(57)【要約】【課題】  ロータ軸の過渡運動に対応するための、ガスタービン機械及び蒸気タービン機械の改善されたロータシールアセンブリを提供する。【解決手段】    シールアセンブリ（２４）は、支持レッジ（４４）を有する環状ハンガ（４２）を含む。弓形シールセグメント（４６）は、レッジに装着され、内側シール（５４）を支持する外側レール（５０）を含む。ハンガ（４２）とレール（５０）との間に弓形キャリア（５６）が装着され、キャリアは、孔（６０）内に装着されたピストン（５８）を含む。孔（６０）は、ピストン（５８）をハンガとレールとの間に前進させて、シールセグメントを隣接するロータ部品（１４）から一時的に後退させるために選択的に加圧される。【選択図】  図１
2005054790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持レッジ（４４）を含む環状ハンガ（４２）と、
前記レッジ（４４）に装着され、半径方向内側のシール（５４）を支持する半径方向外側のレール（５０）を含む弓形シールセグメント（４６）と、
前記ハンガ（４２）と前記レール（５０）との間に装着され、孔（６０）内に装着されたピストン（５８）と、管状ベローズ（６６）とを含む弓形キャリア（５６）であって、前記管状ベローズの内側端部（６８）は前記ピストン（５８）に接合され、外側端部（７０）は前記孔の周囲で前記キャリア（５６）に接合されている弓形キャリアと、
前記ピストン（５８）を前記ハンガ（４２）と前記レール（５０）との間に前進させ、前記シールセグメントを後退させるために前記孔（６０）を加圧するアクチュエータ（６２）とを具備するシールアセンブリ（２４）。
【請求項２】
前記レッジ（４４）に装着された複数の前記シールセグメント（４６）を更に具備し、
前記シールセグメントの各々は、孔（６０）内に装着されたピストン（５８）を有し、前記シールセグメントを同時に後退させるために前記アクチュエータ（６２）に一括して接合された対応するキャリア（５６）を含む請求項１記載のシールアセンブリ。
【請求項３】
前記キャリア（５６）の各々は凸形の外面を含み、
前記孔（６０）は前記凸形の外面を貫通して配置され、
前記ピストンは前記孔を半径方向外側へ貫通している請求項２記載のシールアセンブリ。
【請求項４】
前記ハンガ（４２）は、支持溝（４８）を規定するために軸方向に離間して配置された前方レッジ及び後方レッジ（４４）を更に含み、
前記シールセグメントの各々は、前記レール（５０）から内側へ延出して、前記内側シール（５４）を支持するシャンク（５２）を更に含み、前記レール（５０）は、前記シールセグメントを前記支持溝に装着するために前記支持溝において前記前方レッジと前記後方レッジを架橋し、
前記キャリアは、前記レール（５０）と前記レッジ（４４）のうちの少なくとも１つとの間に装着されている請求項３記載のシールアセンブリ。
【請求項５】
前記ハンガ（４２）は、支持溝（４８）を規定する単一の前方レッジ（４４）を含み、
前記レール（５０）は前記レッジ（４４）に装着された前方部分と、そこから懸垂する後方部分とを含み、
前記キャリア（５６）は、前記レール（５０）にあるクリアランスホールを貫通して、前記ハンガ（４２）に固定接合される複数のボルト（８０）により前記レールの後方部分の下方へ懸垂し、
前記キャリアは凸形の外面を含み、
前記孔は前記凸形の外面を貫通して配置され、
前記ピストンは前記孔を半径方向外側へ貫通している請求項３記載のシールアセンブリ。
【請求項６】
支持レッジ（４４）を含む環状ハンガ（４２）と、
前記レッジ（４４）に装着され、半径方向内側のシール（５４）を支持する半径方向外側のレール（５０）を含む弓形シールセグメント（４６）と、
前記ハンガ（４２）と前記レール（５０）との間に装着され、孔（６０）内に装着されたピストン（５８）を含む弓形キャリア（５６）と、
前記ピストン（５８）を前記ハンガ（４２）と前記レール（５０）との間に前進させ、前記シールを後退させるために前記孔（６０）を加圧するアクチュエータ（６２）とを具備するシールアセンブリ（２４）。
【請求項７】
前記孔（６０）の周囲で前記ピストン（５８）を前記キャリア（５６）に密封接合する管状ベローズ（６６）を更に具備する請求項６記載のシールアセンブリ。
【請求項８】
前記ベローズ（６６）は前記ピストン（５８）に接合された内側端部（６８）と、前記孔（６０）の周囲で前記キャリア（５６）に接合された外側端部（７０）とを更に具備する請求項７記載のシールアセンブリ。
【請求項９】
前記キャリア（５６）は周囲に互いに離間して配置された複数の前記孔（６０）を含み、その各々は周囲のべローズ（６６）により密封されたピストン（５８）を内部に含む請求項８記載のシールアセンブリ。
【請求項１０】
前記ハンガ（４２）は、支持溝（４８）を規定するために軸方向に離間して配置された前方レッジおよび後方レッジ（４４）を更に含み、
前記シールセグメント（４６）は、前記レール（５０）から内側へ延出して、前記内側のシール（５４）を支持するシャンク（５２）を更に含み、前記レール（５０）は、前記シールセグメントを前記支持溝に装着するために、前記前方レッジと前記後方レッジを架橋し、
