JP2015187443A - 局所弾性流体力学パッドを有する面シール - Google Patents

Abstract

【課題】局所弾性流体力学パッドを有する面シールを提供する。
【解決手段】本発明の実施形態は、タービンのロータの周囲に配置されるように構成されたステータリングに関し、ステータリングは、ステータリングのシール面から延在する複数の流体力学パッドを備え、複数の流体力学パッドの各々は、ロータリングと流体力学的に係合するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳しくは、ターボ機械の種々の部品の間の流れの漏れを低減又は阻止するための面シールに関する。

ターボ機械として、圧縮機並びに／或いはガスタービン、蒸気タービン、及び水力タービンなどのタービンを挙げることができる。一般に、ターボ機械は、ターボ機械の翼を支持するシャフト又はドラムであってよいロータを備えることができる。例えば、ターボ機械の翼を、ターボ機械のロータに沿って段階的に配置することができる。さらに、ターボ機械は、ターボ機械の種々の部品の間の流れ（例えば、作動流体の流れ）の漏れを低減又は阻止するための種々のシールを備えることができる。例えば、ターボ機械は、ターボ機械のシャフト（例えば、回転軸）とハウジングとの間の流れの漏れを低減又は阻止するように構成された１つ以上の面シールを備えることができる。残念ながら、伝統的な面シールは、組み立てが困難である可能性があり、さらには／或いは早期の摩耗又は性能低下につながりかねない端面の大きな変形を被りやすい。

米国特許出願公開第２０１２／０２６１８８７号明細書

一実施形態では、システムが、蒸気タービン及び蒸気タービンの面シール（face seal）を備える。面シールは、蒸気タービンのロータと結合したロータリング及び蒸気タービンの静止ハウジングと結合したステータリングを備え、ステータリングは、ステータリングのシール面から延在して、ロータリングと係合するように構成された複数のパッドを備える。

別の実施形態では、タービンが、ロータと、ロータの周囲に配置された静止ハウジングと、ロータの周囲に配置された面シールとを備える。面シールは、ロータと結合したロータリング及び静止ハウジングと結合したステータリングを備え、ステータリングは、ステータリングのシール面からロータリングに突き出す複数の流体力学パッド（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐａｄ）を備える。

別の実施形態では、システムが、タービンのロータの周囲に配置されるように構成されたステータリングを備え、ステータリングは、ステータリングのシール面から延在する複数の流体力学パッドを備え、複数の流体力学パッドの各々は、ロータリングと流体力学的に係合するように構成される。

本発明のこれらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点が、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しつつ検討したときに、よりよく理解されるであろう。添付の図面において、類似の文字は、図面の全体を通して、類似の部分を表わしている。

は、ガスタービンシステム、蒸気タービン、及び熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システムを有する複合サイクル発電システムの実施形態の概略図である。 蒸気タービンの実施形態の一部分の断面図であり、蒸気タービンの面シールを示している。 ターボ機械の一部分の断面図であり、ターボ機械の面シールの実施形態を示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの分割リング構成を示している。 ターボ機械の一部分の断面図であり、ターボ機械の面シールの実施形態を示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドを示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドを示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドを示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドを付勢するばねを示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドの配置を示している。 面シールの一次封止リングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの局所弾性シールパッドの配置を示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの表面の特徴を示している。 面シールの一次シールリングの実施形態の斜視図であり、一次シールリングの表面の特徴を示している。

本発明の実施形態は、面シールを横切る漏れを低減し、面シールの性能及び寿命を改善するように構成された特徴を有する改良された面シールに関する。理解されるとおり、面シールは、相手方リング（例えば、回転リング）とシール関係又は界面を形成する一次リング（例えば、固定リング）を含むことができる。例えば、一次リング及び相手方リングを、面シールを横切る作動流体の漏れを低減又は阻止するように構成することができる。特定の実施形態において、一次リングは、転がり界面などのベアリング要素を有する分割構成を有することができる。より具体的には、一次リングは、協働して一次リングを形成する２つ以上のセグメントを備えることができ、一次リングは、２つ以上のセグメントの間の１つ以上の転がり界面（例えば、ベアリング要素）を含むことができる。例えば、２つ以上のセグメントが互いに当接する場合に、１つ以上のピン又は他の丸みを帯びた要素を、２つ以上のセグメントとの間に配置することができる。後述される方法で、２つ以上のセグメントの間のベアリング要素（例えば、転がり界面）は、一次リングの２つ以上のセグメントの間の低摩擦の相対運動（例えば、軸方向の移動）を可能にすることができる。この方法で、一次リングのセグメントの各々が、面シールの相手方（例えば、回転）リングに対して自らの流体力学的平衡を達成することができる。さらに、一次リングの転がり界面を、一次リングの各セグメントからの径方向の圧力又は荷重を吸収又は支持するように構成することができる。

特定の実施形態において、面シールの一次リングは、相手方リングと係合するように構成された局所弾性流体力学パッド（locally compliant hydrodynamic pad）を備えることができる。すなわち、一次リングの局所弾性流体力学パッドの各々を、相手方リングと個別のシール関係を形成するように構成することができる。具体的には、流体力学パッドの各々を、（例えば、一次リングと結合したばねによって）相手方リングに向けて個別に付勢することができる。この方法で、流体力学パッドの各々が、動的に変化する相手方リングの向きに個別に沿うことができ、したがって一次リングと相手方リングとの間の全体的なシール界面及び漏れの阻止を改善することができる。加えて、流体力学パッドは、分割構成の一次リングが、傾き或いは一次リングと相手方リングとの間の部分的な接触が回避されるように、より一様な様相で相手方リングに向かって近付くことを保証することができる。加えて、詳しくは後述されるように、各々の流体力学パッドは、一次リングと相手方リングとの間の直接の接触を阻止しつつ、高い漏れすき間を減らすことも可能にする。

