JP5709346B2 - 回転機械をシールするための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、総括的には回転シャフト用のオイルデフレクタシールに関し、より具体的には回転シャフト周りでのガス流を減少させてベアリング潤滑オイルシステム内への水分及び汚染物質の吸込みを防止するシールを含むオイルデフレクタシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知の大型蒸気タービンでは、ベアリング潤滑オイルシステムの塵埃及び水分汚染が生じる。そのような汚染は、是正しなかった場合には、それに限定されないが制御システムのような潤滑オイルシステムと連動するベアリング特性及びシステムに悪影響を与えるおそれがある。化石燃料使用蒸気タービンは、それらを炭塵及び微細炭で汚染された環境内で運転されることが多いので、特にこの問題を生じ易い。

潤滑オイルシステム内に汚染物質が入る１つの経路は、システムオイルタンクの換気のために及びオイルシール冷却のために必要な大気と共にベアリングオイルシールを通して吸込まれることによる可能性がある。一般にオイルデフレクタと呼ばれるベアリングオイルシールは、関連するベアリングからの潤滑オイルの漏れを防止するラビリンスシール装置である。汚染空気は、潤滑オイルシールシステムの真空よってシールを通して吸込まれて、オイルデフレクタリング（歯）及びシャフトによって形成されたクリアランスを通って流入する。そのような汚染物質の吸込みは、デフレクタの歯を詰まらせる可能性があり、場合によっては蓄積した塵埃が高温のために炭化してシャフトの損傷を引き起こしていた。

そのような汚染物質の影響を防止する公知の試みには、シールのラビリンスシールに対して加圧ガス流体を供給することが含まれる。例えば、蒸気シールシステム、圧縮機及びその他の回転装置には、加圧ガスを受ける（また、場合によっては抽出する）シールが取付けられた。これらの装置は通常、シャフトに沿って設置された複数の空洞を含み、シールハウジング又は空洞内に設けられた比較的小さい通路を使用して歯の領域内に流体を注入する。これらの構成の場合には高空気注入速度の故に、シャフトの周りをシールするための高圧及びそれに対応して高フロー馬力が必要となる。しかしながら、狭い間隙は、最終的には開いてシールの有効性を低下させ、付加的装置はまた、定期メンテナンスの配慮を必要とする。
米国特許第７，０５９，８２７号公報 米国特許第７，０５６，０８８号公報 米国特許第６，８８７，０３８号公報 米国特許第６，６９２，２２８号公報 米国特許第６，６８５，１９０号公報 米国特許第６，６２２，４９０号公報 米国特許第６，４６４，２３０号公報 米国特許第６，４３５，５１３号公報 米国特許第６，３７８，８７３号公報 米国特許第６，２３１，０４７号公報 米国特許第６，１６８，３７７号公報 米国特許第６，１３９，０１９号公報 米国特許第６，１３１，９１０号公報 米国特許第６，０１２，７２３号公報 米国特許第５，９７１，４００号公報 米国特許第５，９４１，６８５号公報 米国特許第５，７４９，５８４号公報 米国特許第５，５６８，９３１号公報 米国特許第５，５１１，８８６号公報 米国特許第５，３３５，９２０号公報 米国特許第５，３１８，３０９号公報 米国特許第５，３０８，０８８号公報 米国特許第５，０９０，７１０号公報 米国特許第５，０７６，５９０号公報 米国特許第５，０２９，８７５号公報 米国特許第５，０２６，２５２号公報 米国特許第２，８７８，０４８号公報 米国特許出願公開第２００３／０１８５６７５号公報

１つの実施形態では、ベアリング潤滑オイルシステム内への周囲空気の流れを減少させるためのシステムを提供し、本システムは、回転機械シャフトの一部分を支持するように構成されたベアリングに対して固定された潤滑オイルベアリングカバーを含む。カバーは、シャフトに向かって半径方向内向きに延びる第１の端部キャップを含んで、ベアリングを囲む空洞が該カバー及び第１の端部キャップによって形成され、またシールリングの組が該シャフトと実質的に同心でありかつ潤滑オイル流に抗するシールを形成するようになっている。シールリングは、端部キャップから半径方向内向きに延びる複数のワイヤブリストルを含み、ワイヤブリストルは、組立てられた時にシャフトの表面まで延びるように構成されかつ空洞に侵入するガスに対して蛇行流路を形成するように構成される。複数のワイヤブリストルの各々は第１の実質的に直線の部分と第２の実質的に直線の部分とを含み、第１の部分と第２の部分は互いに対して傾斜している。