前記キャリアは前記レール（５０）と前記レッジ（４４）のうちの少なくとも１つとの間に装着されている請求項８記載のシールアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスタービン及び蒸気タービンに関し、特にそのロータシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいては、空気は多段圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合されて、高温燃焼ガスを生成する。ガスはタービンの各段を通って流れ、タービン段はガスから、タービンに接合されている発電機に動力を供給するなど、出力を供給するためのエネルギーを取り出す。
【０００３】
蒸気タービンでは、高温加圧蒸気は蒸気ボイラで別個に形成され、蒸気タービンの各段へ送られる。タービン段は蒸気から、発電機に動力を供給するなど、出力を発生するためのエネルギーを取り出す。
【０００４】
これら２種類のタービンエンジンは、高温加圧ガスがタービン内部で膨張する間にガスにより駆動されるロータを含む。ロータは様々なディスクを含み、それらのディスクから、ステータベーンを含む固定ノズル又はダイアフラムと協働するロータブレード又はバケットが半径方向外側へ延出しており、ガスはステータベーンの間を搬送される。ロータディスクは、軸受に適切に装着されたロータ軸により互いに結合されている。
【０００５】
ガスタービンエンジンでは、タービンロータは圧縮機ロータにも接合され、圧縮機ロータから、動作中に空気を加圧する圧縮機ロータブレードが延出している。また、蒸気タービンエンジンにおいては、ロータディスクは高圧タービン、中間圧力タービン及び低圧タービンを規定するために複数のグループとして配列されており、それらのタービンは構成の一例においては発電機に動力を供給するために全て互いに接合されている。
【０００６】
ガスタービンにおける各圧縮段と、ガスタービン及び蒸気タービンにおける各タービン段は、動作の効率を最大にするために、加圧ガス又は流体がステータベーンとロータブレードとの間を漏れを最小限に抑えて搬送されることを保証するように、適切な密封を必要とする。ガスタービンエンジン及び蒸気タービンエンジンは、通常、長い耐用年数を想定して製造されるため、エンジンのシールも長い耐用年数を想定して、対応する機械をオフライン状態にすること、従って、発電を中断することを必要とする保守又は修理の必要性を低減するように構成されるべきである。
【０００７】
様々に異なる種類の機械に様々な形態のシールが設けられており、それらのシールはステータ部品とロータ部品との間の様々な位置に配置される。シールは、特に、機械内におけるそれぞれの場所に応じて、様々な差圧に対して有効に動作するように構成されなければならない。低圧シールは高圧シールより構成が単純であり、それに相応して、要求される設計条件も異なる。これらのタービン機械においては、数ｐｓｉから数千ｐｓｉの範囲にわたる差圧が一般的であり、有効な動作及び長い耐用年数を得るために適切に構成されたシールが必要である。
【０００８】
ガスタービン機械及び蒸気タービン機械で使用される多くのシールの中に、ラビリンスシールとブラシシールという２つの種類がある。ラビリンスシールは鋭い歯、通常は歯のアレイを含み、それらの歯は、偶発的な先端部の摩擦が起こる間の歯の損傷を少なくするために相対的に狭い半径方向間隙を伴ってステータ部品とロータ部品との間にシールを形成するように、それらの部品の間に配置される。剛毛のアレイを有するブラシシールはステータ部品とロータ部品との間に、密封を行うために摩擦嵌めの状態で装着される。
【０００９】
２種類のシールは、共に、タービンの始動又は運転停止などの過渡動作中に、タービンロータが様々な臨界速度又は回転周波数を通過するにつれてロータ軸の離心軌道運動を起こしやすい。発電機に動力を供給するための一定速度での定常状態動作においては、ロータはロータの中心線軸から、起こったとしてもごくわずかな偏差又は軌道運動を伴って回転する。
【００１０】
従って、ロータの過渡軌道運動のために、ロータは周囲のシールに向かって偏向し、その結果、シール内に望ましくない摩擦負荷が導入される。ラビリンス歯の場合、その先端部の摩擦は歯に損傷を与え、摩擦がなければ鋭く尖っていた歯を鈍くさせ、そのために、密封効率が低下してしまう。また、これに伴って、先端部の摩擦は歯とロータとの間の公称半径方向遊隙又は空隙を広げ、ラビリンスシールの密封の有効度を低下させる。
【００１１】
同様に、ブラシシール内部におけるロータの過渡軌道運動は剛毛の磨耗の速度を速め、その結果、シールの耐用年数が短くなり、密封の有効度が低下する可能性がある。更に、シールは過渡動作中にロータとの間で熱膨張及び収縮の運動の相違の影響を受けやすく、これによっても、シールとロータとの間に望ましくない摩擦が起こる。
【００１２】
ガスタービンエンジン又は蒸気タービン機械において相当数のロータシールが使用されていることを考慮すると、機械の過渡動作中のシールの損傷は、その耐用年数及び密封性能に重大な影響を及ぼす。シールはステータ部品とロータ軸との間、ノズル又はダイアフラムとロータとの間、ブレード又はバケット先端部とその周囲を取り囲むステータシュラウドとの間、並びにロータ軸に沿った様々な支持軸受などの様々な場所で見受けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、ロータ軸の過渡運動に対応するための、ガスタービン機械及び蒸気タービン機械の改善されたロータシールアセンブリを提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
