JP2009114866A - Sealing apparatus of gas turbine plant - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガスタービン設備のシール装置に係り、特に、ガスタービンの冷却空気の漏洩を防止するのに好適なガスタービン設備のシール装置に関する。 The present invention relates to a sealing device for gas turbine equipment, and more particularly to a sealing device for gas turbine equipment suitable for preventing leakage of cooling air of a gas turbine.
通常ガスタービン設備のガスタービンにおいては、熱効率の向上を目的に作動ガスの高温化が図られているが、特に、作動ガス流路中に晒されているガスタービンの静翼及び動翼が高温に耐えられるように、翼の内部に冷却空気を流通して冷却している。 In gas turbines of normal gas turbine equipment, the working gas is heated for the purpose of improving the thermal efficiency. In particular, the stationary blades and moving blades of the gas turbine exposed in the working gas flow path are hot. Cooling air is circulated inside the blade so that it can withstand.
一般的に採用されているこの種ガスタービンの冷却方式は、オープン冷却方式と称され、空気圧縮機から抽気した高圧空気を冷却空気として用い、この高圧空気をケーシングやガスタービン構造体内を経由して翼内部に供給して冷却している。そして翼内部を冷却した後の圧縮空気の一部は、翼外表面のフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔などから作用ガス流路内に排出している。一方、冷却後の圧縮空気の残る一部は、作動ガス流路内の作動ガスがホイールスペースに漏洩するのを防止するために、ホイールスペース内に供給され、最終的に作動ガス流路内に放出される。 This type of gas turbine cooling system that is generally adopted is called an open cooling system. The high-pressure air extracted from the air compressor is used as cooling air, and this high-pressure air passes through the casing and gas turbine structure. To cool inside the blade. A part of the compressed air after cooling the inside of the blade is discharged into the working gas flow path from a film cooling hole on the outer surface of the blade, a trailing edge cooling hole of the blade, or the like. On the other hand, the remaining part of the compressed air after cooling is supplied into the wheel space in order to prevent the working gas in the working gas passage from leaking into the wheel space, and finally into the working gas passage. Released.
ところで、複数の静翼は内外の環状のエンドウォール間に一体に形成されているが、稼動中の温度上昇による熱伸びを考慮して、前記静翼を含む内外のエンドウォールを周方向に複数に分割して静翼体セグメントを形成している。そして、周方向に隣接する静翼体セグメントの対向面が熱膨張時に接触しないように、対向面に隙間を確保し、その隙間を塞ぐために、例えば、特許文献1に示すように、両静翼体セグメントの対向面に夫々形成したシール溝内に跨ってシールプレートを装着している。
By the way, a plurality of stationary blades are integrally formed between the inner and outer annular endwalls, but in consideration of thermal elongation due to temperature rise during operation, a plurality of inner and outer endwalls including the stationary blades are circumferentially arranged. The stationary blade body segment is formed by dividing the segment. Then, in order to secure a gap on the facing surface and close the gap so that the facing surfaces of the stationary blade body segments adjacent in the circumferential direction do not contact during thermal expansion, for example, as shown in
このような構成とすることで、圧縮空気が隙間を経由して作動ガス流路内に漏洩するのを防止することができる。 With such a configuration, it is possible to prevent the compressed air from leaking into the working gas flow path via the gap.
しかし、上記従来の構成には次のような問題が存在する。即ち、隣接する静翼体セグメントが、静翼の径方向の熱変形によって2つのシール溝が径方向にずれることがある。その結果、シールプレートが2つのシール溝内で傾いてしまってシール効果を低下させたり、シールプレートがシール溝の開口部エッジに接触した状態で径方向の熱変形がさらに進むと、シールプレートが折り曲げられてシール効果をさらに低下させたりするばかりか、エンドウォールを変形させたりする虞がある。 However, the conventional configuration has the following problems. That is, in the adjacent stationary blade body segment, the two seal grooves may be displaced in the radial direction due to thermal deformation in the radial direction of the stationary blade. As a result, if the seal plate is tilted in the two seal grooves to reduce the sealing effect, or if the seal plate is in contact with the opening edge of the seal groove and the thermal deformation further proceeds in the radial direction, There is a risk that the end wall may be deformed, as well as being bent to further reduce the sealing effect.
