JP4624630B2 - 蒸気タービン用ブラシシール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータの動特性に影響を与えることなくステータとロータとの間にブラシシールを用いることを可能にする蒸気タービン用に用いるためのブラシシール組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機及び産業用ガスタービン分野においては、回転部品と静止部品との間をシールするために一般的にブラシシールが用いられる。一般的に、ブラシシールは、ブリストルが摩耗してロータに対してライン・オン・ライン状態になるようにするために、ロータと接触する状態で組立てられる。航空機エンジン分野において、ロータは、一般にクロムカーバイドのようなハードコーティングで被覆される。航空機及び産業用ガスタービンの回転部品は、一般的に剛性がある。その上、回転部品の動特性は、一般的に回転部品とブラシシールとの間の接触、すなわちブラシシールの自由端すなわち先端と回転部品との間のシール接触により影響されない。
【０００３】
しかしながら、航空機及び産業用ガスタービンとは異なり、蒸気タービンは、ロータの１次曲げ臨界振動数を超えて設計され運転されるが、往々にして２次曲げ臨界振動数近くで運転される。従来のシール設計理論に基づき、すなわちブリストルの先端と回転部品との間で接触させた状態でブラシシールを蒸気タービンに用いると、ブラシシールがロータに振動を発生させることが分かってきた。これは、ブラシシールとロータとの間の継続した摩擦により、特にロータに曲がりがあるところで、発生するものと考えられる。こすることに伴う摩擦により、ロータの隆起部分がだんだん温度が高くなり、ロータの周囲に一様でない温度分布を生じる。つまり、ロータに曲がりがある場合には、ロータの突き出た部分が、増大する摩擦から生じる熱によりどこよりも先に加熱され、そのことが次にロータの曲がりをさらに増大させ、結果として振動を増大させることになる。
【０００４】
ブラシシールは、蒸気ロータタービンの起動中には熱除去をもたらさないことも分かった。起動時には、タービンを流れる蒸気はほとんどないので、ブラシシール越しに流れる蒸気は事実上まったくない。流れがなければ、ブラシシールとロータとの間の摩擦により生じる熱は、消散されないで、シールの位置における、それも特に突き出た部分でのロータ中の熱の蓄積をさらに悪化させる。臨界曲げ振動数の近くまたはそれを超えて運転される蒸気タービンロータとブラシシールとの接触は、著しく有害なロータ振動を引き起こす状態で、ロータ動特性に影響するほどの熱を発生するということが見出された。
【０００５】
ブラシシールとの接触により引き起こされる、ロータの動特性に影響を与えるると考えられるもう一つの現象は、ブローダウン作用である。ブローダウンは、ブラシシールを通り抜ける上流の流体の半径方向内方への流れであり、ブリストルをロータに向かって内方へ動かす傾向を生じる。ブローダウン作用は、ブリストルとロータとの間に初期接触がある場合には、ブリストル接触圧力を増大させ、ロータの加熱を増大させる。ブローダウン作用は、初期間隙が設けられている場合には、それを減少させあるいは無くし、加熱を増大させがちである。ブラシシールと回転部品との間の摩擦熱を発生させる摩擦接触を軽減するいかなる努力においても、ブローダウン現象は対処されなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ターボ機械の全運転範囲を通してブリストル先端と回転部品との間の間隙を備えるように設置され寸法にされ、特にブローダウン作用及び温度変化により生じる寸法変化に対処するブラシシールを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ブラシシールは、ターボ機械の全運転範囲を通してブリストル先端と回転部品との間の間隙を備えるように設置され寸法にされ、特にブローダウン作用及び温度変化により生じる寸法変化に対処する。このようにして、本発明によるターボ機械の全ての運転状態において、ブラシシールは、ブリストルの先端と回転部品との間に最小間隙を備えるように設計される。例えば、シールを通しての最大圧力降下、及びシールを通しての最大流量がある場合でも、ブローダウン現象並びにロータ及びステータの寸法の熱的変化を吸収して、本発明は、ブリストル先端とロータとの間に最小の運転間隙を常に備える。このようにして、上に触れた振動の問題は、最小限に抑えられるかまたは排除される。例えば、ブラシシールを通しての所定の最大圧力差及び最大流量がある場合に、ロータが直径ｘを有し、ブラシシールがその圧力及び流量で半径方向に最大１０ミルのブローダウンをし、また軸の最大半径方向偏倚量が５ミルであるとすると、全運転範囲を通してブリストル先端とロータとの間に若干の間隙を保つためには、起動時のブリストルの内径は、ｘ／２＋１５ミルを超えるように設計されなければならない。上述したように、ブラシシール間隙により生じるシール性能の低下は、最小であり、同時に振動を除外または最小限にするという利点は著しい。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態において、軸の周りに回転可能な回転部品と、回転部品及び軸を取り巻く静止部品とを含み、回転部品は、ターボ機械の始動状態を含むターボ機械の全運転範囲を通しての軸に対する最大半径方向偏倚量を有しており、また、静止部品により支持され、回転部品の軸に対する最大半径方向偏倚量を超える軸に対する半径方向間隔で、回転部品から半径方向外方に間隔を置いた自由端で終わる複数のブリストルを有する、軸の周りのブラシシールを含み、回転部品とブリストルの自由端との間の半径方向間隙が、ターボ機械の全運転範囲を通して保たれ、それによって回転部品の動特性がブリストルと回転部品との間の接触により影響されないターボ機械が提供される。
