JP2003525382A

JP2003525382A - タービン

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Publication number: JP2003525382A
Application number: JP2001563751A
Authority: JP
Inventors: ティーマン、ペーター
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2003-08-26
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: DE50101990D1; JP4660051B2; WO2001065074A1; US20030021676A1; US6705832B2; CN1408049A; EP1276972A1; EP1130218A1; CN1278020C; EP1276972B1

Abstract

(57)【要約】タービン（６）、特にガスタービンにおいて、タービン（６）の円周方向（３２）に互いに隣接する静翼（１８）を漏れ止めするために、静翼（１８）の翼根元部プレート（２１）が入り込む収容部（５０）を備えたシール要素（４４）が設けられている。この場合、従来の漏れ止め装置と異なって、翼根元部プレート（２１）の縁部を厚肉に形成する必要はない。これによって、翼根元部プレート（２１）を全体にわたって均質に冷却することができる。これは殊に、特に蒸気で冷却するために閉鎖冷却系統（６２）を使用することを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明はタービン、特にガスタービンに関する。

【０００２】タービン、特にエネルギー発生用発電所におけるガスタービンにおいては、高
温ガスがタービンを通って導かれる。これによって、動翼が取り付けられている
軸が駆動される。この軸は一般にエネルギーを発生するために発電機に結合され
ている。動翼は半径方向へ外側に延びている。逆方向に、即ち半径方向へ外側か
ら内側に延びて、静翼が配置されている。静翼および動翼はタービンの長手方向
に見て、歯状にかみ合っているように互い違いに配置されている。タービンは一
般に複数のタービン段を有し、各タービン段に静翼環が配置され、即ち複数の静
翼がタービンの円周方向に並べて配置されている。個々の静翼環が軸線方向に連
続して配置されている。タービンを貫流する高温ガスの流れ経路は以下において
ガス空間と呼ばれる。

【０００３】静翼はそれぞれ半径方向にガス空間の中に延びている翼形部（羽根）を有し、
この翼形部は翼根元部プレートに設けられ、静翼はこの翼根元部プレートを介し
ていわゆる静翼ホルダに固定されている。静翼の個々の翼根元部プレートは閉鎖
面を形成し、ガス空間の外側を画成している。個々の翼根元部プレート間をでき
るだけ小さな漏れ隙間にするために、個々の翼根元部プレート間に通常、漏れ止
め装置が配置されている。

【０００４】特に円周方向に互いに隣接する翼根元部プレートに対する従来の漏れ止め装置
の場合、翼根元部プレートの縁部が厚肉に形成され、その厚肉部端面に溝が加工
されている。漏れ止めするために、隣接する翼根元部プレートの対向して位置す
る溝の中に、共通のシール板が嵌め込まれている。

【０００５】シール板用の溝が配置されている縁部を厚肉（中実）に形成することは、翼根
元部プレートの熱負荷に関して問題がある。タービンにおける高い温度のために
通常、翼根元部プレートは冷却材で冷却される。翼根元部プレートの厚肉縁部と
薄いプレート状部位との間に大きな熱応力を生じないようにするために、その厚
肉縁部に対して特別な冷却処置を講じなければならない。

【０００６】この問題は、冷却するために閉鎖冷却回路（例えば閉鎖蒸気回路）が利用され
るときに大きくなる。その場合、例えば冷却空気が流れる冷却孔を厚肉縁部に開
けることができない。それどころか、閉鎖冷却回路においてそのような孔は盲孔
として形成されねばならず、その場合、冷却材が盲孔を十分に貫流できないので
、冷却効果は自ずと小さい。

