JP4913306B2 - タービン及び同様の回転装置のための改良型ブラシシールのデザイン - Google Patents
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Description
本発明は、スチームやガス等を用いたタービンや、作業流体の膨張から仕事を抽出する他の装置で用いられるための改良型ブラシシールのデザインに関する。
【0002】
軸流スチームタービンのような軸流伸縮性流体タービンの使用は、我々の社会で電力を生産するという重要な役割を担っている。典型的な発電所では、幾つかのスチームタービンが一つあるいはそれ以上の発電機を運転している。
【0003】
それぞれのスチームタービンは、ハウジングあるいはケーシングで覆われベアリングによって支持された回転可能なシャフトを含むことが一般的である。加熱された蒸気(スチームタービンのための加熱されたスチーム、ガスタービンのための炭化水素の燃焼ガス)の運動量を用いて回転シャフトを回転させるべく、タービンの一連の段はシャフトの軸に沿って連続的に配置される。一般にタービンのケーシングの外側に配置されるボイラーは、タービンに動力を供給するためのスチームを発生させることを目的として配置される。タービンのケーシングの外部には、ボイラーからタービンにスチームを伝送することに用いられるスチームパイプがある。タービンは作動時の圧力あるいは圧力の範囲によって分類されることが一般的である。タービンのケーシングの末端に取り付けられる物は、シュラウド(shroud)と呼ばれる細いケーシングである。シュラウドの末端は、ボイラーからのパイプに連結するパイプ[スナウト(snout)パイプ]であり、スナウトパイプからスチーム給送パイプまでのシールは、スナウトリングと呼ばれるシールリングによって成され、スナウトリングは互いに噛み合う2セットのリングを含み、一方のセットはスナウトパイプの外側に配置され、他方のセットはスナウトパイプが誘導するスチームパイプの内側に配置される。このタイプのエキスパンションジョイントの例はMillerによる特許US2,863,632で示されている(引用によってその内容がここに開示される)。
【0004】
タービンのそれぞれの圧力段はタービンローターを備える。それぞれのローターは、ブレードのほぞ部分に固定されて周方向に伸びるシュラウドバンド(すなわちカバー)に向けて、シャフトから所定距離だけ放射状に伸びる複数のブレードを持つ。固定ダイアフラムは、タービンのケーシングで形成される円周状のジョイントの中のそれぞれのローターの後方に設置される。ダイアフラムの内部構造は、ローターの周囲に円周状に配置されたスチームノズルのリングを規定する。これらのノズルは、ローターが付随するブレードと同様に、同じ放射状の位置に配置される。ノズルはスチーム(あるいは他の作業流体)がその段に入り込むように導き、そしてそれをブレードに導く。それぞれのタービンローターのシュラウドバンドとの“チップシール”を確立するために、こぼれ止め(spillstrips)部分のリングは、回転するシュラウドバンド(該バンドはブレードに設置され、該ブレードはローターに固定され、該ローターは回転する)へ伸びるパッキンと共に各段の固定ダイアフラムによって支持される。スチームがタービンを通じて移動するに従い、その直線運動量の一部は各タービンの段でローターブレードの角運動に変換され、それによってトルクをタービンシャフトに分与する。下流の段において減圧の状態で作業流体から運動力を抽出するために、ローターブレードの長さを増やし、付随するダイアフラムのサイズを大きくする必要が時折ある。
【0005】
タービンのデザインにおける重要な問題点は、タービンの中のスチームのフロー通路に沿った様々な固定要素や回転要素の間のスチームシールの質に関する。一般にタービン内には、そのようなシールによって、高いタービン効率が達成されるべき位置がいくつか存在する。
【0006】
