(57)【要約】【課題】  ガスタービンにおいて、リーク性能を向上させ、熱伸びに影響する部材のオフセットにも対応した信頼性の高いガスタービン，ガスタービンのシール装置及びガスタービンのシール方法を提供する。【解決手段】  圧縮機と、燃焼器と、タービンを備えるガスタービンであって、ガスタービンの構成部材が、複数のセグメント、或は、分割構造として構成され、セグメントのどちらか一方の間隙面、或は、分割構造のどちらか一方の間隙面に、シール溝を設け、シール溝にシールプレートを装着したガスタービンのシール装置を設け、前記シール装置のシールプレートは、シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部とを有し、外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を持つことを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器と、静翼と動翼を有するタービンを備えるガスタービンであって、
該ガスタービンの構成部材が、複数のセグメント、或は、分割構造として構成され、
該セグメントのどちらか一方の間隙面、或は、該分割構造のどちらか一方の間隙面に、シール溝を設け、該シール溝にシールプレートを装着したガスタービンのシール装置を設け、
前記シール装置の該シールプレートは、
該シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部とを有し、
外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を持つことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記シール装置では、外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位が、該セグメント、或は該分割構造の間隙面のシール溝を設けていない面に接触していることを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記シール装置では、外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位が、該セグメント、或は該分割構造の間隙面のシール溝を設けていない面に組立時は接触していないが、ガスタービン運転中にセグメント間の間隙が小さくなる過程において途中から接触することを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
複数のセグメント、或は、分割構造として構成されたガスタービンのシール装置であって、
該セグメントのどちらか一方の間隙面、或は、該分割構造のどちらか一方の間隙面に、シール溝を設け、該シール溝にシールプレートを装着し、
該シールプレートは、
該シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部とを有し、
外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を持つことを特徴とするガスタービンのシール装置。
【請求項５】
燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器と、静翼と動翼を有するタービンを備えるガスタービンのシール方法であって、
該ガスタービンの構成部材が、複数のセグメント、或は、分割構造として構成され、
該セグメントのどちらか一方の間隙面、或は、該分割構造のどちらか一方の間隙面に、シール溝を設け、該シール溝にシールプレートを装着したガスタービンのシール装置を設け、
前記シール装置の該シールプレートは、
該シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部とを有し、
外力を加えてバネ部を弾性変形させてシールすることを特徴とするガスタービンのシール方法。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービンのシール方法において、
外力を加えた時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を、該セグメント、或は該分割構造の間隙面のシール溝を設けていない面に接触させてシールすることを特徴とするガスタービンのシール方法。
【請求項７】
請求項５に記載のガスタービンのシール方法において、
外力を加えた時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を、該セグメント、或は該分割構造の間隙面のシール溝を設けていない面に組立時は接触していないが、ガスタービン運転中にセグメント間の間隙が小さくなる過程において途中から接触させることを特徴とするガスタービンのシール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン，ガスタービンのシール装置及びガスタービンのシール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、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て、特に、冷却空気のリークを抑制して、熱効率の向上を図る。そして、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。
【０００３】
