(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（10）内の圧力降下域での流体の漏れを減らすブラシシール（14,16）であって、
ａ）上記機械に取付可能なブリスルホルダ（18）、及び
ｂ）複数のヤーン（24,26,28,30）
を備え、
前記ヤーンのそれぞれは複数のフィラメント（22）から本質的になり、
各フィラメントが１本のブリスル（20）を画成し、
該ブリスルのぞれぞれはアラミドフィラメントのみからなり且つ前記ブリスルホルダに固定され、
前記ブリスルは0.00254ｃｍ（0.001インチ）未満の直径を有し、
前記ブリスルは39370フィラメント／ｃｍ（１０００００フィラメント毎インチ）を上回る植設密度を有する
ブラシシール。
【請求項２】
前記ブリスルの各々が第一端（32）と第二端（34）を有していて、各ブリスルが第一端の近傍でブリスルホルダに固定され、第二端が自由端である、請求項１記載のブラシシール。
【請求項３】
ａ）第一部品（36）、
ｂ）第一部品から離隔して該第一部品との間に間隙（42）を画成する第二部品（38）、ｃ）上記間隙と連通する流体であって、間隙の概ね横断方向に圧力が降下し、圧力降下が当該機械の作動時に生じる流体、及び
ｄ）機械（10）内の圧力降下域での流体の漏れを減らすブラシシール（14,16）
を含んでなり、
前記ブラシシールは、
ａ）上記機械に取付可能なブリスルホルダ（18）、及び
ｂ）複数のヤーン（24,26,28,30）
を備え、
前記ヤーンのそれぞれは複数のフィラメント（22）から本質的になり、
各フィラメントが１本のブリスル（20）を画成し、
該ブリスルのぞれぞれはアラミドフィラメントのみからなり且つ前記ブリスルホルダに固定され、
前記ブリスルは0.00254ｃｍ（0.001インチ）未満の直径を有し、
前記ブリスルは39370フィラメント／ｃｍ（１０００００フィラメント毎インチ）を上回る植設密度を有する
ことを特徴とする機械。
【請求項４】
前記ブリスルの各々が第一端（32）と第二端（34）を有していて、各ブリスルが第一端の近傍でブリスルホルダに固定され、第二端が自由端である、請求項３記載の機械。
【請求項５】
前記第二端が概ね第二部品に向かって延びている、請求項４記載の機械。
【請求項６】
前記機械は回転機械であり、
前記第一部品はステータであり、
前記第二部品はロータであり、
前記ロータはステータと概ね同軸に整列しているとともにステータから半径方向に離隔してステータとの間に間隙を画成する
請求項３又は４記載の回転機械。
【請求項７】
前記ブラシシールは、前記回転機械の作動時に前記間隙を横切って生じる圧力降下域において該間隙での前記流体の漏れを減少させる、請求項６に係るに記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
本願は、Ｍ．  Ｆ．  Ａｋｓｉｔ他の「Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｎ−Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｂｒｕｓｈ  Ｓｅａｌｓ  Ｍａｄｅ  ｏｆ  Ｋｅｖｌａｒ  Ｙａｒｎｓ」と題する１９９９年７月２２日付の米国特許仮出願第６０／１４５０４９号に基づく優先権を主張するものである。
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は概括的にはシールに関するものであり、具体的にはブラシシール並びにブラシシールを有する機械に関する。
【０００２】
