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

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）。