JP2007046540A - タービンのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て時におけるタービンロータとシールリングとの間に設ける間隙を最小化することができ、なおかつ、運転時におけるダイアフラムとシールリングの熱伸び差による過大な応力の発生を防止することができるタービンのシール構造を提供する。
【解決手段】タービンロータと静翼との間に位置し静止体側に支持されており、その内周部に径方向に延びる複数の溝２９を有する一体成形されたダイアフラム１０と、ダイアフラム１０の内周側に設けられタービンロータと静止体との間の間隙をシールするラビリンスシールを形成し、ダイアフラム１０の溝２９に対応する位置に挿入孔２８を有する一体成形されたシールリング１３と、小径部とこの小径部と中心軸のずれた大径部とを有し、小径部がシールリング１３の挿入孔２８に、大径部がダイアフラムの溝２９にそれぞれ挿入された偏心ピン１４とを備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、回転体と静止体との間の間隙のシール手段にラビリンスシールを採用したタービンのシール構造に関する。

ガスタービンの高効率化に対しては、要素性能の向上とともに、燃焼ガスをシールするシール空気やタービン高温要素部材を冷却する冷却空気の削減が有効である。しかし近年では、燃焼ガス温度の高温化によってガスタービンの高効率化を図っているため、燃焼ガスがロータ側に漏洩するとタービンディスクのメタル温度が上昇するため、シール空気や冷却空気が増大する傾向にある。

そこで、タービン部での燃焼ガスのロータ側への漏れ込み現象に関しては、タービンディスクの寿命を考慮して許容温度を設定し、漏れ込みをある程度許容する設計にしてシール空気の消費量を削減させることが有効である。このような観点から、燃焼ガスの漏れ込み量を最少化するため、動翼のシャンク部にシールフィンを設けたシール構造が採用されている（特許文献１等参照）。

特開２００１−１２３８０３号公報

一般に、ガスタービンにおいて、タービンディスクの高圧側と低圧側は、静翼内輪やダイアフラム、シールリング等により遮断されており、高圧側と低圧側の適正な圧力差が確保されて燃焼ガスの漏洩が防止されている。例えば、静翼の内周側にダイアフラムを嵌合し、さらにダイアフラムの内周側にシールリングをボルトにより取り付け、このシールリングとタービンディスク結合部に設けられた突起とによって、ラビリンスシールを形成する場合がある。

タービンディスクの高圧側から低圧側への燃焼ガスの漏洩を小さくするためには、運転時のラビリンスシールの間隙を可能な限り小さくすることが望ましい。しかしながら、タービンケーシング・ダイアフラム・シールリング等の製作公差を考慮すると、組み立て時にタービンディスクとシールリングが接触しないようにするためにラビリンスシールの間隙を大き目に確保しなければならず、その分シール空気量を確保する必要がある。

またダイアフラムは高温高圧の燃焼ガス或いはシール空気に曝されるため、熱的影響によって径方向に変形する。よって、ダイアフラムにシールリングを溶接やボルトによって固定してしまうと、ダイアフラムやシールリングは熱変形により過大な応力を受ける可能性がある。

本発明の目的は、組み立て時におけるタービンロータとシールリングとの間に設ける間隙を最小化することができ、なおかつ、運転時におけるダイアフラムとシールリングの熱伸び差による過大な応力の発生を防止することができるタービンのシール構造を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、タービンロータと静翼との間に位置し静止体側に支持されており、その内周部に径方向に延びる複数の溝を有する一体成形されたダイアフラムと、このダイアフラムの内周側に設けられ前記タービンロータと静止体との間の間隙をシールするラビリンスシールを形成し、前記ダイアフラムの溝に対応する位置に挿入孔を有する一体成形されたシールリングと、小径部とこの小径部よりも径が大きく前記小径部と中心軸のずれた大径部とを有し、前記小径部が前記シールリングの挿入孔に、前記大径部が前記ダイアフラムの溝にそれぞれ挿入された偏心ピンとを備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記シールリングがハニカムシールを有することを特徴とする。