機械には、蒸気タービン用タービン並びにガスタービン用圧縮機及びタービンのような回転機械がある。蒸気タービンは蒸気経路を有していて、通例、直流関係にある蒸気入口、タービン及び蒸気出口を含んでいる。ガスタービンはガス経路を有していて、通例、直流関係にある吸気口（空気入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（又は排気ノズル）を含んでいる。高圧域から低圧域へのガス又は蒸気の漏れは、ガス経路又は蒸気経路の外への漏れであろうが該経路中への漏れであろうが、概して望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機における、タービン又は圧縮機のロータとその周囲を囲むタービンケーシング又は圧縮機ケーシングの間でのガス経路漏れは、ガスタービンの効率を低下させ、燃料コストを増加させることになる。また、蒸気タービンのタービンにおける、タービンのロータとその周囲を囲むケーシングの間での蒸気経路漏れは、蒸気タービンの効率を低下させ、燃料コストを増加させる。
【０００３】
ガスタービン及び蒸気タービンにおけるロータと周囲ケーシングの間に環状ブラシシールを使用することが提案されている。環状ブラシシールは円周方向に並べた複数のブラシシールセグメントからなる。各ブラシシールセグメントはケーシングに取付けられ、背板（すなわち下流板）、前板（すなわち上流板）及び背板と前板の間に配置されたブリスルを含んでおり、概して各ブリスルの自由端は背板及び前板の縁から突出ている。ブリスルは、通例、ロータの回転方向に略４５度の角度で傾いており、ブリスルの自由端はロータに近接している（接触することすらある）。通例、前板は（設計によっては背板の一部も）、ブリスルの自由端の近くでブリスルから離間しているので、ブリスルの自由端とロータが一時的に接触してもブリスルがたわみ元に戻る余地がある。金属ワイヤブリスルが提案されており、各ブリスルの一端は前板と背板の間でそれらに溶接される。通例、各ブリスルは直径０．００２インチ〜０．００８インチである。通例、背板と背板の間に存在するブリスル列は１５列以下である。それ以上列を加えると、ブラシシールは堅くなり過ぎて適切な働きをしなくなり、所望の寸法公差での製造が極めて困難になる。必要とされているのは機械用の改良ブラシシールである。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の実施形態の第一の表現では、ブラシシールは機械内の圧力降下域での流体の漏れを減らすために設けられる。ブラシシールは機械に取付可能なブリスルホルダを含んでいる。ブラシシールはブリスルホルダに固定された複数のフィラメントヤーンブリスルも含んでいる。ある構成では、フィラメントヤーンはアラミドフィラメントヤーンである。
【０００５】
本発明の実施形態の第二の表現では、ブラシシールは機械内の圧力降下域での流体の漏れを減らすために設けられる。ブラシシールは機械に取付可能なブリスルホルダを含んでいる。ブラシシールは複数のヤーンも含んでいるが、各ヤーンは複数のフィラメントを含んでいて、各フィラメントは１本のブリスルを画成し、各ブリスルはブリスルホルダに固定される。ある構成では、フィラメントはアラミドフィラメントである。
【０００６】
本発明の実施形態の第三の表現では、機械は第一部品、第二部品、流体及びブラシシールを含んでいる。第二部品は第一部品から離隔して、第一部品と第二部品の間に間隙が画成される。流体は機械の作動時に間隙の概ね横断方向に圧力が降下する。ブラシシールは、機械に取付可能なブリスルホルダを含んでいるとともに、ブリスルホルダに固定された複数のフィラメントヤーンブリスルも含んでいる。ある構成では、フィラメントヤーンはアラミドフィラメントヤーンである。
【０００７】
本発明の実施形態の第四の表現では、回転機械はステータ、ロータ、流体及びブラシシールを含んでいる。ロータはステータから半径方向に離隔して、ステータとロータの間に間隙が画成される。流体は機械の作動時に間隙の概ね横断方向に圧力が降下する。ブラシシールはステータに取付可能なブリスルホルダを含んでいるとともに、複数のヤーンも含んでいるが、各ヤーンは複数のフィラメントを含んでいて、各フィラメントは１本のブリスルを画成し、各ブリスルはブリスルホルダに固定される。ある構成では、フィラメントはアラミドフィラメントである。
【０００８】
