説明

流体機械

【課題】流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく該流体機械内の変形を回避するようにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に遮断されている流体機械を提供する。
【解決手段】流体機械であって、一つのステータ、該ステータに対して回転可能に支承されている一つのロータ、及び、半径方向に形成された一つの隙間をステータとロータとの間で流体が流れないよう密封する一つのブラシシールを備えており、前記ブラシシールは一つのブラシホルダ及び複数のシール剛毛を備えており、該複数のシール剛毛はそれぞれ、前記ブラシホルダに取付けられた第1端部及び一つの密封面と接触している第2端部を備えており、該密封面はそれぞれの前記シール剛毛の前記第2端に対して回転移動可能である、流体機械において、前記密封面が、ステータとロータとの間に配置された、前記隙間を半径方向に分割する一つの中間スリーブの周面で構成されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、請求項1のおいて書きに記載の流体機械に関する。
【背景技術】
【0002】
上記のような流体機械は、たとえば特許文献1より知られている。請求項1のおいて書きに記載のブラシシールは、たとえば特許文献2より知られている。
【0003】
流体機械には、たとえばプロペラ機械及びリペラ機械、ロータリーポンプ、及び、ガスタービン、蒸気タービンなどのターボ機械、及び、遠心圧縮機及び軸流圧縮機などのロータリーコンプレッサが含まれる。
【0004】
ターボ機械のような流体機械においては、流体機械のそれぞれのロータを、ラビリンスシール、メカニカルシール、又はブラシシール(Brushsealとも)を用いて、流体が漏れないよう密封することができる。ブラシシ−ルの場合、該ブラシシールのシール剛毛(ブラシワイヤとも)は、ターボ機械のロータ、たとえばシャフトとして構成されているロータに直接接触する。ブラシシールにより、たとえば、該ターボ機械の流体部から、該ターボ機械のブラケット周辺に流入する作動流体の量、たとえばコンプレッサエアの量が制限される。
【0005】
図1及び図2には、請求項1のおいて書きに記載の、ガスタービンとして構成された流体機械1が図示されている。図1及び図2から理解されるように、該流体機械1は、本願明細書ではガスタービンケーシングとして構成されたステータ10と、該ステータ10に対して回転可能に支承され、且つ本願明細書ではシャフトとして構成されたロータ20と、前記ステータ10内で前記ロータ20の回転可能な支承を実現するロータリーベアリング30及び40と、前記ステータ10と前記ロータ20との間で流体が流れないように、半径方向RRに形成された隙間Sを密封する2つのブラシシール50と、を備えている。
【0006】
特に図2から理解されるように、各ブラシシール50には、一つのブラシホルダ51及び複数のシール剛毛52が備わっていて、該シール剛毛52のそれぞれは前記ブラシホルダ51に取付けられている第1端部と、本図では前記ロータ20の外周面21により形成される密封面Dに接触している第2端部とを備えている。そのためにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成され、このとき前記密封面Dはそれぞれのシール剛毛52の前記第2端部に対して回転移動可能であり、本図では特に回転可能である。
【0007】
前記流体機械1の運転において、回転ロータ20と、本願明細書では静的なブラシシール50との間の相対運動により、シール剛毛52とロータ20の外周面21との間の摩擦によってロータ20の密封面D及びシール剛毛52の発熱につながる。
【0008】
しかしながら、この従来の密封において問題であるのは、密封面Dとシール剛毛52との接触ゾーン内でランアウトが起こると、密封面Dの発熱が不均一になることである。この不均一な発熱により、ランアウトの強化及びロータ20の変形(本願明細書ではシャフトがロータリーベアリング30と40との間でたわむという形での変形)につながる可能性があり、その変形によりロータ振動が不適切に強くなって流体機械1をさらに運転することが妨げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】欧州特許第0834688号公報
【特許文献2】独国特許第60124204号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の課題は、流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく該流体機械内の変形を回避するようにシール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に遮断されている、請求項1のおいて書きに記載の流体機械を提供することである、
【課題を解決するための手段】
【0011】
この課題は、請求項1に記載の流体機械により解決される。本発明の発展形は従属請求項で定義されている。
【0012】
