JP6916612B2

JP6916612B2 - 蒸気タービンロータシールキー部材、関連アセンブリ及び蒸気タービン

Info

Publication number: JP6916612B2
Application number: JP2016231919A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・セバスティアン・バージック; デイビッド・ブルース・クノール; ショーン・クリストファー・モリッシー; ニコラス・ダニエル・ビシオ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: EP3179051A3; US10036270B2; RU2735395C2; CN106939800A; RU2016147660A3; CN106939800B; RU2016147660A; EP3179051A2; EP3179051B1; PL3179051T3; JP2017106453A; US20170159473A1

Description

本明細書で開示される主題は、蒸気タービンに関する。具体的には、本明細書で開示される主題は、蒸気タービンのシール装置に関する。

蒸気タービンは、回転するロータに連結されたタービンバケットに作動流体の流れを導く静止ノズルアセンブリを含む。ノズル構造体（複数のノズル又は「翼形部」を含む）は「ダイヤフラム」又は「ノズルアセンブリ段」と呼ばれることもある。蒸気タービンダイヤフラムは、ロータの周りで組み立てられる２つの半体を含み、これら２つの半体の間に水平継手を形成する。各タービンダイヤフラム段は、それぞれの水平継手においてダイヤフラムの各側面上の支持バー、支持ラグ又は支持ネジによって垂直方向に支持される。ダイヤフラムの水平継手は、タービンケーシングの水平継手にも対応し、タービンケーシングは蒸気タービンダイヤフラムを取り囲む。

蒸気タービンでは、ロータ部品とステータ部品の間のシールが利用されるが、シールは典型的にはロータバケット先端の半径方向外側でダイヤフラムノズルカバーの半径方向内側にある。ある種のシールは、ロータ及び／又はステータの歯として形成されるが、他の構成のものとして、ロータの周方向ダブテールスロット内に配置される周方向（又は回転）シールが挙げられる。これらの回転（周方向）シールは、半径方向保持、回転制御、周方向ロック、及び円周全体でのシールの一貫性を始めとする、特有の設計上の制約を示す。

米国特許出願公開第２０１２／０２５１３０３号明細書

様々な実施形態には、ロータキー部材、関連アセンブリ及び蒸気タービンが含まれる。具体的な実施形態として、蒸気タービンの周方向シールを保持するためのロータキー部材が挙げられ、ロータキー部材は、蒸気タービンの軸方向と実質的に直交する方向に延在する主軸を有する本体であって、第１の一対の対向側面と、第１の一対の対向側面の間に延在する第２の一対の対向側面と、第２の一対の対向側面の間に延在する上面及び底面と、第１の一対の対向側面の第１の側面と底面の間に延在し、主軸に沿った本体の長さ全体に延在するフィレット、斜面又は面取り縁部とを含む本体、及び本体内のスロットであって、第２の一対の対向側面の間の主軸に沿った本体の長さの一部分に延在し、第１の一対の対向側面の第２の側面に開口部を形成するスロットを備える。

本開示の第１の態様として、蒸気タービンの周方向シールを保持するためのロータキー部材が挙げられるが、ロータキー部材は、蒸気タービンの軸方向とほぼ直交する方向に延在する主軸を有する本体と、本体内のスロットとを備えており、本体は、第１の一対の対向側面と、第１の一対の対向側面の間に延在する第２の一対の対向側面と、第２の一対の対向側面の間に延在する上面及び底面と、第１の一対の対向側面の第１の側面と底面の間に延在し、主軸に沿った本体の長さ全体に延在するフィレット、斜面又は面取り縁部とを含み、スロットは、第２の一対の対向側面の間の主軸に沿った本体の長さの一部分に延在し、第１の一対の対向側面の第２の側面に開口部を形成する。

本開示の第２の態様として、蒸気タービンロータアセンブリが挙げられるが、蒸気タービンロータアセンブリは、ロータ本体の主軸の周りで実質的に全周に延在するスロットを有するロータ本体であって、スロットが、ロータ本体の周りで実質的に円周距離全体に延在する一次スロット、及び一次スロットから軸方向に延在しかつロータ本体の周りで円周距離の一部分にしか延在しない二次スロットを含むロータ本体と、ロータ本体の周りで実質的に円周距離全体に延在する、一次スロット内の周方向シールと、一次スロット内で周方向シールの軸方向面と接する一組のシール保持部材と、二次スロット内で周方向シールの軸方向面と接するロータキー部材であって、一次スロット内の周方向シールを保持するためのロータキー部材とを備える。

