JP6759324B2

JP6759324B2 - ブラシシール

Info

Publication number: JP6759324B2
Application number: JP2018500133A
Authority: JP
Inventors: 航木村; 猛細江; 井上　秀行; 秀行井上; 河野　徹; 徹河野
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: CN108603599B; KR102089024B1; CN108603599A; US10975712B2; JPWO2017141929A1; EP3418609A1; US20180371928A1; KR20180102631A; EP3418609A4; WO2017141929A1; EP3418609B1

Description

本発明は、タービン等の回転機械の相対回転する２部材間をシールするブラシシールに関する。

タービン等の回転機械には、ロータの周囲に沿って高圧側から低圧側に気体が漏れることを抑制するためにシールが用いられている。回転機械のステータとロータのすき間変化や偏心にシールが追随して密閉能力を発揮することが望まれており、このような観点から、ラビリンスシールに代えて極細のブリストルを束ねたブラシシールが採用されている。

図７に示されるように、従来のブラシシール１００は、極細のブリストルが束ねられたブラシ１０２と、高圧側Ｈのサイドプレート１０５と、低圧側Ｌのバックプレート１０７から主に構成されている。回転機器の稼動時には、被密封流体の圧力によりブラシ１０２がバックプレート１０７側に押し付けられるため、ロータ１０９の熱膨張や偏心によりロータ１０９とブラシ１０２との先端のすき間が生じてもブラシ１０２の移動が円滑に行われ難く、ブラシシール１００が元来有する追従性を十分に発揮できないことがあった。そこで、バックプレート１０７に円周溝１０８を形成し、この円周溝１０８に被密封流体を導入することで、ブラシ１０２にバックプレート１０７側からバランス圧力を作用させ、ブラシ１０２がバックプレート１０７側に押し付けられる力を低減し、上記追従性を確保するものが提案されている。（例えば特許文献１を参照。）。

特開２００２−１３９１５４号公報（段落００３３、図１）

しかしながら、特許文献１のブラシシールは、バランス圧力をブラシ１０２に作用させるために、バックプレート１０７に円周溝１０８を円周方向に沿って配置している。そのため、高圧側Ｈと低圧側Ｌの間の圧力差が大きくなるにつれ、ブラシ１０２がバックプレート１０７側に押し付けられると、ブラシ１０２の一部が円周溝１０８に入り込み屈曲し、ブラシ１０２の先端がロータ１０９から離れる方向に移動し、ブラシ１０２とロータ１０９との間に所期以上の間隔のギャップｇが生じこのギャップｇを通って漏れる被密封流体が増える虞があった（図８を参照。）。

また、特許文献１の他のブラシシール１００は、円周溝１０８の径方向中央部に環状の支持部１１０を設け、ブラシ１０２の変形量を小さくしている。上述と同様に、高圧側Ｈの圧力が高くなると、ブラシ１０２の一部が円周溝１０８に入り込み屈曲し、ブラシ１０２の先端がロータ１０９から離れる虞があった。また、支持部１１０は径方向中央に設けられており、使用時にブラシ１０２は同じ支持部１１０に当接するため、当該支持部１１０の箇所でブラシ１０２が擦り切れる虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被密封流体の漏れの少ないブラシシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のブラシシールは、
複数のブリストルが束ねられたブラシと、前記ブラシの低圧側に配置され、被密封流体を導入する溝が設けられた円環状のバックプレートとを具備するブラシシールにおいて、
前記溝は、前記バックプレートの周方向及び前記ブラシの延在方向に対して傾斜して複数設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、溝を傾斜させているためブラシに対して多数の溝が配置されており、当該ブラシは溝間の多数のランドにより軸方向に当接支持されるため、ブラシの軸方向へのたわみが少なく被密封流体の漏れを抑制できる。

また、前記複数の溝は、同形状に形成されかつ周方向に等配されていることを特徴としている。
この特徴によれば、ブラシに対し、溝から作用する圧力がブラシの延在方向に均等に作用するため、ブラシの軸方向へのたわみをより少なくできる。

また、前記複数の溝は、非連続の独立した溝であることを特徴としている。
この特徴によれば、溝の周囲に連続するランドが存在するため、被密封流体が溝内に確実に貯留される。

また、前記バックプレートの前記溝よりも径方向内側には周方向に連なるランドが形成さることを特徴としている。
この特徴によれば、溝に導入された被密封流体が低圧側に流出することを抑制できる。

