(57)【要約】【課題】  本発明は、タービン用のシール組立体、シール組立体を含むバケット／タービン、並びにタービンの回転及び固定構成部品間の境界面をシールする方法を提供する。【解決手段】  回転機械（１０）は、ロータ（１２、１２’、４８）と、ロータ上に半径方向に取付けられかつ該ロータの周りで間隔を置いて配置されたバケット（１４、１４’、５６）と、バケットの先端（１４ａ、１４ａ’）との間に環状のギャップ（１８）を形成した状態で該ロータから半径方向外側に配置された固定ステータ／ケーシング（１６、１６’）と、バケット先端部分に設けられかつ環状のギャップ内に配置されて、ステータケーシングに設けられたベースシール部材との接触に応答して摩削されるようになったアブレイダブルシール部材（２０、２０’）とを含む。これにより、バケット先端とステータケーシングとの間でステータケーシングとバケット先端との間の間隙を最小にする。【選択図】      図１
2005155620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのバケット（１４、１４’）を備えたロータ（１２、１２’）と前記ロータのための主ケーシング（１６、１６’）の一部を形成するステータとを有するタービン（１０）用のシール組立体（２４）であって、
前記主ケーシングの内面（１６a、１６a’）上に配置されるように構成されたベースシール部材（２２、２２’）と、
前記少なくとも１つのバケット（１４、１４’）の先端部分（１４a）に施工されるように設計かつ構成され、前記ベースシール部材（２２、２２’）と対面状態で配置可能であるアブレイダブルシール部材（２０、２０’）と、
を含むシール組立体（２４）。
【請求項２】
前記主ケーシング（１６、１６’）の内面（１６ａ、１６ａ’）が、所定の公差の範囲内で前記バケット（１４、１４’）の先端部分（１４、１４a’）から所定の距離だけ間隔を置いて配置されるように設計されている、請求項１記載のシール組立体。
【請求項３】
前記所定の距離が、約０．２５０ｍｍ〜約２．０５ｍｍであり、また前記所定の公差が、約０．０２５０ｍｍ〜約０．１ｍｍである、請求項２記載のシール組立体。
【請求項４】
前記ステータ及びロータが、運転中に前記アブレイダブルシール部材とベースシール部材との間に接触が起こった場合に前記少なくとも１つのバケットのアブレイダブルシール部材（２０、２０’）により前記ベースシール部材（２２、２２’）が該アブレイダブルシール部材内に溝を切込むのを許すことになるように、構成されている、請求項２記載のシール組立体。
【請求項５】
前記ベースシール部材（２２、２２’）が、前記主ケーシング（１６、１６’）の内面内に選択的に挿入可能なモジュール式交換可能インサートとして設計されている、請求項１記載のシール組立体。
【請求項６】
前記アブレイダブルシール部材（２０、２０’）が皮膜である、請求項１記載のシール組立体。
【請求項７】
前記ベースシール部材（２２、２２’）が、ナイフエッジ及びシールストリップの少なくとも１つである、請求項１記載のシール組立体。
【請求項８】
近位端及び遠位端部分を有し、前記近位端部分がそれを回転駆動要素（１２、１２’、４８）に固定するための構造を含みまた前記遠位端部分が翼形部分を含む本体と、
前記本体の遠位端部分に設けられたアブレイダブルシール部材（２０、２０’）と、
を含むタービン用のバケット（１４、１４’、５６）。
【請求項９】
タービン（１０）のロータバケット（１４、１４’、５６）の先端部分（１４ａ、１４ａ’）とステータケーシング（１６、１６’）の内面（１６ａ、１６ａ’）との間の境界面をシールする方法であって、
前記ステータケーシングの内面上にベースシール部材（２２、２２’）を配置する段階と、
少なくとも１つのバケットの先端部分（１４ａ、１４ａ’）に前記ベースシール部材と対面状態でアブレイダブルシール部材（２０、２０’）を設ける段階と、
を含む方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのバケット（１４、１４’、５６）を含むロータ（１２、１２’）と、
前記ロータのための主ケーシング（１６、１６’）を形成するステータと、
シール組立体（２４）と、
を含み、前記シール組立体が、
前記主ケーシングの内面（１６a、１６a’）上に配置されるように構成されたベースシール部材（２２、２２’）と、
前記少なくとも１つのバケット（１４、１４’）の先端部分（１４a）に施工されるように設計かつ構成され、前記ベースシール部材と対面状態で配置可能であるアブレイダブルシール部材（２０、２０’）と、を含む、
タービン（１０）。
【請求項１１】
外面と該外面から離れるように延びる少なくとも１つのバケット（５６）とを含むロータ（４８）と、
少なくとも１つのノズルベーン（６２）を有しかつ前記ロータのための主ケーシングを形成するステータと、
