(57)【要約】 【課題】隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置したシールプレートを用いたシール装置において、セグメント部材のオフセットに対応させた上、シール性能を向上させると共に、信頼性の高いシール装置を提供する。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明のガスタービンのシール装置においては、シールプレート５０は、矩形断面をした２枚のプレート５１ａ、５１ｂを離間して配置しており、この両プレートを弾性体である板バネ５２が接合し、さらに、プレート５１ａ、５１ｂからは、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂが伸び、その終端５７ａ、５７ｂは、シールプレート５０の内方向に向かうとともに、一方のプレート終端面が、ともにδｇ分だけ長く製作され、そのδｇの間隙を保持して、弾性体材料によって製作された側端プレート５５ａ、５５ｂを接合したものである。【選択図】  図５
2013024222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状弾性体と、前記板状弾性体の両端にそれぞれ接合されたプレートと、前記プレートのそれぞれから延びる湾曲状弾性体とを備え、向かい合う二つのシール溝に跨るように設置した際に、前記プレートと前記シール溝の第一の面とが面接触面を形成し、前記湾曲状弾性体と前記シール溝の第二の面とが面接触面を形成するように構成されたシール装置。
【請求項２】
請求項１に記載のシール装置において、前記湾曲状弾性体は、前記板状弾性体の反対方向に延びた後に湾曲して反転する形状を有し、前記シール溝に設置した際に、前記プレートとの接合部を始端とした場合の終端が、前記シール溝の溝深さの範囲内となるように構成されたことを特徴とするシール装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシール装置において、少なくとも、前記板状弾性体と前記湾曲状弾性体とを一体成形品としたことを特徴とするシール装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置において、前記プレートのうち一方の長手方向における端面から延び、他方の前記プレートの端面上に間隙を有するように構成された側端プレートを備え、
該側端プレートは、前記プレートの前記シール溝の第一の面と前記面接触面を形成する面を基準とした前記湾曲状弾性体の最大高さの範囲内の高さであって、弾性体材料から成ることを特徴とするシール装置。
【請求項５】
請求項４に記載のシール装置において、前記側端プレートと面接触を形成するためのシールプレートを有し、該シールプレートと前記側端シールプレートとで平板状の面接触面が形成されるよう構成されていることを特徴とするシール装置。
【請求項６】
圧縮機、燃焼器、及び、静翼と動翼を有するタービンで構成され、前記タービンの周方向について構成部材が複数のセグメントに分割されているガスタービンにおいて、
隣り合う前記セグメント同士が互いに対向する間隙面のそれぞれに、向かい合うようにシール溝が設けられ、
板状弾性体と、前記板状弾性体の両端にそれぞれ接合されたプレートと、前記プレートのそれぞれから延びる湾曲状弾性体とを備えたシール装置が、向かい合う二つの前記シール溝に跨るように設置され、
前記プレートと前記シール溝の第一の面とが面接触面を形成し、前記湾曲状弾性体と前記シール溝の第二の面とが面接触面を形成してい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、シール装置及びシール装置を備えたガスタービンに係り、特に、圧縮空気を燃料と共に燃焼して得た燃焼ガスのエネルギーによって回転動力を得るガスタービン設備冷却翼の冷却空気のリークを抑制するのに好適なシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンにおいては、熱効率の向上を目的として作動ガスの高温化が図られているが、特に、作動ガス中に配置されているタービン静・動翼が高温に耐えられるように、翼内部に冷却媒体を供給している。一般に採用されている、この種のガスタービンは、空気冷却によるオープン冷却方式である。即ち、圧縮機から抽気した空気を冷却空気として用い、この空気をケーシングや、タービン内部を経由させて、翼内部に導き冷却するようにしている。そして、翼内部を冷却した後の空気は、翼外表面に設けた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る。また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部を、タービンホィールスペースのシール空気として分岐するが、この空気も主流ガスのイングレス抑制用としてガスパスに排出される。
【０００３】
