JP2015110947A - ターボ機械用途のｌ型ブラシシール - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のステータ及びロータ部品間の限定的スペースに設置することができるブラシシール構成を提供する。【解決手段】ターボ機械における半径方向に対向する回転部品と固定部品の間のシール装置は、第１の回転部品と、第２の固定部品と、これらの間に半径方向に位置付けられたブラシシールと、を含む。ブラシシールは、第２の固定部品に固定される軸方向に延びる部分と、第１の部品と第２の部品の間のギャップにわたって延びる内向きに延びる部分とを有する。第２の固定部品の内側リング部分は、ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及び内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にあり、内向きに延びる部分から遠隔にあるブラシシールの軸方向に延びる部分の端部が、第２の固定部品の内側リング部分と外側リング部分との間に取り付けられたサイドレールのペア間に挟装される。【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に、ターボ機械で利用されるシールに関し、より具体的には、例えば、蒸気タービンにおける段間の根元及び先端シール位置にて使用されるブラシシールに関する。

ブラシシールは、種々のターボ機械用途で回転部品と固定部品との間の漏洩流を阻止又は最小限にするために使用される場合が多いが、スペース上の制約、シール剛性、及びロータ安定性に起因して多くの位置では用いることができず、このような位置では、摩耗性（アブレイダブル）シール又はラビリンスシールを有する従来のＪシールが利用される。しかしながら、ブラシシールは、シールを越える漏洩流を低減することができる点で有効である。従って、例えば、ターボ機械のステータ部品とロータ部品の間の限定されたスペースにおいて設置することができるブラシシール構成を提供することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１２００１９５７４号明細書

非限定的で例示的な１つの実施形態において、本発明は、ターボ機械における半径方向に対向する回転部品と固定部品の間のシール装置を提供し、該シール装置は、第１の回転部品と、第２の固定部品と、第１の回転部品と第２の固定部品との間に半径方向に位置付けられたブラシシールと、を備え、該ブラシシールが、第２の固定部品に固定される軸方向に延びる部分と第１の部品と第２の部品の間のギャップにわたって延びる内向きに延びる部分とを有し、第２の固定部品の内側リング部分が、ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及び半径方向に延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある。

非限定的で別の例示的な実施形態において、本発明は、ターボ機械における半径方向に対向する回転部品と固定部品の間のシール装置を提供し、該シール装置は、第１の回転部品と、第２の固定部品と、第１の回転部品と第２の固定部品との間に半径方向に位置付けられたブラシシールと、を備え、ブラシシールが、第２の固定部品に固定される軸方向に延びる部分と第１の部品と第２の部品の間のギャップにわたって延びる内向きに延びる部分とを有し、シール装置が更に、ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及び内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある内側リングと、を備え、内向きに延びる部分から遠隔にあるブラシシールの軸方向に延びる部分の端部がサイドレールのペア間に挟装され、サイドレールのペアが、ブラシシールの軸方向に延びる部分と第２の固定部品の外側リングとの間に軸方向に延びる半径方向ギャップを残して、内側リングと外側リングとの間に保持され、外側リングが、固定タービンノズルの内側カバー内に形成された相補的スロット内に受けられるよう適合されたフックフランジを備える。

非限定的で更に別の例示的な実施形態において、本発明は、ステータに取り付けられた固定ノズルにより分離され、ロータに取り付けられるバケットの軸方向に離間した列と、ロータとステータとの間に配列され、ステータに固定された軸方向に延びる部分とステータ及びロータ間のギャップにわたって延びる実質的に半径方向内向きに延びる部分とを有する少なくとも１つのブラシシールと、ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及びブラシシールの実質的に半径方向内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある第１のリング部分と、を有する流路を備えたターボ機械を提供する。

公知の蒸気タービン流路の一部の概略図。 本発明の非限定的で例示的な実施形態による、シールを利用した蒸気タービンの流路の部分断面図。 図２に示すシール装置の変形形態の拡大詳細図。 本発明の非限定的で例示的な別の実施形態による、シールを利用した蒸気タービンの流路の部分断面図。

