JP2004060659A

JP2004060659A - 蒸気タービンにおけるノズルスラッシュ面のシール

Info

Publication number: JP2004060659A
Application number: JP2003281403A
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: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US6843479B2; CN1475654A; EP1387039A3; EP1387039A2; US20040021273A1; US20050053462A1

Abstract

【課題】　本発明は、蒸気タービンにおけるノズルセグメントの円周方向に整合したスラッシュ面間のスプラインシールに関する。
【解決手段】　羽根（２８）を支持するノズルセグメント（２２）は、蒸気タービンの外側ケーシング（２０）内の円周方向に延びるほぼダブテール状の溝（２４）内に受けられ、蒸気タービンの回転バケットと共にタービン段の一部を形成する。ノズルセグメントの隣り合う基部（２６）の傾斜したスラッシュ面（４０）には、スプラインシール（５０、５６）を受けるための円周方向に開口したスロット（５２、５４）が設けられる。スプラインシールは、隣り合うノズルセグメント間の間隙（４８）を通り抜ける蒸気漏洩流を阻止するか又は最少にし、それによってノズルのパーティション部を通る蒸気流を増大させる。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、一般的に蒸気タービンにおけるノズルセグメントの円周方向に整合したスラッシュ面間のシールに関し、より具体的には、ノズルセグメントのスラッシュ面間のスプラインシールに関する。

　蒸気タービンには、ロータに支持された円周方向に間隔を置いたバケットに近接して相互に円周方向に間隔を置いて配置されたステータ羽根、すなわち翼形部を含む固定ノズルが配置される。ノズル及びバケットの各組は、タービン段を形成する。ノズルは蒸気流を方向転換させてバケットに向け、次にバケットはその蒸気流から仕事を取り出す。蒸気タービンにおいては、タービンの蒸気流路内の可能な限り多くの漏洩通路とあらゆる二次的な漏洩回路とを最少にするか又は阻止することが極めて重要である。衝動蒸気タービンは、典型的にはホイールとダイヤフラム構造とを有するが、反動蒸気タービンは、典型的にはドラムロータ構造を利用する。衝動設計においては、タービン段の圧力降下は、主として固定ノズルのパーティション部において起り、他方、反動設計においては、圧力降下は、固定羽根と回転ブレードとの間でほぼ等分される。

　反動式ドラムロータ構造においては、パーティション部すなわちステータ羽根を支持するノズルは、個々のノズルセグメントとして、円周方向に延びるダブテール溝内に摺動可能に受けられる。つまり、ノズルセグメントは、円周方向に順次積み重ねられる。ノズルセグメントは、その対向する端部、すなわち端面にスラッシュ面を有し、このスラッシュ面は、一般的にノズルにおけるスウィープ角を変える翼形部の旋回形状に適応するために、ロータ軸線に対して傾斜が付けられている。スラッシュ面は、高圧及び中圧蒸気タービンセクションの全ての段に存在する。従ってスラッシュ面間には間隙が存在し、これらの間隙は、本質的にセグメント及びケーシングフックの機械加工の許容誤差、組立て方法、並びに作動圧力及び温度の結果として現れる。これらのスラッシュ面間隙は、ノズルの前後の異なる圧力領域間で大きな漏洩を生じさせるのに十分なほど大きくなる可能性がある。衝動タービン設計と比べて、典型的な反動タービン設計では、ノズルセグメントの数が多いことからこの問題は重大となる。従って、隣り合うノズルセグメントの間におけるスラッシュ面間の間隙は、累積して大きな漏洩面積となり、何らの対策も講じられない場合には、効率低下が大きくなる。

　従って、蒸気タービンにおける隣り合うノズルセグメントのスラッシュ面間の蒸気漏洩流路を最少にするか又は阻止する必要性がある。

　本発明の好ましい実施形態によると、円周方向に延びる弓形のダブテール状溝を有するタービンケーシング内に配置された、円周方向に延びるノズルセグメントが提供される。各ノズルセグメントは、基部と少なくとも１つのパーティション部すなわちノズル羽根とを含む。ノズルセグメントは、ケーシングのダブテール状溝内に順次積み重ねられる。ノズルセグメント基部のスラッシュ面すなわち端面は、該スラッシュ面を通り抜ける蒸気漏洩流を最少にするために、スプラインシールを有する。隣り合うノズルセグメントの整合したスラッシュ面には、スプラインシールの一部分を受けるための溝が設けられる。各スプラインシールは、ノズルセグメントを通り抜ける半径方向の蒸気漏洩流を阻止するようにほぼ軸方向に設けられた円周方向に整合した溝、又はノズルセグメントを通り抜ける軸方向の蒸気漏洩流を阻止するようにほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向に設けられた円周方向に整合した溝のいずれかの間で延びる平らな金属薄板を含むことができる。スプラインシールそれ自体は、メタリック・クロスで包まれることができ、或いは整合した溝の底部に着座するための対向する端部における拡大部を持つこともできる。後者のスプラインシールにおいては、セグメント間の間隙を跨ぐその中央部分は、溝の側面から間隔があり、スプラインシールの拘束又は破断を生じることなく、該スプラインシールに対して垂直な方向へセグメントが相対運動するのを可能にする。

