613B2 - ブラシシール、ガスタービンおよびブラシシールの配置方法 - Google Patents

Description

本発明は、部材間の流体に対するシールを行うブラシシール、このブラシシールが部材間に配置されたガスタービン、部材間へのブラシシールの配置方法に関するものである。

ガスタービンや、ジェットエンジンなどの熱機関は、高温の流体（燃焼ガスなど）を用いて動力や推力を得るものである。これらのガスタービンや、ジェットエンジンなどでは、シール部材により、部材間の流体に対するシールが行われている。これは、これらを構成する部材間から流体が漏れることを抑制し、効率の低下を抑制するためである。

一般に、シール部材には、種々のものがある。しかし、上述のように、上記ガスタービンやジェットエンジンなどでは、部材間から漏れる虞のある流体が高温の流体であったり、部材自体が高温になったりするため、例えば特許文献１に示すような、耐熱性を有するブラシシールが用いられている。この特許文献１に示すような、ブラシシールは、金属製の複数のブラシからなるブラシ群と、このブラシ群の一方を固定する固定部材とにより構成されている。ここで、このブラシシールの部材と接触する方向の高さは、部材間の距離よりも長く設定されている。従って、ブラシシールが部材間に配置されると、ブラシ群は、この固定部材と部材との間で弾性変形し、部材に接触することで、この部材間の流体に対するシールを行うものである。

特開平１０−１８３３７８号公報

ところで、このブラシシールを部材間に配置する際には、例えば部材間の一方にこのブラシシールの固定部材を固定する。そして、ブラシシールが間に配置される２つの部材は、設定された相対位置まで移動され、固定される。このとき、上述のように、この部材間の距離よりも、ブラシシールの部材と接触する方向の高さの方が長いため、ブラシシールは、２つの部材が設定された相対位置まで移動する際に、このブラシ群が接触する部材に接触しながら、所定位置まで移動することとなる。従って、ブラシシールを部材間に配置する際に、ブラシ群が接触する部材と干渉し、ブラシ群が損傷することで、シール性が低下するという問題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シール性の向上を図ることができるブラシシール、ガスタービンおよびブラシシールの配置方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明では、部材間に配置され、複数のブラシからなるブラシ群が弾性変形し、前記部材に接触することで、前記部材間の流体に対するシールを行うブラシシールにおいて、
前記ブラシ群に付着し硬化することで、前記部材間に配置される際に、解除温度以上となるまで、前記ブラシ群の弾性変形の範囲内で、当該ブラシ群を前記部材に接触することなく弾性変形させ、当該解除温度以上で溶融する固着材を有し、
前記解除温度未満時における前記ブラシシールの前記部材と接触する方向の高さが、前記固着材により、前記部材間の距離未満となることを特徴とする。

また、この発明では、ブラシシールにより部材間の流体に対するシールを行う部分を有するガスタービンにおいて、運転時に前記固着材を解除温度以上とすることができる部分における前記部材間に上記ブラシシールを配置したことを特徴とする。

また、この発明では、部材間に、複数のブラシからなるブラシ群が弾性変形し、前記部材に接触することで、前記部材間の流体に対するシールを行うブラシシールを配置する当該ブラシシールの配置方法において、解除温度以上で溶融し、前記解除温度以上となるまで硬化していることで、前記ブラシ群の弾性変形の範囲内で、当該ブラシ群を前記部材に接触することなく弾性変形させる固着材を前記配置前に前記ブラシ群に付着し、前記配置時に、前記固着材により、前記解除温度未満時における前記ブラシシールの前記部材と接触する方向の高さを前記部材間の距離未満とすることを特徴とする。

これらの発明によれば、ブラシシールの前記部材と接触する方向の高さは、固着材が解除温度未満の際、すなわち部材間にブラシシールを配置する際に、この固着材により、部材間の距離（ブラシシールにより部材間の流体に対するシールを行う際のこの部材間の距離）未満となる。従って、ブラシシールが間に配置される２つの部材が設定された相対位置まで移動することで、このブラシシールが所定位置まで移動する際に、ブラシ群がこのブラシ群が接触する部材と接触することを抑制することができる。これにより、ブラシシールを部材間に配置する際に、ブラシ群が接触する部材と干渉することを抑制でき、ブラシ群が損傷することを抑制することができる。
また、固着材の温度が解除温度以上となると、複数のブラシどうしを固着していた固着材が溶融し、この複数のブラシから離れる。従って、ブラシシールを部材間に配置後、一度でも固着材の温度が解除温度以上となることで、ブラシ群が部材と接触し続けることができる。これにより、固着材の温度が解除温度以上となった後における部材間の流体に対するシール性を維持することができる。

