(57)【要約】【課題】優れた冷却効率及びシール性能を有するシール装置を提供する。【解決手段】間隙１０を介して互いの側部１１，１２が対向するように配置され、作動流体流路４と冷却流体流路３を画定する１対の流路構成部材１，２と、間隙１０を介して互いに対向するように流路構成部材１，２の側部１１，１２にそれぞれ設けられた２組の溝５１，５２、６１，６２と、作動流体流路４側の溝６１，６２に架け渡されたシールプレート６と、冷却流体流路３側の溝５１，５２に架け渡され、間隙１０の位置に設けられた複数のインピンジ冷却孔５３を有するインピンジプレート５を備える。【選択図】図１
2008223515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を介して互いの側部が対向するように配置され、作動流体の流路と冷却流体の流路を画定する１対の流路構成部材と、
前記間隙を介して互いに対向するように前記１対の流路構成部材の側部にそれぞれ設けられた２組の溝と、
この２組の溝のうち前記作動流体の流路側の溝に架け渡されたプレートと、
前記２組の溝のうち前記冷却流体の流路側の溝に架け渡され、前記間隙の位置に設けられた複数の冷却孔を有する他のプレートとを備えることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項２】
作動流体の流路と冷却流体の流路を画定し、前記作動流体の流路側の部分が前記冷却流体の流路側の部分より突出した形状から成る側部を有する流路構成部材と、
この流路構成部材の側部の形状とは反対に前記冷却流体側の流路側の部分が前記作動流体の流路側の部分より突出した形状から成る側部を有し、この側部が前記流路構成部材の側部と間隙を介して対向するように配置され、前記流路構成部材とともに前記作動流体の流路と前記冷却流体の流路を画定する他の流路構成部材と、
前記流路構成部材の側部における突出した部分とこれに対向する前記他の流路構成部材の側部に前記間隙を介して互いに対向するように設けられた１組の溝と、
前記他の流路構成部材の側部における突出した部分とこれに対向する前記流路構成部材の側部に前記間隙を介して互いに対向するように設けられた他の１組の溝と、
前記１組の溝に架け渡されたプレートと、
前記他の１組の溝に架け渡され、前記間隙の位置に設けられた複数の第１冷却孔を有する他のプレートとを備えることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービンのシール装置において、
前記流路構成部材は前記他のプレートの複数の第１冷却孔から噴出される冷却流体が直接衝突する面を前記作動流体の流路側に向かって後退させて設けた凹部を有することを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項４】
請求項２記載のガスタービンのシール装置において、
前記流路構成部材は、前記側部の前記２つのプレートに挟まれた部分に設けられた流入口から、前記作動流体の流路に面して設けられた噴出口まで斜めに貫通するように設けられた複数の第２冷却孔を備えることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項５】
請求項４記載のガスタービンのシール装置において、
前記複数の第２冷却孔の噴出口は前記間隙の出口に設けられていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項６】
請求項４記載のガスタービンのシール装置において、
前記複数の第２冷却孔の流入口は前記複数の第１冷却孔の軸心から外れた位置に設けられていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項７】
請求項４記載のガスタービンのシール装置において、
前記第２冷却孔は、その方向が、前記作動流体の流路内の作動流体の流通方向に倣うように傾斜して設けられていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項８】
請求項２記載のガスタービンのシール装置において、
前記流路構成部材は、前記側部の前記２つのプレートに挟まれた部分に設けられた流入口から、前記間隙のうち前記プレートより前記作動流体の流路側に位置する部分に設けられた噴出口まで貫通するように設けられた複数の第３冷却孔を備えることを特徴とするガスタービンのシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作動流体の漏洩を抑制するガスタービンのシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンにおいて、燃焼器で燃料とともに燃焼して得た高温の燃焼ガス（作動流体）が流通するガス流路の外側には、ガス流路の構成部材が熱で損傷しないように、圧縮機から抽気した冷却用の空気が供給されている。また、このガス流路の構成部材は、他の部分と同様に、熱変形やメンテナンス性等を考慮して複数に分割されている。そのため、例えば、ガス流路の外側に供給されている空気は、部材同士の隙間から燃焼ガスが外側に漏れ出すことがないように、燃焼ガスの圧力と比較して高圧に保持されている。しかし、このままでは、隙間から冷却空気がガス流路へ漏れ込んで作動ガスの温度が低下してしまい、ガスタービンの熱効率低下の要因となる場合がある。そのため、構成部材同士はその隙間に設けられたシール装置を介して連結されており、冷却空気が作動ガス側に過度に漏れ込むことが抑制されている。
【０００３】