シールアセンブリは、支持レッジを有する環状ハンガを含む。弓形シールセグメントは、レッジに装着され、内側シールを支持する外側レールを含む。ハンガとレールとの間に弓形キャリアが装着され、キャリアは、孔内に装着されたピストンを含む。孔は、ピストンをハンガとレールとの間に前進させて、シールセグメントを隣接するロータ部品から一時的に後退させるために選択的に加圧される。
【００１５】
好ましい実施例に従った本発明は、その更に別の目的及び利点と共に、添付の図面と関連する以下の詳細な説明の中で更に詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１には、構成の一例において発電機１２に動力を供給するように構成されたガスタービンエンジン１０が概略的に示されている。エンジンは、発電機に適切に接合された中心ロータ１４を含み、ロータを通る長手方向又は軸方向中心線軸に関して軸対称形である。
【００１７】
エンジンは、環状燃焼器２０内へ吐き出される加圧流体１８である空気を加圧するように構成された多段軸流圧縮機１６を含む。燃焼器では、燃料は加圧流体１８と混合され、点火されて、高温燃焼ガスを生成する。高温燃焼ガスはその加圧属性を保持している。燃焼ガスは多段ガスタービン２２を介して吐き出され、ガスタービンはガスからロータ１４を回転させるためのエネルギーを取り出し、ロータはこの例の構成における圧縮機及び発電機に動力を供給する。
【００１８】
図１に示すガスタービンエンジン１０は任意の従来の構成を有していれば良く、加圧流体１８を当初は純粋な空気として送り出し、その後、空気は燃料と混合され、点火されて、タービンの各段を流通する燃焼ガスを生成する。従って、加圧流体１８は、エンジンを通過して送り出される間に、エンジン内部で様々な形態と圧力を有することになる。
【００１９】
そのため、エンジンの対応するステータ部品とロータ部品との間の様々な場所で様々なシール又はシールアセンブリ２４が必要とされる。例えば、図１に示す圧縮機１６は、ロータ１４の支持ロータディスク部分から半径方向外側へ延出する圧縮機ロータブレード２８の複数の列又は段と交互に配列されたステータベーン２６の複数の列又は段を含む。ベーンと圧縮機ロータとの間には、空気圧が最大になる圧縮機の吐き出し端部に概略的に示されているこの例のシールアセンブリ２４を含めて、様々なシールが設けられている。
【００２０】
タービン２２は、共通ロータ１４の別の部分から外側へ延出するタービンロータブレード３２の複数の列又は段と交互に配列されたステータベーン３０の複数の列又は段を更に含む。この場合にも同様に、タービンノズルベーン３０とロータとの間に様々なシールアセンブリが設けられている。
【００２１】
図１に示すロータ１４は、燃焼器の下方で様々な軸受（そのうちの１つが概略的に示されている）に装着されており、ロータと協働するシールアセンブリを更に含む。
【００２２】
図２は、接合されている発電機１２に動力を供給するための対応するロータ１４を有する蒸気タービン機械３４の一例を示す。蒸気タービン３４はロータ１４を通る長手方向又は軸方向中心線軸に関して軸対称形であり、任意の従来の構成を有していれば良い。例えば、蒸気タービンは高圧タービン３６、中間圧力タービン３８及び低圧タービン４０の形態をとる対応する複数のセクションを含み、全てのセクションは発電機１２に動力を供給するために共通ロータ１４に接合されている。蒸気タービン構成においては、加圧流体１８は、蒸気ボイラで生成され、それぞれ異なるタービンセクションで使用するための対応する圧力を有する高温の加圧蒸気である。高圧タービンに供給される最も高い圧力の蒸気は３５００ｐｓｉを超える圧力を有する場合もある。
【００２３】
図１に示すガスタービンと同様に、図２に示す蒸気タービンも相互間に適切な密封を要求する様々なステータ部品と、ロータ部品を含む。それらの部品は、共通ロータ１４に沿った様々な場所で、高圧タービンにおける相対的に高い圧力から、低圧タービンにおける相対的に低い圧力までの対応する圧力差を受ける。例えば、高圧タービン３６の排出端部は、ステータとロータ１４との間に、動作中に相対的に低い圧力を受けるエンドパッキン又はシールアセンブリ２４を含む。図２に示す蒸気タービンの他の場所も対応するシールアセンブリを含む。
【００２４】
図１及び図２に３つの小さなシール要素により概略的に示されている様々なシールアセンブリ２４はそれぞれ異なる場所に配置され、以下に説明するように、本発明に従って適切に変形される点を除いて従来通りの構成を有していれば良い。シールアセンブリは対応するロータ軸の各部分と、隣接するステータ部品との間に配置されても良い。シールアセンブリは、例えば、ノズル及びダイアフラムにおいてロータとステータベーンとの間に配置されても良い。また、シールアセンブリは、タービンバケットとも呼ばれる蒸気タービンのロータブレードと、その周囲を取り囲むステータシュラウドとの間に配置されても良い。
【００２５】
図３は、図１のガスタービンエンジン１０又は図２の蒸気タービン機械３４のいずれかの希望の場所で、対応するステータ部品とロータ１４の各部分との間で対応する加圧流体１８を密封する目的で使用するために適切に構成されたシールアセンブリ２４の一実施例を概略的に示す。ロータ１４は、例えば、その軸部分、ロータディスク又はバケット先端部を含んでいても良い。
