JP2007285521A - 蒸気タービンの可変隙間パッキンリングアセンブリ及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】回転構成要素と静止構成要素との間にシール、例えばラビリンスシールが設けられるが、適正な隙間を維持することで有効なシールを形成できる。大型装置の場合、流入媒体の圧力を許容できる弾性を有する大型ばねを収容する大きさを有するが、小型装置では、小さい環状溝の中に高強度のばねを設置することは困難であり、小さすぎる環状溝に使用できる可変隙間パッキンリングアセンブリが必要である。
【解決手段】パッキンリングセグメントは、ばね装荷バー３０、カバープレート３６、ばね３４からなり、軸方向溝穴３２を有する。ばね装荷バー３０は軸方向溝穴３２の中に配設され、カバープレート３６はパッキンリングセグメントの外周に沿って設けられ、ばね３４は、ばね装荷バー３０とカバープレート３６との間で圧縮される。作動流体は、パッキンリングセグメントの外径部分に沿って半径方向内側の圧力を加え、パッキンリングセグメントを変位させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に蒸気タービンに関し、特に、蒸気タービンの回転構成要素と静止構成要素との間のシールに関する。

タービンのような回転機械においては、回転構成要素と静止構成要素との間にシールが設けられる。例えば、蒸気タービンの場合、静止構成要素と回転構成要素との間にラビリンスシールを形成するために、複数の弓形のパッキンリングセグメント（場合によっては、シールリングセグメントとも呼ばれる）を設けるのが通例である。一般に、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、回転構成要素の密封面と同心である静止構成要素の環状溝に配置される。各弓形シールセグメントは、回転構成要素の密封面に対向する弓形シール面を有する。ラビリンス形シールにおいては、シール面は、軸方向に互いに離間して配列された複数の歯から成る半径方向に向いた歯のアレイを支持しており、それらの歯は、回転構成要素の密封面を形成する軸方向に互いに離間して配列された複数の環状の歯から成るアレイから半径方向に離間して配置される。密封機能は、例えば、蒸気などの作業媒体の乱流を発生し、その乱流がシール面の歯とそれらに対向する回転構成要素の面とにより規定されるラビリンスの中の相対的に狭い隙間を通過することにより実現される。

回転構成要素と静止構成要素とが物理的に接触せずに、適正な隙間を維持することが可能であれば、有効なシールを形成できる。セグメントのシール面と、それらに対向する回転構成要素のシール面との間の半径方向隙間が広くなりすぎると、流れの面積が拡大し、その結果、発生される乱流が小さくなり、密封作用は損なわれる。逆に、隙間が狭すぎる場合には、密封歯が回転要素と接触してしまい、歯は鋭い輪郭形状を失い、密な隙間が損なわれる。その後、発生される乱流は小さくなり、流れ面積が拡大されるため、同様に、密封作用が損なわれるという結果が生じる。

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セグメントの損傷を回避するために、場合によっては、正圧可変隙間パッキンリングが使用される。正圧可変隙間パッキンリングの場合、一般に、パッキンリングセグメントは、パッキンリングにより支持される密封面が回転構成要素からほぼ外側へ離間されるように、ばねにより外側位置、すなわち、大間隙位置に偏向される。始動後、蒸気などの作業流体媒体が静止構成要素の溝に流入すると、セグメントは、ばねの偏向力に抗して内側位置、すなわち、小間隙位置に向かって内側へ移動する。それらのばねは、静止構成要素により規定される環状溝の中に配設され、ばねの大きさは、それらが配設される環状溝に対して規定される。大型タービン装置の場合、通常、環状溝は、流体媒体の流入の結果として起こる圧力の力を許容できる弾性を有する大型ばねを収容する十分な大きさを有する。更に、通常、パッキンリングは、環状溝の中に配設されたパッキンリングの部分にばねを装着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、並びにある種の発電機駆動装置のような用途で使用される小型タービン装置と組み合わせて動作された場合、小型タービン装置に設けられた幅／直径の小さい環状溝の中に高強度のばねを設置することは困難であり、実現不可能になる。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可変隙間パッキンリングアセンブリが必要とされる。
米国特許第５，５０３，４０５号公報