ところで、発電を用途とするガスタービンでは、蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル等をはじめとして、その性能及び効率向上に大きな期待が寄せられており、作動流体の一層の高温化が特に求められている。そのため、他のガスタービンでは冷却する必要性が低かった構成部材同士の連結部に関しても積極的に冷却する必要が生じてきており、連結部に用いられるシール装置には、高い冷却効率と確実なシール性能を有するものが求められている。
【０００４】
この種の技術として、ガス流路の構成部材同士を連結するシールプレートに複数の孔（スロット）を設け、この孔を通過する空気によって連結部付近のフィルム冷却を行っているものがある（特許文献１等参照）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４７６７２６０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の技術では、冷却空気はシールプレートの孔を通り抜ける際しか高温部材と熱交換できないため、自身の持つ冷却ポテンシャルをほとんど使うことなく作動流体中へ放出されてしまう。また、このように冷却空気の熱交換が不充分で温度が低いまま作動流体中に放出されると、作動流体の温度をみだりに下げてしまい、ガスタービン全体の効率が低下してしまう。さらに、孔を通過する冷却空気が作動流体の流れを乱してしまい、更なる効率低下の要因となる場合もある。
【０００７】
本発明の目的は優れた冷却効率及びシール性能を有するシール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、間隙を介して互いの側部が対向するように配置され、作動流体の流路と冷却流体の流路を画定する１対の流路構成部材と、前記間隙を介して互いに対向するように前記１対の流路構成部材の側部にそれぞれ設けられた２組の溝と、この２組の溝のうち前記作動流体の流路側の溝に架け渡されたプレートと、前記２組の溝のうち前記冷却流体の流路側の溝に架け渡され、前記間隙の位置に設けられた複数の冷却孔を有する他のプレートとを備えるものとする。
【０００９】
（２）また、本発明は、上記目的を達成するために、作動流体の流路と冷却流体の流路を画定し、前記作動流体の流路側の部分が前記冷却流体の流路側の部分より突出した形状から成る側部を有する流路構成部材と、この流路構成部材の側部の形状とは反対に前記冷却流体側の流路側の部分が前記作動流体の流路側の部分より突出した形状から成る側部を有し、この側部が前記流路構成部材の側部と間隙を介して対向するように配置され、前記流路構成部材とともに前記作動流体の流路と前記冷却流体の流路を画定する他の流路構成部材と、前記流路構成部材の側部における突出した部分とこれに対向する前記他の流路構成部材の側部に前記間隙を介して互いに対向するように設けられた１組の溝と、前記他の流路構成部材の側部における突出した部分とこれに対向する前記流路構成部材の側部に前記間隙を介して互いに対向するように設けられた他の１組の溝と、前記１組の溝に架け渡されたプレートと、前記他の１組の溝に架け渡され、前記間隙の位置に設けられた複数の第１冷却孔を有する他のプレートとを備えるものとする。
【００１０】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記流路構成部材は前記他のプレートの複数の第１冷却孔から噴出される冷却流体が直接衝突する面を前記作動流体の流路側に向かって後退させて設けた凹部を有するものとする。
【００１１】
（４）上記（２）において、好ましくは、前記流路構成部材は、前記側部の前記２つのプレートに挟まれた部分に設けられた流入口から、前記作動流体の流路に面して設けられた噴出口まで斜めに貫通するように設けられた複数の第２冷却孔を備えるものとする。
【００１２】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記複数の第２冷却孔の噴出口は前記間隙の出口に設けられているものとする。
【００１３】
（６）上記（４）において、好ましくは、前記複数の第２冷却孔の流入口は前記複数の第１冷却孔の軸心から外れた位置に設けられているものとする。
【００１４】
（７）上記（４）において、好ましくは、前記第２冷却孔は、その方向が、前記作動流体の流路内の作動流体の流通方向に倣うように傾斜して設けられているものとする。
【００１５】
（８）上記（２）において、好ましくは、前記流路構成部材は、前記側部の前記２つのプレートに挟まれた部分に設けられた流入口から、前記間隙のうち前記プレートより前記作動流体の流路側に位置する部分に設けられた噴出口まで貫通するように設けられた複数の第３冷却孔を備えるものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、優れた冷却効率及びシール性能を発揮することができるので、ガスタービンの効率及び信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図２はその斜視図である。
【００１９】
これらの図に示すガスタービンのシール装置は、間隙１０を介して互いの側部１１，１２が対向するように配置され、ガスタービンの作動流体の流路（作動流体流路）４と冷却流体の流路（冷却流体流路）３を画定する１対の流路構成部材１，２と、間隙１０を介して互いに対向するように流路構成部材１の側部１１と流路構成部材２の側部１２にそれぞれ設けられた２組の溝５１，５２及び６１，６２と、作動流体流路４側の溝６１，６２に架け渡されたシールプレート６と、冷却流体流路３側の溝５１，５２に架け渡され、複数のインピンジ冷却孔５３を有するインピンジプレート５を備えている。
