JP6266197B2

JP6266197B2 - タービンエンジンシール

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Publication number: JP6266197B2
Application number: JP2011171432A
Authority: JP
Inventors: シャオシン・ゼン; ジョナソン・エドワード・スレプスキ; タオ・グオ; ジョシー・ジョン; スダカール・ニーリ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: FR2963957A1; JP2012041923A; US20120043728A1; US8434766B2; RU2011134329A; DE102011052671A1; FR2963957B1

Description

本発明は、全体的に、タービンエンジンの効率及び作動を改善するためのシステム及び装置に関し、タービンエンジンは、本明細書で使用される場合、特に記載のない限り、蒸気タービンエンジン、燃焼タービンエンジン、航空機エンジン、発電用エンジン、及びその他を含む、全てのタイプのタービン又は回転エンジンを含めるものとする。より具体的には、限定ではないが、本発明は、タービンエンジン用のシールに関連するシステム及び装置に関し、特に、タービンエンジンの静止部品及び回転部品間の漏出流を最小限に抑えることに関する。

多くのタービンエンジンにおいて、静止部品及び回転部品間の作動流体の漏出流を最小限に抑える手段として、ラビリンスシールが使用されることが多い。これらの静止部品及び回転部品はほぼ放射状の形状である。一般的に、これらのシールは、静止又は回転部品のいずれかに複数の軸方向に離間した歯状部を含み、該歯状部は、半径方向表面と一体的に機械加工されるか、或いは、該半径方向表面に挿入される。典型的には、対向する半径方向表面は、軸方向に離間し突出する環状ランドを提供するよう機械加工され、該ランドは、その間の半径方向表面と共にシール組立体の一部とみなされる。歯状部と、ランドの高い部分及び低い部分との間のギャップはクリアランスと呼ばれ、作動流体の漏出を最小限に抑える際に最小クリアランスを維持することが不可欠であり、これによりエンジン効率が向上する。

しかしながら、例えば、エンジン始動、シャットダウン、又は負荷スイングを含むことができる運転過渡条件は、多くの場合、静止部品に関連して回転部品の軸方向移動及び半径方向膨張をもたらし、これにより半径方向表面上にラビリンスシールを画成する歯状部又は他の構造体と、対向する半径方向表面上の歯状部又は構造体との接触又は衝突を引き起こす可能性がある。この接触は通常、半径方向表面の歯状部及び輪郭の摩耗を生じる。このような損傷は、シールの漏洩及び作動流体漏出の増大をもたらす可能性がある。

従来の蒸気タービン設計の実施には一般に、一方で効果的なシールの付与と、他方でシールへの最小限の損傷の確保との間でのトレードオフが必要とされる。既存のシールは、効果的なシールを提供できるが、これらの設計は、ロータの軸方向移動に起因してその後にシールに損傷をもたらすことになる。或いは、他の従来のシールはこのような損傷を防ぐことができるが大きなクリアランスを必要とし、ギャップを通過する作動流体の流れをシールする仕事が不十分になる。

米国特許第７３４４３５７号明細書

本発明の第１の態様は、静止構造体と回転構造体との間の半径方向ギャップを通る軸方向漏出を阻止するためのシールを提供する。半径方向ギャップは、該半径方向ギャップを隔てて外側半径方向表面に対向する内側半径方向表面によって画成される。シールは、内側半径方向表面及び外側半径方向表面の一方に配置される１以上のランドを含む。１以上の第１の歯状部と１以上の第２の歯状部とが半径方向表面の他方から突出する。第２の歯状部は第１の歯状部よりも短い。第１の歯状部と第２の歯状部の少なくとも一方が、上流方向の角度で延在するよう構成される。この角度は、第１の歯状部又は第２の歯状部が延在する基点となる半径方向表面と、同じ歯状部の上流側表面との間で画成される。角度は約８０度以下である。

本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を綿密に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。

