JP4337965B2

JP4337965B2 - 回転機械用ラビリンス及びブラシ組合せシール

Info

Publication number: JP4337965B2
Application number: JP2000598791A
Authority: JP
Inventors: ターンケスト，ノーマン・アーノルド; クロマー，ロバート・ハロルド; プレスク，ロナルド・ジョン; スキナー，デビッド・ロバート; ウルフ，クリストファー・エドワード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: RU2213895C2; KR20010042489A; JP2002536612A; WO2000047919A1; KR100600922B1

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、蒸気及びガスタービンのような回転機械に対するブラシ及びラビリンス組合せシールに関し、またブラシシールを固定し並びに／又は後からはめ込んでラビリンス及びブラシ組合せシールとする方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
発電用及び機械的な駆動用に使われる蒸気及びガスタービンのような回転機械は、一般的に幾つものタービン段で構成される大形機械である。タービンでは、タービン段を流れる高圧流体が一連の不動及び回転部品を通らなければならないが、不動及び回転部品の間にシールを用いて洩れを制御する。タービンの効率は、例えば回転子及び固定子の間の洩れをシールが防止する能力に直接的に関係する。タービン並びに相対的に回転する部品を使うその他の機械は、洩れを制御する為に、頑丈な歯、即ち、ラビリンス形シールを用いるのが典型的である。従来、高−低又は真っ直ぐな軸の設計の何れかの頑丈なラビリンスシールが使われている。こういう種類のシールは、回転及び固定部品の間の洩れを制御しなければならないようなタービンの事実上の全ての場所に用いられている。こういうものとしては、段間軸シール、回転子末端シール及び羽根先端シールがある。ラビリンスシールは信頼性があることが証明されているが、不動及び回転部品が干渉しあって、ラビリンスの歯を「きのこ」形の輪郭にすり減らし、シールの隙間をあけるような過渡的な事象の結果として、この性能が時間と共に劣化する。回転機械はブラシシールをも用いてきた。一般的にブラシシールは、ラビリンスシールよりも洩れが起こり難い。ブラシシールは、シールの剛毛の撓みの為に、例えば回転子と固定子のような固定及び回転部品の間の半径方向の移動に対処することが出来る。ブラシシールは、一般的には面の凹凸に同形になる点でも一層優れている。ブラシ及びラビリンス形の組合せシールが、この出願と同じ被譲渡人の米国特許第５，４７４，３０６号に開示されている。しかし、現存のタービンの改造並びにラビリンス及びブラシ組合せシールを新しい機械に取入れるには、物理的な場所の制限の為に、シールの設計をこじんまりしたものにすることを必要とする。更に、タービンのオーバフォールの間の期間が長いこと、並びに保守のコストが高いことにより、フェールセーフの性質を持つブラシシールを提供することが望ましい。従って、現存のラビリンスシール並びに元の装置のラビリンス形のシールの外被の中にはまるようなブラシシールを設計することが望ましい。
【０００３】
【発明の開示】
この発明では、ブラシシールを、元の装置又は改造の何れであっても、ラビリンス歯のシール・リング・セグメントに用い、且つ相対的に円周方向及び半径方向方向に移動しないように容易に固定することが出来るようにして、タービンのような回転機械の環境に用いられるラビリンス及びブラシ組合せシールを提供する。この発明では、ブラシシールは、支持体によって支持された複数個の剛毛の形をしていてよい。即ち、剛毛が、弓形セグメントの形をした１対の支持板の間に配置され、例えば、ブラシシール支持体の半径方向の一番外側の部分で溶接することにより、その間に固定される。各々のシール・リング・セグメントが弓形の面を持ち、それから軸方向に隔たる複数個のラビリンス歯が突出して、軸のような回転部品と向かいあうことが好ましい。本来の装置としてブラシシールを用いるとき、又はシール・リング・セグメントにブラシシールを後からはめ込んで、ラビリンス及びブラシ組合せシールとするとき、シール・リング・セグメントの弓形の面に沿って溝を形成し、剛毛の配列に対する支持体を受入れる。