JP2013530333A - ブラシリングシール - Google Patents

Abstract

タービンのパッキンケースの中に設置するためのブラシリングシール装置は、前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、ブラシシールキャリアの内周溝の中に装着されたブラシシールと、ブラシシールキャリアの外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングとを含む。ブラシシールキャリアの背面は、減摩コーティングで被覆され、これによりパッキンケースの中でのブラシリングシール装置の動作が可能になる。

Description

本発明は、一般的に、蒸気タービン、ガスエキスパンダ、及び工業用ガスタービンに関し、より具体的には、ロータと、タービンのケーシングとの間の径方向の隙間をシールするためのシールに関する。

図１及び２を参照すると、典型的な蒸気タービン１は、吸気端５及び排気端７を有するケーシング３と、ケーシング３の吸気端５及び排気端７を通って延びるロータ９とを含む。ケーシング３の吸気端５及び排気端７には、ロータ９を中心としてパッキンボックス１１が設けられる。パッキンボックス１１を使用して、ケーシング３の吸気端５及び排気端７を貫通するロータ９によって形成された環状の隙間をシールする。

従来より、パッキンボックス１１にはカーボンリングシール１３が設置されて、ケーシング３から空気中に気体が漏れるのを抑えてきた。パッキンボックス１１のそれぞれの溝１５の中に、複数のカーボンリングシール１３が位置付けられている。通常、パッキンボックス１１のそれぞれの中に、いくつものカーボンリングシール１３が位置付けられる。

カーボンがリングシール１３の製造に用いられるのは、ロータ９及びパッキンボックス１１と作用し合う低摩擦面を提供できるためである。しかし、カーボンは、非常に脆弱な材料であり、それに対して大きすぎる負荷が与えられると破断するおそれがある。したがって、業界標準では、カーボンリング両側の差圧を３５ｐｓｉ（ｐｏｕｎｄ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ：ｌｂｆ／ｉｎ^２）まで抑えることが要求されている。結果として、カーボンリングシールでは、通常はシャフトに沿っていくつものシールを設けることが必要である。

したがって、ロータシャフトのケーシングの隙間を通して漏れが少なくなることを確実にすると同時に、さらにシャフトの変位に対するシールの径方向の動きに対応し、パッキンボックスで用いるためのリングシールに対する要望が存在する。さらに、大きな差圧負荷を受けた時の破断を防止するような耐久性のある材料から製造されたリングシールに対する要望が存在する。本発明により、既存のパッキンボックスと共に、カーボンリングシールの大部分又はすべてを交換して用いることができるブラシシールが提供される。

本発明の目的は、蒸気タービンのパッキンボックスで用いるためのリングシールを提供することであり、タービンのロータシャフトのケーシングの隙間を通した少ない漏れを確実にして、シャフトの変位に対するシールの径方向の動きを可能にする。さらに、本発明の目的は、大きな差圧負荷及び／又は高い温度差を受けた時の破断を防止するような耐久性のある材料から製造されたリングシールを提供することである。

したがって、本発明は、タービンのパッキンケースの中に設置するためのブラシリングシール装置について述べられたものである。ブラシリングシールは、前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、ブラシシールキャリアの内周溝の中に装着されたブラシシールと、ブラシシールキャリアの外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングとを含む。ブラシシールキャリアの背面は、減摩コーティングで被覆され、これによりパッキンケースの中でのブラシリングシールの動作が可能になる。

ブラシシールキャリア及びブラシシールは、それぞれ、たとえば２つのハーフセグメントとして、又はＥＤＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：放電加工機）によって後に分けられるリングとして製造されてもよい。リング形状のスプリングは、ブラシシールキャリアの２つのハーフセグメントを一緒に保持するように構成されてもよい。ブラシシールキャリアの２つのハーフセグメントは、１つに結合されたときのその接合部に一対の軸方向スロットを形成してもよい。ブラシシールキャリア装置は、２つのハーフセグメントの接合部に、軸方向スロットに位置付けられる支持タブをさらに含んでもよい。減摩コーティングは、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、ＪＥＴ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、又はモリブデン及びニッケル／クロムのうち１つを含んでもよい。ブラシシールキャリアは、金属から製造されてもよい。