スチームシールが要求される第一の位置は、各ローターの外側部分とローターに付随するダイアフラムとの間であり、引用によってここに開示されるUS特許番号5,547,340で示されるタイプのセグメントに分かれたこぼれ止めリングを用いて成し遂げられてきた。始動段階の動作中で、ローターがその軸の周囲で低周波モードの動作を示す時、こぼれ止め部分に沿って突出する剛直なフィンのような構造(例えばフィンシール)は付随するローターのシュラウドバンドを摩擦し、及び/あるいは切り込みを入れ、始動のためのプロセスの間にそれへダメージを与える。そのような摩擦作用に対する唯一の保護手段は、こぼれ止めの上のフィンの先端とローターのシュラウドバンドとの間に十分な隙間が存在するようにこぼれ止めを設計することであった。しかし、この処理法では先端シールの劣化に起因し、スチームが隙間区域を通じて通過し、そしてローターのブレードを通ることなく越え、それによってタービンの機能を低下させる。
【0007】
スチームシールが要求される第二の位置は、ローターとタービンシャフトとの間である。そのような範囲でシールをすることは、各タービンの段でローターとタービンシャフトとの間にセグメントに分かれたパッキンを配置することによって、数年来に渡って取り組まれてきた。パッキンは一般的に、パーツの一つの上にフィンの複数列(すなわちシール歯)を持つ第一リング構造と、フィンに対応する表面突起の複数列を持つ第二構造から成る。第一リング構造は一般的に付随するダイアフラムから設置され、第二リング構造は一般的にタービンシャフトへ設置される。同時に、対応しかつそろったフィンの列と突起の構造は、加圧スチームに対して高いインピーダンスのフロー通路が存在するラビリンスタイプのシールを生み出す。しかし始動のための動作中に、タービン軸の周囲における動作の低周波モードは、フィンの各列の先端部分を放射状に外側と内側に向けて移動させる傾向にあり、それに加え、熱作業流体が段に入って運転温度を上昇させるにつれて引き起こされる差動熱膨張は、パッキンに対するダメージを増長させることがある。そのようなパッキンリングの構造に対する摩擦とダメージを防止するために、始動のための動作中における先端の摩擦を防止する十分な隙間を持つフィンと表面突起を設計する必要がある。しかし、これは必然的にラビリンスシールの質を低下させる。
【0008】
BrandonによるUS特許番号4,436,311と5,395,124(引用によってその内容がここに開示される)では、パッキンリングのデザインにおけるフィン先端の摩擦の問題に対しては、それぞれのローターとタービンシャフトとの間に伸縮可能なセグメントに分かれたパッキンリングの構造を提供することによって取り組まれてきた。このデザインによってラビリンスシールの質が向上し、その方法については以下で説明される。始動のための動作中に、低周波のローターの振動が支配的である時、ダイアフラムが配置されたパッキンリングセグメントは、タービンシャフトから離れた放射方向にばねによって偏向され、フィンの先端部分が摩擦し、そしてパッキンリングにダメージを与えるリスクを減少させる。ローターの角速度が増加するに従って、低周波振動は自然に減少する。パッキンのリングセグメントは、スチームの圧力によってタービンにより近付いて(放射状に内側へ)移動するようにされ、フィンとそれに対峙して対応する表面突起の間のラビリンスシールの質を向上させ、それによってタービンの効率を向上させる。
【0009】
パッキンにおけるフィン先端の摩擦の問題の別の解決法は、UK特許公開公報番号GB2301635Aで明らかにされている。このUKの公開公報では、ブラシタイプの要素がダイアフラムに配置されたパッキンリングセグメントから伸びるフィンのペアの間に配置される。ブラシシールの目的は、動作の全ての段階でラビリンスシールの質を向上させることである。しかし、このデザインにおける主要な欠点は、始動のための動作中において、広い隙間をそのデザインに組み込まなければ、フィンシールの先端部分を保護する方法を提供しないということである。従って、そのような広い隙間を要するということによって、従来特許のパッキンシールのデザインによって提供されるラビリンスシールの質には必然的に疑問が生じる。
【0010】