本発明によれば、偏心ピンを回転操作することによりシールリングとタービンロータの軸心を容易に合致させることができるので、組み立て時におけるタービンロータとシールリングとの間に設ける間隙を最小化することができる。また、ダイアフラムとシールリングとの相対位置を定める偏心ピンがダイアフラムの溝内を移動可能であるため、運転時におけるダイアフラムとシールリングの熱伸び差による過大な応力の発生を防止することもできる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１はガスタービンの模式図である。
ガスタービン１００では、高温の燃焼ガスを作動流体としてタービン１９を回転させて発電機２０を駆動する。圧縮機１７で圧縮された空気を燃焼器１８に導くとともに燃焼器１８内に燃料を投入し着火すると、高温の燃焼ガスが得られる。得られた燃焼ガスは圧縮機１７と同期して回転するタービン１９に導かれる。燃焼ガスにより回転駆動されたタービン１９の発生動力は、発電機２０と圧縮機１７を駆動するのに用いられる。

ここで、図２は一般的なガスタービンにおける隣接するタービンディスクの締結部近傍の縦断面である。
タービンロータは、外周部に複数の動翼を備えたタービンディスクを軸方向に重ね合わせて構成されている。図２において、軸方向に隣接するタービンディスク１，２は継手部３を介して連接している。継手部３を介して対向する高圧側のタービンディスク１の背面側（下流側）部分と低圧側のタービンディスク２の前面側（上流側）部分には、径方向外向きに延びる環状の突起（シールフィン）１ａ，２ａがそれぞれ設けられている。タービンディスク１，２の外周部にはそれぞれ複数の動翼５，６が周方向にほぼ等間隔に設けられている。

上記構成のタービンロータは、ケーシング４に覆われている。ケーシング４の内壁には、動翼５，６の間に位置するように配置された静翼７が固定されている。静翼７は、周方向に複数に分割されたセグメントパーツからなり、ケーシング４の内壁にその外輪８を嵌合して固定してある。

ところで、効率向上のためには高温の燃焼ガスを用いるのが良い。燃焼ガスを高温化すれば、動翼５を通過して静翼７との間から軸心側に漏れる燃焼ガスの温度もそれだけ高くなるため、高温部品の形状や強度信頼性を損なってしまう恐れがある。そこで一般的には、タービンディスク１，２間に以下に説明する２つのシール構造を設け、燃焼ガスが軸心側に漏れることを防止している。

第一のシール構造は、静翼７の内周面の前面側及び背面側に形成されている。すなわち、動翼５のシャンク背面部には、シール用突起（シールフィン）５ａが形成されており、静翼７の内周面の前面部とともにシール部を形成している。同様に動翼６のシャンク前面部にもシール用突起（シールフィン）６ａが形成されており、静翼７の内周面の背面部とともにシール部を形成している。このシール構造によって、ガスパスを流れる燃焼ガスが軸心側に直接漏れ込むことを防止している。

第二のシール構造は、ガスパスから軸心側に漏洩した一部の燃焼ガスをダイアフラム１０及びシールリング１３によってシールし、タービンディスク１，２と静止側との間の漏れを防止している。ダイアフラム１０及びシールリング１３によるシール構造は次の通りである。

図２に示すように、タービンディスク１，２と静翼７で囲まれた空間は、静翼７の内周側に保持されたダイアフラム１０によって高圧側ホイールスペース２３と低圧側ホイールスペース２４とに二分されている。ダイアフラム１０は一体成型された全周１リング構造をしており、静翼７の内周面から径方向内向きに突出した内輪９の前面側に配置されている。このダイアフラム１０と押えリング１１で内輪９を挟み込み、固定ボルト１２で押えリング１１を固定することにより、ダイアフラム１０は静翼７に保持されている。

