JP2012087929A - ラビリンスシールシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】ラビリンスシールシステム(100)を開示する。
【解決手段】本ラビリンスシールシステム(100)は、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯(116)を有する固定部品(114)と、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部(118)を有するロータとを含み、各突出部(118)は、低圧側面(128)及び高圧側面(126)を有し、また少なくとも1つの突出部(118)の低圧側面(128)は、高圧側面(126)よりも半径方向にさらに遠くに延びる。
【選択図】 図3
【解決手段】本ラビリンスシールシステム(100)は、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯(116)を有する固定部品(114)と、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部(118)を有するロータとを含み、各突出部(118)は、低圧側面(128)及び高圧側面(126)を有し、また少なくとも1つの突出部(118)の低圧側面(128)は、高圧側面(126)よりも半径方向にさらに遠くに延びる。
【選択図】 図3
Description
本開示は、総括的には回転ターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械で使用するラビリンスシールシステムに関する。
タービンのような回転機械では、回転及び固定部品間にシールが設けられる。例えば、蒸気タービンでは、複数の弓形パッキンリングセグメントを設けて固定及び回転部品間に環状ラビリンスシールを形成するのが通例である。一般的に、弓形パッキンリングセグメント(一般的に、環状シール当たり4〜6個)は、機械の回転軸線と同心である、従って回転部品のシーリング表面と同心である固定部品の環状グルーブ内に配置される。各弓形シールセグメントは、回転部品のシーリング表面と対向して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向きアレイを有し、その場合に、それら歯は、回転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アレイから半径方向に間隔を置いて配置される。シーリング機能は、例えば蒸気のような作動流体がシール面の歯及び回転部品の対向する表面によって形成されたラビリンス内の比較的緊密な間隙を通り抜ける時に、該作動流体の乱流又は流れ制限を発生させることによって達成される。
有効なシールを維持するために使用されてきたラビリンスシールの1つの変形形態は、固定部品から回転部品に向けて延びる一連の歯と、固定部品に向けて延びる一連の隆起面取り部を備えたランドを有する回転部品の表面とを含むラビリンスシールシステムである。しかしながら、このラビリンスシールの変形形態においては、歯及び隆起面取り部を整列させることが望ましい。歯及び隆起面取り部が一列に並んでいない、つまり軸方向に整列していない場合には、作動流体が、シールをより容易に通り抜けて流れることが可能になり、それにより、シールの有効性が低下する。
ラビリンスシールシステムを開示し、本ラビリンスシールシステムは、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯を有する固定部品と、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部を有するロータとを含み、各突出部は、低圧側面及び高圧側面を有し、また少なくとも1つの突出部の低圧側面は、高圧側面よりも半径方向にさらに遠くに延びる。
本開示の第1の態様は、ラビリンスシールシステムを提供し、本ラビリンスシールシステムは、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯を有する固定部品と、複数の歯に近接した外表面を有する回転部品とを含み、外表面は、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部を含み、各突出部は、低圧側面及び高圧側面を有し、また少なくとも1つの突出部の低圧側面は、高圧側面よりも半径方向にさらに遠くに延びる。
本発明の第2の態様は、ターボ機械を提供し、本ターボ機械は、固定部品内に環状形態で配置されまたその各々がそこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯を備えたシール面を有する複数の弓形パッキンリングセグメントと、複数の歯に近接した外表面を有する回転部品とを含み、外表面は、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部を含み、各突出部は、低圧側面及び高圧側面を有し、また少なくとも1つの突出部の低圧側面は、該少なくとも1つの突出部の高圧側面よりも半径方向にさらに遠くに延びる。
本開示の例示した態様は、本明細書に記載した問題点及び/又は記載していないその他の問題点を解決するように設計されている。
