JP2008008490A - セグメント間の「ｌ」字形突合せギャップシールを備えるシール組立体及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書では、回転機械用のシール組立体を開示する。
【解決手段】本シール組立体（１６）は、複数の弓形セグメント（２２）と少なくとも１つのシールとを有する。複数の弓形セグメント（２２）は、環帯の形態で配列されかつ突合せ継手を有し、弓形セグメント（２２）の各々は、半径方向最外側表面（４８）と下流側面（５８）とを有する。少なくとも１つのシールは、突合せ継手を通り抜ける漏洩を最小にするように配置される。少なくとも１つのシールは、半径方向最外側表面（４８）における漏洩を最小にするように構成された第１の部分（４４）と下流側面（５８）における漏洩を最小にするように構成された第２の部分（４６）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、回転機械の構成要素間のシール組立体に関する。

例えば蒸気タービンのような回転機械では、複数の弓形セグメントを有するシール組立体を使用して２つの固定構成要素間並びに固定構成要素及び回転構成要素間にシールを形成するのが通例である。一般的に、弓形のセグメントが、構成要素の１つの環状溝内に配置される。各弓形セグメントはさらに、他の構成要素に対向したシール面を有する。シール機能は、弓形セグメントのシール面と対向する構成要素との間に比較的緊密な間隙を形成することによって達成される。

回転機械の運転時に、より具体的には始動、停止又は過渡運転時に、構成要素は、異なる熱膨張率を示し、このことが次に、構成要素が膨張また収縮するにつれて弓形セグメント間の間隔を左右する。構成要素間に有効なシールを形成することが、弓形セグメント間の漏洩を最小にすることができるのを可能にする。弓形セグメント間の漏洩を最小にすることはまた、回転機械の性能及び効率を大幅に改善する。

従って、回転機械の運転の全ての段階にわたって高いシール性能を有するシール組立体を提供する必要性が存在する。

本明細書では、回転機械用のシール組立体を開示し、本シール組立体は、複数の弓形セグメントと少なくとも１つのシールとを有する。複数の弓形セグメントは、環帯の形態で配列されかつ突合せ継手を有し、弓形セグメントの各々は、半径方向最外側表面と下流側面とを有する。少なくとも１つのシールは、突合せ継手を通り抜ける漏洩を最小にするように配置される。少なくとも１つのシールは、半径方向最外側表面における漏洩を最小にするように構成された第１の部分と下流側面における漏洩を最小にするように構成された第２の部分とを有する。

本明細書ではさらに、回転機械を開示し、本回転機械は、第１の構成要素と、シール組立体と、第２の構成要素と、少なくとも１つのシールとを有する。第１の構成要素は、環状溝を有する。シール組立体は、複数の弓形セグメントを有しかつ環状溝内に配置される。第２の構成要素は、弓形シールセグメントに隣接して配置される。少なくとも１つのシールは、該少なくとも１つのシールの第１の部分がセグメントの半径方向最外側表面と相補形になった表面を有するようにセグメント間に配置される。

図面を参照し、図面においては、幾つかの図において同様の要素に同じ参照符号を付している。

図１を参照すると、第１の固定構成要素１２と第２の固定構成要素１４とを有する全体を符号１０で示した例えば蒸気タービンのような回転機械の一部分の断面図を示している。第１の固定構成要素１２と第２の固定構成要素１４との間の漏洩を最小にするために、それぞれ高圧及び低圧領域１８及び２０を分離する構成要素対構成要素（例えば、第１の固定構成要素１２と第２の固定構成要素１４との）接触面にシール組立体１６が設けられる。シール組立体１６は、弓形セグメント２２の環状配列（図２にさらに示す）で形成される。各シールセグメント２２はまた、例えば高圧領域１８から低圧領域２０に流れる蒸気などの流体媒体に対する部分的バリヤとして作用する突出半径方向歯２６を備えたシール面２４を有する。図２には８つの弓形セグメント２２を示しているが、シール組立体１６内の弓形セグメント２２の数は、実用上の要件により、より多い又はより少ない数に変更することができることが分かるであろう。

セグメント２２の半径方向外側部分は、該セグメント２２から軸方向に対向する方向に互いに離れるように延びるセグメント位置決めフランジ２８を含む。軸方向に縮小したネック３０が、セグメントシール面２４とセグメント位置決めフランジ２８との間で延びる。セグメント２２は、第１の固定構成要素１２内部の「Ｔ」字形断面を有する環状溝３２内に配置される。環状溝３２は、互いに向かって軸方向に延びてそれらの間にスロットを形成した一対の固定構成要素位置決めフランジ３４によって、固定構成要素１２の半径方向最内側部分に沿って形成される。セグメント２２は、該セグメント２２の軸方向縮小ネック３０が固定構成要素スロット３６内に嵌合するように配置される。

本開示によるシール組立体１６の構成は、回転機械１０内に配置された広範な部品及び構成要素で有用である。以下の説明は例えば２つのタービンシェルのような２つの固定構成要素間に配置されたシール組立体に関するものとするが、開示したシール組立体１６はまた、例えばタービンダイアフラムとシャフトとの間のような固定構成要素と回転構成要素との間に配置することができることを理解されたい。