図１は、ロータ１２と、ステータ１４と、ロータ１２にそれぞれ固定されたバケット１６、１８、及び２０の軸方向に離間した列で表される複数のタービン段とを含む、従来の蒸気タービン１０の蒸気流路を示している。タービン段は、軸方向に離間した固定ノズル２２、２４、及び２６それぞれにより分離される。高圧の蒸気が入口２８を介して流路に入り、従って、蒸気は、図１で見たときに右から左へ流れる。

典型的には、シールは、流路に沿った固定及び回転部品間の種々の位置にて利用される。例えば、複数の先端シール３０は、バケット１６、１８、及び２０の半径方向外側先端シュラウドに、或いは、先端シュラウドと相互接続するよう隣接するステータ上に装着される。別の位置において、複数の根元シール３２は、ノズル２２、２４、及び２６の内側端部に半径方向に隣接してロータ１２上に装着される。根元シール３２は、図示のように「Ｊシール」と呼ばれることがあり、作動中に周知の方法で隣接するノズル表面上で摩耗性材料の対向するストリップ又はプレートを係合するよう設計されている。先端シール３０は、Ｊシール又は従来のラビリンスシールとすることができる。何れの場合においても、図１で参照されるシール位置はまた、以下で説明されるようなブラシシールを利用することができる位置でもある。

図２は、本発明の非限定的で例示的な第１の実施形態による、ブラシシール構成を示している。具体的には、ブラシシール組立体３４は、ロータホイール４４、４６それぞれ上のバケット４０、４２の列間に位置する固定ノズル３８の内側カバー３６に組み込まれる。

ブラシシール組立体３４は、一般に、内側リング４８、外側リング５０、及びこれらの間に挟まれた根元Ｌ型ブラシシール５２を含む。外側リング（又はフック）５０は、内側カバー３６内に形成された相補的スロット５４内に受けられる。内側及び外側リング（ブラシシールを含む）は、１８０度上側及び下側ハーフセクションを形成して、タービンケースと共に設置されたときにロータ１２を囲む３６０度リング構造を形成する１又はそれ以上の弓形セグメントから構成される点は、理解されるであろう。

内側リング４８は、実質的に平坦で（軸方向で）且つロータの平坦な（同様に軸方向で）面５８に対面する内側表面５６と共に形成される。内側表面５６は、ブラシシールの下流側に位置し、ブラシシール５２により提供されるシールを補う任意選択のシール歯６０を備える（又は共に形成される）ことができる。内側リング４８はまた、内向きの支持先端６２を備え（又は共に形成され）、その内側縁部６４は、熱膨張、振動、その他に起因したロータの何らかの半径方向外向きの変位に対するストップ端を提供する。

内側リングの外側表面６６はまた、ブラシシール５２のブリストルパック７２の一端が間に固定されるプレート６８、７０のペアのうちの１つ（７０）を収容した状態で、軸方向で実質的に平坦である。他方のプレート６８は、ブリストルパック７２と外側リング５０との間で半径方向に位置付けられる。組立体は、例えば、電子ビーム（ＥＢ）溶接部７４、７６により取り付けられ、該溶接部は、プレート６８、７０間にブリストルパックの一方端を固定し、また、内側リング４８を外側リング４６に（プレート６８、７０及びブリストルパック７２を貫通して）それぞれ固定する。或いは、外側リング５０及びプレート６８は、一体部材であってもよい。同様に、内側リング４８及びプレート７０は、一体化された部品として設けられてもよい。

ブリストルパック７２は、内側リングの外側表面６６に沿って軸方向に延びて、外側表面６６により支持される。プレート６８、７０から遠隔にあるブリストルパックの端部では、ブリストルパック７２は、実質的に９０度の角度で曲げられて、ロータの表面５８に向かって内向きに延びる。軸方向及び半径方向に延びる部分は、円周方向部品を有することができる。ブリストルパック７２と内側カバー３６との間の軸方向に延びる半径方向スペース７８（プレート６９の厚さによって実質的に定められる）は、以下で更に説明するようにブリストルパックの撓みのための十分な余地を提供することが分かるであろう。ブリストルパック７２の内向きに延びる部分７３は、ロータ表面５８（ロータ軸線に実質的に平行である）まで実質的に半径方向に（すなわち垂直に）延びるように図示されている点は理解されるであろう。

