JP2004060657A

JP2004060657A - 蒸気タービンダイアフラムの段間パッキンシールのための端面間隙シール及びそれを組込む方法

Info

Publication number: JP2004060657A
Application number: JP2003280540A
Authority: JP
Inventors: Sebastian Burdick Steven; スティーブン・セバスチャン・バーディック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-02-26
Also published as: EP1387043B1; EP1387043A2; US20040017050A1; ATE524637T1; EP1387043A3; CN100396884C; US7097423B2; CN1475655A; US20040239051A1

Abstract

【課題】　本発明は、蒸気タービンの段間パッキンシールの端面間隙シールに関する。
【解決手段】　スプラインシール（５６、６０）が、蒸気タービンダイアフラム組立体（２０）の内側フック（２４）上の溝（３６）内に配置された隣接する円弧形のパッキンシールセグメント（３４）の円周方向に整合したスロット（５２、５８）内に配置される。スプラインシールは、セグメントの端面（５０）間の間隙（４８）内で延びて、端面を通り抜ける蒸気漏洩流を最少にする。スプラインシールは、軸方向及び円周方向に配向されて、ほぼ半径方向の漏洩流路を最小にし、半径方向下流方向に傾斜して軸方向の蒸気漏洩流をシールする。スプラインシールはスロット内に配置され、このスロットは、最初の装置製造の一部として形成され、或いはスプラインシールが設けられるようにセグメント内に機械加工される。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、一般的に蒸気タービン用のダイアフラム組立体の段間パッキンシールに関し、具体的には、ダイアフラム組立体の内側フックに取付けられ、円周方向に隣接する端面間の間隙をシールするためのスプラインシールを有するセグメント化されたパッキンシールに関する。

　蒸気タービンは多段を有する。各段は、タービンロータの周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数のバケットと、タービンの固定ケーシングに固定されたダイアフラム組立体の一部を形成する複数のノズルとを含む。ノズル及びバケットは、互いに軸方向に間隔を置いて、蒸気流路内に配置される。ダイアフラム組立体は、ダブテール形状の溝を有する内側フックを含み、このダブテール形状の溝が、段間パッキンシールを受けるための環状の溝を形成する。パッキンシールは、環状の溝内に取付けられて、ロータに対するシールを行うための軸方向に間隔を置いて配置されたラビリンス歯を支持する。パッキンシールは、ダイアフラム組立体のダブテール形状の溝内に配置された円弧形のセグメントから形成される。

　蒸気タービン設計の場合には、タービン流路内のあらゆる漏洩通路及び２次漏洩回路を最小にするか又は排除することが重要である。パッキンシールセグメントは、ロータに対して半径方向に移動可能であるので、セグメントの端面間に間隙が生じ、蒸気漏洩通路を形成する。これらの端面間隙は、ダイアフラムノズルの両側の高圧領域と低圧領域との間に漏洩を生じるほど大きくなる可能性があり、それが効率を著しく低下させ、蒸気タービンを用いる動力発生器の収益性の損失を生じさせる可能性がある。隣接するシールセグメント間の間隙は、シールセグメントの半径方向の移動、機械加工の許容誤差、更にタービン作動中の高温状態に対する熱応答の結果として生じる。従って、端面間隙を通しての蒸気漏洩流を最少にするか又は阻止するために、蒸気タービンにおけるパッキンシールセグメント間の端面間隙内のシールに対する必要性がある。

　本発明の好ましい実施形態によると、複数の円弧形の段間パッキンシールセグメントを支持する内側フックを有し、各段間パッキンシールセグメントがタービンロータに対するシールを行うためのラビリンス歯を有する、蒸気タービンにおけるダイアフラム組立体が提供される。ダイアフラム組立体を通しての蒸気流路を迂回する蒸気漏洩流路を最小にするか又は排除するために、１つ又はそれ以上のスプラインシールが、隣接するシールセグメントの隣接する端面間に跨って延びる。スプラインシールの１つは、ほぼ軸方向及び円周方向に延びて、整合した端面間及び段間パッキンシールセグメントの両側の高圧領域と低圧領域との間の間隙中へ蒸気がほぼ半径方向に流れるのをシールする。第２のスプラインシールは、端面間に、ほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向及び円周方向に配置されて、隣接するセグメント間の端面間隙をほぼ軸方向に通り抜ける漏洩蒸気流を阻止する。パッキンシールセグメントは、パッキンシールの下流側の内側フック軸方向表面上の軸方向荷重面に対するシールを形成することが分かるであろう。第２のスプラインシールが、実質的に、シールセグメントの高圧側に隣接するロータとの間のラビリンスシールから、シールセグメントとダイアフラム組立体の荷重面との間の軸方向シール面に隣接する位置まで延び、また第１のスプラインシールが端面間の半径方向の流れを遮断する状態で、軸方向の漏洩流は、効果的に最少にされるか又は防止される。

