JP2002122004A - 多重隙間ラビリンス封じ設計および関連方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蒸気通路の不動部分及び回転部分の間の洩れ
の流れを最小限に抑える為に蒸気タービンに使われるパ
ッキン・リング封じ集成体を提供する。 【解決手段】 パッキン・リング封じ集成体（１４）
は、半径方向内向きに伸びていて、蒸気タービンの回転
部品（１０）にある封じ面（２４、２６）と協働するよ
うになっている、複数個の軸方向に隔たる環状封じ歯
（２２）を持つ不動の環状封じリング（１６）を含み、
封じ歯（２２）及び封じ面（２４、２６）の間の半径方
向の隙間が所定量だけ変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転機械、更に具体
的に言えば、蒸気タービンのパッキン集成体の不動の部
分及び回転部分の間の洩れの流れを最小限に抑えること
に関する。

【０００２】

【発明の背景】蒸気タービンでは、蒸気通路の固定部分
及び回転部分の間の洩れの流れを最小限に抑える手段と
して、パッキン・リングが使われている。こういうパッ
キン・リングは弓形リング・セグメントで構成されてお
り、各々のセグメントが、弓形リング・セグメントと一
体に加工されるか又はこのセグメントに挿入される軸方
向に隔たる多数の歯を持っている。セグメントの全体が
環状封じとなる。パッキン・リング・セグメントが、そ
の相手となる、ダイアフラム又はケーシングのようなタ
ービンの不動部分に加工された溝に取付けられ、タービ
ンの回転部分、例えば、回転子と密なはめ合わせになる
ように半径方向に位置ぎめされる。典型的には、パッキ
ン封じ区域では、回転子は軸方向に隔たる環状ランドを
作るように加工されており、こういうランドが、ランド
の間にある回転子表面と共に、パッキン集成体の一部分
と見なされている。歯と回転子の間の密なはめ合わせが
「隙間(clearance) 」と呼ばれ、この隙間を最小限に抑
えることが、蒸気タービンの効率を最大にする上で重要
である。

【０００３】始動、運転停止又は負荷の変化の際の蒸気
タービンの過渡的な運転状態により、回転部分が不動部
分に接触し（即ち、「擦り」）、パッキン歯を摩耗させ
て隙間を一層大きくする場合が多い。この「擦れ」又は
摩耗により、歯はきのこ形の輪郭になり、これは隙間が
同様である場合、尖った歯よりも洩れが一層大きくなる
ことを許す。タービンの正常な運転でも、パッキン歯の
摩耗により、隙間が一層大きくなる。蒸気タービンの典
型的なパッキン・リングに於ける摩耗の大きさは、装置
が点検を受けるときに得られる現場検査データに基づい
て、蒸気タービンの異なる形式に対して統計的に記述す
ることが出来る。このデータを蓄積し、それを解析し
て、タービン段の番号及びコード形式によって分類され
た摩耗データの平均及び標準偏差を決定する。

【０００４】蒸気タービンの通常の設計のやり方は、パ
ッキン・リング・ハードウエアを設計するのに、きつ
い、一定の初期隙間が得られるようにし、上に述べたよ
うに、始動の際に「擦れ」によって又は最終的には時間
に互る摩耗によって、この隙間が開くようにしている。
パッキン・リングの重要な設計パラメータは、全部のパ
ッキン歯が、個別のパッキン・リング内にあることごと
くの歯に対して同じ隙間になるように加工されることで
ある。この為、パッキン・リングが摩耗すると、パッキ
ン・リング内にある全部の歯の隙間が大体同じ量だけ増
加する。これは現場から得られたデータとも一致してい
る。