ところで、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配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、セグメント間には、周方向に間隙を有する。この間隙は、熱応力の発生防止の観点から、定格点においてもセグメント部材同士が接触しないように設計される。つまり、静翼の冷却用空気として導入されるケーシング内部外端側キャビティとガスパスは、この間隙路によって、半径方向に連通することになる。即ち、冷却空気の一部が、このセグメント間からの間隙を径由して、ガスパス中に漏洩する。所謂、リークである。同様に、静翼のダイアフラムもセグメントとして環状に構成されるが、シール空気の一部がリークすることになる。これらのリークは、それ自体が損失であると共に、ガスパスの作動ガス中へ混入することから、比較的、低温であるリーク空気の希釈による作動ガスの温度低下や、混合損失によって、タービンの出力低下を起こすため、高温化のメリットが十分に発揮できない恐れがある。
【０００４】
この改善策として、一般的には、周方向に隣接するセグメントの両側対向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採られている。但し、この種のシールプレートは、近年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（オフセットと呼称）に対応できない。このため、平板状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、ドッグボーン型シールプレートであり、シールプレート外端部を楕円状に成形している（例えば、特許文献１参照）。これによって、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によって、シール溝にオフセットが生じても、溝面で必ず接触点が確保できると共に、プレート中央部が薄肉化されているため、この部分がシール溝エッジ部と干渉することはない。さらには、弾性体である板状部材と複数の線状突起を用いたシールプレートによって、線接触線の複数化（例えば、特許文献２参照）等の改良が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】US Patent 5158430
【特許文献２】特開平１０−００２２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、ガスタービン設備において、冷却空気の供給経路等にシール装置を設けることは、リーク流量低減から有効な手段である。即ち、その一環であるセグメント間に装着するシールプレートは、その開発目的から、間隙間の冷却・シール空気のリークを、未然に抑制するものである。しかし、トレードオフ設計によって、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、ドッグボーン型シールプレートでは、シール溝におけるシールプレートの接触状態は、従来の面接触から単線の線接触になり、当然、平板状シールプレートに比べて、リーク流量の増加が予想される。また、この課題を緩和するための板状部材と複数本の線状突起で構成されるシールプレートでは、オフセットの発生によって、一部、線状突起の面圧が上昇する利点があるが、この線状突起点を支点として、線接触を開放される線状突起部が生じる結果、リークの抑制効果が低減することがある。このように、シールプレートの開発には、リーク流量の低減と熱伸び偏差の対応という、相反する課題が含まれている。
【０００７】
一方で、これらのシールプレートは、単独に配置して用いることはなく少なく、リーク発生要因となる高圧側域と低圧側域を遮断するように、複数枚のシールプレートによって領域を取り囲むように配置される。このとき、シールプレートの端部面と直交する隣接したシールプレートとの間でシール面を形成する必要があるが、互いの熱伸び差の関係で間隙が生じ、リークを増大させている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置したシールプレートを用いたシール装置において、セグメント部材のオフセットに対応させた上、シール性能を向上させ、信頼性の高い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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のシール装置は、板状弾性体と、前記板状弾性体の両端にそれぞれ接合されたプレートと、前記プレートのそれぞれから延びる湾曲状弾性体とを備え、向かい合う二つのシール溝に跨るように設置した際に、前記プレートと前記板状弾性体とが、前記シール溝の異なる面と、面接触面を形成するように構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置したシールプレートを用いたシール装置において、セグメント部材のオフセットに対応させた上、シール性能を向上させ、信頼性の高いシール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係るガスタービンの構成を示す概念図である。
【図２】本発明の実施例に係るシール装置を適用するタービン部の断面図である。