　本発明による好ましい実施形態では、蒸気タービンが提供され、該蒸気タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持し、蒸気タービン段の一部を形成するロータと、該ロータを囲み、複数のノズル及び内側フックを備え、蒸気タービン段の別の一部を形成するダイアフラム組立体とを含み、内側フックは、ダイアフラム組立体の周りに、ロータと該ダイアフラム組立体との間をシールするための複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメントを支持し、該セグメントの各々は、円周方向に隣接するセグメントの対向する端面とそれぞれ円周方向に整合した端面を有し、該端面は、円周方向に開口しかつ互いにほぼ円周方向に整合したスロットを含み、スプラインシールが、円周方向に隣接するパッキンリングセグメントの前記対向する端面の各々の間で延びかつスロット内で延びて、整合した端面を通り抜ける蒸気漏洩を最少にするか又は阻止する。

　本発明による別の好ましい実施形態では、蒸気タービンが提供され、該蒸気タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持し、蒸気タービン段の一部を形成するロータと、該ロータを囲み、複数のノズル及び内側フックを備え、蒸気タービン段の別の一部を形成するダイアフラム組立体とを含み、内側フックは、円周方向に延びるダブテール形状の溝を形成し、ダイアフラム組立体の周りで溝内に、複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメントを支持し、該セグメントは、ロータの周りをシールするためのラビリンスシール歯を支持し、溝内でほぼ半径方向に移動可能になっており、セグメントの各々は、円周方向に隣接するセグメントの対向する端面とそれぞれ円周方向に整合した端面を有し、該端面は、円周方向に開口しかつ互いにほぼ円周方向に整合したスロットを含み、スプラインシールが、円周方向に隣接するセグメントの前記対向する端面の各々の間で延びかつスロット内で延びて、整合した端面を通り抜ける蒸気漏洩を最少にするか又は阻止する。

　本発明による別の好ましい実施形態では、ロータと、該ロータを囲むダイアフラム組立体と、該ダイアフラム組立体の周りの円周方向に延びる溝内に配置された、該ダイアフラム組立体とロータとの間をシールするための複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメントとを有するタービンにおいて、隣接するパッキンシールセグメントの対向する端面間にシールを形成するためにパッキンシールセグメントを改造する方法が提供され、該方法は、タービンからパッキンシールセグメントを取外す段階と、該取外されたパッキンシールセグメントの各端面内に少なくとも１つのスロットを形成する段階と、パッキンシールセグメントの対向する端面のスロット内にスプラインシールを配置する段階と、ダイアフラム組立体の溝内にパッキンシールセグメントを挿入して、スプラインシールが隣接するセグメントの間で延びて該隣接するセグメント間の蒸気漏洩流を最少にするか又は阻止するようにする段階とを含む。

　さて図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で表した蒸気タービンが図示されており、この実施例では、蒸気タービンは、高圧タービンセクション１２と単一の一体形ロータ１６上に取付けられた中圧タービンセクション１４とから構成され、これらは全て外側ケーシング１８の内部に配置される。ロータ１６は、高圧及び中圧駆動セクション１２及び１４により回転駆動されるが、ケーシング１８は静止したままであることが分かるであろう。本発明は、高圧及び中圧タービンだけでなく標準的な蒸気タービン装置の低圧タービンセクションにも適用可能であり、また図１の高圧及び中圧セクションの説明は、本発明をそれらの特定のセクションに限定することを意図するものではない。