本発明によると、流体機械は一つのステータ、該ステータに対して回転可能に支承された一つのロータと、該ロータの半径方向に形成された隙間をステータとロータとの間で流体が流れないようにする一つのブラシシールとを有している。該ブラシシールには一つのブラシホルダ及び複数のシール剛毛が備わっており、該複数のシール剛毛は、前記ブラシホルダに固定されている第1端部、及び、密封面に接触している第2端部を有しているため、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成されている。前記密封面は、それぞれのシール剛毛の第2端部に対して回転移動可能である。
【0013】
本発明による流体機械は、前記密封面が、ステータとロータとの間にあって前記隙間を半径方向に分割する中間スリーブ又は中間ブッシュの周面により形成されていることを特徴としている。
【0014】
密封面を中間スリーブ上で移動させることにより、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが熱的に分断されるため、流体機械の運転に悪影響を与える、入熱に基づく流体機械内の変形が回避される。
【0015】
本発明によると中間スリーブは、ブラシシールの回転部又は固定(静止)部のいずれかに取付けられる。この取付けは好適には、一方では十分な安定性が達成され、また他方では中間スリーブと該中間スリーブが取付けられている部分との間の熱伝達をできるだけわずかにするように行われる。該わずかな熱伝達は、たとえば、接触面をできるだけ小さくすることにより、及び/又は、中間スリーブと該中間スリーブを取付ける部分との間に断熱層を設けることにより達成することができる。
【0016】
本発明によるとブラシホルダはステータに取付けることができ、中間スリーブは、ロータと一緒に回転するようにロータに取付けることができる。この場合、密封面を形成する中間スリーブの周面は外周面となる。しかしながら本発明によると、ブラシホルダをロータに取付け、中間スリーブをステータに固定的に取付けることも可能であるため、その場合は、密封面を形成する中間スリーブの周面は内周面となる。それぞれの解決法は、所望の運転特性及び構造上の状況から導き出せる。
【0017】
さらに本発明によるとロータは、たとえば、ステータ内(たとえばケーシング内)で回転するシャフト、また、ステータ(たとえば軸)を中心として回転するケーシングで構成することができる。それぞれの解決法は、所望の運転特性及び構造上の状況から導き出せる。
【0018】
本発明の一つの実施形態によると、中間スリーブにより、前記隙間は、密封面に隣接する第1の隙間部と、密封面とは反対側にあって中間スリーブ周面に隣接する第2の隙間部とに半径方向に分割され、この時、該第2隙間部の半径方向の長さはゼロより大きい。
【0019】
換言すると、中間スリーブと、この中間スリーブを取付ける部分(たとえばロータ又はステータ)との間にエアギャップが存在しており、このエアギャップにより中間スリーブと該中間スリーブを取付ける部分との間に追加的な断熱が好適に確保される。それにより密封面及び、中間スリーブを取付ける部分からの熱伝達がさらに難しくなるため、中間スリーブ取付部分の入熱による変形がより確実に回避される。
【0020】
本発明のさらなる一つの実施形態によると中間スリーブには、フランジが設けられており、このフランジを介して中間スリーブが、ステータ又はロータのフランジ取付部に相対回動不能に取付けられている。
【0021】
本発明のこの形態は、取付けの十分な安定性を確保しつつ、中間スリーブと該中間スリーブ取付部分(本願明細書では、特にステータ又はロータ)との間の接触面をできるだけ小さくすることを確保するという点において、特に好適である。
【0022】
本発明のさらなる一つの実施形態によるとフランジは、取外し可能な取付手段によりフランジ取付部に取付けられている。そのような取付手段は、たとえば、ネジ式接続器具、リベット式接続器具、クランプ式接続器具などとすることができる。取外し可能な接続器具により、特に、たとえば摩耗した中間スリーブの交換が容易になる。
【0023】
フランジ接続によりとりわけ、フランジとフランジ取付部との間に断熱層を挿入することが容易に可能になる。
【0024】
本発明のさらなる実施形態によると、フランジは中間スリーブの軸方向端部に配置されているため、該フランジは該軸方向端部においてリング状のフランジ面を備えており、該フランジ面は流体密封の状態でフランジ取付部に隣接している。
【0025】
本発明のこの形態により、中間スリーブと中間スリーブ取付部との間で流体が流れないように密封することが確実に確保される。
【0026】
本発明のさらなる一つの実施形態によると、ロータは一本のシャフトで構成されており、中間スリーブは相対回動不能に該ロータに取付けられているため、密封面が該中間スリーブの外周面により形成され、このときブラシホルダは相対回動不能にステータに取付けられている。
【0027】
本発明のこのような形態は、特に容易かつ機能確実に製造することができる。
【0028】
本発明のさらなる一つの実施形態によると、中間スリーブの内径は、シャフトの外径より大きいため、中間スリーブの内周面とシャフトの外周面との間にはリング状の隙間が形成される。
