(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ターボ機械部品（４０）と回転ターボ機械部品（４６）との間に配置されて、該部品（４０、４６）間のガス流を最小にするブラシシール（５０）用のブラシシール支持構造であって、
環状の上流当て板（５２）と、前記上流当て板（５２）から間隔を置いてほぼ平行に配置された環状の下流当て板（５４）と、前記上流及び下流当て板（５２、５４）の間に配置された複数のブリストル（５６）とを備える環状のブラシシール（５０）であって、前記ブリストル（５６）が、互いにほぼ平行に配置され、かつ該ブラシシール（５０）の半径方向内端部において前記回転部品（４６）上に形成されたランド面（５８）に向かうように前記当て板（５２、５４）間から外向きに延びており、前記当て板（５２、５４）が、該ブラシシール（５０）の半径方向外端部においてブリッジ部材（６０）によって結合されており、前記下流当て板（５４）が、前記ブリストル（５６）から下流方向に間隔を置いた環状の端面（７１）を形成する軸方向外向きに延びるリップ（７０）を備える、環状のブラシシール（５０）と、
前記ランド面（５８）から半径方向外側に間隔を置いて配置されたほぼ軸方向に面するブラシシール接触面（６２）を備え、前記リップ（７０）の前記環状の端面（７１）に隣接する半径方向内向きに面した環状の溝（６８）を備える、非回転ブラシシール支持体（４０）と、
前記環状の溝（６８）内に支持され、前記下流当て板のリップ（７０）の前記端面（７１）と係合するほぼ半径方向に延びる面を有する、保持リング（６６）と、
を含み、
前記リップ（７０）が、半径方向内向き方向には拘束されていないことを特徴とするブラシシール支持構造。
【請求項２】
前記リップ（７０）が、前記ブラシシール（５０）の半径方向外端部に隣接し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支持構造。
【請求項３】
前記ブリストル（５６）が、前記ブラシシールの周辺部における接線に対してほぼ等しく傾斜し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支持構造。
【請求項４】
前記当て板（５２、５４）が、ほぼ同一の外径を有し、かつ異なる半径方向長さを有することを特徴とする、請求項１に記載のブラシシール支持構造。
【請求項５】
前記当て板（８６、５４）の各々が、ほぼ軸方向外向きに延びるリップ（８８、７０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のブラシシール支持構造。
【請求項６】
前記リップ（８８、７０）の各々が、それぞれの前記当て板（８６、５４）の半径方向最外端部に配置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支持構造。
【請求項７】
前記下流当て板（５４）が、前記上流当て板（５２）よりも軸方向の厚さが大きいことを特徴とする、請求項１に記載のブラシシール支持構造。
【請求項８】
前記ブリストル（５６）と対向して前記ブラシシール（５０）の上流側に配置されて、前記下流当て板（５４）から離れる方向の該ブリストル（５６）の軸方向の動きを制限するブリストル振動ダンパ（７２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のブラシシール支持構造。
【請求項９】
前記シール（５０）が、該シールの上流側と下流側との間の圧力差に応じてピボット点を中心にしてピボット動可能であり、前記ピボット点が、前記下流当て板から軸方向外側に間隔を置いた位置にあることを特徴とする、請求項１に記載のブラシシール支持構造。
【請求項１０】
前記当て板（５２、５４）は、下流側の当て板（５４）が上流側の当て板（５２）より半径方向長さが長いことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のブラシシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械用のシールに関し、具体的には、ターボ機械の回転部品と固定部品との間に配置して、部品間のガスの流れを最小にするためのブラシシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械の固定及び回転部分間にあるシールは、様々な形態が知られている。一部のシールは、潤滑油のような液体又は粘性材料の流れを阻止するために設けられ、また他のシールは、固定及び回転部品間のガス流を阻止することを目的としている。