パッキンリングセグメント、バー、カバープレート及びばねを含むパッキンリングアセンブリが開示される。パッキンリングセグメントは、軸方向溝穴を有する。バーは、溝穴の中に配設される。カバープレートは、パッキンリングセグメントの外周に沿って設けられる。ばねは、バーとカバープレートとの間で圧縮される。

更に、第１のパッキンリングセグメント、第２のパッキンリングセグメント及び１つ以上のシールキーを有するパッキンリングアセンブリが開示される。第１のパッキンリングセグメントは、静止構成要素の第１の半体の内部に配設されたばね装荷バーを有する。第２のパッキンリングセグメントは、静止構成要素の第１の半体の内部に、第１のパッキンリングセグメントに隣接して配設されたばね装荷バーを有する。１つ以上のシールキーは、静止構成要素の第１の半体と第２の半体との間の中間線に設けられ、シールキーの各々は、第１のパッキンリングセグメント又は第２のパッキンリングセグメントを支持する。

更に、軸、静止構成要素及びパッキンリングアセンブリを有する蒸気タービンが開示される。それらの構成要素は、パッキンリングアセンブリが静止構成要素と接触するばね装荷バーを有し、軸の周囲に延出するように配置される。

図面を参照して説明する。図面中、いくつかの図において、同様の要素は、同一の図中符号により示される。

図１を参照すると、静止構成要素、例えば、タービンダイアフラム１４に挿通されたタービン軸１２を有する蒸気タービン１０の一部が示される。タービンダイアフラム１４は、第１のダイアフラム半体１６及び第２のダイアフラム半体１８を具備する。漏れを防止するために、タービン軸とダイアフラムとの境界面に、ラビリンスシールが設けられる。ラビリンスシールは、場合によってはシールリングアセンブリとも呼ばれる可変隙間パッキンリングアセンブリ２０ａを含む。図１に示されるように、パッキンリングアセンブリ２０ａは、タービン軸１２の周囲に延出する４つの弓形のパッキンリングセグメント２２ａ、２４ａ、２６ａ及び２８ａを有する。パッキンリングセグメントは、始動時及び高速運転時に、それぞれ、タービン軸１２に対して最も外側の大間隙位置と最も内側の小間隙位置との間で移動自在である。

各々のパッキンリングセグメントは、２つのばね装荷バー３０（図を見やすくするために、図１の位置から回転された位置を示す図２を参照すると、更にわかりやすい）を含む。ばね装荷バー３０は、パッキンリングセグメントを大間隙位置と小間隙位置との間で半径方向に移動させる。ばね装荷バー３０は、パッキンリングセグメントの外周に沿って設けられた軸方向溝穴３２の中に配設される。軸方向溝穴３２の中には、更に、ばね３４が配設される。ばね３４は、一端部でバー３０と接触し、別の端部でカバープレート３６と接触する。溝穴の中にバー３０及びばね３４を収容するカバープレート３６は、ファスナ３８により、パッキンリングセグメントの外周部に固着される。

更に図３及び図４に示されるように、各パッキンリングセグメントは、密封面４０及び半径方向に突出する複数の歯４２を有する。各密封面４０は、互いに軸方向に離間するように延出する１対のセグメント密封フランジ４４により形成される。パッキンリングセグメントの半径方向外側の部分は、セグメント位置決めフランジ４６を含む。同様に、セグメント位置決めフランジ４６は、パッキンリングセグメントから軸方向に互いに逆の方向に向かって、互いに離間するように延出する。セグメント密封フランジ４４とセグメント位置決めフランジ４６との間に、軸方向に幅が狭くなるネック部４８が延出する。パッキンリングセグメントは、ダイアフラム１４のほぼダブテール形の環状溝５０の中に配設される。環状溝５０は、１対のダイアフラム位置決めフランジ５２によりダイアフラム１４の半径方向最も内側の部分に沿って規定される。ダイアフラム位置決めフランジ５２は、互いに接近するように軸方向に延出し、フランジ間に溝穴５４を規定する。パッキンリングセグメントは、パッキンリングセグメントの軸方向に幅が狭くなるネック部４８がダイアフラムの溝穴５４の中に嵌合するように位置決めされる。

