JP2002544431A - 特にタービンにおける隙間を塞ぐパッキンおよびタービン - Google Patents

特にタービンにおける隙間を塞ぐパッキンおよびタービン

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JP2002544431A JP2000618587A JP2000618587A JP2002544431A JP 2002544431 A JP2002544431 A JP 2002544431A JP 2000618587 A JP2000618587 A JP 2000618587A JP 2000618587 A JP2000618587 A JP 2000618587A JP 2002544431 A JP2002544431 A JP 2002544431A
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Abstract

(57)【要約】 隙間(36)を塞ぐためのパッキン(51)に関する。このパッキン(51)はバイメタル体であって熱膨張性を有しており、作動温度以上の温度では、隙間(36)を温度の上昇するにつれて一層良好に塞ぐ機能を持つ。その漏れ止めはパッキンの凸状湾曲表面によって達成される。本発明はまた、構造部品(17、13、39、61)間の隙間が、作動温度以上の温度においてパッキン(51)によって塞がれるタービン(1)、特にガスタービンにも関係する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、特にタービンの高温ガス通路における隙間を漏れ止めするためのパ
ッキンに関する。また本発明は、そのようなパッキンを備えたタービン、特にガ
スタービンに関する。
【0002】 米国特許第5221096号明細書に、ガスタービンの2つの段間における隙
間を通して漏れる冷却空気量を減少するための多分割構造のパッキンが示されて
いる。そのパッキンの第1部分は厚さが薄く、圧力勾配のもとで変形して、隙間
を塞ぐ。この第1パッキン部分に、第2パッキン部分が結合されている。この第
2パッキン部分は、パッキンに剛性を与えるように厚く形成されている。この剛
性によって、パッキンの組立が容易になる。
【0003】 ヨーロッパ特許出願公開第0139072号明細書に、温度に左右されない横
断面E形のばねパッキンが示されている。このパッキンは、不均一に分布した非
常に高い温度において採用するのに適する。
【0004】 米国特許第5058906号明細書にもパッキンが示されている。その金属パ
ッキンは、弾性変形可能に形成されている。従ってこのパッキンは、特に大きな
温度変化が生ずる配管の漏れ止めに適する。
【0005】 米国特許第4537024号明細書は、ガスタービンにおける隙間を、横断面
輪状の可撓パッキンリングによって塞ぐ漏れ止め装置を開示する。このパッキン
リングは、塞ぐべき隙間を境界づける両側の構造部品に各々対向して存在する溝
内に挿入されている。
【0006】 米国特許第3975114号明細書に、タービンにおける隙間を塞ぐための漏
れ止め装置が示されている。その場合、溝内に配置されたシール帯板が、高温時
に隙間を、2つの帯板半部のバイメタル変形により塞ぐ。両帯板半部は互いに逆
に曲がり、凹状湾曲表面の縁が、各々溝壁に押し付けられる。
【0007】 米国特許第4650397号明細書は、タービンにおける隙間を塞ぐパッキン
を開示する。このパッキンは角形金属帯板から形成され、その角形金属帯板は長
手方向に区分されている。角形金属帯板の片側面は、塞ぐべき隙間の片側に固く
ねじ結合されている。角形帯板の反対側面は、弾性ばね作用により塞ぐべき隙間
の反対側に押し付けられる。その押圧作用は、金属帯板のバイメタル熱膨張性に
よってもひき起こされる。
【0008】 本発明は、上述の様式のパッキンが、バイメタル帯板に対し直角方向の弾性が
不充分なため、高温時に十分な押圧作用を生じないか又は長手方向に十分な膨張
性を有しないという認識から出発する。従って高温時に良好な漏れ止め作用を原