以降では「Ｌ」シール３８と呼ぶ「Ｌ」字形（図３及び図４に最も良く示している）を有する複数のシールは、弓形セグメント２２の端部間の複数の突合せギャップ４０（図２、図３及び図５〜図７に最も良く示している）に配置される。セグメント２２の各端部は、「Ｌ」シールの半分を受け入れるように構成された半径方向スロット４２を有する。「Ｌ」シール３８は、シール組立体１６の中心軸線とほぼ平行な軸方向部分４４と、シール組立体１６の中心軸線に対してほぼ垂直な半径方向部分４６とを有する。取り付けられた時に、「Ｌ」シール３８は、軸方向部分４４がセグメント２２の半径方向最外側表面４８に隣接し、かつ半径方向部分４６がセグメント２２の２つの隣接する端部間に形成されたスロット内に位置するように配置される。図は、半径方向部分４６よりも短い軸方向部分４４を示しているが、これらの長さはセグメント２２の幾何学形状及び用途の固有要件に応じて変化させることができることを理解されたい。さらに、図及び以下の説明は、一方の部分がシール組立体の中心軸線とほぼ平行でありかつもう一方の部分がシール組立体の中心軸線に対してほぼ垂直である状態の「Ｌ」字形状を有する「Ｌ」シール３８について記載しているが、周囲セグメントの輪郭に相補形になった部分を備えたその他の形状が考えられることを理解されたい。さらに、「Ｌ」シール３８は、セグメント２２間の半径方向スロット４２内に自由に配置されたものとして図示しかつ説明しているが、それに代えて、「Ｌ」シール３８の各々は、「Ｌ」シールの１つの端部において隣接するセグメントに取り付け、かつ「Ｌ」シールの別の端部において他の隣接するセグメントの半径方向スロット内で自由に動くようにすることができることを理解されたい。

「Ｌ」シール３８はさらに、突合せギャップ領域におけるシール性能を高める特徴形状を含むことができる。例えば、１つの実施形態では、「Ｌ」シールに隣接するセグメント歯は、「Ｌ」シール３８の半径方向部分４６と平行な１つの側面を有するように構成することができる。図１で分かるように、「Ｌ」シール３８に隣接しないセグメント歯２６は、セグメントシールと平行でない側面を有する。「Ｌ」シールと平行な一側面を備えたセグメント歯を有することは、「Ｌ」シール３８の半径方向部分４６とセグメント２２との間の接触面の半径方向長さ全体に沿ってシール作用を向上させる。具体的には、「Ｌ」シール３８と平行な一側面を備えたセグメント歯を有することは、「Ｌ」シール３８とセグメント歯２６との間のギャップを最小にすることによって、「Ｌ」シール対歯接触面（図１に最も良く示している）においてシールの周りの漏洩を減少させるのに役立つ。さらに、図１は３つの歯２６を有するセグメント２２を示しているが、任意の数の歯２６が考えられることが分かるであろう。

例えば、別の実施形態では、「Ｌ」シールの軸方向部分４４は、セグメント２２の半径方向最外側表面４８の表面に対して相補形表面５０を有するように構成することができる。相補形表面５０の所望の形状は、例えば機械加工、成形加工又は鋳造加工のような製造方法によって実現することができる。相補形表面５０は、「Ｌ」シール３８とセグメント２２との間の合せ面を形成し、この合せ面は、セグメント２２の最外側表面４８と「Ｌ」シール３８の相補形表面５０との間のギャップを最小にすることによって、突合せギャップ４０（図５に最も良く示している）の領域における付加的なシール性能をもたらす。さらに、「Ｌ」シール３８は、隣接するセグメントの材料と同一の材料で製作することができる。セグメント２２と「Ｌ」シール３８との間で共通の材料を有することにより、接触部品間の熱膨張差を最小にすることによって突合せギャップ領域におけるシール性能を最大にすることが可能になる。共通の材料又は同様の熱膨張率の材料を有することにより、「Ｌ」シール３８がセグメント２２の膨張と同じ率で熱膨張し、従って「Ｌ」シール３８の適正な位置合わせを促進することが可能にになる。セグメント２２及び「Ｌ」シール３８に共通な材料は、例えば炭素鋼、低炭素鋼、１−１／４クロム−１／２モリブデン合金鋼、及び２−１／４クロム−１モリブデン合金鋼のような金属合金とすることができる。

また例えば、さらに別の実施形態では、半径方向部分４６の半径方向最内側表面５２は、セグメント２２の最内側半径５４と一致する曲面端縁部を有することができる。この半径方向最内側表面５２の構成は、「Ｌ」シール３８の適正な位置合わせをもたらし、第２の固定構成要素に対するシール組立体の接触面（図５に最も良く示している）における漏洩を制限する。具体的には、半径方向最内側表面５２は、隣接するセグメント２２の歯２６間にギャップが存在するので、突合せギャップ領域内の第２の固定構成要素１４に対するシール組立体１６の接触面における漏洩を最小にする。

