JP2008045550A - 可変間隙パッキンリングセグメント - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の固定構成部品（１４）とタービンシャフト（１６）との間にシールを形成するためのパッキンリングセグメント（１０）を開示する。
【解決手段】本パッキンリングセグメント（１０）は、該パッキンリングセグメント（１０）内部に配置された作動装置（３２）と、作動装置（３２）内に設けられた弾性ビーム型要素（３４）とを含み、弾性ビーム型要素（３４）は、パッキンリングセグメント（１０）をタービンシャフト（１６）から離れるように半径方向外向きに付勢する。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的には蒸気タービン、より具体的には、蒸気タービンの回転及び固定構成部品間のシールに関する。

タービンのような回転機械では、回転及び固定構成部品間にシールが設けられる。例えば、蒸気タービンでは、ラビリンス式シール機構を有する複数の弓形のパッキンリングセグメント（シールリングセグメントと呼ぶこともある）を設けて、回転機械の固定及び回転構成部品間にシールを形成することが通例である。一般的に、弓形パッキンリングセグメントは、機械の回転軸線と同心である、従って回転構成部品のシーリング表面と同心である固定構成部品の環状溝内に配置される。各弓形シールセグメントは、回転構成部品のシーリング表面と対向する弓形シール面を有する。ラビリンス式シールでは、シール面は、軸方向に間隔を置いて配置された歯の半径方向に向いた配列を有し、それらの歯は、回転構成部品のシーリング表面を形成する軸方向に間隔を置いて配置された環状歯の配列から緊密に半径方向に間隔を置いて配置される。シール機能は、例えば蒸気のような作動媒体がシール面の歯と回転構成部品の対向する表面とによって形成されたラビリンス内の比較的狭い間隙を通過する際に、作動媒体の乱流を発生させることによって達成される。

物理的な接触なしで回転機材と固定構成部品との間に適切な間隙を維持することができることにより、有効なシールの形成が可能になる。セグメントのシール面と回転構成部品の対向するシール表面との間のこの半径方向間隙が大きくなりすぎた場合には、流れ面積が増大し、乱流の生成が減少し、またシール作用が低下する。反対に、間隙が狭すぎた場合には、シーリング歯が回転構成部品に接触する可能性があり、その結果、歯は、その鋭い輪郭及び狭い間隙を喪失し、その後乱流の形成がより少なくなり、また大きな流れ面積を持つことになり、同様にシール作用を低下させる。

始動及び停止などの過渡条件の間にロータ及びパッキンリングセグメントへの損傷を回避するために、正圧可変間隙パッキンリングが使用されることがある。正圧可変間隙パッキンリングでは、パッキンリングセグメントは一般に、外側すなわち大間隙位置にばね付勢されて、パッキンリングが有するシール面が、回転構成部品から大きく外側に間隔を置いて位置するようにする。始動後に、例えば蒸気のような作動流体媒体が固定構成部品の溝に流入して、セグメントをばねの付勢力に抗して内側すなわち小間隙位置に向かって内向きに移動させるように付勢する。これらのばねは、固定構成部品によって形成された環状溝内部に設置され、それらが位置する環状溝に応じた寸法にされる。大型のタービンユニットでは、環状溝は一般的に、流体媒体の流入によって生じる圧力の力を許容することができる弾力性を有する大型のばねを収容するのに十分なほど大きい。さらに、パッキンリングは一般的に、環状溝内に位置するパッキンリングの一部分に対してばねを添接するのを可能にするのに十分なほど大きい。

しかしながら、ボイラ給水ポンプ、原子炉給水ポンプ、圧縮機及びポンプ用の機械駆動装置並びに幾つかの発電機駆動ユニットなどの用途で使用するより小型のタービンユニットで作動させる場合には、より小型のタービンユニット内に存在する狭い幅／直径の環状溝内部に有効なばねを設置することは、困難かつ非実用的になる可能性がある。
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

従って、このような場合において、従来型のばねを収容するには小さすぎる幅及び直径を有する環状溝と共に使用することができる可変間隙パッキンリング組立体に対する必要性が存在する。

回転機械の固定構成部品とタービンシャフトの間にシールを形成するためのパッキンリングセグメントを開示しており、本パッキンリングセグメントは、該パッキンリングセグメント内部に配置された作動装置と、作動装置内に設けられた弾性ビーム型要素とを含み、弾性ビーム型要素は、パッキンリングセグメントをタービンシャフトから離れるように半径方向外向きに付勢する。