本開示の第３の態様として、ケーシングとケーシング内に少なくとも部分的に収容されたロータアセンブリとを備える蒸気タービンが挙げられるが、ロータアセンブリは、ロータ本体の主軸の周りで実質的に全周に延在するスロットを有するロータ本体であって、スロットが、ロータ本体の周りで実質的に円周距離全体に延在する一次スロット、及び一次スロットから軸方向に延在しかつロータ本体の周りで円周距離の一部分にしか延在しない二次スロットを含むロータ本体と、ロータ本体の周りで実質的に円周距離全体に延在する、一次スロット内の周方向シールと、一次スロット内で周方向シールの軸方向面と接する一組のシール保持部材と、二次スロット内で周方向シールの軸方向面と接するロータキー部材であって、一次スロット内の周方向シールを保持するためのロータキー部材とを備える。

本発明のこれらの及び他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。

様々な実施形態に係る蒸気タービンの部分的な断面概略図である。本開示の様々な実施形態に係るキー部材を含む蒸気タービンロータアセンブリの一部分の概略的な３次元斜視図である。本開示の様々な実施形態に係る蒸気タービンロータアセンブリの一部分の概略切り欠き斜視図である。本開示の様々な実施形態に係る蒸気タービンロータアセンブリの概略切り欠き図である。ロータキー部材を除く、図４の本開示の様々な実施形態に係るロータアセンブリの概略的な３次元斜視図である。周方向シール及びロータキー部材を除く、図４の本開示の様々な実施形態に係るロータアセンブリの一部分の３次元斜視図である。ロータキー部材を除き、シール保持部材をさらに含む、図４の本開示の様々な実施形態に係るロータアセンブリの一部分の３次元斜視図である。様々な実施形態に係るロータアセンブリの一部分の３次元斜視図である。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、専ら本発明の典型的な態様を示すことを目的としたものであり、本発明の技術的範囲を限定するものとみなすべきではない。図面において、図面間で類似する符号は類似する要素を示す。

本明細書で開示される主題は、蒸気タービンに関する。具体的には、本明細書で開示される主題は、蒸気タービンの回転シールに関する。

本開示の様々な実施形態では、装置（例えばキー部材）は、蒸気タービンの周方向（例えば回転可能な）シールをロック／ロック解除するように構成されており、シールを半径方向に保持すると共に回転を防止する。周方向シールを保持する従来のアプローチは、不都合な回転を起こすと共に、スリップ及びクリープを起こし易い。スリップ及びクリープはシールの有効性を低減させ、シール及び隣接部品を摩耗させる。これらの従来のアプローチとは対照的に、様々な実施形態は、周方向に配設された複数のシール保持部材の間でロータ本体内のキースロットに係合し、かつ隣接する周方向シールを保持する寸法のキー部材を含む。キー部材はスロットを含むことができ、スロットを実質的に充填してキー部材をロータアセンブリ内の所定の位置にロックする溶接部をさらに含むことができる。溶接部は、ロータ本体、周方向シール又は隣接するシール保持部材のうちの少なくとも１つに対してキー部材を接続／分離するために使用することができる。キー部材は、（例えば周方向シールの凹部内で）回転シール及びキースロットの軸方向に面した壁の両方と接するのに十分な軸方向幅を有している。場合によっては、キー部材は、ロータ本体と周方向シールの間の空間へのキー部材の挿入を容易にするフィレット、斜面面取り縁部を含む。

図面に示すように、「Ａ」軸は、軸方向（タービンロータの軸に沿った方向、タービン中心線とも呼ばれる）を示す。本明細書で用いる「軸方向」という用語は、ある物体の軸Ａに沿った相対的な位置／方向をいい、軸Ａはターボ機械の回転軸（具体的には、ロータセクション）と実質的に平行である。さらに本明細書で用いる「半径方向」という用語は、ある物体の、軸Ａと実質的に直交しかつ軸Ａと一箇所のみで交差する軸（ｒ）に沿った相対的な位置／方向をいう。さらに、「周方向」という用語は、ある物体の、軸Ａを取り囲むが軸Ａとは交差しない円周線（ｃ）に沿った相対的な位置／方向をいう。図において同じ符号が付された要素は、実質的に同じ（例えば、同一の）部品を示している。

