JP2011220522A - 漏れ流れを減少させるためのロータ及びアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ流れを減少させるためのロータ及びアセンブリを提供する。
【解決手段】蒸気タービン等の回転機械では、一連の静止及び回転部品を加圧流体が通過する。流体の漏れ流れを最小限に抑えることにより、機械の動作及び効率を向上させる。少なくとも１つのロータランド２４０には、流体が通過するときに渦を発生させる溝２４５が形成されている。この渦は、流体の軸方向流れに逆らっており、これが漏れ流れを減少させる。少なくとも１つのロータランド２４０上に形成された溝２４５の形状を、少なくとも１つのその他のロータランド２４０上に形成された溝２４５の形状とは異なるように構成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明の１つ以上の態様は、例えば回転機械の、漏れ流れを減少させるためのロータ及びアセンブリに関する。

蒸気タービン及びガスタービン等の回転機械は、発電用途及び機械駆動用途に使用される。これらの機械は一般的に、複数のタービン及び／又は圧縮段を含む。運転時、加圧流体が、一連の静止部品及び回転部品を通過する。流体漏れを最小限に抑えることにより、回転機械の動作及び効率は改善される。

例えば蒸気タービンでは、蒸気が大気中に漏れるのを防止、或いは最小限に抑えるために、エンドパッキンシールを使用する。ＨＰ／ＩＰ（高圧／中圧）段からの漏れ流れを使用して、エンドパッキンを封止する。一例として、１０００ＭＷの機械は、蒸気の大気中への漏れ出しを防止するために、６つのエンドパッキンシールを使用していることを示す、６流ＬＰ段（６−ｆｌｏｗ ＬＰ ｓｔａｇｅ）を有する。

蒸気タービンに広く用いられている従来のエンドパッキンシールアセンブリを、図１に示す。従来のエンドパッキンシールアセンブリ１００は、傾斜歯１２０がステータ１１０上に形成され、スクエア歯１４０がロータ１３０上に形成された、「傾斜スクエア歯」タイプである。図１において、ロータ１３０の回転方向は、矢印１７０で示すように頁内を出入りする方向で、軸方向は矢印１５０で示すように水平であり、半径方向は矢印１６０で示すように頁上で垂直である。なお、蒸気等の流体は、ブロック矢印１８０で示すように右から左へと軸方向に移動することとする。ステータ歯１２０及びロータ歯１４０は、相対的に高圧側（右）から相対的に低圧側（左）への蒸気の漏れ流れを封止する。

漏れ流れが捕捉されないエネルギーということ、即ち無駄になるということは理解されよう。漏れ流れを減少させることができれば、これと同じ蒸気を使用してより多くの出力を生成できる。

米国特許出願公開第２００９／０１６０１３５Ａ１号

このように、エンドパッキンの封止における蒸気使用のいかなる削減も、タービンの全体的な性能を改善する。

本発明の非限定的な態様は、回転機械のロータに関する。ロータは、軸方向に相互に離間した複数のロータランドを有する。少なくとも１つのロータランドには、溝が形成されており、この溝は、流体の軸方向の流れに逆らうように、ロータ上を流体が流れるときに渦を発生させる形状を有している。

本発明の別の非限定的な態様は、回転機械用のアセンブリに関する。アセンブリは、ステータ及びロータを含む。ステータは、軸方向に相互に離間した複数の歯を含み、ロータは軸方向に相互に離間した複数のロータランドを含む。少なくとも１つのロータランドには溝が形成されており、この溝は、流体の軸方向の流れに逆らうように、ロータ上を流体が流れるときに渦を発生させる形状を有している。

これより、下記の図面に関連して本発明をより詳細に説明する。

蒸気タービンの従来のエンドパッキンシールアセンブリを示す図である。 回転機械のアセンブリの実施例を示す図である。 ステータ歯に整合するロータランドの一例を示す図である。 いずれのステータ歯にも整合しないロータランドの一例を示す図である。 ロータランド上に形成された例示的な溝形状を示す図である。 ロータランド上に形成された例示的な溝形状を示す図である。 ロータランド上に形成された例示的な溝形状を示す図である。 ステータ歯と対応のロータランドとの整合の例を示す図である。 ステータ歯と対応のロータランドとの整合の例を示す図である。 ステータ歯と対応のロータランドとの整合の例を示す図である。 回転機械のアセンブリの非限定的な実施例を示す図である。 回転機械のアセンブリの非限定的な実施例を示す図である。 回転機械のアセンブリの非限定的な実施例を示す図である。 回転機械のアセンブリの非限定的な実施例を示す図である。

