(57)【要約】【課題】可変速度面を含むキャビティにおいて漏出流制御のための逆圧力勾配シール機構を提供すること。【解決手段】可変速構成要素（１１０）と共に用いるための逆圧力勾配シール機構（１００）。逆圧力勾配シール機構（１００）は、構成要素（１１０）上に位置づけられる複数のラビリンス歯（１２０）と、複数のラビリンス歯（１２０）のペア間に位置付けられる逆圧力勾配シール（１３０）とを含むことができる。逆圧力勾配シール（１３０）は、複数のストリップ（１４０）を含むことができ、該複数のストリップ（１４０）の各々が角度付き端部（１６０）を有する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変速構成要素（１１０）と共に用いるための逆圧力勾配シール機構（１００）であって、
前記構成要素（１１０）上に位置づけられる複数のラビリンス歯（１２０）と、
前記複数のラビリンス歯（１２０）のペア間に位置付けられる逆圧力勾配シール（１３０）と
を備える逆圧力勾配シール機構（１００）であって、前記逆圧力勾配シール（１３０）が複数のストリップ（１４０）を含み、該複数のストリップ（１４０）が各々角度付き端部（１６０）を有する、逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項２】
前記構成要素（１１０）が回転構成要素（１１０）を含む、請求項１記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項３】
前記回転構成要素（１１０）がシールリング（１１５）又はロータ（５０、５２）を含む、請求項２記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項４】
前記回転構成要素（１１０）が、パッキングケーシング（４６）内にロータ（３８）を含む、請求項２記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項５】
前記回転構成要素（１１０）が、タービンブレード（５４、５６）を含む、請求項２記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項６】
前記複数のラビリンス歯（１２０）が、実質的にＪ型形状を含む、請求項１記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項７】
前記逆圧力勾配シール（１３０）が、前記複数のストリップ（１４０）のペア間にギャップ（１５０）を含む、請求項１記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項８】
前記角度付き端部（１６０）が、約９０〜約１８０度の角度を含む、請求項１記載の逆圧力勾配シール機構（１００）。
【請求項９】
可変速構成要素（１１０）を通る漏出流を制限する方法であって、
前記可変速構成要素（１１０）のうちの１つに複数のラビリンス歯（１２０）を位置付ける段階と、
前記複数のラビリンス歯（１２０）のペアの間に逆圧力勾配シール（１３０）を位置付ける段階と、
可変速構成要素（１１０）を回転させる段階と、
前記逆圧力勾配シール（１３０）の周りに逆圧力勾配を生成する段階と、
前記可変速構成要素（１１０）にわたる漏出流を低減する段階と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に蒸気タービン及びガスタービンに関し、より詳細には、可変速度面を含むキャビティにおいて漏出流制御のための逆圧力勾配シール機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンがシャフト出力を生成するために、蒸気はノズルとバケット流通路の両方を通過しなければならない。段間漏出流、先端漏出流、及び他の漏出流に起因するノズル又はバケット何れかを迂回する蒸気は、これらの漏出流が出力を生成しないことからターボ機械産業における関心事である。更に、このような漏出流はまた、ノズル及びバケットを通過する流れを妨害し、タービンシャフト出力を低下させ、タービン性能及び効率全体に直接影響を及ぼす可能性がある。これらの漏出流は一般に、回転構成要素と固定構成要素との間のクリアランスが増大することにより引き起こされる。クリアランスの増大は、ラビン処理、固体粒子状物質による浸食、異物損傷、及び同様のことによって引き起こされる場合がある。漏出流の量は、クリアランス区域、漏出経路の幾何形状、及び同様のもの迂回される構成要素前後の圧力低下によって決まる。