即ち、弓形の板及び板の間にある剛毛がシール・リング・セグメントに対して同心であって、剛毛の半径方向内側の端が軸方向に隣接するラビリンス歯の先端を超えて突出して、向かい合っている回転部品と係合するように、溝の中に受入れることが可能である。支持体をシール・リング・セグメントに固定する為、支持体の両側の各々に沿って、支持体とシール・リング・セグメントの間に１つ又は更に多くの溶着部を設けること出来、こうしてブラシシールを、シール・リング・セグメントに対して、半径方向並びに円周方向に移動しないようにシール・リング・セグメントに固定する。剛毛の配列に対する一方の支持板にテーパつき歯先を設けて、シール・リング・セグメントにブラシシールを用いたとき、別のラビリンスシール歯を形成することが好ましい。
【０００４】
この発明の別の形式では、シール・リング・セグメントには、シール・リング・セグメントの表面より半径方向外向きに伸びる軸方向に伸びる凹部を持つ溝を設ける。同様に、ブラシシール支持体が、この支持体をシール・リング・セグメントの溝に収めたとき、凹部に入り込むようにした軸方向に伸びる脚を設け、こうして支持体及びシール・リング・セグメントを相互に半径方向に移動しないように固定する。支持体及びシール・リング・セグメントが相互に円周方向に移動しないようにする為、ブラシシール支持体及びシール・リング・セグメントの端面には、全体的に接線方向又は円周方向に伸びる開口を設け、シール・リング・セグメント及び支持体の隣接する端面を露出する。開口内に溶着材料を設けて、支持体及びシール・リング・セグメントを相対的に円周方向に移動しないように固定する。この為、ブラシシール及びシール・リング・セグメントをセグメントの一端に点溶接して、相対的な円周方向の移動を防止することが出来る。
【０００５】
ブラシシールをシール・リング・セグメントに後からはめ込むとき、回転部品のシール面は、この面から材料の薄層を加工することによって、滑らかにすることが好ましい。典型的には、現存の回転子の１つのランドを取り去るが、取り去るランドの数は、シールの軸方向の厚さ及び予想される回転子の相対的な軸方向の移動に応じて、０から１より大きい範囲であってよい。
【０００６】
この発明の好ましい実施例では、回転自在の部品と回転しないように固定された部品を持っていて、これらが回転軸線の周りにある回転機械で、前記部品の間のシールが、固定部品によって支持されていて、回転自在の部品に向かい合う弓形の面を持つ細長い弓形のシール・リング・セグメントと、シール・リング・セグメントの表面から全体的に半径方向に回転部品に向かって突出する少なくとも１つのラビリンスシール歯とを有し、シール・リング・セグメントの表面は、シール歯から軸方向に隔たって、セグメントの表面より半径方向内側に開口する溝を持ち、ブラシシールがこの溝の中に配置されていて、複数個の剛毛及び剛毛に対する支持体を持ち、剛毛は支持体の中に固定されると共に、この支持体及びセグメントの表面を超えてそれから突出して、回転部品と係合し、少なくとも１つの溶着部が支持体とシール・リング・セグメントの間にあって、支持体を溝の中に固定する。
【０００７】
この発明の別の好ましい実施例では、回転自在の部品と回転しないように固定された部品を持っていて、これらの部品が共通の軸線の周りにあり、且つこれらの部品の間のラビリンスシールが、一方の部品によって支持されて、他方の部品に向かって全体的に半径方向に突出して、その間にシールを作る複数個の全体的に円周方向に伸びる歯を持つ回転機械で、部品の間にラビリンス及びブラシ組合せシールを形成する方法が提供される。この方法は、個別の剛毛の円周方向の配列を、剛毛が軸線に対して全体的に法線方向の平面内にあって、その末端が歯の半径方向の範囲を超えて他方の部品に向かって突出して、他方の部品と実質的に密封係合するように一方の部品に固定することにより、個別の剛毛の円周方向の配列を、歯から軸方向に隔てて、この一方の部品に後からはめ込み、剛毛の配列をこの一方の配列に溶接する工程を含む。
【０００８】
従って、この発明の主な目的は、ブラシシールが後からはめ込むものとして又はもともとの装置として設けられ、固定部品及びブラシシールの相対的な円周方向の移動を防止する溶着部を持つようにして、タービンの回転及び固定部品の間にラビリンス及びブラシ組合せシールを形成する新規で改良された装置と方法を提供することである。
【０００９】
