JP4224210B2 - パッキン装置およびパッキン装置の利用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、タービン機械において回転中心線を中心として回転する回転構成要素と、回転中心線に対して不動の固定構成要素との間に形成された軸方向隙間を密封するためのパッキン装置に関する。本発明は更に、軸方向隙間が動翼とこの動翼から軸方向に間隔を隔てられた静翼との間に形成されている蒸気タービンにおける軸方向隙間を密封するためのパッキン装置の利用方法に関する。
【０００２】
ヨーロッパ特許出願公開第０６１１９０５号明細書に、特に流体機械において異なった圧力を持つ空間の間の半径方向隙間を非接触式に密封するための装置が記載されている。この場合、異なった圧力を持つ空間の間の軸貫通部に適当なパッキンを設けなければならない。上述の装置は、回転部分と固定部分との間に段階状のラビリンス隙間を形成するラビリンスパッキンから成っている。そのラビリンス隙間内においてそれぞれ回転部分および固定部分にパッキンひれが配置され、これによって、貫流する媒体の大きな渦流度（流体の渦の強さ）が得られる。固定部分と回転部分との間のパッキンひれは、軸方向に延びる隙間の半径方向における密封が生ずるように、できるだけ互いに接近して配置される。パッキンひれは、互いに隣接する段のパッキンひれが軸方向において互いに重なり合うように、半径方向に向いて延びている。パッキンひれ群はそれに対応した固定溝の中にかしめワイヤの助けを借りて固定されている。
【０００３】
１９９１年発行の刊行物「ＶＧＢ クラフトベルクステヒニーク ７１（VGB Kraftwerkstechnik 71）」、第２号、第１１６〜１２２頁に掲載のＤ．ベルクマン、Ｍ．ヤンセン、Ｈ．オインハウゼン共著の論文“蒸気タービン構成要素の近代化と寿命延長策”に、蒸気タービンのタービン翼に対する種々のパッキンが記載されている。そのパッキンは半径方向の隙間を密封するために使われる。即ち、タービン軸と静翼との間の半径方向間隔あるいは動翼と車室内側壁との間の半径方向間隔によって漏れ蒸気用の通路を形成するタービン軸の軸方向に延びる隙間を密封するために使われる。静翼に凹所を設けたパッキンも記載されている。タービン軸および静翼に軸方向において互い違いにパッキンひれを配置した、いわゆるひれ・ひれ形パッキンにおいて、最小の相対漏れ蒸気流量率が得られる。
【０００４】
ドイツ特許第３８３６４７４号明細書に、２つの端板およびこれらの両端板間に配置され、密集して束ねられた剛毛から成るブラシ形パッキンが記載されている。その剛毛はその自由端が端板を越えて突出している。剛毛は多数のセグメントの形にまとめられ、これらのセグメントはパッキンの主平面内においてそれぞれ隙間によって互いに分離されて連続して配置されている。このブラシ形パッキンは相対回転する２つの部品間の半径方向隙間を密封するために使われる。
【０００５】
ドイツ特許第３４２５１６２号明細書に、平行に延びる剛毛で形成されたブラシ形パッキンの様式を持ち、その剛毛が回転機械部品の中心線に対して傾けられたラジアルパッキンが記載されている。ブラシ形パッキンを形成する、異なった剛毛付きラジアルパッキンは、１９０８年６月１０日登録のオーストリア特許第３３２５２号明細書、米国特許第５３１６３１８号明細書および国際特許出願公表ＷＯ９２／０５３７８号明細書に記載されている。
【０００６】
ドイツ特許出願公開第１９５１９３２２号明細書に、回転ポンプのインペラとハウジング壁との間におけるパッキンが記載されている。ここでは液体ポンプにおいて生ずる問題、即ち被搬送液体が汚れている場合に保護部品の摩耗作用によってひき起こされる隙間の拡大を考慮する必要のあることが論じられている。この場合、両パッキンパートナーの一方が剛毛として形成され、他方のパッキンパートナーの平らな対向面に接している。両パッキンパートナーによって形成されたパッキン装置は軸方向にあるいは半径方向に延びている。
【０００７】
本発明の課題は、回転構成要素と固定構成要素との間の隙間内で生ずる隙間損失を減少するための新たなパッキン装置を提供することにある。また本発明の課題はパッキン装置の利用方法を提供することにある。
【０００８】
この課題は本発明に基づいて、タービン機械、特に熱的流体機械における回転中心線を中心として回転する回転構成要素と回転中心線に対して不動の固定構成要素との間に形成された軸方向隙間を密封するためのパッキン装置において、この軸方向隙間をその中に突出するブラシ状剛毛を有するパッキン要素によって密封することにより解決される。熱的流体機械とはガスあるいは蒸気等の流体で作動される蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機などである。
