JP2007146843A - 可変隙間パッキンリング構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 幅及び直径が小さすぎる環状溝と関連して使用できるばね作動構造を備えるパッキングリング構造の提供
【解決手段】 パッキンリング（１０４）を含む可変隙間パッキンリング構造（１００）が開示される。パッキンリング（１０４）は、密封面（１０５）を含む。可変隙間パッキンリング構造（１００）は、パッキンリング（１０４）の内部に作動構造（１０２）を更に含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に、回転機械において使用されるパッキンリングに関し、特に、蒸気タービンなどの回転機械において使用される可変隙間正圧パッキンリングに関する。

蒸気タービンなどの回転機械においては、回転要素と静止要素との間にシールが設けられる。例えば、蒸気タービンにおいては、静止要素及び回転要素の周囲並びにその間にラビリンスシールを形成するために、複数の弓形パッキンリングセグメント（ラビリンスの特徴を有する）を採用するのが通例である。通常、弓形パッキンリングセグメントは、機械の回転軸と同心であり、従って、回転要素の密封面と同心である静止要素の環状溝に配置される。密封面の歯及びそれに対向する回転要素の面により形成されるラビリンスの内部の相対的に狭い隙間を、例えば、蒸気などの作動媒体が通過する間に、作動媒体の乱流を発生させることにより、密封機能が実現される。

始動時及び運転停止時などの過渡状態の間の回転子及びパッキンリングの損傷を回避するために、正圧可変隙間パッキンリングが使用されることがある。正圧可変隙間パッキンリングにおいては、パッキンリングにより支持される密封面を回転要素から実質的に外側に離間させるために、通常、パッキンリングセグメントは、外側位置、すなわち、隙間が広くなる位置へばねにより偏向される。始動後、作動流体媒体、例えば、蒸気は、静止要素の溝に流入し、それにより、セグメントをばねの偏向力に抗して、内側位置、すなわち、隙間が狭くなる位置に向かって内側へ押圧する。それらのばねは、通常、静止要素により規定される環状溝の内部に配置され、ばねが挿入される環状溝に対して大きさを規定される。大型タービンユニットの場合、環状溝は、通常、流体媒体の流入の結果として発生する圧力を許容できる弾性を有する大型のばねを収容できるほど十分に広い。更に、パッキンリングは、通常、環状溝の中にあるパッキンリングの部分にばねを固定できるほど十分に大きい。
しかし、ボイラ給水ポンプ、原子炉給水ポンプ、圧縮機及びポンプの機械駆動装置、並びにいくつかの発電機駆動装置のような用途において使用される小型のタービン装置と組み合わせて使用される場合、小型のタービン装置に存在する幅／直径の小さな環状溝の中に有効なばねを設置することが困難及び実行不可能になることもある。従って、そのような場合には、従来のばねを収容するには幅及び直径が小さすぎる環状溝と関連して使用できるばね作用装置が必要とされる。
米国特許第４，４３６，３１１号公報 米国特許第５，００２，２８８号公報 米国特許第５，３９５，１２４号公報 米国特許第５，４６４，２２６号公報 米国特許第５，６０３，５１０号公報 米国特許第５，７０９，３８８号公報 米国特許第５，８１０，３６５号公報 米国特許第５，９３４，６８４号公報 米国特許第５，９７１，４００号公報 米国特許第６，０２２，０２７号公報 米国特許第６，０６５，７５４号公報 米国特許第６，１３９，０１８号公報 米国特許第６，３１８，７２８号公報 米国特許第６，５０２，８２３号公報 米国特許第６，５７２，１１４号公報 米国特許第６，６５１，９８６号公報 米国特許第６，６９５，３１６号公報 米国特許第６，７１５，７６６号公報 米国特許第６，７８６，４８７号公報 米国特許第６，９３５，６３４号公報

パッキンリングを含む可変隙間パッキンリング構造が開示される。パッキンリングは、密封面を含む。可変隙間パッキンリング構造は、パッキンリングの内部に作動構造を更に含む。

