(57)【要約】【課題】  タービン静翼のような環状部材が、周方向に複数個の分割されたセグメントから成るものであっても、そのセグメント間から流体がリークすることを防ぎ、効率が低下することはなく、かつ燃料消費量の増大に至らないガスタービンをえること。【解決手段】  本発明は、上記課題を解決するために、タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれに挿入されるシール部材を備え、該シール部材が、前記セグメントの温度上昇に伴って前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール溝に挿入される前記シール部材は、前記セグメントの温度上昇に伴って前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部に気体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記気体が膨張し、この気体の膨張によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービンにおいて、
前記中空部に封入されている気体は、空気又は窒素であることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部にガスタービンの定格運転温度領域で蒸発する液体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記液体が気化し、この液体の気化によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項４に記載のガスタービンにおいて、
前記中空部に封入されている液体は、水であることを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部にガスタービンの運転温度以下で溶解する固体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記固体が溶解し、この固体の溶解によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービンにおいて、
前記中空部に封入されている固体は、錫又ははんだであることを特徴とするガスタービン。
【請求項８】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール溝に挿入される前記シール部材は、断面構造が中空矩形状に形成され、かつ、前記セグメントの温度上昇に伴って前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタービンにおいて、
断面構造が中空矩形状に形成されている前記シール部材は、上方及び下方に略平行に配置されている薄板平板が、側方に配置され前記薄板平板より短い支持板で支持され、それらの間で形成される空間部で矩形状の中空部が形成されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタービンにおいて、
前記矩形状の中空部には、ガスタービンの定格運転温度領域で蒸発する液体が封入され、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記液体が気化し、この液体の気化によって前記薄板平板が前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のガスタービンにおいて、
前記薄板平板は、オーステナイト系ステンレス鋼から成ることを特徴とするガスタービン。
【請求項１２】
請求項８に記載のガスタービンにおいて、
断面構造が中空矩形状に形成されている前記シール部材は、上方に配置された薄板平板が、下方に配置され前記薄板平板よりも厚い一体型の厚板平板に、前記薄板平板より短く、側方に配置される支持板で支持され、それらの間で形成される空間部で矩形状の中空部が形成されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項１３】
請求項１２に記載のガスタービンにおいて、
前記矩形状の中空部には、ガスタービンの定格運転温度領域で蒸発する液体が封入され、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記液体が気化し、この液体の気化によって前記薄板平板が前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガスタービンにおいて、
前記中空部に封入されている液体は、水であることを特徴とするガスタービン。
【請求項１５】
請求項１２に記載のガスタービンにおいて、
前記矩形状の中空部には、ガスタービンの定格運転温度領域で溶解する固体が封入され、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記固体が溶解し、この固体の溶解によって前記中空部の体積が膨張することにより、前記薄板平板が前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、前記シール溝の壁に面接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項１６】
請求項１５に記載のガスタービンにおいて、
前記中空部に封入されている固体は、錫であることを特徴とするガスタービン。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
前記シール部材は、黄銅からなることを特徴とするガスタービン。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
前記弾性部材は、前記シール部材よりは薄い部材で形成され、かつ、オーステナイト系ステンレスから成ることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンに係り、例えば、タービン静翼を構成する環状部材が、周方向に複数個に分割されたセグメントから成り、そのセグメント間からの流体のリークを抑制するシール装置を備えているものに好適なガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンにおいては、熱効率の向上を目的とし、作動ガスは年々高温化している。特に、作動ガス温度が高温となるタービンの高圧段におけるタービン翼は、高温に耐えられるよう冷却媒体を使用してタービン翼の冷却が行われている。現在稼働しているガスタービンでは、圧縮機から抽気した空気を冷却空気として用いるのが一般的である。
【０００３】
特に、タービン静翼の冷却では、冷却空気が、タービンケーシグを経由して翼内部に供給され、翼内部を冷却した後、翼外表面のフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔等からガスパス中に排出されている。また、タービン静翼の冷却用に導入された冷却空気の一部は、ホイールスペースへ分岐して、該ホイールスペースへの作動ガスの流入を防ぐためのシール空気として使用された後、ガスパスに排出されている。
【０００４】
ところで、タービンにおける動翼シュラウドや静翼体は、セグメント構造として周方向に環状に配置されているが、翼のセグメント同士が接触している場合、隣接翼の熱膨張量の差異による熱応力発生の危険性があるため、定格点においてもセグメント間に間隙を有するよう設計されている。
【０００５】
このため、ケーシング内部の抽気空気流路とガスパスは、セグメント間の間隙によって半径方向に連通することになり、抽気空気の一部は、セグメント間の間隙からガスパス中にリークしてしまう。
【０００６】
このように、ケーシングからガスパスへ圧縮機の抽気空気がリークした場合、圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部は、翼の冷却に用いられず無駄に浪費されることになり、冷却効率が低下してしまう。更に、比較的低温である圧縮機の抽気空気が、ガスパスの作動ガスへ混入することから、作動ガスの温度低下による燃料消費量の増大や混合損失によるタービンの出力低下を引き起こす恐れがある。
【０００７】
従って、上記のような問題を防止するため、セグメント間における圧縮機の抽気空気のリークを防止するシール手法が重要となる。
【０００８】
セグメント間のシール方法の従来技術として、周方向に隣接するセグメント間の両側面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法がある。ただし、この種のシールプレートは、近年のガスタービンの作動ガスの高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じる、シール溝の半径方向のずれ(以下、オフセットと言う)への対応が困難である。
【０００９】
これに対し、オフセットの問題に対応するため、シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央を薄く加工したシールプレートが開発されている。その代表例が特許文献１である。この特許文献１には、ドッグボーン型シールプレートと呼称されるプレートの外端部を、楕円状に成形したシールプレートが記載されている。
【００１０】
