(57)【要約】本発明は、流れ（３８）を案内する流路を境界づける流路壁（３０）を備え、この流路壁（３０）が第１壁部分（３１）と第２壁部分（３２）とを有し、その一方の壁部分（３１）がガスタービン（１）の燃焼器（６）の一部であり、他方の壁部分（３２）がタービン装置（８）の環状燃焼ガス流路（１８）の一部であり、その互いに隣接する両壁部分（３１、３２）が端面側において隙間（３４）を形成した状態で対向して位置するガスタービン（１）に関する。隙間（３４）を燃焼ガスの侵入に対して防護する封じ空気の漏れ量を低減するために、隙間（３４）に対して直角に移動可能な封じ要素（４４）が、第１壁部分（３１）の端面から隙間（３４）の中に突出して延び、この封じ要素（４４）が、第１壁部分（３１）内を案内されるピストン面（６０）と、このピストン面（６０）とは反対の側に位置するシール構造物（５４）とを有し、このシール構造物（５４）が、ピストン面（６０）に作用する圧力媒体（Ｄ）によって第２壁部分（３２）の端面に形成されたシール部位（５６）に押し付けられる。
2008542623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ（３８）を案内する流路を境界づける流路壁（３０）を備え、該流路壁（３０）が第１壁部分（３１）と第２壁部分（３２）とを有し、その一方の壁部分（３１）がガスタービン（１）の燃焼器（６）の一部であり、他方の壁部分（３２）がタービン装置（８）の環状燃焼ガス流路（１８）の一部であり、その互いに隣接する両壁部分（３１、３２）が端面側において隙間（３４）を形成した状態で対向して位置するガスタービン（１）において、
隙間（３４）を漏れ止めするために、隙間（３４）に対して直角に移動可能な封じ要素（４４）が、第１壁部分（３１）の端面から隙間（３４）の中に突出して延び、該封じ要素（４４）が、第１壁部分（３１）内を案内されるピストン面（６０）と、該ピストン面（６０）とは反対の側に位置するシール構造物（５４）とを有し、該シール構造物（５４）が、ピストン面（６０）に作用する圧力媒体（Ｄ）によって第２壁部分（３２）の端面に形成されたシール部位（５６）に押し付けられることを特徴とするガスタービン（１）。
【請求項２】
封じ要素（４４）のシール構造物（５４）および第２壁部分（３２）の端面（５２）のシール部位（５６）が、互いに平面的に接していることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン（１）。
【請求項３】
互いに隣接する両壁部分（３１、３２）が、横断面が環状の流路壁（３０）の一部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン（１）。
【請求項４】
シール部位（５６）に押し付けるための移動にとって必要な圧力媒体（Ｄ）についての圧力形成を損失なしに保証するために、封じ要素（４４）が、第１壁部分（３１）内に形成されたピストン室（６２）を、封じ要素（４４）と第１壁部分（３１）との間に設けられたすべりシール装置（７０）によって閉鎖していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
【請求項５】
ピストン面（６０）とシール構造物（５４）とピストン室（６２）が、それぞれ環状にされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
【請求項６】
すべりシール装置（７０）が、封じ要素（４４）あるいは第１壁部分（３１）に設けられた少なくとも１個のシール舌片（７２）を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載のガスタービン（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流れを案内する流路を境界づける流路壁を備え、この流路壁が第１壁部分と第２壁部分とを有し、その一方の壁部分がガスタービンの燃焼器の一部であり、他方の壁部分がタービン装置の環状燃焼ガス流路の一部であり、その互いに隣接する両壁部分が端面側において隙間を形成した状態で対向して位置するガスタービンに関する。
【０００２】