本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるようになるであろう。
本開示の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本開示の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。
図1に移ると、ターボ機械5の一部分を示している。ターボ機械5は、回転部品12及び固定部品14間でシールを行う複数のラビリンスシールシステム10を含む。当技術分野で公知の1つのそのようなラビリンスシールシステム10を図2に示している。
図2に移ると、当技術分野で公知のラビリンスシールシステム10を示している。シールシステム10は、高圧側PH及び低圧側PLを有する。ターボ機械5(図1)からの作動流体は、シール10を通って高圧側PHから低圧側PLに流れる。当技術分野で公知のように、シールシステム10は、ステータ14及びロータ12を含む。また、当技術分野で公知のように、シールシステム10は、ラビリンスシールである、つまりラビリンスシール10は、固定部品14から延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯16を有する。さらに、シールシステム10は、歯16に近接しまた複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部18を備えたロータランド17つまり外表面を有するロータ12を含む。突出部18は、シールシステム10の高圧側PHに面した高圧側面20と、シールシステム10の低圧側PLに面した低圧側面22とを有する。図2に示すように、突出部18の低圧側面22は、高圧側面20よりも半径方向に短く、例えば低圧側面22は、歯16から離れる方向に傾斜した面取り部24を含む。シールシステム10は、突出部18及び歯16が軸方向に整列した時に最も有効であり、シール10を通る流れが妨げられるようになる。突出部18及び歯16が、軸方向に整列していな場合には、作動流体は、多くの抵抗と遭遇せず、かつシールシステム10を通ってより妨げられない状態で流れる。
本発明の実施形態によるラビリンスシールシステム100を図3に示している。ラビリンスシールシステム100は、ターボ機械(図1にその一部を示すターボ機械5のような)における固定部品114及び回転部品112間で使用することができる。シールシステム100は、高圧側PH及び低圧側PLを有する。固定部品114は、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯116を有する。各歯116は、回転部品112に近接した端部部分122(先端とも呼ばれる)を有する。図3には1つのシステム100のみを示しているが、当技術分野では公知のように、ラビリンスシールシステム100は、固定部品114の環状グルーブ内に配置された複数の弓形パッキンリングセグメントを含み、各弓形パッキンリングセグメントは、そこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯116を備えたシール面を有するようになっている。
また図3に示すように、回転部品112は、歯116の端部部分122に近接した外表面124つまりロータランドを有する。回転部品112の外表面124は、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部118を含む。
図4は、1つの突出部118及び1つの歯116の拡大図を示している。図4に示すように、各突出部118は、シールシステム100の低圧側PLに面した低圧側面128と、シールシステム100の高圧側PHに面した高圧側面126とを有する。図4に示すように、低圧側面128は、高圧側面126よりも半径方向にさらに遠くに延びる。言い換えれば、軸方向グルーブ119(図4に仮線で示す)は、低圧側面128を最後まで貫通することなく高圧側面126の少なくとも一部分内に機械加工されて、低圧側面128は、高圧側面126よりも半径方向に長くなるようになる。
突出部118の幾何学的構成及び形状は、所望に応じて変更することができる。例えば図3及び図4に示すように、1つの実施形態では、ほぼ矩形グルーブ119は、低圧側面128がほぼ矩形又はほぼ正方形形状を有する段部130を備えるように、突出部118内に機械加工されている。本明細書でグルーブ119及び/又は段部130の形状を説明するために使用する「ほぼ」という用語は、一般的な幾何学的形状を表しており、これらの形状の公知の変形形態もまた開示していることを理解されたい。さらに、グルーブ119及び/又は段部130について論じる場合に、正確な直角は必要ではなく、突出部118上に流体流れをより良好に妨げる全体的に鋭い角度を有するのが望ましいことを理解されたい。