理的に達成する上述のバイメタル式パッキンは、長い隙間内に、セグメント状又
は断片状に組み込まねばならない。これは組立および分解を複雑にし、セグメン
ト隙間の範囲に生ずる漏れ隙間部分により、漏れ止め作用を悪化させる。
【0009】 本発明の課題は、湾曲した長い隙間内にも簡単に組み込むことができ、温度条
件が変化し、特に高温時でも確実に閉塞機能を果たすパッキンを提供することに
ある。またそのようなパッキンを備えたタービンを提供することにある。
【0010】 パッキンに関する課題は、本発明に基づき、バイメタル体として形成され、作
動温度以上の温度での熱膨張により隙間を塞ぐ熱膨張可能なパッキンにおいて、
該パッキンが凸状湾曲表面を有し、この表面が、パッキンの熱膨張により隙間を
塞ぐよう閉鎖面に押し付けられることによって解決される。
【0011】 本発明に基づくパッキンは、作動温度以上の温度で、隙間を簡単かつ確実に塞
ぐ機能を持つ。作動温度とは、パッキンが採用される各装置や機械の代表的な運
転温度の下限値である。その場合、パッキンの範囲での温度が問題となる。本発
明によれば、温度の上昇に伴いパッキンが能動的にその漏れ止め作用を高めるの
で、隙間の能動的な漏れ止めが達成される。パッキンの熱膨張性(温度依存膨張
性)により、漏れ止め作用は温度が上昇するにつれて向上する。構造部品が熱に
伴い膨張し、場合によっては相対変位し、そのため構造部品間の隙間が増大し又
はその形状が変化するので、温度の上昇につれて漏れ止めの問題がしばしば大き
くなる。通常のパッキンは、高温時の大きな漏れ止め要件に適切に応えられない
。熱膨張性を利用することで、温度の上昇に伴い正に適切に非常に良好な漏れ止
め作用を示すパッキンが得られる。このパッキンの場合、通常のバイメタル式パ
ッキンと異なり、凸状湾曲表面により漏れ止めが行われる。この結果、可撓性を
有し特に長手方向に対し直角に弾性を有するパッキンが生ずる。このパッキンに
よれば、湾曲した非常に長い隙間も塞げる。更に、凸状湾曲表面により、大きな
押圧面、従って良好な漏れ止め作用が得られる。
【0012】 パッキンは、バイメタル帯板として形成するとよい。バイメタル帯板は、異な
る熱膨張係数の金属から形成された帯状板金である。その金属は、好適には相互
にろう付けされる。この構成により、パッキンに対して適正な熱膨張性が的確に
得られる。これは、適当な金属の選択或はこの金属の形状と配置の選択とにより
達成される。勿論、パッキンに対し二種類以上の材料も利用できる。
【0013】 パッキンは、好適には、タービンの高温ガス通路における2つの構造部品間の
隙間を塞ぐべく設計される。例えばガスタービンや蒸気タービンは、高温ガス通
路を有する。ガスタービンの場合、かかる高温ガス通路は燃焼器とそれに後置接
続されたタービン部分とを含んでいる。蒸気タービンの場合、高温ガス通路は蒸
気が貫流する流路である。この通路は複数の構造部品で構成され、それらの構造
部品間に隙間が存在する。高温ガス通路内を導かれる高温ガスは、その隙間を通
って流出してしまう。このためタービンにおける効率損失が生じ、また事情によ
っては、その隙間の後ろに位置する範囲において損傷が生ずる。更にしばしば、
構造部品の反高温ガス通路側を冷却流体で冷却する必要がある。また効率損失を
防止ぐため、隙間を通って高温ガス通路に流入する冷却流体の量をできるだけ少
なくせねばならない。従って構造部品間の隙間は、できるだけ有効に塞がねばな
らない。高温ガス通路を高温ガスが貫流し、従って構造部品が非常に高温になる
とき、必要冷却流体量が特に多くなるので、漏れ止め作用を特に高めねばならな
い。隙間を塞ぐパッキンは、その高温に耐えねばならない。更に、パッキンは高
温時、特に効果的な漏れ止め作用を発揮せねばならない。これはパッキンの熱膨
張性により達成される。常温時に、即ち例えばタービンが運転していないとき、
パッキンは隙間に非常に小さな押圧力しか与えず、従って比較的弱い漏れ止め作
用しかしない。このため、パッキンは簡単に組立・交換可能である。例えば隙間
の溝内にパッキンを簡単に挿入できる。暖まるにつれてパッキンは膨張し、これ
によって、隙間を境界付ける面に押し付けられる。その結果、温度の上昇につれ