上記特許文献１に記載のドックボーン型シールプレートを利用すると、セグメントの半径方向の熱伸び偏差により、シール溝に多少のオフセットが生じても、シール溝面で接触点が確保できる。また、シールプレート中央部が薄肉化されていることで、このシールプレート中央部とシール溝エッジ部との干渉を抑制している。
【００１１】
また、ドッグボーン形状を有したシールプレートにおいて、シールプレート内部を中空にすることで、シールプレート外端の円弧形状の弾性変形を可能としたシールプレートが開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
この中空のドッグボーン型シールプレートでは、シール溝よりもわずかに大きい円弧形状のドッグボーン型シールプレートを、シール溝に弾性的に圧延させて嵌めこむことで、シール溝壁とシールプレートの間に押し付け力が加わり、シール性能を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５１５８４３０号明細書
【特許文献２】特開昭５９-７０８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載されたドッグボーン型シールプレートのように、プレート形状を高温化に伴う半径方向の熱伸び偏差であるオフセットに対応させた結果、シール溝におけるシールプレートの接触状態は線接触になる。シール面が線接触として構成されたドッグボーン型シールプレートでは、面接触するよう構成された平板状シールプレートと比べ、高圧ガスのリーク流量が増加することが予想され、シールプレートの開発には、高圧ガスのリーク流量の低減と熱伸び偏差によるオフセットへの対応という、相反する課題が含まれている。
【００１５】
また、特許文献２に記載の中空のドッグボーン型シールプレートでは、その押し付け力の大きさは、シールプレートを構成する材料及びプレートの肉厚で決まるため、シール溝幅が十分でない場合には、シールプレートが薄肉化され、押し付け力が低下し高圧ガスがリークするという問題が予想される。
【００１６】
この結果、タービン静翼が周方向に配置されたタービンでは、高圧ガスがリークし、タービンの効率が低下して燃料消費量が増大するという問題が懸念される。
【００１７】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、タービン静翼のような環状部材が、周方向に複数個の分割されたセグメントから成るものであっても、そのセグメント間から流体がリークすることを防ぎ、効率が低下することはなく、かつ燃料消費量の増大に至らないガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のガスタービンは、上記目的を達成するために、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備え、前記タービンを構成する環状部材が、周方向に複数個に分割され、分割面に間隙を有するセグメントから成ると共に、該セグメントの分割面の両側にそれぞれ対向するようにシール溝を有し、かつ、該対向するシール溝のそれぞれにシール部材が挿入され、そのシール部材が弾性部材で接続されて流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、前記シール溝に挿入される前記シール部材は、前記セグメントの温度上昇に伴って前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触するか、
或いは、前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部に気体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記気体が膨張し、この気体の膨張によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触するか、
或いは、前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部にガスタービンの定格運転温度領域で蒸発する液体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記液体が気化し、この液体の気化によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触するか、
或いは、前記シール溝に挿入される前記シール部材は、その内部にガスタービンの運転温度以下で溶解する固体が封入された中空部を有し、前記セグメントの温度上昇に伴って前記中空部に封入されている前記固体が溶解し、この固体の溶解によって前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触するか、
或いは、前記シール溝に挿入される前記シール部材は、断面構造が中空矩形状に形成され、かつ、前記セグメントの温度上昇に伴って前記シール溝の幅方向にシール溝幅の変化量よりも大きく膨張し、ガスタービンの定格運転時には前記シール溝の壁に面接触することを特徴とする。
【００１９】
上記断面構造が中空矩形状に形成されている前記シール部材は、上方及び下方に略平行に配置されている薄板平板が、側方に配置され前記薄板平板より短い支持板で支持され、それらの間で形成される空間部で矩形状の中空部が形成されているか、
或いは、断面構造が中空矩形状に形成されている前記シール部材は、上方に配置された薄板平板が、下方に配置され前記薄板平板よりも厚い一体型の厚板平板に、前記薄板平板より短く、側方に配置される支持板で支持され、それらの間で形成される空間部で矩形状の中空部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、タービン静翼のような環状部材が、周方向に複数個の分割されたセグメントから成るものであっても、そのセグメント間から流体がリークすることを防ぎ、効率が低下することはなく、かつ燃料消費量の増大に至らない効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のガスタービンの概略構成を示す図である。
【図２】本発明のガスタービンに採用されるタービンの高圧部周辺を示す断面図である。
【図３】本発明のガスタービンに採用されるタービンのタービン第２段静翼のシール溝の配置を示す部分断面図である。
【図４】図３のタービン第２段静翼における隣接するタービン静翼体のセグメント同士を半径方向から見た図である。
【図５】一般的なドッグボーン型シールプレートを用いたシール装置を示し、図３のＡ−Ａ´線に沿った断面に相当する図である。
【図６】本発明のガスタービンの実施例１であり、シール装置組み立て時の状態を示す熱膨張型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図７】本発明のガスタービンの実施例１であり、ガスタービン運転時の状態を示す熱膨張型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図８】本発明のガスタービンの実施例２であり、シール装置組み立て時の状態を示す気体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図９】本発明のガスタービンの実施例２であり、ガスタービン運転時の状態を示す気体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１０】本発明のガスタービンの実施例３であり、ガスタービン運転時の状態を示す相変化液体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１１】本発明のガスタービンの実施例４であり、ガスタービン運転時の状態を示す固体溶解液封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１２】本発明のガスタービンの実施例５であり、セグメント間オフセット発生時の状態を示す気体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１３】本発明のガスタービンの実施例６であり、シール装置組み立て時の状態を示す相変化固体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１４】本発明のガスタービンの実施例６であり、ガスタービン運転時の状態を示す相変化固体封入型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１５】本発明のガスタービンの実施例７であり、シール装置組み立て時の状態を示す片面薄板型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１６】本発明のガスタービンの実施例７であり、ガスタービン運転時の状態を示す片面薄板型シールプレートを用いたシール装置の部分断面図である。
【図１７】本発明のガスタービンの実施例８であり、ガスタービン運転時の状態を示す片面薄板型シールプレートを用いたシール装置の他の例の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図示した実施例に基づいて本発明のガスタービンについて説明する。尚、各実施例において、同一部品には同符号を使用する。
【００２３】
図１は、本発明のガスタービンの概略構成を示すものである。該図に示す如く、ガスタービンは、圧縮機１と、この圧縮機１を覆う圧縮機ケーシング２と、タービン３と、このタービン３内に設置されたタービン静翼４及びタービン動翼５と、タービン３を覆うタービンケーシング６と、燃焼器７と、発電機８及びロータ軸９とより概略構成される。
