JP2006220047A - ガスタービンのシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも柔軟に対応し良好なシール性能を維持することができるガスタービンのシール装置を提供する。
【解決手段】相隣接する構成部材２１ａ−１，２１ａ−２の互いの対向端面に設けられたシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に架け渡されて構成部材２１ａ−１，２１ａ−２間の間隙をシールするガスタービンのシール装置３３において、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の溝深さ方向の寸法が構成部材２１ａ−１，２１ａ−２間の間隙寸法よりも大きな複数の薄板状のシールプレート４０ａと、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の溝深さ方向の寸法がシールプレート４０ａよりも小さな複数のスペーサ４０ｂとを備え、一方側のシール溝３２ｂ−２内で、端部４１を揃えてシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂをシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の溝幅方向に積層して互いに固着させて構成したシール本体３４を備えている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、圧縮空気を燃料とともに燃焼して得た燃焼ガスによって回転動力を得るガスタービンに用いられるシール装置に関するものである。

近年のガスタービンは、熱効率向上のために作動ガス温度を高くする傾向にあり、それに伴って作動ガスによる高温環境にタービンの静翼や動翼が耐えられるように翼内部に冷却媒体を供給するように構成している。この種のガスタービンに採用される冷却方式には空気冷却のオープン冷却方式が多い。例えば、圧縮機から抽気した空気をケーシングやタービンロータ内部を経由させて翼内部に導き、翼内部を冷却した後の空気を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するのが一般的である。また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部は、タービンホイールスペースのシール空気として分流されるが、それもイングレス抑制用にガスパスに排出されることになる。

ところで、静翼やダイアフラム等の構成部材はセグメント構造として周方向に環状に配置されるが、熱伸び量を考慮して周方向に隣接する構成部材（セグメント）間に間隙を設けている。この間隙は、定格運転時においてもゼロにならないように設計されている。ケーシングやタービンロータの内部に形成した空気流路はこうした構成部材間の間隙を介してガスパスに連通し、翼の冷却やホイールスペースのシールのために導いた空気の一部が構成部材間の間隙を通過してガスパス中に漏洩してしまう。こうした冷却空気等のリークは、それ自体が損失であるとともに、ガスパス中の作動ガスの温度低下や冷却空気が混入するときに発生する混合損失としてタービンの出力低下の一因となる。

そこで一般に、周方向に間隙を介して隣接する構成部材の互いの対向端面にシール溝を形成し、平板状のシールプレートを対向するシール溝間に架け渡して構成部材間の間隙を塞ぎ、冷却空気のリークを抑制する手法が採られている（特許文献１等参照）。

特開平１０−２１２９０４号公報

上記従来技術では、薄板状のシールプレートを複数枚積層し、各シールプレートがシール溝の溝深さ方向に適当に移動して全体的なシール溝深さ方向の幅を拡大することによってシール性能を向上させている。しかしながら、隣接する構成部材間には半径方向の熱伸び量に偏差が生じ、それによってシール溝の半径方向位置にずれが生じることがある。シールプレートではシール溝のずれが生じるとシール溝との接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能が低下する。また、シールプレートがシール溝内においてプレート面内で回転した場合には、シールプレートとシール溝との接触状態が点接触、或いは非接触状態ともなり得る。こうした現象は、特に上記従来技術のように複数のシールプレートを単に重ね合わせた場合、全体に剛性が高まって弾性変形し難くなるため一層起こり易くなる。

本発明は、こうした事情に鑑みなされたもので、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも柔軟に対応し良好なシール性能を維持することができるガスタービンのシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、相隣接する構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするガスタービンのシール装置において、前記シール溝の溝深さ方向の寸法が前記構成部材間の間隙寸法よりも大きな複数の薄板状のシールプレートと、前記シール溝の溝深さ方向の寸法が前記シールプレートよりも小さな複数のスペーサとを備え、前記構成部材のいずれか一方側のシール溝内で、前記溝深さ方向の端部位置を揃えて前記シールプレート及びスペーサを前記シール溝の溝幅方向に積層し互いに固着させて構成したシール本体を備えている。