【０００３】
現在、ロータ−ステータギャップ及び他の漏出流区域は、一般に、ラビリンス型シールでシールされている。しかしながら、このようなラビリンスシールを通る漏出は、最良の条件においても依然として主流全体の大きな割合となる場合がある。従って、この漏出流の削減が小さなものであっても、全体の性能上の利点を提供することができる。
【０００４】
従って、ターボ機構及び同様のものにおける回転構成要素のシール機構の改善に対する要望がある。このような構成要素を通る漏出流を改善することにより、タービンエンジン性能及び効率全体が改善されることになる。シール機構の製造及び組み立ての簡素化もまた、本明細書において提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３５１９２７７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、本出願は、可変速度構成要素と共に用いる逆圧力勾配シール機構を提供する。逆圧力勾配シール機構は、構成要素上に位置づけられる複数のラビリンス歯と、複数のラビリンス歯のペア間に位置付けられる逆圧力勾配シールとを含むことができる。逆圧力勾配シールは、複数のストリップ含むことができ、該ストリップの各々が角度付き端部を有する。
【０００７】
本出願は更に、可変速度面を通る漏出流を制限する方法を提供する。本方法は、可変速度面のうちの１つに複数のラビリンス歯を位置付ける段階と、ラビリンス歯のペアの間に逆圧力勾配シールを位置付ける段階と、可変速度面を回転させる段階と、逆圧力勾配シールの周りに逆圧力勾配を生成する段階と、可変速度面にわたる漏出流を低減する段階と、を含むことができる。
【０００８】
本出願は更に、タービンセクションと共に用いる逆圧力勾配シール機構を提供する。逆圧力勾配シール機構は、ロータのペア間のシールリング上に位置づけられる複数のラビリンス歯と、ラビリンス歯のペア間に位置付けられる逆圧力勾配シールとを含むことができる。逆圧力勾配シールは、間にギャップを設けた複数のストリップを含むことができる。ストリップの各々は角度付き端部を含むことができる。
【０００９】
本出願のこれら及び他の特徴及び改善は、複数の図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって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】本明細書で用いることができる公知の蒸気タービンの簡易概略図。
【図２】図１の蒸気タービンのセクションの側断面図。
【図３】本明細書で説明することができる逆圧力勾配シール機構の斜視図。
【図４】図３の逆圧力勾配シール機構の逆圧力勾配シールの平面図。
【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様の参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、ここで使用することができる公知の蒸気タービン１０の一例の概略図である。蒸気タービン１０は、高圧（「ＨＰ」）セクション１２、及び中圧（「ＩＰ」）セクション１４を含むことができる。外側シェル又はケーシング１６は、軸方向で上側及び下側半セクション１８、２０にそれぞれ分割され、ＨＰセクション１２及びＩＰセクション１４の両方にわたることができる。ケーシング１６の中央セクション２２は、高圧蒸気入口２４及び中圧蒸気入口２６を含むことができる。ケーシング１６内では、ＨＰセクション１２及びＩＰセクション１４は、ＨＰジャーナル軸受２８及びＩＰジャーナル軸受３０により支持される単一の軸受スパンで配列することができる。ＨＰ蒸気シールユニット３２及びＩＰ蒸気シールユニット３４は、各ジャーナル軸受２８、３０それぞれの内寄りに位置付けられる。