外側リング又はフック５０は、狭窄した半径方向ネック部８０と、軸方向に延びたフック部８２とを含み、該フック部８２は、ノズル３８の内側カバー３６内に設けられる対応した形状のスロット５４内にシール組立体を保持する。

内側カバー３６の上流側端部では、前方プレート８４は、ロータに向かって半径方向内向きに延びるが、支持先端６２の半径方向全範囲までは延びておらず、従って、前方プレート８４が何らかの作動条件下でロータによって確実に係合されないようにする。前方プレート８４は、ノズル３８とバケット４０の列との間の流路の当該部分における高圧蒸気からブリストルパック７２の上流側面を保護するが、ブリストルパック７２の撓みに対応するのに十分な軸方向クリアランスをもたらす。

ブラシシール組立体の２つの１８０度半部分は、設置時に完全な円筒体（内側カバー３６によって形成される）に円弧状に結合されるので、外側リング６０は、半径方向外向き方向に付勢され、外側リング５０のフック部分の表面８６は、スロット５４の対向する表面８８を係合しない。同時に、板バネ又は他の好適なバネ９０は、スロット５４内で円周方向に延びて、スロットの外側表面９２と外側リング５０の外側表面９４との間に係合される。バネ９０は、圧力荷重と共に半径方向内向き方向でシール組立体を付勢し、従って、ブラシシール組立体は、円弧状に結合された状態になり、半径方向にシールするためにノズル内側カバー３６には依存しない。従って、シールは、半径方向で自己支持されており、表面８６と８８との間にクリアランスが維持されてスロット５４内に平衡状態になる。よって、板バネ９０がリングの周囲の周りの種々の位置にて外側リングを係合するが、作動中にシール組立体３４をスロット５４内で効果的に「浮遊」させることにより、全体の摩擦力が低減される。板バネはまた、ブラシシール組立体を通じて吸収されたロータ振動を減衰させる。

外側リング５０の下流側では、軸方向に突出する表面９６は、タービンの作動中にスロット５４の接面９８と係合する。換言すると、外側リング５０とスロット５４との間のクリアランスにより、図２で見たときに右から左に流れる蒸気によって加えられる圧力を受けて、シール組立体をスロット内で軸方向に移動させることができ、従って、表面９６、９８の接合部にて第２のシールを生成する。

シールは、ブリストルパックとロータ４４との間にコールドギャップを有するように組み立てることができる。作動中、タービンが通常作動状態に達すると、コールドギャップは減少し、ブリストルパック７２は、ロータの膨張及び圧力によるブリストルのブローダウンに起因してロータと係合する。上述の構成を考慮すると、ブリストルパックは、リップ６２から離れ、及び圧力荷重が喪失すると内側リング４８の表面６６から離れて自由に撓むことができる。

図３に示す代替の構成において、外側リング５０の前方プレート１８４は、図２に示すような半径方向ではなく軸方向にのみ延びているが、それでも尚、高圧蒸気の衝突からブリストルパック７２の遠位端部を保護している。或いは、シール組立体の構成は、図２に示す構成と実質的に同じである。

図４に移ると、本発明による追加の例示的なブラシシール組立体が示される。ブラシシール組立体１００、１０２は、実質的に上述の通りであるが、ロータ１０とノズル１０８の内側カバー１０６との間、及び固定外側バンド１１０とバケット先端シュラウド１１２との間にそれぞれ位置付けられている。

図２に示すブラシシール組立体とは異なり、ブラシシール組立体１００は、内側カバー１０６内に直接組み込まれる。具体的には、内側及び外側リング部分１１４、１１６は、カバー１０６と一体化されているが、ブラシシールは、上述とほぼ同じ方法でサイドレール１１８、１２０を介して内側及び外側リング部分間に固定される。従って、ブリストルパック１２２の一端は、溶接又は他の好適な手段を介してサイドレール間に挟まれ、サイドレールは、締まり嵌め又は他の好適な手段を介して内側及び外側リング部分１１４、１１６間に取り付けられ、図２のスペース７８と同様の軸方向に延びる半径方向スペース１２４を生成する。内側リング部分１１４上の支持先端１２６が設けられ、支持先端６２と構造及び機能は同様である。前述の実施形態と同様に、スペース１２４は、ロータにより係合されたときに撓むのに十分なクリアランスをブリストルパック１２２に提供する。また、この構成において、前方プレート１２８は、図３の前方プレート１８４と同様である点に留意されたい。図４はまた、ロータ１０４からブラシシールブリストルパック１２２の下流側にある、半径方向外向きに延びた任意選択のＪシール１２８を示している。

