説明

蒸気タービン静止部品シール

【課題】蒸気タービン及び該蒸気タービンの静止部品間のシール部材を開示する。
【解決手段】本シール部材は、細長いシール部材と球形端部とを有する断面を備えた環状であり、球形端部は、静止部品のグルーブ内に挿入されて該球形端部と該グルーブの軸方向面との間にポイントシールを形成する。球形端部は、環状グルーブの軸方向面に対して回転するように設計され、また細長い部材は、部品の再整列に対応して屈曲してポイントシールを維持するように設計される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示した主題は、総括的には蒸気タービン及び該蒸気タービン内の静止部品に関する。より具体的には、本発明は、蒸気タービンの静止部品間の圧力差によって作動するシールに関する。
【背景技術】
【0002】
蒸気タービンでは、蒸気漏洩通路の数及び大きさが大きければ大きいほど、蒸気タービンの効率の損失が大きくなる。そのようなシールを設計する上での1つの課題は、加熱及び冷却によって生じるもののような蒸気タービン内部における力が、様々な部品を様々な比率で膨張又は収縮させる可能性があるという事実に関連する。さらに、多くの場合、蒸気タービンの効率を向上させるだけでなく、タービンの様々な部品を整備しかつ補修すると同時にそのような部品における既知の反復可能な境界条件を付与することができる能力も増大させたシールを形成することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許第6641144号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
蒸気タービン及び該蒸気タービンの静止部品間のシール部材を開示する。本シール部材は、細長いシール部材と球形端部とを有する断面を備えた環状であり、球形端部は、静止部品のグルーブ内に挿入されて該球形端部と該グルーブの軸方向面との間にポイントシールを形成する。球形端部は、環状グルーブの軸方向面に対して回転するように設計され、また細長い部材は、部品の再整列に対応して屈曲してポイントシールを維持するように設計される。
【0005】
本発明の第1の態様は蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、環状グルーブを備えた半径方向表面を有する第1の部品と、第1の部品の半径方向表面に対向しかつ対向する環状グルーブを備えた対向する半径方向表面を有する第2の部品と、第1及び第2の部品とは独立したシール部材とを含み、シール部材は、環状でありかつ第1及び第2の球形端部を備えた細長いシール部材で構成された断面を有し、球形端部は、環状グルーブ及び対向する環状グルーブ内に挿入されて、第1の球形端部と該環状グルーブの軸方向面との間に第1のポイントシールをまた第2の球形端部と対向する環状グルーブの軸方向面との間に第2のポイントシールを形成する。
【0006】
本発明の第2の態様は、蒸気タービンで使用されかつ断面を有する環状シール部材を提供し、本環状シール部材は、細長い本体と、細長い本体に結合されかつ第1の部品の半径方向表面の環状グルーブ内に挿入される第1の球形端部と、細長い本体に結合されかつ第1の部品の半径方向表面に対向した第2の部品の対向する半径方向表面の対向する環状グルーブ内に挿入される第2の球形端部とを含み、細長い本体、第1の球形端部及び第2の球形端部は、第1及び第2の部品とは独立しており、第1の球形端部と環状グルーブの軸方向面との間の接触が、該第1の球形端部及び該環状グルーブの軸方向面間における第1のポイントシールを形成し、また第2の球形端部と対向する環状グルーブの軸方向面との間の第2の接触が、該第2の球形端部及び該対向する環状グルーブの軸方向面間における第2のポイントシールを形成する。
【0007】
本発明のこれら及びその他の特徴は、本発明の様々な態様を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】従来型のガス又は蒸気タービンの一部切欠き斜視図。
【図2】その様々な静止及び回転部分を示す蒸気タービンの一部分の部分断面図。
【図3】蒸気タービンの環状部品の一部切欠き図。
【図4】蒸気タービンの環状部品間におけるシール部材の断面図。
【図5】荷重下にある蒸気タービンの環状部品間におけるシール部材の断面図。
【図6】応力下にあるシール部材の回転を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。
【0010】
