(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向について複数の部分に分割された各静翼内側シュラウド間の間隙を塞ぐようにシール部材が架け渡され、前記静翼内側シュラウドの内周面に沿って動翼の回転部分との接触により予防的に破壊される円弧状の基板付きハニカム部材がそれぞれ配設されて、前記静翼内側シュラウドのガス流上流側端面の近傍部分が丸められて形成されたガスタービンの静翼シュラウドにおいて、
前記基板付きハニカム部材は、隣接する前記静翼内側シュラウド間の間隙を塞ぐように、前記静翼内側シュラウドに対して周方向にずれて配設されると共に、前記隣接する静翼内側シュラウド間の間隙のうち、少なくとも前記シール部材が構造上設備不能による欠落箇所を塞ぐように、前記静翼内側シュラウドの前記ガス流上流側端面の近傍部分まで延設されていることを特徴とするガスタービンの静翼シュラウド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの静翼シュラウドに関し、詳細には、隣接する静翼内側シュラウド間の間隙のシール性を改良した静翼シュラウドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機等に用いられるガスタービンのタービン部は、ロータとともに回転する動翼と、車室に固定された静翼を備え、動翼は、ロータに結合されるプラットフォームと動翼とからなり、静翼は、静翼とこの静翼の両端に固定された内側シュラウドおよび外側シュラウドとからなる。
【０００３】
静翼の翼面と内外シュラウドは、タービン部を流れる高温ガスの流路壁を形成し、動翼の翼面とプラットフォームも、高温ガスの流路壁を形成している。また、車室には、動翼の先端と所定の間隙を介して、動翼の翼面およびプラットフォームとともに高温ガスの流路壁を形成する分割環が固設されている。分割環は、動翼の配列方向に複数個連結されて、全体として断面円環状の壁面をなしている。
【０００４】
一方、動翼および静翼も、熱変形を吸収するため等の性能上の理由や、製造上の理由、メンテナンス性等の理由によって、ロータの周方向に複数個の部分に分割されてユニット化されており、シュラウドやプラットフォームも、分割環と同様に、翼の配列方向に複数個連結されて、全体として断面略円環状の壁面を形成しており、それぞれは、断面略円弧状の形状をなしている。
【０００５】
ここで、静翼の内側シュラウドについて詳しく説明すると、分割された内側シュラウドをロータの周方向に連結する場合、連結された内側シュラウド間に、予め間隙を確保する必要がある。これは、シュラウドが、ガスタービンの燃焼器から送られた高温ガスに晒されて、周方向についても熱膨張するためであり、熱膨張した状態において、この間隙が完全に無くなるように設計することが好ましい。
【０００６】
すなわち、高温ガスが、翼面と、シュラウド、プラットフォームまたは分割環とによって形成される流路を流れた状態では、連結されたシュラウド間に形成された間隙から高温ガスが外部に漏れることになり、タービンの効率が低下したり、燃焼ガスである高温ガスによって、流路以外の部分に汚れが堆積し、不測の故障が発生するなどの問題を生じるからである。
【０００７】
しかし、実際には製造時の許容誤差等を考慮すれば、高温下においてこの間隙を完全に無くすことは不可能である。そこで従来より、例えば図６に示す内側シュラウド４３のように、連結される内側シュラウド４３間に、シール部材４４を架設して、間隙４３ｇから高温ガスＶ１が外部に漏れるのを防止することが行われている。
【０００８】
このシール部材４４は詳しくは、図６のＩ−Ｉ線断面を示す図７（１）、II−II線断面を示す図７（２）に示すように、内側シュラウド４３の側端面４３ａに形成された、高温ガスＶ１の流れ方向上流側端面４３ｂの近傍から下流方向に延びる溝に配設されている。
【０００９】
なお、内側シュラウド４３の上流側端面４３ｂの近傍であって、内側シュラウド４３の内周面に沿ってそれぞれ配設された円弧状（図６においては、図示の簡略化のために直線状に描いている）のハニカム部材４３ｄは、基板４３ｃを介して、内側シュラウド４３の内周面に取り付けられており、図８に示すように、回転する動翼４６のプラットフォーム４７に形成されたシールフィン４７ａと、わずかな隙間を介して対向して配置されている。
【００１０】