【００２０】
作動流体流路４は、圧縮機（図示せず）で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼器（図示せず）で混合して得られる高温の燃焼ガス（作動流体）が流通する流路（ガスパス）である。詳細については後述するが、ガスタービンにおけるこの流路４の１例としては、タービンロータ（図示せず）の外周に環状に形成され、静翼が周方向に複数取り付けられた流路（以下、環状流路とする）がある。
【００２１】
この作動流体流路４を形成する部材には、作動流体によって高温下にさらされるため、熱変形による応力集中を緩和する観点や、部品の点検・保守・交換を容易にする観点から、複数に分割されたものがある。このように複数に分割された部材が上記の流路構成部材１，２に該当し、互いに隣接して作動流体流路４を構成している。
【００２２】
流路構成部材１，２は、他の流路構成部材（図示せず）とともなって作動流体流路４を形成し、互いの側部１１，１２が隣接するように配されている。例えば、この流路構成部材１，２が上記のタービンロータの外周に形成される環状流路の１部を構成する場合には、タービンロータの周方向に複数連なって環状流路を構成するセグメントのうち隣接する２つの部材となり、部材を構成する面のうち作動流体流路４内に臨む面はエンドウォールを構成する。
【００２３】
冷却流体流路３は、作動流体と比較して相対的に低温の流体（冷却流体）を流通させるための流路であり、作動流体流路４を外側あるいは内側から覆うように形成されている。冷却流体は、流路構成部材１，２が作動流体にさらされて溶解したり、酸化あるいは熱応力で亀裂が入って損傷したりすることを抑制している。ところで、上記のように流路構成部材１，２の間には間隙１０が存在するので、この間隙１０を介して高温の作動流体が作動流体流路４の外に漏れ出す恐れがある。そのため、冷却流体としては作動流体と比較して相対的に圧力の高い流体を供給する必要がある。本実施の形態における冷却流体流路３には、圧縮機から抽気した圧縮空気が流通しており、作動流体の漏洩を抑制している。
【００２４】
流路構成部材１の側部１１及び流路構成部材２の側部１２は、流路構成部材１と流路構成部材２が所定の間隙１０を保持してプレート５，６によって連結される部分である。流路構成部材１の側部１１には溝５１及び溝６１が設けられており、流路構成部材２の側部１２には溝５２及び溝６２が設けられている。
【００２５】
溝５１及び溝５２、溝６１及び溝６２はそれぞれ間隙１０を介して対向するように配置された２組の溝であり、この２組の溝５１，５２及び６１，６２は冷却流体流路３から作動流体流路４へ向かう方向（又はその逆の方向。即ち、タービンロータ径方向）に配列されている。溝５１，５２にはインピンジプレート５が、溝６１，６２にはシールプレート６が図２中の矢印が示すように挿入されている。
【００２６】
インピンジプレート５と溝５１，５２の間、及びシールプレート６と溝６１，６２の間は、完全に密閉されておらず、微小な間隙（シール間隙７１，７２）が形成されている。そのため、作動流体と冷却流体の気圧差によって生じる冷却流体の流れは、シールプレート６の周囲に形成されるシール間隙７１，７２を介して放出流３２となって作動流体流路４側に放出されている。ここで、シール間隙７１はシールプレート６と溝６１の間に形成される間隙であり、シール間隙７２はシールプレート６と溝６２の間に形成される間隙である。
【００２７】
放出流３２は、過度の量が作動流体流路４内に流れ込むと作動流体流路４中の作動流体の流れを乱して効率を低下させる場合があるので、作動流体が冷却流体流路３側に逆流がしない程度の流量に調節されている。また、冷却流体として圧縮機から抽気した空気を利用する一般的なガスタービンでは、むやみに抽気量を増やすと、作動流体の量が減少してしまいガスタービン全体の効率が低下する場合がある。そのため、放出流３２の流量はこの観点からも調節されている。
【００２８】
放出流３２の流量を上記のように調節するには、インピンジ冷却孔５３の数や径を変え、インピンジプレート５とシールプレート６の間に到達する冷却流体の流量を調節して行うと良い。これにより、シールプレート６と溝６１，６２の間に形成されるシール間隙７１，７２の大きさをプレート６や溝６１，６２の表面粗さを変えたり等して調節する手間が軽減されるので、放出流３２の流量調節を容易に行うことができる。
【００２９】
インピンジプレート５に設けられたインピンジ冷却孔５３は、作動流体流路４側にシールプレート６に臨むように設けられた噴出口５３ａを有している。このような構成により、気圧差で冷却流体流路３から冷却孔５３に流れ込んだ冷却流体（圧縮空気）はシールプレート６に向かって吹き出され、噴流３１となって衝突してシールプレート６を噴流冷却（インピンジ冷却）する。
【００３０】
上記のように構成されるガスタービンのシール装置において、冷却流体流路３中の冷却流体の一部は、間隙１０に入り込み、インピンジ冷却孔５３を通って噴流３１となってシールプレート６と衝突する。このように衝突する際に冷却流体はシールプレート６と熱交換してその冷却ポテンシャルを使用するので、シールプレート６近傍を単に通過して冷却する場合と比較して効率良く冷却することができる。シールプレート６に衝突した冷却流体の一部は、シールプレート６と溝６１，６２の間に形成されたシール間隙７１，７２を通過する際に作動流体の逆流防止に適した量に調節され、放出流３２となって作動流体流路４中に放出される。
【００３１】
次に本実施の形態の効果を説明する。
まず、本実施の形態の効果の理解を容易にするために本実施の形態の比較例を説明する。
