JP6824714B2 - 蒸気タービンロータシールキー部材、関連アセンブリ、及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、蒸気タービンに関する。具体的には、本明細書で開示される主題は、蒸気タービンのシール装置に関する。

蒸気タービンは、回転するロータに連結されたタービンバケットの中に作動流体の流れを導く、静止したノズルアセンブリを含む。ノズル構成（複数のノズル、すなわち「翼形部」を含む）は、時には「ダイヤフラム」又は「ノズルアセンブリ段」と呼ばれる。蒸気タービンダイヤフラムは、ロータの周りに組み立てられた２つの半体を含み、これら２つの半体の間に水平ジョイントを形成する。各タービンダイヤフラム段は、それぞれの水平ジョイントにおいて、ダイヤフラムの各側面上の支持バー、支持ラグ、又は支持ネジによって垂直方向に支持される。ダイヤフラムの水平ジョイントはまた、タービンケーシングの水平ジョイントに対応し、タービンケーシングは蒸気タービンダイヤフラムを取り囲む。

蒸気タービンでは、ロータ部品とステータ部品との間には、一般的に、ロータバケット先端の半径方向外側、及びダイヤフラムノズルカバーの半径方向内側（ステータ）に、シールを利用する。いくつかのシールは、ロータ及び／又はステータの歯として形成されているが、他の構成には、ロータの周方向ダブテールスロット内に配置されている周方向シール（すなわち回転シール）が挙げられる。これら回転シール（周方向シール）は、半径方向保持、回転制御、周方向のロック、及び円周にわたるシールの堅牢性を含む、固有の設計制約を引き起こす。

米国特許出願公開第２０１２／０２８８３６１号明細書

様々な実施形態には、ロータキー部材、関連アセンブリ、及び蒸気タービンを含む。具体的な実施形態は、蒸気タービンにおいて周方向シールを保持するためのロータキー部材を含み、ロータキー部材は、本体と、本体から延在する第１のアームと、本体から延在する第２のアームと、フックとを含み、第１のアーム、第２のアーム、及び本体は、第１のアームと第２のアームとの間に軸方向にわたる空間を画成し、フックは、軸方向に空間から離れる方向に第２のアームから延在して、周方向シールの半径方向内面に接するよう寸法決めされる。

本開示の第１の態様は、蒸気タービンにおいて周方向シールを保持するためのロータキー部材を含み、ロータキー部材は、本体と、本体から延在する第１のアームと、本体から延在する第２のアームと、フックとを含み、第１のアーム、第２のアーム、及び本体は、第１のアームと第２のアームとの間に軸方向にわたる空間を画成し、フックは、軸方向に空間から離れる方向に第２のアームから延在して、周方向シールの半径方向内面に接するよう寸法決めされる。

本開示の第２の態様は、ロータ本体の主軸の周りの周方向全体に実質的に延在するスロットを有するロータ本体であって、スロットが、ロータ本体の周りの周方向の距離全体に実質的に延在する一次スロットと、一次スロットから軸方向に延在し、ロータ本体の周りの周方向距離の一部のみにわたる二次スロットとを含むロータ本体と、ロータ本体の周りの周方向の距離全体に実質的にわたる一次スロット内の周方向シールと、周方向シールの軸方向面に接する一次スロット内の１組のシール保持部材と、周方向シールの軸方向面に接し、周方向シールの半径方向内面と係合するフックを含む、二次スロット内のロータキー部材とを含む、蒸気タービンロータアセンブリを含む。

