JP5021365B2 - 間隔可変のパッキンリング片組立体及びタービンダイヤフラム - Google Patents

Description

本発明は、概して回転機械用の間隔可変パッキンに関し、より詳細には、蒸気タービンやガスタービン等の回転機械用の伸縮パッキン部品を利用した間隔可変パッキンを提供するための方法および装置に関する。

通常、発電および機械駆動の用途に使用される蒸気タービンやガスタービン等の回転機械は、複数のタービン段で構成される大型機械である。そのような機械において、タービン段を流れる高圧流体は一連の固定要素と回転要素を通過しなければならない。固定要素に取り付けられた環状分割シールは、固定要素と回転要素間の経路に沿った流体の漏れを制御するために使用される。タービンの効率は、例えば回転子と固定子間の漏れを防止するための分割シールまたはパッキン片の性能に直接依存している。ある設計では、例えば起動と停止の間、外部ばねがパッキン片を回転子の半径方向外方に保持する。回転子の速度が上昇すると、パッキン片と該片の後方のロータケーシング内のキャビティとの間に流体圧力が供給されて、該片が半径方向内方に移動し、回転子に対する間隔が小さくなる。
米国特許第５，３９５，１２４号公報 米国特許第５，４６４，２２６号公報 米国特許第５，７０９，３８８号公報 米国特許第５，９８０，２０４号公報 米国特許第６，０２２，０２７号公報 米国特許第６，０６５，７５４号公報 米国特許第６，６５１，９８６Ｂ２号公報 米国特許第６，６９５，３１６Ｂ２号公報 米国特許第６，７１５，７６６Ｂ２号公報

しかしながら、産業タービンの寸法が小さくなると、機械加工のコスト増加や機能停止期間の延長が起こらないように新しく改良されたシールを設置することができなくなる。

一実施形態では、タービンガス経路を密閉するためのパッキンリング片組立体は、半径方向内向き歯を有するシール部分と、該パッキンリング片の内部に付勢部材を有する空洞部分を有するダブテール取付部分とを含む。該付勢部材が該パッキンリング片と連結され、タービンのダブテール溝の一対の環状肩部と係合するように構成されることによって、比較的低タービン負荷かつ低作動圧力においては、該パッキンリング片が半径方向外方に付勢され、比較的高タービン負荷かつ高作動圧力においては、作動流体が該付勢部材の半径方向力を上回り、該パッキンリング片を半径方向内方に付勢するようになっている。

別の実施形態では、回転子を収容するためのタービンダイヤフラムは、半径方向内孔と内凹ダブテール溝を有するダイヤフラム本体と、第１圧力領域と第２圧力領域（第１圧力領域＞第２圧力領域）との間にシールリングを形成する複数のパッキンリング片とを含む。ダブテール溝は、該ダブテール溝内に半径方向開口部を画定し、環状表面を有する肩部を含む。各パッキンリング片は、少なくとも部分的に該ダブテール溝内に取り囲まれ、少なくとも部分的に該環状表面に支持されたダブテール取付部分を含む。パッキンリング片は、該パッキンリング片の内部に付勢部材を有する空洞部分を含む。該付勢部材が該パッキンリング片と該環状表面との間に配置されることによって、比較的低タービン負荷かつ低作動圧力においては、該パッキンリング片が半径方向外方に付勢され、比較的高タービン負荷かつ高作動圧力においては、作動流体が該付勢部材の半径方向力を上回り、該パッキンリング片を半径方向内方に付勢するようになる。

さらに別の実施形態では、タービンは回転軸を取り囲む固定タービンケーシングを含み、ケーシングは該ケーシング内に形成され、軸の周囲で円周方向に延在する環状Ｔ溝を含み、該環状溝は該ケーシングにおいて対向離間された一対の環状肩部によって部分的に画定されており、該環状肩部は該ケーシングと該軸との間の間隔領域に溝の環状開口部を半径方向に形成し、分割シールリングは溝に支持され、少なくとも部分的に該溝に取り囲まれた複数のパッキンリング片を含んでおり、パッキンリング片は該パッキンリング片の内部に付勢部材を有する空洞部分を含んでおり、該付勢部材は該パッキンリング片と該環状肩部との間に配置されることによって、比較的低タービン負荷かつ低作動圧力においては、該パッキンリング片が半径方向外方に付勢され、比較的高タービン負荷かつ高作動圧力においては、作動流体が該付勢部材の半径方向力を上回り、該パッキンリング部片を半径方向内方に付勢するようになる。

