(57)【要約】【課題】翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が生じても、これらタービン車室と翼環との間において冷却空気の漏洩を抑止できるシール構造を提供する。【解決手段】タービン車室３における内向きフランジ部７の前端面７ａに環状溝７ｂが形成され、この環状溝７ｂには、一端面８ａが翼環２における外向きフランジ部６の後端面６ａと接触されるとともに円周方向で分割されたセグメント８からなるシールリングが取り付けられている。セグメント８における一端面８ａの外周縁及び内周縁は直線状に切り欠かれ、外縁Ｌ１と内縁Ｌ２とが形成されている。熱伸縮差により外縁Ｌ１を支軸に内縁Ｌ２側が後端面６ａから離れるようにセグメント８が傾倒する場合、外縁Ｌ１が隙間なく全域に亘って後端面６ａと接触する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼が固定された主軸と、この主軸の周囲に配設されて静翼が固定され、前記主軸に対し径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部が形成された翼環と、を収容し、前記主軸に対し軸方向で前記外向きフランジ部と対向するとともに径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部が形成されたタービン車室において、前記内向きフランジ部及び前記外向きフランジ部相互の対向面の間をシールするためのシール構造であって、
前記内向きフランジ部の対向面には、前記主軸と同軸状の環状溝が形成されていて、この環状溝には、一端面が前記外向きフランジ部の対向面と接触されるとともに円周方向で分割されたセグメントからなるシールリングが取り付けられており、前記セグメントの一端面における外周縁及び内周縁が直線状に切り欠かれていることを特徴とするシール構造。
【請求項２】
動翼が固定された主軸と、この主軸の周囲に配設されて静翼が固定され、前記主軸に対し径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部が形成された翼環と、を収容し、前記主軸に対し軸方向で前記外向きフランジ部と対向するとともに径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部が形成されたタービン車室において、前記内向きフランジ部及び前記外向きフランジ部相互の対向面の間をシールするためのシール構造であって、
前記内向きフランジ部の対向面には、前記主軸と同軸状の環状溝が形成されていて、この環状溝には、一端面が前記外向きフランジ部の対向面と接触されるとともに円周方向で分割されたセグメントからなるシールリングが取り付けられており、前記セグメントの一端面における外周縁が直線状に切り欠かれていることを特徴とするシール構造。
【請求項３】
動翼が固定された主軸と、この主軸の周囲に配設されて静翼が固定され、前記主軸に対し径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部が形成された翼環と、を収容し、前記主軸に対し軸方向で前記外向きフランジ部と対向するとともに径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部が形成されたタービン車室において、前記内向きフランジ部及び前記外向きフランジ部相互の対向面の間をシールするためのシール構造であって、
前記内向きフランジ部の対向面には、前記主軸と同軸状の環状溝が形成されていて、この環状溝には、一端面が前記外向きフランジ部の対向面と接触されるとともに円周方向で分割されたセグメントからなるシールリングが取り付けられており、前記セグメントの一端面における内周縁が直線状に切り欠かれていることを特徴とするシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンもしくは蒸気タービンにおけるタービン車室のシール構造に関し、特に、タービン車室と翼環との間をシールするためのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービンは、空気圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素とし、互いに主軸で直結された圧縮機とタービンの間に燃焼器が配設されてなる。このような構成のもと、作動流体となる空気が主軸の回転により圧縮機に吸入されて圧縮され、その圧縮空気が燃焼器に導入されて燃料とともに燃焼する。その高温高圧の燃焼ガスは、タービンに吐出されて主軸を回転駆動させ、主軸の前方に排出される。このようなガスタービンは、主軸の前端に発電機等を接続することでその駆動源として活用され、また、タービンの前方に燃焼ガス噴射用の排気口を配設することでジェットエンジンとして活用される。
【０００３】
更に、上記した構成要素のうちのタービンにおいては、図１０に示すように、概略、主軸１の周囲を取り囲むように複数の翼環２（図１０ではそのうちの１つを図示）が軸方向に連設され、これらの翼環２全てを覆うようにケーシングとなるタービン車室３が配設されている。具体的には、翼環２及びタービン車室３は、ともに円周方向で２分割されたものが組み合わされてなるものであり、相互の熱伸縮や圧力変形に伴う軸方向や径方向の相対的な移動を許容するように、互いが固定されている。また、主軸１の外周には、円周方向で複数枚からなる動翼４が軸方向で多段（図１０ではそのうちの２段を図示）に固定され、他方翼環２の内周には、これと同様に円周方向で複数枚からなる静翼５が軸方向で多段（図１０ではそのうちの１段を図示）に固定されている。つまり、動翼４と静翼５とは軸方向で交互に配置された状態となっている。
