JPH07504485A - パッキングセグメント重量荷重を消去する重力スプリングを有する流体タービン用の引込み式セグメントパッキングリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 バッキングセグメント重量荷重を消去する重力スプリングを有する流体タービン 用の引込み式セグメントバッキングリング発明の背景 技術分野 本発明は、弾性流体軸流タービンに適用するシール、更に詳細には、回転軸の固 定タービンケーシング貫通部およびステージとタービン上２２１２間のケーシン グ内部に配置するセグメントバッキングリングシールに関する。

従来の技術 一般に、この種の公知のシールは、回転および固定部分間に低流動係数の小さな 間隙領域を形成することにより、流体の漏洩を防止もしくは低減する。この種の シールの目的は、効率の改善、流体損失の最少化、および流体漏洩器；伴う有害 副作用の防止である。

また、これらセグメントラビｌルス形式のシールは、タービンの整合不良、振動 および熱歪に起因する擦り合い損傷に対しても有効である。これら損傷の大部分 の要因は、始動の間、軽負荷でもしくはこれに続く突然の負荷損失で発生される ようである。従って、これら状態の間は比較的大きな間隙状態を形成してシール 損傷を最少にすると共に、しかも高負荷に際しては小さな間隙状態を達成するこ とが望ましい。高負荷状態は、効率が最大であり、且つタービン作動がシール損 傷の大部分の要因に関して安定している作動に対応されて０る。

タービン設計者が、流体漏洩の最少化に既に大きな進歩を達成して（すること＋ １認められるべきである。シールは、擦り合いによる損傷を最低限にするよう特 １１に選定された材料から形成されている。シールの幾何学的構造Ｉ！、擦り合 一１状態の間は最少量の熱および荷重を発生するよう薄刃に設計されて（する。

また、弓１込み式バッキングリング−これは、その、始動状態の間は大きく設定 されてｔ）る半径方向の間隙を、所定の流動状態に達すると小さな間隙状態に自 動的に減少されるよう構成されているーも、圧力荷重がバッキングセグメントの 重力荷重より可なり大きいタービン領域では好適に適用されてきた。しかしなが ら、低圧ステージ内では、重力荷重がしばしば大きくなり過ぎて有効なタービン 圧力荷重が圧倒される。このため、最低圧ステージ内では、引っ込み式バッキン グリングの使用は実際的ではなかった。このことは、バッキングリングセグメン トが常に閉じ間隙位置にスプリング付勢されているシールリングの使用を必要と する。この種のスプリング付勢シールリング構造の１つが、ジー拳う−ゲンの１ ９７７年４月１２日発行米国特許第４．０１７．０８８号公報に開示されている が、これによれば、特許権者は、シールリングをロータ方向へ常時内側へ付勢指 向するスプリングを提供している。スプリング付勢シールリングは、擦り合い荷 重を介してリングを偏向させることにより擦り合い荷重および損傷を最少にする 。スプリングは、シールリングを軸方向へ−但し、固定部分上の肩部による制限 位置を越えることな（−押圧するよう構成されている。このように、ジー・ラー ゲンの特許は、シールリングを内側に付勢してロータに近接させることによりシ ール効果を向上するスプリング圧力を提供するものであり、そしてこの特許は、 始動の擦り合い、摩損および振動に係わる問題の解決は同等提供するものではな い。

一方、エル、ワースの米国特許第３．５９４．０１０号公報には対称形のシール 設計が開示されており、これにおいては、ワースは、通常のＴ−形シールリング セグメントおよび対応するタービンケーシングの代わりに、シールリングＴ。

の右側が極めて短く切断されると共にタービンケーシングも同形状に形成されて いる対称形シールリングを適用している。上流側の一側方肩部および下流側のシ ールリング切除オーバハング部分に半径方向作用スプリングを適用するために、 特許権者ワースは、僅かながらも横方向摩擦荷重を想定している。このことは、 対称セグメント形状を、セグメントの一側方上リムとケーシング間に内装されて いる半径方向指向スプリングに関して変動させ、そしてこれにより、シールセグ メントの円周方向位置の保持を、これらセグメントがスプリングおよびタービン 作用を介して内側および外側へ移動されるに際して達成されなくする。更に、こ のようなワースの設計においては、タービンの側部に位置するセグメントは、重 力荷重によって下降され、これにより閉じ位置においてはその閉じ過程において 底部セグメントと干渉し、そしてこれら底部セグメントが閉じ位置へ移動する際 に、その重力および摩擦荷重に加えて側部セグメントを上方へ押し揚げなければ ならなくなる付加的な荷重を底部セグメント上に負荷する。このことは、摩擦荷 重を著しく増大し、不適当な場合には、底部シールセグメントの閉成を極めて困 難とする。このように、ワースのシステムは、リングセグメントがスプリングお よびタービン作用を介して半径方向内側および外側へ移動されるに際しての、前 記セグメントの円周方向位置を保持するための手段を提供する、もしくは提供で きるものではない。

ロナルド・イ・ブラントン（主題特許出願の特許権者）の１９８４年３月１３日 発行米国特許第４．４３６．３１１号公報には、流体タービン用のセグメントラ ビリンス形式の輸シールシステムが開示されており、これにおいては、シールセ グメントを半径方向配置のスプリングを介して大きな間隙位置方向外向きに付勢 することにより、セグメントシールリングのシールを、低速且つ小タービン負荷 時の始動の間もしくは低負荷状態では大きな間隙位置に位置させ、一方高速且つ 高作動流体圧時の中間乃至高負荷状態の間は小さな間隙位置に位置させるように 構成されている。

