JP5518118B2 - 回転するタービンブレードのためのシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、改良されたシール装置、特に、ブレード又は翼の半径方向配列を包囲するダイヤフラム又はダイヤフラムリングによって支持された又はその他の形式でダイヤフラムリングに結合されたシール装置に関する。この装置は、有利にはターボ機械において使用することができる。本発明は特に、回転部分又は翼とタービンのケーシングとの間の間隙を通る流体の漏れを防止するための装置に関する。

以下の説明では「タービン」とは、水又はガス等の流体媒体によって力結合された、回転部分と固定部分とを有する回転機関を指すために使用される。特に本発明にとって関係があるのは、移動するロータブレードの半径方向配列と交互に配置された、半径方向に配置された固定されたステータブレードを有する軸流タービンである。移動は概して、ケーシング又はハウジングに対する移動として定義される。

タービンの設計及び運転において直面する一般的な問題は、ロータブレードの先端部又はロータブレードに取り付けられた周方向シュラウドと、ハウジングとの間の漏れである。ラジアルタービンの運転は、回転するブレードと、ケーシングの定置の壁部又はケーシングのあらゆる延長部との間に、最低限の先端部間隙を必要とする。しかしながら、この間隙は漏れ流を生ぜしめ、この漏れ流は、圧力面と吸込面との間の差圧によって駆動される。

先端部漏れを減じるために、回転部分と固定部分との間の間隙を適切なシールによって閉鎖することが知られている。この目的のために使用される最も一般的なタイプのシールは、ラビリンスシールである。ラビリンスシールは通常、一方の部分に設けられた多数の半径方向に延びた環状のナイフと、他方の部分に設けられた対応する環状のシールランド、又はスレット（threats）又は溝の配列を有する。全てのタイプのラビリンスシールは、間隙を通る流体のための曲がりくねった経路を提供するという共通の特徴を有する。タービンにおける先端部漏れを防止するために、シールはしばしば、ケーシング内においてこのケーシングによって支持された二分割部品若しくはセグメントとして通常組み立てられる完全なリングの形状を成している。

ラビリンスシールは周知でありかつ全ての主要なタービン製造業者の設計において使用されているので、本発明の目的のために、このようなシールが複雑な形状であり、これは、適切に機能するために精密な公差で切削されなければならないことを強調すれば十分である。運転中のシールの部材の標準位置からのあらゆる移動は、通常、可動部分と固定部分との間の漏れ又は摩擦を著しく増大させる。回転するブレードのための公知のラビリンスシールは、タービンの内側ケーシング、及びダイヤフラム構造物又はリング状キャリヤに一体化されている。

回転部分の半径方向の膨張又は収縮の際にシールの部材を相対移動させるために、幾つかのシールは、ばね支持型パッケージとして組み立てられている。ばね支持型のシールでは、弾性力が、シールの一方の部分を他の部分に対して押し付け、これにより、間隙の拡大又は過剰な摩擦を防止する。このような解決手段の例も知られている。例えば、ＡＥＧ文献、"Spezielle Konstrucktionsaufgaben aus dem AEG-Grossturbinenbau"、Hans Reuschke（DK 621.165-181.2:62.0022）には、第９０頁〜第９１頁の"Wellendictung"のセクションにおいて、ばね支持型リングがダイヤフラムの間のシールを支持することが記載されている。

ラビンリンスシールに代わる公知の手段は、ブラシシール及びフィンガシールである。これらのタイプのシールは概して、一方の部分に取り付けられた複数のフレキシブルな部材を有し、これらの部材は、他方の部分における適切な表面にシール係合する。

公知ではあるが、あまり一般的に用いられていない別の代替手段は、２つの適切な成形された係合面を有するフィルムライディングシールである。タービンが回転すると、表面の間に流体の薄いフィルムが形成され、小さな持上げ力がこれらの表面を離反させる。通常、復元力を加えるためにシール設計において弾性エレメントが設けられており、この復元力は、始動時の摩擦を低減し、かつ持上げ力に対抗し、シーリング面の間に適切な一定の間隙を維持する。

タービンの設計において、既存の旧型のタービンを、特にブレードのような現代的でかつより効率的な構成部品を備えるように改造する場合、どのようにシールを取り付けるかの選択肢はしばしば制限される。幾つかの改造において、シールの固定部分をタービンのケーシングに直接に取り付けるか又はその他の形式で固く結合することは可能でないか又は望ましくない場合がある。引用したことによりその全体が本明細書に記載されたものとする、共同で所有された、公開された米国特許出願公開第２００８／０１７０９３９号明細書に記載された設計は、シールの固定部分がケーシングに固く結合されないシール設計を例示するための例を示している。

