タービン組立体及びタービン組立方法

本明細書で開示される主題は、静止及び回転機械に関する。より詳細には、本主題は、タービンシステム、エンジンシステム、又はポンプシステムなどの機械的システムの静止部品におけるシール組立体用装置に関する。

例えば、蒸気タービンシステムのようなタービンシステムにおいて、流体流は、システムの選択部分に送られ、機械エネルギーの生成を可能にする。選択されたタービン部品間にシールを配置して、流体を機械エネルギーに変換できるタービンの領域への流体流又は漏洩を低減し、これによりタービン効率を向上させることができる。場合によっては、タービン作動中、静止タービン部品は、熱膨張を生じ、互いに対して移動する可能性がある。部品の相対移動は、シールに対する応力及び摩耗を引き起こす場合がある。例えば、部品間に置かれた半径方向シール(例えば、軸方向流体流れを遮断するため部材間に半径方向に延在するシール)は、熱膨張に起因するフープ応力を受ける可能性がある。

本発明の1つの態様によれば、タービン組立体は、第1の静止部品と、第1の静止部品の半径方向外側に配置される第2の静止部品と、第2の静止部品上の第2のキー形特徴要素に嵌合するよう構成された第1の静止部品上の第1のキー形特徴要素と、第1及び第2のキー形特徴要素間の流体流れを低減するよう、第1及び第2のキー形特徴要素間に配置されたシール組立体とを含む。シール組立体が、V字形部材と、該V字形部材に隣接し且つV字形部材とは異なる熱膨張率を有する第2の部材とを含む。シール組立体がまた、V字形部材に結合され、シール組立体が高温に曝されたときにシール組立体を圧縮状態から膨張シール状態に膨張させるよう構成されたラッチ特徴要素を含み、膨張シール状態によって、シール組立体が、第1及び第2のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面と接触する。

本発明の別の態様によれば、タービンを組み立てる方法は、第1の部材を、該第1の部材とは異なる熱膨張率を有する第2の部材に結合してシール組立体を形成するステップと、シール組立体を外側静止部品における軸方向凹部に配置するステップと、外側静止部品内部で半径方向に内側静止部品を配置するステップとを含み、内側静止部品上の第1のキー形特徴要素が、外側静止部品における第2のキー形特徴要素によって受けられ、軸方向凹部が第2のキー形特徴要素内に配置され、シール組立体が、第1及び第2のキー形特徴要素間に配置されて、該第1及び第2のキー形特徴要素間で実質的に半径方向の流体流れを低減するようにする。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

1つの実施形態による、タービン組立体の一部の側面図。

圧縮状態のシール組立体を含む、図1に示すタービン組立体の一部の詳細断面図。

膨張シール状態のシール組立体を含む、図2に示すタービン組立体の一部の概略側面図。

1つの実施形態によるシール組立体の端面図。

1つの実施形態によるシール組立体の側断面図。

別の実施形態によるシール組立体を含む、タービン組立体の一部の詳細な断面図。

別の実施形態によるシール組立体及び中間部材を含む、タービン組立体の一部の詳細断面図。

1つの実施形態によるシール組立体を含むタービンを組み立てるプロセスのフローチャート。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図1は、1つの実施形態によるタービン組立体100の一部の側面図である。タービン組立体100は、タービン軸線106に対してシェル104内に配置されたパッキンヘッド102を含む。パッキンヘッド102は、タービンの組立中にシェル104のキー形特徴要素110に嵌合又は受けられるキー形特徴要素108を含む。同様に、キー形特徴要素112はまた、タービンの組立中にキー形特徴要素114によって受けられる。以下でより詳細に検討するように、キー形特徴要素における軸方向凹部116及び118は、キー形特徴要素間の半径方向流体流れを低減又は阻止するため軸方向シールを受けるように構成される。軸方向シールは、タービン組立体の選択領域間の圧力差によって生じる流体流れを低減する。具体的には、軸方向凹部116に配置された軸方向シールは、高圧領域120から相対的に低圧の領域122への流体流れを低減し、これによりタービン効率を向上させる。シール組立体は、流体流れを低減するために、限定ではないが、タービンシステムのパッキンヘッド、内側シェル及び外側シェルなどあらゆる好適な静止部品間に配置することができる。

