(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の固定構成要素（１０）と回転構成要素（１５）との間のシーリングのためのシーリングシステムであって、
当該シーリングシステムが、固定構成要素（１０）とシーリングセグメント（２０）とを備えていて、
該シーリングセグメント（２０）が、前記固定構成要素に引込み可能に配置されて、前記固定構成要素と該シーリングセグメント（２０）との間に流れ領域（２９）を形成しているとともに、
前記シーリングセグメント（２０）が、
アーチ形内側面（２２）であって、該アーチ形内側面（２２）の湾曲方向（２８）に対して直交する上流側端部（２４）及び下流側端部（２６）を有するアーチ形内側面（２２）と、
複数のシーリング列（４２）に配置された複数のシーリング要素（４０）であって、前記シーリング列（４２）が、前記上流側端部（２４）と前記下流側端部（２６）との間で前記アーチ形内側面（２２）に配置されていて、アーチ形内側面（２２）の前記湾曲方向（２８）に延在している、シーリング要素（４０）と、
前記シーリングセグメント（２０）を貫通して前記流れ領域（２９）と接続されている通路（３０）であって、該通路（３０）が、前記シーリング要素（４０）の複数のシーリング列（４２）の間で前記アーチ形内側面（２２）に第１の開口（３２）を有する、通路（３０）と
を有しており、
複数の前記シーリング列（４２）の少なくとも１列が、前記第１の開口（３２）と前記上流側端部（２４）との間に配置され、かつ複数の前記シーリング列（４２）の少なくとも１列が、前記第１の開口（３２）と前記下流側端部（２６）との間に配置され、かくして前記流れ領域（２９）の少なくとも一部を含んでいて、前記シーリングセグメントの上流側端部から前記通路（３０）を通って延在するバイパス流れ経路（３１）が形成され、該バイパス流れ経路（３１）が、該バイパス流れ経路（３１）を通して流体が流れることによって、前記固定構成要素（１５）に向かう引込み力が前記シーリングセグメント（２０）に加わるように構成されており、
当該シーリングシステムが、さらに、
前記固定構成要素（１５）と前記シーリングセグメント（２０）との間に配置され、前記回転機械の始動又は低負荷運転中に前記シーリングセグメント（２０）に加わる閉鎖圧力及び重力に対抗する付勢手段（４４）と、
前記シーリングセグメント（２０）と前記固定構成要素（１５）との間に配置され、前記シーリングセグメント（２０）の後方で前記下流側端部（２６）に向かって流体が流れ続けるのを防止する封止を形成する接触点（２１）と
を備える、シーリングシステム。
【請求項２】
前記通路（３０）が、流体の流れが前記第１の開口（３２）と前記上流側端部（２４）との間に配置された複数の前記シーリング列（４２）の少なくとも１列を迂回できるように、前記上流側端部（２４）と前記下流側端部（２６）との間に配置された第２の開口（３４）を有する、請求項１に記載のシーリングシステム。
【請求項３】
前記通路（３０）が、流体の流れが前記開口と前記上流側端部（２４）との間に配置された複数の前記シーリング列（４２）の少なくとも１列を迂回できるように、前記上流側端部（２４）寄りに配置された第２の開口（３４）を有する、請求項１に記載のシーリングシステム。
【請求項４】
前記第１の開口（３２）及び前記第２の開口（３４）が、前記第１の開口（３２）と前記第２の開口（３４）とを結ぶ線が前記アーチ形内側面（２２）に対して直交するように配置されている、請求項２又は請求項３に記載のシーリングシステム。
【請求項５】
前記通路（３０）が、筒型形状である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
【請求項６】
前記通路（３０）が、前記アーチ形内側面（２２）に対して垂直に前記第１の開口（３２）を通過するように流体の流れを方向付けるように構成されかつ配置されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
【請求項７】
前記付勢手段（４４）が、前記シーリングセグメント（２０）を、前記アーチ形内側面（２２）が面する方向から離れる方向に付勢するように構成されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
【請求項８】