本発明によれば、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも柔軟に対応し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を向上させることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係るシール装置であるガスタービンの一構成例を示す概念図、図２はタービン部の高圧部近傍の内部構造を表す断面図である。
図示したガスタービン１は、主として燃焼用の圧縮空気を生成する圧縮機２、この圧縮機２からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器３、この燃焼器３からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービン４を備えている。タービン４で得られた軸動力は、圧縮機２及び発電機５の駆動力として用いられる。本実施の形態では、発電機５を圧縮機２に連結しているが、タービン４に連結する構成としても良い。タービン４は１軸式のものでも良いし、互いに独立して回転する低圧タービン及び高圧タービンを有する２軸式のものでも良い。また負荷機器として発電機５を用いた場合を例に挙げているが、得られた軸動力でポンプや他の圧縮機等を駆動する場合もある。

圧縮機２から抽気した冷却空気は、第２段静翼１１ａを冷却するための静翼冷却空気流路６ａ１、第１段静翼１０ａを冷却するための静翼冷却空気流路６ａ２、第１及び２段動翼１０ｂ，１１ｂを冷却するための動翼冷却空気流路６ｂを経て、タービン被冷却部に供給される。このとき、抽気空気は、各翼のガスパス圧力に応じた圧力を選定しており、例えば、静翼冷却空気流路６ａ２及び動翼冷却空気流路６ｂには圧縮機最終段近傍の抽気空気、冷却空気流路６ａ１には圧縮機中圧段の抽気空気を用いる。被冷却部を冷却した空気は、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９中に排出され、作動ガスと混合されて大気放出される。

静翼冷却空気流路６ａ１を通過してケーシング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、図２に示すように、第２段静翼供給チャンバー１３を経て、ケーシング１２の内周側に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。第２段静翼体２１に供給された冷却空気の一部は、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して第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に放出される。

一方、第２段静翼体２１に供給された空気の他の一部は、第２段静翼体２１の内周側に周方向に環状配置されたダイアフラム１５のチャンバー１４を経て、タービンロータの第１段ホイール１９ａ、スペーサ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に供給される。その後、ダイアフラム１５とスペーサ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に分岐され、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。

ここで、詳細は後述するが、静翼や動翼のダイアフラム、また後述する静翼体セグメント等といったタービン周方向に環状に配置したセグメント構造をなす構成部材は、熱伸び量を考慮して周方向に隣接する構成部材（セグメント）間に間隙を設けている（後の図４も参照）。これらの間隙は、定格運転時においてもゼロにならないように設計されている。したがって、冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂ等はこうした構成部材間の周方向間隙を介してガスパスに連通し一部の空気がガスパス９中に漏洩し得るので、このような箇所に後述するようなシール装置を設ける。

図３は本発明の一実施の形態に係るシール装置を適用した静翼体を抽出して表した概念図である。
この図３に示すように、第２段静翼体２１の静翼体セグメント２１ａにおける外径側エンドウォール３１ａの上流側には概ねタービン半径方向に延びるシール溝３２ａが、外径側エンドウォール３１ａの内周側には概ねタービン軸方向に延びるシール溝３２ｂが設けられている。また、静翼体セグメント２１ａの内径側エンドウォール３１ｂにも概ねタービン軸方向に延びるシール溝３２ｃが設けられている。

図４は相隣接する構成部材である静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２をタービン径方向外側から見た図である。
図４では代表的に２つの静翼体セグメント２１ａ−１、２１ａ−２を示しているが、第２段静翼体２１はさらに多数の静翼体セグメントが環状に配置されている。両静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２は、互いの間に周方向間隙σc_coldを持たせて組み立てられている。したがって、静翼体セグメント２１ａ−１の外径側エンドウォール３１ａ−１と静翼体セグメント２１ａ−２の外径側エンドウォール３１ａ−２とは対向しており、相隣接するエンドウォール３１ａ−１，３１ａ−２の互いの対向端面には、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２が設けられている。本実施の形態においては、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２のエッジ部分はテーパ形状（Ｒ形状でも良い）になっている。これら対向するシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２には、エンドウォール３１ａ−１，３１ａ−２の間の周方向間隙を塞ぐように、シール装置３３が架け渡されて装着されている。これによって、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２間の間隙が遮断され、構成部材間の間隙がシールされるようになっている。