【図３】本発明の実施例に係るシール装置の配置を示す概念図である。
【図４】本発明の実施例に係るシール装置の装着を示す静翼体の概念図である。
【図５】本発明の第１の実施例を示すシール装置の外観図である。
【図６】本発明の第１の実施例を示すシール装置のシール溝装着時の概念断面図である。
【図７】本発明の第１の実施例を示すシール装置のガスタービン運転時の状態を表す概念図である。
【図８】本発明の第１の実施例を示すシール装置のガスタービン運転時の作用を表す概念図である。
【図９】本発明の第２の実施例を示すシール装置の外観図である。
【図１０】本発明の第３の実施例を示すシール装置の平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例を示すシール装置の外観図である。
【図１２】本発明の第３の実施例を示すシール装置のリーク説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〔実施例〕
以下、本発明の第１の実施例を図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、及び、図８により説明する。図１は、本実施例に係るガスタービンの構成を示す概念図、図２は、本実施例に係るタービン部の断面図、図３は、本実施例によるシール装置の配置を示す概念図、図４は、本実施例によるシール装置の装着を示す静翼体の概念図、図５は、本発明の第１の実施例を示すシール装置の外観図、図６は、本発明の第１の実施例を示すシール装置のシール溝装着時の概念断面図、図７は、本発明の第１の実施例を示すシール装置のガスタービン運転時の状態を表す概念図、及び、図８、は本発明の第１の実施例を示すシール装置のガスタービン運転時の作用を表す概念図を示してある。各図において、同一番号は、同一の機器、或いは、部材、機能を表す。
【００１３】
図１を用いて、作動ガスと冷却空気の流れからガスタービン１の全体構成を説明する。ガスタービン１は、主として多段のタービン４と、このタービンに軸連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２、圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器３、及び、発電機５を備えている。圧縮機２から抽気した冷却空気は、第２段静翼を冷却するための静翼低圧冷却空気経路６ａ、第１段静翼を冷却するための静翼高圧冷却空気経路６ｂ、また第１、２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、各々のタービン被冷却部に供給される。
【００１４】
このとき、抽気空気圧力は、各翼でのガスパス圧力に応じた値から選定しており、静翼高圧冷却空気経路６ｂ、動翼冷却空気経路７には、圧縮機２の最終段からの抽気空気、静翼低圧冷却空気経路６ａには、圧縮機２の中圧段からの抽気空気を導入する。被冷却部を冷却して熱交換した各冷却空気は、図示しない翼のフィルム冷却、或いは、翼後縁からの噴出し等として、タービン４のガスパス中に排出され、作動ガスと混合して、最終的には排気ガスとして大気に放出される。
【００１５】
図２は、タービン４の２段目までの第１段静翼１０、第２段静翼１２ａ、第１段動翼１１、及び、第２段動翼１３を表すタービン部分断面である。各冷却空気経路６ａ、６ｂ、及び７は、それぞれの被冷却部である翼に連通するが、ここでは、本実施例のシール装置を明確にするため、第２段静翼１２ａまわりを対象として説明する。
【００１６】
静翼低圧冷却空気経路６ａを径由して、ケーシング１４に設けた導入孔（図示せず）を介して供給された冷却空気は、ケーシング１４の外端側内部にある第２段静翼供給キャビティ８を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼体２１ａに供給される。この第２段静翼体セグメント２１ａは、主として、外径側エンドウォール２２ａ、第２段静翼１２ａ、及び、内径側エンドウォール２３ａから成る。冷却空気は、第２段静翼体２１ａの図示しない冷却パスを通過するときに熱交換を行い、各エンドウォール２２ａ、２３ａ、第２段静翼１２ａを冷却するとともに、温度上昇して、ガスパス９に排出される。
【００１７】
一方、第２段静翼供給キャビティ８に供給された空気の一部は、第２段静翼体セグメント２１ａと、第２段静翼体セグメント２１ａに装着されるダイアフラム１６ａとの間で形成されるダイアフラムキャビティ１５を経て、第１段ホィール１９ａ、スペーサー１８及びダイアフラム１６ａで形成される第１段動翼後側ホィールスペース１７ａに供給された後、一部が、第１段動翼１１と第２段静翼１２ａ間のガスパスへシール空気として流れ、一部が、ダイアフラム１５とスペーサー１８の間で協働するシールフィン２９によって流量を絞られた後、第２段ホィール１９ｂ、スペーサー１８及びダイアフラム１６ａで形成される第２段動翼前側ホィールスペース１７ｂに分配され、第２段静翼１２ａと第２段動翼１３間のガスパス９中へシール空気として流れることになる。
【００１８】