例示的な対向流高圧（ＨＰ）／中圧（ＩＰ）蒸気タービンの概略図。図１に示す蒸気タービンで用いることができるタービンノズルダイアフラム及びパッキン又はシールケーシングの拡大概略図。図１に示す蒸気タービンで用いることができるラビリンスシール組立体の例示的な実施形態。本発明の１つの態様による、図１に示す蒸気タービンで用いることができるラビリンスシールの部分断面図。図３に示すのと類似したシールと、図４に示すシールとの間のクリアランス距離（ミル単位）に対するパーセント流量減少のグラフ。本発明の１つの態様による、図１に示す蒸気タービンで用いることができるラビリンスシールの部分断面図。本発明の１つの態様による、図１に示す蒸気タービンで用いることができるラビリンスシールの部分断面図。本発明の１つの態様による、図１に示す蒸気タービンで用いることができるラビリンスシールの部分断面図。

本発明の１以上の態様を蒸気タービンに関連する応用及びその運転に関して以下で説明する。しかしながら、本発明があらゆる好適なエンジン、ガスタービン、蒸気タービン、タービン又はタービンエンジンにも同様に適用可能であることは、当技術分野に精通し且つ本明細書における教示に関心がある当業者には明らかな筈である。

加えて、本明細書では幾つかの記載上の用語を用いる場合がある。これらの用語の意味は以下の定義を含むものとする。本明細書で使用される「下流」及び「上流」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。すなわち、用語「下流」とは、流れ方向を意味し、用語「上流」とは、タービンエンジンを通る流れとは逆方向を意味する。これらの用語に関連して、用語「後方」及び／又は「後縁」は、説明されている構成要素の下流方向、下流端部、及び／又は下流端部の方向を指す。また、用語「前方」又は「前縁」は、説明されている構成要素の上流方向、上流端部、及び／又は上流端部の方向を指す。用語「半径方向」は、軸線に垂直な動き又は位置を指す。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに必要となることが多い。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線により近接して位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「内寄り」又は「半径方向内向き」にあると表現することができる。反対に、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線からより遠くに位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「外寄り」又は「半径方向外向き」にあると表現することができる。用語「軸方向」とは、軸線に平行な動き又は位置を指す。また、用語「円周方向」とは、軸線を中心とした動き又は位置を指す。蒸気タービンにおける用語「ノズル」とは、ガスタービン及びジェットタービンにおける「ステータ」と同じ構造体を指す。

図１は、高圧（ＨＰ）セクション１２と中圧（ＩＰ）セクション１４とを含む例示的な対向流蒸気タービン１０の概略図である。外側シェル又はケーシング１６は、それぞれ軸方向で上半及び下半セクション１３及び１５に分割され、且つＨＰセクション１２及びＩＰセクション１４の両方に延在する。シェル１６の中央セクション１８は、高圧蒸気入口２０と中圧蒸気入口２２とを含む。ケーシング１６内において、ＨＰセクション１２及びＩＰセクション１４は、ジャーナル軸受２６及び２８によって支持された単一軸受スパンの形態で配列される。各ジャーナル軸受２６及び２８の内側寄りには、それぞれ蒸気シールユニット３０及び３２が位置付けられる。

環状のセクション仕切り壁４２が、ＨＰセクション１２とＩＰセクション１４との間で延在するロータシャフト６０に向って中央セクション１８から半径方向内向きに延在する。より具体的には、仕切り壁４２は、第１のＨＰセクションノズル４６と第１のＩＰセクションノズル４８との間でロータシャフト６０の一部の周りで円周方向に延在する。仕切り壁４２は、パッキンケーシング５２内に画成されるチャンネル５０で受けられる。より具体的には、チャンネル５０は、Ｃ形チャンネルとすることができ、パッキンケーシング５２内でその外周周りに半径方向に延びて、チャンネル５０の中心開口が半径方向外向きに面するようになる。