【００２６】
図３に示すように、シールアセンブリは環状支持ハンガ４２を含み、ハンガは、例えば、ガスタービン又は蒸気タービンで使用するための従来の何らかの形態を有していれば良いが、本発明に従ってアクティブシールを構成するために適切に変形されている。特に、ハンガ４２は支持フック又はレッジ４４を含み、そのレッジに複数の弓形シールセグメント４６が装着されている。
【００２７】
図３に示す実施例においては、ハンガ４２は、ダブテール溝４８を規定するために、反対側にある第２のレッジ又は後方レッジ４４から軸方向に離間して配置された、一方の側の第１のレッジ又は前方レッジ４４を含む。シールセグメント４６は、レッジ４４に装着された半径方向外側の、軸方向に延出するレール５０を含む。シールセグメントは、ロータ１４の対応する部分に半径方向に隣接して半径方向内側のシール５４を支持するために、ほぼＴ字形にレール５０から半径方向内側へ延出する半径方向シャンク５２を更に含む。
【００２８】
この実施例では、レール５０は前方部分と、後方部分とを有し、シールセグメントを他の点では従来通りの態様で装着するためにダブテール溝４８において対応する前方レッジ４４と後方レッジ４４を架橋している。環状ハンガ４２は、通常、タービンの水平フランジに沿って一体に接合される２つの１８０゜半体として形成されている。これにより、ステータ部品をタービンの対応する半体に組み付けることができる。周囲の弓形のレール５０は、通常、溝４８の開いた周囲端部に挿入されて、最終位置まで周囲方向に摺動する。一実施例においては、それぞれ約６０゜の角度を成す３つのシールセグメントが各ケーシング半体に装着されており、合わせて６つのシールセグメントが共通ハンガにおいて互いに周囲方向に隣接している。このようにして、シールセグメントは軸方向と半径方向の双方でロータの周囲でハンガに捕捉されるのである。
【００２９】
従来の構成においては、シールセグメントはこのようにして捕捉され、溝４８内のレール５０と周囲を取り囲むハンガとの間に形成される狭い遊隙を占めるように、その中に裏当てばねを含んでいても良い。このように、半径方向内側のシール５４は、加圧流体１８が第１の圧力Ｐ１を有するシールアセンブリの前方側と、流体が異なる第２の圧力Ｐ２を有するシールアセンブリの後方側との間の対応する圧力差により押し出される加圧流体の漏れを減少させるために、相互間にシールを構成するようにロータ１４に密接するステータ部品を構成している。この圧力差は、ガスタービンエンジン又は蒸気タービン機械のいずれかにおけるシールアセンブリの特定の場所に応じて、シールアセンブリの前方側と後方側との間の任意の方向であると考えられる。
【００３０】
いずれの構成においても、高圧流体はダブテール溝４８に流入し、従って、レール５０に対して対応する半径方向内側に向いた力を加えて、レールを支持レッジ４４上に固着させる。従って、動作中、高圧流体はシールセグメントが確実に支持レッジ上に固着されるように保証し、内側シール５４とロータ１４との所期の構成が獲得される。
【００３１】
図３に示す実施例の構成においては、内側シール５４は、共通の弓形ランドから半径方向内側へ延出する複数の軸方向に互いに離間して配置されたラビリンスシール歯を具備する。ラビリンス歯は従来の何らかの構成を有していれば良く、わずか１つのラビリンス歯であっても良いが、通常は各シールセグメントの弓形の領域に沿って周囲方向に延出する複数の歯列を含む。歯は、通常、密封の有効性を最大にするために先端が鋭く尖っており、ロータ１４の周囲との間に相応して狭い半径方向遊隙又は空隙を形成している。
【００３２】
図３に示す種類のラビリンスシールはガスタービンエンジン及び蒸気タービン機械のいたるところで使用されており、対応するロータの軌道運動の下でのロータの過渡動作の間、又はロータとシールとの互いに差のある熱膨張及び収縮運動の間に望ましくない先端摩擦を受けやすい。従来は、シール歯とロータとの間の半径方向空隙は偶発的な先端摩擦による損傷を少なくするために十分に広くあけられるのが慣例であったが、半径方向遊隙が広くなれば、機械の効率を低下させる流れの漏れが多くなる可能性がある。また、先端摩擦はラビリンス歯の鋭く尖った端部を鈍くし、エンジンの密封効率及び性能を更に低下させる。
【００３３】
しかし、図３に示すシールアセンブリ２４は、望ましくない先端摩擦の可能性を排除するか、又は減少させるために、過渡条件の間の有効な運動を可能にするように本発明に従って適切に変形されている。特に、シールアセンブリは、ハンガ４２とシールセグメントの外側レール５０との間に半径方向に装着された弓形キャリア５６を更に含み、盲空洞又は盲孔６０内に装着されたリフトボタン又はピストン５８を含む。
【００３４】
図４は、タービンの一方の半体にある３つの周囲方向に隣接するシールセグメント４６を示し、各シールセグメントはそれと協働する対応する弓形キャリア５６を有する。図５は、キャリア５６を単独で示す。また、図６及び図７は、対応する孔６０に装着されたピストン５８を含めたキャリアの拡大部分図である。
【００３５】