図３は、周方向に複数個配置される第２段静翼体セグメントの１つである第２段静翼１２ａを含む第２段静翼体セグメント２１ａとダイアフラム１６ａを示したものである。第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａには、シール溝３０、３１ａ、及びシール溝３２、内径側エンドウォール２３ａには、シール溝３３、３４、及びシール溝３５が、設けられている。また、ダイアフラム１６ａには、シール溝３６、３７、３８、３９、４０、４１、及びシール溝４２が設けられている。
【００１９】
第２段静翼体セグメント２１ａは、周方向に複数個を配置するものであり、互いのセグメント間には間隙を有する。従って、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９は、連通しており、概念的には、図中に示す第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９へ向かう矢印方向のリーク流路が発生することになり、シール溝３０、３１ａ、３２が、高圧側である第２段静翼供給キャビティ８と、低圧側であるガスパス９を遮断する形で配置している。同様に、内径側エンドウォール２３ａやダイアフラム１６ａのセグメント間にもリーク流路が存在することになるが、以下、さらに、本実施例の意図を明確にするため、シール溝３１ａに着目してシール装置の詳細を説明する。
【００２０】
図４は、第２段静翼体セグメント２１ａと隣接する第２段静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側から眺めた投影図である。前述したとおり、第２段静翼体セグメントは、周方向に複数個のセグメントとして環状に配置されたものであり、代表的に２つの第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂを示したものである。第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの間は、周方向間隙σc_coldをもたせて、組み立てられている。第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａに隣接対向して、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂがあり、それぞれの周方向に対向した半径位置に、シール溝３１ａと、３１ｂが形成される。この両者のシール溝を跨ぐことによって、周方向間隙σc_coldを塞ぐように、シールプレート５０が装着されている。これによって、前記の第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９にかけてのリーク経路が、半径方向に遮断されることになる。
【００２１】
ここで、用語の定義をしておく。シール溝３１ａと、３１ｂに装着されるシールプレート５０を例にして、作動ガスの流入する側（図面上、左側）に、上流側終端面２４を有し、逆に、作動ガスの排出される側（図面上、右側）に下流側終端面２５を持つが、この上流側終端面２４と下流側終端面２５を結ぶ方向、即ち、プレートの両端面を結ぶ方向を、シール溝の長手方向と呼ぶ。例えば、これに倣って、シール溝３２の長手方向は、図３の上下方向である。
【００２２】
図５は、本実施例に係るシール装置である、シールプレート５０の外観を示している。シールプレート５０は、矩形断面をした２枚の長手方向に同等に延びるプレート５１ａ、５１ｂを離間して配置しており、この両プレートを板状の弾性体である板バネ５２が、プレート５１ａ、５１ｂと同等に長手方向に亘って接合している。さらに、各プレート５１ａ、５１ｂの板バネ５２が接合された面の反対面から、板状の部材である湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂが延びている。また、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂは、その終端５７ａ、５７ｂが、シールプレート５０の内方向に向かうよう湾曲して反転しており、板バネ５２と同等に長手方向に亘っている。従って、長手方向の各部材の長さは、プレート４０ａ、４０ｂ、板バネ５２、及び、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂともに、同等である。
【００２３】
図６は、シールプレート５０を、シール溝３１ａ、３１ｂに跨るように設置した、組立時の断面として示している。外径側エンドウォール２２ａと隣接する外径側エンドウォール２２ｂの間には、周方向間隙σc_coldが設けられており、外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂのそれぞれの間隙面６８ａ、６８ｂに直交して、シール溝３１ａとシール溝３１ｂが対向して設けられている。
【００２４】
プレート５１ａは、シール溝３１ａの内径側シール面６６ａに面接触し、接触シール面６１ａを形成する。湾曲状弾性体５３ａは、プレート５１ａから延びる板バネ５２とは反対方向に、プレート５１ａから延びて湾曲した後、外径側シール面６７ａに面接触して接触シール面６０ａを形成し、その終端５７ａはシール溝３１ａの溝深さ（図面の左右方向）の中に留まっている。同様に、プレート５１ｂは、シール溝３１ｂの内径側シール面６６ｂに面接触し、接触シール面６１ｂを形成する。また、プレート５１ｂから延びる湾曲状弾性体５３ｂも、外径側シール面６７ｂに面接触して接触シール面６０ｂを形成する。