さらに、個々の「Ｌ」シール３８のサイジングは、相補形表面５０の直径及び全幅のような寸法を特定のユニット構成に合わせてカスタマイズするのを可能にしながらモジュール化して、「Ｌ」シール３８の適正な配向及び有効なシール作用を可能にすることができる。

回転機械１０の運転時に、高圧領域からの蒸気などの流体媒体は、図１に矢印５６で示すように、「Ｌ」シールの軸方向及び半径方向部分に対して圧力を形成する。この圧力形成が、「Ｌ」シールをセグメント２２に強制的に接触させ、軸方向部分４４がセグメント２２の半径方向最外側表面４８と接触状態になり、また半径方向部分４６がセグメント２２の第１の下流側面５８（半径方向スロット４２内の）と接触状態になるようにし、突合せギャップ領域においてシールを形成する。例えば始動／停止又は過渡運転などの極端な運転時において、セグメント２２間の突合せギャップ４０は、構成要素間の異なる熱膨張率に起因して、図６に示すように最大突合せギャップ幅から図７に示すようにセグメント２２が互いに近接近状態になるか又は互いに接触状態になるような最小突合せギャップ幅までの間で変動する可能性がある。「Ｌ」シール３８と半径方向スロット４２とは、回転機械１０の全運転範囲にわたって「Ｌ」シール３８の適正な位置合わせを維持することができる寸法を有する。

回転機械１０の性能における大きな利点は、開示したシール組立体１６の構成によって得ることができる。「Ｌ」シール構成により、漏洩性能を改善し、従って回転機械１０の全体効率の向上を得ることが可能になる。

1つ又は複数の好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるために多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明が特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

回転機械の一部分の断面図。 例示的なシール組立体の斜視図。 図２のシール組立体の部分平面図。 例示的なシールの斜視図。 図２のシール組立体の拡大正面図。 最大突合せギャップ幅の時における、図２のシール組立体の断面図。 最小突合せギャップ幅の時における、図２のシール組立体の断面図。

符号の説明

１０ 蒸気機械
１２ 第１の固定構成要素
１４ 第２の固定構成要素
１６ シール組立体
１８ 高圧領域
２０ 低圧領域
２２ 弓形セグメント
２４ シール面
２６ 半径方向歯
２８ セグメント位置決めフランジ
３０ 軸方向縮小ネック
３２ 環状溝
３４ 構成要素位置決めフランジ
３６ スロット
３８ 「Ｌ」字形シール
４０ 突合せギャップ
４２ 半径方向スロット
４４ 軸方向部分
４６ 半径方向部分
４８ 半径方向最外側表面
５０ 相補形表面
５２ 半径方向最内側表面
５４ 最内側半径
５６ 矢印
５８ 第１の下流側面

Claims (10)

1. その各々が半径方向最外側表面（４８）及び下流側面（５８）を有する、環状に配列されかつ突合せ継手を有する複数の弓形セグメント（２２）と、
   前記突合せ継手を通り抜ける漏洩を最小にするように配置された少なくとも１つのシールと、を含み、
   前記少なくとも１つのシールが、前記半径方向最外側表面（４８）における漏洩を最小にするように構成された第１の部分（４４）と前記下流側面（５８）における漏洩を最小にするように構成された第２の部分（４６）とを有する、
   回転機械用のシール組立体（１６）。
2. 前記第１の部分（４４）が、該シール組立体（１６）の中心軸線とほぼ平行である、請求項１記載のシール組立体（１６）。
3. 前記第２の部分（４６）が、該シール組立体（１６）の中心軸線に対してほぼ垂直である、請求項１記載のシール組立体（１６）。
4. 前記弓形セグメント（２２）の各端部が、半径方向スロット（４２）を有する、請求項１記載のシール組立体（１６）。
5. 前記弓形セグメント（２２）の各々が、１つ又はそれ以上の半径方向歯（２６）をさらに含む、請求項１記載のシール組立体（１６）。
6. 環状溝（３２）を有する第１の構成要素（１２）と、
   前記環状溝（３２）内に配置された、複数の弓形セグメント（２２）を有するシール組立体（１６）と、
   前記弓形シールセグメントに隣接して配置された第２の構成要素（１４）と、
   前記セグメント間に配置された少なくとも１つのシールと、を含み、
   前記少なくとも１つのシールの第１の部分が、前記セグメントの半径方向最外側表面（４８）と相補形になった表面を有する、
   回転機械。
7. 前記弓形セグメント（２２）の各端部が、半径方向スロット（４２）を有する、請求項６記載の回転機械。
8. 前記少なくとも１つのシールが、前記弓形セグメント（２２）の半径方向スロット（４２）内に配置される、請求項７記載の回転機械。
9. 前記第１の部分（４４）が、前記シール組立体（１６）の中心軸線とほぼ平行であり、かつ第２の部分（４６）が、前記シール組立体（１６）の中心軸線に対してほぼ垂直である、請求項６記載の回転機械。
10. 前記第１の部分（４４）が、前記第２の部分（４６）に対してほぼ垂直である、請求項９記載の回転機械。

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