JP2004060660A - 蒸気タービンのバケット先端固定シールセグメントの端面間隙シール及びその改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　本発明は、端面と端面を突き合わせて円周方向に配置されたバケット先端固定シールセグメントの端面間のスプラインシールに関する。
【解決手段】　バケット22の回転する先端24と半径方向に対向して、蒸気タービンのダイアフラム組立体の溝31, 37, 44内に配置された隣接する円弧形のシール片セグメント36, 38, 42の円周方向に整合したスロット60, 62, 63内に、スプラインシール64, 66, 68が配置される。スプラインシールは、セグメントの端面56間の間隙54内で延びて、端面を通り抜ける蒸気漏洩を最少にする。スプラインシールは、スロット内に配置され、該スロットは、最初の装置製造の一部として形成されるか、又はスプラインシールが改造として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のダイアフラム組立体におけるバケット先端固定シールセグメントの円周方向に整合した端面間のシールに関し、具体的には、蒸気タービンの固定ダイアフラム内に端面と端面を突き合わせて円周方向に配置されたバケット先端固定シールセグメントの端面間のスプラインシール及びこのスプラインシールを改造する方法に関する。

　蒸気タービンの設計においては、蒸気流路内の多くの蒸気漏洩流路を可能な限り最小にするか又は排除することが非常に望ましい。蒸気タービンの各段は、ロータに取付けら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と複数のノズルを支持するダイアフラムとを含み、バケット及びノズルが蒸気タービンのタービンセクションの段を形成する。回転するバケットの先端との間をシールするためのシール片として一般的に知られている固定シールが、ダイアフラム組立体内に取付けられる。シール片は、一般的に蒸気タービンのダイアフラム又はシェル内の円周方向のスロット内に配置、すなわち回動させて組み込まれる。シール片は、形状が環状であり、多数の円弧形のシール片セグメントで形成される。セグメントは、ダイアフラム組立体又はシェル内に取付けられて、該セグメントの環状の列、すなわち、タービン段の両側の高圧領域と低圧領域との間においてバケット先端との間のシールを形成する連続した環状のリングを形成する。

　固定シール片セグメントは、回転するバケット先端の周りに直接設置され、機械性能にとって重要なバケット先端にわたるあらゆる漏洩を抑制する。固定シール片セグメントは、一般的にダイアフラム組立体の周りに形成された円周方向のスロット及びダブテール状溝内に設置される。しかしながら、円弧形のシール片セグメントの端面間の間隙により、蒸気の大きな漏洩流路が生じる。この漏洩流路は、十分に大きい場合には、著しい効率低下を引き起こす可能性があり、このことが、蒸気タービンのユーザ、典型的には発電業者に収益の損失をもたらすことがある。シール片セグメントの端面間の間隙は、セグメント及びダイアフラム又はタービンシェルの機械的公差のためにかなり大きくなることがある。更に、隣接する端面間の間隙はまた、作動状態の間にダイアフラムとシェルとの間の熱膨張差及び圧力のために増大する可能性がある。その上、シール片セグメントが典型的な蒸気タービンユニットの高圧、中圧及び低圧セクションの各々において広く用いられるという事実から見て、漏洩はかなり大きなものとなる可能性がある。

　従って、蒸気タービンにおいてダイアフラム又はシェルと回転するバケット先端との間をシールする固定シール片セグメントの端面間隙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おいて、固定シール片セグメントの対向する端面間をシールし、タービンバケットの両側の高圧領域と低圧領域との間の蒸気漏洩流を最少にするか又は排除するための、それら端面上のスプラインシールが提供される。具体的には、シール片セグメントの端面内にスロットが形成され、スプラインシールが、該スロット内に挿入されて端面間に生じるあらゆる間隙をシールする。シール片セグメントは、ダイアフラム組立体内に形成された環状の溝内に配置される。その溝の一部は、ダブテール形状の構成になっており、シール片セグメントがほぼ相補形の形状を有する。加えて、スプラインシールが、ほぼ軸方向又は半径方向に延びることができる。軸方向のスプラインシールは、シール片セグメントのほぼ軸方向幅の全体に延びて、隣接するシール片セグメントの端面間のあらゆる間隙を通り抜ける半径方向外向き方向の、次いで軸方向下流方向の蒸気漏洩流を阻止する。半径方向に延びるスプラインシールは、シール片セグメントのほぼ半径全体に延びて、シール片セグメントの端面間のあらゆる間隙を通る軸方向の蒸気漏洩流を阻止するか又は最少にする。

