JP2007138948A - シール部材、組立体及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部材と該回転部材を囲む固定部材とを有するタービン機械用のブラシシール組立体及びその組立方法を提供する。
【解決手段】本シール組立体は、固定部材の半径方向内側領域に配置されたシール部材（１４６）を含み、シール部材の一部分（１３６）が、接触領域と摩擦接触状態になっている。シール部材（１４６）は、選択的な交換のために固定部材から取外し可能であり、また少なくとも１つの一体形に形成されたシール要素（１３１）が組込まれる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはターボ機械で使用する型式の動的シールに関する。

蒸気タービン並びに航空機用及び工業用ガスタービンでは、ラビリンス型パッキンとブラシシールとを広く使用して、例えば蒸気タービンのロータ及びダイアフラム内側ウエブのような回転及び固定タービン構成要素間に動的シールを形成している。伝統的なラビリンスパッキンは、固定構成要素の内周面から半径方向内向きに回転構成要素に向けて突出しているがその回転構成要素と接触しない一連の（硬）歯を含み、それによって回転構成要素の表面に直ぐ隣接して蛇行軸方向流路を構成した一連の部分的障壁を形成する。

ブラシシールは一般的に、ラビリンスパッキンの歯と同様に固定構成要素の内周面から半径方向内向きに回転構成要素に向けて突出した金属ブリストルを含む。ラビリンスパッキンとは対照的に、ブラシシールは通常、回転構成要素の隣接する外周面と摩擦接触状態になって、回転構成要素の外周面の周りの流れに対する実質的に連続的な障壁を形成することを意図している。この点で、ブラシシールは、ラビリンスパッキンと比較して二次流れ損失に対してより有効な障壁を形成し、つまりより良好なシール性能をもたらし、従って性能を大きく向上させるための潜在能力を有する。

航空機用及び工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、ロータ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を受けない。対照的に、蒸気タービンのロータは一般的に、それに対してバケットが取付けられる連続した中実シャフトを含む。インパルス型蒸気タービンは一般的に、ロータの第１の曲げ臨界振動数以上で作動し、多くの場合には第２の曲げ臨界振動数近くで作動する。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の臨界速度によるロータ振動を増幅させ、許容不能な半径方向ロータ移動を生じさせる可能性があることが分かっている。こうした作用は特に、ロータが熱的、動的又は製造環境の結果として湾曲した場合に発生しがちであると思われる。より具体的には、摩擦接触により生じた摩擦は、ロータの表面温度を局所的に上昇させ、その円周面に沿って一様でない表面温度を招く。湾曲したロータのハイ（膨大した）スポットは特に、このようにより激しい摩擦接触による加熱を受けやすくなるので、ブラシシールによって生じる局所的加熱は、ロータ円周面の周りでの一様でない熱膨張の結果としてロータの湾曲をさらに増大させ、それによって振動及びロータ動力学問題を悪化させるおそれがある。

その開示を参考文献として本明細書に組み入れている出本願と同一出願人の米国特許第６，８２１，０８６号には、ターボ機械の回転部材と摩擦接触状態になったシールによって生じる局所的加熱の結果として、例えば蒸気タービンのようなターボ機械に発生する振動及びロータ動力学問題を大きく減少させることができるシール組立体及びそのための組立方法が開示されている。

’０８６特許の構成は、多数の硬歯が必要とされる場合及び大型のダブテール硬歯キャリヤ用として十分なスペースがある場合には受け入れ可能である。しかしながら、僅かな数の硬歯しか必要でないような場合あるいは殆どスペースがないような場合には、’０８６特許の大型の硬歯キャリヤ及びブラシシールキャリヤ構成は、目的通りに機能させることができない。従って、より小型の設計が、望ましいことになる。図２に示すように、幾つかの硬歯は、実際にはノズル構造体に対して機械加工される。しかしながら、そのようなシール構造体が、摩擦により摩滅した場合には、硬歯シール構造体は、交換することができない。
米国特許第６，８２１，０８６号公報 米国特許第６，５７１，４７０号公報 米国特許第６，６８５，４２７号公報

