JP2004360695A - ターボ機械のシール組立体及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転部材（１２）及び該回転部材（１２）を囲む静止部材（１８）を有するターボ機械（１０）のためのシール組立体（３２）及び方法を提供する。
【解決手段】 本シール組立体（３２）は、その外周領域（４０）に位置するように回転部材(１２)上に配置された環状形状のプラットホーム（４２）を含む。プラットホーム（４２）は、回転部材（１２）の軸方向隣接領域（４６）を越えて突出するように該回転部材（１２）から半径方向外側に支持される。プラットホーム（４２）は、空洞（５０）によって回転部材（１２）から半径方向に分離された接触領域（５４）を有する。シーリング部材（３８）は、該シーリング部材（３８）の１部分（５６）が接触領域（５４）と摩擦接触した状態で、静止部材（１８）の半径方向内向き領域（２８）に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはターボ機械内で用いる型のダイナミックシールに関する。より具体的には、本発明は、ターボ機械の非回転及び回転構成部品にそれぞれ取付けられたシール及びプラットホームを含み、プラットホームが、シールと該プラットホームとの間の摩擦接触によって発生する熱の放散を促進するようになっているシール組立体に関する。

ラビリンス型パッキン及びブラシシールは、蒸気タービン並びに航空機及び産業用ガスタービンで広く利用されており、蒸気タービンのロータ及びダイアフラム内側ウェブのような回転タービン構成部品と静止タービン構成部品との間にダイナミック（動的）シールを形成する。従来からのラビリンスパッキンは、静止構成部品の内周から回転構成部品に向かって突出するが該回転構成部品とは接触しない一連の歯状突起を含み、それによって回転構成部品の表面に直ぐ隣接して蛇行した軸方向流路を形成する一連の部分障壁を画成する。ブラシシールは一般的に、静止構成部品の内周から回転構成部品に向かって半径方向内向きに突出した、ラビリンスパッキンの歯状突起に類似した金属ブリストルを含む。ラビリンスパッキンと対照的に、ブラシシールは通常、回転構成部品の隣接する外周と摩擦接触して、該回転構成部品の外周の周りの流れに対して実質的に連続した障壁を形成するように意図されている。この点に関して、ブラシシールは、ラビリンスパッキンと比べると二次的流量損失に対してより有効な障壁を形成し、すなわちより優れたシーリング性能をもたらし、従ってセクションの性能を著しく向上させる可能性を持つ。

航空機及び産業用ガスタービンのロータは比較的剛性があり、その結果、その動的挙動は一般的にブラシシールとの摩擦接触によって影響されない。これと対照的に、蒸気タービンのロータは一般的に、バケットが取付けられた連続する中実のシャフトを含む。衝動型蒸気タービンは一般的に、ロータの第１の曲げ臨界振動数を超えかつ多くの場合第２の曲げ臨界振動数の付近で作動する。蒸気タービンのブラシシールとロータとの間の摩擦接触は、ロータの第１及び第２の臨界速度によってロータ振動を増幅させ、許容できないロータの半径方向運動を生じさせることが明らかになった。もしロータが熱的、動的又は製造上の状況の結果として弓状に曲がれば、この作用は特に起こり易くなると考えられる。より具体的には、摩擦接触により生じる摩擦は、ロータの表面温度を局所的に上昇させ、その外周に沿って不均一な表面温度を招くことなる。弓状に曲がったロータの高い（高く盛り上がった）箇所が、より激しい摩擦接触によるこのような加熱を特に受けやすいので、ブラシシールによって引き起こされる局所的な加熱は、ロータ外周の周りの不均一な熱膨張の結果としてロータの曲がりをさらに増大させ、それによって振動及びロータダイナミックスの問題を悪化させるおそれがある。

