JP2013204818A - 楕円クリアランスを備えたブラシシールシステム - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムを提供すること。
【解決手段】ブラシシールシステムは、幾つかのブラシシールセグメントを含み、ブラシシールセグメントの各々は、幾つかのブリストルを有し、ブラシシールセグメントの１以上は、ブラシシールセグメントとロータとの間のクリアランスを変えるような楕円プロファイルを含む。
【選択図】 図１

Description

本出願及び結果として得られた特許は、総括的には、回転機械で使用するシールに関し、より具体的には、蒸気タービンのような回転機械で使用して、主軸を主振動方向に対して位置合わせすることによってロータ振動に対処する楕円クリアランスを備えたブラシシールシステムに関する。

一般的には、蒸気タービン及び同様のものは、蒸気入口、タービンセクション、及び蒸気出口を含む、確定した蒸気通路を有することができる。より高圧領域から低圧領域に向かって蒸気通路内外への蒸気漏洩は、蒸気タービンの運転効率に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、回転シャフトと円周方向に囲むタービンケーシングとの間のタービンにおける蒸気通路漏洩は、蒸気タービンの効率を低下させる可能性がある。更に、端部パッキンとロータとの間でロータ端部を通過する蒸気漏洩もまた、蒸気タービンの運転効率を大幅に低下させる可能性がある。時間が経過するにつれて、これらの蒸気通路の損失は、燃料コストの全体的な増大をもたらす可能性がある。

最小限の漏洩を促進するために、回転部品と静止部品との間にブラシシールを使用することができる。ブラシシールは、ロータ表面と接触するように設計し、漏洩を最小限にすることができる。ブラシシールのブリストルの可撓性により、シール損傷を受けることなくロータの放出に対処することができる。従って、ブラシシールの内径は、そのブリストルが可撓性で柔軟であることに起因して、実質的に円形の幾何学的配置で作られる。このような手法は一般に、様々な作動段階時の温度勾配、熱膨張、及び熱収縮が円周方向に均等とすることができるので、圧力荷重及び遠心力による回転及び静止部品の両方の変形に対応する。しかしながら、高荷重のジャーナル軸受を有するターボ機械の場合、回転部品と静止部品との間の相対運動は、垂直方向と横方向で大幅に異なる場合がある。例えば、ある特定の軸受は、垂直方向よりも横方向において遙かに大きな減衰を提供する。その結果、タービンが、始動、シャットダウン、及び他のタイプの過渡運転時のような臨界速度を過ぎると、垂直振動の振幅は、横振動の振幅よりも大幅に大きくなる可能性がある。

更に、このようなブラシシールは、ロータに非均一な加熱を生じて、ロータの不安定性を引き起こす可能性がある理由から、使用できるブラシシールの数が制限される場合がある。より多くのブラシシールを可能にする１つの方法は、可変クリアランス正圧パッキング（「ＶＣＰＰＰ」）シール技法及び同様のものを使用することである。一般に、ＶＣＰＰＰシール技法は、始動時にブラシシールを後退させる。しかしながら、セグメント端部のブリストルは、ブラシシールリングが広げられた時にギャップに入る可能性がある。ブラシシールリングもまた、汚染物質及び同様のものが堆積した場合に適切に閉鎖できなくなる可能性がある。

米国特許出願公開第２０１０−００７８８９３号明細書

従って、蒸気タービン及び他のタイプの回転機械で使用する改良型のブラシシールシステムに対する要望がある。このような改良型のブラシシールシステムは、過渡運転及び同様のことの間にロータ及び他の部品への入熱がより少なくなり、より多くのブラシシールセグメントを使用することができ、従って、より効率的なシールが可能になる。更に、このような改良型のブラシシールシステムは、公知のブラシシールシステムと比較して効率及び全体の信頼性を高めることができる。

