JP5936681B2 - ブラシシール - Google Patents

Description

本発明は、例えば、航空機、ガスタービン及び蒸気タービン等の回転軸と相対移動する相手部品との間をシールするブラシシールに関する。

ガスタービンの回転軸の軸周りには、例えば、高圧側から低圧側にガスが漏れるのを防止するシール機構が設けられている。
従来、このシール機構としては、非接触シールとしてのラビリンスシールが一般的に用いられているが、ラビリンスシールは、非接触であるため、シール性能の向上には限界がある。このため、シール性能を向上するためにブラシシールが用いられるようになってきている。

ブラシシールは、複数のブリストルがリング状（ブラシシールブリストル）に形成され、このブラシシールブリストルの先端部が回転側に接触することによってシールするものである。
回転側、例えば、ガスタービンのロータは、運転に伴い遠心力と熱によって変形し、一方、静止側のハウジングも熱によって膨張するので、ブラシシールとロータとの距離が変動する。
この変動はブリストルの撓みによって吸収されているが、低圧側に撓むとシール性能が低下する恐れがあるので、ブラシシールブリストルの低圧側に背板を備え低圧側への撓みを防止している。また、ブリストルの撓みを許容するため、ブリストルの高圧側に空間を設けることが行われている（例えば、特許文献１第１０頁図８〜１０参照）。

しかし、蒸気タービンなどの高圧部分に用いた場合、特に高圧側でブリストルをばたつかせ、ブリストルが折損する事態が発生する。
このように、ブリストルが折損すると、その部分がロータに接触しない状態となりブラシシールのシール性能が劣化する。
ブラシシールのシール性能が劣化すると、例えば、タービンの出力が低下するという問題がある。

高圧側でのブリストルのばたつきを解消するものとして、ブラシシールブリストルの高圧側にも制動板を備え、ブラシシールブリストルの撓みを制限するとともに制動板に貫通孔を設けて乱流の発生を抑制し、特に高圧側のブリストルのばたつきを防止しようとするものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２に示されるものは、ブラシシールブリストルが低圧側の背板および高圧側の制動板によってロータの近傍まで動きを強く規制されているので、ブラシシールブリストルの自由に撓める長さが短くなっている。
このため、ブラシシールブリストルの剛性が大きくなり、ロータへの接触圧力が大きくなるので、ブリストルおよびロータの定常状態での摩耗が大きくなるという問題があった。

特許文献２に示されるものの問題を解決するものとして、ブリストル部の高圧側の制動板の代わりにブリストル部の接触変形を妨げない程度の弾性を有する抑制ブリストルを備えたものが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
この特許文献３に示されたブラシシールは、静止部と回転部との間隔の変動をブリストル部が撓むことで吸収するものであって、ブリストル部は、低圧側の背板によって運動を制限されているので、抑制ブリストルの方向に撓むことになるが、抑制ブリストルはブリストル部の接触変形を妨げない程度の弾性を有しているので、抑制ブリストルが弾性変形してこのブリストル部の撓みを吸収し、静止部と回転部との間隔の変動に対応して接触摩擦力を増加させることがなく、定常的な摩耗の増加を防止することができるというものである。

しかしながら、特許文献３に示されたブラシシールでは、ブリストル部の高圧側に、ワイヤ（ブリストル）を束ねて形成された抑制ブリストルを配設する必要があり、製造コストが嵩むという問題があった。

特開２００３−１４１２８号公報（第１０頁、図８） 特開２００１−７３７０８号公報 特開２００８−１２１５１２号公報

本発明は、上記した従来技術の問題を解決するためになされたものであって、簡単な構成でもって、ブリストルの上流側への自由度を確保しつつばたつきを防止するとともに、ブリストルの高圧側と低圧側との差圧方向の剛性を高め、ブリストルの摩耗を低減するようにしたブラシシールを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために本発明のブラシシールは、第１に、
間隙を有して相対回動する静止部と回転部との間の前記静止部に取り付けられた複数のブリストルで形成されたブリストル部と、
前記ブリストル部の低圧側に隣接して取り付けられ、該ブリストル部の運動を制限する背板部と、が備えられ、前記静止部および前記回転部の間を流れる前記流体をシールするブラシシールであって、
前記複数のブリストルで形成されたブリストル部において、高圧側と低圧側との差圧方向に沿って配列される複数のブリストルが基端部と自由端部との間において相互に固着されて面状ブリストルに形成され、該面状ブリストルが周方向に積層状に連続して配列されてブリストル部が形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、従来公知のブラシシールブリストルと比べて、高圧側と低圧側との差圧方向（ロータの軸方向）の剛性が高く、蒸気タービンなどの高圧機器に対しても適用可能となる。
また、ブリストルの先端の差圧方向と直交する方向（周方向）の自由度が確保されているので、差圧方向と直交する方向の剛性が低く、回転部の低速時における回転においてもその動圧で自由端部が回転部の外周面から浮上でき、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。
さらに、回転部のコニカル振動（軸が傾いて動く振動）に対しても、ブリストルの先端が独立して動くことができるので、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。