更に、可変隙間パッキンリング構造を密封する方法が開示される。方法は、パッキンリングの内部にある作動装置を介して、パッキンリングを隙間位置まで内側に偏向することと、内部作動構造に対抗する流体圧力をパッキンリングの面に向けることと、流体媒体からの圧力によって、パッキンリングを密封位置に再位置決めすることとを含む。

添付の図面と関連させた以下の実施形態の詳細な説明から、本発明の上記の特徴及び利点並びにその他の特徴及び利点は更によく理解されるであろう。図中、いくつかの図において、同じ要素は、同様の図中符号により示される。

図１（従来の技術）を参照すると、全体を図中符号１０により示される蒸気タービンなどの回転機械の一部が示される。回転機械１０は、静止要素１４の中に少なくとも一部が配置されている回転要素１２を有する。回転要素１２は、静止要素１４の内部に、従来の手段（図示せず）により回転するように支持される。回転要素１２の周囲に、複数のパッキンリング１８、２０及び２２を含む多段ラビリンスシール１６が配置される。それらのパッキンリングにより、高圧領域２８と低圧領域３０とが分離される。各パッキンリングは、弓形パッキンリングセグメント３２の環状アレイから形成される。各パッキンリングセグメント３２は密封面３４を有し、密封面３４から突出する半径方向歯３６は、高圧領域２８から低圧領域３０へ流れる蒸気に対する部分障壁として作用する。
先に簡単に説明した静止要素１４は、ほぼダブテール形の環状溝４２を有する。環状溝４２は、静止要素１４の半径方向の最も内側の部分に沿って配置され、互いに向かって軸方向に延出する１対の位置決めフランジ４４により規定される。位置決めフランジ４４の間には、溝穴４６が形成される。各パッキンリングセグメント３２のネック部分４８は、位置決めフランジ又はフック４０を密封面３４と結合し、溝穴４６を貫通する。
パッキンリングセグメント３２は、回転要素１２に対して隙間の幅が広くなる位置と、隙間の幅が狭い密封位置との間で移動可能である正圧可変隙間パッキンリングセグメントであってもよい。典型的な可変隙間パッキンリングにおいては、静止要素１４の位置決めフランジ４４とパッキンリング１８、２０及び２２のフック４０との間に、ばねなどの作動構造が存在してもよい。しかし、ボイラ給水ポンプ、原子炉給水ポンプ、圧縮機及びポンプの機械駆動装置、並びにいくつかの発電機駆動装置のような用途においては、環状溝４２が作動構造を受け入れるのに適切な寸法ではない場合もある。そのような用途では、作動構造は、パッキンリングセグメント自体のような、環状溝４２以外の領域に配置されなければならない。従って、パッキンリングセグメントの内部に作動構造を組み込むことが本発明の主眼であり、以下にそれを説明する。
図２及び図３を参照すると、可変隙間パッキンリング構造の一実施形態１００が示される。可変隙間パッキンリング構造１００はパッキンリング１０４を含み、パッキンリング１０４は密封面１０５を含む。密封面１０５とは反対の側のパッキンリング１０４の端部は、図示されるように、静止要素１１０により規定される環状溝１０８の内部に配置される。更に、パッキンリング１０４と、少なくとも１つのフランジ１２４を含む静止要素１１０とは、蒸気タービン（関連する部分のみが示される）などの回転機械の内部に含まれる。回転機械は、回転要素１１２を更に含む。
パッキンリング１０４の内部に、作動要素１０２が含まれる。作動要素１０２は、少なくとも１つのアクチュエータ要素１１４、少なくとも１つの結合要素１１８及び少なくとも１つの防止要素１１９を含む。それら３つの構成要素は、パッキンリング１０４の内部に位置し、パッキンリング１０４を隙間位置と密封位置との間で移動する手段を構成する。
作動構造１０２は、結合要素１１８がアクチュエータ要素１１４と防止要素１１９とを確実に連係させるように形成又は製造される。結合要素１１８は防止端部１２２を含み、防止端部１２２において、結合要素１１８と防止要素１１９とは確実に連係されて、剛性「Ｔ」字形構造を形成する。結合要素１１８は、（図示されるように）「Ｔ」の縦部分を構成し、防止要素１１９は、（図示されるように）「Ｔ」の横部分を構成する。防止要素１１９は、静止要素１１０に含まれる少なくとも１つのフランジ１２４に常時隣接する位置にある。
