JPS61501331A - 流体タ−ビン用のセグメント化された迷路型軸封止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体タービン用のセグメント化された迷路型軸封止装置 技術分野 本発明は、弾性流体タービン用の封止リングに関し、さらに詳細にはこの種の流 体タービンの回転部分と静止部分との間の流体漏れを最小にする封止リング装置 に関するものである。

背景技術 本発明は、弾性流体の軸流タービンに見られるシールに関するものである。この 種のシールは、回転軸が固定タービンケーシング中へ侵入する個所、およびさら にステージとタービンケーシング 置される。これらのシールは、回転部分と静止部分との間に低い流動係数を有す る小さいクリアランス領域を形成することにより、流体の漏れを防止しまたは減 少させる。向上した効率、最小の流体損失、および流体の漏れによって生ずる望 ましくない副作用の防止は全て、これらシールの予期した利点である。

これらのシールは、タービンの整列誤差、振動および熱歪みにより引き起こされ るｇｔｉｔｉｉを受け易い、これらの損傷を生ぜしめる要因の殆んどは始動時、 軽い負荷の際、或いはそれに続く急激な負荷損失の際に生ずる傾向がある。その 結果、これら状態において比較的大きいクリアランスの条件を与えてシールに対 する損失をできるだけ最小化させ、しかも高負荷に際し小さいクリアランス状態 を達成するのが望ましい、このような高負荷状懸は、効率が最大値に達する操作 およびタービン作動がシールの破損を惹起しうる殆んどの要因に対し安定してい る操作に対応する。

タービンの漏れを最小化させるため、各種のタービン設計が提案されている。こ れらのシールは、摩擦により生ずる損傷を最小化させるよう特殊に選択された材 料で作成される。

シールの形状は、摩！！９状態に際し最少量の熱および力しか必要としない薄い 歯型で設計される。シールリングは一般にスプリングで支持され、摩擦力をリン グに移動させて摩擦力および損傷を最小化させる。これらスプリングはシールリ ングを軸方向へ押圧するよう配置されるが、静止部分に位置するショルダ一部に より設けられた限界位置を越えない。

上記の問題は小さいクリアランス位置に制限されない特殊なシールリングによっ て減少しうろことが、ワースにより英国特許第１．２２４．２３４号公報に提案 されている。ワースは、実質的にシールリングの高圧側における単一の半径方向 クリアランス制限ショルダーを用いると共に、低圧側にシールがタービンケーシ ングと接触する内径近傍に小さいシール表面を設けたシールリングを提案してい る。この提案されたシールリング形状、は非対称形状を必要とし、この特許公報 に記載されたようにゼロまたは最小の側方スラスト力を発生し、その結果シール リングの半径方向運動に対して作用する摩擦が最小となる。７ワースのシールリ ングは充填リングに基づくものの大規模水蒸気タービンにおいては顕著な側方ス ラスト力を回避しうろことが広、く知られており、したがってワースに゛より提 案されたシールリングはこの種の水蒸気タービン用途においては非実用的であっ て適当でない。さらに、ワース装置の非対称形状は、所定の可使シール空間に設 けうる封止用歯数の著しい減少をもたらし、その結果漏れを大きくすると共に効 率を低下させる。

これら従来技術の欠点は、本発明により解消される。したがって、本発明の目的 は始動、停止および低負荷の状態においてシールのクリアランスを大きくし、し かも中負荷乃至高負荷における操作に際しクリアランスを小さくしうる弾性流゛ 体タービン用のシールリング装置を提供することである。

本発明の他の目的は、摩擦を生ずる大きい軸方向の力がシールリングにかかる現 存のタービン設計につき使用しうる流体タービン用の軸封止装置を提供すること である。

さらに本発明の他の目的は、流体タービンの効率を増大させると共に、シールに おける充填歯数を最大化し、しかも複数値１充填物の利用を可能にすることであ る。

本発明の他の目的は、シール損傷により引き起こされる操作効率の低下を減らす ことである。

さらに本発明の他の目的は、摩耗かつ損傷したシールを交減少させることである 。

さらに他の目的は、現在使用されているものよりも低い漏れ流量係数を有する小 さい操作クリアランスを可能にすることである。

発明の開示 これらおよびその他の目的は本発明により達成され、最少の漏れと従来得ちれて いるよりも大きい効率とを有する、タービンにおける複数位置充填リングの使用 を可能にする弾性流体タービン用のシールリングおよびばね装置を提供する。