現在では、シールがタービンのステータに結合される形式に依存して、シールは、流体がタービンを流過する間にステータブレードにかかる力によって生ぜしめられる変位又は歪みを生じる場合があることが分かっている。この変位は通常、シーリング面の間により広い間隙を生じ、これによりシール性能を低下させる。シール間隙の拡大につながる別の変位は、タービンの内側ケーシングの変形の結果であることもある。

米国特許出願公開第２００８／０１７０９３９号明細書

したがって、本発明の課題は、これらの変位又は変形の効果を低減又は排除することである。

本発明の一態様によれば、交互に配置された固定ブレードの半径方向配列のための外側支持を提供する連続するダイヤフラムを有するタービンのためのシールが提供され、このシールは、回転ブレードの外側端部の周囲の流体の流れを低減するシールの一部を形成する、半径方向及び軸方向で支持された外側シール部分を有し、この外側シール部分の半径方向支持部は、キー及び周方向延長部によって半径方向で所定の位置に保持されたリングとして形成されており、キー及び周方向延長部は十分な間隙を有することにより、圧力シール面及びケーシングに対する軸方向での支持を保証しながらリングとケーシングとの相対的な半径方向移動を許容し、リングが、ケーシング及び／又はダイヤフラムからの十分な間隙を有することにより、軸方向での（軸方向平面における）ダイヤフラムの回転移動の際に半径方向に変位させられることから実質的に隔離されている、つまり半径方向に変位させられないようになっている。

本発明の目的は、回転ブレードの先端部をシールするための外側シール部分を提供することである。新規の外側シール部分は、静翼若しくは固定ブレード、及び静翼に結合されたダイヤフラム又はケーシングの部分の回転移動に対する感度が低くなるように設計されている。この回転移動は、固定ブレードが流れの力を受けた時に発生する恐れがある。本発明は、外側シール部分を半径方向で支持する安定化構造を有する。つまり、この安定化構造は、ケーシングに差し込まれたリングとして形成されている。リング本体は、上流及び／又は下流のダイヤフラムに対して十分な間隙を有する。ダイヤフラムはここでは、固定ブレードのあらゆるベース部分、又はケーシング自体の内側延長部を含むものと定義される。

リングは、外側の周方向の、半径方向外方へ突出した延長部若しくはリムを有しており、この延長部若しくはリムは、ケーシングの並置された面又はエッジと係合するタービンの軸方向での支持を提供する。択一的に、周方向延長部は、ケーシング、又はダイヤフラム等のケーシングに結合されたあらゆる部分から半径方向内方へ突出していることができる。両方の選択肢はリングのための軸方向支持を提供することができる。

しかしながら、キー及び周方向延長部の形態の軸方向支持は、ケーシングに対するリングの小さな半径方向移動を許容するように設計されていることに注意することが重要である。これにより、ケーシングが流れの力又は温度差によって標準形状から歪められたとしても、リングは結果として生じる変形から切り離される。

発明の上記態様の第１の好適な変化態様において、軸方向支持は、リングの外周に設けられた加工されたエッジ又は溝によって提供され、軸方向に向けられた面は、ケーシングにおける対応する溝又はエッジにおける並置された面と接触する。

発明の上記態様の第２の好適な変化態様において、軸方向支持は、ダイヤフラムとケーシングとの間のギャップ内に配置された、リングの外周に設けられた加工されたエッジ又は溝によって提供される。

据付け及びメンテナンスを容易にするために内側及び外側のリングを有するようにリング状の支持部を設計することが有利である場合がある。

例えばばねによって外側シール面を弾性的に取り付けることによってシールの性能をさらに高めることが可能である。弾性的な取付けは、回転するブレードの先端部における内側シール面と、外側シール部材との間の間隙が変化したとしても、シール面の間の接触を維持する。

発明のこれらの態様及び別の態様は以下の詳細な説明及び以下に列挙する図面から明らかになるであろう。

発明の典型的な実施の形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

２つの移動するタービンブレード列と、これらの移動するブレード列の間に配置された、本発明による完全に組み立てられたタービンダイヤフラムとの部分的な半径方向の断面図である。 支持されたシールにおける固定ブレードの軸方向回転の効果を概略的に示す図である。 本発明による第１の例を示す概略的な半径方向断面図である。 本発明による第２の例を示す概略的な半径方向断面図である。 本発明による第３の例を示す軸方向断面図及び半径方向断面図である。