【0029】
本発明のこの形態により、中間スリーブと、本願明細書ではシャフトとして構成されているロータで形成された、中間スリーブ取付部との間に、断熱エアギャップが単純かつロバストに実現される。
【0030】
本発明の複数の実施形態によると、流体機械は、ターボ機械、特にガスタービン又はターボコンプレッサで構成される。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】ガスタービンとして構成された流体機械の基本構造の断面を図式的に示した図である。
【図2】図1の部分Aを拡大し、従来技術の流体機械のブラシシールを示した図である。
【図3】図1の部分A’を拡大し、本発明の実施形態による流体機械のブラシシールを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、好適な実施形態を用いて、及び、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
【0033】
図1及び図3に図示されているように、本願明細書ではガスタービンとして構成されている流体機械1は、本願明細書ではガスタービンケーシングとして構成されているステータ10と、該ステータ10に対して回転可能に支承され、且つ本願明細書ではシャフトとして構成されているロータ20と、該ステータ10内でロータ20の回転可能な支承を実現する2つのロータリーベアリング30、40と、ステータ10とロータ20との間で流体が流れないように半径方向RRに形成された隙間Sを密封する2つのブラシシール50’と、を備えている。
【0034】
特に図3から理解されるように、各ブラシシール50’は、一つのブラシホルダ51及び複数のシール剛毛52を備えている。シール剛毛52はそれぞれ、ブラシホルダ51に固定された第1端部と、密封面D’に接触している第2端部とを有しているため、シール剛毛と密封面との接触ゾーンが形成されており、このとき密封面D’はそれぞれのシール剛毛52の第2端部に対して回転移動可能であり、本図では特に回転可能である。
【0035】
図3から理解されるように、密封面D’は、ステータ10とロータ20との間に配置されていて隙間Sを半径方向に分割する、ロータ20に相対回動不能に取付けられた中間スリーブ60の外周面61から形成されており、このときブラシホルダ51はステータ10に対して相対的に回動不能に取付けられている。
【0036】
隙間Sは、中間スリーブ60により、密封面D’に隣接する第1隙間部と、密封面D’とは反対側の中間スリーブ60の内周面(記号なし)に隣接する第2隙間部とに半径方向に分割されており、このとき第2隙間部の半径方向長さはゼロより大きい。
【0037】
つまり、中間スリーブ60の内径は、ロータ(シャフト)20の外径より大きいため、中間スリーブ60の前記内周面とロータ20の外周面21との間にリング状の隙間が形成される。
【0038】
換言すると、中間スリーブ60と、中間スリーブ60を取付けているロータ20との間にエアギャップ(リング状の隙間)が存在し、このエアギャップにより、中間スリーブ60とロータ20との間の断熱が好適に確保される。それにより、密封面D’からロータ20への熱伝導が難しくなるため、それにより、中間スリーブ60を取付けているロータ20が入熱により変形することが回避される。
【0039】
図3からさらに理解されるように、中間スリーブ60には、フランジ62が設けられており、このフランジ62を介して中間スリーブ60がロータ20のフランジ取付部22に対して相対的に回動不能に取付けられている。フランジ62は、中間スリーブ60の軸方向端部に配置されているため、フランジ62は該軸方向端部においてリング状のフランジ面(独立した記号なし)を有しており、該リング状のフランジ面は、フランジ取付部22の引っこんだ取付面(独立した記号なし)に流体密封状態で隣接している。図3には示されていないが、フランジ62の前記リング状フランジ面と、フランジ取付部22の前記引っこんだ取付面との間の流体密封及び断熱を達成するために、平型ガスケットを設けることもできる。
【0040】
図3に示されているように、フランジ62は、本図ではネジ式接続器具の形で実現された、取外し可能な取付手段を用いて、ロータ20のフランジ取付部22に取付けられている。
【0041】
その結果、本発明の一つの実施形態によると、本図ではシャフトとして構成されているロータ20に中間スリーブ又は中間ブッシュ60が設けられており、この中間スリーブ60は、軸方向フランジ62及び取外し可能な取付手段によりロータ20に接続されている。中間スリーブ60とロータ20との間にはリング状の隙間が存在する。ブラシシール50’のシール剛毛又はブラシワイヤ52は、中間スリーブ60の外周面61で形成される密封面D’に隣接している。
【0042】
ロータ20は、ロータ20のフランジ取付部22とフランジ62との接続部によってのみ中間スリーブ60に接続されていて、そのためにブラシシール50’の領域における熱伝導によりロータ20が直接加熱されることが回避されるため、中間スリーブ60にランアウトがあって中間スリーブ60が不均一に変形しても、場合によっては中間スリーブ60のランアウトの悪化につながるだけとなる。