【００１２】
本明細書で記載される実施例はＨＰセクション１２及びＩＰセクション１４に関連しているが、本明細書において低圧（「ＬＰ」）セクション及び／又は他の圧縮機又はタービンセクションにも適用することができる。同様に、本出願はまた、ガスタービン圧縮機及びタービンにも適用することができる。
【００１３】
アニュラセクション分割器３６は、中央セクション２２から半径方向内方にロータシャフト３８に向かって延びることができ、該ロータシャフト３８は、ＨＰセクション１２とＩＰセクション１４との間に延びる。より具体的には、分割器３６は、第１のＨＰセクションノズル４０と第１のＩＰセクションノズル４２との間でロータシャフト３８の一部の周りに円周方向に延びる。分割器３６は、パッキングケーシング４６内に定められるチャンネル４４内に受けることができる。より具体的には、チャンネル４４は、チャンネル４４の中心開口が半径方向外向きに面するようにパッキングケーシング４６内に半径方向に延びたＣ形チャンネルとすることができる。蒸気タービン１０及びその構成要素に対して他の設計及び構成をここで用いることもできる。
【００１４】
作動時には、高圧蒸気入口２４は、例えば、発電ボイラー（図示せず）などの蒸気発生源から高圧／高温の蒸気を受ける。蒸気は、ＨＰセクション１２を通って送られ、ここで蒸気から仕事が抽出されてロータシャフト３８を回転させる。次いで、蒸気は高圧セクション１２から流出し、ボイラーに戻ることができ、ここで再熱される。次に、再熱された蒸気は、中圧蒸気入口２６に送られ、ＩＰセクション１４に転送される。その結果、ＩＰセクション１４に流入する蒸気は、ＨＰセクション１２に流入する蒸気よりも低圧であるが、温度はほぼ等しい。従って、ＨＰセクション１２内の作動圧力は、Ｐセクション１４内の作動圧力よりも高くすることができる。このため、ＨＰセクション１２内の蒸気は、
ＨＰセクション１２とＩＰセクション１４との間に構築することができる漏出通路を通ってＩＰセクション１４に向かって流れる傾向になる。このような第１の漏出経路４８は、ロータシャフト３８の周りのパッキングケーシング４６を通って延びるように定めることができる。
【００１５】
図２は、ＨＰセクション１２の側断面図を示す。ＨＰセクション１２は、図示の第１のロータディスク５０及び第２のロータディスク５２を備えた複数のロータディスクを含むことができる。ロータディスク５０、５２は、所定距離だけ互いに離間して配置することができる。各ロータディスク５０、５２は、図示の第１のタービンブレード５４及び第２のタービンブレード５６を備えたタービンブレードを支持する。ＨＰセクション１２はまた、ロータディスク５０、５２とブレード５４、５６の一部との間に突出する複数のステータ又は同様のタイプの固定構造体を含むことができる。この実施例において、第１のステータ５８及び第２のステータ６０が図示されている。ＨＰセクション１２はまた、図示の第１のシールリング６２及び第２のシールリング６４を備えた複数のシールリングを含むことができる。シールリング６２、６４は、締まり嵌め又は何れかのタイプの締結具及び同様のものを介してロータ５０、５２に取り付けることができる。
【００１６】
シールリング６２、６４は、内部に位置付けられる複数のラビリンス歯６６を含むことができる。ラビリンス歯６６は、ステータ５８、６０に面するように位置付けることができる。ラビリンス歯６６はまた、シールリング６２、６４なしでロータ５０、５２の表面上に直接装着してもよい。図示のように、ラビリンス歯６６は、実質的に「Ｊ」型形状を有することができる。他の形状をここで使用してもよい。あらゆる数のラビリンス歯６６をここで使用してもよい。他のタイプのシールもここで使用することができる。ステータ５８、６０及びラビリンス歯６６は、第２の漏出流路６８を貫通して定めることができる。ラビリンス歯６６はまた、ステータ５８、６０又はその他に位置付けることができる。
【００１７】
