(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長部分（１０）及び支持部分（１１）を有する支持板（９）並びにシャフト部分（６）及び該シャフト部分に対して曲げられた剛毛部分（７）を有する剛毛（３）を含み、前記剛毛部分（７）の端はロータの密封面の方へはしっている、ステータに対しロータ（２）を密封するための曲げられた剛毛を有するブラシシールであって、
剛毛（３）のシャフト部分（６）と支持板（９）の間に湾曲自由空間（１３）が設けられており、前記曲げられた剛毛部分（７）と支持板（９）の支持部分（１１）の間に前記支持部分の全長にわたって隙間（１２）が存在し、前記隙間は、隣接差圧が生じたときに、シャフト部分（６）に引張力を与えて、閉まることを特徴とするブラシシール。
【請求項２】
前記隙間（１２）は、隣接差圧が生じるときに前記剛毛（３）のシャフト部分（６）に圧力負荷がかからないように調整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。
【請求項３】
前記湾曲自由空間（１３）が、支持板（９）の長部分（１０）の端縁（１４）までのびてい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。
【請求項４】
前記曲げられた剛毛部分（７）がロータの回転方向にある角度で配列されており、前記ロータ（２）が正規位置からそれるときに、前記シャフト部分（６）に捩りを発生可能であることを特徴とする請求項１に記載のブラシシール。
【請求項５】
前記角度が０°乃至７０°であることを特徴とする請求項４に記載のブラシシール。
【請求項６】
前記剛毛（３）の前記シャフト部分（６）が前記曲げられた前記剛毛部分（７）よりも長いことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のブラシシール。
【請求項７】
前記剛毛（３）の自由端が内側に位置する前記ロータ（２）を密封することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のブラシシール。
【請求項８】
前記剛毛（３）の自由端が外側に位置する前記ロータ（２）を密封することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のブラシシール。
【請求項９】
前記ロータ（２）が筒状環状体であることを特徴とする請求項８に記載のブラシシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長部分及び支持部分を有する支持板及びシャフト部分及び該シャフト部分に対して曲げられた剛毛部分を有する剛毛を含み、前記シャフト部分の端はロータの密封面の方へはしっている、ステータに対しロータを密封するための曲げられた剛毛を有するブラシシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおけるブラシシールの使用は、リップシール又はラビリンスシール等の密封方式に比較してさまざまの利点に基づいて実証されている。
【０００３】
DE 196 18 475 A1により、半径方向の構造長さを減らすために剛毛を曲げたブラシシールが知られている。短い、曲げられた剛毛部分のより高い剛性を許容できる程度に保つために、剛毛のシャフト部分にストッパが設けられており、弾性の剛毛がロータの偏心のために正規の位置からそれるときの湾曲縁としてはたらく。この方法で、許容できないほど大きな半径方向の構造空間なしに剛毛の剛性は調整される。
【０００４】
しかし、このようなブラシシールの場合問題として漏れが生ずることが分かっている。この漏れは、第一に、ロータと剛毛パケットの間の環状の間隙を通しての一次漏れと、第二に、支持板と剛毛パケットの間の湾曲自由空間を通して流れる「バイパス空気量」からなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、隣接差圧が生ずるとき、剛毛パケットが支持板に押しつけられ、摩擦力のため支持板に付着したままになる、いわゆる「ハングアップ効果」が生ずることなしに極力最適な密封作用が得られるように、曲げられた剛毛を有するブラシパッキングを改良することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明によって、「長部分及び支持部分を有する支持板並びにシャフト部分及び該シャフト部分に対して曲げられた剛毛部分を有する剛毛を含み、前記部分の端はロータの密封面の方へはしっている、ステータに対しロータを密封するための曲げられた剛毛を有するブラシシールであって、剛毛のシャフト部分と支持板の間に湾曲自由空間が設けられており、前記曲げられた剛毛部分と前記支持板の支持部分の間に前記支持部分の全長にわたって隙間が存在し、前記隙間は、隣接差圧が生じるときに閉まることを特徴とするブラシシール。」によって解決される。