上に示したように、本発明の態様は、蒸気タービン及び該蒸気タービンの静止部品間のシール部材に関する。本シール部材は、細長いシール部材と球形端部とを有する断面を備えた環状であり、球形端部は、静止部品のグルーブ内に挿入されて該球形端部と該グルーブの軸方向面との間にポイントシールを形成する。球形端部は、環状グルーブの軸方向面に対して回転するように設計され、また細長い部材は、部品の再整列に対応して屈曲してポイントシールを維持するように設計される。
【0011】
図面を参照すると、図1は、複数段蒸気タービン10の一部切欠き斜視図を示している。タービン10は、凝縮蒸気タービン又は非凝縮蒸気タービンとすることができる。タービン10は、回転シャフト14と複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール18とを備えた回転シャフト12を含む。複数の回転ブレード20が、各ロータホイール18に対して機械的に結合される。より具体的には、ブレード20は、各ロータホイール18の円周方向周りに延びる列の形態で配置される。複数の静止ベーン22が、シャフト14の円周方向周りに延びかつこれらベーンは、隣接ブレード20列の軸方向間に配置される。静止ベーン22は、ブレード20と協働してタービン段を形成しかつタービン10を通る蒸気流路の一部分を形成する。
【0012】
作動中に、ガス又は蒸気24は、タービン10の入口26に流入しかつ固定タービン22を通して送られる。ベーン22は、下流方向にブレード20に対してガス又は蒸気24を導く。ガス又は蒸気24は、残りの段を通って流れ、ブレード20に力を与えてシャフト14を回転させる。タービン10の少なくとも一端部は、回転ロータ12から離れるように軸方向に延びることができ、またそれに限定されないが、発電機及び/又は別のタービンのような負荷又は機械(図示せず)に取付けることができる。
【0013】
1つの実施形態では、タービン10は、5つの段を含むことができる。5つの段は、L0、L1、L2、L3及びL4と呼ぶ。段L4は第1段でありかつ5つの段のうちで最小のもの(半径方向において)である。段L3は、第2段でありかつ軸方向における次の段である。段L2は、第3段でありかつ5つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段L1は、第4段でありかつ最後から2番目の段である。段L0は、最終段でありかつ最大のもの(半径方向において)である。5つの段は、単に1つの実施例として示しておりまた各タービンは、5つよりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。また、本明細書に説明するように、本発明の教示は、複数段タービンを必要とするものではない。
【0014】
次に図2を参照すると、回転部品105及び静止部品110を有する蒸気タービン10(図1)の一部分100を示している。回転部品105は、例えばそれに沿った間隔を置いた軸方向位置において複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット120を取付けたロータ115を含み、バケット120は、様々なタービン段の一部を形成する。静止部品110は、ノズルを形成する仕切壁130を取付けた複数のダイアフラム125を含み、ノズルは、それぞれのバケットと共に様々な蒸気タービン100の段を形成することができる。図2に示すように、ダイアフラム125の外側リング135には、バケット120の先端に隣接するシュラウド又はカバーとの間をシールする1以上のシール歯140の列が支持される。同様に、ダイアフラム125の内側リング150には、弓形シールセグメント155が取付けられる。シールセグメントは、ロータ115との間をシールする半径方向内向きに突出した高−低歯160を有する。図示するように様々な蒸気タービン100の段において、同様のシールが設けられており、また蒸気流路の方向は、矢印165で示している。
【0015】
次に図3を参照すると、蒸気タービン10(図1)の環状部分200を示しており、環状部分200は、高圧領域204、低圧領域206及び圧力分離区域208を有している。高圧領域204及び低圧領域206と呼んでいるが、高圧領域204が低圧領域206の圧力よりも低い圧力を有するような実施形態が存在することができることは当業者には解る筈である。同様に、圧力分離区域208の圧力は高圧領域204及び低圧領域206の圧力の中間に位置することになると考えられるが、蒸気タービン10の運転時に圧力分離区域208の圧力を高圧領域204及び低圧領域206の両方よりも高いか又は低いかのいずれかとすることができるような実施形態も存在することができる。