以下の検討において、面シールの種々の部品（例えば、一次リング、相手方リング、流体力学パッドなど）の間の接触について、言及がなされる可能性があることに注意すべきである。しかしながら、このような部品間の接触への言及が、このような部品間の実際の接触よりもむしろ、このような部品又は部品の各部の間のきわめて小さいすき間（例えば、０．０１〜０．２５ｍｍのすき間）を含んでよいことを、理解すべきである。

ここで図面に目を向けると、図１は、本発明の面シールを使用することができる種々のターボ機械を有する伝統的な複合サイクルシステム１０の実施形態の概略のブロック図である。具体的には、ターボ機械は、転がりの界面を備える分割構成を有する一次リング及び／又は局所弾性流体力学パッドを備える一次リングを備えることができる面シールを備えることができる。図示のとおり、複合サイクルシステム１０は、圧縮機１２と、燃料ノズル１６を有する燃焼器１４と、ガスタービン１８とを有するガスタービンシステム１１を含む。燃料ノズル１６は、液体燃料並びに／或いは天然ガス又は合成ガスなどの気体燃料を、燃焼器１４に送る。燃焼器１４が、燃料−空気混合物に火をつけて燃焼させ、結果として高温の加圧された燃焼ガス２０（例えば、排気）をガスタービン１８に渡す。図示のとおり、タービン翼２２がロータ２４に接続され、さらにロータ２４が、複合サイクルシステム１０の全体のいくつかの他の部品に接続されている。例えば、タービン翼２２を、段階的に配置することができる。換言すると、タービン翼２２を、ロータ２４の軸方向における種々の位置においてロータ２４の周りに周状に配置することができる。燃焼ガス２０がガスタービン１８のタービン翼２２を通過するときに、ガスタービン１８が駆動されて回転し、ロータ２４を回転軸２６に沿って回転させる。特定の実施形態において、ガスタービン１８は、タービン内のロータ−ステータ間のすき間を横切る燃焼ガス２０の望ましくない漏れを低減又は阻止するように構成された面シールを備えることができる。最終的に、燃焼ガス２０は、排気出口２８（例えば、排気ダクト、排気スタック、消音器など）を介してガスタービン１８から流出する。

図示の実施形態において、圧縮機１２は、圧縮機翼３０を備える。圧縮機１２内の圧縮機翼３０も、ロータ２４に接続され、ロータ２４が上述の様相でガスタービン１８によって駆動されて回転するときに回転する。タービン翼２２と同様に、圧縮機翼３０も、段階的に配置することができる。圧縮機翼３０が圧縮機１２において回転するとき、圧縮機翼３０は、空気取り入れ口からの空気を圧縮し、燃焼器１４、燃料ノズル１６、及び複合サイクルシステム１０の他の部分に送られる加圧空気３２とする。さらに、圧縮機１２は、圧縮機の内部の種々のロータ−ステータ間のすき間を横切る加圧空気３２の望ましくない漏れを阻止するように構成された面シールを備えることができる。

燃料ノズル１６は、加圧空気３２と燃料とを混合して適切な燃料−空気混合物を生成し、この燃料−空気混合物が燃焼器１４において燃焼し、タービン１８を駆動する燃焼ガス２０を生み出す。さらに、ロータ２４を、ロータ２４の回転によって動作させることができる第１の負荷３４に接続することができる。例えば、第１の負荷３４は、発電プラント又は外部の機械的な負荷など、複合サイクルシステム１０の回転出力によって出力を生み出すことができる任意の適切な装置であってよい。例えば、第１の負荷３４として、発電機、飛行機のプロペラなどを挙げることができる。

さらに、システム１０は、第２の負荷３８を駆動するための蒸気タービン３６を含む（例えば、蒸気タービン３６のシャフト４０の回転によって第２の負荷３８が駆動される）。例えば、第２の負荷３８は、電力を生成するための発電機であってよい。しかしながら、第１及び第２の両方の負荷３４及び３８は、ガスタービンシステム１１及び蒸気タービン３６によって駆動することができる他の種類の負荷であってもよい。加えて、図示の実施形態では、ガスタービンシステム１１及び蒸気タービン３６が別々の負荷（例えば、第１及び第２の負荷３４及び３８）を駆動するが、ガスタービンシステム１１及び蒸気タービン３６を、ただ１つのシャフトを介してただ１つの負荷を駆動するように縦列にて利用することも可能である。

システム１０は、排熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム４２をさらに備える。ガスタービン１８からの加熱された排気ガス４４が、ＨＲＳＧシステム４２へ運ばれ、水を加熱して蒸気タービン３６の動作に用いられる蒸気４６を生成する。理解されるとおり、ＨＲＳＧシステム４２は、蒸気タービン３６の動作に用いられる蒸気４６を生成及び加熱するために、種々のエコノマイザ、凝縮器、蒸発器、ヒータなどを備えることができる。ＨＲＳＧシステム４２によって生成された蒸気４６は、蒸気タービン３６のタービン翼４８を通過する。上述と同様に、蒸気タービン３６のタービン翼４８を、シャフト４０に沿って段階的に配置することができ、蒸気タービン３６は、蒸気タービン３６内の種々のロータ−ステータ間のすき間を横切る蒸気４６の望ましくない漏れを阻止するために、面シールを備えることができる。蒸気４６が蒸気タービン３６のタービン翼４８を通過するとき、蒸気タービン３６のタービン翼４８が駆動されて回転し、シャフト４０の回転を生じさせることによって、第２の負荷３８を駆動する。

以下の検討において、圧縮機１２、ガスタービン１８、又は蒸気タービン３６の軸２６に沿った軸方向５０、軸２６から遠ざかる径方向５２、及び軸２６を中心とする周方向５４など、種々の方向又は軸が参照されるかもしれない。加えて、上述したように、後述される面シールは、任意のさまざまなターボ機械（例えば、圧縮機１２、ガスタービン１８、又は蒸気タービン３６）において使用することができるが、以下の検討においては、蒸気タービン３６の文脈における改良された面シールが説明される。