また、前記ブラシ及び前記溝は前記パックプレートの径方向に対してそれぞれ反対側に傾斜して延在していることを特徴としている。
この特徴によれば、ブラシに対して多くの溝を配置することができる。

また、前記溝は前記バックプレートの周方向に４５度傾斜して設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、ブラシに対して多くの溝を配置することができる。

実施例１におけるブラシシールの断面図である。図１のバックプレートの正面図であり、その一部の領域においてブラシを組み付けた状態を示す図である。説明の便宜上、ブラシの密度は疎として作図している。図２のバックプレートのIII−III断面図である。図２のバックプレートのIV領域の拡大図であり、ハッチング箇所は凹部を示す。溝の傾斜角度によるブラシの移動を比較して説明する図であり、（ａ）はブラシが４５度傾斜する場合を説明する図、（ｂ）はブラシが６０度傾斜する場合を説明する図である。実施例２のバックプレートの拡大図であり、ハッチング箇所は凹部を示す。従来のブラシシールを示す断面図である。図７のブラシシールの使用状態を説明する断面図である。従来の他のブラシシールの使用状態を説明する断面図である。

本発明に係るブラシシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係るブラシシールにつき、図１から図５を参照して説明する。

図１には、タービン等の回転機械の軸封にブラシシール１を用いる例が示されており、ブラシ４の先端が回転機械のロータ９に近接乃至接触することにより、回転機械内部の高圧側Ｈの蒸気、燃料ガス等の被密封気体は低圧側Ｌに漏れることが抑制されている。また、ロータ９の振れ回り等による偏心や、熱による体積変化によって、ロータ９とブラシ４の先端の相対距離が変化しても、ブラシ４全体が径方向に変形して、当該距離の変化にブラシ４を追従させ得るものであり、ブラシ４の先端の摩耗も抑制される。

ブラシシール１は円環状に形成され、低圧側Ｌのバックプレート２、高圧側Ｈのサイドプレート３及びブラシ４から主に構成されている。バックプレート２とサイドプレート３は、ブラシ４を挟み込んだ状態で座繰孔６に挿入されたボルト５により締結固定されている。ブラシ４は複数のブリストルからなるブラシ部４ａ及び複数のブリストルを束ね一端を溶接又はカシメにより一体化された取付部４ｂから主に構成され、その断面は略ハンマー形状に形成されている。また、ブリストルはワイヤの線径が０．０５〜０．５ｍｍ、材質が鋼、ニッケル基やコバルト基などの合金、セラミックス、また、取付部４ｂは金属により形成されている。また、バックプレート２及びサイドプレート３はステンレス鋼により形成されているが、その材料は問わない。

バックプレート２のブラシ４と軸方向に対向する位置には溝１０が設けられており、高圧側Ｈの気体の圧力Ｐ_Ｈがブラシ４に作用し、ブラシ４をバックプレート２側に押圧力Ｆ１により押圧する。一方、主にブラシ４のブリストル間を通過した気体が溝１０により保持され、ブラシ４をサイドプレート３側に押圧力Ｆ２により押圧する。この押圧力Ｆ２により押圧力Ｆ１の全部又は一部を打ち消すことにより、ブラシ４とバックプレート２のブラシ対向面１１との間に作用する力を小さすることができ、ブラシ４が径方向に円滑に変形・移動できるようになっている。

次いで溝１０の詳細について主に図３、４を参照して説明する。各溝１０は、同形状の略平行四辺形に形成されており、ブラシ対向面１１に周方向に等配されている。溝１０は直線部１０ｃの径方向両端部１０ａ、１０ｂがそれぞれ平面視斜角形状となる略直線状を呈している。各溝１０はそれぞれ独立しており、各溝１０の周囲には、内径側ランド面１１Ａ、溝間ランド面１１Ｂ、外径側ランド面１１Ｃが配置されている。内径側ランド面１１Ａは周方向に連続して形成されている。これにより、使用時に、溝１０に貯留された気体が内径側から低圧側に漏れ出ることを抑制している。溝間ランド面１１Ｂの周方向長さは、溝１０の周方向長さよりも長く形成することが好ましい。これにより、ブラシ４が溝間ランド面１１Ｂに接触する面積を広く確保できるため、ブラシ４から溝間ランド面１１Ｂに作用する単位面積あたりの力を小さくすることができる。また、内径側ランド面１１Ａ、溝間ランド面１１Ｂ、外径側ランド面１１Ｃはそれぞれ平面であり、かつ同じ面（高さ）であることが好ましい。さらに、溝１０と内径側ランド面１１Ａ、溝間ランド面１１Ｂ、外径側ランド面１１Ｃとの間のエッジは、面取りやＲ形状とされている。これにより、ブラシ４がエッジにより摺り切れることを防止している。また、溝１０の長さ、幅、深さは、流体機器の仕様に応じて決めればよく、例えばそれぞれ数十ｍｍ、数ｍｍ、十分の数ｍｍ程度とすればよい。

