JP2004150430A - 蒸気グランド用のハイブリッド型ハニカム・ブラシシール - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、タービン蒸気グランドの周りの高圧領域と低圧領域との間を密封するためのハイブリッド型ブラシ／ハニカムシールの組合せに関する。
【解決手段】 蒸気グランド（１０）は、高圧領域及び低圧領域を形成する互いに軸方向に間隔を置いて配置された蒸気入口スクロール（１８）及び抽気スクロール（２０）を含む。シール本体（３５）は、それらの領域の間に配置されかつ互いに軸方向に間隔を置いて配置された一対のブラシシール（４２）を含む。ブラシシールの中間にはハニカムシール（６４）が配置される。ハイブリッド型ブラシシール／ハニカムシールの組合せは、高圧領域と低圧領域との間の蒸気漏れを最小にし、シールの漏れ性能を最適化しながら熱に起因するロータへの損傷の可能性を排除する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にタービンの固定構成部品と回転構成部品との間を密封するためのタービンのシールに関し、具体的には、タービン蒸気グランドの周りの高圧領域と低圧領域との間を密封するためのハイブリッド型ブラシ／ハニカムシールの組合せに関する。

様々な形式のシールが、タービンにおいて回転構成部品と固定構成部品との間又は固定構成部品の間に用いられる。例えば、ブラシシールが、固定構成部品と回転構成部品との間に配置されている。公知のように、ブラシシールは、ブリストル先端が支持体から突出して回転構成部品と係合した状態で、支持体内に配置された複数のブリストルを含む。ブラシシールそれ自体は、こうした点で非常に有用ではあるが、ブラシシールは、大きな圧力差、例えばタービンの蒸気グランド（蒸気シール押え）の両側における高圧領域と低圧領域との間に見られるような圧力差には耐えることができない。

多くの場合、ラビリンス型シールが、タービンにおいて固定構成部品と回転構成部品との間を密封するために用いられる。ラビリンス歯状突起を回転構成部品から間隔を置いて配置する必要があるために、ラビリンス型シールは、適正とは言えない漏れ性能を示し、同時に万一ラビリンスシール歯状突起がロータと摩擦することになれば、ロータに対して熱に起因する損傷を与える可能性がある。ハニカムシールもまた、時として、タービンにおいて固定構成部品と回転構成部品との間を密封するのに用いられる。ハニカムシールは一般的に、ラビリンス型シールと比較して熱に起因するロータへの損傷を生じる問題を無くすが、ハニカムシールは、ラビリンスシールと比較すると漏れ性能における改善には限界がある。更に、タービンにおいて高圧領域と低圧領域との間に大きな圧力差が存在する場合には、軸方向に間隔を置いて配置されたブラシシールは、圧力差を分担するようには機能せず、これらの高圧領域と低圧領域との間の密封要件に適合しないことになる。

従って、向上した漏れ性能を有し、かつ高圧領域と低圧領域との間に非常に大きな圧力差がある状態でそれらの領域間を密封することができ、同時に熱に起因するロータへの損傷の可能性を最小にする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、回転構成部品と固定構成部品との間を密封するためのハイブリッド型シールが提供され、該シールは、回転構成部品の周りに円弧形の第１及び第２の軸方向に間隔を置いて配置されたブラシシールを支持するシール本体を含む。このシールは更に、軸方向に間隔を置いて配置されたブラシシール間に円弧形のハニカムシール構造を含む。ハニカムシールは、ほぼ半径方向に延びかつ回転構成部品に向かって開口する複数のチャネルを含む。単一のシール本体により支持されたブラシシール／ハニカムの組合せを含むハイブリッド型シールは、大きな圧力差を有する高圧領域と低圧領域間との間の空気及び蒸気の漏れを最小にすることにより漏れ性能が向上させながら、熱に起因するロータへの損傷の可能性を最小にする。

本発明のハイブリッド型シールの特定の用途では、シールは、タービンにおける蒸気グランド内に形成される。蒸気グランドのシールは、例えばバケットを冷却するために伝達用蒸気を高圧でタービンバケットに供給する高圧入口スクロールと低圧蒸気漏れ抽出スクロールとの間を密封する。蒸気グランドは、蒸気入口スクロール及び蒸気抽出スクロール（抽気スクロール）を形成する外側シェルを含み、これらのスクロールは細長いダブテール形状溝により互いに軸方向に分離される。ハイブリッド型シールは、溝内に配置された円弧形のシールセグメントで形成されたほぼ環状のシール本体を含む。各セグメントは、一対の軸方向に間隔を置いて配置されたブラシシールと該ブラシシール間のハニカムシールとを支持する。このブラシシール及びハニカムシールの連続した配列により、高圧蒸気入口スクロールと低圧抽気スクロールとの間の圧力差の釣合いのとれた分担が達成される。複数のセグメントが、該セグメントの隣接する端部を整合させて、タービンケーシング及び蒸気グランドを形成する上部シェル及び下部シェルの各々のダブテール溝内に設けられ、該隣接する端部は、該セグメント間を密封するスプラインシールを有する。従って、セグメント化されたシールは、セグメント間のスプラインシールを用いて端部の漏れを最小にする。