ステータの歯とロータの歯を区別し易くするために、以下、ロータ歯をロータ「ランド」と称する。したがって、特に明記しない限り、「歯」は通常、ステータを指し、「ランド」は通常、ロータを指す。

流れ漏れには、２つの主な推進力−即ち、有効間隙及び軸流速度がある。有効間隙は一般的に、流体流れへの抵抗に関連する−即ち、間隙が小さいほど、流体流れへの抵抗が大きくなる。軸流速度は、どんな速さで蒸気が軸方向に流れて右の高圧側から左の低圧側へと出て行くかに関連する−即ち、軸流速度成分が速いほど、より多くの漏れ流れが生じる。このように、これらの推進力の１つ又は両方が減少すると、漏れ流れが減少し、効率が高くなる。

漏れ流れを減少させる一方法は、ステータとロータの間の間隙を縮小することである。回転機械用のアセンブリにおいて、最良の封止位置は、ステータ歯がロータランド上にあるとき、即ち、歯とこれに対応するランドが垂直に、即ち半径方向に整合しているときである。ここで、物理的に最小の間隙（又は単に「最小間隙」）が得られる。最悪の位置は、ランドが２つの歯の間にあるときである。この最小間隙を縮小して流れる蒸気を減少させることによって、流れ漏れを減少させることができる。これには、ステータ及びロータの形成時に、非常に小さな許容誤差が必要であるが、この分野には大きな進歩がなされている。

漏れ流れに対する別の手段は、タービンの運転時に流体の流れに動的に逆らうことである。上述のように、最も懸念されるのは、軸方向の漏れ流れである。この軸方向流れに対するいかなる抵抗も、有効間隙を減少させる。しかし、図１の従来のエンドパッキンシールアセンブリ１００では、流体が最小間隙を一旦通過すると、ロータランド１４０が軸方向の流れに逆らうことはない。実際、流体は、望ましくない軸方向に流れるように案内される。

図２は、従来のエンドパッキンシールアセンブリの１つ以上の欠点を解決する、例えば回転機械用のアセンブリの非限定的な実施例を示す。アセンブリ２００は、蒸気タービン向けのエンドパッキンシールアセンブリ、或いは多様な種類の回転機械用のアセンブリであってもよい。図示のように、アセンブリ２００は、各々が先端２２５を有して軸方向に相互に離間した複数の傾斜歯２２０を備える、ステータ２１０を含む。ステータ歯のピッチは「Ｐｓ」で示される。アセンブリ２００は、これもまた軸方向に離間した複数のランド２４０を備えるロータ２３０を含み、ロータランド２４０のピッチは「Ｐｒ」で示されている。軸方向、半径方向、及び回転方向は、それぞれ２５０、２６０、及び２７０で示す。特に明記又は図示されない限り、残りの図面の方向は図２と同じものと考える。この特定の実施例において、ステータ歯２２０の数は、ロータランド２４０よりも多い。しかしこれは必要条件ではない。

図１の従来のシールアセンブリ１００とは異なり、アセンブリ２００は、溝２４５が形成された少なくとも１つのロータランド２４０を含む。図３に示すように、溝２４５は深さ「ｄ」を有し、ロータランド２４０は高さ「ｈ」を有する。溝２４５及びランド２４０の深さ及び高さはいずれも、特に限定されない。非限定的な例として、深さｄは２０から４０ミルの範囲であり、高さｈは１２５ミルである。全ての間隙において、溝２４５（「スロット」とも称する）は、流体の軸方向流れに逆らう渦を発生させる、渦発生器として機能する。

図３も、歯２２０がランド２４０と整合しているときに歯２２０とランド２４０との間の間隙「ｃ」が最小になることを示している。最小間隙は、ステータ歯２２０の先端２２５の半径方向高さとロータランド２４０の半径方向高さとの差として定義される。最小間隙において、溝２４５によって生じた渦は、空気力学的に流体の流れに逆らう。溝２４５の効果は、少なくとも部分的には、溝２４５によって生じた渦に起因して、流体の流れがロータランド２４０全体の圧力比の損失増加に直面することである。圧力比の損失によって、流れの速度が減少する。

流体の速度を減少させることに加えて、最小間隙において、渦は流体の軸流速度成分も変化させることが、シミュレーションから明らかになっている。換言すれば、流体の流れの軸方向成分は、回転方向の接線に沿って流れるように、及び／又は半径方向に流れるように変化する。

