JP2014531555A - ラビリンスシール - Google Patents

Abstract

蒸気タービンまたはガスタービンのロータとステータとの間の環状空間を封止するためのラビリンスシールであって、軸方向に連続して配置され、ステータに固定され、かつ空間に突出している複数のシールストリップを備えており、そのシールストリップは、シール効果を生じつつ、交互に配置されたロータ側シール部材と相互作用している。そのようなラビリンスシールにおいて、対称位置に関してオフセットしている、低温の設置状態におけるシールストリップによって、高いシール効果が達成される。オフセットは、低温の設置状態から高温の定常運転状態に加熱されたときに固定部材および回転部材が熱膨張する結果として、シールストリップが、隣接するロータ側シール部材に関して変位する方向とは逆向きであり、かつその変位の距離と同じ量である。

Description

本発明は、回転式熱機械の分野に関する。本発明は、回転式熱機械、特に蒸気タービンまたはガスタービンの固定部分と回転部分との間の環状空間を封止するラビリンスシールに関する。

発明の背景
図１は、一般的に知られている相互係合ラビリンスシールシステムの、大幅に簡略化した形態の詳細図である。図１に示されているラビリンスシール２４は、（内側の）回転部分１２と回転部分１２を同心円状に囲んでいる固定部分１０との間の環状空間１１を、気体の貫流に対して封止している。相互係合ラビリンスシール２４は、固定部分１０に固定されたステータ側シールストリップ１３と、回転部分１２に固定されたロータ側シールストリップ１４とを備えており、それらのシールストリップは、交互に配置されており、かつそれぞれの向かい合っているシールストリップの空間において半径方向に係合している。

しかし、図１の相互係合ラビリンスシールには、上記の構成において以下のような問題がある。

ロータおよびステータの熱的に誘発された大きな変位によって、ラビリンスシールシステムの隙間に大きな変化が生じ、それによって、シールストリップが、設置状態におけるその中央位置から移動し、定常条件下で、その中央位置に全く戻らないかまたは部分的にしか戻らなくなる。結果として生じた変位位置におけるラビリンスシールのシール効果は悪影響を受けることがあるので、漏洩損失が大きくなり、かつ機械の定常力および効率が悪影響を受けることがある。

ロータが、直径が階段状になった複数の部分に追加的に分割されている、別の構成の相互係合ラビリンスシールは、例えば、米国特許第５０２９８７６号明細書から知られている。

発明の概要
蒸気タービンまたはガスタービンの固定部分と回転部分との間の環状空間を封止するためのラビリンスシールであって、軸方向に連続して配置され、固定部分に固定され、かつ空間に突出している複数のシールストリップを備えており、その複数のシールストリップは、シール効果を生じつつ、交互に配置されたロータ側シール部材と相互作用している。

本発明は、周知のラビリンスシールの不都合を避け、特に定常運転時に達成される最良の気密性を特徴とするラビリンスシールを製造することを目的とする。

この目的は、請求項１の全ての特徴により達成される。

本発明の１つの態様には、従来の両側ラビリンスシールと同様に、同じように相互係合しているが、シールストリップが低温の設置状態において対称位置に関してオフセットしたラビリンスシールを設計することが含まれる。このオフセットは、固定支持構造体および回転部分が低温の設置状態から高温の定常運転状態に加熱されたときに熱膨張する結果として、シールストリップが、隣接するロータ側シール部材に関して変位する方向とは逆向きであり、かつその変位の距離と同じ量である。

そのため、オフセットは、シールストリップが定常運転時に対称位置に移動するように、すなわち、１つのシールストリップから２つの隣り合うロータ側シール部材までの距離がそれぞれ同じになるように選択される。

１つ実施の形態では、ラビリンスシールは、従来の両側ラビリンスシールと同様に、同じように相互係合する形式で設計されている。しかし、ロータに挿入される別個のロータ側シールストリップに代えて、回転部分に直接形成または成形されたシール部材をこの場合使用している。そのため、回転部分の構造化された周面は、支持体であるだけでなく、それ自体がシールシステムの一部を形成している。

非対称的な低温の設置位置においては、ロータ側シール部材から近くのシールストリップまでの距離は、遠くのシールストリップまでの距離の０．５倍である。

１つの実施の形態では、低温の設置状態においては、ロータ側シール部材から近くのシールストリップまでの距離は、遠くのシールストリップまでの距離の０．２倍〜０．８倍である。さらなる実施の形態では、低温の設置状態においては、ロータ側シール部材から近くのシールストリップまでの距離は、遠くのシールストリップまでの距離の、好ましくは０．３倍〜０．６倍である。