【００２４】
このように構成されるガスタービンでは、圧縮機１より大気中の空気を取り込んで圧縮し、この圧縮機１で圧縮された圧縮空気１Ａを燃焼器７で燃料と混合して燃焼させて高温高圧ガスを生成させ、この高温高圧ガスをタービン動翼５が受けてロータ軸９を回転動力に変換し、発電機８を駆動して発電するものである。
【００２５】
圧縮機１内の高圧空気の一部は、圧縮機ケーシング２より抽気されタービン静翼冷却空気経路１０を経由してタービン静翼４へ供給され、また、圧縮機１内の高圧空気の一部は、更に、ロータ軸９より抽気されてタービン動翼冷却空気経路１１を経由してタービン動翼５へ供給される。各々の被冷却部へ供給された冷却空気は、タービン３のガスパス中に排出されて作動ガスと混合され、最終的には排気ガス３Ａとして大気に放出される。
【００２６】
図２は、図１のガスタービンにおける高圧部であるタービン３を示す。該図において、図１に示す圧縮機１より抽気された冷却空気は、タービン静翼冷却空気経路１０を経由した後、タービン第２段静翼４２の冷却空気１２ａ及びタービン第１段静翼４１の冷却空気１２ｂに分割され、タービン第２段静翼４２の冷却空気１２ａは、タービンケーシング６に設けた導入孔６ａを通り、第２段静翼キャビティ１３ａを介して周方向に環状に配置されたタービン第２段静翼４２に供給される。一方、タービン第１段静翼４１の冷却空気１２ｂは、第１段静翼キャビティ１３ｂを介して周方向に環状に配置されたタービン第１段静翼４１に供給される。
【００２７】
この冷却空気１２ａ及び１２ｂは、タービン第２段静翼４２及びタービン第１段静翼４１とそれぞれ熱交換を行って、タービン第２段静翼４２及びタービン第１段静翼４１をそれぞれ冷却し、その後、温度上昇してガスパス中に排気される。また、タービン第２段静翼４２に供給された空気の一部は、ダイアフラムキャビティ１５を介して供給され、ホイールスペース１６への作動ガスのリークを抑制するためのシール空気として使用される。
【００２８】
尚、図中、５１はタービン第１段動翼、５２はタービン第２段動翼である。
【００２９】
次に、図３を用いて、図２のガスタービン３におけるタービン第２段静翼４２のシール溝の配置を説明する。本発明に採用されるタービン３では、タービン第２段静翼４２は、セグメント構造として周方向に環状に配置されているが、図３は、そのうちの一つの静翼体セグメントを示したものである。
【００３０】
該図に示す如く、タービン第２段静翼４２の静翼体セグメント１７における外径側エンドウォール（図中上側）には、シール溝１８ａ、１８ｂ及び１８ｃが設けられており、内径側エンドウォール（図中下側）には、シール溝１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ及び１８ｇが設けられ、このうち、シール溝１８ｅ、１８ｆ及び１８ｇが、ダイアフラム１４に設けられている。
【００３１】
通常、タービン第２段静翼４２は、熱応力を防止するためセグメント間に間隙を有するように設計されているため、第２段静翼キャビティ１３ａ内の冷却空気１２ａが、ガスパス中へリークする冷却空気リーク経路１９が存在する。第２段静翼キャビティ１３ａ内の冷却空気１２ａがガスパス中へリークすると、圧縮機１で圧縮された圧縮空気は、タービン第２段静翼４２の冷却に用いられず無駄に浪費される等の問題があるため、リークを抑制するシール構造が必要となる。
【００３２】
図４は、タービン第２段静翼４２ａにおける静翼体セグメント１７ａと、これに隣接するタービン第２段静翼４２ｂにおける静翼体セグメント１７ｂを半径方向外側から見た図を示す。タービン第２段静翼は、複数個のセグメントとして環状に配置されているが、図４は代表として２つの静翼体セグメント１７ａ、１７ｂを示したものである。
【００３３】
上述したように、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ間には、定格点においてもセグメント間隙σが存在するため、第２段静翼キャビティ１３ａからガスパスへの冷却空気リーク経路１９が存在する。従って、セグメント間隙σのシール溝２２に、シールプレート２０を装着して、冷却空気のリークを抑制する必要がある。
【００３４】
ここで、本発明を明確にするために、比較例である一般的なドッグボーン型シールプレート２０１について、図５を用いて説明する。図５は、ドッグボーン型シールプレート２０１を用いたシール装置を示すものである。
【００３５】
該図において、静翼体対向面２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄには、対向するシール溝２２ａ、２２ｂが設けられている。静翼体対向面２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄとシール溝２２ａ、２２ｂが直交して４つのシール溝エッジ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び２３ｄを形成している。
【００３６】
尚、ドッグボーン型シールプレート２０１に対するシール面は、シール溝上壁２５ａ及び２５ｂである。
【００３７】
図５に示すドッグボーン型シールプレート２０１は、ドッグボーン型シールプレート端部２６１ａ、２６１ｂが円弧状に成形されており、ドッグボーン型シールプレート中央部２７１は、ドッグボーン型シールプレート端部２６１ａ、２６１ｂよりも厚みが薄く形成されている。
【００３８】
このような、一般的なドッグボーン型シールプレート２０１では、隣合う静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの熱膨張差により、シール溝２２ａ、２２ｂに位置のずれ（オフセット）が生じた場合、ドッグボーン型シールプレート中央部２７１がシール溝エッジ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ又は２３ｄと干渉せず、線接触シール面２８ａ、２８ｂで接触を保つことができる。
【００３９】
しかしながら、線接触シール面２８ａ、２８ｂにおけるドッグボーン型シールプレート２０１の接触状態は線接触になるため、接触位置が面接触するよう構成された平板状シールプレート（図示しない）と比べ、リーク流量の増加が予想される。更に、シール溝上壁２４ａ、２４ｂとドッグボーン型シールプレート端部２６１ａ、２６１ｂは接触しないため、シール溝上壁２４ａ、２４ｂがシールの役割を果たしていない。シール溝上壁２４ａ、２４ｂを有効に使用することで、シール効果は更に向上すると考えられる。
【００４０】
以下、本発明のガスタービンにおけるタービンに採用されるシール装置について説明する。
【実施例１】
【００４１】
図６及び図７に、本発明のガスタービンに採用される実施例１のシール装置を示す。図６及び図７は、シール装置組み立て時及びガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である熱膨張型シールプレート２０２の詳細形状をそれぞれ示す。
【００４２】
該図に示す如く、本実施例における熱膨張型シールプレート２０２は、シール溝２２ａ、２２ｂの幅の温度上昇による拡大量に対してシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向への熱膨張σｘの大きい材料（例えば、黄銅：線膨張係数２１×１０−６、融点９００℃）、又は構造の部材を熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂとして用いている。
【００４３】
また、熱膨張型シールプレート中央部２７２は、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂよりも薄い平板で構成され、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの両者を接続している。
【００４４】
図６に示すように、シール装置組み立て時には、シール溝２２ａ、２２ｂへの嵌め込みが容易となるようシール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも小さくするか、又は熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの弾性変形により無理なく嵌め込める程度の大きさとする。また、図７に示すように、ガスタービン運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び熱膨張型シールプレート２０２は、組み立て時と比較して高温となるため、シール溝２２ａ、２２ｂの幅及び熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂは、熱膨張により拡大する。
【００４５】
この際に、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂのシール幅方向への伸び量σｘは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅の伸び量σｗよりも大きく設定され、ガスタービンの定格運転時には、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂに面接触するよう、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂが設計されている。また、熱膨張型シールプレート中央部２７２は、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの膨張やシール溝２２ａ、２２ｂのオフセットによる接続部の変化に対応できる程度の弾性があることが望ましく、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