シールリングセグメント上に作用する個々のスプリングの設計において、流体圧 荷重並びにシールリングセグメントの重力および摩擦力荷重は、それぞれ、シー ルリングセグメントに関してこれを低負荷および高負荷状態の間大きなおよび小 さな間隙位置に位置させる要因として考慮されるべきものである。しかしながら 、引っ込み式シールリングの適用に際しては、タービン円周の底部および下部側 部分上に位置するシールリングセグメントは、これらの上に位置する上部リング セグメントからの主として重力荷重によってその位置を拘束されるので、前述の シールリングセグメントは、所望の方法では小さな間隙位置へ容品に閉成されな い。このことは、流体漏洩の増大によってタービン効率を低下し、またシールの 損傷および大きな摩耗を発生し、そして保守費用を増大する。

発明の概要 従って、本発明の１つの目的は、タービンの始動時、停止時および低負荷状態の 間に発生される、バッキングシールおよびチップシールの擦り合い問題を克服す るシールリング構造を提供することにある。別の目的は、シールリングセグメン トの間隙がタービンの始動、停止および低負荷状態の間は大きく、そしてこの間 隙がタービンの中間乃至高負荷作動の間は小さく設定されるシールリング構造を 提供することにある。また別の目的は、シールリングセグメントが大きな間隙位 置と小さな間隙位置との間をセグメント間で干渉されることなく均一に移動され るシールリング構造を提供することにある。また別の目的は、個々のセグメント 上に、そのタービン内円周方向位置に基づいて負荷される流体圧荷重、重力およ び摩擦荷重に従って作動されるよう構成されたスプリング手段を有するシールリ ング構造を提供することにある。また更に別の目的は、シール損傷に係わるター ビン維持費用を低減すると共に、作動効率を、低漏洩流動係数の小作動間隙を許 容することにより従来公知のものより増大することにある。

前記およびその他の目的は、回転および固定要素間の漏洩を最小にする、蒸気タ ービン用のセグメントシールリングおよびスプリングシステムを提供する本発明 によって達成されるが、ここで、前記セグメントシールリングは、タービンケー シング内に形成される環状Ｔ−形溝に支持され且つ少なくとも部分的に収容され ると共にタービン軸の円周周りに延在されている。スプリングシステムは、シー ルリングのセグメントを付勢するよう配置されるスプリングを含み、これにより 前記セグメントは、シールリングのタービン軸に対する大きな間隙位置方向へ半 径方向外向きに付勢されている。スプリングの個々の強さは、シールセグメント の円周上の位置、流体圧荷重、および重力および摩擦荷重に対応して選定されて おり、そしてこれにより、シールリングセグメントは、低回転速度および小ター ビン負荷時には大きな間隙位置に位置され、一方中間乃至高速流動および高作動 圧力時には、ケーシングとリングセグメント間の環状スペース内に自由に進入す る作動流体がスプリング荷重に打勝ってシールセグメントを付勢することにより 、小さな間隙位置へ移動されるよう構成されている。

下半部のシールリングセグメント内には特別の重力スプリングが配置されており 、そしてこのスプリングは、その下方端部をタービンケーシングに固定されると 共にその上方スプリング端部をシールセグメントに付勢対接されていて、セグメ ント上に上向きの荷重を発生することにより、セグメントの重量に起因する下向 きの荷重を相殺するよう構成されている。重力スプリングはセグメントの重量に 相当する垂直方向のスプリング力を有し、これにより、シールセグメントを閉じ るに要する流体圧荷重が半径方向外向きの付勢スプリング力と摩擦荷重とにほぼ 等しくなるよう構成されている。

図面の簡単な説明 図１は、多段軸流弾性タービンの１ステ一ジ部分水平立面の、セグメントシール リングの１セグメントを切断する、長手方向部分断面図である。

図２は、図１の２−２線に沿う横断面図で、本発明の一実施例に係わる、セグメ ントを半径方向外側へ付勢するスプリングと重力スプリングとを有する４つのセ グメントシールリングが示されている。

図３は、図１の２−２線に沿う横断面図であるが、図１および２とは異なり、４ つのセグメントシールリングは、図１．２の小さな間隙位置とは反対の大きな間 隙位置において示されている。

図４は、図１の２−２線に沿う前記相当の横断面図であるが、本発明の別の実施 例に係わる−すなわち、選択されたセグメントの隣接端部間に内装されてセグメ ントを半径方向外側の大きな間隙位置へ付勢する８つのスプリングを有する６つ のセグメントシールリングと、２つの下方側セグメントおよび１つの底部セグメ ント用の重力スプリングとからなる一別のセグメントシールリングおよびスプリ ング組合わせが示されている。

図５は、上半部のシールリングセグメントを支持するための特定ロックキーを示 す詳細図である。

図６は、重力スプリングの、下方シールセグメント延在穴内の垂直作用位置にお ける状態を示す側面図である。

図７は、上方側セグメント上に作用する４つの主荷重を示す荷重ダイヤグラムで ある。

図８は、下方側セグメント上に作用する４つの主荷重を示す荷重ダイヤグラムで ある。

図９は、下方シールセグメントに半径方向内向きの荷重を指向するよう適用され る代案としての重力スプリングを示し、上向き重力成分を有する荷重ダイヤグラ ムが示されている。

図１０は、シールリングセグメントの斜視図である。

実施例 図１および２を参照して、タービンは、ロータもしくは軸−その一部が参照符号 １１で示されている−と、ケーシング−その一部が参照符号１２で示されている ーとを含む。内部ステージのシールに関しては、ケーシングはダイヤフラムと呼 称されることもある。シールリング１３は、図２に示す実施例によれば、４つの セグメントを備えてロータ１１周りに延在されている。このようなシールリング １３が、幾つか連続して構成され得ることは理解さるべきである。また、タービ ンに必然的に含まれる残余の装置（図示せず）−すなわち、通常のノズル、バケ ット、ホイールおよびその他の要素を備えて蒸気を高圧で導入すると共にこれを 低圧で排出する装置−は、本発明のシールリングによって達成されるシール機能 を説明するためにはここに包含される必要はないことも理解さるべきである。

