JP4502240B2 - シールアセンブリを持つ回転機械 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、蒸気やガスタービンのような回転機械に関し、より詳しくは、回転する動翼の先端と回転機械の固定外部ケーシングとの間のクリアランスを制御するシールアセンブリを持つ回転機械に関する。
【0002】
【従来の技術】
蒸気及びガスタービンは、いろいろ目的がある中で、電気発電機に動力を与えるために使用され、ガスタービンはまた、いろいろ目的がある中で、航空機や船舶を推進させるために使用される。蒸気タービンは、連続する流れの順に、蒸気入口、タービン及び蒸気出口を一般に含む蒸気経路を持つ。ガスタービンは、連続する流れの順に、空気入口(又は取入口)、圧縮器、燃焼室、タービン、ガス出口(又は排気ノズル)を一般に含むガス経路を持つ。圧縮器及びタービン部は、円周方向に少なくとも1つの回転翼の列を含む。回転翼の自由端又は先端は、固定子ケ−シングに囲まれている。
【0003】
タービンの効率は、動翼先端と周囲のケーシングとの間の半径方向のクリアランス又は隙間に部分的に左右される。クリアランスが大き過ぎる場合、より多くの蒸気又はガス流が動翼先端と周囲ケーシングとの間の隙間を通って漏れ、タービンの効率を減少させるであろう。クリアランスが小さ過ぎる場合、動翼の先端部は、特定のタービン作動状態の間、周囲ケーシングに衝突する可能性がある。
【0004】
クリアランスは、加速又は減速の間、翼の先端での遠心力が変わるため、また、回転するロータと固定ケーシングとの間の相対的な温度上昇のために変化するが知られている。ロータ及びケーシングの異なる遠心力及び温度上昇の間、クリアランスの変化は、動いている翼先端の固定ケーシングに対する激しい摩擦をもたらすことになり得る。翼先端クリアランスのこの増加は、効率損失をもたらす。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
硬質摩耗性シュラウドのようなクリアランス制御装置は、過去においてロータ及びケーシング間のクリアランス変化に適応させるために提案されてきた。しかし、そのようなクリアランスを制御する最適設計を表すものは全くないと思われる。以上の結果、上記のクリアランス制御の問題の解決策を、代わりに新しい問題を何も引き起こすことなく提供するであろう発明に対する必要性が依然残されている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の必要性を満たすよう設計された可撓性摩耗シールアセンブリを備えた回転機械を提供する。可撓性摩耗シールアセンブリは、ケーシングに対するロータと翼との異なる膨張のために翼先端がケーシングに接触するのに応答し、曲がったり摩耗したりして回転機械の回転動翼と固定外部ケーシングとの間の半径方向クリアランス制御し、それにより、翼で摩耗層を動かすことで接触の激しさを減少させる。通常使用される硬質摩耗性シュラウドと比べると、本発明のシールアセンブリは、弾力性があるため、発熱や材料除去がより少なくなる。シールアセンブリの低減磨耗率は、より長期間に亘ってより狭い翼先端クリアランスを準備し、より良い稼働効率をもたらす。
【0007】
本発明の実施形態において、縦軸線の周りに回転可能で外面を持つロータと、装着され、円周方向に互いに間隔を空けて配置され、ロータの外面から翼の先端部に縦軸線に対して半径方向外側に延びる複数の翼と、環状形と内部円周面とを持ち、外部ケーシングの内部円周面と翼の先端部との間に環状隙間を形成するために、ロータ及び翼から半径方向外側に間隔を空けて周囲に固定的に配置されている外部ケーシングと、ケーシングに対してロータと翼とが異なる膨張をしている間、ロータと共に動く翼の先端がシールアセンブリに接触するのに応答してシールアセンブリが曲がり及び摩耗して、それにより、環状隙間でのケーシング及び動翼間のクリアランスが、動く翼先端がケーシングと接触するのを避けるような方法で制御されるように、外部ケーシングの内部円周面に取り付けられてケーシングと翼先端との間の環状クリアランス隙間内に配置された可撓性摩耗シールアセンブリと、を含む回転機械が提供される。
【0008】
可撓性摩耗シールアセンブリの異なる各実施形態が開示される。実施形態の各々において、シールアセンブリは、基本的に、外部ケーシングの内部円周面の環状形とほぼ適合する弓形を持つ細長い可撓体と、動翼の先端部の各々上流及び下流側に間隔を空けて置かれた対向する1対の縦方向に延びる間隔の空いた縁部分と、対向する各縁部分の間に延びてそれらを相互接続し、動翼の先端部と位置合わせされてその外側に向かって配置されている本体とを含む。細長い可撓体は、動翼の先端部の接触に応答して摩耗することが可能な材料である、動翼の先端部近傍に配置された部分を持つ。図において、可撓体は、互いに対して端から端まで配置された複数の似たような弓形体セグメントの環状アレーから作られている。
