(57)【要約】【課題】  シールプレートの突合せ部に間隙が生じ、シール空気の必要量が増加する可能性がある。【解決手段】  連結された複数の部材の連結部のそれぞれの対向面に、直線状に延びる第１のシール溝３１と、第１のシール溝３１から分岐して直線状に延びる第２のシール溝３３と、第１のシール溝３１に装着された第１のシールプレート４１と、第２のシール溝３３に装着された第２のシールプレート４３とを有する複数の部材を連結して高圧部と低圧部を遮蔽するシール装置において、第１のシールプレート４１と第２のシールプレート４３との突合せ部に、第１のシールプレート４１と前記第２のシールプレート４３との間隙を縮小するよう変形可能な部材５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結された複数の部材の連結部のそれぞれの対向面に、
直線状に延びる第１のシール溝と、
前記第１のシール溝から分岐して直線状に延びる第２のシール溝と、
前記第１のシール溝に装着された第１のシールプレートと、
前記第２のシール溝に装着された第２のシールプレートとを有する、
複数の部材を連結して高圧部と低圧部を遮蔽するシール装置において、
前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの突合せ部に、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの間隙を縮小するよう変形可能な部材を備えたことを特徴とするシール装置。
【請求項２】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの圧縮機を燃料とともに燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービンを備え、前記タービンを構成する複数の静止する部材間の対向する面に設けられたシール溝にシールプレートを掛け渡したシール装置を有するガスタービンにおいて、
前記シール装置は、直線状に延びる第１のシール溝と、前記第１のシール溝から分岐して直線状に延びる第２のシール溝と、前記第１のシール溝に装着された第１のシールプレートと、前記第２のシール溝に装着された第２のシールプレートとを有し、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの突合せ部に、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの間隙を縮小するよう変形可能な部材を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの圧縮機を燃料とともに燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービンを備え、前記タービンを構成する複数の静止する部材間の対向する面に設けられたシール溝にシールプレートを掛け渡したシール装置を有するガスタービンにおいて、
前記シール装置は、前記タービンの軸方向に直線状に延びる第１のシール溝と、前記第１のシール溝から分岐して前記タービンの外径側に直線状に延びる第２のシール溝と、前記第１のシール溝に装着された第１のシールプレートと、前記第２のシール溝に装着された第２のシールプレートとを有し、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの突合せ部に、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの間隙を縮小するよう変形可能な部材を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材が、前記第２シールプレートの前記第１シールプレート側の端部に設けられたことを特徴とするシール装置。
【請求項５】
請求項１に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材が、前記第１シールプレートの前記第２シールプレート側に設けられたことを特徴とするシール装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材が、前記第１シールプレートまたは前記第２シールプレートの高圧側に設けられたことを特徴とするシール装置。
【請求項７】
請求項１に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材は、複数の金属薄板が積層されたものであることを特徴とするシール装置。
【請求項８】
請求項１に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材は、複数の金属線が集合したものであることを特徴とするシール装置。
【請求項９】
請求項１に記載のシール装置において、