本発明は、タービンについてさらに述べられ、吸気端及び排気端を有するケーシングと、吸気端と排気端との間のケーシングを通って延びるロータと、ケーシングの吸気端及び排気端においてロータを取り囲み、ケーシングの吸気端及び排気端を通って延びるロータによって形成される環状の隙間のシーリングを提供するパッキンケースと、パッキンケースの中に設置された少なくとも１つのブラシリングシール装置とを含む。ブラシリングシール装置は、前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、ブラシシールキャリアの内周溝の中に装着されたブラシシールと、ブラシシールキャリアの外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングとを含む。ブラシシールキャリアの背面は、減摩コーティングで被覆され、これによりパッキンケースの中でのブラシリングシールの動作が可能になる。

ブラシシールキャリア及びブラシシールはそれぞれ、２つのハーフセグメント又はたとえばＥＤＭによって後に分けられるリングとして製造されてもよい。リング形状のスプリングは、ブラシシールキャリアの２つのハーフセグメントを一緒に保持するように構成されてもよい。ブラシシールキャリアの２つのハーフセグメントは、１つに結合されたときのその接合部に一対の軸方向スロットを形成してもよい。ブラシシールキャリア装置は、２つのハーフセグメントの接合部に、軸方向スロットに位置付けられる支持タブをさらに含んでもよい。減摩コーティングは、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、ＪＥＴ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、又はモリブデン及びニッケル／クロムのうち１つを含んでもよい。ブラシシールキャリアは、金属から製造されてもよい。

本発明は、ケーシングの吸気端とケーシングの排気端との間の、タービンのケーシングを通って延びるロータによって形成される環状の隙間をシーリングする方法についてさらに述べられる。本方法は、ケーシングの吸気端及び排気端でロータを取り囲むようにパッキンケースを位置付ける工程と、少なくとも１つのブラシリングシール装置を設置する工程と、環状の隙間をシールするためにパッキンケースの中にブラシリングシール装置を設置する工程とを含む。ブラシリングシール装置は、前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、ブラシシールキャリアの内周溝の中に装着されたブラシシールと、ブラシシールキャリアの外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングとを含むブラシリングシール装置とを含む。ブラシシールキャリアの背面は、減摩コーティングで被覆され、これによりパッキンケースの中でのブラシリングシールの動作が可能になる。

パッキンボックスに設置された従来のカーボンリングシールを含む蒸気タービンの部分断面の平面図である。 パッキンボックスを倍率拡大するように拡大された、図１の平面図の一部である。 本発明のブラシリングシールの分解正面斜視図である。 本発明のブラシリングシールの、部分的に組み立てられた分解正面斜視図である。 本発明のブラシリングシールの、組み立てられた正面斜視図である。 本発明のブラシリングシールの、組み立てられた背面斜視図である。 図４の線６−６に沿って切取られた、ブラシリングシールの断面図である。 本発明のパッキンボックスに設置されたブラシリングシールを含む、蒸気タービンの部分断面の平面図である 拡大する目的で大きくされた、図７の平面図の一部である。

本発明のこれら及び他の特徴及び特性に加えて、構造物の関連するエレメントの動作及び機能の方法、及び部品の組み合わせ並びに製造の経済性は、添付の図面を参照して、以下の記述及び添付の特許請求の範囲を考慮してより明白となり、これらはすべて、本明細書の一部を形成し、類似の参照番号は、さまざまな図面中の対応する部分を示す。しかし、図面は、図示及び説明のみを目的とし、本発明を限定する定義として意図されてはいないことが特に理解されるべきである。本明細書及び特許請求の範囲で用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに指図しない限りは、複数の指示対象を含む。

以下では説明を目的として、用語「上部」、「下部」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上」、「底」、「横方向」、「長手方向」、及びそれらの派生語は、図面中で適合しているように本発明に関連するものとする。しかし、本発明は、特に反対が明記されていない限り、さまざまな代替の変形を前提とし得ると理解されるべきである。また、添付の図に図示され、続く明細書に記載された特定の装置は、本発明の単なる代表的な実施形態であると理解されるべきである。ゆえに、本明細書に開示された実施形態に関連する特定の寸法及び他の物理的な特性は、限定としてみなされるものではない。

図３Ａ、３Ｂ、及び４〜６を参照すると、ブラシリングシール装置は、全体として参照番号２１によって示され、第１の半部２５及び第２の半部２７に分けられたブラシキャリアを含む。ブラシリングシールキャリア、ブラシシール（以下に説明される）、及びガータスプリング（同様に以下に説明される）を含むブラシリングシール装置２１のコンポーネントは、２つの半分の区間に分けられ、パッキンボックスの中及びシールされるシャフトの周囲にブラシリングシール装置を配置することを可能にしている。組み立てられると、第１の半部２５及び第２の半部２７は、前面２９、背面３１、内周溝３３、及び外周溝３５を有して実質的にリング状の本体部を形成する。前面２９は、リング状本体部の中心に向かってテーパーがつけられ、一方で背面３１は、実質的に平坦である。

