JP2004060658A - 蒸気タービンパッキンケーシングの水平方向接合部のシール及びそのシールを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　本発明は、高圧及び中圧タービンセクションの高圧領域と中圧領域との間をシールするための、水平方向中線の接合部におけるパッキンケーシングのシールに関する。
【解決手段】　スプラインシール（６７、７０、８０、９０）が、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内のパッキンケーシングシェル（２８）間の接合部に形成され、該パッキンケーシングの軸方向両側の高圧領域と中圧領域との間をシールする。スプラインシールは、整合した溝（６０）内で、ロータのシールセグメントの近傍から半径方向外向きに外側シェルとパッキンケーシングとの間の協働可能な軸方向荷重面（５４、５６）の近傍まで延びる。スプラインシールは、パッキンケーシングシェルの水平方向接合部を通り抜ける蒸気漏洩流路を最小にするか又は排除する。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、一般的には蒸気タービン用のシールに関し、具体的には、高圧及び中圧タービンセクションの高圧領域と中圧領域との間をシールするための、水平方向中線の接合部におけるパッキンケーシングのシール及びそのシールを形成する方法に関する。

　多くの場合、蒸気タービンは、各セクションに共通なロータの周りで軸方向に間隔を置いて配置された高圧及び中圧タービンセクションから構成される。公知なように、各セクションは、軸方向に間隔を置いた位置においてロータに支持された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを含み、該バケットは、外側シェルに取付けられたノズル組立体と共に複数のタービン段を形成する。蒸気タービンの高圧セクションと中圧セクションとの間には、パッキンケーシングが位置する。パッキンケーシングは、一般的に水平方向中線に沿って互いに接合された複数のシェル、すなわち、通常は２つの半体シェルから構成される。パッキンケーシングは、ロータの周りをシールするためのラビリンス歯状突起を支持するパッキンシールセグメントを受けるための複数の軸方向に間隔を置いて配置された円弧状に延びる溝を含む。パッキンケーシングは、ロータシールからほぼ半径方向外向きにタービンの外側シェルとの結合部まで延びる。従って、パッキンケーシングは、高圧タービンセクション用の蒸気入口と中圧タービンセクション用の蒸気入口との中間に位置する。パッキンケーシングは、高圧入口流と中圧入口流とを分離するため、パッキンケーシングのシェル間の接合部を横切る大きな蒸気漏洩を生じる可能性が強い。具体的には、シェルは互いにボルトで止められるが、タービン運転中のシェルの温度変化、機械加工公差、及び圧力ひずみにより、高圧領域と中圧領域との間の水平方向接合部を通り抜ける漏洩流路が形成される可能性が生じる。ばね付勢キーがこれまで水平方向接合部に用いられてきたが、それらのキーは、実質的なシール機能を果たさない。水平方向接合部を通り抜ける大きな蒸気漏洩流は、機械の効率及び性能を低下させることが分かるであろう。

　本発明の好ましい実施形態によると、高圧セクション及び中圧セクションを有する蒸気タービンの高圧領域と中圧領域との間の蒸気漏洩流路を最小にするか又は排除するために、パッキンケーシングシェル間の接合部界接面のスプラインシールが提供される。隣接するパッキンケーシングシェル間の接合部における端面の各々内に、円周方向に開口しかつ隣接する端面内の対応する溝と整合して開口した溝が設けられる。スプラインシールが、整合した溝内に配置される。溝、従ってスプラインシールは、ロータに隣接する部位からパッキンケーシングと外側シェルとの間の結合部に隣接する部位まで延びる。

　より具体的には、パッキンケーシングと外側シェルとの間の結合部は、軸方向に当接される軸方向荷重面を含み、従って外側シェルの軸方向荷重面がストッパとして役立ち、パッキンケーシングが中圧セクションの方向に軸方向に移動するのを防止する。更に、パッキンケーシングにより支持されたパッキンシールセグメントがまた、シールとして役立つ協働する軸方向荷重面を有する。溝及びスプラインシールは、パッキンケーシング及びパッキンシールセグメントの協働可能な軸方向荷重面に隣接するそれらの半径方向最内端部から外側シェルとパッキンケーシングとの間の係合する軸方向荷重面の近傍まで延びる。パッキンケーシングの水平方向接合部内のスプラインシールは、機械の全体効率を高めるために、最初の装置製作に適用することができると同時に、現用の蒸気タービン装置に改造して組み込まれることができることが分かるであろう。