図５は本実施の形態に係るシール装置の詳細構造を表す径方向断面図である。
図５に示したように、本実施の形態に係るシール装置３３は、複数のシールプレート４０ａ及び複数のスペーサ４０ｂをシール溝の溝幅方向（図５中の上下方向）に積層して構成したシール本体３４を備えている。このシール本体３４がシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２間に掛け渡され、構成部材間の間隙により形成される第２段静翼供給チャンバー１３とガスパス９の連通路が遮断される。シールプレート４０ａは、シール溝の溝深さ方向（図５中の左右方向）の寸法が隣接する構成部材（静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２）間の運転前の間隙寸法δc_coldよりも大きな薄板状の部材である。一方スペーサ４０ｂは、シール溝深さ方向の寸法がシールプレート４０ａよりも小さな薄板状の部材で構成されている。

なお、本実施の形態では、シールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂを交互に積み重ねてあるが、シールプレート４０ａとスペーサ４０ｂの積み重ねの順序について特に限定はない。また、シールプレート４０ａに対するスペーサ４０ｂの枚数の割合も特に限定されず、シールプレート４０ａ何枚かおきにスペーサ４０ｂを一枚又は複数枚介設するようにしても良い。このとき、シール本体３４のシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂの端部４１を揃えた側の反対側部分のシール溝幅方向の寸法は、対応するシール溝３２ｂ−１の溝幅寸法と同程度かそれよりも僅かに小さく設定されている。

シール本体３４は、構成部材２１ａ−１，２１ａ−２のいずれか一方側のシール溝（本例ではシール溝３２ｂ−１）内で、シール溝深さ方向の端部４１の位置を揃えてシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂを積層してそれら積層したシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂを溶接等で固着させてある。スペーサ４０ｂのシール溝深さ方向の寸法は、好ましくは、シール本体３４の端部４１に端を揃えた状態でシール溝３２ｂ−１のエッジ部分から間隙にスペーサ４０ｂが突出しないようにする。なお、シールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂの端部４１は正確に揃っていなくても概ね揃っていれば良く、場合によってはスペーサ４０ｂがシール溝３２ｂ−１の内部に納まっていれば必ずしも端部４１を揃える必要はない。

また、シール本体３４におけるシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂの端部４１を揃えた側（シール溝３２ｂ−１側）には付勢手段としてのバネ状部材４２が溶接にて固定されており、シール本体３４はバネ状部材４２によってシール溝幅方向からシール溝３２ｂ−１の内壁に押し付けられ、シール溝３２ｂ−１内に固定されている。シール溝３２ｂ−１は、バネ状部材４２（後述）を挿入する分だけシール溝３２ｂ−２よりも溝幅が広くなっている。これによって、シール装置３３は、シール溝３２ｂ−１との間にバネ力による固定的な面接触状態のプレート接触面２３ａを形成し、またシール溝３２ｂ−２との間には従動的な面接触状態のプレート接触面２３ｂを形成する。

本実施の形態において、ガスタービン１の運転とともに燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、タービン４へ流入する時点において、一般に圧力が１２ａｔａ程度、温度が１２００℃程度である。その後、タービン内部の第１段静翼１０ａ、第１段動翼１０ｂをはじめ、タービン各段で膨張仕事をしながら圧力及び温度を低下させ、６００℃程度で最終段動翼を通過して放出される。このとき、ガスタービン１に直結した発電機５が回転して電力が得られる。