より詳細には本発明は、固定ケーシングにより支持されかつそこに形成された環 状溝部に少なくとも部分的に設置されて、回転軸に対しシールリングの大きいク リアランスと小さいクリアランスとにそれぞれ対応する大直径位置と小直径位置 との間でシールリングの運動を可能にするようなセグメント化したシールリング を備えるシールリング装置を提供する。このソールリングｔｔｎは、ケーシング 上の１対の対向する離間ショルダ一部により部分的に画成され、ケーシングはタ ービンケーシングと回転軸との間のクリアランス領域中へ半径方向に突入する溝 部の開口部を形成する。

シールリングの各セグメントは、ｔａ＋回転軸の方向にその近傍まで延在するシ ール歯を備えた弧状の内側部分と、（１））ケーシングの半径方向内方に指向す る弧状面に対向位置して対向表面間の接触により大きいクリアランス位置を制限 するシールリングセグメントにおける半径方向外方に指向した弧状表面と、ｆＣ １軸方向および半径方向の両方向に移動するようシールリング溝部内に配置され ると共に、軸方向の反対方向に延在してそれぞれケーシング上の離間した１対の ショルダ一部と半径方向に接触させることによりシールリングおよび軸の小さい クリアランス位置を制限する外側リング部分と、ｆｄｌ弧状内側部分と外側リン グ部分との間に接続されかつケーシングショルダ一部間に延在する首部とを備え 、前記首部は対向ケーシングショルダ一部間の間隔よりも小さい軸方向厚さを有 して、ケーシングショルダ一部の一方に対しシールリングセグメントを軸方向に 位置決定すると共に、低いタービン流体圧を受ける首部の側に接触圧力シールを 与える。

圧縮ばね手段を備える半径方向位置決定手段をリングセグメントと係合させて、 これらセグメントを強制的に大きいクリアランス位置まで移動させると共に、ケ ーシングとリングセグメントとの間の環状空間に自由に流入する作動流体がこれ らセグメントを小さいクリアランス位置の方向へ揮圧するようにする。低速度か つ小タービン負荷においては、ばね力が主体となる一方、中負荷乃至高負荷の状 態では高流量と高作動流体圧とにより発生した圧力がばね力より大きくなってこ れらシールを小さいクリアランス位置に復帰させる。

したがって、本発明は主として２位置充填リング装置を提供し、低速度かつ低負 荷においてこれは大きいクリアランス位置に固定される。所定の低負荷および圧 力条件に達すると、リングは急激にその小さいクリアランス位置まで移動し、最 小の損失と最大効率とを確保する。

図面の簡単な説明 第１図は多段式軸流弾性タービンの部分断面平面図であって、本発明を例示する 軸シールリングを備えた１段階の部分を示し、 第２図は第１図の２−２線断面図であり、第３図は第２図に示したものと異なる シールリング配置を示す部分断面平面図であり、 第４図はこのシールリングの１部を示す斜視図である。

発明の最適実施例 第１図を参照して、タービンはロータ（すなわち参照符号１１で示した部分）と ケーシング（すなわち参照符号１２で示した部分）を備える。中間段階のシール については、部分１２（すなわちケーシング）はダイヤフラムとも称することに 注意すべきである。１個のみのシールリング１３を図示しているが、数個のこの 種のリングを直列に配置することもできる。タービンの残部は必ず、高圧水蒸気 を導入しかつこれを低圧で排出する手段と共にノズルとバケ７）とホイールと他 の部品とを備えることが当業者には理解され、本発明により得られるシール機能 をここで説明する必要はない、ここに図示しかつ説明するシールリングは、多く のタービンに見られる１例に過ぎない。

シールリング１３は複数の歯１４を備え、これらを半径方向に交互に段を付けて 軸の外周部分に対向配ｌする。参照符号１８における高圧流体および参照符号１ ９における低圧部により、陽圧が生じて歯１４と軸１１との間の小さい開口部に 形成された多数の絞部間に流体漏れを生ぜしめる。クリアランス面積と、歯の相 対的鋭利さと、絞邪の個数と、圧力および密度を含む流体条件と、漏れ流路の形 状との組み合せにより、周知の式および実験恒数にしたがい漏れ流量を決定する ０図示した形式以外の多数もしくは単一の漏れ校部を設けることには他の多くの 配置も使用される。

