JP2009097396A - ガスタービンのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの効率を低下させることなく、キャビティへの燃焼ガスの巻き込みを抑制するガスタービンのシール構造を提供する。
【解決手段】静翼１の内側シュラウド３の内壁面３ａから軸方向下流側に分岐した分岐部１１を設けると共に、内壁面３ａと分岐部１１との間の空間に、動翼２のプラットホーム６から軸方向上流側に延設した延設部１２を設け、更に、延設部１２の先端に、内壁面３ａと向かって突設され、内壁面３ａと平行な平坦部を有する平坦凸部１２ａを設けると共に、平坦凸部１２ａの近傍に、内壁面３ａに対向する凹部１２ｂを設けたガスタービンのシール構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンのシール構造に関する。

ガスタービンは、上流側から下流側に向かって、燃焼器に送る燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機から送られた燃焼用空気に燃料を噴射して燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器から供給された高温の燃焼ガスにより駆動されるタービン部とを有するものである。

タービン部は、静翼と動翼が、この順に上流側から交互に複数配置された構成であり、上流側の静翼により膨張、減圧された高温の燃焼ガスが、最適な角度で下流側の動翼に流入し、動翼を回転させることにより、タービンロータに回転動力を与えている。

米国特許第４８２０１１６号明細書 米国特許第６０７７０３５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２７１５０４号明細書

上述したように、静翼、動翼の部分には、高温（例えば、１５００℃程度）の燃焼ガスが流れる一方、静翼を軸側から支持する内側シュラウド、動翼を軸側から支持するプラットホームの内側のキャビティには、冷却用（例えば、２００℃程度）のシールエアを流している。

しかしながら、燃焼ガスの圧力変動により、燃焼ガスがキャビティ内に巻き込まれることがあった。燃焼ガスは、シールエアよりかなり温度が高いため、少量巻き込まれた場合でもキャビティ内の温度が高温となり、キャビティ内部の部材、例えば、ハニカムシールプレートや固定ボルトが損傷するおそれがあった。この現象を防止するためには、シールエアの空気量を増やせばよいが、増やせば、燃焼ガス流へ低温のシールエアが多く混入し、ガスタービンの効率が低下するおそれがあった。

このような現象を防止するため、特許文献１〜３では、キャビティ部分をシールするシール構造が提案されているが、これらのシール構造においても、燃焼ガスの圧力変動の影響を十分に防止することはできず、燃焼ガスがキャビティ内に巻き込まれることがあった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、ガスタービンの効率を低下させることなく、キャビティへの燃焼ガスの巻き込みを抑制するガスタービンのシール構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るガスタービンのシール構造は、
軸方向に交互に多段に配置された静翼と動翼の内側のキャビティをシールするガスタービンのシール構造であって、
前記静翼の内側シュラウドの内壁面から軸方向下流側に分岐した分岐部を設けると共に、前記内壁面と前記分岐部との間の空間に、前記動翼のプラットホームから軸方向上流側に延設した延設部を設けて、ダブルオーバーラップ構造とし、
更に、前記延設部の先端に、前記内壁面に向かって突設され、前記内壁面と平行な平坦部を有する平坦凸部を設けると共に、前記延設部の前記平坦凸部の近傍に、前記内壁面に対向する凹部を設けて、ラビリンス構造としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るガスタービンのシール構造は、
軸方向に交互に多段に配置された静翼と動翼の内側のキャビティをシールするガスタービンのシール構造であって、
前記静翼の内側シュラウドの垂直壁面に取り付けられ、軸方向下流側に延設された第１分岐部と、前記第１分岐部から分岐して、軸方向下流側に延設された第２分岐部とを有する分岐部材と、前記第１分岐部と前記第２分岐部との間の空間に、前記動翼のプラットホームから軸方向上流側に延設した延設部を設けて、ダブルオーバーラップ構造とし、
更に、前記延設部の先端に、前記第１分岐部の内壁面に向かって突設され、前記内壁面と平行な平坦部を有する平坦凸部を設けると共に、前記延設部の前記平坦凸部の近傍に、前記内壁面に対向する凹部を設けて、ラビリンス構造としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るガスタービンのシール構造は、
上記第１又は第２の発明に記載のガスタービンのシール構造において、
前記平坦凸部に対向する前記内壁面に凹部を設けたことを特徴とする。