図２は、蒸気タービン３６の一部分の断面図であり、蒸気タービン３６内の面シール１００の位置を示している。上述したように、蒸気タービン３６は、蒸気タービン３６内の種々のロータ−ステータ間のすき間を横切る作動流体（例えば、蒸気４６）の漏れを低減又は阻止するため１つ以上の面シール１００を備えることができる。

図示の実施形態では、蒸気タービン３６が、ケーシング６０と、内側シェル６２と、蒸気タービン３６のシャフト４０の周囲に配置されたシール部品６４とを備える。図示のとおり、蒸気４６は、入り口６６を通って蒸気タービン３６の入り口側６８へと蒸気タービン３６に進入する。上述のように、蒸気４６は、タービン翼４８を駆動して回転させることにより、シャフト４０を駆動して回転させることができる。図示のとおり、シール部品６４の一部が、蒸気タービン３６のステータ部品７０と蒸気タービン３６のシャフト４０との間に曲がりくねった経路（例えば、曲がりくねったシール経路）を形成している。理解されるとおり、蒸気４６は、蒸気タービン３６においてタービン翼４８へと向けられているが、蒸気４６の一部が、蒸気タービン３６の漏れ領域７２を通って漏れ、蒸気タービン３６の効率を低下させる可能性がある。したがって、蒸気タービン３６は、蒸気タービン３６における蒸気４６の流れの漏れを低減又は阻止するための面シール１００をさらに備える。

図３は、蒸気タービン３６の一部分の断面図であり、端部パッキンの領域において第１の領域１０２（例えば、上流領域）から第２の領域１０４（例えば、下流領域）への蒸気４６の流れの漏れを阻止又は低減するように構成された面シール１００の実施形態を示している。具体的には、面シール１００は、一次リング１０６（固定リング）及び相手方リング１０８（回転リング）を備える。一次リング１０６は、蒸気タービン３６の内側シェル６２に取り付けられており、軸方向５０のみに移動可能である。例えば、一次リング１０６を、二次シール１１８及び回転防止特徴部１２８を介して静止ハウジング１１０に取り付けることができる。相手方リング１０８（回転リング）は、シャフト４０（ロータ）の一体の一部分であってよく、或いはシャフト４０と結合した保守の容易な別途の部品であってよい。さらに、相手方リング１０８は、機械的な組み立てによって蒸気タービン３６のシャフト４０に固定される。より具体的には、相手方リング１０８は、第１の保持フランジ１１２及び第２の保持フランジ１１４によってシャフト４０に固定される。第１及び第２の保持フランジ１１２及び１１４が協働し、相手方リング１０８をシャフト４０へと軸方向について拘束する。例えば、ろう付け、溶接、機械的な固定具（例えば、ボルト１１６）、摩擦嵌め（friction fit）、螺合、又は他の保持機構を、相手方リング１０８を第１及び第２の保持フランジ１１２及び１１４に固定し、第１及び第２の保持フランジ１１２及び１１４をシャフト４０に固定するために使用することができる。ボルト１１６は、フランジ１１４をシャフト４０及びフランジ１１２に対して締め付ける一方で、回転リング１０８の圧縮、したがって傾きを防止する。シャフト４０がタービン翼４８を通って流れる蒸気４６によって駆動されて回転するとき、相手方リング１０８も駆動されて回転する。

さらに、二次シール１１８（例えば、環状シール）が、一次リング１０６と静止ハウジング１１０との間に配置されている。二次シール１１８が配置された状態で、静止ハウジング１１０と一次リング１０６との間の漏れが制限される一方で、一次リング１０６は、静止ハウジング１１０に対するロータ４０の熱膨張の相違又は推力の逆転に起因して生じうるロータ４０の軸方向５０の平行移動に対応するように、回転する相手方リング１０８（回転リング）から離れ、或いは近付くように軸方向に移動することができる。二次シール１１８の直径（伝統的に、圧力平衡径（pressure-balance diameter）と呼ばれる）は、一次リング１０６の閉じ力を制御するように選択される。同様に、シール１２０が、相手方リング１０８と第１の保持フランジ１１２との間に配置される。シール１１８及び１２０は、静止シールである。シール１１８及び１２０は、面シール１００と固定静止ハウジング１１０及びシャフト４０との間の蒸気４６又は他の作動流体の漏れを阻止することができる。理解されるとおり、他の実施形態では、面シール１００が、面シール１００及び蒸気タービン３６の種々の部品間の蒸気４６又は他の作動流体の流れを阻止するために、他の数又は種類のシールを備えることができる。

図示のとおり、一次リング１０６と相手方リング１０８とが、シール界面１２２を形成する。上述したように、シール界面１２２は、蒸気タービン３６の第１の領域（高圧領域）１０２（例えば、上流領域）から第２の領域１０４（低圧領域）（例えば、下流領域）への蒸気４６又は他の作動流体の漏れを低減又は阻止するように構成されている。ばね１２９が凹所１３０内に配置され、一次リング１０６に接続されて一次リング１０６に軸方向の力を作用させる支持部１２６が存在している。このようにして、一次リング１０６を面シール１００の相手方リング１０８に向かって付勢し、シール界面１２２を生み出すことができる。具体的には、ばね１２９が一次リング１０６に付勢を作用させるとき、一次リング１０６の面１３２を、相手方リング１０８の面１３４に向かって付勢することができる。加えて、図３に示した実施形態は、支持部１２６の１つの凹所１３０に配置された１つのばね１２９を示しているが、他の実施形態は、支持部１２６の円周の周りにそれぞれの凹所１３０に配置された複数のばね１２９を備えることができる。同様に、他の実施形態では、各々の凹所１３０が、一次リング１０６を相手方リング１０８に向かって付勢するように構成された複数のばね１２９を備えてもよい。

