(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周縁がワイヤ先端の内径より大きな径を有する環状のワイヤ前板と、内周縁がワイヤ先端の内径より大きな径を有し且つその内周縁が前記ワイヤ前板の内周縁より小さな径を有する環状のワイヤ背板とを備え、各々がワイヤ先端に自由端を有する複数のワイヤの束を、前記ワイヤ前板と前記ワイヤ背板の間に、回転体に向かって伸びるように周方向に配設した蒸気タービン又はガスタービンに使用されるブラシシールであって、
前記複数のワイヤ間に粘弾性体が封入されており、前記粘弾性体は、前記ワイヤ背板の内周縁より外周側のワイヤ部分に封入されていることを特徴とするブラシシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシシール及びガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンやガスタービンなどの回転機械では、高圧側空間から低圧側空間に作動流体が漏出しないように回転体と静止体との隙間をシールするシール機構を必要とする。シール機構として、例えば、特開２００２−１３６４７号公報、特開２００１−５０３９６号公報、特開平１１−２２３２６５号公報、特開平９−１１９５２６号公報に記載のようなブラシシール等を設ける技術がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のブラシシールには、高圧側空間から低圧側空間へ漏れる作動流体の流れや回転体の回転の影響によるワイヤの周辺における作動流体の流れによってワイヤには振動が発生する。その結果、ワイヤ先端と回転体の表面が接触している方式の場合には、振動によってワイヤ先端と回転体表面の間に大きなこすれが生じる。
【０００４】
このため、ワイヤ先端或いは回転体の表面が急速に磨耗してワイヤと回転体の表面との間に隙間ができ、吹き抜けの状態が生じシール機能が損なわれ長期間にわたるシール性能の確保が困難となる問題や、ワイヤの振動現象によりワイヤとワイヤの間の間隙が変動する。
【０００５】
この間隙からの作動流体の漏れ量が増大してシール性能が低下する問題や、高圧側空間から低圧側空間に流れる作動流体によってワイヤが周方向にばらけて、その隙間から作動流体が流れ、シール性能が低下する課題がある。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑み、ワイヤの振動現象を抑制することによって、ワイヤ先端又は回転体が急速に磨耗して、ワイヤ先端と回転体表面との間に隙間が生じて吹き抜け状態が発生することを防止すると共に、ワイヤとワイヤが周方向にばらける現象も抑制することによって、長期間に渡って高いシール性能を確保することが可能なブラシシールを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシシールは、内周縁がワイヤ先端の内径より大きな径を有する環状のワイヤ前板と、内周縁がワイヤ先端の内径より大きな径を有し且つその内周縁が前記ワイヤ前板の内周縁より小さな径を有する環状のワイヤ背板とを備え、各々がワイヤ先端に自由端を有する複数のワイヤの束を、前記ワイヤ前板と前記ワイヤ背板の間に、回転体に向かって伸びるように周方向に配設したブラシシールであって、複数のワイヤを任意の自由度をもって拘束したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、蒸気タービンやガスタービンなどの回転機械に使用されるブラシシールの一例について図５〜図７を用い説明する。図５において、１０１は機械の回転中心軸であり、矢印１０２は作動流体の流れである。ここで、１０３は高圧側空間であり、１０４は低圧側空間である。ブラシシール１０５は、高圧側空間１０３から低圧側空間１０４に作動流体が漏出しないように回転体１０６と静止体１０７との隙間をシールするものである。
【０００９】
次に、図６にブラシシールの拡大図を示す。ブラシシールは、ワイヤ前板１１１とワイヤ背板１１２、及びワイヤ１１３からなる。ワイヤ１１３の素材としては、比較的細い金属製ワイヤ或いは樹脂系材料などが考えられる。前記ワイヤ１１３を束にして回転体１０６の周方向に環状に配置し、ワイヤ１１３の先端が、回転体１０６の外周面に接触するか、或いは極めてごく狭い隙間をもつように取付けている。
