JP2003065076A - タービンシール及び回転機械 - Google Patents

タービンシール及び回転機械

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ファーシャド・ガスリプア
Raymond Edward Chupp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、１つの実施形態において、回転軸
を有する回転可能な構成部品と同じ回転軸の周りのター
ビンハウジング１２０との間でタービン中に配置するた
めの環状のタービンシールを提供する。 【解決手段】 タービンシールは、それに固定されたア
ブレイダブル部分１５０を有する複数のアーチ形シール
支持体セグメント１４０を有する。更に、少なくとも１
つのばね１８５が、力を加えてシール支持体セグメント
１４０を回転可能な構成部品に隣接させて保持するため
に、シール支持体セグメント１４０に対して配置され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に回転機械
に関し、より具体的には、蒸気タービン及びガスタービ
ンのような回転機械用のシール組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】回転機械には、それに限定されないが、
蒸気タービン用のタービン、並びにガスタービン用の圧
縮機及びタービンが含まれる。蒸気タービンは、一般的
に、流れに沿って直列に並んだ、蒸気入口、タービン、
及び蒸気出口を含む蒸気流路を有する。ガスタービン
は、一般的に、流れに沿って直列に並んだ、空気吸入口
（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービン、及びガス出
口（又は排気ノズル）を含むガス流路を有する。ガス又
は蒸気流路から外方への或いはガス又は蒸気流路中への
いずれかの、より低圧の領域からより高圧の領域へのガ
ス又は蒸気の漏洩は、一般的に望ましくない。例えば、
タービン又は圧縮機のロータと周囲を取巻くタービン又
は圧縮機ケーシングとの間での、ガスタービンのタービ
ン又は圧縮機領域中のガス流路の漏洩は、ガスタービン
の効率を低下させ、燃料費の増大を招くであろう。ま
た、タービンのロータと周囲を取巻くケーシングとの間
での、蒸気タービンのタービン領域中の蒸気流路の漏洩
は、蒸気タービンの効率を低下させ、燃料費の増大を招
くであろう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】可変間隙のラビリンス
シールセグメント及びブラシシールを、単独又は組合せ
で、タービンのロータと周囲を取巻くケーシングとの間
に周方向の配列で配置して、蒸気流路の漏洩を最小限に
することは、蒸気タービンの技術分野では知られてい
る。ばねは、ロータが接触した場合にはセグメントが半
径方向外向きに移動するように、シールとロータとの間
の半径方向の間隙を構成するケーシングの表面に対して
半径方向内向きにセグメントを保持する。ラビリンスシ
ールは、単独に又はブラシシールとの組合せで、非常に
信頼性があることが判明しているが、それらの性能は、
固定及び回転構成部品が干渉して、ラビリンス歯と摩擦
してそれを「きのこ状の」輪郭にし、シール間隙を広げ
るような過渡状態の結果として、時の経過とともに劣化
する。
【０００４】従って、この技術分野においては、固定構
成部品と回転構成部品との間の漏洩を適切に制御する回
転機械に対する要求がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、１つの実施形
態において、回転軸を有する回転可能な構成部品と同じ
回転軸の周りのタービンハウジングとの間でタービン中
に配置するための環状のタービンシールを提供する。タ
ービンシールは、それに固定されたアブレイダブル部分
を有する複数のアーチ形シール支持体セグメントを有す
る。更に、少なくとも１つのばねが、力を加えてシール
支持体セグメントを回転可能な構成部品に隣接させて保
持するために、シール支持体セグメントに対して配置さ