ガスタービンにおいて燃焼器で燃料・空気・混合気が燃焼され燃焼ガス（高温ガス）が発生されることが知られている。その燃焼ガスは続いてタービン装置において機械エネルギを発生するために利用される。その燃焼ガスは燃焼器から環状燃焼ガス流路に送られ、車室内に配置されたタービン静翼およびロータに配置されたタービン動翼において、燃焼ガスの流れエネルギがロータの機械エネルギに転換される。燃焼器と環状燃焼ガス流路との間の移行部に、構造上から環状の軸方向隙間が存在し、その隙間の大きさは、ガスタービンの運転中に生ずる熱膨張に基づいて変化し、この隙間は、燃焼ガスの侵入に対して封じ空気の吹き込みによって防護される。特に、燃焼器の燃焼ガス流路の側の端部と第１タービン段の静翼の翼台座との間に、ないしは燃焼器と静翼との間の部品との間に形成された隙間に、封じ空気が吹き込まれる。
【０００３】
封じ空気の吹き込みによる隙間の封じ方式は、封じ空気が燃焼のために用意された圧縮機空気から取り出されるために、ガスタービンの効率並びに燃焼器内部における燃焼安定性に不利に作用する。特に、隙間に関連する部品の異なった熱膨張の結果、発生する隙間は、ガスタービンの常温状態における隙間に比べて変化する。このために、封じ空気質量流量が予測される最大隙間に対して設計されるので、かなりの封じ空気質量流量が必要とされる。予測より大きな隙間が生ずると、最悪の場合、不十分なシール作用が生じ、これは、隙間への局所的な燃焼ガスの侵入ないし流入を生じさせ、隙間を取り囲む部品の寿命を短縮させてしまう。
【０００４】
本発明の課題は、向上された効率と、向上された燃焼安定性と、その流路壁が長い寿命を有する、流れを案内する流路を境界づける流路壁に対する隙間封じ装置を備えたガスタービンを提供することにある。
【０００５】
上述したガスタービンに向けられた課題は、請求項１に記載の特徴に応じて、隙間を漏れ止めするために、隙間に対して直角に移動可能な封じ要素が、第１壁部分の端面から隙間の中に突出して延び、この封じ要素が、第１壁部分内を案内されるピストン面と、このピストン面とは反対の側に位置するシール構造物とを有し、このシール構造物が、ピストン面に作用する圧力媒体によって第２壁部分の端面に形成されたシール部位に押し付けられる、ことによって解決される。
【０００６】
本発明は、運転上の熱膨張に基づいて、端面側が対向して位置する壁部分が互いに離隔運動ないし接近運動し、隙間の大きさを変化させても、隙間の中に直角に延びる移動可能な封じ要素が、燃焼ガスの侵入を常に効果的に阻止する、という認識から出発している。封じ要素が変化する隙間を最良に漏れ止めできるようにするために、封じ要素は第１壁部分に対して相対変位でき、これにより、封じ要素はそのシール構造物が第２壁部分の端面に形成されたシール部位に常に押し付けられる。そのために必要な押圧力は、第１壁部分内に存在するピストン室に導入される圧力媒体によって発生される。そのピストン面がピストン室内に位置し、これにより、圧力媒体がピストン面に作用し、これにより、封じ要素が追従して動きシール部位に常に接する。
【０００７】
これにより本発明は、隙間への燃焼ガスの侵入が封じ空気の吹き込みだけで阻止される方式とは異なっている。
【０００８】
ガスタービンのかかる隙間封じ装置は、封じ要素が第１壁部分の内部において隙間に対して直角に隙間の中に移動できることにより、隙間をその大きさが変動するにもかかわらず常に効果的に漏れ止めする。
【０００９】
また、封じ空気が節約され、その節約空気が隙間を封じる代わりにガスタービンの燃焼過程に追加的に利用され、これにより、ガスタービンの運転中における効率が一層高められる。さらに、これにより燃焼安定性が向上される。
【００１０】
有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１１】
封じ要素のシール構造物および第２壁部分の端面に形成されたシール部位が、互いに平面的に接しているのが有利である。これにより、封じ要素のシール作用が一層高められ、これは燃焼ガスの侵入を一層困難にする。
【００１２】
有利な実施態様において、互いに隣接する両壁部分は横断面が環状の流路壁の一部である。従って隙間は円周方向に環状に延びている。このことは環状の隙間封じ装置を可能とし、その場合、隙間のあらゆる箇所において隙間への燃焼ガスの侵入を阻止する効果的処置が保証されるように、目的に適って、ピストン面とシール構造物とピストン室はそれぞれ環状にされている。
【００１３】
