(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ互いに向う面に構造部品溝（３ａ、３ｂ）を有する互いに熱膨張により相対移動する二つの構造部品（２ａ、２ｂ）間に形成可能な間隙（５）を密封するためのシール要素（１）において、このシール要素（１）が主線（２１）に沿って延び、ほぼこの主線（２１）に対して垂直な横断面において第１の端部（６ａ）と第２の端部（６ｂ）間に配置された中央部位（１０）を有し、この中央部位（１０）の冷却ガス範囲（８）に面している第１の面（９ａ）に複数の傾斜した歯が付けられているシール要素（１）。
【請求項２】
中央線（４）に関して第１の面（９ａ）と反対側の第２の面（９ｂ）が平滑にされている請求項１記載のシール要素（１）。
【請求項３】
中央線（４）に対してそれぞれ５０°〜９０°の傾斜角（α）を成している多数のシール溝（７）が設けられている請求項１又は２記載のシール要素（１）。
【請求項４】
シール溝（７）が中央部位（１０）に向かうにつれてその傾斜角が増大されている請求項３記載のシール要素（１）。
【請求項５】
シール要素の両端（６ａ、６ｂ）にあるシール溝（７）が中央部位（１０）にあるシール溝より小さな傾斜角（α）を有し、中央部位における傾斜角（α）が特に９０°である請求項３又は４記載のシール要素（１）。
【請求項６】
シール要素（１）が中央部位（１０）から両端（６ａ、６ｂ）に向かって先細になっている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のシール要素（１）。
【請求項７】
高温ガス範囲（１１）とガスタービン設備（２２）の静翼（１２）を冷却するためそこから隔離すべき冷却ガス範囲（８）とを有するガスタービン設備（２２）において、シール要素（１）が特に静翼（１２）あるいは周壁部品（１３）の第１の構造部品溝（３ａ）と、特に静翼（１２）あるいは周壁部品（１３）の第１の構造部品（２ａ）に隣接する第２の構造部品（２ｂ）の構造部品溝（３ｂ）の中に挿入され、両構造部品（２ａ、２ｂ）間に間隙（５）が形成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載のシール要素（１）。
【請求項８】
シール要素（１）の各構造部品溝（３ａ、３ｂ）に挿入される両端（６ａ、６ｂ）がその溝（３ａ、３ｂ）に比べて僅かに大きな寸法を有している請求項７記載のシール要素（１）。
【請求項９】
構造部品溝（３ａ、３ｂ）に挿入されるシール要素（１）が間隙（５）から構造部品（１２、１３）に向かって先細になっている請求項７又は８記載のシール要素（１）。
【請求項１０】
高温ガス範囲（１１）とそこから隔離すべき静翼（１２）を冷却するための冷却ガス範囲（８）とを有するガスタービン設備（２２）において、両範囲（８、１１）が円周方向および軸方向に配置された多数の構造部品（２ａ、２ｂ）によって互いに分離され、少なくとも一つの第１の構造部品（２ａ）、特に静翼脚板（１６）あるいは周壁部品（１３）、および第２の構造部品（２ｂ）、特に静翼脚板（１６）あるいは周壁部品（１３）が円周方向において間隙（５）によって間隔を隔てられ、それぞれ空隙（５）に面した構造部品溝（３ａ、３ｂ）を有し、これらの溝の中に、冷却ガス範囲（８）の側の第１の面（９ａ）に複数の傾斜した歯が付けられたシール要素（１）が間隙（５）を閉鎖して配置されているガスタービン設備（２２）。
【請求項１１】
軸方向に間隔を隔てられた二つの構造部品（２ａ、２ｂ）の間の間隙（５）が、中空体状、特に断面ダンベル状あるいは８字形のシール要素（１）によって密封されている請求項１０記載のガスタービン設備（２２）。
【発明の詳細な説明】
本発明は、それぞれ互いに向う合う面に構造部品溝を有する互いに熱膨張により相対移動する二つの構造部品間に形成可能な間隙を密封するための特にガスタービン設備におけるシール要素並びにこのシール要素を備えたガスタービン設備に関する。
種々の流体が使用されている工業設備特に熱力学的機械および化学設備においては、それらの流体を設備内部において互いに分離する必要がある。例えば火力発電所において高温の燃焼ガスの流れ範囲を低温の冷却ガスの流れ範囲から気密に分離しなければならない。例えば１０００℃以上の高いタービン入口温度のガスタービン設備において、ガスタービン設備の個々の構成要素は熱膨張を生ずるので、高い熱応力および亀裂の発生を避けるために、隣接する構成要素は間隙によって互いに隔てられている。そのような間隙は高温ガスの流れ範囲と低温ガスの流れ範囲との連通部となる。高温ガスの流れ範囲への低温ガスの流入を減少するためおよびこれによって高温ガスの流れ範囲における温度が低下しないようにするために、間隙を密封することが有利である。