さらに、回転機械の固定構成部品とタービンシャフトの間にシールを形成する方法も開示しており、本方法は、パッキンリングの内部の内部弾性ビーム型要素によってパッキンリングセグメントを間隙位置へと外向きに付勢する段階と、パッキンリングセグメントの半径方向外側配置表面に流体圧力を導いて、その圧力が弾性ビーム型要素によってパッキンリングセグメントに対して作用する力と対向するようにする段階と、流体媒体からの圧力によってパッキンリングセグメントを密封位置に移動させる段階とを含む。

幾つかの図において、同様な要素には同じ符号を付した図面を参照する。

図１〜図５を参照すると、可変間隙パッキンリングセグメント１０を示している。明瞭にするために、図１は、一例として4つのパッキンリングセグメント１０として示した複数のパッキンリングセグメント１０を含む回転機械のセクション１１を示している。環状リング構成１２のパッキンリングセグメント１０は各々、回転機械の固定構成部品１４とタービンシャフト１６との間にシールを形成するように機能する。図１に示すように、固定構成部品は、第１の半体１８及び第２の半体２０を含むダイアフラムとすることができる。パッキンセグメント１０は、最外側大間隙すなわち開放位置２１と最内側小間隙すなわち密封位置２３との間で移動可能であり、各位置については、本開示において後で一層詳細に説明する。

各リングセグメント１０（その一部は、図２〜図４において詳細に示している）は、中間部分２５によって半径方向外側配置表面２４に組合された半径方向内側配置表面２２を含み、この内側配置表面２２は、セグメント１０のシーリング面２７として機能する。半径方向外側配置表面２４は、固定構成部品１４によって形成された環状溝２６内部に配置される。図３に最もよく示すように、固定構成部品は、少なくとも１つのケーシングフランジ２８を含み、またセグメント１０は、少なくとも１つのセグメントフランジ３０を含む。

セグメント１０の内部に設けられているのは、少なくとも１つの作動装置３２であり、例示的な実施形態では、２つの作動装置３２が設けられている。作動装置３２は、弾性ビーム型要素３４、連結構成部品３６及び阻止構成部品３８を含む。これら３つの構成部品は、セグメント１０内部に位置しており、間隙位置２１と密封位置２３との間でのセグメント移動／付勢のための手段を構成する。

作動装置３２は、連結構成部品３６が弾性ビーム型要素３４を阻止構成部品３８と固定的に組合せるように成形又は製作される。連結構成部品３６は、阻止端部４０を含み、この阻止端部４０において、連結構成部品３６と阻止構成部品３８とが固定的に組合されて剛性「Ｔ」字形構造体を成形する。図３に示すように、連結構成部品３６は「Ｔ」字形の垂直部分を含み、他方、阻止構成部品３８は「Ｔ」字形の水平部分を含み、阻止構成部品３８が、固定構成部品１４内に設けられた少なくとも１つのフランジ２８に常に隣接して位置するようになっている。

その阻止構成部品３８との結合部と反対側の端部において、連結構成部品３６はまた、該連結構成部品３６に対して実質的に直交して配置された弾性ビーム型要素３４と固定的に組合される。この端部は、連結構成部品３６の作動端部４２と呼ばれ、締結、溶接又はねじ結合などのあらゆる必要な手段によって弾性ビーム型要素３４に固定的に取付けられる。

リングセグメント１０は、作動装置３２をセグメント１０の内部に配置するのを可能にするセグメント空洞４４を形成する。セグメント空洞４４は、セグメント１０の外側配置表面２４によって形成された外側配置表面開口部４５により開口し、内側配置表面２２に向ってセグメント１０の部分的長さ４６だけ延びる。セグメント空洞４４は、半径方向外側配置領域４７と、中間領域４８と、半径方向外側配置領域４７及び中間領域４８に対して実質的に直交して配置された半径方向内側配置領域５０とを含む。空洞４４の半径方向内側配置領域５０は、セグメント１０の中間部分２５によって形成されかつ該セグメント１０の相対側面５４上に配置された中間開口部５２において開口している。例示的な実施形態では、装置３２は、図３に示すように、阻止端部４０が半径方向外側配置領域４７内に挿入され、連結構成部品３６が中間領域４８内に挿入され、また弾性ビーム型要素３４が半径方向内側配置領域５０内に挿入された状態で、セグメント空洞４４内に左右に挿入することができる。