溝１０は、ブラシ対向面１１上で径方向Ｒに対して傾斜して設けられており、その延在方向Ｇと径方向Ｒとのなす角θは略４５度である。すなわち、延在方向Ｇはブラシ対向面１１上の周方向に対しても略４５度の角度で傾斜している（正確には周上における接線に対し略４５度の角度で傾斜している。）。また、ブラシ４は、ブラシ対向面１１上の径方向Ｒに対して傾斜して設けられており、その延在方向Ｂと径方向Ｒとのなす角φは略４５度である。そして、溝１０とブラシ４の傾斜方向は、径方向Ｒに対して反対側であるため、それぞれの延在方向Ｇと延在方向Ｂとは略直交している。

溝１０を周方向及びブラシ４に対して傾斜させているため、ブラシ４に対して多数の溝が配置されることとなる。図４の例では、ブラシ４の延在方向Ｂに略８本の溝、各１箇所の内径側ランド面１１Ａ、外径側ランド面１１Ｃ、７箇所の溝間ランド面１１Ｂが配置されている。このように、ブラシ４は溝１０間の多数の溝間ランド面１１Ｂにより軸方向に当接支持されるとともに、多数の溝１０内の気体からブラシ４にＦ２方向（図１）の力が作用する。そのため、ブラシ４の軸方向へのたわみが少なく、ギャップｇ（図８、図９）が生じることなく、気体の漏れを抑制できる。

また、ブラシ４は溝１０間の多数の溝間ランド面１１Ｂにより軸方向に当接支持されるため、ブラシ４に作用する押圧力Ｆ１を分散して受けることができる。さらに、使用状況やタイミングにより径方向においてブラシ４に作用する押圧力Ｆ１（図１）が高い箇所は異なるため、常に同じ溝間ランド面１１Ｂに強い押圧力が作用することなく、ブラシ４が溝間ランド面１１Ｂのエッジと接触することで摺れて切断されることを抑制できる。これに対し、図９に示されるブラシシール１００にあっては、支持部１１０は一箇所のみであるから、使用状況やタイミングにより径方向においてブラシ１０４に作用する押圧力Ｆ１が変化しても、ブラシ１０４は常時支持部１１０に接触するため摺れて切断される虞が高い。

また、溝１０が周方向に対して傾斜しているから、ブラシ４を通過した気体が径方向のいずれの箇所から溝１０に導入されても径方向に渡って導かれる。このことから、図９に示される円周方向二重溝１０８とは異なり、径方向のいずれの箇所から溝１０に気体が導入されても径方向に圧力が導かれ、径方向における溝１０からの反力を均一化することができる。

また、ブラシ４及び溝１０の延在方向Ｂ、Ｇは、バックプレート２に対してそれぞれ反対側、径方向Ｒにそれぞれ４５度傾斜している。この配置により、ブラシ４に対して多くの溝１０を配置することができる。なお、ブラシ４は、回転機器の稼動状態に応じてその角度が変化するが、稼動時（ロータ９の回転時）において、径方向Ｒに対して略４５度傾斜する配置とするとよい。