【０００９】
本発明による別の好ましい実施形態において、軸の周りに回転可能な回転部品、回転部品及び軸を取り巻く静止部品、並びに静止部品により支持されたブラシシールを有するターボ機械に、シールを取り付ける方法であって、そのブローダウン及び温度変化に対応するターボ機械の偏倚を含む、ターボ機械の全運転範囲を通してのその先端と回転部品との間の間隙を備えるように設置されたブリストルをブラシシールに設け、回転部品の動特性がブリストルと回転部品との間の接触により影響されるのを防止する段階を含む方法が提供される。
【００１０】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態において、軸の周りに回転可能な回転部品、回転部品及び軸を取り巻く静止部品、並びに静止部品により支持されるブラシシールを有するターボ機械において、ターボ機械を運転する方法であって、ターボ機械の全運転範囲を通してブリストル先端と回転部品との間の間隙を備えた状態で、ターボ機械を運転し、回転部品の動特性がブリストルと回転部品との間の接触により影響されるのを防止する段階を含む方法が提供される。
【００１１】
従って、本発明の主目的は、ブラシシールをロータの動特性に影響を与えることなくタービンロータ部品に用いることを可能にし、それによりタービンロータが、ロータの熱による曲がり及びその結果として生じる振動のリスクを増大させることなく臨界曲げ振動数近くで運転することができるようにすることである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には、ターボ機械の一部分を形成する静止部品１０及び回転部品１２が示されていて、静止部品１０及び回転部品１２の両方共がそれぞれ共通の軸の周りにある。静止部品１０は、全体を１６で示すパッキンリング組立体を受けるためのあり溝１４を有し、パッキンリング組立体は多段式ラビリンスシールを構成するラビリンスシール歯状突起１８を支持する。図２によると、パッキンリング組立体は、ロータ１２の周りに円周方向の列に配列された複数の円弧状シールセグメント２０を含む。全体的に図１を参照すると、ラビリンスシールは、比較的に多くの数の部分的な障壁をシールの片側の高圧領域２４から反対側の低圧領域２２までの蒸気の流れに対して配置することにより機能する。各障壁すなわち歯状突起１８は、タービンシャフト１２の軸に平行に流れようとする蒸気を無理やり曲がりくねった流路を辿るようにし、圧力降下を生じさせる。従って、各シールセグメント２０は、突出する半径方向歯状突起１８を備えるシール面２６を有する。シール面２６は、互いに軸方向に離れて位置する１対のフランジ２８により形成されるが、用途によってはかかるフランジは１つしか必要でない場合もある。シールセグメント２０の半径方向外方部分は、同様に互いに離れるようにセグメント２０から軸方向両方向に延びる位置決めフックすなわちフランジ３０を含む。あり溝１４は、互いに向かって軸方向に延びる一対の位置決めフランジ３２を含み、その間にスロット３４を形成している。各セグメント２０の頚部３６は、フランジ３０及び２８を相互に接続し、頚部３６はスロット３４中に延びる。
【００１３】
図２のセグメント２０は、開かれた最外端の大きな間隙位置とシャフト１２の周りの閉じられた最内端の小さな間隙位置との間で動くことができる正圧可変パッキンリングセグメントを含むことができることが分かるであろう。セグメントは、図示していないがフランジ３０と位置決めフランジ３２との間に配置されたばねによってその最外端位置まで動かされ、また蒸気圧により内方に動かされる。この種の可変間隙パッキンリングセグメントは、当該技術では既知であり、例えば、本出願と同一出願人の米国特許第５，５０３，４０５号を参照されたい。
【００１４】
ブラシシールは、結合ラビリンス・ブラシシールを構成するようにパッキンリングセグメント中に設けられる。ブラシシールは、複数のブリストル４４を含むブラシシールパックの両側に一対のプレート４０及び４２を含む。ブリストル４４は、その半径方向の最外端で互いに溶接され、プレート４０及び４２の半径方向最内端縁を超えてほぼ内方に向く傾斜角で半径方向に突出し、自由端４６で終わることが好ましい。
【００１５】
