JP2015094472A - セグメント化シールリングを使用して回転機械をシールするための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】大径回転シャフトを有する回転機械と共に使用するための流体力学的フェイスシールリングを提供する。【解決手段】回転機械（１０）と共に使用するための流体力学的フェイスシールリング（５６）は、少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）と、半径方向に延びる第１の面（１０４）とを有する支持リング（８４）を含む。支持リング（８４）は、回転機械（１０）の外側ケーシング（１６）の内面に解放可能に結合するように構成される。また、フェイスシールリング（５６）は、支持リング（８４）と略同心的なシールリング（９４）も含む。シールリング（９４）は、少なくとも２つのシールリングセグメント（９５）と、半径方向に延びる第２の面（１０６）とを含む。シールリング（９４）は、第１の面（１０４）が第２の面（１０６）に押し付いて合わされるように支持リング（８４）に解放可能に結合される。【選択図】図１

Description

本出願は、一般に回転機械に関し、特に、回転機械をシールするためのシステムおよび方法に関する。

蒸気タービンエンジンなどの少なくとも一部の回転機械は、それを貫いて延びる所定の流体流路を有する。流路は、連続流関係を成して、流体入口と、タービンと、流体出口とを含む。一部の回転機械は、回転機械の動作効率の向上を促進するために複数のシールアセンブリを流路内で使用する。一般に、既知のシールアセンブリは、高圧領域と低圧領域との間でシールをもたらすために固定構成要素と回転構成要素との間に結合される。幾つかの既知のシールアセンブリは、ラビリンス歯、ブラシシールなどの柔軟部材、および、流体力学的フェイスシールを含む。

少なくとも一部のブラシシールは、回転構成要素に隣接して位置付けられるとともに漏れの減少を促進するべく千鳥状配列を成して配置される耐密パッキンされた略円柱状の剛毛を含む。一般に、既知の剛毛は、定常状態動作中に耐密なクリアランスを維持しつつ剛毛が回転構成要素ロータ偏位中に移動できるようにする低い半径方向剛性を有する。しかしながら、一部の既知のブラシシールは、一般に、限られた圧力差がシールの両側に存在するときにだけ有効である。また、少なくとも一部のシールアセンブリは、回転構成要素へ向けて外側に延びる複数のラビリンス歯を含む。一部の回転機械の動作中、回転構成要素の回転により引き起こされる振動により、ラビリンス歯が回転構成要素と接触する場合がある。経時的に、ラビリンス歯が擦り減って、効果が低下する場合があり、それにより、回転機械の性能低下がもたらされる場合がある。

一部の既知の回転機械では、２つの構成要素間の隙間を通じた加圧流体の漏れの減少を促進するために流体力学的フェイスシールが使用される。流体力学的フェイスシールは、一般に、対を成して合わさる（回転）リングおよび（固定）リングを含む。動作中、回転リングの溝は、２つのリング間に小さい隙間が形成されるように固定リングを回転リングから上昇させるあるいは分離させる流体力学的な力を生み出す。シールガスが回転リングと固定リングとの間の隙間を介して流れる。しかしながら、２つのリング間に形成される隙間が小さいため、少なくとも一部の既知の流体力学的フェイスシールは単一の連続するリングとして形成され、そのため、シールリングの直径が制限され、したがって、シールリングの使用が制限される場合がある。単一の連続するリングのサイズが制限される主な理由は少なくとも２つある。１つの理由は、直径が１２インチを超えるリングでは所要のシール面平坦度を達成することが困難だからである。他の重大な理由は、シール面コーニングが、シール面にわたる温度勾配から直径の１／４乗をもって増大するからである。シール面コーニングは、流体力学的フェイスシールにおける１つの主要な破損形態である。また、大型の蒸気タービンおよびガスタービンの用途では、単一の連続するリング構成に伴う組み付けの問題が存在する。これは、そのような大型タービンが上側半体および下側半体を成して組み付けられるからである。したがって、大型の蒸気タービンおよびガスタービンでフェイスシールを使用するためには、シールリングのうちの１つが分割されなければならない。合わせリングをタービンシャフトと一体に形成できるため、シールリングが分割されることが好ましい。セグメント化シールリングの幾つかの利点は、シール面平坦度を容易に達成でき、また、シールリングフープ応力がセグメント接合部で断ち切られるため、温度勾配からのシール面コーニングがかなり排除されることを含む。しかしながら、固定リングが分割されて互いに結合される場合には、セグメント接合部上にわたって膜厚よりも大きい段差が存在する場合がある。これは、流体力学的フェイスシールが一般に約０．００２インチ以下のクリアランスで動作するからである。そのような制限は、少なくとも一部の既知の流体力学的フェイスシールを、大径回転シャフトを有する回転機械での使用に適さないようにする。

