JP4740494B2 - タービンのロータ・ステータばね板シール及び関連する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に回転要素及び固定機械要素間のシールに関するものであり、具体的には、ステータとタービンロータの間のばね板シール組立体に関する。本発明は、エネルギ−省により与えられた契約第ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３１１７６号に基づき政府の援助で行われた。政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの作動は、回転要素及び静止要素間の空気の流れを制御することに左右される。シールは、望ましい通路に流れを導くために、これらの要素間に導入される。たとえば、ある場合には、ベアリングハウジングへのような幾つかの方向への流れを防止するのが望ましいが、他の場合には、キャビティを能動的にパージし、要素部品を冷却し、また高温流路ガスがロータ要素部品に接触するのを防止するために、制御された流量を導くことが望ましい。この後者のタイプのシールの例は、圧縮機吐出二次流回路やタービンノズルダイアフラム周りの通路において見出すことができる。作動条件、熱過渡現象及び使用年数に関係なく、制御されたリーク量をもたらすシールを確立することが、長年にわたる設計目的であった。
【０００３】
ガスタービン業界では、多数の異なったシール設計が使用されてきた。それらには、「パンプキン歯」シール、ラビリンスシール、ハニカムシール及びブラシシールが含まれる。それらの設計のすべては、空気用の「曲がりくねった」通路を設けることによって、それらシールを通り抜けるリークを最少にすることを意図している。表１は、従来のシールを、幾つかの重要な特徴に基づいてそれらを定性的に比較して記載している。
【０００４】
【表１】

【０００５】
多くの用途で、ロータ要素部品を高温ガス通路ガスと接触させないようにするのに十分な大きさのキャビティパージ流量を確保するためには、ある最少レベルの空気リーク量が必要であることに注目されたい。このため、空気がシールをバイパスすることができる穴は、ブラシ又はハニカムシールを備えることができる。しかしながら、この方法における１つの難点は、安全な作動を確保するために、穴は、新しいシール構造に基づいて充分な流量を供給するような大きさにしなければならないことである。シールが後に劣化し、シールが新しい時よりもより多くの流量をリークする場合、シールを通過する全流量は、設計要求より大きくなるであろう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ステータ要素中に締結された（又は別の方法で固定された）ばね板シールの円周方向の配列を用いる。好ましい実施形態では、個々のばね板シール要素又はセグメントの各々は、それぞれステータに取付けられた主スプリング及び裏当てスプリングを有する。主スプリングは、取付け部分と、ロータに沿ってほぼ軸方向に延び、流れの方向において、ロータ表面に向かって、次いでロータ表面から離れるように湾曲しているシール部分とを持つ。また、裏当てスプリングは、取付け部分と、主スプリングの裏側にほぼ接線方向に係合している、より鋭く湾曲した裏当て部分とを持つ。裏当てスプリングは、２つの目的に役に立つ。
【０００７】
（１）スプリングの異なった曲率、及び起こりうる異なった厚さのため、２つのスプリングを合わせた有効剛性は非直線的に（即ち、荷重たわみ曲線は曲線になり、直線にならない）なるであろう。このことにより、作動状態のより広い範囲にわたって、シールの開き、従って性能を最適化することができるであろう。
【０００８】
（２）２つのスプリングは、互いに摩擦し合うので、それらは互いに摩擦ダンパとして働き、シールの空気力学的不安定性あるいはフラッタから生じる可能性がある振動及び疲労を防ぐであろう。
【０００９】
ばね板シールセグメントの集合配列は、円周方向にオーバラップあるいは一部重ね合わせて配置されるので、裏当てスプリングは主スプリングより接線方向の長さが僅かに短いことが必要である。主スプリングは、機械が作動中でないとき、ロータに対して僅かな半径方向ギャップを持って組み立てられる。機械が始動すると、シールを挟んで圧力差が生じて、より高い上流圧力はシールを押し開こうとする。シールを押し開こうとする力は、全上流圧力と全下流圧力の差に基づくであろう。しかしながら、シールを通り抜ける流体流れが始まるや否や、その力は低下するであろう。これは、空気がある速度に達し、その力が上流静圧と下流静圧の差に依存するからである。下流の速度が低いと、下流静圧はその全圧に近づくが、上流静圧（開く力）はその流速／流れ速度に比例した量だけ低下するであろう。
【００１０】
流速／流れ速度が増加するにつれて、シールを開く力は減少し、またシールを閉じるスプリング力はシールの開きに応じて増大するので、シールは、如何なる所定の設計点においてもリークを制御できるように設計することができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、１つの態様において、本発明は、機械の回転及び固定要素間に取付けるシール組立体であって、回転要素を取囲む円周方向配列で、固定要素に固定された第１の複数の板ばねセグメントを含み、板ばねセグメントはそれぞれ半径方向取付け部分及びほぼ軸方向のシール部分を有し、複数の板ばねセグメントが円周方向に一部重ね合わせて配置されているシール組立体に関する。
【００１２】