　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、バケット先端を有する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するロータと、該ロータを囲みかつ複数のノズルを支持する固定ケーシングとを含み、バケット及びノズルが蒸気タービンの段を形成し、ケーシングは、バケット先端から半径方向に間隔を置いた軸方向のシール位置において該ケーシングの周りに、該バケット先端と該ケーシングとの間をシールするための複数の円周方向に延びる固定シール片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セグメント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において、蒸気タービンが提供され、該蒸気タービンは、バケット先端を有する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するロータと、該ロータを囲みかつ複数のノズルを支持する固定ケーシングとを含み、バケット及びノズルが蒸気タービンの段を形成し、ケーシングは、円周方向に延びるダブテール状溝を有し、該ダブテール状溝は、該溝内においてケーシングの周りに、バケット先端の周りをシールするための少なくとも1つのラビリンスシール歯状突起を支持する複数の円周方向に延びる固定シール片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セグメント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を最少にするか又は阻止する。

　本発明による更に別の好ましい実施形態において、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するロータと、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、該ケーシングとバケットの先端との間をシールするための複数の円周方向に延びるシール片セグメントとを有する蒸気タービンにおいて、隣接するシール片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シール片セグメントを改造する方法が提供され、該方法は、タービンケーシングからシール片セグメントを取外す段階と、取外されたシール片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、シール片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シール片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。

　ここで図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示す蒸気タービンが図示されている。この実施例では、蒸気タービン１０は、高圧タービンセクション１２と、蒸気タービンケーシング１８の対向する端部を越えて延びる単一の一体形ロータ１６に取付けられた中圧タービンセクション１４とから構成される。ロータ１６は、高圧及び中圧タービンセクション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。蒸気タービンでは一般的であるが、図２を参照すると、ロータ１６は、一般的にその先端２４にカバープレート２２を有する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０を支持する。各タービンセクションはまた、複数のノズル２８、すなわちステータ羽根を支持するダイアフラム組立体２６を含む。軸方向に隣接するバケット２０及びノズル２８は、蒸気タービン１０の段を形成し、また２つの段が図２に示されているが、任意の数の段が追加されるのが一般的であることが分かるであろう。ノズル２８及びバケット２０を通過する蒸気流路は、蒸気流の方向矢印３０により示される。

　先端２４の周りにおける蒸気流の漏洩をシールするために、バケット２０のカバー２２を含む先端２４と半径方向に対向するそれぞれ軸方向位置において、シール片３２、３４及び３６がダイアフラム組立体２６内に取付けられる。図２に示す左側の段では、シール片３２及び３４は各々、それぞれ半径方向内向きに向いたシール歯状突起３３、３５を有する複数の円弧形のシール片セグメント３６及び３８を含み、該シール歯状突起３３、３５は、それぞれバケット２０の先端２４との間でラビリンスシール歯状突起を形成する。シール片セグメント３２は、ダイアフラム組立体の溝３１内に配置される。シール片セグメント３４は、ダイアフラム組立体内のダブテール状溝３７内にあり、該セグメント３４は溝３７に対して形状が相補形である。第２の、すなわち右側の段では、シール片は、ダイアフラム組立体内に形成されたダブテール状溝４４内に配置された複数の円弧形のシール片セグメント４２を含む。円弧形のシール片セグメント３６の各々は、該セグメントから半径方向内向きに突出した、バケット２０の先端との間をシールするための１つ又はそれ以上のラビリンス歯状突起４６を含む。例えば、ダイアフラム組立体の各々は、従来通りの方法で上部及び下部ダイアフラム半体として形成され、ダイアフラム組立体の各半体は、複数のバケット先端シールセグメント、例えば３つのセグメントを、上部及び下部半体の各々の中に支持することができる。図３に示すように、シール片セグメント３６は、一対の軸方向に対向するフック４８を含むダブテール状溝４４内に取付けられる。シール片セグメント３６は、フック４８の半径方向外側に位置する軸方向に延びるフック５０を有し、該フック５０はシールセグメントを溝４４内に保持する。しかしながら、ダイアフラム半体の各々内には任意の数のシール片セグメント３６を配置することができることが分かるであろう。

　円弧形のシール片セグメント３２、３４及び３６をそれぞれの溝内に配置すると、隣接するセグメントの端面間に間隙が生じることが分かるであろう。例えば、図４に示すように、隣接するバケット先端シール片セグメント３６の端面５６間に間隙５４が生じる。

　前にも述べたように、製作公差及び機械加工公差により、隣接するシール片セグメント間のシール面は精度が高いものとならないので、従って、一般的に隣接するセグメントの端面間に蒸気漏洩流路が生じることになる。