米国特許出願公開第２００５／０２４２５１５号明細書

１つの態様では、回転機械と共に使用するための流体力学的フェイスシールリングが提供される。フェイスシールリングは、少なくとも２つの支持リングセグメントと、半径方向に延びる第１の面とを備える支持リングを含む。支持リングは、回転機械の外側ケーシングの内面に解放可能に結合するように構成される。フェイスシールリングは、支持リングと略同心的なシールリングも含む。シールリングは、少なくとも２つのシールリングセグメントと、半径方向に延びる第２の面とを備える。シールリングは、第１の面が第２の面に押し付いて合わされるように支持リングに解放可能に結合される
他の態様では、回転機械が提供される。回転機械は、ケーシングと、中心線軸を有する回転可能シャフトとを備える。回転機械は、第１の一次シール面を有する第１のシールリングを含むシールシステムも備える。シールシステムは、第２の一次シール面を有する第２のシールリングを更に含む。第２のシールリングは、少なくとも２つの支持リングセグメントと、半径方向に延びる第１の面と備える支持リングを含む。支持リング層は、ケーシングの内面に解放可能に結合されるように構成される。第２のシールリングは、少なくとも２つのシールリングセグメントと、半径方向に延びる第２の面とを有するシールリングも含む。シールリング層は、第１の面が第２の面に押し付いて合わされるように支持リングに解放可能に結合するように構成される。シールシステムは、第２のシールリングに結合されて第２のシールリングと共に移動できるシールハウジングを更に含む。

更なる他の態様では、シールシステムを組み付ける方法が提供される。方法は、シールハウジングを回転機械のケーシングの内面に結合することを含む。また、方法は、支持リングをシールハウジングに解放可能に結合することも含み、この場合、支持リングは、それぞれの支持リング接合部で互いに結合される少なくとも２つの支持リングセグメントと、半径方向に延びる第１の面とを含む。更に、方法は、シールリングを支持リングに対して同心的に解放可能に結合することを含む。シールリングは、それぞれのシールリング接合部で互いに接合する少なくとも２つのシールリングセグメントと、半径方向に延びる第２の面とを含む。

典型的な蒸気タービンエンジンの概略図である。 図１において画定される領域に関してとられる図１の蒸気タービンエンジンの一部分の更に詳細な概略図である。 図１に示される蒸気タービンエンジンと共に使用される多層セグメント化流体力学的フェイスシールの概略断面図である。 図３のフェイスシールの固定シールリングアセンブリの概略斜視図である。 図４に示される固定シールリングアセンブリの接合部の別の実施形態の概略斜視図である。

本明細書中に記載される典型的なシステムおよび方法は、回転機械から外部環境へのプロセス流体漏れを伴って動作する場合がある回転機械と関連付けられる不都合の少なくとも一部を克服する。本明細書中に記載される実施形態は、回転機械からのプロセス流体漏れを大幅に減少させ、したがって、回転機械性能の向上を促進させるシールアセンブリを提供する。より具体的には、本明細書中に記載されるシールアセンブリは、蒸気タービンエンジンの回転可能シャフトなどの大径回転可能シャフトに容易に組み付けることができるあるいは大径回転可能シャフトから容易に取り外すことができる複数のシールセグメントを含む多層セグメント化流体力学的フェイスシールリングである。

図１は、典型的な蒸気タービンエンジン１０の概略図である。図１は典型的な蒸気タービンエンジンを描くが、本明細書中に記載されるシール装置、システム、および、方法が任意の１つの特定のタイプのタービンエンジンに限定されないことに留意すべきである。当業者であれば分かるように、本明細書中に記載されるこのシール装置、システム、および、方法は、そのような装置、システム、および、方法が本明細書中で更に説明されるように動作できるようにする任意の適した形態のガスタービンエンジンを含む任意の回転機械と共に使用されてもよい。

例示的な実施形態では、蒸気タービンエンジン１０が単流蒸気タービンエンジンである。あるいは、蒸気タービンエンジン１０は、制限なく、低圧タービン、対向流、高圧、および、中圧蒸気タービンの組み合わせ、複流蒸気タービンエンジン、および／または、同様のものなどの任意のタイプの蒸気タービンであってもよい。また、前述したように、本発明は、蒸気タービンエンジンで使用されることのみに制限されず、ガスタービンエンジンなどの他のタービンシステムで使用され得る。

