JP2015121217A

JP2015121217A - 軸方向面シールシステム

Info

Publication number: JP2015121217A
Application number: JP2014246377A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・エドムンド・ガーゾーン; Edmund Girzone William; シャオチン・ツェン; Xiaoqing Zheng
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-07-02
Also published as: CN104712376B; CN104712376A; CH708980A2; KR102256876B1; US10041367B2; US20150167486A1; DE102014118020A1; KR20150068906A

Abstract

【課題】部品間のシールクリアランスを低減し、タービン及び／又は発電システムの効率及び動作を向上させる軸方向面シールシステムを提供する。
【解決手段】第１の態様では、タービン部品１２０、１３０の半径方向先端のための軸方向面シールシステム１１０、１７０であって、静止タービン部品１２０と、回転タービン部品１３０と、静止タービン部品に取り付けられたシールリング１８０、１９０とを備えており、シールリングが、回転タービン部品１３０に向かって軸方向に延在して側面で回転タービン部品に係合しており、回転タービン部品の側面が３６０°円弧を有する連続的・回転式対リング上にある、システムを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は概して発電用途向けのタービン部品に関し、具体的には回転及び静止タービン部品（例えばタービンバケット、タービンノズルなど）を半径方向にシールするように構成された軸方向面シールシステムに関する。

ある種の発電プラントシステム（例えば原子力、単純サイクル及びコンバインドサイクル発電プラントシステム）では、それらの設計及び作動にタービンが採用されている。こうしたタービンには、翼形部を有するタービン部品（例えば、バケット及びノズルのようなタービンブレード）を含んでいるものがあり、作動中に流体流に付されるが、流体流の一部はこれらの部品の先端から半径方向に漏れることがあり（例えば、タービンのブレード先端とステータの間、ブレードクリアランスを通してなど）、流体の流れに影響を与え、タービン効率を低下させることがある。ある種の発電プラントシステムは、ステータ及び／又はタービン部品に配設された半径方向シールシステムを含んでおり、この隙間を半径方向にシールすることによって（例えば部品先端とステータとの隙間を低減及び／又はなくすことによって）漏れを低減するように構成されている。しかし、かかるタービン部品の半径方向長さは熱膨張及びロータ偏位を受け易く、そのため、これらの半径方向シールシステムとタービン部品との間で半径方向蒸気通路摩擦が起こり、部品の摩耗及び／又は損傷を生じるおそれがある。さらに、これらの半径方向シールシステムは、圧力及び／又は温度限界を有していて、そのためシステムの用途、設計上の考慮事項及び／又は発電システムの総合的性能能が制限されることがある。

米国特許出願公開第２０１２／０２８０４５８号明細書

本発明の第１の態様では、タービン部品の半径方向先端用の軸方向面シールシステムを提供するが、本システムは、静止タービン部品と、回転タービン部品と、静止タービン部品に取り付けられたシールリングとを備えており、シールリングは、回転タービン部品に向かって軸方向に延在して回転タービン部品と側面で係合しており、回転タービン部品の側面は、３６０°円弧を有する連続的・回転式対リング上にある。

本発明の第２の態様では、複数のブレード及び複数のブレードに取り付けられた半径方向に延在する対リングを有する１以上の回転タービン部品と、１以上の回転タービン部品と面シールを形成する１以上の軸方向面シールシステムとを備えるロータであって、１以上の軸方向面シールシステムが、１以上の回転タービン部品に向かって軸方向に延在して対リングの側面を封止するシールリングを備え、対リングが３６０°連続円弧を形成する、ロータを提供する。

本発明の第３の態様では、複数のブレードがロータに取り付けられている１以上の回転タービン部品と、複数のブレードに隣接するリングエレメントと、半径方向先端を有する１以上の静止タービン部品と、１以上の回転タービン部品及び１以上の静止タービン部品と面シールを形成する１以上の軸方向面シールシステムとを備えるタービンであって、１以上の軸方向面シールシステムが、１以上の静止タービン部品の半径方向先端に取り付けられたシールリングであって、回転タービン部品に向かって軸方向に延在してリングエレメントの側面を封止するシールリングを備えており、回転リングエレメントが３６０°円弧である、タービンを提供する。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、本発明の実施形態について開示する添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