他の様々な特許、例えばFergusonによるUS4,971,336、SandersらによるUS5,599,026、BegepalliらによるUS5,474,306、SkinnerらによるUS5,749,584(引用によってその内容がここに開示される)では、タービンにおけるブラシシールの使用を説明している。これらのデザインでは、ブラシシールは固定され、動かないように設計されている。最近の多くのブラシシールのデザインは、タービン(中心は回転タービン軸で規定されている)の半径からある角度傾斜したブラシを提供する。Skinnerらが説明するように、伸縮可能なシール(例えばBrandonによって説明されるような)を持つ機械は、ラビリンス歯の一つに置換されるブラシシールに改装可能であるが、伸縮可能なパッキンを使用した時、Skinnerらは、シールがリング構造を形成するために互いに噛み合う時、伸縮可能なパッキンセグメントに配置された各ブラシシールの末端は、適切に一致させるための同一平面を持つ各セグメントを提供する半径に沿って切断されなければならないと説明している。半径に沿って配置されたブラシシールの平らな末端に対するブラシの斜面により、Skinnerらによるデザインはブラシシールに小さな間隙を含んでいる。
【0011】
本発明の主たる目的は、タービンで高いシール効果を生み出し、一方で従来のブラシシールのデザインで認められる欠点や不利益の発現を防止する改良型ブラシシールのデザインを提供することである。
【0012】
本発明の他の目的は、タービン部材の磨損を効果的に減少させるブラシシールのデザインを提供し、一方で始動のための動作中に、タービンのローターとシャフトの遷移的な半径方向へのバイアスに適応させることによって、タービンの各段の間に高いシール効果をもたらすことである。
【0013】
本発明の他の目的は、弾性タービンで用いられるセグメントに分かれた改良型のパッキンリングを提供することであり、改良されたシールはパッキンリングのホルダーとローターとの間に配置される。
【0014】
さらに本発明の目的は、弾性タービンで用いられる改良型の伸縮可能なパッキンを提供することであり、改良されたシールは、伸縮可能なパッキンとタービンローターとの間で、フィンとそれらの間に配置された剛毛要素(すなわちブラシシール)の少なくとも一列によって形成される。
【0015】
本発明のさらなる目的は、伸縮可能なパッキンを持つ従来の特許で示される間隙無しで連続的なブラシシールを備える伸縮可能なブラシシールのパッキンを提供することである。
【0016】
本発明におけるこれらのそして他の目的は以下で明らかとなる。
【0017】
まず初めに、ラビリンスシールと伸縮可能なパッキンセグメントに関して詳述したバックグラウンドのセクションにおける上記の各特許について言及する。バックグラウンドのセクションで示された通り、スチーム(このセクションでは作業流体として例示される)は、ダイアフラムのノズルによって各段においてブレードに導通され、ダイアフラムは不可動のケーシングに取り付けられ、ブレードはタービンの回転シャフトに取り付けられている。
【0018】
図1で示される通り、タービンの断面は、隣り合う段を分断するダイアフラム103が配置されるケーシングを現わす。前段からのスチームフローは、ダイアフラムの中のノズル(開口状に形成された)に導通され、タービンのブレード107に突き当たる。それぞれのブレードは、基底部109によってタービンシャフト111に取り付けられる。ブレードの末端における周縁は、円周状のシュラウド113によって覆われる。チップシール115の作用によって、スチームがブレードをバイパスすること及びシュラウドを乗り越えることを防止し、低圧力の区域から高圧力の区域にスチームが流れることはできないため(図1の左側の区域は右側の区域よりも低圧力である)、スチームはチップシールとシュラウドの間で逆流しない。対応するチップシール115は、ブレードの下流の次段に存在する。スチームはシール115を通して後方へ逃げる(すなわち図の右側へ)ことによるノズルを避けることはできないが、ダイアフラムとシャフトの間ではリーク可能である。それゆえ、これはパッキンが用いられる他の位置である。まとめると、前段からのスチームはブレードに突き当たって次段に向けられ、ダイアフラムのノズルはブレードの次のセットに向けられる。段に流入したスチームがノズルを持つダイアフラムの周囲から漏れ出ることは防止されなければならず、高圧力の作用による上流への逆流の防止と、シャフトに近接するパッキン117の作用によるシャフトを迂回してしまうことの防止と、チップシール115の作用によるブレードを通過してしまうことの防止が成される。
【0019】