蒸気タービン１のパッキンボックス１１の中に設置されると、背面３１は、低圧側に向かって面して、パッキンケース１１と接触し、前面２９は、高圧側に面する。パッキンボックスは、ブラシリングシール装置の背面３１が加圧使用中に押しつけられる、実質的に平坦な半径方向面を備えることによって、ブラシリングシール装置の軸方向の静止状態を提供する。パッキンボックスは、リングが据え付けられている間は、ブラシシールリングに半径方向の静止状態を提供しない。シャフトを取り囲むブラシのブリストルは、必然的にブラシリングシール装置をシャフト上に位置合わせする。加圧使用中、ブラシリングシールの背面と、それが当接する平坦面との間の摩擦は、ブラシリングシール装置の半径方向位置を固定する傾向がある。シャフトの小さな変位は、ブリストルの可撓性によって対応される。したがって、背面３１は、それに対して低い摩擦係数のコーティングを塗布されて、より多大なシャフト変位の間、ロータ９がブラシリングシール装置２１に接している場合、ブラシリングシール装置２１の半径方向の動作の制限を容易にする。減摩コーティングは、以下の、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、Ｊｅｔ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、又はモリブデン及びニッケル／クロムのうちいずれか一つにし得る。しかし、これは本発明を限定するものとして解釈されないため、シールされた流体パラメータ（たとえば、温度、圧力、腐食性）に依存して、任意の好適な減摩コーティングが利用されてもよいことが想定されている。コーティングは、接触しているブラシリングシール装置の制限された半径方向の動作を可能にし、より多大なシャフトの変位の間、ブリストルを永久的な破損から保護し、これによりブラシリングシール装置の寿命が延びてシーリング性を改善する。加えて、ブラシシールキャリア２５、２７は、金属材料、たとえば、限定はされないがグレード３０４ステンレス鋼、グレード４１０ステンレス鋼、又は１７〜１４ｐｈステンレス鋼から製造されてもよい。

ブラシリングシール装置２１は、第１の半部３９及び第２の半部４１に分けられたブラシシールをさらに含む。組み立てられると、第１の半部３９及び第２の半部４１は、ブラシシールキャリア２５、２７の内周溝３３の中に嵌合するようなサイズと形状にされた、実質的にリング形状の本体部を形成する。より具体的には、ブラシシールの第１の半部３９及び第２の半部４１は、保持器４２に結合されたブリストルストリップ４０をそれぞれ含む。ブリストルストリップ４０は、一つに溶接又は圧着された複数のブリストルから製造される。ブリストルは、Ｈａｙｎｅｓ２５から製造されてもよく、これは、コバルト、ニッケル、クロム、及びタングステンの合金である。しかし、これは、本発明を限定するとして解釈されるものではなく、ゆえに任意の好適な材料を用いてブリストルを製造してもよい。保持器４２は、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、組み立て中、ブラシシールキャリア２５、２７の内周溝３３の中を滑動するように構成される。ブラシシール３９、４１は、ロータ９とブラシシールキャリア２５、２７との間の半径方向の隙間をシールするように機能し、ブラシシールキャリア２５、２７はブラシシール３９、４１を支持して、パッキンボックス１１に対するフェースシールとしての役割を果たす。従来技術から周知のように、ブラシシールのブリストルは、シャフトが普通回転する外周方向に向かって延びる半径に対してわずかな角度でシャフトに近接する。理想的には、シールが加圧されていない間は、ブリストルの端とシャフトの面との間にはわずかな間隔がある。加圧下では、ブリストルが動いて、シャフトの面と接触する。

ブラシリングシール装置２１は、リング形状のガータスプリング４３をさらに含む。ガータスプリング４３は、ブラシシールキャリアの外周溝３５の中に装着され、いったんパッキンボックス１１内のロータ９の周囲に組み立てられると、ブラシシールキャリアの第１及び第２の半部及びブラシシール２５、２７、３９、及び４１を一緒に保持する。ブラシシールキャリアの第１の半部２５及び第２の半部２７が一緒に結合されると、その接合部に一対の軸方向スロット４５が形成される。図面では、これらの軸方向スロット４５は、ブラシシールキャリアの第２の半部２７に形成されて示されているが、これは本発明を限定するとして解釈されるものではなく、ゆえに軸方向スロット４５は、ブラシシールキャリアの第１の半部２５に形成されるか、又はブラシシールキャリアの第１の半部２５及び第２の半部２７の両方に形成されてもよい。