グルーブ119及び突出部118の別の幾何学的形状の実施例を図5〜図14に示している。1つの実施例では、グルーブ119は、正方形、三角形、台形、半円形、卵形、又はあらゆるその他の所望の幾何的形状の側面と同様に形成された少なくとも1つの側面を有する形状を含むことができる。グルーブ119はまた、例えば部分的に湾曲しまた部分的に平面の幾何的形状のあらゆる組合せとすることができる。高圧側面126から機械加工したグルーブ119の形状は、高圧側面126の成形上部表面120を形成することができる、つまり上部表面120の少なくとも一部分は、平面、円形、半円形又は弓形、或いはそれらのあらゆる組合せとすることができる。例えば図5に示すように、グルーブ119は、逆三角形の形状になった断面を備えた1つの側面を有する。従って、上部表面120は、対応するV形状を有する。別の実施例では、図6に示すように、グルーブ119は、少なくとも1つの湾曲側面を有し、従って上部表面120は、対応する湾曲形状を有する。図7に示す別の実施例では、グルーブ119は、段付きとすることができ、つまり上部表面120もまた、高圧側面126から低圧側面128に上向きに段階的になった段付きとなるように一連の段部を含むことができる。
図8及び図9に示すような他の実施例では、グルーブ119は、上部表面120が平面であるが、さらに低圧側面128に対して傾斜するように機械加工することができる。これらの実施例では、上部表面120及び段部130間の角度αは直角ではない、つまり角度αは、約90度よりも大きい(図8)か又は約90度よりも小さい(図9)。
図10及び図11に示すような他の実施例では、グルーブ119は、段部130の高圧側面が上部表面120に対して傾斜するように機械加工することができ、角度βが、約90度よりも小さい(図10)か又は約90度よりも大きい(図11)かのいずれかとすることができるようになる。
図12及び図13に示すような他の実施例では、突出部118の高圧側面126は、角度γが約90度よりも小さい(図12)か又は約90度よりも大きい(図13)かのいずれかとすることができるように、回転部品112に対して傾斜している。図14に示す別の実施例では、突出部118の高圧側面126は、角度γが約90度よりも小さくなるように回転部品112に対して傾斜しており、段部130の高圧側面は、角度βが約90度よりも小さくなるように上部表面120に対して傾斜しており、また突出部118の低圧側面128は、角度δが約90度よりも大きくなるように回転部品112に対して傾斜している。
本発明の実施形態によりあらゆる寸法又は形状のグルーブ119を機械加工して、低圧側面128が高圧側面126よりも半径方向にさらに遠くに延びるようにすることができることを理解されたい。例えば、図5〜図14に示す実施例の様々な態様は、所望に応じて組合せることができる。
図4に戻ると、突出部118の低圧側面128の半径方向長さ、つまり低圧側面128が半径方向にそこまで延びる範囲もまた、所望に応じて変更することができる。例えば1つの実施形態では、低圧側面128は、高圧側面126よりも半径方向に最大約60%さらに遠くに延びることができる。言い換えれば、低圧側面128の半径方向長さRLLPは、高圧側面126の半径方向長さRLHPよりも最大約60%長くすることができる。段部130の高さhsもまた、低圧側面128の全半径方向長さRLLPの百分率として表すことができる。例えば1つの実施形態では、高さhsは、半径方向長さRLLPの最大約60%とすることができる。図4に示す1つの実施形態では、段部130の高さhsは、約30ミルである。
さらに、段部130の軸方向長さもまた、所望に応じて変更することができる。例えば、段部130の軸方向における軸方向長さALsは、突出部118の軸方向における全軸方向長さALpの最大約60%を含むことができる。図4に示す1つの実施形態では、突出部118の全軸方向長さALpは、約100ミルであるが、段部130の軸方向長さALsは、約20ミルであり、従って、この実施例では、段部130の軸方向長さALsは、突出部118の全軸方向長さALpの約20%となる。段部130の軸方向長さALsもまた、歯116の先端122の軸方向長さALTとの関連で表すことができる。1つの実施形態では、段部130の軸方向長さALsは、先端122の軸方向長さALTよりも最大約60%長い。例えば、軸方向長さALsは、約10ミル〜約20ミルとすることができるが、軸方向長さALTは、約5ミル〜約10ミルとすることができる。
一般的に、シールが漏洩を減少させる能力は、流量関数CQによって測定される。CQが低ければ低いほど、シールはより有効である。数値試験によると、本発明の実施形態によるラビリンスシールシステム100は、歯116及び突出部118が整列しているか否かに関係なく、従来のシステムよりも低CQを有していることを示している。このことは、画像の底部付近により低温の(つまり、より暗い)線を有する流れを示している図15及び図16における赤外線サーモグラフィー画像を比較することによって例証される。図15は、全ての歯/突出部が整列しているとはいえない状態のラビリンスシールシステム10を通り抜ける作動流体の流れを示しており、一方、図16は、これもまた全ての歯/突出部が整列しているとはいえない状態の、本発明の実施形態によるラビリンスシールシステム100を通り抜ける作動流体の流れを示している。図15及び図16における暗線の形状を比較することによって認められるように、ラビリンスシールシステム100を通り抜ける流れ(図16)は、ラビリンスシールシステム10を通り抜ける流れ(図15)よりも一層乱流状態となっている。