【発明を実施する最善の態様】
次に図面について説明する。図１には、回転機械、例えば蒸気タービンの一部分が示されている。この機械は、タービン・ハウジング１２内に配置されたタービン軸１０を持ち、軸１０が普通のようにタービン・ハウジング１２内に支持されている。シールリング１４がタービン・ハウジング、即ち固定部品の中に配置されていて、リングの軸方向両側の高圧及び低圧領域を分離している。高圧領域を１６で示し、低圧領域を１８で示してある。シールリング１４は、複数個の弓形シール・リング・セグメントの環状配列として形成され、このセグメントがシール面２２及び軸方向に隔たって半径方向に突出する複数個のラビリンスシール歯２４を有する。図示のように、歯は、軸１０の半径方向の突起又はランド２６及び溝２８に対する隙間を密にする為に、高−低設計である。典型的には、ラビリンスシール・リング・セグメントは、シールの両側にある高圧領域１６から低圧領域１８への流体の流れに対して比較的多数の障壁、即ち歯を配置することによって作用する。各々の障壁が流体に曲りくねった通路を辿らせることにより、圧力降下が発生する。ラビリンスシールの前後の圧力降下の和は、定義により、その軸方向の両側にある高圧及び低圧領域の圧力の差である。この種のラビリンス歯シール・リング・セグメントは、典型的にはばねで支持されており、この為、運転中に、回転子とシールの間の著しい干渉を受けたとき、半径方向に自由に移動する。ある設計では、このばねが、例えば始動及び運転停止の際、シール・リング・セグメント１４を回転子から半径方向外向きに保ち、流体圧力をシール・リング・セグメントと回転子ハウジング内の空所３０の間に供給して、シール・リング・セグメントを半径方向内向きに変位させ、回転子との隙間を一層小さくする、即ち、回転子が所定速度になった後、シールを閉じる。
【００１０】
図１はまたラビリンス／ブラシ組合せシールを持つシール・リング・セグメントを示している。図示のように、シール・リング・セグメントは、全体を３２で示したブラシシールを備えることが出来る。ブラシシール３２は元からの装置として、又は現存のシール・リング・セグメントに後からはめ込むものとして設けることが出来る。各々のブラシシールが、複数個の細長い剛毛３６に対する支持体３４を有する。例えば、支持体３４は、剛毛３６の軸方向の両側にある１対の全体的に弓形の支持板３８及び４０で構成することが出来る。ブラシシール支持体３４は、シール・リング・セグメントと境界を接しており、シール・リング・セグメントの端面と同じ半径方向の平面に端面を有する。支持板が、その半径方向一番外側の端に沿って互いに溶接され、剛毛が互いに並びに板に対して同じ場所で溶接される。
【００１１】
図２に一番よく示されているが、ブラシシールの低圧側又は下流側にある支持板３８が剛毛３６の支えとして作用する。支持板３８が剛毛３６の末端より手前でテーパつきの歯の輪郭４４で終端することが好ましい。この為、剛毛３６の端は、回転部品、即ち、軸１０の面に接し、それと係合するものであるが、歯４４は軸から隔たっていて、剛毛３６を支える追加のラビリンスシール歯として作用する。上流側又は高圧側の前側の板４０が、剛毛３６の上流側の面から隔たっている。この空間により、回転する面と係合したとき、剛毛が撓むことが出来る。
【００１２】
ブラシシールを形成するとき、剛毛は、剛毛に対する支持板として最終的に作用する環状リングの上に配置するのが普通であり、これに対して前側の板は剛毛の上に配置される。その間に剛毛がある環状板が、その半径方向の一番外側の縁に沿って溶接され、環状支持板／剛毛／前側の板が、半径方向の端面に沿ったシール・リング・セグメントと同じ数のセグメントに分割される。剛毛が、板の半径とはずれた角度で板の間に配置されることが理解されよう。環状ブラシシールリングを切断するとき、これは１つの剛毛セグメントの端面から隣接する剛毛セグメントの向かい合った端面まで他の場合なら伸びるような剛毛の一部分を取り去り、隣接する剛毛セグメントに、図７及び８の４６に示すように、剛毛が伸びていない三角形区域が残るような半径に沿って切断される。しかし、ブラシ・セグメントをシール・リング・セグメントに固定したとき、こういう輪郭にした支持歯４４が剛毛のない区域で、シールとして作用する。
【００１３】