相手方リング１０８が一次リング１０６に対して回転するとき、流体力学的特徴（例えば、図１０〜１３において説明される溝又はパッド）が、界面（面１３２、１３４）に流体力学的な圧力を生じさせ、したがって運動時に面１３２を面１３４に接触しないように保つ分離力を生じさせる膜厚（一次リング１０６と相手方リング１０８との間のすき間）の周方向の勾配を生じさせる。これは、流体力学的な開き力が、一次リング１０６に作用する外部の圧力とばね１２９とによって生成される正味の閉じ力よりも大きい場合に生じる。一次リング１０６及び／又は相手方リング１０８の表面の特徴（溝、パッドなど）、一次リング１０６及び相手方リング１０８の寸法、並びにばね１２９の力を選択することによって、一次リング１０６と相手方リング１０８との間に所望の平衡「浮上」すき間を得ることができる。蒸気／ガスの漏れの量は、この平衡浮上すき間の大きさによって決定される。いくつかのさらなる力（例えば、動作時の温度又は圧力の変動に起因する過渡的な力）が、相手方リング１０８を一次リング１０６に向かって移動させ、すき間が平衡値を下回って減少する。このすき間の減少が、一次リング１０６と相手方リング１０８との間の界面における流体力学的な力を増加させる。この流体力学的な力の増加が、上述のさらなる力（例えば、動作時の温度又は圧力の変動に起因する過渡的な力）に抵抗し、このさらなる力に起因して発生したであろう一次リング１０６と相手方リング１０８との間の接触を回避する。この点において、動的な平衡が、一次リング１０６と相手方リング１０８との間のすき間がわずかに小さくなることによって再び得られる。他方で、過渡的な変動によって正味の閉じ力が減少すると、流体力学的な力が元の設計値を下回って低下し、動的な平衡が、一次リング１０６と相手方リング１０８との間のすき間が元の設計値と比べてわずかに大きくなることによって再び得られる。このようなほぼ一定の小さなすき間を維持しながらの動的な非接触の動作が、面シール１００が漏れをきわめて少なく保ちつつ機械的に劣化せずに動作することを可能にする。理解されるとおり、流体力学的な圧力の分布及び流体力学的な膜の剛性の生成を担当する一次リング１０６及び相手方リング１０８の表面の特徴（さらには、一次リング１０６及び相手方リング１０８並びに閉じ力の生成を担当するばね１２９の寸法及び形状）を、所望の平衡浮上すき間寸法を達成するように選択することができ、すなわち所望の漏れ特性及び非接触動作を達成するように選択することができる。

以下で詳しく検討されるとおり、面シール１００の特定の実施形態において、一次リング１０６は、分割構造を有することができる。より具体的には、一次リング１０６は、一次リング１０６を協働して形成する２つ以上の周方向において分割され、或いは分離したセグメントを含むことができる。加えて、支持部１２６が、分割構造を有してもよい。さらに、一次リング１０６の２つのセグメントの間の接合の界面は、ローラ界面を備えることができる。したがって、後述される方法で、ローラ界面は、一次リング１０６の２つ以上のセグメント間の相対の軸方向の移動を可能にすることができる。この方法で、面シール１００の性能を向上させることができる。例えば、一次リング１０６のセグメント間の相対的な軸方向の移動は、蒸気タービン３６の動作の際に、面シール１００の望ましくない漏れのすき間を減らし、或いは抑制し、面シール１００の動的な平衡を改善し、さらに／或いは面シール１００の種々の構成部品の機械的な摩耗及び劣化を減らすことができる。さらに、一次リング１０６の分割構成は、面シール１００をロータ（シャフト）４０の一端から滑らせること（大径のタービンにおいては不可能かもしれない）を必要とする代わりに、面シール１００を軸方向における特定の位置に直接組み付けることを可能にするがゆえに、より大きなタービン（例えば、蒸気タービン３６）における面シール１００の使用を可能にできる。これは、個別に従順な分割リングの設計によってもたらされる主な利点の１つである。

図４は、面シール１００の一次リング１０６の斜視図である。特に、一次リング１０６の図示の実施形態は、分割された構成を有する。すなわち、一次リング１０６が、周方向において複数のセグメントに分割されている。具体的には、図示の実施形態において、一次リング１０６は、第１のセグメント１５０及び第２のセグメント１５２を備え、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２が協働して、一次リング１０６を形成する。換言すれば、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２が結合して一次リング１０６を形成する。特に、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２は、接合面１５４において結合する。以下でさらに詳しく説明されるように、接合面１５４は、接合面１５４に転がり部材を備えることによって一次リング１０６の第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の相対的な軸方向の移動を可能にするように構成されている。加えて、図示の実施形態は第１及び第２のセグメント１５０及び１５２を備えるが、他の実施形態は、円周方向において分割され、協働して一次リング１０６を形成する他の数のセグメント（例えば、３つ、４つ、５つ、又は６つ以上）を備えてもよい。さらに、特定の実施形態では、支持部１２６も分割された構成を有することができる。例えば、図示の実施形態では、一次リング１０６の第１のセグメント１５０が、支持部１２６の第１のセグメント１５８も含む。同様に、一次リング１０６の第２のセグメント１５２が、支持部１２６の第２のセグメント１６２も含む。しかしながら、他の実施形態では、支持部１２６及び一次リング１０６の各々が、異なる数のセグメントを有してもよい。

