(57)【要約】【課題】  蒸気タービン内のダイアフラムノズルセグメント（３５）の内側リング（３４）とロータ（１６）の周辺部との間のシールを提供する。【解決手段】  本シールは、内側リングセグメントの半径方向内面にろう付けされたハニカム構造体（４０）を含む。ロータ上のラビリンス歯状突起（４６）が、ハニカム構造体の表面内に切り込むか又は擦り込み、シール（３６）を形成する。ハニカム構造体は、内側リングにろう付けされた、ロータに向かって半径方向内向きに開口した多側面セルを有するコバルト基ニッケル合金製であることが好ましい。本シールは、ノズル／ロータ境界面の両側の高圧上流側流れ領域と下流側低圧領域との間の蒸気漏洩流を排除するか又は最小にする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（２０）を支持するロータ（１６）と、
前記ロータを囲み、その間に複数の円周方向に間隔を置いて配置された隔壁（２６）を支持する外側及び内側リング（３４、３２）を含み、かつ前記隔壁が前記バケットと共にタービンを通る蒸気流路の一部を形成するダイアフラム組立体（２４）と、
前記ダイアフラム組立体の内側リングの半径方向内方に面した表面に沿って配置されたハニカムアレイ（３８）と前記ロータ周辺部の周りに配置された環状ラビリンス歯状突起（４６）とを備えた、該内側リング及びロータ間のシール（３６）と、を含み、
前記ハニカムアレイが、前記内側リングから突出しかつ前記ロータに向かって開口した複数の多側面セル（４２）を含み、前記ハニカムアレイ及び前記１つのラビリンス歯状突起が、該歯状突起が該ハニカムアレイ内に切り込んだ状態で互いに半径方向に整合して、前記ダイアフラム組立体の両側の高圧及び低圧領域間に前記シールを形成する、
蒸気タービン。
【請求項２】
前記歯状突起が、前記ハニカムアレイの半径方向内面内に半径方向外向きに延びる溝（４３）を形成する、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記ハニカムアレイのセルの各々が、少なくとも４つの線形側面を有する、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記ダイアフラム組立体が、各々がその内側及び外側リング部分（３７、３９）間に少なくとも１つの隔壁を支持した状態で環状アレイの形態に配置された複数のダイアフラムセグメント（３５）を含み、前記ハニカムアレイが、内側バンド部分の周辺部境界にほぼ一致する周辺部境界を有する複数のハニカムセグメントを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項５】
各ハニカムセグメントが線形に延びる周辺壁面（４４）によって境界づけられている、請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記ハニカムアレイが金属で形成されている、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記ハニカムアレイがコバルト基ニッケル合金で形成されている、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記ハニカムアレイのセルが、該蒸気タービンの高圧領域に向かって前方に傾斜している、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記ラビリンス歯状突起が、前記高圧領域に向かって前方に傾斜している、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記ロータ周辺部の周りで前記最初に述べた歯状突起から軸方向に間隔を置いて配置された第２の環状ラビリンス歯状突起を含み、前記第２の歯状突起が、前記ハニカムアレイと半径方向に整合しかつ該ハニカムアレイ内に切り込んで、前記ダイアフラム組立体の両側の高圧及び低圧領域間に前記シールの一部を形成している、請求項１記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンのノズル段とロータとの間のシールに関し、具体的にはノズル段／ロータ境界面の一側の上流側高圧領域と該境界面の反対側の下流側低圧領域との間をシールするためのハニカム／ラビリンス歯状突起シールアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン設計では、タービンの二次漏洩流回路内の多くの蒸気漏洩流路を可能な限り最小にするか又は排除することが非常に望ましい。明らかと思うが、蒸気タービンの各段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持するロータと複数の円周方向に間隔を置いて配置された隔壁を支持するダイアフラム組立体とを含む。もちろん、ノズルは蒸気流をバケットに向けて方向転換し、次ぎにバケットが流動蒸気媒体からエネルギーを取り出す。反動型蒸気タービンでは、各々が1つ又はそれ以上の隔壁を支持するノズルセグメントは、内側ケーシング又はシェル内で環状アレイの形態に固定される。ノズルとロータとの間、特に内側ノズルリングとロータ周辺部との間に、蒸気漏洩流路が存在する。この蒸気漏洩は、ノズル及びバケットを通る流れを迂回し、すなわち段を通るように意図した蒸気流路を迂回して、結果として段効率を低下させまたシステムに原因不明の蒸気漏洩を生じさせることになる。