移動にとって必要な圧力形成を可能にするためないし向上するために、封じ要素が第１壁部分内に形成されたピストン室を、封じ要素と第１壁部分との間に設けられたすべりシール装置によって閉鎖していることによって、特に確実で効果的な隙間封じ装置が得られる。圧力媒体として特に圧縮機空気が利用されるので、これにより、必要な圧力が特に簡単に用意でき、ガスタービンの効率ないしその燃焼安定性を低下させることはない。特に有効なすべりシール装置は、封じ要素あるいは第１壁部分に設けられた少なくとも１個のシール舌片を有している。
【００１４】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１はガスタービン１を縦断面図で示している。ガスタービン１は内部に回転中心軸線２を中心として回転可能に支持されタービンロータとも呼ばれるロータ３を有している。このロータ３に沿って順々に、吸込み室４、圧縮機５、複数のバーナ７が回転対称に配置されたトーラス状の環状燃焼器６、タービン装置８および排気室９が続いている。環状燃焼器６は環状の燃焼ガス流路１８に連通する燃焼室１７を形成している。その燃焼ガス流路１８において、直列接続された４つのタービン段１０がタービン装置８を形成している。各タービン段１０はそれぞれ２つの翼列（翼輪）で形成されている。環状燃焼器６で発生された燃焼ガス１１の流れ方向に見て、燃焼ガス流路１８内において各静翼列１３に、多数の動翼１５から成る翼列１４が続いている。静翼１２はステータ（車室）に固定され、これに対して、翼列１４の動翼１５はタービン円板によってロータ３に設けられている。ロータ３に発電機あるいは作業機械（図示せず）が連結されている。
【００１６】
図２は、流路を境界づける流路壁３０の一部として、互いに隣接し端面側が隙間３４を形成した状態で対向して位置する２個の壁部分３１、３２を示している。流路壁３０の壁部分３１、３２は燃焼ガス流（高温ガス流）３８を案内する。そのような配置構造は、図１の部分ＩＩにおいて、ガスタービン１の環状燃焼器６の燃焼室１７からタービン装置８の環状燃焼ガス流路１８への移行部に存在する。第１壁部分３１はセラミック熱シールドあるいは金属熱シールドであり、これに対して、第２壁部分３２は例えば第１タービン段１０の静翼１２の翼台座により形成されている。
【００１７】
隙間３４を燃焼ガス１１の侵入に対して封じるために、従来では単に、この隙間３４から封じ空気４０が高圧で吹き出されていた（図２参照）。
【００１８】
図３は、燃焼ガス流３８を案内する流路を境界づける流路壁３０に対する本発明に基づく隙間封じ装置５０を示している。第１壁部分３１は端面側が、燃焼ガス流３８に対して平行に延び溝４２を備えた切欠き部４６によって２つの部分要素３１ａ、３１ｂに分けられている。その切欠き部４６の中に、燃焼ガス流３８に対して平行に隙間３４の中に移動可能な封じ要素４４が少なくとも部分的に収納されている。第１壁部分３１における溝４２は切削加工され、その後から、封じ要素４４が円周方向に挿入されねばならない。
【００１９】
図示された実施例において、環状に延びる断面ピストン状あるいはハンマ状の封じ要素４４（図５）は、隙間側に配置されたシール構造物５４を有し、このシール構造物５４は、第２壁部分３２の端面に形成されたシール部位５６に対向して位置している。
【００２０】
また、封じ要素４４は、ピストン室６２の横断面に相応したピストン面６０を有し、そのピストン室６２は両部分要素３１ａ、３１ｂ間に設けられている。第１壁部分３１の背面からピストン室６２に、隙間状あるいは孔状供給通路６４を介して、圧力媒体Ｄ特に圧縮機空気が供給される。この圧縮機空気は、通常もともと、例えば金属熱シールドとして形成された第１壁部分３１にそれを冷却するために（燃焼ガスに関して）背面側に供給される。供給通路６４として例えば切欠き部４６も利用できる。
【００２１】
ガスタービン１における本発明に基づく隙間封じ装置５０の利用中、封じ要素４４はロータ３の軸方向に変位できる。隙間に関連する壁部分３１、３２は、運転上の温度変化に基づいて、変位および／又は膨張し、これにより、両壁部分３１、３２間の端面側の間隔、即ち、隙間寸法Ｂが変化する。例えば常温のガスタービンを始動した後、隙間は熱膨張のために小さくなる。その隙間寸法Ｂの変化は、純粋な静止シール要素あるいは弾性シール要素が、十分な漏れ止め機能を維持した状態で壁部分の運動を永続的に補償する働きをしないほどに大きくなる。
【００２２】