一対の支持タブ４７は、軸方向スロット４５の中に位置付けられる。支持タブ４７は、組み立て中にブラシリングシール装置２１をパッキンボックス１１の中で支持し、加圧されるまでその回転を防止する。加えて、支持タブ４７はそれぞれ孔４９を含む。ガータスプリング４３は、第１の端５１及び第２の端５３を含む。第１の端５１及び第２の端５３は、図３Ａに示されるようなフックをそれぞれ含む。組み立て中、第１の端５１は、支持タブ４７のうちの１つの孔４９を通過し、第２の端５３は他の支持タブ４７の孔４９を通過し、そしてガータスプリング４３の第１の端５１及び第２の端５３は、フックを用いて一緒に結合され、図４及び５に示されるように、外周溝３５の中に位置付けられたリング形状のガータスプリング４３を形成する。

図７及び８を参照し、図３Ａ、３Ｂ及び４〜６を続いて参照すると、動作中、ブラシリングシール装置２１は、ケーシング３の吸気端５とケーシング３の排気端７との間の、蒸気タービン１のケーシング３を通って延びる、ロータ９によって形成された環状の隙間をシールするように設計される。まず、ブラシシールキャリア及びブラシシールの第１及び第２の半部２５、２７、３９、及び４１は、パッキンボックス１１内のロータ９の周囲に位置付けられる。その後、ガータスプリング４３は、ブラシシールキャリア２５、２７の外周溝３５の中に装着されて、ブラシシールキャリア及びブラシシールの第１及び第２の半部２５、２７、３９、及び４１を一緒に保持する。加えて、支持タブ４７は、軸方向スロット４５の中に位置付けられて、加圧されるまでの組み立て中にブラシリングシール装置２１をパッキンボックス１１の中で支持する。

流体がケーシング３の中に流れ込み始めると、ブラシリングシール装置２１の両端に差圧が作り出され、これがブラシリングシール装置２１を高圧域から低圧域に向かって押す軸方向の力を作り出す。ブラシシールキャリア２５、２７の背面３１に減摩コーティングを塗布しないと、ロータ９をブラシシールキャリア２５、２７に接触させる場合、ブラシリングシール装置２１は、半径方向に動くための大きな力を必要とする。ブラシシールキャリア２５、２７の背面３に減摩コーティングを用いることにより、ロータ９がブラシリングシール装置２１を動かすためにブラシリングシール装置２１に加える必要がある力が著しく低減し、これにより、インパクトの間、ブラシリングシール装置２１及びロータ９により少ないダメージが生じる。

加えて、ブラシリングシール装置２１の主な利点は、脆弱なカーボンから作られていなことである。したがって、ブラシリングシール装置２１は、５００ｐｓｉに達する差圧に確実に耐えることができる。結果として、高いケーシング内圧に対してシールするために、より少ないブラシリングシール装置２１が必要とされる。図７及び８に示されるように、たくさんのカーボンシールよりはむしろ、各パッキンボックス１１に２つのみのブラシリングシール装置２１を必要とし得る。しかし、これは本発明を限定するとして解釈されるものではなく、ゆえに１つのブラシリングシール装置２１が利用されてもよい。

例証を目的とし、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに基づいて、本発明を詳細に説明してきたが、そのような詳細は、単にその目的のためであり、本発明は開示された実施形態に限定されず、それどころか修正及び均等な機構を網羅することが意図されていると理解されるものである。たとえば、本発明は、可能な範囲で、任意の実施形態の１以上の特徴が、任意の他の実施形態の１以上の特徴と組み合わせられることができることを検討していると理解されるものである。

Claims (20)