防止要素１１９に結合された端部とは反対側の端部において、結合要素１１８は、アクチュエータ要素１１４とも確実に連係される。結合要素１１８はアクチュエータ端部１２０を含み、アクチュエータ要素１１４は固定端部１１５を含む。結合要素１１８及びアクチュエータ要素１１４は、それらの端部においてそれぞれ互いに連係される。
作動構造１０２のアクチュエータ要素１１４は、固定端部１１５とは反対の側に、固定端部１１５より回転要素１１２から遠く離間した位置にある延出端部１１６を更に含む。延出端部１１６は延出可能及び圧縮可能であり、連係部分１１７を介して作動構造が配置されているパッキンリング１０４と連係される。アクチュエータ要素１１４の延出端部１１６が作動構造１０２全体をパッキンリング１０４と連係させるのは、連係部分１１７においてである。
アクチュエータ要素１１４とパッキンリング１０４との間の連係部分１１７は、所望の最終目的を達成するために必要な任意の手段を介して実現されればよい。そのような手段の１つは、作動構造１０２とパッキンリング１０４とを、連係部分１１７において接合された単一の連続するユニットとして製造又は形成される単一の一体構造にすることである。
連係部分１１７を実現する別の手段は、作動構造１０２をパッキンリング１０４と別個にすることを含む。その場合、作動構造は、パッキンリング１０４により形成されるパッキンリング空洞部１０６に挿入される。作動構造１０２は、連係部分１１７においてパッキンリング１０４と継続して連係するように（構成要素に対して損傷を引き起こすことなく、取り外し不可能なように固定される）パッキンリング空洞部１０６の内部に位置してもよいし、あるいは連係部分１１７においてパッキンリング１０４と取り外し可能に連係するように（構成要素を損傷することなく解体可能である）パッキンリング空洞部１０６の内部に位置していてもよい。アクチュエータ要素１１４とパッキンリング１０４との間の連係部分１１７は、連動フランジ、フック構造及び摩擦力を含むが、それらには限定されない任意の着脱可能固定方法並びに熱処理／化学処理による接着を含むが、それに限定されない任意の永久固定方法を利用して実現されてもよい。
アクチュエータ要素１１４は、上述の連係部分１１７を介してパッキンリング１０４と直接連係されるが、結合要素１１８及び防止要素１１９（すなわち、「Ｔ」構造の構成要素）は、いずれも、パッキンリング１０４と直接連係しない。直接の連係ではなく、延出可能及び圧縮可能のアクチュエータ要素１１４（延出端部１１６において延出及び圧縮する）は、結合要素１１８をパッキンリング１０４と間接的に連係させ、その結果、防止要素１１９をパッキンリング１０４と間接的に連係させる。従って、「Ｔ」構造とパッキンリング１０４との間に直接の連係は存在しないため、パッキンリング１０４は、「Ｔ」構造とは無関係に、隙間位置と密封位置との間で移動できる。特に、アクチュエータ要素１１４の延出端部１１６は、パッキンリング１０４がそれら２つの位置の間で移動するのに関連して延出及び圧縮するが、結合要素１１８及び防止要素１１９（すなわち、「Ｔ」構造）は、静止したままである。隙間位置と密封位置との間のこのパッキンリング１０４の運動については、以下に詳細に説明する。
図２を参照すると、隙間（開放）位置にあるパッキンリング１０４が示されており、この位置では、回転機械が過渡状態にあるとき、回転要素１１２とパッキンリング１０４の密封面１０５との間に、広い間隙１２６が形成される。隙間位置は、アクチュエータ要素１１４を介して実現される。アクチュエータ要素１１４は、アクチュエータ要素１１４とパッキンリング１０４との間の連係部分１１７に加えられる半径方向力によって、パッキンリング１０４を隙間位置へ押圧する。この半径方向力は、パッキンリング１０４を回転要素１１２から離間する方向へ偏向し、回転機械内部における過渡状態が持続する間、パッキンリング１０４を隙間位置に保持する。しかし、「Ｔ」構造は、パッキンリング１０４とは無関係に移動可能であるため、パッキンリング１０４が隙間位置へ偏向され、隙間位置に保持されている間、「Ｔ」構造は静止したままであり、フランジ１２４に隣接している。