　本発明の好ましい実施形態によると、スプラインシールが、隣接するシール片セグメント３６の円周方向に整合した端面間に配置される。例えば、また図３及び図４を参照すると、隣接するセグメント３２、３４及び３６の隣接する端面の各々内に、溝又はスロットが設けられる。セグメント３２及び３４の隣接する端面に関しては、スロット６０及び６２がそれぞれほぼ半径方向に延びるが、セグメント３６に関しては、スロット６３が軸方向に延びる。全ての場合に、スロットは、円周方向に限られた距離だけ延びる。それぞれのセグメント３２、３４及び３６のスロット６０、６２及び６３は、互いに整合し、端面間の間隙に跨るようにスプラインシールを受ける。例えば、シール片セグメント３２は、隣接するセグメント３２の整合した半径方向のスロット６０内でほぼ円周方向に延びるスプラインシール６４を有する。セグメント３４は、隣接するセグメント３４の端面の整合したスロット６２内に配置されたスプラインシール６６を有する。同様に、シール片セグメント３６の隣接する端面は、整合した端面スロット６３内にスプラインシール６８を有する。

　各スプラインシールは、図５に示すようにほぼ直線で囲まれた形状である平坦な金属プレートを含むことができる。プレートの厚さは、例えば、機械内の熱過渡現象により生じるセグメントの相対運動を吸収するためにスロットの深さより小さくなっている。再び図３を見ると、スプラインシール６４及び６６の各々は、それぞれセグメント３２及び３４の半径方向の広がりの大部分に沿ってほぼ半径方向に延びることが分かるであろう。スプラインシール６８は、隣接するシール片セグメント３６の端面における整合した対向するスロット６３内で軸方向及び円周方向に延びる。これらの配置の結果として、それぞれのシールセグメントの端面を通り抜ける蒸気漏洩流路は、実質的に最小にされるか又は排除される。スプラインシール６４、６６及び６８は、図５のスプラインシール６４の代表的な実例により示すように、形状がほぼ直線でかこまれているのが好ましい。

　本発明によるシール片セグメントのための端面間隙スプラインシールは、最初の装置製作又は現用の機械に改造された一部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、スプラインシールを改造するために、現用の蒸気タービンが分解され、すなわち上部外側及び内側ケーシングが取外され、ダイアフラム組立体が取外される。シール片セグメントは、該シールセグメントを溝から円周方向に回動させることによってダイアフラム組立体から取外される。次に、スプラインシールを受けるために、溝が、シール片セグメントの端面内に形成される。溝が形成されると、隣接する端面間の溝内にスプラインシールが挿入された状態で、セグメントは、ダイアフラム組立体のダブテール溝内に回動させて戻されることができる。勿論、これとは別に、取外されたシール片セグメント内に溝を形成する代わりに、溝が既に形成された新しいシール片セグメントを用いてもよい。

　次に図６を参照すると、例えばセグメント３６の円周方向に対向する端面における溝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７０が示されている。スプラインシール７０は、該シールの対向する端縁に沿って、溝の底部に隣接して配置される拡大部７４を備えたシール本体７２を含むことができる。従って、シール本体７２の中央部分７６は、溝の幅と比較して小さい深さ寸法を有する。拡大部７４は、スプラインシール７０を拘束し又は損傷することなく、例えばセグメント３２及び３４のようなセグメントの軸方向の相対運動を容易にし、また例えばセグメント３６のようなセグメントの半径方向の相対運動を容易にする。

　その上、スプラインシールの端部とスロットの端部との間に小さな間隙を設けることによって、スプラインシールがスロット内で、例えばセグメント３６に関しては軸方向に、またセグメント３２及び３４に関しては半径方向に僅かに移動することが許される。スプラインシールは、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入れられる。

　次に図７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７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て、スプラインシール８０の両側面に沿った拡大部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、図５のスプラインシール７０の拡大部７２と同様に、スロットの底部に隣接して配置され、シール片セグメント３６の相対運動を容易にする。この形式のスプラインシールもまた、上述の参考特許に開示されている。

　図８には、１つ又はそれ以上のスプラインシール６４、６６及び６８を形成することができるスプラインシール９０が示される。スプラインシール９０は、金属で形成されかつクロス９４のオーバーレイをもつ中心コア９２を有する。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入れられる。