【０００９】
ここで軸方向隙間とは、その主広がり方向が回転中心線に対して垂直に延びている隙間である。なおこの隙間は回転中心線に対する垂線を中心として±４５°、特に±１５°の範囲で傾いていてもよい。軸方向隙間を通って、回転中心線に向いた方向又はそれから離れる方向に流体が搬送される。これに反し半径方向隙間においては、流体は回転中心線の方向に搬送される。従って軸方向隙間は、回転中心線に対して傾いた広がり方向に沿って延びている隙間と表現できる。
【００１０】
この場合本発明は、回転中心線に対して傾斜した方向における流体の貫流を可能にする回転中心線の軸方向に少なくとも領域的に延びている軸方向隙間を、隙間損失を減少するために、密封することができるという認識から出発している。これによって単独であるいは追加的に、軸方向隙間に流れ的に直結された半径方向隙間による隙間損失を減少することができる。ブラシ状剛毛を有するパッキン要素を配置することによって、固定構成要素と回転構成要素との間における軸方向隙間を特に効果的に密封することができ、その場合、剛毛を利用することによって、パッキン要素は一方の構成要素から他方の構成要素まで隙間をほぼ完全に覆って延ばせる。その剛毛は、密封作用を一様に維持し、損傷を生ずることなく２ｃｍまでの軸方向隙間変化（隙間幅の変化特に縮小）をも可能にする。
【００１１】
特に曲がり易く弾性的に変形可能な剛毛を利用する場合、この剛毛は回転構成要素の運転中にこの回転構成要素にあるいはまた固定構成要素に摺動的に接触することもできる。
【００１２】
パッキン要素の剛毛は、好適にはこれが軸方向隙間によって形成された横断面をほぼ完全に閉鎖するように、密集して束ねられている。パッキン要素並びに剛毛は好適には回転中心線に対して或る軸方向角度だけ傾けられている。この回転中心線に対して数学的に＋方向および−方向に存在する軸方向角度は、好適には４０°より小さい。これは特に約±２０°の範囲内、好適には±８°の範囲内にある。パッキン要素は回転中心線に対して平行に延びていてもよい。パッキン装置は、好適には一緒にパッキンリングを形成する２つ以上のパッキン要素を有している。このパッキンリングは軸方向隙間の横断面をほぼ完全に閉鎖し、これによって蒸気あるいは高温ガスのような流体の漏洩流の発生が広く防止される。複数のパッキン要素を利用することによって分割できるパッキンリングは、特に単純な分解および単純な交換に適している。
【００１３】
軸方向隙間の広がり方向は、好適には半径方向隙間に対して典型的な軸方向隙間が形成されるように、回転中心線に対して約９０°傾斜されている。
【００１４】
本発明に基づくパッキン装置は、好適にはタービン機械、特に蒸気タービン、ガスタービンあるいはタービン発電機に採用される。その場合、回転構成要素はタービン機械のタービン軸に結合される。特にパッキン装置は、タービン機械の静翼と動翼との間あるいは逆に動翼と静翼との間における軸方向隙間を密封するために適用される。この軸方向隙間内における圧力差は小さいので、ブラシ状パッキン要素の剛毛は軸方向構造様式で非常に曲がり易く形成される。特に軸方向隙間内における圧力差は、動翼と車室との間並びに静翼とタービン軸との間における半径方向の隙間内の圧力差よりもかなり小さい。これによって軸方向隙間はほぼ完全に閉鎖され、これによって、パッキン要素と静翼列ないし動翼列との間に、極めて小さな貫流横断面（残留隙間）しか形成されないか、あるいは全く形成されない。タービン機械の運転中にタービン軸がその熱膨張のためにタービン機械の車室に対して変位した際、隙間が狭まり、これによって剛毛が回転構成要素ないし固定構成要素に直に接することがあるが、この場合、剛毛は単に弾性変形するだけである。これによって、剛毛即ちパッキン要素がタービン翼を損傷しないことが保証される。更にブラシ状に形成されたパッキン要素によれば、回転中心線に対する剛毛の傾斜角（軸方向角度）を予め設定できるので、良好な軸方向流れ案内が達成される。従ってタービン機械の運転中、パッキン装置の密封作用が維持される。運転中における漏洩流は常に少ないので、このような軸方向隙間の密封様式によって、タービン機械の効率は高められる。
【００１５】
パッキン要素は、好適には固定構成要素に配置され、この場合、固定構成要素内で移動可能にすることもできる。例えば剛毛は軸方向に移動可能な２つのクランプ間に締付け固定される。パッキン要素の軸方向移動はばねおよび保持突起などを利用することによって所定の距離に制限される。またパッキン要素は回転構成要素に結合することもできる。