【００３２】
図３は本発明の第１の実施の形態の第１比較例であるガスタービンのシール装置の斜視図である。この図に示すガスタービンのシール装置は、１対の流路構成部材１０１，１０２と、流路構成部材１０１，１０２の側部に設けられた１組の溝１６１，１６２と、溝１６１，１６２に架け渡されたシールプレート２０６を備えたものであり、一般的に連結部のシール装置として用いられているものである。
【００３３】
図４は本発明の第１の実施の形態の第２比較例であるガスタービンのシール装置の上面図であり、図５はその斜視図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付し、その部分の説明は省略する（後の図も同様とする）。図４及び図５に示すガスタービンのシール装置は、冷却流体が流通する複数のスリット１６３が設けられ、溝１６１，１６２に架け渡されたシールプレート１０６を備えたものであり、第１比較例のシール装置を冷却性の観点から改良したものである。このシール装置は、スリット１６３を通過する冷却流体によって連結部付近のフィルム冷却を行っている。
【００３４】
しかし、この第２比較例における冷却流体は、スリット１６３を通過する間しかシールプレート１０６と熱交換ができないため冷却効率が悪い。また、冷却流体は所有する冷却ポテンシャルを充分使用することができないので、比較的低温度のまま作動流体中に放出されてしまい、作動流体の温度をみだりに下げてしまう場合もある。さらに、スリット１６３を介して多量の冷却流体が作動流体流路内に容易に流入することができるので、作動流体の流れを乱してしまう場合もあり、いずれもガスタービン全体の効率低下の要因となってしまう。
【００３５】
これに対して、本実施の形態のガスタービンのシール装置は、作動流体流路４側の溝６１，６２に架け渡されたシールプレート６と、冷却流体流路３側の溝５１，５２に架け渡され、複数のインピンジ冷却孔５３を有するインピンジプレート５を備えている。このように構成したシール装置によれば、インピンジ冷却孔５３から噴出される噴流３１を利用してシールプレート６を噴流冷却することにより冷却流体の冷却ポテンシャルを充分使用できる。したがって、流路構成部材１，２を効率良く冷却することができるとともに、比較例のように冷却ポテンシャルが高いままの冷却流体を作動流体中に放出して作動流体の温度をみだりに下げることもない。また、シールプレート６の冷却に利用した冷却流体をシールプレート６でシールすることによって作動流体への放出量をできる限り少なく抑えることができるので、冷却流体が作動流体に混合することにより発生する損失（混合損失）を低減させることができる。
【００３６】
図６は、図３に示した構造から成る第１比較例と、図４及び図５に示した構造から成る第２比較例と、本発明に係る各実施の形態のシール装置の冷却効果を比較したものである。各シール装置の比較を行う際には、各流体の圧力差を０．２［ＭＰａ］、冷却流体の温度を３００［℃］、シール間隙を０．２［ｍｍ］、インピンジ冷却孔５３やスリット１６３等の直径を１［ｍｍ］、孔間隔を１０［ｍｍ］とした。
【００３７】
この図において、「通過する冷却流体の流量」は、シール装置を介して作動流体流路４へ流入する冷却流体の流量を示し、第１比較例の流量を基準として他の場合の流量を表している。また、「シール間隙の熱伝達率」は、冷却流体がシール間隙７１，７２を流通する際の熱伝達率を示し、「噴流衝突面の熱伝達率」は、インピンジ冷却孔５３からの噴流３１による熱伝達率を示し、「強制対流冷却の熱伝達率」は、後述する第５及び第６の実施の形態における冷却孔９Ｄ、冷却孔１３からの強制対流冷却流３４による熱伝達率を示す。
【００３８】
この図が示すように、第１比較例ではシール間隙の熱伝達率は９３７［Ｗ／ｍ２／℃］のみであるのに対し、スリット１６３を追加した第２比較例では第１比較例に対して４．８倍もの冷却流体が作動流体中に放出されている。一方、本実施の形態のシール装置は、第１比較例とほぼ同等の冷却流体の通過流量で、第１比較例とほぼ同等のシール間隙の熱伝達率９２９［Ｗ／ｍ２／℃］に加え、噴流衝突部の熱電伝達率を９４１［Ｗ／ｍ２／℃］にすることができる。
【００３９】
このように、本実施の形態によれば、優れた冷却効率及びシール性能を同時に発揮することができるので、ガスタービンの効率及び信頼性を向上することができる。また、これにより流路構成部材の連結部に用いるシールプレート６等の部材の材料として耐熱温度の低い安価なものが使用可能となるので、ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、シールプレート６と溝６１，６２の間に形成されるシール間隙７１，７２を介して間隙１０から放出される放出流３２の流量調節は、インピンジ冷却孔５３の数及び径を変更してシールプレート６に衝突する冷却流体の流量を調整することにより容易に行うことができる。したがって、シールプレート６や溝６１，６２の表面を精密加工することによりシール間隙７１，７２の寸法を調節して放出流３２の流量を調節する手間が低減するので、部品の加工費を削減することもできる。
【００４１】
次に本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４２】
図７は本発明の第２の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図８はその斜視図である。本実施の形態の特徴は、インピンジプレート５とシールプレート６の間に形成される間隙に冷却流体用の屈曲した流路が形成されるように構成した点にある。
【００４３】