図１を参照すると、蒸気タービン２（例えば、高圧／中圧蒸気タービン）の部分的な断面概略図が示してある。蒸気タービン２は、例えば低圧（ＬＰ）セクション４及び高圧（ＨＰ）セクション６を含むことができる（当業者には周知のように、ＬＰセクション４及びＨＰセクション６のいずれかは、中圧（ＩＰ）セクションを含んでいてもよい）。ＬＰセクション４及びＨＰセクション６は、ケーシング７に少なくとも部分的に収容される。蒸気は、ケーシング７の１つ以上の入口８を通ってＨＰセクション６及びＬＰセクション４に流入し、入口８から軸方向下流側に流れる。一部の実施形態では、ＨＰセクション６及びＬＰセクション４は共通シャフト１０で結合され、共通シャフト１０は軸受け１２と接することができ、作動流体（蒸気）によってＬＰセクション４及びＨＰセクション６ののそれぞれに含まれるブレードが回転すると、シャフト１０が回転する。作動流体（例えば蒸気）は、ＬＰセクション４及びＨＰセクション６内のブレードで機械的仕事を行った後に、ケーシング７の出口１４から出ることができる。ＨＰセクション６及びＬＰセクション４の中心線（ＣＬ）１６を基準点として示す。ＬＰセクション４及びＨＰセクション６は、いずれもダイヤフラムアセンブリを含むことができ、ダイヤフラムアセンブリはケーシング７のセグメント内に収容される。

図２は、様々な実施形態に係る、蒸気タービンロータアセンブリ（「ロータアセンブリ」ともいう）２２から取り外したロータキー部材２０の概略的な３次元図である。図３は、図２のロータアセンブリ２２を切り欠き斜視図として示し、ロータキー部材２０がロータアセンブリ２２に挿入され状態を例示する。図４は、本明細書で説明するようなロータキー部材２０を固定する溶接部４０をさらに備える、ロータアセンブリ２２の断面側面図である。

図３〜図４に示すように、ロータキー部材２０は、蒸気タービン（例えば、蒸気タービン２のような蒸気タービン内部のロータアセンブリ２２）の周方向シール２４を保持するように構成されている。図２〜図４を参照すると、ロータキー部材２０は、ロータアセンブリ２２の軸方向（Ａ）（軸方向Ａは蒸気タービン２の回転軸と一致する）と実質的に直交する方向に延在する主軸（ａ_Ｐｂ）を有する本体２６を含むものとして示されている。本体２６は、第１の一対の対向側面２８、第２の一対の対向側面３０、第２の一対の対向側面３０の間に延在する上面３２及び底面３４を含むことができる。本体２６はまた、第１の一対の対向側面２８の第１の側面（２８Ａ）と底面３４の間に延在するフィレット、斜面又は面取り縁部３６を含むことができ、フィレット、斜面又は面取り縁部３６は、主軸（ａ_Ｐｂ）に沿った本体２６の長さ全体に延在している。

様々な実施形態では、ロータキー部材２０は、本体２６内にスロット３８を含むことができる。スロット３８は、第２の一対の対向側面３０の間の主軸（ａ_Ｐｂ）に沿った本体２６の長さ（ｌ）の一部分に延在することができ、スロット３８は、第１の一対の対向側面２８の第２の側面（２８Ｂ）に開口部を形成する。様々な実施形態では、図４に示すように、ロータキー部材２０は、スロット３８を実質的に充填する溶接部４０をさらに含むことができる。様々な実施形態では、溶接部４０は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接部、或いはメタル不活性ガス（ＭＩＧ）溶接部の少なくとも１つを含むことができ、本体２６を周方向シール２４に隣接して（本明細書でさらに説明するようにスロット内に）配置した後に形成することができる。図２〜図４から明らかな通り、場合によっては、スロット３８は本体２６の長さ（ｌ）全体には延在せず、その結果として第１の一対の対向側面２８の第２の側面（２８Ｂ）の２つの別個の部分４２Ａ，４２Ｂがスロット３８の境界を定めて、その中で溶接部４０を形成することができるポケットを形成する。様々な実施形態では、スロット３８は、本体２６の上面３２を貫通し、第１の一対の対向側面２８の第２の側面（２８Ｂ）と上面３２の間に流路を形成し、そこに溶接部４０（溶接材料）を流すことができる。場合によっては、本明細書で説明するように、溶接部４０は、周方向シール２４と接触して、本体２６と周方向シール２４とを接合する。ただし、他の実施形態では、溶接部４０は、本明細書でさらに説明するように、ロータ本体４６又は隣接するシール保持部材５４の少なくとも１つと接触することができる。

