特許 6001853 ターボ機械においてブラシシールセグメントを調整するためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6001853

(24)【登録日】2016年9月9日

(45)【発行日】2016年10月5日

(54)【発明の名称】ターボ機械においてブラシシールセグメントを調整するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   F01D 11/00 20060101AFI20160923BHJP

   F02C 7/28 20060101ALI20160923BHJP

   F04D 29/10 20060101ALI20160923BHJP

   F16J 15/22 20060101ALI20160923BHJP

【ＦＩ】

   F01D11/00

   F02C7/28 B

   F04D29/10 A

   F16J15/22

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2011-282559(P2011-282559)

(22)【出願日】2011年12月26日

(65)【公開番号】特開2012-145102(P2012-145102A)

(43)【公開日】2012年8月2日

【審査請求日】2014年12月22日

(31)【優先権主張番号】12/987,052

(32)【優先日】2011年1月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】サルフィッカー・アリ

(72)【発明者】

【氏名】サラヴァナ・バーヴァ・ティ

(72)【発明者】

【氏名】センシュ・クマール・マハンカリ

(72)【発明者】

【氏名】シャオチン・ツェン

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１３２６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１６２４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００８１０２８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−３７５１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７０５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５４８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１９５７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２１６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０２０９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０１１９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８１０３６５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０７７１７６７１（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ１／００−１１／２４

Ｆ０２Ｃ１／００−９／５８

Ｆ０４Ｄ１／００−１３／１６

１７／００−１９／０２

２１／００−２５／１６

２９／００−３５／００

Ｆ１６Ｊ１５／１６−１５／３０

１５／４６−１５／５２

Ｆ２３Ｒ３／００−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可動支持部（６８）と、
前記可動支持部（６８）に結合されたブラシ（４６）と、
前記可動支持部（６８）に結合された付勢要素（７８）と、
を含むブラシシールセグメント（４０）を備えるシステムであって、
前記付勢要素（７８）が、同じ軸方向に前記可動支持部（６８）全体を付勢してロータ（２２）とステータ（４２）との間のスペース（８６）内のブラシクリアランス（８４）を変更するよう構成され、
前記ステータ（４２）は、角度付き底部を有するチャンバを備え、
前記可動支持部（６８）の一部は、前記チャンバ内に配置され、
前記付勢要素（７８）は、前記角度付き底部とともに、同じ軸方向及び半径方向に前記可動支持部（６８）を付勢して、前記ロータ（２２）と前記ステータ（４２）との間のスペース（８６）内の前記ブラシクリアランス（８４）を変更するよう構成されている、
システム。

【請求項2】

前記可動支持部（６８）が、前記ロータ（２２）の回転軸（４４）に対して角度付き移動経路を有し、該角度付き移動経路が、約０度よりも大きく且つ約９０度よりも小さい角度（１４６）を有する、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記付勢要素（７８）が、前記角度付き移動経路に沿ってのみ移動するよう前記可動支持部（６８）を付勢するように構成されている、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記可動支持部（６８）が、前記ロータ（２２）の回転軸（４４）に沿った軸方向移動経路を有する、請求項２に記載のシステム。

【請求項5】

前記付勢要素（７８）が、軸方向移動経路の後に前記角度付き移動経路に沿って移動するよう前記可動支持部（６８）を付勢するように構成されている、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記付勢要素（７８）が、同じ軸方向に前記可動支持部（６８）を付勢して、前記ブラシ（４６）を前記ロータ（２２）上の溝（１２０）内に移動させるよう構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記付勢要素（７８）が、前記可動支持部（６８）を第１の位置から第２の位置に付勢し、前記ブラシ（４６）と前記ロータ（２２）との間のスペース（８６）内の前記ブラシクリアランス（８４）を増大させるよう構成され、前記可動支持部（６８）が、流体流に応答して、前記第２の位置から前記第１の位置に移動して前記ブラシクリアランス（８４）を減少させるよう構成され、前記流体流が、前記付勢要素（７８）とは反対方向に前記可動支持部（６８）を付勢するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記付勢要素（７８）がバネを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記システムが、前記ロータ（２２）、前記ステータ（４２）及び前記ブラシシールセグメント（４０）を有するターボ機械（３８）を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記ロータ（２２）と前記ステータ（４２）との間で環状配列の複数のシールセグメント（４０）を更に備え、前記複数のシールセグメント（４０）の隣接するセグメントが中間付勢要素（５６）を含む、請求項９に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細にはそれぞれのロータの周りに配置されたブラシシールセグメントを有するタービン及び圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

