JP2004211896A - 回転機械のシール組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、回転機械用のシール組立体に関する。
【解決手段】 回転機械（１０）内に配置されるためのシール組立体（１２０）は、回転機械の回転構成部品（１５）と固定構成部品（２０）との間に配置される。シール組立体は、回転構成部品及び固定構成部品の一方に固定された少なくとも１つのシールストリップ（３０）を含む。シール組立体は更に、回転構成部品及び固定構成部品の他方上に配置されかつシールストリップと半径方向に対向して位置決めされたアブレイダブル部分（５５）を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般的に回転機械用のシール組立体に関し、より具体的には、蒸気又はガスタービン用のシール組立体に関する。

回転機械は、それに限定するのではないが、蒸気タービン、圧縮機、及びガスタービンを含む。蒸気タービンは一般的に、直列流れ関係で、蒸気入口、タービン、及び蒸気出口を含む蒸気流路を有する。ガスタービンは一般的に、直列流れ関係で、空気吸入口（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービン、及びガス出口（又は排気ノズル）を含むガス流路を有する。より高圧の区域からより低圧の区域に向かう、ガス又は蒸気流路から外へ或いはガス又は蒸気流路内へのどちらかへのガス又は蒸気洩れは、一般的に望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機区域内における、タービン又は圧縮機のロータと周りを囲むタービン又は圧縮機ケーシングとの間でのガス流路洩れは、ガスタービンの効率を低下させて燃料費を増大させることになる。更に、蒸気タービンのタービン区域における、タービンのロータと周りを囲むケーシングとの間の蒸気流路洩れは、蒸気タービンの効率を低下させて燃料費を増大させることになる。

ガス及び蒸気タービン内のガス及び蒸気流路洩れを減少させるために、ラビリンスシール組立体が用いられる。蒸気タービンにおいては、多くの場合、タービンエンジンの回転構成部品と固定構成部品との間に配置されかしめ取付け式シールストリップを有するシール組立体が用いられる。しかしながら、このようなシール組立体は、タービン効率とシール組立体の完全性との間のトレードオフを必要とする。例えば、シール組立体の効率は、シールストリップと該シールストリップと半径方向に対向して位置決めされた回転構成部品との間に望ましい間隙を維持することに大きく左右される。望ましい間隙を超えると、タービンエンジンの効率が低下する。しかしながら、一定の状況下では、例えば過渡状態及び始動状態時に、回転構成部品がその正常位置から変位して、回転構成部品と固定構成部品との間で干渉が起こるおそれがある。その結果、シールストリップが回転構成部品と摩擦して、シールストリップが損傷する可能性がある。従って、シール組立体の完全性を維持するためには、望ましいシール組立体間隙よりも大きい間隙が必要であり、そのことが、次にタービンエンジンの効率を低下させることになる。回転構成部品と固定構成部品との間のより大きい間隙を補償するために用いられる現在の技術は、干渉する表面の構成を一体の機械加工したレール又は歯状突起を有するように変更することを含む。しかしながら、このような技術は、実施するのに費用が掛かり、また予測できない一過性の挙動により機械加工した歯状突起に損傷が生じた場合に回転構成部品の交換を必要とする可能性がある。

従って、一過性の摩擦の間における何らかの損傷によりシールストリップの性能を損なうことなく、狭い間隙を可能にする費用効果の良いシール組立体を開発するのが望ましいと言える。

手短に言えば、本発明の１つの実施形態によると、回転機械内に配置されるためのシール組立体が開示される。シール組立体は、回転機械の回転構成部品と固定構成部品との間に配置される。このシール組立体は、回転構成部品及び固定構成部品の一方に固定された少なくとも１つのシールストリップを含む。アブレイダブル部分が、回転構成部品及び固定構成部品の他方上に配置され、シールストリップと半径方向に対向して位置決めされる。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点が、図面を通じて同じ符号が同じ部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば一層良く理解されることになるであろう。