このハニカム部材４３ｄは、回転する動翼４６の回転軸ぶれなどによって、動翼４６の回転部分（プラットフォーム４７を含む）と、静翼４２を含む静止部分との重接触を予防するために設けられているものであり、軸ぶれが小さい間、すなわち重接触に至る前の軽接触の段階で、シールフィン４７ａとハニカム部材４３ｄとが接触して、ハニカム部材４３ｄは破壊される。一方、シールフィン４７ａは、ハニカム部材４３ｄに比べて十分に硬度が高いため損傷することはなく、ハニカム部材４３ｄを交換することによって、元の状態に戻すことができ、ハニカム部材４３ｄは、動翼４６の回転部分との重接触を予防するための、軽接触検知手段といえるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６，７により説明した例では、シール部材４４は、内側シュラウド４３の側端面４３ａの、高温ガスＶ１流れ方向の略全長に亘って配設されるため、上述した高温ガスＶ１の漏れはほぼ防止されるが、シール部材４４を側端面４３ａの略全長に亘って配設することができない構造の内側シュラウド４３もある。
【００１２】
すなわち、例えば内側シュラウド４３の、上流側端面４３ｂ近傍の厚さが薄いため、シール部材４４を配設することができない構造などである。この構造について、以下、図８，９を用いて説明する。
【００１３】
図８はタービン部における動翼４６と静翼４２とからなる段を示す図である。パージエアＶ３は、最初、外側シュラウド４５を冷却する冷却空気として、外側シュラウド４５に供給されて外側シュラウド４５を冷却し、その冷却空気の一部が、静翼４２の内部に形成された冷却空気流路を通過して静翼４２自体を冷却するとともに、内側シュラウド４３に冷却空気として供給されるとともに、その一部がパージエアＶ３として用いられている。
【００１４】
さらに、このパージエアＶ３の一部を、図８に示すように、前段の動翼４６のプラットフォーム４７との隙間から、シールエアＶ４として吹き出し、このプラットフォーム４７と内側シュラウド４３との間の隙間から、高温ガスＶ１が漏れるのを防止しているが、吹き出されたシールエアＶ４が高温ガスＶ１の流れを大きく乱すのは好ましくないため、シールエアＶ４を高温ガスＶ１の流れ方向に、スムーズに誘導するのが好ましい。
【００１５】
そして、そのようにシールエアＶ４の流れをスムーズに誘導するために、図９（１）に示すように、内側シュラウド４３の上流側端面４３ｂの上端角を丸めて、シールエアＶ４が、内側シュラウド４３の上面（高温ガスＶ１の流路面）に沿って流れるようにしている。
【００１６】
ここで、内側シュラウド４３の内部には、前述した冷却空気流通用の冷却空気路４３ｅが形成されている場合がある。この冷却空気路４３ｅは、内側シュラウド４３自体を冷却するとともに、静翼４２の、内側シュラウド４３との接続部分をも冷却しうるように、内側シュラウド４３の上面に近い深さ位置に形成されているが、この冷却空気路４３ｅが、上流側端面４３ｂにまで形成されていると、図９（１）に示すように、この冷却空気路４３ｅと干渉するため、シール部材４４を、上流側端面４３ｂの近傍まで配設することができない。
【００１７】
その結果、図９（２）に示すように、上流側端面４３ｂの近傍付近は、シール部材４４の欠落範囲が生じ、パージエアＶ３が、その欠落範囲から大量に漏れ、ガスタービンの効率を低下させることになる。
【００１８】
このように、内側シュラウド４３の上流側端面４３ｂを丸めて形成した場合の他にも、設計上の構造等種々の原因によって、シール部材４４の欠落範囲が生じる場合があり、いずれの原因によっても、シール部材４４の欠落範囲が生じるときは、パージエアＶ３の大量の漏れにより、ガスタービンの効率の低下を招くことになる。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、内側シュラウド間の間隙に、シール部材によるシールの欠落範囲が生じた場合にも、コスト上昇を伴わずに、パージエアの漏れを抑制することができる静翼シュラウドを提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、請求項１に記載のガスタービンの静翼シュラウドは、周方向について複数の部分に分割された各静翼内側シュラウド間の間隙を塞ぐようにシール部材が架け渡され、前記静翼内側シュラウドの内周面に沿って動翼の回転部分との接触により予防的に破壊される円弧状の基板付きハニカム部材がそれぞれ配設されて、前記静翼内側シュラウドのガス流上流側端面の近傍部分が丸められて形成されたガスタービンの静翼シュラウドにおいて、前記基板付きハニカム部材は、隣接する前記静翼内側シュラウド間の間隙を塞ぐように、前記静翼内側シュラウドに対して周方向にずれて配設されると共に、前記隣接する静翼内側シュラウド間の間隙のうち、少なくとも前記シール部材が構造上設備不能による欠落箇所を塞ぐように、前記静翼内側シュラウドの前記ガス流上流側端面の近傍部分まで延設されていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、「動翼の回転部分との接触によって予防的に破壊される」とは、動翼の回転部分との重接触が生じる前の段階である軽微な接触によって破壊され、重接触による大規模の損傷を予防することを意味する。