ブラシシールのようなシールは、隣接する部品間の流体流れを遮断する。回転機械では、シールは、静止部品と回転部品との間の流体流れを遮断することができる。ターボ機械のような一部の回転機械において、シールは、定常状態及び過渡状態を生じる場合があり、これらの状態は互いに大きく異なる。例えば、過渡状態は、回転機械の始動又はシャットダウンに相当することができる。これらの過渡状態の間、回転機械は、相当な温度勾配、膨張差、振動及び他の動的挙動を生じる可能性がある。結果として、過渡状態は、シール及び／又は静止及び回転部品間のシール境界面に損傷を与える可能性が高い。詳細には、過渡状態は、ブラシシールの半径方向摩耗を生じ、漏洩流を増大させる可能性がある。従って、ブラシシールによる損傷のリスクにより、ターボ機械のような特定の回転機械におけるブラシシールの使用が制限される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第７７１７６７１号明細書

【発明の概要】

【0004】

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

【0005】

第１の実施形態では、システムはブラシシールセグメントを含む。ブラシシールセグメントは、可動支持部と、該可動支持部に結合されたブラシと、可動支持部に結合された付勢要素とを含む。付勢要素は、軸方向で可動支持部を付勢してロータとステータとの間のスペース内のブラシクリアランスを変更するよう構成されている。

【0006】

第２の実施形態では、システムは、ロータ及びステータを有するターボ機械を含み、ロータは溝を有し、ステータはチャンバを有する。本システムはまた、ブラシシールセグメントを含む。ブラシシールセグメントは、チャンバに結合された可動支持部と、可動支持部に結合されたブラシと、可動支持部に結合された付勢要素とを含む。付勢要素は、チャンバ内で第１の位置から第２の位置に可動支持部を付勢し、ブラシを溝内に移動させるよう構成される。可動支持部は、チャンバ内で第２の位置から第１の位置に可動支持部を付勢し、ブラシを溝の外に移動させるよう構成される。

【0007】

第３の実施形態では、システムは、ブラシシールセグメントを含む。ブラシシールセグメントは、ヘッド、延長部及びシール面を有する可動支持部を含み、該ヘッドがチャンバ内に取り付けられるよう構成される。ブラシシールセグメントはまた、シール面に沿って可動支持部に結合されたブラシを含み、該シール面が本質的にブラシからなる。ブラシシールセグメントはまた、可動支持部に結合された付勢要素を含み、該付勢要素は、可動支持部を第１の位置から第２の位置に付勢し、ブラシとロータとの間のスペース内のブラシクリアランスを増大させるよう構成され、可動支持部は、スペースからチャンバへの流体流に応答して、第２の位置から第１の位置に移動してブラシクリアランスを減少させるよう構成される。

【0008】

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】ブラシ摩耗を低減し且つタービン効率を高める特徴要素を備えたブラシシールセグメントを有するタービンシステムの一実施形態のブロック図。

【図2】複数のブラシシールセグメントを有するターボ機械の一実施形態の部分断面図。

【図3】図２の線３−３で囲まれた隣接するブラシシールセグメント間に配置される中間付勢要素の一実施形態の部分断面図。

【図4】図２の線４−４で囲まれた、図２のターボ機械のステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分断面図。

【図5】ブラシシールセグメントの定常状態位置を示す、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分側断面図。

【図6】ブラシシールセグメントの過渡状態を示す、図５のステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分側断面図。

【図7】ブラシシールセグメントの過渡状態を示す、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分側断面図。

【図8】ブラシシールセグメントの定常状態位置を示す、図７のステータ、ブラシシールセグメント及びロータの部分側断面図。

【図9】ブラシシールセグメントの過渡状態を示す、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分側断面図。

【図10】ブラシシールセグメントの定常状態位置を示す、図９のステータ、ブラシシールセグメント及びロータの部分側断面図。

【図11】ブラシシールセグメントの過渡状態を示す、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ、ブラシシールセグメント及びロータの一実施形態の部分側断面図。

【図12】ブラシシールセグメントの定常状態位置を示す、図１１のステータ、ブラシシールセグメント及びロータの部分側断面図。

【図13】図１１及び１２の線１３−１３で囲まれた、図１１及び１２のブラシシールセグメントの可動支持部のヘッドとステータとの間の界接部の一実施形態の部分側断面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