1. タービンのパッキンケースの中に設置するためのブラシリングシール装置であって、
   前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、
   前記ブラシシールキャリアの前記内周溝の中に装着されたブラシシールと、
   前記ブラシシールキャリアの前記外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングとを含み、
   前記ブラシシールキャリアの前記背面が、減摩コーティングで被覆され、これにより前記パッキンケースの中での前記ブラシリングシール装置の動作が可能になる
   ブラシリングシール装置。
2. 前記ブラシシールキャリア及びブラシシールが、それぞれ２つのハーフセグメントとして製造される、請求項１記載のブラシリングシール装置。
3. 前記リング形状のスプリングが、前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントを一緒に保持する、請求項２記載のブラシリングシール装置。
4. 前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントが、１つに結合されたときの接合部に一対の軸方向スロットを形成する、請求項２記載のブラシリングシール装置。
5. 前記２つのハーフセグメントの前記接合部に、前記軸方向スロットに位置付けられる支持タブをさらに含む、請求項４記載のブラシリングシール装置。
6. 前記減摩コーティングが、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、ＪＥＴ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、及びモリブデン・ニッケル／クロムのうち１つを含む、請求項１記載のブラシリングシール装置。
7. 前記ブラシシールキャリアが、金属から製造される、請求項１記載のブラシリングシール装置。
8. 吸気端及び排気端を有するケーシングと、
   前記吸気端及び前記排気端との間の前記ケーシングを通って延びるロータと、
   前記ケーシングの前記吸気端及び前記排気端で前記ロータを取り囲み、前記ケーシングの前記吸気端及び前記排気端を通って延びる前記ロータによって形成される環状の隙間のシーリングを提供するパッキンケースと、
   前記パッキンケースの中に設置され、少なくとも１つのブラシリングシール装置と、
   を含み、
   前記ブラシリングシール装置は、
   前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、
   前記ブラシシールキャリアの前記内周溝の中に装着されたブラシシールと、
   前記ブラシシールキャリアの前記外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングと
   を含み、
   前記ブラシシールキャリアの前記背面が、減摩コーティングで被覆され、これにより前記パッキンケースの中での前記ブラシリングシール装置の動作が可能になる、
   タービン。
9. 前記ブラシシールキャリア及びブラシシールが、それぞれ２つのハーフセグメントとして製造される、請求項８記載のタービン。
10. 前記リング形状のスプリングが、前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントを一緒に保持する、請求項９記載のタービン。
11. 前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントが、１つに結合されたときの接合部に一対の軸方向スロットを形成する、請求項９記載のタービン。
12. 前記２つのハーフセグメントの前記接合部に、前記軸方向スロットに位置付けられる支持タブをさらに含む、請求項１１記載のタービン。
13. 前記減摩コーティングが、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、ＪＥＴ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、及びモリブデン・ニッケル／クロムのうち１つを含む、請求項８記載のタービン。
14. 前記ブラシシールキャリアが、金属から製造される、請求項９記載のタービン。
15. ケーシングの吸気端と前記ケーシングの排気端との間の、タービンの前記ケーシングを通って延びるロータによって形成される環状の隙間をシーリングする方法であって、
    前記ケーシングの前記吸気端及び前記排気端で前記ロータを取り囲むようにパッキンケースを位置付ける工程と、
    少なくとも１つのブラシリングシール装置を設ける工程であって、
    前面、背面、内周溝及び外周溝を有して実質的にリング形状の本体部を有するブラシシールキャリアと、
    前記ブラシシールキャリアの前記内周溝の中に装着されたブラシシールと、
    前記ブラシシールキャリアの前記外周溝の中に装着されたリング形状のスプリングと
    を含むブラシリングシール装置を設ける工程と、
    前記環状の隙間をシールするために、前記パッキンケースの中に前記ブラシリングシール装置を設置する工程と
    を含み、
    前記ブラシシールキャリアの前記背面が、減摩コーティングで被覆され、これにより前記パッキンケースの中での前記ブラシリングシール装置の動作が可能になる
    方法。
16. 前記ブラシシールキャリア及びブラシシールが、それぞれ２つのハーフセグメントとして製造される、請求項１５記載の方法。
17. 前記リング形状のスプリングが、前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントを一緒に保持する、請求項１６記載の方法。
18. 前記ブラシシールキャリアの前記２つのハーフセグメントが、１つに結合されたときの接合部に一対の軸方向スロットを形成する、請求項１６記載の方法。
19. 支持タブが、前記２つのハーフセグメントの接合部の、前記軸方向スロットの中に位置付けられる、請求項１８記載の方法。
20. 前記減摩コーティングが、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、ＪＥＴ−ＨｏｔＰｉｓｔｏｎｃｌａｄ（登録商標）、及びモリブデン・ニッケル／クロムのうち１つを含む、請求項１５記載の方法。

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