上述のように、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２は、一次リング１０６の接合面１５４において互いに当接する。セグメントの接合面１５４は、接合面１５４を横切る直接的な漏れの経路を減らすために、重なり合った段差のある界面を特徴とする。図示のとおり、各々の接合面１５４は、第１の接合面１６４と、第２の接合面１６６と、ローラ接合面１６８とを含む。特に、各々の接合面１５４の第１の接合面１６４及びローラ接合面１６８は、周方向５４に互いにずらされており、おおむね径方向５２に延在している。加えて、各々の接合面１５４の第２の接合面１６６は、第１の接合面１６４とローラ接合面１６８との間を周方向５４に延在している。したがって、各々の接合面１５４は、おおむねＬ字形の構成を有する。換言すると、一次リング１０６の第１及び第２のセグメント１５０及び１５２は、おおむねＬ字形の線に沿って分割される。例えば、おおむね径方向５２に延在している第１の接合面１６４と、おおむね周方向５４に延在している第２の接合面１６６とが協働し、Ｌ字形を形成している。同様に、おおむね周方向５４に延在している第２の接合面１６６と、おおむね径方向５２に延在しているローラ接合面１６８とが協働し、Ｌ字形を形成している。後述される方法で、この一次リング１０６の第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の間の接合面１５４のＬ字形の構成は、一次リング１０６が組み立てられたときに、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の間の相対の軸方向の移動を可能にしつつ、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の間にシール関係をもたらす。Ｌ字形の構成は、ローラ接合面１６８に沿った漏れの可能性が第２の（例えば、垂直な）接合面１６６において阻止されるがゆえに、一次リング１０６の外径からの漏れを防止する。換言すると、Ｌ字形の構成は、漏れの低減を可能にする曲がりくねった流れの経路を生み出す。さらに、漏れの可能性をさらに減らすために、第１の接合面１６４に沿ってシム（例えば、薄い金属シム）を配置することができる。

理解されるとおり、蒸気タービン３６の作動時に、一次リング１０６の外径の圧力（例えば、矢印１７０によって表わされる径方向内向きの圧力）は、一次リング１０６の内径の圧力（例えば、矢印１７２によって表わされる径方向外向きの圧力）よりも大きくなる可能性がある。結果として、面シール１００の一次リング１０６は、径方向内向きの正味の圧力を被る可能性がある。内向きの荷重を吸収するベアリング要素１７４（ローラピン）が界面１６８に存在しない場合、一次リング１０６に作用する径方向内向きの正味の圧力によって、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２が各々の接合面１５４の第１の接合面１６４及び第２の接合面１６６において互いに同一面となり、或いは互いに当接する可能性がある。これらの界面の間の接触が、セグメント１５０及び１５２の間の自由な相対的な軸方向の移動を妨げると考えられる。したがって、第１及び第２の接合面１６４及び１６６は、径方向内向きの正味の圧力の荷重を界面１６８のローラピン（例えば、ベアリング要素１７４）によって保持しつつ、最小限のすき間を有するように設計される。特定の実施形態では、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２を、接合面１５４のすき間を最小限にしてシールを向上させるために、第１及び第２の接合面１６４及び１６６において厳密な公差を有するように製造することができる。これに加え、或いはこれに代えて、接合面１５４は、接合面１５４のシールを向上させるために第１の接合面１６４に配置されるシール片を備えることができる。第１及び第２の接合面１６４及び１６６の間のシールは、面シール１００のセグメントの接合部を横切る蒸気４６又は他の作動流体の望ましくない漏れの阻止を補助する。さらに、図示の実施形態では、一次リング１０６の上下軸１７３を中心とする接合面１５４（例えば、第１及び第２の接合面１６４及び１６６）の対称的な向きが、横方向の圧力の不均衡を低減する。

上述のとおり、一次リング１０６の各々の接合面１５４は、ローラ接合面１６８を含む。より具体的には、各々のローラ接合面１６８は、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の間に配置された１つ以上のローラピン１７４を備える。ローラピン１７４の円柱形は、一次リング１０６に作用する径方向内向きの正味の圧力のローラ接合面１６８による支持又は伝達を可能にしつつ、一次リング１０６の第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の相対の軸方向（例えば、方向５０）の移動を依然として可能にする。このようにして、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の各々は、蒸気タービン３６の動作の最中に相手方リング１０８に対する自身の流体力学的平衡を達成することができる。より具体的には、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２が互いに独立して軸方向に自由に移動できるため、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２の間に相対的な傾きがあっても、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２への対応する流体力学的な圧力（例えば、相手方リング１０８により近い方のセグメントへの流体力学的な圧力が、他方のセグメントと比べて大きくなる）によって修正されると考えられる。この自動修正の流体力学的な圧力によって、セグメントを動的な平衡が再び得られるまで他方のセグメントに対して軸方向に移動させることができる。結果として、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２が、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２と相手方リング１０８との間のこすれの発生を低減しつつ、相手方リング１０８に対するそれぞれの平衡位置において動作でき、或いは相手方リング１０８に対するそれぞれの平衡位置に「浮上」することができる。このようにして、面シール１００の機械的な劣化を軽減でき、面シール１００の寿命を向上させることができ、保守を減らすことができる。

図５は、面シール１００の実施形態の一部分の断面図であり、局所弾性流体力学パッド２００を有する一次リング１０６を示している。具体的には、局所弾性流体力学パッド２００は、面シール１００の相手方リング１０８に面する一次リング１０６に配置され、一次リング１０６に隣接している。すなわち、図示の局所弾性流体力学パッド２００は、一次リング１０６のポケット又は凹所２０２に配置されている。加えて、流体力学パッド２００の各々を、１つ以上のばね２０４（例えば、コイルばね）によって相手方リング１０８に向けて付勢することができる。結果として、流体力学パッド２００は、相手方リング１０８に係合するように構成されている。局所弾性流体力学パッド２００の機能の１つは、一次リングの面１３２の大部分が相手方リングの面１３４に近付く前に、相手方リング１０８に係合することである。さらに、局所弾性流体力学パッド２００は、一次リング１０６を相手方リング１０８に正しく整列させる上で助けとなる。さらに、特定の実施形態において、流体力学パッド２００の各々は、面シール１００の非接触での動作を保つ上で助けとなる流体力学的な圧力の特定の形を各々の流体力学パッド２００上に生成するように、各々の流体力学パッド２００の周方向５４及び／又は各々の流体力学パッド２００の径方向５２において軸方向の溝深さの変化を有するミクロンの長さ規模の外形を（例えば、流体力学パッド２００の軸端面２０６に）有することができる。同様に、詳しくは後述されるように、一次リングのシール面２０８及び／又は相手方リングのシール面２１０も、面シール１００の流体力学的な耐荷重性能を向上させるための種々の外形又は表面の特徴を有してよいことに、注意すべきである。