図１に戻って説明すると、シール・リング・セグメントはもともとの装置として、あるいは後から設けるものとして、ブラシシールセグメントを受入れる溝又は溝孔４８を設けることが出来る。溝４８が、シール・リング・セグメントの軸方向の両端の間の大体中心位置にあるものとして示されているが、シールセグメントのラビリンスシール歯と組合せて１つ又は更に多くのブラシシールを設ける為のシールの軸方向の範囲に応じて、シール・リング・セグメント内に１つ又は更に多くの溝を設けることが出来、図に示したのとはシール面２２に沿った異なる軸方向の位置に設けることが出来る。
【００１４】
図１及び３について説明すると、シール・リング・セグメントに形成された溝４８は平行な側壁及びブラシ・セグメントを受入れる弓形の溝孔を形成する基部を有する。ブラシ・セグメントが、前側の板４０が上流側を向くようにして、溝４８内に配置されることに注意されたい。ブラシシールを溝孔の中に保持する為、ブラシシールセグメントと溝４８に隣接する面２２の継目に沿って、１つ又は更に多くの溶着部が設けられている。この溶着部が図７に５０で示されている。即ち、シール・リング・セグメント２０の面２２と継目で、ブラシ・セグメントの両側に沿ってステッチ溶着部を設け、ブラシシールをシール・リング・セグメントに対して半径方向及び円周方向に移動しないように保つことが出来る。
【００１５】
次に図４に示す実施例について説明すると、シール・リング・セグメントの溝４８は、軸方向に伸びると共に、溝４８が開口している面２２より半径方向外向きに伸びる凹部６０を持っていてよい。この形式では、ブラシシールセグメントが剛毛３６と、歯の輪郭４４ａを持つ支持板３８ａを含む。しかし、上流側の板４０ａは、凹部６０内に収まる突出した舌片６２を持っていてよい。ブラシシールセグメントを溝４８の中で円周方向に摺動させることにより、凹部６０に係合する舌片６２が、ブラシ・セグメントがシール・リング・セグメントに対して半径方向に移動することを防止することが理解されよう。図５では、溝６０ｂを軸方向の反対側又は下流側に形成することが出来、ブラシ・セグメントの舌片６２ｂが、図４に示したように、上流側の板ではなく、支持板３８ｂの上に形成されている。何れの場合でも、シール・リング・セグメント内でブラシシールが舌片と凹部が整合するようにすることにより、ブラシシールセグメントとシール・リング・セグメントの半径方向の移動が防止される。
【００１６】
ブラシ・セグメントとシール・リング・セグメントの相対的な円周方向の移動を防止する為、ブラシ・セグメント及びシール・リング・セグメントが、一方又は両方の端面の近くで互いに溶接される。これを行う為、支持板を含むブラシシールの端面がシール・リング・セグメントの半径方向の端面と面一であることが理解されよう。シール・リング・セグメントの少なくとも一方の端面及びブラシシールに対する一方の板に開口が形成される。シール・リング・セグメントの端面及び支持板に接線方向の限られた距離に互って、孔６６、好ましくは円形孔をあけることが好ましい。シール・リング・セグメントの一方又は両方の端にある孔を溶着材料で埋めることにより、ブラシ・セグメント及びシール・リング・セグメントが互いに固着され、相対的な円周方向の移動が防止される。
【００１７】
この発明を現在最も実用的で好ましいと考えられる実施例に関連して説明したが、この発明がここに開示した実施例に制限されず、むしろ特許請求の範囲に含まれる種々の変更及び同等の配置を包括するものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】不動及び回転部品の間にあるシール・リング・セグメントの略図であって、シール面上にあるこの発明のラビリンス及びブラシ組合せシールを示す。
【図２】ブラシシールの分解部分端面図であって、剛毛の先端とラビリンス歯の輪郭を持つ支持板の間の関係を示す。
【図３】舌片と溝の形で、シール・リング・セグメントに挿入されたブラシシールの部分断面図である。
【図４】この発明の別の形式によるシール・リング・セグメントの凹部内にあるブラシシールの部分断面図である。
【図５】溝の中に逆の形をしたブラシシールがあることを図４と同様に示す図である。
【図６】シール・リング・セグメント内にある図４のブラシシールの拡大端面図であって、ブラシシールを円周方向に移動しないように保持する溶着材料を受入れる開口を示す。
【図７】図３の線３−３で切った断面図であって、シールセグメントの凹部内にブラシシールを固定する溶接ステッチ線を示す。
【図８】図４の集成体を図７と同様に示す図である。

Claims