【0009】
各々の実施形態において、シールアセンブリは、更に基本的に、可撓体をその対向する各縁部分において外部ケーシングの内部円周面に固定する手段を含む。例として、該固定手段は、溶接又は留め具であり得る。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、回転機械である。回転機械は、非限定的に、遠心圧縮機、発電機及びタービンを含む。タービンは、非限定的に、蒸気タービン及びガスタービンを含む。タービンは、非限定的に、圧縮部及びタービン部を含む。本発明は、以下にタービンに関して説明されるが、当業者により理解される通り、本発明はそれに限定されず、いかなる回転機械にも適用されるものとする。図1は、回転機械の一部のみを示しており、その一部は、他にも部材がある中で、タービンのハウジング及びロータを含むことに注意されたい。
【0011】
ここで、添付図特に図1を参照すると、中央の縦軸線Aの周りに回転可能で外部環状表面12aを持つロータと、固定するように装着され、円周方向に互いに間隔を空けて配置され、ロータ12の外部環状表面12aから翼の先端部14aに半径方向外側に延びる複数の翼14と、ほぼ環及び円筒形状と内部円周面16aとを持ち、外部ケーシングの内部円周面16aと動翼14の先端部14aとの間に環状隙間18を形成するために、ロータ12及び翼14から半径方向外側に間隔を空けて周囲に固定的に配置されている外部ケーシング16とを持つ、本発明の一般に番号10で表されるタービンが概略的な形で図解されている。可撓性摩耗シールアセンブリ20は、外部ケーシング16の内部円周16aに取り付けられ、ケーシング16の内部円周16aとロータ12と共に回転する翼14の先端部14aとの間に形成された環状隙間18内に配置される。ケーシング16に対してロータ12と翼14とが異なる膨張をしている間、シールアセンブリ18は、動く翼の先端14aがシールアセンブリに接触するのに応答して曲がり及び摩耗する。このようにして、動く翼先端14aの固定ケーシング16との接触が避けられ、固定ケーシング16及び動く動翼14の間のクリアランスは、その結果、本発明のシールアセンブリ18により制御される。
【0012】
可撓性摩耗シールアセンブリ20は、図2から図11までに示されるように、異なる修正形状又は実施形態で準備することができる。各々の修正形状又は実施形態において、シールアセンブリ20は、基本的に、外部ケーシング16の内部円周面16aの環状形にほぼ適合する弓形を持つ細長い可撓体22を含む。可撓体22はまた、動翼14の先端部14aの各々上流及び下流側に間隔を空けて置かれた対向する1対の縦方向に延びる間隔の空いた縁部分24と、対向する各縁部分24の間に延びてそれらを相互接続し、動翼14の先端部14aと位置合わせされてその外側に向かって配置されている本体部分26とを持つ。図2から図11の各々の実施形態の細長い可撓体22は、動翼14の先端部14aの接触に応答して摩耗することが可能な材料である、動翼14の先端部14a近傍に配置された少なくとも一部分を持つ。図1において見ることができるように、可撓体22は、互いに対して端から端まで配置された複数の似たような弓形体セグメント22aの環状アレーから作られている。
【0013】
各々の実施形態において、シールアセンブリ20は、更に、可撓体22をその対向する各縁部分24において外部ケーシング14の内部円周面16aに固定する手段28を基本的に含む。例として、そして非限定的に、固定手段28は、複数のスポット溶接又は留め具であり得る。更に、固定手段は、可撓体22の対向する縁部分24を収容する、ケーシング16の溝を含むことができる。シールアセンブリ20は、その空気力学的抵抗を減らすために、ケーシング16内に隠すように定着させることができる。
【0014】