【０００４】
このような構成のもと、後方（図１０では左側）の燃焼器（不図示）から吐出された燃焼ガスは、主軸１に固定の動翼４に回転駆動力を与えながら主として動翼４と静翼５とを交互に通過し、前方（図１０では右側）に排出される。
【０００５】
ここで、タービン静翼５は燃焼ガスにより非常に高温となるため、本来燃焼に用いられるべき空気（燃焼前の圧縮された空気）を静翼５の冷却に用いている。これが車室３と翼環２の間から漏洩することで必要以上に冷却空気を流さなければならなくなるため、燃焼に用いられる空気が減り、結果として主軸１の回転駆動効率の低下を招く。そこで、タービン内には、一般には、冷却空気を不用意に漏洩させないシール構造が設けられている。
【０００６】
以下に、従来のシール構造について図１０〜図１３を参照しながら説明する。翼環２の前端部（図１０では右端部）における外周には、径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部６が形成され、他方タービン車室３の内周には、外向きフランジ部６の後端面６ａ（図１０及び図１１では左側）と近接して対向、すなわち軸方向で外向きフランジ部６と対向するとともに、径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部７が形成されており、外向きフランジ部６の後端面６ａとこれに対向する内向きフランジ部７の前端面７ａの隙間がシールされることになる。なお、外向きフランジ部６の後端面６ａと、内向きフランジ部７の前端面７ａとは、互いに対向面となる。
【０００７】
詳細には、内向きフランジ部７の前端面７ａには、主軸１と同軸状の環状溝７ｂが形成されていて、この環状溝７ｂには、一端面８ａが外向きフランジ部６の後端面６ａと接触されるとともに円周方向で分割された金属製のセグメント８からなるシールリングが取り付けられている（図１２では、８つに均等に分割されたセグメント８が取り付けられた状態を図示）。また、図１１に示すように、各セグメント８は、内向きフランジ部７の後端面から環状溝７ｂに貫通するピン９と螺合し、このピン９によって環状溝７ｂからの抜け落ちが防止されている。更に各セグメント８は、不図示の圧縮コイルバネによって環状溝７ｂ内で軸方向前方及び径方向外方に向けて付勢されていて（図１１中の実線矢印参照）、これにより外向きフランジ部６の後端面６ａと弾性的に接触されるようになっている。
【０００８】
こうして、タービン車室３における内向きフランジ部７に取り付けられたシールリングであるセグメント８の一端面８が、翼環２における外向きフランジ部６の後端面６ａと接触されるため、外向きフランジ部６の後端面６ａと内向きフランジ部７の前端面７ａの隙間がシールされ、これにより冷却空気の漏洩が抑止されるわけである（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６１７１２号公報（第２頁、第８−９図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、翼環２及びタービン車室３そのもの熱伸縮は当然に予定するところであるが、従来のシール構造では、それら相互の相対的な熱伸縮差が著しくなった場合、以下のように、冷却空気が漏洩するという事態が発生していた。
【００１１】
図１４及び図１５に示すように、タービン車室３が翼環２よりも軸方向に熱伸長（図１４中の右向きの白抜き矢印参照）した場合は、タービン車室３における内向きフランジ部７に取り付けられたセグメント８が、その一端面８における外周縁の１点Ｘ１を支点に、その内周縁が翼環２における外向きフランジ部６の後端面６ａから離れるように相対的に傾倒する。この場合、セグメント８は、その一端面８における外周縁の１点Ｘ１でしか外向きフランジ部６の後端面６ａと接触していないため、その１点Ｘ１の両サイドに隙間（図１５中の斜線部参照）が生じ、この隙間から冷却空気が漏洩してしまう。
【００１２】
また、図１６及び図１７に示すように、タービン車室３が翼環２よりも軸方向に熱収縮（図１６中の左向きの白抜き矢印参照）した場合は、セグメント８が、その一端面８における内周縁の両端となる２点Ｘ２を支軸に、その外周縁が外向きフランジ部６の後端面６ａから離れるように相対的に傾倒する。この場合、セグメント８は、その一端面８における内周縁の２点Ｘ２でしか外向きフランジ部６の後端面６ａと接触していないため、その２点Ｘ２の間に隙間（図１７中の斜線部参照）が生じ、この隙間から冷却空気が漏洩してしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が生じても、これらタービン車室と翼環との間において冷却空気の漏洩を抑止できるシール構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、動翼が固定された主軸と、この主軸の周囲に配設されて静翼が固定され、前記主軸に対し径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部が形成された翼環と、を収容し、前記主軸に対し軸方向で前記外向きフランジ部と対向するとともに径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部が形成されたタービン車室において、前記内向きフランジ部及び前記外向きフランジ部相互の対向面の間をシールするためのシール構造であって、前記内向きフランジ部の対向面には、前記主軸と同軸状の環状溝が形成されていて、この環状溝には、一端面が前記外向きフランジ部の対向面と接触されるとともに円周方向で分割されたセグメントからなるシールリングが取り付けられており、以下の特徴点を有する。