上述の問題に対する様々な解決策が、これまで提案されてきた。例えば、局所的な加熱の程度を低下させることになる適当な冷却流量が不足している場合には、初期隙間をブラシシールのブリストルが始動時にロータに接触しないことを保証する寸法にした状態で、ブラシシールが蒸気タービン内に取付けられてきた。このような解決策は、ブラシシールに関連するロータダイナミックスの問題を排除するか又は少なくとも著しく低減するが、シーリング性能は損なわれる。特許文献１では、ブラシシール組立体は、ロータ表面の円周方向の溝内に設置された環状形状のインサートを含む。ブラシシールのブリストルはインサートと摩擦接触するように整列されて、ブリストルとの摩擦接触によって発生した熱が、インサートによってよって良好に分散されかつ放散されるようになる。特許文献２により提案された別の解決索は、ブラシシールをバケットダブテール上に形成したプラットホームと摩擦接触するようように配置して、ロータシャフトの外径から半径方向外方に間隔を置いた位置で摩擦接触が起こり、従ってロータ表面における局所的な加熱を排除する。

局所的なロータ加熱を減少させる上記の解決策は有効であることが立証されたが、蒸気タービン内にブラシシールを用いることにより、ロータの局所的加熱に関連するロータダイナミックスの制約条件は制限された状態のままであった。結果として、蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域内では、ブラシシールは、許容できない半径方向のロータ運動を生じないで該ブラシシールを取付けることができる段数が制限されている。その結果、ブラシシールの代わりに用いなければならないラビリンスパッキンと関連する二次的流量損失が増大するためにセクションの効率が低下することになる。
特表２００２−５３５５６３号 米国特許第６５１７３１４号

上記の観点において、別の解決策を、ブラシシールによって引き起こされる局所的加熱から生じる振動及びロータダイナミックスの問題を低減するのに利用でき、ブラシシールを蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域内部で実質的に全ての段において用いることができるようになれば、望ましいと思われる。

本発明は、ターボ機械の回転部材と摩擦接触するシールによって引き起こされる局所的加熱の結果として、蒸気タービンのようなターボ機械内に生じる振動及びロータダイナミックスの問題を著しく低減することができるターボ機械用のシール組立体及びその方法を提供する。本発明は、ブラシシールを含むそのようなシールが蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域内部の実質的に全ての段に取付けられるのを可能にする。

上記の観点において、本発明は、軸線の周りで回転可能な回転部材と該回転部材を囲む静止部材とを有するターボ機械に用途を見出す。回転部材は、該回転部材の軸線に対して垂直な平面内に位置する外周領域を有し、また静止部材は、該静止部材が回転部材の外周領域に面する半径方向内向き表面領域を有するように該回転部材に向かって半径方向に延びた部分を有する。本発明のシール構造は、回転部材の外周領域に位置するように該回転部材上に配置された環状形状のプラットホームを含むシール組立体を伴う。プラットホームは、回転部材の軸方向隣接外表面領域を越えて半径方向外方に突出するように該回転部材から半径方向外側に支持される。さらに、プラットホームは、それらの間の空洞によって回転部材から半径方向に分離された接触領域を有する。シーリング部材は、該シーリング部材の１部分がプラットホームの接触領域と摩擦接触した状態で、静止部材の半径方向内向き表面領域に配置される。空洞がプラットホームの接触領域を回転部材から軸方向に分離した状態で該プラットホームが回転部材から間隔を置いて配置される結果として、プラットホームは、シーリング部材との摩擦接触によって発生する熱を分散させかつ放散するのに有効である。

本発明はまた、上記の型のターボ機械用のシール組立体を形成する方法を提供する。本方法は、環状形状のプラットホームが回転部材から半径方向外側に支持され、回転部材の軸方向隣接外表面領域を越えて半径方向外方に突出し、かつそれらの間の空洞によって回転部材から半径方向に分離された接触領域を有するように、回転部材の外周領域に位置させて該回転部材上に該環状形状のプラットホームを設ける段階を含む。シーリング部材が、該シーリング部材の１部分がプラットホームの接触領域と摩擦接触するように静止部材の半径方向内向き領域に配置される。この場合でも、プラットホームがそれらの間の空洞によって回転部材から間隔を置いて配置される結果として、回転部材がその軸線の周りで回転する時、プラットホームは、シーリング部材との摩擦接触によって発生する熱を分散させかつ放散するのに有効である。