例示的な実施形態では、蒸気タービンエンジン１０は、回転可能シャフト１４に結合される複数のタービン段１２を含む。ケーシング１６が上側半体部分１８と下側反対部分（図示せず）とに水平に分けられる。タービンエンジン１０は、高圧蒸気入口管路２０と低圧蒸気排出管路２２とを含む。シャフト１４は中心線軸２４に沿ってケーシング１６を貫通して延びる。シャフト１４は、ジャーナル軸受（図示せず）によってシャフト１４の両端部３０で支持される。シャフト１４周りでのケーシング１６のシールを促進するために、複数の端部パッキング領域またはシール部材３２、３４、３６が回転可能シャフト端部３０とケーシング１６との間に結合される。

動作中、ボイラまたは同様のものなどの蒸気源（図示せず）から高圧高温蒸気４０がタービン段１２へと導かれ、タービン段１２によって熱エネルギーが機械的な回転エネルギーへと変換される。より具体的には、蒸気４０は、蒸気入口管路２０を介してケーシング１６を通り抜けて入口ボウル２６へと導かれ、該入口ボウル２６において、蒸気４０は、シャフト１４に結合される複数のタービンブレードまたはバケット３８と衝突して、中心線軸２４周りでのシャフト１４の回転を引き起こす。蒸気４０は排出管路２２でケーシング１６から抜け出る。その後、蒸気４０は、再加熱ボイラ（図示せず）へと導かれてそこで再加熱されてもよく、あるいは、システムの他の構成要素、例えば低圧タービンセクションまたは凝縮器（図示せず）へと導かれてもよい。

図２は、図１において画定される領域２に関してとられる蒸気タービンエンジン１０の一部分の更に詳細な概略図である。図２に示される例示的な実施形態では、蒸気タービンエンジン１０は、シャフト１４と、ケーシング１６の内側シェル４４に結合されるステータ構成要素４２と、ステータ構成要素４２に取り付けられる複数のシール部材３４とを含む。ケーシング１６、内側シェル４４、および、ステータ構成要素４２はそれぞれ、シャフト１４およびシール部材３４の周りで周方向に延びる。例示的な実施形態では、シール部材３４は、ステータ構成要素４２とシャフト１４との間に曲がりくねったシール経路を形成する。シャフト１４は複数のタービン段１２を含み、高圧高温蒸気４０が１つ以上の入口ボウル２６を介してタービン段１２に通される。タービン段１２は複数のノズル４８を含む。蒸気タービンエンジン１０は、該蒸気タービンエンジン１０が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意の数の入口ノズル４８を含んでもよい。例えば、蒸気タービンエンジン１０は、図２に示されるよりも多いあるいは少ない入口ノズル４８を含んでもよい。また、タービン段１２は、複数のタービンブレードまたはバケット３８も含む。蒸気タービンエンジン１０は、該蒸気タービンエンジン１０が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意の数のバケット３８を含んでもよい。例えば、蒸気タービンエンジン１０は、図２に示されるよりも多いあるいは少ないバケット３８を含んでもよい。蒸気４０は、蒸気入口管路２０を通じて入口ボウル２６に入るとともに、タービン段１２を通じてシャフト１４の長さにわたって下行する。

流入した高圧高温蒸気４０の一部は、漏れ領域５０を介して端部パッキングシール部材３４を通過する。漏れ領域５０を通じた蒸気４０の損失は、蒸気タービンエンジン１０の効率の損失をもたらす。前述したように、例示的な実施形態では、端部パッキング領域３２を通じた蒸気４０の漏れを減らすために、蒸気タービンエンジン１０は、全体的に５２で示される固有の多層セグメント化流体力学的フェイスシールアセンブリを含む。