シールシステム100は、突出部118及び歯116の大部分又は全てが軸方向に整列しているか否かに関係なく、有効なものとなるシールを形成するが、シールシステム100は、少なくとも幾つかの突出部118及び歯116が軸方向に整列している場合に大きい有効性を有することができる。例えば、第1の歯116としてシールシステム10の高圧側PHに最も近接した歯116、及び第2の歯116として第1の歯116に近接した歯116に関して、また第1の突出部118としてシールシステム10の高圧側PHに最も近接した突出部118、及び第2の突出部118として第1の突出部118に近接した突出部118に関して、1つの実施形態では、少なくとも第2の歯116及び第2の突出部118は、軸方向に整列している。図3に示すように、高圧側PHに近接した第1の突出部118は、あらゆる所望の形状とすることができる。この実施形態では、第1の突出部118は、図2に示す従来技術の構成におけるのと同様な面取り部を有する突出部18に類似した突出部を含む。しかしながら、高圧側PHから数えた第2の突出部118及び後続の全ての突出部118は、本発明の実施形態による形状、つまり半径方向により長い低圧側面128を備えた形状とすることができる。高圧側PHからの第2の突出部118(つまり、半径方向により長い低圧側面128を備えた形状にした突出部118)を歯116と軸方向に整列させた場合には、残りの歯116及び突出部118が軸方向に整列しているか否かに関係なく、シールシステム100を通り抜ける流れは、十分に妨げられる。
本発明の実施形態は、シールシステム100におけるあらゆる数の歯/突出部対の形態で用いることができることも理解されたい。例えば、既存の成形突出部18(例えば、図2に示すような面取り部を備えた)及び新規の成形突出部(図3〜図14に示すような半径方向により長い低圧側面128を備えた)のあらゆる組合せを用いることができる。例えば、突出部は、新規の成形突出部118である全ての他の突出部と交互にすることができ、或いは全ての第3の突出部を新規の成形突出部とすることができるなどである。また、本明細書で使用する場合における「軸方向に整列した」という用語は、軸方向に互いに近接した歯/突出部対を意味すること理解されたい。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明するためのみのものであり、かつ本開示を限定することを意図していない。さらに、本明細書で使用する場合に、「含む」及び/又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び/又は部品の存在を特定するが、1つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、部品及び/或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
本明細書で使用する場合に、「第1の」、「第2の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ1つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも1つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」又は「およそ」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する(例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む)。本明細書で使用する場合における「1つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの1つ又はそれ以上を含む(例えば、1つ又は複数の金属という表現は、1つ又はそれ以上の金属を含む)ことを意図している。本明細書で開示した範囲は、包括的なものでありかつ独立して組合せ可能である(例えば、最大約25mmまでの範囲又はより具体的には約5mm〜約20mmの範囲は、「約5mm〜約25mm」の範囲の端点及び全ての中間値などを包含している。)
本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者が要素の様々な組合せ、それらの変形或いは改良を行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況及び物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するため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いこと、また本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことを意図している。
本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者が要素の様々な組合せ、それらの変形或いは改良を行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況及び物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するため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いこと、また本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことを意図している。
05 ターボ機械
10、100 ラビリンスシールシステム
12、112 回転部品