【０００７】
本発明の利点は、差圧に応じて選択可能な隙間の調整によって湾曲自由空間内の圧力がブラシシールの外側の圧力に相当することにある。それは、殆ど全ての圧力低下は曲げられた剛毛パケット乃至曲げられた剛毛部分を介して行われることを意味する。剛毛パケットは、圧力が存在するとき、剛毛パケットが大きな軸方向圧力で支持板に押しつけられ、その弾性を失い、ロータが正規の位置からそれた後支持板に付着したままになるような切羽詰まった状態にはならない。圧力が存在する状態下での正常な運転のとき、即ち一定の運転状態のとき、曲げられた剛毛部分は支持板の支持部分に少なくともところどころ乃至部分的に前記隙間を閉じて密接している。
【０００８】
好ましくは、前記隙間は、隣接差圧があるとき剛毛のシャフト部分に圧力負荷乃至は応力がないように調整される。むしろ差圧は剛毛のシャフト部分に引張力として与えられる。このように湾曲自由空間の圧力はブラシシールの前の、より大きな圧力に相当し、その結果剛毛のシャフト部分はいかなる圧力負荷も受けず、また圧力レベルを変更するとき準自動的復元作用を示す。圧力が減少するとき、引き続き短時間湾曲自由空間内のより高い圧力が、弾性の剛毛をロータの密封面の方に、即ち概して半径方向内方へ押す。逆に弾性剛毛のシャフト部分は、圧力が上昇するとき、まずロータの密封面から離れるように、即ち概して半径方向外方へ、圧力平衡が生じるまで上げられる。
【０００９】
好ましくは、湾曲自由空間は支持板の長部分の端縁まで延びている。
【００１０】
上記発明の課題は、「長部分及び支持部分を有する支持板並びにシャフト部分及び該シャフト部分に対して曲げられた剛毛部分を有する剛毛を含み、前記シャフト部分の端はロータの密封面の方へはしっている、ステータに対しロータを密封するための曲げられた剛毛を有するブラシシールであって、前記曲げられた剛毛部分がロータの回転方向にある角度で配列することを特徴とするブラシシール。」によっても解決される。その場合において前記角度は０°乃至７０°、特に好ましくは４０°乃至５０°である。
【００１１】
ロータの回転方向に剛毛を配列することによって、剛毛パケットを通って流れる空気が斜めに位置する剛毛によって方向転換されるので密封効果は改良される。またそれと共に、剛毛が配列されていないときに見られる所謂「ジェットスルー」の流れの形態、即ち剛毛の列間の管路形成が回避される。それに加えてロータが正規の位置からそれたとき剛毛のシャフト部分の捩じれが大きな復元力を生ぜしめ、そのため曲げられた剛毛部分が支持板に付着することが発生することはない。
【００１２】
好ましくは剛毛のシャフト部分と支持板の間に湾曲自由空間が設けられ、その結果圧力が変わるとき及びロータが正規の位置からそれているときに剛毛の復元作用が湾曲及び捩じれと重なって生じる。
【００１３】
剛毛のシャフト部分は曲がった剛毛部分よりも長く、且つ弾性剛毛の復元作用の利用の下に剛毛パケットが固すぎることはないのが更に好ましい。
【００１４】
更に本発明の別の形態は従属項に記載されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明について実施例をもとにして図面を参照して詳細に説明する。図面において
図１は、本発明のブラシシールの圧力がかかっていない状態を示す略断面図であり、
図２は、圧力が上昇したことにより或いはロータ又はケーシングが正規の位置からそれていることにより剛毛が正規の位置からそれた状態にある圧力がかかっているブラシシールの他の実施例の略断面図であり、
図３は、正面の密封面を有するロータの場合の本発明のブラシシールの他の実施例の取り付け状態を示す略断面図であり、
図４は、外側ロータの場合の本発明のブラシシールの別の実施例の取り付け状態を示す略断面図であり、
図５は、ロータの回転方向に配列された剛毛部分を有するブラシシールの更に他の実施例の略断面図であり、
図６は、図５に示す本発明のブラシシールの実施例の部分の略正面図である。
【００１６】
図１は符号１で全体を示すブラシシールの１実施態様を示す。このブラシシールは、周面Ｕで示す、回転対称なロータ２と図示しないステータ、例えば航空機用エンジンのようなガスタービンのケーシングの間の異なる圧力Ｐ１，Ｐ２を有する空間を密閉している。圧力Ｐ１は圧力Ｐ２よりも高い。図１には、ブラシシール１に圧力がかからない状態が図示されている。剛毛の自由端、即ちブラシシール１の剛毛パケット３はロータ２の周面Ｕの方に向かってはしっている。剛毛３はコア４のまわりに巻き付けられ、保持リング５内に保持乃至位置せしめられている。前記剛毛３の固定の方法は重要ではなく、他の方法でもそれを行うことができる。
