JP6143677B2 - 軸方向ブラシシール - Google Patents

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Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械におけるシール構造に関し、より詳細には、軸方向フローティングブラシシールに関する。
半径方向のブラシシールは、ターボ機械において確立された技術である。出力タービンにおけるこれらの実装は、ロータ本体の摩擦加熱によって出力タービンにおけるロータ動特性に影響及ぼす傾向があることで制限される可能性がある。例えば、ロータの非均一な円周方向加熱によって、ロータが湾曲してタービンに不安定性をもたらし、臨界速度に影響を与えるおそれがある。加えて、特定の出力タービンは、半径方向ブラシシールのための十分なスペースを持たない場合がある。
ロータ加熱を低減し、限定された半径方向スペースでタービン内に実装できるブラシシールが必要とされている。
本発明の1つの態様によれば、ロータを有するターボ機械のためのブラシシール組立体が記載される。本組立体は、固定シール部品と、該固定シール部品に移動可能に結合されたフローティングシール部品と、フローティングシール部品内に配置され且つロータに対して軸方向に延びるブリストルパック内に配列された円周方向に角度が付けられたブリストルとを含むことができる。
本発明の別の態様によれば、出力タービンが記載される。出力タービンは、第1のタービンホイールと、第2のタービンホイールと、第1及び第2のタービンホイール間に配置されて且つ結合されたロータと、ロータに隣接するステータと、軸方向ブラシシール組立体とを含むことができ、ブラシシール組立体は、ステータに結合された固定シール部品と、固定シール部品に結合されたフローティングシール部品と、フローティングシール部品内に配置され且つロータに対して軸方向に延びるブリストルパック内に配列された円周方向に角度が付けられたブリストルと、固定シール部品とフローティングシール部品との間に配置される半径方向ブラシシール組立体とを含む。
本発明の更に別の態様によれば、出力タービンが記載される。出力タービンは、第1のタービンホイールと、第2のタービンホイールと、第1及び第2のタービンホイール間に配置されて且つ結合されたロータと、ロータに隣接するステータと、ステータに結合された軸方向ブラシシール組立体とを含むことができ、ブラシシール組立体は、固定シール部品と、固定シール部品に結合されたフローティングシール部品と、フローティングシール部品内に配置され且つロータに対して軸方向に延びるブリストルパック内に配列された円周方向に角度が付けられたブリストルと、固定シール部品とフローティングシール部品との間に配置されるピストンリングとを含む。
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。
例示的な軸方向ブラシシール組立体の斜視側面図。 図1の例示的な軸方向ブラシシール組立体の別の斜視側面図。 出力タービン環境における図1及び2の例示的なフローティング軸方向ブラシシール組立体の側面図。 フローティングブラシシール組立体の別の実施形態の部分側面図。
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。
本明細書で記載される例示的な実施形態は、軸方向フローティングブラシシールを含む。これらのシールは、ホイール面をシールすることができ、従って、ロータ本体の摩擦加熱を回避し、ロータ動特性に対する作用を排除する。軸方向フローティングブラシシールは、ホイールスペースにおけるシール前後で極めて大きな圧力低下(500ポンド/平方インチ差圧力(psid)(3.45N/mm2)以上)と、タービン回転部品と固定部品との間の大きな軸方向相対移動(±0.5インチ(1.27cm))との組み合わせにより実装することができる。軸方向フローティングブラシシールは、出力タービンの各段でのホイールスペースにおける圧力変化に対し自動調節する構造を有する。ロータの軸方向位置に対する調整を行い、並びに高圧用途を持続するための十分なブリストル支持を維持することによって、軸方向フローティングブラシシールは、あらゆるタービン段にてブラシシールの実装を可能にすることができる。