上述のように、現在のブラシシールキャリヤは、大きなスペースを占め、キャリヤを所定の位置に保持するのに必要な材料の量を増大させかつシールを据付ける場所を制限している。また上述のように、幾つかの硬歯は、実際にはノズル組立体に対して機械加工され、従ってシールが摩滅した場合には、交換することができない。

本発明は、シール組立体を形成するのに必要な材料の量を低減すると同時に、必要に応じてノズルのあらゆる製造又は改良もない状態で全てのシール装置を交換するのを可能にすることを提案する。

本発明の例示的な実施形態では、ブラシシール組立体及びそのキャリヤのフットプリントを縮小すると同時に、さらに二次／冗長／バックアップシールとしてキャリヤ内に硬歯シールを組込んだブラシシールキャリヤを提供する。キャリヤ内に硬歯シールを組込むことは、交換を容易にすると同時に、小さいフットプリントによりブラシシールをより狭い領域内に据付けるのを可能にする。硬歯構造体を組むことにより、硬歯に最小の支持構造体を設けることが可能になり、さらに硬歯が摩滅した場合に該硬歯を交換することが可能になる。

従って、本発明は、ターボ機械用のシール部材として具現化することができ、本シール部材は、ブラシシールキャリヤと、その一部分がブラシシールキャリヤから突出するように該ブラシシールキャリヤに取付けられたブラシシール構成要素と、ブラシシールキャリヤから突出したブラシシール構成要素の一部分の少なくとも一部とほぼ平行な関係で延びるように該ブラシシールキャリヤと一体形に形成された少なくとも１つの硬歯シール要素とを含む。

本発明はまた、軸線の周りで回転可能な回転組立体と該回転組立体を囲む固定組立体とを有し、回転組立体が外周面を形成し、また固定組立体が、回転組立体の外周面と対向対面関係になるように該回転組立体に半径方向に対面した部分を有するターボ機械用のシール組立体として具現化することができ、本シール組立体は、回転組立体の外周面の少なくとも一部分を含み、複数のシール要素が、固定組立体の半径方向対面部分におけるブラシシールキャリヤ上に形成され、複数のシール要素は、ブラシシールキャリヤに取付けられかつ外周面と摩擦接触状態で配置された少なくとも１つのブラシシール要素と外周面から間隔を置いて配置された少なくとも１つの硬歯シール要素とを含み、硬歯シール要素は、ブラシシールキャリヤと単一部品として一体形に形成される。

本発明はさらに、ターボ機械において、軸線の周りで回転可能でありかつ外周面を有する回転部材と該回転部材を囲む固定部材との間にシールを形成する方法として具現化することができ、本方法は、固定部材の半径方向内側領域に第１及び第２のシール構成要素を含み、第１のシール構成要素は、回転部材の外周面と摩擦接触状態になったその一部分を有し、また第２のシール構成要素は、第１のシール構成要素のキャリヤと単一部品として一体形に形成されかつ該第１のシール構成要素とほぼ平行な関係で延びているが外周面から間隔を置いて配置されるようになったシール組立体を設ける段階を含む。

本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に行っている本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明の注意深い検討によってより完全に理解されかつ納得されるようになるであろう。

図１を参照すると、’０８６特許によるシール組立体を備えた蒸気タービンのダイアフラムパッキン領域を示している。この蒸気タービンは、ロータ１０を有し、このロータ上には軸方向に間隔を置いて配置されたホイール１２が形成又は取付けられ、またこのロータに対してはバケット１４が取付けられる。ロータ１０、ホイール１２及びバケット１４は、ロータ軸線の周りで回転し、従ってタービンの回転部分の一部を形成する。ダイアフラム（ノズル）内側リング（ウエブ）１６が、ホイール１２間で半径方向内向きに延び、個々のタービン段を形成する。ケーシング１８が、ロータ１０を囲みかつノズル内側リング１６と共にノズルパーティション２０を支持する。リング１６、パーティション２０及びケーシング１８は共に、ロータ軸線に対して垂直な平面内に配置されかつロータ１０の外周領域を囲むタービンの固定部分の一部を形成する。蒸気は、バケット１４及びノズルパーティション２０を通って流れる。