これらの図に示すガスタービンのシール装置は、突出部２１が設けられた側部１１を有する流路構成部材１Ａと、突出部２２が設けられた側部１２を有し、この側部１２が流路構成部材１Ａの側部１１と間隙１０を介して対向するように配置された流路構成部材２Ａを備えている。
【００４４】
突出部２１は、側部１１の作動流体流路４側の部分が冷却流体流路３側の部分より突出するように設けられた部分であり、突出部２２は、側部１１の形状とは反対に、側部１２の冷却流体流路３側の部分が作動流体流路４側の部分より突出するように設けられた部分である。突出部２１とこれに対向する流路構成部材２Ａの側部１２には、間隙１０を介して互いに対向するように、１組の溝６１，６２が設けられている。また、突出部２２とこれに対向する流路構成部材１Ａの側部１１には、間隙１０を介して互いに対向するように、１組の溝５１，５２が設けられている。溝６１，６２にはシールプレート６が架け渡されており、溝５１，５２にはインピンジプレート５が架け渡されている。なお、製造の際の加工容易性という観点からは、突出部２１及び突出部２２は、図７に示すように、段状に設けることが好ましい。
【００４５】
流路構成部材１Ａは、隣接して配置された流路構成部材２Ａとともに、作動流体流路４と冷却流体流路３を画定している。流路構成部材１Ａと流路構成部材２Ａは、各突出部２１，２２が互いにオーバーラップするように配置され、両者の間に形成される間隙１０に屈曲した流路を構成している。
【００４６】
このように屈曲した流路を構成する間隙１０は、第１屈曲部１５と、第２屈曲部１６と、中間流路１７を備えている。
【００４７】
第１屈曲部１５は、冷却流体通路３側からインピンジプレート５を経た直後に位置する流路で、突出部２１の突出形状に合わせて大きく折れ曲がった形状から成っている。第２屈曲部１６は、第１屈曲部１５の下流側かつシールプレート６の直前に位置する流路で、突出部２１の先端部分付近の形状に合わせて作動媒体流路４に向かって再び大きく折れ曲がった形状から成っている。中間流路１７は、第１屈曲部１５と第２屈曲部１６の間に位置する流路で、流路構成部材１Ａ，２Ａの側部１１，１２によって構成されている。
【００４８】
上記のように構成されるガスタービンのシール装置において、冷却流体流路３中の冷却流体の一部は、間隙１０に入り込んだ後にインピンジ冷却孔５３を通って噴流３１となり、第１屈曲部１５において流路構成部材１Ａの側部１１と衝突する。これにより噴流３１は側部１１を介して流路構成部材１Ａを噴流冷却する。
【００４９】
流路構成部材１Ａを冷却した冷却流体は、続いて中間流路１７を流通し、その際に側部１１，１２を介して流路構成部材１Ａ及び２Ａを冷却しながら、第２屈曲部１６へ導かれる。第２屈曲部１６へ導かれた冷却流体は、第２屈曲部１６を通過した後、シールプレート６と溝６１，６２の間に形成されたシール間隙７１，７２に導かれる。このシール間隙７１，７２を通過する際に冷却流体はシールプレート６を冷却し、作動流体の逆流防止に適した量の放出流３２となって作動流体流路４中に放出される。
【００５０】
本実施の形態によれば、図６の表が示すように、第１の実施の形態と同等の冷却流体の通過流量と噴流衝突面の熱伝達率を得ることができる。しかし、本実施の形態は、上記のように、作動流体と直接接触している流路構成部材１Ａを噴流３１によって直接冷却することができるので、冷却流体による冷却効率を第１の実施の形態より向上させることができる。特に、作動流体の流れが流路構成部材１Ａから流路構成部材２Ａの方向へ流れている場合には、構成部材１Ａのエッジ部は熱負荷が高くなるため、流路構成部材１Ａの突出部２１を作動流体流路４側に配置する上記のような構造にすることが好ましい。また、冷却流体は中間流路１７を通過しながら流路構成部材１Ａ，２Ａを冷却することができるので、冷却効率は更に向上する。
【００５１】
このように、本実施の形態によれば、上記の第１の実施の形態と比較して優れた冷却効率を発揮することができるので、ガスタービンの効率及び信頼性を更に向上することができる。
【００５２】
ここで、本実施の形態のシール装置をガスタービンに適用する場合について説明する。
【００５３】
図９は本実施の形態を適用したガスタービンの部分断面図であり、図１０は図９中のＡ−Ａ平面における第１段静翼１１１の部分断面図である。
【００５４】
図９に示すガスタービンは、第１段静翼１１１と、第１段動翼１１２と、第２段静翼１１３と、シュラウド１１４と、ケーシング１１５と、トラジッションピース１１６を備えている。第１段静翼１１１のタービンロータ径方向外側には外周側エンドウォール１１７が設けられており、第１段静翼１１１のタービンロータ径方向内側には内周側エンドウォール１１８が設けられている。図３中の矢印１２０は作動流体流路（上記の作動流体流路４に相当）における作動流体の流れを示している。また、図中の符号１２１，１２２，１２３，１２４が示す部分は圧縮機吐出空気が流通する冷却流体流路（上記の冷却流体流路３に相当）となっている。
【００５５】
このようなガスタービンにおける本実施の形態のシール装置の適用箇所としては、まず、流路構成部材がタービンロータ軸方向に沿って連結されている部分がある。この具体例としては、図９に示すように、トラジッションピース１１６と第１段静翼１１１の外周側エンドウォール１１７の連結部や、トラジッションピース１１６と第１段静翼１１１の内周側エンドウォール１１８の連結部がある。流路構成部材は、このような連結部において、インピンジプレート５とシールプレート６によって連結されている。
【００５６】
また、他の適用箇所としては、流路構成部材がタービンロータ周方向に沿って連結されている部分がある。その具体例としては、図１０に示すように、第１段静翼１１１の構成単位である第１段静翼セグメント（以下、セグメントとする）１３０の連結部がある。