本発明の好ましい実施形態では、回転構成部品と固定構成部品との間を密封するためのシールが提供され、該シールは、固定構成部品により支持されかつ第１及び第２の円弧形のブラシシールを支持するシール本体を含む。ブラシシールの各々は、支持体と該支持体により支持された複数のブリストルを含む。ブリストルの先端は、支持体を越えて延びて回転構成部品に係合する。ブラシシールは、互いに軸方向に間隔を置いて配置される。シール本体は、第１及び第２のブラシシール間で円周方向及び軸方向に延びる円弧形のハニカムシールを支持し、ハニカムシールは、回転構成部品に向かって開口する複数のほぼ半径方向のチャネルを含み、それによってブラシシール及びハニカムシールが、該シールの軸方向両側における軸方向に間隔を置いた高圧領域と低圧領域との間を密封する。

本発明の別の好ましい実施形態では、タービンの蒸気グランドが提供され、該蒸気グランドは、互いに軸方向に間隔を置いて配置されたほぼ環状の蒸気入口スクロールとほぼ環状の抽気スクロールとを有する固定ケーシングと、固定構成部品内に配置された回転構成部品と、固定構成部品と回転構成部品との間及びその両側における高圧領域と低圧領域との間を密封する、流入口スクロールと抽気スクロールとの間のシールと、固定構成部品により支持されかつ第１及び第２のブラシシールを支持するシール本体とを含み、ブラシシールの各々が、支持体と該支持体により支持された複数のブリストルとを含み、該ブリストルの先端が支持体を越えて延びて回転構成部品に係合するようになっており、ブラシシールが、互いに軸方向に間隔を置いて配置され、シール本体が、第１及び第２のブラシシール間で軸方向に延びる円弧形のハニカムシールを支持し、該ハニカムシールが、回転構成部品に向かって開口する複数のほぼ半径方向のチャネルを含み、それによってブラシシール及びハニカムシールが、該シールの軸方向両側における軸方向に間隔を置いた高圧領域と低圧領域との間を密封する。

図面、特に図１を参照すると、ボアチューブ１２の周りに配置された、全体を符号１０で表す蒸気グランドの１部が示されている。蒸気グランド１０は、それぞれ水平方向の中央線接合部１７に沿って互いに結合された外側上部シェル１４及び外側下部シェル１６を有する環状の固定ケーシング１１を含む。蒸気グランド１０は更に、該蒸気グランド１０の周りに環状の通路を形成する蒸気入口スクロール１８（高圧領域）及び抽気スクロール２０(低圧領域)を含む。蒸気グランド１０は、固定され、またボアチューブ１２はロータシャフト軸線の周りで回転することが分かるであろう。適当な源による蒸気の供給源に接続された蒸気プレナム（図示せず）が、流入口スクロール１８と連通した状態にされて、該流入口スクロール１８は、ボアチューブ組立体のチューブ１２内の内部通路２２に冷却蒸気を供給するようになっている。抽気スクロール２０は、蒸気リターン路（図示せず）に接続され、該蒸気リターン路は、全体が符号３０で表されかつ本発明の好ましい実施形態により構成されたハイブリッド型シールを通過する蒸気漏れを受けるようになっている。従って、入口スクロール１８からハイブリッド型シール３０を通り抜けるいかなる蒸気漏れも、タービンの後部主軸受（図示せず）に向かってはそれ以上前方に流れない。もっと適切に言えば、蒸気漏れは、再使用されるために抽気スクロール２０によって回収される。蒸気グランド１０が使用される環境の更に詳細については、２０００年５月９日に出願された、本出願と同一の出願人による米国特許出願番号第０９／５６６，０８５号が参照され、この特許出願の開示内容は参考文献として本明細書に組み込まれる。