【0011】

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

【0012】

開示される実施形態は、ターボ機械の定常状態中にはロータと共にシールを形成し、他方、ターボ機械の過渡運転又は状態（例えば、始動、シャットダウン又は他の動的状態）中にはロータとのブラシ接触を回避するよう設計された、タービン（例えば、ガス又は蒸気タービン）又は圧縮機などのターボ機械内の独立した可動（例えば、格納可能）ブラシシールセグメントに関する。以下で検討するように、付勢要素（例えば、バネ）は、軸方向、半径方向及び／又は角度付き移動経路に沿って軸方向及び／又は半径方向にブラシシールセグメントを付勢し、過渡運転中にロータとステータとの間のスペースにおけるブラシクリアランスを増大させる。定常状態中は、反対向きの力、すなわち作動機構が付勢要素に打ち勝ってブラシシールセグメントを反対の軸方向及び／又は半径方向に移動させ、これによりブラシシールクリアランスが減少し、ブラシシールセグメントのシール効果が向上する。例えば、反対向きの力は、作動流体の漏洩流とすることができる。別の実施例によれば、タービンエンジンの始動後、流体の漏洩流（例えば、蒸気又は燃焼ガス）は、付勢要素の付勢に打ち勝つ圧力差を生成することができる。結果として、ブラシシールセグメントは、軸方向、半径方向及び／又は角度付き移動経路に沿って軸方向及び／又は半径方向に移動して、ブラシシールクリアランスが減少し、ロータとのシールを向上させる。特定の実施形態では、ロータは、過渡運転中にブラシクリアランスをもたらす溝を含む。例えば、ブラシシールセグメント（又は、環状配列の複数のブラシシールセグメント）は、過渡状態の間には溝（例えば、環状溝）の上にあり、定常状態運転中は溝から離れて移動しブラシクリアランスを低減することができる。他の実施形態では、ブラシシールセグメントは、ヘッド、延長部及びシール面を有する可動支持部を含む。ヘッドは、静止部品（例えば、ステータ）のチャンバ内に取り付けられ、シール面は、他のシールなしで本質的にブラシからなる。例えば、ブラシシールセグメントは、支持リングには結合されず、チャンバ内で独立又は自立している。ブラシシールセグメントの独立構成は、ターボ機械内のブラシシールセグメント用の軸方向スペース要求を低減する。可動支持部はまた、付勢要素に結合され、ブラシとロータとの間のブラシクリアランスの量を決定する際に漏洩流に応答する。別の実施形態では、複数のブラシシールセグメントは、ロータとステータとの間に環状配列を形成してシールを形成し、ここでブラシシールセグメントは、隣接するブラシシールセグメント間の摩擦を低減するために中間付勢要素を含む。ブラシシールセグメントの設計により、過渡状態中に発生するブラシシール摩耗が低減され、ブラシシールセグメントによって占有される軸方向スペースが低減され、また、ターボ機械内でより多くのブラシシールが可能となり、効率が向上する。

【0013】

ブラシシールセグメントの開示される実施形態は、タービン（例えば、ガス又は蒸気タービン）及び圧縮機などのあらゆる好適なターボ機械で利用することができる。しかしながら、検討の目的で、図１において開示される実施形態は、ガスタービンシステムの関連で示されている。図１は、ブラシ摩耗を低減し且つタービン効率を向上させる特徴要素を備えたブラシシールセグメントを有するタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。例えば、ブラシシールセグメントは、タービンシステムの過渡状態中にロータとのブラシ接触を回避（例えば、クリアランスの増大）し、タービンシステムの定常状態中にロータとのシールを形成（例えば、クリアランスの低減）するよう設計することができる。従って、ブラシシールセグメントは、移動可能、調整可能、格納可能又はタービンシステム１０の作動条件に自動的に応答するものとして説明することができる。

【0014】

タービンシステム１０は、該タービンシステム１０を駆動するために天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料を用いることができる。図示のように、１以上の燃料ノズル１２は、供給燃料１４を吸い込み、燃料と空気を混合し、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量及び出力空気燃料混合気を得るための好適な比率で空気燃料混合気を分配することができる。タービンシステム１０は、１以上の燃焼器１６内部に配置される１以上の燃料ノズル１２を含むことができる。空気燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼室にて燃焼し、これにより高温加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、タービン１８を通って排出出口に向けて排出ガスを導く。排出ガスがタービンを通過すると、ガスにより、タービンブレードがタービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト又はロータ２２を強制回転させる。以下で説明するように、ブラシシールセグメントは、ロータ２２とタービン１８の静止部品（例えば、ステータ）との間に環状配列で配置され、定常状態中にシールを形成し、また、過渡状態中にブラシクリアランスを提供することができる。ロータ２２は、ブラシシールセグメントのブラシ用に１以上の溝を含むことができる。