この発明にかかるブラシシール、ガスタービンおよびブラシシールの配置方法は、部材間へのブラシシールの配置時に、ブラシ群が部材と接触することを抑制することで、シール性の向上を図るという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の実施例では、棒状のブラシシールについて説明するが、この発明のブラシシールはこれに限定されるものではなく、リング状のブラシシールであっても良い。

図１は、この発明にかかるブラシシールを示す図である。図２は、固着材により固着する前のブラシシールを示す図である。図３−１および図３−２は、この発明にかかるブラシシールの製造方法を示す図である。図４−１〜図４−２は、この発明にかかるブラシシールの部材間への配置方法を示す図である。図１に示すように、この発明にかかるブラシシール１は、部材間（この実施例では、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間）に配置されるものであり、固定部材２と、ブラシ群３と、固着材４とにより構成されている。

固定部材２は、耐熱性を有する材料、例えば金属材料により四角柱形状に形成されたものであり、挿入部２ａがその長手方向に延在して形成されている。ブラシ群３は、耐熱性を有し、かつ弾性変形可能な材料、例えば金属材料により棒状に形成された複数のブラシ３ａから構成されている。この複数のブラシ３ａの一方の端部は、固定部材２の挿入部２ａに挿入され固定されている。つまり、ブラシ群３は、固定部材２に固定されることで、この固定部材２により弾性変形可能に支持されている。なお、ブラシ群３の複数のブラシ３ａは、固定部材２に対して傾斜して固定されている。これは、複数のブラシ３ａの他方の端部、すなわちブラシ群３の先端部が部材（この実施例では、燃焼器尾筒１１０）に接触した際に、これら複数のブラシ３ａの弾性変形を容易にするためである。

固着材４は、弾性変形規制手段であり、ブラシ群３の弾性変形を規制し、かつ解除温度（例えば、数百度）以上では溶融し、ブラシ群３の弾性変形の規制を解除するものである。この固着材４は、例えば、ケイ素樹脂あるいはエポキシ樹脂などを硬化することでブラシ群３の弾性変形を規制し、解除温度以上で溶融する接着剤などである。

この固着材４は、ブラシ群３の弾性変形が規制された状態におけるブラシシール１の高さＨ１（この実施例では、このブラシシール１が後述する部材である燃焼器尾筒１１０と接触する方向の距離）が、部材間の距離Ｌ（この実施例では、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離）未満となるように、このブラシ群３の弾性変形を規制する。以下のその方法について、図２〜図３−２を用いて説明する。

ブラシ群３の弾性変形が固着材４により規制されていない、すなわち固着材４が付加されていないブラシシール１´においては、図２に示すように、複数のブラシ３ａが直線状となる。このときのブラシシール１´の高さ、すなわちブラシ群３の弾性変形が規制されていない（規制が解除された）状態におけるブラシシール１´の高さＨ２は、部材間の距離Ｌ（この実施例では、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離）を超えるものである。これは、複数のブラシ３ａの長さや傾斜角度などにより設定されるものである。

ブラシ群３の弾性変形を固着材４により規制する場合は、まず、図３−１に示すように、この固着材４が付加されていないブラシシール１´を型１０に形成された空間部１１に挿入する。この型１０の空間部１１は、その長手方向が固着材４が付加されていないブラシシール１´の長手方向以上となるように形成されており、固定部材側１１ａとブラシ群側１１ｂとにより構成されている。この固定部材側１１ａは、固定部材２とほぼ同一（若干大きい）の断面形状に形成されている。一方、ブラシ群側１１ｂは、その幅がブラシ群３の幅とほぼ同一（若干大きい）、その高さが空間部１１の高さＨ３がブラシ群３の弾性変形が規制された状態におけるブラシシール１の高さＨ１、すなわち部材間の距離Ｌ（この実施例では、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離）未満となるように設定されている。