作動時には、高圧蒸気入口２０は、例えば発電ボイラ（図示せず）などの蒸気源から高圧／高温蒸気を受ける。蒸気は、ＨＰセクション１２内に送られ、ＨＰセクション１２において蒸気から仕事が抽出されて、ロータシャフト６０を回転させる。蒸気は、ＨＰセクション１２から流出してボイラに戻され、そこで再加熱される。再加熱された蒸気は次に、中圧蒸気入口２２に送られ、ＨＰセクション１２に流入する蒸気よりも低い圧力であるが、ＨＰセクション１２に流入する蒸気とほぼ等しい温度でＩＰセクション１４に戻される。従って、ＨＰセクション１２内の作動圧力は、ＩＰセクション１４内の作動圧力よりも高く、ＨＰセクション１２内の蒸気は、ＨＰセクション１２とＩＰセクション１４との間に生じる可能性がある漏出通路を介してＩＰセクション１４に向って流れる傾向になる。ロータシャフト６０内でパッキングケーシング５２を通って延在するこのような１つの漏出経路を画成することができる。

図２は、タービン１０と共に使用できる例示的なタービンノズルダイアフラム７０及びパッキン又はシールケーシング７２の拡大概略図である。この例示的な実施形態では、ノズルダイアフラム７０は、高圧タービン１２で使用される第１段ダイアフラムである。更に、この例示的な実施形態では、パッキンケーシング７２は、ロータシャフト６０に沿ったＨＰセクション１２からＩＰセクション１４への漏出を低減可能にする複数のラビリンスシール組立体１００を含む。ラビリンスシール組立体１００は、シールリング１０２に取り付けられた長手方向に間隔を置いて配置される歯状部１０４の列を含み、これら歯状部１０４の列は、タービン１０のような蒸気タービンに存在し得る作動圧力差に対するシール作用を可能にする。代替の実施形態において、パッキンケーシング５２はブラシシールを含み、該ブラシシールもまた、高圧区域から低圧区域へ流れる漏出物のような、２つの構成要素間に画成されるギャップを通る漏出物を最小限にするのに用いることができる。

作動中、ＨＰセクション１２内のより高圧の蒸気は、第１段ノズルダイアフラム７０とパッキンケーシング７２との間に画成された蒸気通路を通って、より低い作動圧力の区域であるＩＰセクション１４に漏出する傾向がある。例えば、１つの実施形態では、高圧蒸気は、約１８００ポンド／平方インチ絶対圧力（ｐｓｉａ）でＨＰセクション１２に流入し、再熱蒸気は、約３００〜４００ｐｓｉａでＩＰセクション１４に流入する。従って、パッキンケーシング７２の両側間の比較的大きな圧力低下は、ロータシャフト６０に沿ったパッキンケーシング７２周りでの蒸気の漏出を引き起こし、蒸気タービン効率を低下させる可能性がある。

図３は、タービン１０で使用することができるラビリンスシール組立体１００の例示的な実施形態である。図３には、ロータシャフト６０の一部分及びケーシング７２の一部分のみが示されている。更に、単一のシールリング１０２のみを図示しているが、図２に示すように幾つかのこのようなリングを連続的に配列することができる。別の実施形態では、ラビリンスシール組立体１００は、タービン１０の他の区域においてシール作用を可能にするのに使用される。

シールリング１０２は、ロータシャフト６０から外向きに延在する複数のロータシャフト円周方向突起又はランド１０５と反対に位置付けられた複数の歯状部１０４を含む。この例示的な実施形態では、各円周方向突起又はランド１０５は、複数の半径方向内側ロータ表面１０９間に位置付けられた半径方向外側ロータ表面１０７を含む。流体流が左から右に流れていると仮定すると、各ランド１０５はまた、上流軸方向表面１０６と下流軸方向表面１０８とを含む。歯状部１０４、及びランド軸方向表面１０６、１０８は、全て半径方向で整列される。幾つかの既知のラビリンスシールでは、ランドの高さ（すなわち、軸方向表面１０６の高さ）は、シール高さ（すなわち、半径方向表面１１６と半径方向内側ロータ表面１０９との間の距離）の５分の２である。