【００２５】
このように、両シール溝３１ａ、３１ｂに対して、プレート５１ａ、５１ｂと湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂが、独立した形でシール溝に、シール面を形成するとともに、板バネ５２によってプレート５１ａとプレート５１ｂが、シール溝深さ方向に接合されている。
【００２６】
このように構成された本実施例において、複数の第２段静翼体セグメントは、環状にスライドさせながら１リング状に組み込むことになるが、シールプレート５０は、湾曲状弾性体のバネ力によって、シール溝に、簡単に固定された状態になるため、比較的、容易に第２段静翼体セグメントの組み立てが可能となる。
【００２７】
ガスタービン１の運転とともに圧縮機２と燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、圧力が約１.６ＭＰａ、温度が１３００℃程度で、タービン内部の第１段静翼１０ａの入口に流入する。以下、第１段動翼１０ｂをはじめとする各動翼段で、流体エネルギーをタービンの回転エネルギーに変化させながら、圧力、温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出後、排気される。この時、ガスタービン１に直結した発電機５が回転して電力を得る。
【００２８】
タービン翼は、高温のガスに晒されるため、圧縮機２で得られる高圧空気の一部を抽気して冷却空気として用いる。この冷却空気は、静翼と動翼へ区分され、さらに静翼も適正圧力からの抽気となり、セグメントのひとつである第２段静翼１２ａへは、静翼低圧冷却空気経路６ａに含まれる第２段静翼キャビティ８を経由して、第２段静翼体セグメント２１に導入される。
【００２９】
図７に、ガスタービン運転時のシールプレート５０が概念図として示されている。ガスタービンの運転とともに、作動ガスや冷却空気を加熱源として、各ガスタービン部材は温度上昇する。その一つとして、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂには熱伸びが生じるが、周方向には、組立時のセグメント間隙σc_coldが、σc_hotまで狭まる。しかし、この間隙σc_hotは、ガスタービンの定格点運転においても接触しないように設計されているため零になることはない。このとき、この第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの動きに連動して、外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂ、さらには、シール溝３１ａ、３１ｂも、図の間隙方向に向かって移動するが、シールプレート５０は、接触シール面６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂでの滑りと、板バネ５２での弾性変形により、シール溝３１ａ、３１ｂの変位を吸収する。
【００３０】
一方、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂは、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動流体力と部材の製作公差によるσｒの半径方向変位が生じ、シール溝にオフセットが生じる。このオフセットによって、接触シール面６０ａと接触シール面６０ｂ、接触シール面６１ａと接触シール面６１ｂの間で半径方向に段差を生じることになるが、この段差による変位を板バネ５２が吸収するため、接触シール面６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂは、組立時と同様に、面接触シール面が保持される。
【００３１】
図８のシールプレートのガスタービン運転時の作用を表す概念図を用いて、面接触シール面の保持の詳細を説明する。図８には、シール溝３１ａ側のみ図示しているが、シール溝３１ｂ側についても同様である。前述したように、第２段静翼体セグメントに供給される冷却空気は、図示しない第２段静翼体セグメントの被冷却部を冷却した後、ガスパス９に排出するため、被冷却部での圧力損失を含めたガスパス９よりも高い圧力を、第２段静翼供給キャビティ８に供給する必要がある。
【００３２】
即ち、第２段静翼供給キャビティ８の供給圧力をＰ１、ガスパス９の圧力をＰ２とすると、Ｐ１＞Ｐ２の関係となる。板バネ５２には、圧力Ｐ１が矢印６２ａとして付加され、圧力Ｐ２が矢印６２ｂとして付加されるが、この差圧であるΔＰ１２に、板バネ５２の図示しない受圧面積を乗じた流体力の半分が、プレート５１ａの板バネ５２の接合点に、矢印６３として作用する。
【００３３】
一方、湾曲状弾性体５３ａは、矢印６４で示すバネ力によって、接触シール面６０ａに密着して面シールを高めるとともに、矢印６５によって示すバネ反力が、プレート５１ａの湾曲状弾性体５３ａの接合点に作用する。従って、プレート５１ａには、流体力とバネ反力が、接触シール面６１ａの面シールを高めることになる。また、湾曲状弾性体５３ａの終端５７ａがシール溝の溝深さ範囲内にあるため、バネ反力を十分に生かす事ができ、面シールの密着性を高めることができる。