本発明で幾つかの有益な効果及び利点が得られる。アラミドフィラメントを機械用ブラシシールのブリスルとして用いると、直径の小さなブリスルが得られ、その結果ブリスルの植設密度が大幅に増大するので格段に漏れが減少する。個々の小径アラミドフィラメントを取り扱ったりブリスルホルダに固定することは事実上不可能であるが、複数のアラミドフィラメントからなるヤーンを用いると、小径ブリスルからなるブラシシールを構築することができる。アラミドフィラメントヤーンの一例はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の登録商標）アラミドフィラメントヤーンである。なお、直径の小さい公知の金属ワイヤブリスル又はセラミックワイヤブリスルを製造するとブリスルは使用中に簡単に破損してしまう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照すると、図１は、本発明の一実施形態を２つのブラシシール１４，１６を有する機械１０（これは回転機械１２である）の一部として概略的に示したものであり、その一方のブラシシールを図２及び図３にさらに詳細に示す。なお、ブラシシール１６はブラシシール１４と類似もしくは概ね一致し、ブラシシール１４についての以下の説明はブラシシール１６の説明としても役立つ。一例では、図１に示すように、回転機械１２は発電機、特に水素冷却式発電機である。その他の例では、特に限定されないが、回転機械１２は遠心圧縮機、電力会社で使用される蒸気タービン（そのタービン部を含む）、或いは航空機エンジンとして又は電力会社で使用されるガスタービン（その圧縮機部又はタービン部を含む）である。かかる他の例は貼付図面から除いた。なお、本発明は回転機械との関連だけに限定されず、機械の作動時に流体の圧力降下が生じる機械に関連するものであればよい。非回転機械の一例は、特に限定されないが、線形往復機械である。さらに、本発明は機械としてだけでなく、機械用ブラシシールとしても表現し得る。ブラシシールは機械の可動部又は回転部に限定されず、相対運動又は相対回転のない２つの部品間に使用できる。
【００１０】
図１〜図３に示す本発明の実施形態の第一の表現は、機械１０内の圧力降下域での流体の漏れを減らすブラシシール１４である。本発明を記載するに当たり、「ブラシシール」という用語には、ブラシシールを複数のセグメントとして製造してそれらを配列して完全なブラシシールに集成する場合のブラシシールのセグメントが何ら制限されることなく包含される。ブラシシール１４は、機械１０に取付可能なブリスルホルダ１８、及びブリスルホルダ１８に固定された複数のフィラメントヤーンブリスル２０を含んでいる。１本のフィラメントヤーンブリスル２０は、他の複数フィラメント２２と共にヤーン２４，２６，２８，３０の形態でブラシシール製造業者に供給される１本のフィラメント２２からなる（或いはそうした１本のフィラメント２２から本質的なる）ブリスルとして定義される。典型的には、各々のブリスル２０は０．００１インチ未満の直径（一例では略０．０００５６インチの直径）を有し、１つのヤーン２４〜３０は１０００〜２０００本のブリスル２０を含み、１つのブラシシール１４は１乃至数百のヤーン２４〜３０を含んでいる。ある構成では、ブリスル２０は非金属ブリスルであり、アラミドフィラメントヤーンのフィラメント２２である。アラミドフィラメントヤーンの一例はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の商標）アラミドフィラメントヤーンである。その他のフィラメントヤーンの例としては、特に限定されないが、ナイロン、ポリエステル及びフルオロカーボンのフィラメントヤーンがある。一設計例では、各ブリスル２０は第一端３２と第二端３４とを有し、各々のブリスル２０は第一端３２の近傍でブリスルホルダ１８に固定され、第二端３４は自由端である。典型的には、ブリスル２０は１０００００フィラメント毎インチを上回る植設密度を有する（一例では略２７２０００フィラメント毎インチの植設密度を有する）。
【００１１】