図１に示すタービンは、ラビリンスパッキン２２、２４及び２６を備える。ラビリンスパッキン２２及び２４は、パッキンリングセグメント又は硬歯キャリヤ２８に取付けられ、またラビリンスパッキン２６は、パッキンリングセグメント３０に取付けられる。従来のものと同様に、各パッキンリングセグメント２８、３０は、それぞれノズル内側リング１６又はケーシング１８に対して円周方向に組立てられた複数のアーチ形セグメントの１つである。ラビリンスパッキン２２、２４及び２６は、回転及び固定構成要素間、より具体的にはロータ１０とノズル内側リング１６との間及びバケット１４とケーシング１８との間の二次流れ損失を低下させる。有効ではあるが、ラビリンスパッキン２２、２４及び２６は、それぞれのラビリンスパッキンの硬歯３２、３３と、それとの間を硬歯がシールする対向面との間のギャップの故に、ブラシシールで可能な程度までには二次流れ損失を低下させることができない。従って、’０８６特許によると、ノズル内側リング１６に取付けられたパッキンリングセグメント又は硬歯キャリヤ２８はさらに、ラビリンスパッキン２２及び２４の組間で軸方向に配置されたブラシシール３４を含む。従って、ラビリンスパッキン２２及び２４は、ブラシシール３４に対するバックアップシールとしての働きをする。ラビリンスパッキン２２及び２４とは対照的に、ブラシシール３４は、それとの間を該ブラシシールがシールすることを意図している表面と連続的に接触するようになっており、それによってラビリンスパッキン２２及び２４で可能なよりも良好なシールを行う。従来のもと同様に、ブラシシール３４は、ブリストル３６を備えており、また上述のように、ラビリンスパッキン２２及び２４は、ロータ１０に向かって半径方向に突出した硬歯３２を備えている。

よく知られているように、ブラシシール３４とロータ１０との間で発生した摩擦接触により、本質的に摩擦熱が生じる。’０８６特許では、軸方向に隣接する表面領域４０を越えて半径方向外向きに突出してプラットフォーム４２を形成した隆起セクション３８をロータ上に備えることによって、良好な熱の分布及び消散が達成される。隆起セクション３８は、完全に密閉された空洞４４を形成し、この空洞は、例えば該空洞の形成時に閉じ込められた空気だけを含むようになっている。

図３は、図１に示したのと同一のタービンを示しているが、本発明の実施例としての（例示的な）実施形態によりシール組立体を改良して、ブラシシールキャリヤ１４６のフットプリント（占有面積）を縮小すると同時にさらに硬歯シール１２２を組込んでブラシシールに対するバックアップシールとしての働きをさせるようになっている。図３に概略的に示す本発明の例示的な実施形態をより具体的に参照すると、ブラシシール組立体１４６は、ロータに向かって半径方向に延びかつ回転シャフト（図示せず）の対面表面との間での緊密シールを形成するコンプライアンス性ブリストル１３６を含む。図３には詳細に示していないが、例示的な実施形態では、ブラシシールと対向関係になったロータ構造体は、図１に示しかつそれに関連して開示した形式のプラットフォーム４２を含み、ブラシシールとそれがその軸線の周りで回転する時の回転部材との摩擦接触によって発生した熱を効果的に分布させかつ消散させることができる。

この図示した実施形態では、ダブテールグルーブ内に受けられるようになったダブテールを設けるのではなく、キャリヤ１４６は、単一の係合フック又はフランジ１４８を有する。キャリヤ１４６は、フック１４８がチャネル１５２内に受けられるようにダイアフラム内側リング（ノズルウエブ）１１６内の成形グルーブ１５０内に受けられたものとして図示している。さらに、この図示した実施例では、ブラシシールキャリヤ１４６は、前方及び後方プレート又はキャリヤ部品１５４、１５６間に挟まれたコンプライアンス性ブリストル１３６を含むラミネート構造体である。前方キャリヤ部品１５４は、コンプライアンス性ブリストルを該前方プレートの残部から間隔を置いて配置するためのスペーサ部分１５８を含み、コンプライアンス性ブリストルが従来通りの方法で軸方向前方に撓むのを可能にする。他方、後方プレート１５６は、コンプライアンス性ブリストル１３６の後方への撓みを制限する突出支持体１６０を含む。