【０００７】溝およびシール板をガス空間側の高温ガス側から後ろに下げて置き、シール要
素の下側の厚肉縁部にアンダーカットを設ける漏れ止め方式も存在している。こ
の場合も、そのアンダーカットを冷却材で十分に貫流させねばならないという問
題がある。翼根元部プレートの本体自体に冷却通路を設ける第３方式は製造技術
的に高価である。特に、冷却通路を形成するために翼根元部プレートを鋳造する
際にスペーサを介して位置決めされる中子が一緒に鋳込まれねばならないという
問題が生ずる。その中子並びにスペーサは鋳造後に適当な処置によって除去され
、これによって形成された中空室が冷却通路として利用される。もっとも、スペ
ーサによって空けられた中空室を介して冷却通路が外側に通じてしまい、閉鎖冷
却回路を実施することが非常に難しい。

【０００８】本発明の課題は、タービンにおいて隣接する静翼間の漏れ止め装置を、単純な
冷却に適するように形成することにある。

【０００９】この課題は本発明に基づいて、ガス空間と複数の静翼とを備え、その静翼がそ
れぞれ翼根元部プレートおよびその翼根元部プレートから半径方向にガス空間の
中に延びる翼形部を有し、隣接する静翼の翼根元部プレート間にそれぞれ、翼根
元部プレートが入り込む収容部を備えたシール要素が設けられていることによっ
て解決される。

【００１０】この本発明の基本的な考えは、シール板が翼根元部プレートにある溝に嵌め込
まれる通常のシール原理とは逆になっている。つまり通常のシール原理は、溝が
存在する翼根元部プレートの縁を必然的に厚肉にする必要があり、これは最終的
に冷却の際に問題を生ずる。このシール原理とは逆に、本発明によれば、シール
板は翼根元部プレートに嵌め込まれず、翼根元部プレートがシール要素に嵌め込
まれる。これによって、翼根元部プレートの縁部を厚肉にする必要はなくなる。
従って、冷却が簡単化され、翼根元部プレートがその全部位を均質に冷却され、
これによって熱応力が生じない。

【００１１】本発明の有利な実施態様において、シール要素は断面Ｈ形に形成され、１つの
横脚部を介して互いに結合された２つの縦脚部を有し、縦脚部間に横脚部によっ
て分離された２つの収容部が形成され、各収容部に隣接する静翼の翼根元部プレ
ートが入り込んでいる。即ち、シール要素の両縦脚部は隣接する翼根元部プレー
トを部分的に覆うので、シール特性に加えて、翼根元部プレートがシール要素に
よって保持される。

【００１２】タービンを製造する際の組立技術上の要件に基づいて、シール要素はタービン
の円周方向に互いに隣接する静翼間に配置されている。

【００１３】本発明の有利な実施態様において、翼根元部プレートはそれぞれガス空間から
外側に折り曲げられた側縁を有し、隣接する静翼の２つの側縁間にシール要素が
配置されている。これによって、翼根元部プレートの厚さが増大することなしに
、漏れ止め装置の有効シール高さが増大する。この場合、翼根元部プレートの折
り曲げられた両側側縁は、特に断面Ｈ形に形成されたシール要素に接している。

【００１４】均質な冷却を達成し、これによって熱応力発生を防止するために、側縁は翼根
元部プレートの残り部位とほぼ同じ材料厚さを有している。

【００１５】ガス空間の中へのシール要素の突出を防止するために、翼根元部プレートのガ
ス空間に向けられた正面が、シール要素の範囲にこのシール要素のための、ガス
空間から窪まされた接触支持面を有している。好適には、そのシール要素は翼根
元部プレートにぴったりくっついて密封している。

【００１６】本発明の実施態様において、シール要素と翼根元部プレートとの間に、シール
要素を冷却するために空気の流れ経路が存在している。即ち、シール要素および
翼根元部プレートの側縁における熱負荷を小さくするために、完全に密封する必
要はない。タービンにおけるガス空間の周りの外側空間は通常、ガス空間より高
い圧力に保たれているので、空気が外から漏れ隙間を通してガス空間の中に流入
し、ガス空間からの高温ガスの流出が防止される。