ここに図示しそして説明するシールリングは、一般的に言って、本発明に従って ここに記述するスプリング設計と結合されるシールリング変形態様を除いては、 全てのタービンに適用される多くのリングの中の典型的なものである。また、こ こで使用される“シールリング１３”と“シールリングセグメント１３”とは、 リング或いはセグメントのいずれにも適用され、従って記述される文臓から読み 取らるべきものである。

シールリング１３は、ロータ１１０円周部分に対向して、半径方向に交互に上下 段差する複数の刃部１４を含む。これには、別の刃部構造を適用することもでき る。図１に示すシールリング１３の左、右における、それぞれシールリング１３ の側部１８上の高圧流体と側部１９上の低圧流体が、刃部１４とロータ１１間の 小さな間隙開口部間に形成される複数の制限部間に、流体漏洩をもたらす荷重を 確実に発生する。この場合、漏洩流量は、間隙面積、刃部の尖鋭度、制限部の個 数、圧力および密度を含む流体条件、および漏洩経路の幾何学的形状などに係わ るが、これらは、公式および実験要素に従って決定されることは公知である。

シールリング１３は、ケーシング１２の溝１５内に収容されている。＝２に示す 実施例によれば、シールリング１３はロータ１１周りのリング＾に配置される４ つのセグメントからなり、そしてこのセグメントは、ケーシング溝１５内に配置 される際に、シールリングセクションをケーシング接合部２７で分離するよう配 置されることにより、ケーシングを組み付けもしくは組み外せるよう構成されて いる。コイルスプリング（図１には、全体的に参照符号１６で指示され、図２お よび４には、更に特定的に１６ａ−１６ｆで指示されている）が、各シールリン グセグメント１３のセグメント端部（図２および１０に、対接端部１３ｆとして 指示されている）上に配置され、且つセグメントの隣接端部１３ｆ間に圧縮状態 で内装されていて、リングセグメントを大きな間隙位置へ移動するよう付勢され ている。スプリング１６ａ−１６ｆは、シールセグメント１３の端部１３ｆ内に 形成される穴もしくはポケット２２内に適合するよう配置されている。６つのス プリング１６ａ−１６ｆが、図２に示される４つのセグメントシールリング１３ のセグメント間に適用されている。ここで、１つの上部スプリング１６ｃは、上 方左側および上方右側シールリング１３間の共通スペース２９内に内装され、２ つのスプリング１３ｄおよび１６ｅは、それぞれ、それらのスペース３０および ３１内において上方右側セグメント１３および下方右側セグメント１３に対して 作用され、２つのスプリング１３ｂおよびＬ６ａは、それぞれ、それらのスペー ス３３内において上方左側セグメント１３および下方左側セグメント１３に対し て作用され、そして１つの下部スプリング１６ｆは、下方左側セグメント１３お よび下方右側セグメント１３の下方端部間のスペース３２内に内装されている。

セグメント１３の確実な円周方向の配置、およりびシールセグメント１３および スプリング１６の確゛実な保持は、ケーシング接合部２７の上下に設けられる回 り止めキー２６によって確保される。回り止めキー２６は、その詳細が図５に示 されているが、ケーシング１２の左右の溝４４および４６内にそれぞれ適合され る矩形キーブロック４８を含む。キーブロック４８は、ケーシング１２からスペ ース３１および３３内へ突出し、そしてここで、シールリング１３の上方および 下方セグメントに対する固定水平支持面を提供すると共に上方および下方リング セグメントを分離する。スプリング１６ａ、１６ｂおよび１６　ｄ、Ｌ　６　ｅ は、キーブロック４８とシールセグメントの対接端部１３ｆの間に内装されてい る。回り止めキー２６は、挿着ねじもしくはボルト５０および５２を介してケー シング１２に固定されており、そしてこのねじもしくはボルトは、それぞれその 左右において、キーブロック４８の上下の穴５１および５３内でケーシング１２ 内に延在するねじ付き端部２８および３０を介してキーブロック４８に取り付け られている。挿着ねじ５０および５２は、ねじ端部２８および３０を穴５１およ び５３内へ延在させるスプリング挿着手段を含む。回り止めキー２６の下半部は 、所望によれば、上部キー２６をボルト２８もしくは３８等を介してケーシング １２に固定することにより、削除することができる。回り止めキー２６は、スプ リングを、その関連シールリングセグメントに関して適正に整列させるよう保持 し且つ位置決めする。回り止めキー２６は、また、シールリングセグメントがそ の大きな間隙位置へ付勢される際に、このシールリングセグメントが円周方向へ 移動するのを実質的に制止することにより、スプリングにその円周方向位置を維 持せしめる。

再び、図１および２を参照すると、シールリング１３の各セグメントが、参照符 号１３ｄで指示される内側リング部分を含み、半径方向内側面から延在するシー ル刃１４を備え、そしてその半径方向外面２０ａがケーシング１２の半径方向表 面２１ａと接触して大きな間隙を規制しているのが示されている。シールリング １３は、また、内側円周面１３ｂを備えてケーシング溝１５内に配置される外側 リング部分Ｌ３ａを含み、そして前記内側円周面１３ｂは、後述するように、こ の円周面１３ｂがケーシング１２の肩部１２ａ上の表面１７と接触してシールリ ングセグメントの半径方向内側への移動を制限することにより、その小さな間隙 位置を規制している。シールリング１３は、また、内側リング部分Ｌ３ｄと外側 リング部分１３ａとの間に首部分１３ｃを含み、そして、この首部分内にケーシ ング１２の肩部１２ａが組合わされてリングセグメントを軸方向に位置決めしい る。シールリング首部分１３ｃは外側リング部分１３ａと共にＴ形状を形成し、 そしてこの首部分１３ｃは、その首面１３ｅをケーシング１２肩面１２ｂと接触 することにより接触圧面を提供している。