本発明の一実施形態に係るタービンの一部の三次元部分切欠斜視図。発明の実施形態に係るタービン部品を示す図。一体に形成された静止又は回転タービン部品を、本発明の一実施形態に係る内側シール面及び外側シール面と共に示す図。本発明の一実施形態に係る１組の軸方向面シールシステムを含む１組の静止又は回転タービン部品の一部を示す図。本発明の一実施形態に係る静止又は回転タービン部品に接続されたシールシステムの二次元模式図。本発明の一実施形態に係る１組の静止又は回転タービン部品に接続された軸方向面シールシステムを含むタービンの一部を示す図。本発明の一実施形態に係る静止又は回転タービン部品に接続された軸方向面シールシステムの二次元模式図。本発明の一実施形態に係る静止又は回転タービン部品に接続された軸方向面シールシステムの斜視図。本発明の実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントシステムの一部を示す概略ブロック図。本発明の実施形態に係る単軸コンバインドサイクル発電プラントシステムの一部を示す概略ブロック図。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない。図面は、専ら本発明の典型的な態様を示すためのものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。図面において同様の符号が付された構成要素は、互いに参照できるように実質的に同様のものであってもよい。また、図１〜図１０を参照して説明する実施形態において、同様の符号は、同様の構成要素を表すことがある。これらの構成要素に関しては、明瞭化のため、重複する説明は省く。最後に、図１〜図１０の部品及びそれらに関する記載は、本明細書に記載した実施形態のいずれにも適用できる。

本発明の態様では、タービン部品の半径方向先端を軸方向にシールするように形作られたシールシステムを提供する。かかる軸方向面シールシステムは、部品間のシールクリアランスを低減し、タービン及び／又は発電システムの効率及び動作を向上させる。

図面を参照すると、システム及び装置の実施形態が示してあり、タービン部品の半径方向境界／先端の近傍に軸方向面シールシステムを設けることによってタービンにおける先端漏れ損失を低減するように構成されている。図面に示す各部品は、例えば図１〜図１０に示すように共通の導管その他公知の機器又は装置によって、従来通り接続することができる。図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の部分切欠斜視図を示す。タービン１０はロータ１２を備えており、ロータ１２は、回転シャフト１４と、回転シャフト１４の軸方向長さＡに沿って離間した複数のロータホイール１８とを含んでいる。各ロータホイール１８には複数の動翼２０が機械式に結合される。具体的には、動翼２０は、各ロータホイール１８の周りを周方向に延在する列として配置される。シャフト１４の周りには、複数の静翼２２が周方向に配設されており、静翼は軸方向に隣接する動翼２０の列の間に配置される。静翼２２は動翼２０と協働して段落を形成し、タービン１０を通る流路の一部を画成する。

作動中、蒸気２４のような流体がタービン１０の入口２６に入り、静翼２２を通して導かれる。静翼２２は、蒸気２４を動翼２０に向けて導く。蒸気２４は残りの段落を通過して、動翼２０に力を付与し、シャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端は、回転シャフト１４から軸方向に離隔して延在してもよいし、負荷又は機械（図示せず、例えば特に限定されないが発電機及び／又は別のタービン）に取り付けられていてもよい。

一実施形態では、タービン１０は５つの段落を含む。５つの段落は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ばれる。段落Ｌ４は第１段であり、５つの段落のうち最小（半径方向ｒに）である。段落Ｌ３は第２段であり、軸方向に次の段落である。段落Ｌ２は第３段であり、５つの段落の真ん中である。段落Ｌ１は第４段であり、最終段から２番目の段落である。段落Ｌ０は最終段であり、最大（半径方向に）である。５段落は例示にすぎず、各タービンは５段落より多くても少なくてもよい。また、本明細書に記載されるように、本発明の教示は、多段タービンを要しない。