一般に、ブラシシール組立体は、可動構成におけるフローティングシール部品の一部を受けるよう構成される凹部を有する固定シール部品を備える。フローティングシール部品は、使用中、例えば、ブラシシール組立体の周囲の圧力変化に基づいて横方向及び長手方向に移動できるように固定シール部品に結合される。フローティングシール部品の一般的な形状は、フローティングシール組立体の各側部に隣接する所望の圧力を可能にするものである(例えば、PH>P1>P2>PL(図3を参照)の圧力を達成するもの)。従って、ブラシシール組立体は、ホイールスペース191がホイールスペース192よりも大きいようなサイズ及び幾何形状を有することができる。
図1は、例示的な軸方向ブラシシール組立体100の斜視側面図を示す。図2は、例示的な軸方向ブラシシール組立体100の別の斜視側面図を示す。図3は、出力タービン環境170における図1の例示的なフローティング軸方向ブラシシール組立体100の側面図を示す。タービン環境170は、上流側高圧回転ブレード組立体とすることができる第1のタービンホイール185と、低圧回転ブレード組立体とすることができる第2のタービンホイール190との間に配置されるロータ175を含むことができる。第1及び第2のタービンホイール185、190は、出力タービンの何れかの段の一部とすることができる。更に、第1及び第2のタービンホイール185、190とロータ175は一体となって回転する。
タービン環境170は更に、ロータ175の周りに対向して配置されるステータ180を含むことができる。タービン環境170は更に、ホイールスペース191、192を含む。本明細書で更に考察するような所望のタービン作動に応じて、ホイールスペース191、192における圧力及び流体流れ(矢印193で示される)を制御するのが望ましい。例えば、ホイールスペース191において高圧を維持し、ホイールスペース192において低圧を維持することが望ましいとすることができる。例示的な実施形態では、フローティング軸方向ブラシシール組立体100は、タービン環境170における何れかの所望の圧力及び流体流れに対応して自動調節する。
フローティング軸方向ブラシシール組立体100は、ステータ180上に配置された(例えば、ステータに直接取り付けられた)固定シール部品105を含むことができる。例示的な実施形態では、固定シール部品105は、ステータ180と、又はステータ180に(例えば、溶接により)固定された別個の要素と一体化することができる。フローティング軸方向ブラシシール組立体100は更に、凹部106内に延びるフック111(例えば、T字構成、ダブテール構成、又は同様のもの)を介して固定シール部品105に結合されたフローティングシール部品110を含むことができる。例示的な実施形態では、フローティングシール部品110は、凹部106とフック111のT字構成により固定シール部品105に結合することができ、ここではフック111は、ロータ175とステータ180間の相対移動及び/又はタービン環境170における圧力変化に応答して凹部内で軸方向に移動することができる(すなわち、軸方向フローティング構成)。図示のように、凹部106は、例えば、タービン環境170内の圧力変化に応答して、フック111が凹部106内で移動できるようにフック111よりも相対的に大きくすることができる。フック111は、凹部106内でのフック111の予想範囲の移動を可能にしながら、凹部106から外れるのを阻止するのに十分なサイズ及び相補的幾何形状を有する。当業者には明確に理解されるように、フック111は、バックプレート113から凹部106への延伸により形成することができ、延伸部の端部付近の突出部が凹部に対する開口よりも大きいサイズを有するようにする。
フローティング軸方向ブラシシール組立体100は更に、固定シール部品105とフローティングシール部品110との間に配置された2次シール150(例えば、ピストンリング)を含むことができる。この2次シール150は、例えば、ホイールスペース191、192間の不要な漏洩を防ぐために、フローティングシール部品110と摩擦接触することができる。2次シール150は、固定シール部品105上の凹部107内に配置することができる。2次シール150は、凹部107内に置かれ、2次シール150と凹部107との間の摩擦力により保持される。凹部107は、収容する2次シール150に対応するのに十分に大きい。2次シール150は、タービン環境170からの圧力荷重及び応力に耐えるのに十分なサイズのものである。摩擦移動に起因する加熱は、軸方向移動が少なく稀にしか起きないため小さなものである。2次シール150の摩耗を低減するため、2次シール150は、限定ではないがコバルト基合金を含む、タービン環境170の荷重、圧力、及び温度に耐える好適な材料とすることができる。