　本発明の特別な利点は、現存の蒸気タービンに対して、その機械の全体性能を改善するための手段として、スプラインシールを組み込むことが可能である点にある。これを行なうために、また通常の保守のための停止期間中に、ノズルセグメントが、タービンケーシングから回動されすなわち取外される。スプラインシールを受けるために、スロットがスラッシュ面内に機械加工される。次に、セグメントは、スプラインシールが対向するスラッシュ面間に挿入された状態で、上部及び下部ケーシング内に転動させて戻され、それによって改造後において現存タービン内の蒸気漏洩通路を減少させる。

　本発明の好ましい実施形態においては、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、蒸気タービンセクション段の一部を形成するロータと、該ロータを囲み、複数のノズルを支持する複数のノズルセグメントを備え、蒸気タービンセクション段の別の一部を形成する固定ケーシングとを含み、該セグメントの各々が、円周方向に隣り合う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、該端面の各々が、ほぼ円周方向に開口しかつ円周方向に隣接する端面のスロットと円周方向に整合した少なくとも１つの第１のスロットを含み、第１のスプラインシールが、円周方向に隣り合うセグメントの隣り合う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流を最少にするか又は阻止する。

　本発明の別の好ましい実施形態においては、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、蒸気タービンセクション段の一部を形成するロータと、該ロータを囲み、複数のノズルを支持する複数のノズルセグメントを備え、蒸気タービンセクション段の別の一部を形成する固定ケーシングとを含み、該セグメントが、ノズルの少なくとも一部を形成する少なくとも１つのステータ羽根を支持するダブテール状基部を含み、該ケーシングが、円周方向に延びるダブテール状溝を有し、ノズルセグメントのダブテール状基部を受け、該セグメント基部の各々が、円周方向に隣り合うセグメント基部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、該端面が、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、円周方向に隣り合うセグメント基部の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流を最少にするか又は阻止する。

　本発明の更に別の好ましい実施形態においては、ロータと、該ロータを囲む固定ケーシングと、該ケーシングの周りで円周方向に延びる溝内に配置された複数の円周方向に延びるノズルセグメントとを有するタービンにおいて、隣り合うノズ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ノズルセグメントを改造する方法が提供され、該方法は、タービンからノズルセグメントを取外す段階と、該取外されたノズ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、ノズ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、ケーシングの溝内にノズルセグメントを挿入して、スプラインシールが隣り合うセグメントの間で延びて該隣り合う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。

　次に図面、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の一部が示されており、この蒸気タービン１０は、ロータ１２を含み、該ロータ１２は、その周縁部の周りに複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット１４を支持し、回転軸線１６を有する。図に示すように、又この形式の構造においては一般にそうであるように、バケットは、ロータの円周方向に延びる溝１８内に配置される。蒸気タービンケーシング２０が、ロータを取り囲み、ケーシング２０の溝２４内に円周方向に互いに間隔を置いて配置された複数のノズルセグメント２２を含む。各ノズルセグメント２２は、基部２６と、該基部から半径方向内向きに突出した少なくとも１つのパーティション部すなわちステータ羽根２８とを含み、隣り合うステータ羽根２８が、ノズルを形成する。従来と同様に、円周方向のノズルセグメント列の各々が、後続するバケット１４の円周方向列と共に、タービン段を形成するが、図１には、２つのタービン段が示されていることが理解されるであろう。

　ノズルセグメント基部２６は、該基部の軸方向に対向する側面上に軸方向に延びるフック３０を有するほぼダブテール形状である。溝２４は、フック３０の下方に位置する相補的な軸方向に対向するフックすなわちフランジ３２を有し、それによってノズルセグメントは、ほぼダブテール状の溝内に保持される。ノズルセグメントは、溝２４内で互いに円周方向に積み重ねられることが理解されるであろう。従って、セグメント２２の端面４０は、互いに整合した状態にある。製造許容誤差、作動状態時における熱過渡現象、及びその他の要因により、図２に誇張して示したように、ノズルセグメントの当接し合う端面間に間隙が形成される。更に、また図２に示すように、セグメントの端面４０は、軸方向の流れ方向すなわち図１に矢印３４で表したようにタービン段を通って流れて仕事を行なう蒸気の流れ方向に対して、或る角度だけ傾斜が付けられている。パーティション部２８前方の高圧領域内に在る蒸気は、ノズルセグメント２２の基部２６の端面４０間に形成されたあらゆる間隙を通って、パーティション部を通る本来の流路３４を迂回して流れることができる。