一般に採用されているガスタービンは、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を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している。また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部を、タービンホイールスペースのシール空気として分岐するが、この空気もイングレス抑制用としてガスパスに排出されることになる。
【０００４】
ところで、動翼シュラウドや静翼は、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、定格点においても、熱応力の発生防止の観点から、接触しないように設計される。つまり、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。
【０００５】
従って、静翼の冷却用にケーシング内部側キャビティに導いた冷却空気の一部が、このセグメント間からの間隙を通過して、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し、ガスタービンの効率が低下する。
【０００６】
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）。
【０００７】
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為、この部分がシール溝エッジ部と干渉することはない。
【０００８】
この干渉を、従来の平板状シールプレートで説明すると、静翼セグメントのシール溝の半径方向のずれに対して、当初、プレートは溝位置の半径方向変位に従って移動するが、シール溝エッジによるプレート中央部の拘束に始まり、プレート変形によるリーク流量増大、或いは、プレートを介したエッジ部端への曲げ力によって、静翼体の損傷に到ることも考えられる。
【０００９】
尚、ガスタービンにおけるセグメント構造、或いは、分割構造面の多くに、平板状シールプレートが装着されており、同様の技術が適用される。また、シール溝構成で、シールプレート以外のシール部材を設けている例があるが、同様のことが言える。
【００１０】
【特許文献１】US Patent 5158430
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ガスタービンのリーク流量を減少させて、効率を向上させるために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。
【００１２】
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、必然的に、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。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言う、相反する課題が含まれている。そのため、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、リーク性能を向上させると共に、熱伸びに影響する部材のオフセットにも対応した信頼性の高いシール機構が望まれる。
【００１３】
本発明の目的は、ガスタービンにおいて、リーク性能を向上させ、熱伸びに影響する部材のオフセットにも対応した信頼性の高いガスタービン，ガスタービンのシール装置及びガスタービンのシール方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器と、静翼と動翼を有するタービンを備えるガスタービンであって、該ガスタービンの構成部材が、複数のセグメント、或は、分割構造として構成され、該セグメントのどちらか一方の間隙面、或は、該分割構造のどちらか一方の間隙面に、シール溝を設け、該シール溝にシールプレートを装着したガスタービンのシール装置を設け、前記シール装置の該シールプレートは、該シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部とを有し、外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、ガスタービンにおいて、リーク性能を向上させ、熱伸びに影響する部材のオフセットにも対応した信頼性の高いガスタービン，ガスタービンのシール装置及びガスタービンのシール方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明を実施するための最良の形態として、本発明では、リーク性能及び部材の熱伸びの双方を配慮したシール装置及び方法を提供できる。
【００１７】
本発明では、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るガスタービンであって、ガスタービンの構成部材を、複数のセグメント、或は、分割構造として構成する。そして、間隙のシール装置として、シール溝とシールプレートを設ける。シール溝は、複数のセグメントのどちらか一方の間隙面、或は、該分割構造のどちらか一方の間隙面に、設ける。そのシール溝にシールプレートを装着してシール装置を構成する。シール装置のシールプレートは、シール溝に挿入する為の溝挿入部と、バネ部と、バネ部の弾性変形によって変形する部位とを設けており、以下詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
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及び図７により説明する。図１は本発明のガスタービンの構成を示す概念図、図２は、本発明の構成を示すタービン部の断面図、図３は本発明によるシールプレートの配置を示す静翼体の概念図、図４は本発明によるシールプレートの装着を示す概念図、図５は本発明によるシールプレートの組込み時の状態を示す断面図、図６は本発明によるシールプレートに外力を作用させた時の変形図、図７は本発明によるシールプレートの定格運転時の状態を示す断面図を示してある。