フローティングシール部品110は更に、サイドレール125、130間に位置するブリストル120を含むことができる。ブリストル120は更に、フロントプレート112とバックプレート113との間に配置される。例示的な実施形態では、フロントプレート112及びバックプレート113は、フローティングシール部品110の一体部材であり、円筒形状を有する。ブリストル120及び再度シール125、130は、フローティングシール部品110における凹部に(例えば、ホイールスペース192に向かって及び/又はホイールスペース192から離れて撓むことができると同時に、ブリストル120を固定するダブテール、リップ及び溝、又は他の構成で)固定することができる。ブリストル120は、第2のタービンホイール190からある距離194(例えば、ブラシクリアランス)に維持することができる。しかしながら、タービン作動中、タービン環境170内部の圧力変動により、ブリストル120が第2のタービンホイール190と接触して、ブリストル120を撓ませる可能性がある。ギャップ115は、ブリストル120が撓みから移行させる(例えば、広がる)ことができる。ブリストル120はまた、ロータ175の周りに円周方向に配列される。ブリストル120は、例えば、ブリストル120に可撓性を提供するために、接線方向に角度を付けることができ、第2のタービンホイール190がブリストル120に接触したときに曲がらずに撓むことができる。
フローティングシール部品110はまた、回転部品と接触しないように設計された、1つ又はそれ以上の歯状部を有するラビリンスシールのような半径方向シールを含むことができる。
例示的な実施形態では、フローティングシール部品110は、ホイールスペース191、192における圧力及び流体流れに影響を及ぼすことができる複数の幾何学的特徴要素を含むことができる。例えば、フローティングシール部品110は、ホイールスペース191において流体流れに影響を及ぼし、従って、圧力PH及びP1間の圧力低下に寄与する軸方向歯状部116を含むことができる。PH及びP1間の圧力低下はまた。フローティングシール部品110のスロープ部分117の角度によって影響を受ける可能性がある。スロープ部分は、例えば、歯状輪郭を生成するため低角(例えば、5度〜20度、具体的には約10度)とすることができる。スロープ部分にわたる圧力低下は、用途毎に異なり、従って、特定の用途に基づいて角度が選択される。フローティングシール部品110は更に、半径方向に向けられたラビリンス歯状部119を含むことができ、これはホイールスペース191、192間の流体流れに影響を及ぼし、従って、圧力P1及びP2間の圧力低下に寄与する可能性がある。P1及びP2間の圧力低下は、ブリストル120と第2のタービンホイール190との間の距離194の変動によって影響を受ける可能性がある。組立体100全体で圧力平衡を維持し、タービンホイール190に対して緊密なクリアランス内にブリストル120を維持することができる。
タービン環境170の定常状態運転において、フローティング軸方向ブラシシール組立体100は、ブリストル120が第2のタービンホイール190に対して最小の軸方向クリアランスで又は第2のタービンホイール190と僅かに接触して作動する均衡位置を獲得することができる。所与の事例では、圧力PH、P1、P2、及びPLは、フローティングシール部品110に作用し、矢印140で表される方向にほぼ移動する。
一般に、互いに対して測定したときに、PHは高圧を表し、PLは低圧を表す。ブリストル120は、低圧及び高圧側の何れにも位置付けることができ、低圧側では高いクリアランス予測可能性で維持することができる。本明細書で説明されるように、圧力P1及びP2の大きさは、歯状部116とホイール185との間の軸方向距離、ブリストル120と第2のタービンホイール190との間の距離194、並びに歯状部119とロータ175との間の半径方向クリアランスによって決まる。加えて、PH>P1>P2>PLである。タービン作動中の距離194は、効果的なシール(例えば、ホイールスペース191、192間の)を提供するよう干渉(例えば、第2のタービンホイール190の摩擦加熱)を引き起こすことなくできる限り小さいことが望ましい。ブラシ距離194は、およそ数ミルとすることができる(例えば、5ミル(0.127mm)以下)。