【００２２】
また基板付きハニカム部材は、そのハニカムの延びる方向が、パージエアの流れ方向（内側シュラウドの内周面側から外周面側に向かう方向（タービンの半径方向））に一致するように配置されるものであってもよいし、一致しないように配置されるものであってもよいが、ハニカムの延びる方向が、パージエアの流れ方向に一致するように配される場合は、ハニカムの中をパージエアが通り抜けてしまうため、ハニカムの開口を塞ぐ基板を設けることが好ましい。ただし、重接触を予防することを目的として従来から用いられているハニカム部材は、当初から、このような基板を介して、内側シュラウドに配設されているため、単に、その基板を備えたハニカム部材を用いれば足りる。
【００２３】
この静翼シュラウドによれば、重接触を予防するために既に備えられているハニカム部材が、静翼内側シュラウド間に形成された間隙を塞ぐ作用をも奏するため、パージエアの漏れを抑制することができる。しかも、その間隙を塞ぐために他の構成要素を新たに付加する必要がなく、コストの上昇を防止することができる。
【００２５】
また基板付きハニカム部材は、上述した静翼内側シュラウド間に形成された間隙の全体を塞ぐものである必要はなく、例えば、隣接する静翼内側シュラウド間に架け渡されたシール部材が欠落した範囲を少なくとも塞ぐものであればよい。
【００２６】
この静翼シュラウドによれば、静翼シュラウド間の間隙のうち、シール部材が架け渡された範囲についてシール部材が塞ぎ、シール部材が欠落した範囲については基板付きハニカム部材が塞ぐことにより、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。
【００２８】
静翼内側シュラウドの、ガス流上流側端面の近傍部分は、種々の原因により、シール部材を配設しにくい場合が多く、一方、この部分には、動翼の回転部分との重接触を予防するうえで、基板付きハニカム部材を配置しやすいことに鑑みたものであり、この静翼シュラウドによれば、シール部材の欠落範囲となりやすい静翼内側シュラウド間の、ガス流上流側端面の近傍部分の間隙を、この近傍部分に配置された基板付きハニカム部材によって塞ぐことができ、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。
【００３０】
静翼内側シュラウドのガス流上流側端面の近傍部分は、その前段の動翼のプラットフォームとの間から吹き出されるシールエアの流れをスムーズにするため等の理由により、丸められて形成されることが多く、したがって、シール部材を配設しにくいためパージエアの漏れを発生しやすいが、基板付きハニカム部材が、少なくともこのような範囲の間隙を塞ぐことにより、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるガスタービンの静翼シュラウドの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施の形態によって、これら本願の発明が限定されるものではない。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態であるガスタービンの静翼シュラウドを説明するための、ガスタービン１０全体の部分縦断面を示す図であり、このガスタービン１０は、導入された空気を圧縮する圧縮機２０と、この圧縮機２０によって圧縮して得られた圧縮空気に燃料を噴射して高温の燃焼ガス（高温ガス）を発生させる燃焼器３０と、燃焼器３０で発生した高温ガスによって回転駆動力を発生させるタービン４０とからなる。また、ガスタービン１０は、圧縮機２０の途中から、圧縮空気の一部を抽出し、この抽出した圧縮空気を、タービン４０の動翼４６、静翼４２、動翼プラットフォーム４７、並びに静翼４２の内側シュラウド４３および外側シュラウド４５にそれぞれ送出する、図示しない冷却器を備えている。
【００３３】
静翼４２の内側シュラウド４３は、図２に示すように、静翼４２の内周側端部に固着されており、この内側シュラウド４３がタービンの軸回りに複数個連結されて、全体として軸回りに配列されている。なお図２において周方向の矢印およびこの矢印に平行な図面上の線はそれぞれ直線として表示されているが、これは図示の簡易化のためであり、実際には、図３に示すように、タービン４０の回転軸心を中心とした円弧である。