て、高い漏れ止め作用が得られる。
【0014】 パッキンは、好適には、タービンの翼列内で互いに直接隣接する翼間の隙間を
塞ぐべく設計される。翼列とは静翼列又は動翼列である。翼列の互いに直接隣接
する2つの翼間の隙間は、一般に、互いに隣接する翼台座間に形成される。それ
ら翼台座は高温ガス通路を境界づける。これら翼台座が大きく熱負荷された場合
、その反高温ガス通路側を、冷却流体、例えば冷却空気で冷却する必要がある。
ガスタービンの場合、冷却空気は圧縮機の圧縮空気から分岐される。必要冷却空
気量が増大した場合、燃焼に利用する圧縮空気が減少するため、ガスタービンの
効率が低下する。燃焼空気内の空気含有量が少ないと、窒素酸化物の発生量が増
える。従って隙間を通る冷却空気の漏洩量はできるだけ少なくせねばならない。
これは熱膨張可能なパッキンにより、特に高温において達成される。
【0015】 パッキンは、タービンの互いに隣接する翼列間の隙間を塞ぐべく設計するとよ
い。特に、動翼列用の案内リングと静翼列との間の隙間を塞ぐべく設計すると有
利である。この場合、隙間は軸方向に跨っているので、そのパッキンはアキシャ
ルパッキンである。この隙間はかなり長く延びており、円形に湾曲している。従
来、この隙間をバイメタル式では塞げなかった。かかるアキシャルパッキンは長
さが非常に長く、対応の溝にぴったりはめ込むのが困難である。熱膨張可能なパ
ッキンなら、パッキンを常温状態で簡単に溝内に挿入でき、組立が単純になる。
タービン運転中に初めて、パッキンが暖まり、従って熱膨張し、隙間を塞ぐ。
【0016】 パッキンは、好適には、第1熱膨張係数を持つ第1金属から成る金属帯板と、
この金属帯板の表面上に相互に間隔を隔てて設けられた複数の金属片とを有し、
これら金属片は、第1金属と異なる第2熱膨張係数を持つ第2金属から成る。こ
のパッキンは、特にアキシャルパッキンとして適する。該パッキンは金属片の設
置部位が各々バイメタルの働きをするので、連続バイメタルと呼べる。このパッ
キンは、隙間内で暖まると波形に曲がる。前記パッキンはその波の山および谷の
部位が、隙間を境界づける表面に押し付けられる。特にこのパッキンは、パッキ
ンが膨張した際に溝に密着するよう、パッキン形状と調和した形状を持つ溝内に
挿入される。好適には、そのために、金属帯板の溝表面に対向する側は丸みを持
つ。同時に溝形状も丸みを持つ。この結果、パッキンは波形に膨張した際ほぼ隙
間なしに溝表面に密着し、高い漏れ止め作用を生ずる。そのパッキンは特に、互
いに隣接する翼列間の軸方向隙間又は案内リングと翼列との間の軸方向隙間に追
従して変形するのに適する。タービンの互いに連続する段の漏れ止めは困難であ
る。これは、その場合の流路形状が一般に円錐状に延び、その形状のため、各軸
方向の伸びが半径方向の伸びと連結するからである。本発明によれば、パッキン
の大きな変形公差が、高温時でも良好な漏れ止め作用を保障する。
【0017】 パッキンは、好適には、横断面ほぼC形、W形又はS形をなし、長手広がり方
向に延びている。横断面C形形状は、その長手方向に沿って断片的に開いた管と
も理解できる。横断面W又はS形は、全般的に横断面蛇行線形状とも言える。
【0018】 本発明に基づき、タービンに関する課題は、多数の構造部品からなる高温ガス
通路を備え、該通路の構造部品間に隙間が存在するタービンにおいて、作動温度
以上の温度でのパッキン要素の熱膨張により隙間を塞ぐことで解決される。
【0019】 作動温度とは、タービンの運転温度におけるパッキンの範囲での下限温度であ
る。このタービンの利点は、上述のパッキンの利点に応じて生ずる。
【0020】 好適には、両側の構造部品において、それぞれ隙間に隣接しこの隙間に対して
平行に溝が延び、これらの溝内にパッキンが配置され、そのパッキンが第1熱膨
張係数を持つ第1金属から成る金属帯板と、この金属帯板の表面上に相互に間隔
を隔てて設けられた複数の金属片とを有し、これらの金属片が、第1金属と異な
った第2熱膨張係数を持つ第2金属から成る。更に、溝は、パッキンが膨張した
際に溝表面に密着するような形状の溝表面を有している。