れる。
【０００６】本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び
利点は、図面を通して同じ符号が同じ部分を表わす添付
の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、より良
く理解されるであろう。
【０００７】
【発明の実施の形態】回転機械１００、例えば蒸気ター
ビンは、一般的に、固定タービンハウジング１２０内に
配置された回転タービンバケット１１０を含み、タービ
ンバケット１１０は、図示しないが、タービンハウジン
グ１２０の内部に通常の手段により支持（図１に示すよ
うに）される。回転タービンバケット１１０と固定ター
ビンハウジング１２０との間に配置された、全体を符号
１３０で示すアブレイダブルシール１３０は、タービン
バケット１１０に隣接して配置されたアーチ形シール支
持体セグメント１４０を含み、アーチ形のシール支持体
セグメント１４０の軸方向両側の圧力領域を分離する。
アーチ形シール支持体セグメント１４０は、シール支持
体セグメントの第１の表面１９０上に半径方向に配置さ
れたアブレイダブル部分１５０を含む。本明細書で用い
られる場合、「上に」、「上をおおって」、「上方
に」、「下方に」等は、図に示すように回転機械１００
の要素の相対位置を言うのに用いられるものであって、
回転機械１００の配向又は作動に関していかなる点でも
限定することを意味するものではない。１つのアーチ形
シール支持体セグメント１４０及び１つのアブレイダブ
ル部分１５０のみが図示されているが、一般的には少な
くとも１つのアブレイダブル部分１５０及び少なくとも
１つのアーチ形シール支持体セグメント１４０を有する
複数のアブレイダブルシール１３０が、タービンバケッ
ト１１０の周りに設けられるということが分かるであろ
う。アブレイダブル部分１５０は、バケットカバー１８
０の半径方向の突起又はリブ１６０及び溝１７０を備え
る狭い間隙を得るための設計になっている。例えば、運
転中に、リブ１６０及び溝１７０はアブレイダブル部分
１５０の一部分を摩滅して、アブレイダブル部分１５０
上にリブ１６０及び溝１７０の輪郭と適合する輪郭を残
し、その結果、構成部品間に狭い間隙をもたらす。間隙
は、一般に約０．０２mmから約０．７mmの間の範囲にあ
る。バケットカバー１８０上に設置されるリブ１６０及
び溝１７０の位置、数、及び高さは、変えることができ
ることもまた、当業者には分かるであろう。更に、アブ
レイダブル部分１５０に面するタービンバケット１１０
の構成部品（例えば、バケットカバー１８０）もまた変
えることができ、例えば、バケットカバー１８０を無く
し、従ってタービンバケット１１０の表面を平坦にする
こともできる。
【０００８】アブレイダブルシール１３０のセグメント
は、一般にばね付勢されており、従って通常の始動状態
の間に動かされると半径方向に自由に動ける。例えば、
アブレイダブルシール１３０のセグメントは、アブレイ
ダブルシール１３０とタービンバケット１１０との間の
通常の回転輪郭とは異なる場合、半径方向に自由に動け
る。１つの実施形態において、ばね１８５は、力を加え
てアブレイダブルシール１３０をバケットカバー１８０
に隣接して配置された状態に保持し、また過渡状態の
間、例えば始動及び停止の間にアーチ形シール支持体セ
グメント１４０をある程度半径方向外向きに移動させる
ことを可能にする。ばね１８５は、それに限定されない
が、一般に板ばね又はコイルばねを含む。ばね１８５
は、回転機械中に組立てられると、一般にそれが支持し
ているアーチ形シール支持体セグメント１４０の重量の
約２倍から５倍の範囲にある半径方向の力を作用させ
る。運転中、ばね１８５は、アーチ形シール支持体セグ
メント１４０を半径方向にタービンハウジング１２０に
向かって着座させ、アーチ形シール支持体セグメント１
４０をタービンバケット１１０、バケットカバー１８０
又はブレード（図２参照）に隣接して配置された状態に
保持するのに十分な力を単に与える必要があるだけであ
る。アーチ形シール支持体セグメント１４０を半径方向
にタービンハウジング１２０向かって「着座させる」結