ブレード５４、５６はまた、ここに位置付けられる幾つかのブレードラビリンス歯７０、先端、又は他のタイプのシールを有することができる。ブレードラビリンス歯７０又は他のタイプのシールは、ＨＰセクション１２のケーシング１６に面することができる。従って、ブレードラビリンス歯７０又はケーシング１６は、第３の漏出流路７２を貫通して定めることができる。他の漏出流路が存在してもよい。
【００１８】
図３及び４は、本明細書で説明することができる逆圧力勾配シール機構１００を示している。逆圧力勾配シール機構１００は、回転構成要素１１０上に装着することができる。回転構成要素１１０は、上述のものと類似したシールリング１１５、回転シャフト３８、又はその他とすることができる。具体的には、逆圧力勾配シール機構１００は、以下でより詳細に説明することができる何れかのタイプの回転構成要素１１０上に装着することができる。回転構成要素１１０は、ここに位置付けられる幾つかのラビリンス歯１２０を含むことができる。ラビリンス歯１２０は、上述の実質的に「Ｊ」形又は何れかの類似の形状を有することができる。幾つかのラビリンス歯１２０をここで用いることができる。ラビリンス歯１２０は、ロータ５０、６０、ステータ５８、６０、又はその他の何れかに装着することができ、逆圧力勾配シール機構１００は、より高い相対速度の表面上に装着されるのが好ましい。
【００１９】
逆圧力勾配シール機構１００はまた、ここに位置付けられる幾つかの逆圧力勾配シール１３０を含むことができる。図示するように、逆圧力勾配シール１３０は、軸方向「ファン」タイプ形状を有することができる。逆圧力勾配シール１３０は、離散的ストリップ１４０の形態とすることができ、幾つかのストリップ１４０は、ストリップ１４０の各ペア間にギャップ１５０を備えてシールディスク１１５の周囲付近に用いることができるようにする。逆圧力勾配シール１３０は、何らかの長さ又は高さを有することができ、これらの間に何らかの長さのギャップを備える。図４に示すように、各逆圧力勾配シール１３０は、ここに角度αで位置付けられる角度付き端部１６０を有することができる。角度付き端部１６０は、回転軸線の垂線に対して一直線又は湾曲することができる。図示の角度αは、約９０〜約１８０度の範囲とすることができるが、ここでどのような角度を用いてもよい。
【００２０】
従って、逆圧力勾配シール機構１００の設計上の変数は、逆圧力勾配ストリップ１４０の数、逆圧力勾配ストリップ１４０の長さ、逆圧力勾配ストリップ１４０の高さ、ギャップ１５０の長さ、角度付き端部１６０の角度α、及び角度付き端部１６０の長さを含むことができる。軸方向位置、すなわちラビリンス歯１２０が装着される表面、全体の構成、及び他の変数もここで考慮することができる。ここで異なる形状及びサイズを用いてもよい。逆圧力勾配シール１３０の構造及び組み立ては、上述のラビリンス歯６６のものと同様とすることができる。
【００２１】
この実施例では、逆圧力勾配シール１３０は、回転構成要素１１０の円周に沿ってラビリンス歯１２０の１つ又はそれ以上を置き換えることができる。あらゆる数の逆圧力勾配シール１３０を用いることができる。回転中、逆圧力勾配シール１３０は、全体にわたる流れを生じる圧力勾配に抗して逆圧力勾配を生成することができる。この逆圧力勾配は、その下流側の静圧を低減することができ、従って、逆圧力勾配シール１３０に続くラビリンス歯１２０にわたる質量流量を低減することができる。流れ方向における逆圧力勾配シール機構１００の最後のラビリンス歯１２０は、リストラクタとして機能することができる。また、これより前にあるラビリンス歯１２０は、最後のラビリンス歯１２０に先行して静圧を低減するのを助けることができる。
【００２２】
従って、逆圧力勾配シール機構１００を用いることによって、上述の従来のラビリンス歯６６及び同様のものにより提供される蛇行経路に比べてそこを通る漏出流が低減される。具体的には、逆圧力勾配シール１３０は、下流側静圧が低減された状態で漏出に対する逆圧力勾配を構築し、逆圧力勾配シール１３０の下流側のラビリンス歯１２０全てにわたって漏出質量流を低減するようにする。従って、漏出質量流が低減されることで、シール機構１００全体がより効果的なものになる。
【００２３】