上述のように、ばね２０４が、一次リング１０６のそれぞれのポケット又は凹所２０２に配置されている。すなわち、面シール１００が組み立てられたときに面シール１００の相手方リング１０８に対向する凹所２０２が、一次リング１０６に形成されている。理解されるとおり、ばね２０４は、流体力学パッド２００に特定の自由度を許すように設計されている。例えば、ばね２０４は、一次リング１０６の平面に対して出入りする第１の平行移動の自由度（例えば、軸方向５０の運動）、周方向５４に揺れ、或いは枢動する第２の回転の自由度、及び径方向５２に揺れ、或いは枢動する第３の回転の自由度を許すことができる。したがって、流体力学パッド２００は、相手方リング１０８の向き及び／又はゆがみにより良好に従うことができる。結果として、流体力学パッド２００は、一次リング１０６と相手方リング１０８との間の接触を阻止できる一方で、面シール１００の一次リング１０６と相手方リング１０８との間に大きな漏れすき間が形成されることも阻止する。換言すると、流体力学パッド２００は、一次リング１０６が相手方リング１０８に対して「流体力学的に固定された」位置を維持することを可能にする。個々のポケットのばね２０４によって促進される局所的な閉じ力及び個々のパッド２００によって促進される局所的な流体力学的な開き力が、一次リング１０６が相手方リング１０８に接触することなく相手方リング１０８に対する動的な平衡を達成するように正確に機能することを助ける。これは、動作力によって一次リング１０６と相手方リング１０８との間にくさび形のすき間が形成されようとするときに、こすれの防止又は軽減を助けることができる。そのような事象の際に、相手方リング１０８により近い一次リング１０６上のパッド２００が、相手方リング１０８から遠いパッド２００と比べて、より大きい流体力学的な開き力を発生させる傾向を有し、該当の局所ばね２０４をさらに支持部１２６に圧縮する。この径方向における開き力の差が、一次リング１０６の章動を生じさせ、くさび形のすき間を平行にしようとする。面シール１００が、このような平行なすき間を有するように浮上できることで、こすれの可能性が少なくなる。この方法で、蒸気４６の漏れをきわめて低い設計値に維持しつつ、一次リング１０６と相手方リング１０８との間のこすれ及び機械的な劣化を低減することができる。理解されるとおり、面シール１００の構成部品の機械的な劣化の低減は、蒸気タービン３６の非稼働期間及び保守のコストを減少させることができ、面シール１００の構成部品の有効寿命を伸ばすことができる一方で、蒸気４６の漏れの低減は、蒸気タービン３６の効率を向上させることができる。

上述のように、各々の流体力学パッド２００の軸端面２０６は、面シール１００の動作を改善するための種々の外形を有することができる。例えば、１つ以上の流体力学パッド２００の面２０６が、回転の方向に（例えば、周方向５４に）収束する外形を有することで、相手方リング１０８がそれらを一方向（例えば、時計方向）に通過して回転するときに流体力学的な力を生み出すことができる。他の実施例においては、パッド２００が、蒸気タービン３６の双方向動作を可能にするために、波型の外形を有することができる。別の実施形態では、１つ以上の流体力学パッド２００の面２０６が、流体力学的な圧力の分布を改善するさらなる動圧成分（流れの衝突による）を生成すべく、径方向５２の内向きの蒸気４６の流れに対してダム部を形成する径方向５２における段差を有してもよい。このような特徴は、面シール１００の種々の部品の公差の要求又は要件の低減に役立つことができる。一次リング１０６のシール面２０８及び相手方リング１０８のシール面２１０が、面シール１００の流体力学的な耐荷重性能を向上させるために種々の外形又は表面の特徴を有してもよいことに、注意すべきである。

さらに、各々の流体力学パッド２００を付勢するばね２０４の数、及びそれぞれの流体力学パッド２００に対するばね２０４の位置は、種々の実施形態においてさまざまであってよい。例えば、図示の実施形態では、流体力学パッド２００は、おおむね流体力学パッド２００の中央に接続された１つのばね２０４によって相手方リング１０８に向けて付勢されている。他の実施形態では、各々の流体力学パッド２００は、流体力学パッド２００を相手方リング１０８に向けて付勢する複数のばね２０４を有することができる。例えば、各々の流体力学パッド２００を、流体力学パッド２００のそれぞれの角に１つのばね２０４を結合し、４つのばね２０４によって相手方リング１０８に向けて付勢することができる（図８を参照）。さらなる例として、特定の実施形態では、各々の流体力学パッド２００が、流体力学パッド２００の中央から（例えば、径方向５２の内側又は径方向５２の外側に）ずらされて流体力学パッド２００と結合した１つのばね２０４を備えることができる。板ばねを、図示のコイルばねの代わりに使用することが可能である。

図６及び図７は、面シール１００の一次リング１０６の実施形態の斜視図であり、一次リング１０６の局所弾性流体力学パッド２００を示している。上述したように、局所弾性流体力学パッド２００の各々を、１つ以上のばね２０４によって支持することができる。結果として、流体力学パッド２００の各々は、一次リング１０６の平面に対して個別に（例えば、他の流体力学パッド２００とは無関係に）出入りすることができる。この方法で、流体力学パッド２００の各々は、熱による力、圧力による力、及び／又は過渡的な力に起因して動的に変化する相手方リング１０８の向きに従うことができる。