【0016】
いずれにしても、環状部分200は、その両方が環状である第1の部品220と第2の部品240とを有する。環状部分200はまた、第1の部品220及び第2の部品240間にこれもまた環状であるシール部材260を有する。シール部材260は、第1の部品220及び第2の部品240との接触状態を維持することによって高圧領域204と圧力分離区域208のような異なった圧力を有する区域との間での圧力差を確保するのに役立つ。この接触状態は、高圧領域204とシール部材260の第1の側面280及びシール部材260の第2の側面290間で圧力差を発生させる異なった圧力を有する区域との間での圧力差の結果として維持することができる。シール部材はまた、本明細書でさらに説明するように圧力分離区域208を形成するように使用することができる。図示すように、第1の部品220及び第2の部品240は、それぞれシェル及びダイアフラムとしているが、第1及び第2の部品220、240は、それらの間にシールを設けることが望ましい、それに限定されないがシェル、ダイアフラム、パッキンヘッド、ケーシングなどを含む蒸気タービン10(図1)内のあらゆる静止部品とすることができることは、当業者には解る筈である。
【0017】
次に図4に移ると、蒸気タービン10(図1)の環状部分200(図3)の断面210を示している。図示するように、第1の部品220は、半径方向表面222を有する。半径方向表面222内には、軸方向面226を有する環状グルーブ224が設けられている。同様に、第2の部品240は、対向する半径方向表面242を有する。対向する半径方向表面242内には、軸方向面246を有する対向する環状グルーブ244が設けられている。
【0018】
第1の部品220の環状グルーブ224及び第2の部品240の対向する環状グルーブ244内に挿入されているのは、シール部材260である。断面で示すように、シール部材260は、細長いシール部材262と、第1の球形端部264と、第2の球形端部266とを有する。シール部材260は、第1の球形端部264が環状グルーブ224内に挿入されかつ保守整備又は交換の場合のように必要に応じて該環状グルーブ224から容易に取外せるように設計される。同様に、シール部材260は、第2の球形端部266が環状グルーブ244内に挿入されかつ必要に応じて該環状グルーブ244から容易に取外せるように設計される。
【0019】
いずれにしても、シール部材260は、高圧領域204及び圧力分離区域208に対して第1の部品220及び第2の部品240間でシールを構成する。このシールは、第1の球形端部264と環状グルーブ224の軸方向面との間の接触の結果として維持されて、第1のポイントシール272を形成する。同様に、第2の球形端部266と対向する環状グルーブ244の軸方向面246との間の接触は、第2のポイントシール274を形成する。第1のポイントシール272及び第2のポイントシール274は、それぞれ軸方向面226及び246上に形成されるものとして図示しているが、別の実施形態では、これらポイントシール272、274は、圧力分離区域208の圧力が高圧領域204の圧力よりも高くなった場合などのように、対向する軸方向面上に形成されるようにすることができることを理解されたい。いずれにしても、ポイントシール272、274(以下においては、「二次蒸気ジョイント部」)によって形成されたシールは、高圧領域204及び圧力分離区域208間に圧力差を維持する。さらに、ポイントシール272、274によって形成された二次蒸気ジョイント部はまた、シール部材260から離れた位置にある断面210の領域内において第1の部品220及び第2の部品240を当接させることによって形成された主蒸気ジョイント部212と共に作用して、該第1の部品220及び第2の部品240間に圧力分離区域208を形成することができる。圧力分離区域208は、それに限定されないが、分離された圧力及び/又は温度の領域を形成して内部部品の冷却又は加熱を可能にすること、静止部品及び回転部品間を能動的にシールするために使用する蒸気用の流路を形成すること、或いは蒸気エンジンにおける別の導管用として当技技術分野で考えられるあらゆるその他の使用を可能にすることを含む複数の目的の1以上を果たすことができる。
【0020】