前記付勢手段（４４）が、前記シーリングセグメント（２０）の、周方向に面する面に配置されている、請求項７に記載のシーリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、蒸気タービン、ガスタービン、航空機エンジン及び圧縮機のような回転機械に用いられるシールセグメントに関し、特に引込み可能なシールセグメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電及び機械駆動用途に使用される蒸気タービン及びガスタービン、推進のために使用される航空機エンジン、並びに加圧のために使用される圧縮機のような回転機械は、一般的に、多段のタービン及び圧縮機段から成る大型機械である。そのような機械では、タービン及び／又は圧縮機段を通流する加圧された流体が、一連の固定の構成要素及び回転する構成要素を通過する。典型的な蒸気タービンでは、固定の構成要素は、機械ケーシングであってよく、一方、回転する構成要素は、ロータであってよい。固定の構成要素に取り付けられた環状のシールが、固定の構成要素と回転する構成要素との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。実際、タービンの効率は、そのような漏れを阻止するこれらのシールの能力に直接依存している。これらのシールは、向きが半径方向又は軸方向であってよく、ラビリンスパッキンシール、リーフシール、アブレイダブルシール、コンプライアントプレートシール等のような幾つかの種類の１つであってよい。半径方向シールは、大抵、組立理由のためかつ／又は半径方向の移動のために分割されている。半径方向で分割されたラビリンスシールは、蒸気タービンにおいて極めて信頼性が高いことが証明されているが、その性能は、固定の構成要素と回転する構成要素とが衝突し、ラビリンス歯を擦って「きのこ」形の輪郭にし、シール隙間を開いてしまう過渡事象の結果として時間が経過するにつれ低下する。
【０００３】
過渡事象中の摩擦又は接触の悪影響を低減する１つの手段は、可変隙間「正圧」（ＶＣＰＰ）構成を採用することである。その構成では、そのような摩擦が最も起こりそうなとき、ゼロ流量又は低流量の過渡状況下においてシールセグメントを大きな運転隙間が開いたまま保持するためにばねが使用される。定常状態の条件の間、機械が、一般的に、より高い流体圧力を伴うより高い負荷で運転されているとき、シールセグメントの周りの周囲圧力は、リングを閉じて狭い運転隙間にするように働くばね力に勝る。公知の可変隙間正圧（ＶＣＰＰ）ラビリンスシールの例は、米国特許第６６９５３１６号明細書、米国特許第６０２２０２７号明細書、米国特許第５８１０３６５号明細書、米国特許第５６０３５１０号明細書、米国特許第５００２２８８号明細書並びに米国特許第４４４３３１１号明細書に見出すことができる。
【０００４】
しかし、可変隙間正圧構成は、機械負荷だけに応答する分割されたシールを採用している。機械が設定負荷に達すると、パッキンリングセグメントが閉鎖し、機械負荷、従って機械内部の流体圧力が十分に低下するまで閉鎖したままである。しかし、設計負荷に達した後であっても、熱過渡が継続する場合がある。従って理想的には、熱過渡が低下するまでシールセグメントが開放したままであることが望ましい。更に、ＶＣＰＰシールは、シールセグメントが周囲流体圧力により強制的に閉鎖されるとき、定常状態運転中にロータが振動する場合に摩擦が生じやすい。そのような状況においては、現行のＶＣＣＰ構成は、シールセグメントを配置する受動的な方法であるので、摩擦を回避するには有効でない。シールセグメントが始動時及び停止時の過渡に対応するゼロ流量又は低流量条件中に開放保持されるだけではなく、最少シール距離を負荷及び過渡効果に応じて維持できる「能動的に制御される」シール配置構成を提供することが望まれている。
【０００５】
いわゆる「スマートシール」が、任意の機械運転条件下でシールセグメントを「能動的に」開放するための半径方向外方への力を提供するために力容量の大きな空圧アクチュエータを採用している。しかし、アクチュエータ寿命を維持する必要性により、圧力制御システムにより達成される圧力均衡が要求される。更に、アクチュエータは、周囲流体圧力に勝るために外部で加圧しなければならならず、これには、外部の高圧ガス供給システムが必要である。「スマートシール」構造の例は、米国特許第６７８６４８７号明細書、米国特許第６６５５６９６号明細書、米国特許第６５７２１１５号明細書並びに米国特許第６５０２８２３号明細書に見出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６６９５３１６号明細書
