(57)【要約】水素冷却式発電機内の空洞（２２）を貫いて延びるシャフト（１０）の周りに、シール装置（３０）が設けられる。シール装置は、爆発性ガス混合物が作り出される危険性が最少化されるレベルにまで空洞に出入りする流れを減少させるブラシシール（１３０，２３０）構造を含む。一実施形態においては、空洞からの水素の流出を最少化するシールが形成されるように、回転シャフト（１０）との境界面にシール装置（３０）が設けられる。シール装置は、第１、第２ブラシシール組立体（１３０，２３０）で構成され、各ブラシシール組立体は、複数のブラシシール構造体（３２）を含む。別の実施形態においては、ブラシシール構造体（５２，５４）を付勢してロータにシール係合させるためにスプリング（５６，１５６）が設けられる。さらにブラシシールを通して漏出した水素を除去するために、水素雰囲気から遠い側の空洞壁内に通気口が設けられる。
2004511740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、一方の側に水素雰囲気を有するハウジング壁と、該ハウジング壁の反対側の流体を含んだ軸受空洞内の軸受とを有する水素冷却式発電機における、前記水素雰囲気と前記軸受空洞内の流体とを互いに実質的に隔離するために、前記ロータと前記ハウジング壁との間に少なくとも１つのブラシシール組立体を含むシール装置であって、
前記ハウジング壁と前記ロータとの間のシールケースと、
該シールケースによって支持され、前記ロータと係合するブリストルを有する複数のブラシシール構造体と、
該ブラシシール構造体を前記ロータに向けて付勢する少なくとも１つのスプリング部材と、
を含むことを特徴とするシール装置。
【請求項２】
前記シールケースの前記ブラシシール構造体が、一緒に運動するように互いに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のシール装置。
【請求項３】
前記シールケースの前記ブラシシール構造体が、互いに対して半径方向に移動可能であるように、固定の機械的取付装置に対して自由であることを特徴とする、請求項１に記載のシール装置。
【請求項４】
前記シールケースが、その内部に形成された半径方向内向きに開口する少なくとも１つのチャンバを有し、
前記複数のブラシシール構造体が、前記各チャンバ内に配置されている、
ことを特徴とする、請求項１に記載のシール装置。
【請求項５】
前記シールケース内に形成された、軸方向に隣り合う少なくとも２つのチャンバがあることを特徴とする、請求項４に記載のシール装置。
【請求項６】
前記各スプリング部材が、少なくとも１つの前記ブラシシール構造体の半径方向外周面に係合したガータスプリングを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシール装置。
【請求項７】
ロータと、一方の側に水素雰囲気を有するハウジング壁と、該ハウジング壁の反対側の軸受空洞とを有する水素冷却式発電機における、シール装置であって、
第１と第２のブラシシール組立体を含み、該第１と第２のブラシシール組立体が、該ブラシシール組立体の一方の側の前記水素雰囲気から前記軸受空洞内へ水素が流入するのを実質的に防止する働きをし、
前記各ブラシシール組立体が、前記ハウジング壁に固定された支持体と、複数のブラシシール構造体とを含み、該ブラシシール構造体の各々が、複数のブリストルと前記ロータと係合する該ブリストルの先端とを有する、
ことを特徴とするシール装置。
【請求項８】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記ブラシシール構造体が、実質的に互いに並んで当接する関係で配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項９】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記支持体が、前記少なくとも１つのブラシシール組立体の少なくとも１つの前記ブラシシール構造体に間接的に結合されていることを特徴とする、請求項８に記載のシール装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記ブラシシール構造体が、実質的に互いに並んで間隔を置いた関係で配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記支持体が、前記少なくとも１つのブラシシール組立体の前記ブラシシール構造体の各々に係合していることを特徴とする、請求項１０に記載のシール装置。
【請求項１２】
前記支持体がほぼＴ字形状であることを特徴とする、請求項１１に記載のシール装置。