シールリングは、ケーシング１２の溝部１５内に保持される。第２図に示したよ うに、シールリングは４個もしくはそれ以上のセグメント化 配！し、シールリング部分をケーシングの接合部２７で分離するよう配置するこ とによりケーシングを組み立てまたは解体することができる。ばね１６を、圧縮 状態において各シールリングセグメントの各端部に位置せしめる。シールリング セグメント及びばね１６の周辺設置および保持は、ケーシング接合部２７の上方 および下方に設けられた固定部材２６により確保される。

「シールリング１３」という用語をここに使用したが、これらは個々のシールリ ングセグメントに通用することができ、したがって説明の内容にしたがって読ま ねばならないことが了解されよう。

シールリング１３の各セグメントは、第１図に参照符号１３で示したように、内 側リング部分を備え、これはその半径方向内方表面から延在するシール歯１４を 備えると共に、その半径方向外方表面２０ａはケーシング１２の半径方間表面２ １ａとの接触により大きいクリアランス位置を制限する。

さらに、シールリング１３はケーシング溝部１５内に配置された外側リング部分 １３３を備えて内側周面１３ｂを有し、゛この周面は下記するように表面１３ｂ とケーシング１２のショルダ一部１２ａにおける表面１７との接触により半径方 向内方への移動を拘束することによりシールリングセグメントの小さいクリアラ ンス位置を制限する。さらに、第１図に示したシールリング１３は内側リング部 分と外側リング部分との間に首部１３ｃを備え、ここにケーシングのショルダ一 部１２ａを固定してリングセグメントを軸方向に位置せしめる。

下記するように、シールリングの首部１３ｃは接触圧力表面を形成し、この表面 は参照符号２２で示したようにケーシングショルダ一部１２ａと直接接触する。

低負荷または、無負荷状態において、シールリングセグメントの重量と、ケーシ ングの限られた部分と、ばね１６の力とのみがシールリングに対して作用する。

これらばねは、これら条件下においてシールリングセグメントを各セグメント接 合部において分離させるのに充分な強さと寸法とを有するように選択される。こ れは、シールリングをより大きい直径限される。この空間を減少させて表面２０ ａと２１ａとの間で接触させると、もはや拡大は生じえない、環状空間は、リン グセグメントの半径方向外方移動により充分な空間を形成して、ロータとケーシ ングとの予想される最悪な整列ミスを吸収することにより、シールリング歯１４ に損傷を与えないような寸法とする。

タービンが運転速度を加速しかつ部分的に負荷されると、最悪の熱勾配、摂動お よび整列ミスの問題は一般に終了する。

負荷が増大すると、液圧が後記するようにリング周囲で比例的に増大し、ばねを 圧縮すると共にシールリングセグメントを表面１７における接触で拘束されるま で半径方向内方に移動させる。ケーシングにおけるシールリングおよび表面１７ の寸法は、歯１４とロータ表面との間に最小のクリアランスを形成するように選 択され、実用的には負荷された比較的宇宙運転に対し決定される。

シールリング１３をその高負荷（すなわち小さいクリアランス状態）で示す。シ ールの高圧例を参照符号１８で示す。

この圧力は破線で示した１個もしくはそれ以上の局部的開口部２３により開放し た連通が形成される結果、環状空間２４および１５内に持続する。たとえば、開 口部２３は、ショルダ一部１２ａの高圧側に局部的切欠部を設けて作成すること ができる。低圧状態１９も、環状空間２５内に維持される。

その結果これら圧力の軸方向の力がシールリングを低圧領域１９の方向へ押圧し て、シールリング１３とケーシング１２との間の個所２２において１れのないシ ールを形成することが容易に了解されよう。既知の寸法および圧力から、この軸 方向の力の大きさを容易に計算することができる。本発明は、大きさ決定しうる 軸方向の力を有し、その結果大きさ決定しろる摩擦力を下記するように吸収せね ばならないような充壜リングに関するものである。参照符号１６における半径方 向の力は、金属対金属の摩擦に打ち勝ってシールリングを半径方向に移動させる のに十分な大きさとせねばならない。

若干複雑であるが同様にして、半径方向の力も決定することができる。シールリ ング内側表面（ロータに面する倒）に１合った圧力分布を除き、他の全ての圧力 は上記と同様に決定される。シールの各歯には圧力低下が生ずる。一定のエンタ ルピー増大と共に各歯を連続流過する公知の条件を用いれば、一連の一定面禎の スロットルにつき試行錯誤の方法により比較的正確な圧力分布を計算することが できる。、幾つかの充填リングにおいては、計算を複雑にする多くの要素が存在 するが、これは当業者に公知であって容易に計算され乙。