【０００３】
ターボ機械においては、ガスの漏洩を最小にし、それによってターボ機械の作動効率を向上させるために、固定及び回転部品間の過剰なガス流を防止するシールが設けられる。ターボ機械で使用される様々なタイプのシールには、ラビリンスシール、Ｏ−リングシール、ブラシシール及びその他のシールがある。この点に関して、ブラシシールは、多くの場合、ガスタービンエンジンの圧縮機及びタービンにおいて、また発電プラントの蒸気タービンにおいて、固定及び回転部品間の漏洩ガス流を最小にするのに使用される。ブラシシールは、ガスタービンエンジン内の空気及び燃焼生成物の主要流路並びにガスタービンエンジン内の冷却空気流路のような所定の領域内にガスを閉じ込める。
【０００４】
ブラシシールは通常、回転軸に対してほぼ半径方向に延びる複数の金属製ブリストルを備える。ブリストルは、一対の環状の当て板間に固定され、該一対の環状の当て板は、その半径方向最外端部において相互結合される。シールは固定されており、通常、ブリストルの外端部が、回転軸に向かって当て板の間から外向きにかつ半径方向内向きに延びて圧縮機ロータ又はタービンロータのような回転部品の環状の表面に接触する状態になっている。
【０００５】
時としてブラシシールの両側で比較的大きなガス圧力差が発生することがあるので、ブラシシールの低圧力側にある種の形態の支持体を設けて、ブリストルの圧力により生じる偏向（たわみ）を最小にするようにしている。この点に関して、ターボ機械におけるブリストルの軸方向の偏向は、ブリストルの端部と回転部品との間のギャップを増加させ、それによってガスがブリストルの内端部の周りを流れるのを許すによって、シール効果を減少させる傾向にある。ブリストル支持体は通常、半径方向に延びた当て板、又は下流側においてブリストルに平行にかつ該ブリストルに押し当てて配置された別個の半径方向に延びる表面として、シールの下流側に設けられる。蒸気タービン又は定置式ガスタービンエンジンのような、地上配備式又は定置式ターボ機械では、重量が重要な要件ではなく、ブリストルと共にシール自体の軸方向の偏向を防止するために、十分に剛性のある支持構造をブラシシールの一部分の周りに容易に設けることができる。しかしながら、その重量が非常に重要な要件となる航空機用ガスタービンエンジンのようなターボ機械の場合の用途では、地上配備式ターボ機械で使用可能である重くて剛性のある支持構造は適当でない。
【特許文献１】米国特許５０６６０２５号明細書
【特許文献２】米国特許５０９０７１０号明細書
【特許文献３】米国特許５４８０１６５号明細書
【特許文献４】米国特許５５２２６９８号明細書
【特許文献５】米国特許５５６８９３１号明細書
【特許文献６】米国特許５５９７１６７号明細書
【特許文献７】米国特許５６３０５９０号明細書
【特許文献８】米国特許５７０４７６０号明細書
【特許文献９】米国特許５９６１２７９号明細書
【特許文献１０】米国特許６０１２７２３号明細書
【特許文献１１】米国特許６０３２９５９号明細書
【特許文献１２】米国特許６０４５１３４号明細書
【特許文献１３】米国特許６０７９９４５号明細書
【特許文献１４】米国特許６１３９０１９号明細書
【特許文献１５】米国特許６１６１８３６号明細書
【特許文献１６】米国特許６１６８１６２号明細書
【特許文献１７】米国特許６２０６６２９号明細書
【特許文献１８】米国特許６２２６９７５号明細書
【特許文献１９】米国特許６２５０６４０号明細書
【特許文献２０】米国特許６３０８９５８号明細書
【特許文献２１】米国特許６３３１００６号明細書
【特許文献２２】米国特許６４０２１５７号明細書
【特許文献２３】米国特許６４７１２１３号明細書
【特許文献２２】米国特許６５０５８３４号明細書
【特許文献２３】米国特許出願公開第２００２／００２０９６８号明細書
【特許文献２２】英国特許２１９１８２５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、シール支持構造の重量を最小にしながらブラシシールの軸方向の偏向を最小にする、ブラシシール支持装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡単に説明すると、本発明の１つの態様によると、固定ターボ機械部品と回転ターボ機械部品との間に配置されたブラシシール用のブラシシール支持構造が、提供される。ブラシシールの目的は、部品間のガス流を最小にすることである。
【０００８】