上で説明したように、正の力は、歯状部１０４とロータシャフト６０との間に画成されたクリアランス区域１１０によって形成される複数の絞り部間に流体流を強制的に流すことができる。クリアランス区域はまた、歯状部１０４の端部（又は底部）とランド１０５の上部との間の距離として画成することができる。より具体的には、クリアランス区域１１０、歯状部１０４の数及び相対的な鋭さ、ロータランド１０５の数、並びに圧力及び密度を含む作動条件の組合せは、漏出流量を決定する因子である。このシールの設計は、所望の性能特性を得るために小さなクリアランス距離（例えば、４０ミル、ここで１ミルは０．０２５４ミリメートル）を維持しなければならず、これまで検討してきたように、始動時又はシャットダウン手順中に問題を引き起こす可能性がある。

各シールリング１０２は、ケーシング７２内に画成されたケーシング溝１１２内に保持される。１つの実施形態では、各シールリング１０２は、ケーシング溝１１２内に位置付けてケーシング７２の組立又は分解を容易にすることができる複数のシールリングセグメント（図３には図示せず）を含む。他の実施形態では、スプリングのシステム（図３には示さず）は、シールリング１０２の直径を拡大させようとする力を生じさせ、第２のスプリングのシステム（図３には示さず）は、シールリング１０２の重量によって生じる力を相殺するのに使用することができる。

各シールリング１０２は、半径方向内側表面１１６から延在する歯状部１０４と、ケーシング７２の半径方向表面１１８に接触することによってクリアランス区域１１０の制御を可能にする半径方向外側表面１３０とを有する内側リング部分１１４を含む。各シールリング１０２はまた、ケーシング溝１１２内に位置付けられた外側リング部分１２０を含む。外側リング部分１２０は、内側円周方向表面１２２及び対向する半径方向外側表面１３１を含む。内側円周方向表面１２２は、ケーシング溝ショルダ部１２４の外側表面１２６と接触して、シールリング１０２の半径方向内向きの移動を制限するようになる。シールリング１０２はまた、シールリング内側リング部分１１４とシールリング外側リング部分１２０との間で延在するネック部分１２８を含む。ケーシング溝ショルダ部１２４は、シールリングネック部分１２８と相互作用して、各シールリング１０２を軸方向に位置付ける。シールリングネック部分１２８は、ケーシング溝ショルダ部１２４と接触する接触圧力表面１３２を含む。

ラビリンスシール組立体１００を通る１つの蒸気流路が、クリアランス区域１１０を通って歯状部１０４とロータシャフト表面１０７及び１０９との間に高圧領域１０６から低圧領域１０８まで画成される。蒸気流は、シールリング１０２の半径方向位置の関数として調整される。シールリング１０２が半径方向外向きに移動するにつれて、クリアランス区域１１０の全体サイズが増大し、クリアランス区域１１０を通る蒸気流が増加する。逆に、シールリング１０２が半径方向内向きに移動するにつれて、クリアランス区域１１０が減少し、クリアランス区域１１０を通る蒸気流が減少する。

第２の蒸気流路が、ケーシング溝１１２を通って高圧環状スペース１３４から低圧環状スペース１３６まで画成される。高圧の蒸気は、ケーシング溝ショルダ部１２４とシールリングネック部分１２８との間に画成された環状開口１４０を通って環状スペース１３４から流れることができる。蒸気は、開口１４０を通ってケーシング溝ショルダ部外側表面１２６とシールリング外側リング部分リング状円周方向表面１２２との間に画成される高圧領域１４２に送られた後、ケーシング７２とシールリング外側リング部分１２０とによって画成されたケーシング溝高圧部分１４４に流入する。蒸気は、ケーシング溝高圧部分１４４から流出し、ケーシング溝半径方向外側表面１４６とシールリング外側部分半径方向外側表面１３１との間に画成されるケーシング溝半径方向外側部分１４８に流入する。蒸気は次に、ケーシング７２とシールリング外側リング部分１２０とによって画成された低圧部分１５０に流れ、またケーシング溝ショルダ部外側表面１２６とシールリング外側リング部分内側円周方向表面１２２との間に画成された低圧側ショルダ部領域１５２に流れることができる。蒸気は、ケーシング溝ショルダ部１２４とシールリングネック部分１２８との間に画成された環状開口１５４を通って低圧側ショルダ部領域１５２から流出し、環状スペース１３６内に吐出される。