前記変形可能な部材は、熱変形材料であることを特徴とするシール装置。
【請求項１０】
連結された複数の部材の連結部のそれぞれの対向面に、直線状に延びる第１のシール溝と、前記第１のシール溝から分岐して直線状に延びる第２のシール溝と、前記第１のシール溝に装着された第１のシールプレートと、前記第２のシール溝に装着された第２のシールプレートとを有する複数の部材を連結して高圧部と低圧部を遮蔽するシール方法において、
前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの突合せ部に、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの間隙を縮小するよう変形可能な部材を備えることを特徴とするシール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール装置，シール方法及びシール装置を有するガスタービンにかかわる。
【背景技術】
【０００２】
おおよそ水平に設置されたシールプレートと、シールプレートに対しておおよそ垂直設置されたシールプレートを組み合わせて、ガスタービンの静翼セグメントの単面隙間のガスシールを行う技術が特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２００８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしこのような技術においては、シールプレートの突合せ部に間隙が生じ、シール空気の必要量が増加する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、シールプレートの突合せ部の間隙の発生を抑制することで、間隙からのリーク量を削減しシール性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
連結された複数の部材の連結部のそれぞれの対向面に、直線状に延びる第１のシール溝と、前記第１のシール溝から分岐して直線状に延びる第２のシール溝と、前記第１のシール溝に装着された第１のシールプレートと、前記第２のシール溝に装着された第２のシールプレートとを有する複数の部材を連結して高圧部と低圧部を遮蔽するシール装置において、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの突合せ部に、前記第１のシールプレートと前記第２のシールプレートとの間隙を縮小するよう変形可能な部材を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シールプレートの突合せ部の間隙の発生を抑制することで、間隙からのリーク量を削減しシール性能を向上させたシール装置，シール方法及びシール装置を有するガスタービンを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２にガスタービンの構成図を示す。図示したガスタービン１は、主として燃焼用の圧縮空気を生成する圧縮機２、この圧縮機２からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器３、この燃焼器３からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービン４を備えている。タービン４で得られた軸動力は、圧縮機２及び発電機５の駆動力として用いられる。また負荷機器として発電機５を用いた場合を例に挙げているが、得られた軸動力でポンプや他の圧縮機等を駆動する場合もある。ガスタービン１の運転状態の一例では、燃焼器３で発生する高温の主流ガス６は、タービン４へ流入する時点において、圧力が１.２ＭＰａ程度、温度が１２００℃程度である。その後、タービン内部で膨張仕事をしながら圧力及び温度を低下させ、６００℃程度で最終段動翼を通過して放出される。
【０００９】
タービン４においては、高温の主流ガス６に曝される部材は部材が溶けたり、酸化あるいは熱応力による亀裂が入ったりすることのないように、低温の空気によって許容温度以下にまで冷却されている。以降、このような空気を冷却空気と呼ぶ。一般的に冷却空気は圧縮機２より抽気される。
【００１０】
図３はタービン４の前段動静翼近傍の内部構造を表す断面図である。トランジションピース１０を通過してきた主流ガス６は、第一段静翼１１，第一段動翼１２，第二段静翼１３，第二段動翼１４を通過して後段動静翼へと導かれる。第一段静翼１１は外周側ではリテーナリング９を介してケーシング８に連結され、内径側ではサポートリング１７に連結されている。第一段動翼１２および第二段動翼１４はタービンホイール１８に固定され、ガスタービン運転中においては高速回転する。第一段動翼シュラウド１５，第二段動翼シュラウド１６はそれぞれケーシング８に固定されており、主流ガス６が動翼１２，１４の外径側をバイパスすることを抑制している。第二段静翼１３は外周側でシュラウド１５，１６に固定されている。また、第二段静翼１３の内周にはダイアフラム１９が備えられ、主流ガス６がタービンホイール１８と第二段静翼１３の内周側をバイパスすることを抑制している。
