JP4994545B2 - ブラシシールセグメントの端部ブリストルの保護と可撓性保持のための装置、及びそのセグメントを形成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つ又は一対の裏あてプレートを有し、該プレートから延びるブリストルが他の部品とシール係合するようになった形式のブラシシールに関し、より具体的には、取り扱い中に端部ブリストルを損傷から保護すると同時に、ブラシシールセグメントの全長にわたりブリストルが実質的に同じ可撓性を保持することができるエンドプレートを有するブラシシールセグメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンのような発電設備のためのブラシシールは、普通は、組み立てを容易にするためにセグメント設計される。例えば、弧状のブラシシールセグメントは通常、１つ又は一対の裏あてプレートを備え、ブリストルが、１つの裏あてプレートの表面に沿って、或いは一対の裏あてプレートの間を延びている。説明を容易にするために、本発明を、２つの裏あてプレートを備え、その間にブリストルを有するブラシシールセグメントに関して説明するが、特に注記しない限り、この説明はまた、１つのみの裏あてプレートを有するブラシシールを含むように意図されている。ブリストルは、裏あてプレートを越えて突出し、隣接する部品と係合する先端を有する。ほとんどの用途において、弧状のセグメントは、回転シャフトや回転スリーブに代表される隣接部品を完全に取り囲むか、或いはその内部に位置するように、例えば４個又は６個のセグメントの環状配列に組み立てられる。ブラシシールは、一般に、異なる圧力の領域間で用いられるので、低圧の下流側にある裏あてプレートは、普通は、より高圧の上流側にある裏あてプレートよりも、ブリストル先端までの半径方向範囲が大きくなる。ブリストルは、通常、１つの部品に固定された裏あてプレートの間に位置し、半径方向に延びるようにしてもよいが、他の部品の回転方向に斜めに、半径方向の角度をもって延びるようにするのが好ましい。弧状セグメントの両端は、ブリストルと実質的に同じ半径方向の傾斜角度をもった端面を有する。ブリストルは、傾斜角度をもって内方へ延びて回転する部品と係合するように、弧状シールセグメントの外径部に沿って、かつ、裏あてプレート間でブリストルの根元端部に沿って、例えば溶接により、弧状シールセグメントに固定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各セグメント端部のブリストルは、取り扱い中に曲げられたり或いは損傷を受けたりすることがあり、裏あてプレートの間から広がって出る傾向を生じるので、組立ての過程で隣接するセグメントの間に挟み込まれる潜在的可能性がある。したがって、これらの端部ブリストルは、円周方向及び軸方向の何れか、或いはその両方へ容易に撓まされることになる。ブリストルが裏あてプレートを越えて曲げられると、隣接するシールセグメントは、組み立てられる際に、端面間にブリストルを挟み込むことになる。これらの挟み込まれたブリストルは、シール組立体全体においてセグメントが「アーチ形結合」される原因となる。これは、挟み込まれたブリストルが、ブリストルによってシールを形成しようとする部品から離れるようにセグメントを押すことを意味する。例えば、ブラシシールを回転シャフト周りに配置する場合には、弧状セグメントは、挟み込まれたブリストルによって、半径方向外向きに押され、シールの全直径を増大させ、その結果、ロータの半径方向間隙を広げることになる。したがって、第一にブリストルの損傷から生じる漏れの増加に加えて、シールを通過する漏れが増加する。
【０００４】
さらに、ブラシシールのブリストルと回転部品との間の摩擦接触によって生じる熱的影響を最小にすることが重要である。例えば、蒸気タービンロータにおいて、ロータ周りでの円周方向の不均一な加熱は、ロータを反らせるのに十分な応力をロータに生ずる。ロータ上に盛り上がった部分がある場合、その部分がブラシのブリストルとの接触により不均一に加熱され、ロータの反りが増大する。米国特許第５，１１０，０３３号に記載された先行技術のブラシシールの設計においては、弧状セグメントの各端部において裏あてプレートの１つに設けられたエンドタブが、対向する裏あてプレートの直径に向かって半径方向に延びる。エンドタブ、裏あてプレート及びセグメント端部のブリストルは、互いに溶接すなわち融着される。しかしながら、ブリストルの可撓性は、弧状セグメントの円周範囲全体にわたって一様であることが重要である。