図１〜図３に示す本発明の実施形態の第二の表現は、機械１０内の圧力降下域での流体の漏れを減らすブラシシール１４である。ブラシシール１４は、機械１０に取付可能なブリスルホルダ１８を含んでいる。ブラシシール１４は複数のヤーン２４〜３０も含んでいて、ヤーン２４〜３０の各々は複数のフィラメント２２から本質的に（又は複数のフィラメント２２のみから）なり、各フィラメント２２は１本のブリスル２０を画成し、各ブリスル２０はブリスルホルダ１８に固定される。本発明を記載するに当たり、「複数のヤーン」という用語には、１本以上の長いヤーンからカットした複数の短いヤーンセグメントが何ら制限されることなく包含される。ある応用例では、ブラシシール１４は５０以上のヤーンを含む（図２では明瞭化のため４つのヤーン２４〜３０だけを示す）。一設計例では、各フィラメント２２はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の商標）アラミドフィラメントのようなアラミドフィラメントのみから（又はアラミドフィラメントから本質的に）なり、ヤーン２４〜３０の各々は１０００〜２０００本のフィラメント２２からなる。この設計では、各フィラメント２２は０．００１インチ未満の直径を有し、フィラメント２２は１０００００フィラメント毎インチを上回る植設密度を有する。この設計では、各ブリスル２０は第一端３２と第二端３４とを有し、各ブリスル２０は第一端３２の近傍でブリスルホルダ１８に固定され、第二端３４は自由端である。
【００１２】
図１〜図３に示す本発明の実施形態の第三の表現では、機械１０は第一部品３６、第二部品３８、流体４０及びブラシシール１４を含んでいる。第二部品３８は第一部品３６から離隔していて、第一部品３６と第二部品３８の間に間隙４２が画成される。流体４０は間隙４２と連通し、流体４０は間隙４２の概ね横断方向に圧力が降下し、圧力降下は機械１０の作動時に生ずる。なお、圧力降下は機械自体で生じることもあれば、機械とは無関係に生じることもある。
【００１３】
ブラシシール１４は、機械１０に取付可能なブリスルホルダ１８と、ブリスルホルダ１８に固定された複数のフィラメントヤーンブリスル２０とを含む。１本のフィラメントヤーンブリスル２０は、他の複数フィラメント２２と共にヤーン２４，２６，２８，３０の形態でブラシシール製造業者に供給される１本のフィラメント２２からなる（或いはそうした１本のフィラメント２２から本質的なる）ブリスルとして定義される。典型的には、各々のブリスル２０は０．００１インチ未満の直径を有し、１つのヤーン２４〜３０は１０００〜２０００本のブリスル２０を含み、１つのブラシシール１４は１乃至数百のヤーン２４〜３０を含んでいる。ある構成では、ブリスル２０はアラミドフィラメントヤーンのフィラメント２２である。アラミドフィラメントヤーンの一例はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の商標）アラミドフィラメントヤーンである。その他のフィラメントヤーンの例としては、特に限定されないが、ナイロン、ポリエステル及びフルオロカーボンのフィラメントヤーンがある。一設計例では、各ブリスル２０は第一端３２と第二端３４とを有し、各々のブリスル２０は第一端３２の近傍でブリスルホルダ１８に固定され、第二端３４は自由端である。典型的には、ブリスル２０は１０００００フィラメント毎インチを上回る植設密度を有する。
【００１４】
図１〜図３に示す本発明の実施形態の第四の表現では、回転機械１２はステータ４４、ロータ４６、流体４０及びブラシシール１４を含む。ロータ４６はステータ４４と概ね同軸に整列しているとともにステータ４４から半径方向に離隔して、ステータ４４とロータ４６の間に間隙４２が画成される。典型的には、ステータ４４は、図１に見られるように、ロータ４６を周方向に囲んでいるが、ある用途では、ロータは、当業者に周知のように、ステータを周方向に囲む必要がある。流体４０は間隙４２内に配され、流体４０は間隙４２の概ね横断方向に圧力が降下し、この圧力降下は機械１０の作動時に生ずる。
【００１５】