【００３４】
各内側シュラウド４３の内周面であって、高温ガスＶ１の上流側の端面である上流側端面４３ｂの近傍には、基板４３ｃを介して、ハニカム構造のハニカム部材４３ｄが設けられているが、これは、図８に示すように、回転しない内側シュラウド４３と回転する動翼４６のプラットフォーム４７とが重接触を起こす前の段階である軽接触時に、プラットフォーム４７のシールフィン４７ａと接触して破壊されるように配置することにより、重接触を予防するものである。
【００３５】
ここで、隣接する内側シュラウド４３の側端面４３ａ間には、一般に、内側シュラウド４３の周方向への熱膨張を吸収するため、所定の間隙４３ｇが形成されており、両側端面４３ａ間には、内側シュラウド４３の図示上面を流れる高温ガスＶ１が、図示下面側である外部に漏洩するのを防止するシール部材４４が架設されている。
【００３６】
ただし、シール部材４４は、内側シュラウド４３の上流側端面４３ｂの近傍までは、架設されていない。これは、図８に示すように、内側シュラウド４３の上流側端面４３ｂと、この静翼４２の前段に配された動翼４６のプラットフォーム４７との間に設けられた間隙から吹き出されるシールエアＶ４（図８参照）を、内側シュラウド４３の図示上面にスムーズに流すために、上流側端面４３ｂの角部が丸められて、シール部材４４を配置するのに必要な厚さを確保することができないためである。
【００３７】
すなわち、図２のＩ−Ｉ線断面図である図４に示すように、シール部材４４の外側（図示において上側）には、この内側シュラウド４３自身と静翼４２の内周側端部を冷却する冷却空気を流通させるための冷却空気路４３ｅが形成されており、この冷却空気路４３ｅが、板厚の薄い上流側端面４３ｂ近傍まで延びて形成されることによって、シール部材４４を、この上流側端面４３ｂ近傍まで、延設することができない原因となっている。
【００３８】
このように、上流側端面４３ｂ近傍までシール部材４４が延設されていないことにより、間隙４３ｇの上流側端面４３ｂ近傍は、シール部材４４が欠落した範囲となり、従来の静翼シュラウドであれば、このシール部材４４が欠落した範囲から、パージエアＶ３が、高温ガスＶ１の流路に吹き出して、高温ガスＶ１のスムーズな流れを阻害するおそれがあった。
【００３９】
ここで、本実施の形態の内側シュラウド４３は、図２および図３に示すように、各内側シュラウド４３の内周面側に設けられた基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄが、この間隙４３ｇのうち、シール部材４４が欠落した範囲を塞ぐように、内側シュラウド４３に対して、周方向に位相ずれして、内側シュラウド４３に固定されている。
【００４０】
すなわち従来の内側シュラウドは、図６に示すように、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄは、内側シュラウド４３の側端面４３ａからはみ出すことなく、内側シュラウド４３と基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄとが、タービン４０の軸心に対して同一位相位置となるように、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄが固定されていた。このため、内側シュラウド４３間の間隙４３ｇとハニカム部材４３ｄ間の間隙４３ｆとは、同一位相位置に存在していた。
【００４１】
しかし、図２および図３に示すように、本実施の形態の内側シュラウド４３は、内側シュラウド４３の側端面４３ａから、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄがはみ出し、内側シュラウド４３間の間隙４３ｇとハニカム部材４３ｄ間の間隙４３ｆとが、異なる位相位置に存するように、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄが固定されている。しかも、その位相ずれ量は、内側シュラウド４３の側端面４３ａから突出した基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄが、隣接する内側シュラウド４３との間の間隙４３ｇを塞ぐのに十分な量である。
【００４２】
