JP2008002680A - ターボ機械の調整可能なシールの作動圧制御 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターボ機械の調整可能なシールの作動圧制御を提供する。
【解決手段】 作動圧制御システムは、固定及び回転ターボ機械部材間の調整可能なシール部分（１４）の作動を引き起こす。少なくとも１つのアクチュエータ（１８）は、調整可能なシール部分の各々と連結され、シール部分の位置をそれぞれ制御する。圧力システムは、アクチュエータに抗して作用するアクチュエータの背圧を表す周囲圧力を測定又は推定するターボ機械内に配置される。圧力調整器（４０）は、制御装置を介して、アクチュエータを所望のシール動作に十分なレベルまで加圧し、このアクチュエータの背圧に基づいてアクチュエータの圧力を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に、回転機械に関し、特に、回転機械用の作動シールに関する。

回転機械としては、これらに限定されないが、蒸気タービン、ガスタービン、及び圧縮機が挙げられる。蒸気タービンは、通常、蒸気入口、タービン、及び蒸気出口を直列流の関係で備える蒸気経路を有する。ガスタービンは、通常、吸気口（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）を直列流の関係で備えるガス経路を有する。一般に、ガス又は蒸気がより高圧な領域からより低圧な領域にガス又は蒸気の経路外又は内に漏出することは、望ましくない。例えば、タービン又は圧縮機のロータと周辺タービン又は圧縮機ケーシングとの間においてガスタービンのタービン又は圧縮領域にガス経路の漏出があると、ガスタービンの効率が低下し、燃料コストが増大する。また、タービンのロータと周辺ケーシングとの間において蒸気タービンのタービン領域内に蒸気経路の漏出があると、蒸気タービンの効率が低下し、燃料コストが増大する。

蒸気タービンの当該技術分野では、蒸気経路の漏出を最小限とするために、ラビリンスシール部分を、ブラシシールの有無に関わらず、タービンのロータと周辺ケーシングとの間で周方向に配列して、単独で、又はブラシシールと組み合わせて、配置することが知られている。バネは、これらシール部分を、シールとロータとの間に半径方向の間隙を形成するケーシングの表面に抗して半径方向内側に保持するが、ロータ接触の事象時には、これら部分を半径方向外側に移動させる。ラビリンスシールは、単独か、又はブラッシュシールと組み合わせて、かなり信頼性があるものと明らかになっているが、ラビリンスシールの性能は、ラビリンス歯を摩擦させて「マッシュルーム」外形にしつつ、シールの間隙を開口させながら、固定部材及び回転部材が干渉する一時的事象の結果として、時間とともに劣化する。

この摩擦による劣化を抑える１つの手段としては、「正圧」の可変間隙のラビリンスパッキングを用いるようになってきており、ここで、バネは、摩擦などが最も生じやすい時間に、流れの無い、又は低い状況下で、パッキングリング部分を開放して保持するのに用いられる。周囲の蒸気力は、リングを閉鎖動作位置まで閉じるように作用する高い負荷でバネに打ち勝つ。しかしながら、摩擦が最も生じやすい状況下でバネや内部アクチュエータによる蒸気力に抗してパッキングリング部分を開放して保持する、「能動制御される」可変隙間配置を提供することが望ましい。摩擦が生じにくい動作状況では、アクチュエータ力は、低減され、スプリング及び蒸気力がパッキングリング部分を閉鎖動作位置まで移動させ得る。
米国特許第５，６６７，２２４号公報 米国特許第６，５０２，８２３号公報 米国特許第６，５７２，１１５号公報 米国特許第６，６５５，６９６号公報 米国特許第６，７８６，４８７号公報 米国特許第７，０６６，４７０号公報