また、本発明のブラシシールは、第２に、第１の特徴において、
前記固着が溶接にて行われることを特徴としている。
この特徴によれば、複数のブリストルを確実に固着することができるとともに、ブリストル部の剛性を適切なものとすることができる。

また、本発明のブラシシールは、第３に、第１又は第２の特徴において、
前記固着がブリストルの基端部と自由端部との間の少なくとも一箇所において行われることを特徴としている。
この特徴によれば、ブリストル部に要求される剛性に応じて、その部位及び数を設定できるので、ブリストル部の剛性を最適なものとすることができる。

また、本発明のブラシシールは、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記ブリストルの断面形状が円形であることを特徴としている。
また、本発明のブラシシールは、第５に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記ブリストルの断面形状が角形であることを特徴としている。
これらの特徴によれば、比較的安価にブラシシールを製造することができる。

また、本発明のブラシシールは、第６に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、
前記面状ブリストルは、長手方向の中間位置で折返されて、折返し部が基端部に、先端部が自由端部になるように形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、面状ブリストルが能率良く製造されるとともに、面状ブリストルの基端部における固定も容易に行うことができる。

本願発明は、従来公知のブラシシールブリストルと比べて、高圧側と低圧側との差圧方向（ロータの軸方向）の剛性が高く、蒸気タービンなどの高圧機器に対しても適用可能となる。
また、ブリストルの先端の差圧方向と直交する方向（周方向）の自由度が確保されているので、差圧方向と直交する方向の剛性が低く、回転部の低速時における回転においてもその動圧で自由端部が回転部の外周面から浮上でき、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。
さらに、回転部のコニカル振動に対しても、ブリストルの先端が独立して動くことができるので、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。

本発明の実施形態１に係るブラシシールの上半分を示す縦断面図である。 図１のブラシシールを高圧側からみた正面図である。 本発明の実施形態１に係るブリストル部の形成過程を説明する斜視図である。 本発明の実施形態２に係るブリストル部の形成過程を説明する斜視図である。 本発明の実施形態１又は実施形態２に係るブリストル部の製造方法の他の例を説明する図である。 図１の状態において回転部が偏心した場合のブラシシールの状態を高圧側からみた正面図である。

本発明に係るブラシシールを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係るブラシシールの上半分を示す縦断面図である。

図１において、ブラシシール装置１はリング状に形成されて、外周側の固定部２０は、構成部品の一方の部品であるケーシング５０の内周面に設けられた段部５１にスナップリング１２を介して取り付けられている。
また、ブラシシール装置１の内周側は他方の部品であるロータ６０の外周面と対向して接面又は近接した状態に配置されている。そして、ブラシシール装置１により高圧側の被密封流体の低圧側への漏洩が封止される。
尚、上記ケーシング５０は本発明の静止部を、また、上記ロータ６０は本発明の回転部を構成する。

このブラシシール１装置の主要な構成部材であるブリストル部２の低圧側には、環状をした背板部３がブリストル部２と接触状態にして配置され、被密封流体の圧力の作用に対してブリストル部２を支持している。
また、ブリストル部２の高圧側の面には、保持部４がリング板に形成されて背板部３との間でブリストル部２の外周側の基端部６を狭持するごとく一体に配置されている。この保持部４は、被密封流体がブリストル部２の側面に作用できるように径方向の幅が狭くされてブリストル部２を露出させている。
そして、背板部３とブリストル部２の基端部６と保持部４とは、外周において溶接されて固定部２０を構成し、ケーシング５０の内周面に設けられた段部５１に固定されている。

ブリストル部２は、何万ないし何十万本のブリストル（剛毛）５が外周側から内周側に向けて配列されて形成されるものであって、高圧側と低圧側との差圧方向に所定の幅を形成するように複数本配列され、また、所定の幅を形成する複数本のブリストル５が周方向にも連続して配列されて環状に形成されるものである。
そして、ブリストル５の内周側の自由端部７は他方の部品であるロータ６０の外周面と対向して接面又は近接した状態に配置されている。