可撓性に差異がある場合、すなわち、他のブリストルより硬いブリストルがある場合、これらのより硬いブリストルは、回転する部品との局所的摩擦接触を通して過度の熱を発生させ、結果的に有害な影響を生じるロータの反りとロータの不釣合をもたらすことになる。前述の特許においては、裏あてプレートの端部に隣接する端部ブリストルは、互いに、かつ裏あてプレートに溶接されるので、これらセグメントの両端にある端部ブリストルは、端部ブリストルの間にあるブリストル、すなわち、シールセグメントの両端間に位置するブリストルよりも著しく硬い。したがって、シールの円周範囲に沿って生じるブリストルの可撓性の変化の結果として、ロータにおける有害で不均一な加熱作用が発生する。米国特許５，０９０，７１０号においては、プレートは、シールセグメントの端部を横切って鑞付け又は溶接により固定され、裏あてプレートの縁部まで延びる。そのため、セグメント端部のブリストルは、セグメントの両端の間にあるブリストルより可撓性がなく、硬くなり、上記と同様な悪い結果をもたらす。したがって、製造及び取り扱いの間に端部ブリストルを保護し、さらに、そうした保護を与えるに際して、シールの円周範囲全体にわたって実質的に一様な可撓性を有するブリストルを提供することができる弧状のブラシシールセグメントについての必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態において、ブラシシールセグメントの端部ブリストルの保護及び可撓性保持のための装置が、端部ブリストルを保護し、また、セグメントのほぼ全長にわたってその可撓性を保持するために提供される。これを達成するために、各弧状セグメントの端面の各々には、エンドプレートすなわちシムが設けられており、このエンドプレートすなわちシムは、裏あてプレートの縁部の間で、取り扱い中にブリストルが損傷を受ける可能性を排除或いは最小にするのに十分であり、同時に、端部ブリストルが、セグメントの両端の間にある他のブリストルと同様な形態で、裏あてプレートから実質的に自由に延びることを可能とする位置で終わるようになっている。エンドプレートは、裏あてプレートに固定される。また、ブリストルへの固定が望ましい場合、エンドプレートは、ブリストルの先端から離れた位置でブリストルに固定することができる。例えば、回転シャフト周りにシールするための弧状ブラシシールセグメントに関連して言えば、エンドプレートの各々は、上流と下流の裏あてプレートの内径部の間において、好ましくは中間部あたりに延び、エンドプレートと裏あてプレートの間に端部ブリストルを拘束して、取り扱い中におけるブリストルの損傷を防ぐ。エンドプレートが裏あてプレートのみに固定されるか、或いは、裏あてプレートと、ブリストルの先端から離れた部分すなわち挟まれた位置より半径方向外側のブリストル部分とに固定される場合には、端部ブリストルの全長の大部分は、挟まれた位置から半径方向内方では実質的に自由のままである。結果として、端部ブリストルを含む、弧状セグメントの全てのブリストルの可撓性は、実質的に同じに維持され、それによって、１つ又はそれ以上の群のブリストルが他のブリストルより硬くなることが避けられ、ブリストルが一様でない硬さを有することに起因する有害な加熱作用を避けることができる。したがって、ブリストルが外向きに広がる問題や、アーチ形結合セグメントの問題、及びブリストルの硬さの増大の問題は、上述のブラシシールによって実質的に解決することができる。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態において、ブラシシールは、少なくとも１つの裏あてプレートと該１つの裏あてプレートの表面に沿って延びる複数のブリストルとを有する弧状のブラシシールセグメントを備える。ブリストルは、隣接する部品と共にシールを形成するように、その根元端部付近において裏あてプレートに固定され、該裏あてプレートの弧状縁部から突出し、ブリストル先端で終わる。ブリストルはその根元端部付近から自由に延びており、またエンドプレートがセグメントの端部とその上の端部ブリストルに重なっている。エンドプレートは、端部ブリストルと、セグメントに沿って端部ブリストルから離れた位置にあるブリストルとが、実質的に同じ可撓性を有するように、裏あてプレートに固定されている。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施形態において、ブラシシールは、一対の弧状裏あてプレートと、該プレートの間を延びる複数のブリストルとを有する弧状ブラシシールセグメントを備える。ブリストルは、隣接する部品と共にシールを形成するように、裏あてプレートの弧状端部を越えて突出し、そこから自由に延びて、その末端がブリストル先端で終わる。少なくとも１つのエンドプレートが、セグメントの端部とその端部ブリストルに重なっている。