図１は、本発明の例示的実施形態に従った蒸気タービン１０の一部分である。蒸気タービン１０は、タービンケーシング１４内に回転用に取り付けられたタービン軸１２を含む。環状シールリングは、各々がタービン軸１２の周囲に位置するラビリンスシール１６を有する、複数のパッキンリング片１５（１つを図１に示す）から成る。各片１５は、ダブテール取付部分２０とシール部分２２とを含む。ダブテール取付部分２０は、ダイヤフラム３２の一部分の半径方向内端に形成されたＴ字状ダブテール溝２３と係合するように構成されている。シール部分２２は、タービン軸１２に形成された環状ランド２８および環状溝３０とそれぞれ協働する、シール面２４と半径方向内向き歯２６とを含んでおり、ダイヤフラム３２を通って漏れてしまう蒸気のための湾曲経路を形成している。一般に、ラビリンスシール１６は、高圧領域３４から低圧領域３６への蒸気の流れ（矢印Ａの軸方向へ流れる）に対して、比較的多数の部分的な障壁を配置することによって機能する。各障壁が、タービン軸１２の軸線に平行に流れようとする蒸気を湾曲経路に沿わせることによって、圧力降下が形成される。ラビリンスシール１６における圧力降下の総和が、高圧領域３４と低圧領域３６との間の圧力差である。

図２Ａおよび図２Ｂは、ラビリンスシール１６（図１に示す）を円周方向に見た拡大概略図を示す。シール部分２２は、タービン軸１２に形成された環状ランド２８および環状溝３０とそれぞれ協働する、シール面２４と半径方向内向き歯２６とを含んでおり、ダイヤフラム３２を通って漏れてしまう蒸気のための湾曲経路を形成している。ダブテール取付部分２０は、ダイヤフラム３２において環状開口部を形成する対向離間された一対の環状肩部、例えばダイヤフラム３２の一部分の半径方向内端に形成された溝２３の上流フランジフック２０４および下流フランジフック２０６と摺動係合するような大きさの胴体部分２０２を有する。ダブテール取付部分２０は、該ダブテール取付部分２０の半径方向外側表面２１４に形成された軸方向溝２１２を有する、半径方向外側取付部分２１０も有する。溝２１２は、シール部分２２と実質的に整列しており、空洞部分２１６と流体接続している。ここで定義するように、実質的に整列するということは、整列またはほぼ整列している位置付けを意味する。凹部２１６等の空洞部分は、半径方向外側表面２１４から半径方向内方のシール部分２２に向かって、ダブテール取付部分２０の半径方向に形成される。Ｕ型ブラケット２１８は凹部２１６に嵌入し、半径方向内側基部２２０と、基部２２０の各軸端２２６および２２８にそれぞれが連結された半径方向外方伸長脚部２２２および２２４とを含む。各脚部２２２および２２４の半径方向外端は、それぞれが軸方向に互いに離れて延在するフランジ２３０および２３２を有する。フランジ２３０および２３２は、それぞれ上流フランジフック２０４および下流フランジフック２０６と係合するように構成される。Ｕ型ブラケット２１８は、例えばばね２３６であるが、それに限られない付勢部材を受け入れるように構成された凹部２３４を有する。ばね２３６は、凹部２３４の半径方向外側開口部２４０を実質的に覆うストラップ２３８等の付勢部材固定具を使用して、凹部２３４内に固定される。ストラップ２３８は、１つ以上の留め具、例えばストラップ２３８の外周に円周方向に配列されたねじ２４２を使用して、半径方向外側取付部分２１０に連結される。