図２．６および８を参照すると、重力スプリング３６が、各左および右側下方半 部シールセグメント１３内に収容されており、そしてケーシング１２内の穴もし くはポケット３４内へ下向きに延在して、ケーシング１２に固定されたプラグ３ ５で提供される平面３８と接触している。この水平底部平面は、垂直スプリング ３６に対して、そのスプリング対向荷重が正確に決定されることを要求する。

この平面は、プラグを使用することなく、ケーシング１２内のスプリングポケッ ト３４底部上に平滑面（図示せず）を機械加工することにより提供することもで きる。いずれにしても、スプリング３６に隣接するケーシング１２の非機械加工 部分は、参照符号３９で示すように丸められて、スプリングを所定位置に保持し た状態でバッキングリングセグメント１３の脱着を必要に応じて許容するもので なければならない。重力スプリング３６は、セグメント１３の外側リング部分１ ３ａ上に上向き荷重を発生して、セグメント１３の重量に起因する下向き荷重を 相殺する。重力スプリング３６からのスプリング荷重は、好適には、セグメント の重心３７を通る垂直線上上方に作用する。このことは、図８の荷重ダイヤグラ ムにおいて、重力スプリング３６で発生されて下方シールセグメント１３の首部 分１３ｃへ指向する垂直上向き荷重６０として示されている。上向き荷重６０は 、好適には、下方左側シールセグメント１３の重心６２を通る経路に指向する。

図６には、重力スプリング３６の配置−すなわち、シールセグメント外側リング 部分１３ａを貫通する円筒穴もしくはポケット６４内を通過して、スプリングが ポケット６４の端壁部６６と対接するシールリング首部分１３ｃ領域内深さまで 延在位置されている配置−が、示されている。図８に示す荷重ダイヤグラムにお いて、シールセグメント１３の重量Ｗは重力スプリング３６の上向き荷重Ｆｇと ほぼ同一である。

低もしくは無負荷状態では、シールリングセグメント１３の重量のみがケーシン グ１２を規制し、スプリング１ｅａ−１６ｆおよび重力スプリング３６の荷重は シール」Ｊフグ１３上に作用する。スプリングは、前記状態においてシールリン グセグメント１３をその各セグメント接合部において充分に分離する荷重と寸法 とに選定されている。スプリング１ｅａ−１６ｆがリングの隣接する対接端部１ ３ｆ間に内装された好適な構成においては、前記スプリングは、セグメントを円 周方向へ付勢してセグメントをその各セグメント接合部で分離させることにより 、図３に示すように、環状スペース２４および２５が存在されない規定の大きな 間隙位置で規制される大直径へと指向せしめる。この場合は、内側リング部分１ ３ｄの半径方向外面２０ａはケーシング１２の半径方向面２１ａと接触している 。

この接触点を以降“大きな間隙位置°　（図３参照）と呼称するが、シールリン グはこれ以上には拡大されない。環状スペース２４．２５の大きさは、リングセ グメント１３の半径方向外側への移動によって、ロータとケーシング間の過渡的 な最大非整合か、シールリング刃１４を損傷することなく充分に収容され得るス ペースに設定される。この環状スペースの設計は、タービンの形式及び大きさに 従って変動される。負荷が増大すると圧力荷重がスプリング荷重に打勝ち、シー ルリングセグメント１３はセグメント面１３ｂとケーシング肩面１７とが接触す る点まで半径方向内側へ移動される。

このスプリングおよびシールリング設計の１つの利点は、シールリングセグメン ト１３の円周方向端部１３ｆ間に内装されるスプリングがこれらセグメントの円 周方向位置を維持するよう作用するので、シールリングセグメントの小さな間隙 位置への閉成に、円周および半径方向の移動を共に必要としないことである。

このことは、シールリングセグメントとその間に内装されるスプリングとが協働 して回転軸回りに連続リングを形成し、そしてこのリングが、大きなおよび小さ な間隙位置の間を膨張および収縮するからである。このスプリングおよびシール 設計が、シールリングセグメントの円周方向位置を維持し且つ制御するこにより 、閉成に際してシールリングの半径および円周方向の移動を共に不必要とすると 共にシールリングの相互間干渉もしくは閉塞を全て防止する。更に、重力スプリ ング３６は下方シールセグメントの重量荷重効果を減少もしくは排除するよう作 用するが、ここで前記セグメントは、これがなければ詳しく後述するように、シ ールリングの半径方向内側への移動を妨害するものである。

タービンが作動速度で部分負荷にまで加速されると、最悪の熱勾配、振動および 非整合問題は終息する。負荷が増大すると、これに従い流体圧力がリング回りに 増大し、そしてこれにより、後で更に詳述するが、スプリング１６が圧縮され、 そしてシールリングセグメント１３は、そのシールリング面１３ｂがケーシング 面１７に接触して制限されるまで半径方向内側へ移動される。シールリング１３ の面１３ｂでの寸法およびケーシング面１７の寸法は、刃部１４とロータ面との 間に、比較的安定した負荷状態作動が実現される最少間隙を創出するよう選定さ れる。

図１および２では、シールリング１３は、その高負荷、小さな間隙状態で示され ている。シールの高圧側は、参照符号１８で指示されている。この高圧は、１つ もしくはそれ以上の開口部２３による連通によって、環状スペース２４および１ ５内に保持されている。開口部は、例えば、高圧側の肩部１２ａを部分的に切除 することにより形成することができる。シールの比較的低圧側は、参照符号１９ で指示されており、そしてこの低圧状態は、同じく環状スペース２５内に保持さ れている。