本発明のラビリンスシールの別の実施の形態は、２つの隣り合うロータ側シール部材の間の突出形成部はそれぞれ、略矩形断面を有しており、かつ空間に向かって半径方向に延びていることを特徴としている。

シールのさらなる有利な特徴は、本発明の開発によれば、回転部分が、軸方向で直径が変化した中間成形部を隣り合う突出形成部の間に有し、かつ固定部分の各シールストリップとの相互作用時に、ロータとステータとの間の熱的に誘発された変位が補償されるように、中間成形部の外径の変化が設計されると得られる。その結果として達成される効果は、回転部の形状によって、直接、隙間の受動的な制御が可能になることである。

この場合、中間成形部が、関連するシールストリップの領域において、ロータとステータとの間における軸方向の相対運動時に、シールの隙間を変える円錐部を有することが特に想定される。

しかし、中間成形部が、関連するシールストリップの領域において直径段部を有することも想定される。

１つの実施の形態によれば、突出形成部の中間成形部はそれぞれ、２つの隣り合うロータ側シール部材の間の中央において最大高さを有しており、それによって、定常運転時に、シールストリップはそれぞれ最大高さの領域に向かい合って位置し、シールストリップと中間成形部との間の自由隙間が最小になる。

ラビリンスシールの回転部分は、例えば、ロータそのもの、動翼またはロータの熱シールドである。通常、ロータには、シャフトカバーの領域、すなわちコンプレッサとタービンとの間の領域において、コンプレッサからの空気がタービンに直接漏れるのを制御するラビリンスシールが設けられている。２次流れを減らすために、動翼および熱シールドにはラビリンスシールが設けられている。特に、動翼のシュラウドには、設置状態で、包囲型のラビリンスシールを周囲の部分と共に製造するシール部材（シールストリップ、ラビリンスシール、リブまたはブリッジ）が設けられていることが多い。

次いで、本発明を、例示的な実施の形態に基づいて、図面とともにより詳細に説明する。

ステータ側およびロータ側に挿入されたシールストリップを有する、両側で相互係合しているラビリンスシールの詳細を簡略図で示す図である。 図１に類似した図であって、シールストリップが非対称に位置している、本発明によるラビリンスシールの第１の例示的な実施の形態の図である。 図２に類似した図であって、シールストリップに代わってロータ側突出形成部を有している、本発明によるラビリンスシールの第２の例示的な実施の形態の図である。 図３に類似した図であって、複数のロータ側突出形成部の間に配置されている、直径段部と円錐部とを有しているロータの中間成形部を備えた、本発明によるラビリンスシールの第３の例示的な実施の形態の図である。

発明を実施するための形態
図２は、図１に類似した図であって、本発明によるラビリンスシールの第１の例示的な実施の形態を示している。図１のシールでは、ステータ側のシールストリップ１３がそれぞれ、ロータ側の２つのシールストリップの間の中央において対称に配置されているのに対して、ステータ側のシールストリップ１３がそれぞれ非対称に配置されている。ステータ側のシールストリップ１３’から、右側の隣接するロータ側シールストリップ１４ｂまでの距離ｂは、ステータ側のシールストリップ１３’から、左側の隣接するロータ側シールストリップ１４ａまでの距離ａの一部である（ｂのａに対する比は１未満）。図２は、ラビリンスシール２５の低温の設置状態を示している。回転部分１２に関する、ステータ側のシールストリップ１３のシール端部の過渡的運動２８も示されている。低温状態から定常状態への全体的な運動が示されている。低温状態から高温状態への結果として生じた変化２９も示されている。

図３は、図２に類似した図であって、ステータ側シールストリップ１３と相互係合する形式で相互作用している、シールストリップのようなロータ側突出形成部１９を備えているラビリンスシールの例示的な実施の形態を示している。突出形成部１９は、互いに関して同じであり、かつ互いに関して同じ軸方向間隔を有している。突出形成部は略矩形断面を有しており、かつ回転部分１２と固定部分１０との間の空間１１に向かって半径方向に延びている。突出形成部１９の（軸方向）厚さは、シールストリップ１３の厚さよりも著しく厚くなっている。突出形成部１９は、隣り合うシールストリップ１３の間において、ネガティブオフセット２９によって中央から変位して配置されている。複数の突出形成部１９とその間にある中間成形部２１との間の移行部は、切欠き効果を最小化するために丸くなっている。中間成形部２１は、わずかに凹んだ設計になっており、かつ中間成形部２１の中央にその最下点を有している。中間成形部２１のわずかな曲線の結果として、回転部分１２および固定部分１０が軸方向において相対的に動いた場合、結果として得られるラビリンスシール２７の隙間に比較的小さな変化が生じる。低温状態から高温状態への結果として生じる変化２９も示されている。低温状態から高温状態への結果として生じる変化２９は、シールストリップ１３が、定常運転中に複数の突出形成部１９の間の中央に位置するようになることを明確にしている。