シールリング１３は、シールフィン１ａ，２ａとの間に僅かな半径方向間隙を介してダイアフラム１０に保持され、ラビリンスシールを形成している（シールリングの保持構造については後述する）。シールリング１３とシールフィン１ａ，１ｂとの間の半径方向間隙が小さい程、運転時に高圧側ホイールスペース２３から低圧側ホイールスペース２４へ通過する燃焼ガスの漏れ量が少なくなる。

以上のシール構造を採用すれば、燃焼ガスの軸心側への漏れ量を減少させることはできるが完全に漏れを防止することは難しい。よって一般のガスタービンにおいては、タービンディスク１，２のメタル温度が材料の許容温度を超えないようにシール空気が供給される。

ところが、一般的なシール構造では、ケーシング４、静翼７、ダイアフラム１０及びシールリング１３の製作公差によるシールリング１３とタービンディスク１，２の軸心のずれが大きくなると、組み立て時にシールリング１３とタービンディスク１，２が接触して組み立てられなくなることも考えられる。そのため、前述した製作公差による軸心のずれ量の生じ得る範囲を想定し、その分シールリング１３とシールフィン１ａ，２ａとの間の半径方向間隙を予め確保しておく必要がある。この場合、運転時のシールリング１３とシールフィン１ａ，１ｂとの間の半径方向間隙が必要以上に大きくなるため、シール空気を増加させなければならず効率低下の一因となっていた。

また、一般のシールリング保持構造においては、ダイアフラム１０とシールリング１３は溶接又はボルト締結により固定されている。燃焼ガスの軸心側への漏れ量はゼロにはできないため、タービンディスク１，２のメタル温度が材料の許容温度を超えないようにシール空気が供給され、ダイアフラム１０とシールリング１３には燃焼ガスとシール空気による熱的影響により熱伸び量に差が生じる。そのためダイアフラム１０とシールリング１３が固定されている場合、熱変形により過大な応力が発生する可能性もあった。

これらの課題を解決する本発明の実施の形態を以下に説明する。
図３は本発明の第１の実施の形態に係るタービンシール構造の概略構成を表す断面図、図４は図３中のIV−IV矢視断面図である。これらの図において、図２と同様の部分及び同様の役割を果たす部分には図２と同符号を付して説明を省略する。
図３及び図４に示すように、本実施の形態のシール構造では、ダイアフラム１０とシールリング１３とが押えリング１５及び偏心ピン１４によって互いに係わり合っている。押えリング１５は、固定ボルト１６でダイアフラム１０に固定されている。この押えリング１５には、ダイアフラム１０に固定された状態で、外径がシールリング外輪１３ａよりも大きく軸方向寸法がシールリング外輪１３ａの軸方向厚みよりも僅かに大きい溝３１が形成されている。この溝３１にはシールリング外輪１３ａが緩挿されている。

ダイアフラム１０は、図２の例と同様に一体成形されており、タービンロータと静翼との間に位置し静止体側に支持されているが、その内周部に径方向に延びる複数の溝２９を有している。シールリング１３も図２の例と同様に一体成形されており、ダイアフラム１０の内周側に設けられ、タービンロータと静止体との間の間隙をシールするラビリンスシールを形成するものであるが、ダイアフラム１０の溝２９に対応する位置に挿入孔２８を有している。溝２９及び挿入孔２８の数は３箇所以上設けることが望ましい。本実施の形態では、溝２９及び挿入孔２８をほぼ９０°間隔で４箇所ずつ設けてある。