【特許文献２】米国特許第６０２２０２７号明細書
【特許文献３】米国特許第５８１０３６５号明細書
【特許文献４】米国特許第５６０３５１０号明細書
【特許文献５】米国特許第５００２２８８号明細書
【特許文献６】米国特許第４４４３３１１号明細書
【特許文献７】米国特許第６７８６４８７号明細書
【特許文献８】米国特許第６６５５６９６号明細書
【特許文献９】米国特許第６５７２１１５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６５０２８２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アクチュエータ又は他の機械装置を複雑化する必要なしに最少のシール間隔が維持されることを保証できるシールセグメントが開示されている。
【０００８】
開示は、シールが閉鎖するときにバイパス流れがシールギャップに圧力クッションを形成することを可能にする引込み可能なシールの第１のシール要素を迂回するバイパスの一般的な考えに基づいている。これにより、自己調整可能な最小シールギャップ制御システムが提供される。
【０００９】
総括的な１つの態様は、固定の構成要素と回転する構成要素との間のシーリングのためのシーリングシステムを含む。シーリングシステムは、固定の構成要素とシーリングセグメントとを含む。シーリングセグメントは、固定の構成要素とシーリングセグメントとの間に流れ領域を形成するように、固定の構成要素に引込み可能に配置されている。シーリングセグメントは、アーチ形内側面を有する。アーチ形内側面は、内側面の湾曲に対して直交する上流側端部と下流側端部とを有する。シーリングセグメントは、複数のシーリング要素も含む。シーリング要素は、複数の列に配置されている。列は、上流側端部と下流側端部との間でアーチ形内側面に配置されていて、アーチ形内側面の湾曲の方向に延在している。通路が、シーリングセグメントを通って延在している。シーリングセグメントは、シーリング要素の複数の列の間でアーチ形内側面に第１の開口を有し、複数のシーリング列の少なくとも１列が第１の開口と上流側端部との間に配置されていて、複数のシーリング列の少なくとも１列が第１の開口と下流側端部との間に配置されており、これにより、バイパス流れ経路が形成され、バイパス流れ経路は、シーリングセグメントの上流側端部から通路を通って延在する、流れ領域の少なくとも一部を含み、固定の構成要素に向かってシーリングセグメントに引込み力を形成する流体クッションの形成が可能になっている。
【００１０】
別の態様は、１つ又は２つ以上の以下の特徴を含んでよい。シーリングシステムにおいて、通路は、流体の流れが開口と上流側端部との間に配置された複数のシーリング列の少なくとも１列を迂回できるように、上流側端部と下流側端部との間に配置された第２の開口を有する。シーリングシステムにおいて、第１の開口及び第２の開口は、第１の開口と第２の開口との間に引かれた線がアーチ形内側面に対して直交するように配置されている。シーリングシステムにおいて、通路は、流体の流れが開口と上流側端部との間に配置された複数のシーリング列の少なくとも１列を迂回できるように、上流側端部に向けて配置された第２の開口を有する。シーリングセグメントにおいて、通路は、筒型形状である。シーリングセグメントにおいて、通路は、アーチ形内側面に対して垂直に第１の開口を通過するように流体の流れを方向付けるように構成されかつ配置されている。シーリングシステムは、アーチ形内側面の面する方向から離れるようにシーリングシステムを引っ込めるための付勢手段を更に含む。
【００１１】
発明の更なる目的は、従来技術の不都合な点及び欠点を解消する又は少なくとも改善すること、又は有用な代替手段を提供することである。
【００１２】
本開示の別の態様及び利点は、本発明の典型的な実施の形態を例示している付属の図面に関する以下の説明から明らかになる。
【００１３】
以下、添付の図面に関して、例として本開示の実施の形態をより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】開示の好適な実施の形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