本明細書で使用する場合、「下流側」及び「上流側」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。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流側」又は「前方」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。これは、軸線に対して異なる半径方向位置にある部材を説明するのに有用とすることができる。このようなケースでは、第1の部品が第2の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第1の部品は第2の部品の「半径方向内向き」にあると記述することができる。これに対して、第1の部品が第2の部品よりも軸線からさらに遠くに存在する場合には、本明細書では、第1の部品は第2の部品の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述することができる。用語「軸方向に」は、軸線に平行に移動又は位置することを示す。最後に、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置することを示す。以下の検討では主として蒸気タービンに注目しているが、検討される概念は、蒸気タービンに限定されず、ガスタービン、蒸気タービン、ポンプ、ガソリンエンジン、又はタービンエンジンを含むあらゆる好適な機械にも適用することができる。従って、本明細書における検討は、蒸気タービンの実施形態に関連するが、他の静止又は回転機械にも適用することができる。

図2は、軸方向凹部116に配置されたシール組立体200を含む、図1に示すタービン組立体100の一部の詳細側断面図である。図2は、圧縮状態のシール組立体200を示す。図3は、膨張シール状態のシール組立体200の側断面図である。例示的なシール組立体200は、内側部材204に隣接し且つ結合された外側部材202を含む。1つの実施形態において、内側部材204は、外側部材202よりも高い熱膨張率(例えば、熱膨張係数)を有し、従って、組立体が高温に曝されたときに膨張力をもたらす。図示のように、外側部材202はV字形断面を有し、該外側部材202からリッド及びラッチ特徴要素が延在している。実施形態において、内側及び外側部材202、204は、V、U、W、又はΩ形など、あらゆる好適な形状(各部材は図示のように入れ子にされる)とすることができ、ここで、タービン作動温度のような選択された高温に曝されると、内側部材204及び外側部材202の熱膨張により、シール組立体200が膨張する。例えば、選択温度は、約150〜3000°Fの範囲の高温とすることができる。1つの実施例において、選択温度は、室温以下(例えば、72°F)である。別の実施例において、選択高温は、約150〜500°Fである。さらに別の実施例では、選択温度は、約250〜1000°Fである。別の実施例では、選択温度は、約250〜750°Fである。別の実施例において、選択温度は、約500〜1500°Fである。内側部材204は、ファスナー、溶接又はろう付けなどのカップリング208を介して外側部材202に結合される。

1つの実施形態において、シール組立体200は、キー形特徴要素110の軸方向凹部116にシール組立体200を配置する前に、実質的に軸方向(軸線106に対して)に圧縮されて、圧縮状態にラッチされる。次いで、キー形特徴要素108は、組立中にキー形特徴要素110内に配置され、ここでシール組立体200が圧縮されることによって、キー形特徴要素108の挿入中にシール組立体200が干渉するのが防止される。実施形態において、パッキンヘッド102及びシェル104などのタービンシステムの静止部品は各々、生産及び組立を簡素化するための2以上の部材を含む。例えば、パッキンヘッド102及びシェル104は各々、軸線106の周りに配置された2つの半部分を含み、図1には、一方の「半部分」の上側部分が示されている。実施例において、シール組立体200は、円形の軸方向凹部116に配置された円形又はリング形シールである。1つの実施形態において、シール組立体200は、軸方向凹部116に配置されたリング形全体を構成する1以上の部分を含む。例えば、2つのリング形半部分(例えば、半円部分)は各々、キー形特徴要素の組立中に静止部品のそれぞれの半部分に設置することができる。図4に示す実施形態においてさらに詳細に示されるように、シール組立体200は、シール組立体200の周りに円周方向で間隔を置いて配置された複数のラッチ特徴要素206を含むことができる。さらに、シール組立体200は、タービン動作温度に曝されたときにラッチ特徴要素206を開くような熱膨張特性を提供するため、ラッチ特徴要素206に近接し且つシール組立体200の周りに円周方向で間隔を置いて配置された複数の内側部材204を含むことができる。内側部材204は、ラッチ特徴要素206に近接して配置され、高温に曝されたときに膨張力をもたらして、ラッチ特徴要素206を開き、シール組立体を膨張するようにする。実施形態において、単一の連続した内側部材204は、外側部材202内に配置される。

再度図3を参照すると、図示の実施形態は、膨張シール状態のシール組立体200を示している。シール組立体200の膨張シール状態により、組立体が実質的に軸方向で膨張して、キー形特徴要素108の壁又は半径方向表面300及びキー形特徴要素110の半径方向表面302と接触し、実質的に半径方向の流体流れ304を低減又は阻止する。半径方向表面300及び302は、実質的に平行であり、軸方向凹部116を境界付ける軸方向に間隔を置いた壁である。1つの実施形態において、シール組立体200は、膨張シール状態まで膨張し、ここでラッチ特徴要素206は外側部材202及び内側部材204の熱膨張によって開き、シール組立体200は、周囲の温度がタービン作動温度を下回って低下したときに膨張シール状態に留まる(すなわち、半径方向表面300及び302に接触している)。さらに、シール組立体200の実施形態は、パッキンヘッド102及びシェル104が熱膨張を生じて互いに対して移動するときにフープ応力及び摩耗を受ける軸方向シールである。