【００１５】
例えば、前記セグメントの一端面における外周縁及び内周縁が直線状に切り欠かれている。そうすると、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が生じて、タービン車室における内向きフランジ部に取り付けられたセグメントが、その一端面における内縁側が翼環における外向きフランジ部の対向面から離れるように相対的に傾倒しても、セグメントの一端面における切り欠かれて形成された直線状の外縁が、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部の対向面と接触することになる。これとは逆に、セグメントが、その一端面における外縁側が外向きフランジ部の対向面から離れるように相対的に傾倒しても、今度は、セグメントの一端面における切り欠かれて形成された直線状の内縁は、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部の対向面と接触することになる。
【００１６】
例えばまた、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が一方向にのみ生じる場合、すなわちセグメントの相対的な傾倒が一方向である場合には、前記セグメントの一端面における外周縁が直線状に切り欠かれていたり、或いは、前記セグメントの一端面における内周縁が直線状に切り欠かれていたりしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施形態であるタービン車室のシール構造を示す要部縦断面図、図２はそのシール構造のシールリングを示す平面図、図３はそのシールリングを構成するセグメントの斜視図、図４はそのシール構造におけるセグメントの一傾倒状態を説明する模式縦断面図、図５は図４のＡ矢視図、図６はそのシール構造におけるセグメントの他の傾倒状態を説明する模式縦断面図、図７は図６のＢ矢視図である。なお、図中で図１０〜図１７と同じ名称の部分には同一の符号を付し、重複する説明はここでは省略し、相違する点について説明する。
【００１８】
本実施形態のシール構造は、図１０に示すタービンに適用されるものであり、シールリングを構成するセグメント８の形状に特徴点を有するものである。つまり、図１〜図３に示すように、セグメント８の一端面８ａにおける外周縁及び内周縁が直線状に切り欠かれていて、これによりその一端面８ａの外縁Ｌ１と内縁Ｌ２とが互いに平行な直線状に形成されている。
【００１９】
このようなセグメント８からなるシールリングでは、図２に示すように、全てのセグメント８における一端面８ａ全域が主軸１に対して多角形状になる（図２中の斜線部参照）。なお、このような形状のセグメント８は、これが一般に金属製であるため、機械加工により簡単に成形できる。
【００２０】
引き続き、翼環２及びタービン車室３相互の相対的な熱伸縮差が生じた状態について、図４〜図７を参照して説明する。先ず図４及び図５に示すように、タービン車室３が翼環２よりも軸方向に熱伸長（図４中の右向きの白抜き矢印参照）した場合は、タービン車室３における内向きフランジ部７に取り付けられたセグメント８が、その一端面８における外縁Ｌ１を支軸に、その内縁Ｌ２側が翼環２における外向きフランジ部６の後端面６ａから離れるように相対的に傾倒する。この場合、セグメント８は、その一端面８における外縁Ｌ１が、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部６の後端面６ａと接触することになる（図５参照）。なお、タービン稼動中は、タービン車室３の温度が翼環２よりもはるかに高くなる（例えば、タービン車室３では４５０℃程度、翼環２では２８０℃程度である）ため、多くの場合はこのようになる。
【００２１】
また、図６及び図７に示すように、タービン車室３が翼環２よりも軸方向に熱収縮（図６中の左向きの白抜き矢印参照）した場合は、セグメント８が、その一端面８における内縁Ｌ２を支軸に、その外縁Ｌ１側が外向きフランジ部６の後端面６ａから離れるように相対的に傾倒する。この場合、セグメント８は、その一端面８における内縁Ｌ２が、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部６の後端面６ａと接触することになる（図７参照）。
【００２２】
このように、セグメント８がいずれの方向に相対的に傾倒する場合でも、隙間が生じることはないため、冷却空気が漏洩してしまうことはない。従って、翼環２及びタービン車室３相互の相対的な熱伸縮差が生じても、冷却空気の漏洩を抑えることで燃焼に用いる空気量の低下を最小限に抑え、結果として主軸１の回転駆動効率が維持できる。
【００２３】