これら圧力による合成軸方向荷重がシールリングを低圧領域１９へ向は押圧し、 この結果、接触シール面１３ｅとケーシング面１２ｂとの間に漏洩防止シールが 形成されることは容易に理解されるところである。寸法および圧力は幾何学的に 既知であるので、前記軸方向加重の大きさは容易に計算される。もた、シールリ ングを半径方向へ移動させるための金属間摩擦力を克服すべき半径方向荷重も容 易に計算することができる。

同様にして、しかし幾らか複雑であるが、半径方向荷重も決定することができる 。ロータ１１に対面する内側シール面１３ｄ上の、シールリング内面に沿う圧力 分布を除くと、その他の全ての圧力は上記２つのパラグラフ内に確認されている 。シールの各刃部１４上には圧力降下が発生される。各刃部を通る、一定エンタ ルピ膨張としての既知状態の流動連続を用いると、比較的正確な圧力分布を、一 連の一定面積絞りを用いて計算することができる。成るバッキングリングにおい ては、高マツハ数が存在して計算を複雑化するが、これは公知であり同業者には 対処される。

半径方向の圧力分布は、シールリング１３上に適性な内向き合成荷重を達成させ るべく、シールリング１３の寸法を選定するのに使用される。更に詳細に、図７ には、前述したシールリング擦り合い問題を適宜に解決するために、シールリン グセグメント−なおこの場合は、上方シールリングセグメント−に対して、考慮 し且つ適用されるべき４つの荷重が示されている。これら荷重の第一は、紬およ び半径方向の蒸気圧力荷重、すなわち、参照符号７０指示のＰ（軸方向）、７２ 指示のＰ（外向き半径方向）、および７４指示のＰ（内向き半径方向）である。

これら荷重の第二は、シールリング１３の、７６指示の重量荷重Ｗ（重量）であ る。これら荷重の第三は、シールリング１３とその保持器、すなわちケーシング １２−これは、シールリング１３の動作を妨げる一間の、７８指示の摩擦荷重Ｆ （摩擦）である。第四の荷重は、前述したスプリング１６で提供される、８０お よび８２指示のスプリング荷重Ｆ１およびＦ２である。なお、セグメント対接端 部１３ｆ上には小さい圧力荷重が存在するが、これはスプリング荷重８０および ８２に加算される。設計の目標は、シールリング１３に対して、このシールリン グ１３にその重量、スプリングおよび摩擦荷重に打勝たさせてこのシールリング をその内側へ、すなわち、図１および２に示す小さな間隙位置へ移動させる荷重 状態を達成させることである。なおこの場合、流体圧力状態は、タービンが小さ いながらも１５乃至３５％の可なりの負荷で作動されている際に存在を予測され る。

弾性流体タービンを熟知する人には理解されることであるが、タービン内各所の 内部圧力はほぼ負荷に比例する。負荷及び質量流動が増大すると、局部圧力はほ ぼ線形状に増大する。このような状況では、タービンステージおよび大部分のタ ービンシールリング間を通る圧力降下も、負荷および流体流動の増加と共に予測 可能に線形状に増大する。この関係によって、設計者は、各シールリングに対す る負荷および圧力条件を選択することにより、圧力荷重を重量、スプリングおよ び摩擦荷重の勢力に打勝たせて、シールリングをその小さな間隙位置へ移動させ るようにすることができる。前述したように、設計者は、この状況を、寸法、重 量、およびシールリングとスプリング組合わせ内に適用するスプリング定数を変 更することにより、部分的に制御することができる。

タービンの高圧部分内で作動するシールリングの場合は、重力荷重は有効蒸気荷 重に比較して小さく、そして適宜の作動が、前述したロナルド・イーブライトン （出願人）発行の米国特許第４．４３６．３１１号公報に記載されているように 確保される。しかしながら、比較的小圧力状態でのタービン配置では、セグメン トは軽量でしかもその半径方向外向指向のスプリング−この場合、スプリング１ ６−は弱いスプリング定数に形成されなければならない。このような重量および スプリング定数の調整は適当ではない。このため、本発明は、前述したように、 成るシールリング１３上の重力効果に対抗するための重力スプリング３６を提供 するが、これには、通常、スプリング１６を圧縮して摩擦を克服するためだけで はなく、下方シールリングの重量を付加的に上昇してこのセグメントをその近接 間隙位置に移動させるためにも適宜の圧力荷重を必要とする。図２に示すような 上方シールセグメントの場合には、重力スプリング３６と同等のものが、スプリ ング１６ｂおよび１６ｄとして水平接合部に設けられる。このようなスプリング １６ｂおよび１６ｄは、各セグメントの重量とセグメントを近接間隙位置へ押圧 しようとする圧力荷重に抵抗する付加量とに相当する垂直荷重を提供するように 選択且つ寸法付けられねばならない。頂部スプリング１６Ｃは、シールセグメン トのそれ自体の重量による頂部への下降を防止すると共に圧力荷重からの早まっ た閉成を阻止するのに充分な荷重を提供しなければならない。

下方シールセグメント１３に対しては、重力スプリング３６の重力荷重Ｆｇ（図 ８１：６０で示す）をシールセグメントの重量垂直荷重成分Ｗ（８４で示す）と 等しくなるよう選定して、セグメントの閉成動作が、スプリング１６ａ、１６ｆ の荷重８６．８８および摩擦荷重９０を克服することにより簡単に達成されるよ うにすると好適である。図８に８６および８８で示す対接荷重は、前記スプリン グ荷重だけではなく、対接面１３ｆ上に反閉成方向に作用する小さい圧力荷重を も含むことは注意さるべきである。スプリング荷重８６および８８は、圧力荷重 、９２のＰ（外向き）および９４のＰ（内向き）が、タービン上で小さいが１０ 乃至２５％の可なりの負荷に達した際に、閉成を許容するよう選定されている。

このように、重力スプリング３６は、下半部シールセグメント１３を殆どもしく は全く重量が無いかのように機能させることにより、引込み式シールセグメント およびリングを、極めて低圧レベルで作動するタービンステージにおいても、小 さな間隙位置へ閉成させることができるよう構成されている。