第１、第２の発明によれば、ダブルオーバーラップ構造にラビリンス構造を設けたので、キャビティ側への高温の燃焼ガスの流入を防ぐと共に、静翼、動翼側へのシールエアの流出を防ぐこともでき、ガスタービンの効率を低下させることなく、キャビティへの燃焼ガスの巻き込みを抑制することができる。又、動翼側からは、１つの突出部分（延設部）があるだけであるので、回転する動翼を軽量にすることができ、その遠心力を小さくすることができ、構造の強度上有利になり、その体格を小さくすることができる。その結果、動翼を設計する際の自由度も向上する。

第２の発明によれば、分岐部材は独立したものであるので、交換可能であり、又、その取り付け位置を調整可能である。又、分岐部材自体の母材は、耐熱温度が低い、安価な材料で形成してもよく、その場合、高温に晒される部分にのみ耐熱コーティングを施せば、十分に使用することができ、製造コストを低減することができる。

第３の発明によれば、ラビリンス構造を更に複雑にして、そのシール性を更に向上させることができる。

以下、本発明に係るガスタービンのシール構造の実施形態例を図１、図２を用いて説明する。

図１（ａ）は、本発明に係るガスタービンのシール構造の実施形態の一例を示す軸方向の概略図であり、図１（ｂ）は、そのシール部分の拡大図である。なお、図１（ａ）には、ガスタービンのタービン部のみを図示しているが、その上流側には、燃焼器、圧縮機が配置されている。又、燃焼器、圧縮機としては、公知の構成であれば、適宜に適用可能である。

図１（ａ）に示すように、本実施例におけるガスタービンのタービン部は、内周側の内側シュラウド３と外周側の外側シュラウド４との間に放射状に支持された複数の静翼ブレード１ａから構成される静翼１と、タービンロータ（図示省略）側のプラットホーム６に放射状に取り付けられた複数の動翼ブレード２ａから構成される動翼２とを有しており、静翼１、動翼２が軸方向に交互に多段に配置されたものである。

上流の燃焼器からは、高温の燃焼ガスＧがタービン部へ供給され、上流側の静翼１により膨張、減圧された高温の燃焼ガスＧが、最適な角度で下流側の動翼２に流入し、動翼２を回転させることにより、タービンロータに回転動力を与えている。

高温の燃焼ガスＧに直接晒される静翼１や動翼２は、耐熱性の高い材料により形成したり、その内部を冷却したりすることにより、高温の燃焼ガスＧに耐えられるようになっている。一方、内側シュラウド３やプラットホーム６の内側のキャビティ５には、冷却用のシールエアＡが供給されており、キャビティ５周囲の部材に静翼１、動翼２程度の耐熱性が無くても、シールエアＡによる冷却により、損傷を受けないようにしている。

ところが、燃焼ガスＧの圧力は、常に一定とは限らず、場合によっては変動してしまう。高圧側へ変動した場合、高温の燃焼ガスＧがキャビティ５側へ流入し、キャビティ５周囲の部材を損傷してしまうおそれがあった。このような事態を防ぐためには、シールエアＡの圧力を高くすればよいが、その場合、逆に、シールエアＡが静翼１、動翼２側へ流れ出してしまい、燃焼ガスＧの流れや温度を変動させて、損失を発生させるおそれがあった。

そこで、本発明においては、内側シュラウド３の軸方向下流側とプラットホーム６の軸方向上流側との近接部分のシール構造を、ダブルオーバーラップ構造とすると共に複雑なラビリンス構造を設けることにより、キャビティ５側への高温の燃焼ガスＧの流入を防ぐと共に、静翼１、動翼２側へのシールエアＡの流出を防ぐようにしている。