果として、シール支持体セグメント１４０とタービンハ
ウジング１２０との間の隙間「Ｇ」（図１参照）は、最
小限にされ、従って、ガス又は蒸気タービンのタービン
領域中のガス又は蒸気の漏洩を減少させる（図２参
照）。例えば、蒸気タービン用途において、個々のアー
チ形シール支持体セグメント１４０の重量は、一般に約
１０ポンドから約２５ポンドの範囲にある。従って、ア
ーチ形シール支持体セグメント１４０を半径方向にター
ビンハウジング１２０に向かって着座させるのに十分な
力を与えるためには、ばね１８５には、少なくともこの
程度の力を持たせなければならない。別の実施形態にお
いて、ばね１８５は、複数のアーチ形シール支持体セグ
メント１４０に対して配置される。別の実施形態におい
ては、アーチ形シール支持体セグメント１４０の環状の
配列全体に対して、単一のばねが配置される。
【０００９】別の実施形態において、本発明のばね装置
は、圧力をアーチ形シール支持体セグメント１４０に掛
けるために、他の手段と共に用いられるようになってい
る。例えば、ばねは、ガス圧力（図２に仮想線で示す）
と共同して作用し、アブレイダブルシール１３０をバケ
ットカバー１８０又はタービンバケット１１０に隣接し
て配置された状態に保持するための力を与える。この実
施形態においては、アーチ形シール支持体セグメント１
４０は、最初に、タービンを通るガスの膨張により生
じ、ガス又は蒸気流路の寸法形状及び流れ（図１参照）
の設計により定まる上流の圧力により、軸方向にタービ
ンハウジング１２０に向かって押される。この上流の圧
力は、結局はタービンハウジング１２０とアーチ形シー
ル支持体セグメント１４０の間の空洞を満たし、アーチ
形シール支持体セグメント１４０を半径方向内向きに更
に押し、例えば、タービンが全速力まで引き上げられた
後に、タービンバケット１１０との間隙を減少させる。
１つの実施形態において、アーチ形シール支持体セグメ
ント１４０の各々に対して、少なくとも１つのばね１８
５が配置される。
【００１０】１つの実施形態において、アブレイダブル
部分１５０の組成物は、典型的には、コバルト、ニッケ
ル、クロム、アルミニウム、イットリウム（以後はＣｏ
ＮｉＣｒＡｌＹと呼ぶ）を含む第１の成分と、六方晶系
窒化ホウ素（六方晶系ＢＮ）及びポリマーから成る群か
ら選ばれる第２の成分とを含む。用いられる典型的なポ
リマーは、ポリエステル及びポリイミドのような熱硬化
性物質である。別の実施形態においては、アブレイダブ
ル部分１５０の組成物は、典型的には、ニッケル、クロ
ム及びアルミニウムを含む成分と、粘土（例えばベント
ナイト）（以後は「ＮｉＣｒＡｌ＋粘土」と呼ぶ）を含
む別の成分とを含む。別の実施形態は、典型的には、ニ
ッケル及びグラファイト（以後は「Ｎｉ＋グラファイ
ト」と呼ぶ）から成る第１の成分、又はステンレス鋼を
含む第２の成分を含む組成物である。別の実施形態は、
典型的には、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ホ
ウ素及び窒素（以後は「ＮｉＣｒＦｅＡｌＢＮ」と呼
ぶ）を含む組成物である。別の実施形態は、クロム、ア
ルミニウム、及びイットリウム（以後は「ＣｒＡｌＹ」
と呼ぶ）を含む第１の成分と、鉄、ニッケル、及びコバ
ルトから成る群から選ばれる第２の成分とを含む。更
に、アブレイダブル部分１５０は、典型的には、クロム
及びアルミニウム（以後は「ＣｒＡｌ」と呼ぶ）を含む
第１の成分と、鉄、ニッケル、及びコバルトから成る群
から選ばれる第２の成分とを含む組成物からなっていて
もよい。アブレイダブル部分１５０組成物の他の実施形
態は、プレス加工されるか又は一緒に焼結されるかそれ
ともレジン又は他の材料で溶浸された金属繊維から構成
される材料、例えば、Ｆｅｌｍｅｔａｌ（登録商標）
（フロリダ州デランドにあるＴｅｃｈｎｅｃｔｉｃｓ
Ｃｏｒｐ．から販売されている）と、高い耐酸化性を有
するニッケル基合金、例えば、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登
録商標）（フロリダ州デランドにあるＴｅｃｈｎｅｃｔ
ｉｃｓ Ｃｏｒｐ．から販売されている）とを含むこと