上記の観点において、本発明の大きな利点は、プラットホームが、シールとの摩擦接触の結果として発生する熱を分散させかつ放散するのを促進するように構成されることであることが分かるであろう。より具体的には、プラットホームは、接触区域からリブに向かって軸方向に熱を伝達し、それによって、そうでなければ回転部材の不均一な表面温度及び弓状の曲がりを発生させるおそれがある回転部材の比較的限られた表面領域における局所的な温度上昇を引き起こすことになる摩擦熱をより良好に分散させることができる。

特定のブラシシール設計に限定すれば該ブラシシールを蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域内部で全ての段において用いることができる可能性がある程度まで、本発明によって振動及びロータダイナミックスの問題を充分に低減することができる。プラットホームは、振動特性に影響を及ぼさないように、回転部材の軸線を中心に対称的になるように製作するのが好ましい。プラットホームはまた、最初の製造において用いるためだけでなく現場での取付けのためにも良好に採用されるように構成することができる。

本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から一層良好に理解されるであろう。

図１は、従来の常法によるラビリンスパッキン２４及び２６を備えた蒸気タービン１０のダイアフラムパッキン区域を示す。衝動型の場合であるが、蒸気タービン１０はロータ１２を有し、該ロータ１２上に軸方向に間隔を置いて配置されたホイール１４が形成されるか又は取付けられ、また該ロータ１２に対してバケット１６が従来の方法で取付けられる。ロータ１２は、互いにボルト止めされたホイール及びディスクから構成された典型的なガスタービンロータとは対照的に、連続しかつ単体の部材として示されている。ロータ１２、ホイール１４及びバケット１６は、ロータ１２の軸線（図示せず）の周りで回転し、従ってタービン１０の回転部分の一部を形成する。ダイアフラム内側ウェブ１８は、ホイール１４間で半径方向内向きに延びて、タービン１０の個別の段を画成する。ケーシング２２は、ロータ１２を囲み、かつウェブ１８でノズル隔壁２０を支持する。ウェブ１８、隔壁２０及びケーシング２２は共に、タービン１０の静止部分の一部を形成し、ロータ軸線に対して垂直な平面内に位置するロータ１２の外周領域を囲む。矢印で示すように、蒸気は、バケット１６及び隔壁２０を通って流れる。

タービン１０は、その各々がパッキンリングセグメント２８に取付けられたラビリンスパッキン２４及び２６を備えたものとして図１に示されている。従来と同様に、各パッキンリングセグメント２８は、ロータ１２又はケーシング２２に対して円周方向に組付けられた多数の円弧形セグメントの１つである。ラビリンスパッキン２４及び２６は、回転及び静止構成部品間、より具体的にはロータ１２及びウェブ１８間並びにバケット１６及びケーシング２２間の二次的流量損失を低下させる。有効にかつ広範に使用されているが、ラビリンスパッキン２４及び２６は、該ラビリンスパッキン２４及び２６の歯状突起３０と該歯状突起がシールする対向表面との間の間隙のため、ブラシシールを用いて可能になる程度には二次的流量損失を低下させることはできない。

図２は、図１に示すものと同じタービン１０を示すが、このタービン１０は、ウェブ１８に取付けられたパッキンリングセグメント２８が、本発明の実施形態によるラビリンスパッキン３４及び３６の組間で軸方向に置かれたブラシシール３８を含むシール組立体３２の静止部分を支持するように改良されている。ラビリンスパッキン３４及び３６は、ブラシシール３８に対するバックアップシールとしての働きをし、従って本発明では好ましいが任意選択的なものである。パッキン３４及び３６と対照的に、ブラシシール３８は、シールしようとする表面に絶え間なく接触し、それによって、ブラシシールと置き換えたラビリンスパッキン２４で可能であったよりも優れたシールを行うようになる。従来と同様に、ブラシシール３８並びにラビリンスパッキン３４及び３６は、それぞれロータ１２に向かって半径方向に突出するブリストル５６及び歯状突起５８を備えているものとして示されている。当該技術では公知であるが、ブリストル５６及び歯状突起５８は、様々の材料で形成することができる。