本発明の目的は、隣接するガスタービンの分割構造体の対向面に形成したシール溝が分割構造体の熱変形によって径方向にずれても、シール部材のシール溝の内壁との面接触によってシール効果を維持できるガスタービン設備のシール装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a seal by surface contact with an inner wall of a seal groove of a seal member even if a seal groove formed on an opposing surface of a split structure of an adjacent gas turbine is displaced in the radial direction by thermal deformation of the split structure. An object of the present invention is to provide a sealing device for gas turbine equipment that can maintain the effect.
ガスタービンの構成部材が、隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体からなり、これら分割構造体の対向面に夫々対向して形成された断面矩形のシール溝と、これら対向するシール溝に跨って装着されて前記隙間を塞ぐシール部材と、このシール部材を境としてその両側に差圧が作用するガスタービン設備のシール装置において、前記シール部材を、前記差圧が作用する方向に離間した2枚のシール板と、これら2枚のシール板の間を接続する弾性体とを有し、前記2枚のシール板の一方を前記差圧を利用してシール溝内の壁面に面接触させるように構成したのである。 The gas turbine component member is composed of a divided structure having opposing surfaces opposed to each other through a gap, and has a rectangular cross-sectional seal groove formed to face the opposed surfaces of the divided structure, and the opposed seal grooves. A sealing member that is mounted across the gap and seals the gap, and a sealing device for a gas turbine facility in which differential pressure acts on both sides of the sealing member as a boundary. The sealing member is separated in a direction in which the differential pressure acts The two sealing plates and an elastic body connecting the two sealing plates, and one of the two sealing plates is brought into surface contact with the wall surface in the sealing groove using the differential pressure. It was configured as follows.
上記構成とすることで、隣接する分割構造体が熱変形によって径方向に同じように変位した場合には、シール板に作用する差圧によってシール板が両側にシール溝内の壁面に同じように面接触するので、隙間は塞がれてシール効果は維持される。また、隣接する分割構造体が熱変形によって径方向に異なる変位をした場合には、離間された一方のシール板が一方のシール溝内の壁面に面接触すると共に、他方のシール板が他方のシール溝の壁面に面接触するので、隙間は塞がれてシール効果は維持される。その結果、隣接するガスタービンの分割構造体の対向面に形成したシール溝が分割構造体の熱変形によって径方向にずれても、シール部材のシール溝の内壁との面接触によってシール効果を維持できるガスタービン設備のシール装置を得ることができる。 With the above configuration, when adjacent divided structures are displaced in the radial direction in the same way due to thermal deformation, the sealing plate is similarly applied to the wall surface in the sealing groove on both sides by the differential pressure acting on the sealing plate. Since the surface contact is made, the gap is closed and the sealing effect is maintained. When adjacent divided structures are displaced differently in the radial direction due to thermal deformation, one spaced apart seal plate comes into surface contact with the wall surface in one seal groove and the other seal plate is in contact with the other. Since the surface contact is made with the wall surface of the seal groove, the gap is closed and the sealing effect is maintained. As a result, even if the seal groove formed on the opposing surface of the split structure of the adjacent gas turbine is displaced in the radial direction due to thermal deformation of the split structure, the sealing effect is maintained by surface contact with the inner wall of the seal groove of the seal member. It is possible to obtain a seal device for a gas turbine facility.