同様に、逆圧力勾配シール１３０は、上流側流体の周速を増大させることができる。この周速の増大はまた、ロータ５０、５２への熱伝達を低減することができる。逆圧力勾配シール１３０にわたる軸方向速度は、この全体にわたる圧力低下がより大きいことに起因してより大きくなる可能性がある。逆圧力勾配シール１３０下流側の平均軸方向速度はより小さくなることができ、質量流量も同様である。静圧の低下は、ギャップ１５０と比べて逆圧力勾配シール１３０にわたり局所的により大きくすることができる。しかしながら、周速の増大がギャップ１５０又はその他の場所で存在する可能性がある。
【００２４】
逆圧力勾配シール１３０間のギャップ１５０を使用することで、幾らかの漏出流の通過が可能になり、従って、ある程度の出力損失が生じる可能性がある。しかしながら、ギャップ１５０に伴う何らかのこのような損失は、ラビリンス歯６６を単独で用いた場合と比べて、段間漏出の低減における出力増大、並びに正味出力及び性能の向上などと相殺されるはずである。従って、寄生漏出流の低減は、ターボ機械の性能全体を改善する。
【００２５】
逆圧力勾配シール機構１００をロータ５０、５２及びステータ５８、６０に関連して説明してきたが、逆圧力勾配シール機構１００はまた、パッキングケーシング４６にわたる第１の漏出経路４８にも適用することができる。同様に、逆圧力勾配シール機構１００は、ブレード５４、５６とケーシング１６などとの間にある第３の漏出経路７２にも適用することができる。このため、回転構成要素１１０は、シールディスク１１５、パッキングケーシング４６内のロータ３８、タービンブレード５４、５６、及び同様のものを含むことができる。具体的には、逆圧力勾配シール機構１００は、可変速度面を伴う何れかのキャビティで使用することができる。
【００２６】
逆圧力勾配シール機構１００はまた、逆圧力勾配シール１３０が旋回を増大させるので、ロータ表面上での熱伝達を低減するのを助けることができる。逆圧力勾配シール１３０のサイズ決定及び構成はまた、逆圧力勾配シール１３０にわたって漏出流を要求通りに制御することができる。逆圧力勾配シール機構１００はまた、ガスタービン及び他の何れかのタイプの回転機械と共に用いることができる。
【００２７】
逆圧力勾配シール機構１００はまた、例えば、パージキャビティ及び同様のものに空気を引き込むのを助けるために、逆構成で用いることもできる。他の構成を個々で用いてもよい。
【００２８】
上記のことは、本出願の特定の実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００２９】
１０  蒸気タービン
１２  高圧（「ＨＰ」）セクション
１４  中圧（「ＩＰ」）
１６  ケーシング
１８  上側半部分
２０  下側半部分
２２  中央セクション
２４  高圧蒸気入口
２６  中圧蒸気入口
２８  ＨＰジャーナル軸受
３０  ＩＰジャーナル軸受
３２  ＨＰ蒸気シールユニット
３４  ＩＰ蒸気シールユニット
３６  アニュラセクション分割器
３８  ロータシャフト
４０  第１のＨＰセクションノズル
４２  第１のＩＰセクションノズル
４４  チャンネル
４６  パッキングケーシング
４８  第１の漏出経路
５０  第１のロータディスク
５２  第２のロータディスク
５４  第１のタービンブレード
５６  第２のタービンブレード
５８  第１のステータ
６０  第２のステータ
６２  第１のシールリング
６４  第２のシールリング
６６  ラビリンス歯
６８  第２の漏出経路
７０  ブレードラビリンス歯
７２  第３の漏出経路
１００  逆圧力勾配シール機構
１１０  回転構成要素
１１５  シールリング
１２０  ラビリンス歯
１３０  逆圧力勾配シール
１４０  ストリップ
１５０  ギャップ
１６０  角度付き端部
【図１】
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【図２】
2011140943.tif 000004
【図３】
2011140943.tif 000005
【図４】
2011140943.tif 000006
【外国語明細書】
2011140943000001.pdf