JP2015511677A - タービン用のラビリンスシール - Google Patents

Abstract

タービンにおいて定置の部分（２３）と回転部分との間の作動流体の流れに対する、周方向に延びる障壁を形成する複数のフィン（２４）の群を含むシールを備えたラビリンスシールが記載される。グループにおいて、最後から２番目のフィンと最後のフィン（２４１）との間の容積は、グループにおける隣接した別のフィンとの間の平均的な容積に比べて変更されている。

Description

本発明は、タービンの回転部分と、静止部分との間に組み付けられたシール、特に定置の蒸気タービンのロータシャフトと、静止ケーシングまたはケーシングの延長部との間に組み付けられたシールに関する。

背景技術
以下の説明において、用語「タービン」は、ステータと、水またはガスのような流動性の媒体によって力を伝達するように接続された回転部分とを備えた回転式エンジンに関して使用される。本発明の特別な対象は、可動のロータブレードの配列と半径方向で交互に配置された、半径方向に配置され位置固定されたステータブレードまたはベーンを有する軸流タービンである。運動は、概して、ケーシングまたはハウジングに対して相対的な運動として記載される。

タービンの設計および運転において直面する共通の問題は、定置の蒸気タービンのロータシャフトと、ケーシングまたはケーシングの延長部との間の漏れである。

漏れを減じるために、回転部分と、静止部分との間の隙間を適切なシールによって閉じることが知られている。タービンにおいて使用されるシール装置は、蒸気シール、グランドシール、ラビリンスシール、蒸気パッキン、ダイヤフラムパッキンおよび圧力パッキンとして知られている。これらのシールの基本的な構成要素は、シールリングである。シールリングは、典型的には弓形のシールリングセグメントとして提供されるリング形に形成された構造体である。シールリングは回転部材を取り囲み、かつ回転部分と、該回転部分を取り囲む定置の部分との間の隙間を少なくとも部分的に埋める、またはブロックする。

上記の目的のために使用される最も一般的なシールは、ラビリンスシールである。ラビリンスシールは、典型的には、一方の部分において半径方向に延びる環状の複数のナイフ、フィンまたはティースと、他方の部分に設けられた対応する環状のシール領域とを有しているか、またはねじ山または溝の配列を有している。より複雑なシールは、半径方向に延びて互いにかみ合う環状のナイフ、フィンまたはティースを隙間の両側に有している。全ての態様は、隙間を通る流体のための曲がりくねった通路を提供するという共通の特徴を有している。ラビリンスシールは通常、完成したリングとして、ケーシング内でケーシングにより支持された半部、四半部またはより小さなセグメントとして組みつけられている。

ラビリンスシールは良く知られているので、本発明の目的としては、このようなシールが、適切に機能するために厳格な寸法公差を要求する複雑な形状を有していることを強調すれば十分である。シールの部分の既定位置からの運動または運転中の摩耗は、通常、可動部分と静止部分との間の漏れまたは摩擦の著しい増大を発生させる。

ブレードが半径方向に膨張または収縮した場合にシールの部分同士の相対運動を調整するために、幾つかのシールは、ばね押さえ式のパッケージとして組み立てられている。ばね押さえ式のパッケージでは、弾力がシールの一方の部分を他方の部分に対して押圧し、したがって可動のブレードが収縮または膨張した場合に隙間の拡大または過度の摩擦を阻止する。

ラビリンス型のシールは、多数の刊行物において説明されており、たとえば米国特許第４４２０１６１号明細書または米国特許第５７３５６６７号明細書または米国特許第６１３１９１０号明細書によりそれぞれ示されている。これらの刊行物は全て、本発明のための背景知識を得るために使用され得る。

ラビリンスシールの性能の改善は、恒久的な課題であり、本発明は、特に既存の定置のタービン、特に蒸気タービンの改良に関連する別の問題に対応している。

発明の概要
本発明の態様によれば、タービン用のシールが提供される。シールは、タービンの定置の部分と回転部分との間に作動流体の流れに対する周方向に延びる障壁を形成する、軸方向で一連の幾つかのフィンを有しており、一連のフィンにおいて、最後から２番目のフィンと最後とのフィンとの間の容積は、一連のフィンの隣接したフィンの間の平均的な容積に比べて大きく形成されている。

