(57)【要約】【課題】本発明は、隣接するガスタービンの分割構造体の対向面に形成したシール溝が熱変形によって径方向にずれても、シール部材のシール溝の壁面との面接触によってシール効果を維持できるガスタービン設備のシール装置を提供することにある。【解決手段】ガスタービンの構成部材が、隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体（１３Ａ，１３Ｂ）からなり、これら分割構造体の対向面２４Ａ，２４Ｂに夫々対向して形成された断面矩形のシール溝２５Ａ，２５Ｂと、これら対向するシール溝に跨って装着されて前記隙間を塞ぐシール部材２８とを備え、このシール部材を、差圧が作用する方向に離間した２枚のシール板２９Ａ，２９Ｂと、これら２枚のシール板の間を接続する弾性体（３０Ａ，３０Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ）とを有し、一方側のシール板を差圧を利用してシール溝内の壁面に面接触させるように構成したのである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機、燃焼器及びガスタービンとを備えたガスタービン設備であって、前記ガスタービンの構成部材が、隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体からなり、これら分割構造体の対向面に夫々対向して形成された断面矩形のシール溝と、これら対向するシール溝に跨って装着されて前記隙間を塞ぐシール部材と、このシール部材を境としてその両側に差圧が作用するガスタービン設備のシール装置において、前記シール部材は、前記差圧が作用する方向に離間した２枚のシール板と、これら２枚のシール板の間を接続する弾性体とを有し、前記２枚のシール板の一方を前記差圧を利用してシール溝内の壁面に面接触させるように構成したことを特徴とするガスタービン設備のシール装置。
【請求項２】
空気圧縮機、燃焼器及びガスタービンとを備えたガスタービン設備であって、前記ガスタービンの構成部材が、隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体からなり、これら分割構造体の対向面に夫々対向して形成された断面矩形のシール溝と、これら対向するシール溝に跨って装着されて前記隙間を塞ぐシール部材と、このシール部材を境としてその両側に差圧が作用するガスタービン設備のシール装置において、前記シール部材は、前記差圧が作用する方向に離間した２枚のシール板と、これら２枚のシール板の間を接続する弾性体とを有し、前記２枚のシール板の一方を前記差圧を利用してシール溝内の壁面に面接触させるように構成すると共に、前記分割構造体の熱膨張時に夫々の前記シール溝の溝底壁に面接触する第２のシール部材を前記シール板に設けたことを特徴とするガスタービン設備のシール装置。
【請求項３】
前記分割構造体が磁性材で形成されている場合、前記第２のシール部材の少なくとも一つを永久磁石により形成したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン設備のシール装置。
【請求項４】
前記分割構造体が非磁性材で形成されている場合、前記第２のシール部材の少なくとも一つを永久磁石により形成すると共に、この永久磁石と対向する前記シール溝の溝底壁に磁性材を施したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン設備のシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン設備のシール装置に係り、特に、ガスタービンの冷却空気の漏洩を防止するのに好適なガスタービン設備のシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常ガスタービン設備のガスタービンにおいては、熱効率の向上を目的に作動ガスの高温化が図られているが、特に、作動ガス流路中に晒されているガスタービンの静翼及び動翼が高温に耐えられるように、翼の内部に冷却空気を流通して冷却している。
【０００３】
一般的に採用されているこの種ガスタービンの冷却方式は、オープン冷却方式と称され、空気圧縮機から抽気した高圧空気を冷却空気として用い、この高圧空気をケーシングやガスタービン構造体内を経由して翼内部に供給して冷却している。そして翼内部を冷却した後の圧縮空気の一部は、翼外表面のフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔などから作用ガス流路内に排出している。一方、冷却後の圧縮空気の残る一部は、作動ガス流路内の作動ガスがホイールスペースに漏洩するのを防止するために、ホイールスペース内に供給され、最終的に作動ガス流路内に放出される。