なお、本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、翼環２及びタービン車室３相互の相対的な熱伸縮差が一方向にのみ生じること、すなわちセグメントの相対的な傾倒が一方向であること（図４又は図６の状態）が予め判っている場合には、その方向に応じて、図８に示すように、セグメント８の一端面８ａにおける外周縁のみが直線状に切り欠かれて、外縁Ｌ１のみが形成されたり、或いは、図９に示すように、その一端面８ａにおける内周縁のみが直線状に切り欠かれて、内縁Ｌ２のみが形成されたりすることで、対処が可能となる。この場合、セグメント８には、外縁Ｌ１又は内縁Ｌ２の一方のみを成形すれば足りることから、セグメント８の製作容易性の観点から有効である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明よれば、動翼が固定された主軸と、この主軸の周囲に配設されて静翼が固定され、前記主軸に対し径方向外方に向けて突出する外向きフランジ部が形成された翼環と、を収容し、前記主軸に対し軸方向で前記外向きフランジ部と対向するとともに径方向内方に向けて突出する内向きフランジ部が形成されたタービン車室において、前記内向きフランジ部及び前記外向きフランジ部相互の対向面の間をシールするためのシール構造であって、前記内向きフランジ部の対向面には、前記主軸と同軸状の環状溝が形成されていて、この環状溝には、一端面が前記外向きフランジ部の対向面と接触されるとともに円周方向で分割されたセグメントからなるシールリングが取り付けられており、以下の特徴を有するので、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が生じても、これらタービン車室と翼環との間に隙間は生じず、冷却空気の漏洩を抑止できる。
【００２５】
例えば、前記セグメントの一端面における外周縁及び内周縁が直線状に切り欠かれていると、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が生じて、タービン車室における内向きフランジ部に取り付けられたセグメントが、その一端面における内縁側が翼環における外向きフランジ部の対向面から離れるように相対的に傾倒しても、セグメントの一端面における切り欠かれて形成された直線状の外縁が、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部の対向面と接触することになるからである。これとは逆に、セグメントが、その一端面における外縁側が外向きフランジ部の対向面から離れるように相対的に傾倒しても、今度は、セグメントの一端面における切り欠かれて形成された直線状の内縁は、隙間なく全域に亘って外向きフランジ部の対向面と接触することになるからである。
【００２６】
例えばまた、前記セグメントの一端面における外周縁が直線状に切り欠かれていたり、或いは、前記セグメントの一端面における内周縁が直線状に切り欠かれていたりすると、上記したうちの一方向へのセグメントの相対的な傾倒に対しては対処が可能であることから、翼環及びタービン車室相互の相対的な熱伸縮差が一方向にのみ生じることが予め判っている場合には、セグメントの製作容易性の観点から有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるタービン車室のシール構造を示す要部縦断面図である。
【図２】本発明のシール構造のシールリングを示す平面図である。
【図３】本発明のシールリングを構成するセグメントの斜視図である。
【図４】本発明のシール構造におけるセグメントの一傾倒状態を説明する模式縦断面図である。
【図５】図４のＡ矢視図である。
【図６】本発明のシール構造におけるセグメントの他の傾倒状態を説明する模式縦断面図である。
【図７】図６のＢ矢視図である。
【図８】本発明の他のセグメントの斜視図である。
【図９】本発明の他のセグメントの斜視図である。
【図１０】一般的なガスタービンにおけるタービン付近の模式縦断面図である。
【図１１】従来のタービン車室のシール構造を示す要部縦断面図である。
【図１２】従来のシール構造のシールリングを示す平面図である。
【図１３】従来のシールリングを構成するセグメントの斜視図である。
【図１４】従来のシール構造におけるセグメントの一傾倒状態を説明する模式縦断面図である。
【図１５】図１４のＣ矢視図である。
【図１６】従来のシール構造におけるセグメントの他の傾倒状態を説明する模式縦断面図である。
【図１７】図１６のＤ矢視図である。
【符号の説明】
１    主軸
２    翼環
３    タービン車室
４    動翼
５    静翼
６    外向きフランジ部
７    内向きフランジ部
７ｂ    環状溝
８    セグメント（シールリング）
８ａ    セグメントの一端面
９    ピン
Ｌ１    セグメントの一端面の外縁
Ｌ２    セグメントの一端面の内縁
【図１】
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【図２】
2004316509.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004316509.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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