その構造は、互いに間隔を置いてかつ互いにほぼ平行に配置された環状の上流当て板及び環状の下流当て板と、該当て板の間に配置された複数のブリストルとを有する環状のブラシシールを含む。ブリストルは、互いにほぼ平行に配置され、かつ該ブラシシールの半径方向内端部において回転部品に形成されたランド面に向かうように当て板間から外向きに延びている。当て板は、ブラシシールの半径方向外端部においてブリッジ部材によって結合されている。下流当て板は、ブリストルから下流方向に間隔を置いた環状の端面を形成する軸方向外向きに延びるリップを備える。
【０００９】
非回転ブラシシール支持体が設けられ、該非回転ブラシシール支持体は、ランド面から半径方向外側に間隔を置いて配置されたほぼ軸方向に面するブラシシール接触面を備える。該支持構造は、リップの環状の端面に隣接する半径方向内向きに面した環状の溝を備える。保持リングは、環状の溝内に支持され、下流当て板のリップの端面と係合するほぼ半径方向に延びる面を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面、特に図面の図１を参照すると、航空機用ガスタービンエンジンの単段軸流タービン１０が示されている。環状のガス流路１２は、環状の燃焼セクション（図示せず）から矢印１４で示す方向に延びており、該環状の燃焼セクションからタービンステータセクション１６に向かって、高温の燃焼生成物が流れ、該タービンステータセクション１６は、図１にはその１つのみを見ることができる、半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置された複数のステータベーン１８を備える。ガス流路１２の環状の外側表面は、ステータセクションの外側リング２２と整合されかつ該外側リング２２と結合された燃焼器外側ケーシング２０によって形成される。ガス流路１２の環状の内側表面は、ステータセクションの内側リング２６と整合されかつ該内側リング２６と結合された燃焼器内側ケーシング２４によって形成される。ステータベーン１８は、ステータ外側リング２２及びステータ内側リング２６の各々に固定されて、タービンロータセクション２８に対して所定の角度で燃焼生成物を向けるタービンノズルを形成し、該タービンロータセクション２８は、タービンステータセクション１６とともに、単段タービン１０を形成する。当業者には明らかなように、タービンはまた、必要に応じて多段タービンとすることができる。
【００１１】
タービンロータセクション２８は、回転タービンロータディスク３２を囲む環状の固定外側シュラウド３０を備え、該回転タービンロータディスク３２は、図１にはその１つのみを見ることができる、半径方向に延びかつ円周方向に間隔を置いて配置された複数のロータブレード３４を支持する。シュラウド３０の半径方向内向きに面する環状の面は、ステータ外側リング２２の半径方向内向きに面する環状の面とほぼ整合して、タービン１０を通る流路１２の環状の外側表面を形成する。タービン１０を通る流路１２の環状の内側表面は、ステータ内側リング２６の半径方向外向きに面した面と、ロータブレード３４のプラットホーム３６の半径方向外向きに面した面とによって形成される。
【００１２】
燃焼器内側ケーシング２４とステータ内側リング２６との内側に配置されているのは、固定の内部構造支持部材(図示せず)に結合されたステータ支持リング３８である。支持リング３８はまた、ステータ内側リング２６に結合され、固定のブラシシール支持リング４０を支持する。支持リング３８は、アブレイダブルシール支持リング４２を支持し、該アブレイダブルシール支持リング４２に対してハニカムリングのような環状のアブレイダブル静止シール要素４４が固定される。ロータディスク３２は、タービンロータシールリング４６を支持しており、該タービンロータシールリング４６は、アブレイダブルシール要素４４と係合してその間にシールを形成する環状のシール歯４７を備える。ロータシールリング４６は、円形状に配置されかつ軸方向に延びる複数の冷却空気用開口４８を備え、該冷却空気用開口４８は、圧縮機（図示せず）から低温の冷却空気を受け入れて、タービンロータディスク３２を冷却し、またロータブレード３４内に設けられた冷却空気通路(図示せず)に向けてかつ該冷却空気通路を通して冷却空気を流す。
【００１３】
ブラシシール支持リング４０は、環状のブラシシール５０を支持する環状の部材であり、該環状のブラシシール５０は、上流当て板５２と下流当て板５４とを備える。複数の横に並んだ金属製ブリストル５６が、当て板５２と当て板５４との間に支持され、全体として半径方向に延びている。ブラシシール５０のブリストル５６の半径方向最内端部は、タービンロータシールリング４６に設けられたほぼ軸方向に延びるランド面５８と対向して配置されて、該ブラシシール５０の周りを通るガス流を最小にする。