一連のフィンは、ラビリンスシールの一方の側を形成する、途切れることなく連続して隣接したフィンである。典型的には、一連のフィンの形状およびサイズは、同一であるか、少なくとも極めて類似している。容積は、隣接したフィンの先端部を結ぶ直線または面まで計測された容積である。

本発明の好ましい態様では、容積を増大させる溝は、定置の部分において、最後から２番目のフィンと最後のフィンとの間に設けられている。溝によって、最後から２番目のフィンと最後のフィンとの間の容積は、隣接する別の２つのフィンの間の容積よりも大きくなる。

本発明の別の好適な態様では、一連のフィンのうち最後のフィンを除く全てのフィンが、シールにわたる作動流体の流れの方向とは逆方向に傾斜されている。この態様では、最後のフィンは好適には真っ直ぐである。この態様のさらに好適な変化形では、全てのフィンは基本的に同一の高さを有している。この高さは、一連のフィンが組み付けられるベースの表面を形成する、タービンの軸線に対して平行に延びる真っ直ぐなベースラインから、フィンの各先端部に向かって半径方向に測定される。定置の部分と回転部分との間の隙間の他方の側にある領域が基本的に平坦な表面である場合、一連のフィンの先端部とこの領域との間の距離は基本的に等しい。

一連のフィンは、典型的には材料の単独のストリップから機械加工される。しかし、各フィンまたはフィンセグメントを個別にベースブロックまたは担体に位置固定することも可能であり、「コーキング」と呼ばれるプロセスにおいて個別に組み付けられる。フィンは、典型的には鋼合金のような金属から製造されている。

本発明のこれらの態様および別の態様は、以下の詳細な説明および以下に挙げる図面から明らかになるだろう。

本発明の例示的な実施の形態を添付の図面に関連して説明する。

本願発明が適用され得る環境を示すために、（公知の）蒸気タービンのロータ／ステータ区分を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態を示す図である。 本発明の実施の形態による変更されたシールと比較するための、先行技術のシールの数値シミュレーションにより得られた結果の描画を示す図である。 先行技術のシールと比較するための、本発明の実施の形態による変更されたシールの数値シミュレーションにより得られた結果の描画を示す図である。 従来のラビリンスシールと、本発明の別の実施の形態により改良されたシールとを通じた漏れ流量を比較するグラフである。 本発明による可能なラビリンスシールを示した図である。

上記で説明したようなラビリンスシールは、ケーシングからロータシャフトをシールするグランドシールとして有利に使用され得る。グランドシールは、異なる軸方向のタービンブロック間、タービンと発電機との間、かつより一般的には軸受けの近傍に位置している。

図１に示した概略的な軸方向の部分断面図は、ロータシャフト１１とケーシング１２との間の公知のグランドシールシステム１０を示している。このシステム１０は、周方向に延びる、軸方向で一連のラビリンスシール１３を有しており、これらのラビリンスシール１３は、矢印の方向、つまり図面の左から右に向かう加圧された蒸気の流れを減じる。ラビリンスシール１３はそれぞれ、周方向に延びる１０個のフィン１４を支持している。これらのフィン１４は、流れ方向とは逆方向に傾斜している。図示されたシールは、Ｐ（ｎ）およびＰ（ｎ＋１）として示される、隣接するシール間の固定された差圧を有している。グランドシールにわたって固定された圧力差を有するラビリンスシールは、通常の運転においてシールの両側で一定の圧力を維持することにより規定される多くの蒸気タービン設備において使用される。シール１３は、たとえばロータがその既定位置外で回転しているか、またはケーシングが熱負荷または機械的負荷により変形されている場合に摩擦を減じるためのばねパッケージ（図示せず）によってケーシングに接続されていてよい。