【００１１】
第一段静翼１１を冷却するための冷却空気７ａ，第二段静翼１３を冷却するための冷却空気７ｂには、圧縮機２から抽気された空気が用いられる（供給系統は図示省略）。動翼１２，１４や後段側の動静翼を冷却するための冷却空気についても同様に圧縮機２より抽気され、タービン被冷却部に供給される（図示省略）。このとき冷却空気は、各翼のガスパス圧力に応じた圧力に設定されており、例えば第一段静翼冷却空気７ａには圧縮機最終段近傍の抽気空気、第二段静翼冷却空気７ｂには圧縮機中圧段の抽気空気が用いられる。そして被冷却部を冷却した後の冷却空気はタービンの主流ガス６中に放出され混合されて大気放出される。
【００１２】
またタービン４は、部材の熱変形による応力集中を緩和し、かつ部品の点検，保守，交換を容易にできるように、複数に分割された部材により構成されている。このようなガスタービンにおいては、部材間の隙間から高温の主流ガスが作動領域以外に漏れ出すことがないように、その部材の外側に主流ガスよりも高圧で低温な流体が供給されている。以降、このような流体をシール空気と呼ぶ。一般にガスタービンにおいては、シール空気は冷却空気の一部を利用したものであるが、むやみにこのシール空気の流量を増やすと、タービンを駆動する高温の主流ガスの温度低下や冷却空気が混入するときに発生する混合損失の増大を招き、ガスタービン全体の効率低下につながる。
【００１３】
そのため、隣接する部材間にはシール構造がとられている。主に、静止する部材同士のお互いに対向する面に設けられたシール溝にシールプレートを架け渡し、シール空気が漏出する流路面積を縮小することによって、シール空気流量の増加を抑制する手法が採られている。
【００１４】
図４は図３のＡ−Ａ断面を主流ガスの上流方向から見た、環状に隣接する第一段静翼セグメント１１ａ，１１ｂ，１１ｃである。第一段静翼セグメント１１ａ，１１ｂ，１１ｃはそれぞれ、外径側エンドウォール２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，内径側エンドウォール２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有する構造となっている。隣り合うセグメントでは外径側ではシールプレート４１が、内径側ではシールプレート４２が架け渡されている。また、図５は隣接する構成部材である第一段静翼セグメント１１ａ，１１ｂ，１１ｃをタービン径方向外側から見た図である。第一段静翼セグメント１１ａの外径側エンドウォール２１ａと第一段静翼セグメント１１ｂの外径側エンドウォール２１ｂとは平行して対向しており、互いの間に周方向間隙σｃを持たせて組み立てられている。第一段静翼セグメント１１ａの外径側エンドウォール２１ａと第一段静翼セグメント１１ｂの外径側エンドウォール２１ｂとは対向しており、相隣接するエンドウォール２１ａ，２１ｂの互いの対向端面には、シール溝３１ａ，３１ｂが設けられている。これら対向するシール溝３１ａ，３１ｂには、エンドウォール２１ａ，２１ｂの間の周方向間隙を塞ぐように、シールプレート４１が架け渡されて装着され、構成部材間の間隙σｃがシールされるようになっている。
【００１５】
通常、このシール箇所は高温の主流ガスがガスパス以外に漏れ出すことがないように、高温の作動ガスに曝される静止部材のガスパスに近い位置において、軸方向に直線的な形状のシールプレートによって高圧部と低圧部を遮蔽している。また、静止部材をリテーナリング９に固定するためのフック部には、径方向の部材間の隙間が発生するため、別のシールプレートによって高圧部と低圧部を遮蔽している。
【００１６】
図６は第一段静翼セグメント隣接面の断面図を示す。図６に示す、第一段静翼１１を例にとると、外径側においては、外径側エンドウォール２１に概ねタービン軸方向に延びる第一のシール溝３１には第一のシールプレート４１が内装され外径側エンドウォール部の間隙を遮蔽し、外径側フック２３に概ねタービン径方向に延びるシール溝３３には第二のシールプレート４３が内装されフック部の間隙を遮蔽している。また内径側にも、第一段静翼１１の内径側エンドウォール２２に概ねタービン軸方向に延びるシール溝３２には第一のシールプレート４２が内装され内径側エンドウォール部の間隙を遮蔽し、内径側フック２４に概ねタービン径方向に延びるシール溝３４には第２のシールプレート４４が内装され内径側フック部の間隙を遮蔽している。
【００１７】