本発明の好ましい実施形態によると、蒸気グランド１０は、チューブ１２の周りに環状に延びてハイブリッド型シール３０を受けるための全体的にダブテール形状の内部溝３２を含み、該ダブテール溝３２は、軸方向に対向するフランジ３４を有する。図２ａ及び図２ｂを参照すると、シール本体３５が、蒸気グランド１０の環状の溝３２内に配置される。シール本体３５は、環状のリングを含み、該環状のリングは、それぞれ上部タービンシェル及び下部タービンシェル内に配置されるように１８０度セグメントの形態で形成されることができるか、又は上部タービンシェル及び下部タービンシェルの各々の中で円弧状に円周方向に延びるセグメント３６の形態で設けられることができる。複数の円弧形のシールセグメント３６は、図３及び図４に示されている。各シールセグメント３６は、軸方向両端部に隣接する円弧状に延びるフランジ３８（図２ｂ）と同様に軸方向両端部に隣接する凹部４０とで終わる軸方向延長部を有する。従って、各セグメント３６は、溝３２のフランジ３４がシール本体３６の凹部４０内に受けられて該シール本体３６を固定構成部品、例えば蒸気グランド内に保持した状態で、溝３２内に受けられる。

全体を符号４２で表すブラシシールは、環状シールの両端部、すなわち軸方向に間隔を置いて配置された端部に隣接して、具体的には各シールセグメントの両端部に隣接して設けられる。ブラシシール４０は各々、一対の裏当て板を含む支持体４３で形成される。例えば、蒸気入口スクロール１８の上流の高圧領域に隣接するブラシシール４２は、ブラシブリストル４８の両側に裏当て板４４及び４６を含む。裏当て板４６は、シール本体３６の円弧形の内面に沿って形成された相補形状のスロットである凹部内に受けられる軸方向に向いたフランジ５０を含む。裏当て板４４及び４６は、該裏当て板の間に配置されたブリストル４８を跨ぎ、ブリストル及び裏当て板は、溶接ビード５２により互いに溶接される。その結果、ほぼＬ字形状のブラシシールが、各シール本体のセグメント３６の上流側に沿って円弧状にかつ連続して延びていることが分かるであろう。

低圧領域及び抽気スクロール２０に隣接するシール本体３６の下流側において、ブラシシール４２は、同様にブリストル６０の両側に一対の裏当て板５６及び５８を含む。しかしながら、この構成では、裏当て板５６及び５８の各々は、シール本体３６の内面に沿って形成された対応する形状の溝の形態をした凹部内に受けられるようにそれぞれ軸方向に対向して延びるフランジ５７及び５９を有する。ブリストル及び裏当て板は、溶接ビード６２により互いに固定される。この構成の場合には、それぞれのブラシシール４２のブリストル４８及び６０の先端が、チューブ１２に沿って軸方向に間隔を置いた位置で該チューブ１２に係合することが分かるであろう。

各シールセグメント３６上のブラシシール４４及び５４の中間には、ハニカムシール６４が設けられる。ハニカムシール６４は、その対応するシールセグメント３６と円周方向に同延に置かれており、ブラシシール間でシールセグメント３６の長さの大部分を軸方向に跨ぎかつセグメントの間隔を置いた端部間で円周方向に延びる。ハニカムシールは、金属又はセラミックで形成することができ、また六角形の形状及び断面を有する半径方向内向きに開口するチャネルで形成することができる。ブラシシール４４及び５４は、Ｃクリップ及び回転防止ピン７２（図４）によりそれぞれの溝内に保持される。

シール本体３５が、複数の円周方向に延びるシールセグメント３６を含む場合には、シールセグメント３６の隣接する端面６８の間に漏れ通路が生じる可能性があることが分かるであろう。図４を参照すると、シールセグメントの端面６８には、スプラインシール７４が設けられる。スプラインシール７４は、隣接するシールセグメントの整合した端面の円周方向に整合する溝内に配置された平坦なほぼ直線形状の金属薄板要素を含む。

本発明のハイブリッド型ブラシシール／ハニカムシールは、入口スクロール及び抽気スクロールの高圧領域及び低圧領域間の高い圧力差に耐えることができることが分かるであろう。同時に、ハイブリッド型シール１０は、ラビリンス型シールを排除することによって熱に起因するロータへの損傷の可能性を最小にする。従って、蒸気グランド性能は、単一のシールハウジング内でブラシシール／ハニカムシールの組合せを用いてタービン運転時の空気及び蒸気の漏れを減少させることによって最適化される。

本発明を、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。

タービンにおいて使用する蒸気グランドを示す部分断面図。 蒸気グランドにおけるシールセグメントの１側の拡大部分断面図。 シールセグメントの反対側を示す図２ａと同様の図。 下部ケーシング半体内にハイブリッド型ブラシシール／ハニカムシールを備える下部タービンケーシングを示す斜視図。 本発明のハイブリッド型シールを組み入れたシールセグメントの拡大斜視図。