セグメント空洞４４内部において、弾性ビーム型要素３４は、その中に該弾性ビーム型要素３４が位置しているセグメント１０と係合する。例示的な実施形態では、弾性ビーム型要素３４は、セグメント空洞４４の内側配置領域５０内部の内部空洞リッジ５８において、セグメント１０と接触する接触端部５６を含む。

弾性ビーム型要素３４は、リーフスプリング、フラットスプリング又はビーム形状を有するあらゆる平坦材料のような、力を作用させることができるあらゆる細長い付勢構成部品とすることができる。弾性ビーム型要素３４は、タービンシャフト１６から離れるようにセグメント１０に対して半径方向外向きの力を作用させ、またタービンシャフト１６に向かうように「Ｔ」字形構造体（阻止構成部品３８及び連結構成部品３６構造体）に対して半径方向内向きの力を作用させる。しかしながら、「Ｔ」字形構造体の阻止構成部品３８は、固定構成部品１４の少なくとも１つのフランジ２８に常に隣接して配置されているので、「Ｔ」字形構造体は、全体としてタービンシャフトに向って移動しない。「Ｔ」字形構造体は代わりに、固定構成部品１４に対するアンカとして作用し、それにより、弾性ビーム型要素３４によってセグメント１０対して作用した半径方向外向きの力が、セグメント１０を開放位置２１に付勢するのを可能にする（図２及び図３に示すように）が、このことについては、以下に一層詳細に説明する。

図２及び図３を参照すると、セグメント１０は、回転機械が始動及び停止などの過渡条件にあるときに、タービンシャフト１６とセグメントのシーリング面２７との間の大きな間隙ギャップ６０を可能にする開放位置２１にある状態で示している。開放すなわち間隙位置２１は、セグメント１０の内部空洞リッジ５８に加わる半径方向力によってセグメント１０を間隙位置２１に付勢する弾性ビーム型要素３４によって達成される。上記のように、この外向きの半径方向力は、回転機械内部のあらゆる過渡条件期間の間に、タービンシャフト１６から離れるようにセグメントを付勢し、セグメント１０を間隙位置２１に保持する。ビーム型要素３４によってセグメント１０を間隙位置２１に付勢しかつビーム型要素によってセグメント１０を間隙位置２１に保持している間にわたって、「Ｔ」字形構造体は、フランジ２８に隣接しかつ実質的に静止した状態を維持する。

また図４を参照すると、パッキンリングセグメント１０は、間隙位置２１から密封位置２３に移動し、密封位置２３では、タービンシャフト１６とセグメント１０のシーリング面２７との間に小間隙ギャップ６２を可能にする。タービンシャフト１６の動作中に蒸気のような流体媒体が複数の通路（図示せず）を通って固定構成部品１４の環状溝２６内に流入すると、セグメント１０は、密封位置２３に移動される。環状溝２６内に流入した流体媒体は、セグメント１０の外側配置表面２４上に圧力を構築して、この圧力が、ビーム型要素３４の付勢力に抗してセグメントを内向きに付勢する。ビーム型要素３４は、この圧力の付勢力に屈することになる強度を有するように構成されており、従って、セグメント１０は、タービンシャフト１６に向けて移動して、タービンシャフト１６との間のシールが複数の半径方向突出歯６４によって最終的に形成されるまで大間隙ギャップ６０を減少させる。図４に示すように、この動作により、ビーム型要素３４は湾曲することができる。

セグメント１０（又は、複数のセグメント１０）は、それに限定されないが、蒸気タービン、ガスタービン、発電機又は圧縮機のようなあらゆるタイプの回転及び固定構成部品の装置で使用するように構成することができることを理解されたい。

図６を参照すると、回転機械の固定構成部品１４とタービンシャフト１６との間にシールを形成する方法１００を示しており、本方法１００は、動作ブロック１０２に示すように、セグメント１０の内部の弾性ビーム状要素３４によってパッキンリングセグメント１０を間隙位置２１へと外向きに付勢する段階を含む。本方法１００はまた、動作ブロック１０４に示すように、セグメント１０の半径方向外側配置表面２４に流体圧力を導いて、その圧力が弾性ビーム型要素３４によってセグメント１０に対して作用する力と対向するようにする段階と、動作ブロック１０６に示すように、流体圧力によってパッキンリングセグメント１０を密封位置２３に移動させる段階とを含む。