セグメントが閉成されると、スプリング荷重は、スプリングの作動すなわち伸長 によって変動される。この場合、スプリングは、その荷重か全作動範囲に亘って できるだけ一定に維持されると好適である。スプリング荷重がその荷重範囲内で 可なり変動する場合には、この変動は、スプリングおよびシールリングの計算お よび選定の際に考慮されなければならない。また、ここに説明したコイルスプリ ングとは別種のスプリング、例えばフラットスプリングを使用することもできる 。スプリングは、高温、振動且つ可なりの腐蝕性条件の下で長寿命且つ安定した 特性を有するものでなければならない。

同業者には、前述したそして図２．　６．　７．および８に示す全ての荷重は決 定されることができ、従って、前述した本発明の目的を達成するためのスプリン グの所要荷重も決定されることができる。各セグメント上に作用する荷重は、全 て、半径および円周方向の成分に集計されることが望ましい。閉成動作に対抗す る荷重が前記閉成荷重と等しい場合には、更に増大する流動が閉成動作を引起こ すことは明らかである。

コイル重力スプリング３６は、下方シールセグメント１３を垂直方向上向きに押 圧するよう指向されるものとして、図示し且つ説明したが、代案として、スプリ ング３６は、図９に示すスプリング３６のように、垂直成分荷重Ｆｇ（９６）が セグメント重量Ｗとほぼ等しくなる程の充分な大きさの半径方向荷重Ｆｒ（９４ ）をもって、半径方向へ押圧するよう構成することもできることは、注意さるべ きである。この場合には、スプリング１６、更に詳細には図２に示すスプリング Ｌ６ｆは、スプリング３６の水平荷重成分Ｆｈ（９８）を考慮して設計されなけ ればならない。

図４を参照すると、６つのシールセグメント１３がリングを形成する変形バッキ ング構造が示されており、これにおいては、４つのスプリング１６ｂ、１６ｃ。

１６ｄおよび１６ｅが頂部シールセグメント内の端部分１３ｆに装着され、４つ のスプリング１６ｆ、１６ｇ、１６ｈおよび１６ａが底部シールセグメント１３ 内の端部分１３ｆに装饗され、そしてこれにより、セグメント１３が前述した大 きな間隙位置へ半径方向外向に移動されるよう付勢されている。この場合は、３ つの重力スプリング３６がケーシング１２のポケット内に配置され、そして図２ の実施例で説明したのと同様の方法で、底部および２つの下方側部シールセグメ ント１３のポケット内へ延在し、そして下方および底部セグメント１３の重量を 相殺もしくは消去する荷重を発生するよう構成されている。また、回り止めキー ２６が、図２の実施例で説明したのと同様に、側部シールセグメントに対して設 けられ、そして、図２の実施例におけると実質的に同様な方法で、ケーシング１ ２に取り付けられている。

以上、説明および図面は、本発明の好適な実施例について行ったが、その他の種 々の変形例が、本発明の精神および範囲を越えることな（可能である。例えば、 各重力スプリングから提供される垂直荷重の上向き成分は、その対応する下方シ ールリングセグメントの重量成分を完全にはバランスもしくは消去する必要はな く、むしろ、流体圧力荷重がシールセグメント重量の一部分を充分相殺するよう な場合には、前記シールセグメントの重量を部分的にバランスするよう選択する ことができる。

ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９ ＦＩＧ、１０ フロントページの続き （８１）指定図　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、　Ｓ Ｅ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，ＣＺ、　ＤＥ 、　ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＫＺ、　 ＬＫ、　ＬＵ、　ＭＧ。

ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎｏ、ＮＺ、ＰＬ、ＰＴ、ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ、ＳＥ、ＳＫ、 ＵＡ