図３は、蒸気タービンエンジン１０（図１に示される）と共に使用されてもよい多層セグメント化流体力学的フェイスシール５２の概略断面図である。例示的な実施形態では、フェイスシール５２は、比較的高圧の領域と比較的低圧の領域との間で、加圧プロセス流体、例えば蒸気４０の漏れの減少または防止を促進する。例示的な実施形態では、フェイスシール５２は、タービン段１２の入口側１１でシャフト１４とケーシング１６の内側シェル４４との間に位置付けられる高圧シールである。前述したように、蒸気タービンエンジン１０が例示されるが、フェイスシール５２は、自動調整シールが望ましいあるいは必要とされる任意の用途で使用されてもよい。例示的な実施形態では、フェイスシール５２は、回転シールリング５４と、固定シールリングアセンブリ５６と、シャフト１４の中心線軸２４と同心的であるとともに中心線軸２４の周りで延びるシールハウジング５８とを含む。回転シールリング５４および固定シールリングアセンブリ５６は共に合わさって一次シール５５を形成する。

例示的な実施形態では、回転シールリング５４は、シャフト１４に結合されて、シャフトと共に回転できる。あるいは、回転シールリング５４がシャフト１４の一体部分として形成されてもよい。例示的な実施形態では、回転シールリング５４は、略ディスク形状を成しており、その内側に形成されるチャネルまたは溝６１を含む軸方向に面する第１の一次シール面６０を含む。チャネルまたは溝６１は、プロセス流体、例えば蒸気４０を回転シールリング５４と固定シールリングアセンブリ５６との間に方向付け、それにより、全体的に約０．００２インチ厚以下のプロセス流体膜を形成する。それに代えてあるいは加えて、チャネルまたは溝６１が固定シールリングアセンブリ５６の一次シール面７４に形成されてもよい。

シールハウジング５８は、固定シールリングアセンブリ５６をケーシング１６の内側シェル４４に結合する。シールハウジング５８は、シールリングアセンブリ５６がシールを与えつつ軸方向並進状態で回転シールリング５４に動的に追従するべく軸方向にスライドできるようにする半径方向二次シール８２を含む回転しない軸方向に延びる構成要素である。また、シールハウジング５８は１つ以上のスプリング座部６４も含む。シールハウジング５８は、固定シールリングアセンブリ５６の位置合わせスロット６８に結合される半径方向内側に延びる位置合わせ部材６６を含んでもよい。固定シールリングアセンブリ５６は、固定シールリングアセンブリ５６が中心線軸２４に沿って軸方向に移動できるとともに横方向にあるいは回転可能に移動できないようにシールハウジング５８に結合される。幾つかの実施形態では、シールハウジング５８がケーシング１６の内側シェル４４と一体化されてもよい。また、幾つかの別の実施形態では、固定シールリングアセンブリ５６が内側シェル４４またはステータ構成要素４２に直接に結合されてもよい。例示的な実施形態では、シールハウジング５８は、外径６２に沿って延びる構造的シール７６を伴って内側シェル４４に組み付けられる。構造的シール７６はシールハウジング５８の溝７８内に位置付けられる。例示的な実施形態では、構造的シール７６がＯリングである。あるいは、構造的シール７６は、フェイスシール５２が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意のタイプのシール、例えば、制限なく、Ｖ型またはＣ型の金属リングであってもよい。

スプリングなどの１つ以上の付勢構成要素７０がスプリング座部６４と固定シールリングアセンブリ５６の半径方向に延びる付勢リング７２との間で延びる。付勢構成要素７０は、回転可能シャフト１４が初期シール面接触を伴わずに回転し始めることができるように固定シールリングアセンブリ５６を第１のシール構成要素５４から離れるように付勢する。あるいは、付勢構成要素７０は、回転可能シャフト１４が初期シール面接触を伴って回転し始めるように固定シールリングアセンブリ５６を第１のシール構成要素５４へ向けて付勢するように構成されてもよい。

固定シールリングアセンブリ５６は、軸方向に面する第２の一次シール面７４を第２の一次リング９４上に規定する半径方向に延びる表面を有する。第２の一次シール面７４は、第１の一次シール面６０と対面合わせ関係を成して第１のシール構成要素５４に対向して位置付けられる。第１および第２の一次シール面６０、７４は、プロセス流体、例えば蒸気４０の流れのための回り道のあるいは曲がりくねった経路を形成する。固定シールリングアセンブリ５６は、第２の一次リング９４の背後に支持リング８４を有する。支持リング８４および第２の一次リング９４は、対面接触しており、回転防止機能、位置決め機能、および、取り付け機能を与える要素７７によって互いに結合される。第２の一次リング９４は少なくとも２つの部品へと分割される。支持リング８４も同様に分割できるが、支持リング８４のセグメント接合部は、第２の一次リング９４のセグメント接合部からオフセットされる。この２層固定シールリングアセンブリ５６は、第２の一次リング９４のセグメント接合部が支持リング８４上の連続的な表面に当接できるようにし、それにより、セグメント接合部上にわたって想定し得る段差を回避する。支持リング８４および第２の一次リング９４はいずれも、両側面における所定の平坦度要件（一般に０．００１インチ未満）を達成するべく二重にラップ仕上げされ得る。例示的な実施形態では、支持リング８４および付勢リング７２は、製造を容易にするために別個の部品である。あるいは、これらのリングは、セグメント化される一体部品として形成されてもよい。