タービン各段の翼は、高温の作動ガスに晒されるため、圧縮機２から抽気した一部の高圧空気を冷却空気として高温箇所に供給し冷却する。この冷却空気は冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂを介して高温箇所にある静翼や動翼に供給され、翼内部で熱交換して翼材料の許容温度以下にメタル温度を減温する。

このとき、各冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂには、間隙を介して隣接する構成部材間に形成され得るリーク流路を介し、冷却空気がガスパス９に漏洩する可能性があるが、先に説明したように、シール装置３３をリーク流路に装着することによって冷却空気の漏洩が防止される。次に、ガスタービン運転時のシール装置３３の作用について説明する。

図６はガスタービン運転中の本実施の形態に係るシール装置の作用説明図である。
図６において、ガスタービンの運転とともに作動ガスや冷却空気からの流入熱によって各部材は温度上昇する。その結果、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２には熱伸びが生じ、それぞれの熱伸びの偏差量によって、組立時の周方向のセグメント間隙σc_coldがσc_hot（＜σc_cold）まで狭まる。しかし、この間隙σc_hotは定格点においても接触しないように設計されているためゼロになることはない。また、この静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２の動きに連動し、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２も周方向に移動する。

このとき、シール溝内部に装着されたシール装置３３は、シール溝３２ｂ−１内でバネ状部材４２によって押圧されて拘束されているが、反対側はシール溝３２ｂ−２の内壁面に対してシール溝深さ方向に相対的にスライドする。したがって、シール装置３３は静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２の周方向間隙の変化を吸収し、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とのプレート接触面２３ａ，２３ｂを面接触状態に維持する。

また、熱伸びの動きは、周方向に留まらずタービン半径方向にも発生する。すなわち、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２に熱流動上の熱偏差が生じ、図６に示したようにシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に半径方向のずれδｒが発生することになる。図６では、静翼体セグメント２１ａ−２の径方向の熱伸び量の方が静翼体セグメント２１ａ−１より大きい場合について説明する。

シール装置３３は、バネ状部材４２によってシール溝３２ｂ−１に拘束されているので、シール溝３２ｂ−１に対して相対移動することはなく、シール溝３２ｂ−１がタービン半径方向に変位しても、プレート接触面２３ａに変化は生じない。それに対し、端部４１の反対側は、タービン半径方向に移動するシール溝３２ｂ−２のタービン半径方向内側の内壁面によってシールプレート４０ａがタービン半径方向外側へ弾性域の範囲で押し上げられる。このとき、シール本体３４は端部４１側にスペーサ４０ｂを介在させているため、端部４１と反対側の積層したシールプレート４０ａ間に間隙を有する部分は剛性が低くなっており、シール溝３２ｂ−２の移動に対して柔軟に変形する。その結果、シールプレート４０ａは、シール溝３２ｂ−２のタービン半径方向内側の内壁面に強く押し付けられ、シール溝３２ｂ−２の形状に倣って変形するためプレート接触面２３ｂの面接触状態が維持される。

逆に、静翼体セグメント２１ａ−１の径方向の熱伸び量の方が静翼体セグメント２１ａ−２より大きい場合、シール溝３２ｂ−２はシール溝３２ｂ−１に対し相対的にタービン半径方向内側に移動する。この場合、シールプレート４０ａの端部４１の反対側は、シール溝３２ｂ−２のタービン半径方向外側の内壁面によってタービン半径方向内側へ弾性域の範囲で押し下げられる。その結果、シールプレート４０ａは、シール溝３２ｂ−２のタービン半径方向外側の内壁面に強く押し付けられ、シール溝３２ｂ−２の形状に倣って変形するため、面接触状態のプレート接触面２３ｂがシール溝３２ｂ−２のタービン半径方向外側の内壁面とシール本体３４との間に形成される。

以上のように本実施形態によれば、隣接する構成部材（静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２等）に熱伸び量の偏差が生じても、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とシール本体３４との接触状態を常に面接触状態に保つことができるので、隣接する構成部材間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を高めることができる。