本開示の第３の態様は、ケーシングと、ケーシング内に少なくとも部分的に収容されたロータアセンブリとを備える蒸気タービンを含み、ロータアセンブリは、ロータ本体の主軸の周りの周方向全体に実質的に延在するスロットを有するロータ本体を有し、スロットは、ロータ本体の周りの周方向の距離全体に実質的に延在する一次スロットと、一次スロットから軸方向に延在し、ロータ本体の周りの周方向距離の一部のみにわたる二次スロットと、ロータ本体の周りの周方向の距離全体に実質的にわたる一次スロット内の周方向シールと、周方向シールの軸方向面に接する一次スロット内の１組のシール保持部材と、周方向シールの軸方向面に接し、周方向シールの半径方向内面と係合するフックを含む、二次スロット内のロータキー部材とを含む。

本発明のこれらの及び他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。
様々な実施形態による蒸気タービンの部分的な断面概略図である。 本開示の様々な実施形態によるロータキー部材の模式的な３次元斜視図である。 本開示の様々な実施形態による蒸気タービンロータアセンブリの概略断面図である。 本開示の様々な実施形態によるロータキー部材の模式的な３次元斜視図である。 本開示の様々な実施形態による図３のロータアセンブリの、ロータキー部材を除く模式的な３次元斜視図である。 本開示の様々な実施形態による図３のロータアセンブリの一部の、周方向シールとロータキー部材を除く３次元斜視図である。 本開示の様々な実施形態による図３のロータアセンブリの一部の、ロータキー部材を除くがシール保持部材をさらに含む３次元斜視図である。 本開示の様々な実施形態によるロータアセンブリの３次元斜視図である。

本発明の図面は必ずしも一定の比率ではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面においては、図面間で類似する符号は類似する要素を示す。

本明細書で開示される主題は、蒸気タービンに関する。具体的には、本明細書で開示される主題は、蒸気タービンの回転シールに関する。

本開示の様々な実施形態によると、装置（たとえば、キー部材）は、蒸気タービンの（回転可能な）周方向シールをロック／ロック解除するように構成され、半径方向に該シールを保持し、かつ回転を防止する。周方向シールを保持する従来の方法は、望ましくない回転を可能にするとともにスリップ及びクリープを起こしやすく、そのため、シールの有効性を低減し、かつシール及び隣接する部品を消耗させる可能性がある。これら従来の方法とは対照的に、様々な実施形態は、周方向に配置されたシール保持部材間にある、ロータ本体内のキースロットに係合し、隣接する回転シールを保持するよう寸法決めされたキー部材を含む。キー部材は、回転シールの半径方向内面と係合するよう寸法決めされ軸方向に延在するフックを含むことができる。キー部材は、キースロットの回転シールと軸方向に対向する壁との両方に接するのに十分な軸方向幅を有する。キー部材は、変形可能な材料で形成することができ、いくつかの場合には、設置及び／又は取り外し中のキー部材の変形を補助するために、内部空洞を含むことができる。いくつかの場合において、キー部材は、軽量化のために、（軸方向に延在するフックを共有する壁を貫通して延在するか、又は対向する壁を貫通して延在する）付加的な開口部を備える。

これらの図に示すように、「Ａ」軸は、軸方向（時にタービン中心線と呼ばれることもある、タービンロータの軸線に沿っているが、それは明確にするために省略している）を表す。本明細書で用いる「軸方向の」及び／又は「軸方向に」という用語は、軸線Ａに沿った対象物の相対的な位置／方向を指し、軸線Ａはターボ機械の回転軸（具体的には、ロータ部）と実質的に平行である。さらに本明細書で用いる「半径方向の」及び／又は「半径方向に」という用語は、軸線（ｒ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を指し、軸線（ｒ）は軸線Ａと実質的に直交し、かつ一箇所のみで軸線Ａと交差する。さらに、「周方向の」及び／又は「周方向に」という用語は、周線（ｃ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を指し、周線（ｃ）は軸線Ａを取り囲むが、いずれの位置でも軸線Ａと交差しない。図において同じ符号が付された要素は、実質的に類似の（たとえば、同一の）構成要素を示している。