図１に示すように、蒸気タービン（これもまた参照符号１０で示す）のような典型的な回転機械１０は一般的に、ロータ３５又は回転バケット６５のような少なくとも１つの回転構成部品１５と、該回転構成部品１５を囲む固定蒸気ノズル（これもまた参照符号２０で示す）のような固定構成部品２０とを含む。回転構成部品１５及び固定構成部品２０は、共通の軸線９２の周りで円周方向に配置される。蒸気タービン１０の場合には、固定ノズル２０を通って流れる蒸気は、高速で回転構成部品１５に当たるように向けられて、該回転構成部品１５を高速で回転させる。

シール組立体１２０を、まず図１を参照して説明する。図示するように、シール組立体１２０は、回転構成部品１５と固定構成部品２０との間に配置される。更に、図１を参照すると、シール組立体１２０は、回転構成部品１５又は固定構成部品２０のどちらかに固定された少なくとも１つのシールストリップ３０を含む。アブレイダブル部分５５が、回転構成部品１５及び固定構成部品２０の他方上に配置される。

図１及び図２は、シール組立体１２０の実施形態を示し、これらの実施形態において、少なくとも１つシールストリップ３０が、回転構成部品１５に固定され、またアブレイダブル部分５５が、固定構成部品２０上に配置される。図２に示す特定の実施形態の場合には、回転構成部品は、ロータ３５を含み、また固定構成部品は、ノズルカバー４２を有するノズル２０を含む。図２に示す特定の実施形態の場合には、一連のシールストリップ３０が、適当な取付け手段４５、例えば典型的にはかしめワイヤ４５によってロータ３５に固定される。アブレイダブル部分５５が、ノズルカバー４２の外側表面５０上に配置され、かつシールストリップ３０と半径方向に対向して位置決めされる。図３に示す特定の実施形態の場合には、回転構成部品は、先端６０を有するバケット６５を含み、また固定構成部品は、ケーシング４０を含む。ここで用いられる場合、バケット先端６０は、例えば図３に示すようにバケット６５上のカバー６２の先端である。図示するように、シールストリップ３０は、バケット先端６０に固定される。シールストリップ３０は典型的には、望ましくは約０．１２７mm（０．００５インチ）から約２．５４mm(０．１００インチ)までの範囲、より具体的には約０．２５４mm(０．０１０インチ)から約０．７６２mm(０．０３０インチ)の範囲の厚さを有する。シールストリップ３０の厚さを望ましい範囲内に維持することは、シールストリップ３０がアブレイダブル部分５５と干渉してアブレイダブル粒子の局部的塑性変形を引き起こす場合に、シールストリップ３０の完全性を保つ利点がある。従って、摩耗デブリがシールストリップ３０とアブレイダブル部分５５との間に入り込むことにより、アブレイダブル粒子がアブレイダブル皮膜の次の層から解放されて新しいアブレイダブル層を形成し、該デブリがアブレイダブル部分５５上へ侵入するのを最小限にする。

図２から図４までを参照すると、アブレイダブル部分５５は典型的には、該アブレイダブル部分５５が配置されている表面５０、７５、９０から距離「ｓ」にわたって突出する。シールストリップ３０と該シールストリップ３０と半径方向に対向する表面５０、７５、９０との間の冷間時の半径方向間隙「ｔ」は、タービンバケット６５又はタービンロータ３５のアブレイダブル部分５５内への最大予測半径方向侵入量のような要因に基づいて決定することができる。従って、冷間時の半径方向間隙「ｔ」は、回転機械１０の所定の偏向量と該回転機械１０の過渡状態又は定常状態運転の下でのタービンバケット６５又はタービンロータ３５の半径方向の偏向量とよって決まる。シールストリップ３０が、回転機械１０の典型的な運転状況の間、例えば始動及び過渡状態の間に表面５０、７５、９０に干渉するとき、アブレイダブル部分５５は一般的に、シールストリップ３０を起こり得る摩耗に対して保護する。すなわち、アブレイダブル部分５５は、犠牲皮膜を含み、この犠牲皮膜は、シールストリップ３０になんらの損傷も生じさせることなく該シールストリップ３０によって窪まされながら、該シールストリップ３０をその上に配置されたアブレイダブル部分５５を有する表面５０、７５、９０に対して擦過させる。従って、シールストリップ３０と該シールストリップ３０と半径方向に対向する表面５０、７５、９０との間の冷間時の間隙「ｔ」は、「狭い間隙」値に維持することが可能である。この「狭い間隙」値を維持することにより、該間隙を通って流れる流体にかかる抵抗が大きくなるため、シールストリップ３０と表面５０、７５、９０との間の流れ空間を通しての洩れを減少させる利点がある。この流れ空間を通しての洩れを減少させることで、回転機械１０の全体効率及び性能が向上する。