符号の説明

１０ 蒸気グランド
１１ 固定ケーシング
１２ ボアチューブ
１４ 外側上部シェル
１６ 外側下部シェル
１７ 水平方向の中央線接合部
１８ 蒸気入口スクロール
２０ 抽気スクロール
２２ 内部通路
３０ ハイブリッド型シール
３２ ダブテール形状溝
３４ フランジ
３５ シール本体
３６ シールセグメント
４２ ブラシシール
６４ ハニカムシール

Claims (10)

1. 回転構成部品と固定構成部品との間を密封するためのシール（３０）であって、
   前記固定構成部品により支持されかつ第１及び第２の円弧形のブラシシール（４２）を支持するシール本体（３５）を含み、
   前記ブラシシールの各々が、支持体（４３）と該支持体により支持された複数のブリストル（４８、６０）とを含み、前記ブリストルの先端が前記支持体を越えて延びて前記回転構成部品に係合するようになっており、
   前記ブラシシールが、互いに軸方向に間隔を置いて配置され、
   前記シール本体が、前記第１及び第２のブラシシール間で軸方向に延びる円弧形のハニカムシール（６４）を支持し、前記ハニカムシールが、前記回転構成部品に向かって開口する複数のほぼ半径方向のチャネル（６６）を含み、それによって前記ブラシシール及びハニカムシールが、該シールの軸方向両側における軸方向に間隔を置いた高圧領域と低圧領域との間を密封する、
   ことを特徴とするシール（３０）。
2. 前記ブラシシールの各々における前記支持体が、前記ブリストルの両側に一対の裏当て板（４４、４６、５６、５８）を含み、前記裏当て板の少なくとも１つ（４２）が、軸方向に延びるフランジ（５０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシール。
3. 前記ブラシシールの各々における前記支持体が、前記ブリストルの両側に一対の裏当て板（４４、４６、５６、５８）を含み、前記第１及び第２のブラシシールの少なくとも１つが、該ブラシシールの各裏当て板上に軸方向に延びるフランジ（５７、５９）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシール。
4. 前記シール本体が、その両側に沿った一対の軸方向に延びるフランジ（３８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシール。
5. 前記シール本体（３５）が、複数の円弧形のセグメント（３６）を含み、前記ブラシシール(４２)及び前記円弧形のセグメントが、前記回転構成部品の周りで互いに同延であることを特徴とする、請求項１に記載のシール。
6. 互いに軸方向に間隔を置いて配置されたほぼ環状の蒸気入口スクロール（１８）とほぼ環状の抽気スクロール（２０）とを有する固定ケーシング（１１）と、
   前記固定構成部品内に配置された回転構成部品（１２）と、
   前記固定構成部品と回転構成部品との間及びその両側における高圧領域と低圧領域との間を密封する、前記流入口スクロールと前記抽気スクロールとの間のシール（３０）と、
   前記固定構成部品により支持されかつ第１及び第２のブラシシール（４２）を支持するシール本体（３５）と、
   を含み、
   前記ブラシシールの各々が、支持体（４３）と該支持体により支持された複数のブリストル（４８、６０）とを含み、前記ブリストルの先端が前記支持体を越えて延びて前記回転構成部品に係合するようになっており、
   前記ブラシシールが、互いに軸方向に間隔を置いて配置され、
   前記シール本体が、前記第１及び第２のブラシシール間で軸方向に延びる円弧形のハニカムシール（６４）を支持し、前記ハニカムシールが、前記回転構成部品に向かって開口する複数のほぼ半径方向のチャネル（６６）を含み、それによって前記ブラシシール及びハニカムシールが、該シールの軸方向両側における軸方向に間隔を置いた高圧領域と低圧領域との間を密封する、
   ことを特徴とするタービンの蒸気グランド。
7. 前記ブラシシールの各々における前記支持体が、前記ブリストルの両側に一対の裏当て板（４４、４６、５６、５８）を含み、前記裏当て板の少なくとも１つ（４２）が、軸方向に延びるフランジ（５０）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の蒸気グランド。
8. 前記ブラシシールの各々における前記支持体が、前記ブリストルの両側に一対の裏当て板（４４、４６、５６、５８）を含み、前記第１及び第２のブラシシールの少なくとも１つが、該ブラシシールの各裏当て板上に軸方向に延びるフランジ（５７、５９）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の蒸気グランド。
9. 前記固定ケーシングが、一対の軸方向に延びるフランジ（３４）を含む円弧形のダブテール形状溝（３２）を有しており、前記シール本体が、その両側に沿いかつ前記ダブテール形状溝に受けられる一対の軸方向に延びるフランジ（３８）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の蒸気グランド。
10. 前記シール本体が、円周方向に延びる少なくとも一対の円弧形のセグメント（３６）を含み、前記セグメントが、その間にスプラインシール（７４）を備える円周方向に整合する端面（６８）を有することを特徴とする、請求項６に記載の蒸気グランド。

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