図１を参照すると、蒸気タービン２（たとえば、高圧／中圧蒸気タービン）の部分的な断面概略図が示されている。蒸気タービン２は、たとえば、低圧（ＬＰ）セクション４及び高圧（ＨＰ）セクション６を含んでもよい（この場合は、当技術分野で周知のように、ＬＰセクション４又はＨＰセクション６のいずれかは、中圧（ＩＰ）セクションを含むことができることが理解される）。ＬＰセクション４及びＨＰセクション６は、ケーシング７に少なくとも部分的に収容される。蒸気は、ケーシング７内の１つもしくは複数の入口８を通ってＨＰセクション６及びＬＰセクション４に流入し、入口８から軸方向下流側に流れることができる。いくつかの実施形態では、ＨＰセクション６及びＬＰセクション４は、共通シャフト１０で結合され、共通シャフト１０はベアリング１２に接触することができ、作動流体（蒸気）がＬＰセクション４及びＨＰセクション６の各々の中のブレードを回転させると、シャフト１０の回転が可能になる。ＬＰセクション４及びＨＰセクション６内のブレードで機械的仕事を行った後に、作動流体（たとえば、蒸気）はケーシング７内の出口１４から出ることができる。ＨＰセクション６及びＬＰセクション４の中心線（ＣＬ）１６を基準点として示す。ＬＰセクション４及びＨＰセクション６は、いずれもダイヤフラムアセンブリを含むことができ、ダイヤフラムアセンブリはケーシング７のセグメント内に収容されている。

図２は、様々な実施形態によるロータキー部材２０の模式的な３次元斜視図である。図３は、図２と同時に参照され、様々な実施形態にしたがった蒸気タービンロータアセンブリ２２の概略断面図を示す。図３に示すように、ロータキー部材２０は、周方向シール２４を保持するように、蒸気タービン内に（たとえば、蒸気タービン２のような蒸気タービン内にあるロータアセンブリ２２において）構成されている。（周方向シール２４を含む）ロータアセンブリ２２は、蒸気タービン（たとえば、蒸気タービン２のＨＰ６、ＬＰ４等）のＨＰ、ＩＰ及び／又はＬＰセクション内の構成要素であってもよいことが理解される。ロータキー部材２０は、本体２６と、本体２６から（たとえば、いくつかの場合において、本体２６の主軸（ａ_Pmb）と略直交する方向に（蒸気タービン２において半径方向（ｒ）と位置を合わせて）（図２））延在する第１のアーム２８と、本体２６から（たとえば、いくつかの場合では、第１のアーム２８と略平行に（たとえば、１〜３％等の偏差の許容範囲内で平行に））延在する第２のアーム３０とを含むことができる。様々な実施形態では、第１のアーム２８、第２のアーム３０、及び本体２６が第１のアーム２８と第２のアーム３０との間に軸方向にわたる空間３２を画成する。ロータキー部材２０は、軸方向に空間３２から離れる方向に第２のアーム３０から延在するフック３４をさらに含むことができ、フック３４は、周方向シール２４の半径方向内面３６に接するように寸法決めされる（図３）。