【００４６】
尚、熱膨張型シールプレート２０２のシール溝２２ａ、２２ｂへの嵌め込み時の温度は、常温程度が望ましいが、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの高さを、より低くして嵌め込みを容易とするために、熱膨張型シールプレート２０２を冷却してもよい。即ち、熱膨張型シールプレート２０２は、温度変化によってシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の長さが大きくなることを想定している材料及び構造のため、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向が短くなり、シール溝２２ａ、２２ｂに嵌め込み易くなる。
【００４７】
このような本実施例の熱膨張型シールプレート２０２を用いることで、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂとシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂとの接触面は、面接触する面接触シール面２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄとすることができる。
【００４８】
また、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂは、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面で接触するため、図５に示したドッグボーン型シールプレート２０１と比較して、シール性能を向上させることができる。
【００４９】
また、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂのガスタービンの定格運転温度におけるシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さを、ガスタービンの運転温度におけるシール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも大きくすることで、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂと熱膨張型シールプレート２０２との面接触シール面２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄに押し付け力が発生し、シール性能は更に向上する。
【００５０】
また、本実施例の熱膨張型シールプレート２０２では、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂ又は熱膨張型シールプレート２０２の表面に、多少の加工誤差による凹凸が存在する場合でも、ガスタービン起動後に熱膨張型シールプレート２０２及び静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの温度が上昇して、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂが膨張変形する過程で、凹凸の形状に合わせて変形するため、高い面接触が実現できる。
【００５１】
ところで、ドッグボーン形状を有したシールプレートにおいて、シールプレートの内部を中空とすることで、シールプレート外端の円弧形状の弾性変形を可能とした中空ドッグボーン型シールプレート（図示しない）があるが、この中空ドッグボーン型シールプレートのように、シールプレートの弾性によって押し付け力を発生させる構造では、押し付け力の大きさは、シールプレートを構成する材料及びシールプレートの肉厚で決まるため、シール溝の幅が十分でない場合には、シールプレートが薄肉化され、押し付け力が低下することが懸念される。また、押し付け力を大きくする程、組み立て時において、シールプレートのシール溝への嵌め込みが困難になるということが考えられる。
【００５２】
これに対して、本実施例の熱膨張型シールプレート２０２は、組み立て時には、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも小さいため、嵌め込みが容易であり、また、ガスタービン運転時における熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの大きさを適切に調整することでより、大きな押し付け力を実現することが可能である。即ち、ガスタービン運転時の温度で、シール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの高さが大きくなるように設計することで、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂがシール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも高くなる寸法に比例して、押し付け力は大きくなる。
【００５３】
尚、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂを単一の材料で構成する場合、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの材料としては、熱膨張率が静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの材料よりも大きく、融点が作動ガスの温度よりも高いものが望ましい。例えば、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂの材料としては黄銅（線膨張係数２１×１０−６、融点９００℃）、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの材料としてはインコネル（線膨張係数１１×１０−６）が挙げられる。
【００５４】
このように、本実施例の熱膨張型シールプレート２０２は、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂが、ガスタービン運転時に熱膨張してシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂと面接触するため、高いシール効果が得られる。また、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂに、熱膨張の大きい材料として空気や相変化する液体又は固体を封入した構造では、中空ドッグボーン型シールプレートのように、プレート材料の弾性のみによる押し付けと比較して、シールプレート表面とシール溝の壁間に大きな押し付け力が得られるため、シール効果をより向上できる。更に、熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂ間を、この熱膨張型シールプレート端部２６２ａ、２６２ｂよりも薄い平板で接続することで、タービン静翼５の静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ間にオフセットが生じた場合のシール性能の低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００５５】
次に、図８及び図９に、本発明のガスタービンに採用される実施例２のシール装置を示す。図８及び図９は、シール装置組み立て時及びガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である気体封入型シールプレート２０３の詳細形状をそれぞれ示す。
【００５６】
該図に示す如く、本実施例の気体封入型シールプレート２０３は、その気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが、弾性変形可能な材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）を用いて中空状に形成され、各気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂに形成された気体封入型シールプレート端部中空部３０３ａ、３０３ｂには、ガスタービンの定格運転時の気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの大きさが適切となるように圧力が調整された空気又は窒素等の低温気体３１が封入されている。
【００５７】
また、気体封入型シールプレート中央部２７３は、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂよりも薄い平板で構成され、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの両者を接続している。
【００５８】