蒸気力に抗して、このような「活性」又は「調整可能」シールを作動させるためには、しばしば、アクチュエータ内に高圧が必要とされる。加えて、シールが迅速に開放される必要がある特定の状況では、高圧が、非常に短時間でアクチュエータ内に構築されねばならない。しかしながら、アクチュエータ内での著しい高圧差がアクチュエータの耐用年数を短くする傾向があるという問題がある。加えて、空気、又は他のガス、又は液体の場合のように、作動媒体の圧縮性により、アクチュエータ内に圧力を構築するのにかかる時間は、シールを作動させ、これによりシールを保護するのに望まれるものよりも長い時間がかかり得る。加えて、タービン蒸気圧が降下する特定の状況では、アクチュエータを減圧し、周囲蒸気圧に対してアクチュエータ内に過度な圧力を避けるようにすることが望ましい。作動媒体の圧縮性により、このガス抜き工程が長くかかると、アクチュエータ内の過度な圧力がアクチュエータの耐用年数を低減することがある。

本発明の一例示的実施形態においては、固定及び回転ターボ機械部材間の調整可能なシール部分の作動が能動制御される。調整可能なシール部分の各々は、その位置を制御する少なくとも１つのアクチュエータと連結されている。本方法は、アクチュエータに抗して作用するアクチュエータの背圧を表すターボ機械内の周囲圧力を監視又は推定する工程と、所望のシール動作（開放又は閉鎖など）に十分なレベルまでアクチュエータを加圧し、アクチュエータの背圧に基づいてアクチュエータ圧を制御する工程とを含む。

本発明の他の例示的実施形態においては、作動システムは、固定及び回転ターボ機械部材間の調整可能なシール部分を作動させる。本システムは、調整可能なシール部分の各々と連結された少なくとも１つのアクチュエータを備え、アクチュエータがシール部分の位置をそれぞれ制御する。少なくとも１つの圧力システムは、ターボ機械内に配置され、ターボ機械内の周囲圧力を測定又は推定し、この周囲圧力は、アクチュエータに抗して作用するアクチュエータの背圧を表している。制御装置は、所望のシール動作（開放又は閉鎖など）に基づいてアクチュエータ圧を決定し、制御装置及び圧力システムと連通しアクチュエータと流体接続する圧力調整器が、アクチュエータをアクチュエータ圧（例えば、空気供給を用いて）まで加圧し、アクチュエータの背圧に基づいてアクチュエータ圧を制御する。

図１は、例示的回転機械として典型的な蒸気タービンを示している。タービンは、軸パッキング位置番号Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３の間において、高圧部分（ＨＰ）と中間圧部分（ＩＰ）を含む可変圧力の部分を備える。（低圧部分（ＬＰ）は、パッキングＮ４とＮ５との間で第２のケーシング内に用いられる。）この場合、Ｎ２パッキングは、連結したＨＰ−ＬＰ外殻（又はケーシング）内に含有されたパッキングヘッドに含まれる。

図２は、外殻１３内に含まれ、ロータ１５などの回転部材の周りに配置されるＮ２パッキングヘッド１２の部分断面図である。Ｎ２パッキングヘッド１２は、回転部材１５に近接してシールするように作用するリング部分１４からなる複数のパッキングリングを備える。このパッキングリングは、通常、例えば、６つの６０°部分で画定される。回転部材に面する半径方向内側面には、蒸気が軸に沿って漏出するのを防ぐために複雑な経路又はラビリンスシールを画定する、異なる高さの歯部材１６が設けられている。上述したように、固定部材と回転部材が不要な接触をする一時的事象は、タービン内で起こり得るものであり、これにより、ラビリンス歯部材１６を摩擦させ、シールの隙間を開放し、歯部材のとがった先端を鈍らせ、機能しなくする。

シール部分１４を回転部材に対して接近及び離間させる空気圧作動には、ある技術があり、これによりシールが摩擦を起こしたりするのを防ぎ、機械性能を向上する。図３によれば、調整可能なシール部分１４は、シール部分１４の位置を制御するアクチュエータ１８と連結される。各シール部分１４は、当該シール部分１４が半径方向の最外位置（図４）に後退するように、アクチュエータ１８により開放され、又は開放を維持され得る。あるいは、シール部分１４は、シール部分１４の歯部材１６が回転部材１５に近づく半径方向の最内位置に当該シール部分１４が配置されるように、バネ力及び蒸気圧（図３）により閉鎖され、又は閉鎖を維持され得る。