図２を参照すると、本発明に係るタービン１００の一部の概略切欠図が示してあり、１組の回転タービン部品１３０（例えばタービン動翼、バケット、ブレードなど）及び１組の静止タービン部品１２０（例えば静翼、ノズルなど）の半径方向先端に配設された１組の第１の軸方向面シールシステム１１０及び１組の第２の軸方向面シールシステム１７０を含んでいる。静止タービン部品１２０はタービン１００のステータ１４０に接続することができ、作動流体通路１０７内に延在し得る。回転タービン部品１３０はタービン１００のロータ１５０に接続することができ、作動流体通路１０７内及び１組の静止タービン部品１２０の間で回転することができる。一実施形態では、１組の第１の軸方向面シールシステム１１０は、回転タービン部品１３０のバケット先端（又はバケットシュラウド）１３２に接続することができ、ステータ１４０に取り付けることができる。第１の軸方向面シールシステム１１０は第１のシールリング１８０を含んでおり、第１のシールリング１８０は、シールハウジング１４２内の第１の二次シール１８６を介してステータ１４０に取り付けられているとともに、バケット先端１３２の対リング１３５に向かって軸方向に延在して封止面１３８で面シールを形成する。シールリング１８０は、第１の回転防止エレメント１８４と停止フランジ１８８とを含んでいてもよく、これらはステータ１４０に向かって半径方向に延在してシールリング１８０の移動を制限する。シールリング１８０及び二次シール１８６は、分割リング（すなわち、集成したときに３６０°円弧を形成する別個の円弧状部材からなるもの）であってもよい。対リング（mating ring）１３５は３６０°円弧を形成して実質的に平坦で滑らかな封止面１３８を与えるが、バケット先端（又はシュラウド）１３２は、個々の回転タービン部品１３０の一体部分であってそのため分割されていてもよい。一実施形態では、シールハウジング１４２は、二次シール１８６を収容するように形作られたチャネル１４４を画成していてもよい。シールハウジング１４２は、ステータ１４０の一体部分であってもよいし、或いはステータ１４０に取り付けられる別個の部品であってもよい。

一実施形態では、図２に示すように、１組の第２の軸方向面シールシステム１７０を、回転タービン部品の根元リングエレメント１５２に接続してもよい。第２の軸方向面シールシステム１７０は第２のシールリング１９０を含んでおり、第２のシールリング１９０は静止先端カバー１２２に取り付けられているとともに、根元リングエレメント１５２の封止面１３８に向かって軸方向に延在している。シールリング１９０は、第２の二次シール１９４と、静止先端カバー１２２と相互ロックするように半径方向に延在する第２の回転防止エレメント１９６とを含んでいてもよい。シールリング１９０及び第２の二次シール１９４は、分割リングであってもよい。リングエレメント１５２は、シールリング１９０との対リングとして作用する。対リング１５２は３６０°円弧を形成して平坦で滑らかな封止面１３８を与える。対リング１５２は、ロータ１５０の一体部分であってもよいし、或いはロータ１５０に取り付けられる別個の部品であってもよい。一実施形態では、シールハウジング１２４は、第２の二次シール１９４を収容するように形作られたチャネル１２８を画成してもよい。ある実施形態では、第１及び第２の軸方向面シールシステム１１０，１７０の対リング１３５，１５２はそれぞれ、回転タービン部品１３０及び／又はロータ１５０の一部として形成することができる。つまり、対リング１３５と回転タービン部品１３０とは単体（例えば、単一原材料片から形成されたもの、一様な本体として形成されたもの）であってもよい。同様に、対リング１５２とロータ１５０とは単体であってもよい。他の実施形態では、対リング１３５，１５２を回転タービン部品１３０，１５０に接続（例えばボルト締め、溶接）してもよい。