運転中におけるあらゆる時点で隙間３４の確実な漏れ止めを達成するために、封じ要素４４は、シール要素として第２壁部分３２のシール部位５６に押し付けられる。
【００２３】
そのために必要な押圧力は圧力媒体Ｄによって得られ、この圧力媒体Ｄは、供給通路６２を介してピストン室６２に供給され、このピストン室６２内において封じ要素４４のピストン面６０に作用し、その封じ要素４４を対向して位置する第２壁部分３２の方向に移動させる。
【００２４】
圧力媒体Ｄの圧力ｐ1は、この圧力ｐ1が隙間内に生ずる圧力ｐ2ないしｐ3より大きく定められている。これにより、切欠き部４６内に配置された封じ要素４４が、溝４２内を移動可能なピストンの様式で、第１壁部分３１から部分的に第２壁部分３２の方向に加圧状態で移動されることが可能となる。これにより、そのシール構造物５４は、運転中においてシール部位５４に常に気密に、好適には、平面的に接する。従って、ピストン室６２の大きさに関係する移動距離が十分に大きく選定されている限りにおいて、隙間３４とピストン室６２との圧力差が、隙間の大きさないし隙間寸法Ｂに自ずと適合するシール作用をする。
【００２５】
流路壁３０は燃焼ガス流路３８を、冷却空気が案内される背面側空間６６に対して分離している。冷却空気は、封じ要素４４を変位させるために利用される圧力媒体Ｄの圧力より低いが、隙間３４内における燃焼ガス１１の圧力ｐ3より大きな圧力ｐ2を有している。それでも、シール構造物５４とシール部位５６との間に僅かな漏れあるいは大きな漏れが生じた場合、定められた圧力比により、空間６６から隙間３４を通して漏れ流が流れ、この漏れ流が、燃焼ガス１１の不利な侵入を効果的に防止する。
【００２６】
圧力媒体Ｄの使用消費量を特に少なくするために、封じ要素４４がすべりシール７０で第１壁部分３１内に支持されている。すべりシール７０はピストン室６２を隙間３４に対して少なくとも部分的に閉鎖し、シール舌片７２を有している。このシール舌片７２は、図５における斜視図から理解できるように、封じ要素４４の両側面７１に設けられるか、封じ要素４４に対向して位置する第１壁部分３１の内側面７４に設けられる。これにより、ピストン室６２から利用されずに隙間３４に流出する圧力媒体Ｄの意図しない又は許容できない大きな漏れが防止される。
【００２７】
図４における部分斜視図からも理解できるように、両壁部分３１、３２は、好適には、図１における部分ＩＩの領域において、例えば環状燃焼器６からガスタービン１の燃焼ガス流路１８への移行部を境界づける軸方向横断面を環状に囲む流路壁３０の一部である。環状の流路壁３０の壁部分３１、３２並びに封じ要素４４は円周方向において区分できる。そのほかに、ガスタービンの内部における別の利用域が考えられ、例えば本発明は、静翼の翼台座とそれに対して軸方向に隣接して配置され動翼に対向して位置する案内輪との間の移行部にも利用できる。
【００２８】
それに応じて本発明によれば、隙間を燃焼ガスに対して防護する封じ空気の漏れ量を減少するために、圧力作動式封じ要素によって、変動する隙間の大きさに自動的に適合される隙間用の漏れ止め装置あるいは封じ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ガスタービンの縦断面図。
【図２】従来におけるガスタービンの燃焼ガス流路への環状燃焼器の移行部の図１の部分ＩＩの拡大詳細図。
【図３】ピストン状封じ要素を備えた本発明に基づく隙間封じ装置の横断面図。
【図４】ピストン状封じ要素を備えた第１壁部分の部分斜視図。
【図５】封じ要素としてのピストン状シール要素の斜視図。
【符号の説明】
【００３０】
１    ガスタービン
６    燃焼器
８    タービン装置
３０    流路壁
３１    壁部分
３２    壁部分
３４    隙間
４４    封じ要素
５２    端面
５４    シール構造物
５６    シール部位
６０    ピストン面
６２    ピストン室
７０    すべりシール
７２    シール尖端
【図１】
2008542623.tif 000003
【図２】
2008542623.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2008542623.tif 000008
2008542623.tif 000009
2008542623.tif 000010
2008542623.tif 000011