【0015】

図示のように、ロータ２２は、圧縮機２４を含む、タービンシステム１０の種々の部品に接続することができる。圧縮機２４はまた、ロータ２２に結合されたブレードを含む。圧縮機２４はまた、ロータ２２と圧縮機２４の静止部品との間に環状配列でブラシシールセグメントを含むことができ、ここでブラシシールセグメントは、作動状態に応答する。ロータ２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードもまた回転し、これにより吸気口２６からの空気が圧縮機２４を通って加圧され、燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６内に流入する。ロータ２２はまた、負荷２８に接続することができ、該負荷は、例えば発電プラント内の発電機又は航空機上のプロペラのような輸送手段又は定置負荷とすることができる。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を供給することができるあらゆる好適な装置を含むことができる。

【0016】

図２は、複数のブラシシールセグメント４０を有するターボ機械３８（例えば、図１のタービン１８又は圧縮機２４）の一部の実施形態の断面図である。ターボ機械３８は、静止ステータ４２内に配置されたロータ２２を含む。ターボ機械３８はまた、複数のブラシシールセグメント４０を含む。図示のように、ブラシシールセグメント４０は、ロータ２２の回転軸４４の周りにロータ２２とステータ４２間で環状配列を形成する。ブラシシールセグメント４０の数は、ロータ２２の直径又は他の設計考慮事項によって決まる。特定の実施形態では、ブラシシールセグメント４０の数は、２〜１２又はそれ以上の範囲にわたることができる。ブラシシールセグメント４０から延びるブラシ４６は、ロータ２２が円周方向４５に回転するときに定常状態下でロータ２２とシールを形成する。過渡状態中（例えば、始動、シャットダウン又は他の動的条件）、ブラシクリアランスは、ブラシシールセグメント４０上での摩耗を低減するため及びロータ２２への損傷を低減するため、更に発熱を低減するためにブラシ４６とロータ２２との間でより大きくなっている。図示のように、各ブラシシールセグメント４０は弓形形状を含む。図３に示すように、中間付勢要素５６（例えば、バネ）は、隣接するブラシシール４０間に配置され、セグメントをロータから離れて移動させ及びあるクリアランスを維持し、更に隣接するセグメント４０間の摩擦を低減するための力を提供する。中間付勢要素５６はまた、隣接ブラシシールセグメント４０間の適正な整列を可能にすることができる。例えば、中間付勢要素５６は、１つのブラシシールセグメント４０が隣接するブラシシールセグメント４０と逆の方向に移動して、セグメント４０を妨害する可能性を低減することができる。従って、中間付勢要素５６が、過渡状態及び定常状態に相当する異なる位置間でブラシシールセグメント４０の移動の自由度を確保することができる。

【0017】

図４は、ブラシシールセグメント４０に関して更に詳細に示す。図４は、図２の線４−４で囲まれた図２のターボ機械３８のステータ４２、ブラシシールセグメント４０及びロータ２２の実施形態の部分図である。ステータ４２は、溝又はチャンバ６６（例えば、環状チャンバ）を含む。各ブラシシールセグメント４０は、以下でより詳細に示すようにチャンバ６６に結合される。ブラシシールセグメント４０は、可動（例えば、格納可能）支持部６８を含む。可動支持部６８はシール面６９を含む。ブラシ４６は、シール面６９に沿って可動支持部６８に結合される。特定の実施形態では、シール面６９は、他のあらゆるシールなしで本質的にブラシからなる。ブラシ４６は、多数のブリストル７０（例えば、金属ブリストル）を含み、ロータ２２の外面７２とシールを形成する。特定の実施形態では、ブラシ４６のブリストル７０は、可動支持部６８の長さ７４に沿って複数の列（図５〜図１０を参照）で整列することができる。幾つかの実施形態では、個々のブリストル７０は、約０．１〜２０ミルの直径を含むことができる。特定の実施形態では、個々のブリストル７０は、約２０〜２００ミルの長さを含むことができる。ブリストル７０の材料は、金属、プラスチック、木材、セラミック又は他の材料を含むことができる。材料の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ２５合金、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）又は他のタイプの合金を含む。可動支持部６８は、ロータ２２の回転軸４４に沿った軸方向及び／又は半径方向の移動経路に対して軸方向及び／又は半径方向に可動支持部６８を付勢する１以上の付勢要素７８（例えば、バネ）のための１以上のポケット７６を含む。一実施形態では、可動支持部６８は、ロータ２２の回転軸４４に対して角度付き移動経路を含む。付勢要素７８は、可動支持部６８に結合され、板バネのようなバネを含むことができる。図示のように、付勢要素７８は、ポケット７６の長さにわたって延びる細長い弓形のバネ要素である。特定の実施形態では、付勢要素７８は、バネ荷重バー、カム、液圧シリンダ、空気圧装置又は他の何れかの付勢要素を含むことができる。

