JP6074301B2 - タービン組立体及びタービン組立方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、静止及び回転機械に関する。より詳細には、本主題は、タービンシステム、エンジンシステム、又はポンプシステムなどの機械的システムの静止部品におけるシール組立体用装置に関する。

例えば、蒸気タービンシステムのようなタービンシステムにおいて、流体流は、システムの選択部分に送られ、機械エネルギーの生成を可能にする。選択されたタービン部品間にシールを配置して、流体を機械エネルギーに変換できるタービンの領域への流体流又は漏洩を低減し、これによりタービン効率を向上させることができる。場合によっては、タービン作動中、静止タービン部品は、熱膨張を生じ、互いに対して移動する可能性がある。部品の相対移動は、シールに対する応力及び摩耗を引き起こす場合がある。例えば、部品間に置かれた半径方向シール（例えば、軸方向流体流れを遮断するため部材間に半径方向に延在するシール）は、熱膨張に起因するフープ応力を受ける可能性がある。

本発明の１つの態様によれば、タービン組立体は、第１の静止部品と、第１の静止部品の半径方向外側に配置される第２の静止部品と、第２の静止部品上の第２のキー形特徴要素に嵌合するよう構成された第１の静止部品上の第１のキー形特徴要素と、第１及び第２のキー形特徴要素間の流体流れを低減するよう、第１及び第２のキー形特徴要素間に配置されたシール組立体とを含む。シール組立体が、Ｖ字形部材と、該Ｖ字形部材に隣接し且つＶ字形部材とは異なる熱膨張率を有する第２の部材とを含む。シール組立体がまた、Ｖ字形部材に結合され、シール組立体が高温に曝されたときにシール組立体を圧縮状態から膨張シール状態に膨張させるよう構成されたラッチ特徴要素を含み、膨張シール状態によって、シール組立体が、第１及び第２のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面と接触する。

本発明の別の態様によれば、タービンを組み立てる方法は、第１の部材を、該第１の部材とは異なる熱膨張率を有する第２の部材に結合してシール組立体を形成するステップと、シール組立体を外側静止部品における軸方向凹部に配置するステップと、外側静止部品内部で半径方向に内側静止部品を配置するステップとを含み、内側静止部品上の第１のキー形特徴要素が、外側静止部品における第２のキー形特徴要素によって受けられ、軸方向凹部が第２のキー形特徴要素内に配置され、シール組立体が、第１及び第２のキー形特徴要素間に配置されて、該第１及び第２のキー形特徴要素間で実質的に半径方向の流体流れを低減するようにする。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

１つの実施形態による、タービン組立体の一部の側面図。 圧縮状態のシール組立体を含む、図１に示すタービン組立体の一部の詳細断面図。 膨張シール状態のシール組立体を含む、図２に示すタービン組立体の一部の概略側面図。 １つの実施形態によるシール組立体の端面図。 １つの実施形態によるシール組立体の側断面図。 別の実施形態によるシール組立体を含む、タービン組立体の一部の詳細な断面図。 別の実施形態によるシール組立体及び中間部材を含む、タービン組立体の一部の詳細断面図。 １つの実施形態によるシール組立体を含むタービンを組み立てるプロセスのフローチャート。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１は、１つの実施形態によるタービン組立体１００の一部の側面図である。タービン組立体１００は、タービン軸線１０６に対してシェル１０４内に配置されたパッキンヘッド１０２を含む。パッキンヘッド１０２は、タービンの組立中にシェル１０４のキー形特徴要素１１０に嵌合又は受けられるキー形特徴要素１０８を含む。同様に、キー形特徴要素１１２はまた、タービンの組立中にキー形特徴要素１１４によって受けられる。以下でより詳細に検討するように、キー形特徴要素における軸方向凹部１１６及び１１８は、キー形特徴要素間の半径方向流体流れを低減又は阻止するため軸方向シールを受けるように構成される。軸方向シールは、タービン組立体の選択領域間の圧力差によって生じる流体流れを低減する。具体的には、軸方向凹部１１６に配置された軸方向シールは、高圧領域１２０から相対的に低圧の領域１２２への流体流れを低減し、これによりタービン効率を向上させる。シール組立体は、流体流れを低減するために、限定ではないが、タービンシステムのパッキンヘッド、内側シェル及び外側シェルなどあらゆる好適な静止部品間に配置することができる。