図７は、図６のＢ部を拡大したシールプレート突合せ部の詳細図を示す。上記技術では、図７に示すように、第１のシールプレート４１と第２のシールプレート４３の突合せ部においては、間隙δｓが生じシール空気の必要量が増加する可能性がある。その要因として、まず、静翼セグメントの組み立てを可能とするために予め設けられた間隙の存在や第２シールプレートの端面の加工精度がある。また運転中において、隣接する静翼セグメントの熱伸び偏差により第１シールプレートが傾き、間隙が広がることも要因の一つとして考えられる。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の実施例１である第一段静翼外周側シール装置を示す。
【００１９】
互いに隣接する第一段静翼１１の外径側エンドウォール２１に、その対向面に平行して、概ねタービン軸方向に直線状に延びる第一のシール溝３１には第１シールプレート４１を備える。また、同対向面には前記第一のシール溝３１から分岐して、外径側フック２３には概ねタービン径方向に直線状に延びる第２のシール溝３３に第２シールプレート４３を備える。本実施例のシール装置は、第２シールプレート４３の高圧側かつ第１シールプレート４１側の端部に変形可能な部材５０が固定されている。
【００２０】
本実施例のシール装置の作用としては、まず、変形可能な部材５０がタービン運転時には形状の復元によって第１シールプレート４１と第２シールプレート４３の間隙を縮小する。この作用によりシールプレートの組立間隙、第２シールプレートの端面の加工精度および、隣接する静翼セグメントの熱伸び偏差による第１シールプレートの傾きによらず、突合せ部のシール性能が向上する。また、変形可能な部材５０が第２シールプレート４２の第１シールプレート４１側の端部に設けられていることにより、変形可能な部材５０の形状復元力６１が第１シールプレート４１を高圧側から低圧側へと押付ける作用により、第１シールプレート４１と第１のシール溝３１との間のシール面圧が増加して第１シールプレート４１のシール性能がさらに向上する。さらに、この押付け作用により、第１シールプレート４１及び第２シールプレートの振動の抑制も可能であり、シールプレートの磨耗を抑制することができる。また、変形可能な部材５０が第２シールプレート４３の高圧側に設置されているため、変形可能な部材５０にかかる高圧側から低圧側への圧力の一部を第２シールプレートで支えることができるため、第２シールプレートへの圧力差による損傷を和らげることができ、部材の長寿命化が可能となる。
【００２１】
このような効果を得るための変形可変な部材５０の詳細な構成例としては、以下説明する図８〜図１０に示すような構成がある。図８〜図１０は本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０の具体例の詳細説明図を示す。図８に示す例では変形可変な部材５０は複数の金属薄板を積層した金属薄板積層体５１としている。金属薄板積層体５１を第２シールプレート４３端部に溶接・溶着などの手段で固定し、シール溝３３に挿入する。第１シールプレート４１と接する際、加重のかかる方向には剛性が弱いため変形が可能である。薄板の長さ・厚み・枚数については、圧力条件および突合せ部の形状に合わせ、シール性能を発揮し、かつ変形が弾性領域内となるように調整することができる。
【００２２】
図９に示す例では変形可変な部材５０は複数の金属線を束ねた金属線集合体としている。金属線集合体５２を第２シールプレート４３端部に溶接・溶着などの手段で固定し、シール溝３３に挿入する。第１シールプレート４１と接する際、加重のかかる方向には剛性が弱いため変形が可能である。金属線の線形・集合体の厚み・密度については、圧力条件および突合せ部の形状に合わせ、シール性能を発揮し、かつ変形が弾性領域内となるように調整することができる。
【００２３】
図１０に示す例では変形可変な部材５０は温度によってその形状を変形する形状記憶合金，バイメタルなどの熱変形材料５３としている。熱変形材料５３は溶接・溶着などの超高温では特性が変化してしまうため、第２シールプレート４３端部に押さえ板４５によって挟み込んで固定してシール溝３３に挿入する。図１１は、本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０として熱変形材料５３を採用した場合のシールプレート突合せ部の詳細図を示す。熱変形材料５３の形状は図１１に示すように、組立時においては第１シールプレートと接触しない図中５３ａの形状とし、ガスタービン運転時においては主流ガスによって加熱されることにより変形し第１のシールプレートと接触して図中５３ｂのような形状となるように予め設定しておく。このようにすることで組立時においてはシールプレートの挿入をより容易とし、組立作業効率を向上でき、かつガスタービン運転時においてはシール性能を発揮することができる。
【実施例２】
【００２４】
次に本発明の別の実施例について説明する。
【００２５】
図１２は本発明の実施例２である第一段静翼外周側シール装置を示す。
【００２６】