図５は、ロータキー部材２０を除く、図４のロータアセンブリ２２の概略的な３次元斜視図である。図６は、周方向シール２４及びロータキー部材２０を除く、ロータアセンブリ２２の一部分の３次元斜視図である。本明細書で説明するように、図７は、ロータキー部材２０を除き、シール保持部材５４をさらに含む、ロータアセンブリ２２の一部分の３次元斜視図である。図８は、溶接部４０を除いて、周方向シール２４、シール保持部材５４及びロータキー部材２０を含むロータアセンブリ２２を示している。

図５〜図８を参照しつつ図３に戻ると、ロータ本体４６の主軸（Ａ）（主軸Ａは蒸気タービンの回転軸に対応する）の周りで実質的に全周に延在するスロット４８を有するロータ本体４６を含むロータアセンブリ２２が示されている。スロット４８は、ロータ本体４６の周りで実質的に円周距離全体に延在する一次スロット５０と、一次スロット５０から軸方向に延在しかつロータ本体４６の周りで円周距離の一部分にしか延在しない二次スロット５２（図５、６及び７）とを含むことができる。図３に示すように、ロータアセンブリ２２はさらに、一次スロット５０内に、（例えば複数の断片として又は１個の連続材料片として）ロータ本体４６の周りで実質的に円周距離全体に延在する周方向シール２４を含むことができる。図７及び図８は、一次スロット５０内で周方向シール２４の軸方向面５６と接する一組のシール保持部材５４（例えば、複数の周方向に配置されたもの）を含めて、ロータアセンブリ２２のさらなる部品を示している。図８に示すように、ロータキー部材２０は二次スロット５２内に配置され（かつ二次スロット５２を実質的に充填し）、周方向シール２４の軸方向面５６と接している。ロータキー部材２０は、二次スロット５２に摺動して出入りして、例えば周方向シール２４に係合（接続）させるための溶接部４０を用いて、周方向シール２４をロックする寸法とすることができる。本明細書で説明するように、ロータキー部材２０のＵ字形の特徴は、その適応性に富む組成と併せて、シール保持部材５４（ひいては、周方向シール２４）をロック／アンロックするために、ロータキー部材２０を二次スロット５２に挿入又は二次スロットから取り外すことができるようになる。図５及び図７に示すように、一部の実施形態では、周方向シール２４は、周方向に部分的にしか延在しない凹部４３であって、軸方向面５６の隣接セグメント間の中断部をなす凹部４３を含むことができる。場合によっては、この凹部４３は、ロータキー部材２０を収容しかつ二次スロット５２と一致する寸法とすることができる。すなわち、様々な実施形態では、ロータキー部材２０は、凹部４３を実質的に充填して、周方向シール２４の周方向の移動を制限する。

蒸気タービン２の運転中、ロータアセンブリ２２は、軸方向面５６に軸方向圧力を加えることにより周方向シール２４を保持することができる。具体的には、ロータキー部材２０でシール保持部材５４を周方向の所定位置にロックしながら（その状態で第１の側面２８Ａは二次スロット５２によって保持される）、シール保持部材５４は、周方向シールに（軸方向面５６で）軸方向圧力を加えることができる。さらに、ロータキー部材２０は周方向シール２４の軸方向面と凹部４３内で係合して、ロータ本体４６に対する周方向シール２４の回転を制限する。また、溶接部４０は、周方向シール２４の半径方向内面に係合して、ロータ本体４６に対する周方向シール２４の軸方向の回転を抑制することができる。様々な実施形態では、ロータキー部材２０（及びロータアセンブリ２２）は、蒸気タービン（例えば蒸気タービン２）内の複数の段で利用することができ、周方向シール部品の組立分解に役立てることができるだけでなく、摩耗と、部品の故障による複雑な問題とを減少させることができる。

本明細書で用いた用語は、特定の実施形態を説明することを目的とし、本開示を限定するものではない。本明細書において、文脈から別途明らかでない限り、単数形で記載されたものは複数形も含むものとする。「含む」及び／又は「包含する」という用語は、本明細書では、記載した特徴、整数、ステップ、動作、構成要素及び／又は部品が存在することを示し、１以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、部品及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲と文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