また、仮にスペーサ４０ｂを介在させずにシールプレート４０ａを積層した場合には、シール装置３３の剛性が高まるため、隣接する構成部材間の熱伸び量に偏差が生じるとシール溝３２ｂ−２のエッジ部分にシール本体３４が線接触し過大な応力が発生する可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、スペーサ４０ｂを介してシールプレート４０ａを積層してシール本体３４の剛性をあえて低くしているので、面接触状態のプレート接触面２３ｂを常に維持することができ、シール溝３２ｂ−２のエッジ部分等への応力集中を防止することができ、シールプレート４０ａ及びシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の損傷破壊を未然に防止することができる。

また、万一、あるシールプレート４０ａが破損することがあっても、シールプレート４０ａを積層しているので、他のシールプレート４０ａで破損したシールプレートを押圧、若しくは破損したシールプレートに代わってプレート接触面を形成し、直ちにシール性能が低下し難いことも利点である。

なお、以上においては、バネ状部材４２でシール本体３４をシール溝に固定する場合を例にとって説明したが、シール本体３４のシールプレート４０ａ及びスペーサ４０ｂの端部４１位置を揃えた側、すなわちスペーサ４０ｂを介在させた側をシール溝の内壁面に溶接にて固定する構成としても良い。例えば、図５において端部４１側をシール溝３２ｂ−１の内壁面に溶接すれば、シール本体３４の周囲に生じ得るリーク流路のうち、少なくとも端部４１側のリーク流路は完全に遮断することができる。

また、本実施の形態では、第２段静翼体の外径側エンドウォールについて本発明を適用した例を説明したが、当該部分のみならず、例えば、内径側エンドウォールや他の段落の静翼セグメント、動翼のシュラウドや静翼ダイアフラム等といった、間隙を介して複数の構成部材が隣接し構成部材間の間隙から冷却空気がリークし得る他の箇所にも本発明は適用可能である。これらの場合も同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態に係るシール装置であるガスタービンの一構成例を示す概念図である。 タービン部の高圧部近傍の内部構造を表す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るシール装置を適用した静翼体を抽出して表した概念図である。 相隣接する構成部材である静翼体セグメントをタービン径方向外側から見た図である。 本発明の一実施の形態に係るシール装置の詳細構造を表す径方向断面図である。 ガスタービン運転中の本発明の一実施の形態に係るシール装置の作用説明図である。

符号の説明

１５ ダイアフラム
２１ａ−１ 静翼体セグメント
２１ａ−２ 静翼体セグメント
３２ｂ−１ シール溝
３２ｂ−２ シール溝
３３ シール装置
３４ シール本体
４０ａ シールプレート
４０ｂ スペーサ
４１ 端部
４２ バネ状部材

Claims (4)

1. 相隣接する構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするガスタービンのシール装置において、
   前記シール溝の溝深さ方向の寸法が前記構成部材間の間隙寸法よりも大きな複数の薄板状のシールプレートと、前記シール溝の溝深さ方向の寸法が前記シールプレートよりも小さな複数のスペーサとを備え、
   前記構成部材のいずれか一方側のシール溝内で、前記溝深さ方向の端部位置を揃えて前記シールプレート及びスペーサを前記シール溝の溝幅方向に積層し互いに固着させて構成したシール本体を備えていることを特徴とするシール装置。
2. 請求項１のシール装置において、前記シール本体の前記シールプレート及びスペーサの端部位置を揃えた側に設けられ、前記溝幅方向から前記シール溝の内壁に前記シール本体を押し付け、前記シール本体を前記シール溝に固定する付勢手段をさらに備えたことを特徴とするシール装置。
3. 請求項１のシール装置において、前記シール本体は、前記シールプレート及びスペーサの端部位置を揃えた側が前記シール溝の内壁に溶接されていることを特徴とするシール装置。
4. 請求項１のシール装置において、前記シール本体の前記シールプレート及びスペーサの端部位置を揃えた側と反対側部分の溝幅方向の寸法は、対応するシール溝の溝幅寸法と同程度かそれよりも僅かに小さく設定されていることを特徴とするシール装置。

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