JP2001248405A - タービンなどの回転機械用ブラシシール及びセグメント - Google Patents

タービンなどの回転機械用ブラシシール及びセグメント

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JP2001248405A
JP2001248405A JP2000393951A JP2000393951A JP2001248405A JP 2001248405 A JP2001248405 A JP 2001248405A JP 2000393951 A JP2000393951 A JP 2000393951A JP 2000393951 A JP2000393951 A JP 2000393951A JP 2001248405 A JP2001248405 A JP 2001248405A
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downstream
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JP2000393951A
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English (en)
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Osman Saim Dinc
オスマン・サイム・ディンク
Mahmut Faruk Aksit
マフマト・ファルク・アクシット
Duane Howard Anstead
デュアン・ハワード・アンステッド
Michael Eugene Battle
マイケル・ユージーン・バトル
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/16Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F16J15/3288Filamentary structures, e.g. brush seals

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービン等の回転機械用ブラシシールの提
供。 【解決手段】 回転機械用ブラシシールセグメント(3
0)は、両方とも弓形状の形状を持つ下流側プレート
(32)とブリスル層(34)を備える。ブリスル(3
4)は下流側プレート(32)の上流側表面(36)に
近接して配置される。下流側プレート(32)は、下流
側プレート(32)の上流側表面(36)に凹設された
空洞(44)と、下流側プレート(32)の外側及び内
側部分(40,42)の間で緩やかな移行をもたらす上
流側表面(36)上の傾斜した移行面(56)を有す
る。傾斜した面(56)が、ブリスル(34)の近接し
た部分と接触する表面領域をもたらしブリスル(34)
にかかる応力を分散させ、それによってブリスル(3
4)にかかる圧力負荷によるブリスル(34)へのその
ような応力の集中及びブリスル(34)の疲労を避け
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術の分野】本発明は概して蒸気及びガ
スタービンのような回転機械に関するものであり、より
具体的にはタービン等の回転機械用ブラシシールに関す
る。
【0002】
【従来の技術】例えば発電や機械的駆動の分野に用いら
れる蒸気及びガスタービン等のような回転機械は、一般
的に多数のタービン段を持つ大型機械である。タービン
においては、タービン段を流れる高圧流体は一連の静止
及び回転構成部品を通って流れなければならず、一般的
にシールが静止及び回転構成部品間で流体の漏洩を最少
に抑えるために用いられる。タービンの効率は流体の漏
洩を防止するシールの能力に依存している。
【0003】通例では、タービンの流体漏洩を抑制する
ためにラビリンスシールと組合せてブラシシールが用い
られる。ブラシシールは撓み、それによってタービンの
静止及び回転する構成部品間の半径方向の相対的な動き
に適応し、また表面の不均一性にも順応することができ
るブリスルを持っている。ラビリンス及びブラシシール
の組合せの一例が、本発明の譲受人であるゼネラルエレ
クトリック社に譲渡された、スキナ他への米国特許第
5,749,584号に開示されている。
【0004】図1及び図2に示す従来の設計のある一例
においては、全体を10で示すブラシシールが、タービ
ンのロータR及びその中心長手方向回転軸線Aの周りに
かつそれらから半径方向外方に延びるように、端と端を
接して取付けられたブラシ状シールセグメントの環状列
によって形成されている。各ブラシシールセグメント1
0は、上流側及び下流側プレート14,16ならびにそ
の間に固定されたブリスル18を備えている。上流側プ
レート14はただ単に下流側プレート16がブリスル層
18をラビリンスシール(図示せず)内の環状の溝また
はスロット(図示せず)の中に保持するのを補助するた
