(57)【要約】【課題】本出願は、蒸気タービン（２００）で使用するための可変蒸気シールシステム（２１０）を提供する。【解決手段】本可変蒸気シールシステム（２１０）は、シール蒸気ヘッダ（１９０）と、第１の圧力セクション（１１０）と、第１の圧力セクション（１１０）の周りに配置された第１の圧力シール（２２０）と、第１の圧力シール（２２０）を通りかつシール蒸気ヘッダ（１９０）に延在する流路（２４５）とを含むことができる。第１の圧力シール（２２０）は、第１の圧力シール（２２０）を通ってシール蒸気ヘッダ（１９０）に至る流路（２４５）を変化させる可動シールパッキンリング（２４０）を含むことができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン（２００）で使用するための可変蒸気シールシステム（２１０）であって、
シール蒸気ヘッダ（１９０）と、
第１の圧力セクション（１１０）と、
第１の圧力セクション（１１０）の周りに配置された第１の圧力シール（２２０）と、
第１の圧力シール（２２０）を通りかつ前記シール蒸気ヘッダ（１９０）に延在する流路（２４５）と
を備えており、第１の圧力シール（２２０）が、第１の圧力シール（２２０）を通って前記シール蒸気ヘッダ（１９０）に至る前記流路（２４５）を変化させる可動シールパッキンリング（２４０）を含む、可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項２】
第１の圧力セクション（１１０）が高圧セクション（１１０）を含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項３】
第２の圧力セクション（１２０）をさらに含み、第２の圧力セクション（１２０）が、中圧セクション（１２０）を含む、請求項２記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項４】
前記シール蒸気ヘッダ（１９０）と連通した複数の圧力セクション（１１０、１２０）及び複数の圧力シール（２２０、２３０）をさらに含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項５】
負荷センサ（２５０）をさらに含み、
前記可動シールパッキンリング（２４０）が、前記蒸気タービン（２００）の負荷に従って第１の圧力シール（２２０）を通る前記流路（２４５）を変化させる、
請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項６】
第１の圧力シール（２２０）の上流にリークオフ管路（２７０）をさらに含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項７】
第１の圧力シール（２２０）の下流にリークオフ管路（３００）をさらに含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項８】
第１の圧力シール（２２０）が、前記蒸気タービン（２００）の高負荷時に最小間隙位置（２６０）を含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項９】
第１の圧力シール（２２０）が、前記蒸気タービン（２００）の低負荷時に最大間隙位置（２９０）を含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項１０】
前記可動シールパッキンリング（２４０）が、シールリング（３５０）及びバイパス回路（３９０）を含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項１１】
前記可動シールパッキンリング（２４０）が、リフトボタン（５２０）及びシールキャリヤ（５７０）を含む、請求項１記載の可変蒸気シールシステム（２１０）。
【請求項１２】
ほぼ一定のセルフシール負荷ポイントで蒸気タービン（２００）を運転する方法であって、
前記蒸気タービン（２００）の負荷を監視するステップと、
高負荷運転時に圧力シール（２２０）を通る最小間隙（２６０）を構成するようにシールパッキンリング（２４０）を操作するステップと、
低負荷運転時に前記圧力シール（２２０）を通る最大間隙（２９０）を構成するように前記シールパッキンリング（２４０）を操作するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
複数の負荷にわたって約９０％セルフシール負荷ポイントを維持するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的には蒸気タービンシステムに関し、より具体的には、負荷範囲にわたって性能を向上させるほぼ一定のセルフシール負荷ポイント蒸気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
シャフトパッキンは、タービンシェル又は排出フードと大気との間でタービンロータ又はシャフトのシールを行なうために必要となる。正常タービン運転時には、端部パッキンは、２つの別個のグループつまり圧力パッキンと真空パッキンとに分けることができる。圧力パッキンは一般的に、蒸気がタービン室内に吹出すのを防止する。真空パッキンは一般的に、復水器内への空気の漏洩をシールする。公知の蒸気シールシステムは主として、圧力パッキンから漏洩（リーク）する蒸気を利用して真空パッキンをシールするのに役立てることによってこれらの問題に対処している。