ばね装荷バー３０（図３及び図４に隠れ／破線により示される）は、ばね３４から加えられるばね力を受けて、セグメント位置決めフランジを越えて軸方向内側に延出する。バーは、１対の軸方向に延出するバー位置決めフランジ５６を有する。バー位置決めフランジ５６は、バーから軸方向に互いに逆の方向に向かって互いに離間するように延出する。バー３０は、ばね３４の一端部とかみ合う面を形成する凹部５８を更に含む。カバープレート３６は、ばね３４の他端部とかみ合う面を形成する。ばね３４は圧縮ばねであり、圧縮されたときに抵抗力を加える。従って、バー３０とカバープレート３６との間にばね３４が装架されると、ばね３４は、バー３０を最も内側の半径方向位置へ移動させようとする。パッキンリングがダイアフラムに装着されると、バー位置決めフランジ５６はダイアフラム位置決めフランジ５２と接触し、それにより、ばねからの圧力がカバープレート３６（パッキンリングセグメントに固着されている）に加えられる。その結果、パッキンリングセグメントは半径方向外側へ移動し、最も外側の大間隙位置（図３に示される）に位置決めされる。パッキンリングセグメントが最も外側の大間隙位置にあるとき、セグメント位置決めフランジ４６とダイアフラム位置決めフランジ５２との間に隙間６０が存在する。

パッキンリングセグメントを、より直径の小さい閉鎖位置へ変位するために、ダイアフラム又はパッキンリングセグメントに複数の流路（図示せず）が設けられる。それらの流路は、パッキンリングセグメントの外径部分６２に沿って、流動媒体、例えば、蒸気を導入する。流動媒体は、パッキンリングセグメントの外径部分に沿って半径方向内側の圧力を加え、それにより、パッキンリングセグメントは、（図４に示されるように）ばね３４の偏向力に抗して、タービン軸１２に向かって内側へ変位される。パッキンリングセグメントが最も内側の小間隙位置にあるとき、セグメント位置決めフランジ４６とダイアフラム位置決めフランジ５２とは互いに直接接触しているため、それらのフランジの間に隙間は存在しない。

ばね３４は、大間隙位置を維持するのに十分なばね抵抗力を有するが、小間隙位置を維持するために流体圧力がばね圧力に勝るように、所望の範囲内で圧縮自在であるように動作する。

別の実施形態においては、パッキンリングアセンブリは、図５に示されるように構成されてもよい。この場合、パッキンリングアセンブリ２０ｂは、複数のパッキンリングセグメントを含み、パッキンリングセグメントは、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第２のパッキンリングセグメント２４ｂが第１のダイアフラム半体１６と第２のダイアフラム半体１８との間の中間線の第１の側に配置され、第３のパッキンリングセグメント２６ｂ及び第４のパッキンリングセグメント２８ｂは、第１のダイアフラム半体１６と第２のダイアフラム半体１８との間の中間線の第２の側に配置されるように配列される。更に、図５〜図７に示されるように、第１のダイアフラム半体１６と第２のダイアフラム半体１８との間の中間線において、パッキンリングセグメントの最も外側の半径方向位置に、１対のシールキー６４が装着されてもよい。シールキー６４は、例えば、ボルト６６により、第１のダイアフラム半体１６のダイアフラム溝穴６８の中に固着され、パッキンリングセグメントの各々の一端部に沿って、第１のダイアフラム半体１６と第２のダイアフラム半体１８との間の中間線に隣接して形成されたパッキンリングセグメント溝穴７０の中へ延出するように、半径方向内側に突出する。言い換えれば、各々のパッキンリングセグメントは、パッキンリングセグメント溝穴７０の半体のそれぞれを規定する。特に、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第４のパッキンリングセグメント２８ｂは、一方のセグメント溝穴７０を規定し、第２のパッキンリングセグメント２４ｂ及び第３のパッキンリングセグメント２６ｂは、その正反対の位置にある他方のセグメント溝穴７０を規定する。

