(57)【要約】【課題】本発明は、隣接する分割構造体の隙間を、分割構造体の変形に拘らず塞ぐことができる分割構造体のシール装置及びそれを用いたガスタービン設備を提供することにある。【解決手段】本発明は、２つの分割構造体（１３Ａ，１３Ｂ）の対向面２４Ａ，２４Ｂの一方側に、他方側の対向面２４Ｂに対向して開口する断面矩形のシール溝２５，２６，２８を形成し、このシール溝内に断面矩形のシール母材３０，３２を装着して面接触させると共に、他方側の対向面２４Ａに面接触する端面３０Ｔ，３２Ｔをシール母材の端部に形成し、かつ、この端面を他方側の分割構造体の対向面２４Ａに接触させる押圧力をシール母材に付与する弾性体（３１，３３）を設けたのである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体と、これら分割構造体の対向面間の隙間を２つの分割構造体に跨って塞ぐシール部材と、このシール部材を境としてその両側に差圧が作用する分割構造体のシール装置において、前記分割構造体の一方側の対向面に他方側の分割構造体の対向面に対向して開口する断面矩形のシール溝を形成し、このシール溝内に断面矩形のシール母材を装着し前記差圧を利用してシール母材をシール溝内の壁面に面接触させると共に、このシール母材に対向する他方側の分割構造体の対向面に面接触する端面を形成し、かつ、この端面を他方側の分割構造体の対向面に接触させる押圧力をシール母材に付与する弾性体を設けたことを特徴とする分割構造体のシール装置。
【請求項２】
前記弾性体は、シール母材のシール溝底部側に対向する端部に設けたばね部材であることを特徴とする請求項１記載の分割構造体のシール装置。
【請求項３】
前記ばね部材は、シール母材の端部に設けた板ばねであることを特徴とする請求項２記載の分割構造体のシール装置。
【請求項４】
前記板ばねは、一方がシール母材の端部に取り付けられ他方が前記シール溝の底部に接触する一対の板ばねであることを特徴とする請求項３記載の分割構造体のシール装置。
【請求項５】
前記板ばねは、中間部がシール母材の端部に取り付けられ両端部が前記シール溝の底部に接触する一枚の板ばねであることを特徴とする請求項３記載の分割構造体のシール装置。
【請求項６】
前記弾性体は、シール母材のシール溝底部側に対向する端部に設けた弾性を有するブラシであることを特徴とする請求項１記載の分割構造体のシール装置。
【請求項７】
前記シール母材は、シール溝の高さ方向に２分割されたシール母材片で構成されており、前記ブラシは、２分割されたシール母材片で挟持されていることを特徴とする請求項６記載の分割構造体のシール装置。
【請求項８】
前記シール母材は、作用する圧力の高い側に前記シール溝の内壁に接触する弾性を有する第２のブラシを有していることを特徴とする請求項６記載の分割構造体のシール装置。
【請求項９】
空気圧縮機と、燃焼器と、複数の静翼及び動翼を有するガスタービンとを備えたガスタービン設備において、前記ガスタービンを構成する分割された分割構造体に、請求項１〜８のいずれかに記載の分割構造体のシール装置を形成したことを特徴とするガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分割構造体のシール装置及びそれを用いたガスタービン設備に係り、特に、ガスタービンの熱変形する分割された分割構造体の隙間をシールするのに好適な分割構造体のシール装置及びそれを用いたガスタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンにおいては、高温の作動流体（燃焼ガス）で昇温した静翼及び動翼を冷却するために、冷却空気を各翼内に流通させ、最終的に作動流体流路に排出するオープン冷却方式が行われている。
【０００３】
ところで、ガスタービンの静翼は、内外のエンドウォール間に一体に形成された複数の静翼部を、熱的影響を考慮して周方向に複数に分割して静翼体セグメントを形成し、さらに、周方向に隣接する静翼体セグメントは、熱膨張を吸収するために対向面に隙間を確保している。
【０００４】
しかし、この隙間から冷却空気が直接作動流体流路中に貫流しないように、隣接する静翼体セグメントの対向面に夫々シール溝を設け、これらのシール溝内に跨って板状のシール部材を装着して隙間を塞いでいる。
【０００５】
しかしながら、隣接する静翼体セグメントが稼動中の熱影響により夫々独自に径方向に熱変形した場合、２つのシール溝内に跨って装着された板状のシール部材はシール溝内で傾斜するので、シール部材とシール溝との間に隙間が発生し、この隙間から冷却空気が漏洩するのでシール効果を低下させる問題がある。
【０００６】
このようなシール部材の傾斜によるシール効果の低下を軽減するために、シール溝内に位置する板状の端部を円弧状に形成したシール部材を用いたシール装置が特許文献１で提案されている。
【０００７】
【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】
【０００８】
上記特許文献１に開示の技術は、隣接する静翼体セグメントが夫々独自に径方向に熱変形しても、円弧状に形成した部分がシール溝壁に対して円滑に摺動して回転するので、シール部材とシール溝壁との間には隙間が発生せず、シール効果は向上する。
【０００９】