したがって、図４に示すように、シール部材４４が欠落している、上流側端面４３ｂ近傍の範囲を、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄが塞ぐことになり、この範囲から、パージエアＶ３が、高温ガスＶ１の流路に吹き出すことが回避される。
【００４３】
このように、本実施の形態の内側シュラウド４３によれば、重接触を予防するために既に備えられているハニカム部材４３ｄおよび基板４３ｃが、内側シュラウド４３間に形成された間隙４３ｇを塞ぐ作用をも奏するため、パージエアＶ３の漏れを抑制することができ、しかも、その間隙４３ｇを塞ぐために、他の構成要素を新たに付加する必要がなく、コストの上昇を防止することができる。
【００４４】
なお、図４に示した内側シュラウド４３の、上流側端面４３ｂ近傍の詳細な図を、図５に示す。また、本実施の形態の内側シュラウド４３は、上流側端面４３ｂ近傍にのみ、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄを備えたものであるが、本発明の静翼シュラウドは、この形態に限定されるものではなく、高温ガスＶ１の下流側端面近傍にも同様に、基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄを備えた内側シュラウドにあっては、その下流側端面近傍の基板４３ｃおよびハニカム部材４３ｄについても、隣接する内側シュラウド４３間に形成された間隙４３ｇを塞ぐように、内側シュラウド４３に対して周方向にずらせてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかるガスタービンの静翼シュラウド（請求項１）によれば、重接触を予防するために既に備えられている基板付きハニカム部材が、静翼内側シュラウド間に形成された間隙を塞ぐ作用をも奏するため、パージエアの漏れを抑制することができる。しかも、その間隙を塞ぐために他の構成要素を新たに付加する必要がなく、コストの上昇を防止することができる。また、静翼シュラウド間の間隙のうち、シール部材が架け渡された範囲についてシール部材が塞ぎ、シール部材が欠落した範囲については基板付きハニカム部材が塞ぐことにより、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。また、シール部材の欠落範囲となりやすい静翼内側シュラウド間の、ガス流上流側端面の近傍部分の間隙を、この近傍部分に配置された基板付きハニカム部材によって塞ぐことができ、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。また、静翼内側シュラウドの、ガス流上流側端面の近傍部分は、その前段の動翼のプラットフォームとの間から吹き出されるシールエアの流れをスムーズにするため等の理由により、丸められて形成されることが多く、したがって、シール部材を配設しにくいためパージエアの漏れを発生しやすいが、本発明にかかるガスタービンの静翼シュラウドによれば、基板付きハニカム部材が、少なくともこのような範囲の間隙を塞ぐことにより、新たに他の構成要素を追加することなく、パージエアの漏れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による静翼内側シュラウドが適用されるガスタービンの全体を示す半断面図である。
【図２】本発明の実施の形態である静翼内側シュラウドを示す模式図である。
【図３】図２に示した静翼内側シュラウドの、周方向に関するハニカム部材の位置関係を説明する図である。
【図４】図２におけるＩ−Ｉ線断面を示す図である。
【図５】図４に示した静翼内側シュラウドの上流側端面の詳細を示す図である。
【図６】従来の静翼内側シュラウドを示す模式図である。
【図７】図６におけるＩ−Ｉ線断面を示す図およびII−II線断面を示す図である。
【図８】シールエアおよびハニカム部材を説明する図である。
【図９】シール部材の欠落理由およびパージエアの漏れを説明する図である。
【符号の説明】
１０  ガスタービン
２０  圧縮機
３０  燃焼器
４０  タービン
４２  静翼
４３  内側シュラウド
４３ａ  側端面
４３ｂ  上流側端面
４３ｃ  基板
４３ｄ  ハニカム部材
４３ｆ  ハニカム部材間の間隙
４３ｇ  （内側シュラウド間の）間隙
４４  シール部材
４６  動翼
Ｖ１  高温ガス
Ｖ３  パージエア
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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