図３から図７に示すように、ピストン５８をハンガ４２とレール５０との間に前進させ、それにより、シールセグメント４６全体を半径方向外側へ後退させるために、適切な加圧ガス６４によって孔６０を選択的に加圧するアクチュエータ６２（ここでは、少なくとも１つのアクチュエータを意味している）が設けられている。アクチュエータ６２は、タービンの始動及び動作停止を含めたタービンの過渡動作中などの所望の時点で、適切な高い圧力の下でピストンに加圧ガス６４を供給することによりピストンを圧力作動するための何らかの適切な形態を有していれば良い。ピストンは、ロータとハンガとの熱膨張及び収縮の差によって、シールとロータとの間の半径方向遊隙が縮小されてしまうような他の過渡条件の間にも前進されて良い。この状態は、シールセグメントを半径方向外側に一時的に後退させることにより補償される。
【００３６】
アクチュエータ６２は貯蔵ボトル又はキャニスタの内部に加圧ガスを含むか、あるいは高圧圧縮機からのガスを貯蔵するアキュムレータから加圧ガスを供給されるのが好ましい。ガスは空気、あるいはアルゴン又は窒素などの不活性ガスであっても良く、図１に示すガスタービン又は図２に示す蒸気タービンなどの適用可能な構成、あるいは他の典型的な用途においてピストンを前進させるのに適する他の何らかの適切な圧力流体であっても良い。
【００３７】
アクチュエータは、タービン機械内のガスを対応するシールセグメントへ搬送するための適切な導管又はパイプを更に含むのが好ましく、それらの導管は対応するキャリアと流体連通する状態で接合されている。タービンの従来どおりのコンピュータ制御の下で、加圧ガスの流れを制御するために、適切な弁が導管内部に設けられている。弁は、ピストンを前進させ、必要に応じてピストンを後退させるためにキャリアからガスを抜くために、加圧ガスをキャリアへ選択的に流すことができる。アクチュエータ６２の様々な機能は各図にその使用方法に対応するように概略的に示されている。
【００３８】
特に、図３に示すシールアセンブリは新たに設計されるタービンに導入されても良いし、あるいは既存のタービンの、対応するロータシールの利用可能なスペースに後付けされても良い。シールセグメント４６はロータ１４の対応する部分の周囲に従来の何らかの方法により単純に装着されるが、作動キャリア５６を導入するための変形を伴う。その後、ロータが回転している間に、ピストン５８を半径方向外側へ前進させ、それにより、図３に想像線で示すように対応するシールセグメント４６を半径方向外側へ後退させるために、キャリア孔６０を加圧するようにアクチュエータ６２が動作される。ピストン５８は、半径方向外側へ前進されるにつれて、ダブテール溝４８の利用可能なスペース内でレール５０を持ち上げ、それに相応して内側シール５４がロータ１４から離れて半径方向外側へ持ち上げられるので、シール５４とロータ１４との間の半径方向間隙が広がる。このように、ロータ１４の軌道運動又は差熱運動は、シール５４自体の望ましくない摩擦を防止又は制限するためにより多くの利用可能な半径方向スペースを有することになる。
【００３９】
図４に概略的に示すように、キャリア孔６０は、ロータの始動中又は所定速度への加速中、あるいはロータの運転停止及び減速中、又はその双方の間に通常は起こるロータの過渡回転中に加圧されるのが好ましい。始動時及び運転停止時には、ロータは臨界速度又は周波数を通過し、それに関連する離心軌道運動を受ける。適用可能な機械及びそのロータの他の過渡動作においては、ロータとハンガで支持されているシールセグメントとの間に熱膨張及び収縮の差が起こりうると考えられ、それに対してシールセグメントを能動的に後退させることが望ましく、その間にキャリアはピストンを前進するために加圧されるであろう。
【００４０】
図６及び図７は、キャリア５６へのピストン５８の装着の好ましい一実施例を示す。ピストン５８は、その強度を最大にするために中実金属であるのが好ましく、この例では管状ベローズ６６の形態である適切なシールにより孔６０内部に密封装着されている。ベローズはピストン５８に密封接合された内側端部６８と、孔６０の周囲でキャリア５６の対応する部分に密封接合された外側端部７０とを含む。
【００４１】
好ましい一実施例では、ベローズは、内側端部６８がピストン５８の内側端部に溶接され、外側端部はピストン５８の外側端部に対応する孔６０の外側端部でキャリアに溶接されている圧縮ベローズである。図６に示すように、ピストン５８の高さは、ピストンが孔の中で後退されたときにキャリアの外面とほぼ同じ高さになるように、孔６０の深さとほぼ一致している。そのため、ベローズ６６は通常はその全高状態で弛緩しており、ベローズに加わる負荷及び応力は最小である。
【００４２】
図７に示すように孔６０が加圧されると、加圧ガス６４はピストン５８の下面に、ピストンをキャリアから外側へ前進させる加圧力を加える。これに応じて、ベローズ６６は加圧ガス及びピストンの運動を受けて圧縮され、その一方でガスをキャリアの内側に密封する。ベローズ６６は動作中にピストンを前進、後退させるために適切な可撓性を有していなければならないため、この好ましい構成は、特に、ピストンが前進されていないときの応力を最小にして、ピストンの耐久性及び耐用年数を確保する。
【００４３】