【００１７】本発明の特に有利な実施態様において、翼根元部プレートのガス空間とは反対
側の背面範囲に、冷却材で貫流される閉鎖冷却系統が配置されている。この場合
、冷却材は特に蒸気である。その代わりに、冷却材として水のような液体あるい
は空気や水素のような気体も利用される。そのような閉鎖冷却系統は、翼根元部
プレートおよび静翼全体の効果的で均質な冷却を可能にする。

【００１８】好適には、翼根元部プレートのガス空間とは反対側の背面に冷却材が特に直接
接触しながら流れる。これによって、冷却材と翼根元部プレートとの間において
直接的な熱交換が生ずる。

【００１９】翼根元部プレートの効果的な冷却を達成するために、外側案内板とバッフル板
との間に冷却材の入口通路が形成され、バッフル板が外側案内板と翼根元部プレ
ートとの間に配置されかつ翼根元部プレートに向いた流れ開口を有し、バッフル
板と翼根元部プレートとの間に冷却材の帰還通路が形成されている。これによっ
て、大きな冷却作用を有する閉鎖冷却系統が簡単に実現される。運転中、冷却材
が入口通路を通して導入され、バッフル板にある特にノズル状に形成された流れ
開口を通して翼根元部プレートに向けて高速で転向されるので、冷却材と翼根元
部プレートとの間で強力な熱交換が行われる。そして加熱された冷却材は帰還通
路において排出される。

【００２０】好適には、バッフル板は翼根元部プレートに支持要素を介して支持されている
。これによって、バッフル板は翼根元部プレートから所定の間隔を保持されてい
る。

【００２１】単純な固定のために、バッフル板は翼根元部プレートの折り曲げられた側縁に
固定され、案内板は特にバッフル板に固定されている。

【００２２】翼根元部プレートの簡単な組立および隣接するタービン段間における円周方向
並びに軸線方向における翼根元部プレートの良好な漏れ止めを達成するために、
好適には、円周方向における漏れ止めに対して上述のシール要素が設けられ、軸
線方向における漏れ止めに対して別のシール要素が設けられている。即ち、方向
に関係して特に組立技術上から、異なって形成されたシール要素が採用される。

【００２３】その別のシール要素は、翼根元部プレートをそのガス空間とは反対側の背面で
クリップ状に互いに結合する。この場合の主な利点は、両翼根元部プレートをま
たがって覆う別のシール要素のクリップ状の形成にある。その別のシール要素は
特に多方向に弾力的に形成されているので、熱膨張時に翼根元部プレートに隙間
を空けることなしに追従する。従って、その別のシール要素による漏れ止めは熱
膨張にほとんど影響されない。

【００２４】以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１はタービン設備、図２はタービンの円周方向に隣接する２つの翼根元部プレート間における従来
の漏れ止め装置、図３は本発明に基づく漏れ止め装置、図４はタービン設備の軸線方向に並べて配置された２つの翼根元部プレートに
対する漏れ止め装置、を示す。

【００２５】図１おいて、タービン設備２、特にエネルギー発生用発電所のガスタービン設
備は、燃焼室４およびタービン６を有している。タービン６はタービン設備２の
長手方向つまり軸線方向８において燃焼室４の後ろに配置されている。タービン
６の一部が断面図で示されているので、タービン６のガス空間１２が見えている
。タービン６を貫流する高温ガスＨＧの流れ経路をガス空間１２と呼んでいる。

【００２６】運転中、燃焼室４にガス入口１４を介して燃料ガスＢＧが供給される。この燃
料ガスＢＧは燃焼室４内で燃焼され、上述の高温ガスＨＧを発生する。その高温
ガスＨＧはタービン６を貫流し、ガス排出管１６を通って低温ガスＫＧとしてタ
ービン６から出る。高温ガスＨＧはタービン６において静翼１８並びに動翼２０
を経て導かれる。その際、動翼２０が配置されている軸２２が駆動される。その
軸２２は電気エネルギーを発生する発電機２４に結合されている。