【請求項１３】
前記第１と第２のブラシシール組立体の間で、前記ロータは段部が設けられていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記ブリストルが、金属で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記ブリストルが、ポリマー材料で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの前記ブラシシール組立体の前記ブリストルが、芳香族ポリアミド繊維で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１７】
前記ブラシシール組立体の一方のブリストルが、金属で形成され、前記ブラシシール組立体の他方のブリストルが芳香族ポリアミド繊維で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１８】
前記軸受空洞の壁を貫通して形成された通気口を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載のシール装置。
【請求項１９】
前記通気口内に配置されたフィルタ媒体を更に含むことを特徴とする、請求項１８に記載のシール装置。
【請求項２０】
ロータと、一方の側に水素雰囲気を有するハウジング壁と、該ハウジング壁の反対側の軸受空洞とを有する水素冷却式発電機において、前記水素雰囲気から前記軸受空洞内へ水素が流入するのを最少化するためのシールを形成する方法であって、
各々が複数のブリストルと支持体とを有する軸方向に隣り合う複数のブラシシール構造体をそれぞれ含む、少なくとも１つのブラシシール組立体を準備する段階と、
前記ブリストルの先端が前記ロータと係合するように、前記各ブラシシール組立体の前記支持体を、前記ハウジング壁に固定する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
通気口が、前記軸受空洞を定める壁を貫通して形成されており、水素を前記軸受空洞から引き出すために、前記通気口に真空を作用させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
通気口が、前記軸受空洞を定める壁を貫通して形成されており、前記軸受空洞内に正の圧力環境を作り出すために、周辺空気を導入する段階を更に含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
通気口が、前記軸受空洞を定める壁を貫通して形成されており、前記軸受空洞内に空気の循環を生じさせるために、該軸受空洞内に位置する前記ロータの一部の上にファン羽根を設ける段階を更に含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素冷却式発電機のためのシール装置に関し、より具体的には、水素漏れを減少させるブラシシールの比較的広範囲においてその信頼性を維持する水素冷却式発電機のための低漏出シール装置として提供される通気式細流シール装置に関する。更に、本発明は、全ての漏出ガスが、工場の空気を用いてガス放出領域を通気することで、排出される低漏出シール装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
水素はその低い密度及び比熱を含む望ましい熱物理特性の故に、様々な回転電気機械における冷却媒体として広く使用されてきた。しかしながら、水素使用における不利な点は、水素の純度がその爆発限度（空気中の水素量７４％）より高く保たれなくてはならないということである。従って、ターボ発電機のような水素冷却式回転機械の安全運転のために考慮しなくてはならない重要な事柄は、かかる回転機械のための高い信頼性のある効率の良い水素シール装置を設計することである。水素冷却式ターボ発電機においては、回転するシャフトの境界面において高圧水素をシールし、かつ空気がケーシング内に流入して水素との間で爆発性混合物が形成されるのを防止するために水素シール装置が使用される。かかるシールは、機械の全ての静止連結部と共に、機械の両端におけるロータとステータとの間の境界面に設けられなくてはならない。
【０００３】
考慮しなくてはならないもう１つの事柄は、機械に供給されなくてはならない水素の総量についてである。これは爆発性状況ほどには深刻な問題ではないが、総発電コストに加算される常に必要な費用として表われる。
【０００４】