【００３４】
従って、確実に面接触が保持されることから、この間でのリークが抑制される。即ち、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９の間のセグメント間隙σc_hotによる連通が、運転中の常時に亘り、遮断されるため、この間からのリーク流量が低減できる。
【００３５】
以上に説明したセグメント間に装着したガスタービンのシール装置において、板バネの両端にそれぞれ接合された２枚のプレートと、２枚のプレートからそれぞれ延びる湾曲状弾性体を接合して構成することにより、シールプレートや第２段静翼体セグメントの組立性の効率向上と、オフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、オフセットによって起こりうるシールプレートの変形、或いは、プレートを介したシール溝エッジに掛かる応力の発生を防止し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いシール装置を提供できる。
【００３６】
なお、本実施例では、第２段静翼体の外径側エンドウォールに設けた、一対の対向するシール溝に装着したシールプレートを実施例として説明したが、外径側エンドウォールのみならず、他に設けたシール溝に対しても、本シールプレートを適用すれば、さらに大きな効果が期待できるのは自明である。更に、オフセットによって生じた段差σｒが、マイナスのσｒとするオフセットでも、同様の効果が成立するのは当然である。
【００３７】
また、シールプレートについての製作方法について言及していないが、プレート、板バネ、及び、プレートを単体として製作した後、これらを組み上げる方式とする本実施例では、特に、湾曲状弾性体と板バネ、或いは、プレートと湾曲状弾性体の接合に関して、この接合部からのリーク発生を防止する手法を講じておくのは常識であり、例えば、圧接やレーザ溶接等を用いて接合、封止しておくことは、本発明の主旨から当然である。さらに、プレートを矩形断面としたが、接触シール面の確保を最重視して、板バネ、或いは、湾曲状弾性体の接合に支障をきたさない断面形状であれば、これに限定されないことは明らかである。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例を図９により説明する。図９は本発明の第２の実施例を示すシールプレートの外観図を示しており、第１の実施例と同様に、シール溝３１ａ、３１ｂへの装着とする。各図において、同一番号は、第１、２の実施例と同一の機器、或いは、部材、機能を表す。
【００３９】
シールプレート５０は、長手方向に延びる１対の湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂと蛇腹プレート５４が一体成形され、蛇腹プレート５４側の湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂの直線部外側面５８ａ、５８ｂに、矩形断面をした２枚の長手方向に同等に延びるプレート５１ａ、５１ｂを接合したものである。このとき、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂの終端５７ａ、５７ｂは、シールプレート５０の内方向に向かっている。さらに、長手方向の各長さは、ほぼ同等である。
【００４０】
このように構成された本実施例において、ガスタービンの運転とともに、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの動きに連動して、外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂ、さらには、シール溝３１ａ、３１ｂも、変位するが、シールプレート５０は、接触シール面６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂでの滑りと、蛇腹プレート５４での弾性変形により、変位を吸収する。一方、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂは、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動流体力と部材の製作公差によるσｒの段差が生じ、シール溝にオフセットが生じる。このオフセットによって、接触シール面６０ａと接触シール面６０ｂ、接触シール面６１ａと接触シール面６１ｂの間で半径方向に段差を生じることになるが、この段差による変位を蛇腹プレート５４が吸収するため、接触シール面６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂは、組立時と同様に、面接触シール面を保持することができる。
【００４１】