例示的な実施形態では、固定シールリングアセンブリ５６とシールハウジング５８との間に二次シール８２が位置付けられる。例示的な実施形態では、二次シール８２がＯリングである。あるいは、二次シール８２は、例えばブラシシール、ピストンリング、または、テフロン（登録商標）リングなど、固定シールリングアセンブリ５６がシールハウジング５８に対して軸方向にスライドできるようにする任意のタイプのシールであってもよい。二次シール８２は、熱膨張に起因する回転シールリング５４の動き、逆推力、または、製造公差に起因するシール面揺動に追従するべく固定シールリングアセンブリ５６が軸方向に移動できるようにしつつ、固定シールリングアセンブリ５６およびシールハウジング５８を通じたプロセス流体の漏れを防止するために、シールハウジング５８の二次シール面８０に押し付いてシールをもたらす。例示的な実施形態では、二次シール８２は、付勢リング７２に形成される切り欠きあるいは溝８３内に位置付けられる。あるいは、二次シール８２は、シールハウジング５８上の溝（図示せず）内に位置付けられて、付勢リング７２上の対向孔（図示せず）に押し付いてシールをもたらしてもよい。

図４は固定シールリングアセンブリ５６の概略斜視図である。例示的な実施形態では、固定シールリングアセンブリ５６は、全体的に８５で示される少なくとも２つの分割された環形状リングから形成される多層セグメント化シールリングアセンブリである。例示的な実施形態では、固定シールリングアセンブリ５６は、接合部８９に沿って互いに接触する上側支持リング部材８６と下側支持リング部材８８とに分けられる支持リング８４を含む。あるいは、支持リング８４は、支持リング８４が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意の数の構成要素へと分けられてもよい。例示的な実施形態では、接合部８９が突き合わせ接合部である。あるいは、接合部８９は、支持リング８４が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意のタイプの接合部であってもよい。上側支持リング部材８６および下側支持リング部材８８はそれぞれ、シールハウジング５８のそれぞれの位置合わせ部材６６との位置合わせおよびスライド可能な結合を容易にする少なくとも１つの位置合わせスロット６８を含む。位置合わせスロット６８は、それぞれの支持リング部材８６および／または８８の外縁１１０の周囲にそれぞれの支持リング部材８６および／または８８を貫いて形成される。あるいは、上側支持リング部材８６および下側支持リング部材８８は、それぞれの支持リング部材８６および／または８８の外縁１１０の周囲で離間される任意の数の位置合わせスロット６８を含んでもよい。

上側支持リング部材８６および下側支持リング部材８８は、環形状リングを形成するために互いに解放可能に結合される。例示的な実施形態では、上側支持リング部材８６および下側支持リング部材８８は、機械的な締結具９０、例えばボルトなどのネジ付き締結具および／またはリベットなどのネジ無し締結具を使用して接合部８９に沿って互いに結合される。また、例示的な実施形態では、上側支持リング部材８６および下側支持リング部材８８は、ダボピンおよび／またはスプリングピンなどの位置合わせピン９２を使用して互いに結合される。位置合わせピン９２は、下側支持リング部材８８に対する上側支持リング部材８６の適切な位置合わせの確保を容易にする。

また、固定シールリングアセンブリ５６は、全体的に９５で示される少なくとも２つの別個の構成要素へと分けられるシールリング９４も含む。より具体的には、例示的な実施形態では、シールリング９４は、３つのほぼ同一の構成要素、すなわち、第１のシールリング部材９６、第２のシールリング部材９８、および、第３のシールリング部材１００へと分けられる。あるいは、シールリング９４は、シールリング９４が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意の数の構成要素へと分けられてもよい。各シールリング部材９６、９８、１００は、シールハウジング５８の位置合わせ部材６６と位置合わせする少なくとも１つの位置合わせスロット６８を含んでもよい。各位置合わせスロット６８は、そのそれぞれのシールリング部材９６、９８、１００の外縁１１２の周囲にそれぞれのシールリング部材９６、９８、１００を貫いて形成される。あるいは、シールリング部材９６、９８、および／または、１００が複数の位置合わせスロット６８を含んでもよい。別の実施形態では、位置合わせスロット６８が必要とされず、位置合わせスロット６８が図３に示される結合要素７７と置き換えられる。あるいは、様々なレベルの位置合わせを達成するために位置合わせスロット６８および結合要素７７の両方が使用されてもよい。