現在の水素冷却式発電機は、機械の両端におけるステータとロータとの間の境界面に漏れゼロのシール装置を作り出すために、オイル膜シールを利用している。これに関しては、参考文献としてそれぞれの開示内容が本明細書に組み込まれている、米国特許第６，０８２，７４０号、現在出願係属中の米国特許出願第０９／５８６，０４４号（代理人書類番号８３９−６９６）、現在出願係属中の米国特許出願第０９／５８６，０４５号（代理人書類番号８３９−６９５）、及び２０００年９月２５日に出願された現在出願係属中の米国特許出願第　　　　号（代理人書類番号８３９−７８３）を参照されたい。シール装置は、それを通り抜ける漏れは本質的にはゼロであるが、機械のケーシング内に入るオイルは水素で飽和され、その結果水素が消費される。
【０００５】
Ｓｉｅｍａｎｓ及びＡＢＢなどの幾つかの製造業者は、１組の補助シール装置によりケーシングから隔離されたシールリングを含む複雑なシール装置を使用している。かかる２層式シール装置は機械ケーシングに入るオイルの量を減少させるが、機械内部により大きな空間と、ポンプ及び配管とを必要とし、その結果初期コストが高くなる。Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃなどのその他の製造業者は、シール用オイル装置に供給するのに軸受潤滑オイルを使用し、水素側のオイルがケーシングのガスと直接混合する可能性がある比較的単純な１組のリングを備えた非常に簡単な装置を使用している。従ってこの装置では、初期コストが安い。しかしながら、上記のような水素消費の故に、稼動させるための水素の費用が、例えば上記のようなより複雑な装置に比較してより高くなるであろう。従って、非爆発性の水素状態を常に維持し、水素消費を最少化し、しかも複雑な補助的支援装置を減らすかあるいは排除することのできる、水素冷却式発電機のためのシール装置に対する必要性が依然として存在する。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、加圧された空洞を貫いて延びるシャフトの周りに設けられたシール装置において具体化される。装置外への漏れがゼロであることが可能である現在のシール方式とは対照的に、本発明のシール装置は空洞内に出入りする流れを、爆発性ガス混合物が作り出される危険性が最小化されるレベルにまで減少させるようになっている。従って、本発明のシール装置においては、これを通り抜ける最小限度の漏れ量が許容される。
【０００７】
本発明のシール装置は、水素が空洞から流出するのを最少化するために、複数のブラシシール構造体を備える。本発明の一実施形態においては、水素が空洞から流出するのを最少化するためのシールを形成するように、一連のブラシシールが回転シャフトの境界面に設けられる。好ましい一実施形態においては、シール装置は第１と第２のブラシシール組立体で構成され、該ブラシシール組立体の各々は複数のブラシシール構造体を含み、回転シャフトの外表面に形成された段部の両側に１つの組立体が設けられる。別の実施形態においては、ロータとシール係合するようにブラシシール構造体を付勢するために、スプリングが設けられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びその他の目的や利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましいと考えられる例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を注意深く検討することにより、一層完全に理解し評価されるであろう。
【０００９】
さて、図面、特に図１を参照すると、ここには、ロータ１０と、ハウジング壁又はケーシング１２と、端部遮蔽部材１４の一部分とを有する水素冷却式発電機の端部分が図示されている。また、オイルミストを含む軸受空洞２２内に配置されたそれぞれ内側軸受リング１８と外側軸受リング２０とを含むロータシャフト軸受１６が示されている。軸受キャップ２４が端部オイルデフレクタ２６と共に、ロータ１０の周りのオイル軸受空洞２２の外側部分を閉塞する。
【００１０】
発電機を冷却するために、ハウジング壁１２の内表面（図１に示す壁１２の左側）に沿って、参照符号２８で示した水素雰囲気が発電機内に存在する。本発明は図１に全体を符号３０で示したような少なくとも１つのブラシシール組立体において具体化され、かかるブラシシール組立体は、水素雰囲気２８を軸受空洞２２内のオイルミストから隔離した状態に維持するために、ロータ１０とハウジング壁又はケーシング１２との間に設けられる。図１に示す実施形態においては、内部に配置されたシールリングを有する従来のシールケースはその全体が取り除かれた。
【００１１】
例示のために図２から図４に示すように、本発明を具体化したシール装置構成を形成するように、様々なブラシシール組立体を設けることができる。