14、114 固定部品
16、116 歯
17 ロータランド
18、118 突出部
119 グルーブ
20、126 突出部の高圧側面
22、128 突出部の低圧側面
24 面取り部
120 上部表面
122 端部部分、先端
124 外表面
130 段部
10、100 ラビリンスシールシステム
12、112 回転部品
14、114 固定部品
16、116 歯
17 ロータランド
18、118 突出部
119 グルーブ
20、126 突出部の高圧側面
22、128 突出部の低圧側面
24 面取り部
120 上部表面
122 端部部分、先端
124 外表面
130 段部
Claims (10)
- 複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯(116)を有する固定部品(114)と、
前記複数の歯(116)に近接した外表面(124)を有する回転部品(112)と
を備えるラビリンスシールシステム(100)であって、前記外表面(124)が、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部(118)を含み、各前記突出部(118)が、低圧側面(128)及び高圧側面(126)を有し、少なくとも1つの前記突出部(118)の低圧側面(128)が、前記高圧側面(126)よりも半径方向にさらに遠くに延びる、ラビリンスシールシステム。 - 前記少なくとも1つの突出部(118)の低圧側面(128)がほぼ矩形である、請求項1記載のラビリンスシールシステム。
- 前記高圧側面(126)の上部表面(120)が約90度よりも大きい又は小さい角度で前記低圧側面(128)に対して傾斜していること、
前記高圧側面(126)が、約90度よりも大きい又は小さい角度で前記回転部品(112)に対して傾斜していること、及び
前記低圧側面(128)が、約90度よりも大きい又は小さい角度で前記回転部品(112)に対して傾斜していること
の少なくとも1つの特徴を有する、請求項1記載のラビリンスシールシステム。 - 前記少なくとも1つの突出部(118)の低圧側面(128)の半径方向長さが、該少なくとも1つの突出部(118)の高圧側面(126)の半径方向長さよりも最大約60%長い、請求項1記載のラビリンスシールシステム。
- 前記少なくとも1つの突出部(118)の低圧側面(128)の軸方向長さが、該少なくとも1つの突出部(118)の軸方向長さの最大約60%を含む、請求項1記載のラビリンスシールシステム。
- 前記複数の歯(116)が、前記ラビリンスシール(100)の高圧側面(126)に近接した第1の歯(116)及び前記第1の歯(116)に近接した第2の歯(116)を含み、前記複数の突出部(118)が、前記ラビリンスシール(100)の高圧側面(126)に近接した第1の突出部(118)及び前記第1の突出部(118)に近接した第2の突出部(118)を含み、前記少なくとも1つの突出部(118)が、前記第2の突出部(118)であり、前記第2の突出部(118)及び第2の歯(116)が、ほぼ軸方向に整列している、請求項1記載のラビリンスシールシステム。
- 前記高圧側面(126)が、次に述べるものつまり平面、円形、半円形、段付き及び円弧状から選択された形状を有する少なくとも一部分を備えた上部表面(120)を含む、請求項1記載のラビリンスシールシステム。
- 固定部品(114)内に環状形態で配置されまたその各々がそこから延びる複数の半径方向内向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された歯(116)を備えたシール面を有する複数の弓形パッキンリングセグメントと、
前記複数の歯(116)に近接した外表面(124)を有する回転部品(112)と
を備えるターボ機械(5)であって、
前記外表面(124)が、複数の半径方向外向きに突出しかつ軸方向に間隔を置いて配置された突出部(118)を含み、各前記突出部(118)が、低圧側面(128)及び高圧側面(126)を有し、少なくとも1つの前記突出部(118)の低圧側面(128)が、該少なくとも1つの突出部(118)の高圧側面(126)よりも半径方向にさらに遠くに延びる、ターボ機械。 - 前記高圧側面(126)の上部表面(120)が、約90度よりも大きい又は小さい角度で前記低圧側面(128)に対して傾斜していること、
前記高圧側面(126)が、約90度よりも大きい又は小さい角度で前記回転部品(112)に対して傾斜していること、並びに
前記低圧側面(128)が、約90度よりも大きい又は小さい角度で前記回転部品(112)に対して傾斜していること
の少なくとも1の特徴を有する、請求項8記載のターボ機械。 - 前記複数の歯(116)が、該ターボ機械(5)の高圧側面(126)に近接した第1の歯(116)及び前記第1の歯(116)に近接した第2の歯(116)を含み、前記複数の突出部(118)が、該ターボ機械(5)の高圧側面(126)に近接した第1の突出部(118)及び前記第1の突出部(118)に近接した第2の突出部(118)を含み、前記少なくとも1つの突出部(118)が、前記第2の突出部(118)であり、前記第2の突出部(118)及び第2の歯(116)が、ほぼ軸方向に整列している、請求項8記載のターボ機械。
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