図示の実施形態では、一次リング１０６が、周方向５４に一次リング１０６の周りに実質的に等間隔に配置された６つの局所弾性流体力学パッド２００を備える。しかしながら、他の実施形態では、一次リング１０６が、後述されるように、他の数の流体力学パッド２００及び／又は他の構成に配置された流体力学パッド２００を備えることができる。例えば、図示の実施形態では、流体力学パッド２００が、一次リング１０６において径方向５２における実質的に類似の位置を有する。しかしながら、他の実施形態では、流体力学パッド２００を、径方向５２において互い違いに配置することができる。例えば、或る流体力学パッド２００が、径方向５２における第１の位置を有し、隣の流体力学パッド２００が、径方向５２における第２の位置を有することで、一次リング１０６を周方向５４に巡る千鳥配置を形成することができる。

さらに、一次リング１０６の図示の実施形態は、図４に関連して上述した内容と同様に、第１及び第２のセグメント１５０及び１５２を含む。加えて、一次リング１０６の接合面１５４は、第１及び第２のセグメントの相対的な軸方向５０の移動を可能にするローラピン１７４を備える。しかしながら、一次リング１０６の他の実施形態は、局所弾性流体力学パッド２００を備えるが、セグメントに分けられた構成でなくてもよいことに、注意すべきである。同様に、他の実施形態において、一次リング１０６は、セグメントに分けられた構成を備えることができるが、上述の局所弾性流体力学パッド２００を備えなくてもよい。

図８及び図９は、面シール１００の一次リング１０６の別の実施形態の斜視図であり、一次リング１０６の局所弾性流体力学パッド２００を示している。具体的には、図８は、局所弾性流体力学パッド２００を有する一次リング１０６を示しており、各々の局所弾性流体力学パッド２００は、一次リング１０６の面に切り開かれたそれぞれの凹所２０２内の４つのばね２０４によって相手方リング１０８に向けて付勢されている。図示のとおり、各々の凹所２０２は、凹所２０２の４つの角の各々に１つのばね２０４を備える。このような配置は、一次リング１０６の傾きの傾向を修正するための所望のモーメント特性をもたらすように、パッド２００の４つの角においてばね２０４の剛性を個別に調節する能力を提供する。例えば、上部の角においてばね２０４の剛性を高めることによって、パッド２００の外径に近い領域を、内径と比べて従順でないようにすることで、パッド２００の内径において局所的に流体膜の厚さを外径における厚さよりも大きくし、内径における膜厚を外径における膜厚よりも小さくする傾きを生じさせる動作現象を補償することができる。図示の実施形態では、ばね２０４がコイルばねであるが、他の実施形態では、ばね２０４が、板ばね又は梁など、他の種類のばねであってもよい。図９は、局所弾性流体力学シール２００を有する一次リング１０６の実施形態を示しており、局所弾性流体力学シール２００の各々が、一次リング１０６のそれぞれの凹所２０２に配置されたそれぞれのベローズばね３００によって付勢されている。ベローズの肉厚、ベローズの巻きの間隔、及び巻きの数を選択することによって、シールの流体力学的性能を不安定にしようとする空気力学的モーメント（例えば、風圧による）に抵抗するためのパッドの弾性機構の所望の力及び構造的なモーメント特性を達成することができる。各々の局所弾性流体力学シール２００は、図示の実施形態では１つのベローズばね３００によって付勢されているが、他の実施形態は、他の数のベローズばね３００を備えることができる。

図１０及び図１１は、面シール１００の一次リング１０６の別の実施形態の斜視図であり、一次リング１０６の局所弾性流体力学パッド２００の他の配置を示している。具体的には、図１０及び図１１においては、一次リング１０６が、第１の径方向内側の局所弾性流体力学パッド２００の組３１０と、第２の径方向外側の局所弾性流体力学パッド２００の組３１２とを備える。加えて、局所弾性流体力学パッドの第１の径方向内側の組３１０及び第２の径方向外側の組３１２は、互いに一次リング１０６を周方向５４に巡って交互に配置されている。しかしながら、他の実施形態では、第１の径方向内側の組３１０及び第２の径方向外側の組３１２が、周方向において互いに交互にされていなくてもよい。加えて、理解されるとおり、第１の径方向内側の組３１０及び第２の径方向外側の組３１２は、同数又は異なる数の局所弾性流体力学パッド２００を有することができる。さらに、図１１においては、局所弾性流体力学パッド２００の第２の径方向外側の組３１２の各々が、表面処理３１４を備える。具体的には、局所弾性流体力学パッド２００の第２の径方向外側の組３１２の各々は、各々の流体力学パッド２００のそれぞれの面２０６上にミクロンの長さ規模の外形又は溝３１４を備える。理解されるとおり、各々の流体力学パッド２００のそれぞれの面２０６のマイクロ規模の外形又は溝３１４は、一次リング１０６の内径３１６に向かうさらなる圧力を生成でき、したがって一次リング１０６を相手方リング１０８に接触しないように保つさらなる流体力学的な分離力をもたらすことができる。

図１２及び図１３は、面シール１００の一次リング１０６の別の実施形態の斜視図であり、一次リング１０６のシール面２０８に形成された種々の表面処理又は特徴を示している。例えば、図１２において、一次リング１０６のシール面２０８は、外径３２２からシール面２０８の内径３２４に向かって延びている溝３２０（例えば、螺旋溝）を備える。理解されるとおり、溝３２０は、シール面２０８に形成されてシール面２０８の内径３２４に向かって延びている凹所であってよいが、シール面２０８の内径３２４には達していなくてよい。むしろ、各々の溝３２０は、ダム部３２６を有する。したがって、蒸気４６又は他の気体は、蒸気タービン３６の稼働時に外径側から溝３２０に進入し、溝の湾曲に沿って加速しつつ、溝を通って各々の溝３２０のダム部３２６に向かって流れ、最終的にダム部３２６に衝突することで、動的な圧力の上昇を生じさせて流体力学的な分離力をもたらすことができる。このようにして、溝３２０は、一次リング１０６の内径３２４に向かうさらなる圧力の発生を可能にすることができる。図１３においては、一次リング１０６のシール面２０８が、Ｙ字状の溝３３０を備える。図示のとおり、各々のＹ字溝３３０は、ステム部分３３２から出発して内径及び外径に達する前に終わるＹ字形の溝３３０を形成するように、シール面２０８の真ん中から外径３２２及び内径３２４の両方に向かって延びている。蒸気４６又は他の気体が、孔３３４を通ってＹ字溝３３０に供給される。Ｙ字溝３３０は、外径３２２及び内径３２４の両方に向かって同時に流体を送り、一次リング１０６の外径３２２又は内径３２４の付近の領域に流体力学的な圧力を生じさせる。このようなＹ字形の溝の構成により、Ｙ字の外側の枝路及び内側の枝路が、相手方リングのシール面２１０のコーニングに追従するために必要な自己修正の流体力学的な力をもたらす。