【００２７】動翼２０は軸２２から半径方向へ外側に延びている。静翼１８は翼根元部プレ
ート２１とこの翼根元部プレート２１に固定された翼形部（羽根）２３とを有し
ている。静翼１８はその翼根元部プレート２１を介してそれぞれタービン６の外
側におけるいわゆる静翼ホルダ２６に固定され、半径方向にガス空間１２の中に
延びている。静翼１８および動翼２０は長手方向８に見て、歯状にかみ合ってい
るように互い違いに配置されている。多数の動翼２０および多数の静翼１８がそ
れぞれ翼環の形にまとめられ、その各静翼環がタービン段を表している。図１の
実施例において、第２タービン段２８および第３タービン段３０が例示されてい
る。

【００２８】各静翼１８の翼根元部プレート２１はタービン６の軸線方向８並びに円周方向
３２において互いに隣接し、ガス空間１２の外側を画成している。

【００２９】互いに隣接する翼根元部プレート２１は、それらの間における漏れ隙間３４を
できるだけ小さくするために、互いに漏れ止めされている。

【００３０】円周方向３２に並べて配置された２つの翼根元部プレート２１に対する従来の
漏れ止め装置の場合、翼根元部プレート２１は図２におけるように厚肉の縁部３
６を有している。隣接する翼根元部プレート２１の縁部３６の端面３８にそれぞ
れ対向する位置に溝４０が加工され、それらの両溝４０に、共通のシール板４２
が嵌め込まれる。翼根元部プレート２１がシール板４２の形をしたシール要素を
収容するこのシール原理は、必然的に厚肉の縁部３６を必要とする。一般にこの
縁部３６は、翼根元部プレート２１の残り部位の厚さＤ２より３〜５倍の大きさ
の厚さＤ１を有している。

【００３１】縁部３６の材料厚さと翼根元部プレート２１の残り部位の材料厚さとが異なる
ことは、翼根元部プレート２１の一様で均質な冷却について問題を生じ、このた
めに熱応力発生の危険がある。

【００３２】この問題を回避するために、図３における本発明に基づく実施例において、通
常のシール原理が逆にされて、いまや翼根元部プレート２１がシール要素４４の
中に達している。このシール要素４４は断面Ｈ形に形成され、１つの横脚部４８
を介して互いに結合された２つの側縦脚部４６を有している。従ってこのシール
要素４４は「断面二重Ｔ形ホルダ」の形に形成されている。両側縦脚部４６間で
横脚部４８の両側に、横脚部４８によって分離された２つの収容部５０が形成さ
れ、これらの収容部５０の中にそれぞれ翼根元部プレート２１が入り込み受けら
れる。シール要素４４は断面Ｈ形に形成する代わりに断面Ｔ形に形成され、即ち
唯一の縦脚部４６しか存在しないようにもできる。このようなシール要素４４の
場合、形成された収容部は開いている。

【００３３】ガス空間１２に向けられた翼根元部プレート２１の正面５２は、シール要素４
４の範囲にそれぞれガス空間１２から窪まされた接触支持面５４を有し、これら
の接触支持面５４にそれぞれシール要素４４の縦脚部４６が接する。このために
翼根元部プレート２１はシール要素４４の範囲が段状に形成されている。その段
部に続く翼根元部プレート２１の終端部位は、ガス空間１２から外側にほぼ直角
に曲げられ、それぞれ折り曲げ側縁あるいは半径方向に延びる側縁５６を形成し
ている。隣接する翼根元部プレート２１の側縁５６は横脚部４８に直接当たって
いる。これによって、翼根元部プレート２１をシール範囲において厚肉に形成す
ることなしに、シール高さＨを高めることができる。シール要素４４と少なくと
も片側の翼根元部プレート２１との間に、漏れ隙間として形成された流れ経路５
８が形成されているので、ガス空間１２とは反対側の外側空間６０から例えば空
気が流れ経路５８を介してガス空間１２に流入し、これによってシール範囲、即
ちシール要素４４並びに側縁５６を冷却する。