図８に示すように、シール装置組み立て時には、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも小さいか、若しくは気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが弾性変形して、無理なく嵌め込める程度の大きさとする。
【００５９】
また、図９に示すように、ガスタービンの定格運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び気体封入型シールプレート２０３は、組み立て時と比較して高温となるため、シール溝２２ａ、２２ｂの幅が拡大し、更に、気体封入型シールプレート中空部３０３ａ、３０３ｂ内の低温空気３１は、高温空気３２となって膨張し、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に拡大する。
【００６０】
このような本実施例の気体封入型シールプレート２０３では、その気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが、ガスタービンの定格運転時に適切な押し付け力をもってシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面に面接触するよう、事前に低温気体３１の圧力が調整される。また、気体封入型シールプレート中央部２７３は、弾性の小さい材料でもよいが、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向の変化量に対応できるよう、ある程度変形可能な部材であることが望ましく、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
【００６１】
尚、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂをシール溝２２ａ、２２ｂへ嵌め込み時の温度は、常温程度が望ましいが、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの高さを、より低くして嵌め込みを容易とするために、気体封入型シールプレート２０３を冷却してもよい。
【００６２】
このような実施例２は、実施例１の一形態であり、実施例２においても以下に説明するように、実施例１と同等の効果が得られる。即ち、本実施例の気体封入型シールプレート２０３を用いることで、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂとシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂとの接触面は、面接触する面接触シール面２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄなる。
【００６３】
また、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂは、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面で接触するため、図５に示したドッグボーン型シールプレート２０１と比較して、シール性能を向上させることができる。
【００６４】
また、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂのガスタービンの定格運転温度におけるシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さを、ガスタービンの運転時の温度におけるシール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも大きくすることで、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂと気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂとの面接触シール面２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄに押し付け力が発生し、シール性能は、更に向上する。
【００６５】
また、本実施例の気体封入型シールプレート２０３では、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂ又は気体封入型シールプレート２０３の表面に、多少の加工誤差による凹凸が存在する場合でも、ガスタービン起動後に気体封入型シールプレート２０３及び静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの温度が上昇して、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが膨張変形する過程で、凹凸の形状に合わせて変形するため、高い面接触が実現できる。
【００６６】
また、本実施例の気体封入型シールプレート２０３は、シート装置組み立て時には、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅と同程度であるため嵌め込みが容易であり、しかも、ガスタービンの定格運転時における気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの大きさを適切に調整することでより、大きな押し付け力を実現することが可能である。
【００６７】
更に、本実施例では、中空の気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂに低温気体３１を封入する構造となっているため、低温気体３１の封入量によって、ガスタービンの定格運転時の面接触シール面２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄにおける押し付け力を微調整することが可能である。また、同一形状の気体封入型シールプレート２０３でも、低温気体３１の封入量によって、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの大きさを変化させることができるので、単一の気体封入型シールプレート２０３でも、様々な幅のシール溝２２ａ、２２ｂに適用可能である。
【００６８】
尚、本実施例の構造において、仮に図９に示すガスタービンの定格運転時に、シール溝上壁２４ａ、２４ｂと気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが接触しなかった場合でも、図５に示したドッグボーン型シールプレート２０１と同様、片面では接触面が維持でき、また、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂをシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に膨張する構造とすることで、図８のようなシール装置組み立て時と比較して、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂとシール溝上壁２４ａ、２４ｂ間の間隙が小さくなってリーク量を低下させることができるため、効果的である。
【実施例３】
【００６９】
次に、図１０に、本発明のガスタービンに採用される実施例３のシール装置を示す。図１０は、ガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である相変化液体封入型シールプレート２０４の詳細形状を示す。
【００７０】
該図に示す如く、本実施例の相変化液体封入型シールプレート２０４は、シール溝２２ａ、２２ｂに嵌め込まれる相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂが、弾性変形可能な材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）を用いて中空状に形成され、各相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂに形成された相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂには、水等のガスタービンの定格運転時の温度域において、一部又はすべてが気化（ガスタービン運転温度以下で蒸発）して高圧となる封入液体３３が封入されている。
【００７１】
また、相変化液体封入型シールプレート中央部２７４は、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂよりも薄い平板で構成され、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの両者を接続している。
【００７２】
そして、シール装置組み立て時には、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも小さいか、若しくは相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂが弾性変形して、無理なく嵌め込める程度の大きさとする。
【００７３】