【００１０】
ブラシシールには、機械の高圧側空間１０３から流れてくる高圧の作動流体が作用するため、ワイヤ１１３の前後での差圧が大きい。従って、ワイヤ１１３は、高圧側空間１０３から低圧側空間１０４に向かって倒れるように変形しようとする。ワイヤ１１３の先端と回転体１０６の外周面との間の隙間が大きくなると、吹き抜けの状態になってシール機能が損なわれる為、ワイヤ１１３には、ある程度の剛性が付与されていると共に、低圧側空間１０４に設けたワイヤ背板１１２により支えることでワイヤ１１３の変形を防止している。
【００１１】
また、図７にブラシシールの正面図を示す。本図は、ブラシシールを図５における高圧側空間１０３より見たものである。１１３はワイヤ、１１１はワイヤ前板である。１０６は回転体であり、矢印１１５は回転体の回転方向である。通常、ワイヤ１１３はロータ回転方向に４５°程度傾斜するようにブラシシールに取付けられている。
【００１２】
高圧側空間の作動流体１０２は、ワイヤ１１３の束の間を通り抜けようとするが、ワイヤ１１３の密度は、非常に密になっているので、作動流体とワイヤ１１３との間には摩擦抵抗が発生し、流体の機外側への漏出を防止することができ、効率の良いシールを提供可能となっている。
【００１３】
図５〜図７に示すブラシシールでは、高圧側空間から低圧側空間へ漏れる作動流体の流れや回転体の回転の影響によるワイヤの周辺における作動流体の流れによってワイヤには振動が発生する。その結果、ワイヤ先端と回転体の表面が接触している方式の場合には、振動によってワイヤ先端と回転体表面の間に大きなこすれが生じて、ワイヤ先端或いは回転体の表面が急速に磨耗してワイヤと回転体の表面との間に隙間ができる。
【００１４】
この間隙により、吹き抜けの状態が生じシール機能が損なわれ長期間にわたるシール性能の確保が困難となる問題や、ワイヤの振動現象によりワイヤとワイヤの間の間隙が変動することによって、この間隙からの作動流体の漏れ量が増大してシール性能が低下する問題や、高圧側空間から低圧側空間に流れる作動流体によってワイヤが周方向にばらけて、その隙間から作動流体が流れ、シール性能が低下する課題がある。
【００１５】
この課題を解決するブラシシールとして、図１に示すブラシシールが考えられる。図１は、本発明の実施の形態であるブラシシールを示す。
【００１６】
１は回転体、２は回転体の回転中心線、３は静止体である。４は高圧側空間、５は低圧側空間である。６はその内周側に自由端を有する多数本のワイヤ、７はワイヤ６より高圧側に位置するワイヤ前板、８はワイヤ６より低圧側に位置するワイヤ背板である。ワイヤ６の素材としては、比較的細い金属製ワイヤあるいは樹脂系材料などが考えられる。
【００１７】
前記ワイヤ６は、多数本を束にして層状に緻密に配設して回転体１の周方向に環状に配置され、ワイヤ６の先端（ワイヤの回転体側端面）が、回転体１の外周面に接触するか、或いは極めてごく狭い隙間をもつように取付けられる。９はワイヤ背板の内周縁であり、１０はワイヤ前板７の内周縁である。ワイヤ背板９の内周縁９の径はワイヤ６における束の先端の内径より大きく、且つワイヤ前板１０の内周縁１０の径よりも小さい。ここで、ブラシシールは静止体３の溝に固定されている。
【００１８】
作動流体は、高圧側空間４から低圧側空間５に向かって、矢印１１の方向に流れる。ブラシシールはこの作動流体の流れをシールすることが目的であり、高圧側空間４から低圧側空間５にながれる作動流体の流れが小さいほどブラシシールのシール性能が高いと言える。
【００１９】
本発明の実施の形態におけるブラシシールでは、ワイヤ６とワイヤ６の間に粘弾性体２１（図１における左下向き斜線部）が封入されている。ここで粘弾性体とは、外力に対する変形が弾性的変形と粘性的変形の重なりとして現れる物質である。粘弾性体の材質としては、合成ゴム材やシリコン材などが挙げられる。
【００２０】
図２は本発明におけるブラシシールを高圧側空間４から見た正面図である。ワイヤ６は細いため容易に弾性変形して、その結果ワイヤの束の先端も容易に変形する。この為、ブラシシールのワイヤ先端は、回転体１の軸振動や芯ずれによるなどによる半径方向の変動に追従して、ワイヤ６や回転体１を損傷することなく、常に回転体６とワイヤ１の先端との隙間を小さく（又は皆無に）することができる。
【００２１】