例示的な実施形態では、第１のシールリング部材９６、第２のシールリング部材９８、および、第３のシールリング部材１００は、それぞれの接合部１０２に沿って互いに結合される。接合部１０２は、それらが支持リング８４の接合部８９と重なり合わないように位置付けられる。例えば、例示的な実施形態では、接合部８９がほぼ３時の位置および９時の位置に位置付けられ、また、接合部１０２は、ほぼ１２時の位置、４時の位置、および、８時の位置に位置付けられる。したがって、組み付けられる際、セグメント接合部８９、１０２は互いに回転方向でオフセットされる。

接合部１０２は非締結接合部である。すなわち、シールリング部材９６、９８、および／または、１００は、接合部１０２が互いに対面接触状態で合わせられるが互いに機械的に締結されないように、それぞれの他のシールリング部材９６、９８、および／または、１００に隣接して位置付けられる。例示的な実施形態では、接合部１０２が突き合わせ接合部である。あるいは、図５に示されるように、接合部１０２は、シールリング部材９６、９８、および／または、１００の位置決めを助けて接合部１０２を横切る漏れを減少させるために、段付きの重なり合いを特徴としてもよい。各接合部１０２には２組の端面１１４、１１６が存在する。接合部１０２の閉塞時、端面組１１４は、端面組１１６が閉じる前に接触して閉じる。したがって、端面組１１６が高圧に晒され、その結果、端面組１１４に作用する接触圧が小さくなる。あるいは、接合部１０２は、舌−溝接合部など、シールリング９４が本明細書中に記載されるように動作できるようにする任意のタイプの接合部であってもよい。

図４に戻って参照すると、例示的な実施形態では、支持リング８４は、締結具９０および位置合わせピン９２を使用して互いに結合される。支持リング８４の前面１０４および後面１０８は、ラッピングマシンを使用して正確な所定の平坦度仕様に合わせてラップ仕上げされる。シールリング９４は、シールリング部材９６、９８、および／または、１００が互いに対して固定されるように組み付けられて取り付けられる。シールリング９４の後面１０６と前面または第２の一次シール面７４とがラッピングマシンを使用して正確な所定の平坦度仕様に合わせてラップ仕上げされる。支持リング８４は、締結具９０および位置合わせピン９２を使用して互いに結合される。シールリング９４は、前面１０４および後面１０６が対面接触状態で合わせられるように支持リング８４に組み付けられて固定され、それにより、固定シールリングアセンブリ５６が形成される。セグメント接合部８９、１０２は互いに回転方向でオフセットされ、また、シールリング９４の前面または第２の一次シール面７４と支持リング８４の後面１０８とがラッピングマシンを使用して正確な所定の平坦度仕様に合わせてラップ仕上げされる。例示的な実施形態では、支持リング８４およびシールリング９４は、蒸気タービンエンジン１０内にフェイスシール５２を組み付けるときに同じ順序で組み付けられる。この場合、支持リング８４およびシールリング９４は、合わせ対面接触状態で互いに解放可能に結合されて、シールハウジング５８により所定の位置に保持される。前および後という用語は、相対位置関係を示すために便宜上使用される。

動作中、例示的な実施形態では、フェイスシール５２は、蒸気タービンエンジン１０内のプロセス流体または蒸気４０の漏れの減少を促進する。また、典型的なフェイスシール５２は、蒸気タービンエンジン１０において見出されるような大径シャフトに対する大径フェイスシールリングの組み付けおよびメンテナンスも容易にする。１つの実施形態では、シャフト１４の取り付け前にシールハウジング５８の一部がケーシング１６の下側半体部分に結合されてもよい。シャフト１４はケーシング１６の下側半体部分に組み込まれる。その後、支持リング８４をシャフト１４の周囲に組み付けることができる。更に、その後、シールリング９４を支持リング８４に対面接触状態で合わせてシャフト１４の周囲に組み付けることができる。前述したように、支持リング８４およびシールリング９４は、それらが平坦にラップ仕上げされた順序と同じ順序で組み付けられる。