シールリング１０２の半径方向外向きの移動は、シールリング外側表面１３０又はそのいずれかの部分がケーシング半径方向表面１１８と接触した時に制限される。この位置は、完全後退位置と呼ばれる。シールリング１０２の半径方向内向きの移動は、シールリング表面１２２がケーシング溝ショルダ部表面１２６と接触した時に制限される。この位置は、完全挿入位置と呼ばれる。歯状部１０４への損傷を引き起こすことなくロータシャフト６０とケーシング７２との予測される過渡不整合に適応するのに十分なスペースが設けられる。

低負荷又は無負荷運転条件において、シールリング１０２の重量、ケーシング７２の閉じ込め限界、摩擦力、及び複数の任意的な付勢スプリングシステム（図３には図示せず）の力がシールリング１０２に作用する。これらの全体的作用として、シールリング１０２は、その半径方向外向きの移動限界によって制限されるような直径に付勢される。

タービン１０全体にわたる内部圧力は、実質的に負荷に比例する。負荷及び蒸気質量流量が各々増大すると、局所圧力はほぼ直線的に増大する。この関係を利用して、所定のタービン運転条件におけるシールリング１０２の所望の位置を決定することができる。例えば、タービン１０への蒸気流が増すにつれて、環状スペース１３４及びケーシング溝１１２内の蒸気圧力が同様に増大する。増大した蒸気圧力は、シールリング外側表面１３０及び１３１によって実質的に支持されているシールリング１０２に対して半径方向内向きの力を作用させる。

高圧領域１０６内の蒸気圧力が増大すると、環状スペース１３４、環状開口１４０、ショルダ部領域１４２、ケーシング溝高圧部分１４４、ケーシング溝半径方向外側部分１４８、ケーシング溝低圧部分１５０、ショルダ部領域１５２、及び環状開口１５４を通るケーシング溝１１２を介した環状領域１３６内への蒸気流の増大が引き起こされる。高圧領域１０６内の蒸気圧力の増大はまた、上述のようにケーシング溝１１２を介して、環状スペース１３４から環状スペース１３６まで画成された経路内の圧力増大を生じさせる。この経路の後続の各領域内における圧力は、これらに先行する領域内の圧力よりも低い。例えば、ケーシング溝低圧部分１５０内の蒸気圧力は、ケーシング溝高圧部分１４４内の蒸気圧力よりも低い。この圧力差は、シールリング内側リング部分１１４、シールリングネック部分１２８及びシールリング外側リング部分１２０に対する大きな右向きの力を生じさせる。これらの表面に加わる大きな力により、シールリング１０２は、シールリングネック部接触圧表面１３２がケーシング溝ショルダ部１２４と接触するまで、低圧領域１０８に向って軸方向に移動するようになる。十分に挿入されると、ケーシング溝１１２を介しての高圧環状スペース１３４から低圧環状スペース１３６への蒸気流は、シールリング１０２によって実質的に阻止される。

上に説明した条件により、蒸気圧力は、上述のような表面１３０及び１３１に対して半径方向内向きの力の増大を生じるようになる。蒸気圧力の増大はまた、前述した摩擦力及び複数の任意的な付勢スプリングサブシステム（図示せず）の力に打ち勝つような大きな半径方向外向きの力をシールリング１０２に対して生じさせる。シールリング１０２及びケーシング溝１１２の寸法は、定常状態負荷運転において歯状部１０４とロータシャフト６０の表面との間に画成されるクリアランスを最適化できるように選択される。

図４は、本発明の１つの態様によるラビリンスシール４００の部分断面図を示す。シール４００は、面取り又は傾斜したステータ歯状部４１０と、他の既知のシールと比べて高さが増大したランド４２０とを含む。シールの高さＨは、ステータ４０２の内側半径方向表面４０３と、ロータ４０４の内側半径方向表面４０５との間の距離である。クリアランス距離Ｄは、長いステータ歯状部４１０の底部と内側半径方向表面４０５との間の距離、或いは、短いステータ歯状部４１１の底部とランド４２０の上部との間の距離である。幾つかの応用において、これら２つのクリアランス距離は同じであってもよく、又は異なっていてもよい。クリアランス距離Ｄは、約２０ミルから約８０ミルの間、又は約２０ミルから約２００ミルの間の範囲とすることができ、或いは、特定の段又は応用の要求に応じてあらゆる好適な距離を有することができる。ステータ４０２は、ステータ内側支持体及びパッキンリングを同様に含むことができる静止構造体である。ロータ４０４は、ロータ４０４に接続されるシャフト、ディスク又はドラムを同様に含むことができる回転構造体である。