エンドプレートは、端部ブリストルと、セグメントに沿って端部ブリストルから離れた位置にあるブリストルとが、実質的に同じ可撓性を有するように、裏あてプレートの端面に固定されている。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態においては、一対の弧状裏あてプレートと、該プレートの間を延びる複数のブリストルとを有し、該ブリストルは、隣接する部品と共にシールを形成するように、裏あてプレートの弧状縁部を越えて突出し、そこから自由に延びて、末端がブリストル先端で終わっている弧状ブラシシールセグメントを形成する方法は、セグメントの全長に沿って間隔をおいて配置されたブリストルが、実質的に同じ可撓性を有するように、少なくとも１つのエンドプレートを裏あてプレートの端面に固定する段階を含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、隣接する部品１４とシール係合するために、ほぼ両端を突き合わせて環状に配置された複数の弧状ブラシシールセグメント１２から形成されるブラシシール１０を示している。本発明の図示した形態において、ブラシシール１０は、例えばシャフトのような回転部品１４にシール係合するように、普通は、固定部品（図示せず）に固定される。ブラシシール１０の各セグメントは、隣接する部品と係合して該部品と共にシールを形成するように延びる多数のブリストル１６を備えている。したがって、ブリストル１６は、ブリストル先端１８が、回転シャフト１４の表面に沿って係合するように、固定部品から半径方向内向きに延びる。ブラシシールは他の形態をとってもよく、例えば、ブリストルが、固定部品周りで回転する部品の内面に沿って係合するように、該固定部品に取り付けられたブラシシールからほぼ半径方向外向きに延びるようにすることができる。さらに、ブラシシールは環状である必要はなく、不規則な形の部品と共にシールを形成するように構成することができる。したがって、ブラシシールは、相対的に可動な部品の間をシールするために、また、例えば、シールの両側にある低圧と高圧の領域間をシールするために用いることができる。
【００１０】
ブラシシールセグメント１２は、ブリストル１６の両側に配置される一対の裏あてプレート２０、２２を含む。ブリストル１６は、根元端部において裏あてプレート２０、２２の間に固定される。ブリストルの根元端部２３は、ブリストルの先端１８から離れた位置にある裏あてプレートの端縁部に沿って溶接部２４（図２）により裏あてプレートに取り付けられることが好ましい。溶接部２４から延びるブリストルは、さらにセグメントに取付けられることがなく、実際上、ブリストルは、溶接部２４からブリストルの先端まで延びる状態で該溶接部において片持ち支持された梁を構成する。図１に示すように、ブリストルは、裏あてプレート２０、２２の間に固定されたとき、弧状セグメントの半径に対し傾斜した角度で延びる。典型的には、ブリストルは、セグメントがシールを形成する相手の回転部品の移動方向に傾斜した角度をもって延びる。例えば、回転部品１４は、矢印２６で示す方向に回転するシャフトを構成する。
【００１１】
裏あてプレート２０、２２は、固定部品に対する部品１４のあらゆる回転運動の全範囲を通して可動部品１４との係合を避けるのに十分な距離だけ、ブリストル先端１８から後退した位置にある弧状縁部２８、３０を有する。多くの場合において、低圧と高圧の領域間のシールの下流側にある裏あてプレート、例えばプレート２２は、ラビリンス／ブラシの組み合わせシールを形成するラビリンス歯を構成することができる。一般的に、上流側の裏あてプレート、例えば裏あてプレート２０は、ブリストルの先端１８及び下流側の裏あてプレート２２の弧状縁部３０から大きな距離だけ後退した弧状縁部２８を有する。
【００１２】
セグメント１２の両端部に隣接する端部ブリストルは、例えば取り扱い中に、軸方向及び円周方向の両方向に裏あてプレートを越えて突出することがある。端部ブリストルが軸方向又は円周方向の何れかに裏あてプレートの端面を越えて突出した状態でブラシシールが取り付けられると、シール効果は低下する。また、隣接するセグメントの端部間に挟み込まれたブリストルは、回転部品周りのシール全体の直径を拡大させる原因となるので、アーチ結合状態を形成し、ブリストル先端と回転部品の表面との間に隙間を生じる。ブリストルはまた、各弧状セグメントの全長に沿って同じ可撓性を有することが好ましい。すなわち、ブリストルは、セグメントの全長に沿って均一な可撓性を有していなければならない。