　セグメント２２のスラッシュ面を通り抜ける漏洩流路を最小にするか又は排除するために、全体を符号４６で表したスプラインシールが、隣り合うノズルセグメント２２の円周方向に整合したスラッシュ面４０の間に配置される。例えば、隣り合う円周方向に延びるノズルセグメント２２の各端面内に、溝又はスロット４４（図２）が設けられる。これらのスロットは、互いに円周方向に整合して、スラッシュ面間の間隙４８を跨いで延びるスプラインシール４６を受ける。

　図２及び図３に示すように、スプラインシール４６は、ほぼ平行四辺形状をした平らな金属薄板を含むことができる。ノズルセグメントの大きさが小さいため、スプラインシールは、厚さ０．０１０インチの薄い金属薄板で形成されるのが好ましい。図１に示すように、スプラインシール４６は、ノズルセグメント基部の整合した端面内の整合したほぼ軸方向及び円周方向に延びるスロット５２間に置かれた第１のスプラインシール５０を含む。従って、整合したスロット５２内で延びるこの第１のスプラインシール５０は、半径方向外向き方向に流れて隣り合うノズルセグメント基部２６のスラッシュ面４０間の間隙に流入する漏洩流を阻止するか又は最少にする。隣り合うノズルセグメント内の付加的なすなわち第２のスロット５４の対もまた、互いに整合している。付加的なすなわち第２のスロット５４に受けられた第２のスプラインシール５６は、半径方向外向き下流方向に傾けられて、間隙境界面においてノズルセグメントの対向するスラッシュ面４０間の間隙４８に流入する漏洩流を阻止するか又は最少にする。このように、ノズルセグメントのスラッシュ面間の各間隙４８には、漏洩流を最少にするか又は阻止するために、一対のスプラインシール５０、５６が設けられる。

　隣り合うノズルセグメント２２間の端面間隙４８には、スプラインシールが元の装置の製造構造の一部として設けられることができ、或いは現存タービンに改造して組込まれることができることが理解されるであろう。例えば、現存タービンにスプラインシールを組込むためには、タービンが分解され、すなわち上部ケーシング、外側ケーシング、及び内側ケーシングが取外され、ノズルセグメントが、円周方向に回動させてダブテール状溝２４から取外される。次に、スプラインシール５０、５６を受けるために、ノズルセグメント２２の端面４０内にそれぞれ溝又はスロット５２、５４が形成される。溝がこのように形成されると、隣り合う端面間のスロット内にスプラインシール５０、５６を挿入した状態で、セグメントは、ケーシングのダブテール状溝内に回動させて戻されることができる。これとは別に、取外されたノズルセグメント内に溝を形成する代わりに、既に形成されている溝を有する新しいノズルセグメントを使用してもよい。

　次に図４を参照すると、例えばノズルセグメント２２の円周方向に対向する端面４０におけるスロット５２のようなスロット又は溝内に、別の形態のスプラインシール６０が示されている。スプラインシール６０は、該シールの対向する端部に沿った、溝の底部に隣接して配置される拡大端部６４を備えたシール本体６２を有することができる。従って、シール本体６２の中央部分６６は、スロット及び拡大端部６４の幅に比較して小さい厚さ寸法を有し、スプラインシールに損傷を生じさせることなくセグメント２２が相対運動するのを容易にする。スプラインシール６０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５を参照すると、スプラインシール４６の別の形態が示されている。図５のスプラインシール７０は、シール本体７２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７２は、対向する端部が符号７４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７０の両側に沿った拡大端部８６が形成されている。逆方向に湾曲された部分の端縁７８は、シール本体の中央部分に面する。拡大端部７６は、図４のスプラインシール６０の拡大端部６４と同様に、スロットの底部に隣接して配置され、ノズルセグメントが相対運動するのを容易にする。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６には、スプラインシール４６の別の形態が示されている。この形態において、スプラインシール８０は８金属で形成された中心コア９２を有し、クロス８４のオーバーレイを有する。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。

