JP2011032985A - 動翼シール構造及びこの動翼シール構造を用いたタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンが運転される際に、アーム部の内周側の冷却空気が高温ガス通路に漏れるのを効率的に抑制するとともにアーム部間のシール性を長期間にわたって維持することが可能な動翼シール構造及びタービンを提供すること。
【解決手段】軸線周りに回転される軸本体の周面に周方向に近接して複数の動翼１１、１２が配置され、前記動翼１１、１２のプラットフォーム２１、２２から延在するアーム部２１Ａ、２２Ａが形成されたタービンにおける動翼シール構造であって、周方向に隣接する一方の前記アーム部２１Ａには、前記軸線方向に伸び外周側がテーパ部とされた溝２３が他方の前記アーム部２２Ａに面して形成され、前記溝２３にはシールピン２５が配置されるとともに前記他方のアーム部２２Ａの前記一方のアーム部２１Ａと対向する部分は前記シールピン２５が前記軸本体の径方向に移動可能とされていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガスタービンをはじめとするタービンにおいて、動翼のアーム部間の隙間から冷却空気が漏れるのを抑制するための動翼シール構造及びこの動翼シール構造を用いたタービンに関する。

周知のように、ガスタービンをはじめとするタービンでは、タービンロータからの冷却空気がタービンディスクを通ってプラットフォーム下部のシャンク部に導かれ、動翼内の冷却空気用通路に導かれて動翼を冷却するようになっている。

この動翼に導く冷却空気が高温ガス通路に流入するとタービン性能が低下するため、プラットフォームの前後方向（タービンロータの軸線方向）にアーム部（シールアーム部）を設けるとともに、アーム部と静止構造体（静翼の内周側シュラウド部）の間をラビリンス構造として、動翼と静止構造体間のアーム部内周側に流入した冷却空気が高温ガス通路に漏れるのを抑制するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

また、図５に示すように、周方向に隣接する動翼１１、１２のプラットフォーム間には隙間７があり、冷却空気が隙間７から高温ガス通路に漏れるのを抑制するため動翼１１、１２間には、図６に示すようなシール構造が設けられている。
なお、図５は、従来のガスタービンの動翼のプラットフォーム部分のシール構造を示す斜視図であり、図６は、図５をＣ−Ｃ矢視した図である。

図５、図６において、符号２１、２２は動翼１１、１２のプラットフォームを、符号３はプラットフォーム２１、２２の下部のシャンク部を示している。
また、符号４、５は、プラットフォーム２１、２２間に配置されるシールピン等のシール部材を示している。

動翼のシール構造は、図５、図６に示すように、シール部材４は、プラットフォーム２１、２２の側端側に形成された溝６に配置されてプラットフォーム２１、２２間の側端の隙間をシールし、シール部材５は、プラットフォームの前後端の内部に傾斜して配置された溝６に配置されてプラットフォーム２１、２２間の前後端側をシールするようになっている。
また、図７から図９は、アーム部２１Ａ、２２Ａ間のシール構造の詳細を示す図であり、図７、図８は、アーム部２１Ａの例を示している。

アーム部２１Ａ、２２Ａ間のシール構造は、図７から図９に示すように、隣接するアーム部２１Ａ、２２Ｂの互いに対応する位置に溝２８が形成され、溝２８にシール板３０を挿入してアーム部２１Ａ、２２Ａ間の隙間を閉塞することによりシールするようになっている。

なお、図７に示すように、溝２８の入口端には突起状のツメ２９が設けられており、溝２８は、各動翼１１、１２のプラットフォーム２１、２２の四つの角部、すなわち、アーム部２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂの両側端側に形成されている。

図７は、シール板３０と、シール板３０を配置するための溝２８を示す図であり、シール板３０は、図７に示すように、Ｖ型（クリップ型）形状とされ、Ｖ型の下端部は溝２８内のツメ２９に係合できる程度に短く形成されている。
また、シール板３０は、例えば、ハステロイ等の５００℃〜６００℃の温度に耐える材料で形成された厚さ０．３ｍｍ程度の弾性部材とされている。