図３及び図４に示す実施例においては、シールアセンブリは、ロータの周囲に沿って互いに隣接する複数のシールセグメント４６と、それら複数のシールセグメントに対応する複数の前方キャリア及び後方キャリア５６とを含む。前方キャリアは互いに周囲方向に隣接しており、後方キャリアは、図４及び図５に示すように、アクチュエータ６２の導管又はパイプを互いに接続することにより得られる流れ連通状態で互いに周囲方向に隣接している。このように、加圧ガスは対応するレッジ部分の上にある１つの列として装着されている弓形キャリアの各々へ連続して搬送されることが可能である。
【００４４】
図３から図５に示す前方キャリア及び後方キャリア５６は、それぞれ、対応するベローズ６６によりそれぞれ対応する孔６０に密封装着された複数のピストン５８を含むのが好ましい。このように、前進力は隣接するシールセグメント４６の環状の幅全体にわたって周囲方向に広がり、動作中に対応するレール５０に作用する差圧に打ち勝つであろう。
【００４５】
図３から図５に示すキャリア５６は弓形であるので、半径方向外側の凸面と、それに対応する、半径方向内側の凹面とを含む。孔６０はキャリアの外面を貫通して配置されるのが好ましく、キャリアの内面には孔がない。そこで、ピストン５８が孔内部に配置され、その対応する底面から半径方向外側へ延出する。このように、いくつかのピストン５８の前進によって、シール５４をロータから離して後退させるためにレール５０が半径方向外側へ直接に持ち上げられる間、図３に示すキャリアの内側の凹面は支持レッジ４４と直接に接触する状態を保つ。レール５０が半径方向外側へ後退されるにつれて、レールとピストンとの間の周囲境界面は周囲で増加し、従って、ピストンとレールとの間に周囲方向の摩擦負荷を導入する。
【００４６】
各々のキャリア５６は周囲方向に互いに離間して配置された複数の孔６０を含んでおり、各々の孔の内部には周囲を取り囲むベローズ６６によりそれぞれ対応するピストン５８が密封されているため、周囲方向の摩擦力はいくつかのピストンに分散される。それらの摩擦力を減少させるために、図５に示すように、キャリアの中心付近で複数のピストンを複数の群にまとめ、各ピストンとキャリアの周囲方向端部との間に適切な空間を残すのが好ましい。
【００４７】
更に、前進力を最大にし、周囲方向の摩擦による傾斜効果を低減させるために、個々のピストン５８はキャリアの限られたスペースの中でできる限り大きな直径を有するように形成されている。ベローズ６６はピストンの前進を可能にするために必然的に可撓性であり、個々のピストン５８が前進されている間にピストン５８の傾斜によって付加的な応力を受けやすい。従って、ベローズの大きさは、ピストンをキャリアに密封し、動作中の応力を減少させると共に、限られたスペースの中でのピストン５８の最大限の大きさを可能にするように適切に定められている。
【００４８】
図５から図７に示す弓形キャリア５６は、それぞれ対応するピストン５８を受け入れるために対応する孔６０が内部に形成されている中実の金属であるのが好ましい。各キャリアにあるいくつかの孔６０は、キャリアの一方の側又は縁部に沿って共通の弓形マニホルド７２を導入することにより、互いに流れ連通する状態で適切に接合されても良い。マニホルドはキャリアの側部に沿って切り込み又は凹部として形成され、いくつかの孔の連続性を得るために薄いシール条片により密閉されても良い。それに対応して、加圧ガスを搬送するために隣接するキャリアのマニホルド７２を流れ連通させるように、それらのマニホルドを適切な導管７４で互いに接続しても良い。このように、アクチュエータ６２は加圧ガスを連続して流すために１つのシールセグメントへ搬送し、次に隣接するシールセグメントへ順次搬送して、ピストン５８を同時に前進させることができるであろう。
【００４９】
前方キャリアは図３においてレール５０と前方レッジとの間に配置されており、後方キャリアは同じレール５０と後方レッジとの間に配置されているので、アクチュエータ６２は前方キャリアと後方キャリアの２つのセットに共に適切に接合され、その内部で同時にピストンを前進させ、双方のレッジに支持されるいくつかのシールセグメント４６を同時に後退させる。
【００５０】
利用可能なレッジ４４及びレール５０の大きさは、それらの間に装着される側部キャリア及びピストンの大きさを限定する。ピストンとベローズを合わせた表面積は、特定の値の加圧ガスによって使用できる総前進力を判定する。このような後退キャリアの２レッジ構造は、全てのピストンにより与えられる作動力がシールアセンブリをレッジ４４に当接する状態で保持する力の和（これは圧力負荷、摩擦力及びばね力を含む）に十分打ち勝てるようなどのようなシールの場所でも使用できるであろう。
【００５１】
図８から図１０には、レール５０のすぐ下方でシールセグメント４６のシャンク５２を軸方向に貫通する対応する弓形溝穴７６に装着された、軸方向により大きいキャリア５６を含むシールアセンブリ２４の別の実施例が示されている。この構成においては、キャリア５６は前方レッジ及び後方レッジ４４に装着されたときにシールセグメントを完全に貫通して、前方レッジと後方レッジを架橋している。
【００５２】
より幅の広いキャリア５６はハンガの前方レッジ及び後方レッジ４４を架橋して、その上にレール５０を軸方向に支持している。また、図８及び図９に示すように、溝穴７６はシールセグメントの周囲方向に沿って延出し、半径方向の高さはキャリア５６を上回っているため、キャリアのすぐ下方にあるシャンクに適切な後退用遊隙又は空隙が形成されている。
【００５３】