　以上の説明から、スプラインシールは、隣り合うノズルセグメントのスラッシュ面間に設けられ、隣り合うスラッシュ面の溝内に配置されることが理解されるであろう。スプラインシールは、ほぼ軸方向に及びタービン軸線に対して半径方向外向きかつ下流方向に傾斜して延びて、ノズルセグメントの基部を通り抜ける半径方向及び軸方向の蒸気漏洩を最少にするか又は阻止する。このようにして、漏洩通路が縮小又は排除され、それによってタービン段を通る蒸気流が増大され、従って行われる仕事が高められる。

　現時点で最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関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ものではなく、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。

本発明の好ましい実施形態によるノズルセグメントのスラッシュ面内のスプラインシールを示す、ロータ及び蒸気タービンケーシングの破断拡大部分断面図。その間にスプラインシールを有する傾斜したスラッシュ面を示す、隣り合うノズルセグメントの破断軸方向図。スラッシュ面間で使用するためのスプラインシールの平面図。異なる形態のスプラインシールの破断断面図。別の形態のスプラインシールの概略図。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

　１０　蒸気タービン
　１２　ロータ
　１４　バケット
　１６　ロータ回転軸線
　２０　蒸気タービンケーシング
　２２　ノズルセグメント
　２４　ケーシングの溝
　２６　ノズルセグメント基部
　２８　ステータ羽根
　３４　蒸気流方向
　４０　ノズルセグメントのスラッシュ面
　５０、５６　スプラインシール
　５２、５４　スロット

Claims

　複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（１４）を支持し、蒸気タービンセクション段の一部を形成するロータ（１２）と、
　該ロータを囲み、複数のノズルを支持する複数のノズルセグメント（２２）を備え、前記蒸気タービンセクション段の別の一部を形成する固定ケーシング（２０）と、
を含み、
　前記セグメントの各々が、円周方向に隣り合う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（４０）を有し、該端面の各々が、ほぼ円周方向に開口しかつ円周方向に隣接する端面のスロットと円周方向に整合した少なくとも１つの第１のスロット（４４、５２、５４）を含み、
　第１のスプラインシール（５０、５６）が、円周方向に隣り合うセグメントの前記隣り合う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流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。
　前記隣り合う端面が、互いに前記ロータの回転軸線（１６）に対して傾斜しており、互いにほぼ平行になっていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
　前記ノズル（２８）及び前記バケット（１４）が、前記タービン段を通る蒸気流路の一部を形成し、前記スプラインシール（５０）が、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、前記第２のスプラインシール（５６）が、円周方向に隣り合うセグメントの前記対向する端面間で、前記タービン段を通る蒸気流の方向に対してほぼ下流方向に傾斜した半径方向外向き方向に延び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（１４）を支持し、蒸気タービンセクション段の一部を形成するロータ（１２）と、
　該ロータを囲み、複数のノズルを支持する複数のノズルセグメント（２２）を備え、前記蒸気タービンセクション段の別の一部を形成する固定ケーシング（２０）と、
を含み、
　前記セグメントが、前記ノズルの少なくとも一部を形成する少なくとも１つのステータ羽根（２８）を支持するダブテール状基部（２６）を含み、
　前記ケーシングが、円周方向に延びるダブテール状溝（２４）を有し、前記ノズルセグメントの前記ダブテール状基部を受け、
　前記セグメント基部の各々が、円周方向に隣り合うセグメント基部の対向する端面とそれぞれ円周方向に整合した端面（４０）を有し、該端面が、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（４４、５２、５４）を含み、
　スプラインシール（５０、５６）が、円周方向に隣り合うセグメント基部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流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（５０）の各々が、ほぼ軸方向及び円周方向に延びて、ほぼ半径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。
　前記スプラインシール（５０）が、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又は請求項４に記載のタービン。
　ロータ（１２）と、該ロータを囲む固定ケーシング（２０）と、該ケーシングの周りで円周方向に延びる溝（２４）内に配置された複数の円周方向に延びるノズルセグメント（２２）とを有するタービンにおいて、隣り合うノズ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ノズルセグメントを改造する方法であって、
　前記タービンから前記ノズルセグメント（２２）を取外す段階と、
　該取外されたノズルセグメントの各端面内に少なくとも１つのスロット（４４、５２、５４）を形成する段階と、
　前記ノズ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（５０、５６）を配置する段階と、
　前記ケーシングの溝（２４）内に前記ノズルセグメントを挿入して、前記スプラインシールが隣り合うセグメント間で延びて該隣り合う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。
　前記取外されたノズルセグメントの各端面内に２つのスロット（５２、５４）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（５０、５６）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り合うノズルセグメント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。