２蒸気タービン
４低圧ＬＰセクション
６高圧ＨＰセクション
７ケーシング
８入口
１０シャフト
１２軸受け
１４出口
１６中心線ＣＬ
２０ロータキー部材
２２ロータアセンブリ
２４周方向シール
２６本体
２８第１の一対の対向側面
３０第２の一対の対向側面
３２上面
３４底面
３６面取り縁部
３８スロット
４０溶接部
４３凹部
４６ロータ本体
４８スロット
５０一次スロット
５２二次スロット
５４シール保持部材
５６軸方向面
４２Ａ側面の一部分
４２Ｂ側面の一部分

Claims

蒸気タービンロータの周方向シール（２４）を保持するためのロータキー部材（２０）であって、当該ロータキー部材（２０）が、蒸気タービン（２）の軸方向と実質的に直交する方向に延在する主軸（ａ_Ｐｂ）を有する本体（２６）と、本体（２６）内のスロット（３８）とを備えており、本体（２６）が、
第１の一対の対向側面（２８）と、
第１の一対の対向側面（２８）の間に延在する第２の一対の対向側面（３０）であって、主軸（ａ_Ｐｂ）に沿った本体の長さ（ｌ）が第２の一対の対向側面（３０）の間に延在する、第２の一対の対向側面（３０）と、
第２の一対の対向側面（３０）の間に延在する上面（３２）及び底面（３４）と、
第１の一対の対向側面（２８）の第１の側面（２８Ａ）と底面（３４）の間に延在し、主軸（ａ_Ｐｂ）に沿った本体（２６）の長さ（ｌ）全体に延在するフィレット、斜面又は面取り縁部（３６）と
を含み、
スロット（３８）が、第２の一対の対向側面（３０）の間で主軸（ａ_Ｐｂ）に沿って本体（２６）の長さの一部分に延在して、第１の一対の対向側面（２８）の第２の側面（２８Ｂ）に開口部を形成し、スロット（３８）が、主軸（ａ_Ｐｂ）に沿った本体（２６）の長さの一部分にしか延在せず、その結果として第１の一対の対向側面（２８）の第２の側面（２８Ｂ）の２つの別個の部分（４２Ａ，４２Ｂ）が、主軸（ａ_Ｐｂ）の方向におけるスロット（３８）の境界を定めて、溶接部（４０）を受け入れるポケットを形成する、ロータキー部材。
スロット（３８）を実質的に充填する溶接部（４０）をさらに備える、請求項１に記載のロータキー部材（２０）。
溶接部（４０）が、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接部又はメタル不活性ガス（ＭＩＧ）溶接部のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のロータキー部材（２０）。
スロット（３８）が、本体（２６）の上面（３２）を貫通している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロータキー部材（２０）。
スロット（３８）が、第１の一対の対向側面（２８）の第２の側面（２８Ｂ）と上面（３２）の間に流路を形成する、請求項４に記載のロータキー部材（２０）。
蒸気タービンロータアセンブリ（２２）であって、
ロータ本体（４６）の主軸の周りで実質的に全周に延在するスロット（４８）を有するロータ本体（４６）であって、スロット（４８）が、ロータ本体（４６）の周りで実質的に円周距離全体に延在する一次スロット（５０）、及び一次スロット（５０）から軸方向に延在しかつロータ本体（４６）の周りで円周距離の一部分にしか延在しない二次スロット（５２）を含む、ロータ本体（４６）と、
ロータ本体（４６）の周りで実質的に円周距離全体に延在する、一次スロット（５０）内の周方向シール（２４）と、
一次スロット（５０）内で周方向シール（２４）の軸方向面（５６）と接する一組のシール保持部材（５４）と、
二次スロット（５２）内で周方向シール（２４）の軸方向面（５６）と接する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のロータキー部材（２０）であって、一次スロット（５０）内の周方向シール（２４）を保持するためのロータキー部材（２０）と
を備える、蒸気タービンロータアセンブリ（２２）。
周方向シール（２４）の軸方向面（５６）が、ロータ本体（４６）の周りで円周距離の一部分に延在する凹部（４３）を含み、ロータキー部材（２０）が、周方向シール（２４）の周方向の移動を制限するために凹部（４３）を実質的に充填する、請求項６に記載の蒸気タービンロータアセンブリ（２２）。
蒸気タービン（２）であって、
ケーシング（７）と、
ケーシング（７）内に少なくとも部分的に収容された、請求項６又は請求項７に記載の蒸気タービンロータアセンブリ（２２）と
を備える蒸気タービン（２）。