シール組立体（２４）と、
を含み、前記シール組立体が、
前記ノズルベーンの遠位端部分（６０）上に配置されるように構成されたベースシール部材（６４）と、
前記ロータの外面に施工されるように設計かつ構成され、前記ベースシール部材と対面状態で配置可能であるアブレイダブルシール部材（５８）と、を含む、
タービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には蒸気タービン及びガスタービンのような回転機械に関し、より具体的には、その回転ロータブレードすなわち「バケット」と固定外側ケーシングすなわちステータとの間の間隙を制御するためのシール組立体を有する回転機械に関する。具体的には、本発明は、総括的にはタービンの回転部分に設けられたアブレイダブルシール部材に関する。本発明はまた、アブレイダブルシール部材を含むタービン及び／又はタービンバケット、並びにタービン又は他の機械の回転及び固定構成部品間の境界面をシールする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン及びガスタービンは、とりわけ発電機に動力を供給するために使用され、ガスタービンはまた、とりわけ航空機及び船舶を推進するために使用される。蒸気タービンは、一般的に直列流れ関係で、蒸気入口、タービン及び蒸気出口を含む蒸気流路を有する。ガスタービンは、一般的に直列流れ関係で、空気吸入口（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（又は排気ノズル）を含むガス流路を有する。圧縮機及びタービンセクションは、少なくとも１つの円周方向列の回転バケットを含む。回転バケットの自由端すなわち先端は、ステータケーシングにより囲まれる。
【０００３】
タービンの効率は、ロータバケット先端と周囲のケーシングとの間の半径方向間隙すなわちギャップに部分的に左右される。間隙が大きすぎる場合には、より多くの蒸気又はガス流量が、ロータバケット先端と周囲のケーシングとの間のギャップを通って漏洩してタービンの効率を低下させることになる。間隙が小さすぎる場合には、ロータバケット先端が、一部のタービン運転状態の間に周囲のケーシングに衝突するおそれがある。
【０００４】
間隙は、加速又は減速時におけるバケット先端に作用する遠心力の変化により、タービンロータの振動により、また回転ロータと固定ケーシングとの間の相対的熱膨張により変化することが知られている。遠心力差、ロータ振動並びにロータ及びケーシングの熱膨張の期間には、間隙変化により、移動するバケット先端が固定ケーシングに対して激しく摺擦することになる可能性がある。バケット先端間隙がこのように増大することにより効率低下を招くことになる。
【０００５】
これまでロータ対ケーシングの間隙変化に対処するために、アブレイダブルシールのような間隙制御装置が提案されてきた。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。この保護機構は、設計者がタービン又はエンジンの冷間組立間隙を減少させ、それによって望ましくない漏洩を低減し、従ってタービン又はエンジンの性能及び／又は効率を向上させることを可能にする。一般的にアブレイダブルシール又は皮膜を固定構成部品に施工し、ロータ組立体内にシールセグメントを機械加工及び／又はかしめ接合する。
【特許文献１】特開２００１−２３４７０５号公報
【特許文献２】特開２００３−０６５０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの解決策は、このような間隙を制御するための最適な設計になるとは考えられない。従って、それに代わる新たな問題を全く生じることなく上記の間隙制御問題の解決策を提供することになる新技術に対する要求が依然として在る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、回転機械に対して上記の要求を満たすように設計したシール組立体を提供することである。
【０００８】
１つの実施形態では、少なくとも１つのバケットを備えたロータとロータのための主ケーシングの一部を形成するステータとを有するタービン用のシール組立体は、主ケーシングの内面上に配置されるように構成されたベースシール部材と、少なくとも１つのバケットの先端部分に施工されるように設計かつ構成されたアブレイダブルシール部材とを含む。アブレイダブルシール部材は、ベースシール部材と対面状態で配置可能である。
【０００９】