一方、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂと蛇腹プレート５４が一体成形されており、接合部をもたないため、この部材に関するリークは、接触シール面６０ａ、６０ｂでの極小流量を除いて、発生することはない。厳密には、長手方向端からのリークがあるが、本発明の主旨とは別形態のリークとなるため、ここでは言及しない。
【００４２】
以上に説明したセグメント間に装着したガスタービンのシール装置において、離間した２枚のプレートに、一体化した蛇腹プレートと湾曲状弾性体を接合して構成することにより、オフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、その流量低減の確実性を高めるとともに、オフセットによって起こりうるシールプレートの変形、或いは、プレートを介したシール溝エッジに掛かる応力の発生を防止し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いシール装置を得ることができ、その効果を十分に発揮できるガスタービンを提供できる。
【００４３】
本実施例では、プレート間の接合にあたる弾性体を蛇腹プレートとし、且つ、湾曲状弾性体と一体化して説明したが、プレート自体も一体化すれば、さらに、リーク流量の低減効果に確実性が増すのは自明である。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施例を図３、図１０、図１１及び、図１２により説明する。図３は本発明によるシールプレートの配置を示す概念図、図１０は本発明の第３の実施例を示すシールプレートの平面図、図１１は本発明の第３の実施例を示すシールプレートの外観図及び、図１２は本発明の第３の実施例を示すシールプレートのリーク説明図を示してある。各図において、同一番号は、第１の実施例と同一の機器、或いは、部材、機能を表す。
【００４５】
図３に示すとおり、シールプレートは、高圧側と低圧側を遮断する形で、複数枚、配置されており、本実施例では、シール溝３８、３９、４０に装着するシールプレートに着目して説明する。これらのシール溝は、第１段動翼後側ホィールスペース１７ａに供給したシール空気のガスパス側９へのリーク抑制として配置されたものである。
【００４６】
図１０を用いて、本実施例によるシールプレート５０の外観構成を説明する。シールプレート５０は、矩形断面をした２枚のプレート５１ａ、５１ｂを離間して配置しており、この両プレート５１ａ、５１ｂに板バネ５２が、接合されている。さらに、プレート５１ａ、５１ｂからは、板バネ５２の接合側とは反対方向に、それぞれ湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂが伸び、その終端５７ａ、５７ｂは、シールプレート５０の内方向に向かっている。
【００４７】
プレート５１ａとプレート５１ｂは、長手方向に長さが相違しており、プレート５１ｂの上流側終端面２７ａと下流側終端面２７ｂを基準として、プレート５１ａの上流側終端面２６ａと下流側終端面２６ｂは、ともにδｇ分だけ長く製作されている。長手方向における各長さは、板バネ５２、湾曲状弾性体５３ａ、５３ｂが、プレート５１ｂに、同等である。尚、プレート５１ａ、５１ｂの材料は、ダイアフラム１６ａに用いる材料よりも、大きな線膨張係数を有する。
【００４８】
プレート５１ａの上流・下流終端面２６ａ、２６ｂには、それぞれ、プレート５１ｂの上流・下流終端面２７ａ、２７ｂ方向に向かう、δｇの間隙を保持して、弾性体材料によって製作された側端プレート５５ａ、５５ｂが接合される。この側端プレート５５ａ、５５ｂの図面の奥行き方向に当たる高さは、プレートの接触シール面を基準とする湾曲状弾性体の最大高さよりも、小さく設定されている。尚、δｇは、湾曲状弾性体の半径方向の動きを妨げない程度の微小間隙である。
【００４９】
図１１に、シール溝３９（図示せず）に装着されるシールプレート５０と、その幅方向に直交して隣接するシール溝３８（図示せず）に装着されるシールプレート５６ａの組み合わせ配置とした組立外観図を示す。シールプレート５０の側端プレート５５ａとシールプレート５６ａの間には、δａの間隙を有してシール溝に組み込まれており、δａは、ダイアフラム１６ａ、シールプレート５０、及び、シールプレート５６ａの熱伸び量から与えられる。側端プレート５５ａと協働する、直交して隣接するシールプレート５６ａのシール面は、平板である。ここでは、側端プレート５５ａに着目して説明したが、シールプレート５０の側端プレート５５ｂについても同様である。
【００５０】
このシールプレート配置による組み込み状態での、第１段動翼後側ホィールスペース１７ａからガスパス９に向かう概念的なリーク経路を説明しておく。リーク経路には、図示しないシール溝とプレート５１ｂで形成する図示しない接触シール面を径由して、図示しないシール溝と湾曲状弾性体５３ｂで形成する図示しない接触シール面からの矢印７１ａで示す経路、図示しないシール溝とプレート５１ａで形成する図示しない接触シール面を径由して、図示しないシール溝と湾曲状弾性体５３ａで形成する図示しない接触シール面からの矢印７１ｂで示す経路、側端プレート５５ａとシールプレート５６ａで形成する図示しない接触シール面からの矢印７１ｃで示す経路、及び、側端プレート５５ｂと図示しないシールプレートで形成する図示しない接触シール面からの矢印７１ｄで示す経路に加えて、接合時に設定したδｇによる図示しない側端プレート５５ａ側の経路と、側端プレート５５ｂ側の矢印７２ｂで示す経路がある。