　本発明による好ましい実施形態において、蒸気タービンが提供され、該蒸気タービンは、共通なロータの周りで軸方向に間隔を置いて配置された、異なる圧力で動作可能なタービンセクションと、差圧セクション及びロータの周りに配置された外側シェルと、差圧セクションの中間に配置され、外側シェルに結合されたパッキンケーシングとを含み、パッキンケーシングが、該パッキンケーシングの軸方向両側の差圧領域を分離し、また該パッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面を有する少なくとも一対の円弧形のシェルで形成され、該シェル間の及び外側シェルとロータとの間の少なくとも１つの接合部を形成し、整合した溝が接合部の端面内に設けられ、スプラインシールが、整合した溝内で延びて、接合部においてパッキンケーシングの軸方向両側の差圧領域間をシールする。

　本発明による別の好ましい実施形態において、蒸気タービンが提供され、該蒸気タービンは、共通なロータの周りで軸方向に間隔を置いて配置された、高圧タービンセクション及び中圧タービンセクションと、高圧セクション及び中圧セクションとロータとの周りに配置された外側シェルと、高圧セクションと中圧セクションとの中間に配置され、その軸方向両側の高圧領域と中圧領域とを分離するパッキンケーシングとを含み、パッキンケーシングは、高圧領域と中圧領域との間の圧力差に応じて該パッキンケーシングが外側シェルに対して軸方向に移動するのを阻止するために、該外側シェルに設けられた軸方向荷重面に対して当接する軸方向荷重面を有しており、またパッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面を有する一対の円弧形のシェルで形成され、該シェル間に位置しかつタービンの水平方向中線にほぼ隣接して外側シェルとロータとの間で延びる一対の接合部を形成し、整合した溝が、パッキンケーシングの各接合部において該パッキンケーシングの端面内に設けられ、スプラインシールが、各接合部の整合した溝内に配置されて、高圧領域と中圧領域との間をシールし、ロータの近傍からパッキンケーシング及び外側シェルの軸方向荷重面の近傍までほぼ半径方向に延びている。

　本発明による更に別の好ましい実施形態において、共通なロータの周りで軸方向に間隔を置いて配置された、高圧及び中圧セクションと、高圧及び中圧セクションとロータとの周りに配置された外側シェルと、高圧及び中圧セクションの中間に配置され、その軸方向両側の高圧及び中圧領域を分離するパッキンケーシングとを含み、パッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面を有する一対の円弧形のシェルで形成され、該シェル間に位置しかつタービンの水平方向中線にほぼ隣接してロータと外側シェルとの間で延びる一対の接合部を形成している蒸気タービンにおいて、パッキンケーシングの両側の高圧及び中圧領域の間をシールする方法が提供され、該方法は、パッキンケーシングシェルの各端面内に、対向する端面内に形成された溝と整合するように溝を形成する段階と、一対の端面の溝内にスプラインシールを挿入する段階と、接合部の整合した溝内にスプラインシールを位置させた状態で、水平方向中線に沿ってパッキンケーシングシェルを互いに固定する段階とを含む。

　図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示す従来技術の蒸気タービンの1部分が図示されており、この実施例では、蒸気タービン１０は、単一の一体形ロータ１６の周りに取付けられた、全体を符号１２で示す高圧タービンセクション及び全体を符号１４で示す中圧タービンセクション、すなわち、差圧セクションから構成される。ロータ１６は、高圧タービンセクション１２及び中圧タービンセクション１４により回転駆動されるが、ケーシング、すなわち外側シェル１８は静止したままであることが分かるであろう。蒸気入口２０が、高圧状態の蒸気を高圧タービンセクション１２に供給する。蒸気入口２２が、より低い、例えば中圧状態の蒸気を中圧タービンセクション１４に供給する。入口２０介して高圧蒸気が供給される高圧領域２４と入口２２介して中圧蒸気が供給される中圧領域２６との間に、パッキンケーシング２８が設けられる。