ブラシシール３８によって引き起こされる摩擦接触は本来的に摩擦熱を生じ、この摩擦熱は、もし対処しなければ、ロータ１２の外周に沿った不均一な加熱を招き、ロータ１２のロータ振動を増幅させる悪影響を与えるおそれがある。この熱をより良好に分散させかつ放散することは、本発明に従って、図２に示しまた図３により詳細に示す隆起セクション４０を有するようにロータ１２を改良することによって達成される。実際にシール組立体３２の回転部分を構成する隆起セクション４０は、ロータ１２の軸方向に隣接する表面領域４６を越えて半径方向外方に突出する。隆起セクション４０は、一対の支持リブ４４によってロータ１２の表面領域４８の上方に支持されたプラットホーム４２を含むものとして示されている。個々のリブ４４は、プラットホーム４２の軸方向末端部の各々に設置されたものとして示されているが、追加のリブ４４を組み込むことを含む他の構成も可能である。プラットホーム４２及びリブ４４は、隆起セクション４０がロータ１２の軸線を中心に対称的でありかつその振動特性に影響を及ぼさないように、ロータ１２の全外周に沿って連続していることが好ましい。ロータ表面領域４８において、プラットホーム４２及び支持リブ４４は、完全に密閉されて隆起セクション４０の製作の間に捕捉された空気のみを含むようになるのが好ましい空洞５０を画成する。

プラットホーム４２は、その半径方向外表面にリブ５２を備えかつラビリンスパッキン３４及び３６の各々が歯状突起５８を有する高低シーリング構成と呼ばれるものを形成するものとして示されている。図２及び図３から明らかなように、プラットホーム４２はさらに、ブラシシール３８のブリストル５６と連続的に摩擦接触する接触区域５４を形成する。図２及び図３に示す隆起セクション４０の構成の場合、接触区域５４はリブ４４間のほぼ中間に位置し、ブラシシール３８との摩擦接触により発生する熱は、前方及び後方軸方向の両方方向に接触区域５４から離れるように伝導した後に半径方向内向きにロータ１２に伝導する。空洞５０は、断熱障壁として作用するので、熱は、伝導によりプラットホーム４２下方のロータ１２の表面領域４８に直接的に伝達されるのではなく、代わりに輻射熱伝達に限定される。従って、ブラシシール３８によって発生した熱は、ロータ１２の限られた外周表面領域内に局所化されることがなく、従って蒸気タービンロータ１２がその臨界曲げ振動数の１つの付近で作動する場合に局所化したロータ加熱によって引き起こされるか又は悪化させられるロータの動的不安定性を、防止しないまでも著しく低減する。

本発明の１つの態様によると、支持リブ４４は、一対のリブ４４がロータ１２のパッキン区域の各々に設置されるように、最初のロータ鍛造品内に直接機械加工することができる。次ぎに、多数の円弧形状インサート６２が、図４及び図５に示すように、互いにかつリブ４４の各組に対して溶接され、その後インサート６２を機械加工してプラットホーム４２及びそのリブ５２を形成する。このような作業は、ロータ１２の最初の製造時に又は現用ロータ１２の現場改良として行うことができる。溶接する材料に応じて、様々な公知の溶接技術を用いて隆起セクション４０を製作することができる。プラットホーム４２に適した材料（従ってそれからプラットホーム４２を製作するインサート６２）は、ロータ１２に対して高い信頼性で溶接することができかつロータ１２の熱膨張特性と同じ熱膨張特性を有する材料であり、このうちの後者のことは、高い熱応力及びプラットホームの曲がりを防止する。これらの考慮すべき観点において、クロム・モリブデン・バナジウム合金で形成されたロータ１２の場合、プラットホーム４２に適した材料は、同一又は類似のクロム・モリブデン・バナジウム合金であると思われる。

特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者が他の形態を採用できることは明らかである。例えば、蒸気タービンに関して本発明を説明してきたが、本発明は、他の型のターボ機械に用途を見出すことができる。なお、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。