作動中、タービン１０への蒸気の吸入前に、ばね２３６が、半径方向内側基部２２０と半径方向外側取付部分２１０との間に付勢力を加えることにより、ラビリンスシール１６が軸１２から離れて半径方向外方に動くようになる。半径方向内側基部２２０は、脚部２２２および２２４とフランジ２３０および２３２を介して上流フランジフック２０４および下流フランジフック２０６と動作可能に連結されている。ばね２３６の半径方向外端は、ねじ２４２を介して半径方向外側取付部分２１０に連結されているストラップ２３８を押す。したがって、ばね２３６からのそのままの付勢力が、半径方向内方にフランジフック２０４および２０６を押し、半径方向外方に半径方向外側取付部分２１０を押すことにより、ラビリンスシール１６が軸１２から離れて半径方向外方に動くようになる（図２Ａに示す）。

蒸気がタービン１０に吸入されると、少なくとも一部の蒸気が歯２６とランド２８と溝３０との間の隙間を通ってダイヤフラム３２を迂回する。隙間を通る蒸気流が増大するにつれて、渦やその他の流れ乱流が、歯２６とランド２８と溝３０のそれぞれにわたる圧力降下を増大させることによって、個々の圧力降下の和が高圧領域３４と低圧領域３６との間の圧力降下の総量と実質的に等しくなる。領域３４からの高圧が、上流フックフランジ２０４と胴体部分２０２との間の隙間２４４を通って、ラビリンスシール１６から半径方向外方のダブテール溝２３へ送られる。下流フランジフック２０６と胴体部分２０２との間の機械加工スチームシール２４６が、ダブテール溝２３から低圧領域３６への蒸気漏れを実質的に防止する。半径方向外側取付部分２１０の上方の高圧が、歯２６とランド２８と溝３０との間の隙間を閉鎖する軸１２に向かって半径方向内方にラビリンスシール１６を動かすことによって、高圧領域３４と低圧領域３６との間の蒸気流の密閉が抑えられるようになる（図２Ｂに示す）。

図３は、ラビリンスシール１６（図１に示す）を軸方向に見た拡大概略図である。凹部２１６は、半径方向外側表面２１４からダブテール取付部分２０の半径方向に形成される。Ｕ型ブラケット２１８は、半径方向内側基部２２０と半径方向外方伸長脚部２２４とを含む（断面図で示す）。Ｕ型ブラケット２１８は、ばね２３６を受け入れるように構成されている凹部２３４を有する。ばね２３６は、凹部２３４の半径方向外側開口部２４０を実質的に覆うストラップ２３８を使用して、凹部２３４内に固定される。ストラップ２３８は、ストラップ２３８の外周に円周方向に配列されたねじ２４２を使用して、凹部２３４の両側で半径方向外側取付部分２１０に連結される。

図４は、ラビリンスシール１６（図１に示す）を半径方向内方に見た拡大概略図である。ダブテール取付部分２０は、半径方向外側表面２１４に形成された軸方向溝２１２を有する、半径方向外側取付部分２１０を有する。凹部２１６は、半径方向外側表面２１４からダブテール取付部分２０の半径方向に形成される。Ｕ型ブラケット２１８は凹部２１６に嵌入し、軸方向に互いに離れて延在するフランジ２３０および２３２を有する。フランジ２３０および２３２は、それぞれ上流フランジフック２０４および下流フランジフック２０６と係合するように構成される。ばね２３６（図４には図示せず）は、凹部２３４の外側開口部２４０を実質的に覆うストラップ２３８を使用して固定される。ストラップ２３８は、ストラップ２３８の外周に円周方向に配列されたねじ２４２を使用して半径方向外側取付部分２１０に連結される。

上記のパッキンリング片組立体は、回転機械の部品間の間隔または隙間を調節するための、費用効果かつ信頼性の高い組立体である。具体的には、内部に付勢部材を有するダブテール取付部分は、タービンの作動流体からの陽圧でタービンガス経路を密閉するように働くと共に、タービンのダイヤフラムに設置されるパッキンリング片に対して上部空間に十分な間隔を与える。

本発明をさまざまな具体的実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内で変更を加えて実施可能であることを当業者は理解するであろう。