　パッキンケーシング２８は、少なくとも一対の円弧形のシェルから形成されるのが好ましく、該シェルの１つが符号２９で図示されており、互いに整合し結合される端面を形成する直径方向に対向するフランジを有する。このようなフランジ３０の１つが、図1に示されており、隣接する円弧形のシェルの円周方向に整合した端面と整合する端面３２を有する。パッキンケーシングシェルが、端面が突き合わされた状態で互いに固定されるときに、パッキンケーシング２８はロータ１６の周りに環状体を形成し、ロータシェル１８に支持されかつ該ロータシェルに固定されることが分かるであろう。

　図１及び図２に示すように、パッキンケーシング２８は、軸方向に間隔を置いて配置された円弧状に延びる複数のダブテール状溝３４を含む。各溝内に回動さることによってパッキンシールセグメント３６が取付けられ、該パッキンシールセグメント３６は、ロータ１６との間でシールを形成するためのラビリンスシール歯状突起４０を支持する半径方向内向きのフランジ３８を有する。ダブテール状溝３４は、軸方向に対向するフランジ４２を有し、またパッキンシールセグメントは、フック４６とフランジ３８との中間に頚部４４を有する。頚部４４（図２）の上流方向側の軸方向面は、パッキンケーシングの下流方向のフック４２に係合して、パッキンシールセグメントの両側の圧力差により協働可能な軸方向荷重面を形成することが分かるであろう。（上流方向及び下流方向という用語は、それぞれ高圧セクション及び中圧セクション内での蒸気流れの、矢印３９及び矢印４１により示すような方向を意味する。）

　パッキンケーシング２８は、外側シェル１８に結合されるようにほぼ半径方向外向き方向に延びる。具体的には、外側シェル１８は、半径方向内向きに向けられたフランジ５０を含み、該フランジ５０は、パッキンケーシング２８の外面に沿って形成された溝又はスロット５２内に受けられる。最終組立て状態において、フランジ５０及び溝５２は、形状がほぼ環状である。パッキンケーシング２８の溝５２を形成する下流方向の軸方向面５４（図２）は、フランジ５０の上流方向の面５６と軸方向に整合した状態に位置することが分かるであろう。これらの軸方向面は軸方向荷重面を形成し、これら軸方向荷重面は、協働して、タービンの高圧領域と中圧領域との間の差圧により生じるパッキンケーシング２８の下流方向への軸方向の移動、すなわち図２において中圧セクションの方向に向かう右側への移動を防止する。

　パッキンケーシング２８を形成するシェルの整合した端面３２の各々に、隣接するパッキンケーシングシェルの対向する端面内の対応する溝と整合した溝６０が設けられる。２つのシェル半体で形成された典型的なパッキンケーシングでは、各端面の溝は、パッキンケーシングの水平方向中線の接合部に沿った隣接する端面の対向する溝と整合する。スプラインシール６２が、整合した溝６０内で延びており、従って隣接するパッキンケーシングシェルの整合した端面の界接面にわたって延びる。スプラインシール６２は、例えば、０．０１０インチの厚さまでに形成された細長い金属片であるのが好ましく、長い両端縁がそれぞれの溝内で延びて、該スプラインシールが対向する端面３２間のあらゆる間隙に跨るようにされる。図２に示すように、スプラインシール６２及び溝６０の半径方向最内端部は、パッキンシールセグメント３６とパッキンケーシングのフランジ４２との間の軸方向荷重面の近傍から半径方向外側の協働可能な軸方向荷重面５４及び５６の近傍まで延びる。こうして、スプラインシール及び溝が、接合部の実質的に全体にわたってかつそれ自体がシール面である部位の間で半径方向外向きに延びる。

　次に図３を参照すると、隣接するパッキンケーシングシェルの溝６０内に配置されるスプラインシールの別の形態が示されている。この形態のスプラインシール７０では、溝６０の底部に隣接して配置するための拡大された端部、例えばシールの細長い対向する端縁に沿った拡大部７４を備えるシール本体７２が設けられる。従って、シール本体７２の中央部分７６は、スロット６０及び拡大された端部７４の幅に比較して小さい深さ寸法を有しており、スプラインシールを損傷させることなく、パッキンケーシングシェルの対向する端面３２間のいかなる不整合、並びに蒸気タービン運転中の過渡的熱変形を吸収する。図３のスプラインシール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のものであって、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。

　図４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４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、該シール本体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された端部、例えば拡大部８６が形成される。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、スロット６０の底部に隣接して配置され、端面３２の不整合を吸収し、過渡的熱変形が発生した時に、パッキンケーシングシェルの相対運動を可能にする。この形式のスプラインシールもまた、上述の特許に開示されている。