従って、型１０の空間部１１に、固着材４が付加されていないブラシシール１´が挿入されると、ブラシ群３は、空間部１１のブラシ群側１１ｂに接触することで弾性変形する。これにより、この固着材４が付加されていないブラシシール１´の高さＨ２がブラシ群３の弾性変形が規制された状態におけるブラシシール１の高さＨ１、すなわち部材間の距離Ｌ（この実施例では、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離）未満となる。

そして、この固着材４が付加されていないブラシシール１´が挿入された型１０の空間部１１に、図３−２に示すように、固着材４を注入する。注入された固着材４は、ブラシ群３である複数のブラシ３ａに付着し、空間部１１のブラシ群側１１ｂによりブラシ群３の弾性変形が規制された状態で硬化する。固着材４の硬化後、型１０から固着材４が付加されたブラシシール１を取り外すことで、高さＨ１が部材間の距離Ｌ未満のこの発明にかかるブラシシール１が製造される。つまり、弾性変形規制手段である固着材４が解除温度未満では、ブラシシール１は、その高さＨ１が部材間の距離Ｌ未満を維持する。

次に、この発明にかかるブラシシール１の部材間への配置方法について、図４−１〜図４−３を用いて説明する。以下では、ブラシシール１は、固着材４を運転時に解除温度以上とすることができるガスタービンを構成する２つの燃焼器のそれぞれの燃焼器尾筒１００，１１０の間に配置される場合について説明する。なお、このブラシシール１は、この燃焼器尾筒１００，１１０の空気に対するシールを行うこととなる。

まず、図４−１に示すように、固着材４によりブラシ群３の弾性変形が規制されているブラシシール１を燃焼器尾筒１００の固定面１０１に固定する。次に、燃焼器尾筒１００，１１０の高さ方向における相対位置を調整する。このとき、この高さ方向における相対位置が調整された状態において、燃焼器尾筒１００に固定されたブラシシール１のブラシ群３の先端部と、燃焼器尾筒１１０のこのブラシシール１によるシール時にブラシ群３の先端部が接触する接触面１１１とには、隙間Ｓが形成されている。これは、ブラシシール１の部材間への配置時は、固着材４は解除温度未満であるため、ブラシシール１のブラシ群３が固着材４によりその弾性変形が規制された状態を維持され、ブラシシール１の高さＨ１が燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離Ｌ未満のままであるからである。

次に、図４−２に示すように、燃焼器尾筒１００，１１０の幅方向における相対位置を調整する。これにより、２つの部材である燃焼器尾筒１００，１１０が設定された相対位置（高さ方向、幅方向）まで移動することとなる。このとき、燃焼器尾筒１００に固定されたブラシシール１が接触する部材である燃焼器尾筒１１０に対して所定位置まで移動し、このブラシシール１のブラシ群３の先端部が燃焼器尾筒１１０の接触面１１１と対向することで、ブラシシール１は、部材間である燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間に配置される。ここで、このブラシシール１が所定位置まで移動する際にも、ブラシ群３の先端部と、接触面１１１との隙間Ｓは維持される。従って、ブラシシール１を燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間に配置する際に、ブラシ群３が接触する部材と干渉することを抑制でき、ブラシ群３が損傷することを抑制することができる。

次に、図４−３に示すように、ブラシシール１の燃焼器尾筒１００，１１０の間への配置が終了し、ガスタービンの組立後に、このガスタービンを運転すると、２つの燃焼器において数百度から千数百度の高温の燃焼ガスが生成され、燃焼器尾筒１００，１１０から図示しない空間部に噴出される。従って、この燃焼器尾筒１００，１１０が高温となり、上記隙間Ｓ近傍に高温の燃焼ガスが存在することとなり、ブラシシール１の温度が上昇する。つまり、ガスタービンの組立後に初めて運転した際に、固着材４が解除温度以上となり、この複数のブラシ３ａを固着していた固着材４が溶融し、この複数のブラシ３ａから離れる。

これにより、ブラシ群３の弾性変形の規制が解除され、ブラシシール１の高さＨ１が固着材４が付加されていない状態におけるブラシシール１の高さＨ２となるため、燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の距離Ｌ以上となる。つまり、配置時において損傷が抑制されたブラシ群３の先端部が燃焼器尾筒１１０の接触面１１１と、弾性変形した状態で接触することとなり、このブラシシール１により燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間のシールを行うことができる。具体的には、燃焼器の外部の流体（空気）が、同図矢印に示すように、燃焼ガスが噴射される空間部に流入することを抑制することができ、燃焼器に流入する空気の低下を抑制することができる。