以上のことから、本出願及び結果として得られた特許は、回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムを提供する。本ブラシシールシステムは、幾つかのブラシシールセグメントを含み、ブラシシールセグメントの各々は、幾つかのブリストルを有し、ブラシシールセグメントの１以上は、ブラシシールセグメントとロータとの間のクリアランスを変えるような楕円プロファイルを含むことができる。

本出願及び結果として得られた特許は更に、回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムを提供する。本ブラシシールシステムは、幾つかのブラシシールセグメントを含み、ブラシシールセグメントの各々は、幾つかのブリストルを有し、ブラシシールセグメントの１以上は、ブラシシールセグメントとロータとの間のクリアランスを変えるような可変長楕円配向を含むことができる。

本出願及び結果として得られた特許は更に、回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムを提供する。本ブラシシールシステムは、幾つかのブラシシールセグメントを含み、ブラシシールセグメントの各々は、幾つかのブリストルを含み、ブラシシールセグメントの１以上は、ブラシシールセグメントとロータとの間のクリアランスを変えるような曲線輪郭のブリストル楕円配向を含むことができる。

本出願及び結果として得られた特許のこれら及び他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

蒸気タービンの一部分の実施例の概略図。 図１の蒸気タービンと共に使用することができるブラシシールシステムの実施例の概略図。 本明細書で説明することができるブラシシールシステムの実施例の概略図。 本明細書で説明することができるブラシシールシステムの別の実施形態の実施例の概略図。 図４のブラシシールシステムの一部分の平面図。

次に、幾つかの図全体を通して同様の符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の実施例の概略図を示している。一般に、蒸気タービン１０は、高圧セクション１５及び中圧セクション２０を含むことができる。本明細書では他の圧力及び他のセクションも使用することができる。外側シェル又はケーシング２５は、それぞれ上側ハーフセクション３０及び下側ハーフセクション３５に軸方向に分割することができる。ケーシング２５の中央セクション４０は、高圧蒸気入口４５及び中圧蒸気入口５０を含むことができる。ケーシング２５内では、高圧セクション１５及び中圧セクション２０は、ロータ５５の周りに配置することができる。ロータ５５は、幾つかの軸受６０によって支持することができる。蒸気シールユニット６５は、軸受６０の各々の内寄りに設置することができる。環状セクションディバイダ７０は、中央セクション４０からロータ５５に向かって半径方向内向きに延びることができる。ディバイダ７０は、パッキングケーシング７５を受けることができる。本明細書では、他の部品及び他の構成を使用することができる。

運転時には、高圧蒸気入口４５は、蒸気発生源から高圧／高温の蒸気を受ける。蒸気は、高圧セクション１５に送られ、仕事がロータ５５の回転によって蒸気から取り出されるようにすることができる。蒸気は、高圧セクション１５から流出し、次いで蒸気発生源に戻して再熱することができる。再熱蒸気は次に、中圧蒸気入口５０に送ることができる。蒸気は、高圧セクション１５に流入する蒸気と比較して低圧であるが、高圧セクション１５に流入する蒸気の温度にほぼ等しい温度で中圧セクション２０に戻すことができる。従って、高圧セクション１５内の作動圧力は、中圧セクション２０内の作動圧力よりもより高くし、高圧セクション１５内の蒸気が、高圧セクション１５と中圧セクション２０との間に構築できる漏洩通路を通って中圧セクション２０に向かって流れるようにすることができる。このような１つの漏洩通路は、ロータ軸５５の周りのパッキングケーシング７５を通って延びることができる。他の漏洩は、蒸気シールユニット６５及び他の場所で発生する可能性がある
漏洩流を制限するために、ブラシシールシステム８０を蒸気タービン１０と共に使用することができる。ブラシシールシステム８０は、幾つかのブラシシールセグメント８５を含むことができる。各ブラシシールセグメント８５は、キャリア９５に取り付けられた幾つかのブリストル９０を含むことができる。キャリア９５は、パッキングケーシング７５及び同様のもののような静止部材９８に取り付けることができる。ブリストル９０は、ロータ５５又は他のタイプの回転要素に向かって延びてこれらと接触することができる。上述のように、ブラシシールシステム８０は、ロータ５５に対する非均一な加熱を生じ、過渡運転及び同様のことの際に不安定性をもたらす可能性がある。非均一な加熱は、ロータ５５の偏心により引き起こされる可能性がある。このような偏心により、ロータ５５が最大の加熱を受ける方向に湾曲する可能性がある。更に、湾曲したロータ５５は、ブラシシールセグメント８５に更に押し付けられ、より非均一な加熱をもたらす場合がある。このような自給プロセスは、最終的にロータの不安定性につながる可能性がある。