【００５７】
図１０において、セグメント１３０は、タービンロータの周方向に沿って複数連結して環状流路を構成する部材であり、ケーシング１１５に環状に固定されている。セグメント１３０は、エッジ部１３１と、インピンジプレート１１９を有している。
【００５８】
エッジ部１３１は、隣接する他のセグメント１３０との連結部となるところで、突出部１３２を有している。エッジ部１３１にはインピンジプレート５及びシールプレート６が架け渡される溝が設けられており、隣接するセグメント１３０同士はこのインピンジプレート５及びシールプレート６によって連結されている。突出部１３２は、エッジ部１３１の冷却流体流路側に設けられた部分であり、冷却流体流路側に向かって突出している。
【００５９】
インピンジプレート１１９は、同一のセグメント１３０におけるエッジ部１３１の突出部１３２に架け渡して溶接等で固定された部材であり、複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。インピンジプレート１１９は、エッジ部１３１の突出部１３２が突出する分だけエンドウォール１１７，１１８と間隔を介して配されており、貫通孔を通過する冷却流体によってエンドウォール１１７，１１８を噴流冷却している。
【００６０】
なお図１０に示したセグメント１３０は、１セグメント当たり２枚の翼を有するもの（二連翼）であるが、本実施の形態のシール装置は、これと異なる枚数の翼を有するセグメントにも適用することができる。また、第２段静翼１１３や、シュラウド１１４のセグメントの連結部等にも勿論適用することができる。
【００６１】
上記のように、ガスタービンの流路構成部材の連結部分に本実施の形態のシール装置を適用すれば、従来は冷却が困難であった流路構成部材の連結部を噴流冷却することができるとともに、冷却流体の作動流体への放出量をできる限り少なく抑えることができる。
【００６２】
なお、上記のようなガスタービンの箇所に適用することができるのは、上記の第２の実施の形態のシール装置のみに限られない。即ち、先の第１の実施の形態のシール装置や、後の各実施の形態のシール装置も適用可能であることは言うまでもない。
【００６３】
次に本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００６４】
図１１は本発明の第３の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図１２はその斜視図である。本実施の形態の特徴は、上記の第２の実施の形態の流路構成部材１Ａの噴流３１が衝突する面に凹部（後述）を設けた点にある。
【００６５】
これらの図に示すガスタービンのシール装置における流路構成部材１Ｂは、インピンジプレート５のインピンジ冷却孔５３から噴出される噴流３１が直接衝突する面を作動流体流路４側に向かって後退させて設けた凹部（冷却キャビティ）８を有している。他の部分は第２の実施の形態と同じである。
【００６６】
凹部８を形成するために作動流体流路４側に後退させた面は、インピンジ冷却孔５３の噴出口に臨むように配置されており、インピンジ冷却孔５３からの噴流３１が直接衝突するようになっている。
【００６７】
凹部８から作動流体流路４までの部材の厚みは、溝６１，６２のプレート６保持機能等も考慮して、部材の強度が許す限りできるだけ薄く形成すると良い。これは、一般に、被冷却体の表面を一定温度に保つために内側から冷却する場合には、被冷却体の厚みは強度の許す限り薄い方が冷却効率が良いからである。したがって、このように凹部８をできるだけ薄肉化すると、作動媒体との接触面に近い部分を直接冷却することができるので、より効果的に流路構成部材１Ｂを冷却することができる。
【００６８】
このように構成される本実施の形態によっても、図６の表が示すように、第１の実施の形態と同等の冷却流体の通過流量と噴流衝突面の熱伝達率を得ることができる。しかし、本実施の形態は、上記のように、インピンジ冷却孔５３からの噴流３１を第２の実施の形態の場合と比較して作動流体流路４により近い部分に噴射することができるので、第２の実施の形態と比較して更に効果的に流路構成部材１Ｂを冷却することができる。
【００６９】
このように本実施の形態によれば、第２の実施の形態と比較して優れた冷却効率を発揮することができるので、ガスタービンの効率及び信頼性を更に向上することができる。
【００７０】
次に本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００７１】
図１３は本発明の第４の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図１４はその斜視図である。本実施の形態の特徴は、上記の第３の実施の形態の流路構成部材１Ｂの凹部８に作動流体流路４に繋がるフィルム冷却孔を設けた点にある。
【００７２】
これらの図に示すガスタービンのシール装置において、流路構成部材１Ｃは複数のフィルム冷却孔９を備えている。フィルム冷却孔９は、間隙１０のうちインピンジプレート５及びシールプレート６に挟まれた部分に設けられた流入口９１と、作動流体流路４に面して設けられた噴出口９２を有している。本実施の形態における流入口９１は凹部８の一部に設けられている。なお、他の部分は第３の実施の形態と同じである。
【００７３】
フィルム冷却孔９は、流入口９１から噴出口９２まで作動流体流路４に対して斜めに貫通する孔であり、間隙１０内に流入した冷却流体をフィルム冷却流３３として流路構成部材１Ｃの表面上に噴出している。このように噴出されるフィルム冷却流３３は、流路構成部材１Ｃの表面を覆って、流路構成部材１Ｃの温度上昇を抑制する（フィルム冷却）。