米国特許第３３４１１７２号および米国特許第２９９１０４５号明細書には、外部ハウジングと２分割構造の内部ハウジングとを備えたガスタービンがそれぞれ記載されている。ここでは両内部ハウジング間の間隙を密封するために横断面Ｃ形の細長いシール要素が利用されている。内部ハウジングと外部ハウジングとの間に冷却流体が導かれる環状空隙が形成されている。内部ハウジングの内部をガスタービンを駆動するための高温ガスが流れる。
米国特許第４５３７０２４号明細書には、ノズル構造物の構成要素がアキシャル・ラジアルシール要素で密封されているガスタービン設備が記載されている。そのシール要素は、ノズル構造物を通って流れる高温ガスが高温ガス通路の外側のタービン範囲に到達することを防止しようとしている。シール要素は横断面形状をほぼ押し潰された８の形に形成される。
米国特許第１８１６２９３号明細書は二つの高温蒸気配管の気密結合に関している。この蒸気密の結合は２つのフランジを固くボルト結合することによって行われている。両フランジはそれぞれ円環状の歯付きシール面を有している。互いに押し合わされたシール面の歯はシール効果を高めるために形成されている。それに代えてあるいはそれに加えて、両フランジ間に両面に歯が付けられているシールリングを挿入することも行われるが、これによって同じシール効果が得られる。
本発明の課題は、互いに熱膨張により相対移動する二つの構造部品間に形成可能な間隙を、これら両構造部品が熱膨張する際にも確実に有効に密封するようなシール要素を提供することにある。本発明の他の課題は、高温ガス案内範囲が冷却流体、特に冷却空気を案内する範囲から有効に隔離されているガスタービン設備を提供することにある。
本発明の最初の課題は本発明に基づいて、それぞれ互いに向う合う面に構造部品溝を有する互いに熱膨張により自由に相対移動する二つの構造部品間に形成可能な間隙を密封するためのシール要素において、このシール要素が主線に沿って延び、ほぼこの主線に対して垂直な横断面に第１の端部、この端部に対向する面に第２の端部並びに両端間に歯が付けられている中央部位を有することによって解決される。
このシール要素は歯が付けられていることによって、一方ではそれぞれの対向溝に密着するようにそれぞれの対向溝の形に適合でき、他方では変形可能であり、これによってシール要素は構造部品の熱膨張に追従することができる。従って間隙は密封され、許容できない熱応力の発生が防止される。歯の形状およびシール要素の材料の選択に応じて、このシール要素は１０００℃以上の高温で利用することができる。このシール要素は火力発電所、特にガスタービン設備に特に適している。
特にシール要素は少なくとも両端が中央線に対してほぼ垂直に変形可能である。これによって、対向溝がシール要素の中央線の方向に熱膨張する際に、シール要素の両端はこの熱膨張に追従することができ、従ってシール要素は許容できない熱応力を生ずることなしに対向溝に密着する。これによって構造部品とシール要素はほとんど遊びなしに形成される。更にシール要素の変形可能性によって、構造部品の相対移動性が保証される。
シール要素の中央線は特に中央軸であるので、シール要素はほぼ平坦である。このシール要素は所定の厚さのほぼ平坦な板金から表面に溝（歯）を付けて簡単に量産できる。
特にシール要素は中央線に対してそれぞれ５０°〜９０°の傾斜角を成している多数のシール溝を有している。シール溝は特に主線の方向に延びている。シール要素はシール溝によって中央線の方向並びにそれに対して垂直の方向における変形可能性を保証する溝付き形状を生ずる。特にシール溝が非垂直方向に延びている場合、即ち中央線に対して９０°以下の傾斜角を有している場合、中央線に対してほぼ垂直の方向における変形可能性が保証される。特にシール要素の両端におけるシール溝の傾斜角はその中央部位におけるシール溝よりも小さくされている。これによって、シール要素は対向溝の中に突出した両端が特に良好に構造部品の熱膨張に追従し、これによって特に良好な密封作用が得られる。
シール要素はその両端間を延び中央線に関して両側に位置する第１の面と第２の面を有している。その第１の面は特に歯が付けられ、第２の面は平滑にされている。冷却ガス範囲と高温ガス範囲とを有するガスタービン設備において、その歯付き面は特に冷却ガス範囲の側に向けられ、平滑な面は高温ガス範囲の側に向けられる。これは、冷却ガス範囲における圧力が高温ガス案内範囲における圧力より高い場合、ガスタービン設備の運転中にシール要素が平滑な第２の面で接するという利点を有する。これによって隣接するシール溝間に存在するシール尖端はほとんど摩耗されず、長期間にわたって確実で良好な密封作用が保証される。