以下本発明によるガスタービン設備のシール装置を図1〜図6に基づいて説明する。 A gas turbine equipment sealing device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
ガスタービン設備1は、大きく分けて、空気a1を圧縮する空気圧縮機2と、圧縮空気a2と燃料を混合して燃焼させ高温の燃焼ガス(作動ガス)G1を得る燃焼器3と、燃焼ガスG1によって駆動されるガスタービン4とによって構成され、このようなガスタービン設備1に、ガスタービン4によって駆動される発電機5を連結することで、ガスタービン発電設備が構成される。尚、ガスタービン4を駆動した後の排ガスG2は、回収されて熱交換に利用された後、大気中に排出される。
The
そして、ガスタービン4を冷却するために、空気圧縮機2で圧縮された圧縮空気a3〜a5をガスタービン4の各構造体に供給している。
And in order to cool the
ガスタービン4は、多段の静翼と動翼を有し、その構成の一例を図2に示す上流側2段について説明する。第1段静翼6A及び第2段静翼6Bの下流側に夫々第1段動翼7A及び第2段動翼7Bが位置し、第1段静翼6A及び第2段静翼6Bは、シュラウド8A,8Bを介してケーシング9に支持され、第1段動翼7A及び第2段動翼7Bは、ロータ10に支持されている。ロータ10は、第1ホイール11A及び第2ホイール11Bとこれらの間に位置するスペーサ12から構成され、これらは一体的に連結されている。
The
第1段静翼6A及び第2段静翼6Bの詳細構成は、図3に示す第2段静翼6Bを代表して説明すると、シュラウド8A,8Bに跨って支持された環状の外側エンドウォール13と、この外側エンドウォール13と同心の環状の内側エンドウォール14と、これらの間に跨り周方向に所定間隔で複数設置された翼部15と、外側エンドウォール13の外径側に冷却空気キャビティ16を形成するキャビティカバー17と、内側エンドウォール14の内径側にダイアフラムチャンバー18を形成するダイアフラム19とを有している。そして、外側エンドウォール13と内側エンドウォール14との間を作動ガス流路としている。尚、ダイアフラム19の内径側には、前記スペーサ12の外周面と微小空隙を介して対向するシールフィン20が設けられている。そして、第2段静翼6Bは、翼部15を複数枚単位として、外側エンドウォール13及び内側エンドウォール14を周方向に分割して複数の静翼体セグメント21を形成している。
The detailed configuration of the first stage
このように構成されたガスタービン4は、稼動時、高温の燃焼ガスG1が作動ガス流路を通過することで、第1段静翼6A及び第2段静翼6Bが加熱昇温されて熱変形するので、圧縮空気a3を第1段静翼6Aの冷却用に、圧縮空気a4を第2段静翼6Bの冷却用に、圧縮空気a5を第1段動翼7A及び第2段動翼7Bの冷却用に供給している。
When the
ここで、第2段静翼6Bを一例にその冷却について説明する。シュラウド8A,8Bと、ケーシング9と、外側エンドウォール13のキャビティカバー17とによって形成された冷却空気チャンバー22に供給された圧縮空気a4は、キャビティカバー17に設けた通気孔(図示せず)を経由して冷却空気キャビティ16内に入り、ここから翼部15に形成した冷却流路(図示せず)を通過することで翼部15を冷却し、冷却後の圧縮空気a4の一部は翼部に形成した冷却流路の排気口から作動ガス流路内に放出され、残る一部はダイアフラムチャンバー18内に導入された後、上流側のホイールスペース23A内に放出される。ホイールスペース23A内に放出された放出空気の一部はシールフィン20によって流量調節されて下流側のホイールスペース23B内に導入される。各ホイールスペース23A,23B内に放出された放出空気の圧力は、作動ガス流路を流れる作動ガスG1の圧力よりも高く設定されているので、この放出空気はシール空気として作用して作動ガス流路内に放出され、作動ガスG1のホイールスペース23A,23B内への漏洩を防止する。
Here, the cooling will be described by taking the second stage stationary blade 6B as an example. The compressed air a4 supplied to the
上記構成の静翼体セグメント21の外側エンドウォール13を展開すると、図4に示す配置となる。即ち、隣接する静翼体セグメント21の外側エンドウォール13A,13B、所謂本発明で云う分割構造体の間には、ガスタービン4の定格運転時に熱膨張による周方向の変形があっても、隣接する外側エンドウォール13A,13B同士が接触して熱変形を妨げないように、外側エンドウォール13A,13Bの対向面24A,24Bの間に隙間δcが保持されている。このため、この隙間δcの存在により冷却空気チャンバー22やダイアフラムチャンバー18に供給された冷却用の圧縮空気a4が、図3に示す矢印R1,R2のように、作動ガス流路内に漏洩してしまい、翼部15の冷却を不充分としたり、作動ガス流路内の燃焼ガスG1の漏洩をシールする効果を喪失させたりすることになる。
When the