ができる。アブレイダブル部分１５０は、例えば、ろう
付け又は溶射によりシール支持体セグメントの第１の表
面１９０上に配置されることが分かるであろう。その上
に、溶射はアブレイダブル部分に多孔性を与えるように
調節できることが、当業者には分かるであろう。アブレ
イダブル部分１５０の組成物の作動条件は、一般に約２
０℃から約７００℃の範囲である。
【００１１】図１を参照すれば、アブレイダブル部分１
５０は、アーチ形シール支持体セグメント１４０から僅
かに距離「ｔ」だけ突出するが、この距離「ｔ」は、タ
ービンバケット１１０又はブレードが半径方向にアブレ
イダブルシール支持体１３０のアブレイダブル部分１５
０中に侵入する、予想される最高半径方向侵入量に相当
する。従って、距離「ｔ」は、タービンバケット１１０
の半径方向の偏りに相当し、その算定は、回転機械１０
０の予測される偏りと過渡又は定常状態の間のアーチ形
シール支持体セグメント１４０の半径方向の偏りによっ
て決まる。アブレイダブル部分１５０半径方向の距離
「ｔ」は、一般に約０．５mmから約５mmまでの範囲であ
る。１つの実施形態において、アブレイダブル部分１５
０のアーチ形の長さ「ｌ」及び幅「ｗ」は、アーチ形シ
ール支持体セグメント１４０のアーチ形の長さ及び幅に
等しい（図５参照）。アブレイダブル部分１５０のアー
チ形の長さ及び幅は、用途に応じて変えることができる
ことが分かるであろう。
【００１２】本発明の別の実施形態（図２参照）による
と、アブレイダブル部分１５０と少なくとも１つのラビ
リンス歯２００の組合せにより形成されるばね付勢され
たアブレイダブルシール１３０が設けられる。アーチ形
シール支持体セグメント１４０上のラビリンス歯２００
の位置及び数は、変えることができることが分かるであ
ろう。１つの実施形態においては、ラビリンス歯２００
は、図２に示すように一般に各アーチ形シール支持体セ
グメント１４０の周辺部に設置される。このとき、少な
くとも１つのラビリンス歯２００の輪郭は、シール支持
体セグメント（図示せず）の環状の配列の端縁の周りに
３６０°延びる。
【００１３】本発明の別の実施形態（図３参照）による
と、アブレイダブル部分１５０と少なくとも１つのブラ
シシール２１０の組合せにより形成されるばね付勢され
たアブレイダブルシール１３０が、設けられる。少なく
とも１つのブラシシール２１０の位置及び数は、所望の
用途に応じて変えることができることが分かるであろ
う。運転中、組み合わされたアブレイダブル部分１５０
及び少なくとも１つのブラシシール２１０は、半径方向
内向き及び外向きに移動可能であり、ブリストル２２０
の先端がロータのほぼ全周３６０°にわたってタービン
バケットカバー１８０に係合することが分かるであろ
う。
【００１４】本発明の別の実施形態（図４参照）による
と、アブレイダブル部分１５０、少なくとも１つのブラ
シシール２１０、及び少なくとも１つのラビリンス歯２
００との組合せにより形成されるばね付勢されたアブレ
イダブルシール１３０が設けられる。少なくとも１つの
ブラシシール２１０及び少なくとも１つのラビリンス歯
状突起２００の位置及び数は、所望の用途に応じて変え
ることができることが分かるであろう。例えば、蒸気タ
ービン又はガスタービンにおいては、固形粒子が、一般
にブレード先端において外向きに遠心分離される。ラビ
リンス歯２００及びブラシシール２１０は、アブレイダ
ブル部分の過度の壊食の場合に補助シールとして役立
つ。少なくとも１つのブラシシール２１０のブリストル
の傾斜角度次第で、アーチ形のシール支持体セグメント
１４０の端部においてブリストル２２０が不足する可能
性がある。アーチ形のシール支持体セグメント１４０の
端部でのブリストル２２０の不足は、アブレイダブル部
分１５０、又は少なくとも１つのラビリンス歯２００、
又はその両方と構造的に組合されているので、シール性
能をひどく損なうか又は劣化させる。
【００１５】本発明を特許施行規則に従って本明細書に
図示し説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範
囲から離れることなく開示した実施形態において変更及