図３を参照すると、一体に形成された静止又は回転タービン部品２４０を、本発明の実施形態に係る内側シール面２９２及び外側シール面２９０と共に示す。一実施形態では、静止又は回転タービン部品２４０は、ロータボア２２２と、タービンの段落をなす複数の翼形部２３０を画成する。組立時に、ロータをロータボア２２２に通して、静止又は回転タービン部品２４０を他の静止又は回転タービン部品に対して配置及び／又は配向せしめて作動流体通路１０７（図２）を画成することができる。内側シール面２９２及び外側シール面２９０は、封止面１３８（図２）として作用し、隣接する静止又は回転タービン部品の相補的シール面と共に、複数の翼形部２３０及び作動流体通路１０７（図２）の半径方向内側及び半径方向外側に１組の軸方向面シールを形成する。

図４を参照すると、本発明に係る１組の軸方向面シール部品３９０を含む１組の静止又は回転タービン部品３３０の一部を示す。図に示す通り、軸方向面シール部品３９０は、相対的軸方向移動を制限するためのロックエレメント３３４を備えた状態で分割されていてもよい。軸方向面シール部品３９０は、タービン部品３３０の半径方向先端に配置され、基部（シュラウド）３９４から半径方向外側に延在する半径方向フランジ３９２を含んでいてもよい。タービン部品３３０が回転バケットの場合、フランジ３９２は回転式対リングとして機能し、側面３９８はシールリング１８０（図２）を受けるシール面である。タービン部品３３０が静止ノズルの場合、フランジ３９２は、シールリング１９０（図２）を保持するためのシールハウジングとして機能する。一実施形態では、軸方向面シール部品３９０は、隣接する軸方向面シール部品３９０と相補形に形成された１組の周方向端部３９６を含んでいてもよく、動翼から半径方向外側或いは静止ノズルから半径方向内側に延在する実質的に連続した軸方向面を形成する。周方向端部３９６はパターン化されていてもよい。一実施形態では、周方向端部は、１組のロックエレメント３３４を形成するように形作られる。

図５を参照すると、本発明に係る静止又は回転タービン部品４３０に接続されたシールシステム４２０の接線方向図を示す。この実施形態では、軸方向面シールシステム４２０は３６０°円弧リング４８０を含んでおり、円弧リング４８０は１組の静止又は回転タービン部品４３０の先端４３２と接続されるように形作られている。円弧リング４８０は、先端４３２内に形成されたセル４３４と相補形の楔部材４８４を含んでいて、円弧リング４８０を静止又は回転タービン部品４３０に固定することができる。一実施形態では、円弧リング４８０は、合わせ面シールの一部をなすように形作られたシール面４８８を形成する半径方向フランジ４８２を含んでいてもよい。一実施形態では、円弧リング４８０を先端４３２にさらに堅固に固定するためにコーキングバンド４８６を用いてもよい。

図６を参照すると、本発明に係る軸方向面シールシステム５９０を１組の静止又は回転タービン部品５３０に接続したタービン５００の一部を示す。一実施形態では、軸方向面シールシステム５９０は周方向基部５９２を含んでいてもよく、周方向基部５９２は、１組の静止又は回転タービン部品５３０を通る作動流体流路５０７の半径方向外側で１組の静止又は回転タービン部品５３０を実質的に囲繞する。周方向基部５９２は、１以上のピーン５３６で１組の静止又は回転タービン部品５３０に固定してもよく、周方向基部５９２から半径方向外側に延在する半径方向フランジ５９６を含んでいて面シール対リングの一部をなすように形作られたシール面５８８を形成してもよい。