そうでなければ、いずれかのブリストル又はブリストルの群が、隣接するより可撓性のあるブリストルよりも硬くなり、回転部品との接触に起因する大きな摩擦と熱を生じ、回転部品に好ましくない応力を与えることになる。例えば、蒸気タービンにおいて、ロータ上のホットスポットは、ロータを反らせ、不釣合にする。したがって、ブリストルは、裏あてプレートの輪郭内に保持されていなければならないだけでなく、各セグメントの長さに沿って、実質的に一様な可撓性を保持しなければならない。これを達成するために、エンドプレートが、好ましくは各セグメントの両端に設けられる。セグメントの端部に隣接するエンドプレート３２の各々は、ブリストルの固定部すなわち溶接部２４からブラシシールセグメントすなわちブリストル先端１８までのブリストルの長さのほぼ半分にわたってブリストルに重なる。図２に示すように、エンドプレート３２は、端部ブリストルの長さ方向のほぼ中間で終わる。図１を再び参照すると、裏あてプレートの端面を含む、各セグメントの端面は、ブリストル１６の傾斜角度に対応する傾斜角度を有することが分かる。したがって、各エンドプレート３２は、セグメントの端面に適用される場合、同様の傾斜角度を有する。
【００１３】
セグメントの両端に隣接するブリストルの可撓性を、セグメントの両端の間にあるブリストルと実質的に同じにするために、エンドプレート３２は、裏あてプレート２０、２２の端面のみに固定され、セグメントの端部のブリストルには固定されない。さらに、エンドプレート３２は、前述したように、ブリストルのほぼ半分の長さに延びることが好ましい。したがって、端部ブリストルは、セグメントの長さ方向にみて、端部ブリストルの間にあるブリストルの撓み動作と同様の撓み動作を自由に行うことができる。エンドプレート３２は、裏あてプレート２０、２２の端面のみに溶接することが好ましいが、エンドプレート３２は、ブリストルの根元端部における溶接部２４に溶接してもよい。
【００１４】
図１に示すように、隣接するセグメント１２のエンドプレート３２は、シールにおいて互いに突き合わされている。隣接するセグメント間に小さなギャップがあり、そのために、隣接するセグメントから突出し、回転部品とシール係合するブリストルの間には小さな隙間があるが、このギャップは、シール機能に関しては重要でない程度に十分小さなものである。さらに、高圧と低圧の領域間でシールを行う場合には、セグメントの端部に隣接する裏あてプレートから突出するブリストルは、隣接するセグメントの端部ブリストル間のいかなるそうした隙間も塞ぐ傾向がある。エンドプレート３２が、裏あてプレート２０、２２の弧状縁部まで、或いはそれを越えて延びないようにすることにより、セグメントの全長にわたりブリストルの一様な可撓性が保持される一方で、取り扱い中に端部ブリストルは、端面を越えて円周方向に、及び、裏あてプレートを越えて軸方向に延びることから保護される。したがって、エンドプレート３２は、ブラシシールセグメントの取り扱いを容易にし、使用の際にブリストルが、弧状セグメントの端面の間に係合したり、セグメントをアーチ形結合させたりする可能性を排除又は最小にすると同時に、ブリストルの可撓性を保持する。
【００１５】
本発明の幾つかの好ましい特徴のみを示し、説明してきたが、当業者は多くの修正及び変更を行うことができるであろう。したがって、本特許請求の範囲は、そうした修正及び変更の全てを、本発明の技術思想に含まれるものとして、保護せんとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態に従って構成された、回転部品に接触するブリストルを備える一対の隣接する弧状ブラシシールセグメントを一部切り出して示す部分側面図。
【図２】 本発明の好ましい実施形態に従ったエンドプレートを示すブラシシールの部分端面図。
【符号の説明】
１４ 回転部品
１６ ブリストル
１８ ブリストル先端
２０、２２ 裏あてプレート
２３ ブリストルの根元端部
２４ 溶接部
２８、３０ 裏あてプレートの弧状縁部
３２ エンドプレート

Claims (11)

1. 少なくとも１つの裏あてプレート（２０）と該裏あてプレートの表面に沿って延びる複数のブリストル（１６）とを有する弧状のブラシシールセグメント（１２）であって、前記ブリストルが、隣接する部品と共にシールを形成するように、該ブリストルの根元端部付近において前記裏あてプレートに固定され、前記根元端部付近から自由に延び、前記裏あてプレートの弧状縁部（２８）から突出しブリストル先端（１８）で終わっている、弧状のブラシシールセグメント（１２）と、