ロータランド２４０とステータ歯２２０との間の整合がないとき、即ちランド２４０が２つの歯２２０の間にあるときでさえも（図４参照）、溝２４５は依然として、流体流れに逆らって流体の流れの軸流速度成分を変化させることによって、漏れ流れを減少させる渦を発生させる。しかし、整合がないとき、軸流速度成分の変化は、漏れ流れの減少のより大きな要因になる。

ロータランド２４０がステータ歯２２０に対してどのような位置にあるかにかかわらず、各溝２４５によって、流体の流路を複雑にする渦が生じ、有効間隙が縮小し、流体の流れの軸流速度成分が変化する。つまり、各溝は、流体がロータ上を通過するときに流体の軸方向流れに逆らう渦を発生させる。

物理的に間隙が小さいと、通常は流体漏れの量が少なくなる。しかし、間隙の増大に伴って、漏れは急激に増加する。実験から、溝にランドのない封止アセンブリ（例えば図１）と比較して、溝にランドのある封止アセンブリ（例えば図２）の方が漏れ流れを減少できることがわかっている。シミュレーションから、様々な間隙において、漏れ流れの減少が８％を超えることがわかっているが、これは大幅な削減を表している。シミュレーションからは、溝の形状がこの削減量に影響することもわかっている。

図２に、溝２４５が全てのランド２４０上に形成された実施例を示す。これは好適であるものの、厳密に必要なわけではない。少なくとも１つのロータランド上に形成された溝を有することは、漏れ流れの削減に寄与するはずである。

また、図２、３、及び４は、幅広の「Ｕ」字形状を有するものとして溝２４５を示しているが、溝形状はこれに限定されず、長方形、正方形、曲線、半円形、台形、三角形等の形状も考えられる。長方形の溝の一例を、図５に示す。図６に示すように、溝形状がランドの中心について対称であることも、厳密に必要なことではない。この図では、ロータランドの軸方向幅６２０の中心を示す中心線６１０が引かれている。見てとれるように、溝（この例では台形）は中心線６１０について左右対称ではない。更に、溝の底部が厳密に水平である必要はない。図７に見てとれるように、溝の底部が傾斜していてもよい。図示していないが、溝が不規則的な形状を有してもよい。

これらの例は全て、渦の発生を促すいずれの形状も考えられることを示すべく提示されている。機械加工目的において、幾つかの形状がその他の形状よりも好ましいことはわかる。また、全ての溝が同じ形状である必要もない。幾つかの溝を長方形とし、また幾つかの溝をＵ字型とし、その他の溝を半円形とする等して、混ざり合った渦を発生させることができる。実際、幾つかのロータランドが溝を全く有していなくてもよい。繰り返しになるが、溝の機械加工を容易にするには、形状の数を最小化することが好ましいであろう。

図２に戻って、幾つかのランド２４０は、少なくとも１つのステータ歯２２０と垂直に（即ち、半径方向に）整合し、最小間隙を有しているが、その他のランド２４０は、２つの歯２２０の間にあることに留意されたい。ここで、整合とは単に、図８、９、及び１０に示すように、ステータ歯２２０の先端２２５がロータランド２４０の軸方向幅６２０のいずれかの部分で垂直に重なっていることを指す。図８において、先端２２５は、ロータランド２４０の軸方向幅６２０の中心線６１０とほぼ整合している。図９では、ステータ歯先端２２５が中心線６１０の下流側でロータランド２４０に重なり、図１０では、歯先端２２５が上流側でランド２４０に重なっている。

また、図２に示すように、ロータランドのピッチＰｒがステータのピッチＰｓと同じではないことが見てとれる。実験から、ロータピッチＰｒは、ステータ歯とロータランドとの間の所与の間隙「ｃ」に対して、程度の異なる効果を有することがわかっている。このように、非限定的な実施例において、ロータピッチＰｒを、個別の最小間隙の設計に合わせて最適化することができる。

図２に示す実施例において、ロータランドの半径方向高さは全て、ほぼ等しい。しかし、多くの蒸気タービンにおいて、タービンの半径方向高さは、その軸方向長さの少なくとも一部に従って異なり得る。図１１は、「階段状」シールを示した、アセンブリの非限定的な変形例を示す。この例において、少なくとも１つのロータランド２４０の半径方向高さは、その他のロータランド２４０の高さと異なる。図示していないが、ランド２４０の半径方向高さは、単調に増加又は減少する必要がないことに留意されたい。