互いに隣接する第一段静翼１１の外径側エンドウォール２１に、その対向面に平行して、概ねタービン軸方向に直線状に延びる第一のシール溝３１に第１シールプレート４１を備える。また、同対向面には前記第１のシール溝３１から分岐して、外径側フック２３には概ねタービン径方向に直線状に延びる第２のシール溝３３に第２シールプレート４３を備える。本実施例によれば、第１シールプレート４１の高圧側かつ第２シールプレート４３側の側壁部に変形可能な部材５０が固定されている。
【００２７】
本実施例のシール装置の作用としては、まず、変形可能な部材５０がタービン運転時には形状の復元によって第１シールプレート４１と第２シールプレート４３の間隙を縮小することで、シールプレートの組立間隙、第２シールプレートの端面の加工精度および、隣接する静翼セグメントの熱伸び偏差による第１シールプレートの傾きによらず、突合せ部のシール性能が向上する。また、変形可能な部材５０の形状復元力６２が発生し、第２シールプレート４３を高圧側から低圧側へと押付けることにより、第２シールプレート４３と第２のシール溝３３との間のシール面圧が増加して第２シールプレート４３のシール性能がさらに向上する。
【００２８】
なお、詳細な説明は省略するが、本実施例の変形可変な材料として、実施例１で説明した種々の例を適用すれば、同種の効果を得られる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態では、ガスタービン第一段静翼の外径側について本発明を適用した例を説明したが、第一段静翼の内径側、他の段落の静翼セグメント，動翼のシュラウド，静翼ダイアフラムといった、複数の構成部材が間隙を有して隣接し、構成部材間の間隙から冷却空気がリークし得る箇所にも本発明は適用可能である。またガスタービンの高温部のみならず、複数の部材を連結して高圧部と低圧部とを遮断し高圧部から低圧部への流体の漏れを抑制しかつ連結部を有する構造であれば、本発明を適用可能である。なお、ここでは、圧力に差がある二つの領域において、一方の領域に比べて高圧な領域が高圧部、他方を低圧部とよんでいる。
【００３０】
また、本発明の装置は高圧流体と低圧流体が空気にかかわらず、蒸気，窒素などの様々な媒体に適用可能であり、かつ同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例１である第一段静翼外周側シール装置を示す。
【図２】ガスタービンの一構成図を示す。
【図３】タービン高圧部近傍の内部構造を表す断面図を示す。
【図４】図３のＡ−Ａ断面を主流ガスの上流方向から見た、環状に隣接する第一段静翼セグメントを示す。
【図５】第一段静翼セグメント１１ａ，１１ｂ，１１ｃをタービン径方向外側から見た図を示す。
【図６】第一段静翼セグメント隣接面の断面図を示す。
【図７】図６のＢ部を拡大したシールプレート突合せ部の詳細図を示す。
【図８】本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０の具体例の詳細説明図を示す。
【図９】本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０の具体例の詳細説明図を示す。
【図１０】本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０の具体例の詳細説明図を示す。
【図１１】本発明の実施例１であるシール装置の変形可能な部材５０として熱変形材料５３を採用した場合のシールプレート突合せ部の詳細図を示す。
【図１２】本発明の実施例２である第一段静翼外周側シール装置を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
５  発電機
６  主流ガス
７  冷却空気
７ａ  第一段静翼冷却空気
７ｂ  第二段静翼冷却空気
８  ケーシング
９  リテーナリング
１０  トランジッションピース
１１，１３  静翼
１２，１４  動翼
１５，１６  シュラウド
１７  サポートリング
１８  タービンホイール
１９  ダイアフラム
２１，２２  エンドウォール
２３，２４  フック
３１，３２，３３，３４  シール溝
４１，４２，４３，４４  シールプレート
４５  押さえ板
５０  部材
５１  金属薄板積層体
５２  金属線集合体
５３  熱変形材料
６１，６２，６３，６４  形状復元力
【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】
2009203948.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009203948.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009203948.tif 000013
【図１２】
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