半径方向の圧力分布を使用して、シールリングに対する適当な内方力を得るため のシールリングの寸法を選択する。設計の目標は、シールリングに対しこのリン グがそれ自身の重量、ばねの力および摩擦力に打ち謄ってリングをその内方（す なわち小クリアランス位置の方向）へ移動させるような力状感を確定することで あり、圧力条件はタービンがたとえば１０−３５％のような小さいが認めうる負 荷において作動している際に存在すると予想される。

比較的低圧力の条件を育するタービンについては、シールリングを軽Ｍ量で作成 しかっばね恒数の小さいばねを使用することが当業者には容易に了解されよう。

特に、シールリングの形状を変化させて、圧力により生ずる内方への力の大きさ を調節しうろことに注目すべきである。これは、高圧に露呈されるシールリング 外周部を変化させて行なうことができる。第３図はシールリング外側表面の大部 分高圧に露出させたシールリングを示しており、また第１図はシールリング外側 表面の小部分が高圧流体により作用を受けているリングを示している。さらに、 第３図は重量の小さいシールリングを示している。

弾性流体タービンの当業者に知られているように、タービンの殆んどの位置にお ける内圧はほぼ負荷に比例する。負荷および流量が増大すると、局部的圧力がほ ぼ直線的に増大する。これら状態において、タービン段階および殆んどのタービ ンシールリングにおける圧力低下が予想しうる直線状態で増大し、負荷および流 量を増加させる。この関係により、設計者は各シールリングに対する負荷および 圧力の条件を選択することができ、ばね力と重量とＦｇＷとの合力に打ち勝って シールリングをその小さいクリアランス位置の方向へ移動させる圧力を予測する ことができる。

上記したように、設計者は、ソールリング内に使用する寸法、Ｍ量およびばね恒 数を変化させることにより、この状態を部分的に調節することができる。

極めて多くの種類のばね１６を使用することができる。ばねは、高温度、振動お よび生じうる腐食条件に露呈された際長寿命および安定した特性を有するよう選 択せねばならない。

ねのような他の種類も使用することができる。

これらのばねは、状態に応じて異なる要件を必要とすることが判るであろう。第 ２図に見られるように、図示した４セグメントのシールリングにつき６個のばね が必要とされ、それぞれ位置２Ｂ、２９，３０．３１．３２および３３に設ける 。

位置２８および３０は、セグメントをその最大半径方向位置に押圧すると共にシ ールリングセグメントのＭ量を支持しかつ選択された圧力の大きさに耐えうるば ねを必要とする。

位置３１および３３は、支持すべきＭ量を持たない、これらは、その位置でクリ アランスを広げる傾向を存する小さい下方向の重量成分より小さいｌセグメント に対する圧力分布で生じた力に抗するよう設計せねばならない。

位置２９は、この位置における半径方向クリアランスを減少させる傾向がある小 重量に基づく力成分に加え、２つの対向リングセグメントから生ずる選択圧力弁 布に抗するよう設計したばねを備えねばならない。

位置３２は、大きいクリアランス状態を生ずる傾向があるセグメントのＭ量によ り生ずる下方向の力成分より小さい２つめ対向セグメントに対する圧力分布レベ ルに抗するよう設計せねばならない。

これらのばねは、破壊した際にも脱落しないような物理的寸法としかつ包囲部材 により囲繞すべきである。第４図を参照すれば、ばね用のポケット３４は、隣接 シールリングの一方または両方の最外周部を除去して得られることが判る。この 除去は、シール表面２２を阻害してはならない、ばねをシールリングのポケット ３４に対し適切な位置に取り付けて隣接シールリングまたは固定片２６と適切に 整列させることにより、ばねの正確な位置決定および拘束を最大限に確保するこ とができる。

各水平接合部における１個のばねを図示した２個のばねの代りに使用しうろこと も認められよう、これは、組み立てを複雑にしかつ運転中のばねの保持能力を低 下させる。さらに、これはそのような条件下でシールリングが位置移動するかを 合理的かつ正確に決定する可能性を制限する。何故なら、一般的ばねは、水平接 合部の上方および下方のセグメントにつき理想的である若干異なったばね力の要 求を同時に満たしえないからである。勿論、全セグメントが同し流れ条件下で同 時に位置移動することは必須でない。