機械加工公差、心振れ、真円度ずれ及びノズル負荷次第で、この蒸気漏洩流路は大きく変化することになり、必ずしも良好に制御されているとはいえない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、蒸気タービン内のノズル内側リングとロータとの間のシールを改良する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の好ましい実施形態によると、ノズル内側リングとロータとの間の領域におけるノズル段の両側の高圧及び低圧領域間の蒸気漏洩流を最小にするか又は排除する蒸気タービンのノズル段間シールを提供する。上述のことを達成するために、ダイアフラム組立体の内側リングの半径方向内面に沿ってハニカム構造体を設ける。ハニカム構造体は、ロータ上の１つ又はそれ以上のラビリンス歯状突起と協働してノズルとロータとの間により効率的なシールを形成し、それによって段効率及び全体機械性能を高める。
【０００５】
具体的には、金属ハニカム構造体は、ノズルセグメントの内側リングの内面上に固定、好ましくはろう付けされる。ハニカム構造体は、内側リングセグメント部分の周辺部境界にほぼ一致する壁面により周辺部を境界づけられる。ハニカム構造体は、ほぼ半径方向内向き方向に延びてロータに向かう方向に開口した多側面セルを含む。１つ又はそれ以上のラビリンス歯状突起が、ハニカム構造体と半径方向に整合した状態でロータ上に設けられる。ハニカム構造体及びラビリンス歯状突起の寸法及び形状により、ラビリンス歯状突起がハニカム構造体内に擦り込み、すなわち切り込むか又は削り込み、運転間隙を設定することが可能になる。ラビリンス歯状突起と内部に擦り込まれたハニカム構造体との協働によって、シールに直ぐ隣接して増大した蒸気乱流を生じる。従って、ラビリンス歯状突起がハニカム構造体内に切り込むか又は擦り込むことによって、蒸気漏洩流の大きな減少の改善が得られる。
【０００６】
本発明による好ましい実施形態では、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持するロータと、該ロータを囲み、その間に複数の円周方向に間隔を置いて配置された隔壁を支持する外側及び内側リングを含み、隔壁がバケットと共にタービンを通る蒸気流路の一部を形成するダイアフラム組立体と、該ダイアフラム組立体の内側リングの半径方向内方に面した表面に沿って配置されたハニカムアレイとロータ周辺部の周りに配置された環状ラビリンス歯状突起とを備えた、該内側リング及びロータ間のシールとを含み、ハニカムアレイは内側リングから突出しかつロータに向かって開口した複数の多側面セルを含み、ハニカムアレイ及び１つのラビリンス歯状突起が、該歯状突起が該ハニカムアレイ内に切り込んだ状態で互いに半径方向に整合して、ダイアフラム組立体の両側の高圧及び低圧領域間にシールを形成する。
【０００７】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットを支持するロータと、該ロータを囲み、各々がその内側及び外側リング部分間に少なくとも１つの隔壁を支持した状態で環状アレイの形態に配置された複数のダイアフラムセグメントを含み、隔壁がバケットと共にタービンを通る蒸気流路の一部を形成するダイアフラム組立体と、ダイアフラムセグメントの内側リング部分の半径方向内方に面した表面に沿って配置されたハニカムアレイとロータ周辺部の周りに配置された環状ラビリンス歯状突起とを備えた、該内側リング部分及びロータ間のシールとを含み、ハニカムアレイは内側リング部分から突出しかつロータに向かって開口した複数の多側面セルを含み、ハニカムアレイ及び１つのラビリンス歯状突起が、該歯状突起及びハニカムアレイがダイアフラム組立体の両側の高圧及び低圧領域間のシールを形成した状態で、互いに半径方向に整合している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ここで図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で表した蒸気タービンが示されている。この概略的な実施例における蒸気タービン１０は、蒸気タービンケーシング１８の両端部を越えて延びた単一の一体形ロータ１６上に支持された高圧タービンセクション１２と中圧タービンセクション１４とから成る。ロータ１６は、高圧及び中圧セクション１２及び１４によって回転駆動されるが、ケーシング１８は固定したままであることが分かるであろう。本発明のシールはまた、図示していないが低圧タービンセクションにも適用できることも分かるであろう。
【０００９】
蒸気タービンでは典型的でありまた図２を参照すると、ロータ１６は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０を支持しており、バケット２０は、典型的にはそれらの先端に固定ケーシングシェル１８の部分との間をシールするためのラビリンス型シールを有する。各タービンセクションはまた、全体を符号２４で表したダイアフラム組立体含み、ダイアフラム組立体は、その間にノズルを画成する複数の円周方向に間隔を置いて配置された隔壁２６を支持する。軸方向に隣接する隔壁２６及びバケット２０は、蒸気タービン１０の段を形成し、また図２には２つの段を示しているが付加的な段を有するのが一般的であることが分かるであろう。ノズル２６及びバケット２０を通る蒸気流路は、蒸気流方向矢印２８によって示す。また、ロータの回転軸線を符号３０で示している。
【００１０】