図5は、荷重下にある蒸気タービン10(図1)の環状部分200(図3)の断面210を図示している。図示するように、第1の部品220及び第2の部品240の態様は、環状グルーブ224が対向する環状グルーブ244からオフセットしているように互いに対して変化した状態になっている。そのようなオフセットは、例えば第1の部品220を第2の部品240の比率とは異なる比率で膨張又は収縮させる熱的な力によって引き起こされる可能性がある。いずれにしても、シール部材260は、そのような荷重を受けた時にシールを維持する。図示するように、細長いシール部材262は、屈曲して、第1及び第2のポイントシール272、274によって形成された二次蒸気ジョイント部が維持されるように設計される。さらに、対向する環状グルーブ244と環状グルーブ224がもはや整列した状態ではないように第1及び第2の部品220、240が変化すると、第1の球形端部264は、環状グルーブ224の軸方向面226との接触状態を維持するように回転して、補助的第1のポイントシール276を形成する。同様に、第2の球形端部266は、対向する環状グルーブ244の軸方向面246との接触状態を維持するように回転して、補助的第2のポイントシール278を形成する。
【0021】
図6はさらに、環状グルーブ224の軸方向面226に対する球形端部264の回転によってポイントシールを維持することを示している。図示するように、環状部分210(図5)における荷重受け状態によって引き起こされた整列状態の変化は、第1のポイントシール272に環状グルーブ224の軸方向面226との接触状態を失わせた。第1の球形端部264は、回転して、軸方向面226の表面に沿って転がることによって第1のポイントシール272のポイントとは異なる該第1の球形端部264のポイント上に補助的第1のポイントシール276を形成した。このようにして、シール部材260は、第1の部品220及び第2の部品240間での整列状態が変化した時でさえも、シール自体に殆ど又は全く応力を加えないような方法でシールを維持することを保証する。
【0022】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び/又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び/又は構成部品の存在を特定するが、1以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び/或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【0023】
本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者が要素の様々な組合せ、それらの変形或いは改良を行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況及び物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更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いこと、また本発明は、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。
【符号の説明】
【0024】
10 蒸気タービン
12、14 回転シャフト
18 ロータホイール
20 回転ブレード
22 静止ベーン
24 ガス、蒸気
26 入口
L0、L1、L2、L3、L4 5つの段
L4 第1段
L3 第2段
L2 第3段
L1 第4段
L0 最終段
105 回転部品
110 静止部品
115 ロータ
120 バケット
125 ダイアフラム
130 取付け仕切壁
135 外側リング
140 シール歯
145 シュラウド、カバー
150 内側リング
155 シールセグメント
160 高−低歯
165 矢印
200 環状部分
204、208 高圧領域
206 低圧領域
208 圧力分離区域
210 断面
212 主蒸気ジョイント部
220 第1の部品
222 半径方向表面
224 環状グルーブ
226、246 軸方向面
240 第2の部品
244 対向する環状グルーブ
260 シール部材
262 細長いシール部材
264 第1の球形端部
266 第2の球形端部
280 第1の側面
290 第2の側面
272 第1のポイントシール
274、278 第2のポイントシール

【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンであって、
環状グルーブを備えた半径方向表面を有する第1の部品と、