び変形を加えることが可能であることは、当業者には明
らかであろう。従って、特許請求の範囲中のばねは、他
の弾性部材などに変更及び変形したものを保護するもの
であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施形態の概略分解断面図。
【図２】 本発明の別の実施形態の概略分解断面図。
【図３】 本発明の別の実施形態の概略分解断面図。
【図４】 本発明の別の実施形態の概略分解断面図。
【図５】 本発明の別の実施形態の概略分解断面図。
【符号の説明】
１００ 回転機械 １１０ タービンバケット １２０ タービンハウジング １３０ アブレイダブルシール １４０ アーチ形シール支持体セグメント １５０ アブレイダブル部分 １６０ リブ １７０ バケットカバーの溝 １８０ バケットカバー １８５ ばね
───────────────────────────────────────────────────── 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、フーシック・ストリート、229番 (72)発明者 ファーシャド・ガスリプア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン ビル、パインウッド・ドライブ、５番 (72)発明者 レイモンド・エドワード・チュップ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン ビル、エイコーン・ドライブ、119番 Ｆターム(参考） 3G002 HA07 HA13 3J043 AA16 BA07 CA05 CA08 CB05 CB13 CB18 CB20 DA02

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転軸を有する回転可能な構成部品と前
    記軸の周りのタービンハウジングとの間でタービン中に
    配置するための環状のタービンシールであって、 その各々がそれに固定されたアブレイダブル部分を含む
    複数のアーチ形シール支持体セグメントと、 力を加えて回転中に前記アーチ形シール支持体セグメン
    トを前記回転可能な構成部品に隣接して配置された状態
    に保持するように配置された少なくとも１つのばねと、
    を含むことを特徴とする環状のタービンシール。
  2. 【請求項２】 複数の段を有する回転機械であって、 回転可能な構成部品と、 該回転可能な構成部品を取り囲み、共通の軸の周りに置
    かれている固定構成部品と、 前記回転可能な構成部品と前記固定構成部品との間に配
    置された複数のアーチ形シール支持体セグメントと、を
    含み、 該シール支持体セグメントの各々は、アブレイダブル部
    分と、力を加えて前記アーチ形シール支持体セグメント
    を前記回転可能な構成部品に隣接して配置された状態に
    保持するように配置された少なくとも１つのばねとを含
    む、ことを特徴とする回転機械。
  3. 【請求項３】 前記回転機械は蒸気タービンであること
    を特徴とする、請求項２に記載の回転機械。
  4. 【請求項４】 前記回転機械はガスタービンであること
    を特徴とする、請求項２に記載の回転機械。
  5. 【請求項５】 前記アーチ形シール支持体セグメント
    は、少なくとも１つのブラシシールと、前記少なくとも
    １つのアブレイダブル部分と組み合わされた少なくとも
    １つのラビリンス歯とを更に含むことを特徴とする、請
    求項２に記載の回転機械。
  6. 【請求項６】 前記ばねは板ばねを含むことを特徴とす
    る、請求項２に記載の回転機械。
  7. 【請求項７】 前記ばねはコイルばねを含むことを特徴
    とする、請求項２に記載の回転機械。
  8. 【請求項８】 前記ばねは、前記アーチ形シール支持体
    セグメントの各々に対して配置されることを特徴とす
    る、請求項２に記載の回転機械。
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