この状況は、図４の例示的な実施の形態の場合では異なっている。図４は、図３に類似した図であって、より顕著に構造化されており、かつ直径の***部分によって分離されている鋭い直径段部２１ａと円錐部２１ｂとを備えているロータ側部分１２の、複数のロータ側突出形成部１９の間に配置されている中間成形部２１を備えた、本発明のラビリンスシールの別の例示的な実施の形態を示している。これによって、熱膨張の際に、ラビリンスシール２７の隙間に所定の変化が生ずることができる。したがって、特に、定常運転時に、シールストリップ１３に、低温状態から高温状態への結果として生じる変化による変位２９が生じた後に、シールストリップ１３は、中間成形部２１に向かい合って位置するようになる。その結果、損失が最小化される。

概して、本発明を使用することによって、ガスタービンまたは蒸気タービンのためのラビリンスシールが製造されるが、そのラビリンスシールは、定常運転時に高い気密性を有することができ、かつ隙間の受動的な制御を簡単な形式で可能にすることができる。

１０ 固定部分
１１ 空間
１２ 回転部分
１３，１３’ シールストリップ（ステータ側）
１４，１４ａ，１４ｂ シールストリップ（ロータ側）
１９ 突出形成部（ロータ）
２１ 中間成形部
２１ａ 直径段部
２１ｂ 円錐部
２４，．．．，２７ ラビリンスシール
２８ シール端部の過渡的運動
２９ 低温状態から高温状態への変化

Claims (6)

1. 蒸気タービンまたはガスタービンの固定部分（１０）と回転部分（１２）との間の環状空間（１１）を封止するためのラビリンスシール（２５，．．．，２７）であって、
   複数のシールストリップ（１３）を備え、該複数のシールストリップ（１３）は、軸方向に連続して配置されており、かつ前記固定部分（１０）に固定されており、かつ空間（１１）に突出しており、前記複数のシールストリップ（１３）は、シール効果を生じつつ、交互に配置されているロータ側シール部材（１４，１９）と相互作用する、ラビリンスシール（２５，．．．，２７）において、
   前記複数のシールストリップ（１３）は、前記低温の設置状態において対称位置に関してオフセットされており、
   該オフセットは、固定支持構造体および回転部分が低温の設置状態から高温の定常運転状態に加熱されたときに熱膨張する結果として、前記シールストリップ（１３）が、隣接するロータ側シール部材（１４，１９）に関して変位する方向とは逆向きであり、かつ該変位の距離と同じ量であることを特徴とするラビリンスシール。
2. 前記低温の設置状態においては、前記ロータ側シール部材（１４，１９）から、前記固定部分（１２）の最も近いシールストリップまでの前記距離（ｂ）は、前記遠方のシールストリップまでの前記距離（ａ）の０．２倍〜０．８倍である、請求項１記載のラビリンスシール。
3. 前記ロータ側シール部材は、前記回転部分（１２）の環状突出形成部（１９）として形成されている、請求項１または２記載のラビリンスシール。
4. ２つの隣り合うロータ側シール部材（１９）それぞれの間の前記突出形成部は、略矩形断面を有しており、かつ前記空間（１１）に向かって前記半径方向に延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載のラビリンスシール。
5. ２つの隣り合うロータ側シール部材（１４，１９）それぞれの間の前記突出形成部は、前記軸方向で直径が変化した中間成形部（２１）を有しており、かつ前記固定部分（１０）の前記シールストリップ（１３）との相互作用時に、回転部分（１２）と固定部分（１０）との間の熱的に誘発された変位が補償されるように前記中間成形部（２１）の前記直径の前記変化が設計されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のラビリンスシール。
6. 前記突出形成部の前記中間成形部は、２つの隣り合うロータ側シール部材（１４，１９）それぞれの中央に最大高さを有しており、定常運転時に、前記シールストリップ（１３）がそれぞれ、この領域に向かい合って配置され、かつシールストリップ（１３）と中間成形部との間の前記自由隙間が最小になる、請求項５記載のラビリンスシール。

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