【００１７】
剛毛パケット即ち剛毛３はシャフト部分６と該シャフト部分に対して曲げられた剛毛部分７を有する。前記剛毛パケットの取り付け位置で剛毛３のシャフト部分６はガスタービンの軸方向にのびている。シャフト部分６と曲げられた剛毛部分７の間の角度は約９０°であり、曲げられた剛毛部分７は本質的に半径方向面内にある。保持リング５は符号８で示す全ケーシングの一つの中に位置している。ケーシング８は本質的に剛毛３のシャフト部分６の方向にのびる長部分１０と該長部分に対して曲げられた支持部分１１を備える支持板９を含む。ケーシング８、支持板９並びに詳細に説明をしないフロント板の形状は、ブラシシール１の機能に影響を及ぼし、利用例に応じて決定される。曲げられた剛毛部分７の自由端は支持板９の支持部分１１を越えてロータ２の周面Ｕに接触した状態で突き出ている。
【００１８】
剛毛３と支持板９の間に湾曲自由空間１３が設けられている。この湾曲自由空間１３は、長部分１０と支持板９の支持部分１１の間の移行部を形成する端縁１４までのびている。剛毛３のシャフト部分６は、比較的短い曲げられた剛毛部分７の剛性を正当な限界内に保持するように、且つ剛毛３のシャフト部分６の偏向可能な部分の長さＬに依存して調整できるように、湾曲自由空間１３内にそらすことができる。湾曲自由空間１３の長さＬは、支持板９の支持部分１１から始まって、前記実施例において図示されている湾曲自由空間よりも、剛毛３の保持リング５の方へ更にのばすことができる。
【００１９】
図１に示す圧力のかかっていないブラシシール１において、曲げられた剛毛部分７と支持板９の支持部分１１の間に隙間１２が存在する。この隙間１２の大きさは、エンジンの駆動中のブラシシール１に隣接する差圧に依存し、剛毛３のシャフト部分６が、隣接差圧の存在下で、シャフト部分６に圧縮応力を負荷せずに、支持部分１１乃至その内面の方に強制的に押されることが無いことを保証されるように調整される。
【００２０】
曲げられた剛毛部分７と支持板９の支持部分１１の間の隙間１２の大きさの調整によって、空間Ｐ１と空間Ｐ２の間の隣接差圧は剛毛３のシャフト部分６に牽引力として取り入れられ、また隙間１２は圧力が加わると閉じられる。その場合において曲げられた剛毛部分７を支持部分１１に押しつける力は引張り応力のため比較的小さい。これは密封作用について、剛毛が支持板に押しつけられる結果生ずる剛毛３と支持板９の間の摩擦力も同様に小さく、剛毛３は、ロータ２が正規の位置からそれたことにより横へそれた後、支持部分１１に付着したままになることはない。
【００２１】
圧力が加わると、本質的に一定のロータの駆動状態のときＰ１とＰ３の間の圧力平衡が生じ、その結果この状態（図示せず）は個々の要素の配置から圧力負荷のない図１の状態に近似し、しかし曲げられた剛毛部分７と支持板９の支持部分１１の間の隙間１２が剛毛の支持部分への密接によって閉じられるという相違点がある。
【００２２】
図２にブラシシールの略側面図を示す。この場合、より高い圧力Ｐ１の空間内の圧力上昇の結果、又はロータ又はケーシングの位置ずれの結果、剛毛３が湾曲自由空間の方へそれている。剛毛３と支持板９の間の隙間１２が最適に調整されているとき、湾曲自由空間１３内の圧力Ｐ３はより高い圧力の空間内の圧力Ｐ１に相当する。これは、結果として、剛毛３のシャフト部分６が隣接差圧の存在下で、圧縮荷重のない状態のままであるのみならず、一次漏れを引き起こす、ロータ２の周面Ｕと剛毛３の自由端の間の環状隙間が差圧の変更で自動的に最適に調整されることを伴う。
【００２３】
図２に示す、より高い圧力Ｐ１の空間内の圧力増加のとき剛毛３は、圧力平衡が生じるまで、引き続き短時間湾曲自由空間１３内の一時的により低い圧力Ｐ３によって上方へ、即ち半径方向外側へそれる。逆の、圧力が減少する場合（図示せず）、剛毛３は引き続き短時間湾曲自由空間１３内の一時的により高い圧力Ｐ３のため、圧力平衡が生じるまで、下方へ、即ち半径方向内方へロータ２と剛毛３の環状隙間を減少させるようにそれる。隙間１２の調整と、その結果生じる差圧を変更したときの剛毛３の復元作用のための平衡運動によって、剛毛３の自由端はロータ２の周面Ｕに比較的「やさしく」軽く触れるだけである。このため曲げられた剛毛３を有するブラシシール１の耐用期間は増加され、また密封作用は改善される。更に前記剛毛の復元作用は、高い差圧のとき、剛毛３、即ち曲げられた剛毛部分７が支持板９の支持部分１１に付着することを防止する。
【００２４】