ブリストル５の線径は、一般に、０．０２ｍｍから０．５ｍｍのものが用いられている。ブリストル５の材質は、鋼、ステンレス、ニッケル基の合金、コバルト耐熱合金等が用いられる。

図２は、図１のブラシシールを高圧側からみた正面図である。
図２のブラシシール１は、ブラシシール１とロータ６０とが揺動しない正常な状態を示しており、ブリストル５は、直線状をなしてロータ６０の回転する方向へ傾斜して配列されている。このブラシシール１の正常な状態では、ブリストル５の自由端部７はロータ６０の外周面に接面又は近接している。

図３は、本発明の実施形態１に係るブリストル部の形成過程を説明する斜視図である。図３においては、説明の都合上、高圧側と低圧側との差圧方向に配列されるブリストルについて４本だけ示されているが、実際には、所定の幅を形成するように何百本ものブリストルが配列されるものである。

図３において、図３（ａ）（ｂ）に示すように、断面形状が円形で所定の長さを有する複数のブリストル５を準備し、複数のブリストル５が、高圧側と低圧側との差圧方向に所定の幅を形成するように、かつ隣接するブリストル５が接触するようにして一列に配列する。
一列に配列された複数のブリストル５は、図３（ｂ）に示すように、基端部６と自由端部７の間において隣接するブリストル５と溶接あるいは溶着などの手段により固着される。図３（ｂ）では、固着部８は、基端部６と自由端部７の間において径方向の３箇所に設定されているが、これに限らず、少なくとも１箇所あるいはそれ以上であればよく、ブリストル部２に要求される剛性に応じて、その部位及び数が設定される。固着部８のうち、自由端部７に近接する固着部８の位置は、ブリストル５の自由端の剛性を決める上で重要である。

上記のように、径方向の中間位置にて相互に固着された複数のブリストル５は、図３（ｂ）に示すように、面状に形成され、面状ブリストル１０を形成する。
該面状ブリストル１０は、図３（ｃ）に示すように、周方向に積層状に連続して配列され、環状のブリストル部２が形成される。
なお、周方向に隣接する面状ブリストル１０をブリストル５の半径分だけ交互に差圧方向にずらして周方向に積層状に連続して配列してもよく、その場合、面状ブリストル１０間の隙間が少なくなるので、被密封流体の漏洩に対する流体抵抗を大きくすることができる。

上記のように形成された面状ブリストル１０は、従来公知のブラシシールブリストルと比べて、高圧側と低圧側との差圧方向（ロータの軸方向）の剛性が高く、蒸気タービンなどの高圧機器に対しても適用可能となる。
また、面状ブリストル１０は、各ブリストル５の先端、すなわち、すなわち、自由端部７に近接する固着部８から自由端部７に至る間の各ブリストル５の先端の差圧方向と直交する方向（周方向）の自由度が確保されているので、差圧方向と直交する方向の剛性が低く、ロータ６０の低速時における回転においてもその動圧で自由端部７がロータ６０の外周面から浮上でき、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができるという利点がある。
さらに、ロータ６０のコニカル振動に対しても、各ブリストル５の先端が独立して動くことができるので、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。

〔実施形態２〕
図４は、本発明の実施形態２に係るブリストル部の形成過程を説明する斜視図である。
図４に示す実施形態２は、図３に示す実施の形態１とは各ブリストルの断面形状が角形である点で相違するがその他の構成は実施の形態１と同じであるので、重複する説明は省略する。

図４において、各ブリストル１５の断面形状は角形であるため、角形のブリストル１５から構成される面状ブリストル１６は、その厚みが一定であり、従来公知のブラシシールブリストルと比べて、高圧側と低圧側との差圧方向（ロータの軸方向）の剛性が高く、蒸気タービンなどの高圧機器に対しても適用可能となることはもちろんである。
また、面状ブリストル１０は、各ブリストル５の先端、すなわち、自由端部７に近接する固着部８から自由端部７に至る間の各ブリストル５の先端の差圧方向と直交する方向（周方向）の自由度が確保されているので、差圧方向と直交する方向の剛性が低く、ロータ６０の低速時における回転においてもその動圧で自由端部７がロータ６０の外周面から浮上でき、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができるという利点がある。
さらに、ロータ６０のコニカル振動に対しても、各ブリストル１５が独立して動くことができるので、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。