理解されるとおり、上述した実施形態の特徴（例えば、表面処理及び／又は外形）の各々は、互いに個別又は任意の組合せで、面シール１００の種々の部品のうちの１つ以上の一部として含まれてよい。例えば、図１２及び図１３の一次シール面２０８について示した流体力学的特徴を、相手方リングのシール面２１０に適用することができる一方で、一次シール面２０８が、無地の平坦な表面であってよい。加えて、当業者であれば、上述した種々の配置、表面処理、及び他の特徴が、本発明の技術的範囲に包含されると考えられる他の構成を有してもよいことを、理解できるであろう。

本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有し、或いは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

Claims (20)

1. 蒸気タービン（３６）と、
   蒸気タービン（３６）の面シール（１００）と
   を備えるシステムであって、
   面シール（１００）が、
   蒸気タービン（３６）のロータ（４０）と結合したロータリング（１０８）と、
   蒸気タービン（３６）の静止ハウジング（１１０）と結合したステータリング（１０６）と
   を備えており、
   ステータリング（１０６）は、ステータリング（１０６）のシール面（２０８）から延在してロータリング（１０８）と係合するように構成された複数のパッド（２００）を備えるシステム。
2. 複数のパッド（２００）の各々は、ステータリング（１０６）のシール面（２０８）に形成されたそれぞれの凹所（２０２）に配置されている、請求項１記載のシステム。
3. 複数のパッド（２００）の各々は、それぞれの凹所（２０２）からそれぞれのパッド（２００）に延在している１以上のそれぞれのばね（２０４）によってロータリング（１０８）に向かって付勢されている、請求項２記載のシステム。
4. 複数のパッド（２００）の各々の１以上のばね（２０４）が、それぞれのパッド（２００）の中央に結合されている、請求項３記載のシステム。
5. 複数のパッド（２００）の各々は、ステータリング（１０６）の円周の周りにほぼ等間隔に配置されている、請求項１記載のシステム。
6. ロータ（４０）と、
   ロータ（４０）の周囲に配置された静止ハウジング（１１０）と、
   ロータ（４０）の周囲に配置された面シール（１００）と
   を備えるタービンであって、
   面シール（１００）が、ロータ（４０）と結合したロータリング（１０８）と、静止ハウジング（１１０）と結合したステータリング（１０６）とを備えており、
   ステータリング（１０６）が、ステータリング（１０６）のシール面（２０８）からロータリング（１０８）に延在している複数の流体力学パッド（２００）を備えている、タービン。
7. ステータリング（１０６）は、静止ハウジング（１１０）と結合した支持部（１２６）を備え、ステータリング（１０６）は、ロータリング（１０８）に流体力学的に係合するように構成されている、請求項６記載のタービン。
8. ステータリング（１０６）は、支持部（１２６）とステータリング（１０６）との間を延びるばね（２０４）によってロータリング（１０８）に向けて付勢されている、請求項７記載のタービン。
9. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、ステータリング（１０６）に形成されたそれぞれのポケット（２０２）に配置されている、請求項８記載のタービン。
10. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、それぞれのポケット（２０２）とそれぞれのパッド（２００）との間に配置されたそれぞれのパッドばね（２０４）によってロータリング（１０８）に向けて付勢されている、請求項９記載のタービン。
11. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、それぞれのポケット（２０２）とそれぞれのパッド（２００）との間に配置された４つのそれぞれのパッドばね（２０４）によってロータリング（１０８）に向けて付勢されており、４つのそれぞれのパッドばね（２０４）の各々は、それぞれのパッド（２００）の角に配置されている、請求項９記載のタービン。
12. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、１以上の流体力学的な表面処理又はミクロン長さの外形を備える、請求項６記載のタービン。
13. 複数の流体力学パッド（２００）は、ステータリング（１０６）の円周の周りにほぼ等間隔に配置されている、請求項６記載のタービン。
14. 複数の流体力学パッド（２００）は、ステータリング（１０６）においてほぼ等しい径方向における位置に配置されている、請求項６記載のタービン。
15. タービンのロータの周囲に配置されるように構成されたステータリング（１０６）を備えるシステムであって、
    ステータリング（１０６）が、ステータリング（１０６）のシール面（２０８）から延在する複数の流体力学パッド（２００）を備えており、複数の流体力学パッド（２００）の各々が、ロータリング（１０８）に流体力学的に係合するように構成されている、システム。
16. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、ステータリング（１０６）に形成されたそれぞれの凹所（２０２）に配置されている、請求項１５記載のシステム。
17. 流体力学のパッド（２００）の各々は、それぞれの凹所（２０２）とそれぞれの流体力学パッド（２００）との間を延びている１以上のそれぞれのパッドばね（２０４）によってロータリング（１０８）に向けて付勢されている、請求項１６記載のシステム。
18. 複数の流体力学パッド（２００）の各々は、１以上の流体力学的な表面の形状又は処理を備える、請求項１７記載のシステム。
19. １以上の流体力学的な表面の形状又は処理は、Ｙ字形の溝又はらせん状の溝を備える、請求項１８記載のシステム。
20. １以上のそれぞれのパッドばね（２０４）は、コイルばね又はベローズばねを備える、請求項１７記載のシステム。