また、ガスタービンの定格運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び相変化液体封入型シールプレート２０４は、組み立て時と比較して高温となるため、シール溝２２ａ、２２ｂの幅が熱膨張により拡大し、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂは、相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂに封入されている封入液体３３が気化して気化した封入液体３４となることにより、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に拡大する。
【００７４】
このような本実施例の相変化液体封入型シールプレート２０４では、その相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂが、ガスタービンの定格運転時に適切な押し付け力をもってシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面に面接触するよう事前に封入液体３３の量が調整される。また、相変化液体封入型シールプレート中央部２７４は、弾性の小さい材料でもよいが、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向の変化量に対応できるよう、ある程度変形可能な部材であることが望ましく、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
【００７５】
このような実施例３は、実施例１の一形態であり、実施例３においても以下に説明するように、実施例１と同等の効果が得られる。
【００７６】
更に、実施例３では、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂに封入液体３３を封入する際には、封入液体３３は常圧でよいため、低温空気３１を封入する実施例２と比較して、相変化液体封入型シールプレート２０４の加工が容易である。
【００７７】
また、相変化を利用することにより、実施例２と比較して、より大きな体積変化及び圧力上昇が期待できる。
【００７８】
尚、本実施例では、ガスタービンの定格運転時にも相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂに封入液体３３が残留した気液二相状態のものを示したが、ガスタービンの定格運転時には、全て気化していても良い。
【００７９】
また、本実施例のように、相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂに封入液体３３を封入した場合、相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂの内圧の上限値は、封入液体３３の飽和蒸気圧となる。従って、ガスタービンの定格運転時に、目的の内圧や相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの腐食性等を考慮して、相変化液体封入型シールプレート中空部３０４ａ、３０４ｂに封入する液体を選定することが好ましい。
【００８０】
尚、本実施例の構造において、仮にガスタービンの定格運転時に、シール溝上壁２４ａ、２４ｂと相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂが接触しなかった場合でも、図５に示したドッグボーン型シールプレート２０１と同様、片面では接触面が維持でき、また、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂをシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に膨張する構造とすることで、組み立て時と比較して、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂとシール溝上壁２４ａ、２４ｂ間の間隙が小さくなってリーク量を低下させることができるため、効果は期待できる。
【実施例４】
【００８１】
次に、図１１に、本発明のガスタービンに採用される実施例４のシール装置を示す。図１１は、ガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である固体溶解液封入型シールプレート２０７の詳細形状を示す。
【００８２】
該図に示す如く、本実施例の固体溶解液封入型シールプレート２０７は、シール溝２２ａ、２２ｂに嵌め込まれる固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂが、弾性変形可能な材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）を用いて中空状に形成され、各固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂに形成された固体融解液封入型シールプレート中空部３０７ａ、３０７ｂには、錫やはんだ等の常温では固体で、ガスタービンの定格運転時の温度域においては融解して体積が膨張する封入固体融解液３８が封入されている。
【００８３】
また、固体融解液封入型シールプレート中央部２７７は、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂよりも薄い平板で構成され、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂの両者を接続している。
【００８４】
そして、シール装置組み立て時には、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の高さは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅よりも小さいか、若しくは固体溶解液封入型シールプレート２０７が弾性変形して、無理なく嵌め込める程度の大きさとする。
【００８５】
また、ガスタービンの定格運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び固体溶解液封入型シールプレート２０７は、封入固体の融点よりも高温となって、封入固体は封入融解液３８となるため、固体融解液封入型シールプレート中空部３０７ａ、３０７ｂは膨張する。これにより、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂは、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に拡大する。
【００８６】
このような本実施例の固体溶解液封入型シールプレート２０７では、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の拡大を利用して、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂをシール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面に面接触させる。また、固体融解液封入型シールプレート中央部２７７は、弾性の小さい材料でもよいが、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂシール溝２２ａ、２２ｂの方向の変化量に対応できるよう、ある程度変形可能な部材であることが望ましく、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
【００８７】
本実施例は、実施例１の一形態であり、本実施例においても実施例１と同等の効果が得られる。また、本実施例の固体溶解液封入型シールプレート２０７を製作する際には、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂに設けた嵌め込み口（図示せず）から、固体融解液封入型シールプレート中空部３０７ａ、３０７ｂに固体材料を嵌め込んだ後、シールプレート嵌め込み口を密閉するものである。
【００８８】
このように、本実施例の固体溶解液封入型シールプレート２０７は、高圧空気を封入する実施例２の気体封入型シールプレート２０３の低温気体３１、実施例３の相変化液体封入型シールプレート２０４の封入液体３３と比較して、加工中に封入材が漏出する問題が軽減されるため、加工が容易である。また、液体は気体と比較して圧力による体積変化量が小さいため、ガスタービンの定格運転時における固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の膨張量の見積もりが容易であることや、ガスタービン圧力比等の運転条件が変化した場合でも、安定的に面接触を維持できると言う利点がある。
【００８９】
尚、本実施例において、仮にガスタービンの定格運転時でもシール溝上壁２４ａ、２４ｂと固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂが接触しなかった場合でも、図５に示したドッグボーン型シールプレート２０１と同様、片面では接触面が維持でき、また固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂを、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に膨張する構造とすることで、組み立て時と比較して、固体融解液封入型シールプレート端部２６７ａ、２６７ｂとシール溝上壁２４ａ、２４ｂ間の間隙が小さくなって、リーク量を低下させることができるため、効果は期待できる。
【実施例５】
【００９０】