本明細書で使用する場合、「下流側」及び「上流側」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流側」又は「前方」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。これは、軸線に対して異なる半径方向位置にある部材を説明するのに有用とすることができる。このようなケースでは、第１の部品が第２の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内向き」にあると記述することができる。これに対して、第１の部品が第２の部品よりも軸線からさらに遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述することができる。用語「軸方向に」は、軸線に平行に移動又は位置することを示す。最後に、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置することを示す。以下の検討では主として蒸気タービンに注目しているが、検討される概念は、蒸気タービンに限定されず、ガスタービン、蒸気タービン、ポンプ、ガソリンエンジン、又はタービンエンジンを含むあらゆる好適な機械にも適用することができる。従って、本明細書における検討は、蒸気タービンの実施形態に関連するが、他の静止又は回転機械にも適用することができる。

図２は、軸方向凹部１１６に配置されたシール組立体２００を含む、図１に示すタービン組立体１００の一部の詳細側断面図である。図２は、圧縮状態のシール組立体２００を示す。図３は、膨張シール状態のシール組立体２００の側断面図である。例示的なシール組立体２００は、内側部材２０４に隣接し且つ結合された外側部材２０２を含む。１つの実施形態において、内側部材２０４は、外側部材２０２よりも高い熱膨張率（例えば、熱膨張係数）を有し、従って、組立体が高温に曝されたときに膨張力をもたらす。図示のように、外側部材２０２はＶ字形断面を有し、該外側部材２０２からリッド及びラッチ特徴要素が延在している。実施形態において、内側及び外側部材２０２、２０４は、Ｖ、Ｕ、Ｗ、又はΩ形など、あらゆる好適な形状（各部材は図示のように入れ子にされる）とすることができ、ここで、タービン作動温度のような選択された高温に曝されると、内側部材２０４及び外側部材２０２の熱膨張により、シール組立体２００が膨張する。例えば、選択温度は、約１５０〜３０００°Ｆの範囲の高温とすることができる。１つの実施例において、選択温度は、室温以下（例えば、７２°Ｆ）である。別の実施例において、選択高温は、約１５０〜５００°Ｆである。さらに別の実施例では、選択温度は、約２５０〜１０００°Ｆである。別の実施例では、選択温度は、約２５０〜７５０°Ｆである。別の実施例において、選択温度は、約５００〜１５００°Ｆである。内側部材２０４は、ファスナー、溶接又はろう付けなどのカップリング２０８を介して外側部材２０２に結合される。

１つの実施形態において、シール組立体２００は、キー形特徴要素１１０の軸方向凹部１１６にシール組立体２００を配置する前に、実質的に軸方向（軸線１０６に対して）に圧縮されて、圧縮状態にラッチされる。次いで、キー形特徴要素１０８は、組立中にキー形特徴要素１１０内に配置され、ここでシール組立体２００が圧縮されることによって、キー形特徴要素１０８の挿入中にシール組立体２００が干渉するのが防止される。実施形態において、パッキンヘッド１０２及びシェル１０４などのタービンシステムの静止部品は各々、生産及び組立を簡素化するための２以上の部材を含む。例えば、パッキンヘッド１０２及びシェル１０４は各々、軸線１０６の周りに配置された２つの半部分を含み、図１には、一方の「半部分」の上側部分が示されている。実施例において、シール組立体２００は、円形の軸方向凹部１１６に配置された円形又はリング形シールである。１つの実施形態において、シール組立体２００は、軸方向凹部１１６に配置されたリング形全体を構成する１以上の部分を含む。例えば、２つのリング形半部分（例えば、半円部分）は各々、キー形特徴要素の組立中に静止部品のそれぞれの半部分に設置することができる。図４に示す実施形態においてさらに詳細に示されるように、シール組立体２００は、シール組立体２００の周りに円周方向で間隔を置いて配置された複数のラッチ特徴要素２０６を含むことができる。さらに、シール組立体２００は、タービン動作温度に曝されたときにラッチ特徴要素２０６を開くような熱膨張特性を提供するため、ラッチ特徴要素２０６に近接し且つシール組立体２００の周りに円周方向で間隔を置いて配置された複数の内側部材２０４を含むことができる。内側部材２０４は、ラッチ特徴要素２０６に近接して配置され、高温に曝されたときに膨張力をもたらして、ラッチ特徴要素２０６を開き、シール組立体を膨張するようにする。実施形態において、単一の連続した内側部材２０４は、外側部材２０２内に配置される。