【０００３】
現在の蒸気シールシステムは一般的に、単一設定ポイント準最適設計を有する。例えば、それらの設計では、約７０％のセルフシール負荷ポイント（「ＳＳＬＰ」）を有する不燃焼保証負荷を備えている。蒸気タービンが「セルフシール」になっている場合には、このセルフシールと言う用語は一般的に、圧力パッキンシール蒸気流（量）が真空パッキンを加圧しかつシールするのに十分である状態を意味している。しかしながら、追加燃焼のようなより高負荷状態では、蒸気シールヘッダに流れる圧力パッキン蒸気流量は増加するが、真空パッキン要件（必要流量）は変化させることができず、ＳＳＬＰが約３０％ほどもの低いものとなる可能性がある。従って、圧力パッキンから蒸気シールシステム内に流入する付加的蒸気は、如何なる仕事も取出さない状態で復水器に放出される可能性がある。同様に、低負荷運転時には、圧力パッキンシール蒸気流量は設計ポイントから大きく減少させることができるが、真空パッキンシール蒸気流量要件（必要流量）は、ここでもまた変化しないものとなる可能性がある。そのような状況では、蒸気シールシステムは十分なものとなることができず、また大幅な性能損失を伴うスロットル蒸気からの余分な流量を必要とする可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７０４０８６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、多くの負荷状態にわたってほぼ一定のセルフシール負荷ポイントを維持する改良型の蒸気シールシステムに対する要望が存在する。そのような一定のセルフシール負荷ポイントは、全ての出力を高めかつ熱消費率の向上をもたらすものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本出願は、蒸気タービンで使用するための可変蒸気シールシステムを提供する。本可変蒸気シールシステムは、シール蒸気ヘッダと、第１の圧力セクションと、第１の圧力セクションの周りに配置された第１の圧力シールと、第１の圧力シールを通りかつシール蒸気ヘッダに延在する流路とを含むことができる。第１の圧力シールは、第１の圧力シールを通ってシール蒸気ヘッダに至る流路を変化させる可動シールパッキンリングを含むことができる。
【０００７】
本出願はさらに、ほぼ一定のセルフシール負荷ポイントで蒸気タービンを運転する方法を提供する。本方法は、蒸気タービンの負荷を監視するステップと、高負荷運転時に圧力シールを通る最小間隙を構成するようにシールパッキンリングを操作するステップと、低負荷運転時に圧力シールを通る最大間隙を構成するようにシールパッキンリングを操作するステップとを含むことができる。
【０００８】
本出願はさらに、蒸気タービンで使用するための可変蒸気シールシステムを提供する。本可変蒸気シールシステムは、シール蒸気ヘッダと、高圧シールを備えた高圧セクションと、低圧シールを備えた低圧セクションと、高圧シールを通りかつシール蒸気ヘッダに延在する第１の流路と、低圧シールを通りかつシール蒸気ヘッダに延在する第２の流路とを含むことができる。高圧シール及び低圧シールは、該高圧シール及び低圧シールを通ってシール蒸気ヘッダに至る流路を変化させる可動シールパッキンリングを含むことができる。
【０００９】
本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】単一設定ポイント蒸気シールシステムを備えた公知の蒸気タービンシステムの概略図。
【図２】本明細書に説明したような可変蒸気シールシステムの概略図。
【図３】最小間隙を示している、図２の可変蒸気シールシステムの概略図。
【図４】中間間隙を示している、図２の可変蒸気シールシステムの概略図。
【図５】最大間隙を示している、図２の可変蒸気シールシステムの概略図。
【図６】図２の可変蒸気シールシステムで使用することができる作動機構の部分断面図。
【図７】図２の可変蒸気シールシステムで使用することができる作動機構の別の実施形態の部分断面図。
【図８】図７の作動機構の部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、公知の蒸気タービンシステム１００の概略図を示している。蒸気タービンシステム１００は、高圧セクション１１０と、中圧セクション１２０と、低圧セクション１３０とを含む。一般的に説明すると、蒸気タービンシステム１００は、蒸気シールシステム１４０を含むことができる。蒸気シールシステム１４０は、幾つかの高圧シール１５０、中圧シール１６０及び低圧シール１７０を含むことができる。シール１５０、１６０及び１７０は、ロータ又はシャフト１８０の周りに配置することができる。蒸気は、シール蒸気ヘッダ１９０などによってシールに供給することができる。この実施例では、シールは、上記したように、それを通る一定の流路１９５に対する一定の間隙パッキンを有することができる。シールは、約７０％のＳＳＬＰを有する不燃焼保証負荷になるように設計することができる。
【００１２】