　次に図２を参照すると、蒸気タービンの２つの段が示されている。各段は、ノズル２２及び内側フック２４を備えるダイアフラム組立体２０を含む。ノズル２２は、ロータ１６の一部を形成するホイール２８上に取付けられたバケット２６から軸方向前方に設置される。バケット２６の先端は、ダイアフラム組立体２０内に取付けられたラビリンスシール３０によりシールされる。蒸気流路は、全体として方向矢印３２によって示され、蒸気はノズル２２及びバケット２６を通って流れ、ロータ軸線３３の周りでロータ１６を回転させる。蒸気タービンの２つの段だけが図示されているが、軸方向に隣接するバケット及びノズルの各組がタービン段を形成すること及び追加の段を設けてもよいことが分かるであろう。

　ダイアフラム組立体２０の内側フック２４をロータ１６に対してシールするために、段間又はパッキンシールが設けられる。パッキンシールは、内側フックのほぼダブテール形状の溝３６内に配置された複数の円弧形のシールセグメント３４を含む。シールセグメント３４は、ロータ１６に対するシールを形成するための複数の半径方向内向きに突出するラビリンスシール歯３８を有する。ダブテール溝３６は、シールセグメントの頚部に跨る軸方向に延びるフランジ４０及び４２を含む。頚部の半径方向外側において、シールセグメント３４はフランジ４４及び４６を有し、該フランジ４４及び４６は、フランジ４０及び４２と協働して、シールセグメントをダイアフラム組立体の内側フック内に取付けられた状態に保持する。図２に示すように、シールセグメントは、ほぼ半径方向に移動可能であり、ロータの温度過渡現象、並びに高温及び低温部分に適応することが分かるであろう。

　シールセグメント３４がほぼ半径方向に移動するために、また機械加工の許容誤差及びタービン作動時の温度過渡現象のために、隣接するセグメント３４の端面５０間に間隙４８（図３）が設けられており、この間隙が、シールセグメント３４の両側の高圧領域と低圧領域との間での蒸気漏洩流を許す。あらゆるこのような蒸気漏洩流は、タービン内で仕事を行うことなく、タービンを通る流路を迂回することが分かるであろう。シールセグメント３４の隣接する端面５０間の間隙４８を通しての蒸気漏洩流を阻止するために、隣接する端面５０間にスプラインシールが設けられる。具体的には、スプラインシールを受けるために、スロットが、対向する端面と整合する各端面内に形成される。例えば、図３に示すように、スロット５２が、隣接するシールセグメントの各端面内に、該スロット５２が隣接のシールセグメント端面の類似のスロットと整合して円周方向外向きに開口するように形成される。スロット５２は、シールセグメント３４の実質的に幅全体にわたってかつラビリンス歯３８に隣接して、軸方向及び円周方向に延びる。軸方向及び円周方向に延びるスロット５２内に配置されたスプラインシール５６が、ほぼ半径方向外向きの蒸気漏洩流を阻止する。

　別のスロット５８が、各端面５０内に形成される。この第２のスロット５８は、隣接のシールセグメントの端面上に同様に配置されたスロットと整合した状態でほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向に延びる。スプラインシール６０が、整合する傾斜したスロット５８内に配置されて、軸方向に延びるスプラインシール５６及びラビリンス歯３８付近のシールセグメントの前方端縁に隣接する位置から、シールセグメントと内側フックとの間の軸方向の荷重及びシール面に隣接する位置まで延びる。従って、各傾斜したスプラインシール６０は、シールセグメント３４の両側の高圧領域と低圧領域との間での端面間隙４８を通しての軸方向の漏洩蒸気流を阻止するか又は最少にする。シールセグメントの頚部及び内側フックのフランジ４２が、シールの下流側の軸方向荷重面を形成することが分かるであろう。従って、傾斜したスプラインシール６０が、シールセグメント３４の低圧側からシールセグメント３４と内側フックのフランジ４２との間の軸方向荷重シール面に隣接する位置まで延びる状態になり、端面間のあらゆる間隙の大きさを最小にする。

　任意の数の段間パッキンシールセグメント３４が、円周方向に内側フック２４のダブテール形状の溝３６内に配置されることができることが分かるであろう。例えば、３つ又はそれ以上のセグメントが、ダイアフラム組立体の上半部分に配置され、同じ数がダイアフラム組立体の下半部分に配置されることができる。従って、このような構成では、６つの端面間隙が、円周方向に隣接するセグメント間に生じる。