【０００５】

【発明の概要】本発明は、回転機械の不動部分及び回転
部分の間の洩れの流れを最小限に抑える装置及び方法を
提供する。具体的に言うと、蒸気タービン内のパッキン
封じ集成体が、封じの軸方向の範囲に互って変化する半
径方向の隙間を持つように設計される。この方式は、運
転の過渡状態及び予想される封じの摩耗を考慮に入れる
ことにより、封じの寿命に互って洩れの流れを最小限に
抑える。ここに説明する発明を、ラビリンス形の封じの
場合に関連して説明するが、本発明はこの他の封じの形
式にも用いることが出来る。例えば、本発明は、隙間が
一定又は可変の一体形及び挿入形の両方の歯形パッキン
・リングの設計並びにブラシ封じを含むパッキン・リン
グにも適用することが出来る。本発明は、互いに異なる
設計のスピル・ストリップ・バケット先端封じにも適用
し得る。

【０００６】封じの最適化は、（イ）パッキン・リング
内の個別の歯を異なる高さに加工すること、並びに／又
は（ロ）回転子のランドを異なる高さに加工することの
何れかによって達成される。この２つの案の何れか又は
両方により、不動部分（即ちパッキン・リング）及び回
転部分（即ち、回転子のランド）の間の半径方向の隙間
は一定ではなくなる。この為、タービン回転子が過渡的
な運転（即ち、「擦れ」）によって何れかの歯を摩耗さ
せたとき、封じ集成体の中には依然として尖った歯が残
っている。所定の隙間を持つ歯の場所及び数を最適にし
て、機械の予想される運転状態に互り、洩れをごく小さ
くするようにすることが出来る。これは、パッキン・リ
ングの流れ係数（即ち、洩れ率）と所定の機械形式の予
想摩耗の間の伝達関数を開発することによって、達成す
ることが出来る。最適化した設計は、摩耗データがこれ
から説明するような統計的に定められた分布に従うの
で、統計に基づいている。

【０００７】従って、広義に見れば、本発明は、蒸気通
路の不動部分及び回転部分の間の洩れの流れを最小限に
抑える為に蒸気タービンに使われるパッキン・リング封
じとして、半径方向内向きに伸びていて、蒸気タービン
の回転部品にある封じ面と協働するようになっている複
数個の軸方向に隔たる環状封じ歯を持つ不動の環状封じ
リングを有し、封じ歯と封じ面の間の半径方向の隙間が
所定量だけ変化するパッキン・リング封じを提供する。

【０００８】別の一面では、本発明は回転し得る機械の
軸を取巻く不動の部品と、機械の軸と共に回転し得る複
数個の面の間で、回転し得る機械の軸に沿って軸方向に
起こる洩れの流れを最小限に抑える方法として、イ）複
数個の軸方向に隔たる環状歯を持つラビリンス封じリン
グを設け、ロ）前記複数個の軸方向に隔たる歯が前記機
械の軸と共に回転し得る前記面と協働するように封じリ
ングを機械の軸の周りに取付け、ハ）軸方向に隔たる歯
と機械の軸と共に回転し得る面の間に所定の変化する半
径方向の隙間を定める工程を含む。

【０００９】

【発明の詳しい説明】図１にパッキン・リング集成体、
即ち、回転機械に見られる形式のラビリンス封じを示し
てあり、図１には蒸気タービンの場合を示している。蒸
気タービンが、一部分を１２で示したハウジング内に配
置され且つ支持された軸又は回転子１０を有する。ラビ
リンス形パッキン封じ１４が回転子１０及びハウジング
１２の固定部分の間に配置されていて、回転子１０を取
巻くと共に、封じリング１６の軸方向両側の高圧及び低
圧領域を分離する封じリング１６を含む。１つの封じリ
ングしか示していないが、タービンの各段の近くに、回
転子の周りには多数のラビリンス封じが設けられること
が理解されよう。

【００１０】各々の封じリング１６は弓形封じセグメン
ト１８（１つだけ示してある）の環状配列で形成され、
各々のセグメントが封じ面２０及び半径方向内向きに突
出する、軸方向に隔たった複数個の歯２２を有する。歯
は「ハイ−ロー」形の設計で、歯２２と隆起したランド
２４及び隆起したランドの間にある面２６の間は密な隙
間になっている。この為、ラビリンス封じは、封じの両
側にある高圧領域から低圧領域のへの流体の流れに対し
て比較的多数の障壁（即ち、歯）を持っている。「ハイ
−ロー」形の設計である為、流体は曲がりくねった通路
を流れるように強制され、封じの前後で圧力降下を生ず
る。