めのみに供されているので、上流側プレート14は下流
側プレート16及びブリスル18よりも実質的に短い半
径方向の高さを持つ。下流側プレート16は、矢印Bで
示すタービン内を通る流体の流れの方向に生じる高圧荷
重のもとでのブリスル18の実質的な下流側へのたわみ
を防止するために施された背支えプレートである。下流
側プレート16の半径方向高さは、一般的に、ブリスル
層18の内側部分18bが下流側プレート16の内側縁
16aよりも突き出してタービンの回転するロータRの
表面Sに近接するように、ブリスル18の層の高さより
も僅かに小さい。
【0005】各ブラシシールセグメント12は、押し寄
せる乱流からブリスル層18を保護するために、ブリス
ル18層の上流側18aにシムプレート20を用いるこ
とができる。この従来の技術であるブラシシール10は
また、下流側プレート16の上流側面16bに凹設され
ブリスル1層8の下流側18cに近接して位置する圧力
軽減空洞22を用いている。空洞22を設置した結果、
全般的に直角の段のような断面形状をした尖った角部2
4が、下流側プレート16の厚い外側部分16cから空
洞22を形成する薄い内側部分16dへの移行位置にお
いて、下流側プレート16の上流側面16b上に作り出
される。
【0006】この特定のブラシシールの設計では、ブリ
スル層18の上流側18aにかかる圧力荷重がブリスル
を下流側プレート16に向かって押圧し、それによって
層の最も後部のブリスル18dに、下流側プレート16
上の空洞22の尖った角部24との位置26におけるそ
れらの線接触に沿って、高い応力集中を生じるという問
題を発生させる。後部のブリスル18dは、これによっ
てタービンの動的運転状況によって摩損や疲労に曝さ
れ、このことがその実用寿命を縮める可能性がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、新らたな問題
を生じることなく上記の問題を効果的に解決する技術革
新への要求が存在する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の要求を
満たすべく設計された、ブリスルの疲労を減少させる傾
斜した移行面を持つ下流側プレートを備えた、回転機械
用ブラシシールセグメントを提供する。本発明において
は、移行面が、下流側プレートの上流側表面から圧力軽
減空洞への移行位置における後部のブリスルとの広い接
触表面積を提供し、従来の設計による鋭い角部の場合の
ように接触する線に沿って応力を集中させないで後部の
ブリスルへの応力を分散させる。その結果、後部のブリ
スルの早期疲労の潜在的原因が緩和される。
【0009】本発明の実施形態では、例えばタービンの
ような回転機械用の、下流側プレートと下流側プレート
に当接するブリスル層を持つ、ブラシシールセグメント
が設けられる。下流側プレートとブリスル層は両方と
も、回転機械のロータの長手方向軸線の周りに部分的に
かつ軸線から半径方向外方に延びる弓形状の形状をして
いる。下流側プレートは、互いに間隔を置いて位置しロ
ータの長手方向軸線に概して平行な相対する方向に面す
る相対する上流側及び下流側表面と、ロータから遠くに
位置する外側部分と、ロータに近接して位置し上流側表
面上に圧力軽減空洞を画定する内側部分と、上流側表面
上に設けられ、外側部分から内側部分の空洞へと緩やか
な移行をもたらように外側及び内側部分の間に延びてい
る全体として傾斜した断面形状の移行面とを有する。ブ
リスル層は、相対する外側及び内側部分と上流側及び下
流側部分を有し、下流側プレートの上流側表面にその外
側部分において取付けられている。下流側プレートの上
流側表面上の傾斜面は、ブリスルの近接する部分との接
触面領域をもたらしブリスルへの応力を分散し、それに
よってブリスル層の上流側へかかる圧力負荷によるブリ
スルの接触の線上のそのような応力の集中と接触の線に
沿ってのブリスルの疲労を避ける。傾斜した移行面は、
凸状の断面形状とすることも平面状の断面形状とするこ
ともできる。
【0010】
【発明の実施の形態】回転機械には、それらのみに限定
するのではないが、遠心圧縮機、発電機及びタービンが
含まれる。タービンには、それらのみに限定するのでは
ないが、蒸気タービン及びガスタービンが含まれる。タ
ービンは、それらのみに限定するのではないが、圧縮機
部分及びタービン部分を備えている。本発明は以後ター
ビンに関して説明するが、本発明がそれらに限定されず
いかなる回転機械にも適用されることは、当業者には明
らかであろう。図3は回転機械の一部分のみを示し、こ
の部分は他の構成要素も含めてタービンのロータを示し
ていることに注意されたい。
【0011】ここで図面の図3を参照すると、図1及び
図2の従来技術のブラシシールに代えて、タービンにお
いて使用されるようになっている、全体を28で示す、
本発明のブラシシールが断面の形で示してある。ブラシ
シール28は、弓形状のブラシ状シールセグメント30
の端と端を接して環状列に形成され、ラビリンスシール
(図示せず)の環状スロット(図示せず)に改造装置と