【００７４】
フィルム冷却孔９は、その方向（即ち、流入口９１に対して噴出口９２が設けられている方向）が、作動流体流路４内の作動流体の流通方向（より正確には、噴出口９２における作動流体の進行方向）に倣うように傾斜して設けると良い。このようにすれば、作動流体の流通方向に沿ったフィルム冷却流３３を噴出できるので、冷却流体が作動流体と混合する際に発生する損失（混合損失）を低減することができる。また、流入口９１はインピンジ冷却孔５３の軸心から外れた位置に設けることが好ましい。このように設けると、噴流３１が側部１１に衝突しないままフィルム冷却孔９に流入することが避けられるので、噴流冷却による冷却効率を保持することができる。
【００７５】
このように構成した本実施の形態によれば、流路構成部材１Ｃをフィルム冷却することができるので、第３の実施の形態と比較して流路構成部材１Ｃの熱負荷を低減することができる。したがって、ガスタービンの効率及び信頼性を更に向上することができる。
【００７６】
また、図６の表が示すように、本実施の形態では、第１比較例に対して、３．２倍の冷却流体が作動流体中に放出されるが、インピンジ冷却孔５３を通過する冷却流体の流量が増加することにより、噴流衝突面の熱伝達率は２３６６［Ｗ／ｍ２／℃］と大幅に向上させることができる。また、冷却流体の通過流量は、第２比較例と比較すると少ない流量に抑えることができる。
【００７７】
なお、本実施の形態の説明では第３の実施の形態にフィルム冷却孔９を設けた場合を例に挙げたが、本発明は、これのみに限らず、例えば第２の実施の形態のシール装置にも勿論適用することができる。
【００７８】
次に本発明の第５の実施の形態を説明する。
【００７９】
図１５は本発明の第５の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図１６はその斜視図である。本実施の形態の特徴は、第４の実施の形態におけるフィルム冷却孔９の噴出口９２が間隙１０の出口に設けられている点にあり、第４の実施の形態を変形させたものである。
【００８０】
これらの図に示すガスタービンのシール装置において、流路構成部材１Ｄは、間隙１０の出口に設けられた噴出口９２Ｄを有する冷却孔９Ｄを備えている。他の部分は第４の実施の形態と同じである。
【００８１】
噴出口９２Ｄは、間隙１０を流通してきた冷却流体が作動流体流路４に放出される出口部分に設けられており、流入口９１とともに斜めの貫通孔である冷却孔９Ｄを構成している。また、噴出口９２Ｄが第４の実施の形態の噴出口９２と比較して間隙１０側に設けられているので、冷却孔９Ｄの長さは第４の実施の形態フィルム冷却孔９より長くなっている。
【００８２】
このように構成される本実施の形態において、冷却孔９Ｄを流通してきた冷却流体は、強制対流冷却流３４となって、間隙１０の出口において放出流３２に対して噴出され、放出流３２の放出方向を流路構成部材２Ａの方へ変更させる。このように放出方向を変更された放出流３２は流路構成部材２Ａの表面を覆ってフィルム冷却流として作用するので、流路構成部材２Ａの温度上昇が抑制される。また、冷却孔９Ｄは流路構成部材１Ｄ内の作動流体流路４に近いところを通過する相対的に長い貫通孔なので、第４の実施の形態の場合よりも流路構成部材１Ｄを効果的に冷却することができる。
【００８３】
また、図６の表が示すように、本実施の形態によれば、第４の実施の形態と同等の噴流衝突面の熱伝達率が得られるとともに、冷却孔９Ｄを通過する強制対流冷却流３４により６３４３［Ｗ／ｍ２／℃］の熱伝達率を得ることができる。
【００８４】
このように本実施の形態によれば、流路構成部材２Ａをフィルム冷却することができるので流路構成部材２Ａの熱負荷を低減することができるとともに、冷却孔９Ｄを通過する冷却流体によって流路構成部材１Ａの熱負荷を低減することができる。したがって、第３の実施の形態よりもガスタービンの効率及び信頼性を向上することができる。
【００８５】
なお、冷却孔９Ｄは、作動流体の流通方向に沿った強制対流冷却流３４を噴出するために、第４の実施の形態のフィルム冷却孔９同様、作動流体流路４内の作動流体の流通方向に倣うように傾斜して設けると良い。また、流入口９１はインピンジ冷却孔５３の軸心から外れた位置に設けることが好ましい。
【００８６】
本実施の形態の説明では第３の実施の形態に冷却孔９Ｄを設けた場合を例に挙げたが、本発明は、これのみに限らず、例えば第２の実施の形態のシール装置にも勿論適用することができる。
【００８７】
次に本発明の第６の実施の形態を説明する。
【００８８】
図１７は本発明の第６の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図であり、図１８はその斜視図である。本実施の形態の特徴は、上記の第３の実施の形態の流路構成部材１Ｂの凹部８に間隙１０に繋がるインピンジ冷却孔を設けた点にある。
【００８９】
これらの図に示すガスタービンのシール装置における流路構成部材１Ｅは、流入孔９３から噴出口９４まで貫通する複数の冷却孔１３を備えている。流入口９３は、間隙１０のうちインピンジプレート５及びシールプレート６に挟まれた部分に設けられている。噴出口９４は、間隙１０のうちシールプレート６から作動流体流路４側に位置する部分に設けられているとともに、流路構成部材２Ａの側部１２と対向するように側部１１に設けられている。他の部分は第３の実施の形態と同じである。
【００９０】