【0018】

図５〜図１２に示すように、付勢要素７８は、過渡状態中に可動支持部６８を第１の位置から第２の位置まで付勢し、ロータ２２とステータ４２（例えば、ブラシ４６）との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を増大させるよう構成される。過渡状態中の増大したブラシクリアランスにより、ブラシシールセグメント４０に対する摩耗が低減され、ロータ２２への損傷が低減され、更に発熱が低減される。以下でより詳細に説明するように、流体流れ又は漏洩流れ（例えば、蒸気、燃焼ガス、その他）は、可動支持部６８を付勢要素７８とは反対方向に付勢するよう構成される。定常状態中、スペース８６からチャンバ６６への漏洩流れに応答して、可動支持部６８は、第２の位置から第１の位置に移動し、ロータ２２とステータ４２（すなわちブラシ４６）との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を低減しシールを形成するよう構成される。

【0019】

図５及び図６は、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ４２、ブラシシールセグメント４０及びロータ２２の実施形態の部分側断面図である。ステータ４２は、溝又はチャンバ６６（例えば、環状チャンバ）を含む。独立又は自立式ブラシシールセグメント４０は、支持リングなしでチャンバ６６内に配置される。ブラシシールセグメント４０は、可動支持部６８、ブラシ４６及び可動支持部６８のポケット７６内に配置される付勢要素７８のペアを含む。可動支持部６８は、ヘッド９６、延長部９８及びシール面６９を含む。図示のように、可動支持部６８は、チャンバ６６に結合される。詳細には、可動支持部６８のヘッド９６は、チャンバ６６内に取り付けられるよう構成され、その結果、ヘッド９６は、チャンバ６６内での限定された移動範囲を有する。ヘッド９６は、ステータ４２の開口１００よりも幅広であり、チャンバ６６内へのヘッド９６の取り付けを可能にする。可動支持部６８の延長部９８は、半径方向１０２で開口１００を通ってヘッド９６から延びる。ブラシ４６は、ヘッド９６から延長部９８を通り、更にシール面６９を通って延びる。シール面６９は、他のシールなしに本質的にブラシ４６からなる。

【0020】

図示のように、可動支持部６８は、ポケット７６内の支持部の前部１０４（例えば、上流側）と後部１０６（例えば、下流側）に付勢要素７８を含む。各付勢要素７８は、バネ（例えば、板バネ）を含むことができる。付勢要素７８に起因して、可動支持部６８は、図５及び図６それぞれに示される第１の位置と第２の位置との間のロータ２２の回転軸４４に対して半径方向１０２及び１０８で半径方向の移動経路を有する。図６に示すように、過渡状態中（例えば、始動、シャットダウン又は他の動的状態）、付勢要素７８は、可動支持部６８をチャンバ６６内で第１の位置（図５）から第２の位置まで半径方向１０８で付勢し、これによりブラシ４６とロータ２２との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を増大させるよう構成される。可動支持部６８はまた、スペース８６からチャンバ６６への漏洩流１１０に応答して、第２の位置（図６）から第１の位置（図５）に移動して、ブラシクリアランス８４を低減するよう構成される。例えば、運転中（例えば、始動後）、作動流体１０９（例えば、蒸気又は燃焼ガス）が前部１０４でブラシシールセグメント４０に接近し、作動流体１０９の少なくとも一部がステータ４２のチャンバ６６内への流れ１１０として分流される。特定の実施形態では、作動流体１０９は、タービンシステム１０における漏洩流であり、流れ１１０は、単に作動流体１０９の分流部分に過ぎない。特定の実施形態では、作動流体１０９は、漏洩流として説明されない場合もあるが、流れ１１０は、チャンバ５６６への分流に起因して依然として漏洩流として説明することができる。図５に示すように、漏洩流１１０は、定常状態中に付勢要素７８とは反対方向（すなわち、半径方向１０２）で可動支持部６８を付勢するよう構成される。結果として、ブラシシールセグメント４０のブラシ４６は、ロータ２２の外面と界接し、シールを形成する。従って、ブラシシールセグメント４０の構成により、過渡状態中に生じるブラシシール摩耗が減少し、ブラシシールセグメントにより占有される軸方向スペースが低減され、更にターボ機械３８内でより多くのブラシシールが可能となり、効率が向上する。