　図５を参照すると、金属で形成されかつクロス材料９４のオーバーレイをもつ中心コア９２を有する別のスプラインシール９０が示されている。クロス層は、織られて繊維層を形成する金属、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号に開示された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。

　以上の説明から、スプラインシールは、溝内に設けられ、パッキンケーシングシェルの対向する端面間で延びて、パッキンケーシングの軸方向両側の高圧領域と中間領域との間の蒸気漏洩流路を最小にするか又は阻止することが分かるであろう。更に、パッキンケーシングシェル間のシールは、最初の装置製作の一部として又は現用の蒸気タービンに改造して組み込まれたものとして形成することができることが分かるであろう。後者を達成するために、蒸気タービンは分解され、すなわち、上部外側シェルが取外され、パッキンケーシングが同様に取外される。次に、パッキンケーシングの端面内に、該端面内の溝が対向する他の端面の溝と整合するように、溝が形成される。溝が形成されると、パッキンケーシングシェルは、ロータの周りで再組立てされて互いにボルト止めされることができる。次に、上部外側シェルが、下部外側シェルに固定されて改造は完成する。

　現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものについて、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。

従来技術によるタービンの高圧及び中圧セクションを示す、蒸気タービンの軸線を通る平面に沿いかつ水平方向中線に沿った部分断面図。 本発明の好ましい実施形態によるパッキンケーシングシェル間の接合部界接面におけるシールを具体的に示す、拡大部分断面図。 スプラインシールの形態の部分断面図。 スプラインシールの別の形態の概略図。 それを覆う金属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

　１８　外側シェル
　２０　高圧蒸気入口
　２２　中圧蒸気入口
　２８　パッキンケーシング
　２９　パッキンケーシングのシェル
　３２　パッキンケーシングの端面
　３４　ダブテール状溝
　３８　半径方向内向きのフランジ
　４２　パッキンケーシングのフランジ
　４４　頚部
　４６　フック
　５０　外側シェルの半径方向内向きフランジ
　５２　パッキンケーシングの溝
　５４　パッキンケーシングの荷重面
　５６　フランジの荷重表面
　６２　スプラインシール

Claims (10)