様々な実施形態によれば、図２に示すように、第１のアーム２８、第２のアーム３０及び本体２６は、（本体２６の主軸（ａ_Pmb）に対向する方向から見て）Ｕ字状部材を集合的に形成することができる。いくつかの場合において、本体２６、第１のアーム２８、第２のアーム３０、及びフック３４は実質的に一体であり、一般材料で形成されている。これらの場合、ロータキー部材２０は、たとえば、鍛造、鋳造、成形、或いは別の方法で、一般材料から形成された材料の単一片から作成することができる。具体的な場合において、一般材料は、ロータアセンブリ２２内部の空間に挿入／除去される際にたわむことができる材料を含むが、また、周方向シール２４から半径方向及び周方向への負荷に耐えるのに十分な強度である（これにより、シール２４を周方向及び半径方向に保持する）。この材料は、たとえば、クロムを約２．５％〜約１２％含有する、鋼（たとえば、ＩＮＣＯ６１５又はＩＮＣＯ７１８）を含んでもよい。様々な実施形態によれば、ロータキー部材２０を形成するために使用される一般材料により、ロータキー部材２０は力に応じて可撓性を有する。つまり、第１のアーム２８又は第２のアーム３０の内の少なくとも一方にかかる圧縮力に応じて、これらの２本のアーム２８、アーム３０間の空間３２の大きさは、小さくなる（及び圧縮力の除去時に大きさが戻る）。いくつかの場合において、図２に示すように、軸方向（本体２６の主軸（ａ_Pmb）と直交するＡ方向）において測定した本体２６の厚さは、第１のアーム２８及び第２のアーム３０の組み合わされた軸方向厚さよりも大きい。ロータキー部材２０の材料組成により、ロータキー部材２０が複数の方向に可撓性を有するようにできることがさらに理解される。たとえば、ロータキー部材２０は、ロータキー部材２０が（ロータアセンブリ２２を中心とする周方向に一致する）本体２６の主軸（ａ_Pmb）と一致する方向に圧縮することができるように、第１のアーム２８、第２のアーム３０及び／又は本体２６上の点のいずれかに印加される圧縮力に応じることができてもよい。すなわち、いくつかの場合において、ロータキー部材２０をロータアセンブリ２２内の位置に挿入／除去するために、主軸（ａ_Pmb）に沿って本体２６に圧縮力が付与される。

いくつかの実施形態では、図４のロータキー部材４０の模式的な３次元斜視図に示すように、ロータキー部材４０は、第１のアーム２８又は第２のアーム３０の内の少なくとも１つを貫通して軸方向に延在する１つもしくは複数の開口部４２を含むことができる。様々な実施形態では、これらの開口部４２は、ロータキー部材２０に対してロータキー部材４０の重量を減少させることができ、ロータキー部材４０は、操作（たとえば、蒸気タービン２の一部へ挿入／除去）が容易になる。

図５は、図３のロータアセンブリ２２の、ロータキー部材２０を除く模式的な３次元斜視図である。図６は、ロータアセンブリ２２の一部の、周方向シール２４とロータキー部材を除く３次元斜視図である。図７は、本明細で説明される、ロータアセンブリ２２の一部の、ロータキー部材２０を除くがシール保持部材５４をさらに含む３次元斜視図である。図８は、周方向シール２４、シール保持部材５４、及びロータキー部材２０を含む、ロータアセンブリ２２を示している。

図３に戻るが、図５〜８を引き続き参照すると、ロータ本体４６の主軸（Ａ）の周りに実質的に周方向全体に延在するスロット４８を有するロータ本体４６を含む、ロータアセンブリ２２が示される（主軸Ａは、蒸気タービンの回転軸に対応する）。スロット４８は、実質的にロータ本体４６の周りの周方向の距離全体に延在する一次スロット５０と、一次スロット５０から軸方向に延在し、ロータ本体４６の周りの周方向の距離の一部だけにわたる二次スロット５２（図５、図６、及び図７）を含むことができる。図３に示すように、ロータアセンブリ２２は、ロータ本体４６の周りの周方向距離全体に実質的にわたる（たとえば、セクションに別れた、或いは材料の連続的な部品としての）周方向シール２４を、一次スロット５０内にさらに含むことができる。図７及び図８は、ロータアセンブリ２２の追加の部品を示しており、周方向シール２４の軸方向面５６（図５）に接する、一次スロット５０内の（たとえば、周方向に複数配置された）シール保持部材５４のセットを含む。図８に示すように、ロータキー部材２０は、二次スロット５２内に配置され（実質的にスロット内を満たし）、周方向シール２４の軸方向面５６に接する。ロータキー部材２０は、周方向シール２４を固定するために、たとえば、周方向シール２４の半径方向内面３６と係合するようにフック３４を他の物と合わせて使用して、二次スロット５２に滑動して出入りするよう寸法決めされてもよい。本明細書で説明するように、ロータがキー部材２０のＵ字状の特徴とその可撓性を有する組成により、シール保持部材５４（次に、周方向シール２４）をロック／ロック解除するために、ロータキー部材２０を二次スロット５２に挿入／除去できる。図５及び図７に示すように、いくつかの実施形態では、周方向シール２４は、周方向に部分的にのみ延在し、軸方向面５６に隣接するセグメント間の区切りをマーキングする凹部４３を含むことができる。いくつかの場合において、この凹部４３は、ロータキー部材２０を収容するように寸法決めすることができ、二次スロット５２と一致している。