【００１９】
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、静翼と動翼を有し、多段のタービン４と、このタービンに連結され、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。
【００２０】
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、或いは後縁からの噴出し等として、タービン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。
【００２１】
図２は、タービン４の第１段静翼１０ａ，第２段静翼１１ａ，第１段動翼１０ｂ及び第２段動翼１１ｂ部分のタービン部分断面を示したものである。各冷却空気経路６ａ，６ｂ、及び７は、それぞれの被冷却部に連通するが、ここでは、本発明のシール装置を明確にするため、第２段静翼１１ａまわりを対象として説明する。
【００２２】
静翼低圧冷却空気経路６ａを径由して、ケーシング１２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１２内部の外端側にある第２段静翼供給キャビティ１３を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼体２１に供給される。この冷却空気は、第２段静翼体２１の冷却パス（図示せず）を通過するときに熱交換を行い、第２段静翼１１ａ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。
【００２３】
一方、第２段静翼体２１に供給された空気の一部は、第２段静翼体２１とダイアフラム１５で形成されるダイアフラムキャビティ１４を経て、第１段ホイール１９ａ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第１段動翼後側ホイールスペース１６ａに供給された後、ダイアフラム１５とスペーサー２２の間で協働するシールフィン２４によって、第２段ホイール１９ｂ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第２段動翼前側ホイールスペース１６ｂに分配され、それぞれのホイールスペース１６ａ，１６ｂへの作動ガスの侵入を抑制するためのシール空気として使用される。
【００２４】
図３は、複数個配置された第２段静翼体２１の１つである静翼体セグメント２１ａとダイアフラム１５を示したものである。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール３１ａには、シール溝３２ａ，３２ｂ、及び３２ｃが設けられており、内径側エンドウォール３１ｂには、シール溝３３ａ，３３ｂ、及び３３ｃが設けられている。また、ダイアフラム１５には、シール溝３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ、及び３４ｇがある。
【００２５】
ところで、第２段静翼供給キャビティ１３とガスパス９は、連通しており、図中の矢印で示したようなリーク流路が存在する。同様に、内径側エンドウォール３１ｂやダイアフラム１５にもリーク流路が存在することになるが、以下、更に、本実施例を明確にするため、シール溝３２ｂに着目してシール装置の詳細を説明する。
【００２６】
図４は、静翼体セグメント２１ａと隣接する静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側（図３の矢視Ａ−Ａ）から眺めた概念図である。第２段静翼体２１は、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つの静翼体セグメント２１ａ，２１ｂを示したものである。
【００２７】
組立時には両静翼体セグメント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。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドォール３１ａに対向して、静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドォール３７ａがあり、外径側エンドウォール３１ａにシール溝３２ｂが形成されており、周方向間隙σc_coldを塞ぐように、シールプレート３６が装着されている。シールプレート３６によって、前記した第２段静翼供給キャビティ１３からガスパス９にかけてのリーク流路が、半径方向に遮断されることになる。
【００２８】
図５は、本発明によるシールプレート３６と静翼体セグメント２１ａ，２１ｂを図４における矢印Ｂ−Ｂ方向に見た断面図である。矢印５３が半径方向である。図５は組立み時の状態を表している。部材５０は、静翼体セグメント２１ａの外径側エンドォール３１ａの断面であり、部材５１は静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドォール３７ａの断面である。シール溝３９は外形側エンドォール３１ａに設けられたシール溝３２ｂである。部材５０と部材５１の間には間隙δc_coldが存在する。組立時は、シールプレート３６と部材５１は接触しておらず、間隙５５を有する。
【００２９】
シールプレート３６は溝への挿入部４０，Ｕ字状に湾曲したバネ部４１，外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する可動部４２からなる。部材５０に設けられたシール溝３９に溝への挿入部４０が挿入されている。