   前記セグメントの円周方向端部とその上の端部ブリストルとに重なって位置するエンドプレート（３２）であって、該エンドプレート（３２）が前記裏あてプレート（２０）に固定されており、前記エンドプレート（３２）がブリストルのほぼ半分の長さには達するが前記裏あてプレート（２０）の前記弧状縁部（２８）には達しない位置まで延在していて、前記端部ブリストルと前記セグメントに沿って前記端部ブリストルから離れた位置にあるブリストルとが実質的に同じ可撓性を有する、エンドプレート（３２）と
   を含む、ブラシシール（１０）。
2. 前記ブリストルが、前記セグメントの半径に対し傾斜した角度で延び、前記エンドプレートが、前記ブリストルと実質的に同様の傾斜角度で、前記セグメントの円周方向端部に沿って延びている、請求項１記載のブラシシール。
3. 前記セグメントの反対側の円周方向端部と該反対側の円周方向端部における端部ブリストルに重なる第２のエンドプレート（３２）を含み、前記第２のエンドプレートは、前記反対側のセグメント端部の端部ブリストルと、前記セグメントに沿って前記端部ブリストルの間にあるブリストルとが、実質的に同じ可撓性を有するように、前記反対側のセグメント端部の前記裏あてプレートに固定されている、請求項１又は請求項２記載のブラシシール。
4. 前記エンドプレートが、前記裏あてプレートの円周方向両端のみに固定されている、請求項３記載のブラシシール。
5. 一対の弧状裏あてプレート（２０、２２）と、該プレート間に設けられた複数のブリストルとを有する弧状ブラシシールセグメント（１２）であって、前記ブリストルが、隣接する部品と共にシールを形成するように、前記裏あてプレートの弧状縁部（２８、３０）を越えて突出し、そこから自由に延びて、その末端がブリストル先端（１８）で終わっている、弧状ブラシシールセグメント（１２）と、
   前記セグメントの円周方向端部とその端部ブリストルに重なって位置するように少なくとも１つのエンドプレート（３２）であって、該エンドプレート（３２）が前記裏あてプレートの円周方向端面に固定されており、前記エンドプレート（３２）がブリストルのほぼ半分の長さには達するが前記裏あてプレート（２０、２２）の少なくとも一方の前記弧状縁部（２８）には達しない位置まで延在していて、前記端部ブリストルと前記セグメントに沿って前記端部ブリストルから離れた位置にあるブリストルとが実質的に同じ可撓性を有する、エンドプレート（３２）と
   を含むブラシシール。
6. 前記一対の弧状裏あてプレート（２０、２２）の前記弧状縁部（２８、３０）が互いに半径方向に離れて位置し、前記エンドプレート（３２）が、前記裏あてプレート（２０、２２）のいずれの前記弧状縁部（２８、３０）にも達しない位置で終わる、請求項５記載のブラシシール。
7. 前記ブリストルが、前記プレートの半径に対し傾斜した角度で延び、前記エンドプレートが、前記ブリストルとほぼ同じ傾斜角度で前記セグメントの円周方向端部に沿って延びている、請求項５又は請求項６記載のブラシシール。
8. 前記セグメントの反対側の円周方向端部とその端部ブリストルに重なる第２のエンドプレート（３２）を含み、該第２のエンドプレートは、前記セグメントの円周方向両端における端部ブリストルと、前記端部ブリストルの間にあるブリストルとが、実質的に同じ可撓性を有するように、前記裏あてプレートの円周方向端面に固定されている、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のブラシシール。
9. 一対の弧状裏あてプレート（２０、２２）と、該裏あてプレートプレート間に設けられた複数のブリストル（１６）とを有し、該ブリストルは、隣接する部品と共にシールを形成するように、前記裏あてプレートの弧状縁部（２８、３０）を越えて突出し、そこから延びて、末端がブリストル先端（１８）で終わっている弧状ブラシシールセグメント（１２）を形成する方法であって、
   当該方法が、前記セグメントの全長に沿って間隔をおいて配置されたブリストルが実質的に同じ可撓性をもつように、ブリストルのほぼ半分の長さには達するが前記裏あてプレート（２０、２２）の少なくとも一方の前記弧状縁部（２８）には達しない位置まで延在するエンドプレート（３２）を前記裏あてプレートの円周方向端面に端部ブリストルと重なるように固定する段階を含む方法。
10. 前記プレートの半径に対し傾斜した角度で延びるようにブリストルを配置する段階と、前記ブリストルと実質的に同じ傾斜角度でセグメントの端部に沿って延びるように、前記エンドプレートを前記端面に固定する段階とを含む、請求項９記載の方法。
11. 前記セグメントの反対側の端部に沿って、第２のエンドプレートを前記裏あてプレートの端面に固定する段階をさらに含む、請求項９又は請求項１０記載の方法。

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