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．回転および固定要素間の漏洩を最少にするセグメントシールリングを使用す ると共に、始動の間、軽負荷で前記シールリングの損傷を防止するよう前記要素 の間に大きな間隙を設定する弾性流体タービンにおいて、回転軸を囲繞すると共 に、内部に形成されて前記軸回りを円周方向へ延在する環状Ｔ−形溝を有する固 定タービンケーシングであって、前記環状溝が、前記ケーシング上の一対の対向 する離間環状肩部によって部分的に画定されて、前記溝の環状開口部が前記ケー シングと前記軸間の間隙領域内に半径方向へ形成されているケーシングと、 前記溝内に支持されると共に少なくとも部分的に収容されるセグメントシールリ ングであって、前記シールリングが、前記軸の上半部回りに位置する上部シール セグメントおよび前記軸の下半部回りに位置する下部シールセグメントを含み、 各シールセグメントが、シール刃を備えているセグメントシールリングと、 前記シールセグメントを半径方向外側へ付勢するよう前記シールセグメントに対 向配置されて、大直径リングを形成し、これにより前記シールリングは、前記軸 との大きな間隙を有するよう位置される半径方向スプリングであって、半径方向 スプリング荷重を提供し、低速且つ小タービン負荷時には半径方向スプリング荷 重が勝って前記シールセグメントを前記大きな間隙位置へ押圧し、一方高流動且 つ高作動圧力時には作動流体が半径方向スプリング荷重に打勝って前記シールセ グメントを小さな間隙位置へ付勢する半径方向スプリングと、前記タービンケー シングの下半部と少なくとも１つの下方シールセグメントの間に配置される少な くとも１つの重力スプリングを含む重力スプリング装置であって、前記重力スプ リングが、前記下方シールセグメントの下向き重量荷重を相殺する上向き垂直荷 重を前記下方シールセグメントに対して発生する重力スプリング装置とを有し、 これにより前記重力スプリングが、前記下方シールセグメントの前記重量荷重を 消去して、シールセグメントが前記小さな間隙位置へ向け半径方向内側に移動す る際のシールセグメント間の摩擦および干渉を防止することを特徴とする弾性流 体タービン。
2. ２．前記各重力スプリングは、下方スプリング端部とスプリング上方端部を有す る圧縮コイルスプリングからなり、その下方スプリング端部を前記タービンケー シングの前記下半部に着座すると共にその上方スプリング端部を下方シールセグ メントに付勢対接して、前記シールセグメントに対して上向き垂直荷重を発生す ることを特徴とする請求項１記載の弾性流体タービン。
3. ３．更に、前記各重力スプリングの前記下方端部を前記タービンケーシングに対 して固定する装置を、前記タービンケーシング上に有することを特徴とする請求 項２記載の弾性流体タービン。
4. ４．前記タービンケーシングは、前記重力スプリングの下方端部を収容するポケ ットと、このポケット底部における、前記重力スプリングの前記下方スプリング 端部のための平らな底面を提供するシートとを含み、前記下方シールセグメント は、前記重力スプリングの前記上方端部を収容するポケットを含むことを特徴と する請求項２記載の弾性流体タービン。
5. ５．前記各重力スプリングは、前記上方スプリング端部の下部に垂直に位置する 前記下方スプリング端部に関して垂直に位置することを特徴とする請求項２記載 の弾性流体タービン。
6. ６．前記重力スプリングは、そのスプリング荷重が、この重力スプリングが指向 する下方シールセグメントの重心を通る荷重線内を上向きに指向するよう前記タ ービンケーシング上に配置されることを特徴とする請求項２記載の弾性流体ター ビン。
7. ７．前記各重力スプリングの荷重の垂直方向上向き成分は、これら各重力スプリ ングが指向する下方シールセグメントの重量と等しいことを特徴とする請求項１ 記載の弾性流体タービン。
8. ８．前記セグメントシールリングは２つの上方シールセグメントと２つの下方シ ールセグメントからなり、前記下方シールセグメントの各々はこれらに指向され る１つの前記重力スプリングを有し、これにより、前記２つの下方シールセグメ ントの各々に対して上向き垂直荷重が供給されてそれぞれのセグメントの重量が 相殺されることを特徴とする請求項１記載の弾性流体タービン。
9. ９．前記セグメントシールリングは３つの上方シールセグメントと３つの下方シ ールセグメントからなり、前記３つの下方シールセグメントの各々はこれらに指 向される１つの前記重力スプリングを有し、これにより、前記３つの下方シール セグメントの各々に対して上向き垂直荷重が供給されてそれぞれのセグメントの 重量が相殺されることを特徴とする請求項１記載の弾性流体タービン。
10. １０．前記セグメントシールリングは、前記半径方向スプリングの個々を介在し て分離される複数の個々のシールリングセグメントからなり、前記半径方向スプ リングの各々は、前記対向シールセグメントの対接端部に介在される圧縮スプリ ングを備えて、前記シールセグメントを前記大きな間隙位置へ半径方向外側に付 勢することを特徴とする請求項１記載の弾性流体タービン。
11. １１．更に、前記ケーシング上の、前記上方および下方シールリングセグメント 間接合部近傍の位置に取付けられる回り止めキーを有し、前記回り止めキーは、 上方半径方向スプリングおよび下方半径方向スプリング間に内装されて、シール リングの前記ケーシングに対する回転を阻止することにより、前記半径方向スプ リングを固定的に支持すると共に前記半径方向スプリングおよびシールセグメン トを円周方向所定位置に収容し且つ位置決めすることを特徴とする請求項１０記 載の弾性流体タービン。
12. １２．回転および固定要素間の漏洩を最少にするセグメントシールリングを適用 すると共に、始動の間、軽負荷で前記シールリングの損傷を防止するよう前記要 素の間に大きな間隙を設定する弾性流体タービンにおいて、回転軸を囲繞すると 共に、その内部に形成されて前記軸周囲に延在する環状溝を有する固定タービン ケーシングであって、前記環状溝が、前記ケーシング上の一対の対向する離間環 状肩部によって部分的に画定されて、前記溝の環状開口部が前記ケーシングと前 記軸間の間隙領域内に半径方向へ形成されているケーシングと、 前記溝内に支持されると共に少なくとも部分的に収容されるセグメントシールリ ングであって、前記シールリングが、前記軸の上半部回りに位置する上部シール セグメントおよび前記軸の下半部回りに位置する下部シールセグメントを含み、 各シールセグメントが、シール刃を備えているセグメントシールリングと、 前記シールリングの前記セグメントを半径方向に位置決めする半径方向スプリン グからなると共に、前記シールリングセグメントの隣接端部間に内装される圧縮 スプリングを含む第一スプリング装置であって、前記半径方向スプリングが、円 周方向に作用し前記リングセグメントを分離して半径方向外向きに移動すること