別の態様において、本発明は、板ばねシール組立体を含むタービンロータ及びステータ配置であって、ロータと、ロータと半径方向に間隔を置いた関係でロータを取囲むステータと、ロータとステータの間の板ばねシールとを含み、板ばねシールは、ロータの周りに円周方向配列で、ステータに固定された第１の複数の板ばねセグメントを含み、板ばねセグメントは円周方向に一部重ね合わせて配置され、またその各々はシール部分を有し、シール部分は、ロータが停止している時、シール部分とロータの間に予め定められた半径方向ギャップを形成するタービンロータ及びステータ配置に関する。
【００１３】
さらに別の態様において、本発明は、ロータとステータの間の半径方向ギャップをシールする方法であって、（ａ）第１の複数の板ばねセグメントをステータに取付ける段階と、（ｂ）ロータの周りに円周方向に一部重ね合わせた配列で、第１の複数の板ばねセグメントを配置する段階とを含む方法に関する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１には、ロータ１０とステータ１２が、それらの間に半径方向ギャップ１４を備えた状態で示されている。ガスタービン環境の中では、矢印１６で示す方向の空気流れは、板ばねシール組立体１８によって制御される。シール組立体１８は、図２で最もよくわかる「一部重ね合わせた」あるいはオーバラップさせた配列で、ロータ１０の周りに円周方向に配置されている、個々のばね板シール要素又はセグメントを有する。流れを制御して、例えば、キャビティを能動的にパージし、同時に、例えば圧縮機吐出二次流回路やタービンノズルダイアフラムの周りの通路において、高温流路ガスがロータ要素部品と接触するのを防止するのが望ましい。
【００１５】
個々のばね板シ−ル要素又はセグメントは各々、取付け部分２２及びシール部分２４を備える主板ばねセグメント２０を含む。取付け部分２２は、あらゆる適当な手段によってステータに取付けられ（例えば、ステータへ機械的に締結、あるいは他の適当な方法で固定される）、一方、シール部分は、軸方向において、ロータに向かって次いでロータから離れるように流れの方向に、最小の半径方向ギャップを備えた状態で、湾曲している。主スプリングセグメント２０は、接線方向にほぼ平坦であり、すなわち、図２に見られるように、各ばね板シールセグメントは、ロータ表面２８に対してほぼ接線方向に向いていることに注目されたい。接線方向のばね板セグメントの範囲は、本明細書では接線方向長さと呼ぶ。
【００１６】
各ばね板シールセグメントはまた、二次又は裏当てばね板セグメント３０を備え、これもまた類似した方法でステータ１２に取付けられる。裏当てスプリング３０は、より鋭く湾曲した部分３２がほぼ接線状に主スプリングの裏側に係合した状態で、主スプリングの後側又は下流に配置されている。
【００１７】
図２を参照すると、個々のばね板組立体を干渉することなくオーバラップさせあるいは一部重ね合わせて配置するために、裏当てスプリングセグメント３０は主スプリングより短い接線方向長さを持つことが分かるであろう。それにも拘わらず、裏当てスプリングは、図２に仮想線で示すように、主スプリング上に中心合わせされるであろう。
【００１８】
主及び二次スプリングセグメント２０、３０は両方とも、それぞれ用途に応じた特定の合金組成及び厚さのスプリング鋼で造られるのが好ましい。主スプリングの接線方向長さは、用いるセグメントの数次第であり、これもまた、用途により特定されるであろう。スプリングセグメント２０、３０のそれぞれの有効剛性は、湾曲度の違い、厚さの違い及び合金の違いによって変わり得ることが分かるであろう。このことは、スプリング剛性が非直線性であり、従って、シールの開き、従って性能を、広い範囲の作動条件にわたって最適化することができることを意味している。
【００１９】
互いに一部重ね合わせて配置される弦セグメントからなる板ばねシールに対するさらなる利点は、別々のセグメントが様々な撓みに対して自己調整して常に一定のクリアランスを保持するので、非対称なケーシングに適応することができることである。
【００２０】
機械を始動するのに先立ち、主スプリングセグメント２０は、ロータ表面から僅かなギャップ（２６において）を持たせて組み立てなければならない。この時、Ｐ１（シール１８の上流圧力）＝Ｐ２（シール１８の下流圧力）＝Ｐ３（半径方向ギャップ２６における圧力）である。機械が始動すると、Ｐ１は、増加するであろうＰ２より増加するであろう。図示した可能性のある用途（ある機械の高圧パッキンシール）では、シール１８を挟んだ圧力は、全速／全負荷で２：１に近づき、その結果、シールを通り抜ける流れは閉塞した状態になるであろう。Ｐ１／Ｐ２が小さいとき、シール組立体１８を通り抜ける流れは少なく、それ故、流速は低くなり、同様にシールを開く力も小さくなるであろう。Ｐ１／Ｐ２が増加するにつれて、シールを通り抜ける流れのマッハ数もまた増加して、Ｐ１／Ｐ３の比は減少するであろう。Ｐ３がなおＰ２より大きい間は、Ｐ３はＰ１以上にはならないので、シールを開く力は減少するであろう。この開く力は、主スプリングセグメント２０と裏当てスプリングセグメント３０の両方によって与えられる、ギャップ２６を閉じるスプリング力によって押し返されるであろう。従って、流れは、Ｐ１／Ｐ２及び作動条件において設計されたシールの開きによって制御されるであろう。従って、シールギャップ２６及びリークは、作動条件にそれら自体で適応する。今一度述べるが、裏当てスプリングセグメント３０が、シールが調節するときの如何なる不安定さも排除するであろう。
【００２１】