シール４００を通る流れは、矢印４０７で示すようにほぼ左から右方向に流れる。各ランド４０２は、半径方向外側表面４２２、上流軸方向表面４２４、及び下流軸方向表面４２６を含む。各ランド４２０の高さＨ_Lは、半径方向外側表面４２２と内側半径方向表面４０５との間の距離として定められる。各ランドについての好ましい高さＨ_Lは、シール高さＨの約５分の３である（すなわち、Ｈ_L＝約３／５＊Ｈ）。短い歯状部の長さは、シール高さの約５分の１とすることができ、長い歯状部の長さは、シール高さの約５分の４とすることができる。しかしながら、特定の応用で望ましい他のランド高さ及び歯状部長さを用いることができる。

長いステータ歯状部４１０はまた、その長さに沿って軸方向上流側に面取り又は角度を付けるよう構成される。例えば、ステータ歯状部４１０の下端部４１２（又は底部）は、上側部分４１３よりも更に軸方向上流側に位置付けられる。面取りステータ歯状部４１０は、流れに角度が付けられ、すなわち「傾斜」され、流れに対して直線状歯状部（図３と同様の）よりも一層多くの外乱を生じる（乱流が増大する）。歯状部は回転部品又は静止部品上のいずれかに存在することができ、ランドもまた回転部品又は静止部品のいずれかに存在することができる点を理解されたい。

図５は、図３に示すシールと類似したシールと図４のラビリンスシール４００との間のクリアランス距離（ミル単位）に対するパーセント流量減少のグラフである。タービン／エンジン始動、シャットダウン、又は負荷スイングを含むことができる運転過渡条件は、多くの場合、静止部品に関連して回転部品の軸方向移動をもたらし、これにより一方の表面上にラビリンスシールを画成する歯状部又は他の構造体（例えば、ランド、その他）と、対向する表面上の歯状部又は構造体との接触、摩擦、又は衝突を引き起こす可能性がある。従って、シールを通る流れ制限を改善しながら、クリアランス距離Ｄを増大させることが有利になる。

シール４００は、図３のシールと比較すると、クリアランス距離が２０ミルであるときに約３％の流量減少を有し、クリアランス距離が８０ミルであるときには約１２％の流量減少を有する。実際に、２０ミルから８０ミルの間の全てのクリアランス距離において、シール４００は、図３のシールよりも良好な流量減少を有する。従来の既知のシールと比べて、シール４００は、流量制限の向上を可能にしながら、半径方向クリアランス及び軸方向移動に対してそれほど左右されない。これにより、シールがより大きなクリアランス距離を有することが可能になり、運転過渡条件中のあらゆる摩擦が低減される。

図６は、本発明の１つの態様によるラビリンスシール６００の部分断面図を示す。ステータ６０２は、長い歯状部６１０と短い歯状部６１１とを含む。シール６００を通る流れ方向が矢印６０７で示される。短い歯状部６１１は、上流側に角度が付けられ、長い歯状部６１０は、ほぼ直線状（すなわち、半径方向下向きを指す）とすることができ、或いは上流側に角度を付けてもよい。短い歯状部６１１は、半径方向軸線（すなわち、図６の垂線）に対して約１０度から約４０度の角度で上流側に角度を付けることができる。或いは、内側半径方向表面６０３（軸方向に角度が付けられた）と短い歯状部６１１の軸線との間の角度Ａは、約５０から約８０度とすることができる。特定の応用における要求に応じて他の角度を用いてもよい。