再び図２及び図３を参照すると、パッキンリング１０４は、隙間位置から密封位置へ移動している。密封位置では、回転要素１１２とパッキンリング１０４の密封面１０５のラビリンス歯との間に、狭い間隙１２８が形成される。回転機械の動作中、蒸気などの流体媒体が高圧供給源１３０から静止要素１１０の環状溝１０８の中へ流入したとき、パッキンリング１０４は密封位置へ移動される。環状溝１０８に流入した流体媒体は、密封面１０５とは反対の側のパッキンリング１０４の端部に圧力を加える。この圧力は、アクチュエータ要素１１４の偏向力に抗して、パッキンリング１０４を内側に偏向し、それにより、パッキンリング１０４を回転要素１１２に向かって移動し、最終的に回転要素１１２との間にシールが形成されるまで、間隙１２８を縮小する。
しかし、この場合にも、「Ｔ」構造は、パッキンリング１０４とは無関係に移動可能であるため、「Ｔ」構造は、流体媒体の圧力による内側への偏向に応答して静止したままである。これは、防止要素１１９（「Ｔ」構造の横の構成要素）がフランジ１２４に隣接しており、その隣接によって、内側への移動が阻止又は防止されるためである。また、結合要素１１８（「Ｔ」構造の縦の構成要素）のアクチュエータ端部１２０と連係されるアクチュエータ要素１１４の固定端部１１５の内側への移動も阻止される。しかし、アクチュエータ要素１１４の延出端部１１６は、パッキンリング１０４と直接連係されるため、アクチュエータ要素１１４の延出端部１１６は、パッキンリング１０４と共に回転要素１１２に向かって内側へ移動する。更に、アクチュエータ要素１１４の固定端部１１５は、運動を防止されている「Ｔ」構造との連係により静止したままであるので、アクチュエータ要素１１４の延出端部１１６は、回転要素１１２及びアクチュエータ要素１１４の固定端部１１５に向かって内側へ圧縮され、それにより、アクチュエータ要素１１４の構造を全体として圧縮する。
回転機械の動作が終了すると、回転機械は過渡位置に戻り、環状溝１０８への流体媒体の流入は遮断される。流体媒体からの圧力が消失した後、アクチュエータ要素１１４は、再びパッキンリング１０４を隙間位置へ偏向し、回転機械の動作が再開するまで、パッキンリング１０４を隙間位置に保持する。
アクチュエータ要素１１４は、少なくとも１つのばね装荷バー、少なくとも１つのカム、少なくとも１つの油圧シリンダ、少なくとも１つの空気圧装置、少なくとも１つの圧電素子及び少なくとも１つの正弦ばねなどの任意の作動装置、作動機構又は作動構造であってもよいが、それらに限定されない。また、パッキンリング空洞部１０６、環状溝１０８及び／又は間隙１２６、１２８の内部に、パッキンリング１０４が所望の位置より更に内側へ移動することを阻止及び制止する阻止構造が含まれてもよい。更に、回転機械の内部の複数の可変隙間パッキンリング構造１００のセグメントのパッキンリング１０４の中に、所望の数の作動構体１０２が設置又は製造されてもよい。
図４を参照すると、可変隙間パッキンリング構造１００を密封する方法２００が示される。方法は、動作ブロック２０２に示されるように、パッキンリング１０４の内部にある作動構造１０２を介して、パッキンリング１０４を隙間位置まで内部で偏向することを含む。方法は、動作ブロック２０４に示されるように、内部作動構造１０２に対抗する流体圧力からの圧力をパッキンリング１０４の面に向けることと、動作ブロック２０６に示されるように、流体圧力によって、パッキンリング１０４を密封位置に再位置決めすることとを更に含む。
方法２００は、回転機械の過渡状態の間、作動構造１０２がパッキンリング１０４を隙間位置に保持することを更に含んでもよい。更に、パッキンリング１０４は、回転機械の動作状態の間に密封位置に再位置決めされてもよい。
一実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、種々の変更を実施してもよく、本発明の要素を等価の要素と置き換えてもよいことは当業者により理解されるべきである。更に、本発明の範囲から逸脱せずに、特定の状況又は実体を本発明の教示に適応させるために、数多くの変形が実施されてもよい。従って、本発明は、本発明を実施するために最良であると考えられる態様として開示された特定の実施形態に限定されてはならず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが重要である。更に、特に指示のない限り、第１、第２などの用語は、順序又は重要度を示すものではなく、第１、第２などの用語は、１つの要素を別の要素と識別するために使用される。