更に詳しくは、シールアセンブリ20の各実施形態の可撓体22の本体部分26は、動翼14の先端部14aの上に重なる中央部30と、可撓体22の対向する縁部分24と可撓体の本体部分26の中央部30とを相互接続する手段とを持っており、そのため、中央部30が外部ケーシング16の内部円周面16aから内部に向かって十分間隔があり、動翼14の動いている先端部14aによる接触に応答して本体部分が動翼14から遠ざかる方向そして外部ケーシング16に向かうような方向に曲がることを可能にする。可撓体22の本体部分26の中央部30は、曲がっていない状態においては、ほぼ平坦である。可撓体22の対向する各縁部分24と本体部分26の中央部30とを相互接続する手段は、可撓体22の対向する縁部分24と本体部分26の中央部30の対向する縁部30aとの間に配置され、それらに各々取り付けられた1対の対向する側部32である。可撓体22の本体部分26の対向する側部32は、本体部分26の中央部30を外部ケーシング16から内側に向かって目標とする間隔が空いた位置に配置するため、本体部分26の中央部30から相対して傾く関係で延びている。
【0015】
図2に見られるように、可撓体22そのものは、摩耗可能材料から作ることができる。例えば、摩耗可能材料は、セラミック又は適切な金属であり得る。更に、例示的であるが、可撓体22は、織布やシートの形でも可能である。加えて、可撓体22は、図2から図4、図10及び図11に見られるように、材料の1つの層であり得るが、また、図5から図9に見られるように、材料の複数の層でも可能である。可撓体22が複数の層である場合、それらは、剛性や漏れを減らすために、薄切りや千鳥にすることもできる。
【0016】
更に、摩耗材料が可撓体部22の摩耗材料から分離するところは、図3及び図7から図11に見られるように、可撓体22の本体部分26の中央部30の、動翼14の先端部14aに面している内面36に塗布された被覆層34の形をとる。可撓体22に装着される摩耗被膜34の使用はまた、浸食寿命の問題も解決する。被膜34の硬さとシールの剛性とを独立して変えられることは、シール剛性の減少を通じて翼14にいかなる過度の損傷をも実際に与えることなく、摩耗被膜34が十分な浸食寿命をもたらすのに十分な堅さであることを可能にする。シール剛性と被膜の硬さとの分離はまた、どのような特定の使用にも適用可能な被膜の選択数を増す。
【0017】
図4、図6、図7、図9及び図11に見られるように、可撓体22が高い空隔率を持つ場合、シールアセンブリ22はまた、漏れを排除する可撓体22と共に、薄板金のインナーライナーのような可撓性裏紙38を用いることができる。可撓性裏紙38は、その対向する縁部38aに沿って固定手段28によりケーシング16に装着される。可撓性裏紙38は、ほぼ平面の形態を持ち、可撓体22の本体部分26の中央部30から間隔を空けて配置されている。
【0018】
本発明とその利点とは、前記の説明から理解されるものと思われるが、上記の形体が本発明の単に好ましい又は例示的実施形態であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、また、その材料の特色の全てを犠牲にすることなく、本発明の様々な変更が可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 タービンのケーシングの内部円周に取り付けられ、外部ケーシングと、タービンのロータに装着され共に回転する翼の動く先端との間の環状隙間に配置された可撓性摩耗シールアセンブリを持つ、本発明による回転機械のタービンの実施形態の断片的な端部概略正面図。
【図2】 シールアセンブリの第1の実施形態を図1の断面で示す、図1の線2−2に沿って切断された断片的拡大正面図。
【図3】 シールアセンブリの第2の実施形態を図2の断面で示す、図2と同様の図。
【図4】 シールアセンブリの第3の実施形態の断面図。
【図5】 シールアセンブリの第4の実施形態の断面図。
【図6】 シールアセンブリの第5の実施形態の断面図。
【図7】 シールアセンブリの第6の実施形態の断面図。
【図8】 シールアセンブリの第7の実施形態の断面図。
【図9】 シールアセンブリの第8の実施形態の断面図。
【図10】 シールアセンブリの第9の実施形態の断面図。
【図11】 シールアセンブリの第10の実施形態の断面図。
【符号の説明】
10 回転機械
12 ロータ
14 翼
14a 翼先端
16 固定ケーシング
18 環状隙間
20 可撓性摩耗シールアセンブリ
A 縦軸線
Claims (8)
- 縦軸線(A)の周りに回転可能で外部環状平面(12a)を持つロータ(12)と、
前記ロータ(12)の前記外部環状平面(12a)に装着され、周囲の円周方向に互いに間隔を空けて配置され、前記ロータ(12)の前記外部環状平面(12a)から前記翼(14)の先端部(14a)に前記縦軸線(A)に対して半径方向外側に延びる複数の翼(14)と、