シールキー６４は、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第２のパッキンリングセグメント２４ｂを、重力によって周囲方向に変位することのないように支持する。更に、シールキー６４は、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第２のパッキンリングセグメント２４ｂが第３のパッキンリングセグメント２６ｂ及び第４のパッキンリングセグメント２８ｂに周囲方向変位による力を加えるのを防止する。シールキー６４は、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第２のパッキンリングセグメント２４ｂを第１のダイアフラム半体１６の中に収容し、従って、シールキー６４は、第１のパッキンリングセグメント２２ｂと第２のパッキンリングセグメント２４ｂとの間の間隙を最小限にする。更に、シールキー６４は、第３のパッキンリングセグメント２６ｂ及び第４のパッキンリングセグメント２８ｂの半径方向変位を可能にする一方で、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び第２のパッキンリングセグメント２４ｂの水平方向変位を可能にする（水平方向は、第１のダイアフラム半体と第２のダイアフラム半体との間の中間線及びタービン軸１２の中心軸により形成される図５及び図６の水平面として定義される）。第３のパッキンリングセグメント２６ｂ及び第４のパッキンリングセグメント２８ｂの半径方向変位により、タービン軸１２の湾曲が最大になるタービン軸１２の下半分の垂直中心線における半径方向隙間を広げることができる。

シールキー６４は、止めねじ７４と係合するねじ穴７２を更に具備する（図６及び図７に最も明瞭に示される）。ねじ穴７２の向きは、止めねじ７４を調整することにより、第１のパッキンリングセグメント２２ｂ又は第２のパッキンリングセグメント２４ｂが変位するように規定される。シールキー６４を越えて延出するように止めねじ７４を調整すると、露出した止めねじ７４の端部はパッキンリングセグメントと接触し、そのパッキンリングセグメントをシールキー６４から周囲方向に離間させる。第１のパッキンリングセグメント２２ｂ及び／又は第２のパッキンリングセグメント２４ｂを調整することにより、全てのパッキンリングセグメントを正しい中心位置に適正に整列できる。

以上説明した特徴を備えているため、パッキンリングアセンブリ２０ａ（図１に最も明瞭に示される）及び２０ｂ（図５に最も明瞭に示される）は、対応するダイアフラム半体に完全に封入され、その結果、組立ての問題は回避される。更に、ばね装荷バー及びそれに関連して互いにかみ合う構成要素は、パッキンリングアセンブリ２０ａ及び２０ｂの中に全て収容される。また、パッキンリングアセンブリ２０ａ及び２０ｂは、既存の任意の大きさのダブテール及び既存の任意のダイアフラムアセンブリと組み合わせて設置及び利用が可能である。従って、パッキンリングアセンブリ２０ａ及び２０ｂは、ダイアフラム構成要素を殆ど又は全く変形することなく、既存の工業用蒸気タービンに設置されることが可能である。更に、パッキンリングアセンブリ２０ａ及び２０ｂは、既存の蒸気タービンへの後付けが可能である。パッキンリングアセンブリ２０ａ及び２０ｂは、所望の部品及び装備を有するキットとして提供されてもよい。その場合、蒸気タービンの保守期間又は点検整備の際に、ダイアフラムから既存のパッキンリングアセンブリを容易に取り外しでき、ダイアフラムを殆ど又は全く変形することなく、パッキンリングアセンブリ２０ａ又は２０ｂと交換することができるであろう。

１つ以上の好適な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、種々の変更を実施でき、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であろう。更に、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、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るべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の範囲内に包含されるあらゆる実施形態を含む。