本発明の実施の形態におけるブラシシールのワイヤ６は、回転体の回転方向に約４５°程度傾斜して取付けられているが、本発明の実施の形態ではこれに制限されない。ワイヤ６とワイヤ６の間には粘弾性体２１が周方向全域に渡って封入されている。
【００２２】
従って、本発明の実施の形態におけるブラシシールでは、ワイヤ６とワイヤ６がその間に封入された粘弾性体２１によって拘束されている（ここで２１は粘弾性体であるため、ワイヤとワイヤは剛には拘束されておらず、ワイヤ１本１本がある程度自由に動ける自由度をもって拘束されている。）。この任意の自由度を備えた拘束部材によって、ワイヤ６が自由に動ける自由度が制限されてワイヤ周辺における作動流体の流れによるワイヤ６の振動現象を抑制することができる。
【００２３】
又、粘弾性体は一般に大きな減衰を有するため、この減衰効果による振動現象の抑制も期待できる。ワイヤの振動現象を抑制することによって、ワイヤ先端と回転体表面の間のこすれを抑制することができ、ワイヤ先端或いは回転体表面の急速な磨耗を抑制してワイヤ先端と回転体表面の間に隙間ができることを抑制でき、その結果、シール性能を向上させることができる。
【００２４】
又、ワイヤ６とワイヤ６がその間に封入された粘弾性体２１によって拘束されているため、ワイヤが周方向にばらけにくく、ワイヤとワイヤがばらけた隙間からの作動流体の漏れを抑制することができ、その結果シール性能を向上させることができる。
【００２５】
本発明の実施の形態における図においては、粘弾性体２１が封入される半径位置は、ワイヤ前板の内周縁１０の径より低く、ワイヤ背板９の内周縁の径より大きくなっているが、封入位置がワイヤ６のどの半径位置となっても、ワイヤ６とワイヤ６間に粘弾性体２１が封入されていれば、上記に述べたシール性能の向上効果が得られることが容易に想像される。この為、粘弾性体２１が封入される半径位置は、本図における位置に制限されるものではない。
【００２６】
しかし、十分な制振効果及びワイヤ６のばらけを防止する効果を得る為、又ワイヤ６がばらけようとする力によって粘弾性体２１が破断しない為、粘弾性体２１の封入範囲は、ワイヤ長さの少なくとも１０％以上とすることが望ましい。
【００２７】
又、粘弾性体２１の封入位置がワイヤ先端まで及ぶと、ワイヤ６の束の弾性変形が拘束されて、回転体の軸振動や芯ずれによる半径方向の動きに対する追従性が失われる為、封入位置をワイヤ背板の内周縁の径より高い位置とすることが望ましい。
【００２８】
図３に、本発明における別の実施の形態であるブラシシールを示す。本図における発明の実施の形態では、図１における発明のブラシシールにおけるワイヤ前板７の内周側に、その外周がワイヤ前板７の内周縁１０に隣接し、且つその内径がワイヤ６の先端の内径よりも大きい環状の制動板３１を、ワイヤ前板側に位置するワイヤ６に隣接するように設けている。ここでワイヤ６とワイヤ６の間には、図１と同様に粘弾性体２１が封入されている。この為、制動板３１はワイヤ前板側のワイヤ６とワイヤの間に封入されている粘弾性体２１に隣接していることもある。この束及びワイヤ６とワイヤの間の粘弾性体２１を所定の面圧にて押さえるように取付けられている。
【００２９】
本図における制動板３１の外径は、ワイヤ前板７の内周縁１０の内径と同じとなっているが、締り嵌めにて制動板３１をワイヤ前板７の内周に嵌め込むときは、組み立て前の制動板３１の外径はワイヤ前板７の内周縁１０の内径より大きくなっていることもある。
【００３０】
図４は本発明におけるブラシシールを高圧側空間４から見た正面図である。ワイヤ６は細いため容易に弾性変形して、その結果、ワイヤ６の束の先端も容易に変形する。この為、ブラシシールのワイヤ先端は、回転体１の軸振動や芯ずれによるなどによる半径方向の変動に追従して、ワイヤ６や回転体１を損傷することなく、常に回転体１とワイヤ６の先端との隙間を小さく（又は皆無に）することができる。
【００３１】
本発明の実施の形態であるブラシシールのワイヤ６は、回転体１の回転方向に約４５°程度傾斜して取付けられているが、本発明はこれに制限されない。ワイヤ６とワイヤの間には粘弾性体２１が周方向全域に渡って封入されおり、更にワイヤ前板の内周には制動板３１が設けられている。
【００３２】