図８から図１０に示すキャリア５６は、ピストン５８が対応する孔６０に周囲を取り囲むベローズ６６により密封装着されていることを含めて、図６及び図７に示すキャリアと同じ構成である。しかし、キャリアの幅が広くなっているため、ピストン５８はそれに対応してより大きな直径を有し、高圧ガス６４がピストン５８のより広い内面に作用する間に、ピストンにより加えられる前進力は増強されている。このように、図８に示す幅広のキャリア５６は、ダブテール溝４８と、小さな前方レッジおよび後方レッジ４４とにより形成される限られたスペースの中でシールセグメント４６に対して相応してより大きい後退力を導入できるであろう。
【００５４】
図８において、ピストン５８は後退されて、そのキャリア５６と同じ高さになった状態で示されており、シールセグメント４６は半径方向に最も内側の位置をとってレッジ４４に当接している。この後、図８に示されるアクチュエータ６２が作動されると、加圧ガス６４はキャリア内へ送り出され、ピストン５８が図８に想像線で、図９には実線で示されるように半径方向外側へ前進されるにつれて、シールセグメントを半径方向外側へ後退させる。ピストンは、半径方向外側へ前進されている間、それに対応して外側レール５０をハンガレッジ４４に対して持ち上げるが、それはキャリアが装着されている溝穴７６にある底部遊隙により可能になる。
【００５５】
図４に示す実施例においては、キャリアは個々のシールセグメント４６の周囲方向の全長に相当する長さで延出し、対応する数のピストン５８を有する。しかし、図９の実施例では、シャンク５２と支持レール５０の構造上の保全性を維持するために、貫通溝穴７６の周囲方向の幅はシールセグメント４６の周囲方向長さより適切に小さくなければならない。
【００５６】
それに対応して、キャリア５６の周囲方向長さは溝穴７６の長さ以下に限定されるが、キャリアにはより大きなピストン５８を導入できるであろう。図９の実施例では、キャリア５６は図４の実施例と比較して周囲方向に短くなっているので、使用されるピストン５８の数は少なくなり、低圧シール構造に適用される場合には、キャリアで単一のピストン５８を使用しても良いであろう。しかし、ピストンの数の少なさはピストンがより大きいことと、高圧ガス６４が加えられる有効面積の広さによって補償される。
【００５７】
従って、図８から図１０に示すキャリア５６の実施例は、それぞれ対応する孔６０に対応するベローズ６６により密封装着された２つのピストン５８を含む。この２ピストンキャリア５６はシールセグメント５６にその周囲方向中心を架橋するように装着されるのが好ましく、シャンク５２と外側レール５０の周囲方向の対向する端部でそれら２つの構造上の連続性を保証している。
【００５８】
別の実施例においては、中心キャリア５６は３つ以上のピストンを有していても良いし、あるいは１つしかピストンを有していなくても良い。中心キャリアが１ピストン構成である場合、対応するピストン５８からの作動力を周囲方向に配分するために、１つのシールセグメントに、対応する溝穴７６を介して２つ以上のそのような中心キャリアを装着しても良い。
【００５９】
図３に示す側部キャリアの実施例と同様に、図８に示す中心キャリアの実施例は、キャリア５６の凸形の外面にピストン５８が導入されることを含めて、図６及び図７に示す構成の利点を享受している。また、内側シール５４も同様に、軸方向に互いに離間して配置され、ロータの周囲方向に沿って延出するラビリンスシール歯の形態をとっている。
【００６０】
図３及び図８に示す実施例においては、レール５０はほぼＴ字形の構成でシャンク５２の上に装着されて、双方の側部レッジ４４の上のハンガ溝４８に装着されたダブテールを形成している。従って、キャリア５６は、特定の構成に応じて、レール５０と側部レッジ４４の一方又は双方との間に装着されれば良い。
【００６１】
図１１は、ハンガ４２が後方レッジを含まず、支持溝４８を規定する単一の前方レッジ４４を含むようなシールアセンブリ２４の更に別の実施例を示す。この構成では、レール５０は溝４８の内側で前方レッジ４４に直接に装着された前方部分を含む。また、レール５０はそこから懸垂する後方部分を有する。
【００６２】
この実施例の構成においては、レール５０は、保持板の間に保持される剛毛のアレイを含めて、半径方向内側へ延出するブラシシール７８を支持している。シールアセンブリ２４のこの構成は、その他の点では従来通りであり、ロータ１４と直接に摩擦接触するブラシシールを提供する。しかし、このシールアセンブリは、本発明の別の実施例に従って、レールを隙間を伴って貫通し、ハンガ４２に固定接合された複数の半径方向に延出するボルト８０により側部キャリア５６をレール５０の後方部分のすぐ下方に装着するために変形されても良い。
【００６３】
この実施例では、ボルト８０は互いに周囲方向に離間して配置されており、レール５０の対応するクリアランスホールを半径方向に貫通する。ボルトの頭部はハンガ４２の上方に配置され、ボルトのねじ切りされた先端部はキャリア５６に装着されているピストン５８のうちの対応するピストンの間で、キャリア５６に配置された対応するねじ穴と螺合している。
【００６４】
このように、キャリア５６はレール５０の後方部分の下方に、その半径方向内側の面に当接する状態で懸垂され、前方レッジ４４と協働して、シールセグメント４６をハンガ４２から支持する。
【００６５】