本発明の例示的な実施形態では、少なくとも１つの硬歯シール要素１３１が、ブリストル１３６と平行であるが該ブリストルよりも短い程度で半径方向に延びるようにブラシシールキャリヤ１４６内に組込まれ、従ってブリストル１３６に対するバックアップシールを形成する。ブラシシールキャリヤ１４６のフットプリントを縮小するために、図１の構造におけるように個別の硬歯要素３２を設けるのではなく、一体形の硬歯１３１が設けられる。従って、キャリヤ部品（この図示した実施形態では符号１５４）は金属片から機械加工され、該キャリヤ部品内に一体形に機械加工された硬歯１３１を含む。ブラシ構造体１３６は、キャリヤ１５４、１５６とラミネートされかつ該キャリヤ１５４、１５６内に溶接されて、シール組立体１４６の回転部品を形成する。タービン構造体の残りの部品は、図１の実例によって示すものにほぼ対応しており、従って図３には再度図示していないが、この例示的な実施形態においてもそれらの対応する部品を設けるのが有利であることを理解されたい。

上記から明らかなように、硬歯を一体形することにより、シールキャリヤの寸法を縮小させることが可能になると同時に、硬歯が摩滅した場合にその硬歯を交換することが可能になる。このことはまた、組立体に必要な部品の総数を少なくすることを可能にする。上述のように、図１の構成には、複数の硬歯のための硬歯キャリヤ２８内に設置された大型のブラシシールキャリヤ３４が含まれていた。このことは、組立体のための材料及びスペースの必要量を増加させる。このことはまた、ブラシシールのシール有効性の故に、必要となる可能性があるのよりも多くの硬歯を使用することにつながる。上記に提案しかつ図３に概略的に示した一体形構成により、キャリヤ１４６を１つの硬歯１３１と同じ程度に少ない硬歯を有するように設計することが可能になる。さらに、上記から分かるように、例えばノズルウエブ１１６に対して直接取付けられたプレート及びブリストルのラミネート組立体としてブラシシール組立体１４６を構成することにより、例えば図１に示すシールキャリヤ２８と比較してシール組立体１４６の軸方向寸法がさらに大幅に縮小される。

実施例としてのキャリヤ部品１５４、１５６構成を図示しかつ説明してきたが、キャリヤ部品は、図示した実施例とは異なる構成及び形状の具体構造を有することができる。例えば、後方プレートは、ノズルウエブ／ダイアフラム内側リング１１６内のグルーブ１５０のチャネル１５２と係合するためのフックを含むものとして例示してきたが、前方プレートが、ダイアフラム内側リング／ノズルウエブ構造体内のそれぞれのチャネルと係合するためのそのようなフックを代わりに又は付加的に含むようにすることができる。さらに、硬歯１３１は、前方プレート１５４内に一体形にしたものとして例示してきたが、それに加えて又はその変形形態として前方プレート１５４又は後方プレート１５６の何れか又はその両方が、それと一体形にした硬歯を有するようにすることができることを理解されたい。さらに、一つのみの硬歯を例示してきたが、それぞれのプレートの軸方向厚さは、様々な数の歯に適応するように調整することができることを理解されたい。さらに、シールの例示的な実施形態は、ダイアフラム（ノズル）内側リング（ウエブ）内に直接挿入されるものとして図示しかつ説明してきたが、これに加えて、新規シール組立体をバケット先端上方におけるステータのグルーブ内に直接挿入して、そこにシールを形成することもできる。このシール組立体は、ケーシングの一部又はダイアフラム外側リングの一部とすることができる。

従って、現時点で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して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるものでなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

従来技術のシール組立体を備えた蒸気タービンにおけるダイアフラムパッキン領域の長手方向部分断面図。 従来技術の別のシール組立体の概略図。 本発明の例示的な実施形態によるシール組立体の概略図。

符号の説明

１０ ロータ
１２ ホイール
１４ バケット
１６ ダイアフラム（ノズル）内側リング（ウエブ）
１８ ケーシング
２０ ノズルパーティション
２２、２４、２６ ラビリンスパッキン
２８ 硬歯キャリヤ
３０ パッキンリングセグメント
３２、３３ 硬歯
３４ ブラシシール
３６ ブリストル
３８ 隆起セクション
４０ 表面領域
４２ プラットフォーム
４４ 空洞
１１６ ダイアフラム内側リング（ノズルウエブ）
１２２ 硬歯シール
１３１ 硬歯シール要素
１３６ コンプライアンス性ブリストル
１４６ ブラシシールキャリヤ
１４８ 係合フック又はフランジ
１５０ 成形グルーブ
１５２ チャネル
１５４、１５６ 前方及び後方プレート又はキャリヤ部品
１５８ スペーサ部分
１６０ 突出支持体