そこで本実施の形態では、隣接する静翼体セグメント21の外側エンドウォール13A,13Bの各対向面24A,24Bに夫々断面矩形のシール溝25A,25Bを設ける。同様に、隣接する内側エンドウォール14の対向面26にもシール溝27を設ける。そして、これらのシール溝25A,25B,27内に跨ってシール部材28を装着し、隙間δcからの圧縮空気a4の漏洩を防止している。
Therefore, in the present embodiment,
シール部材28について、シール溝25A,25Bに装着される場合を一例に説明する。シール部材28は、シール溝25A,25Bの高さ方向、云い代えれば外側エンドウォール13A,13Bの径方向に離間した2枚のシール板29A,29Bを有している。これらシール板29A,29Bは、シール溝25A,25Bに跨る長さを有し、シール溝25A,25Bの高さ方向の壁面に接触したとき面接触する。そして、シール板29Aには、弾性体である板ばね30A,30Bが、シール板29Bには板ばね31A,31Bが互いに対向するように設けられている。これら板ばね30A,30B及び31A,31Bは、シール板29A,29Bの中間部から前記シール溝25A,25Bの溝底壁25a側に向って延在し、その延在端部に夫々前記溝底壁25aに接したとき面接触する第2のシール部材となるシールブロック32A,32Bを固定している。
The case where the
したがって、シール溝25A,25B内の装着されたシール部材28は、隣接する外側エンドウォール13A,13Bが半径方向に異なる変位をしないときには、内径側の燃焼ガスG1よりも圧力が高い外径側の圧縮空気a4による差圧により、シール板29Bがシール溝25A,25Bの内径側の壁面に面接触するので、隙間δcからの圧縮空気a4の漏洩は防止される。
Therefore, when the adjacent
他方、外側エンドウォール13A,13Bが半径方向に異なる変位をしないで周方向にのみ熱変形して互いに接近して、図5に示す隙間δcを図6に示す隙間δc−aに縮小した場合には、シールブロック32A,32Bが溝底壁25aに面接触すると共に、差圧の作用によりシール板29Bがシール溝25A,25Bの内径側の壁面に面接触するので、隙間δcからの圧縮空気a4の漏洩はシール板29Bのシール溝25A,25Bの壁面との面接触及びシールブロック32A,32Bの溝底壁25aとの面接触により効果的に防止することができる。このとき、隙間δcが隙間δc−aに狭くなる分、板ばね30A,30B及び31A,31Bが撓むように、シールブロック32A,32Bの間隔と板ばね30A,30B及び31A,31Bの圧縮力を設定しておくことで、圧力をもってシールブロック32A,32Bを溝底壁25aに面接触させることができるので、冷却空気(圧縮空気a4)の隙間からの漏洩を効果的に防止することができる。
On the other hand, when the
また、隣接する外側エンドウォール13A,13Bが半径方向に異なる変位をして、例えば図6に示すように、外側エンドウォール13Aに対して外側エンドウォール13Bが紙面上方に段差δr分ずれたときは、シール部材28のシール板29Aが外側エンドウォール13Aのシール溝25Aの外径側壁面に面接触し、シール板29Bは外側エンドウォール13Bのシール溝25Bの内径側壁面に面接触する。ここで、2枚のシール板29A,29Bは、板ばね30A,30B及び31A,31Bで連続的に接続されているので、隙間の外径側から漏洩しようとする冷却空気(圧縮空気a4)は、シール板29Aの接触面とシール板29Bの接触面と、シール板29A,29Bをつなぐ板ばね30B,31Bによって防止できる。尚、このとき、前記段差δr分、板ばね30A,30B及び31A,31Bが撓むように、シール板29A,29Bの間隔と板ばね30A,30B及び31A,31Bの圧縮力を設定しておくことで、圧力をもってシール板29A,29Bを面接触させることができるので、冷却空気(圧縮空気a4)の隙間からの漏洩を効果的に防止することができる。そして、外側エンドウォール13Bに対して外側エンドウォール13Aが紙面上方に段差δr分ずれたときは、シール板29A,29Bの面接触位置は逆になるが、同じ効果を奏することができる。
Further, when the adjacent
ところで、一般的に、静翼体セグメント21は、非磁性材であるNi基の耐熱合金で精密鋳造されている。そこで、シール溝25A,25Bのうち、一方側のシール溝25Bの溝底壁25aに磁性材33をコーティング等して設置し、シールブロック32Bを永久磁石などで形成することで、常にシールブロック32Bは溝底壁25aに磁気吸着されるので、シール部材28をシール溝25A,25内に装着する際は、一方側のシール溝25B内の溝底壁25aにシール部材28を磁気保持させた状態で、他方側のシール溝15A内にシール部材28を装着することができるので、シール部材28の組み込み作業は容易に正確に行うことができる。尚、静翼体セグメント21が磁性を有する耐熱合金で形成される場合には、前記磁性材33を溝底壁25aに設ける必要はない。
By the way, generally, the stationary
次に、本実施の形態におけるガスタービン設備1の稼動時の作用について説明する。
Next, the effect | action at the time of operation | movement of the