シール要素は特にその中央部位から両端に向かって先細になっている。シール要素の両端が対向溝の中に突出し、構造部品の熱膨張の際に構造部品間の間隙が縮小するので、シール要素は温度が上昇するにつれて対向溝の中に一層入り込む。シール要素は両端に向けて先細になっているので、温度の上昇の際に、シール要素はなお一層密に対向溝に接し、これによって間隙の密封作用が一層向上される。
本発明の基づくシール要素は特に、高温ガス範囲とそこから隔離すべき静翼を冷却するための冷却ガス範囲とを有するガスタービン設備における間隙を密封するのに適している。その際シール要素は、これが一方では第１の構造部品、特に静翼あるいは周壁部品にある対向溝の中に、他方では第１の構造部品に隣接してこれとの間に間隙を形成している第２の構造部品、特に静翼あるいは周壁部品にある対向溝の中にはまり込むように配置されている。ガスタービン設備の主軸線の方向に静翼および動翼が交互に並べて配置され、その際静翼はその静翼脚板でガスタービン設備のハウジングに取り付けられ、静翼とハウジングとの間に冷却ガスを案内する範囲が設けられている。軸方向において各静翼に、冷却ガス範囲を高温ガス案内範囲から隔離するガスタービン設備の周壁部品が隣接している。この周壁部品と特に静翼脚板との間に、特にシール要素によって密封される間隙が形成されている。ガスタービン設備の円周方向にそれぞれ静翼が並べて配置され、それらの静翼は間隙によって間隔を隔てられている。静翼の範囲に周壁部品が配置され、これも同様に相応した間隙によって間隔を隔てられている。静翼間の間隙および周壁部品間の間隙は特にシール要素によって密封されている。
ガスタービン設備を始動する際即ち暖機する際並びにガスタービン設備の冷却を開始する際にも有効に密封するために、シール要素はその両端が、それぞれはめ込まれる対向溝に比べて僅かな過大寸法で形成されている。これによって、ガスタービン設備における一時的に生ずる温度および冷却ガス範囲と高温ガス案内範囲との温度差には無関係に、間隙の有効な密封が達成される。
特にこのシール要素は同様に、間隙から構造部品に向かって徐々に狭まっている対向溝を有している二つの構造部品間の間隙を密封するために適している。その徐々に狭まる度合、特に傾斜角は好適にはガスタービン設備の運転温度に合わされている。
本発明によればガスタービン設備に向けられた上述の課題は、円周方向に互いに隣接し間隙によって互いに間隔を隔てられ高温ガス範囲を冷却流体範囲から隔離する構造部品間において、表面に歯（溝）が付けられたシール要素が構造部品の対応した対向溝の中にはめ込まれることによって達成される。高温ガス範囲はガスタービン設備の通常運転中に（１０００℃以上の）高温ガスで貫流され、冷却流体範囲は冷却空気で貫流される。特に軸方向において間隔を隔てられた構造部品、特に静翼脚板および静翼に対向して配置された周壁部品が、中空体として形成された特に断面がダンベル状あるいは８字形のシール要素によって密封されている。
以下図面に示した実施例を参照してシール要素およびガスタービンを詳細に説明する。各図において同一部分あるいは作用的に類似した部分には同一符号が付され、従ってそれらの部分については一回しか説明しない。
図１はガスタービン設備の縦断面図であり、
図２ないし図４はそれぞれガスタービン設備におけるシール要素の横断面図である。
図１にはガスタービン設備２２が主軸線１４に沿った断面図で示されている。ガスタービン設備２２はハウジング１７の中に静翼１２および動翼１５を軸方向に交互に有している。静翼１２は主軸線１４に対して垂直な翼軸心１８に沿って延び、ガスタービン設備２２の円周に並べて配置され、円環翼列を形成している。静翼１２はそれぞれ静翼脚板１６を介してガスタービン設備２２のハウジング１７に結合されている。隣接する静翼１２は円周方向にそれぞれ間隙５によって間隔を隔てられ（図２参照）、これによって各静翼１２は自由に熱膨張できる。静翼脚板１６はガスタービン設備２２の主軸線１４の周りに形成された高温ガス範囲１１を、静翼脚板１６にハウジング１７との間に形成されている冷却ガス範囲８から隔離している。動翼１５もガスタービン設備の主軸線１４に対して垂直な翼軸心１９に沿って延びている。動翼１５は完全に高温ガス範囲１１の中に位置している。この高温ガス範囲１１はガスタービン設備２２の円周に沿って延びる周壁部品１３によって冷却空気範囲８から隔離されている。その周壁部品１３はそれぞれ動翼１５に隣接している。周壁部品１３はハウジング１７に結合されている。図を簡略にするためにここではそれぞれ一つの静翼１２、一つの動翼１５および一つの周壁部品１３しか示されていない。各周壁部品１３は軸方向において各静翼１２、特に静翼脚板１６から間隙５によって間隔を隔てられている。この間隙５はシール要素１によって密封され、これによって冷却ガス範囲８から高温ガス範囲１１への冷却ガスの流れは十分に阻止される。この場合静翼１２が第１の構造部品２ａであり、周壁部品１３が第２の構造部品２ｂである。従って円周方向において互いに隣接する静翼１２間および周壁部品１３間における高温ガス範囲１１と冷却ガス範囲８との隔離が行われ、軸方向において互いに隣接する静翼１２と周壁部品１３との間における高温ガス範囲１１と冷却ガス範囲８との隔離が行われる。