再度図３を参照すると、図示の実施形態は、膨張シール状態のシール組立体２００を示している。シール組立体２００の膨張シール状態により、組立体が実質的に軸方向で膨張して、キー形特徴要素１０８の壁又は半径方向表面３００及びキー形特徴要素１１０の半径方向表面３０２と接触し、実質的に半径方向の流体流れ３０４を低減又は阻止する。半径方向表面３００及び３０２は、実質的に平行であり、軸方向凹部１１６を境界付ける軸方向に間隔を置いた壁である。１つの実施形態において、シール組立体２００は、膨張シール状態まで膨張し、ここでラッチ特徴要素２０６は外側部材２０２及び内側部材２０４の熱膨張によって開き、シール組立体２００は、周囲の温度がタービン作動温度を下回って低下したときに膨張シール状態に留まる（すなわち、半径方向表面３００及び３０２に接触している）。さらに、シール組立体２００の実施形態は、パッキンヘッド１０２及びシェル１０４が熱膨張を生じて互いに対して移動するときにフープ応力及び摩耗を受ける軸方向シールである。

図４及び５は、シール組立体４００の１つの実施形態のそれぞれ端面図と側断面図である。シール組立体４００は、第２の部材４１２内で該第２の部材に結合された第１の部材４０２を含む。１つの実施形態において、第１の部材４０２は、第２の部材４０４よりも高い熱膨張率を有する。図４に示すように、複数のラッチ特徴要素４０４、４０６、４０８、及び４１０は、リング形シール組立体４００の周りに円周方向に配置される。１つの実施形態において、第２の部材４１２は、リング形を形成する１以上の連続部材を含むことができ、ここで当該部材は、複数のラッチ特徴要素４０４、４０６、４０８、及び４１０に延在して結合された複数の突出部４１４を有する。別の実施形態において、シール組立体は、シール組立体の周囲付近に単一の連続した第２の部材を備えた単一の連続したラッチ特徴要素を含む。

図６は、軸方向凹部１１６内に配置されたシール組立体６００の別の実施形態の側断面図である。シール組立体６００は、外側部材６０２及び内側部材６０４を含み、各部材は、実質的にＶ形断面を有する。さらに、シール組立体６００は、タービン作動温度に曝されたときにシール組立体６００を図示の膨張シール状態に解放するよう構成されたリッド及びラッチ特徴要素６０６を有する。１つの実施形態において、外側部材６０２及び内側部材６０４は、シール組立体６００の全体のリング形状に対して実質的に均一且つ連続している。加えて、内側部材６０４は、外側部材６０２よりも高い熱膨張率を有し、これにより所望の膨張特性を生じる。

図７は、軸方向凹部７０２に配置されたシール組立体２００及び中間部材７００の１つの実施形態の側断面図である。軸方向凹部７０２は、第２の静止部品のキー形特徴要素７０６に隣接する第１の静止部品のキー形特徴要素７０４に形成されたキャビティである。中間部材７００は、膨張シール状態のシール組立体２００に対する中間接触面を提供する。シール組立体２００は、表面７０８の代わりに中間部材７００に接触し、ここで表面７０８は、熱膨張字にシール組立体２００に対して移動するが、中間部材７００は移動せず、従って、シール組立体２００の摩擦及び摩耗を低減することができる。従って、中間部材７００は、熱膨張時の表面７０８との接触を維持すると共に、シール組立体２００が膨張シール状態にある間の半径方向流れを阻止する。図１〜７で説明されたシール組立体は、ステンレス鋼など、様々な熱膨張率を有する耐久性のある合金から作ることができる。