　図３及び図４を参照すると、第１及び第２のスプラインシール５６、６０の各々は、図４に最も良く示されるように、平坦な金属プレートを含むことができることが分かるであろう。プレートは形状がほぼ直線で囲まれている。プレートの厚さは、隣接するセグメントの相対的移動に適応するために、溝の深さよりも小さいのが好ましい。更に、本発明のこの好ましい実施形態によるシールセグメントのための端面間隙シールは、最初の装置製造の一部として又は現用の機械への改造として設けられることができることが分かるであろう。例えば、スプラインシール５６、６０を組み込むために、現用の蒸気タービンが、分解され、すなわち上部ケーシングが取外され、またシールセグメントも、例えば該シールセグメントをダイアフラム組立体のダブテール溝３６から円周方向に回動させることにより取外される。次に、スロット、例えばスロット５２、５８が、シールセグメントの端面内に形成されて、スプラインシールを受けることができる。溝がこうして形成されると、スプラインシールが隣接する端面間で溝内に挿入された状態で、セグメントは、ダイアフラム組立体の内側フックのダブテール溝内に回動して戻されることができる。これに代えて、当然のこととして、既に溝が形成されている新しいパッキンシールセグメントを、取外したパッキンシールセグメント内に溝を形成する代わりに用いることができる。

　図５を参照すると、スプラインシールの別の形態が、セグメントの円周方向に対向する端面のスロット又は溝内に図示されている。スプラインシール７０は、溝の底部に隣接して配置されるためのシールの対向する端縁に沿った拡大部７４を備えるシール本体７２を有することができる。従って、シール本体７２の中央部分７６は、スロット、例えばスロット５２の幅及び拡大端部と比較して深さ寸法が縮小されており、このことが、スプラインシール７０を損傷することなくセグメントが半径方向に相対的に移動することを容易にする。スプラインシール７０は、同一出願人の米国特許第５，６２４，２２７号に開示されている形式とすることができ、この特許の開示内容は参考文献として本明細書に組み込まれる。

　次に図６を参照すると、スプラインシールの別の形態が示されている。図６のスプラインシール８０は、シール本体８２を有する金属薄板材料で形成されることができ、このシール本体８２は、対向する端部が符号８４の位置において逆方向に湾曲又は屈曲され、スプラインシール８０の両側に沿った拡大部８６が形成されている。逆方向に湾曲された部分の端縁８８は、シール本体８２の中央部分に面する。拡大部８６は、図４のスプラインシールの拡大部と同様に、スロットの底部に隣接して配置され、シールセグメントの半径方向の相対的移動を容易にする。この形式のスプラインシールもまた、上記の特許に開示されている。

　図７には、金属で形成された中心コア９２を有し、クロス９４のオーバーレイを有するスプラインシール９０が示されている。クロス層は、織られて織物層を形成する金属、セラミック及び／又はポリマー繊維を含むことができる。上に位置するクロスは、同一出願人の米国特許第５，９３４，６８７号に開示されている形式とすることができ、この特許の開示内容は参考文献として本明細書に組み込まれる。

　現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して、本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

高圧及び中圧タービンセクションを有する蒸気タービンの概略図。本発明の好ましい実施形態によるパッキンシールセグメントの端面内のスプラインシールを示す、ロータ及びダイアフラム組立体の部分拡大部分断面図。隣接するシールセグメントと間隙内のスプラインシールとの間の端部間隙を示す、図２の線３−３に沿った部分断面図。スプラインシールの平面図。スプラインシールの別の形態の部分断面図。スプラインシールのさらに別の形態の概略図。それを覆うメタリック・クロスを示す、スプラインシールの拡大断面図。

符号の説明

　１６　ロータ
　１８　外側ケーシング
　２０　ダイアフラム組立体
　２２　ノズル
　２４　内側フック
　２６　バケット
　２８　ホイール
　３２　蒸気流の方向
　３３　ロータ軸線
　３４　パッキンシールセグメント
　３６　ダブテール形状の溝
　３８　ラビリンスシール歯
　５６、６０　スプラインシール