回転自在の部品及び回転しないように固定された部品を持ち、前記部品が共通の軸線の周りにある回転機械において前記部品の間に用いられるシールであって、当該シールが、
前記固定部品に支持されていて、前記回転自在の部品と向かい合う弓形の表面（２２）を持つ細長い弓形のシール・リング・セグメント（２０）と、
前記シール・リング・セグメント（２０）の表面（２２）から全体的に半径方向に前記回転自在の部品に向かって突出する少なくとも１つのラビリンスシール歯（２４）であって、前記シール・リング・セグメント（２０）の表面（２２）が、当該シール歯から軸方向に隔たって、前記セグメントの表面の半径方向内向きに開口する溝（４８）を持っている、少なくとも１つのラビリンスシール歯（２４）と、
前記溝（４８）の中に配置されているブラシシール（３２）であって、複数個の剛毛（３６）及び該剛毛に対する支持体（３４）を含み、前記剛毛（３６）が前記支持体（３４）の中に固定されると共に、該支持体（３４）及び前記セグメントの表面（２２）を超えてそれから突出して、前記回転自在の部品と係合している、ブラシシール（３２）と
を有しており、
前記溝（４８）及びシール・リング・セグメント（２０）が、前記表面（２２）の半径方向外側に一方の軸方向に伸びる弓形凹部（６０）を含んでおり、前記支持体（３４）が、シール・リング・セグメント（２０）に対する前記支持体（３４）の半径内向きの方向移動を防止するため前記凹部（６０）の中に収まる軸方向に伸びる弓形部分を有しており、
前記シール・リング・セグメント（２０）及び前記支持体（３４）が、前記シール・リング・セグメント（２０）の一端で互いに隣接する端面を有していて、前記溝（４８）内の支持体（３４）が前記シール・リング・セグメント（２０）に対して円周方向に移動するのを防止するため該端面に溶着材料が適用されている、
シール。
前記支持体（３４）が、前記剛毛（３６）の軸方向両側にある１対の板を含み、一方の板の少なくとも一部分は前記剛毛（３６）から軸方向に隔たっていて、前記剛毛（３６）の部分が前記回転自在の部品と係合する際に前記溝の中に撓むことが出来るようにしている請求項１記載のシール。
前記シール・リング・セグメント（２０）の前記一端にある全体的に接線方向に伸びる開口が前記端面の部分を前記セグメントの一端から露出させ、前記溶着材料が前記開口内に配置されていることにより、前記ブラシシール（３２）と前記シール・リング・セグメント（２０）との相対的な円周方向の移動が防止される請求項１又は請求項２記載のシール。
前記支持体（３４）の各々の側及び前記表面（２２）に沿って溶着部が設けられていて、前記支持体を円周方向及び半径方向に移動しないように前記溝の中に固定している請求項１記載のシール。
前記支持体（３４）の両側の各々に沿って複数個の溶着部が設けられていて、前記ブラシシールが前記溝の中にある状態で、前記支持体と前記表面（２２）とを互いに固定している請求項４記載のシール。
回転自在の部品及び回転しないように固定された部品を持っていて、該部品が共通の軸線の周りにあり、前記部品の間には、前記部品の内の一方によって支持されると共に、他方の部品に向かって全体的に半径方向に突出してその間にシールを作る複数個の全体的に円周方向に伸びる歯を含むラビリンスシールが設けられている回転機械において、前記部品の間にラビリンス及びブラシ組合せシールを形成する方法であって、
個別の剛毛（３６）の円周方向の配列を、前記剛毛（３６）が前記軸線に対して全体的に法線方向の平面にあるようにして、且つその末端が前記歯の半径方向の範囲を超えて他方の部品に向かって突出して、該他方の部品と実質的に密封係合するように、一方の部品に固定することによって、前記配列を前記歯から軸方向に隔てて前記一方の部品に後からはめ込む工程と、
前記一方の部品及び前記剛毛（３６）の配列を互いに円周方向に摺動させて、前記一方の部品及び前記剛毛（３６）の配列を互いに半径方向に移動しないように固定し、前記一方の部品及び前記剛毛（３６）の配列を互いに円周方向に摺動しないように固定する工程と、
前記シールセグメント及び前記剛毛（３６）の配列が、該セグメントの一端で互いに隣接する端面を持っており、更に、前記剛毛（３６）の配列の端面の内のセグメントを露出する部分の一端及び前記セグメントの一端を通るシール面に全体的に接線方向に伸びる開口を形成し、該開口に溶着材料を配置して、前記ブラシシール（３２）及び前記一方の部品が相互に円周方向に移動することを防止する工程を含む
方法。