【0021】 タービンは、好適にはガスタービンであり、特に出力10MW以上の定置形ガ
スタービンである。
【0022】 好適には、2つの構造部品は、燃焼器内張りの構成要素である。燃焼器は一般
に個々の構成要素から構成された燃焼器内張りを備える。これら要素は、耐熱性
を有する。通常、これら要素は背面が冷却流体、特に冷却空気で冷却される。隣
接する構成要素間に隙間が存在し、この隙間は上述のとおり、高温ガスの流入並
びに冷却空気の流出に対し塞がねばならない。そのために本発明に基づくパッキ
ンが特に適する。
【0023】 以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分
には同一符号を付してある
【0024】 図1はガスタービン1を示す。このタービン1では、タービン軸線3に沿い圧
縮機5と燃焼器7とタービン部分9とが連続して配置されている。圧縮機5とタ
ービン部分9は共通軸11上に配置されている。タービン部分9に流路12が存
在する。この流路12内に、タービン軸線13に沿って静翼列13と動翼列15
とが交互に配置されている。ここでは1つの静翼列13と1つの動翼列15しか
示していない。各静翼列13は複数のガスタービン静翼17そして各動翼列13
は複数のガスタービン動翼19からなる。燃焼器7とタービン部分9とにより高
温ガス通路8が規定されている。この通路8は一連の構造部品からなる。これら
構造部品は、例えば燃焼器内張り(図4参照)、静翼列13、動翼列15、静翼
17、動翼19である。これら部品間にしばしば隙間が生じ、この隙間を、高温
ガスの流入並びに冷却空気の漏洩に対し塞ぐ必要がある。これについては別の図
を参照して詳述する。
【0025】 図2は静翼列13の一部を縦断面図で示す。静翼列13内で、第1静翼17A
と第2静翼17Bが互いに隣接している。第1静翼17Aは台座33Aを有し、
第2静翼17Bは第2台座33Bを持つ。両台座33A、33B間には隙間36
がある。隙間36は、第1台座33Aの片側側面にある溝37に開口する。溝3
7は第1台座33Aの片側側面全体にわたって延び、該溝37に、第2台座33
Bの閉鎖側面35が対向している。溝37内に、細長い横断面C形パッキン51
がはめ込まれている。このパッキン51の構成は図5を参照して後述する。
【0026】 ガスタービンの運転中、第1静翼17Aと第2静翼17Bとの間を高温ガスが
流れる。これに伴い、特にそれら静翼の台座33A、33Bが熱的に大きく負荷
される。この熱的負荷を減少するため、台座の背面を冷却空気38で冷却する。
冷却空気38は圧縮機5の圧縮空気21から取り出される。ガスタービンの効率
低下を防ぐため、冷却空気38の隙間36を通しての漏洩はできるだけ減らさね
ばならない。隙間36の漏れ止めはパッキン51により達成される。パッキン5
1は温度に依存した熱膨張性を有する。パッキン51は、作動温度以上の温度で
、溝37および閉鎖側面35に押し付けられるように膨張する。この押圧力は温
度の上昇と共に増大する。この結果、高温時に特に良好な漏れ止め作用が得られ
る。その作動温度は、好適には400〜1000℃である。
【0027】 図3は動翼列15とこれに隣接する静翼列13の一部を縦断面図で示す。動翼
列15は動翼19で形成されている。動翼19は動翼先端20を有し、先端20
は動翼19を案内する案内リング39に対向して位置する。軸方向で、案内リン
グ39と静翼列13が隣接している。案内リング39と静翼列13の間には隙間
36がある。隙間36は、図2の隙間の漏れ止めと同様、パッキン51で塞がれ
ている。パッキン51は、隙間36を軸方向に跨るアキシャルパッキンである。
隙間36は、静翼列13の周りに延びる環状隙間である。この種隙間に対する通
常のパッキンの組立は、隙間がかなり長いので困難である。即ち、通常のパッキ
ンはぴったり精確に作らねばならず、パッキン挿入の際に、大きな摩擦力が生ず
る。この摩擦力により、パッキンが損傷する危険がある。これに対し熱膨張を基
礎とするパッキン51の場合、常温での溝37へのはめ込み又は組み立ては、挿
入時十分な隙間が残っているので、極めて簡単である。作動温度以上の温度で初