燃焼器3で発生する高温高圧の燃焼ガスG1は、圧力が約1.2MPaで温度が1200℃であり、ガスタービン4内の第1段静翼6Aの入り口に流入する。以下、第1段動翼7Aを始めとする格段で燃焼ガスの流体エネルギーを回転エネルギーに変換させながら圧力や温度を低下させながら進み、約600℃で最終段の動翼を通過し、排気される。
The high-temperature and high-pressure combustion gas G1 generated in the
タービン翼(動翼及び静翼)は、高温の燃焼ガスG1に晒されるため、空気圧縮機2で得られた高圧の圧縮空気a3〜a5を冷却空気として用いる。冷却空気は、翼内部で熱交換し、耐熱性の高いNi基合金の翼材の許容温度800℃以下に減温する。しかしながら、各部材は常温時に比べて高温となっており、このような温度によって各部材は熱変形する。そのため、静翼体セグメント21は、熱変形による周方向の伸びを考慮して隣接する静翼体セグメント21間に隙間δcを確保し、この隙間δcが定格運転時においても接触しないように設計されている。
Since the turbine blades (moving blades and stationary blades) are exposed to the high-temperature combustion gas G1, high-pressure compressed air a3 to a5 obtained by the
周方向の伸びによる隙間δcから隙間δc−aへの縮小に伴い、シール溝25Bの溝底壁25aに接触しているシールブロック32Bが反対側のシールブロック32Aをシール溝25Aの溝底壁25a側に変位させて面接触させ、さらに周方向の伸びが進みとシールブロック32A,32B間に板ばね30A,30B及び31A,31Bによる圧縮力が作用する。この圧縮力は、シールブロック32A,32Bの溝底壁25aへの面接触圧力を大きくすると共に、シール板29A,29Bの半径方向の間隔を大きくし、シール板29Aをシール溝25A,25Bの半径方向上側の壁面に押付け、シール板29Bをシール溝25A,25Bの半径方向下側の壁面に押付ける。したがって、シール板29A,29B及びシールブロック32A,32Bのシール溝25A,25B内での面接触により、隙間を塞ぐことができる。
As the gap δc is reduced from the gap δc due to circumferential elongation to the gap δc-a, the
一方、熱偏差による隣接する静翼体セグメント21の半径方向に段差δrが生じると、対向するシール溝25A,25B間に段差が生じる。このシール溝25A,25B間の段差によりシール板29A,29Bは、図6に示すように夫々反対側のシール溝25A,25Bの半径方向の内壁面に面接触する。この時点でシール板29A,29Bの周囲温度は500℃程度となっており、シールブロック32Bの磁気力は消失しているが、各シールブロック32A,32Bは既にシール溝25A,25Bの溝底壁25aに面接触しているのでシール効果の喪失はない。
On the other hand, when a step δr is generated in the radial direction of the adjacent stationary
このように、隣接する静翼体セグメント21の半径方向に段差δrが生じたにも拘らず、シール部材28はシール溝25A,25B内で傾斜せずに各部の面接触によってシール面を形成しているので、隙間δc−aからの冷却空気の漏洩を防止することができる。
As described above, the
以上説明の実施の形態は、隣接する静翼体セグメント21の外側エンドウォール13A,13Bについての説明であるが、周方向に隣接する内側エンドウォール14、さらにシュラウド8A,8B及びダイアフラム19など隙間を介して対向する対向面を有する分割構造体に適用できることは云うまでもない。
The embodiment described above is the description of the
1…ガスタービン設備、2…空気圧縮機、3…燃焼器、4…ガスタービン、5…発電機、6A…第1段静翼、6B…第2段静翼、7A…第1段動翼7A、7B…第2段動翼、8A,8B…シュラウド、9…ケーシング、10…ロータ、11A…第1ホイール、11B…第2ホイール、12…スペーサ、13,13A,13B…外側エンドウォール、14…内側エンドウォール、15…翼部、16…冷却空気キャビティ、17…キャビティカバー、18…ダイアフラムチャンバー、19…ダイアフラム、20…シールフィン、21…静翼体セグメント、22…冷却空気チャンバー、23A,23B…ホイールスペース、24A,24B,26…対向面、25A,25B,27…シール溝、25a…溝底壁、28…シール溝、29A,29B…シール板、30A,30B,31A,31B…板ばね、32A,32B…シールブロック、33…磁性材。
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KR20200037671A (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-09 | 두산중공업 주식회사 | Turbine apparatus |
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