図５は偏心ピン１４の詳細構造を表す図、図６は本実施の形態におけるシールリング１３の近傍の詳細構造を表した拡大図、図７はダイアフラム１０の溝２９内の偏心ピン１４の様子を表した図である。
図５〜図７に示した通り、偏心ピン１４は、直径Ｄ１の円筒形状をした小径部１４ａと、この小径部１４ａよりも大きな直径Ｄ２（＞Ｄ１）の円筒形状をした大径部１４ｂとを連接して構成してある。小径部１４ａと大径部１４ｂは互いの中心軸が距離ｘだけずれた偏心構造となっている。小径部１４ａの端面には、小径部１４ａの中心位置に合わせて六角穴１４ｃが設けられている。この偏心ピン１４は、小径部１４ａがシールリング１３の挿入孔２８に、大径部１４ｂがダイアフラム１０の溝２９にそれぞれ挿入されている。このようにダイアフラム１０とシールリング１３が押えリング１５と偏心ピン１４を介して複数箇所（本実施の形態では４箇所）で係わり合っているので、偏心ピン１４を回転操作することにより、各位置において大径部１４ｂと小径部１４ａの偏心量の範囲でダイアフラム１０とシールリング１３の位置関係を調節し、ダイアフラム１０とシールリング１３の軸心位置を調節することができるようになっている。

なお、溝２９の幅（周方向幅）は偏心ピン１４の大径部１４ｂを格納しつつも、大径部１４ｂの移動と回転を拘束しないように大径部１４ｂの直径Ｄ２よりも僅かに大きく確保されている。シールリング１３に設けた挿入孔２８の穴径は偏心ピン１４が回転を阻害しない程度に小径部１４ａの直径Ｄ１よりも僅かに大きくなっている。

次に、図６等を参照しつつ上記構成の本実施の形態におけるシール構造の作用効果を説明する。
まず、組み立て時においては、シールリング１３の前面側から偏心ピン１４の小径部１４ａを差し込んだ状態で、ダイアフラム１０をシールリング１３の外輪１３ａの前面側に配置し、偏心ピン１４の大径部１４ｂをダイアフラム１０の溝２９に収容するようにして差し込む。このとき、４箇所の偏心ピン１４の六角穴１４ｃ（図５参照）に六角レンチ等の工具を差し込んで各位置の偏心ピン１４を適宜回転操作し、タービンディスク１，２とシールリング１３の軸心が合致するように、シールリング１３の位置を調節する。調節後はその軸心位置が変わらないように、止めネジや溶接等の手段を用いて偏心ピン１４に回り止め加工をすることが望ましい。その後、押えリング１５を取り付けてシールリング１３の軸方向の動きを拘束する。

この構造によれば、ダイアフラム１０やシールリング１３等の製作公差によらず、タービンディスク１，２とシールリング１３の軸心を容易に合わせることができるため、予めラビリンスシールの間隙を大きくしておく必要がない。このように、組み立て時におけるラビリンスシールの間隙を小さく設定することができるので、それだけ運転時におけるラビリンスシールの間隙も小さくすることができる。よって、ホイールスペース２３に供給するシール空気を削減することができ、ガスタービンの効率向上に大きく寄与する。

また運転時において、ダイアフラム１０及びシールリング１３は全周１リング構造であるため、熱変形はいずれも半径方向に発生する。よって、これら２つの部材の相対位置を定める偏心ピン１４も半径方向に移動しようとする。偏心ピン１４がダイアフラム１０及びシールリング１３の双方に対して固定されていると、偏心ピン１４の移動が拘束され、応力集中が発生する恐れがある。

それに対しても、本実施の形態によれば、図７等に示すようにダイアフラム１０に形成された溝２９内で偏心ピン１４の大径部１４ｂが移動可能であるため、偏心ピン１４の半径方向の移動が拘束されることもない。これにより、ダイアフラム１０及びシールリング１３の熱伸び差による過度な応力集中の発生を防止することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、組み立て時におけるタービンロータとシールリングとの間に設ける間隙を最小化することができ、なおかつ、運転時におけるダイアフラムとシールリングの熱伸び差による過大な応力の発生を防止することができる。