しかしながら、板状のシール部材の端部を円弧状にすることで、シール部材とシール溝壁とは常に線接触状態となり、その結果、シール部材とシール溝壁とを面接触させた場合に比べてシール効果が低下する問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、隣接する分割構造体の隙間を、分割構造体の変形に拘らず塞ぐことができる分割構造体のシール装置及びそれを用いたガスタービン設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために、２つの分割構造体の対向面の一方側に、他方側の対向面に対向して開口する断面矩形のシール溝を形成し、このシール溝内に断面矩形のシール母材を装着して面接触させると共に、他方側の対向面に面接触する端面をシール母材の端部に形成し、かつ、この端面を他方側の分割構造体の対向面に接触させる押圧力をシール母材に付与する弾性体を設けたのである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は上記構成とすることで、シール溝内のシール母材はその両側に作用する差圧によってシール溝壁に押圧されて面接触し、シール部材の端面は弾性体によって他方の分割構造体の対向面に押圧されて面接触する。その結果、隣接する分割構造体が対向面と平行な方向に変形したとしても、シール母材の端面が他方の分割構造体の対向面上を摺動して面接触を維持するので、分割構造体の変形に拘らず隣接する分割構造体の隙間を塞ぐことができる分割構造体のシール装置及びそれを用いたガスタービン設備を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明によるシール装置をガスタービン設備のガスタービンに適用した第１の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
【００１４】
まず、図４に示すガスタービン設備１は、大きくは、空気ａ１を圧縮する空気圧縮機２と、圧縮空気ａ２と燃料Ｆを混合して燃焼させ高温の燃焼ガス（作動流体）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、大気中に排出される。
【００１５】
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の各部へ供給している。
【００１６】
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３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は第１段シュラウド８Ａ及び第２段シュラウド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段ホイール１１Ａ及び第２段ホイール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。
【００１７】
第１段静翼６Ａ及び第２段静翼６Ｂの詳細構成は、図６に示す第２段静翼６Ｂを代表して説明すると、第１段シュラウド８Ａと第２段シュラウド８Ｂと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１４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及び内側エンドウォール１４の間を作動流体流路（ガスパス）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の外周面に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を復数枚単位として、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。
【００１８】
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（作動流体）Ｇ１が作動流体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。
【００１９】
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。第１段シュラウド８Ａ及び第２段シュラウド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、一部は冷却流路の排気口から作動流体流路内に放出され、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流体流路を流れる作動流体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流体流路内の放出され、作動流体のホイールスペース２３Ａ，２３Ｂ内への漏洩を防止する。
【００２０】
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１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、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６に示す矢印Ｒ１，Ｒ２のように、作動流体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、作動流体流路内の作動流体の漏洩をシールする効果を喪失したりすることになる。
【００２１】
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のうち、一方の外側エンドウォール１３Ｂの対向面２４Ｂに断面矩形のシール溝２５，２６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２７にもシール溝２８を設ける。そして、これらのシール溝２５，２６，２８内にシール部材２９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。