上記で引用した米国特許出願公開第２００８／０１７０９３９号明細書の図２の関連する特徴を再現した、図１によって示されたいわゆる"コンパクトダイヤフラム"設計をまず参照した以下の説明において、本発明の態様及び実施例の詳細をさらに詳細に説明する。図１は、蒸気タービンにおける可動ブレード若しくは動翼１２，１３の連続した環状の列の間に配置された完全に組み立てられたダイヤフラムを示す部分的な半径方向断面図である。可動ブレードにはそれぞれ、半径方向内側のＴ字形の根元部分１４，１５が設けられており、これらの根元部分１４，１５は、ロータドラム１８の周面に加工された対応するスロット１６，１７に配置されている。可動ブレードの先端部には、シュラウド１９，２０と呼ばれる半径方向外側のエレメントも設けられている。図示の例では、シュラウド１９，２０はラビリンスシールの可動部分を支持している。包囲する分割されたリング２１，２２はシールの固定部分を支持している。これらのリング２１，２２は、上流及び下流のダイヤフラムリング３３，３４に固く結合されており、これらのダイヤフラムリング３３，３４自体はタービンのケーシング１０内に取り付けられている。公知のように、シュラウド１９，２０とリング２１，２２との間のシールは、分割されたリング２１，２２に加工された溝に圧入されたリップ又はフィン２３，２４によって達成されている。

分割されたリング２１，２２はダイヤフラムリング３３，３４によって支持されており、ダイヤフラムリング３３，３４自体はステータブレード若しくは静翼３０，３１の底部に溶接されていることに注意することが重要である。

運転中、ステータブレード３０，３１はタービンを通る流れに曝される。この流れが伝達する力は、タービンの固定部分に様々な影響を与える。図２Ａ及び図２Ｂは、一つのブレードの例を用いて軸方向の固定ブレードの小さな回転又は曲げ移動の効果を示している。図１及び図２における同じ機能を有する１つ又は複数の同じエレメントは同じ符号で示されている。

ブレード３０及びシール支持リング２１の組立て位置又は標準位置が図２Ａに示されている。図２Ｂには、ブレード３０が流れの方向に曲げられ、ダイヤフラムリング３３及びシール支持リング２１を含む僅かな回転移動を行っている様子が示されている。支持リング２１の移動は図２Ｂにおいて最大半径方向移動ｘと、回転角αとによって示されている。先端部漏れに対するこの撓みの効果は、与えられたタービン設計の場合、特定の幾何学的形状及びその他のパラメータに依存するが、シミュレーションが示すところでは、変位は先端部漏れ面積を３０％以上増大させる恐れがある。回転移動の効果は、ここではダイヤフラムリングに取り付けられたステータブレードの例を用いて示されているが、他のタービン設計のようにステータブレードがケーシングに直接に固定されている場合にも、それほど顕著ではないが、同様の効果が生じる。

回転移動による先端部漏れを減じる第１の典型的な装置は図３に示されている。上記図面において同じ又は同様の形態で既に出現した図３のエレメントは、再び同じ符号で示されている。この例においては、シール支持リング２１は、シールエレメント２３のための半径方向及び軸方向支持を提供する内方へ屈曲したフランジを備えたリム状構造である。支持リング２１は、上流及び下流のダイヤフラムリング３３，３４との間に間隙を有する。支持リング２１は、ボルト２５を用いてハーフジョイントにおいて螺合された状態で示されている。リング２１は支持キー２８においてケーシング１０へ差し込まれており、半径方向外方へ突出したリングの周方向延長部２７によって軸方向でシールされている。リング２１の内方へ屈曲したフランジによって形成されたチャンバ内の所定位置に保持されながら、シールエメント２３は弾性エレメント２９によって支持されており、この弾性エレメント２９は、シールが対向面に接触した状態を維持するように働く。弾性エレメント２９は例えば板ばねを含むことができる。対向面は、回転するブレード１３の先端部又はシュラウド１９に設けられている。

ケーシング１０が例えば熱応力によって半径方向に変形させられると、リング２１の外側の周方向延長部２７は、結果的なゆがみを許容するために、ケーシング１０の対応する周方向溝１１内に十分な半径方向間隙を有する。リング２１とダイヤフラムリング３３，３４との間の間隙は、上記の図２において詳述したような軸方向の小さな回転からリング２１を隔離するのに十分である。

本発明による第２の典型的な装置が図４に示されている。上記図面に同じ態様で既に出現した図４のエレメントは、再び同じ符号を用いて示されている。この例では、シール支持リング２１はＬ字形断面を有するように示されている。リング２１の外側周方向エッジ２７は、上流のダイヤフラムリング３４とケーシング１０との間の間隙内へ延びている。この例のこの延長したシール支持リング２１は、ケーシング１０内に差し込まれ、上記例におけるように接合部においてボルト留めされている。周方向切欠２６は、リング２１の（半径方向）内側のシール支持部分とダイヤフラム３４との間に間隙を提供し、リング２１をダイヤフラムの半径方向移動に追従させることなくダイヤフラム３４を回転させる。