別の実施形態では、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、オイル潤滑式ベアリングによって少なくとも部分的に支持された回転シャフトと、ベアリング潤滑オイルシステムへの大気の流れを防止するのを可能にするように構成されかつ該ベアリングからの潤滑オイルの漏れを防止するオイルデフレクタと、シャフト及びベアリングの一部分を囲むオイルデフレクタハウジングとを含む。本蒸気タービンはまた、シャフトと実質的に同心にハウジングに結合されてオイル漏れに抗する内側ラビリンスシールを形成しかつ該シャフトの長手方向軸線に沿ってベアリングに近接して配置されたオイルデフレクタリングと、シャフトと実質的に同心にハウジングに結合されかつ該シャフトの表面まで延びてオイル漏れ及び大気侵入に抗する外側シールを形成するブラシシールとを含み、ブラシシールは、シャフトの軸線に沿ってオイルデフレクタから間隔を置いて配置される。

さらに別の実施形態では、回転機械シャフトをシールする方法を提供し、本方法は、シール対象の機械の一部分を囲む空洞を形成する段階と、空洞外部の第２の圧力に対してより低い第１の圧力を空洞内部に保つ段階と、複数のワイヤセグメントを備えたシールを該ワイヤセグメントの自由端部がシャフトの表面に接触するように空洞の端縁部と該シャフトとの間に配置して該シャフトに沿ってシールを通過した空洞内への大気侵入の流れを減少させる段階とを含む。

以下の詳細な説明は、限定としてではなく実施例として開示するものである。本説明は、現時点で本発明を実施する最良の形態であると考えられるものを含む開示内容を当業者が製作しまた使用するのを可能にしているのは明らかであり、すなわち幾つかの実施形態、改造形態、変形形態、変更形態及び本開示の使用について記述している。本開示は、好ましい実施形態に適用するものとして、すなわちベアリング潤滑オイルシステム内への周囲空気の流れを減少させるものとして記述している。しかしながら、本開示は、産業用、商業用及び家庭用用途における回転機器内の空洞間のスペースをシールする一般的な用途を有すると考えられる。

図１は、例示的な蒸気タービン１０の部分切欠き斜視図であり、蒸気タービン１０は、シャフト１４を備えたロータ１２と複数のタービン段１６を含む。タービンロータ１２は、複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８を含む。複数のバケット２０が、各ロータホイール１８に機械的に結合される。より具体的には、バケット２０は、各ロータホイール１８の周りで円周方向に延びる列の形態で配置される。複数の固定ノズル２２が、シャフト１４の周りで円周方向に延び、かつ隣接するバケット２０の列間で軸方向に配置される。ノズル２２は、バケット２０と協働して各タービン段１６を形成しかつタービン１０を通るストリーム流路の一部分を形成する。シャフト１４は、複数のベアリング２３及び２４によって支持されかつ回転を誘導される。

運転中、蒸気２５は、タービン１０の入口２６に流入し、ノズル２２を通して送られる。ノズル２２は、蒸気２５を下流方向にバケット２０に対して導く。蒸気２５は、残りの段１６を通って流れてバケット２０に力を伝えて、この力により、ロータ１２を回転させる。タービン１０の少なくとも一端部は、ロータ１２から離れるように軸方向に延び、それに限定されないが発電機及び／又は別のタービンなどの負荷又は機械装置（図示せず）に取付けることができる。それに応じて、大型蒸気タービンユニットは、実際には幾つかのタービンを含み、それらタービンは全て、同一のシャフト１４に同軸に結合することができる。例えば、そのようなユニットは、中間圧（ＩＰ）タービンに結合された高圧（ＨＰ）タービンを含み、中間圧（ＩＰ）タービンは、低圧（ＬＰ）タービンに結合することができる。１つの実施形態では、蒸気タービン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓから購入可能である。

図２は、本発明の実施形態によるオイル潤滑式ベアリングシステム２００を図示する、タービン１０（図１に示す）の拡大部分である。本発明のこの例示的な実施形態は、大型蒸気タービンと組合せて使用して、ベアリング潤滑オイルの漏れを防止し、また濾過されていない大気のベアリング潤滑オイルシステム内への流入を防止するのに適している。シャフト１４は、蒸気タービンの回転構成要素を支持し、シャフト１４は次に、その長さに沿って設置されたジャーナルベアリング２３及び２４によって支持される。シャフト１４は、ベアリングハウジング２０２がジャーナルベアリング２３及び２４を実質的に囲んだ状態で、タービン１０の端部から突出するものとして示している。ジャーナルベアリング２３及び２４には、絶えず潤滑オイルが供給されて、ベアリングハウジング２０２内のシャフト１４の部分がオイルを含む環境に絶えず曝される。潤滑オイルは、潤滑オイルポンプ２１０から供給ヘッダ２０８を通してオイル供給ブランチ２０４及び２０６に供給される。ポンプ２１０は、潤滑オイルサンプ２１２から吸込みを行い、潤滑オイルサンプ２１２は、それぞれベアリング２３及び２４からドレンライン２１４及び２１６を通して重力によってオイルを回収する。遠心ファン２１８などの蒸気エクストラクタが、オイルサンプ２１２内にあるオイルからまたドレンライン２１４及び２１６を通してガスを除去し、ベアリングハウジング２０２内部を大気圧に対して負圧に保つ。