図５を参照して、溝１０の傾斜角度の相違について説明する。図５（ａ）において、溝１０の延在方向Ｇ_４５は、半径方向に対して、４５度傾斜している。ブラシ４の延在方向Ｂは溝１０とは反対側で、半径方向に対して４５度傾斜している。この状態からその延在方向Ｂ’が僅かに変化すると、ブラシ４がΔαだけブラシ対向面１１に沿って移動し、溝１０を点Ｃ１から点Ｃ２まで横切り、その溝１０上の移動距離はΔＬ_１２である。同様に、図５（ｂ）において、溝１０の延在方向Ｇ_６０は、半径方向に対して、６０度傾斜している。ブラシ４の延在方向Ｂは溝１０とは反対側で、半径方向に対して４５度傾斜している。この状態からその延在方向Ｂ’が僅かに変化すると、ブラシ４がΔαだけブラシ対向面１１に沿って移動し、溝１０を点Ｃ３から点Ｃ４まで横切り、その溝１０上の移動距離はΔＬ_３４である。そして、幾何学的な関係から、移動距離ΔＬ_１２は移動距離ΔＬ_３４よりも短い。このように、溝１０の延在方向Ｇとブラシ４の延在方向Ｂが直交に近づくにつれて、ブラシ４が移動した際に、溝１０を横切る長さが短くなるため、ブラシ４が摺り切れにくくなり耐用性が高まる。

また、複数の溝１０は、同形状に形成されかつ周方向に等配されているため、ブラシ４に対し、溝１０から作用する圧力がブラシ４の延在方向Ｂに均等に作用する。そのため、ブラシ４の軸方向へのたわみをより少なくできる。

次に、図６を参照して実施例２を説明する。実施例１では、溝１０の直線部１０ｃの径方向両端部１０ａ、１０ｂがそれぞれ平面視斜角形状ものであったが、実施例２では径方向両端部１０ｄ、１０ｅがそれぞれ平面視弧形状ものである。なお、その他の構成は実施例１と同様であるのでその説明を省略する。このように、径方向両端部１０ｄ、１０ｅをそれぞれ平面視弧形状としたので、端部に鋭いエッジが存在せず、ブラシ４がブラシ対向面１１に沿って摺動しても、ブラシ４が径方向両端部１０ｄ、１０ｅによって摺り切れるおそれを低減できる。

以上、本発明の実施例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例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、前記実施例では、溝１０が周方向に対して４５度傾斜する例について説明したが、溝１０は周方向及びブラシ４の延在方向Ｂに対し傾斜するものであればよい。さらに、溝１０の延在方向Ｇとブラシ４の延在方向Ｂは、径方向Ｒに対して反対側であると好ましい。これにより、ブラシ４に対し多くの溝１０を配置できるのみならず、ブラシ４が溝１０に沿って入り込むおそれが少なくなるからである。溝１０に沿ってブラシ４が入り込むことにより、密封性が低下するおそれ及び溝１０のエッジとの接触に伴ってブラシ４が擦り切れるおそれがある。

また、溝１０は略直線状のものを例に説明したが、曲面を有する曲線状であってもよい。曲線状の場合には、その外形の長手方向がバックプレート２の周方向及びブラシ４の延在方向と交差する配置とすればよい。

また、溝１０幅が略一定のものを例に説明したが、溝の延在方向にその幅が変化するものであってもよい。

また、溝１０は直線状の溝がそれぞれ独立する例について説明したが、溝同士が連結されているものであってもよい。

１ブラシシール
２バックプレート
３サイドプレート
４ブラシ
４ａブリストル
４ｂ取付部
１０溝
１１ブラシ対向面
１１Ａ内径側ランド面
１１Ｂ溝間ランド面
１１Ｃ外径側ランド面
Ｈ高圧側
Ｌ低圧側
Ｇ溝の延在方向
Ｂブラシの延在方向
Ｒ径方向
θ 溝の傾斜角
φ ブラシの傾斜角

Claims

複数のブリストルが束ねられたブラシと、前記ブラシの低圧側に配置され、被密封流体を導入する溝が設けられた円環状のバックプレートとを具備するブラシシールにおいて、
前記溝は、前記バックプレートの周方向及び前記ブラシの延在方向に対して傾斜して複数設けられ、
前記複数の溝は、非連続の独立した溝であり、各溝の周囲に連続するランドが存在することを特徴とするブラシシール。
前記複数の溝は、同形状に形成されかつ周方向に等配されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシシール。
前記複数の溝のそれぞれの径方向両端部は、平面視斜角形状あるいは平面視弧形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシシール。
前記バックプレートの前記溝よりも径方向内側には周方向に連なるランドが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のブラシシール。
前記ブラシ及び前記溝は前記バックプレートの径方向に対してそれぞれ反対側に傾斜して延在していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のブラシシール。
前記溝は前記バックプレートの周方向に４５度傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のブラシシール。