Claims (10)

1. ブラシシールキャリヤ（１４６）と、
   その一部分が前記ブラシシールキャリヤから突出するように該ブラシシールキャリヤに取付けられたブラシシール構成要素（１３６）と、
   前記ブラシシールキャリヤから突出した前記ブラシシール構成要素の一部分の少なくとも一部とほぼ平行な関係で延びるように該ブラシシールキャリヤと一体形に形成された少なくとも１つの硬歯シール要素（１３１）と、
   を含むターボ機械用のシール部材。
2. 前記ブラシシールキャリヤ（１４６）が、それらの間に前記ブラシシール構成要素（１３６）が配置された状態で前方プレート（１５４）と後方プレート（１５６）とを含み、前記前方プレート、後方プレート及びブラシシール構成要素が、溶接によって一体化される、請求項１記載のシール部材。
3. 前記硬歯シール要素（１３１）が、前記前方プレート（１５４）と単一部品として一体形に形成される、請求項２記載のシール部材。
4. 前記前方プレート及び後方プレートの少なくとも１つが、それに対して前記シール部材が取付けられるようになった支持構造体の対応するチャネル（１５２）と係合するためのフック部分（１４８）を形成する、請求項２記載のシール部材。
5. 前記ターボ機械が、軸線の周りで回転可能な回転組立体と前記回転組立体（１０、１２、１４）を囲む固定組立体（１６、１８、２０）とを有し、前記回転組立体が外周面を形成し、また前記固定組立体が、前記回転組立体の外周面と対向対面関係になるように該回転組立体に半径方向に対面した部分（１８、１１６）を有し、前記シール組立体が、前記回転組立体の外周面の少なくとも一部分（１４、４２）を含み、前記複数のシール要素（１３１、１３６）が、前記固定組立体の半径方向対面部分（１８、１１６）における前記ブラシシールキャリヤ（１４６）上に形成され、前記複数のシール要素が、前記ブラシシールキャリヤに取付けられかつ前記外周面と摩擦接触状態で配置された少なくとも１つのブラシシール要素（１３６）と前記外周面から間隔を置いて配置された少なくとも１つの硬歯シール要素（１３１）とを含み、前記硬歯シール要素が、前記ブラシシールキャリヤ（１４６）と単一部品として一体形に形成される、請求項１記載のシール組立体。
6. 前記シール要素と摩擦接触状態になった前記回転組立体の外周面の一部分が、ロータ（１０）の軸方向に隣接する部分（４０）の半径方向外側に支持されたプラットフォーム（４２）を含む、請求項５記載のシール組立体。
7. 前記支持プラットフォーム（４２）の下方に形成された少なくとも１つの空気空洞（４４）をさらに含む、請求項５記載のシール組立体。
8. 前記シールキャリヤ（１４６）が、前記固定組立体とは別個に形成されかつ該固定組立体に対して取外し可能に固定される、請求項５記載のシール組立体。
9. ターボ機械において、軸線の周りで回転可能でありかつ外周面を有する回転部材と前記回転部材を囲む固定部材との間にシールを形成する方法であって、
   前記固定部材の半径方向内側領域に第１及び第２のシール構成要素（１３１、１３６）を含み、前記第１のシール構成要素（１３６）が、前記回転部材の外周面と摩擦接触状態になったその一部分を有し、また前記第２のシール構成要素（１３１）が、前記第１のシール構成要素（１３６）のキャリヤ（１４６）と単一部品として一体形に形成されかつ該第１のシール構成要素とほぼ平行な関係で延びているが前記外周面から間隔を置いて配置されるようになったシール組立体（１４６）を設ける段階、
   を含む方法。
10. 前記キャリヤ（１４６）が、前記固定部材に対して取外し可能に固定される、請求項９記載の方法。

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