蒸気タービン２の運転中、ロータアセンブリ２２は、軸方向面５６上に軸方向の圧力を与えることで、周方向シール２４を保持することができる。具体的には、シール保持部材５４は、（軸方向面５６において）周方向シール２４に軸方向の圧力を与えることができ、ロータキー部材２０がシール保持部材５４を周方向の（第１のアーム２８が二次スロット５２により保持されている）位置にロックする。さらに、ロータキー部材２０は、凹部４３内で周方向シール２４の軸方向面５６に係合して、ロータ本体４６に対する周方向シール２４の周方向の回転が規制される。さらに、フック３４は、ロータ本体４６に対して、該周方向シール２４の軸周りの回転を規制するように、周方向シール２４の半径方向内面３６に係合する。様々な実施形態によれば、ロータキー部材２０（及びロータアセンブリ２２）は、蒸気タービン（たとえば、蒸気タービン２）内の複数の段に利用することができ、周方向シール部品の組立／分解を助け、摩耗及び部品の故障による複合的な問題を減少できることが理解される。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本開示を限定することを目的とするものではない。本明細書で用いられるように、文脈で別途明確に指示しない限り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「前記（ｔｈｅ）」は複数形も含むものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を示すが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はこれらのグループの存在もしくは追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。

この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。・本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義されるとともに、当業者に想起される他の例を含んでいてもよい。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
符号の説明
２ 蒸気タービン
４ 低圧（ＬＰ）セクション
６ 高圧（ＨＰ）セクション
７ ケーシング
８ 入口
１０ シャフト
１２ 軸受
１４ 出口
１６ 中心線（ＣＬ）
２０ ロータキー部材
２２ 蒸気タービンロータアセンブリ
２４ 周方向シール
２６ 本体
２８ 第１のアーム
３０ 第２のアーム
３２ 空間
３４ フック
３６ 内面
４０ ロータキー部材
４２ 開口部
４３ 凹部
４６ ロータ本体
４８ スロット
５０ 一次スロット
５２ 二次スロット
５４ シール保持部材
５６ 軸方向面

Claims (10)