図５は、空気供給及び圧力制御用のシステム及びハードウェアを示す概略図である。空気供給部３０は、加圧空気又はガスを圧力調整器４０に供給する。アクチュエータ１８の概略を図示する。好ましい配置では、各シール部分１４用に３つのアクチュエータ１８があり、このため、各パッキングリング用に１８個のアクチュエータがある。１つのシール部分当たりわずか１つのアクチュエータであっても、用途によっては十分とし得る。

バネ又はバネの組は、機械内の圧力を介さずに、シール部分１４を回転部材に近づけて、つまり、閉鎖状況と称される位置まで付勢する。使用中には、かなりの蒸気圧力が、パッキングリング部分１４（図３）の上流及び下流の各々の領域２２及び２３内で発達し、ターボ機械内の周囲圧力となる。これらの圧力は、図３〜図５にＰ１及びＰ２として示される。前方の流れ状況では、シール部分が右側に向かって付勢される場合に、シール部分の背後の領域２４が圧力Ｐ１となる。反対の流れ状況では、シール部分が左側に向かって付勢される場合に、シール部分の背後の領域２４が圧力Ｐ２となる。

領域２４内の圧力は、アクチュエータ１８に抗して作用するアクチュエータの背圧を表す。好ましい実施形態では、周囲圧力は、圧力変換器などの適切な圧力測定装置を介して直接測定され、ＣＰＵなどの制御装置３１を介して監視される。代わりの実施形態では、これらの周囲圧力は、制御装置により間接的に推定され得る。何れの場合においても、制御装置は、周囲圧力に基づいて、圧力調節器４０に適切な指令を送り出す。ここで、アクチュエータ圧が所定のシール動作に必要なものを超えたり、又は逆方向に過度に加圧されたりする状況下では、あるいはアクチュエータ圧が背圧よりもはるかに低下する状況下においては、アクチュエータ１８が過度に加圧されないように、圧力調節器４０は、所望のシール動作（開放、開放の維持、閉鎖、又は閉鎖の維持）に十分なレベルまでアクチュエータ１８を加圧する。これらの状況の両方とも、静的又は動的のいずれかにアクチュエータ１８の時期尚早な故障を招く可能性がある。圧力調整器４０は、アクチュエータの圧力の測定又は推定を提供するフィードバックループを用いて、アクチュエータの圧力を制御する。

また、制御装置３１は、トリップなどの機械動作状況の突然の変化をも検出する。全負荷トリップ中では、制御装置は、アクチュエータ１８の前の圧力を維持するように、圧力制御器４０に指令を送出する。周囲圧力、さらにこのためアクチュエータの背圧が機械トリップ中に降下する場合には、シールは、自己作動する。すなわち、一定の内圧、及び降下する背圧において、圧力差は、アクチュエータを通して発達し、アクチュエータを作動するに至り、このため、シールを開放することになる。これにより、非常に短期間で圧力を増加するために、圧力調節器４０が、空気又は他のガス又は液体などの作動媒体をアクチュエータ１８内に入れる必要を回避する。そして、作動媒体の圧縮性を実現可能に付与するものではない。この自己作動スキームは、機械トリップ中にアクチュエータ１８の過度な加圧の危険性を大幅に軽減し、いかなる圧力依存の外装変形動作に対して堅牢であり、圧力調整器４０の有限な反応時間にもかかわらず、シール部分１４を十分に早く経路外へと移動させ、アクチュエータ１８に優しい。