図２に示すように、ダイアフラム組立体の各々は、外側リング３２と内側リング３４とを含み、それらリング間に複数の円周方向に間隔を置いて配置された隔壁２６が支持される。典型的な反動型タービン内のダイアフラム組立体は、円周方向突合せアレイの形態で配置された各々がそれぞれ内側及び外側リング部分３７及び３９を含む複数のダイアフラムセグメント３５（図３参照）と、内側及び外側リング部分間で延びる１つ又はそれ以上の隔壁２６とから成る。図２から分かるように、ダイアフラム組立体の内側リング３４とロータ１６の外周辺部との間には蒸気漏洩通路が存在する可能性がある。この潜在的な漏洩通路により、意図した蒸気流路２８から蒸気が引き出されてノズル段を迂回し、蒸気を方向転換して後続のバケットにおいて有用な仕事を実行させるような状態ではなくなる。全体を符号３６で表した特有のシールをダイアフラム組立体の内側リングとロータ周辺部の整合部分との間の領域に設けて、この特有のシールによって、ダイアフラム組立体の上流側の高圧領域と該ダイアフラム組立体の下流側の低圧領域との間をシールする。
【００１１】
具体的には、ハニカム構造体４０の環状アレイ３８が、内側リング３４の半径方向内方に面する表面に沿って設けられ、すなわち各ダイアフラムセグメント３５において内側リング部分３７の半径方向内面に沿ってハニカム構造体部分４１（図３参照）を形成する。ハニカム構造体は、金属、例えばコバルト基ニッケル合金で形成されるのが好ましく、また内側リング３４の内面に固定、好ましくはろう付けされる。図２及び図４に示すように、ハニカム構造体４０は、複数の多側面セル４２を含む。図示した形態では、セルは六角形ではあるが、任意の数の側面、例えば必要に応じて４つ又はそれ以上の線形側面を有してもよいことが分かるであろう。さらに、セル４２は、ロータに向かってほぼ半径方向内向きに開口する。周辺壁面４４（図４参照）がハニカム構造体の周りに設けられ、この周辺壁面４４が、その特定のダイアフラムセグメント３５に対する内側リングセグメント部分の周辺部境界にほぼ一致する。シールはまた、ハニカム構造体４０と半径方向に整合した１つ又はそれ以上のラビリンスシール歯状突起４６（図２及び図５参照）をロータ１６上に含む。シール歯状突起４６及びハニカム構造体４０は、ラビリンスシール歯状突起４６の先端が、ハニカム構造体４０内に切り込むか又は擦り込むような寸法及び形状にする。図５に示すように、切り込むか又は擦り込むことにより、ハニカム構造体４０の半径方向内側表面内に溝４３を形成する。ハニカム構造体のセルがラビリンス歯状突起４６と組合されるようにほぼ半径方向内向きに開口する場合、それらの間のシールに隣接して乱流が形成され、ノズル／ロータ境界面の両側の高圧上流側領域と低圧下流側領域との間でのノズル及びロータ間の蒸気漏洩流を効果的に排除するか又は最小にする。
【００１２】
ハニカム構造体は、寸法が０．１２７〜０．３８１mm（０．００５〜０．０１５インチ）の厚さの範囲にある薄い金属、例えばコバルト基ニッケル合金で形成されるのが好ましい。代表的なセルの大きさは、幅が約１．５９〜４．７６mm（１／１６〜３／１６インチ）であり、１／１８インチのセルが好ましい。ハニカム構造体４０を囲む周辺壁面部分４４は、除去したハニカム構造体４０の突出する端縁を閉じ込めて該ハニカム構造体の周辺部をダイアフラムセグメントの内側リングの周辺部に一致させる。
【００１３】
図６を参照すると、ハニカム構造体４０のハニカムセル４２は、上流方向に、すなわちノズルの上流側の高圧領域に向かって傾斜している。図７では、ハニカムセル及びラビリンス歯状突起の両方が、同じ方向に、すなわちノズルの高圧上流側に向かって傾斜している。両方の場合とも、ハニカムセル又は組合されたハニカムセル／歯状突起が高圧側に向かって流れ内に傾斜していると、大きな圧力降下が生じ、従って効果的なシールを形成することになる。
【００１４】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高圧及び中圧蒸気タービンセクションの概略図。
【図２】蒸気タービンの一対の段を示す拡大部分断面図。
【図３】各セグメントの内側リング上のハニカム構造体部分を示す複数のダイアフラムセグメントの概略部分斜視図。
【図４】半径方向外向きに見たかつ解り易くするために拡大したハニカム構造体の拡大図。
【図５】ロータ上のラビリンス歯状突起とノズルの内側リング上のハニカム構造体との間に形成したシールの１つの実施形態を示す概略図。
【図６】ロータ上のラビリンス歯状突起とノズルの内側リング上のハニカム構造体との間に形成したシールの別の実施形態を示す概略図。
【図７】ロータ上のラビリンス歯状突起とノズルの内側リング上のハニカム構造体との間に形成したシールのさらに別の実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００１６】
１６  ロータ
１８  ケーシング
２０  バケット
２４  ダイアフラム組立体
２６  隔壁
２８  蒸気流方向矢印
３０  ロータの回転軸線
３２  ダイアフラム組立体の外側リング
３４  ダイアフラム組立体の内側リング
３６  シール
３８  ハニカム構造体の環状アレイ
４０  ハニカム構造体
４６  ラビリンスシール歯状突起
【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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