【0021】

図７及び図８は、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ４２、ブラシシールセグメント４０及びロータ２２の実施形態の部分側断面図である。一般に、ステータ４２、独立式ブラシシールセグメント４０及びロータ２２は、構造的に、以下で説明するように可動性の点である程度の変動を伴って図５及び図６で説明した通りである。ロータ２２は、外面７２の周りに配置された溝１２０（例えば、環状溝）を含む。ブラシシールセグメント４０は、可動支持部６８のヘッド９６の後部１０６に結合される付勢要素７８（例えば、バネ）を含む。付勢要素７８に起因して、可動支持部６８は、図８及び図７それぞれに示される第１の位置と第２の位置との間のロータ２２の回転軸４４に沿って軸方向１２２及び１２４で軸方向の移動経路を有する。

【0022】

図７に示すように、付勢要素７８は、可動支持部６８軸方向１２４に付勢し、ロータ２２とステータ４２（すなわち、ブラシ４６）との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を変更するよう構成される。換言すると、付勢要素７８は、可動支持部６８を軸方向１２４に付勢して、ブラシ４６をロータ２２上の溝１２０内に移動させるよう構成される。詳細には、過渡状態中、付勢要素７８は、可動支持部６８をチャンバ６６内で第１の位置（図８）から第２の位置（図７）まで軸方向１２４で付勢してブラシ４６を溝１２０内に移動させ、これによりブラシ４６とロータ２２との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を増大させるよう構成される。図８に示すように、可動支持部６８はまた、第２の位置（図７）から第１の位置（図８）に移動して、例えば、ブラシ４６を溝１２０から外に移動させてロータ２２の外面７２とシールを形成することによって、漏洩流１１０に応答してブラシクリアランス８４を低減するよう構成される。例えば、運転中（例えば、始動後）、作動流体１０９又は漏洩流１１０（例えば、蒸気又は燃焼ガス）が、前部１０４においてブラシシールセグメント４０に軸方向１２２に接近する。結果として、漏洩流１１０は、前部１０４上の高圧１２６と後部１０６上の低圧１２８による圧力差を生成する。実際には、定常状態中、圧力１２６が、付勢要素７８及び圧力１２８により加わる力よりも大きくなると、漏洩流１１０は、付勢要素７８とは反対方向（例えば、軸方向１２２）に可動支持部６８を付勢するよう構成される。ブラシシールセグメント４０のこの軸方向移動１２２は、セグメント４０をロータ２２と近接した（例えば、小さなクリアランス８４で）状態で溝１２０から外に移動させる。ブラシシールセグメント４０の可変クリアランス８４に起因して、図示の実施形態はブラシシール摩耗を低減し、ブラシシールセグメントにより占有される軸方向スペースを低減する。加えて、図示の実施形態は、効率を向上させるためにターボ機械３８内でより多くのブラシシールの使用を可能にする。

【0023】

図９及び図１０は、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ４２、ブラシシールセグメント４０及びロータ２２の実施形態の部分側断面図である。一般に、ステータ４２、独立式ブラシシールセグメント４０及びロータ２２は、構造的に、以下で説明するように可動性の点である程度の変動を伴って図５及び図６で説明した通りである。ブラシシールセグメント４０は、可動支持部６８のヘッド９６の後部１０６に結合される付勢要素７８（例えば、バネ）を含む。付勢要素７８の数は、１〜１０又はそれ以上の範囲に及ぶことができる。図示のように、ステータ４２は、チャンバ６内への開口１００に隣接する角度付き底部１３８及び１４０を含み、これによりチャンバ６６内でヘッド９６の角度付き移動経路を定める。底部１３８及び１４０は、約０〜９０度、１〜８９度、５〜６０度、５〜４５度、５〜３０度又は１０〜２０度の範囲にわたる、ロータ２の回転軸４４に対する角度１４２を含む。可動支持部６８のヘッド９６はまた、ステータ４２の底部１３８及び１４０と合致するような角度１４４が付けられる。例えば、ロータ２２の回転軸４４に対するヘッド９６の角度１４４は、約０〜９０度、１〜８９度、５〜６０度、５〜４５度、５〜３０度又は１０〜２０度の範囲に及ぶ。付勢要素７８並びにステータ４２の底部１３８及び１４０の角度付き構成に起因して、可動支持部６８は、図１０及び９それぞれに示される第１及び第２の位置間でほぼ軸方向１２２、１２４及び半径方向１０２、１０６で回転軸４４に対して角度付き移動経路を有する。角度付き移動経路は、約０〜９０度、１〜８９度、５〜６０度、５〜４５度、５〜３０度又は１０〜２０度の範囲に及ぶ角度１４６を有する。図示のように、付勢要素７８は、可動支持部６８を付勢し角度付き移動経路に沿ってのみ移動するよう構成される。他の実施形態（例えば、図１１及び１２）では、１以上の付勢要素７８は、角度付き移動経路に加えて、他の移動経路（例えば、軸方向）に沿って可動支持部を付勢するよう構成される。