【００２２】
シール部材２９については、シール溝２５に装着される場合を一例に説明する。シール部材２９は、シール母材３０と弾性体である板ばね３１とから構成されている。そして、シール母材３０は、シール溝２５の断面より僅かに小さい断面を有する断面矩形に形成されており、シール溝２５の壁面に面接触している。このシール母材３０のシール溝２５の底部２５Ｅ側に対向する端部３０Ｅには、板ばね３１を取り付けている。この板ばね３１は、一対の小板ばね３１Ａ，３１Ｂからなり、一端が前記シール溝２５の底部２５Ｅに接触するようにシール母材３０の端部３０Ｅに取り付けられている。ここで、小板ばね３１Ａ，３１Ｂの変形量を見込んで、シール溝２５の底部２５Ｅに接触する端部は間隔ｇを維持するように対向させることが望ましい。また、板ばね３１の部品数を低減する意味では、弓形状に一体形成された板ばねを用い、その中間部をシール母材３０の端部３０Ｅに固定し、両端部をシール溝２５の底部２５Ｅに接触するようにしてもよい。
【００２３】
一方、他方の外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに対向するシール母材３０の端部には、対向面２４Ａと面接触する端面３０Ｔが形成されている。
【００２４】
上記構成において、ガスタービン４の稼動時に熱変形を受けて隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが周方向に伸びて隙間δｃが、図７及び図８に示すように、隙間δｃ−ａに小さくなると、板ばね３１が撓んで間隔ｇが間隔ｇ−ｂとなって応力が発生し、この応力によってシール母材３０を他方の外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに向かって移動させ、端面３０Ｔを対向面２４Ａに押圧させる。このとき、外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが径方向にずれて段差δｒが発生しても、シール母材３０の端面３０Ｔと対向面２４Ａとは面接触したまま段差δｒ分摺動するので、シール効果が損なわれることはない。
【００２５】
一方、シール母材３０を挟んで外周側（図２及び図７の紙面上方側）には圧縮空気ａ４の圧力が作用し、内周側（図２及び図７の紙面下方側）は作動流体流路内の作動流体圧が作用しており、作動流体圧よりも圧縮空気ａ４の圧力が大きいためにそこに差圧が生じ、この差圧によりシール母材３０は、シール溝２５の下面側の内壁に押付けられて面接触するので、隙間δｃ−ａを経由しての圧縮空気ａ４の作動流対流路側への漏洩は防止される。
【００２６】
ところで、シール溝２６，２８に装着されるシール部材（図示せず）も、同様なシール母材が装着されてシール機構を構成している。
【００２７】
このように、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが熱変形しても、シール母材３０が対向面２４Ａとシール溝２５の内壁面との２箇所で面接触するので、線接触する従来のシール装置に比べてシール効果を向上させることができる。また、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが径方向にずれても、シール母材３０は対向面２４Ａ上を摺動するので、シール母材が傾いたりすることも防止することができる。
【００２８】
次に、本発明によるシール装置の第２の実施の形態を図９〜図１２に基づいて説明する。尚、図９〜図１２において図１〜図８と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００２９】
本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる構成は、シール部材２９がシール母材３２と弾性を有するブラシ３３から構成されている点である。
【００３０】
そして、シール母材３２は、径方向に第１母材３２Ａと第２母材３２Ｂとに２分割されており、これら第１母材３２Ａと第２母材３２Ｂとで前記ブラシ３３を挟持している。
【００３１】
本実施例では、図９及び図１０の外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが常温の状態では、前記実施の形態と同じように、ブラシ３３の先端は外側エンドウォール１３Ｂに形成したシール溝２５の底部２５Ｅに接触しており、シール母材３２の端面３２Ｔも外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに面接触している。
【００３２】
この状態からガスタービン４の稼動時に隣接する静翼体セグメント２１に熱変形が生じ隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂ間の隙間δｃが、図１１及び図１２に示すように、隙間δｃ−ａに縮小すると、ブラシ３３がシール溝２５の底部２５Ｅに押されて弾性変形し、ブラシ３３の弾性変形力によってシール母材３２を外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに押付ける。
【００３３】
一方、径方向の熱伸び差によって外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが径方向にずれて段差δｒが発生した場合には、シール母材３２の端面３２Ｔが外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに面接触したまま摺動する。