本実施の形態において放出流３２の流量を調節するには、インピンジ冷却孔５３及び冷却孔１３の数及び径と、シール間隙７１，７２の寸法などを調節すればよい。この場合、上記の各実施の形態同様、冷却孔１３，インピンジ冷却孔５３の数及び径の変更で足りれば容易に流量調節することができる。
【００９１】
このように構成される本実施の形態のシール装置において、インピンジプレート５を介して間隙１０内に流入した冷却流体は冷却孔１３に導入される。冷却孔１３に導入された冷却流体は流路構成部材１Ｅを冷却しながら噴出口９４へ導かれ、流路構成部材２Ａの側部１２に強制対流冷却流３４となって衝突する。これにより強制対流冷却流３４は側部１２を介して流路構成部材２Ａを噴流冷却する。
【００９２】
本実施の形態によれば、第３の実施の形態で得られる効果に加え、図６の表が示すように、第５の実施の形態と同等の噴流衝突面の熱伝達率と強制対流冷却の熱伝達率を得ることができる。そして、更に、強制対流冷却流３４によって流路構成部材２Ａを直接冷却することができるので、流路構成部材２Ａの熱負荷を効果的に低減することができる。このように、本実施の形態によっても、ガスタービンの効率及び信頼性を向上することができる。
【００９３】
なお、本実施の形態の説明には第３の実施の形態に冷却孔１３を設けた場合を例に挙げたが、本発明は、これのみに限らず、例えば第２の実施の形態のシール装置にも勿論適用することができる。
【００９４】
なお、以上の各実施の形態では、冷却流体として圧縮空気を例に挙げて説明してきたが、空気以外の冷却流体としては、作動流体の圧力に応じて適宜加圧した蒸気、窒素等も利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の第１比較例であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の第２比較例であるガスタービンのシール装置の上面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の第２比較例であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図６】第１比較例、第２比較例、及び本発明に係る各実施の形態のシール装置の冷却効果の比較表。
【図７】本発明の第２の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図８】本発明の第２の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図９】本発明の第２の実施の形態であるガスタービンのシール装置を適用したガスタービンの部分断面図。
【図１０】図９中のＡ−Ａ平面における第１段静翼１１１の部分断面図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図１２】本発明の第３の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図１３】本発明の第４の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図１４】本発明の第４の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図１５】本発明の第５の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図１６】本発明の第５の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【図１７】本発明の第６の実施の形態であるガスタービンのシール装置の断面図。
【図１８】本発明の第６の実施の形態であるガスタービンのシール装置の斜視図。
【符号の説明】
【００９６】
１      流路構成部材
２      流路構成部材
３      冷却流体流路
４      作動流体流路
５      インピンジプレート
６      シールプレート
８      凹部
９      フィルム冷却孔
１０    間隙
１１    側部
１２    側部
１３    冷却孔
２１    突出部
２２    突出部
３１    噴流
３２    放出流
３３    フィルム冷却流
３４    強制対流冷却流
５１    溝（インピンジプレート用）
５２    溝（インピンジプレート用）
５３    インピンジ冷却孔
６１    溝（インピンジプレート用）
６２    溝（インピンジプレート用）
９１    流入口
９２    噴出口
９３    流入口
９４    噴出口
【図１】
2008223515.tif 000003
【図２】
2008223515.tif 000004
【図３】
2008223515.tif 000005
【図４】
2008223515.tif 000006
【図５】
2008223515.tif 000007
【図６】
2008223515.tif 000008
【図７】
2008223515.tif 000009
【図８】
2008223515.tif 000010
【図９】
2008223515.tif 000011
【図１０】
2008223515.tif 000012
【図１１】
2008223515.tif 000013
【図１２】
2008223515.tif 000014
【図１３】
2008223515.tif 000015
【図１４】
2008223515.tif 000016
【図１５】
2008223515.tif 000017
【図１６】
2008223515.tif 000018
【図１７】
2008223515.tif 000019
【図１８】
2008223515.tif 000020