バケット６５又はロータ３５のような回転構成部品１５とケーシング４０又はノズル２０のような固定構成部品との間の整列不良は、シールストリップ３０とアブレイダブル部分５５との干渉を引き起こす。シールストリップ３０がアブレイダブル部分５５の表面上を摺動するとき、回転力又は転動力と侵入力との複合作用により、アブレイダブル皮膜中の粒子が押しのけられて、アブレイダブル部分５５上に侵入跡が生じる。従って、アブレイダブル材料は、望ましくは、起こりうる全ての切込み状態の下での擦過の間に破断、層剥離、又は回転構成部品に対する損傷を引き起こすことなく安定した状態に保たれるべきである。より具体的には、表面５０、７５、９０上に配置されたアブレイダブル皮膜は、該皮膜によるシールストリップ３０への損傷を防止するために望ましくは充分な多孔性を備えるべきである。例えば、アブレイダブル皮膜は、望ましくは約１５から約６０体積百分率の範囲、より具体的には、約２５から約５０体積百分率の範囲の多孔性を備えるべきである。更に、表面５０、７５、９０上に配置されたアブレイダブル皮膜は、約０．００１インチから約０．０１５インチの間の、より具体的には約０．０１０インチから約０．０６０インチの間の、更により具体的には約０．０１５インチから約０．０５５インチの間の厚さを備えるべきである。

従って、アブレイダブル材料は、望ましくは、それに限定するのではないが、例えばシールストリップ材料、シール組立体の運転温度、回転機械の先端速度、及び侵入率を含む変化する擦過状態の下での異なる摩耗作用を吸収すべきである。従って、例示的なシールストリップ３０は、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、高分子材料、及びそれらの組み合わせのような材料を含む。図２に示す１つの実施形態では、シールストリップ３０は、その耐摩耗性を更に高めるためにアブレイシブ皮膜８０を含む。例示的なアブレイシブ皮膜８０には、アルミナ、炭化クロム、及びステライトが含まれる。

アブレイダブル部分５５を形成するための例示的なアブレイダブル材料には、溶射被覆材料、Feltmetal（商標）（フロリダ州Deland所在のTechnectics社により販売されている）のような燒結金属繊維、及びハニカム構造を有する材料が含まれる。ハニカム構造を有する例示的な材料には、ハニカム構造で形成された金属又はセラミック材料が含まれる。例示的な溶射被覆材料は、例えばコバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウム（以後はＣｏＮｉＣｒＡｌＹと呼ぶ）のような第１の構成部品と、例えば六方晶窒化ボロン、熱硬化性ポリマー、又はそれらの組み合わせのような第２の構成部品とを含む。有利なことに、六方晶窒化ボロンのような材料は、その構造体を多孔質にし、それによってアブレイダブル皮膜のアブレイダブル性を向上させる。当業者には分かるであろうが、他の固体潤滑剤を使用することもできる。一般的に、アブレイダブル皮膜の望ましい多孔性を得ることは、溶射皮膜法自体を制御するか又は熱硬化性ポリマーを添加することにより達成される。例示的な熱硬化性ポリマーには、ポリエステル及びポリアミドが含まれる。

シール組立体１２０は更に、付加的なシール機構を組み入れて、シール機能を高めることができる。図４に示す実施形態の場合には、シール組立体１２０は更に、少なくとも１つのばねを有するばね付勢式シール支持セグメント１００を含み、この少なくとも１つのばねは、該シール支持セグメント１００が回転構成部品３５に隣接して配置された状態に保持されるように配置される。アブレイダブル部分５５は、シール支持セグメント１００の上部表面９０上に配置される。例示的なばね１１０には、板ばね及びコイルばねが含まれる。ばね１１０は一般的に、回転機械１０内に組み付けられたとき、該ばねが支えるシール支持セグメント１００の重量の約２倍乃至約５倍の範囲内の半径方向力を加える。運転中、ばね１１０は、シール支持セグメント１００を固定構成部品４０に向かって半径方向に「着座させる」のに充分な力を与え、該シール支持セグメント１００をタービンロータ３５に隣接して配置された状態に保つ必要があるだけである。