本発明の一実施形態に従って使用するための蒸気タービンの一部を示した断面図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための図１の蒸気タービンの例を示した拡大図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための図２の蒸気タービンの例を示した横断面図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための図２の蒸気タービンの例を示した横断面図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための蒸気タービンの一部を示した断面図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための図５の蒸気タービンの例を示した拡大図である。 本発明の一実施形態に従って使用するための図６の蒸気タービンの例を示した横断面図である。

符号の説明

１０…蒸気タービン、１２…タービン軸、１４…ダイアフラム、１６…第１のダイアフラム半体、１８…第２のダイアフラム半体、２０ａ、２０ｂ…パッキンリングアセンブリ、２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａ…パッキンリングセグメント、２２ｂ…第１のパッキンリングセグメント、２４ｂ…第２のパッキンリングセグメント、２６ｂ…第３のパッキンリングセグメント、２８ｂ…第４のパッキンリングセグメント、３０…ばね装荷バー、３２…軸方向溝穴、３４…ばね、３６…カバープレート、６４…シールキー

Claims (10)

1. 軸方向溝穴（３２）を有するパッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）と；
   前記溝穴（３２）の中に配設されたバー（３０）と；
   前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）の外周に沿って設けられたカバープレート（３６）と；
   前記バー（３０）と前記カバープレート（３６）との間で圧縮されたばね（３４）とを具備するパッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）。
2. 前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）は、回転構成要素に対して、最も内側の小間隙位置と最も外側の大間隙位置との間で移動する請求項１記載のパッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）。
3. 前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）が前記最も外側の大間隙位置にある間、前記ばね（３４）は、前記バー（３０）と前記カバープレート（３６）との間に抵抗力を加える請求項２記載のパッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）。
4. 流動媒体は、前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）に前記ばね（３４）の抵抗力に勝る力を加え、前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）を前記最も内側の小間隙位置へ移動させる請求項３記載のパッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）。
5. 静止構成要素（１６）の第１の半体の内部に配設されたばね装荷バー（３０）を有する第１のパッキンリングセグメント（２２ｂ）と；
   前記静止構成要素（１６）の前記第１の半体の内部に、前記第１のパッキンリングセグメント（２２ｂ）に隣接して配設されたばね装荷バー（３０）を有する第２のパッキンリングセグメント（２４ｂ）と；
   前記静止構成要素の前記第１の半体（１６）と第２の半体（１８）との間の中間線に設けられ、各々が前記第１のパッキンリングセグメント（２２ｂ）又は前記第２のパッキンリングセグメント（２４ｂ）を支持する１つ以上のシールキー（６４）とを具備するパッキンリングアセンブリ（２０ｂ）。
6. 前記ばね装荷バー（３０）は、前記静止要素に力を加え、その結果、前記パッキンリングセグメント（２２ｂ又は２４ｂ）は、回転構成要素に対して最も内側の小間隙位置と最も外側の大間隙位置との間で移動する請求項５記載のパッキンリングアセンブリ（２０ｂ）。
7. 前記ばね装荷バー（３０）を前記パッキンリングアセンブリ（２０ｂ）の中に固着するカバープレート（３６）を更に具備する請求項６記載のパッキンリングアセンブリ（２０ｂ）。
8. 軸（１２）と；
   静止構成要素（１４）と；
   前記静止構成要素（１４）と接触するばね装荷バー（３０）を有し、前記軸（１２）の周囲に延出するパッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）とを具備する蒸気タービン（１０）。
9. 前記パッキンリングアセンブリ（２０ａ又は２０ｂ）は、各々が１つ以上のばね装荷バー（３０）を有する複数のパッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）を更に具備する請求項８記載の蒸気タービン（１０）。
10. 前記ばね装荷バー（３０）は、前記静止構成要素（１４）に力を加え、その結果、前記パッキンリングセグメント（２２ａ〜２８ａ及び２２ｂ〜２８ｂ）は、回転構成要素（１２）に対して最も内側の小間隙位置と最も外側の大間隙位置との間で移動する請求項９記載の蒸気タービン（１０）。

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