により、大直径リングを形成し、これにより前記シールリングは、前記軸との大 きな間隙を有するよう位置される第一スプリング装置と、前記タービンケーシン グの下半部と少なくとも１つの下方シールセグメントの間に配置される少なくと も１つの重力スプリングからなる第二スプリング装置であって、前記重力スプリ ング手段が、前記下方シールセグメントの下向き重量荷重を相殺する上向き垂直 荷重を前記下方シールセグメントに対して発生する第二スプリング装置とを有し 、 前記大きな間隙位置は、低速且つ小タービン負荷時にはスプリング荷重が勝って 前記シールセグメントを前記大きな間隙位置へ押圧し、一方高流動且つ高作動圧 力時には作動流体が半径方向スプリング荷重に打勝って前記シールリングセグメ ントを小さな間隙位置へ付勢するよう位置決めされ、これにより前記重力スプリ ングが、前記下方シールセグメントの前記重量荷重を消去して、下方シールセグ メントが前記小さな間隙位置へ向け半径方向内側に移動する際のシールセグメン ト間の摩擦および干渉を防止することを特徴とする弾性流体タービン。
13. １３．前記各重力スプリングは、下方スプリング端部とスプリング上方端部を有 する圧縮コイルスプリングからなり、その下方スプリング端部を前記タービンケ ーシングの前記下半部に着座すると共にその上方スプリング端部を下方シールセ グメントに付勢対接して、前記シールセグメントに対して上向き垂直荷重を発生 することを特徴とする請求項１２記載の弾性流体タービン。
14. １４．更に、前記各重力スプリングの前記下方端部を前記タービンケーシングに 対して固定する装置を、前記タービンケーシング上に有することを特徴とする請 求項１３記載の弾性流体タービン。
15. １５．前記タービンケーシングは、前記重力スプリングの下方端部を収容するポ ケットと、このポケット底部における、前記重力スプリングの前記下方スプリン グ端部のための平らな底面を提供するシートとを含み、前記下方シールセグメン トは、前記重力スプリングの前記上方端部を収容するポケットを含むことを特徴 とする請求項１３記載の弾性流体タービン。
16. １６．前記各重力スプリングは、前記上方スプリング端部の下部に垂直に位置す る前記下方スプリング端部に関して垂直に位置することを特徴とする請求項１３ 記載の弾性流体タービン。
17. １７．前記重力スプリングは、そのスプリング荷重が、この重力スプリングが指 向する下方シールセグメントの重心を通る荷重線内を上向きに指向するよう前記 タービンケーシング上に配置されることを特徴とする請求項１３記載の弾性流体 タービン。
18. １８．前記各重力スプリングの荷重の垂直方向上向き成分は、これら各重力スプ リングが指向する下方シールセグメントの重量と等しいことを特徴とする請求項 １２記載の弾性流体タービン。
19. １９．前記セグメントシールリングは２つの上方シールセグメントと２つの下方 シールセグメントからなり、前記下方シールセグメントの各々はこれらに指向さ れる１つの前記重力スプリングを有し、これにより、前記２つの下方シールセグ メントの各々に対して上向き垂直荷重が供給されてそれぞれのセグメントの重量 が相殺されることを特徴とする請求項１２記載の弾性流体タービン。
20. ２０．前記セグメントシールリングは３つの上方シールセグメントと３つの下方 シールセグメントからなり、前記３つの下方シールセグメントの各々はこれらに 指向される１つの前記重力スプリングを有し、これにより、前記３つの下方シー ルセグメントの各々に対して上向き垂直荷重が供給されてそれぞれのセグメント の重量が相殺されることを特徴とする請求項２０記載の弾性流体タービン。
21. ２１．弾性流体タービンの回転軸および固定ケーシング間の漏洩を最少にするセ グメントシールリングを適用するシールシステムであって、始動の間、軽負荷で 前記シールリングの損傷を防止するよう前記軸およびケーシング間に大きな間隙 を設定するシールシステムにおいて、前記溝内に支持されると共に少なくとも部 分的に収容されるセグメントシールリングであって、前記シールリングが、前記 シールリングの上半部回りに位置する上部シールセグメントおよび前記シールリ ングの下半部周りに位置する下部シールセグメントを含み、各シールセグメント が、シール刃を備えているセグメントシールリングと、 前記シールセグメントを半径方向外側へ付勢するよう前記シールセグメントに対 向配置されて、大直径リングを形成し、これにより前記シールリングは前記軸と の大きな間隙を有するよう位置される半径方向スプリングであって、半径方向ス プリング荷重を提供し、低速且つ小タービン負荷時には半径方向スプリング荷重 が勝って前記シールセグメントを前記大きな間隙位置へ押圧し、一方高流動且つ 高作動圧力時には作動流体が半径方向スプリング荷重に打勝って前記シールセグ メントを小さな間隙位置へ付勢する半径方向スプリングと、少なくとも１つの下 方シールセグメントの底部に配置される少なくとも１つの重力スプリングを含む 重力スプリング装置であって、前記重力スプリングが、前記下方シールセグメン トの下向き重量荷重を相殺する上向き垂直荷重を前記下方シールセグメントに対 して発生する重力スプリング装置とを有し、これにより 前記重力スプリングが、前記下方シールセグメントの前記重量荷重を消去して、 シールセグメントが前記小さな間隙位置へ向け半径方向内側に移動する際のシー ルセグメント間の摩擦および干渉を防止することを特徴とするシールシステム。
22. ２２．前記各重力スプリングは、下方スプリング端部とスプリング上方端部を有 する圧縮コイルスプリングからなり、その下方スプリング端部を前記タービンケ ーシングに着座すると共にその上方スプリング端部を下方シールセグメントに付 勢対接するよう適用され、前記シールセグメントに対して上向き垂直荷重を発生 することを特徴とする請求項２１記載のシールシステム。
23. ２３．前記各重力スプリングは、前記上方スプリング端部の下部に垂直に位置す る前記下方スプリング端部に関して垂直に位置することを特徴とする請求項２２ 記載のシールシステム。
24. ２４．前記重力スプリングは、そのスプリング荷重が、下方シールセグメントの 重心を通る荷重線内を上向きに指向するよう前記シールリングセグメント内に配 置されることを特徴とする請求項２２記載のシールシステム。
25. ２５．前記各重力スプリングの荷重の垂直方向上向き成分は、これら各重力スプ リングが指向する下方シールセグメントの重量と等しいことを特徴とする請求項 ２２記載のシールシステム。
26. ２６．前記セグメントシールリングは、前記半径方向スプリングの１つを個々に 介在して分離される複数の個々のシールリングセグメントからなり、前記半径方 向スプリングの各々は、前記対向シールセグメントの対接端部に介在される圧縮 スプリングを備えて、前記シールセグメントを前記大きな間隙位置へ半径方向外 側に付勢することを特徴とする請求項２１記載のシールシステム。