【０００４】
ところで、複数の静翼は内外の環状のエンドウォール間に一体に形成されているが、稼動中の温度上昇による熱伸びを考慮して、前記静翼を含む内外のエンドウォールを周方向に複数に分割して静翼体セグメントを形成している。そして、周方向に隣接する静翼体セグメントの対向面が熱膨張時に接触しないように、対向面に隙間を確保し、その隙間を塞ぐために、例えば、特許文献１に示すように、両静翼体セグメントの対向面に夫々形成したシール溝内に跨ってシールプレートを装着している。
【０００５】
このような構成とすることで、圧縮空気が隙間を経由して作動ガス流路内に漏洩するのを防止することができる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５１５８４３０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来の構成には次のような問題が存在する。即ち、隣接する静翼体セグメントが、静翼の径方向の熱変形によって２つのシール溝が径方向にずれることがある。その結果、シールプレートが２つのシール溝内で傾いてしまってシール効果を低下させたり、シールプレートがシール溝の開口部エッジに接触した状態で径方向の熱変形がさらに進むと、シールプレートが折り曲げられてシール効果をさらに低下させたりするばかりか、エンドウォールを変形させたりする虞がある。
【０００８】
本発明の目的は、隣接するガスタービンの分割構造体の対向面に形成したシール溝が分割構造体の熱変形によって径方向にずれても、シール部材のシール溝の内壁との面接触によってシール効果を維持できるガスタービン設備の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】
ガスタービンの構成部材が、隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体からなり、これら分割構造体の対向面に夫々対向して形成された断面矩形のシール溝と、これら対向するシール溝に跨って装着されて前記隙間を塞ぐシール部材と、このシール部材を境としてその両側に差圧が作用するガスタービン設備のシール装置において、前記シール部材を、前記差圧が作用する方向に離間した２枚のシール板と、これら２枚のシール板の間を接続する弾性体とを有し、前記２枚のシール板の一方を前記差圧を利用してシール溝内の壁面に面接触させるように構成したのである。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成とすることで、隣接する分割構造体が熱変形によって径方向に同じように変位した場合には、シール板に作用する差圧によってシール板が両側にシール溝内の壁面に同じように面接触するので、隙間は塞がれてシール効果は維持される。また、隣接する分割構造体が熱変形によって径方向に異なる変位をした場合には、離間された一方のシール板が一方のシール溝内の壁面に面接触すると共に、他方のシール板が他方のシール溝の壁面に面接触するので、隙間は塞がれてシール効果は維持される。その結果、隣接するガスタービンの分割構造体の対向面に形成したシール溝が分割構造体の熱変形によって径方向にずれても、シール部材のシール溝の内壁との面接触によってシール効果を維持できるガスタービン設備のシール装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明によるガスタービン設備のシール装置を図１〜図６に基づいて説明する。
【００１２】
ガスタービン設備１は、大きく分けて、空気ａ１を圧縮する空気圧縮機２と、圧縮空気ａ２と燃料を混合して燃焼させ高温の燃焼ガス（作動ガス）Ｇ１を得る燃焼器３と、燃焼ガスＧ１によって駆動されるガスタービン４とによって構成され、このようなガスタービン設備１に、ガスタービン４によって駆動される発電機５を連結することで、ガスタービン発電設備が構成される。尚、ガスタービン４を駆動した後の排ガスＧ２は、回収されて熱交換に利用された後、大気中に排出される。
【００１３】
そして、ガスタービン４を冷却するために、空気圧縮機２で圧縮された圧縮空気ａ３〜ａ５をガスタービン４の各構造体に供給している。
【００１４】
ガスタービン４は、多段の静翼と動翼を有し、その構成の一例を図２に示す上流側２段について説明する。第１段静翼６Ａ及び第２段静翼６Ｂの下流側に夫々第１段動翼７Ａ及び第２段動翼７Ｂが位置し、第１段静翼６Ａ及び第２段静翼６Ｂは、シュラウド８Ａ，８Ｂを介してケーシング９に支持され、第１段動翼７Ａ及び第２段動翼７Ｂは、ロータ１０に支持されている。ロータ１０は、第１ホイール１１Ａ及び第２ホイール１１Ｂとこれらの間に位置するスペーサ１２から構成され、これらは一体的に連結されている。
【００１５】