【００１４】
ブラシシール５０の基本的構造が図２の軸方向図に示されており、これは図１の下流方向から見た図である。図示するように、ブラシシールは、上流当て板５２と、下流当て板５４と、当て板５２及び５４の間に支持されたブリストル５６とを備える。ブリストルは、ターボ機械の軸平面内に位置し、環状のブラシシールにおける接線に対して傾斜しており、このブリストルの傾斜は、図２の矢印５７で示された回転方向に鋭角で延びている。ブリストルの傾斜角度は、約４５度程度とすることができる。
【００１５】
ブラシシール５０の構造及びブラシシール支持リング３８内におけるその保持方法が、図３に拡大図で示されている。図示するように、上流及び下流当て板５２、５４は、ブリッジ部材６０によって結合されており、該ブリッジ部材６０は、一般的にブリストルの半径方向最外端部とも係合して組立てブラシシールを形成する溶接ビードの形態になっている。ブラシシール支持リング４０は、半径方向に延びる前方座面６２を備え、該座面６２に対して上流当て板５２の外側の半径方向に延びる面が当接する。当て板５２、５４及びブリッジ部材６０の半径方向最外端面は、環状の軸方向に延びる接触面６４に係合する。したがって、ブラシシール５０は、半径方向外向きの動きに対して接触面６４によって拘束される。ブラシシール５０はまた、図１の矢印１４で示された方向と反対の上流方向への軸方向の動きに対して前方座面６２によって拘束される。ブラシシール５０の下流方向への軸方向の動きは、環状の保持リング６６によって阻止され、該環状の保持リング６６は、ブラシシール支持リング４０に形成された半径方向に延びる環状の溝６８内に受けられている。
【００１６】
図３に示すように、上流当て板５２と下流当て板５４との半径方向最外端面は、整合されている。これら端面はそれぞれ同じ外径をもち、ブラシシール支持リング４０の軸方向に延びる接触面６４に当接して支持される。しかしながら、上流当て板５２は、下流当て板５４よりも半径方向の長さ寸法が短い。この点に関して、シール５０のそれぞれの軸方向面上に存在するガス圧力の結果としてブラシシール５０のブリストル５６に作用するガス圧力差は、上流当て板５２から下流当て板５４に向かう方向に作用するために、下流当て板５４のほうが長くなっている。従って、下流当て板５４のより長い半径方向長さは、ブリストルの後向き方向の又は下流方向の偏向に対して支持を与える働きをする。このような偏向を生じるのが許された場合には、この偏向により、ブリストルの半径方向最内端部がランド面５８から離れるように後向きにかつ上向きに偏向され、それによって漏洩流を生じる可能性がある面積が拡大し、ブラシシールの周りの望ましくないガスの漏洩を許すことになる。
【００１７】
下流当て板５４は、シールの上流と下流のガス圧力差によって生じる偏向を最小にするように、厚くかつ剛性がある要素として構成されることもある。それに代えて、より重くかつより大きな下流支持構造を形成し、この下流支持構造に対して下流当て板を当接させて、その軸方向の偏向を最小にするようにすることもある。この点に関して、ブラシシール上に作用する軸方向に向いた力は極めて大きくなる場合があり、ブラシシールの両側での圧力差は、約２５０ｐｓｉ又はそれ以上程度になる可能性がある。しかしながら、部品の重量が非常に重要な要件である航空機用ガスタービンエンジン用途では、下流当て板及び下流支持構造の軸方向厚さを可能な限り最小にして、ブラシシール構造の全体重量を軽減するようにすることが望ましい。しかしながら、このような厚さの縮小は、特にブラシシールの両側での圧力差が非常に大きくなったとき、下流当て板がブリストルと共に軸方向後向き方向に更に偏向する傾向を招く可能性がある。このような偏向が結果として、下流当て板の外径最後部端縁の位置であるピボト点を中心にしての該下流当て板のピボット運動を生じる。
【００１８】
下流当て板の偏向を最小にするために、図３に示すブラシシールの実施形態は、下流当て板の半径方向最外端面に隣接する位置において、該下流当て板からほぼ軸方向下流方向に延びる環状の後部リップ７０を備える。このような環状のリップを設ける効果は、下流当て板５４を断面がＬ字状の要素として形成することによって、該下流当て板５４の構造的剛性を増加させ、それによって軸方向の偏向の傾向を減少させることである。リップは、当て板のピボット点を、ブリストルから更に遠く離れ、かつ下流当て板５４の半径方向に延びる後部面から軸方向下流方向に間隔を置いた保持リング６６に隣接するように、後方向に移動させる働きをする。リップ７０は、保持リング６６と接触する半径方向に延びる外端面７１を有しており、ブラシシール５０が軸方向後方向に動くのを防止し、同時に後向きの偏向も最小にする。