図７及び図８を参照すると、本発明に係る静止又は回転タービン部品６３０に接続された軸方向面シールシステム６２０の二次元模図及び斜視図を示す。一実施形態では、軸方向面シールシステム６２０の周方向基部６８０は、１組の溶接部６７０によって静止又は回転タービン部品６３０の半径方向先端６３２に接続される。一実施形態では、周方向基部６８０は半径方向フランジ６８２を含んでいてもよく、半径方向フランジ６８２は、周方向基部６８０から半径方向外側に延在して、合わせ面シールの一部をなすように形作られたシール面６８８を形成する。図８に示すように、シールシステム６２０は静止又は回転タービン部品６３０に、半径方向フランジ６８２と周方向基部６８０との境界面で溶接してもよい。一実施形態では、個々のカバーが境界面６０８に沿って互いに移動できるように、周方向基部６８０と半径方向フランジ６８２を離散した位置６７０で溶接して、半径方向フランジ６８２の歪みを抑制してもよい。

図９を参照すると、多軸コンバインドサイクル発電プラント９００の一部の概略図を示す。コンバインドサイクル発電プラント９００は、例えば、発電機９７０と動作可能に接続されたガスタービン９８０を含む。発電機９７０とガスタービン９８０とはシャフト９１５で機械的に連結され、シャフトは、ガスタービン９８０の駆動シャフト（図示せず）と発電機９７０との間でエネルギーを伝達する。図９には、ガスタービン９８０及び蒸気タービン９９２と動作可能に接続された熱交換器９８６も示してある。熱交換器９８６は、従来の導管（符号は付していない）を介してガスタービン９８０及び蒸気タービン９９２の双方と流体接続される。ガスタービン９８０及び／又は蒸気タービン９９２は、シールシステム（図２の１１０）その他本明細書に記載した実施形態を備える。熱交換器９８６は従来の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）、例えば従来のコンバインドサイクル発電システムで使用されるものでよい。発電の技術分野で公知の通り、ＨＲＳＧ９８６は、ガスタービン９８０からの高温排気を給水と共に利用して蒸気を発生させ、蒸気タービン９９２に供給する。蒸気タービン９９２は適宜、第２の発電機システム９７２に（第２のシャフト９１７で）連結されていてもよい。なお、発電機９７０及び９７２並びにシャフト９１５及び９１７は、当技術分野で公知の任意のサイズ又は種類のものでよく、用途又はそれらが接続されるシステムに応じて種々異なる。図１０に示す別の実施形態では、単軸コンバインドサイクル発電プラント９１０は、１つの発電機９７０を含んでおり、１本のシャフト９１５を介してガスタービン９８０及び蒸気タービン９９２の双方と連結されている。蒸気タービン９９２及び／又はガスタービン９８０は、第１及び／又は第２の軸方向面シールシステム（図２の１１０，１７０）その他本明細書に記載した実施形態を備える。

本開示の装置及び機器は、ある特定のタービン、発電機、発電システムその他のシステムに限定されるものではなく、他の発電システム及び／又はシステム（例えばコンバインドサイクル、シンプルサイクル、原子炉など）でも使用し得る。さらに、本発明の装置は、本明細書に記載されていないシステムであっても、本明細書に記載したシステム、装置及び機器の先端漏れの減少及び効率の向上の恩恵を受けることのできるシステムでも使用し得る。