動作中、ピストン５８を前進させるためにキャリアを加圧すると、ピストン５８は支持ボルト８０に対して持ち上げられるため、シールセグメント４６は半径方向上方へ後退されて、ロータ１４からの半径方向距離が大きくなる。このようにして、ブラシシールの剛毛に加わる負荷が解放されるか、あるいは、ブラシシールは、このような措置をとらなければブラシシールを損傷するか又はその耐用年数を短くしてしまうであろうようなロータの過渡動作に対応するために一時的にロータから離れて後退されることが可能であろう。
【００６６】
図１１に示す側部キャリア５６の実施例は、支持ボルト８０を受け入れるためのねじ切りされた開口部を含むことを除いて、図５から図７に示す実施例とほぼ同じであろう。
【００６７】
以上説明したアクティブシールアセンブリ２４の様々な実施例は、必要に応じてシールセグメントを後退させるために都合良く前進されるピストンを支持するキャリアを共通して使用している。キャリアは、シールセグメントのレールと支持ハンガとの間で使用するために基本シールアセンブリ２４の対応する相違点に合わせて構成されれば良い。レールの側部に、又はその下方に懸垂されるシャンクを通してキャリアを構成し、装着できるという融通性があるため、シールアセンブリの様々な変形が可能である。各キャリアでは単一のピストンを使用しても良いし、あるいは個々のキャリアで複数のピストンを使用し、それらのピストンを一まとめにして、加圧下で共通に前進させても良い。高圧であり、高温での強度に優れ且つピストンと協働するためにベローズシールが好ましいが、別の実施例においては、ピストンを他の方法でキャリアに密封しても良い。
【００６８】
キャリア装着ピストンにより提供される融通性は、従来のガスタービンエンジン及び蒸気タービン機械で見受けられる様々なモータシールへの適用を可能にする。シールアセンブリは様々な場所での使用に合わせて単純に相応して変形され、そこに現れる特定の差圧を受けることになるであろう。シールアセンブリの両側における加圧流体１８の差圧が大きいほど、ピストンから必要とされる作動力は大きくなる。
【００６９】
また、動作中、シールセグメントを半径方向外側へ一時的に後退させて、ロータからの半径方向間隔を広げるために、ピストンは都合良く前進されることが可能である。キャリアから加圧ガスを抜くことに対応して、ピストンは孔の中へ後退し、シールセグメントは正常な半径方向内側の位置へ前進することができる。
【００７０】
この単純な後退システムの特定の利点は、ピストンが後退され、ピストンに加圧ガスが供給されていないときに、レールが支持レッジ上に乗った状態でシールセグメントがその半径方向内側の位置にとどまるというフェイルセーフ動作である。このように、キャリアが動作状態であるか否かに関わらず、シールは正常位置ではロータに密接する位置にある。従って、タービンは正規の効率で正常に動作する。
【００７１】
しかし、アクティブシールアセンブリの特定の利点は、過渡動作中に、シールアセンブリの後退を伴わなければ起こると思われる摩擦損傷を最小限に抑えるためにシールセグメントを後退させる能力である。このように、タービンの効率はその耐用年数にわたり、正規の保守運転停止から次の運転停止までの間に改善されることが可能であろう。
【００７２】
本発明の好ましい実施例であると考えられるものを説明したが、ここで示した教示から本発明の他の変形は当業者には明白であろう。なお、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】
【００７３】
【図１】発電機に動力を供給するために構成されたガスタービンエンジンの一例の概略図。
【図２】発電機に動力を供給するために構成された蒸気タービン機械の一例の概略図。
【図３】図１のガスタービンエンジン又は図２の蒸気タービンで使用するための一実施例に従ったアクティブシールアセンブリの軸方向断面立面図。
【図４】図３に示すシールアセンブリの、線４−４に沿った半径方向断面図。
【図５】図３及び図４に示すシールアセンブリで使用される弓形キャリアの等角投影図。
【図６】一実施例に従った、図５に示すキャリアの孔に装着された後退された状態のピストンの部分断面等角投影図。
【図７】キャリア内で加圧された状態で前進されたピストンの、図６と同様の部分断面等角投影図。
【図８】図１のガスタービン又は図２の蒸気タービンで使用するための別の実施例に従ったシールアセンブリの、図３と同様の軸方向断面立面図。
【図９】図８に示すシールセグメントを単独で示す、線９−９に沿った半径方向立面図。
【図１０】一実施例に従った、図８及び図９に示すピストンキャリアの等角投影図。
【図１１】図１のガスタービン又は図２の蒸気タービンで使用するための、別の実施例に従ったシールアセンブリの部分断面等角投影図。
【符号の説明】
【００７４】
１０…ガスタービンエンジン、１４…ロータ、２４…シールアセンブリ、３４…蒸気タービン機械、４２…支持ハンガ、４４…レッジ、４６…弓形シールセグメント、４８…ダブテール溝、５０…レール、５２…シャンク、５４…内側シール、５６…弓形キャリア、５８…ピストン、６０…孔、６２…アクチュエータ、６６…ベローズ、７８…ブラシシール、８０…ボルト
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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