1. 蒸気タービン（２）において周方向シール（２４）を保持するためのロータキー部材（２０、４０）であって、ロータキー部材（２０、４０）は、
   本体（２６）と、
   本体（２６）から延在する第１のアーム（２８）と、
   本体（２６）から延在する第２のアーム（３０）と、
   フック（３４）とを含み、第１のアーム（２８）、第２のアーム（３０）、及び本体（２６）は、第１のアーム（２８）と第２のアーム（３０）との間の軸方向にわたる空間（３２）を画成し、フック（３４）は、軸方向に空間（３２）から離れる方向に第２のアーム（３０）から延在して、周方向シール（２４）の半径方向内面（３６）と接するよう寸法決めされる、ロータキー部材。
2. 第１のアーム（２８）が、本体（２６）の主軸と実質的に垂直な方向にあって、蒸気タービン（２）内の半径方向と一致する方向に本体（２６）から延在し、第２のアーム（３０）が第１のアーム（２８）と実質的に平行である、請求項１に記載のロータキー部材（２０、４０）。
3. 第１のアーム（２８）又は第２のアーム（３０）の内の少なくとも１つが、軸方向に貫通して延在する１組の開口部（４２）を含む、請求項１に記載のロータキー部材（４０）。
4. 第１のアーム（２８）、第２のアーム（３０）、及び本体（２６）が、実質的なＵ字状部材を集合的に形成する、請求項１に記載のロータキー部材（２０、４０）。
5. 本体（２６）、第１のアーム（２８）、第２のアーム（３０）、及びフック（３４）が、実質的に一体である、請求項１に記載のロータキー部材（２０）。
6. 第１のアーム（２８）と第２のアーム（３０）との間の空間（３２）の大きさが、第１のアーム（２８）又は第２のアーム（３０）の少なくとも１つにおける圧縮力に応じて小さくなる、請求項５に記載のロータキー部材（２０、４０）。
7. ロータ本体（４６）の主軸の周りの周方向全体に実質的に延在するスロット（４８）有するロータ本体（４６）であって、スロット（４８）が、
   ロータ本体（４６）の周りの周方向の距離全体に実質的に延在する一次スロット（５０）と、
   一次スロット（５０）から軸方向に延在し、ロータ本体（４６）の周りの周方向距離の一部のみにわたる二次スロット（５２）とを含むロータ本体（４６）と、
   ロータ本体（４６）の周りの周方向の距離全体に実質的にわたる一次スロット（５０）内の周方向シール（２４）と、
   周方向シール（２４）の軸方向面（５６）に接する一次スロット（５０）内の１組のシール保持部材（５４）と、
   周方向シール（２４）の軸方向面（５６）に接し、周方向シール（２４）の半径方向内面（３６）に係合するフック（３４）を含む、二次スロット（５２）内のロータキー部材（２０、４０）とを含む、蒸気タービンロータアセンブリ（２２）。
8. 請求項７記載の蒸気タービンロータアセンブリ（２２）であって、ロータキー部材（２０、４０）が、
   本体（２６）と、
   本体（２６）の主軸に対して実質的に垂直な方向に、本体（２６）から延在する第１のアーム（２８）と、
   本体（２６）から延在し、第１のアーム（２８）と略平行である第２のアーム（３０）とをさらに含み、
   第１のアーム（２８）、第２のアーム（３０）、及び本体（２６）は、第１のアーム（２８）と第２のアーム（３０）との間に軸方向にわたる空間（３２）を画成し、
   フック（３４）は、軸方向に空間（３２）から離れる方向に、第２のアーム（３０）から延在する、蒸気タービンロータアセンブリ。
9. 第１のアーム（２８）又は第２のアーム（３０）の内の少なくとも１つが、軸方向に貫通して延在する１組の開口部（４２）を含む、請求項８に記載の蒸気タービンロータアセンブリ（２２）。
10. ケーシング（７）と、
    ケーシング（７）内に少なくとも部分的に収容されたロータアセンブリ（２２）とを備える蒸気タービン（２）であって、ロータアセンブリ（２２）が、
    ロータ本体（４６）の主軸の周りの周方向全体に実質的に延在するスロット（４８）を有するロータ本体（４６）であって、スロット（４８）が、
    ロータ本体（４６）の周りの周方向の距離全体に実質的に延在する一次スロット（５０）と、
    一次スロット（５０）から軸方向に延在し、ロータ本体（４６）の周りの周方向距離の一部のみにわたる二次スロット（５２）とを含むロータ本体（４６）と、
    ロータ本体（４６）の周りの周方向の距離全体に実質的にわたる一次スロット（５０）内の周方向シール（２４）と、
    周方向シール（２４）の軸方向面（５６）に接する一次スロット（５０）内の１組のシール保持部材（５４）と、
    周方向シール（２４）の軸方向面（５６）に接し、周方向シール（２４）の半径方向内面（３６）に係合するフック（３４）を含む、二次スロット（５２）内のロータキー部材（２０、４０）とを含む、蒸気タービン（２）。