めて、パッキン51は溝37内に押し込まれ、隙間36を塞ぐ。凸状の湾曲表面
を持つパッキンは、通常のバイメタル式パッキンでは得られない大きな柔軟性を
示す。この結果、非常に長いパッキンが採用できる。このパッキンは簡単に組み
立てられ、継ぎ合わせ式のパッキンに比べ、大きな漏れ止め作用を有する。
【0028】 図4は燃焼器7における燃焼器内張り63の一部を縦断面図で示す。燃焼器内
張り63の第1構成要素61Aは、燃焼器内張り63の第2構成要素61Bに直
接隣接する。各構成要素61A、61Bは各々ボルト67で燃焼器背面壁65に
取り付けられている。第1構成要素61Aと第2構成要素61Bとの間に隙間3
6が存在する。隙間36は、図2、3における隙間と同様、パッキン51により
その作動温度以上の温度で塞がれる。これに伴い、構成要素61A、61Bの背
面を冷却する空気38は、隙間36を通して燃焼器7の中にほんの僅かしか流入
しない。従って、冷却空気損失を制限できる。
【0029】 図5から7は、パッキン51の種々の形状を斜視図で示す。各パッキン51は
、長手方向54に延び、少なくとも閉塞状態では凸状湾曲表面52を備えたバイ
メタル帯板を形成する。この場合、第1金属帯板53を第2金属帯板55にろう
付けしている。両金属帯板53、55は、異なる熱膨張係数を持つ。図5のパッ
キン51は、横断面C形をなす。このパッキン51は、暖まった際C字の形状が
広がる。これに伴い、パッキン51を溝37内に配置した場合、そのC形パッキ
ンの両縁の表面52が溝37の内面壁に押し付けられる。図6と7は、横断面が
W又はS形の、即ち概ね横断面蛇行線形をなすパッキン51を斜視図で示す。こ
れに伴い、温度上昇毎に大きな膨張、従って強力な押圧力が生ずる。
【0030】 図8、9は、互いに隣接する2つの静翼17A、17B間にある隙間36に配
置した横断面C形パッキン51を示す。パッキン51は、図8では作動温度より
低く、図9では作動温度以上の温度状態にある。パッキン51は、作動温度以下
の温度状態の場合、これを抵抗なしに溝37内に挿入又は押し込める程に収縮し
ている。パッキン51は作動温度以上の温度で、その表面52が静翼17Aの台
座33Aにある溝37および静翼17Bの台座33Bの閉鎖側面35に押し付け
られる程に膨張する。これに伴い、隙間36が塞がれる。
【0031】 図10は、互いに隣接する2つの翼列間、即ち互いに連続する2つのタービン
段間におけるアキシャルパッキン51として適用されるパッキン51を示す。パ
ッキン51は、第1熱膨張係数α1の金属から成る金属帯板100を有する。金
属帯板100の表面102上に、複数の金属片104が相互に間隔を隔ててろう
付けされている。これら金属片104は、第1熱膨張係数α1と異なる第2熱膨
張係数α2を持つ金属から成る。従って、パッキン51は断続的なバイメタルと
して形成されている。このパッキン51は暖まると波形に曲がり、凸状湾曲表面
52を備えた部分を生ずる。この状態を図11に示す。パッキン51が波形に曲
がることで、その波の山でそれに隣接する対向面(図示せず)に押圧力Fを与え
る。この結果、温度の上昇に伴い、高い漏れ止め作用が得られる。
【0032】 図12は、静翼列13と動翼の案内リング39との間に組み込まれた状態にあ
る図10のパッキン51を縦断面図で示す。静翼列13と案内リング39との間
に隙間36が存在する。静翼列13並びに案内リング39に、各隙間36に隣接
し且つそれに平行して溝106を設けている。これら溝106は、溝表面108
を持つ。この溝表面108は丸みを持つ。これら溝106内に、隙間36を塞ぐ
パッキン51をはめ込んでいる。パッキン51の金属帯板100は、丸みを帯び
た形状をなす。パッキン51は暖まった状態でその表面52が波形に曲がること
で(図11参照)溝表面108に押し付けられる。その場合、丸みが付いた溝表
面108と金属帯板100とにより、パッキン51に対し大きな接触面が生じ、
これにより漏れ止め作用が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガスタービンの概略断面図。
【図2】 静翼列の部分横断面図。