本方法１００はまた、回転機械の過渡条件の間にパッキンリングセグメント１０を間隙位置２１に保持する弾性ビーム型要素３４を含むことができることを理解されたい。パッキンリングセグメント１０はさらに、回転機械の運転状態の間には密封位置２３に移動することができる。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることを当業者には理解されたい。さらに、本発明の技術的範囲から離脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適応させるように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることが、重要である。さらに、特に記載しない限り、あらゆる第１、第２などの用語の使用は、何らの順序又は重要性を意味するものではなく、むしろ第１、第２などの用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用している。

例示的な蒸気タービンの一部分の断面図。 ２−２とラベル付けした、図1の限局性部分の拡大図。 切断線３−３に沿って取った、図２の例示的な可変間隙パッキンリングセグメントの横断面図。 密封位置における、図２に示す限局性部分の図。 切断線5−5に沿った、図２の限局性部分の平面図。 図6は、回転機械の固定構成部品とタービンシャフトとの間にシールを形成する方法を示すブロック図。

符号の説明

１０ 可変間隙パッキンリングセグメント
１１ 回転機械のセクション
１２ 環状リング構成
１４ 固定構成部品
１６ タービンシャフト
１８ 第１の半体
２０ 第２の半体
２１ 間隙位置
２２ 半径方向内側配置表面
２３ 密封位置
２４ 半径方向外側配置表面
２５ 中間部分
２６ 環状溝
２７ シーリング面
２８ ケーシングフランジ
３０ セグメントフランジ
３２ 作動装置
３４ 弾性ビーム型要素
３６ 連結構成部品
３８ 阻止構成部品
４０ 阻止端部
４２ 作動端部
４４ セグメント空洞
４５ 配置表面開口部
４６ 部分的長さ
４７ 半径方向外側配置領域
４８ 中間領域
５０ 半径方向内側配置領域
５２ 中間開口部
５４ 相対側面
５６ 接触端部
５８ 内部空洞リッジ
６０ 大間隙ギャップ
６２ 小間隙ギャップ
６４ 半径方向突出歯
１００ 方法
１０２ 動作ブロック
１０４ 動作ブロック
１０６ 動作ブロック

Claims (10)

1. 回転機械の固定構成部品（１４）とタービンシャフト（１６）との間にシールを形成するためのパッキンリングセグメント（１０）であって、
   該パッキンリングセグメント（１０）内部に配置された作動装置（３２）と、
   前記作動装置（３２）内に設けられた弾性ビーム型要素（３４）と、を含み、
   前記弾性ビーム型要素（３４）が、該パッキンリングセグメント（１０）を前記タービンシャフト（１６）から離れるように半径方向外向きに付勢する、
   パッキンリングセグメント（１０）。
2. 該パッキンリングセグメント（１０）によって形成されたリング空洞をさらに含む、請求項１記載のパッキンリングセグメント（１０）。
3. 前記リング空洞が、半径方向内側配置領域（５０）、中間領域（４８）及び半径方向外側配置領域（４７）を含む、請求項２記載のパッキンリングセグメント（１０）。
4. 前記作動装置（３２）が、連結部分によって前記弾性ビーム型要素（３４）と組合された阻止部分を含む、請求項１記載のパッキンリングセグメント（１０）。
5. 前記作動装置（３２）が、前記リング空洞内部に配置される、請求項２記載のパッキンリングセグメント（１０）。
6. 前記弾性ビーム型要素（３４）が、リーフスプリングである、請求項１記載のパッキンリングセグメント（１０）。
7. 前記弾性ビーム型要素（３４）が、フラットスプリングである、請求項１記載のパッキンリングセグメント（１０）。
8. 該パッキンリングセグメント（１０）の半径方向内側配置表面（２２）が、該パッキンリングセグメント（１０）のシーリング面（２７）である、請求項１記載のパッキンリング組立体。
9. 前記シーリング面（２７）が、複数の半径方向突出歯（６４）をさらに含む、請求項８記載のパッキンリングセグメント（１０）。
10. 前記セグメント空洞（４４）が、該パッキンリングセグメント（１０）の半径方向外側配置表面（２４）によって形成された外側配置表面開口部を含み、該パッキンリングセグメント（１０）の半径方向内側配置表面（２２）に向けて該パッキンリングセグメント（１０）の部分的長さだけ延びる、請求項３記載のパッキンリングセグメント（１０）。

Images