また、本発明の実施の形態であるブラシシールでは、制動板３１によってワイヤ６の束及びワイヤとワイヤの間に封入されている粘弾性体２１が所定の面圧にて押さえられている。この為、粘弾性体２１によるワイヤの拘束力が強まる為、図１において説明した実施例よりも更にワイヤ６が周方向にばらけにくく、ワイヤとワイヤがばらけた隙間からの作動流体の漏れを抑制することができ、その結果、シール性能を更に向上させることができる。
【００３３】
本発明の実施の形態における図においては、粘弾性体２１が封入される半径位置は、ワイヤ前板７の内周縁１０の径より低く、ワイヤ背板の内周縁９の径より大きくなっているが、封入位置がワイヤのどの半径位置となっても、ワイヤとワイヤの間に粘弾性体が封入されていれば、上記に述べたシール性能の向上効果が得られることが容易に想像される。この為、粘弾性体２１が封入される半径位置は、本図における位置に制限されるものではない。
【００３４】
しかし、十分な制振効果及びワイヤのばらけを防止する効果を得る為、又ワイヤがばらけようとする力によって粘弾性体２１が破断しない為、粘弾性体２１の封入範囲は、ワイヤ長さの少なくとも１０％以上とすることが望ましい。
【００３５】
又、粘弾性体２１の封入位置がワイヤ先端まで及ぶと、ワイヤの束の弾性変形が拘束されて、回転体の軸振動や芯ずれによる半径方向の動きに対する追従性が失われる為、封入位置をワイヤ背板の内周縁の径より高い位置とすることが望ましい。
【００３６】
以上のように、本発明の実施の形態によって提供されるブラシシールには、ワイヤとワイヤの間に粘弾性体が封入されているため、ワイヤとワイヤが粘弾性体によって拘束され、ワイヤが自由に動ける自由度が制限されてワイヤ周辺の作動流体の流れによるワイヤの振動現象を抑制することができる。
【００３７】
又、粘弾性体は一般に大きな減衰を有するため、この減衰効果によってワイヤの振動現象が抑制される。ワイヤの振動現象を抑制することによって、ワイヤ先端と回転体表面の間のこすれを抑制することができ、ワイヤ先端或いは回転体表面の急速な磨耗を抑制してワイヤ先端と回転体表面の間に隙間ができることを抑制でき、その結果シール性能を向上させることができる。
【００３８】
又、ワイヤとワイヤが粘弾性体によって拘束されているため、ワイヤが周方向にばらけにくく、ワイヤとワイヤがばらけた隙間からの作動流体の漏れを抑制することができ、その結果シール性能を向上させることができる。
【００３９】
更に別の形態におけるブラシシールでは、制動板によってワイヤの束及び前記ワイヤとワイヤの間に封入されている粘弾性体が所定の面圧にて押さえられている為、粘弾性体によるワイヤとワイヤの拘束力が強まる為、更にワイヤが周方向にばらけにくくなり、ワイヤとワイヤがばらけた隙間からの作動流体の漏れを抑制することができ、その結果シール性能を更に向上させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によると、ワイヤの振動現象を抑制することによって、ワイヤ先端又は回転体が急速に磨耗して、ワイヤ先端と回転体表面との間に隙間が生じて吹き抜け状態が発生することを防止すると共に、ワイヤとワイヤが周方向にばらける現象も抑制することによって、長期間に渡って高いシール性能を確保することが可能なブラシシールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるブラシシールを示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態であるブラシシールの正面図。
【図３】本発明の実施の形態であるブラシシールを示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態であるブラシシールの正面図。
【図５】回転機械に使用されるブラシシールの一例を示す断面図。
【図６】図５におけるブラシシールの拡大断面図。
【図７】回転機械に使用されるブラシシールの正面図。
【符号の説明】
１…回転体、３…静止体、６…ワイヤ、７…ワイヤ前板、８…ワイヤ背板、２１…粘弾性体、３１…制動板、１０５…ブラシシール。
【図１】
0003811083.tif 000002
【図２】
0003811083.tif 000003
【図３】
0003811083.tif 000004
【図４】
0003811083.tif 000005
【図５】
0003811083.tif 000006
【図６】
0003811083.tif 000007
【図７】
0003811083.tif 000008