図２はガスタービン設備２２の円周方向に延びる横断面図を示し、特に間隙５によって互いに間隔を隔てられている隣接する二つの構造部品２ａ、２ｂを拡大して示している。これらの構造部品２ａ、２ｂはそれぞれ隣接する二つの静翼１２、特に静翼脚板１６並びに互いに隣接する二つの周壁部品１３である。両構造部品２ａ、２ｂには互いに向かい合う面に円周方向に延びる対向溝３ａないし３ｂが設けられている。両対向溝３ａ、３ｂの中に歯付き輪郭をしたシール要素１が間隙５を閉鎖してはまり込んでいる。シール要素１は主線２１に沿って延び、この主線２１に対して垂直な図示の断面図において第１の端部６ａ、第２の端部６ｂおよび両端間の中央部位１０を有している。シール要素１は冷却ガス範囲８の側に多数のシール溝７を有し、各シール溝７間にそれぞれ対応した対向溝３ａ、３ｂに密接するシール尖端（シール歯）２０が形成されている。一般に冷却ガスの圧力は高温ガス案内範囲１１における高温ガスの圧力より高いので、シール要素１はその平滑な面で対向溝３ａ、３ｂに接するので、シール尖端２０は機械的負荷が著しく軽減される。これによってシール要素１の摩耗は著しく減少される。
図３は図２におけるシール要素１を拡大して示している。高温ガス案内範囲１１の側に平滑面９ｂが面し、冷却ガス範囲８の側にシール溝７とそのシール溝間のシール尖端２０とを備えた溝付き面９ａが面している。シール要素１はその中央部位１０から両端６ａ、６ｂに向けて先細になっている。対向溝３ａも同様に間隙５から構造部品２ａ、即ち静翼脚板６に向けて徐々に狭まっている。シール溝７は特にシール要素１の主軸４ａである中央線４に対して傾斜角αを有している。この傾斜角αは中央部位では約９０°であるので、そこでシール溝７は中央線４に対して垂直に延びている。シール溝７の傾斜角αは端部６ａに向かって特に連続的に減少している。これによって熱膨張した際、特に対向溝３ａが押し狭められた際におけるシール要素１の変形可能性が与えられる。従って構造部品２ａの熱膨張の際に、従って対向溝３ａが押し狭められる際に、シール要素１はその熱応力が増大せず、シール効果が変わらないか、むしろ向上する。シール溝７付きのシール要素１は特にガスタービン設備の円周方向において隣接する静翼１２あるいは隣接する周壁部品１３間の間隙を密封するために利用される。
図４はガスタービン設備２２の構造部品２ａ、即ち静翼１２と第２の構造部品２ｂ、ここでは周壁部品３との間におけるガスタービン設備２２の軸方向における間隙５を密封するためのシール要素１を示している。このシール要素１は主線２１に沿って延びる中空体である。シール要素１は横断面において中央線４に対してほぼ対称な形をしており、その両端６ａ、６ｂが中央部位１０より厚くされている。これは断面がほぼダンベルの形をしている。これによって対向溝３ａ、３ｂの中に突出した両端６ａ、６ｂは間隙５を有効に密封する。構造部品１２、１３が熱膨張して対向溝３ａ、３ｂが押し狭められる際に、シール要素１も押し潰され、その中央線４に沿って延ばされる。この場合、ガスタービン設備２２の全運転過程中においてシール要素１は対向溝３ａ、３ｂに確実に密着する。
本発明は、特にガスタービン設備における二つの構造部品の間の間隙を密封するための主線、即ち長手軸線に沿って延び溝付き横断面形状をしているシール要素によって特徴づけられている。その横断面においてシール要素は中央線に沿って延び、その中央線に対して垂直の方向に変形できる。このシール要素は特に、片側が冷却ガス範囲に接し反対側がガスタービンの高温ガス案内範囲に接する構造部品を密封するために使用される。それらの構造部品は対向溝を有し、隣接する構造部品の対向溝の中にシール要素がその中央線に沿って挿入される。シール要素の変形可能性によって、ガスタービン設備のあらゆる運転中において特に１０００℃以上の高温において、構造部品の対向溝の中にシール要素を確実に密着しておくことが保証される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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