なお、本実施の形態において、高圧側ホイールスペース２３へのシール空気の具体的な供給方法は特に限定していないが、本発明によるシール構造を構成することができれば、圧縮機１７から抽気した圧縮空気２２（図１参照）を、例えば、静翼７の内部、タービンディスク１の内部、動翼５のシャンク部等からホイールスペース２３等のシール箇所に供給することが考えられる。

図８は本発明の第２の実施の形態に係るタービンシール構造に用いられたシールリング１３の近傍の詳細構造を表した拡大図である。この図において、先の各図と同様の部分及び同様の役割を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施の形態が前述した第１の実施の形態と相違する点は、図８に示すようにシールリング１３の内周面にハニカム２５が装着されている点であり、その他の構造については第１の実施の形態と同様である。

こうしたハニカムシールでは、運転時に回転するシールフィン１ａ，２ａは、ハニカム２５に接触するとハニカム２５を削ってハニカム２５に食い込む。これにより、ラビリンスシールの間隙を微小化することができ、ハニカム２５のないラビリンスシール構造に対して空気等の漏れ量をさらに小さくすることが可能となる。

このようなハニカムシールの効果を得るためには、組み立て時におけるシール間隙を通常のラビリンスシール構造に対してさらに小さく設定する必要がある。本実施の形態においては、組み立て時において偏心ピン１４を調整し、シールリング１３とタービンディスク１，２の軸心を一致させることができるため、組み立て時のシール間隙を、運転時にハニカムシールの効果を得るために必要な間隙以下にすることも容易である。よって、ホイールスペース２３に供給するシール空気をさらに削減することができ、更なるガスタービンの効率向上に寄与する。勿論、本実施の形態においても、溝２８内で偏心ピン１４の大径部１４ｂが摺動可能であるため、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、ダイアフラム１０とシールリング１３の熱伸び差による過度な応力集中を防止することができる。

ブラシシール等の比較的柔軟なシール構造の場合には多少の芯ずれがあっても組立作業自体が不能となることはないが、以上のように、ラビリンスシール、特にハニカムを用いたラビリンスシールを採用した場合には、組み立て時におけるシールフィンとシールリングの接触が許容されないため、本発明のように容易に芯出しすることができる機構は極めて有益である。また本発明はガスタービンに限られず蒸気タービンにも適用可能であり、その場合も同様の効果を得ることができる。

ガスタービンの模式図である。 一般的なガスタービンにおける隣接するタービンディスクの締結部近傍の縦断面である。 本発明の第１の実施の形態に係るタービンシール構造の概略構成を表す断面図である。 図３中のIV−IV矢視断面図である。 偏心ピンの詳細構造を表す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るタービンシール構造に用いられたシールリングの近傍の詳細構造を表した拡大図である。 ダイアフラムの溝内の偏心ピンの様子を表した図である。 本発明の第２の実施の形態に係るタービンシール構造に用いられたシールリングの近傍の詳細構造を表した拡大図である。

符号の説明

１，２ タービンディスク
７ 静翼
１０ ダイアフラム
１３ シールリング
１４ 偏心ピン
１４ａ 小径部
１４ｂ 大径部
２５ ハニカム
２８ 挿入孔
２９ 溝

Claims (2)

1. タービンロータと静翼との間に位置し静止体側に支持されており、その内周部に径方向に延びる複数の溝を有する一体成形されたダイアフラムと、
   このダイアフラムの内周側に設けられ前記タービンロータと静止体との間の間隙をシールするラビリンスシールを形成し、前記ダイアフラムの溝に対応する位置に挿入孔を有する一体成形されたシールリングと、
   小径部とこの小径部よりも径が大きく前記小径部と中心軸のずれた大径部とを有し、前記小径部が前記シールリングの挿入孔に、前記大径部が前記ダイアフラムの溝にそれぞれ挿入された偏心ピンと
   を備えたことを特徴とするタービンのシール構造。
2. 請求項１のタービンのシール構造において、前記シールリングがハニカムシールを有することを特徴とするタービンのシール構造。

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