例示的な実施形態では、高圧高温蒸気４０の一部は、図２に示されるように、漏れ領域５０を介して端部パッキングシール部材３４を通過する。高圧蒸気４０は、フェイスシール５２と接触するとともに、付勢力がシールリングアセンブリ５６を引き戻すように構成される場合には付勢構成要素７０に打ち勝つのに十分な力を与え、それにより、固定シールリングアセンブリ５６を回転シールリング５４へ向けて移動させる。固定シールリングアセンブリ５６と回転シールリング５４とが互いに近づくにつれて、回転シールリング５４の溝６１は、蒸気４０の一部を捕捉し、その蒸気を固定シールリングアセンブリ５６と回転シールリング５４との間に押し進める。この場合、回転シールリング５４の回転速度および固定シールリングアセンブリ５６と回転シールリング５４との間の距離に基づいて、蒸気の圧力が増大する。固定シールリングアセンブリ５６と回転シールリング５４との間の隙間が減少するにつれて、固定シールリングアセンブリ５６と回転シールリング５４との間の蒸気４０の圧力は、漏れ領域５０内の高圧蒸気４０と付勢構成要素７０とが固定シールリングアセンブリ５６に対して及ぼしている閉塞力に等しくなるまで増大する。フェイスシール５２は約０．００２インチ以下の隙間で動作するようになっており、それにより、プロセス流体または蒸気４０の漏れの大幅な減少が促進される。既に説明したように、セグメント化固定シールリングアセンブリ５６は、蒸気タービンエンジン１０で使用されるシールリングアセンブリ５６の組み付けおよびメンテナンスを容易にする。

本明細書中に記載されるシステムおよび方法は、プロセス流体漏れを大幅に減少させるシールアセンブリを回転機械内に設けることにより、回転機械性能の向上を促進する。具体的には、複数のシールセグメントを含む多層セグメント化流体力学的フェイスシールリングが記載される。前述した方法で構成されるフェイスシールは、所要の表面平坦度を達成できるとともに、蒸気タービンエンジンの回転可能シャフトなどの大径回転可能シャフトにセグメント状態で取り付けることができるあるいはシャフトからセグメント状態で取り外すことができる。したがって、一部品として形成される既知の流体力学的フェイスシールリングとは対照的に、本明細書中に記載される装置、システム、および、方法は、大径フェイスシールリングの組み付けおよびメンテナンスを容易にするとともに、回転機械からのプロセス流体漏れの減少を促進する。

本明細書中に記載される方法およびシステムは、本明細書中に記載される特定の実施形態に限定されない。例えば、各システムの構成要素および／または各方法のステップは、本明細書中に記載される他の構成要素および／またはステップとは別個に独立に使用されかつ／あるいは実施されてもよい。また、各構成要素および／またはステップは、他のアセンブリおよび方法と共に使用され、かつ／あるいは実施されてもよい。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明は、特許請求項の思想および範囲内で変更を伴って実施され得る。

１０ 蒸気タービンエンジン
１１ 入口側
１２ タービン段
１４ 回転可能シャフト
１６ ケーシング
１８ 上側半体部分
２０ 高圧蒸気入口管路、蒸気入口管路
２２ 低圧蒸気排出管路、蒸気排出管路
２４ 中心線軸
２６ 入口ボウル
３０ 回転可能シャフト端部
３２ 複数の端部パッキング領域または複数のシール部材
３４ 複数の端部パッキング領域または複数のシール部材
３６ 複数の端部パッキング領域または複数のシール部材
３８ タービンブレードまたはバケット
４０ 蒸気
４２ ステータ構成要素
４４ 内側シェル
４８ ノズル、入口ノズル
５０ 漏れ領域
５２ 多層セグメント化流体力学的フェイスシール、フェイスシール
５４ 回転シールリング、第１のシール構成要素
５５ 一次シール
５６ 固定シールリングアセンブリ
５８ シールハウジング
６０ 第１の一次シール面
６１ チャネルまたは溝
６２ 外径
６４ スプリング座部
６６ 位置合わせ部材
６８ 位置合わせスロット
７０ 付勢構成要素
７２ 付勢リング
７４ 第２の一次シール面
７６ 構造的シール
７７ 結合要素
７８ 溝
８０ 二次シール面
８２ 二次シール
８３ 溝
８４ 支持リング
８５ ２つの分割された環形状リング
８６ 上側支持リング部材
８８ 下側支持リング部材
８９ 接合部
９０ 締結具
９２ 位置合わせピン
９４ シールリング、第２の一次リング
９５ 少なくとも２つの別個の構成要素
９６ 第１のシールリング部材
９８ 第２のシールリング部材
１００ 第３のシールリング部材
１０２ 接合部
１０４ 前面
１０６ 後面
１０８ 後面
１１０ 外縁
１１２ 外縁
１１４ 端面
１１６ 端面