従来のブラシシールの実施においては、ブリストルパックの自由端４６はロータの表面に垂直に接触しシール作用を行うことが必要であることが分かる。ブリストルは、シャフトの半径方向偏倚を吸収するのに十分な可撓性を有するものと思われる。しかしながら、ロータの動特性は、ロータとブラシシールとの間の接触により実質的に影響を受けるということが本発明の一部分として分かった。ロータに間断なく摩擦するブラシシールの場合には、発生する摩擦がロータの周囲の温度を増大させるということが分かるであろう。蒸気タービンにはよくあることだが、曲がりを有するロータの場合には、ロータの突き出た部分は、ロータとブラシシールの先端との間の接触によりどこよりも先に加熱され、突き出た部分でのロータ温度がますます上昇する。この上昇した熱発生は、特に冷却蒸気の流れが全くない起動中にさらに悪化される。このように、ロータと抵触するように組立てられたブラシシールの場合には、継続する摩擦が温度を上昇させて、さらに熱変形や曲がりを引き起こし、結果として、ターボ機械に対する振動をますます悪化させる。
【００１６】
さらに、ブローダウン作用がこの問題をさらに悪化させる。ブローダウンは、より高い圧力の上流の流体の半径方向内方への流れであり、ブリストルをシャフトの方向へ偏向させ、それによってブリストルとシャフトとの間の接触力を増大させ、摩擦接触により生じるさらに高い温度を発生させる。
【００１７】
本発明により、また図１及び図２に示すように、ブリストル先端は、ブローダウン作用の間を含む起動から運転停止までのターボ機械の全運転状態の下で、ロータシャフトとの間隙を備えることを意図して設計される。つまり、ブラシシール先端は、回転部品の軸に対する最大半径方向偏倚量を超える半径方向間隔で、回転部品から間隔を置いており、ターボ機械の全運転範囲を通してのロータとブラシシール先端との間の半径方向間隙を保ち、それによってロータの動特性がブリストルとロータとの間の接触により影響されない。ターボ機械の全運転範囲の間のブリストル先端とロータとの間のいかなる摩擦接触をも排除することにより、摩擦により生じる熱は回避され、さもないと摩擦接触により生じる上昇し続ける熱から結果として生じるターボ機械の振動が排除される。従って、ロータの動特性は、ブラシシールの使用に影響されない。ブリストル先端とロータとの間の間隙により引き起こされる、特に冷間起動時のシール性能の低下があるが、ブラシシールをロータの方向へ偏向させ間隙を減少させる、ブラシシールを通しての運転圧力降下におけるブリストルブローダウン作用により、ある程度まで、シール性能の低下は軽減され、間隙は減少される。しかしながら、この設計では、全運転状態でのブローダウン作用を伴う場合でも、摩擦接触を避けるのに十分な間隙が保たれる。ロータと接触するブラシシールの加熱作用により引き起こされる振動を排除するという有益な効果は、ブラシシールのブリストル先端とロータとの間の間隙により生じるいかなるシール作用の低下よりも重要である。
【００１８】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、添付する特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるパッキン組立体中のブラシシールを示すターボ機械のステータ及びロータの断面図。
【図２】 図１のほぼ線２−２によるターボ機械のステータ及びロータの断面図。
【符号の説明】
１０ ステータ
１２ ロータ
１４ あり溝
１６ パッキンリング組立体
１８ ラビリンスシール歯状突起
２０ 円弧状シールセグメント
２２ 低圧領域
２４ 高圧領域
２６ シール面
２８、３０ フランジ
３２ 位置決めフランジ
３４ スロット
３６ 頸部
４４ ブリストル
４６ 自由端

Claims (4)

1. 軸の周りに回転可能な回転部品（１２）と、該回転部品及び前記軸を取り巻く静止部品（１０）とを含み、前記回転部品は、ターボ機械の始動状態を含むターボ機械の全運転範囲を通しての前記軸に対する最大半径方向偏倚量を有しており、
   前記静止部品により支持され、前記回転部品の前記軸に対する最大半径方向偏倚量を超える前記軸に対する半径方向間隔で、前記回転部品から半径方向外方に間隔を置いた自由端（４６）で終わる複数のブリストル（４４）を有する、前記軸の周りのブラシシール（４８）を含み、前記回転部品と前記ブリストルの前記自由端との間の半径方向間隙が、そのブローダウン及び温度変化に対応する前記ターボ機械の偏倚を含む、前記ターボ機械の前記全運転範囲を通して保たれ、それによって前記回転部品の動特性が前記ブリストルと前記回転部品との間の接触により影響されないことを特徴とするターボ機械。
2. 当該ターボ機械が蒸気タービンである、請求項１記載のターボ機械。
3. 軸の周りに回転可能な回転部品（１２）、該回転部品及び前記軸を取り巻く静止部品（１０）、並びに該静止部品により支持されたブラシシール（４８）を有するターボ機械に、ブラシシールを取り付ける方法であって、
   そのブローダウン及び温度変化に対応する前記ターボ機械の偏倚を含む、前記ターボ機械の全運転範囲を通してのその先端（４６）と前記回転部品との間の間隙を備えるように設置されたブリストル（４４）をブラシシール（４８）に設け、前記回転部品の動特性が前記ブリストルと前記回転部品との間の接触により影響されるのを防止する段階、
   を含むことを特徴とする方法。
4. 前記ターボ機械が蒸気タービンである、請求項３記載の方法。

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