してあるいは当初からの装置としてよく知られた方法で
組み込むことができる。
【0012】各ブラシシールセグメント30は基本的に
下流側プレート32と下流側プレート32に当接するブ
リスル層34を備える。下流側プレート32及びブリス
ル層34は、タービンロータRの長手方向回転軸線Aの
周りに部分的にかつ軸線Aから半径方向外方に延びる類
似の弓形状の形状を持つ。下流側プレート32は、互い
に間隔を置いて位置しロータRの長手方向軸線Aに概し
て平行な相対する方向に面する相対する上流側及び下流
側表面36,38と、ロータRの表面Sから遠くに位置
する外側部分と、ロータRの表面Sに近接して位置し上
流側表面36上に圧力軽減空洞44を画定する内側部分
とを有する。下流側プレート32の内側部分42は、外
側部分40の半径方向の高さH2よりも大きい半径方向
の高さH1と、外側部分40の軸方向厚さT2よりも小
さい軸方向厚さT1を持っている。下流側プレート32
の外側及び内側部分40,42の軸方向厚さは、その上
流側及び下流側表面36,38の間に延びている。
【0013】ブリスル層34は、相対する外側及び内側
部分46,48と上流側及び下流側部分50,52を有
し、下流側プレート32の上流側表面36にその外側部
分40において取付けられている。ブリスル層34はそ
の内側部分48で、ロータRの表面S及びその長手方向
軸線Aに向かって半径方向に、かつ下流側プレート32
の上流側及び下流側表面36,38がその内側部分42
で相互接続する下流側プレート32の内側縁54を僅か
に越えて、延びている。ブリスル層34の内側部分48
は、ロータ表面Sに接するには至らず終わる。
【0014】図3及び図5を参照して、下流側プレート
32はまた、基本的に、全般として傾斜した断面形状を
持ち、外側及び内側部分40,42の間を延びるように
上流側表面36上に設けられた移行面を備えており、外
側部分40から内側部分42上の空洞44へと緩やかな
移行をもたらす。下流側プレート32の上流側表面36
上の傾斜した移行面56は、ブリスル34の近接する後
部部分との接触面領域を提供しブリスル34への応力を
分散し、それによってブリスル層34の上流側50へか
かる圧力負荷による、図1及び図2の従来技術のシール
の場合のようにブリスルへの接触の線上のそのような応
力の集中と接触の線に沿ってのブリスル34の疲労を避
ける。図3に示されかつ図4により詳細に示されるよう
に、移行面の傾斜した形状56は、実質的に凸状の断面
形状とすることができる。代わりに、図5に見られるよ
うに、移行面の傾斜した形状56は実質的に平面状の断
面形状とすることができる。移行面56は、下流側プレ
ート32の外側部分40上の上流側表面36から延びる
平面Pに対して、約20度から50度までの角度Cで延
びることができる。
【0015】ブラシシールセグメント30はさらに、必
ずしも必要ではないが、ブリスル層34の外側部分46
を下流側プレート32の外側部分40の上流側表面36
上に固定する手段を備えていることが好ましい。この固
定する手段は、通常は、弓形状の形状を持つ上流側プレ
ート58を下流側プレート32及びブリスル層34と合
致させ、同様にタービンロータRの長手方向回転軸線A
の周りに部分的にかつ軸線Aから半径方向外方に延びる
形をとる。上流側プレート58は、下流側プレート32
の外側部分40から反対側のブリスル層34の上流側5
0でブリスル層34の外側部分46に当接し、ブリスル
層34をその外側部分46で上流側及び下流側プレート
32,58の間に保持する。また、各ブラシシールセグ
メント30は、ブリスル層34の上流側50においてシ
ムプレート60を用い、押し寄せる乱流からブリスル層
34を保護することができる。
【0016】本明細書において用いられる用語「上流
側」及び「下流側」は、特定物の、流体流れの方向Bに
沿う互いの相対的位置または他の構成要素に対する位置
を示す。例えば、下流側プレート32の表面36,38
は、流体流れの方向Bに沿って互いにそれぞれ上流側と
下流側とに位置している。プレート58とプレート32
は、流体流れの方向Bに沿ってブリスル層34からそれ
ぞれ上流側と下流側に位置している。
【0017】本発明とその利点は上記の説明で理解され
たと考えられ、本発明の技術思想と技術的範囲から逸脱
することなく、あるいは本発明の本質的利点の全てを犠
牲にすることなく種々の変更を行うことが可能であり、
本明細書に説明する構成は単に本発明の好ましいあるい
は例示的な実施形態に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術のブラシシール及びタービンロータ
の端面正面図。
【図2】 図1の線2−2による従来技術のブラシシー
ル及びタービンロータの断面図。
【図3】 図2と同様の、本発明のブラシシールを示す
断面図。
【図4】 移行面が凸状の断面形状を持つことを示す、
図3のブラシシールの下流側プレート上の移行面の拡大
断面図。
【図5】 移行面が平面状の断面形状を持つことを示
す、図4と同様の図。
【符号の説明】