図５Ａ及び図５Ｂに示したような第３の例において、支持リングは、ケーシング１０の半径方向内方へ突出した部分２７における軸方向に向けられた面又はエッジと係合することによって軸方向で圧力シールを直接に提供する。ケーシングのこの延長した部分はステータブレード３０，３１又はダイヤフラムリング３３，３４の回転に影響されないので、支持リングはやはりこのような回転の効果から隔離されている。この例において、支持リングは前記例のようにキー２８を用いて差し込まれている。しかしながら、この取付けを容易にするために、図５の支持リング２１は、内側及び外側のリング５１，５２にそれぞれ分割されている。内側リング５１はシール２３を支持している。横方向キー５３は、タービンの中心軸線を中心とするリング構造全体の回転を防止するのに対し、横方向ピン５４，５５は内側リング５１の回転を防止する。横方向キー５３のようなキーを、上述の例においてリングを固定するために使用することもできる。

本発明は、純粋に例として上記に説明されており、発明の範囲において変更を行うことができる。例えば、ステータブレードを、ダイヤフラムリングではなくケーシングの内側半径方向延長部に直接に取り付けることができる。次いでシール支持リングはこのような延長部から間隙によって分離される。

本発明は、ここで説明又は暗示された又は図面に示された又は暗示されたあらゆるそれぞれの特徴、又はあらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、又は発明の均等物に拡張されるあらゆるこのような特徴又は組合せのあらゆる一般化をも含む。つまり、本発明の範囲は、上記の典型的な実施の形態のいずれによっても限定されるべきではない。図面を含む明細書に開示されたそれぞれの特徴は、そうでないことが明言されない限りは、同一の、均等の又は類似の目的を果たす択一的な特徴によって置き換えられてもよい。

ここで明言されない限り、明細書中の従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が広く公知であるか又は当該技術分野における共通の一般的な知識の一部を構成することを認めるものではない。

１０ ケーシング
１１ ケーシングの周方向溝
１２，１３ 可動ブレード
１４，１５ 半径方向内側のＴ字形の部分
１６，１７ 対応するスロット
１８ ロータドラム
１９，２０ シュラウド
２１，２２ シール支持リング
２８ 支持キー
２３，２４ シールフィン／シールエレメント
２５ ボルト
２６ 周方向切欠
２７ 半径方向の周方向延長部
２９ 弾性エレメント
３０，３１ 固定ブレード
３３，３４ 上流及び下流のダイヤフラムリング
５１，５２ 内側及び外側の支持リング
５３ 横方向キー
５４，５５ 横方向ピン
ｘ 最大半径方向移動
α 回転角

Claims (6)

1. 軸方向で交互に配置された固定ブレードの半径方向配置のための外側支持を提供する連続するダイヤフラムを有するタービンのためのシールにおいて、該シールが、回転するブレードの先端部周囲の流体の流れを低減するシールの一部を形成する半径方向及び軸方向で支持された外側シール部分を備え、該外側シール部分の半径方向支持部が、キー及び周方向延長部によって所定の位置に保持されたリングとして形成されており、前記キー及び周方向延長部が十分な間隙を有していることにより、圧力シール面及び軸方向の支持を保証しながらケーシングの部分及び／又はダイヤフラムと前記リングとの相対的な半径方向移動を許容するようになっており、前記リングが、ケーシングの部分及び／又はダイヤフラムから十分な間隙を有することにより、軸方向でのケーシングの部分及び／又はダイヤフラムの回転運動の際に半径方向に変位させられないようになっていることを特徴とする、タービンのためのシール。
2. 前記軸方向の支持が、ケーシングに設けられた対応する溝における並置された面と接触するための軸方向に向けられた面を有する、リングの外周の延長部によって提供されている、請求項１記載のシール。
3. 前記軸方向の支持が、ダイヤフラムとケーシングとの間の間隙内に配置された、リングの外周の延長部によって提供されている、請求項１記載のシール。
4. 前記軸方向の支持が、リングの対応する溝又はエッジにおける並置された面と接触するための軸方向に向けられた面を有する、ケーシングの内周の延長部によって提供されている、請求項１記載のシール。
5. 前記リングが、タービンのケーシング内に一緒に取り付けられかつ相対回転しないように固定された内側のリング及び外側のリングを有する、請求項１記載のシール。
6. 前記リングが、前記外側のシール部分と、前記回転するブレードの先端部又はシュラウドに取り付けられたシール部分との間の間隙を閉鎖するように設計された半径方向に作用する弾性エレメントを有する、請求項１記載のシール。

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