【００３０】
図６にシールプレート３６に外力を作用させた時の変形図を示す。シールプレート３６の可動部４２に矢印４３方向に外力Ｆを作用させると、シールプレート３６の可動部４２は外力Ｆに押されて矢印４３方向に弾性変形して、４２ａの位置に移動する。
【００３１】
図７は、本発明によるシールプレート３６，部材５０，部材５１の定格点における状態を示している。定格点では、部材５０と部材５１の間の間隙は熱伸びの関係で組立時とは変化しており、δc_hotとなっている。
【００３２】
図５，図７で本発明のシールプレートの効果を説明する。組立時の状態を示す図５においては、間隙δc_coldが大きい為、シールプレート３６の可動部４２は部材５１と接触していない。
【００３３】
定格点における状態を示す図７においては、部材５０と部材５１の間の間隙は熱伸びの影響で組立時とは変化して、δc_hotとなっている。定格点ではガスタービン内部の温度が上昇して各部材は周方向に熱伸びする為、δc_hot＜δc_coldとなっている。つまり、静翼体セグメント２１ａと２１ｂの間の間隙は、ガスタービンを起動して定格点に到達する過程において徐々に狭くなる。間隙が狭くなる仮定で、シールプレート３６の可動部４２の先端側は、部材５１と接触し、更に間隙が狭くなると弾性変形して可動部４２と部材５１との接触は維持される。可動部４２は、δc_hotの大きさに応じて弾性変形して、定格点では常に部材５１と可動部４２は接触を維持している。この為、リーク空気５２の流れが妨げられて、リークが抑制される。
【００３４】
更に、本実施例では、部材５０，部材５１に半径方向に変位差が生じても、部材５１と可動部４２の接触面がすべるのみであり、可動部４２先端側と部材５１の接触は失われない。この為、半径方向に変位差が生じてもシール性能は低下しない。
【００３５】
更に、本実施例によれば、間隙を構成する部材５０，５１のうち、部材５０のみにシール溝を設ければよい為、両方にシール溝を設ける構造に比べて製造コストを低減できる。
【００３６】
更に、従来のシールプレートでは間隙を構成する部材の両方に溝を設けて、両方にシールプレートを挿入する為、加工誤差などで溝の位置がずれていると組立困難となる問題があったが、本実施例によるシールプレート３６は、シール溝に挿入するのは部材５０のみである。この為本実施例によるシールプレートでは、組立困難となる心配がない。
【００３７】
以上の説明では、組立時にはシールプレート３６の可動部４２が部材５１に接触していないことを想定に説明したが、組立時から可動部４２を部材５１に接触させ、ガスタービン運転中に間隙が狭まる分は可動部４２の弾性変形で吸収する構造も考えられる。
【００３８】
この場合、組立時から可動部４２と部材５１が接触している為、ガスタービン起動直後からシール性能が高く、リーク流量が少ない。このため起動時からガスタービンの性能が高いという利点がある。
【００３９】
更に、リーク流量が常に安定して少ないためリーク量の変動も少なく、その結果、第２段静翼の冷却空気量の変動も少ない。このため安定した冷却性能が得られて、ガスタービンの信頼性も向上する。
【００４０】
以上のように、本実施例によると、シール溝に挿入する為の溝挿入部と、Ｕ字状に湾曲したバネ部と、外力が加わった時にバネ部の弾性変形によって変形する部位を持つシールプレートをセグメント間に用いているので、シールプレートの弾性変形によって変形する部位が該分割構造のシール溝を設けていない間隙面に接触する。この為、リーク空気の流れが妨げられて、リークが抑制される。
【００４１】
更に、該分割構造を構成する部材間に変位差が生じても、シールプレートと部材の接触面がすべるのみであり、シールプレートと部材の接触は失われない。この為、シール性能は低下しない。
【００４２】
更に、該分割構造を構成する部材のうち、一方の部材のみにシール溝を設ければよい為、両方にシール溝を設ける構造に比べて製造コストを低減できる。
【００４３】
更に、従来のシールプレートではセグメントを構成する部材の両方に溝を設けて、両方にシールプレートを挿入する為、加工誤差などで溝の位置がずれていると組立困難となるが、本実施例によるシールプレートは、挿入部をシール溝に挿入するのは、どちらか一方の部材のみである。この為本実施例によるシールプレートでは、組立困難となる心配がない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
ガスタービンにおいて、リーク性能を向上させ、熱伸びに影響する部材のオフセットにも対応した信頼性の高いガスタービン，ガスタービンのシール装置及びガスタービンのシール方法を提供する
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のガスタービンの構成を示す概念図。
【図２】本発明の構成を示すタービン部の部分断面図。
【図３】本発明によるシールプレートの配置を示す静翼体の概念図。
【図４】本発明によるシールプレートの装着を示す概念図。
【図５】本発明によるシールプレートの組込み時の状態を示す断面図。
【図６】本発明によるシールプレートに外力を作用させた時の変形図。
【図７】本発明によるシールプレートの定格運転時の状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１  ガスタービン
４  タービン
３２ｂ  シール溝
３６  シールプレート
３７ａ  外径側エンドォール
４０  挿入部
４１  シールプレートバネ部
４２  シールプレート可動部
【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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