以上のように、ブラシシール１を燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間に配置後、一度でも固着材４の温度が解除温度以上となることで、ブラシシール１が燃焼器尾筒１１０と接触し続けることができる。これにより、固着材４が解除温度以上となった後における燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間の流体に対するシール性を維持することができる。

なお、上記実施例においては、ブラシシール１を配置する部材間として、弾性変形手段である固着材４を解除温度以上とすることができる部分であるガスタービンの燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間に配置し、このブラシシール１によりこの燃焼器尾筒１００，１１０の間の流体に対するシールを行う場合について説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、ガスタービンにおいては、上記燃焼器尾筒１００と燃焼器尾筒１１０との間以外に、運転時に固着材４を解除温度以上とすることができる部分における部材間例えば、静翼シールリング部に配置されても良い。また、ガスタービンに限られずジェットエンジンなどの高温の流体を用いる熱機関において、運転時に固着材４を解除温度以上とすることができる部分における部材間に配置されても良い。

また、上記実施例においては、ブラシシール１の製造方法として、型１０の空間部１１に挿入された固着材４が付加されていないブラシシール１´に固着材４を付加する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。例えば、固着材４が付加されていないブラシシール１´の高さＨ２が部材間の距離Ｌ未満となるように、複数のブラシ３ａを弾性変形させて、その状態を維持して固着材４を付加し、硬化させることができればいずれの方法であっても良い。

また、上記実施例において固着材４は、解除温度以上で溶融するが、ガスタービンの運転時において、この固着材４が上昇しうる温度で揮発することがさらに好ましい。これにより、複数のブラシ３ａから離れた固着材４がガスタービンのタービンや配管などに付着することを抑制することができる。

以上のように、この発明にかかるブラシシール、ガスタービン、ブラシシールの配置方法は、ブラシシールにより部材間の流体に対するシールを行うガスタービンなどに有用であり、特に、シール性の向上を図るのに適している。

この発明にかかるブラシシールを示す図である。 固着材により固着する前のブラシシールを示す図である。 この発明にかかるブラシシールの製造方法を示す図である。 この発明にかかるブラシシールの製造方法を示す図である。 この発明にかかるブラシシールの部材間への配置方法を示す図である。 この発明にかかるブラシシールの部材間への配置方法を示す図である。 この発明にかかるブラシシールの部材間への配置方法を示す図である。

符号の説明

１，１´ ブラシシール
２ 固定部材
２ａ 挿入部
３ ブラシ群
３ａ ブラシ
４ 固着材（弾性変形規制手段）
１０ 型
１１ 空間部
１１ａ 固定部材側
１１ｂ ブラシ群側
１００，１１０ 燃焼器尾筒
１０１ 固定面
１１１ 接触面

Claims (3)

1. 部材間に配置され、複数のブラシからなるブラシ群が弾性変形し、前記部材に接触することで、前記部材間の流体に対するシールを行うブラシシールにおいて、
   前記ブラシ群に付着し硬化することで、前記部材間に配置される際に、解除温度以上となるまで、前記ブラシ群の弾性変形の範囲内で、当該ブラシ群を前記部材に接触することなく弾性変形させ、当該解除温度以上で溶融する固着材を有し、
   前記解除温度未満時における前記ブラシシールの前記部材と接触する方向の高さが、前記固着材により、前記部材間の距離未満となることを特徴とするブラシシール。
2. ブラシシールにより部材間の流体に対するシールを行う部分を有するガスタービンにおいて、
   運転時に前記固着材を解除温度以上とすることができる部分における前記部材間に前記請求項１に記載のブラシシールを配置したことを特徴とするガスタービン。
3. 部材間に、複数のブラシからなるブラシ群が弾性変形し、前記部材に接触することで、前記部材間の流体に対するシールを行うブラシシールを配置する当該ブラシシールの配置方法において、
   解除温度以上で溶融し、前記解除温度以上となるまで硬化していることで、前記ブラシ群の弾性変形の範囲内で、当該ブラシ群を前記部材に接触することなく弾性変形させる固着材を前記配置前に前記ブラシ群に付着して、
   前記配置時に、前記固着材により、前記解除温度未満時における前記ブラシシールの前記部材と接触する方向の高さを前記部材間の距離未満とすることを特徴とするブラシシールの配置方法。

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