　以上の説明から、スプラインシールは、ロータを囲む蒸気タービン内のダイアフラム組立体の溝内に配置された円弧形のシール片セグメントの円周方向に整合した端面間の例えば間隙５４のような間隙内に配置されることが分かるであろう。スプラインシールは、端面間及び回転するバケットの両側の高圧領域と低圧領域との間の間隙を通り抜ける蒸気漏洩流を最少にするか又は阻止する。スプラインシールは、ここに図示したスプラインシールの様々な形態のうちの任意の１つの形態を取ることができる。全ての場合において、あらゆる蒸気漏洩流路が最小にされるか又は排除され、機械性能を高める結果となる。

　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ものに関して、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。 本発明の好ましい形態によるダイアフラム組立体内のバケット先端固定シール片セグメントの部位を示すロータ及びダイアフラム組立体を通る破断拡大部分断面図。 回転するバケットの先端に重なる固定シール片セグメント端面の部分拡大図。 図３のほぼ線４−４の周りで取られた拡大断面図。 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更に別の形態の概略図。 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

　１６　ロータ
　１８　固定ケーシング
　２０　バケット
　２２　カバープレート
　２４　バケット先端
　２６　ダイアフラム組立体
　２８　ノズル
　３２、３４、３６　シール片
　３８、４２　シール片セグメント

Claims (8)

1. 　バケット先端（２４）を有する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２０）を支持するロータ（１６）と、
   　前記ロータを囲みかつ複数のノズル（２８）を支持する固定ケーシング（１８）と、を含み、
   　前記バケット及び前記ノズルは蒸気タービンの段を形成し、
   　前記ケーシングは、前記バケット先端から半径方向に間隔を置いた軸方向のシール位置において該ケーシングの周りに、該バケット先端と該ケーシングとの間をシールするための複数の円周方向に延びる固定シール片セグメント（３６、３８、４２）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とそれぞれ円周方向に整合した端面（５６）を有し、前記端面は、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（６０、６２、６３）を含み、
   　スプラインシール（６４、６６、６８）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。
2. 　前記シール片セグメントの各々は、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状突起（３３、３５、４６）を有することを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 　前記ケーシングは、軸方向に延びるフック（４８）を有する円周方向に延びる溝（４４）を有し、前記セグメントの各々は、前記ケーシングフックに半径方向に重なるフック（５０）を有しており、前記ケーシングフック及び前記セグメントは、該セグメントの下流側に軸方向に面するシール面を有し、前記スプラインシール（６８）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、前記軸方向に面するシール面の近傍で終わっていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
4. 　前記ケーシングは、軸方向に延びるフック（４８）を有する円周方向に延びる溝（４４）を有し、前記セグメントの各々は、前記ケーシングフックに半径方向に重なるフック（５０）を有しており、前記ケーシングフック及び前記セグメントは、該セグメントの下流側に軸方向に面するシール面を有し、前記スプラインシール（６２）は、ほぼ半径向及び円周方向に延びてほぼ軸方向の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。
5. 　バケット先端（２４）を有する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２０）を支持するロータ（１６）と、
   　前記ロータを囲みかつ複数のノズル（２８）を支持する固定ケーシング（１８）と、を含み、
   　前記バケット及び前記ノズルは蒸気タービンの段を形成し、
   　前記ケーシングは、円周方向に延びるダブテール状溝（３７、４４）を有し、前記ダブテール状溝は、該溝内において前記ケーシングの周りに、前記バケット先端の周りをシールするための少なくとも1つのラビリンスシール歯状突起（３５、４６）を支持する複数の円周方向に延びる固定シール片セグメントを支持し、
   　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とそれぞれ円周方向に整合した端面（５６）を有し、前記端面は、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（６２、６３）を含み、
   　スプラインシール（６６、６８）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。
6. 　前記スプラインシール（６８）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５に記載のタービン。
7. 　前記スプラインシール（６６）の各々は、ほぼ半径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５に記載のタービン。
8. 　複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２０）を支持するロータ（１６）と、前記ロータを囲む固定ケーシング（１８）と、前記ケーシングの周りで円周方向に延びる溝（３７）内に配置された、該ケーシングと前記バケットの先端との間をシールするための複数の円周方向に延びるシール片セグメント（３６、３８、４２）とを有する蒸気タービンにおいて、隣接するシール片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シール片セグメントを改造する方法であって、
   　前記タービンケーシングから前記シール片セグメント（３６、３８、４２）を取外す段階と、
   　前記取外されたシール片セグメントの各端面（５６）内に少なくとも1つのスロット（６０、６２、６３）を形成する段階と、
   　前記シール片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（６４、６６、６８）を配置する段階と、
   　前記ケーシングの溝内に前記シール片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。

Images