本明細書では本発明を特許規則に従って図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に改良及び変更を加えることが可能であることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するためではなく、それらを容易に理解するためのものである。

回転構成部品、固定構成部品及びシールストリップを含む例示的な回転機械の概略断面図。 幾つかのシールストリップとアブレイダブル部分とを含む例示的なシール組立体の実施形態を示す、図１の部分Ｘの詳細拡大図。 バケットカバー内に取付けられたシールストリップと固定構成部品上のアブレイダブル部分とを含む別の例示的なシール組立体の実施形態を示す図。 例示的なばね付勢式シール組立体の実施形態を示す図。

符号の説明

１０ 回転機械
２０ 固定構成部品
３０ シールストリップ
３５ ロータ
４２ ノズルカバー
４５ かしめワイヤ
５０ ノズルカバーの外側表面
５５ アブレイダブル部分
８０ アブレイシブ皮膜
９２ 共通の軸線
１２０ シール組立体

Claims (10)

1. 回転機械（１０）内で該回転機械の回転構成部品（１５）と固定構成部品（２０）との間に配置するためのシール組立体（１２０）であって、
   前記回転構成部品及び固定構成部品の一方に固定された少なくとも１つのシールストリップ（３０）と、
   前記回転構成部品及び固定構成部品の他方上に配置され、かつ前記少なくとも１つのシールストリップと半径方向に対向して位置決めされたアブレイダブル部分（５５）と、
   を含むことを特徴とするシール組立体（１２０）。
2. 前記少なくとも１つのシールストリップ（３０）が、前記回転構成部品（１５）に固定され、また前記アブレイダブル部分（５５）が、前記固定構成部品（２０）上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のシール組立体（１２０）。
3. 前記回転構成部品（１５）が、ロータ（３５）を含み、前記少なくとも１つのシールストリップ（３０）が、前記ロータに固定されていることを特徴とする、請求項２に記載のシール組立体（１２０）。
4. 前記回転構成部品（１５）が、先端（６０）を有するバケット（６５）を含み、前記少なくとも１つのシールストリップ（３０）が、前記バケットの先端に固定されていることを特徴とする、請求項２に記載のシール組立体（１２０）。
5. 前記少なくとも１つのシールストリップ（３０）が、約０．１２７mm(０．００５インチ)から約２．５４mm(０．１インチ)までの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載のシール組立体（１２０）。
6. 前記少なくとも１つのシールストリップ（３０）が、約０．２５４mm (０．０１インチ)から約０．７６２mm(０．０３インチ)までの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項５に記載のシール組立体（１２０）。
7. 前記固定構成部品（２０）が、ケーシング（４０）を含み、前記アブレイダブル部分（５５）が、前記ケーシング上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のシール組立体（１２０）。
8. 前記固定構成部品（２０）が、カバー（４２）を有するノズル（２０）を含み、前記アブレイダブル部分（５５）が、前記カバー（４２）上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のシール組立体（１２０）。
9. 複数の段を有する回転機械（１０）であって、
   回転構成部品（１５）と、
   前記回転構成部品を囲む固定構成部品（２０）と、を含み、
   前記回転構成部品及び固定構成部品が、共通の軸線の周りに配置され、
   シール組立体（１２０）が、前記回転構成部品と前記固定構成部品との間に配置されており、
   前記シール組立体（１２０）が、前記回転構成部品及び固定構成部品の一方に固定された少なくとも１つのシールストリップ（３０）と、前記回転構成部品及び固定構成部品の他方上に配置されたアブレイダブル部分（５５）とを含み、
   前記アブレイダブル部分が、前記少なくとも１つのシールストリップと半径方向に対向して位置決めされている、
   ことを特徴とする回転機械（１０）。
10. 前記シールストリップ（３０）が、前記回転構成部品（１５）に固定され、また前記アブレイダブル部分（５５）が、前記固定構成部品（２０）上に配置され、前記アブレイダブル部分が、前記シールストリップと半径方向に対向して位置決めされていることを特徴とする、請求項９に記載の回転機械（１０）。

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