典型的には、シールのロータ側は、同数のフィンを支持していて、該フィンは、ケーシングまたは別の表面構造に設けられたフィン１４と交互に配置され、蒸気のための曲がりくねった通路を提供することができる。このような交互に配置されたシール設計は、シールの所定長さに対するシールの効率を増大し得ることが認識されている一方で、特にシールが既存の蒸気タービン内への組込み部材として設置される場合、ロータの表面を変更することはしばしば望ましくなく、場合によっては不可能ですらある。

以下の説明および効率計算のためには、シールのロータ側が滑らかな表面であると仮定される。図２Ａに示した例では、シール２３が合計１０個のフィン２４を支持している。最初の９個のフィン２４は、図１に示したシール１３の最初の９個のフィン１４と実質的に同一である。しかし、シール２４の最後のフィン２４１は、傾斜していない真っ直ぐなフィンである。

最後のフィンの変更、ひいては最後から２番目のフィンと最後のフィン２４１との間の空間２４２の幾何学形状の変更とは、些細なものと見なされ得るにもかかわらず、このような変更の結果として意想外にもより高い効率が生じた。設計変更の効果は、図２Ｂおよび図２Ｃに図示されているように、標準的な流れモデル化法を用いてモデル化され得る。図は、蒸気流の方向とは逆方向に傾斜するフィンの場合（図２Ｂ）と、最後のフィンが真っ直ぐである場合（図２Ｃ）との、隣接したフィンの間に空間を有して形成される頂部領域（Vertices）を示している。渦流を形成するものの、パターンは、フィンのおよび最後のフィンの上流側の空間の幾何学形状の変更に基づいて、傾斜された２つのフィンの間のパターンとは著しく異なって見える。

図２Ｄには、シールにわたる一定の圧力降下を使用して実施されるシミュレーションの結果が棒グラフに纏められている。グラフは、（左から右に向かって）傾斜した１３個のフィンを備えたラビリンスシール、傾斜した１２個のフィンおよび真っ直ぐな最後のフィンを備えたラビリンスシール、傾斜した１７個のフィンを備えたラビリンスシール、傾斜した１６個のフィンおよび真っ直ぐな最後のフィン設計を備えたラビリンスシールならびに傾斜した１９個のフィンを備えたラビリンスシールに沿った漏れ流を比較している。

まず、傾斜した１３個のフィンを備えたラビリンスシールと、傾斜した１２個のフィンおよび真っ直ぐな最後のフィンを備えたラビリンスシールとを比較すると、漏れ流量は、０．１６１８ｋｇ／ｓの蒸気から０．１４４８ｋｇ／ｓへと減少し、つまり約１０％減少した。傾斜した１７個のフィンを備えたラビリンスシールと、傾斜した１６個のフィンおよび真っ直ぐな最後のフィンを備えたラビリンスシールとを比較すると、漏れ流量は、０．１５８２ｋｇ／ｓの蒸気から０．１４０９ｋｇ／ｓへと減少し、つまり同様に約１０％減少した。変更された両ラビリンスシールは、傾斜した１９個のフィンを備えたラビリンスシール（０．１５３７ｋｇ／ｓ）に比べて改善された性能を示した。

この結果は、最後のフィンの位置における幾何学形状の変更かつ最後のフィンの位置の周囲における幾何学形状の変更が、シールのフィンの総数を変更しない場合ですら、ラビリンスシールの総効率のかなりの改善を有し得ることを示している。図３には、択一的な態様が示されている。

図３では、ラビリンスシール３３が、流れ方向とは逆方向に傾斜した複数のフィン３４を支持している。この実施の形態では、全てのフィンが等距離で組み付けられている。最後から２番目のフィンと最後のフィン３４１との間の空間の幾何学形状を変更するために、これら２つのフィンの間の空間３４２は、ラビリンスシール３３内へと延びる溝を有しており、これにより最後から２番目のフィンと最後のフィン３４１との間の空間は、隣接した別の２つのフィン３４の間の空間よりも深く形成されており、結果として、最後から２番目のフィンと最後のフィン３４１との間の容積は、隣接している別の２つのフィン３４の間の容積よりも大きくなる。本明細書において、「最後から２番目」および「最後」とは、シールにわたる作動流体の流れの方向に基づいて理解される相対的な位置である。つまり、最後のフィン３４１は、最も下流側にあるフィン３４であるのに対して、最後から２番目のフィンは、最後のフィン３４１の直ぐ上流側のフィン３４である。