ベアリングハウジング２０２内部の負圧は、該ベアリングハウジング２０２からのオイル漏れを減少させるのを可能にするが、しかしながら、負圧はまた、ベアリングハウジング２０２を囲む大気からシャフト１４とベアリングハウジング２０２との間のギャップ２２０を通して該ベアリングハウジング２０２内への空気の流れを引き起こす。ギャップ２２０は、シャフト１４と該シャフト１４を囲むベアリングハウジングの端縁部２２２との間に形成される。侵入空気は、最終的にはファン２００によりオイル潤滑式ベアリングシステム２００から除去されるが、しかしながら、侵入空気はまた、水分並びにオイル潤滑式ベアリングシステム２００から容易には除去されない炭塵及び／又は微細炭などの高度にアブレイシブな汚染物質を持ち込む。ギャップ２２０を通る空気流を減少させようとして、ラビリンス経路を備えたオイルデフレクタが使用されてきた。しかしながら、そのようなシールは、非接触であり、また例えばシャフト及びベアリング構成要素の温度誘発膨張差のためにギャップ２２０が閉じているような過渡時に変形状態になるおそれがある。この例示的な実施形態では、ブラシシール２２４は、該ブラシシール２２４によってギャップ２２０が実質的に封鎖されるように、端縁部２２２に沿って円周方向に結合される。別の実施形態では、ブラシシールは、既存のデフレクタリングに加えて設置されて、直列流れ配置になった少なくとも１つのオイルデフレクタリングと少なくとも１つのブラシシールとを含むタンデムオイルシールを形成する。オイルデフレクタリング及びブラシシールは、単一のホルダ上に共に設置しかつ端縁部２２２に沿ってハウジング２０２に結合することができる。それに代えて、ブラシシールは、既存のオイルデフレクタリングから軸方向に間隔を置いた状態で既存のハウジング２０２に改造取付けすることができる。

図３は、本発明の実施形態によるオイル潤滑式ベアリングシステム３００を図示する、タービン１０（図１に示す）の別の拡大部分である。本発明のこの例示的な実施形態は、大型蒸気タービンと組合せて使用して、ベアリング潤滑オイルの漏れを防止し、また濾過されていない大気のベアリング潤滑オイルシステム内への流入を防止するのに適している。シャフト３０１は、蒸気タービンの回転構成要素を支持し、シャフト３０１は次に、その長さに沿って設置されたジャーナルベアリング３０３によって支持される。シャフト３０１は、ベアリングハウジング３０２がジャーナルベアリング３０３を実質的に囲んだ状態で、タービン１０の端部から突出するものとして示している。ジャーナルベアリング３０３には、絶えず潤滑オイルが供給されて、ベアリングハウジング３０２内のシャフト３０１の部分がオイルを含む環境に絶えず曝される。蒸気エクストラクタ（図３には図示せず）が、オイルドレンライン（図３には図示せず）を通してハウジング３０２からガスを除去し、ベアリングハウジング３０２内部を大気圧に対して負圧に保つ。

ベアリングハウジング３０２内部の負圧は、該ベアリングハウジング３０２からのオイル漏れを減少させるのを可能にするが、しかしながら、負圧はまた、ベアリングハウジング３０２を囲む大気からシャフト３０１とベアリングハウジング３０２との間のギャップ３２０を通して該ベアリングハウジング３０２内への空気の流れを引き起こす。ラビリンス経路を備えたオイルデフレクタ３２２は、ハウジング３０２とシャフト３０１との間に配置されて、ハウジング３０２の内部からハウジング３０２の外部の空間までのオイル漏れの流量を減少させるのを可能にする。加えて、ブラシシール３２４は、ギャップ３２０に沿って円周方向に結合され、ギャップ３２０は、ブラシシール３２４によってギャップ３２０が実質的に封鎖される。