28 ブラシシール 32 下流側プレート 34 ブリスル、ブリスル層 36 下流側プレートの上流側表面 38 下流側プレートの下流側表面 40 下流側プレートの外側部分 42 下流側プレートの内側部分 44 圧力軽減空洞 46 ブリスル層の外側部分 48 ブリスル層の内側部分 50 ブリスル層の上流側部分 52 ブリスル層の下流側部分 54 下流側プレートの内側縁 56 移行面 60 シムプレート B 流体流れの方向 R ロータ S ロータの表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マフマト・ファルク・アクシット アメリカ合衆国、ニューヨーク州、トロ イ、25ティーエイチ・ストリート、26番 (72)発明者 デュアン・ハワード・アンステッド アメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルト ン、ベイベリー・ドライブ、3939番 (72)発明者 マイケル・ユージーン・バトル アメリカ合衆国、オハイオ州、フォレス ト・パーク、マンフォード・コート、 11621番

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転機械のロータ(R)の長手方向軸線
    (A)の周りに部分的にかつ前記軸線(A)から半径方
    向外方に延びる弓形状の形状をなし、互いに間隔を置い
    て位置し前記ロータ(R)の前記長手方向軸線(A)に
    概して平行な相対する方向に面する相対する上流側及び
    下流側表面(36,38)と、前記ロータ(R)から遠
    くに位置する外側部分(40)と、前記ロータ(R)に
    近接して位置し前記上流側表面(36)上に圧力軽減空
    洞(44)を画定する内側部分(42)と、前記上流側
    表面(36)上に設けられ、前記外側部分(40)から
    前記内側部分(42)の前記空洞(44)へと緩やかな
    移行をもたらように前記外側及び内側部分(40,4
    2)の間に延びている全体として傾斜した断面形状の移
    行面(56)とを有する下流側プレート(32);及
    び、 前記ロータ(R)の前記長手方向軸線(A)の周りに部
    分的にかつ前記軸線(A)から半径方向外方に延びる弓
    形状の形状をなし、相対する外側及び内側部分(46,
    48)と上流側及び下流側(50,52)を有し、前記
    下流側プレート(32)の前記上流側表面(36)にそ
    の前記外側部分(46)において当接するブリスル層
    (34);を含み、 前記下流側プレート(32)の前記上流側表面(36)
    上の前記移行面(56)は、前記ブリスル層のブリスル
    (34)の近接する部分との接触面領域をもたらし前記
    ブリスル(34)への応力を分散し、それによって前記
    ブリスル層(34)の前記上流側(50)へかかる圧力
    負荷による前記ブリスルの接触の線上のそのような応力
    の集中と接触の線に沿っての前記ブリスルの疲労を避け
    る、回転機械用のブラシシールセグメント(30)。
  2. 【請求項2】 前記移行面(56)が実質的に平面状の
    断面形状を持つ、請求項1記載のセグメント(30)。
  3. 【請求項3】 前記移行面(56)が実質的に凸状の断
    面形状を持つ、請求項1記載のセグメント(30)。
  4. 【請求項4】 前記移行面(56)が前記下流側プレー
    ト(32)の前記外側部分(40)上の前記上流側表面
    (36)から延びる平面(P)に対して20度から50
    度までの角度(C)で延びる、請求項1記載のセグメン
    ト(30)。
  5. 【請求項5】 前記下流側プレート(32)の前記内側
    部分(42)がその前記外側部分(40)よりも半径方
    向の高さにおいてより大きく、前記下流側プレート(3
    2)の前記上流側及び下流側表面(36,38)の間の
    軸方向の厚さにおいて前記下流側プレート(32)の前
    記外側部分(40)より小さい、請求項1記載のセグメ
    ント(30)。
  6. 【請求項6】 前記ブリスル層(34)の前記外側部分
    (46)を前記下流側プレート(32)の前記外側部分
    (40)の前記上流側表面(36)上に固定する手段、
    をさらに含む、請求項1に記載のセグメント(30)。
  7. 【請求項7】 前記固定する手段は、前記ロータ(R)
    の前記長手方向軸線(A)の周りに部分的にかつ前記軸
    線Aから半径方向外方に延び、前記下流側プレート(3
    2)の前記外側部分(40)から反対側の前記ブリスル
    層(34)の前記上流側(50)で前記ブリスル層(3
    4)の前記外側部分(46)に当接し、前記ブリスル層
    (34)をその前記外側部分(46)で前記上流側及び
    下流側プレート(58,32)の間に保持する、前記下
    流側プレートの形状に類似の弓形状の形状の上流側プレ
    ート(58)である、請求項6に記載のセグメント(3