ダイアフラムとシャフトの間のパッキンは伸縮可能であり、ラビリンスタイプであることが望ましい。パッキン117はダイアフラムに配置され、一連のフィン119を含み、その先端はシャフトの対応するラン121に近接し、その幾つかは高くされ、その全ては適切な隙間と高い抵抗を持って入り組んだ(複雑な)通路を提供し、シール効果をもたらす。パッキンはスプリングによってシャフトに向けてバイアスされても良い。パッキンはリングの幾何学的形状であり、複数のセグメントとして配置されることが望ましく、一般に高圧力下においては6個が用いられる、このパッキンによって、前段のブレードから存在するスチームはノズルを通され、ダイアフラムの周囲へ漏出しない。複雑さをもたらすための固体状のフィンをラビリンスシールが持つ必要のないことは評価されるべきである。例えば、ひとつ又はそれ以上のフィンは、ブラシシールと交換可能であり、フィンが配置される内部表面の全体がブラシであっても良い。これらの両方のケースでは、入り組んだフロー通路が確立され、従って、ラビリンスシールが形成される。
【0020】
伸縮可能なパッキンセグメントはアーチ状である。セグメントの向かい合う末端部分の斜視図は図2Aと図2Bで示されている。各セグメント201は、必ずしも必要ではないが、望ましくはタービンの軸に関する半径(すなわちシャフトに沿って軸方向に見たときの断面におけるタービンの半径)に平行な末端203aと末端203bを備えるメインボディ202を持つ。セグメントの径方向の内部表面205(すなわちシャフトに面する面)は、内部表面から同じあるいは異なる高さを持つことが可能な多数のフィン207を備える。径方向の外側表面206は、反対方向に向かうショルダー209a/209bを規定するT型延長部を持つことが望ましく、この場合ショルダーは図1で示されるダイアフラムの中に対応するよう形成される溝と噛み合う。パッキンセグメントの径方向の外側表面にショルダーを連結するネック部材211は、ダイアフラムからの対応する突起を受け入れる。セグメントの各末端で、ネックは穴215を備えることが望ましい。スプリング(あるいは同様の手段)が、セグメントに近接/隣接した位置で各穴に受け入れられ、スプリングはセグメントを互いにバイアスする。上述したように、これらのセグメントは、シール後方でのスチームを許容する手段を含み、後述されるように、タービンが作動圧力に達するに従い、圧力はセグメントのネックをダイアフラムの中の対応する突起に接触させ、そしてシールを形成させることで、スチームはノズルを通過するかあるいはラビリンスシールを横切らなければならない。
【0021】
図2Aと図2Bで示される実施例では、フィンが備えられ得るセグメントの中央セクションが、ブラシシールに置き換えられている。シールは複数の剛毛219が配置されるホルダー217を含むことが一般的である。図示された通り、そして周知技術で説明した通り、剛毛はタービンの(軸上の)半径に対して斜め(角度を持つ)であることが望ましい。Skinnerらによって確認された、パッキンセグメントの末端のようなブラシシールの端部は、タービンの半径に沿って配置されなければならないという、真偽の疑わしい問題には制約されないということを我々は発見した。図2Aと図2Bで示される通り、セグメントの一方の末端において、ブラシシールはセグメントの末端を過ぎて伸びる角度で切断され(例えば図2A)、ブラシシールの他方の端部は、そのセグメントの反対側の末端において、セグメントを過ぎて伸びる角度(例えば図2B)で切断される。従って、ブラシシールの端部は、タービンの半径に沿って配置されない。ホルダーの底の(あるいは外側の)面221は内面205とセグメントの末端203a/bの間の接合点に必然的に一致するように、ブラシシールの端部を切断することが望ましい。
【0022】
本発明によるブラシシールは剛毛の存在しない領域を持たないため、Skinnerらによって説明されたシステムに重要な有利点を提供する。この研究分野では、ブラシシールによって形成されるシールは、ラビリンスシールの理論上のフィンに関して決定されることが一般的である。ブラシシールは固形状ではないため、ブラシシールがシャフトと線接触にある時でも、幾らかのフローはそれを通過する。線接触にあるブラシシールのリークを測定するために圧力テストが実行される。そしてこのリーク値は、ラビリンスシールの理論上のフィンの中の間隙を逆算するために用いられ、すなわちテストで与えられた圧力降下によって、ブラシシールに有効リーク面積を与えるために、フィンの端部とシャフトの間の面積が逆算される(フィンは固形状であるため、作業流体はそこに流入しない)。Skinner らによって説明されたブラシシールの有効リーク面積と本発明のものが同じであると仮定すると、Skinner らによるシールでは剛毛を欠いていることから形成されるスペースが加わるため、Skinner らによるシールのリーク面積は、本発明のシールの面積を大幅に上回る。リーク面積はシールの直径が関与する。直径36インチのブラシシールを用いると、Skinnerらによるブラシシールは、本発明のブラシシールのリークを47%上回り、直径10インチのブラシシールを持つ本発明のシールのリークは264%少ない。