従来技術による蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域の長手方向部分断面図。 本発明の特定の実施形態によるシーリング組立体を備えた蒸気タービンのダイアフラムパッキン区域の長手方向部分断面図。 図２のシーリング組立体の一部として示したプラットホームの一層の詳細図。 図２及び図３のプラットホームの製作における中間段階を示す図。 図２及び図３のプラットホームの製作における中間段階を示す図。

符号の説明

１２ ロータ
１４ ホイール
１６ バケット
１８ ダイアフラム内側ウェブ
２０ ノズル隔壁
２２ ケーシング
２６ ラビリンスパッキン
２８ パッキンリングセグメント
３０、５８ ラビリンスパッキンの歯状突起
３２ シール組立体
３４、３６ ラビリンスパッキン
３８ ブラシシール
４０ 隆起セクション
４２ プラットホーム
４４ 支持リブ
４６ ロータの軸方向隣接外表面
４８ ロータ表面領域
５０ 空洞
５２ リブ
５４ 接触区域
５６ ブリストル

Claims (10)

1. 軸線の周りで回転可能な回転部材（１２）と前記回転部材（１２）を囲む静止部材（１８、２０、２２）とを有し、前記回転部材（１２）が該回転部材の軸線に対して垂直な平面内に位置する外周領域（４０）を有し、また前記静止部材（１８、２０、２２）が、該静止部材（１８、２０、２２）が前記回転部材（１２）の外周領域（４０）に面する半径方向内向き領域（２８）を有するように該回転部材（１２）に向かって半径方向に延びた部分（１８）を有するターボ機械（１０）用のシール組立体（３２）であって
   前記回転部材（１２）の外周領域（４０）に位置するように該回転部材（１２）上に配置され、前記回転部材（１２）の軸方向隣接外表面領域（４６）を越えて半径方向外方に突出するように該回転部材（１２）から半径方向外側に支持され、かつそれらの間の空洞（５０）によって前記回転部材（１２）から半径方向に分離された接触領域（５４）を有する環状形状のプラットホーム（４２）と、
   前記静止部材（１８、２０、２２）の半径方向内向き領域（２８）に配置され、かつ前記プラットホーム（４２）の接触領域（５４）と摩擦接触する部分（５６）を有するシーリング手段（３８）と、を含み、
   前記プラットホーム（４２）が、前記シーリング手段（３８）との摩擦接触によって発生する熱を分散させかつ放散するのに有効である、
   シール組立体（３２）。
2. 前記シーリング手段（３８）がブラシシール（３８）を含む、請求項１記載のシール組立体（３２）。
3. 前記プラットホーム（４２）が、前記接触領域（５４）から第１の軸方向に間隔を置いて配置された少なくとも第１のリブ（４４）と該接触領域（５４）から反対方向の第２の軸方向に間隔を置いて配置された少なくとも第２のリブ（４４）とによって前記回転部材（１２）から半径方向外側に支持されている、請求項１記載のシール組立体（３２）。
4. 前記プラットホーム（４２）が、前記第１及び第２のリブ（４４）に溶接されている、請求項３記載のシール組立体（３２）。
5. 前記第１及び第２のリブ（４４）の各々が、前記回転部材（１２）の外周領域（４０）に沿って連続している、請求項３記載のシール組立体（３２）。
6. 前記空洞（５０）が、前記プラットホーム（４２）、回転部材（１２）及び第１及び第２のリブ（４４）によって境界づけされている、請求項３記載のシール組立体（３２）。
7. 前記空洞（５０）が完全に密閉されている、請求項１記載のシール組立体（３２）。
8. 前記空洞（５０）が空気のみを含む、請求項１記載のシール組立体（３２）。
9. 前記静止部材（１８、２０、２２）の半径方向内向き領域（２８）に位置しかつ前記シーリング手段（３８）の部分（５６）から軸方向に間隔を置いて配置されたラビリンスパッキン（３４、３６）をさらに含む、請求項１記載のシール組立体（３２）。
10. 前記プラットホーム（４２）の半径方向外向き表面上に隆起表面領域（５２）をさらに含み、前記ラビリンスパッキン（３４、３６）が、前記隆起表面領域（５２）に向かって半径方向内向きに延びる歯状突起（５８）を含む、請求項９記載のシール組立体（３２）。

Images