アクチュエータの加圧レベルは、好ましくは、ターボ機械の動作状況及びアクチュエータの背圧に基づいた式にしたがって決定される。例えば、シール部分１４が閉鎖を維持されるべきであると動作状況が要求する場合には、アクチュエータの加圧レベル（ＰＡ）は、ＰＡ＝ＰＢ＋Ｋ１（ｐｓｉ）として決定され、ここで、ＰＢは、アクチュエータの背圧であり、Ｋ１は、定数である。その代わりに、シール部分１４が閉鎖状態から開放されるべきであると動作状況が決定する場合には、アクチュエータの加圧レベル（ＰＡ）は、ＰＡ＝ＰＢ＋Ｋ２^＊（Ｐ_ｄｒｏｐ）として決定され、ここで、ＰＢは、アクチュエータの背圧であり、Ｋ２は、定数であり、Ｐ_ｄｒｏｐは、シール部分１４を通る圧力降下である。前方の流れ状況の場合には、ＰＢは、Ｐ１と同じであり、Ｐ_ｄｒｏｐ＝Ｐ１−Ｐ２であり、また、反対の流れ状況では、ＰＢ＝Ｐ２、且つ、Ｐ_ｄｒｏｐ＝Ｐ２−Ｐ１である。一般に、定数Ｋ２は、動作状況により異なる値を想定し得る。

上述したように、トリップ事象の場合には、アクチュエータの圧力は、アクチュエータがシール部分を適時に自己作動及び開放するように制御される。一旦、トリップが生じ、パッキングシールが開放されると、制御装置３１は、アクチュエータの圧力を、アクチュエータの背圧よりも十分高く維持し、周囲圧力及びアクチュエータ背圧がトリップ後に降下する際にシール部分１４の開放を維持するようにする。なお、自己作動の概念は、空気反応時間に依存しない。

予定されたシャットダウンでは、トリップと異なり、制御システム３１は、好ましくは、周囲圧力、及びこれによるアクチュエータの背圧が所定のレベル以下に降下する場合にシール部分１４を開放する。機械の起動中には、シール部分１４は、次の例示基準の１つ以上が満足するまで開放されて維持される。すなわち、（１）所定の時間が経過したか、（２）機械が定格ＲＰＭに達したか、（３）定常状態負荷に達したか、及び（４）任意の熱的過渡状態に戻ったかである。一般に、上述したものとは別の基準も考え得る。

その代わりに、又は加えて、シール開口の条件は、ステータに対するロータの半径方向位置を測定する位置センサを設けて、ステータとロータ間の半径方向の隙間を測定することにより、決定され得る。この隙間が所定の距離以下となると、制御システムは、シール部分の開口を引き起こすことができる。

制御システム３１は、アクチュエータ１８への適切な作動圧力を決定するのみではなく、作動システムの健全性をも監視する。制御システム３１が連続的に周囲圧力Ｐ１及びＰ２を検知するため、シール部分１４が期待通りに開放又は閉鎖するか否かを判定することができる。例えば、所定の状況下でシール部分１４が指令どおりに開放されていると、周囲圧力Ｐ１及びＰ２は、予測通りに変化するはずである。この情報は、制御システム３１にプログラミングされ、これにより、Ｐ１及びＰ２が期待した動作からずれた場合に、制御システム３１は、シール部分１４が指令通りに開口していないことを判定可能になる。

本発明の圧力制御システム及び方法によれば、アクチュエータの過度な加圧及び過度な逆方向の加圧が回避され、これによりアクチュエータの耐用年数が延びる。加えて、機械のシャットダウン中の自己作動が、シール位置の適時な制御を可能とする。本発明は、蒸気タービンへの例示的応用に関して記載したが、本文の概念は、蒸気タービンに限らず、ガスタービン、航空機のエンジンなどを含む全てのターボ機械に応用可能であることは、理解されるところである。

以上、本発明について、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと組み合わせて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、それどころか、添付の請求項の要旨及び範囲内で様々な変形及び相当する配置を含み得ることは、理解されるべきことである。