上述の図面では、傾斜歯を備えるステータを示している。しかし、これは厳密な必要条件ではない。図１２に示すような、歯が実質的に傾斜を有していないステータも考えられる。別の非限定的な変形例において、ロータピッチＰｒが異なっていてもよい。図２では、ロータピッチＰｒを一定のものとしている。しかし、これは厳密に必要なわけではない。図１３において、２つの異なるロータピッチＰｒ１及びＰｒ２を示す。当然ながら、２つよりも多いことも考えられる。これらの非限定的な実施例は、ロータランドを一定の間隔及び／又は不規則な間隔で形成してもよいことを実証している。

図１４は、アセンブリのまた別の非限定的な実施例を示す。この実施例において、ロータランド２４０の軸方向幅６２０は、ステータピッチＰｓよりも大きい。各ロータランド２４０がステータピッチよりも幅広のとき、全てのロータランド２４０は少なくとも１つのステータ歯２２０と整合することになる。しかし、図１４では、いずれのランド２４０とも整合していない少なくとも１つのステータ２２０があることが見てとれる。

図示していないが、溝形状が異なるのと同様に、ロータランドの軸方向幅も異なっていてもよい。蒸気タービンのアセンブリについて説明したが、１つ以上の態様を多様な種類の回転機械に適用できることを、強調しておく。

本明細書では、最適な態様を含めた例を用いて本発明を開示し、これによってまた、当業者が、任意の装置又はシステムを作製及び使用すること、並びにこれに付随する任意の方法を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に明示されているが、当業者に想到可能なその他の例も含み得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、或いは請求項の文言と殆ど変わらない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲に含まれることを意図している。

２００ アセンブリ
２１０ ステータ
２２０ ステータ歯
２２５ 歯先端
２３０ ロータ
２４０ ロータランド
２４５ 溝

Claims (10)

1. 回転機械用のロータ（２３０）であって、
   軸方向に相互に離間した複数のロータランド（２４０）を有し、
   少なくとも１つの前記ロータランド（２４０）に溝（２４５）が形成されており、
   前記溝（２４５）は、流体の軸方向流れに逆らうように、前記流体が前記ロータ（２３０）上を流れるときに渦を発生させる形状を有する、ロータ（２３０）。
2. 少なくとも１つの前記ロータランド（２４０）上に形成された前記溝（２４５）の形状が、少なくとも１つのその他の前記ロータランド（２４０）上に形成された前記溝（２４５）の形状とは異なる、請求項１に記載のロータ（２３０）。
3. １つの前記ロータランド（２４０）の半径方向高さが少なくとも１つのその他の前記ロータランド（２４０）の半径方向高さとは異なる、請求項１に記載のロータ（２３０）。
4. 回転機械用のアセンブリ（２００）であって、
   軸方向に相互に離間した複数の歯（２２０）を備えるステータ（２１０）と、
   軸方向に相互に離間した複数のロータランド（２４０）を備えるロータ（２３０）と、を有し、
   少なくとも１つの前記ロータランド（２４０）に溝（２４５）が形成されており、
   前記溝（２４５）は、流体の軸方向流れに逆らうように、前記流体が前記ロータ（２３０）上を流れるときに渦を発生させる形状を有する、アセンブリ（２００）。
5. １つの前記ロータランド（２４０）上に形成された前記溝（２４５）の形状が、少なくとも１つのその他の前記ロータランド（２４０）上に形成された前記溝（２４５）の形状とは異なる、請求項４に記載のアセンブリ（２００）。
6. 前記ロータランド（２４０）のピッチが、前記ロータランド（２４０）と前記ステータ歯（２２０）との間の最小間隙に基づいて調節される、請求項４に記載のアセンブリ（２００）。
7. １つの前記ロータランド（２４０）の半径方向高さが、少なくとも１つのその他の前記ロータランド（２４０）の半径方向高さとは異なる、請求項４に記載のアセンブリ（２００）。
8. 少なくとも１つの前記ロータランド（２４０）が対応する前記ステータ歯（２２０）と整合し、前記対応する前記ステータ歯（２２０）の先端（２２５）が前記ロータランド（２４０）の軸方向幅と垂直に重なるようになっている、請求項４に記載のアセンブリ（２００）。
9. 少なくとも１つの前記ロータランド（２４０）がいずれの前記ステータ歯（２２０）とも整合しない、請求項８に記載のアセンブリ（２００）。
10. 少なくとも１つの前記ステータ歯（２２０）がいずれの前記ロータランド（２４０）とも整合しない、請求項８に記載のアセンブリ（２００）。

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