図３は、本明細書で説明することができる回転機械１００の一部を示している。回転機械１００は、蒸気タービン及び同様のものとすることができる。回転機械１００は、上述したものと類似のロータ１１０又は他のタイプの回転部品を含むことができる。回転機械１００はまた、幾つかのブラシシールセグメント１３０を有することができるブラシシールシステム１２０を含むことができる。上述のように、ブラシシールセグメント１３０は、キャリア１５０に取り付けられた幾つかのブリストル１４０を含むことができる。本明細書では、あらゆる数のブラシシールセグメント１３０をあらゆる数のブリストル１４０と共に使用することができる。ブラシシールセグメント１３０の各々は、一対のセグメント端部１４５を有する。本明細書では、他の部品及び他の形状も使用することができる。

ブラシシールシステム１２０のブリストル先端はまた、ロータ１１０に対して実質的に楕円プロファイル１６０を形成することができる。主ロータ振動が垂直方向である時の垂直方向臨界速度モードの場合、その結果として、楕円プロファイル１６０は、主軸が垂直方向に向いた向きにすることができる。楕円プロファイル１６０とは、ブラシシールセグメント１３０は、図示するように、１２時及び６時の位置と比較して３時及び９時の位置でロータ１１０の周りにクリアランスが少なくなり、約２時、５時、７時、及び１０時の位置で均一な少ないクリアランスにすることができる。用語「楕円」を使用することによって、様々なタイプの双曲面、放物面、及び類似のタイプの形状及び構成も含まれる。振動方向が垂直方向から傾斜した場合、楕円クリアランス配向は、これに応じて傾斜した主軸を有するはずである。

楕円プロファイル１６０は、幾つかの異なる方法で得ることができる。図３に示すように、楕円プロファイル１６０は、可変ブリストル長さの配向１７５を有することができる。可変ブリストル長さ配向１７５では、上部セグメント１８０及び／又は下部セグメント１９０のブリストル１４０は、幾つかの側部セグメント２１０上のブリストル１４０と比較して短い長さを有することができる。本明細書では、様々な長さのブリストル１４０を使用することができる。本明細書では、他の部品及び他の形状も使用することができる。

代替として、図４及び図５に示すように、楕円プロファイル１６０は、ブラシシールキャリア１５０のブラシシールフックにおける可変直径２２５にセグメントをオフセットさせる曲線輪郭配向２１５を有することができる。本明細書における曲線輪郭配向２１５では、楕円形状２２０は、ブラシシールフック２３０の直径に機械加工又は他の方法で形成することができる。このようにして、様々なセグメントのブリストル長さを同様にすることができる。

別の実施例では、楕円プロファイル１６０は、オフセット配向を有するよう静止部材２５０のショルダ２４５上に楕円輪郭を形成することができる。オフセット配向では、ブラシシールセグメント１３０の１以上のキャリア１５０のフック２３０は、オフセット直径２４０を有することができる。上述のように、キャリア１５０は、パッキングケーシング７５及び同様のもののような静止部材２５０に取り付けることができる。従って、オフセット直径２４０を使用することにより、ブラシシールセグメント１３０の１以上の位置をロータ１１０に対して変えることができる。

本明細書では、楕円配向１６０を形成するのを促進するよう他の構造を使用することもできる。楕円プロファイルの何れかにおいて、隣接するセグメント１３０のセグメント端部１４５は、互いに接触することができ、又は接触しなくてもよい。本明細書では、他の部品及び他の形状も使用することができる。