ブラシシール１４は、回転機械１２のステータ４４に取付可能なブリスルホルダ１８を含んでいる。ブラシシール１４は複数のヤーン２４〜３０も含んでいて、ヤーン２４〜３０の各々は複数のフィラメント２２から本質的に（又は複数のフィラメント２２のみから）なり、各フィラメント２２は１本のブリスル２０を画成し、各ブリスル２０はブリスルホルダ１８に固定される。ある応用例では、ブラシシール１４は５０以上のヤーンを含む（図２では明瞭化のため４つのヤーン２４〜３０だけを示す）。一設計例では、各フィラメント２２はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の商標）アラミドフィラメントのようなアラミドフィラメントのみから（又はアラミドフィラメントから本質的に）なり、ヤーン２４〜３０の各々は１０００〜２０００本のフィラメント２２からなる。この設計では、各フィラメント２２は０．００１インチ未満の直径を有し、フィラメント２２は１０００００フィラメント毎インチを上回る植設密度を有する。この設計では、各ブリスル２０は第一端３２と第二端３４とを有し、各ブリスル２０は第一端３２の近傍でブリスルホルダ１８に固定され、第二端３４は概してロータ４６に向かって延びる自由端である。第二端３４はロータ４６に近接して配置され、用途によってはロータ４６とちょうど接触するように配置されることもある。典型的には、ブリスル２０はある角度で傾斜し、例えば図２に示すように略４５度の角度で傾いている。かかる傾斜は当業者には周知であって、ロータ４６が存在し図２で反時計方向に回転していると仮定すると、ロータ４６との干渉を最小限にするためのものである。
【００１６】
一設計例では、ステータ４４は発電機のステータであり、ロータ４６は発電機のロータである。この場合、ブラシシール１４は流体４０の漏れを減らすためのものであり、粒体４０は液体油４８である。この設計の改良例では、ステータ４４は水素冷却発電機のステータであり、ロータ４６は水素冷却発電機のロータである。この場合、ブラシシール１６（図１に示す他のブラシシール）は流体４０の漏れを減らすためのものであり、粒体４０は気体水素５０である。水素冷却発電機である回転機械１２は、間隙４２の図１で視るとブラシシール１６の左側の部分に冷却のため存在する圧縮気体水素５０を有する。気体水素５０の圧力降下は図１で視るとブラシシール１６の左から右に向かって生ずる。ブラシシール１６を通して漏れた気体水素５０が回転機械１２の外に漏れるのを防ぐため、さらに加圧された液体油４８がブラシシール１４と軸受５２の間の間隙４２の部分に（図１では見えない導入口から）導入される。液体油４８の圧力降下は、図１で視るとブラシシール１４の右から左に向かって起こる。漏れた気体水素及び液体油は回転機械１２から導管５４を介して抽出され、分離され（図示せず）、回転機械１２にリサイクルされる。ブラシシール１４及び／又は１６はその他様々な用途に使用でき、例えば、航空機ガスタービンエンジンの圧縮機部及び／又はタービン部や電力会社の蒸気タービンのタービン部やガスタービンの圧縮機部及び／又はタービン部等のステータとロータ（動翼先端を含む）の間の間隙に使用できる。
【００１７】
フィラメントヤーンブリスル２０で本発明のブラシシール１４を製造する方法の一つでは、長ヤーンを同一寸法の複数の短ヤーン（ヤーンセグメントと呼ぶこともできる）にカットし、短ヤーンをコアワイヤの周囲に巻きつけて、巻きつけたヤーンをクランプする。別の方法では、ヤーンをブリスルホルダの前板と背板の間にクランプし、次いで高温エポキシその他の接着剤を用いてヤーンと前板と背板を接着する。図２及び図３に示す結果を生じる例示的な方法では、ブリスルホルダ１８の溶接可能な前板５６に段５８を設け、ブリスルホルダ１８の溶接可能な背板６０に前板５６の段５８とぴったりと合う段６２を設け、合わせた段６２と段５８の間にヤーン２４〜３０をクランプし、前板５６と背板６０を溶接して、その溶接部６４がブリスル２０の第一端３２から離隔するようにする。
【００１８】