図５は、本発明の実施形態１又は実施形態２に係るブリストル部の製造方法の他の例を説明する図である。
図３及び４に示すような面状ブリストル１０、１６を１枚ずつ製造し、これを周方向に積層状に配列してブリストル部２を形成する他に、図５に示す方法がある。
図５（ａ）においては、図３及び４に示されたブリストルの略２倍の長さを有するブリストル１７を所定の幅を形成するように一列に整列させる。ブリストル１７の整列の際、各ブリストル１７を隣接するブリストルと接着剤などで仮止めしておいてもよい。そして、長手方向の中間部１８と両側の自由端部７、７との間において隣接するブリストル１７を溶接あるいは溶着などの手段により固着して面状ブリストル１９を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、面状ブリストル１９を中間部１８を支点として２つ折りに折り曲げる。このように、面状ブリストル１９を折り曲げると、２枚の面状ブリストルが形成される。
折り曲げられた面状ブリストル１９は、図５（ｃ）に示すように、周方向に積層状に連続して配列されて、環状のブリストル部２が形成される。
この製造方法によれば、比較的能率良くブリストル部２を形成することができる。

図６は、図１の状態において回転部が偏心した場合のブラシシール１の状態を高圧側からみた正面図である。
ブラシシール１は、ロータ６０が回転し、振動や揺動などによりロータ６０がブリストル５、１５の自由端部７に接触すると、ブリストル５、１５はロータ６０に圧接された状態になりながら傾斜角度を増加させる。その際、ブリストル５、１５は、各ブリストル５の先端、すなわち、各ブリストル５、１５の先端の差圧方向と直交する方向の自由度が確保されているので、差圧方向と直交する方向の剛性が低く、ロータ６０の低速時における回転においてもその動圧で自由端部７がロータ６０の外周面から浮上でき、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができるという利点がある。さらに、ロータ６０のコニカル振動に対しても、各ブリストル５、１５が独立して動くことができるので、摩耗が小さくなり、耐摩耗性を向上することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、ブリストルについて、円形又は角形の断面形状のものを説明したが、これに限らず、多角形あるいは楕円形などの断面形状のブリストルでもよい。

また、例えば、前記実施の形態では、面状ブリストルの製造方法について、２倍の長さを有する１枚の面状ブリストルを中間部を支点として２つに折り曲げて２枚製造する例を説明したが、これに限らず、２倍以上の長さを有する１枚の面状ブリストルを所定の長さに切断して製造してもよいことはもちろんである。

また、例えば、前記実施の形態では、一列に配列された複数のブリストル基端部と自由端部の間において隣接するブリストルを固着する径方向の位置について、３箇所の場合について説明しているが、これに限らず、少なくとも１箇所あるいはそれ以上であればよい。また、周方向に配列される面状ブリストルごとに固着位置を変更して、固着位置が径方向の一箇所に集中しないようにしてもよい。

１ ブラシシール装置
２ ブリストル部
３ 背板部
４ 保持部
５ ブリストル
６ 基端部
７ 自由端部
８ 固着部
１０ 面状ブリストル
１２ スナップリング
１５ ブリストル
１６ 面状ブリストル
１７ ブリストル
１８ 中間部
１９ 面状ブリストル
２０ 固定部
５０ ケーシング（静止部）
５１ 段部
６０ ロータ（回転部）

Claims (6)

1. 間隙を有して相対回動する静止部と回転部との間の前記静止部に取り付けられた複数のブリストルで形成されたブリストル部と、
   前記ブリストル部の低圧側に隣接して取り付けられ、該ブリストル部の運動を制限する背板部と、が備えられ、前記静止部および前記回転部の間を流れる前記流体をシールするブラシシールであって、
   前記複数のブリストルで形成されたブリストル部において、高圧側と低圧側との差圧方向に沿って配列される複数のブリストルが基端部と自由端部との間において相互に固着されて面状ブリストルに形成され、該面状ブリストルが周方向に積層状に連続して配列されてブリストル部が形成されることを特徴とするブラシシール。
2. 前記固着が溶接にて行われることを特徴とする請求項１記載のブラシシール。
3. 前記固着がブリストルの基端部と自由端部との間の少なくとも一箇所において行われることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のブラシシール。
4. 前記ブリストルの断面形状が円形であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のブラシシール。
5. 前記ブリストルの断面形状が角形であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のブラシシール。
6. 前記面状ブリストルは、長手方向の中間位置で折返されて、折返し部が基端部に、先端部が自由端部になるように形成され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１項に記載のブラシシール。

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