【００１９】
更に、図３に示すように、ブリストル振動ダンパ７２が設けられ、該ブリストル振動ダンパ７２は、ブリストル５６と対向するブラシシールの上流側に配置されて、下流当て板５４から離れる方向の前向き又は上流方向へのブリストルの軸方向の動きを制限する。このような動きは、圧力の脈動の間に発生する可能性があり、或いはブリストル５６内の振動又は該ブリストル５６のフラッタリング運動を引き起こす懼れがあるロータによる励振から発生する可能性がある。振動ダンパ７２は、環状のリング７４の形態とすることができ、該環状のリング７４は、ブラシシール支持リング４０から半径方向内向き方向に延びるダンパ支持リング７８の環状のスロット７６内に受けられる。適当なバイアス部材８０がスロット７６内に設けられて、ブリストル５６の上流面を支持し、ダンパリング７８を該ブリストル５６の上流面に対して付勢して、ほぼ半径方向の向きにブリストルを維持することができる。バイアス部材８０は、スロット７６内に受けられた正弦形又は波形バネの形態とすることができ、ブリストルの上流面に対してダンパリング７８を付勢して該ダンパリング７８と下流当て板５４との間で該ブリストルを実質的に固定する働きをする。
【００２０】
図３に示した構造から明らかなように、ブラシシール５０は、支持リング４０の接触面６４によって半径方向外向きの動きを拘束される。更に、該シールは、ブラシシール支持リング４０の前方座面６２によって軸方向前向きの動きに対して支持され、また該シールは、保持リング６６によって軸方向後向きの動きに対して拘束される。しかしながら、半径方向内向きの状態の動きに対してブラシシール５０を拘束する構造はなく、このことが、ブラシシール５０及びその支持構造の全重量を著しく最小化する。
【００２１】
ブラシシール８２及びブラシシール支持リング８４の変形形態が、図４に示されている。上流当て板８６が、該上流当て板の半径方向最外面に隣接して前方に延びる環状のリップ８８を備えていること以外は、図４に示した構造は図３の構造と同様である。リップ７０が下流当て板５４に剛性を付与するのと同じように、リップ８８は上流当て板８６に剛性を付与する。図４の実施形態では、ブラシシール支持リング８４は、リップ８８を受けるための軸方向に延びる環状の凹部９０を備え、それによって、図３及び図４の実施形態に共通である構造を組み合わせて、ブラシシール支持リング８４に対する半径方向及び軸方向前方向の両方向の動きに対して、ブラシシール８２を拘束する。更に、リップ８８及び環状の凹部９０はまた、上流当て板８６の後向きのピボット運動を防止する働きをする。
【００２２】
本発明の具体的な実施形態を図示し説明したが、本発明の技術思想から逸脱することなく様々な変更及び修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲において記載した参照番号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図したものではなく、それらを理解し易くすることを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ブラシシール支持装置の実施形態を組み入れたターボ機械の一部の軸方向部分断面図。
【図２】図１に示すタイプの環状のブラシシールの実施形態の部分正面図。
【図３】図１に示すブラシシール支持装置の軸方向拡大部分断面図。
【図４】ブラシシール支持装置の別の実施形態の軸方向拡大部分断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  単段軸流タービンエンジン
１２  ガス流路
１６  タービンステータセクション
１８  ステータベーン
２０  燃焼器外側ケーシング
２２  ステータ外側リング
２４  燃焼器内側ケーシング
２６  ステータ内側リング
２８  タービンロータセクション
３０  固定外側シュラウド
３２  タービンロータディスク
３４  ロータブレード
３８  ステータ支持リング
４０  ブラシシール支持リング
４２  アブレイダブルシール支持リング
４４  アブレイダブルシール要素
４６  タービンロータシールリング
４７  シール歯
４８  冷却空気用開口
５０  ブラシシール
５２  上流当て板
５４  下流当て板
５６  ブリストル
５８  ランド面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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