ベアリング潤滑オイルシステム内への周囲空気の流れを減少させるのを可能にする上記の方法及びシステムは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。本方法及びシステムは、潤滑オイルシステムの空気侵入及び汚染に抗して回転機械の内部空洞をシールするのを可能にすると同時に、オイルシールが高いレベルのオイル回収及びシール性能を保つのを可能にする。従って、上記の方法及びシステムは、費用効果がありかつ高い信頼性がある状態でのオイル潤滑式回転機械の運転及び保守を可能にする。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることが分かるであろう。

本発明の実施形態による例示的な蒸気タービンの部分切欠き斜視図。 本発明の実施形態によるオイル潤滑式ベアリングシステムを図示する、図１に示すタービンの拡大部分を示す図。 本発明の別の実施形態によるオイル潤滑式ベアリングシステムを図示する、図１に示すタービンの別の拡大部分を示す図。

符号の説明

１４ シャフト
２３ ベアリング
２４ ベアリング
２００ ベアリングシステム
２０２ ベアリングハウジング
２０４ オイル供給ブランチ
２０６ オイル供給ブランチ
２０８ 供給ヘッド
２１０ オイルポンプ
２１２ オイルサンプ
２１４ ドレンライン
２１６ ドレンライン
２１８ 遠心ファン
２２０ ギャップ
２２２ 端縁部
２２４ ブラシシール

Claims (10)

1. 回転機械シャフト（１４）の一部分を支持するように構成されたベアリング（２３、２４）に対して固定された潤滑オイルベアリングカバー（２０２）であって、前記シャフトに向かって半径方向内向きに延びる第１の端部キャップを含んでいて該カバーと第１の端部キャップとによって前記ベアリングを囲む空洞が形成される潤滑オイルベアリングカバー（２０２）と、
   前記シャフト（１４）と実質的に同心でありかつ潤滑オイル流に抗するシールを形成するシールリングの組と
   を含むオイルシールシステムであって、
   前記シールリングが、前記端部キャップから半径方向内向きに延びる複数のワイヤブリストルを含んでいて、前記ワイヤブリストルが、組立てられた時に前記シャフトの表面まで延びるように構成されかつ前記空洞に侵入するガスに対して蛇行流路を形成するように構成されており、前記複数のワイヤブリストルの各々が、第１の実質的に直線の部分と第２の実質的に直線の部分とを含んでいて前記第１の部分と第２の部分とが互いに傾斜している、オイルシールシステム。
2. 前記シールリングの組が、前記シャフトが回転している時に該シャフト（１４）のベアリングからの潤滑オイルの漏れを防止するように構成される、請求項１記載のオイルシールシステム。
3. 前記オイルシールシステムが、
   前記ベアリング（２３、２４）から潤滑オイルを回収するための潤滑オイルサンプ（２１２）と、
   潤滑オイルサンプ（２１２）内のオイルからガスを吸引する蒸気エクストラクタ（２１８）と
   をさらに含んでいて、前記空洞内部の圧力が、前記空洞外部の圧力よりも低い、請求項１記載のオイルシールシステム。
4. 前記内部圧力が、前記空洞と流体連通して結合された蒸気エクストラクタを使用して低減される、請求項３記載のオイルシールシステム。
5. 前記内部圧力が、潤滑オイルドレンライン（２１４、２１６）を通して前記空洞と流体連通して結合された蒸気エクストラクタを使用して低減される、請求項３記載のオイルシールシステム。
6. 前記潤滑オイルサンプ（２１２）から、ポンプ（２１０）によって前記ベアリング（２３、２４）に潤滑オイルが供給される、請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載のオイルシールシステム。
7. 前記カバーが、前記シャフトに向かって半径方向内向きに延びる第２の端部キャップを含んで前記ベアリング（２３、２４）を囲む空洞が該カバー（２０２）、第１の端部キャップ及び第２の端部キャップによって形成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のオイルシールシステム。
8. 前記第２の端部キャップと関連するオイルシールリングの組をさらに含み、
   前記オイルシールリングの組が、前記シャフト（１４）と実質的に同心でありかつ潤滑オイル流に抗するラビリンスシールを形成し、
   前記オイルシールリングの組が、前記第２の端部キャップから半径方向内向きに延びる複数のワイヤブリストルを含み、
   前記ワイヤブリストルが、組立てられた時に前記シャフトの表面まで延びるように構成されかつ前記空洞に侵入するガスに対して蛇行流路を形成するように構成される、
   請求項７記載のオイルシールシステム。
9. 前記シャフト（１４）と前記ベアリングカバー（２０２）との間に配置されたオイルデフレクタ（３２２）をさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のオイルシールシステム。
10. オイル潤滑式ベアリング（２３、２４）によって少なくとも部分的に支持された回転シャフト（１４）と、
    請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のオイルシールシステムと
    を含む蒸気タービン（１０）。
    

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