【００３４】
また、シール母材３２のシール溝２５の内壁面への面接触は前記実施例と同じである。
【００３５】
このように本実施の形態においても前記第１の実施の形態と同等の作用を行い、同等の効果を奏することができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態においては、シール溝２５の底部２５Ｅとシール母材３２との間にブラシ３３が存在するので、通過しようとする冷却空気の流通抵抗を増加させることができ、その分シール効果を向上させることができる。
【００３７】
図１３〜図１６は、本発明によるシール装置の第３の実施の形態を示すものである。尚、図１３〜図１６において図９〜図１２と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００３８】
本実施の形態において、第２の実施の形態と異なる構成は、ブラシ３３を第１のブラシ３３とすると、シール部材２９の径方向上側にシール溝２５の内壁に接するが第２のブラシ３４が取り付けられている点である。
【００３９】
本実施例では、図１３及び図１４の外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂが常温の状態では、前記実施の形態と同じように、ブラシ３３の先端は外側エンドウォール１３Ｂに形成したシール溝２５の底部２５Ｅに接触しており、シール母材３２の端面３２Ｔも外側エンドウォール１３Ａの対向面２４Ａに面接触している。
【００４０】
この状態からガスタービン４の稼動時に隣接する静翼体セグメント２１に熱変形が生じ隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂ間の隙間δｃが、図１５及び図１６に示すように、隙間δｃ−ａに縮小した場合におけるシール母材３２の作用は第２の実施の形態と同じである。さらに第２のブラシ３４がシール母材３２とシール溝２５の内壁面との隙間に位置しているので、シール母材３２の端面３２Ｔが対向面２４Ａを摺動する際に、シール母材３２がシール溝２５内で傾くのを防止することができ、シール効果を安定に維持することができる。
【００４１】
さらに、本実施の形態においては、シール溝２５の底部２５Ｅとシール母材３２との間に第１のブラシ３３が存在する上、シール母材３２とシール溝２５の外径側壁面との間に第２のブラシ３４が存在するので、これらを通過しようとする冷却空気の流通抵抗を増加させることができ、その分シール効果を向上させることができる。
【００４２】
以上説明したように本発明による各実施の形態によれば、隣接する外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂ間の隙間を、外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂの変形に拘らず安定して塞ぐことができるので、冷却空気の漏洩を防止することができる。
【００４３】
ところで各実施の形態においては、本発明の隣接する分割構造体として外側エンドウォール１３Ａ，１３Ｂを一例に説明したが、分割された位置から冷却空気や作動流体の漏れを防止する必要がある場合には、内側エンドウォール１４やダイアフラム１９、第１段シュラウド８Ａ及び第２段シュラウド８Ｂなどを分割した場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による分割構造体のシール装置の静翼体セグメントを構成する隣接する外側エンドウォールを示す展開図。
【図２】本発明による第１の実施の形態で図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線に沿う横断面図。
【図４】本発明のシール装置を適用するガスタービン設備を示すブロック図。
【図５】ガスタービンの一部の拡大断面図。
【図６】図５に示す静翼周辺の拡大図。
【図７】図２に示す隣接する外側エンドウォールの熱変形後の位置関係を示す拡大断面図。
【図８】図７のＣ−Ｃ線に沿う横断面図。
【図９】本発明による第２の実施の形態を示す図２相当図。
【図１０】図９のＤ−Ｄ線に沿う横断面図。
【図１１】図１０に示す隣接する外側エンドウォールの熱変形後の位置関係を示す拡大断面図。
【図１２】図１１のＥ−Ｅ線に沿う横断面図。
【図１３】本発明による第３の実施の形態を示す図９相当図。
【図１４】図１３のＦ−Ｆ線に沿う横断面図。
【図１５】図１３に示す隣接する外側エンドウォールの熱変形後の位置関係を示す拡大断面図。
【図１６】図１５のＧ−Ｇ線に沿う横断面図。
【符号の説明】
【００４５】
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、７Ｂ…第２段動翼、８Ａ…第１段シュラウド、８Ｂ…第２段シュラウド、９…ケーシング、１０…ロータ、１１Ａ…第１段ホイール、１１Ｂ…第２段ホイール、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，…ホイールスペース、２４Ａ，２４Ｂ，２７…対向面、２５，２６，２８…シール溝、２５Ｅ…底部、２９…シール部材、３０，３２…シール母材、３０Ｅ…端部、３０Ｔ，３２Ｔ…端面、３１…板ばね、３２…シール母材、３２Ａ…第１母材、３２Ｂ…第２母材、３３，３４…ブラシ。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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