    0)。
  8. 【請求項8】 内側部分(48)にある前記ブリスル層
    (34)が、前記上流側プレート(58)及び前記下流
    側プレート(32)の前記内側部分(42)を越えて前
    記長手方向軸線(A)に向かって延びる、請求項1に記
    載のセグメント(30)。
  9. 【請求項9】 タービンのロータ(R)の長手方向軸線
    (A)の周りに部分的にかつ前記軸線Aから半径方向外
    方に延びる端と端を接して配置される複数の弓形状のブ
    ラシ状シールセグメント30の環状列;を含み、 前記ブラシシールセグメント(30)の各々は、両方と
    も、前記ロータ(R)の前記長手方向軸線(A)の周り
    に部分的にかつ前記軸線Aから半径方向外方に延びる弓
    形状の形状をなす下流側プレート(32)及びブリスル
    層(34)を備え;前記下流側プレート(32)は、互
    いに間隔を置いて位置し前記ロータ(R)の前記長手方
    向軸線(A)に概して平行な相対する方向に面する相対
    する上流側及び下流側表面(36,38)と、前記ロー
    タ(R)から遠くに位置する外側部分(40)と、前記
    ロータ(R)に近接して位置し前記上流側表面(36)
    上に圧力軽減空洞(44)を画定する内側部分(42)
    と、前記上流側表面(36)上に設けられ、前記外側部
    分(40)から前記内側部分(42)の前記空洞(4
    4)へと緩やかな移行をもたらように前記外側及び内側
    部分(40,42)の間に延びている全体として傾斜し
    た断面形状の移行面(56)とを有し;前記ブリスル層
    (34)は、前記ロータ(R)の前記長手方向軸線
    (A)の周りに部分的にかつ前記軸線(A)から半径方
    向外方に延びる弓形状の形状をなし、相対する外側及び
    内側部分(46,48)と上流側及び下流側(50,5
    2)を有し、前記下流側プレート(32)の前記上流側
    表面(36)にその前記外側部分(46)において当接
    し、前記下流側プレート(32)の前記上流側表面(3
    6)上の前記移行面(56)は、前記ブリスル層のブリ
    スル(34)の近接する部分との接触面領域をもたらし
    前記ブリスル(34)への応力を分散し、それによって
    前記ブリスル層(34)の前記上流側(50)へかかる
    圧力負荷による前記ブリスルの接触の線上のそのような
    応力の集中と接触の線に沿っての前記ブリスルの疲労を
    避ける、タービン用ブラシシール(28)。
  10. 【請求項10】 前記移行面(56)が実質的に平面状
    の断面形状を持つ、請求項9記載のシール(28)。
  11. 【請求項11】 前記移行面(56)が実質的に凸状の
    断面形状を持つ(28)請求項9記載のシール(2
    8)。
  12. 【請求項12】 前記移行面(56)が前記下流側プレ
    ート(32)の前記外側部分(40)上の前記上流側表
    面(36)から延びる平面(P)に対して20度から5
    0度までの角度(C)で延びる、請求項9記載のシール
    (28)。
  13. 【請求項13】 前記下流側プレート(32)の前記内
    側部分(42)がその前記外側部分(40)よりも半径
    方向の高さにおいてより大きく、前記下流側プレート
    (32)の前記上流側及び下流側表面(36,38)の
    間の軸方向の厚さにおいて前記下流側プレート(32)
    の前記外側部分(40)より小さい、請求項9記載のシ
    ール(28)。
  14. 【請求項14】 前記ブリスル層(34)の前記外側
    部分(46)を前記下流側プレート(32)の前記外側
    部分(40)の前記上流側表面(36)上に固定する手
    段、をさらに含む、請求項9に記載のシール(28)。
  15. 【請求項15】 前記固定する手段は、前記ロータ
    (R)の前記長手方向軸線(A)の周りに部分的にかつ
    前記軸線Aから半径方向外方に延び、前記下流側プレー
    ト(32)の前記外側部分(40)から反対側の前記ブ
    リスル層(34)の前記上流側(50)で前記ブリスル
    層(34)の前記外側部分(46)に当接し、前記ブリ
    スル層(34)をその前記外側部分(46)で前記上流
    側及び下流側プレート(58,32)の間に保持する、
    前記下流側プレートの形状に類似の弓形状の形状の上流
    側プレート(58)である、請求項14に記載のシール
    (28)。
  16. 【請求項16】 内側部分(48)にある前記ブリスル
    層(34)が、前記上流側プレート(58)及び前記下
    流側プレート(32)の前記内側部分(42)を越えて
    前記長手方向軸線(A)に向かって延びる、請求項9に
    記載のシール(28)。
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