別の実施形態では、タービン用のバケットを提供し、本バケットは、近位端及び遠位端部分を有し、近位端部分がそれを回転駆動要素に固定するための構造を含みまた遠位端部分が翼形部分を含む本体と、本体の遠位端部分に設けられたアブレイダブルシール部材とを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態では、タービンのロータバケットの先端部分とステータケーシングの内面との間の境界面をシールする方法を提供する。本方法は、ステータケーシングの内面上にベースシール部材を配置する段階と、少なくとも１つのバケットの先端部分にベースシール部材と対面状態でアブレイダブルシール部材を設ける段階とを含む。
【００１１】
さらに別の実施形態では、タービンを提供し、本タービンは、少なくとも１つのバケットを含むロータと、ロータのための主ケーシングを形成するステータと、シール組立体とを含み、シール組立体は、主ケーシングの内面上に配置されるように構成されたベースシール部材と、少なくとも１つのバケットの先端部分に施工されるように設計かつ構成され、ベースシール部材と対面状態で配置可能であるアブレイダブルシール部材とを含む。
【００１２】
好ましい実施形態のこれら及び他の態様を下記の図面と関連させて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、回転機械である。回転機械は、それに限定するのではないが、遠心圧縮機、発電機及びタービンを含む。タービンは、それに限定するのではないが、蒸気タービン及びガスタービンを含む。タービンは、それに限定するのではないが、圧縮機セクション及びタービンセクションを有する。本発明は以後タービンに関して説明するが、本発明は、それに限定されるのではなく、当業者には明らかなように任意の回転機械に適用されることを理解されたい。図１は、数ある要素の中でも特にタービンのケーシング及びロータを含む部分のような回転機械の一部分のみを示していることに注意されたい。
【００１４】
ここで図面、特に図１を参照すると、本発明の１つの実施形態の全体を符号１０で表したタービンを略図形式で示しており、該タービンは、中心長手方向軸線Ａを中心に回転可能でありかつ環状の外面１２ａを持つロータ１２を有する。複数のバケット１４が、例えばロータ１２の環状の外面１２ａ上に固定取付けされて設けられる。バケット１４は、ロータ１２の環状の外面１２ａの周りで円周方向に互いに間隔を置いて配置され、かつ該環状の外面１２ａからバケット１４の端部先端１４ａまで半径方向外向きに延びる。各バケット１４の端部先端１４ａは、翼形部形式の形状を含むことができる。外側ケーシング１６は、ほぼ環状かつ円筒状の形状を有し、またロータ１２及びバケット１４の周りに固定配置されかつ該ロータ１２及びバケット１４の半径方向外側に間隔を置いた内周面１６ａを有しており、外側ケーシング１６の内周面１６ａとロータバケット１４の端部先端１４ａとの間に環状のギャップ１８を形成するようになっている。実際の環状のギャップ１８は、約０．０２５０ｍｍ〜０．１ｍｍの公差で約０．２５０ｍｍ〜約２．０５ｍｍの範囲内の所定の距離とすることができる。もちろん、用途に応じて他の所定の距離及び公差が考えられる。
【００１５】
例えば比較的軟質材料のアブレイダブルシール部材２０が、バケット１４の端部先端１４ａに設けられる。アブレイダブルシール部材２０は、ケーシング１６の内周面１６ａとロータ１２と共に回転するバケット１４の端部先端１４ａとの間に形成された環状のギャップ１８内に配置される。ロータ１２及びバケット１４のケーシング１６に対する膨張差の間に、シール部材２０は、固定ケーシング１６による該シール部材との接触に応答して摩削される。このため、移動バケット先端１４ａと固定ケーシング１６との間での直接接触により、固定ケーシング１６と移動バケット１４との間に局所的空洞を生じることになり、従って、この固定ケーシング１６と移動バケット１４との間の間隙１８は、シール部材２０によって制御される。
【００１６】
１つの実施形態では、シール部材２０は、ベースシール部材２２と協働してシール組立体２４全体を形成することができる。ベースシール部材は、ケーシング１６の内面１６ａに設けられる。ベースシール部材２２は、例えば固着剤、機械的固締具等によるような任意の公知の適当な方法でケーシング１６の内面１６ａに配置することができる。ステータの一部を形成するケーシング１６とロータ１２とは、運転中にアブレイダブルシール部材２０とベースシール部材２２との間に接触が起こった場合にバケット１４のアブレイダブルシール部材２０によりベースシール部材２２が該アブレイダブルシール部材２０内に溝を切込むのを許すことになるように、構成される。
【００１７】
ベースシール部材２２は、ケーシング１６の内面１６ａ内に選択的に挿入可能なモジュール式交換可能インサートとして設計することができる。ベースシール部材２２は、ナイフエッジストリップ又はシールストリップのいずれか或いはそれらの組合せとすることができる。
【００１８】