過渡動作中、タービン部品は、熱膨張を受け、クリアランスの変化を生じ、フローティングシール部品110にわたって差圧を確立する。例えば、差圧によって、フローティングシール部品110が第2のタービンホイール190の移動に追従し、これによりブリストル120と第2のタービンホイール190との間の距離194(理想的には一定の小さな値)を維持する。例えば、ロータ175が熱膨張し、ステータ180に対して軸方向に移動すると、フローティングシール部品110に作用する圧力要件は、タービン環境170内で対応する相対位置にフローティングシール部品110を移動させる正味の力をもたらす。加えて、タービンがシャットダウンし、タービン環境170が減圧すると、フローティングシール部品110は、休止状態に移動する。同様に、シャットダウン作動中にタービン部品が熱収縮すると、圧力差によって、フローティングシール部品110が方向を反転し、これにより第2のタービンホイール190に追従し、例えば、所望のクリアランス(すなわち、距離194)を維持する。
過渡動作中にタービン環境170内で作用する力及び結果として生じるフローティングシール部品110の移動は、フローティング軸方向ブラシシール組立体100の寸法によって決まる。例えば、スロープ部分117、118の角度は変えることができ、すなわち、特定用途に応じて選択することができる。2次シール150によって設定される圧力平衡直径は、全体の軸方向力平衡に影響を及ぼし、ブラシシールのブリストル先端120とホイール190との間の接触圧を制限するよう調整することができる。圧力平衡直径は、2次シール150が作用する表面の直径であり、2次シール150のどの部分が高圧に曝され、2次シール150のどの部分が低圧に曝されるかに影響を及ぼす可能性がある。2次シール表面直径は、フローティング軸方向ブラシシール組立体100の全軸方向領域を2つの部分に分割する。2次シール表面直径は、フローティングシール部品110に隣接する2次シール150の直径である。一方の部分は圧力低下を受けるが、他方の部分は受けない。従って、2次シール150の直径によって圧力平衡(又はシールの閉鎖力)が設定される。再度図3を参照すると、2次シール表面直径が大きくなるほど、より多くの表面積が高圧PH及びP1に曝され、ホイールスペース192においてより大きな正味力をもたらす。同様に、2次シール表面直径がより小さくなると、ホイールスペース192に向けた正味力が低下し、フローティングシール部品110に対する全体力平衡に影響を及ぼす。
加えて、半径方向に向けられたラビリンス歯状部119の数は、P1からP2への所望の圧力低下に基づいて選択することができる。ラビリンス歯状部119はまた、低角(例えば、約5度〜約20度、具体的にはおよそ10度程度)を有することができる。歯状部の数及び長さは、用途毎に基づいて選択することができ、歯状部は一般に、フローティングシール部品の移動とは関係なくロータとの接触を回避する長さを有する。一部の実施形態では、フローティングシール部品は、最大で約10個の歯状部、具体的には1〜5個の歯状部、及びより具体的には1〜3個の歯状部を有することができる。ラビリンス歯状部間の距離は、漏洩を抑制するのに好ましい流路をもたらすように選択することができる(例えば、歯状部間隔を歯状部の長さと同じにすることができる)。従って、特徴要素、並びにフローティングシール部品110の半径方向及び軸方向寸法を修正することによって、フローティングシール部品110の移動量並びに距離194を選択し、ひいては制御することができる。
例示的な実施形態では、2次シール150は、ホイールスペース191、192間の流体漏洩を制御するよう実装され、これにより矢印193に沿った流れを制御し、すなわち予測可能な圧力PH、P1、P2、及びPLをもたらすようにする。例示的な実施形態では、2次シール150は、限定ではないが、ピストンリング、C型シール、圧力平衡ピストンリング、金属シール、V型シール、W型シール、ブラシシール、並びに上述のシールのうちの少なくとも1つを有する組み合わせを含む、あらゆる好適なシールとすることができる。図1〜3において、2次シール150は、ピストンリングとして例示している。