実施例１乃至４で説明した本発明のガスタービンにおける熱膨張型シールプレート２０２、気体封入型シールプレート２０３及び相変化液体封入型シールプレート２０４は、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ間の熱膨張差によるシール溝２２ａ、２２ｂのずれ（オフセット）にも対応可能である。この例を図１２を用いて説明する。
【００９１】
図１２に示す実施例５は、実施例２で説明した気体封入型シールプレート２０３を例に取り、オフセット発生時の気体封入型シールプレート２０３を示すものである。
【００９２】
該図に示す如く、本実施例は、気体封入型シールプレート中央部２７３を、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂよりも薄い形状とすることで、オフセット発生時にも、気体封入型シールプレート中央部２７３が、シール溝エッジ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ又は２３ｄとは干渉せず、変形可能になっている。
【００９３】
ただし、通常のドッグボーン型シールプレート２０１とは異なり、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂは、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂの両面で押し付け力をもって接触しているため、シール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向の変位は小さく、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂの中心間距離ｄは、オフセット量が大きい程大きくなる。
【００９４】
このようなオフセット量による中心間距離ｄの変化に対応するため、気体封入型シールプレート中央部２７３は、弾性変形可能な材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）から成る平板を用いるのが良い。
【００９５】
ただし、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂを、弾性変形可能な材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）を用いた中空形状とした場合は、気体封入型シールプレート中央部２７３が弾性変形の小さい材料であっても、図１２に示すように、気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂが、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂの間隙中央方向に伸び変形することで、オフセットに対応できる。
【実施例６】
【００９６】
次に、図１３及び図１４に、本発明のガスタービンに採用される実施例６のシール装置を示す。図１３及び図１４は、シール装置組み立て時及びガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である相変化固体封入型シールプレート２０５の詳細形状をそれぞれ示す。
【００９７】
該図に示す如く、本実施例の相変化固体封入型シールプレート２０５は、断面構造が中空矩形状に成っているものである。即ち、本実施例の相変化固体封入型シールプレート２０５は、相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ及び２６５ｂが、上方及び下方の略平行に配置されている薄板平板３５ａ、３５ｃ及び３５ｂ、３５ｄを、この薄板平板３５ａ、３５ｃ及び３５ｂ、３５ｄより短く、側方に配置される支持板３６ａ、３６ｂ及び３６ｃ、３６ｄで支持され、それらの間で形成される空間部を相変化固体封入型シールプレート中空部３０５ａ、３０５ｂとし、断面構造が中空矩形状に成っているものである。
【００９８】
各相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂに形成された相変化固体封入型シールプレート中空部３０５ａ、３０５ｂには、水等のガスタービンの定格運転時の温度域において、一部又はすべてが気化して高圧となる封入液体３３が封入されている。
【００９９】
また、相変化固体封入型シールプレート中央部２７５は、相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂよりも薄い平板で構成され、相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂの両者を接続している。
【０１００】
そして、図１４に示すように、ガスタービンの定格運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び相変化固体封入型シールプレート２０５が、組み立て時と比較して高温となるため、相変化固体封入型シールプレート中空部３０５ａ、３０５ｂの内圧が上昇し、相変化固体封入型シールプレート中空部３０５ａ、３０５ｂに封入されている封入液体３３が気化して気化した封入液体３４となることにより、上下の薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄが、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に拡大変形して、シール溝上壁２４ａ、２４ｂ及びシール溝下壁２５ａ、２５ｂに面接触するものである。
【０１０１】
このような本実施例の相変化固体シールプレート端部２６５ａ及び２６５ｂ設計する際には、上下の薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、できるだけ耐熱温度、引張強さが高く、ヤング率の小さい材料を選択し、上下の薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに加わる応力が、材料の許容応力以下であり、かつ、できるだけシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向へ変位するように、薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄのシール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向の長さａ及び板厚ｈを決定することが重要である。
【０１０２】
本実施例では、上下の薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄとして、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４を採用している。このオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４は、高温中でも比較的強度が高く腐食性が低い材料であり、本実施例の相変化固体封入型シールプレート２０５の薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの材料として適している。
【０１０３】
薄板平板の変形量δは、δ＝５Ｐａ４／３８４ＥＩで概算できる。ここで、Ｐは相変化固体シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂ内外の差圧、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
【０１０４】
上式から、例えば差圧０．１ＭＰａ、シール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向の長さ（ａ）を１５ｍｍ及び板厚（ｈ）を０．３３ｍｍとすれば、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向への０．２２ｍｍの変位が得られる。
【０１０５】
尚、水は、５００℃において約２２ＭＰａまでは臨界点に達せず気体の状態を保てるため、相変化固体封入型シールプレート中空部３０５ａ、３０５ｂの内部に封入する水の量を調整することで、ガスタービン作動ガスの圧力に対して、０．１ＭＰａの差圧を持たせることができる。
【０１０６】
このように、本実施例を適用した相変化固体封入型シールプレート２０５の設計は、実現可能である。
【０１０７】
尚、本実施例では、実施例３の相変化液体封入型シールプレート２０４を例に、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの一形状例である相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂについて説明したが、実施例２の気体封入型シールプレート２０３における気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂでも、同様の形状とすることができる。
【実施例７】
【０１０８】
次に、図１５及び図１６に、本発明のガスタービンに採用される実施例７のシール装置を示す。図１５及び図１６は、シール装置組み立て時及びガスタービンの定格運転時における本実施例のシール装置である片面薄板型シールプレート２０６の詳細形状をそれぞれ示す。
【０１０９】