ブラシシール１０２は、同様に構成され、ブリストルパック１３０は、固定ステータ１３６の内側及び外側リング部分１３２、１３４間に支持されている。換言すると、ブリストルパック１３０は、溝１３８内に支持されて、サイドレール１４０、１４２間に挟装され、該サイドレール１４０、１４２は、溝又はスロット１３８を定める対向する表面に溶接される。この事例では、ブリストルパック１３０はまた、バケット先端シュラウド１１２の上流側シール部分１４４及びステータ１３６の対向するシール面１４６によって保護される点に留意されたい。

図４に示す両方のシール構成において、ブラシシールは、図２の「浮遊」構成とは異なり、ノズル内側カバー１０６及びステータ１３６に実質的に堅固に固定される。それでも尚、ブリストルパックの撓み動作及びブリストルパックに対する保護機能は、全ての事例において同様である。

本明細書で記載される例示的な実施形態において、ブラシシール組立体は、ターボ機械の固定（すなわちステータ）部品に固定されるが、回転（すなわちロータ）部品上にも設置することができることは理解されるであろう。

加えて、ブラシシールのブリストルパックは、実質的に半径方向に配向され、又は円周方向（すなわち、ロータの回転方向）に角度を付けることができることは理解されるであろう。全ての事例において、ブラシシールは、熱、振動、又は他の条件に起因するロータの半径方向の膨張に対応し、ロータとの接触によって生じる熱を発散させる傾向がある。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ 蒸気タービン
１２，１０４ ロータ
１４，１３６ ステータ
１６，１８，２０，４０，４２ バケット
２２，２４，２６，３８ 固定ノズル
２８ 入口
３０ 先端シール
３２ 根元シール（又はＪシール）
３４ ブラシシール組立体
３６ 内側カバー
４４，４６ ロータホイール
４８ 内側リング
５０ 外側リング
５２ 根元Ｌ型ブラシシール
５４ スロット
５６ 内側表面
５８ 平坦な面
６０ シール歯
６２ 支持先端
６４ 内側縁部
６６ 外側表面
６８，７０ プレート
７２ ブリストルパック
７３ 内向きに延びる部分
７４，７６ 溶接部
７８ 半径方向スペース
８０ ネック部
８２ フック部
８４，１８４ 前方プレート
８６ 表面
８８ 対向する表面
９０ バネ
９２，９４ 外側表面
９６ 軸方向に突出する表面
９８ 接面
１００，１０２ ブラシシール組立体
１０６ 内側カバー
１０８ ノズル
１１０ 外側バンド
１１２ バケット先端シュラウド
１１４，１１６ 内側及び外側リング部分
１１８，１２０，１４０，１４２ サイドレール
１２２，１３０ ブリストルパック
１２４ 半径方向スペース
１２８ Ｊシール
１３６ ステータ
１４４ 上流側シール
１４６ 対向するシール面

Claims (20)