本明細書で用いる用語は特定の実施形態を説明するためのものであり、開示を限定するためのものではない。単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。本明細書で用いる「含む」、「備える」という用語は、標記の特徴、数、工程、操作、構成要素及び／又は部品が存在することを意味するものであり、１以上の他の特徴、数、工程、操作、構成要素及び／又は部品が存在することを除外するものではない。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０，１００，５００タービン
１２、１５０ロータ
１４回転シャフト
１８ロータホイール
２０動翼
２２静翼
２６蒸気
２６入口
Ｌ０〜Ｌ４タービン段落
１０７流体通路
１１０，１７０，４２０，６２０シールシステム
１２０，１３０，２４０，３３０，４３０，５３０，６３０タービン部品
１２２先端カバー
１２４，１４２シールハウジング
１２８，１４４チャネル
１３２バケット先端
１３５対リング
１３８シール面
１４０ステータ
１５２リングエレメント、対リング
１８０第１のシールリング
１８４第１の回転防止エレメント
１８６第１の二次シール
１８８停止フランジ
１９０第２のシールリング
１９４第２の二次シール
１９６第２の回転防止エレメント
２２２ロータボア
２３０翼形部
２９０外側シール面
２９２内側シール面
３３４ロックエレメント
３９０シール部品
３９２フランジ
３９４基部（シュラウド）
３９６周方向端部
３９８側面
４３２，６３２先端
４３４セル
４８０円弧リング
４８２，５９６，６８２半径方向フランジ
４８４楔部材
４８６コーキングバンド
４８８，６８８シール面
５０７，６０７流体流路
５３６ピーン
５８８，６８８シール面
５９０，６２０軸方向面シールシステム
５９２，６８０周方向基部
６０８境界面
６７０溶接部
９００多軸コンバインドサイクル発電プラント
９１０単軸コンバインドサイクル発電プラント
９１５シャフト
９１７第２のシャフト
９７０発電機
９７２第２の発電機
９８０ガスタービン
９８６熱交換器
９９２蒸気タービン
ｒ半径方向

Claims

タービン部品の半径方向先端のための軸方向面シールシステムであって、
静止タービン部品と、
回転タービン部品と、
静止タービン部品に取り付けられたシールリングであって、回転タービン部品に向かって軸方向に延在して回転タービン部品と側面で係合するシールリングと
を備えており、
回転タービン部品の側面が、３６０°円弧を有する連続的・回転式対リング上にある、軸方向面シールシステム。
対リングと回転タービン部品とが単体である、請求項１記載の軸方向面シールシステム。
シールリングが複数のセグメントから形成される、請求項１記載の軸方向面シールシステム。
回転タービン部品が、連続的・回転式対リングを収容するための先端基部を有する、請求項３記載の軸方向面シールシステム。
複数のシールリングセグメントの各々が２以上の周方向端部を有し、複数のシールリングセグメントが各周方向端部で整列する、請求項４記載の軸方向面シールシステム。
回転タービン部品の先端基部が、連続的・回転式対リングを挿入するための楔部材を有する、請求項５記載の軸方向面シールシステム。
基部と対リングが１以上のピーンを用いて接続される、請求項５記載の軸方向面シールシステム。
基部と対リングが１以上の溶接部を用いて接続される、請求項５記載の軸方向面シールシステム。
複数のブレード及び複数のブレードに取り付けられた半径方向に延在する対リングを有する１以上の回転タービン部品と、
１以上の回転タービン部品と面シールを形成する１以上の軸方向面シールシステムと
を備えるロータであって、１以上の軸方向面シールシステムが、１以上の回転タービン部品に向かって軸方向に延在して対リングの側面を封止するシールリングを備えており、対リングが３６０°連続円弧を形成する、ロータ。
対リングと１以上の回転タービン部品ととが単体である、請求項９記載のロータ。
シールリングが複数のセグメントで形成される、請求項９記載のロータ。
１以上の回転タービン部品が、対リングを収容するための基部を含む、請求項１１記載のロータ。
複数のブレードがロータに取り付けられている１以上の回転タービン部品と、
複数のブレードに隣接するリングエレメントと、
半径方向先端を有する１以上の静止タービン部品と、
１以上の回転タービン部品及び１以上の静止タービン部品と面シールを形成する１以上の軸方向面シールシステムと
を備えるタービンであって、１以上の軸方向面シールシステムが、１以上の静止タービン部品の半径方向先端に取り付けられたシールリングであって、回転タービン部品に向かって軸方向に延在してリングエレメントの側面を封止するシールリングを備えており、回転リングエレメントが３６０°円弧である、タービン。
複数のブレードとリングエレメントと回転タービン部品とが単体である、請求項１３記載のタービン。
シールリングが複数のセグメントで形成される、請求項１３記載のタービン。