図８は、シール組立体を含むタービンを組み立てるプロセスの例示的なフローチャートである。ブロック８００において、第１の部材が第２の部材に結合されてシール組立体を形成し、ここで第１の部材及び第２の部材は、異なる熱膨張率を有する。ブロック８０２において、シール組立体は圧縮され、シール組立体のラッチ特徴要素がラッチされ、シール組立体が軸方向凹部内に配置されたときに該シール組立体を圧縮状態に保持する。ブロック８０４において、シール組立体は、外側静止部品の軸方向凹部に配置される。ブロック８０６において、内側静止部品は、外側静止部品の半径方向内部に配置され、内側静止部品上の第１のキー形特徴要素は、外側静止部品の第２のキー形特徴要素によって受けられる。１つの実施形態において、軸方向凹部は、第２のキー形特徴要素に配置され、シール組立体は、第１及び第２のキー形特徴要素間に配置されて、第１及び第２のキー形特徴要素間の実質的に半径方向の流体流れを低減する。ブロック８０８において、タービンシステムが作動し、ここでタービン組立体は膨張シール状態に膨張し、シール組立体はタービン作動温度に曝される。膨張シール状態により、シール組立体が第１及び第２のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面に接触し、タービン作動時の半径方向の流体流れを阻止できる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１００ タービン組立体
１０２ パッキンヘッド（静止部品）
１０４ シェル（静止部品）
１０６ 軸線
１０８ キー形特徴要素
１１０ キー形特徴要素
１１２ キー形特徴要素
１１４ キー形特徴要素
１１６ 軸方向凹部
１１８ 軸方向凹部
１２０ 高圧領域
１２２ 低圧領域
２００ シール組立体
２０２ 外側部材（Ｖ字形）
２０４ 内側部材
２０６ ラッチ特徴要素
２０８ カップリング
３００ 表面（半径方向）
３０２ 表面（半径方向）
３０４ 半径方向流れ（阻止される）
４００ シール組立体
４０２ 部材（Ｖ字形、高い熱膨張率）
４０４ ラッチ特徴要素
４０６ ラッチ特徴要素
４０８ ラッチ特徴要素
４１０ ラッチ特徴要素
５００ 外側部材
６００ シール組立体
６０２ 外側部材（Ｖ字形）
６０４ 内側部材
６０６ ラッチ特徴要素
７００ 中間部材
７０２ 凹部
７０４ キー形特徴要素
７０６ キー形特徴要素

Claims (15)