具体的には、本実施例のシール構造は、内側シュラウド３の内壁面３ａから軸中心方向に分岐すると共に、その先端部が軸方向下流側に湾曲して延設された分岐部１１と、プラットホーム６から軸方向上流側に延設されて、内壁面３ａと分岐部１１との間の空間に配置された延設部１２とを有している。つまり、延設部１２を、内壁面３ａと分岐部１１との間に配置することにより、シール構造をダブルオーバーラップ構造としている。又、静翼１側からは、実質的に２つの突出部分（内壁面３ａ及び分岐部１１）があるのに対して、動翼２側からは、１つの突出部分（延設部１２）があるだけであるので、回転する動翼２を軽量にすることができ、その遠心力を小さくすることができ、構造の強度上有利になり、その体格を小さくすることができる。その結果、動翼２を設計する際の自由度も向上する。

更に、延設部１２は、その先端部に設けられた平坦凸部１２ａと、平坦凸部１２ａの近傍に設けられた凹部１２ｂとを有しており、平坦凸部１２ａは、内壁面３ａに向かって突設されると共に、その平坦部は内壁面３ａに平行に形成されている。又、凹部１２ｂは、内壁面３ａに向けて形成されている。このような構造とすることにより、シール構造に複雑なラビリンス構造を追加している。更に、平坦凸部１２ａに対向する内壁面３ａに溝部１３を設けて、より複雑なラビリンス構造としてもよく、更にシール性を向上させることができる。

延設部１２の先端部に設けられた平坦凸部１２ａは、ラビリンス構造を形成するものであるが、延設部１２の先端部を内壁面３ａに向かって突設して形成することにより、もし、延設部１２と内壁面３ａと接触することがあっても、平坦凸部１２ａの平坦部のみが内壁面３ａに接触するので、損傷を平坦凸部１２ａの平坦部の範囲内に抑えることができる。

上記構造のシール構造とすることにより、燃焼ガスＧの圧力変動が、キャビティ５まで伝わり難くなるので、キャビティ５へのシール効率が向上し、燃焼ガスＧのキャビティ５への巻き込みを抑制することができ、シールエアＡを増やすことなく、キャビティ５の温度の上昇を抑制することができる。同様に、静翼１、動翼２側へのシールエアＡの流出も防ぐことができる。

図２（ａ）は、本発明に係るガスタービンのシール構造の実施形態の他の一例を示す軸方向の概略図であり、図２（ｂ）は、そのシール部分の拡大図である。なお、図２（ａ）でも、ガスタービンのタービン部のみを図示しているが、その上流側には、燃焼器、圧縮機が配置されており、又、燃焼器、圧縮機としては、公知の構成であれば、適宜に適用可能である。加えて、実施例１の図１に示したシール構造と同等の構成部材には、同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。

図２（ａ）に示すように、本実施例のシール構造においても、ダブルオーバーラップ構造とすると共に複雑なラビリンス構造を設けることにより、キャビティ５側への高温の燃焼ガスＧの流入を防ぐと共に、静翼１、動翼２側へのシールエアＡの流出を防ぐようにしているものであるが、実施例１とは異なり、静翼１側のシール構造を、内側シュラウド３とは別体のものとしている。

具体的には、本実施例のシール構造は、内側シュラウド３の垂直壁面３ｂに取り付けられ分岐部材２１を有し、分岐部材２１は、垂直壁面３ｂにボルト２２により取り付けられる取付部２１ａと、取付部２１ａから軸方向下流側に延設された第１分岐部２１ｂと、第１分岐部２１ｂから軸中心方向に分岐すると共に、その先端部が軸方向下流側に屈曲して延設された第２分岐部２１ｃとを有している。又、プラットホーム６からは、軸方向上流側に延設されて、第１分岐部２１ｂと第２分岐部２１ｃとの間の空間に配置された延設部１２を有している。つまり、延設部１２を、第１分岐部２１ｂと第２分岐部２１ｃとの間に配置することにより、シール構造をダブルオーバーラップ構造としている。又、静翼１側からは、実質的に２つの突出部分（第１分岐部２１ｂ及び第２分岐部２１ｃ）があるのに対して、動翼２側からは、１つの突出部分（延設部１２）があるだけであるので、回転する動翼２を軽量にすることができ、その遠心力を小さくすることができ、構造の強度上有利になり、その体格を小さくすることができる。その結果、動翼２を設計する際の自由度も向上する。