図３に他のブラシシール１の取り付け状態を示す。この場合において支持板９の長部分１０及び剛毛３のシャフト部分６は本質的にガスタービンの半径方向面にのびており、また曲げられた剛毛部分７の自由端は、ロータ２の半径方向にのびる正面の密封面１５の方にはしっている。支持板９の支持部分１１及び剛毛３の曲げられた剛毛部分７は、それらが取り付けられたとき、本質的にガスタービンの軸方向にのびる。前記剛毛３の圧力平衡運動は、予め隙間１２の大きさを調整することによってより高い圧力Ｐ１の空間とより低い圧力Ｐ２の空間の間の差圧の変更時に同様に行われる。
【００２５】
曲げられた剛毛部分７を有するブラシシール１は、種々の取り付け状態であらゆる形態で使用することができ、また定置ガスタービンのみならず航空機用エンジンにも適するものである。概して本質的に半径方向に曲げられた剛毛部分７がのびているので、ブラシシール１はロータ２の両回転方向に使用することができる。
【００２６】
図４は本発明のブラシシール１のさらに他の実施例の取り付け状態を示す。このブラシシールは半径方向外側に配置されたロータ２（このロータは例えば円筒の場合、筒状環状構成部分とすることができる）の周面Ｕ’を密封している。図４には圧力のかからない状態が図示されている。ブラシシール１は内側のステータ１６の上に配置され、その結果曲げられた剛毛部分７は、本質的に半径方向外側に乃至は、曲げられた剛毛部分７をロータの回転方向に配列するとき、半径方向に対して０°乃至７０°の角度で回転方向にのびる。前記した隙間１２の調整はこの場合同様に行われる。
【００２７】
図５に図示する本発明のブラシシール１の実施例においては、曲げられた剛毛部部分７は半径方向に対して約４５°の角度で回転方向に配列される。ロータ２が正規の位置からそれるとき、結果として剛毛３のシャフト部分６は捩じれ、所謂剛毛パケット３を通って流れる空気の管路形成が回避される。同時に剛毛の捩じれのため大きな復元力が生じ、曲げられた剛毛部分７は正規の位置からそれた後に元の状態に復元し支持板９の支持部分１１に付着しないままにになる。前記の効果の結果としてブラシシール１の密封作用の明らかな改良が達成される。
【００２８】
図６は、図５の実施例によるブラシシール１の中途部分を断面図示する略正面図を示す。分かりやすくするために、支持板９の支持部分１１は省略し、即ち単に示唆するにとどめる。曲げられた剛毛部分７はロータの回転方向（矢印で示す）方向に約４５°の角度で配列されていることは明らかである。ロータ２が正規の位置からそれるとき、曲げられた剛毛部分７は、シャフト部分６が捩じれている状態下で持ち上がる。この結果前記管路の形成は回避される。それに加えて捩じれによる大きな復元力が生じる。
【００２９】
更に他の図示しないブラシシール１の実施例において、曲げられた剛毛部分７は、ロータの回転方向に半径方向に対して０°乃至７０°の角度で配列することができる。このような配列の場合、剛毛３のシャフト部分６は、例えばロータ２が正規の位置からそれることにより、曲げられた剛毛部分７の半径方向の回避がおきるときに捩じれ、結果として大きな復元力を生じ、その結果曲げられた剛毛部分７は、密封作用を低下せずに支持板９の支持部分１１に付着したままになることはない。配列された曲がった剛毛部分７を有するブラシシール１の形態は湾曲自由空間１３なしでも実施することができる。湾曲自由空間１３のない実施の形態の場合、それ故ロータ２が正規の位置からそれるとき剛毛３のシャフト部分６の湾曲と捩じれの重なりが生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブラシシールの圧力がかかっていない状態を示す略断面図である。
【図２】圧力が上昇したことにより或いはロータ又はケーシングが正規の位置からそれていることにより剛毛が正規の位置からそれた状態にある圧力がかかっているブラシシールの他の実施例の略断面図である。
【図３】正面の密封面を有するロータの場合の本発明のブラシシールの他の実施例の取り付け状態を示す略断面図である。
【図４】外側ロータの場合の本発明のブラシシールの別の実施例の取り付け状態を示す略断面図である。
【図５】ロータの回転方向に配列された剛毛部分を有するブラシシールの更に他の実施例の略断面図である。
【図６】図５に示す本発明のブラシシールの実施例の部分の略正面図である。
【符号の説明】
１  ブラシシール
２  ロータ
３  剛毛
４  コア
５  保持リング
６  シャフト部分
７  曲げられた剛毛部分
８  ケーシング
９  支持板
１０  長部分
１１  支持部分
１２  隙間
１３  湾曲自由空間
１４  コーナー
１５  密封面
１６  ステータ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  圧力
Ｕ、Ｕ’  周面
Ｌ  長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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