本発明の例示的実施形態に従った蒸気タービンの部分図である。 図１に示されるパッキンリング片を円周方向に見た拡大概略図である。 図１に示されるパッキンリング片を円周方向に見た拡大概略図である。 図１に示されるパッキンリング片を軸方向に見た拡大概略図である。 図１に示されるパッキンリング片を半径方向内方に見た拡大概略図である。

符号の説明

１０ 蒸気タービン
１２ タービン軸
１４ タービンケーシング
１５ パッキンリング片
１６ ラビリンスシール
２０ ダブテール取付部分
２２ シール部分
２３ ダブテール溝
２４ シール面
２６ 歯
２８ 環状ランド
３０ 環状溝
３２ ダイヤフラム
３４ 高圧領域
３６ 低圧領域
２０２ 胴体部分
２０４ 上流フランジフック
２０６ 下流フランジフック
２１０ 半径方向外側取付部分
２１２ 軸方向溝
２１４ 半径方向外側表面
２１６ 凹部
２１８ Ｕ型ブラケット
２２０ 半径方向内側基部
２２２ 半径方向外方伸長脚部
２２４ 半径方向外方伸長脚部
２２６ 軸端
２２８ 軸端
２３０ フランジ
２３２ フランジ
２３４ 凹部
２３６ ばね
２３８ ストラップ
２４０ 半径方向外側開口部
２４２ ねじ
２４４ 隙間
２４６ 機械加工スチームシール

Claims (7)

1. 物品の２つの領域間の隙間を密閉するためのパッキンリング片組立体であって、
   半径方向内向き歯を有するシール部分と、
   該物品のダブテール溝を画定する対向離間された一対の環状肩部と摺動係合するような大きさのダブテール取付部分であって、前記パッキンリング片組立体の外側表面から前記シール部分まで半径方向内向きに延在する空洞部分を備えたダブテール取付部分と、
   前記空洞部分の内部に位置し、基部から半径方向外向きに伸長する一対の脚部を備えたブラケットであって、前記一対の脚部のそれぞれが、前記脚部から外向きに伸長し且つ前記ダブテール取付部分が前記ダブテール溝の内部に連結したときに前記肩部の一つに接するブラケットフランジを備える、ブラケットと、
   前記ブラケットの内部に位置し、前記ダブテール取付部分と前記ブラケットに連結された付勢部材であって、前記付勢部材は、該２つの領域間の差圧が比較的低い場合は、前記パッキンリング片組立体が半径方向外方に付勢され、該２つの領域間の差圧が比較的高い場合は、該差圧が該付勢部材の半径方向力を上回り、前記パッキンリング片を半径方向内方に付勢して前記ダブテール取付部分が第一方向へ移動可能となるように構成されている、付勢部材と、
   を備え、
   前記ダブテール取付部分が、前記シール部分と実質的に整列しており、前記空洞部分と流体接続している溝を有する、組立体。
2. 前記空洞部分に位置するように構成された基部（２２０）と、前記基部から半径方向に伸長する一対の脚部（２２２，２２４）と、前記脚部の各々に連結され、前記溝（２３）内で軸方向に互いに離れて延在するブラケットフランジ（２３０，２３２）とからなるＵ型ブラケット（２１８）をさらに有する、請求項１に記載の組立体（１５）。
3. 前記付勢部材（２３６）が前記Ｕ型ブラケット（２１８）を介してダブテール溝（２３）の前記一対の環状肩部に連結されることによって、前記付勢部材によって生じる付勢力が前記Ｕ型ブラケットを介して前記一対の環状肩部に伝達される、請求項２に記載の組立体（１５）。
4. 前記付勢部材（２３６）を少なくとも部分的に前記空洞部分（２１６）内で保持するように構成された付勢部材固定具（２３８）をさらに有する、請求項１に記載の組立体（１５）。
5. 前記パッキンリング片（１５）の半径方向外側表面（２１４）に連結された付勢部材固定具（２３８）をさらに有する、請求項１に記載の組立体（１５）。
6. 前記付勢部材固定具（２３８）が前記空洞部分（２１６）の半径方向外側開口部（２４０）を実質的に覆う、請求項１に記載の組立体（１５）。
7. 前記付勢部材がコイルばね（２３６）である、請求項１に記載の組立体（１５）。
   

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