ここに本開示の例示的な実施の形態を、図面を参照して説明する。図面において、同一の参照符号が全体を通じて同一の要素を示すために使用されている。以下の説明において、説明の目的で、開示の完全な理解を与えるために、多数の特定の細部が示されている。しかし、本開示は、この特定の細部なしに実施してよく、ここに開示された例示的な実施の形態に制限されるものではない。
【００１６】
引込み可能なシーリングセグメント２０の例示的な１つの実施の形態が、図１に示されている。この実施の形態は、固定の構成要素１０と回転する構成要素１５との間でシールを提供している。シーリングセグメント２０は、アーチ形内側面２２を含むシーリングセグメント２０の通常の特徴を有する。アーチ形内側面２２は、より高圧の領域に上流側端部２４を有し、下流側端部２６を有する。これらの端部２４，２６は、アーチ形内側面２２の湾曲に対して直交している。複数のシーリング要素４０が、複数のシーリング列４２に配置されている。シーリング列４２は、上流側端部２４と下流側端部２６との間でアーチ形内側面２２に配置されていて、アーチ形内側面２２の湾曲２８の方向で延在している。こうして、シール要素４０は、アーチ形内側面２２の上流側端部２４とアーチ形内側面２２の下流側端部２６との間に封止部を提供する。
【００１７】
シーリングセグメント２０は、回転する構成要素１５から離れるように固定の構成要素１０に向けて引っ込んでよいという事実に基づいた引込み可能なシールである。シーリングセグメント２０の相対移動は、シーリングセグメント２０の上流側端部２４からシールセグメント２０の背面への流れを可能にする流れ領域２９の形成を可能にする。シーリングセグメント２０と固定の構成要素１０との間に配置された、シールとして働く接触点２１により、シーリングセグメント２０の後方でシールセグメント２０の下流側端部へ流れが更に続くことが阻止されていてよい。接触点２１における封止は、例えば、シーリングセグメント２０の上流側端部２４と下流側端部２６との間に形成される圧力降下の結果としてシーリングセグメント２０に及ぼされる軸方向スラストにより高められてよい。
【００１８】
図１に示された例示的な実施の形態では、シーリングセグメント２０は、更に、ばねやレバー等のような付勢手段４４を含む。付勢手段４４は、アーチ形内側面２２の面する方向から離れるようにアーチ形内側面２２に力を加える。ばねの目的は、始動中及び低負荷中にシーリングセグメント２０に及ぼされる閉鎖圧力及び重力に対抗するためにシールを開放する手段を提供することである。図１に示された例示的な実施の形態では、付勢手段４４は、固定の構成要素１０とシーリングセグメント２０との間に配置されている。図示されていない例示的な実施の形態では、付勢手段４４は、隣接するシーリングセグメント２０の間で、周方向で見て対向するシーリングセグメント２０の面に配置されている。
【００１９】
図１に示された例示的な実施の形態では、シーリングセグメント２０は、更にシーリングセグメント２０を通って延在している通路３０を含む。この通路３０は、第１の開口３２と第２の開口３４とを有する。
【００２０】
複数のシーリング列４２の少なくとも１列が第１の開口３２とアーチ形内側面２２の上流側端部２４との間に配置され、複数のシーリング列４２の少なくとも１列が第１の開口３２とアーチ形内側面２２の下流側端部２６との間に配置されるように、第１の開口３２は、シーリング要素４０の複数のシーリング列４２の間でアーチ形内側面２２に開口している。
【００２１】
第２の開口３４は、アーチ形内側面２２とは別に、シーリングセグメント２０の表面において、好適には図１に示されているようにシーリングセグメント２０の上流側端部２４と下流側端部２６との間に、又は上流側端部２４寄りの位置に配置されている。その位置は、上流側端部２４と、下流側端部２６と上流側端部２４との中央位置との間の位置である。通路の目的は、第１の開口３２と上流側端部２４との間に配置されたシーリング要素４０を迂回するバイパスを形成することである。このバイパスには、流れ領域２９を介してシールの背面の周りを通過してよい漏れ流れが用いられる。