【００１１】封じセグメント１８は背後にばねを設けて
あるのが典型的であり、その為回転子／封じの厳しい干
渉（又は擦れ）が生じたとき、自由に半径方向に動け
る。ある設計では、ばねは、始動及び運転停止のとき、
セグメントを回転子１０から半径方向に離れた状態に保
つが、回転子の速度が上がると、封じセグメントとハウ
ジングの間の室２１内の流体圧力がセグメント１８を回
転子１０に向かって変位させる。

【００１２】歯２２と回転子面２４、２６との間の組立
て時の隙間は、パッキン・リングに互る全部のパッキン
歯に対して一定であった。このように半径方向の隙間が
一定になるのは、全部の不動の封じ歯２２及び回転子ラ
ンド２４が、所望の一定の隙間になるように加工されて
いるからである。本発明の被譲渡人によって製造される
蒸気タービンでは、最初の組立て時に、この隙間は０．
０１５又は０．０２５吋であるのが典型的である。しか
し、本発明では、全部ではないにしても、少なくとも若
干の歯では、この隙間が、約０．０１５乃至０．０４５
吋の範囲内で変化する。この変化は予め定められてい
て、従来使われていた０．０１５の隙間又は０．０２５
の隙間の何れかに対する製造上の許容公差の範囲外であ
る。個別の歯／回転子ランドの高さの組合せ、従って隙
間は、歯の摩耗に対する統計分布に基づいて定められ
る。この設計は、パッキン・リングの最終的な加工段階
で、個別の歯２２（又は歯の群）及び／又は回転子ラン
ド２４を異なる直径に加工することによって達成するこ
とが出来る。しかし、所定の隙間の変化パターンは、規
則的又は固定であってもなくてもよい。即ち、封じ歯に
対する従来の摩耗データに基づいて、所望の範囲内で任
意の隙間の混合せであってよい。

【００１３】本発明を最も実用的で好ましい実施例と現
在考えられるものに関連して説明したが、本発明がここ
に開示した実施例に制限されず、特許請求の範囲内に含
まれる種々の変更及び同等の配置をカバーするものであ
ることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による蒸気タービンのパッキン封じの断
面図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気通路の不動部分及び回転部分の間の
   洩れを最小限にする為に蒸気タービンに使われるパッキ
   ン・リング封じ集成体に於て、 半径方向に伸びていて、蒸気タービンの回転部品（１
   ０）にある封じ面（２４、２６）と協働するようになっ
   ている、複数個の軸方向に隔たる環状封じ歯（２２）を
   持つ不動の環状封じリング（１６）を有し、前記封じ歯
   （２２）及び前記封じ面（２４、２６）の間の半径方向
   の隙間が所定量だけ変化している、パッキン・リング封
   じ集成体。
2. 【請求項２】 前記封じリング（１６）が複数個の弓形
   セグメント（１８）で構成されている請求項１記載のパ
   ッキン・リング封じ集成体。
3. 【請求項３】 回転自在の機械の軸（１０）を取巻く不
   動の部品（１２）及び前記機械の軸と共に回転し得る複
   数個の面（２４、２６）の間で回転し得る機械の軸に沿
   って軸方向に起こる流れの洩れを最小限に抑える方法に
   於て、 複数個の軸方向に隔たる環状の歯（２２）を持つラビリ
   ンス封じリング（１６）を設ける工程と、 前記複数個の軸方向に隔たる歯（２２）が前記機械の軸
   と共に回転し得る前記面と協働するように前記封じリン
   グ（１６）を前記機械の軸の周りに取付ける工程と、 前記軸方向に隔たる歯（２２）及び前記面（２４、２
   ６）の間に所定の変化する半径方向の隙間を定める工程
   と、を含む方法。
4. 【請求項４】 前記半径方向の隙間の変化が、歯の摩耗
   の統計分布の関数として決定される請求項３記載の方
   法。