Claims (10)

1. 回転機械（１０）と共に使用するための流体力学的フェイスシールリング（５６）であって、
   少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）と、半径方向に延びる第１の面（１０４）とを備える支持リング（８４）であって、支持リング（８４）が回転機械（１０）の外側ケーシング（１６）の内面に解放可能に結合するように構成される、支持リング（８４）と、
   支持リング（８４）と略同心的なシールリング（９４）であって、シールリング（９４）は、少なくとも２つのシールリングセグメント（９５）と、半径方向に延びる第２の面（１０６）とを備え、シールリング（９４）は、第１の面（１０４）が第２の面（１０６）に押し付いて合わされるように支持リング（８４）に解放可能に結合される、シールリング（９４）と、
   を備える流体力学的フェイスシールリング（５６）。
2. 少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）がそれぞれの支持リング接合部（８９）で互いに接合し、少なくとも２つのシールリングセグメント（９５）がそれぞれのシールリング接合部（１０２）で互いに接合し、それぞれのシールリング接合部（１０２）およびそれぞれの支持リング接合部（８９）は、フェイスシールリング（５６）により規定される中心線軸（２４）の周りで互いに回転方向にオフセットされる請求項１記載のフェイスシールリング（５６）。
3. 支持リング（８４）は、少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）を互いに解放可能に結合するように構成される少なくとも１つの機械的な締結具（９０）を更に備える請求項１記載のフェイスシールリング（５６）。
4. 支持リング（８４）は、少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）を互いに位置合わせするように構成される少なくとも１つの位置合わせピン（９２）を更に備える請求項１記載のフェイスシールリング（５６）。
5. 少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）のそれぞれは、それを貫いて画定される少なくとも１つの位置合わせスロット（６８）を備え、少なくとも１つの位置合わせスロット（６８）は、シールハウジング（５８）のそれぞれの位置合わせ部材（６６）にスライド可能に結合するように構成される請求項１記載のフェイスシールリング（５６）。
6. 少なくとも２つのシールリングセグメント（９５）のそれぞれは、それを貫いて画定される少なくとも１つの位置合わせスロット（６８）を備え、少なくとも１つの位置合わせスロット（６８）は、シールハウジング（５８）のそれぞれの位置合わせ部材（６６）にスライド可能に結合するように構成される請求項１記載のフェイスシールリング（５６）。
7. ケーシング（１６）と、
   中心線軸（２４）を有する回転可能シャフト（１４）と、
   シールシステム（５２）と、
   を備え、
   シールシステム（５２）は、
   第１の一次シール面（６０）を備える第１のシールリング（５４）と、
   第２の一次シール面（７４）を備える第２のシールリング（５６）と、
   を備え、
   第２のシールリング（５６）は、
   少なくとも２つの支持リングセグメント（８６、８８）と、半径方向に延びる第１の面（１０４）と備える支持リング（８４）であって、支持リング（８４）がケーシング（１６）の内面に解放可能に結合されるように構成される、支持リング（８４）と、
   少なくとも２つのシールリングセグメント（９５）と、半径方向に延びる第２の面（１０６）とを備えるシールリング（９４）であって、シールリング（９４）は、第１の面（１０４）が第２の面（１０６）に押し付いて合わされるように支持リング（８４）に解放可能に結合される、シールリング（９４）と、
   第２のシールリング（５６）に結合されて第２のシールリング（５６）と共に移動できるシールハウジング（５８）と、
   を備える、回転機械（１０）。
8. シールシステム（５２）は、第２のシールリング（５６）に結合される付勢リング（７２）を更に備える請求項７記載の回転機械（１０）。
9. シールシステム（５２）は、シールハウジング（５８）と第２のシールリング（５６）との間に結合される付勢構成要素（７０）を更に備える請求項７記載の回転機械（１０）。
10. 付勢構成要素（７０）は、第２のシールリング（５６）を第１のシールリング（５４）から離れるように回転可能シャフト（１４）の中心線軸（２４）に沿って軸方向に付勢するべく構成される請求項９記載の回転機械（１０）。