【0023】
始動中の遷移的な作動において、セグメントは引き込まれ、そして半径方向の外側にバイアスされ、これによってシャフト上の突起121がパッキン上のフィンを圧迫、損傷せずにシャフトを多少の揺れと振動を伴わせながらゆるやかに回転させる。スチームの圧力が増加し、タービンが動作スピード及び動作温度に達するに従って、パッキンはシャフトの周囲で縮小する。図3で示された通り、近接するパッキンセグメントは分離され、スプリング301(コイル状のスプリングが図示されている)によってバイアスされる。
【0024】
一方のブラシシールの端部で、一種の舌部303を呈すべく、シールは近接するセグメントの末端を通過して伸びる角度で切断されている。近接するセグメントの対応する末端は、溝305を提供するために、セグメントの表面を通過して伸びる角度で切断されたブラシシールを備える。セグメントがリングを形成するように互いに近接するに従って、近接するセグメントの対峙する末端は接触して同一面となり、一方のパッキンセグメントのブラシシールのセグメントの舌部は、近接して隣接するセグメントの溝と噛み合う。従って、パッキンセグメントの間のそれぞれのジョイントにおいて、ブラシシールには小さな穴あるいはスペースが存在するというSkinnerらによる装置に認められる固有の問題を、本発明は防止する。さらに、ブラシシール(あるいは複数のブラシシールの一つ)は浮動性ブラシシールとして提供され得る。
【0025】
遷移的な作動にさらに関連して、上述した通り始動動作中では、振動の問題と同様に、しばしば熱勾配や不適当な膨張、配列という問題が生じる。パッキンに損傷を与えることを防止するために、パッキンをシャフトから能率的に分離することが望ましい。さらに、Brandonによって説明されたUS特許4,436,311(引用によってその内容がここに開示される)のような伸縮可能で収縮性のあるパッキンが望ましく、本質上このパッキンは半径方向に可動であり自動的に調整される。このパッキンは、近接し、スプリングによってそれぞれが互いに引き離されるパッキンセグメントのリングを含み、スプリングはリングをより大きな円周上に推進させ、それによってタービンシャフトから引き離し、リングの底部セグメントは、重力によってタービンシャフトから自然に移動する。セグメントをシャフトに向けて押し進めるために、作業流体(スチーム)はセグメントの半径方向の外側の表面に向けて上流側へ流入し、このような流入は図1で示されたダイアフラムの壁のホール307によって成されることも可能であり、それによってスチームは自由にパッキンの後方に入る。その代わりあるいはそれに加え、図4で示される通り、溝またはチャンネル401、あるいは他のコンジット手段は、作業流体を外側表面の後方に効果的に流入させ、そしてセグメントをシャフトに向けて押し進めるために、半径方向の外側の表面206、ネック211、及びセグメントのショルダー209の一つに配置可能である。図4で示されたセグメントの外側の表面上のT型に形成された延長部のショルダー部材も、セグメントをさらにバイアスさせ、そして/あるいは整列させるための(葉)スプリングまたは合わせ部を受け入れるためのセグメントの円弧状の周縁に対して垂直な溝またはスリット403を備えることが可能である。動作において、タービンが減速し、スチームがタービンのスピードを増加させるために導入された時、セグメントの末端にあるスプリングは、セグメントのリングをより大きな直径に推進させ、そしてシャフトから離れさせる。そのようにバイアスされると、セグメントの間にはスペースが生じ、それらのスペース、そして/あるいは上述のチャンネルは特にこのダイアフラムに付随するセグメントの後方でスチームが、スチームの圧力が増加するに従って、シャフトの周囲をシールするためにリングの直径を小さくさせるようにする。