【0043】
本発明の解決法は、たとえばガスタービンなどの流体機械をブラシシールにより密封する、あらゆる場合に適用できる。本発明の複数の実施形態によると、本発明はたとえば、ディスク式のロータユニット、フルロータユニット、溶接されたロータユニットに適用できる。
【0044】
本発明の解決法は、流体機械のベアリング周囲の密封、及び、たとえばコンプレッサ又はタービン段落などの流体機械の個々の段落間の密封に使用することができる。
【0045】
中間スリーブの中間スリーブ取付部又は保持部への取付けは、記述したフランジ接続の他にも、シュリンク、溶接、又はその他の取付要素を用いて行うことができる。
【符号の説明】
【0046】
1 流体機械
10 ステータ
20 ロータ
21 外周面
22 フランジ取付部
30 ロータリーベアリング
40 ロータリーベアリング
50 ブラシシール
50’ブラシシール
51 ブラシホルダ
52 シール剛毛
60 中間スリーブ
61 外周面
62 フランジ
D 密封面
D’ 密封面
S 隙間
RR 半径方向

【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体機械(1)であって、一つのステータ(10)と、該ステータ(10)に対して回転可能に支承されている一つのロータ(20)と、前記ステータ(10)と前記ロータ(20)との間で流体が流れないように、半径方向(RR)に形成された一つの隙間(S)を密封する一つのブラシシール(50’)と、を備えており、
前記ブラシシール(50’)は、一つのブラシホルダ(51)及び複数のシール剛毛(52)を備えており、
該複数のシール剛毛(52)はそれぞれ、前記ブラシホルダ(51)に取付けられた第1端部と、一つの密封面(D’)と接触している第2端部と、を備えており、
前記密封面(D’)は、それぞれの前記シール剛毛(52)の前記第2端部に対して回転移動可能である、流体機械において、
前記密封面(D’)が、前記ステータ(10)と前記ロータ(20)との間に配置された、前記隙間(S)を半径方向に分割する一つの中間スリーブ(60)の周面で構成されていることを特徴とする、流体機械。
【請求項2】
前記中間スリーブ(60)により、前記隙間(S)が、前記密封面(D’)に隣接する第1の隙間部分と、前記密封面(D’)とは反対側にある、前記中間スリーブ(60)の周面に隣接する第2の隙間部分と、に半径方向に分割され、
該第2隙間部分の半径方向の長さは、ゼロより大きいことを特徴とする、請求項1に記載の流体機械(1)。
【請求項3】
前記中間スリーブ(60)には、一つのフランジ(62)が設けられており、
該フランジ(62)を介して前記中間スリーブ(60)が前記ステータ(10)又は前記ロータ(20)のフランジ取付部(22)に対して相対的に回動不能に取付けられていることを特徴とする、請求項1または2に記載の流体機械(1)。
【請求項4】
前記フランジ(62)が、取外し可能な取付手段を用いて前記フランジ取付部(22)に取付けられていることを特徴とする、請求項3に記載の流体機械(1)。
【請求項5】
前記フランジ(62)が、前記中間スリーブ(60)の一つの軸方向端部に配置されているために、該軸方向端部において前記フランジ(62)がリング状のフランジ面を有しており、
該フランジ面は、流体密封されて前記フランジ取付部(22)の取付面に隣接していることを特徴とする、請求項3又は4のいずれか一項に記載の流体機械(1)。
【請求項6】
前記ロータ(20)が一つのシャフトで構成されており、及び、前記中間スリーブ(60)が前記ロータ(20)に相対回動不能に取付けられているために、前記密封面(D’)が前記中間スリーブ(60)の外周面(61)で構成されていること、及び、前記ブラシホルダ(51)が前記ステータ(10)に対して相対的に回動不能に取付けられていることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の流体機械(1)。
【請求項7】
前記中間スリーブ(60)の内径が前記シャフトの外径より大きいために、前記中間スリーブ(60)の内周面と前記シャフトの外周面(21)との間にリング状の隙間が形成されることを特徴とする、請求項6に記載の流体機械(1)。
【請求項8】
前記流体機械(1)がターボ機械で構成されていることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の流体機械(1)。
【請求項9】
前記流体機械(1)がガスタービン又はターボコンプレッサで構成されていることを特徴とする、請求項8に記載の流体機械(1)。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−38509(P2011−38509A)
【公開日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−103660(P2010−103660)
【出願日】平成22年4月28日(2010.4.28)
【出願人】(501473888)マン ターボ アーゲー (21)
【氏名又は名称原語表記】MAN TURBO AG
【Fターム(参考)】