典型的な蒸気タービンを示す図である。 典型的な蒸気タービンの番号２（Ｎ２）のパッキング内のシールの例示的応用例を示す図であり、パッキングリングがパッキングヘッド内に含まれ、順に、高圧（ＨＰ）部分と中間圧（ＩＰ）部分との組み合わせの外装（ケーシング）内に位置している。 アクチュエータが減圧され後退された状態での図２に示したＮ２パッキングヘッドを示す図である。 アクチュエータが加圧され延びた状態でのＮ２パッキングヘッドを示す図である。 作動媒体供給及び圧力調整のための制御システム及びハードウェアを示す概略図である。

符号の説明

１２ Ｎ２パッキングヘッド
１３ 外装
１４ シール部分
１５ ロータ
１６ 歯部材
１８ アクチュエータ
３０ 空気供給部
４０ 圧力調整器
２２ 領域
２３ 領域
２４ 領域
３１ 制御装置

Claims (10)

1. 固定及び回転ターボ機械部材（１３、１５）間の調整可能なシール部分（１４）の作動を制御する方法であって、前記調整可能なシール部分の各々は、その位置を制御する少なくとも１つのアクチュエータ（１８）と連結されており、
   前記アクチュエータに抗して作用するアクチュエータの背圧を表すターボ機械内の周囲圧力を監視又は推定する工程と、
   所望のシール動作に十分なレベルまで前記アクチュエータを加圧し、前記アクチュエータの背圧に基づいてアクチュエータ圧を制御する工程とを含む調整可能なシール部分の作動制御方法。
2. 前記アクチュエータ（１８）は、前記シール部分（１４）が閉鎖される位置に向かって付勢され、
   前記加圧工程は、所定の圧力差が、所望のシール動作に応じて前記アクチュエータの加圧レベルと前記アクチュエータの背圧との間に存在するように、前記アクチュエータを加圧することにより実行される請求項１に記載の方法。
3. 前記アクチュエータの加圧レベルは、ターボ機械の動作状況及び前記アクチュエータの背圧に基づく式に応じて決定される請求項１に記載の方法。
4. 前記シール部分（１４）が閉鎖を維持されるべきであると動作状況が要求する場合には、前記アクチュエータの加圧レベル（ＰＡ）は、ＰＡ＝ＰＢ＋Ｋ１（ｐｓｉ）として決定され、前記ＰＢが前記アクチュエータの背圧であり、Ｋ１が定数である請求項３に記載の方法。
5. 前記シール部分（１４）が閉鎖状態から開放されるべきであると動作状況が要求する場合には、前記アクチュエータの加圧レベル（ＰＡ）は、ＰＡ＝ＰＢ＋Ｋ２^＊（Ｐ_ｄｒｏｐ）として決定され、前記ＰＢが前記アクチュエータの背圧であり、前記Ｋ２が定数であり、前記Ｐ_ｄｒｏｐがシール部分を通る圧力降下である請求項３に記載の方法。
6. 前記所望のシール動作が前記シール部分（１４）を開放して維持することである場合には、前記加圧工程は、前記背圧よりも高いアクチュエータ圧を維持することにより実行される、請求項１に記載の方法。
7. トリップが生じたことを前記動作状況が反映する場合には、本方法は、前記アクチュエータの背圧がトリップにより降下するため、前記シール部分（１４）を開放するように前記アクチュエータの加圧レベルを維持する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記動作状況が予定されたシャットダウンを反映する場合には、本方法は、前記アクチュエータの背圧が所定のレベル以下に降下する際に、前記シール部分（１４）を開放する工程を含む請求項１に記載の方法。
9. 前記動作状況が機械の起動を反映する場合には、本方法は、（１）所定の時間が経過するか、（２）機械が定格ＲＰＭに達するか、（３）定常状態負荷に達したか、及び（４）熱的過渡状態に戻ったかのうちの少なくとも１つが満たされるまで、シール部分（１４）を開放して維持する工程を含む請求項１に記載の方法。
10. 前記シール部分が前記アクチュエータの加圧レベル及び前記ターボ機械の周囲圧力に基づいて望まれるように位置付けられているか否かを判定することにより、前記アクチュエータ（１８）及びシール部分（１４）の動作の健全性を監視する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。

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