シールリングセグメント間の空隙部は慎重に選択せねばならない。この選択は、 これを保持するケーシングまたはダイヤフラムの熱膨張に対比したシールリング の熱膨張を適切に反映するよう行われる。温度と熱膨張係数との両者を、各部品 につき考慮せねばならない。

本発明の範囲内において多（の改変をなしうろことが当業者には了解され、これ ら改変も本発明の思想および範囲内に包含される。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、４ 国際調資報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．回転部品と静止部品との間の漏れを最小にするシールを用いた弾性流体ター ビンにおいて、シール装置は、静止ケーシング内に形成された環状溝部により支 持されかつ少なくとも部分的に溝部に嵌め込まれて回転軸に関しシールリングの 大きいクリアランスおよび小さいクリアランスに対しそれぞれ対応する大直径位 置と小直径位置との間でシールリングを移動させうるセグメント化されたシール リングを備え、前記シールリング溝部は前記ケーシング上の一対の開口する離間 したショルダー部により部分的に画成されて前記ケーシングと前記回転軸との間 のクリアランス領域中に半径方向に突入する前記溝部の開口部を形成し、 前記シールリングの各セグメントはそこから前記回転軸の方向にその近傍まで延 在したシール歯を有する弧状の内側部分を備え、前記シールリングセグメント上 の半径方向外方に指向する弧状表面を前記ケーシングの半径方向内方に指向する 弧状表面に対向位置せしめて前記対向表面間の接触により前記大クリアランスを 制限すると共に、外側リング部分を前記シールリング溝部内に配置して軸方向お よび半径方向に移動するようにし、かつ軸方向に反対方向で延在する１対のショ ルダー部を設けて前記ケーシング上の１対の離間したショルダー部に対しそれぞ れ半径方向に接触させかつそれにより前記小クリアランス位置を制限し、さらに 前記内側弧状部分と前記外側リング部分との間に接続されて前記ケーシングショ ルダー部間に延在する首部を設げ、前記首部は前記対向ケーシングショルダー部 間の間隔よりも小さい軸方向厚さを有して、前記シールリングセグメントを前記 ショルダー部の一方に対し軸方向に位置せしめかつ低いタービン流体圧を受ける 前記首部の側に接触圧力シールを与え、 さらに前記リングセグメントに対し当接させた圧縮ばね手段からなる半径方向位 置決定手段を設けて、前記セグメントを前記大クリアランス位置まで強制移動さ せると共に、前記ケーシングと前記リングセグメントの間の現状空間に自由に流 入する作動流体により前記セグメントを前記小クリアランス位置の方向へ押圧さ せ、低速度かつ低ターピン負荷に際しばね力を主体とする一方、高流量かつ高作 動流体圧に際しその圧力が主体となるよう構成したことを特徴とする弾性流体タ ーピンのシール装置。
2. ２．前記ばね手段は、前記ケーシングショルダー部と前記リングセグメントにお ける外側リング部分の内表面との間に介装した平ばねを備える請求の範囲第１項 記載の流体ターピンシール装置。
3. ３．前記ばね手段は、これを前記ケーシングと前記リングセグメントとの間の位 置に保持するための固定手段を前記ケーシング上に備える請求の範囲第１項記載 の流体ターピンシール装置。
4. ４．前記ばね手段は、前記リングセグメントの端部間に介装されて前記リングセ グメントを前記大クリアランス位置まで移動させる圧縮ばねを備える請求の範囲 第１項記載の流体ターピンシール装置。
5. ５．前記シールリングセグメントの内側弧状部分は前記首部に対し１側部が接続 された内側リング部分を備えると共に、前記半径方向外方に指向する弧状表面を 有して、前記ケーシング表面との接触により大クリアランス位置を制限し、前記 内側リング部分はそこから延在する前記シール歯を備える請求の範囲第１項記載 の流体ターピンシール装置。
6. ６．前記内側リング部分は実質的に前記首部から軸方向に両方向へ延在して、前 記内側リング部分が実質的に前記首部より幅広くなるようにし、さらにそこから 前記クリアランス領域中へ半径方向に突入するシール歯を備える請求の範囲第５ 項記載の流体ターピンシール装置。
7. ７．前記ケーシングの半径方向内方に指向する弧状表面に対し対向位置する前記 シールリングセグメントにおける前記半径方向外方に指向する弧状表面は、前記 内側リング部分の半径方向外方に指向する表面からなる請求の範囲第６項記載の 流体ターピンシール装置。