【００１２】
図１及び図２の実施形態においては、ブラシシール組立体３０は、第１のブラシシール組立体１３０と第２のブラシシール組立体２３０とで構成される。第２のブラシシール組立体２３０は、ブラシシール組立体１３０よりも内側寄りに、つまり水素雰囲気空洞２８に最も近接させて、ハウジング壁１２とロータ１０との間に配置される。ブラシシール組立体２３０は、軸受空洞に向かう水素の流れを最少化するのみならず、軸受空洞から発電機の空洞内へのオイルミストのあらゆる流れを最少化するように働くことが理解されるであろう。
【００１３】
図２は、第１と第２の形式のブラシシール組立体を一層詳細に示している。ブラシシール組立体２３０によって例示される第１の形式のブラシアセンブリは、単一の支持体、例えばＴ字形支持体３４に各々個別的に取り付けられた一連のブラシシール構造体３２として形成される。ブラシシール組立体１３０によって例示される第２の形式のブラシアセンブリは、単一の支持体３６に直接的又は間接的に固定された一連のブラシシール構造体３２によって形成される。個々のブラシシール構造体３２は、より高い定常状態圧力能力を有する金属ブリストル、又はより低い漏れ量を有するポリマーブリストルで構成することができる。ブリストルを形成するために現在のところ好ましい材料はＫｅｖｌａｒである。Ｋｅｖｌａｒは芳香族ポリアミド繊維、すなわちアラミド繊維である。Ｋｅｖｌａｒは、パラフェニレンジアミンと塩化テレフタロイルとの縮合反応で作られ、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＰＰＤ−Ｔ）という化学組成を有する。ポリエステル又はその他のポリマー材料も、非金属ブリストル材料として使用可能である。
【００１４】
詳細には図示されていないが、各々のブラシシールは好ましくは、挟まれたブリストルがシールを構成する表面に対して約９０°の角度で配向されるように、ブリストルを第１と第２の金属板の間に挟むことによって作られる。一般的には、ブリストルの直径は、ブリストル材料、金属又は非金属、温度、圧力、及びその他の作動条件（静的又は動的）に応じて、約０．００２インチから約０．０１インチまでの範囲にある。ブリストルは一般的には、金属ブリストルの場合にはろう付け／溶接することによって、あるいは非金属ブリストルの場合には接着することによって組み立てられる。
【００１５】
図２の概略図には示されていないが、ブラシの下方部分においてブリストルの両側には空間が残される。この空間は、作動中にブリストルが撓んだり元に戻ったりするのを可能にする。この形式のブラシは軸方向に対して正又は負の圧力変化をシールできるから、双方向ブラシである。このような双方向ブラシを使用すると製造工程を単純化できると共に、取り付け誤差を回避できるから、その使用が好ましい。
【００１６】
細流シール装置は、金属ブリストル付きブラシシール組立体とＫｅｖｌａｒのような非金属ブリストル付きブラシシール組立体とを組み合わせることによって、構成することができる。金属ブラシシール構造体とＫｅｖｌａｒブラシシール構造体とを有する装置においては、金属ブラシシールが一層の圧力低下を受け持ち、Ｋｅｖｌａｒブラシシールが漏れ量を低下させることにおいて金属ブラシシールを支援する。
【００１７】
図１及び図２に示すブラシシール組立体は、ケースに対して、又互いに対して半径方向に固定される。本発明の別の実施形態においては、ブラシシール組立体は、例えばガータスプリングによってスプリング付勢されてロータと係合して、両者の間に形成されるシールを改善するようにしたシール構造体によって構成される。
【００１８】
図３に示す実施形態においては、ハウジング壁１２とロータ１０との間にシールケース３８が置かれる。シールケース３８は、断熱材４４（図１に示す）を貫通したボルト４２によりその外端部に沿って固定された環状の板又は翼４０を含む。シールケース３８は、ロータ１０に向かって半径方向内向きに開口し、軸方向に間隔を置いて配置された１対のフランジ４８、５０の間に形成された環状のチャンバ４６を含む。図示した実施形態においては、ケース３８内には、１対のブラシシール構造体５２、５４が、これらを軸方向と半径方向との両方向に付勢するための環状のガータスプリング５６と共に配置されている。従来のリングシール組立体とは異なり、タービンオイルのような潤滑剤をチャンバ４６に供給する必要はなく、それに代えてスプリング付勢されたブラシシール構造体により十分なシールが得られる。
【００１９】