図4は、フローティング軸方向ブラシシール組立体400の部分側面図を示す。図4は、固定シール部品105及びフローティングシール部品110の部分図を示す。図4は、側方レール151、152間に配置されたブリストル153を含む半径方向ブラシシールとしての2次シール150を示している。ブリストル153及び側方レール151、152は、固定シール部品105の凹部107内に該凹部107とダブテール構成で固定することができる。例示的な実施形態では、ブリストル153は、フローティングシール部品110の表面154と摩擦接触しており、これにより図3に関して説明したようにホイールスペース191、192間の漏洩を阻止する。フローティングシール部品110の移動は、大きさ及び速度の両方の点で比較的小さく、従って、フローティングシール部品110の表面154に対して生じる摩擦加熱を僅かなものにすることができる。従って、図4は、例示的な実施形態では、フローティングシール部品110がブラシシールの2つのセットを含むことができ、一方がブリストル120を含み、他方がブリストル153を含むことを示している。このような構成において、ブリストル120は、ロータ175並びに第1及び第2のタービンホイール185、190に対して軸方向に配列され、ブリストル153は、ロータ175並びに第1及び第2のタービンホイール185、190に対して半径方向に配列される。
本明細書で記載されるような組立体100、400用の材料は、用途毎に変えることができる。例えば、温度に応じて、組立体100、400用の部材は、クロム、モリブデン、コバルト、バナジウム、ニッケル、タングステン、並びにこれらのうちの少なくとも1つを含む組み合わせのような、金属又は金属合金とすることができる。例示的な合金は、鋼鉄のような、コバルト基合金、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム基合金、及び同様のものを含む。例えば、クロム、モリブデン、バナジウム(CrMoV)鋼は、低温(例えば、1,000°F(538℃)以下)用に利用することができ、Inconel(商標)などのニッケル合金は、高温用途(例えば、1,000°F(538℃)以上)に利用することができる。2次シール150又はブラシシールブリストル120などの滑り摩擦が存在する可能性がある場合には、例えば、Haynes(商標)25合金(ニッケル−クロム−タングステン合金)又はStellite(商標)合金(コバルト−クロム合金)など、コバルト基合金のような材料を利用することができる。場合によっては、嵌合部品は、炭化クロムのような低摩擦又は耐摩耗性コーティングを有することができる。任意選択的に、一部のガスタービン用途における超高温向けにセラミックスを利用してもよい。
本明細書で記載される例示的な軸方向ブラシシール組立体は、複数の利点を提供する。ドラムロータ構造を有する特定の反動ベースタービン設計において、タービンは、(衝撃タービン設計とは対照的に)遙かに多くのブレード列を含むことができ、ブレードは、ロータ本体の外部に機械加工されるダブテール内に挿入される(ホイール及びダイアフラム型構造とは対照的に、ドラムロータ設計)。例えば、反動ベースの蒸気タービンは、衝撃タービンのほぼ2倍の数のブレードを有することができる。このタイプのタービンは、効果的なシールに依存するところが大きく、シール(特に、可撓性及び適合性を維持するために一定量の半径方向ブリストル長さを必要とするブラシシール)用の半径方向スペースが制限される。本明細書で記載される例示的な軸方向ブラシシール組立体は、半径方向スペースを必要とすることなく効果的なシールを提供する。
例示的な軸方向ブラシシール組立体はまた、他のシール設計よりもタービン作動性を改善することができる。高低歯状部、すなわちラビリンスシールタイプが、ロータ175の表面とステータ内側カバー105との間のギャップをシールするのに使用されている。このような構成において、半径方向歯状部は、長短を交互に繰り返し、ロータの交互する大小直径セクションと対向する(ロータは、高ランド及び低ランドで機械加工される)。長いラビリンス歯状部は、ロータの低いランド部と係合し、短い歯状部は、ロータの高いランド部と係合する。高いランド部は通常、低いランド部よりも約0.125インチ(0.3175cm)高く、これは、ロータ直径がシールセクションにおいて0.25インチ(0.635cm)だけ交互し、他方、ラビリンス歯状部長さもまた、0.125インチ(0.3175cm)(直径では0.25インチ(0.635cm))だけ交互することを意味している。歯状部とロータとの間の半径方向クリアランスは通常、短い歯状部と長い歯状部の両方で同じであるが、長い歯状部と短い歯状部を交互させる(すなわち、「高低」構成)ことにより、より効果的な流れ制限が向上する。始動時には、ロータは、ケーシングよりも迅速に熱膨張するので、ロータランドはシール歯状部に対して軸方向に移動する。ロータランドがシール歯状部と干渉する(及び損傷を与える)のを防ぐために、始動速度を注意深く制御しなければならない。本明細書で記載される軸方向ブラシシール組立体は、軸方向ブラシシール組立体がロータに対して「フロート」し、軸方向摩擦の損傷を生じる懸念が無いので、軸方向クリアランスに基づく始動時の問題を排除する。