周知のラビリンスシール構造を示した蒸気タービンの一部をその軸の横方向に見た部分横断面図である。 本発明による可変隙間パッキンリング構造を示した横断面図である。 本発明による可変隙間パッキンリング構造を示した横断面図である。 本発明に従って可変隙間パッキンリング構造を密封する方法を示したブロック図である。

符号の説明

１００…可変隙間パッキンリング構造、１０２…作動要素、１０４…パッキンリング、１０５…密封面、１０６…パッキンリング空洞部、１１０…静止要素、１１２…回転要素、１１４…アクチュエータ要素、１１８…結合要素、１１９…防止要素

Claims (10)

1. 密封面（１０５）を含むパッキンリング（１０４）と；
   前記パッキンリング（１０４）の内部に含まれる作動構造（１０２）とを具備する可変隙間パッキンリング構造（１００）。
2. 前記作動構造（１０２）及び前記パッキンリング（１０４）は、単一の一体構造である請求項１記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
3. 前記作動構造（１０２）は、前記パッキンリング（１０４）により形成されるパッキンリング空洞部（１０６）の中にある請求項１記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
4. 前記作動構造（１０２）は、前記パッキンリング空洞部（１０６）に挿入され、前記パッキンリング空洞部（１０６）の内部で前記パッキンリング（１０４）と継続して連係する状態にある請求項３記載の可変隙間パッキンリング構造（１０）。
5. 前記作動構造（１０２）は、前記パッキンリング空洞部（１０６）に挿入され、前記パッキンリング空洞部（１０６）の内部で前記パッキンリング（１０４）と取り外し可能に連係する状態にある請求項３記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
6. 前記作動構造（１０２）は、少なくとも１つのアクチュエータ要素（１１４）、少なくとも１つの結合要素（１１８）及び少なくとも１つの防止要素（１１９）を含む請求項１記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
7. 前記少なくとも１つのアクチュエータ要素（１１４）は、少なくとも１つのばね装荷バー、少なくとも１つのカム、少なくとも１つの油圧シリンダ、少なくとも１つの空気圧装置、少なくとも１つの圧電素子及び少なくとも１つの正弦ばねのうち少なくとも１つである請求項６記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
8. 前記パッキンリング（１０４）は、回転要素（１１２）に対して隙間位置と密封位置との間で移動する請求項１記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
9. 前記パッキンリング（１０４）は、回転機械の過渡状態の間は前記隙間位置に保持され、前記パッキンリング（１０４）は、前記回転機械の動作状態の間は前記密封位置に保持される請求項８記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。
10. 前記パッキンリング（１０４）は、前記密封位置にあるとき、前記回転要素（１１２）と共にシールを形成する請求項８記載の可変隙間パッキンリング構造（１００）。

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