図３に示す実施形態においては、第１と第２のブラシシール構造体５２、５４は、上述したようにシールケース３８内に受け入れられ、各々がガータスプリング５６を受けるためのそれぞれ傾斜又は斜めになった面５８、６０を含む。図４に示す別の実施形態においては、複数のブラシシール構造体５２、５４が互いに固定され、複数のガータスプリング５６、１５６により単体としてロータに向かって付勢される。更に別の実施形態においては、ブラシシール構造体５２、５４のそれぞれの対が、シールケース３８のそれぞれのチャンバ１４６、２４６内でそれぞれのガータスプリング５６、１５６とそれぞれ組み合わされる。スプリングが不注意により取り付けられないか、又は破損した場合には、残余のブラシシール構造体とそれらの組み合わされたスプリングは、単一のブラシ支持体の幾つかのスプリングのうちの１つが破損又は不注意により取り付けられなかった時に発生するおそれのある不釣合を生じる可能性よりも、ロータとの所望のシールを維持することになる。
【００２０】
図２に示すように、上述した何れのブラシシール構造体も、段部の両側に取り付けることができ、またブラシシールにおける周囲面積と周速とを最小化するために、他のロータ追加段部をシャフトに設けることもできる。ブラシシール組立体によって許される漏れ流が、軸受空洞内における潜在的爆発条件を作り出すのに十分なほど高い判断される場合には、その爆発条件を排除するために、次に述べる更に別の２つの方法のうちの１つ又は両方の方法で、本発明のブラシシールを補うことができる。先ず、軸受空洞の頂部に通気口６２（図１）を設けることができる。この通気口は、オイルが装置から排出されるのを防ぐために、フィルタ６４を装着することができ、あるいは、水素の排出を最大にし、かつオイルの排出を最少にするために、通気口６２に勾配付き又は螺旋状の通路（詳細には図示せず）を設けることができる。また、軸受空洞から水素をより良く導き出すために、通気口６２に真空を作用させることも可能である。
【００２１】
上記の通気装置と共に使用されるだけであろうが、水素の漏出に対する第２の対応方法は、軸受空洞内に正の圧力を作り出すために、環境空気つまり工場内の空気を導入することである。軸受空洞内へ正の圧力を導入することにより、水素の流れは連続的に薄められて、爆発性混合物が形成されるのが防止される。
【００２２】
図１に概略的に示したような更に別の方法は、破線で表した空気の流線６８で示したような流れの循環を起こして、もしあれば漏出水素を散らすために、軸受空洞２２内でシャフト１０にファン羽根６６を直接取り付けることである。
【００２３】
本発明を現在最も実用的で好ましいと思われる実施形態に関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び等価な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態により構成された水素冷却式発電機のハウジング壁とロータとの間の通気式細流シール装置の部分断面図。
【図２】図１のシール装置の拡大概略断面図。
【図３】本発明を具体化した別のブラシシール組立体の部分斜視図。
【図４】本発明を具体化した更に別のブラシシール組立体の拡大断面図。
【図５】本発明を具体化した更に別のブラシシール組立体を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１０　ロータ
１２　ハウジング壁
１６　ロータシャフト軸受
２２　オイル軸受空洞
２４　軸受キャップ
２６　端部オイルデフレクタ
２８　水素雰囲気
３０　ブラシシール組立体
３２　ブラシシール構造体
３４、３６　支持体
６２　通気口
６４　フィルタ
６６　ファン羽根
１３０　第１のブラシシール組立体
２３０　第２のブラシシール組立体
【国際公開パンフレット】
2004511740.tif 000003
2004511740.tif 000004
2004511740.tif 000005
2004511740.tif 000006
2004511740.tif 000007
2004511740.tif 000008
2004511740.tif 000009
2004511740.tif 000010
2004511740.tif 000011
2004511740.tif 000012
2004511740.tif 000013
2004511740.tif 000014
2004511740.tif 000015
2004511740.tif 000016
2004511740.tif 000017
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004511740.tif 000018
2004511740.tif 000019
【国際調査報告】
2004511740.tif 000020
2004511740.tif 000021