一般的に、ロータ１０及びステータ１２は、機械の作動条件の変化に異なった過渡応答性を有するであろう。運転開始時に、ロータ１０は、矢印３４の方向に回転し、遠心荷重によりステータ１２に向かって急激に延びる可能性がある。それに続いて、ステータ１２は、一般的にロータ１０より熱的に素早く応答し、ロータから離れるように膨張し、その結果そのギャップを幾らか増加させるであろう。機械を停止すると、この逆のプロセスになるであろう。シール組立体１８を挟んだ圧力比は、熱過渡変化とは殆ど無関係であり、そのため開く力及びシールギャップ２６はそれらの変化に適応するであろう。ギャップ２６は開く力に従い、しかしながら、スプリング力は、それら力の変化に逆らうように働いて、流れの変化を最小にする。
【００２２】
主スリングセグメント２０及び裏当てスプリングセグメント３０の表面は、全て滑らかであり、従ってウィンデージに起因する温度増加は全くないであろう。シール組立体１８とロータ１０の表面の間との接触がないので、たとえシールの劣化があったとしても、きわめて少ないであろう。
【００２３】
本発明を、現在最も実用的で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たが、本発明は開示した実施形態に限定されず、反対に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び同等な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】 本発明の例示的な実施形態によるステータとロータの間のばね板シール要素の概略側面断面図。
【図２】 ばね板シール要素を円周方向に一部重ね合わせて配置しているあるいはオーバラップさせている方法を示す概略端面図。
【符号の説明】
１０ ロータ
１２ ステータ
１４ 半径方向ギャップ
１８ シール組立体
２０ 板ばねセグメント
２２ 取付け部分
２４ シール部分
２６ シールギャップ
２８ ロータ表面
３０ 裏当てスプリングセグメント
３２ 湾曲した部分

Claims (8)

1. 機械の回転要素（１０）と固定要素（１２）との間に取付けられるシール組立体（１８）であって、当該シール組立体が、
   前記回転要素（１０）を取囲む円周方向の配列で前記固定要素（１２）に固定された第１の複数の板ばねセグメント（２０）を含んでおり、該板ばねセグメント（２０）の各々が半径方向取付け部分（２２）と略軸方向のシール部分（２４）とを有していて、前記複数の板ばねセグメント（２０）が、互いに部分的に重なり合うように円周方向に配置されているとともに当該シール組立体の組立後に第１の複数の板ばねセグメントと前記回転要素（１０）との間に半径方向ギャップ（２６）を保つように配置されており、
   当該シール組立体が、さらに、前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）の下流に、前記固定要素（１２）に固定されかつ前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）の略軸方向のシール部分（２４）の背面に各々係合するように配置された第２の複数の板ばねセグメント（３０）を備える、シール組立体。
2. 前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）と第２の板ばねセグメント（３０）とが異なる曲率を有する、請求項１記載のシール組立体。
3. 前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）と第２の板ばねセグメント（３０）とが異なる厚さを有する、請求項１又は請求項２記載のシール組立体。
4. 前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）と第２の板ばねセグメント（３０）とが異なる剛性を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシール組立体。
5. 前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）及び第２の板ばねセグメント（３０）がスプリング鋼で造られている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシール組立体。
6. 前記回転要素（１０）がタービンロータであり、前記固定要素（１２）がタービンステータである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシール組立体。
7. 機械の回転要素（１０）と固定要素（１２）との間の半径方向ギャップをシールする方法であって、
   （ａ）第１の複数の板ばねセグメント（２０）を前記固定要素（１２）に取付ける段階と、
   （ｂ）前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）を、互いに部分的に重なり合うように円周方向に配置するとともに、第１の複数の板ばねセグメントと前記回転要素（１０）との間に半径方向ギャップ（２６）が形成されるように配置する段階と、
   （ｃ）前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）の下流に、上記半径方向ギャップ（２６）を保ちつつ、前記第１の複数の板ばねセグメント（２０）の略軸方向のシール部分（２４）の背面に各々係合するように第２の複数の板ばねセグメント（３０）を前記固定要素（１２）に固定する段階と
   を含む方法。
8. 前記回転要素（１０）がタービンロータであり、前記固定要素（１２）がタービンステータである、請求項７記載の方法。

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