環状形と内部円周面(16a)とを持ち、前記ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)と前記翼(14)の前記先端部(14a)との間に環状隙間(18)を形成するために、前記ロータ(12)及びその上にある前記翼(14)から半径方向外側に間隔を空けて周囲に固定的に配置されている外部ケーシング(16)と、
前記ケーシング(16)に対して前記ロータ(12)と翼(14)とが異なる膨張をしている間、前記ロータ(12)と共に動く前記翼(14)の前記先端(14a)が接触するのに応答して曲がりかつ摩耗し、それにより、前記隙間(18)での前記ケーシング(16)及び前記動翼(14)間のクリアランスが前記動く翼先端(14a)の前記ケーシング(16)との接触を避ける方法で制御されるように、前記ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)に取り付けられ、前記ケーシング(16)と翼先端(14a)との間の前記環状隙間(18)内に配置された可撓性摩耗シールアセンブリ(20)と、
を含み、
前記シールアセンブリ(20)は、前記ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)の前記環状形とほぼ適合する弓形を持ち、前記動翼(14)の前記先端部(14a)の接触に応答して摩耗することが可能な材料である、前記動翼(14)の前記先端部(14a)近傍に配置された部分を持つ細長い可撓体(22)と、
前記動翼(14)の前記先端部(14a)の各々上流及び下流側に間隔を空けて置かれた、対向する1対の縦方向に延びる間隔の空いた縁部分(24)と、
前記対向する各縁部分(24)の間に延びてそれらを相互接続し、前記動翼(14)の前記先端部(14a)と位置合わせされてその外側に向かって配置されている本体部分(26)と、
前記可撓体(22)をその対向する各縁部分(24)において前記外部ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)に固定する手段(28)と、
を含み、
前記可撓体(22)の前記本体部分(26)は、前記動翼(14)の前記先端部(14a)の上に重なる中央部(30)と、前記可撓体(22)の前記対向する縁部分(24)と前記本体部分(26)の前記中央部(30)とを相互接続する手段(32)とを持ち、そのため、前記本体部分(26)の前記中央部(30)が前記外部ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)から内部に向かって十分間隔があり、前記動翼(14)の前記先端部(14a)による接触に応答して前記本体部分(26)が前記外部ケーシング(16)に向かう方向に曲がることを可能にする、回転機械(10)。 - 前記可撓体(22)は、端から端まで互いに配置された複数の似たような弓形体セグメント(22a)の環状アレーである、請求項1記載の回転機械(10)。
- 前期可撓体(22)の前期本体部分(26)の前記中央部(30)は、曲がらない状態においては、ほぼ平坦である、請求項1記載の回転機械(10)。
- 前記可撓体(22)の前記部分の前記摩耗可能材料は、前記可撓体(22)の前記本体部分(26)の前記中央部(30)の、前記動翼(14)の前記先端部(14a)に面する内面(36)に塗布された被覆層(34)の形をとる、請求項1記載の回転機械(10)。
- 前記可撓体(22)の前記対向する縁部分(24)と前記本体部分(26)の前記中央部(30)とを相互接続する前記手段は、前記可撓体(22)の前記対向する縁部分(24)と前記本体部分(26)の前記中央部(30)の対向する縁部(30a)との間に配置され、それらに各々取り付けられた1対の対向する側部(32)である、請求項1記載の回転機械(10)。
- 前記可撓体(22)の前記本体部分(26)の前記対向する側部(32)は、前記本体部分(26)の前記中央部(30)を前記外部ケーシング(16)から前記内側に向かって間隔の空いた位置に配置させるため、前記本体部分(26)の前記中央部(30)から相対して傾く関係で延びる、請求項5記載の回転機械(10)。
- 前記可撓体(22)をその前記対向する縁部分(24)において前記外部ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)に固定する前記手段(28)は、複数の溶接である、請求項1記載の回転機械(10)。
- 前記可撓体(22)をその前記対向する縁部分(24)において前記外部ケーシング(16)の前記内部円周面(16a)に固定する前記手段(28)は、複数の留め具である、請求項1記載の回転機械(10)。
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