【００１６】
パッキン要素の利用に向けられた本発明の課題は、軸方向隙間が動翼とこの動翼から軸方向に間隔を隔てられた静翼との間に形成されている蒸気タービンにおける軸方向隙間を密封するために、ブラシ状剛毛を有するパッキン要素が、軸方向隙間を覆って静翼から動翼の方向に延びていることによって解決される。これによって、軸方向隙間を効果的に密封することができ、その場合たとえ動翼が静翼に対して軸方向に相対移動しても、動翼ないし静翼およびパッキン要素の損傷は広く防止される。
【００１７】
以下図を参照して本発明に基づくパッキン装置およびパッキン装置の利用方法について詳細に説明する。図おいて実施例は分かり易くするため尺度通りでなしに、概略的に示されている。
【００１８】
図１には、詳細に図示していないタービン機械、例えばガスタービンあるいは蒸気タービンの一部が縦断面図で示されている。タービン機械は回転中心線１０に沿って延びるタービン軸１５を有している。軸方向に互いに間隔を隔てられ、且つ円周方向に並べて配置された多数の回転構成要素１２（動翼１２）がタービン軸１５に結合されている。この円周方向に並べて配置された動翼１２は動翼列（動翼格子、動翼輪）を形成する。図を分かり易くするために唯一の動翼１２のみを示す。各動翼１２はタービン軸１５に対して垂直に延び、タービン軸１５と反対側の端部に囲い輪１８Ｂを有している。この囲い輪１８Ｂはタービン機械の車室１９に隣接して位置し、例えば車室１９に向けて突出した２つのパッキンひれ１６Ｂを有している。このパッキンひれ１６Ｂはもっと多くあるいは少なくすることもできる。車室１９にも動翼１２に向けて突出したパッキンひれ１６Ｂが設けられている。動翼１２は囲い輪１８Ｂとタービン軸１５との間に羽根部２０Ｂを有している。円周方向に互いに間隔を隔てられた２つの動翼１２間に、互いに隣接する羽根部２０Ｂによって、活動流体流２２に対する貫流開口（図示せず）が形成されている。その活動流体流２２は動翼１２を駆動するため、従ってタービン軸１５を回転させるために使われる。活動流体流２２に関して動翼１２の上流に、固定構成要素１３、即ち車室１９に結合された多数の静翼１３から成る静翼列が設けられている。この縦断面図で示されている静翼１３も、タービン軸１５に隣接して位置する囲い輪１８Ａを有している。静翼１３も囲い輪１８Ａと、車室１９との間に、活動流体流２２を転向するために使われる羽根部２０Ａを有している。囲い輪１８Ａと、タービン軸１５との間に半径方向の隙間１７Ａが形成されている。同じように車室１９と、動翼１２の囲い輪１８Ｂとの間に半径方向隙間１７Ｂが形成されている。半径方向隙間１７Ａの中に回転中心線１０に対して垂直に延びる複数のパッキンひれ１６Ａが突出している。これらのパッキンひれ１６Ａはタービン軸１５および静翼１３の囲い輪１８Ａに互い違いに結合されている。
【００１９】
詳細に図示していないタービン機械の運転中、活動流体流２２から分流した漏洩流２３が半径方向隙間１７Ａ、１７Ｂを通って流れる。静翼１３と動翼１２との間で、それぞれの囲い輪１８Ａ、１８Ｂの範囲において、動翼１２と静翼１３との軸方向間隔によって軸方向隙間１１が形成されている。この軸方向隙間１１は回転中心線１０に対して垂直な広がり方向１４に延びている。この軸方向隙間１１の中に、パッキン要素２を有するパッキン装置１が設けられている。そのパッキン要素２は、静翼１３内に配置されタービン軸１５を包囲する円環状パッキンリング４（図３参照）上にある。パッキン要素２は、静翼１３の囲い輪１８Ａと、動翼１２の囲い輪１８Ｂに対向して位置する静翼１３の脚部２４とにそれぞれ配置されている。各パッキン要素２は多数の剛毛３を有している。この剛毛３は、静翼１３から回転中心線１０に対し平行に動翼１２に向かって延びている。パッキン要素２の形成に応じて、剛毛３は動翼１２の近くまで突出し、それに接触しているか、動翼１２からほんの僅かな間隔を有している。この剛毛３によって、軸方向隙間１１をほぼ完全に閉鎖するパッキンリング４が形成されている。これによって、軸方向隙間１１、従ってこの上流あるいは下流に位置する半径方向隙間１７Ａ、１７Ｂを特に効果的に密封することができる。これによって漏洩流２３が大きく減少されるので、活動流体流２２はほとんど全部が羽根部２０Ａ、２０Ｂを通って導かれる。
【００２０】