さらに、異なって傾斜された最後のフィンの使用の効果と、シールの最後の２つのフィンの間の空間の幾何学形状の別に提案された変更とを組み合せることも可能である。さらに、シールの最後の２つのフィンの間の空間の幾何学形状をさらに改良することも可能であり、たとえば付加的な溝のパターンまたは最後のフィンの形状の変更も、観測された効果を増強することができる。

シールは、ブラシシールのような異なる種類のシールと自体公知の形式で組み合わせることもできる。軸方向の一連のフィンと共に組み付けられたブラシシールの場合、ブラシシールの両側に設けられたフィンは、本発明の範囲内で新しい一連のフィンを形成すると見なされ得る。フィンまたはフィン内の空間が、規則的なパターンかつ／または繰り返しのパターンによりシールの複数のフィンにわたって変更される場合、最後の２つのフィンの間の空間の形状または幾何学形状は、シールの別の部分における２つのフィンの間のいずれの空間の形状または幾何学形状からも逸脱していることが求められている。最後の２つのフィンの間の空間の形状または幾何学形状の変更は、製造公差における通常の変化量をはっきりと超えることも求められている。

本発明は、本明細書に説明されまたは示唆された、または図面に示されまたは示唆されたあらゆる個別の特徴、これらの特徴のあらゆる組合せ、これらの特徴のあらゆる一般化または同等の範囲に及ぶ組合せを含む。したがって、本発明の広がりおよび範囲は、上述の例示的な実施の形態のいずれによっても制限されるべきではない。同一、同等または類似の目的に役立つ択一的な特徴は、特に明記しない限り、図面を含む本明細書に開示された各特徴と置き換えることができる。

特に明示しない限り、本明細書全体における先行技術のあらゆる議論は、これらの先行技術が広く知られているか、または当該分野の共通する一般的な知識の一部を形成していることを認めるものではない。

１０ グランドシールシステム
１１ ロータシャフト
１２ ケーシング
１３，２３，３３ ラビリンスシール
１４，２４，３４ フィン
２４１，３４１ 最後のフィン
１６，２６，３６ 先端部
２４２，３４２ （フィンの間の）空間
３５ 溝

Claims (6)

1. 軸流タービン用のラビリンスシール配列であって、
   定置の部分（１３）および回転部分（１１）と、
   軸方向の一連のフィン（１４）であって、前記定置の部分（１３）の複数の位置に沿って等間隔に分配され、それぞれ前記定置の部分から前記回転部分に向かって先端部まで延びていて、これにより前記定置の部分（１３）と前記回転部分（１１）との間で作動流体の流れに対する周方向に延びる障壁を形成する、フィン（１４）と、
   最後から２番目のフィンと最後のフィン（３４１）との間に配置された、前記定置の部分の溝（３５）とを備え、該溝（３５）により、前記最後から２番目のフィンと前記最後のフィン（３４１）との間の容積が、前記一連のフィンの隣接する別の２つのフィン（１４）の平均的な容積よりも大きいことを特徴とする、軸流タービン用のラビリンスシール配列。
2. 前記一連のフィン（１４）の、前記最後のフィン（３４１）を除く全てのフィン（１４）は、前記シールにわたる前記作動流体の流れの方向とは逆方向に傾斜されている、請求項１記載の配列。
3. 前記一連のフィンの全てのフィン（１４）は、基本的に同じ長さを有している、請求項１記載の配列。
4. 前記一連のフィン（１４）の各先端部（１６）の間の距離は、基本的に同じである、請求項１から３までのいずれか１項記載の配列。
5. 前記一連のフィン（１４）の、前記最後のフィン（２４１）を除く全てのフィン（１４）は、前記シールにわたる前記作動流体の流れの方向とは逆方向に傾斜されており、前記最後のフィン（２４１）は、基本的に真っ直ぐである、請求項１記載の配列。
6. 蒸気タービンのケーシングとロータシャフトとの間のグランドシールの一部である、請求項１記載の配列。

Images