ロータ６０４上のランド６２０は各々、半径方向外側表面（又は頂部）６２２、上流側表面６２４、及び下流側軸方向表面６２６を含む。各ランド６２０の高さＨ_Lは、半径方向外側表面６２２と内側半径方向表面６０５との間の距離として定義される。各ランドの好ましい高さは、シール高さＨの約５分の３である（すなわち、Ｈ_L＝約３／５＊Ｈ）。しかしながら、特定の応用における要求に応じて他のランド高さを用いることもできる。上流側表面６２４は、半径方向軸線（すなわち、図６の垂線）に対して約１０度から約４０度の角度で上流側に角度を付けることができる。或いは、半径方向ロータ表面６０５と上流側表面との間の角度Ｂは、約５０から約８０度とすることができる。特定の応用における要求に応じて他の角度を用いてもよい。

流れパターンの実験及びコンピュータモデリングによって、幾つかの傾斜又は角度付き表面、幾つかの寸法、及び寸法に関連する幾つかの比率はとりわけシール作用に効果的であることが分かっている。コンピュータによる流体動的シミュレーションを実施し、図３のシールとシール６００との間で流量係数を比較した。シール６００は、図３のシールよりも流量係数が約１０％良好であった。この流量係数における改善の理由は、流れがシール６００をどのように通過しているかに起因する。ランド６２０の上方の歯状部６１１付近の領域において、流れがより多くの転回を生じて良好に流量調整され、これにより漏出が低減されることになる。流れ転回の量の増大は、ランド６２０の角度付き表面６２４及び角度付き歯状部６１１に起因する。

図７は、本発明の別の態様によるラビリンスシール７００の部分断面図を示す。シール７００は、図４のステータ歯状部と図６のロータランドとを組み合わせたものである。図８は、本発明の別の態様によるラビリンスシール８００の部分断面図を示す。シール８００は、図４及び６のステータ歯状部と図６のロータランドとを組み合わせたものである。ステータ８０２は、短い角度付き歯状部６１１と、長い角度付き歯状部４１０とを含む。シール８００は、長い角度付き歯状部４１０（図示のような）間に位置付けられる１つの歯状部６１１を有するように構成することができ、或いは、１つよりも多い歯状部６１１を長い角度付き歯状部４１０の各セットの間に位置付けることもできる。

本実施例は、静止表面（ステータ）上に配置された歯状部と、回転表面上のランドとを記載しているが、一部の応用においては、回転表面上に配置される歯状部及び静止表面上のランドを有することも可能であり、このようにすることが望ましい場合もある。

一般に、上述のように、本発明の非接触シール構造は、過渡運転条件中に対向する構造体の軸方向移動により生じる場合が多い、ラビリンスシールに対する損傷を防ぐと同時に、ロータの自由な軸方向移動を可能にする。更に、本発明の態様によるシール構造は、蒸気で検討したように作動流体の漏出を抑制する流路をもたらすので、効果的なシール作用を提供する。

現時点で最も実用的且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、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０タービン
１２ＨＰセクション
１３上半部分
１４ＩＰセクション
１５下半部分
１６外側シェル
１８中央セクション
２０高圧蒸気入口
２２中圧蒸気入口
２６ジャーナル軸受
２８ジャーナル軸受
３０蒸気シールユニット
３２蒸気シールユニット
４２環状セクション仕切り壁
４６ＨＰノズル
４８ＩＰノズル
５０チャンネル
５２パッキン又はシールケーシング
６０ロータシャフト
７０ノズルダイアフラム
７２パッキン又はシールケーシング
１００ラビリンスシール組立体
１０２シールリング
１０４歯状部
１０５ランド
１０６上流側軸方向表面
１０７半径方向外側ロータ表面
１０８下流側軸方向表面
１０９半径方向内側ロータ表面
１１０クリアランス区域
１１２ケーシング溝
１１４内側リング部分
１１６半径方向内側表面
１１８半径方向表面
１２０外側リング部分
１２２内側円周方向表面
１２４ショルダ部
１２６外側表面
１２８ネック部分
１３０半径方向外側表面
１３１半径方向外側表面
１３２圧力表面
１３４高圧環状スペース
１３６低圧環状スペース
１４０環状開口
１４２高圧領域
１４４高圧部分
１４６外側表面
１４８外側部分
１５０低圧部分
１５２ショルダ部領域
１５４環状開口
４００ラビリンスシール
４０２ステータ
４０３内側半径方向表面
４０４ロータ
４０５内側半径方向表面
４０７矢印（流れ方向）
４１０長いステータ歯状部
４１１短いステータ歯状部
４１２下端部
４１３上側部分
４２０ランド
４２２半径方向外側表面
４２４上流側軸方向表面
４２６下流側軸方向表面
６００ラビリンスシール
６０２ステータ
６０３内側半径方向表面
６０４ロータ
６０５内側半径方向表面
６０７矢印
６１０長い歯状部
６１１短い歯状部
６２０ランド
６２２頂面
６２４上流側表面
６２６下流側軸方向表面
７００ラビリンスシール
８００ラビリンスシール
８０２ステータ
Ｄクリアランス距離
Ｈシール高さ
ＨＬランドの高さ