分岐部材２１は、図２（ｂ）に示すように、内側シュラウド３とは独立したものであり、分岐部材２１自体は、交換可能である。又、ボルト２２を用いて、内側シュラウド３に取り付ける際、分岐部材２１の取り付け位置は調整可能であり、延設部１２との軸方向距離、そして、延設部１２と第１分岐部２１ｂ及び第２分岐部２１ｃとの周方向距離を調整可能である。更に、分岐部材２１自体の母材は、耐熱温度が低い、安価な材料で形成してもよく、その場合、高温に晒される部分にのみ耐熱コーティングを施せば、十分に使用することができ、製造コストを低減することができる。

なお、延設部１２は、図１（ｂ）に示したように、平坦凸部１２ａと凹部１２ｂとを有するものであり、シール構造に複雑なラビリンス構造を追加するものである。更に、平坦凸部１２ａに対向する第１分岐部２１ｂの内壁面に溝部を設けて、より複雑なラビリンス構造としてもよく、更にシール性を向上させることができる。又、平坦凸部１２ａは、実施例１の場合と同様に、もし、延設部１２と第１分岐部２１ｂの内壁面と接触することがあっても、平坦凸部１２ａの平坦部のみが第１分岐部２１ｂの内壁面に接触するので、損傷を平坦凸部１２ａの平坦部の範囲内に抑えることができる。

上記構造のシール構造とすることにより、燃焼ガスＧの圧力変動が、キャビティ５まで伝わり難くなるので、キャビティ５へのシール効率が向上し、燃焼ガスＧのキャビティ５への巻き込みを抑制することができ、シールエアＡを増やすことなく、キャビティ５の温度の上昇を抑制することができる。同様に、静翼１、動翼２側へのシールエアＡの流出も防ぐことができる。

本発明は、ガスタービンのキャビティへのシール構造に適用して好適なものである。

（ａ）は、本発明に係るガスタービンのシール構造の実施形態の一例を示す軸方向概略図であり、（ｂ）は、そのシール部分の拡大図である。 （ａ）は、本発明に係るガスタービンのシール構造の実施形態の他の一例を示す軸方向概略図であり、（ｂ）は、そのシール部分の拡大図である。

符号の説明

１ 静翼
２ 動翼
３ 内側シュラウド
４ 外側シュラウド
５ キャビティ
６ プラットホーム
１１ 分岐部
１２ 延設部
１３ 溝部
２１ 分岐部材
２２ ボルト

Claims (3)

1. 軸方向に交互に多段に配置された静翼と動翼の内側のキャビティをシールするガスタービンのシール構造であって、
   前記静翼の内側シュラウドの内壁面から軸方向下流側に分岐した分岐部を設けると共に、前記内壁面と前記分岐部との間の空間に、前記動翼のプラットホームから軸方向上流側に延設した延設部を設け、
   更に、前記延設部の先端に、前記内壁面に向かって突設され、前記内壁面と平行な平坦部を有する平坦凸部を設けると共に、前記延設部の前記平坦凸部の近傍に、前記内壁面に対向する凹部を設けたことを特徴とするガスタービンのシール構造。
2. 軸方向に交互に多段に配置された静翼と動翼の内側のキャビティをシールするガスタービンのシール構造であって、
   前記静翼の内側シュラウドの垂直壁面に取り付けられ、軸方向下流側に延設された第１分岐部と、前記第１分岐部から分岐して、軸方向下流側に延設された第２分岐部とを有する分岐部材と、前記第１分岐部と前記第２分岐部との間の空間に、前記動翼のプラットホームから軸方向上流側に延設した延設部を設け、
   更に、前記延設部の先端に、前記第１分岐部の内壁面に向かって突設され、前記内壁面と平行な平坦部を有する平坦凸部を設けると共に、前記延設部の前記平坦凸部の近傍に、前記内壁面に対向する凹部を設けたことを特徴とするガスタービンのシール構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスタービンのシール構造において、
   前記平坦凸部に対向する前記内壁面に凹部を設けたことを特徴とするガスタービンのシール構造。

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