シール部材２０は、各バケット１４の先端１４ａに、例えば溶射により設けられたアブレイダブル皮膜の形態を取ることができる。各バケット１４は、ロータ１２に接合された近位端とバケット先端１４ａを含む遠位端とを含む。バケットの遠位端は、アブレイダブルシール部材２０を含む。アブレイダブルシール部材２０はまた、固着剤及び／又は機械的固締具等を用いてバケット先端１４ａに固締された分離層とすることもできる。
【００１９】
図２は、本発明の別の実施形態を示す。図２において、複数のバケット１４’が、ロータ１２’に設けられる。各バケットの近位端は、ロータ１２’に接合される。各バケット１４’の遠位端にはバケットカバー２５が設けられる、すなわち遠位端はバケットカバー２５に接合される。バケットカバーは、当技術分野では公知である。ゼネラル・エレクトリック社に付与された米国特許第５３５０２７７号を参照されたい。バケットカバー２５は、ケーシング１６’の内面１６ａ’と対面状態で配置されたアブレイダブルシール部材２０’を含む。ケーシング内面１６ａ’は、例えばナイフシールの形態をした１つ又はそれ以上のベースシール部分２２’を含む。ベースシール部分２２’はまた、当技術分野では公知であるストリップシールの形態を取ることができる。
【００２０】
図２では、左側のバケットは、バケットカバーの垂直表面にはないが、各水平表面上に設けられたシール部材を含む。右側のバケットは、バケットカバーの水平及び垂直表面がシール部分２０”で覆われているという点で僅かに異なるシール部分２０”を含む。もちろん、バケットカバーは、図２に示す段付きバケットカバー構成とは異なり、図３に示すようにほぼ平坦な表面を含むことができる。
【００２１】
アブレイダブルシール部材２０、２０’として溶射皮膜を施工するのを容易にするために、各バケット１４の先端１４ａ又はバケットカバー２５は、図３に示すように１つ、好ましくは複数の歯状部２６を含むことができる。図３は、複数のバケット１４’及び対応するバケットカバー２５の概略図である。歯状部２６及び／又は溝付き／刻み目付き／粗面化表面を設けることにより、例えばアブレイダブル皮膜層のようなシール部材を先端１４ａ又はバケットカバー２５に固着するのが容易になりかつ／又は促進することができる。当技術分野では公知なように、円周方向に隣接するバケット１４のバケットカバー２５は、図３に概略的に示すように、パズルのような係合及び／又は相互噛合い表面を含み、それによって所定の列のバケットに対して一体のかつ／又は実質的に途切れのない連続表面を形成することができる。
【００２２】
本発明の別の実施形態は、タービンのロータバケットの先端部分とステータケーシングの内面との間の境界面をシールする方法に関する。この方法は、ステータケーシング１６、１６’の内面１６ａ、１６ａ’上に例えばナイフシール又はストリップシールのようなベースシール部材２２、２２’を配置する段階と、少なくとも１つのバケットの先端部分にベースシール部材２２、２２’と対面状態でアブレイダブルシール部材、例えば２０又は２０’を設ける段階とを含む。本方法は、機械の任意の回転構成部品に適用でき、タービンへの適用に限定されない。
【００２３】
簡単に言えば、本発明の１つの態様は、アブレイダブルシール部材を固定構成部品ではなく回転構成部品に単に設けるだけのことである。例えば皮膜のようなアブレイダブルシール部材をロータに施工することは、出願人が本発明を着想した時点では実証されていなかったので、この設置位置の変更を着想することは困難であった。加えて、アブレイダブルシールをこの新しい位置に設けることの危険性にもかかわらず、出願人は大きな成功を達成した。アブレイダブルシール部材の設置位置を変更することについての危険性は、１つの実施形態では、とりわけ一体の歯状部を先端又はバケットカバーに設けることを必要とし、このことにより、溶射をより複雑な状態にする可能性、大きなサイクル時間の追加を必要とする可能性、またこの位置でのアブレイダブルシール部材の剥離のより高い危険性、従って性能低下のより高い危険性が伴うことになった。
【００２４】
本発明の実施形態によると、装置設計者は、タービン又はエンジンの冷間組立間隙を減少させ、それによって望ましくない漏洩を低減し、従ってタービン又はエンジン効率の性能を向上させることができる。
【００２５】
アブレイダブルシール部材を回転構成部品に設けた後、例えば皮膜をバケット先端又はバケットカバーに施工した後に、回転構成部品は、公差まで機械加工してバランスさせることができる。例えばナイフエッジ又はストリップシールのようなベースシール部材２２、２２’は、固定構成部品（例えば、ケーシング１６）内に配置することができる。従って、冷間組立公差は、上記の範囲内で通常よりも厳密に設定することができる。回転部分がシール部材に接触した場合に、アブレイダブルシール部材により、例えばナイフエッジ又はストリップシールのようなベースシール部材が回転構成部品内に溝を切込むのを許すことになり、ベースシール部材２２、２２’を損傷させることはない。
【００２６】