図4及び5は、シール組立体400の1つの実施形態のそれぞれ端面図と側断面図である。シール組立体400は、第2の部材412内で該第2の部材に結合された第1の部材402を含む。1つの実施形態において、第1の部材402は、第2の部材404よりも高い熱膨張率を有する。図4に示すように、複数のラッチ特徴要素404、406、408、及び410は、リング形シール組立体400の周りに円周方向に配置される。1つの実施形態において、第2の部材412は、リング形を形成する1以上の連続部材を含むことができ、ここで当該部材は、複数のラッチ特徴要素404、406、408、及び410に延在して結合された複数の突出部414を有する。別の実施形態において、シール組立体は、シール組立体の周囲付近に単一の連続した第2の部材を備えた単一の連続したラッチ特徴要素を含む。

図6は、軸方向凹部116内に配置されたシール組立体600の別の実施形態の側断面図である。シール組立体600は、外側部材602及び内側部材604を含み、各部材は、実質的にV形断面を有する。さらに、シール組立体600は、タービン作動温度に曝されたときにシール組立体600を図示の膨張シール状態に解放するよう構成されたリッド及びラッチ特徴要素606を有する。1つの実施形態において、外側部材602及び内側部材604は、シール組立体600の全体のリング形状に対して実質的に均一且つ連続している。加えて、内側部材604は、外側部材602よりも高い熱膨張率を有し、これにより所望の膨張特性を生じる。

図7は、軸方向凹部702に配置されたシール組立体200及び中間部材700の1つの実施形態の側断面図である。軸方向凹部702は、第2の静止部品のキー形特徴要素706に隣接する第1の静止部品のキー形特徴要素704に形成されたキャビティである。中間部材700は、膨張シール状態のシール組立体200に対する中間接触面を提供する。シール組立体200は、表面708の代わりに中間部材700に接触し、ここで表面708は、熱膨張字にシール組立体200に対して移動するが、中間部材700は移動せず、従って、シール組立体200の摩擦及び摩耗を低減することができる。従って、中間部材700は、熱膨張時の表面708との接触を維持すると共に、シール組立体200が膨張シール状態にある間の半径方向流れを阻止する。図1〜7で説明されたシール組立体は、ステンレス鋼など、様々な熱膨張率を有する耐久性のある合金から作ることができる。

図8は、シール組立体を含むタービンを組み立てるプロセスの例示的なフローチャートである。ブロック800において、第1の部材が第2の部材に結合されてシール組立体を形成し、ここで第1の部材及び第2の部材は、異なる熱膨張率を有する。ブロック802において、シール組立体は圧縮され、シール組立体のラッチ特徴要素がラッチされ、シール組立体が軸方向凹部内に配置されたときに該シール組立体を圧縮状態に保持する。ブロック804において、シール組立体は、外側静止部品の軸方向凹部に配置される。ブロック806において、内側静止部品は、外側静止部品の半径方向内部に配置され、内側静止部品上の第1のキー形特徴要素は、外側静止部品の第2のキー形特徴要素によって受けられる。1つの実施形態において、軸方向凹部は、第2のキー形特徴要素に配置され、シール組立体は、第1及び第2のキー形特徴要素間に配置されて、第1及び第2のキー形特徴要素間の実質的に半径方向の流体流れを低減する。ブロック808において、タービンシステムが作動し、ここでタービン組立体は膨張シール状態に膨張し、シール組立体はタービン作動温度に曝される。膨張シール状態により、シール組立体が第1及び第2のキー形特徴要素上の実質的に平行な半径方向表面に接触し、タービン作動時の半径方向の流体流れを阻止できる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

100 タービン組立体 102 パッキンヘッド(静止部品) 104 シェル(静止部品) 106 軸線 108 キー形特徴要素 110 キー形特徴要素 112 キー形特徴要素 114 キー形特徴要素 116 軸方向凹部 118 軸方向凹部 120 高圧領域 122 低圧領域 200 シール組立体 202 外側部材(V字形) 204 内側部材 206 ラッチ特徴要素 208 カップリング 300 表面(半径方向) 302 表面(半径方向) 304 半径方向流れ(阻止される) 400 シール組立体 402 部材(V字形、高い熱膨張率) 404 ラッチ特徴要素 406 ラッチ特徴要素 408 ラッチ特徴要素 410 ラッチ特徴要素 500 外側部材 600 シール組立体 602 外側部材(V字形) 604 内側部材 606 ラッチ特徴要素 700 中間部材 702 凹部 704 キー形特徴要素 706 キー形特徴要素