【００３４】翼根元部プレート２１を冷却するために特に閉鎖冷却系統６２が設けられる。
この閉鎖冷却系統６２は図３に部分的に示され、冷却材として好適には蒸気が使
用される。この閉鎖冷却系統６２は入口通路６４と帰還通路６６とを有している
。入口通路６４は外側案内板６８とバッフル板７０との間に形成されている。そ
のバッフル板７０は案内板６８と翼根元部プレート２１との間に配置されている
。バッフル板７０はノズルの形に形成されている流れ開口７２を有しているので
、入口通路６４を通して導入された冷却材は図示した矢印に沿って帰還通路６６
内に流入する。流れ開口７２のノズル作用によって、冷却材は高速で翼根元部プ
レート２１の背面７４に向けて転向され、これによって冷却材と翼根元部プレー
ト２１との間の効果的な熱伝達が実現される。冷却系統６２の一様な作用を得る
ために、バッフル板７０は例えば溶接点あるいは溶接片の形をした支持要素７６
を介して翼根元部プレート２１に対して間隔を隔てて支持されている。バッフル
板７０は翼根元部プレート２１の側縁５６に直接固定され、特に溶接され、案内
板６８はバッフル板７０に固定されている。

【００３５】図３に示された漏れ止め装置は、組立技術上および冷却技術上の理由から、特
に円周方向３２に隣接する２つの静翼１８に対して利用される。従って図示され
た入口通路６４および帰還通路６６はタービン６の軸線方向８に延びている。即
ち静翼環の翼根元部プレート２１は断面Ｈ形シール要素４４を介して漏れ止めさ
れている。この漏れ止め装置は、連続するタービン段２８、３０の軸線方向に隣
接する翼根元部プレート２１に対しては、たとえ原理的に可能であっても、組立
技術上の理由からあまり適さない。

【００３６】軸線方向８に続いている翼根元部プレート２１の漏れ止め用として、図４にお
けるシール要素８０が特に利用される。このシール要素８０は翼根元部プレート
２１をその背面７４で互いにクリップ状に結合している。シール要素８０は、背
面７４からほぼ半径方向に翼根元部プレート２１の中に延びている溝８２の中に
入れられ、固定される。このシール要素８０は、図４に示されているように例え
ば断面Ｕ形に形成され、１つの湾曲部８４を介して結合された２つの側脚部８６
を備えている。その代わりにシール要素８０にベローズの形の波形構造が設けら
れる。細長い断面Ｕ形形状あるいは波形構造形状は、シール要素８０が弾力性を
有し、熱膨張に基づく翼根元部プレート２１の全方向の運動を可能にするように
作用する。図４には更にフック要素８８が示されている。このフック要素８８は
背面７４に配置され、このフック要素８８によって、静翼１８が静翼ホルダ２６
に固定される（図１参照）。