こうして、広幅のシールギャップ４６に対応する、シーリングセグメント２０が完全に開放しているとき、低い圧力降下により、シールを通過する流量は少なく、その結果、シールの背面をめぐって通路３０を下方へ通過する低い流量が存在する。この場合では、通路３０は、シーリングセグメント２０の性能に極めて僅かな影響しか及ぼさない。例えばシーリングセグメント２０に圧力が掛けられることにより、シールギャップ４６が閉鎖すると、アーチ形内側面２２と、シーリング要素４０と、回転する構成要素１５とにより、第１の開口３２の領域に空隙４７が形成される。シールギャップ４６の閉鎖は、更に、下流側のシーリング要素４０を境にする圧力降下の増大を生じさせ、その結果、通路３０を通るシーリング空隙４７への流量が比例的に大きくなり、また、シールセグメント２０の半径方向の外側と、半径方向の内側、つまりアーチ形内側面２２との間の圧力平衡が生じる。これにより、シールの外側に作用する圧力と、逆方向にアーチ形内側面２２に作用するシーリング空隙４７内の圧力とが平衡にされる。シールの外側に作用するこれ以上の圧力増加は、付勢手段４４のシール開放力を超えることができない。こうして、通路３０は、シーリングセグメント２０の完全な閉鎖を防止する自己制御手段として働く。
【００２２】
この位置では、通路３０の面積が、シール４０とロータ１５との間の面積よりも大きいので、通路３０を通過する流量の割合が、ギャップ４６を通過する流量の割合よりも高い。空隙４７の圧力もより高くなる。ロータ１５に向かってシール２０が更に移動するにつれて、空隙４７内の圧力は、上流側端部２４における圧力に近づいてく傾向がある。アーチ形面２２に作用する圧力とシール要素２０のアーチ形外側面に作用する圧力とに基づいて半径方向の力均衡が得られるまで、シーリングセグメント２０は、内方へ移動し続ける。ギャップ４６が更に閉鎖すると、空隙４７内の圧力が増加して、シール要素２０のアーチ形面２２に作用する圧力とアーチ形外側面に作用する圧力とにより新たな半径方向力均衡が得られるまで、シールセグメント２０がロータ１５から離反する。こうして、通路３０は、シーリングセグメント２０の完全な閉鎖を防止する自己制御手段として働く。
【００２３】
通路３０を通るバイパス流れによって生じるシールギャップ４６内の圧力は、シーリングセグメント２０の上部を越えて通路３０を通る圧力降下の関数であり、従って第２の開口３４の位置及び通路３０の横断面面積の関数である。従って、最適なシールギャップ４６は、これらのパラメータを設備の特定の運転条件に適応させることにより得られる。
【００２４】
特に改造における解決手段の場合、通路３０が真っ直ぐな経路を形成することを保証することが有利であり得る。なぜならば、これは、シーリングセグメント２０の穿孔により簡単な構成を可能にするからである。
【００２５】
図１に示された例示的な実施の形態では、通路３０は、アーチ形内側面２２に対して垂直に第１の開口３２を通過するように流体の流れを方向付けるように構成されかつ配置されている。そのような通路の構成及び配置は、通路３０を通るシールギャップ４６への流れの結果としてシーリングセグメント２０が不安定化するおそれを低減する。
【００２６】
本明細書において、開示が、最も実用的で例示的な実施の形態であると考えられたもので図示され、説明されているが、本開示は、別の特定の構成で具体化することができる。例えば、引込み可能なばねの１つが図示されているが、任意の適切なばね構成を用いてよい。ゆえに、本開示の実施の形態は、あらゆる点で例示的であり、これに制限されるものではないとみなされる。開示の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲により表され、その意味及び範囲内で生じるあらゆる変更及びその等価物が、開示の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２７】
１０  固定の構成要素
１５  回転する構成要素
２０  シーリングセグメント
２１  接触点
２２  アーチ形内側面
２４  上流側端部（アーチ形内側面の）
２６  下流側端部（アーチ形内側面の）
２８  湾曲の方向（アーチ形内側面の）
２９  流れ領域
３０  通路
３１  バイパス流れ
３２  第１の開口（通路の）
３４  第２の開口（通路の）
４０  シーリング要素
４２  列
４４  付勢手段
４６  シールギャップ
４７  シーリング空隙
【図１】
0006640517.tif 000002