【００５１】
図１２を用いて、この側端プレート５５ａ、５５ｂ近傍でのリーク経路を、概念的ではあるが、詳細に説明する。図１２は、図１１でのシールプレート５０の中央部からプレート５１ａ方向をみた断面図として示している。シール溝３９にシールプレート５０、直交して隣接するシール溝３８、４０に、シールプレート５６ａ、５６ｂが、装着されている。この場合、主要なリーク経路は、側端プレート５５ａとシールプレート５６ａの間のδａによる矢印７１ｃで示すリーク経路、側端プレート５５ａとシールプレート５６ｂの間のδａによる矢印７１ｄで示すリーク経路、側端プレート５５ａでのδｇによる矢印７２ａで示すリーク経路、及び、側端プレート５５ｂでのδｇによる矢印７２ｂで示すリーク経路となる。
【００５２】
このように構成された本実施例において、ガスタービンの運転とともに、ダイアフラムの動きに連動して、シール溝も変位する。このとき、リーク経路７１ａと７１ｂについては、周方向変位、オフセットに対して、板バネ５２が、その変位を吸収する。また、シール溝との間で、プレート、湾曲状弾性体の流体力とバネ力により、強固な接触シール面６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂが形成され、リーク経路７１ａ、７１ｂは遮断されることになる。
【００５３】
一方、シールプレート５０の側端部では、ダイアフラムよりも大きな線膨張係数を有するプレート５１ａ、５１ｂとダイアフラムとの熱伸び差によって、間隙δａは縮小され、最終的には零となる。即ち、シールプレート５６ａと側端プレート５５ａの間で平板状接触シール面７５ａ、シールプレート５６ｂと側端プレート５５ｂの間で平板状接触シール面７５ｂが形成されるため、リーク経路７１ｃ、７１ｄは遮断される。
【００５４】
さらに、ガスタービンの定格運転状態まで、この熱伸び差によるプレート５１ａ、５１ｂの熱伸びは進行することになるが、シールプレート５６ａ、５６ｂのシール溝との接触シール面７６ａ、７６ｂが熱伸びの絶対的な拘束点となる。そのため、シールプレート５６ａ、５６ｂのプレート厚みを減じた、接触シール面７５ａ、７５ｂが、シールプレート５０の拘束条件となり、プレート５１ａ、５１ｂは、それぞれに、側端プレート５５ａ、５５ｂを押し込む形で伸びる。この結果、プレートの熱伸び力によって側端プレート５５ａ、５５ｂは弾性変形するが、材料の変形部分は、接触シール面７５ａ、７５ｂでの拘束により、シールプレート５０の内方向に向かうことになる。換言すれば、側端プレート５５ａ、５５ｂが、δｇの間隙を覆うことになり、このリーク経路７２ａ、７２ｂを遮断する。
【００５５】
以上に説明したセグメント間に装着したガスタービンのシール装置において、板バネの両端に接合された２枚のプレートと、プレートのそれぞれから延びる湾曲状弾性体とを備え、一方のプレートの長手方向端面に側板プレートを設ける構成にすることにより、オフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、直交して隣接するシールプレートとの間で生じるリークを未然に防止するシール装置を得ることができる。また、隣接するシールプレート自体のリークを抑制できることから、信頼性の高いシール装置を提供できる。
【００５６】
また、側端プレート５５ａ、５５ｂの高さが、プレートの接触シール面を基準とする湾曲状弾性体の最大高さよりも小さく設定されているため、シール溝への取付けも容易である。
【００５７】
本実施例では、プレート５１ｂの上流側終端面２７ａと下流側終端面２７ｂを基準として、プレート５１ａの上流・下流終端面２６ａ、２６ｂが、ともに長くなるとしたが、例えば、真逆、或いは、勝手違いに長さが相違して構成しても、本実施例の効果を妨げないのは自明である。また、側端プレート５５ａ、５５ｂの取付けに関して、一定の微小間隙δｇを保持するとしたが、最終的には、弾性体が、この空隙を覆うため、一定間隙として限定された条件になるものではない。
【００５８】
また、直交して隣接するシールプレートとして、説明したが、これが傾斜したとしても、これに対応した側端プレートの取付けと側板プレートの形状変更で、容易に対応できるのは明らかである。また、ダイアフラムの一部のシールプレートをもって、実施例としたが、同様のシール溝構成部分に適用すれば、その効果は、さらに、期待できる。尚、本実施例では、側端プレートの材料には言及していないが、素材としての弾性力のみでなく、エキスパンドメタルを内蔵するような構造的弾性体でも構わない。
【符号の説明】
【００５９】
１  ガスタービン
４  タービン
３１ａ  シール溝
５０  シールプレート
５１ａ、５１ｂ  プレート
５２  板バネ
５３ａ、５３ｂ  湾曲状弾性体
５４  蛇腹プレート
５５ａ、５５ｂ  側端プレート
【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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