【図面の簡単な説明】

【図１】タービン設備の一部断面概略側面図。

【図２】タービンの円周方向に隣接する２つの翼根元部プレート間における従来の漏れ
止め装置の断面図。

【図３】本発明に基づく漏れ止め装置の断面図。

【図４】タービン設備の軸線方向に並べて配置された２つの翼根元部プレートに対する
漏れ止め装置の断面図。

【符号の説明】２タービン設備４燃焼室６タービン８軸線方向１２ガス空間１８静翼２１翼根元部プレート２８タービン段３０タービン段３２タービン円周方向４４シール要素４６縦脚部４８横脚部５０収容部５２翼根元部プレートの正面５６側縁５８流れ経路６２閉鎖冷却系統６４入口通路６６帰還通路６８案内板７０バッフル板７４背面７６支持要素８０シール要素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス空間（１２）と複数の静翼（１８）とを備え、その静翼
（１８）がそれぞれ翼根元部プレート（２１）およびその翼根元部プレート（２
１）から半径方向にガス空間（１２）の中に延びる翼形部（２３）を有し、隣接
する静翼（１８）の翼根元部プレート（２１）間にそれぞれ、翼根元部プレート
（２１）が入り込む収容部（５０）を備えたシール要素（４４）が設けられてい
るタービン（６）、特にガスタービン。
【請求項２】シール要素（４４）が断面Ｈ形に形成され、１つの横脚部（
４８）を介して結合された２つの縦脚部（４６）を有し、縦脚部（４６）間に横
脚部（４８）によって分離された２つの収容部（５０）が形成され、各収容部（
５０）に、隣接する静翼（１８）の翼根元部プレート（２１）が入り込む請求項
１記載のタービン。
【請求項３】シール要素（４４）がタービン円周方向（３２）に隣接する
静翼（１８）間に配置されている請求項１又は２記載のタービン。
【請求項４】翼根元部プレート（２１）がそれぞれガス空間（１２）から
外側に曲げられた側縁（５６）を有し、隣接する静翼（１８）の２つの側縁（５
６）間にシール要素（４４）が配置されている請求項１乃至３の１つに記載のタ
ービン。
【請求項５】側縁（５６）が翼根元部プレート（２１）の残り部位とほぼ
同じ材料厚さを有している請求項４記載のタービン。
【請求項６】翼根元部プレート（２１）のガス空間（１２）に向けられた
正面（５２）が、シール要素（４４）の範囲にこのシール要素（４４）のための
、ガス空間（１２）から窪まされた接触支持面（５４）を有している請求項１乃
至５の１つに記載のタービン。
【請求項７】シール要素（４４）が翼根元部プレート（２１）にぴったり
くっついて密封している請求項６記載のタービン。
【請求項８】シール要素（４４）と翼根元部プレート（２１）との間に、
シール要素（４４）を冷却するために空気の流れ経路（５８）が存在している請
求項１乃至７の１つに記載のタービン。
【請求項９】翼根元部プレート（２１）のガス空間（１２）とは反対側の
背面範囲に、冷却材で貫流される閉鎖冷却系統（６２）が配置されている請求項
１乃至８の１つに記載のタービン。
【請求項１０】翼根元部プレート（２１）のガス空間（１２）とは反対側
の背面（７４）に冷却材が接触しながら流れる請求項９記載のタービン。
【請求項１１】外側案内板（６８）とバッフル板（７０）との間に冷却材
の入口通路（６４）が形成され、バッフル板（７０）が外側案内板（６８）と翼
根元部プレート（２１）との間に配置されかつ翼根元部プレート（２１）に向い
た流れ開口（７２）を有し、バッフル板（７０）と翼根元部プレート（２１）と
の間に冷却材の帰還通路（６６）が形成されている請求項９又は１０記載のター
ビン。
【請求項１２】バッフル板（７０）が翼根元部プレート（２１）に支持要
素（７６）を介して支持されている請求項１１記載のタービン。
【請求項１３】バッフル板（７０）が翼根元部プレート（２１）の折り曲
げられた側縁（５６）に固定され、案内板（６８）が特にバッフル板（７０）に
固定されている請求項４、１１、１２の１つに記載のタービン。
【請求項１４】円周方向（３２）に隣接する翼根元部プレート（２１）間
にシール要素（４４）が配置され、軸線方向（８）に隣接する翼根元部プレート
（２１）にそれぞれ別のシール要素（８０）が付設され、この別のシール要素（
８０）が翼根元部プレート（２１）をそのガス空間（１２）とは反対側の背面（
７４）でクリップ状に互いに結合している請求項１乃至１３の１つに記載のター
ビン。