(57)【要約】【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。【選択図】      図４
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【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。
【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
【図１】
2011140945.tif 000003
【図２】
2011140945.tif 000004
【図３】
2011140945.tif 000005
【図４】
2011140945.tif 000006
【図５】
2011140945.tif 000007
【図６】
2011140945.tif 000008
【外国語明細書】
2011140945000001.pdf