図２に示すように、ロータ１２’は、バケット１４’の列を受けるための複数のチャネル３０を備えた外面１２ａ’を含む。列になったバケット１４’の各々の基部３２は、チャネル３０によって摺動して受けられるように構成される。しかしながら、基部３２は、チャネル３０の開口よりも大きいショルダ部３４を含み、それによってバケット１４’の半径方向の移動を防止する。
【００２７】
島状部３６が、隣接するチャネル３０の間でロータ１２’上に設けられる。図２においては、島状部３６は、例えば少なくとも１つ、好ましくは複数のナイフシール部分４０のようなベースシール部材３８を含む。ナイフシール部分４０は、ステータケーシング１６’に楔止したノズルベーン４６の遠位端４４に設けられたシール部材４２と共にラビリンスシールを形成する。
【００２８】
図４は、本発明によるシール組立体の別の実施形態を示す。具体的には、ロータ４８は、バケット５６の基部部材５４を受けるチャネルの隣接するチャネル５２間に設けられた島状部５０を含む。しかしながら、島状部５０には、上記したアブレイダブルシール部材と同様のアブレイダブルシール部材５８が例えば溶射によって設けられ、一方、ノズル６２の遠位端部分６０は、例えば複数のナイフシール部材６６のようなベースシール部材６４を含む。
【００２９】
図５は、分かりやすくするためにバケット５６を除去した状態で、ロータ４８を示す。この実施例では、アブレイダブルシール部材５８は、該アブレイダブルシール部材５８がロータ４８上の様々な溝及び隆起部分を覆うように、ロータ４８の外面上に取付けられるか又は溶射される。ロータ４８の軸方向範囲の一部分のみには、括弧及び点線で示すように、アブレイダブルシール部材５８が設けられる。しかしながら、より小さい軸方向範囲又はより大きい軸方向範囲（全軸方向範囲を含む）に、アブレイダブルシール部材５８を設けることが可能であると思われる。図６は、ロータ４８に設けられたアブレイダブルシール部材５８に対する、ノズルベーン６２の遠位端部分６０上のナイフシール部材６６の一部分の拡大断面図である。
【００３０】
ロータ内にナイフエッジシール又はストリップシールを機械加工する又は取付ける必要がなく、ロータの耐久性が一層増し、現場でロータの修理を行わなければならない可能性が大いに減少する。このことにより、ナイフエッジシール又はストリップシールを固定構成部品に配置することが可能になり、その場合にはこれらシールは、交換可能なインサートとして取付けることができる。これによって  タービン組立体の取付け又は修理時における長時間の再加工又は遅延の可能性が大いに減少する。
【００３１】
本構造の他の利点には、過渡運転時に摺擦を許す間隙を小さくすることと、ナイフエッジ又はストリップシールを固定構成部品に保持し、それによってタービンの修理性／利用性を大いに高めることとが含まれる。１つの可能性のある付加的な利点は、例えば皮膜のようなアブレイダブルシールを付加することによって、製造及び組立過程で生じる、冷間間隙に影響を与える効率の変動の影響を減少させ、従って同一の設計又は製造ラインの多数のユニットが運転時に同じ性能を有することになる傾向を向上させる。
【００３２】
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これまで説明してきたが、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示す参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するためのものではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の概略図。
【図２】本発明の別の実施形態を示す図。
【図３】図２に示す実施形態における円周方向列のバケットの一部分を示す概略図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態を示す図。
【図５】本発明のさらに別の実施形態を示す図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１０  タービン
１２  ロータ
１２ａ  ロータ外面
１４  バケット
１４ａ  バケット先端部分
１６  ケーシング
１６ａ  ケーシング内面
１８  環状の間隙
２０  アブレイダブルシール部材
２２  ベースシール部材
２４  シール組立体
【図１】
2005155620.tif 000003
【図２】
2005155620.tif 000004
【図３】
2005155620.tif 000005
【図４】
2005155620.tif 000006
【図５】
2005155620.tif 000007
【図６】
2005155620.tif 000008
【外国語明細書】
2005155620000001.pdf