本発明で幾つかの有益な効果及び利点が得られる。アラミドフィラメントを機械１０用のブラシシール１４のブリスル２０として用いると、直径の小さなブリスル２０が得られ、その結果ブリスルの植設密度が大幅に増大するので格段に漏れが減少する。個々の小径アラミドフィラメントを取り扱ったりブリスルホルダ１８に固定することは事実上不可能であるが、複数のフィラメント２２（アラミドフィラメント等）からなるヤーン２４〜３０を用いると、小径ブリスル２０からなるブラシシール１４を構築することができる。アラミドフィラメントヤーンの一例はケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の登録商標）アラミドフィラメントヤーンである。なお、直径の小さい公知の金属ワイヤブリスル又はセラミックワイヤブリスルを製造するとブリスルは使用中に簡単に破損してしまう。機械１０が回転機械１２で、回転機械１２が水素冷却式発電機の場合、小径ブリスルを有していると、ブリスル植設密度が高くなり、流体の漏れを減らす代わりにブラシシール１６から液体油を逃してしまうような大径ブリスルの毛管作用を低減する。なお、当業者には自明であろうが、気体乱流効果によって流体の漏れが妨げられるので気相流体については毛管作用はない。その他の利点には、本発明のブリスルは非導電体であり、従来の金属ワイヤブラシシールで発電機のロータとステータの間での不都合な放電を防ぐべくステータからブラシシールを絶縁するのに必要とされていた電気絶縁を必要としないことが挙げられる。本発明のブラシシールは従来の金属ワイヤブラシシールのコストの略３分の１を削減できる。
【００１９】
本発明者は、流体が油だけの発電機の状態を模擬した試験装置で実験を行った。前板とブリスルの自由端との距離は略０．３００インチ、背板とブリスルの自由端との距離は略０．０３０インチ、前板と背板との距離は略０．１１０インチであった。静的試験の結果は、ケブラー（ＫＥＶＬＡＲ；デュポン社の商標）アラミドヤーンブリスルを有する本発明のブラシシールが従来の高度植設金属ブリスルブラシシールに比べ漏れが５０％以上減ることを示していた。予備的な動的（すなわち回転）試験の結果は、本発明のブラシシールの漏れは従来のブラシシールの漏れの２倍であることを示していたが、これはこのブラシシールは適当なブリスル剛性のない状態で製造されたもので、かかるブリスルは流体上昇(hydrodynamic lift-off)を受けるからである。工学的解析によれば、流体上昇は液体（油など）における問題であり、気体（空気など）では問題にならず、流体上昇がなければ動的シール挙動は静的シール挙動に近づくはずである。そこで、剛性を高めた本発明のブラシシールのオイル漏れは従来のブラシシールの漏れの半分に過ぎないと予測される。本発明者は、前板とブリスルの自由端との距離の減少によって及び／又は前板と背板との距離を増加してブリスルの数を増やすことでブラシシールの厚さを増すことによってブリスルの剛性を高めた後、油でのブラシシールの動的試験を再度実施する計画である。本発明者は、工学的解析から従来のブラシシールに比べ静的及び動的漏れの減少が予測される空気でのブラシシールの静的及び動的試験を実施する計画である。
【００２０】
本発明の実施形態の幾つかの表現についての以上の説明は例示を目的としたものである。それらは網羅的なものではなく、開示した形態のみに本発明を限定するものでもなく、上記の教示内容に照らして数多くの変更及び改変が可能である。本発明の技術的範囲は請求項の記載によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２つのブラシシールを含む水素冷却発電機の一部の概略断面側面図である。
【図２】  図１の２つのブラシシールの一方のブラシシールセグメントの概略正面図である。
【図３】  図２のブラシシールセグメントの線３−３に沿って視た図である。
【符号の説明】
１０  機械
１２  回転機械
１４，１６  ブラシシール
１８  ブリスルホルダ
２０  フィラメントヤーンブリスル
２２  フィラメント
２４，２６，２８，３０  ヤーン
３２  ブリスルの第一端
３４  ブリスルの第二端
３６  機械の第一部品
３８  機械の第二部品
４０  流体
４２  間隙
４４  ステータ
４６  ロータ
４８  液体油
５０  気体水素
５６  前板
６０  背板
【図１】
0005150021.tif 000002
【図２】
0005150021.tif 000003
【図３】
0005150021.tif 000004