第１段静翼６Ａ及び第２段静翼６Ｂの詳細構成は、図３に示す第２段静翼６Ｂを代表して説明すると、シュラウド８Ａ，８Ｂに跨って支持された環状の外側エンドウォール１３と、この外側エンドウォール１３と同心の環状の内側エンドウォール１４と、これらの間に跨り周方向に所定間隔で複数設置された翼部１５と、外側エンドウォール１３の外径側に冷却空気キャビティ１６を形成するキャビティカバー１７と、内側エンドウォール１４の内径側にダイアフラムチャンバー１８を形成するダイアフラム１９とを有している。そして、外側エンドウォール１３と内側エンドウォール１４との間を作動ガス流路としている。尚、ダイアフラム１９の内径側には、前記スペーサ１２の外周面と微小空隙を介して対向するシールフィン２０が設けられている。そして、第２段静翼６Ｂは、翼部１５を複数枚単位として、外側エンドウォール１３及び内側エンドウォール１４を周方向に分割して複数の静翼体セグメント２１を形成している。
【００１６】
このように構成されたガスタービン４は、稼動時、高温の燃焼ガスＧ１が作動ガス流路を通過することで、第１段静翼６Ａ及び第２段静翼６Ｂが加熱昇温されて熱変形するので、圧縮空気ａ３を第１段静翼６Ａの冷却用に、圧縮空気ａ４を第２段静翼６Ｂの冷却用に、圧縮空気ａ５を第１段動翼７Ａ及び第２段動翼７Ｂの冷却用に供給している。
【００１７】
ここで、第２段静翼６Ｂを一例にその冷却について説明する。シュラウド８Ａ，８Ｂと、ケーシング９と、外側エンドウォール１３のキャビティカバー１７とによって形成された冷却空気チャンバー２２に供給された圧縮空気ａ４は、キャビティカバー１７に設けた通気孔（図示せず）を経由して冷却空気キャビティ１６内に入り、ここから翼部１５に形成した冷却流路（図示せず）を通過することで翼部１５を冷却し、冷却後の圧縮空気ａ４の一部は翼部に形成した冷却流路の排気口から作動ガス流路内に放出され、残る一部はダイアフラムチャンバー１８内に導入された後、上流側のホイールスペース２３Ａ内に放出される。ホイールスペース２３Ａ内に放出された放出空気の一部はシールフィン２０によって流量調節されて下流側のホイールスペース２３Ｂ内に導入される。各ホイールスペース２３Ａ，２３Ｂ内に放出された放出空気の圧力は、作動ガス流路を流れる作動ガスＧ１の圧力よりも高く設定されているので、この放出空気はシール空気として作用して作動ガス流路内に放出され、作動ガスＧ１のホイールスペース２３Ａ，２３Ｂ内への漏洩を防止する。
【００１８】
上記構成の静翼体セグメント２１の外側エンドウォール１３を展開すると、図４に示す配置となる。即ち、隣接する静翼体セグメント２１の外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂ、所謂本発明で云う分割構造体の間には、ガスタービン４の定格運転時に熱膨張による周方向の変形があっても、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂ同士が接触して熱変形を妨げないように、外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂの対向面２４Ａ，２４Ｂの間に隙間δｃが保持されている。このため、この隙間δｃの存在により冷却空気チャンバー２２やダイアフラムチャンバー１８に供給された冷却用の圧縮空気ａ４が、図３に示す矢印Ｒ１，Ｒ２のように、作動ガス流路内に漏洩してしまい、翼部１５の冷却を不充分としたり、作動ガス流路内の燃焼ガスＧ１の漏洩をシールする効果を喪失させたりすることになる。
【００１９】
そこで本実施の形態では、隣接する静翼体セグメント２１の外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂの各対向面２４Ａ，２４Ｂに夫々断面矩形のシール溝２５Ａ，２５Ｂを設ける。同様に、隣接する内側エンドウォール１４の対向面２６にもシール溝２７を設ける。そして、これらのシール溝２５Ａ，２５Ｂ，２７内に跨ってシール部材２８を装着し、隙間δｃからの圧縮空気ａ４の漏洩を防止している。
【００２０】
シール部材２８について、シール溝２５Ａ，２５Ｂに装着される場合を一例に説明する。シール部材２８は、シール溝２５Ａ，２５Ｂの高さ方向、云い代えれば外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂの径方向に離間した２枚のシール板２９Ａ，２９Ｂを有している。これらシール板２９Ａ，２９Ｂは、シール溝２５Ａ，２５Ｂに跨る長さを有し、シール溝２５Ａ，２５Ｂの高さ方向の壁面に接触したとき面接触する。そして、シール板２９Ａには、弾性体である板ばね３０Ａ，３０Ｂが、シール板２９Ｂには板ばね３１Ａ，３１Ｂが互いに対向するように設けられている。これら板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂは、シール板２９Ａ，２９Ｂの中間部から前記シール溝２５Ａ，２５Ｂの溝底壁２５ａ側に向って延在し、その延在端部に夫々前記溝底壁２５ａに接したとき面接触する第２のシール部材となるシールブロック３２Ａ，３２Ｂを固定している。