前記第1の部品の半径方向表面に対向しかつ対向する環状グルーブを備えた対向する半径方向表面を有する第2の部品と、
前記第1及び第2の部品とは独立したシール部材と、を含み、
前記シール部材が、環状でありかつ第1及び第2の球形端部を備えた細長いシール部材で構成された断面を有し、
前記球形端部が、前記環状グルーブ及び対向する環状グルーブ内に挿入されて、前記第1の球形端部と該環状グルーブの軸方向面との間に第1のポイントシールをまた前記第2の球形端部と該対向する環状グルーブの軸方向面との間に第2のポイントシールを形成する、
タービン。
【請求項2】
前記第1及び第2の部品が、該蒸気タービン内で実質的に静止している、請求項1記載のタービン。
【請求項3】
前記第1及び第2の部品が、シェル、ダイアフラム、パッキンヘッド及びケーシングから成る群から選択される、請求項1記載のタービン。
【請求項4】
前記第1及び第2の球形端部が、前記環状グルーブの軸方向面に対して回転することによって前記第2の部品に対する前記第1の部品の再整列に対応して前記第1及び第2のポイントシールを維持する、請求項1記載のタービン。
【請求項5】
前記第1及び第2の球形端部が、前記第2の部品に対する前記第1の部品の再整列に対応して前記細長いシール部材の屈曲の結果として前記第1及び第2のポイントシールを維持する、請求項4記載のタービン。
【請求項6】
前記第1及び第2の球形端部が、前記シール部材の第1の側面及び該シール部材の第2の側面間の圧力差により前記環状グルーブの軸方向面と接触状態に維持される、請求項1記載のタービン。
【請求項7】
前記第1及び第2の部品が、前記第1及び第2のポイントシールから離れた主蒸気ジョイント部を形成するように当接し、
前記主蒸気ジョイント部並びに前記第1及び第2のポイントシールの組合せが、前記第1及び第2の部品間に圧力分離区域を形成する、
請求項1記載のタービン。
【請求項8】
前記圧力分離区域が、内部部品温度制御或いは静止部品及び回転部品間を能動的にシールするために使用するガス用の流路の少なくとも1つを可能にする分離領域を構成する、請求項7記載のタービン。
【請求項9】
該タービンが、蒸気タービンである、請求1記載のタービン。
【請求項10】
前記蒸気タービンが、凝縮蒸気タービン又は非凝縮蒸気タービンの1つである、請求項9記載のタービン。
【請求項11】
蒸気タービンで使用されかつ断面を有する環状シール部材であって、
細長い本体と、
前記細長い本体に結合されかつ第1の部品の半径方向表面の環状グルーブ内に挿入される第1の球形端部と、
前記細長い本体に結合されかつ前記第1の部品の半径方向表面に対向した第2の部品の対向する半径方向表面の対向する環状グルーブ内に挿入される第2の球形端部と、を含み、
前記細長い本体、第1の球形端部及び第2の球形端部が、前記第1及び第2の部品とは独立しており、
前記第1の球形端部と前記環状グルーブの軸方向面との間の接触が、該第1の球形端部及び該環状グルーブの軸方向面間における第1のポイントシールを形成し、また
前記第2の球形端部と前記対向する環状グルーブの軸方向面との間の第2の接触が、該第2の球形端部及び該対向する環状グルーブの軸方向面間における第2のポイントシールを形成する、
環状シール部材。
【請求項12】
前記第1及び第2の球形端部が、前記環状グルーブの軸方向面に対して回転することによって前記第2の部品に対する前記第1の部品の再整列に対応して前記第1及び第2のポイントシールを維持する、請求項11記載の環状シール部材。
【請求項13】
前記第1及び第2の球形端部が、前記第2の部品に対する前記第1の部品の再整列に対応して前記細長いシール部材の屈曲の結果として前記第1及び第2のポイントシールを維持する、請求項11記載の環状シール部材。
【請求項14】
前記第1及び第2の球形端部が、前記シール部材の第1の側面及び該シール部材の第2の側面間での圧力差により前記環状グルーブの軸方向面と接触状態に維持される、請求項11記載の環状シール部材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2011−140945(P2011−140945A)
【公開日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2010−286856(P2010−286856)
【出願日】平成22年12月24日(2010.12.24)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】GENERAL ELECTRIC COMPANY
【Fターム(参考)】