【0024】

図９に示すように、付勢要素７８は、軸方向１２４及び半径方向１０８で角度付き移動経路１４５に沿って可動支持部６８を付勢し、ロータ２２とステータ４２（例えば、ブラシ４６）との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を変更するよう構成される。詳細には、過渡状態中、付勢要素７８は、軸方向１２４及び半径方向１０８でチャンバ６６内において可動支持部６８を第１の位置（図１０）から第２の位置（図９）まで付勢し、ブラシ４６とロータ２２との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を増大させるよう構成される。図１０に示すように、可動指示部６８はまた、漏洩流１１０に応答して、第２の位置（図９）から第１の位置（図１０）まで移動してブラシクリアランス８４を減少させ、ロータ２２の外面７２とシールを形成するよう構成される。例えば、運転中（例えば、始動後）、漏洩流１１０の一部としての流体（例えば、蒸気又は燃焼ガス）が軸方向１２２に流れ、可動支持部６８の後部１０６にかかる圧力よりも支持部６８の前部１０４により大きな圧力が加わる。実際には、定常状態中、圧力１２６が要素７８及び圧力１２８によって作用される力よりも大きい場合、漏洩流１１０は、付勢要素７８とは反対方向（例えば、軸方向１２２及び半径方向１０２）に可動支持部６８を付勢するよう構成される。ブラシシールセグメント４０の可変のクリアランス８４に起因して、図示の実施形態は、ブラシシール摩耗を低減し、ブラシシールセグメントにより占有される軸方向スペースを低減する。加えて、図示の実施形態により、効率を高めるためにターボ機械３８内でより多くのブラシシールの使用を可能にする。

【0025】

図１１及び１２は、図２及び図４の線５−５に沿った、ステータ４２、独立式ブラシシールセグメント４０及びロータ２２の実施形態の部分側断面図である。一般に、ステータ４２、独立式ブラシシールセグメント４０及びロータ２２は、構造的に、以下で説明するように可動性の点である程度の変動を伴って図５及び図６で説明した通りである。ブラシシールセグメント４０は、可動支持部６８のヘッド９６の後部１０６に結合される付勢要素７８（例えば、バネ）を含む。特定の実施形態では、付勢要素７８は、波形バネ（すなわち、バネ作用を与えるためにワイヤーに付加された波状部を有するコイル状平ワイヤー）を含むことができる。図示のように、ステータ４２の底部１３８及び１４０は、チャンバ６６に面する上面１５６、１５８を含み、上面１５６、１５８は、溝又は凹部を含む。可動支持部６８のヘッド９６は、可動支持部６８のヘッド９６は、図１３に関して以下で説明するように、漏洩流１１０に応答して溝付き上面１５６、１５８と相互作用するよう構成された突出部を含む。付勢要素７８及びステータ４２の底部１３８、１４０の溝付き上面１５６、１５８の構成に起因して、可動支持部６８は、ロータ２２の回転軸４４に沿って軸方向の移動経路を有する。加えて、可動支持部６８は、図１２及び１１それぞれにおいて図示される第１及び第２の位置間でほぼ軸方向１２２、１２４及び半径方向１０２、１０８でロータ２２の回転軸４４に対して角度が付けられた移動経路を有する。角度付き移動経路は、約０〜９０度、１〜８９度、５〜６０度、５〜４５度、５〜３０度又は１０〜２０度の範囲の角度を有する。図示のように、付勢要素７８は、可動支持部６８を付勢して、軸方向の移動経路の後に第１の位置（図１２）から第２の位置（図１１）への角度付き移動経路に沿って移動するよう構成される。

【0026】

図１１に示すように、付勢要素７８は、可動支持部６８を軸方向１２４及び半径方向１０８に付勢して、ロータ２２とステータ４２（例えば、ハブ４６）との間のスペース８６内内のブラシクリアランス８４を変化させるよう構成される。詳細には、過渡状態中、付勢要素７８は、軸方向１２４及び半径方向１０８でチャンバ６６内において可動支持部６８を第１の位置（図１２）から第２の位置（図１１）まで付勢し、ブラシ４６とロータ２２との間のスペース８６内のブラシクリアランス８４を増大させるよう構成される。図１２に示すように、可動指示部６８はまた、漏洩流１１０に応答して、第２の位置（図１１）から第１の位置（図１２）まで移動してブラシクリアランス８４を減少させ、ロータ２２の外面７２とシールを形成するよう構成される。例えば、運転中（例えば、始動後）、漏洩流１１０の一部としての流体（例えば、蒸気又は燃焼ガス）が軸方向１２２に流れ、可動支持部６８の後部１０６にかかる圧力よりも支持部６８の前部１０４により大きな圧力が加わる。実際には、定常状態中、圧力１２６が要素７８及び圧力１２８によって作用される力よりも大きい場合、漏洩流１１０は、付勢要素７８とは反対方向（例えば、軸方向１２２及び半径方向１０２）に可動支持部６８を付勢するよう構成される。