1. 第１の静止部品と、
   第１の静止部品の半径方向外側に配置される第２の静止部品と、
   第２の静止部品上の第２のキー形特徴要素に嵌合するように構成された第１の静止部品上の第１のキー形特徴要素と、
   第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間の流体流れを低減するように第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間に配置されたシール組立体と
   を備えるタービン組立体であって、前記シール組立体が、
   Ｖ字形部材と、
   前記Ｖ字形部材内の第２の部材であって該Ｖ字形部材とは異なる熱膨張率を有する第２の部材と、
   前記Ｖ字形部材と一体に形成されたラッチ特徴要素であって、前記シール組立体が高温に曝されたときに前記シール組立体を圧縮状態から膨張シール状態に膨張させるように構成されたラッチ特徴要素と
   を含み、前記膨張シール状態によって前記シール組立体が、第１及び第２のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面と接触する、タービン組立体。
2. 第２のキー形特徴要素が、前記実質的に平行な半径方向表面によって境界付けられる軸方向凹部を含み、該軸方向凹部が、前記シール組立体を受けるように構成され、該シール組立体がリング形状を有する、請求項１記載のタービン組立体。
3. 前記軸方向凹部が、前記シール組立体が圧縮状態にあるときに前記シール組立体を受けて、第２のキー形特徴要素が組立時に第１のキー形特徴要素を受けることができるように構成されている、請求項２記載のタービン組立体。
4. 前記シール組立体の膨張シール状態が、第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間の半径方向の流体流れを低減する、請求項２記載のタービン組立体。
5. 前記シール組立体が、前記タービン組立体の温度が高温から低下した後に前記膨張シール状態に留まる、請求項２記載のタービン組立体。
6. 前記ラッチ特徴要素が、第２の部材に近接して配置される、請求項１記載のタービン組立体。
7. 前記シール組立体がリング形状を含み、複数のラッチ特徴要素が、前記シール組立体の周囲に沿って配置される、請求項６記載のタービン組立体。
8. 第２の部材が、Ｖ字形部材内に配置され、該Ｖ字形部材よりも高い熱膨張率を有する、請求項６記載のタービン組立体。
9. 第１の静止部品がパッキンヘッドを含み、第２の静止部品がシェルを含む、請求項１記載のタービン組立体。
10. 第１のキー形特徴要素と前記シール組立体との間に配置された中間部材をさらに備え、前記中間部材は、前記シール組立体が第１の静止部品と第２の静止部品の間で相対移動中に第１のキー形特徴要素の半径方向表面を摩擦するのを防ぐように構成されている、請求項１記載のタービン組立体。
11. タービンを組み立てる方法であって、
    Ｖ字形の第１の部材を、第１の部材内に配置された第２の部材であって第１の部材とは異なる熱膨張率を有する第２の部材に結合してシール組立体を形成するステップと、
    前記シール組立体を外側静止部品における軸方向凹部に配置するステップと、
    前記外側静止部品内部で半径方向に内側静止部品を配置するステップであって、前記内側静止部品上の第１のキー形特徴要素が、前記外側静止部品における第２のキー形特徴要素によって受けられ、前記軸方向凹部が第２のキー形特徴要素内に配置され、前記シール組立体が、第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間に配置されて、第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間で実質的に半径方向の流体流れを低減させるステップと、
    前記シール組立体が前記軸方向凹部に配置されたときに、前記シール組立体を圧縮して前記シール組立体のラッチ特徴要素をラッチし、前記シール組立体を圧縮状態にするステップであって、前記シール組立体が高温に曝されたときに、前記シール組立体が圧縮状態から膨張シール状態に膨張し、前記膨張シール状態により、前記シール組立体が第１及び第２のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面と接触する、ステップと
    を含む方法。
12. タービン組立体であって、
    第１の静止部品と、
    第１の静止部品の半径方向外側に配置される第２の静止部品と、
    第２の静止部品上の第２のキー形特徴要素に嵌合するように構成された第１の静止部品上の第１のキー形特徴要素と、
    第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間の流体流れを低減するように、第１のキー形特徴要素と第２のキー形特徴要素の間に配置されたシール組立体と
    を備え、前記シール組立体が、
    Ｖ字形の第１の部材と、
    第１の部材内にあり、第１の部材よりも高い熱膨張率を有する第２の部材と、
    第１の部材の一端に結合され、第１の部材の第２の端部と接触するラッチ特徴要素であって、前記シール組立体が高温に曝されたときに前記シール組立体を圧縮状態から膨張シール状態に膨張させるように構成されたラッチ特徴要素と
    を含み、前記膨張シール状態によって、前記シール組立体が、第１及び第２のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面と接触して半径方向の流れを低減する、タービン組立体。
13. 第２のキー形特徴要素が、前記実質的に平行な半径方向表面によって境界付けられる軸方向凹部を含み、該軸方向凹部が、前記シール組立体を受けるように構成され、該シール組立体がリング形状を有する、請求項１２記載のタービン組立体。
14. 前記軸方向凹部が、前記シール組立体が圧縮状態にあるときに前記シール組立体を受けて、第２のキー形特徴要素が組立時に第１のキー形特徴要素を受けることができるように構成されている、請求項１３記載のタービン組立体。
15. 前記ラッチ特徴要素が、第２の部材に近接して配置される、請求項１２記載のタービン組立体。