図２は、本明細書で説明することができるような蒸気タービンシステム２００を示している。蒸気タービンシステム２００は、可変蒸気シールシステム２１０を含むことができる。可変蒸気シールシステム２１０は、上記の蒸気シールシステム１４０と同様なものとすることができるが、高圧シール１５０及び中圧シール１６０が、可変高圧シール２２０及び可変中圧シール２３０で置換えられた状態になっている。本明細書では、その他のシールも置換えることができる。可変シール２２０、２３０は、その中に可動シールパッキンリング２４０を含むことができる。可動シールパッキンリング２４０は、その中を通る可変流路２４５を形成することができる。可動シールパッキンリング２４０の位置は、全体として負荷センサ２５０又はその他によって測定されたような蒸気タービンシステム２００の負荷に基づいたものとすることができる。従って、可動シールパッキンリング２４０は、負荷範囲にわたって必要な又は所望のＳＳＬＰを維持するようにシール蒸気ヘッダ１９０への流量を変化させることができる。
【００１３】
例えば、図３は、最小間隙位置２６０に設定されている、可変シール２２０、２３０上の可動シールパッキンリング２４０を示している。最小間隙位置２６０は、追加燃焼時などのような高負荷運転において約９０％ＳＳＬＰを維持することができる。最小間隙位置２６０にある可動シールパッキンリング２４０を通って流れる蒸気流量の減少により、リークオフ管路２７０を通して迂回（分流）させるか又はその他の方法で迂回（分流）させて、有用な仕事を行なうようにすることができる。
【００１４】
図４は、中間間隙位置２８０にある可動シールパッキンリング２４０を示している。中間間隙位置２８０は、保証負荷（不燃焼）つまりほぼ低負荷からほぼ全負荷までにおいて典型的な９０％ＳＳＬＰ又はその他を維持することができる。同様に、図５は、最大間隙位置２９０にある可動シールパッキンリング２４０を示している。最大間隙位置２９０は、低負荷運転において９０％ＳＳＬＰ又はその他を維持して、そこを通って流れる蒸気流量をさらに増大させるＬＰシール必要流量又はその他を満たすことができる。リークオフ蒸気はまた、リークオフ管路３００を介してシール蒸気ヘッダ１９０又はその他に分流させることができる。さらに、回転ギヤ運転などにおけるシール必要流量は、可動シールパッキンリング２４０を閉鎖することによって減少させることができる。
【００１５】
従って、可動シールパッキンリング２４０の位置は、蒸気タービンシステム２００又はその他の負荷全体に基づいて変化させて、多くの負荷状態にわたって一定のセルフシール負荷ポイントを維持することができる。その結果、本明細書では、蒸気シールシステム２１０のためのより小型のボイラ及び／又はその他のタイプの蒸気供給源を使用することができる。そのような一定のセルフシール負荷ポイント（設定）は、全ての出力及び性能を高めかつ同時に熱消費率の向上をもたらすものでなければならない。
【００１６】
可動シールパッキンリング２４０は、圧力作動システム、電気機械システム又はその他により動作することができる。例えば、本出願と同一出願人によるＡｗｔａｒ他の米国特許出願公開第２００８／０１６９６１６号には、可動シールパッキンリング２４０として使用することができる後退式シールシステムが開示されている。具体的には、図６に、軸方向シール構成３１０を図示している。軸方向シール構成３１０は、ステータ３４０によって囲まれた軸方向プレート３３０を備えたロータ３２０を含むことができる。一対の環状シールリング３５０、３６０（それぞれＲ１、Ｒ２）は、高圧流体が幾つかのギャップ３７０、３８０内に流れて該シールリング３５０、３６０をロータ軸方向プレート３３０に向けて移動させるように、ステータ３４０内に取付けられる。シールリング３５０、３６０の少なくとも１つには、バイパス回路３９０を組入れることができ、バイパス回路３９０は、シールリング３５０、３６０の上流のステータ内の位置における入口４１０から該シールリング３５０、３６０の下流における出口４２０まで延在する少なくとも１つのパイプ又は導管４００を含み、また入口及び出口間には少なくとも１つのバイパス制御バルブ４３０を設置して、該バイパス回路を通る流れを制御するようになっている。
【００１７】
バルブ４３０が開放している時、バイパス回路３９０は、例えばシールリング３６０及びロータ軸方向プレート３３０間の漏洩に比較して、著しく小さい流れに対する抵抗をもたらす。このことにより、能動シールリングを横切る圧力低下の大幅な減少を生じ、従ってスプリング又はその他の好適なアクチュエータの作用の下でシールリングを後退つまり開放させる。ラビリンスパッキンシールを図示しているが、この能動後退式軸方向シール構成３１０は、それに限定されないがブラシシール、コンプライアントプレートシール、シングルシール、ハニカムシール、アブレイダブルシールなどを含むあらゆる種類のシールに適用可能である。
【００１８】
本出願と同一出願人によるＤｉｎｃ他の米国特許第６７８６４８７号には、別のタイプの作動機構の実施形態が示されており、ここでは作動機構５００とする。図７及び図８に示すように、作動機構５００は、その中に配置された少なくとも１つのリフトボタン５２０を有するハウジング５１０を含むことができる。チャネル５３０は、少なくとも１つの空洞５４０と流体連通して配置することができる。リフトボタン５２０は、例えばタービンの内部又は外部に設置したガス供給源又は蒸気供給源のような加圧媒体を導入した時に該ボタン５２０が後退位置及び進展位置間で移動可能になることができるように、空洞５４０内に配置することができる。作動機構５００は、空洞５４０の周りに同心に配置されて粒子状物質がリフトボタン５２０及びハウジング５１０間の領域に入るのを制限する少なくとも１つのワッシャ５５０を含むことができる。