Claims

　複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２６）を支持し、蒸気タービン段の一部を形成するロータ（１６）と、
　該ロータを囲み、複数のノズル（２２）及び内側フック（２４）を備え、前記蒸気タービン段の別の一部を形成するダイアフラム組立体（２０）と、
を含み、
　前記内側フックは、前記ダイアフラム組立体の周りに、前記ロータと該ダイアフラム組立体との間をシールするための複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメント（３４）を支持し、
　前記セグメントの各々は、円周方向に隣接するセグメントの対向する端面（５０）とそれぞれ円周方向に整合した端面を有し、該端面は、円周方向に開口しかつ互いにほぼ円周方向に整合したスロット（５２、５８）を含み、
　スプラインシール（５６、６０、７０、８０、９０）が、円周方向に隣接するパッキンリングセグメントの前記対向する端面の各々の間で延びかつ前記スロット内で延びて、前記整合した端面を通り抜ける蒸気漏洩を最少にするか又は阻止する、
ことを特徴とする蒸気タービン。
　前記セグメント（３４）の各々は、前記ロータとの間をシールするための複数の軸方向に間隔を置いて配置されたラビリンスシール歯を有することを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
　前記スプラインシール（５６、７０、８０、９０）は、ほぼ軸方向及び円周方向に延びて、ほぼ半径方向の漏洩流をシールし、また第２のスプラインシール（６０、７０、８０、９０）が、円周方向に隣接するセグメントの前記対向する端面（５０）の間で、ほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向に延びて、ほぼ軸方向の蒸気漏洩流をシールすることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
　複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２６）を支持し、蒸気タービン段の一部を形成するロータ（１６）と、
　該ロータを囲み、複数のノズル及び内側フック（２４）を備え、前記蒸気タービン段の別の一部を形成するダイアフラム組立体（２０）と、
を含み、
　前記内側フックは、円周方向に延びるダブテール形状の溝（３６）を形成し、前記ダイアフラム組立体の周りで前記溝内に、複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメント（３４）を支持し、該セグメントは、前記ロータの周りをシールするためのラビリンスシール歯（３８）を支持し、前記溝内でほぼ半径方向に移動可能になっており、
　前記セグメントの各々は、円周方向に隣接するセグメントの対向する端面とそれぞれ円周方向に整合した端面（５０）を有し、該端面は、円周方向に開口しかつ互いにほぼ円周方向に整合したスロット（５２、５８）を含み、
　スプラインシール（５６、６０、７０、８０、９０）が、円周方向に隣接するセグメントの前記対向する端面の各々の間で延びかつ前記スロット内で延びて、前記整合した端面を通り抜ける蒸気漏洩を最少にするか又は阻止する、
ことを特徴とする蒸気タービン。
　前記スプラインシール（５６、７０、８０、９０）の各々は、ほぼ軸方向及び円周方向に延びて、ほぼ半径方向の漏洩流をシールすることを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のタービン。
　前記スプラインシール（６０、７０、８０、９０）は、ほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向及び円周方向に延びて、ほぼ軸方向の蒸気漏洩流をシールすることを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のタービン。
　ロータ（１６）と、該ロータを囲むダイアフラム組立体（２０）と、該ダイアフラム組立体の周りの円周方向に延びる溝（３６）内に配置された、該ダイアフラム組立体と前記ロータとの間をシールするための複数の円周方向に延びるパッキンシールセグメント（３４）とを有するタービンにおいて、隣接するパッキンシールセグメントの対向する端面（５０）間にシールを形成するためにパッキンシールセグメント（３４）を改造する方法であって、
　前記タービンから前記パッキンシールセグメント（３４）を取外す段階と、
　該取外されたパッキンシールセグメントの各端面（５０）内に少なくとも１つのスロット（５２、５８）を形成する段階と、
　前記パッキンシールセグメントの対向する端面の前記スロット内にスプラインシール（５６、６０）を配置する段階と、
　前記ダイアフラム組立体の前記溝（３６）内に前記パッキンシールセグメントを挿入して、前記スプラインシールが隣接するセグメントの間で延びて該隣接するセグメント間の蒸気漏洩流を最少にするか又は阻止するようにする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
　前記取外されたパッキンシールセグメントの各端面内に２つのスロット（５２、５８）を形成する段階と、前記対向する端面の各スロット内にスプラインシール（５６、６０）を配置して、該２つのスプラインシールが前記セグメントの前記タービン内への組立てによって前記隣接するセグメントの間で延びるようにする段階とを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。