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みなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
100 軸方向ブラシシール組立体
105 固定シール部品
106 凹部
107 凹部
110 フローティングシール部品
111 フック
112 フロントプレート
113 バックプレート
116 軸方向歯状部
117 スロープ部分
118 スロープ部分
119 ラビリンス歯状部
120 ブリストル
125 サイドレール
130 サイドレール
150 2次シール

Claims (7)

  1. ロータ(175)を有するターボ機械のためのブラシシール組立体(100)であって、
    固定シール部品(105)と、
    前記固定シール部品(105)の凹部(106)に延びるフック(111)を介して前記固定シール部品(105)に移動可能に結合したフローティングシール部品(110)であって、円筒形フロントプレート(112)、円筒形バックプレート(113)、及び前記円筒形フロントプレート(112)と円筒形バックプレート(113)との間に保持される複数のブリストル(120)を含むフローティングシール部品(110)と
    前記凹部(106)の外側で、前記固定シール部品(105)と前記フローティングシール部品(110)との間に配置された2次シール(150)と
    を備えており、前記ターボ機械に設置されたときに、前記複数のブリストル(120)が、前記ロータに対して軸方向に延び、前記固定シール部品(105)の凹部(106)が、前記ロータに対して半径方向内向きに開口を有し、前記2次シール(150)が、前記ロータに対して半径方向に延びる、ブラシシール組立体。
  2. 前記複数のブリストル(120)を支持するため、前記円筒形フロントプレート(112)と円筒形バックプレート(113)との間に形成される凹部(114)に固定された複数のサイドレール(125,130)であって、前記複数のブリストル(120)と前記円筒形フロントプレート(112)との間及び前記複数のブリストル(120)と前記円筒形バックプレート(113)との間に各々スペースを画成する複数のサイドレール(125,130)を更に備える、請求項1記載のブラシシール組立体(100)。
  3. 前記2次シール(150)がピストンリングを含む、請求項1又は請求項2記載のブラシシール組立体(100)。
  4. 前記2次シール(150)が、第2の複数のブリストル(153)を有するブラシシールを含み、前記2次シール(150)の第2の複数のブリストル(153)が、前記ターボ機械に設置されたときに前記ロータ(175)に対して半径方向に延びる、請求項1又は請求項2記載のブラシシール組立体(100)。
  5. 前記フローティングシール部品(110)の複数のブリストル(120)がそれらの接線方向に角度が付けられている、請求項1乃至請求項のいずれか1項記載のブラシシール組立体(100)。
  6. 出力タービン(170)であって、
    第1のタービンホイール(185)と、
    第2のタービンホイール(190)と、
    前記第1のタービンホイール(185)と第2のタービンホイール(190)の間に配置されてそれらと結合したロータ(175)と、
    前記ロータ(175)に隣接するステータ(180)と、
    請求項1乃至請求項のいずれか1項記載のブラシシール組立体(100)と
    を備える、出力タービン(170)。
  7. 前記固定シール部品(105)の凹部(106)と前記フック(111)がフローティングダブテール構成である、請求項記載の出力タービン(170)。
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