従って、ブラシシールシステム１２０は、側部セグメント２１０と対照的に、上部セグメント１８０及び下部セグメント１９０に沿ってより大きなクリアランス１７０を有するように楕円プロファイル１６０を設ける。これにより、楕円プロファイル１６０は、水平方向におけるよりも垂直方向においてより大きな振動振幅を有する適用ロータダイナミクスに対処することができる。楕円プロファイル１６０により生じるより大きなクリアランスにより、ブリストルパックを過度に撓ませず、不安定にする熱を発生させることなく、より大きな垂直方向のロータ振動を許容する。このようにして、より多くのブラシシールシステム１２０を使用することができる。より多くのブラシシールシステム１２０を使用することで、楕円プロファイルの主軸方向においてロータに対して大きな加熱を加えることなく全体効率を高めるはずである。タービンが運転速度に達すると、作動圧力下でのブローダウン作用に起因して、本明細書での漏洩による欠点を少なくすることができる。更に、本明細書で説明したブラシシールシステム１２０は、公知のＶＣＰＰＰシール技法よりも安価で信頼性のあるものとすることができる。具体的には、ブラシシールシステム１２０は、セグメント端部ブリストルに対する損傷の危険性を回避することができる。本明細書では、異なるタイプの楕円配向１７５、２１５を共に用いることができる。本明細書では、ブラシシールシステム１２０を回転機械１００のロータ１１０に関して説明してきたが、ブラシシールシステム１２０は、漏洩損失を抑制するあらゆるタイプの回転及び静止部品間に適用することができる。

説明の目的で、上記の説明においては臨界振動が主として垂直方向であると仮定している。実際に、振動ベクトルのピークは、垂直方向に対して角度を傾斜させることができる。所謂「上部」及び「下部」は本質的に、ロータ振動モードの主軸を基準としている。所謂「側部」とは、ロータ振動モードの短軸を基準としている。主軸及び短軸は、互いから９０度の角度にすることができるが、必須ではない。同様に、上部セグメントは、上部中央セグメントに限定されず、むしろ上部付近のセグメントも含む。同じ事が下部セグメントにも当てはまる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定められる本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ 蒸気タービン
１５ 高圧セクション
２０ 中圧セクション
２５ ケーシング
３０ 上側セクション
３５ 下側セクション
４０ 中央セクション
４５ 高圧蒸気入口
５０ 中圧蒸気入口
５５ ロータ
６０ 軸受
６５ 蒸気シールユニット
７０ ディバイダ
７５ パッキングケーシング
８０ ブラシシールシステム
８５ ブラシシールセグメント
９０ ブリストル
９５ キャリア
９８ 静止部材
１００ 回転機械
１１０ ロータ
１２０ ブラシシールシステム
１３０ ブラシシールセグメント
１４０ ブリストル
１４５ セグメント端部
１５０ キャリア
１６０ 楕円プロファイル
１７０ クリアランス
１７５ 可変長配向
１８０ 上部セグメント
１９０ 下部セグメント
２１０ 側部セグメント
２１５ 曲線輪郭配向
２２０ 楕円形状
２２５ 可変直径
２３０ フック
２４０ オフセット直径
２４５ ショルダ
２５０ 静止部材

Claims (19)