【００２１】
したがって、シール溝２５Ａ，２５Ｂ内の装着されたシール部材２８は、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが半径方向に異なる変位をしないときには、内径側の燃焼ガスＧ１よりも圧力が高い外径側の圧縮空気ａ４による差圧により、シール板２９Ｂがシール溝２５Ａ，２５Ｂの内径側の壁面に面接触するので、隙間δｃからの圧縮空気ａ４の漏洩は防止される。
【００２２】
他方、外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが半径方向に異なる変位をしないで周方向にのみ熱変形して互いに接近して、図５に示す隙間δｃを図６に示す隙間δｃ−ａに縮小した場合には、シールブロック３２Ａ，３２Ｂが溝底壁２５ａに面接触すると共に、差圧の作用によりシール板２９Ｂがシール溝２５Ａ，２５Ｂの内径側の壁面に面接触するので、隙間δｃからの圧縮空気ａ４の漏洩はシール板２９Ｂのシール溝２５Ａ，２５Ｂの壁面との面接触及びシールブロック３２Ａ，３２Ｂの溝底壁２５ａとの面接触により効果的に防止することができる。このとき、隙間δｃが隙間δｃ−ａに狭くなる分、板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂが撓むように、シールブロック３２Ａ，３２Ｂの間隔と板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂの圧縮力を設定しておくことで、圧力をもってシールブロック３２Ａ，３２Ｂを溝底壁２５ａに面接触させることができるので、冷却空気（圧縮空気ａ４）の隙間からの漏洩を効果的に防止することができる。
【００２３】
また、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが半径方向に異なる変位をして、例えば図６に示すように、外側エンドウォール１３Ａに対して外側エンドウォール１３Ｂが紙面上方に段差δｒ分ずれたときは、シール部材２８のシール板２９Ａが外側エンドウォール１３Ａのシール溝２５Ａの外径側壁面に面接触し、シール板２９Ｂは外側エンドウォール１３Ｂのシール溝２５Ｂの内径側壁面に面接触する。ここで、２枚のシール板２９Ａ，２９Ｂは、板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂで連続的に接続されているので、隙間の外径側から漏洩しようとする冷却空気（圧縮空気ａ４）は、シール板２９Ａの接触面とシール板２９Ｂの接触面と、シール板２９Ａ，２９Ｂをつなぐ板ばね３０Ｂ，３１Ｂによって防止できる。尚、このとき、前記段差δｒ分、板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂが撓むように、シール板２９Ａ，２９Ｂの間隔と板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂの圧縮力を設定しておくことで、圧力をもってシール板２９Ａ，２９Ｂを面接触させることができるので、冷却空気（圧縮空気ａ４）の隙間からの漏洩を効果的に防止することができる。そして、外側エンドウォール１３Ｂに対して外側エンドウォール１３Ａが紙面上方に段差δｒ分ずれたときは、シール板２９Ａ，２９Ｂの面接触位置は逆になるが、同じ効果を奏することができる。
【００２４】
ところで、一般的に、静翼体セグメント２１は、非磁性材であるＮｉ基の耐熱合金で精密鋳造されている。そこで、シール溝２５Ａ，２５Ｂのうち、一方側のシール溝２５Ｂの溝底壁２５ａに磁性材３３をコーティング等して設置し、シールブロック３２Ｂを永久磁石などで形成することで、常にシールブロック３２Ｂは溝底壁２５ａに磁気吸着されるので、シール部材２８をシール溝２５Ａ，２５内に装着する際は、一方側のシール溝２５Ｂ内の溝底壁２５ａにシール部材２８を磁気保持させた状態で、他方側のシール溝１５Ａ内にシール部材２８を装着することができるので、シール部材２８の組み込み作業は容易に正確に行うことができる。尚、静翼体セグメント２１が磁性を有する耐熱合金で形成される場合には、前記磁性材３３を溝底壁２５ａに設ける必要はない。
【００２５】
次に、本実施の形態におけるガスタービン設備１の稼動時の作用について説明する。
【００２６】
燃焼器３で発生する高温高圧の燃焼ガスＧ１は、圧力が約１．２ＭＰａで温度が１２００℃であり、ガスタービン４内の第１段静翼６Ａの入り口に流入する。以下、第１段動翼７Ａを始めとする格段で燃焼ガスの流体エネルギーを回転エネルギーに変換させながら圧力や温度を低下させながら進み、約６００℃で最終段の動翼を通過し、排気される。