【００１９】
ワッシャ５５０及びリフトボタン５２０に対して例えばベローズのようなコンプライアント機構５６０を固定して、加圧媒体を導入した時に該コンプライアント機構５６０が半径方向に変位しかつその結果としてシールキャリヤ５７０を半径方向に移動させるのを可能にするようにすることができる。本明細書で使用する場合における「コンプライアント」と言うのは、コンプライアント機構５６０が外力又は圧力下で降伏する（圧縮状態に移動する）ことを意味している。作動機構５００は、例えばロータのような回転部材５８０と例えばタービンハウジング５９０のような固定ハウジングとの間でタービン内に配置することができる。タービンハウジング５９０は一般的に、回転部材５８０に隣接して配置されて、その軸方向両側に圧力領域を分離するシールキャリヤ５７０を含む。キャリヤ５７０は一般的に、それに限定されないが、例えば該シールキャリヤ５７０内に配置された少なくとも１つのブラシシールブリストルのような少なくとも１つのシール６００を含む。加えて、作動機構５００は、シールキャリヤ上方部分６２０及びシールキャリヤ下方部分６３０に結合することができる。
【００２０】
蒸気径路６４０が、回転部材５８０とタービンハウジング５９０との間を通ることができる。例えば、蒸気径路６４０は、高圧側から低圧側に向かって流れる。図８は、シールキャリヤ５７０と、完全閉鎖位置にある付随シール６００とを示している。シールキャリヤ５７０及び付随シール６００は、完全閉鎖位置及び完全開放位置間で移動可能であって、シール６００と回転部材５８０との間の蒸気径路６４０を変化させるようになっていることが分かるであろう。
【００２１】
運転中に、作動機構５００は、シールキャリヤ５７０の位置を上昇、下降又は調整するように該シールキャリヤ５７０を作動させる。例えば、チャネル６１０内に加圧媒体が導入されると、加圧荷重は、強制的にシールキャリヤ５７０を半径方向上向きに移動させて、回転部材５８０から離れるようにシール６００を上昇させる。その結果、作動機構５００は、回転部材５８０及びタービンハウジング５９０間の流体径路６４０内の流量を制御する。それに代えて、加圧荷重は、強制的にシールキャリヤ５７０を半径方向下向きに移動させて、シール６００を回転部材５８０に当接した状態に保つか或いはその他の状態に位置させることができる。
【００２２】
本明細書では、その他のタイプの作動機構を使用して、可動シールパッキンリング２４０を所望どおりに位置させることができる。例えば、シール蒸気ヘッダ１９０は、その中に幾つかの供給及び放出バルブを含むことができる。パッキンリング２４０への蒸気供給圧力、従ってパッキンリング２４０の位置は、供給及び放出バルブを所望どおりに作動させることによって変化させることができる。本明細書では、多くのその他のタイプの作動機構を使用することができる。
【００２３】
上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２４】
１００  蒸気タービンシステム
１１０  高圧セクション
１２０  中圧セクション
１３０  低圧セクション
１４０  蒸気シールシステム
１４５  一定の流路
１５０  高圧シール
１６０  中圧シール
１７０  低圧シール
１８０  ロータ
１９０  シール蒸気ヘッダ
２００  蒸気タービンシステム
２１０  可変蒸気シールシステム
２２０  可変高圧シール
２３０  可変中圧シール
２４０  可動シールパッキンリング
２４５  可変流路
２５０  負荷センサ
２６０  最小間隙位置
２７０  リークオフ管路
２８０  中間間隙位置
２９０  最大間隙位置
３００  リークオフ管路
３１０  軸方向シール構成
３２０  ロータ
３３０  軸方向プレート
３４０  ステータ
３５０  環状シールリング
３６０  環状シールリング
３７０  ギャップ
３８０  ギャップ
３９０  バイパス回路
４００  導管
４１０  入口
４２０  出口
４３０  制御バルブ
５００  作動機構
５１０  ハウジング
５２０  リフトボタン
５３０  チャネル
５４０  空洞
５５０  ワッシャ
５６０  コンプライアント機構
５７０  シールキャリヤ
５８０  回転部材
５９０  タービンハウジング
６００  シール
６１０  チャネル
６２０  上方部分
６３０  下方部分
６４０  蒸気通路
６５０  スプリング
【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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【図７】
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【図８】
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