Claims

静止構造体（４０２）と回転構造体（４０４）との間の半径方向ギャップを通る軸方向漏出を阻止するためのシール（４００）であって、前記半径方向ギャップが、該半径方向ギャップを隔てて外側半径方向表面（４０３）に対向する内側半径方向表面（４０５）によって画成され、当該シールが、
内側半径方向表面及び外側半径方向表面の一方に配置される１以上のランド（６２０）であって、半径方向軸線に対して１０〜４０度の角度で上流側に傾斜するよう構成された上流側表面（６２４）と、軸方向に沿って一定の高さをなす半径方向外側表面（６２２）とを含む１以上のランド（６２０）と、
前記内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方から突出する１以上の第１の歯状部（４１０）と、
前記内側半径方向表面及び外側半径方向表面の他方から突出し、前記１以上の第１の歯状部よりも短い１以上の第２の歯状部（４１１）と
を備えており、第２の歯状部が、上流方向に第１の角度で延在するよう構成され、前記第１の角度が、第２の歯状部が延在する基点となる半径方向表面と、第２の歯状部の上流側表面との間に画成され、且つ８０度以下であり、前記シールが、前記内側半径方向表面（４０５）と前記外側半径方向表面（４０３）との間の距離によって画成されるシール高さ（Ｈ）を有し、前記シール高さの５分の１に等しい前記１以上の第２の歯状部（４１１）の高さ、及び前記シール高さの５分の３に等しい前記１以上のランド（６２０）の高さを有する、シール。
前記第１の角度が５０〜８０度である、請求項１記載のシール。
前記静止構造体（４０２）上に１以上のランド（６２０）が配置され、前記１以上の第１の歯状部（４１０）及び前記１以上の第２の歯状部（４１１）が前記回転構造体（４０４）上に配置される、請求項１又は請求項２記載のシール。
前記１以上のランド（６２０）が、前記内側半径方向表面（４０５）上に配置され、前記１以上の第１の歯状部（４１０）及び前記１以上の第２の歯状部（４１１）が前記外側半径方向表面（４０３）上に配置される、請求項１又は請求項２記載のシール。
前記１以上の第１の歯状部（４１０）が軸方向上流側に面取り又は角度を付けるよう構成される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシール。
前記シールが、前記シール高さの５分の４に等しい前記１以上の第１の歯状部（４１０）の高さを有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシール。
前記１以上の第１の歯状部（４１０）と前記１以上の第２の歯状部（６１１）とが軸方向に離間している、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシール。
前記１以上の第１の歯状部（４１０）の端部とそれと対向する半径方向表面との間又は前記１以上のランド（６２０）の上部と前記１以上の第２の歯状部（６１１）の端部の間の距離として定義されるクリアランス距離（Ｄ）が２０〜８０ミル（０．５〜２ｍｍ）である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のシール。
前記静止構造体（４０２）が、ステータ、ステータ内側支持体及びパッキンリングの少なくとも１つを含んでおり、前記回転構造体（４０４）が、ロータ、又はロータに接続されるシャフト、ディスクもしくはドラムを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のシール。