1. 回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムであって、
   複数のブリストルを各々が含む複数のブラシシールセグメントを備え、前記複数のブラシシールセグメントの１以上が、前記複数のブラシセグメントと前記ロータとの間のクリアランスを変えるような楕円プロファイルを含む、ブラシシールシステム。
2. 前記楕円プロファイルが、前記複数のブラシシールセグメントの１以上が前記複数のブラシシールセグメントの残りの部分よりも短い長さを有する前記複数のブリストルを備えた可変長の配向を含む、請求項１記載のブラシシールシステム。
3. 前記複数のブラシシールセグメントが、第１の長さの前記複数のブリストルを備えた１以上の第１のセグメントと、第２の長さの前記複数のブリストルを備えた１以上の第２のセグメントとを含み、前記第１の長さが前記第２の長さよりも短い、請求項１記載のブラシシールシステム。
4. 前記１以上の第１のセグメントが、上部セグメント及び／又は下部セグメントを含み、前記１以上の第２のセグメントが、１以上の側部セグメントを含む、請求項３記載のブラシシールシステム。
5. 前記複数のブラシシールセグメントが、前記複数のブリストルに取り付けられたキャリアを含む、請求項１記載のブラシシールシステム。
6. 前記キャリアがフックを含む、請求項５記載のブラシシールシステム。
7. 前記楕円プロファイルが、前記複数のブラシシールセグメントの１以上のフックに対して曲線輪郭配向を含む、請求項６記載のブラシシールシステム。
8. 前記楕円プロファイルが、オフセット直径を備えた前記１以上のフックに対するオフセット配向を含む、請求項６記載のブラシシールシステム。
9. 前記複数のブラシシールセグメントが、上部セグメント、下部セグメント、及び複数の側部セグメントを含み、前記上部セグメント及び前記下部セグメントのそれぞれの端部が、前記複数の側部セグメントのそれぞれの端部と接触していない、請求項１記載のブラシシールシステム。
10. 前記複数の側部セグメントの第１の側部セグメント及び第２の側部セグメントのそれぞれの端部が接触している、請求項９記載のブラシシールシステム。
11. 前記複数のブラシシールセグメントが全て接触している、請求項１０記載のブラシシールシステム。
12. 前記ロータ上で約３時の位置及び約９時の位置での前記ブラシシールセグメントが第１のクリアランスを含み、約１２時の位置及び約６時の位置での前記ブラシシールセグメントが第２のクリアランスを含み、前記第１のクリアランスが前記第２のクリアランスよりも小さい、請求項１記載のブラシシールシステム。
13. 前記ロータ上で約２時の位置及び約７時の位置での前記ブラシシールセグメントが第１のクリアランスを含み、約４時の位置及び約１０時の位置での前記ブラシシールセグメントが第２のクリアランスを含み、前記第１のクリアランスが、前記第２のクリアランスよりも小さい、請求項１記載のブラシシールシステム。
14. 前記楕円プロファイルが、可変長配向、曲線輪郭配向、及び／又はオフセット配向を含む、請求項１記載のブラシシールシステム。
15. 回転機械のロータの周りで使用するブラシシールシステムであって、
    複数のブリストルを各々が含む複数のブラシシールセグメントを備え、前記複数のブラシシールセグメントの１以上が、前記複数のブラシシールセグメントと前記ロータとの間のクリアランスを変えるような可変長楕円配向を含む、ブラシシールシステム。
16. 前記可変長配向が、前記複数のブラシシールセグメントの残りの部分よりも短い長さを有する前記複数のブリストルを備えた前記複数のブラシシールセグメントの１以上を含む、請求項１５記載のブラシシールシステム。
17. 前記複数のブラシシールセグメントが、第１の長さの前記複数のブリストルを備えた１以上の第１のセグメントと、第２の長さの前記複数のブリストルを備えた１以上の第２のセグメントとを含み、前記第１の長さが、前記第２の長さよりも短い、請求項１５記載のブラシシールシステム。
18. 前記１以上の第１のセグメントが、１以上の上部セグメント及び／又は１以上の下部セグメントを含み、前記１以上の第２のセグメントが、１以上の側部セグメントを含む、請求項１７記載のブラシシールシステム。
19. 回転機械のロータと共に使用するブラシシールシステムであって、
    複数のブリストルを各々が含む複数のブラシシールセグメントを備え、前記複数のブラシシールセグメントの１以上が、前記複数のブラシセグメントと前記ロータとの間のクリアランスを変えるような曲線輪郭配向を含む、ブラシシールシステム。