【図3】 動翼列とこれに隣接する静翼列の部分縦断面図。
【図4】 燃焼器内張りの部分縦断面図。
【図5】 パッキンの一実施例の部分斜視図。
【図6】 パッキンの異なった実施例の部分斜視図。
【図7】 パッキンの更に異なった実施例の部分斜視図。
【図8】 2つ静翼間にある空隙に対するパッキンの常温状態の横断面図。
【図9】 図8におけるパッキンの暖まった状態の横断面図。
【図10】 アキシャルパッキンの常温状態の横断面図。
【図11】 図10におけるパッキンの加熱状態の縦断面図。
【図12】 図10におけるパッキンの組立状態における縦断面図
【符号の説明】
1 タービン 8 高温ガス通路 13 静翼列 15 動翼列 17 ガスタービン静翼 19 ガスタービン動翼 39 案内リング 36 隙間 51 パッキン 52 凸状湾曲表面 63 燃焼器内張り 100 金属帯板 104 金属片

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バイメタル体として形成され、作動温度以上の温度での熱膨
    張によって隙間(36)を塞ぐ熱膨張可能なパッキン(51)において、このパ
    ッキン(51)が凸状湾曲表面(52)を有し、該凸状湾曲表面(52)が、パ
    ッキン(51)の熱膨張により、隙間(36)を塞ぐように閉鎖面(35)に押
    し付けられることを特徴とするパッキン。
  2. 【請求項2】 バイメタル帯板として形成されたことを特徴とする請求項1
    記載のパッキン。
  3. 【請求項3】 タービン(1)の高温ガス通路(8)における構造部品(1
    7、13、39、61)間の隙間(36)を塞ぐべく設計されたことを特徴とす
    る請求項1又は2記載のパッキン。
  4. 【請求項4】 タービン(1)の翼列(13)における互いに直接隣接する
    翼(17)間の隙間(36)を塞ぐべく設計されたことを特徴とする請求項3記
    載のパッキン。
  5. 【請求項5】 タービン(1)の互いに隣接する翼列(13、15)間の隙
    間(36)を塞ぐべく設計されたことを特徴とする請求項3記載のパッキン。
  6. 【請求項6】 動翼列(15)用の案内リング(39)と静翼列(13)と
    の間の隙間(36)を塞ぐべく設計されたことを特徴とする請求項3記載のパッ
    キン。
  7. 【請求項7】 横断面C形をなし、長手広がり方向(54)に延びることを
    特徴とする請求項1ないし6の1つに記載のパッキン。
  8. 【請求項8】 横断面ほぼW形あるいはS形をなし、長手広がり方向(54
    )に延びることを特徴とする請求項1ないし6の1つに記載のパッキン。
  9. 【請求項9】 第1熱膨張係数を持つ第1金属から成る金属帯板(100)
    と、この金属帯板(100)の表面(102)上に相互に間隔を隔てて設けられ
    た複数の金属片(104)とを有し、これらの金属片(104)が、第1金属と
    異なる第2熱膨張係数を持つ第2金属から成ることを特徴とする請求項2記載の
    パッキン。
  10. 【請求項10】 多数の構造部品(17、13、39、61)から形成され
    た高温ガス通路(8)を備え、高温ガス通路(8)の構造部品(17、13、3
    9、61)間に隙間(36)が存在するタービン(1)において、隙間(36)
    が、請求項1ないし9の1つに記載の熱膨張可能なパッキン(51)により、作
    動温度以上の温度で塞がれることを特徴とするタービン。
  11. 【請求項11】 ガスタービンとして形成されたことを特徴とする請求項1
    0記載のタービン。
  12. 【請求項12】 特に出力10MW以上の定置形ガスタービンとして形成さ
    れたことを特徴とする請求項11記載のタービン。
  13. 【請求項13】 2つの構造部品(61)が、燃焼器内張り(63)の構成
    要素であることを特徴とする請求項10ないし12の1つに記載のタービン。
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