1. 　共通なロータ（１６）の周りで軸方向に間隔を置いて配置された、異なる圧力で動作可能なタービンセクション（１２、１４）と、
   　前記差圧セクション及び前記ロータの周りに配置された外側シェル（１８）と、
   　前記差圧セクションの中間に配置され、前記外側シェルに結合されたパッキンケーシング（２８）と、を含み、
   　前記パッキンケーシングが、該パッキンケーシングの軸方向両側の差圧領域を分離し、
   　前記パッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面（３２）を有する少なくとも一対の円弧形のシェルで形成され、前記シェル間の及び前記外側シェルと前記ロータとの間の少なくとも１つの接合部を形成し、
   　整合した溝（６０）が前記接合部の端面内に設けられ、
   　スプラインシール（６２、７０、８０、９０）が、前記整合した溝内で延びて、前記接合部において前記パッキンケーシングの軸方向両側の前記差圧領域間をシールする、
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 　前記溝（６０）及び前記スプラインシール（６２、７０、８０、９０）が、前記ロータに隣接する部位と前記外側シェルに隣接する部位との間で延びていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 　前記パッキンケーシング及び前記外側シェルの１方が、軸方向面（５４）を有するほぼ円周方向に延びる溝（５２）を含み、前記パッキンケーシング及び前記外側シェルの他方が、前記溝内に受けられて前記軸方向面との間の軸方向シール面（５６）を形成する円周方向に延びるフランジ（５２）を含み、前記スプラインシール（６２、７０、８０、９０）及び前記スプラインシール溝（６０）が、前記ロータに隣接する部位と前記軸方向シール面に隣接する部位との間で延びていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
4. 　前記パッキンケーシングが、前記ロータの周りをシールするために、複数の軸方向に間隔を置いて配置された円弧形の溝（３４）と該溝内に配置された円弧形のパッキンシールセグメント（３６）とを含み、前記軸方向に間隔を置いて配置された溝及び前記パッキンシールセグメントが、協働可能な軸方向荷重面（４４、４２）を有しており、前記スプラインシール（６２、７０、８０、９０）及び前記シェルの前記整合した端面溝（６０）が、前記軸方向荷重面及び前記軸方向シール面の１つの近傍から延びていることを特徴とする、請求項３に記載のタービン。
5. 　前記スプラインシール（６２、７０、８０、９０）及び前記整合した端面溝（６０）が、ほぼ半径方向に弓形状に延びていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
6. 　前記スプラインシール（７０、８０）の各々は、その両端縁に沿った拡大部（７４、８６）を有し、該拡大部がそれぞれ前記スロットの底部に隣接した状態で該スロット内に受けられるシール本体（７２、８２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
7. 　共通なロータ（１６）の周りで軸方向に間隔を置いて配置された、高圧タービンセクション（１２）及び中圧タービンセクション（１４）と、
   　前記高圧セクション及び中圧セクションと前記ロータとの周りに配置された外側シェル（１８）と、
   　前記高圧セクションと前記中圧セクションとの中間に配置され、その軸方向両側の高圧領域と中圧領域とを分離するパッキンケーシング（２８）と、を含み、
   　前記パッキンケーシングは、前記高圧領域と前記中圧領域との間の圧力差に応じて該パッキンケーシングが前記外側シェルに対して軸方向に移動するのを阻止するために、前記外側シェルに設けられた軸方向荷重面（５６）に対して当接する軸方向荷重面（５４）を有しており、
   　前記パッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面（３２）を有する一対の円弧形のシェルで形成され、前記シェル間に位置しかつタービンの水平方向中線にほぼ隣接して前記外側シェルと前記ロータとの間で延びる一対の接合部を形成し、
   　整合した溝（６０）が、前記パッキンケーシングの各接合部において該パッキンケーシングの前記端面内に設けられ、
   　スプラインシール（６２、７０、８０、９０）が、各接合部の前記整合した溝内に配置されて、前記高圧領域と前記中圧領域との間をシールし、前記ロータの近傍から前記パッキンケーシング及び前記外側シェルの前記軸方向荷重面の近傍までほぼ半径方向に延びている、
   ことを特徴とする蒸気タービン。
8. 　前記パッキンケーシングが、前記ロータの周りをシールするために、複数の軸方向に間隔を置いて配置された円弧形の溝（３４）と該溝内に配置された円弧形のパッキンシールセグメント（３６）とを含み、前記軸方向に間隔を置いて配置された溝及び前記パッキンシールセグメントが、協働可能な軸方向荷重面（４４、４２）を有しており、前記スプラインシール（６２、７０、８０、９０）及び前記シェルの前記整合した端面溝（６０）が、前記パッキンシールセグメント及び前記溝の協働可能な軸方向荷重面の近傍から前記パッキンケーシング及び前記外側シェルの軸方向荷重面の近傍まで延びていることを特徴とする、請求項７に記載のタービン。
9. 　前記スプラインシール（９０）の各々が、その両側に沿いかつ少なくとも一対のその両端縁の周りで該スプラインシールを囲むクロス（９４）を含むことを特徴とする、請求項１又は７に記載のタービン。
10. 　共通なロータ（１６）の周りで軸方向に間隔を置いて配置された、高圧及び中圧セクション（１２、１４）と、前記高圧及び中圧セクションと前記ロータとの周りに配置された外側シェル（１８）と、前記高圧及び中圧セクションの中間に配置され、その軸方向両側の高圧及び中圧領域を分離するパッキンケーシング（２８）とを含み、前記パッキンケーシングが、互いに接合された円周方向に整合した端面（３２）を有する一対の円弧形のシェル（２９）で形成され、前記シェル間に位置しかつタービンの水平方向中線にほぼ隣接して前記ロータと前記外側シェルとの間で延びる一対の接合部を形成している蒸気タービンにおいて、前記パッキンケーシングの両側の前記高圧及び中圧領域の間をシールする方法であって、
    　前記パッキンケーシングシェル（１８）の各端面（３２）内に、対向する該端面内に形成された溝と整合するように溝（６０）を形成する段階と、
    　一対の端面の前記溝内にスプラインシール（６２、７０、８０、９０）を挿入する段階と、
    　前記接合部の前記整合した溝内に前記スプラインシールを位置させた状態で、前記水平方向中線に沿って前記パッキンケーシングシェルを互いに固定する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
    
    

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