図２には、パッキン装置の異なった実施例が、詳細には図示していないタービン機械の一部縦断面図で示されている。図１と同一部分には同一符号が付されている。そのパッキン要素２は、図１におけるパッキン要素２と異なって、回転中心線１０に対して約１５〜２０°、好適には約８°の軸方向角度αだけ傾けられている。これによって、パッキン要素２の剛毛３が動翼２に接触した際、剛毛３は共通方向に曲がり、従って軸方向隙間１１は特に有効に密封される。
【００２１】
図３には図１におけるタービン軸１５および静翼１３の囲い輪１８Ａの横断面図が示されている。囲い輪１８Ａは分割接合面２１によって対称的に２分割され、その各囲い輪半部はそれぞれに付属された複数の静翼１３（図示せず）の囲い輪部分によって形成されている。囲い輪１８Ａを多数のセグメント、例えば８個の４５°セグメントに分割することもできる。剛毛３はパッキンリング４の形にまとめられている。このパッキンリング４も分割接合面２１で互いに分割できる２つの対称部分から成っている。パッキン要素２、即ちパッキンリング４が分割構造に形成されていることによって、これは例えば、タービン機械についての点検作業あるいは修理作業の枠内において、簡単に検査ないし交換できる。
【００２２】
本発明は、特にタービン機械の回転構成要素と固定構成要素との間の軸方向隙間の中に突出し、これによって軸方向隙間の有効な密封を保証するブラシ状パッキン要素によって特徴づけられる。これによって、特に蒸気タービンに利用した場合、軸方向隙間並びにこの上流ないし下流に位置しこれに流れ的に接続された半径方向隙間を通って流れる蒸気の漏洩流が大きく減少されるので、蒸気タービンの効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくパッキン装置を備えたタービン機械の一部断面図。
【図２】 異なった実施例のパッキン装置を備えたタービン機械の一部断面図。
【図３】 図１における線ＩＩＩに沿ったタービン軸および静翼囲い輪の断面図。
【符号の説明】
１ パッキン装置
２ パッキン要素
３ 剛毛
１０ 回転中心線
１１ 軸方向隙間
１２ 回転構成要素（動翼）
１３ 固定構成要素（静翼）
１４ 軸方向隙間の広がり方向

Claims (12)

1. タービン機械における回転中心線（１０）を中心として回転する動翼を備えた回転構成要素（１２）と、回転中心線（１０）に対して不動の静翼を備えた固定構成要素（１３）との間に形成された軸方向隙間（１１）を密封するためのパッキン装置（１）であって、前記回転構成要素（１２）が前記タービン機械のタービン軸（１５）と結合され、前記軸方向隙間（１１）の中に突出するブラシ状剛毛（３）を有するパッキン要素（２）を備えていることを特徴とするパッキン装置（１）。
2. パッキン要素（２）が密集して束ねられた剛毛（３）を有していることを特徴とする請求項１記載のパッキン装置（１）。
3. パッキン要素（２）が回転中心線（１０）に対して傾斜し、軸方向傾斜角度を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のパッキン装置（１）。
4. 軸方向傾斜角度が２０°より小さいことを特徴とする請求項３記載のパッキン装置（１）。
5. 軸方向角度が約８°であることを特徴とする請求項４記載のパッキン装置（１）。
6. パッキン要素（２）が回転中心線（１０）に対して平行に延びていることを特徴とする請求項１又は２記載のパッキン装置（１）。
7. 軸方向隙間（１１）の広がり方向（１４）が、回転中心線（１０）に対して約９０°傾いていることを特徴とする請求項１記載のパッキン装置（１）。
8. 剛毛（３）が曲がり易く、弾性的に曲がることを特徴とする請求項２記載のパッキン装置（１）。
9. 一緒にパッキンリング（４）を形成する２つ以上のパッキン要素（２）を有していることを特徴とする請求項１記載のパッキン装置（１）。
10. 蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機あるいはタービン発電機における請求項１記載のパッキン装置（１）。
11. パッキン要素（２）が、前記固定構成要素（１３）内あるいは回転構成要素（１２）内に移動可能に配置されていることを特徴とする請求項１０記載のパッキン装置（１）。
12. 軸方向隙間（１１）が、動翼（１２）とこの動翼（１２）から軸方向に間隔を隔てられた静翼（１３）との間に形成されている蒸気タービンにおける軸方向隙間（１１）を密封するために、ブラシ状剛毛（３）を有するパッキン要素（２）が、軸方向隙間（１１）を覆って静翼（１３）から動翼（１２）の方向に延びていることを特徴とするパッキン装置（１）の利用方法。

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