該図に示す如く、本実施例の片面薄板型シールプレート２０６は、実施例６の相変化固体封入型シールプレート端部２６５ａ、２６５ｂの形状を、高圧側（図中上側）の面には薄板平板３５ａ、３５ｂを、低圧側（図中下側）の面に高圧側よりも厚い一体型の厚板平板３７を使用し、内部を中空とした片面薄板型シールプレート２０６としたものである。
【０１１０】
即ち、本実施例の片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂは、高圧側の薄板平板３５ａ、３５ｂが、低圧側の厚板平板３７に、この薄板平板３５ａ、３５ｂより短く、側方に配置される支持板３６ａ、３６ｂ及び３６ｃ、３６ｄで支持され、それらの間で形成される空間部を片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂとし、断面構造が中空矩形状に成っているものである。
【０１１１】
そして、図１６に示すように、ガスタービンの定格運転時には、静翼体セグメント１７ａ、１７ｂ及び片面薄板型シールプレート２０６が、組み立て時と比較して高温となるため、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂの内圧が上昇し、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂに封入されている封入液体３３が気化して気化した封入液体３４となることにより、左右の高圧側の薄板平板３５ａ、３５ｂがシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に拡大変形して、シール溝上壁２４ａ、２４ｂに面接触するものである。
【０１１２】
このように低圧側を厚板平板３７としたことで、両面に薄板平板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ及び３５ｄを使用した実施例６と比較して、シール溝２２ａ、２２ｂの幅方向への変位は小さくなるが、高圧側での面接触シール面２９ａ、２９ｃの接触面積は、実施例６と比較して大きくなり、よりリーク量が低減する可能性がある。
【０１１３】
また、本実施例の片面薄板型シールプレート２０６では、薄板平板３５ａ、３５ｂ部分の強度が最も弱いが、仮に薄板部分平板３５ａ、３５ｂが破損し、内部の封入液体３３や気化した封入液体３４が外部へ漏洩した場合でも、厚板平板３７が損傷しなければ面接触シール面２９ａ、２９ｃの接触は保たれ、平板型シールプレートと同等程度のシール性能を維持することができる。
【０１１４】
尚、本実施例では、厚板平板３７を一体型としたが、実施例６と同様、片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂを薄板で接続することもできる。この場合、片面薄板型シールプレート２０６の加工は複雑となるが、オフセット時のシール性能は向上する。
【０１１５】
また、本実施例では、実施例３の相変化液体封入型シールプレート２０４を例に、相変化液体封入型シールプレート端部２６４ａ、２６４ｂの一形状例である片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂについて説明したが、実施例２の気体封入型シールプレート２０３における気体封入型シールプレート端部２６３ａ、２６３ｂでも、同様の形状とすることができる。
【実施例８】
【０１１６】
次に、図１７に、本発明のガスタービンに採用される実施例７のシール装置を示す。図１７は、実施例７で示した片面薄板型シールプレート２０６の片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂに、ガスタービンの定格運転温度領域において融解する固体材料を封入した例を示すものである。
【０１１７】
該図に示すように、ガスタービンの定格運転時には、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂに封入された封入固体が融解して封入固体融解液３８となり、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂの体積が膨張することにより、左右の薄板平板３５ａ、３５ｂがシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に変形して、シール溝上壁２４ａ、２４ｂに面接触するものである。
【０１１８】
例えば、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂに封入する固体材料として錫を使用した場合、錫は融解することで体積は約１.０５倍となる。本実施例の片面薄板型シールプレート２０６では、片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向に対するシール溝２２ａ、２２ｂの深さ方向への変位は非常に小さいため、固体材料の融解による片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂの体積変化率と片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向への厚みの変化率は概ね等しくなる。
【０１１９】
従って、片面薄板型シールプレート中空部３０６ａ、３０６ｂに厚さ２ｍｍの錫を封入すれば、片面薄板型シールプレート端部２６６ａ、２６６ｂのシール溝２２ａ、２２ｂの幅方向の厚みは、ガスタービンの定格運転時には、錫の融解により０．１ｍｍ膨張することになる。
【０１２０】
尚、上述した各実施例では、タービン第２段静翼４２の静翼体セグメント１７における外径側エンドウォールを例に説明したが、内径側エンドウォール多段の静翼セグメント、動翼のシュラウドや静翼のダイアフラム、或いはこれ以外の熱偏差を伴う部材間にも適用することができることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２１】
１…圧縮機、２…圧縮機ケーシング、３…タービン、４…タービン静翼、５…タービン動翼、６…タービンケーシング、６ａ…導入孔、７…燃焼器、８…発電機、９…ロータ軸、１０…タービン静翼冷却空気経路、１１…タービン動翼冷却空気経路、１２ａ、１２ｂ…冷却空気、１３ａ…第２段静翼キャビティ、１３ｂ…第１段静翼キャビティ、１４…ダイアフラム、１５…ダイアフラムキャビティ、１６…ホイールスペース、１７、１７ａ、１７ｂ…静翼体セグメント、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８e、１８ｆ、１８ｇ、２２、２２ａ、２２ｂ…シール溝、１９…冷却空気リーク経路、２０…シールプレート、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…静翼体対向面、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…シール溝エッジ、２４ａ、２４ｂ…シール溝上壁、２５ａ、２５ｂ…シール溝下壁、２８ａ、２８ｂ…線接触シール面、２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ…面接触シール面、３１…低温気体、３２…高温気体、３３…封入液体、３４…気化した封入液体、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ…薄板平板、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ…支持板、３７…厚板平板、３８…封入固体融解液、４１…タービン第１段静翼、４２ａ、４２ｂ…タービン第２段静翼、５１…タービン第１段動翼、５２…タービン第２段動翼、２０１…ドッグボーン型シールプレート、２０２…熱膨張型シールプレート、２０３…気体封入型シールプレート、２０４…相変化液体封入型シールプレート、２０５…相変化固体封入型シールプレート、２０６…片面薄板型シールプレート、２０７…固体融解液封入型シールプレート、２６１ａ、２６１ｂ…ドッグボーン型シールプレート端部、２６２ａ、２６２ｂ…熱膨脹型シールプレート端部、２６３ａ、２６３ｂ…気体封入型シールプレート端部、２６４ａ、２６４ｂ…相変化液体封入型シールプレート端部、２６５ａ、２６５ｂ…相変化固体封入型シールプレート端部、２６６ａ、２６６ｂ…片面薄板型シールプレート端部、２６７ａ、２６７ｂ…固体融解液封入型シールプレート端部、２７１…ドッグボーン型シールプレート中央部、２７２…熱膨張型シールプレート中央部、２７３…気体封入型シールプレート中央部、２７４…相変化液体封入型シールプレート中央部、２７５…相変化固体封入型シールプレート中央部、２７７…固体融解液封入型シールプレート中央部、３０３ａ、３０３ｂ…気体封入型シールプレート端部中空部、３０４ａ、３０４ｂ…相変化液体封入型シールプレート中空部、３０５ａ、３０５ｂ…相変化固体封入型シールプレート中空部、３０６ａ、３０６ｂ…片面薄板型シールプレート中空部、３０７ａ、３０７ｂ…固体融解液封入型シールプレート中空部。
【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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【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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