【００２７】
タービン翼（動翼及び静翼）は、高温の燃焼ガスＧ１に晒されるため、空気圧縮機２で得られた高圧の圧縮空気ａ３〜ａ５を冷却空気として用いる。冷却空気は、翼内部で熱交換し、耐熱性の高いＮｉ基合金の翼材の許容温度８００℃以下に減温する。しかしながら、各部材は常温時に比べて高温となっており、このような温度によって各部材は熱変形する。そのため、静翼体セグメント２１は、熱変形による周方向の伸びを考慮して隣接する静翼体セグメント２１間に隙間δｃを確保し、この隙間δｃが定格運転時においても接触しないように設計されている。
【００２８】
周方向の伸びによる隙間δｃから隙間δｃ−ａへの縮小に伴い、シール溝２５Ｂの溝底壁２５ａに接触しているシールブロック３２Ｂが反対側のシールブロック３２Ａをシール溝２５Ａの溝底壁２５ａ側に変位させて面接触させ、さらに周方向の伸びが進みとシールブロック３２Ａ，３２Ｂ間に板ばね３０Ａ，３０Ｂ及び３１Ａ，３１Ｂによる圧縮力が作用する。この圧縮力は、シールブロック３２Ａ，３２Ｂの溝底壁２５ａへの面接触圧力を大きくすると共に、シール板２９Ａ，２９Ｂの半径方向の間隔を大きくし、シール板２９Ａをシール溝２５Ａ，２５Ｂの半径方向上側の壁面に押付け、シール板２９Ｂをシール溝２５Ａ，２５Ｂの半径方向下側の壁面に押付ける。したがって、シール板２９Ａ，２９Ｂ及びシールブロック３２Ａ，３２Ｂのシール溝２５Ａ，２５Ｂ内での面接触により、隙間を塞ぐことができる。
【００２９】
一方、熱偏差による隣接する静翼体セグメント２１の半径方向に段差δｒが生じると、対向するシール溝２５Ａ，２５Ｂ間に段差が生じる。このシール溝２５Ａ，２５Ｂ間の段差によりシール板２９Ａ，２９Ｂは、図６に示すように夫々反対側のシール溝２５Ａ，２５Ｂの半径方向の内壁面に面接触する。この時点でシール板２９Ａ，２９Ｂの周囲温度は５００℃程度となっており、シールブロック３２Ｂの磁気力は消失しているが、各シールブロック３２Ａ，３２Ｂは既にシール溝２５Ａ，２５Ｂの溝底壁２５ａに面接触しているのでシール効果の喪失はない。
【００３０】
このように、隣接する静翼体セグメント２１の半径方向に段差δｒが生じたにも拘らず、シール部材２８はシール溝２５Ａ，２５Ｂ内で傾斜せずに各部の面接触によってシール面を形成しているので、隙間δｃ−ａからの冷却空気の漏洩を防止することができる。
【００３１】
以上説明の実施の形態は、隣接する静翼体セグメント２１の外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂについての説明であるが、周方向に隣接する内側エンドウォール１４、さらにシュラウド８Ａ，８Ｂ及びダイアフラム１９など隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体に適用できることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるシール装置が適用されるガスタービン設備を示すブロック図。
【図２】図１のガスタービンの一部を示す拡大断面図。
【図３】図２に示す静翼周辺の拡大図。
【図４】隣接する外側エンドウォールの展開図。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。
【図６】外側エンドウォールの熱変位状態を示す図５相当図。
【符号の説明】
【００３３】
１…ガスタービン設備、２…空気圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…発電機、６Ａ…第１段静翼、６Ｂ…第２段静翼、７Ａ…第１段動翼７Ａ、７Ｂ…第２段動翼、８Ａ，８Ｂ…シュラウド、９…ケーシング、１０…ロータ、１１Ａ…第１ホイール、１１Ｂ…第２ホイール、１２…スペーサ、１３，１３Ａ，１３Ｂ…外側エンドウォール、１４…内側エンドウォール、１５…翼部、１６…冷却空気キャビティ、１７…キャビティカバー、１８…ダイアフラムチャンバー、１９…ダイアフラム、２０…シールフィン、２１…静翼体セグメント、２２…冷却空気チャンバー、２３Ａ，２３Ｂ…ホイールスペース、２４Ａ，２４Ｂ，２６…対向面、２５Ａ，２５Ｂ，２７…シール溝、２５ａ…溝底壁、２８…シール溝、２９Ａ，２９Ｂ…シール板、３０Ａ，３０Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ…板ばね、３２Ａ，３２Ｂ…シールブロック、３３…磁性材。
【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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