【0027】

図１３は、可動支持部６８のヘッド９６とステータ４２との間の相互作用を示している。図１３は、図１１及び１２の線１３−１３で囲まれた、図１１及び１２のブラシシールセグメント４０の可動支持部６８のヘッド９６とステータ４２との間の界接部の一実施形態の部分側断面図である。図１３の詳細事項は、ステータ４２の底部１３８、１４０と、可動支持部６８のヘッド９６の対応する端部１６８、１７０の両方に当てはまる。ステータ４２の底部１３８、１４０は、上面１５６、１５８を含み、その各々が、端部１６８、１７０の突出部１７４と相互作用するよう構成された溝１７２を含む。或いは、特定の実施形態では、端部１６８、１７０は溝１７２を含み、底部１３８及び１４０は突出部１４０を含む。加えて、他の実施形態では、端部１６８、１７０及び底部１３８、１４０の構成は、角度付き移動範囲を可能にする種々の湾曲及び／又は角度付き形状を含めるように変えることができる。

【0028】

図１１及び１２において上述したような漏洩流１１０（例えば、始動後）に応答して、ヘッド９６の端部１６８、１７０は、最初に、軸方向１２２で軸方向の移動経路１７６に沿って移動し、次いで、突出部１７０が溝１７２内に配置されるまでほぼ軸方向１２２及び半径方向１０２で角度付き移動経路に沿って移動する。過渡状態に応答して、ヘッド９６は、反対方向に移動する。換言すると、ヘッド９６の端部１６８、１７０は、最初に、ほぼ軸方向１２４及び半径方向１０８で角度付き移動経路１８０に沿って移動し、次いで、軸方向１２４で軸方向移動経路１８２に沿って移動する。ブラシシールセグメント４０の可変クリアランス８４に起因して、図示の実施形態は、ブラシシール摩耗を低減し、ブラシシールセグメントにより占有される軸方向スペースを低減する。加えて、図示の実施形態は、効率を向上させるためにターボ機械３８内でより多くのブラシシールの使用を可能にする。

【0029】

記載された実施形態の技術的作用は、ターボ機械３８の過渡運転又は状態（すなわち、始動、シャットダウン又は他の動的状態）中にロータ２２とのブラシ接触を回避すると共に、ターボ機械３８の定常状態中にはロータ２２とのシールを形成する、ターボ機械３８における可動（例えば、格納可能）ブラシシールセグメント４０（タービン１８（例えば、ガス又は蒸気タービン）又は圧縮機２４など）をシステムに提供することを含む。ブラシシールセグメント４０の可動性又は格納性（例えば、軸方向及び／又は半径方向での）は、過渡状態中に生じるブラシシール摩耗を低減することができる。加えて、ブラシシールセグメント４０は、独立又は自立式（例えば、支持リングがない）のものであり、従って、ブラシシールセグメント４０により占有される軸方向スペースを低減することができる。全体として、ブラシシールセグメント４０の設計は、効率を高めるためにターボ機械３８内でより多くのブラシシールを使用できるようにする。

【0030】

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

【符号の説明】

【0031】

１０ タービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 供給燃料
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 排出出口
２２ ロータ
２４ 圧縮機
２６ 吸気口
２８ 負荷
３８ ターボ機械
４０ ブラシシールセグメント
４２ ステータ
４４ 回転軸
４６ ブラシ
５６ 中間付勢要素
６６ チャンバ
６８ 可動支持部
７０ ブリストル
７２ 外面
７４ 長さ
７６ ポケット
７８ 付勢要素
８４ ブラシクリアランス
８６ スペース
９６ ヘッド
９８ 延長部
１００ 開口
１０２ 半径方向
１０４ 前部
１０６ 後部
１０８ 半径方向
１０９ 作動流体
１１０ 漏洩流
１２０ 溝
１２２ 軸方向
１２４ 軸方向
１２６ 圧力
１２８ 圧力
１３８ 底部
１４０ 底部
１４２ 角度
１４４ 角度
１４５ 角度付き移動経路
１４６ 角度
１５６ 上面
１５８ 上面
１６８ 端部
１７０ 端部
１７２ 溝
１７４ 突出部
１７６ 軸方向移動経路
１７８ 角度付き移動経路
１８０ 角度付き移動経路
１８２ 軸方向移動経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】