【0026】
前述の説明は例証であり、これに限定されるものではない。様々な変更、改良、付加がこの明細書の熟読によって明らかとなり、そしてそれは請求項によって定義される本発明の範囲、意図の中に収まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の新しいパッキンの実施例を含む従来のタービンステージの断面図である。
【図2A】 パッキンセグメントの向かい合った端部の斜視図である。
【図2B】 パッキンセグメントの向かい合った端部の斜視図である。
【図3】 互いに分割された近接するパッキンセグメントの側面図である。
【図4】 始動及び終了動作の間にパッキンの後方へスチームを流入させるためのパッキン部分の側のノッチの斜視図である。
Claims (9)
- ケーシング内に配置された回転軸を含んでガス状の作業流体の膨張から仕事を抽出する装置のための伸縮可能なパッキンセグメントであって、
前記回転軸の周囲をシールすべく、複数のパッキンセグメントがリング状にかつ前記回転軸の中心軸に心合わせされて配置され、
各パッキンセグメントは伸縮可能であって、前記回転軸に対してシールを施すための内表面と断面T型の延長部を支持している外側表面とを含み、前記内表面と前記外側表面と前記延長部はそれぞれそれらの両側に、前記回転軸の半径に平行に切断された対向し合う共通の末端を有し、
前記各パッキンセグメントは更に、前記内表面に配置された少なくとも一つのブラシシールを含み、
前記ブラシシールは対向し合う端部であって少なくとも一方が前記回転軸の半径に平行でないように切断された端部を有し、該一方の端部は前記両側の共通の末端の一方を通過して伸びており、
前記ブラシシールは更に前記回転軸の半径に実質上平行でない方向に向けて配置された剛毛を有し、
前記複数のパッキンセグメントは、前記回転軸の周囲に連続する360度のブラシシールを提供するパッキンセグメント。 - 請求項1のパッキンセグメントにおいて、前記ブラシシールの両端部が前記回転軸の半径に平行でないように切断されているパッキンセグメント。
- 請求項1のパッキンセグメントにおいて、前記内表面は更に複数のフィンを含むパッキンセグメント。
- 請求項1のパッキンセグメントにおいて、前記内表面は複数のブラシシールを含むパッキンセグメント。
- 請求項3のパッキンセグメントにおいて、該複数のフィンは前記内表面から異なる距離で伸びるパッキンセグメント。
- ケーシング内に配置された回転軸を含んでガス状の作業流体の膨張から仕事を抽出する装置のための伸縮可能なブラシシールであって、
前記ブラシシールは、近接して隣接する複数のパッキンセグメントによって形成されかつ前記回転軸の周囲へブラシシールを提供すべく前記回転軸の中心軸に心合わせされたリング形状であり、
前記各パッキンセグメントは伸縮可能であって、前記回転軸に対してシールを施すための内表面と断面T型の延長部を支持している外側表面とを含み、前記内表面と前記外側表面と前記延長部はそれぞれそれらの両側に、前記回転軸の半径に平行に切断された対向し合う共通の末端を有し、
前記各パッキンセグメントは更に、前記内表面に配置された少なくとも一つのブラシシールを含み、
前記ブラシシールは、その両側に前記回転軸の半径に平行でないように切断された対向し合う端部を有すると共に、前記回転軸の半径に実質上平行でない方向に向けて配置された剛毛を有し、
前記ブラシシールの端部の一方は前記パッキンセグメントの共通の末端を通過して伸びる舌部を形成するように角度を持って切断され、前記ブラシシールの端部の他方は隣接する他のパッキンセグメント上のブラシシールによって形成された舌部を受け入れるための溝を提供すべく前記パッキンセグメントに対して同じ角度で切断され、
前記複数のパッキンセグメントは、前記回転軸の周囲に連続する360度のブラシシールリングを提供するブラシシール。 - 請求項6のブラシシールにおいて、前記内表面は更に複数のフィンを含むブラシシール。
- 請求項6のブラシシールにおいて、前記内表面は複数のブラシシールを含むブラシシール。
- 請求項7のブラシシールにおいて、前記複数のフィンは前記内表面から異なる距離で伸びるブラシシール。
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