1. ターボ機械における半径方向に対向する回転部品と固定部品の間のシール装置であって、
   第１の回転部品と、
   第２の固定部品と、
   第１の回転部品と第２の固定部品との間に半径方向に位置付けられたブラシシールと、
   を備え、ブラシシールが、第２の固定部品に固定される軸方向に延びる部分と第１の部品と第２の部品の間のギャップにわたって延びる内向きに延びる部分とを有し、第２の固定部品の内側リング部分が、ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及び内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある、シール装置。
2. 内向きに延びる部分から遠隔にあるブラシシールの軸方向に延びる部分の端部が、サイドレールのペア間に挟装される、請求項１に記載のシール装置。
3. サイドレールのペアが、ブラシシールの軸方向に延びる部分と第２の固定部品の外側リング部分との間に軸方向に延びる半径方向ギャップを残して、第２の固定部品の内側リング部分と外側リング部分との間に保持される、請求項２に記載のシール装置。
4. 外側リング部分が、ブラシシールの内向きに延びる部分から軸方向に離間して配置された半径方向内向きに配向された前方プレートを備える、請求項３に記載のシール装置。
5. 内側リング部分が、ブラシシールの下流側にシール歯を備える、請求項１に記載のシール装置。
6. 外側リング部分が、固定タービンノズルの内側カバー内に形成された相補的スロット内に受けられるよう適合されたフックフランジを備える、請求項３に記載のシール装置。
7. 外側リング部分の半径方向外側表面と相補的スロットの内向きに面する壁との間で半径方向にバネが位置付けられる、請求項６に記載のシール装置。
8. 内側リング部分が、サイドレール及びブラシシールを貫通して外側リング部分に取り付けられる、請求項３に記載のシール装置。
9. 内側リング部分が、該内側リング部分を貫通して、ブラシシール及び外側リング部分に延びる溶接部を用いて外側リング部分に取り付けられる、請求項８に記載のシール装置。
10. 外側リング部分が、ブラシシールの内向きに延びる部分を超えて軸方向に延びるプレート部分を備える、請求項３に記載のシール装置。
11. 第２の固定部品が、タービンノズルの内側カバーを含み、内側リング部分及び外側リング部分が内側カバーの一体部材であり、第１の回転部品がタービンロータを含む、請求項３に記載のシール装置。
12. 第１の回転部品が、タービンバケット先端シュラウドを含み、第２の固定部品が、先端シュラウドに対向するステータ面を含む、請求項１に記載のシール装置。
13. ターボ機械における半径方向に対向する回転部品と固定部品の間のシール装置であって、
    第１の回転部品と、
    第２の固定部品と、
    第１の回転部品と第２の固定部品との間に半径方向に位置付けられたブラシシールと、
    を備え、ブラシシールが、第２の固定部品に固定される軸方向に延びる部分と第１の部品と第２の部品の間のギャップにわたって延びる内向きに延びる部分とを有し、
    シール装置が更に、
    ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及び内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある内側リングと、
    を備え、内向きに延びる部分から遠隔にあるブラシシールの軸方向に延びる部分の端部がサイドレールのペア間に挟装され、サイドレールのペアが、ブラシシールの軸方向に延びる部分と第２の固定部品の外側リングとの間に軸方向に延びる半径方向ギャップを残して、内側リングと外側リングとの間に保持され、外側リングが、固定タービンノズルの内側カバー内に形成された相補的スロット内に受けられるよう適合されたフックフランジを備える、シール装置。
14. 外側リングが、ブラシシールの内向きに延びる部分から軸方向に離間して配置された半径方向内向きに配向された前方プレートを備える、請求項１３に記載のシール装置。
15. 内側リングが、サイドレール及びブラシシールを貫通して外側リングに取り付けられる、請求項１３に記載のシール装置。
16. 内側リングが、該内側リングを貫通して、ブラシシール及び外側リングに延びる溶接部を用いて外側リングに取り付けられる、請求項１５に記載のシール装置。
17. ステータに取り付けられた固定ノズルにより分離され、ロータに取り付けられるバケットの軸方向に離間した列と、
    ロータとステータとの間に配列され、ステータに固定された軸方向に延びる部分とステータ及びロータ間のギャップにわたって延びる実質的に半径方向内向きに延びる部分とを有する少なくとも１つのブラシシールと、
    ブラシシールの半径方向内向きに位置し、ブラシシールの軸方向に延びる部分及びブラシシールの実質的に半径方向内向きに延びる部分の少なくとも一部と係合状態にある第１のリング部分と、
    を有する流路を備えたターボ機械。
18. 実質的に半径方向内向きに延びる部分から遠隔にあるブラシシールの軸方向に延びる部分の端部が、サイドレールのペア間に挟装される、請求項１７に記載のターボ機械。
19. サイドレールのペアが、ブラシシールの軸方向に延びる部分と外側リング部分との間に軸方向に延びる半径方向ギャップを残して、第１のリング部分と第２のリング部分との間に保持される、請求項１８に記載のターボ機械。
20. 外側リング部分が、ステータに固定される固定タービンノズルの内側カバー内に形成された相補的スロット内に受けられるよう適合されたフックフランジを備え、外側リング部分の半径方向外側表面と相補的スロットの内向きに面する壁との間で半径方向にバネが位置付けられる、請求項１９に記載のターボ機械。