また、溝２８の開口部と対応するシール板３０のＶ型開放部の寸法は、溝２８の上下方向幅より若干大きな寸法とされ、溝２８に挿入する際にＶ型開放部がツメ２９を通過するように圧縮して溝２８内に挿入し、挿入後はシール板３０のバネ力によって復元して溝２８内で上下面を押圧、固定されるようになっている。

図８は、シール板３０が溝２８内に挿入された状態を示す図であり、溝２８内に挿入したシール板３０のＶ形形状がバネ力Ｆによって復元され、ツメ２９の突起に係合して、溝２８に固定された状態を示している。
図９は、図８におけるＤ−Ｄ断面を示した図であり、隣接するアーム部２１Ａ、２２Ａの溝２８が互いに接続され、接続された溝２８にシール板３０が挿入されて隙間７を塞いだ状態を示している。

このように、隣接するアーム部２１Ａ、２２Ａ間の隙間７をシール板３０が閉塞することで冷却空気が隙間７を通過するのを抑制し、シール部材４、シール部材５とともに隣接するプラットフォーム２１、２２間をシールして、冷却空気が高温ガス通路に漏れるのを抑制するようになっている。

特許第３４６２６９５号公報

しかしながら、アーム部２１Ａ、２２Ａは、プラットフォーム２１、２２に対して片持支持された構造であるために、大きな遠心力が作用するタービンの運転時では片持はりとしての曲げ変形が発生し、先端側が大きく変形し易く、また、運転条件によってはアーム部２１Ａとアーム部２２Ａの先端側に変位量の異なる変位が生じる場合がある。

したがって、アーム部２１Ａ、２２Ａ間の隙間７にシール板３０を配置して閉塞するシール構造では、シール板３０に大きな変形が生じやすく、熱変形やクリープの発生によって、充分なシールが確保される期間、すなわちシール寿命を長期にわたって確保するのが困難な場合がある。
また、上述したように、アーム部２１Ａとアーム部２２Ａの変位量が異なる場合、変位量の差によってシール板３０にせん断力が生じて、不測の変形を生じる可能性がある。アーム部２１Ｂ、２２Ｂ間についても同様である。
上記のように、アーム部２１Ａ、２２Ａ間、および、２１Ｂ、２２Ｂ間のシール性を向上させるとともに、そのシール性を長期にわたって維持させることに対する強い技術的要請がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、タービンが運転される際に、アーム部の内周側から高温ガス通路に冷却空気が漏れるのを効率的に抑制するとともにアーム部間のシール性を長期間にわたって維持可能な動翼シール構造及びタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、軸線周りに回転される軸本体の周面に周方向に近接して複数の動翼が配置され、前記動翼のプラットフォームに前記軸線方向に延在するアーム部が形成されたタービンにおける動翼シール構造であって、周方向に隣接する一方の前記アーム部には、前記軸線方向に延び外周側がテーパ部とされた溝が他方の前記アーム部に面して形成され、前記溝にはシールピンが配置されるとともに前記他方のアーム部の前記一方のアーム部と対向する部分は前記シールピンが前記軸本体の径方向に移動可能とされていることを特徴とする。

この発明に係る動翼シール構造によれば、周方向に隣接配置されるアーム部の、一方の前記アーム部には、前記軸線方向に延び外周側がテーパ部とされた溝が他方の前記アーム部に面して形成され、他方のアーム部は、この溝に配置されたシールピンが軸本体の径方向に移動可能とされている。
その結果、タービンが運転されてシールピンに遠心力が作用すると、シールピンがわずか外周側に移動し、その結果、テーパにより他方のアーム部側に押圧される。その結果、シールピンは、互いに隣接するアーム部間の隙間を効率的にシールすることができる。

また、シールピンが、他方のアーム部に対して軸本体の径方向に移動可能とされているので、一方のアーム部と他方のアーム部間に変形量の差が生じた場合でも、この変形量の差がシールピンにせん断力として作用することはなく、シールピンの変形や破損が回避される。
その結果、シールピンの寿命が伸びてアーム部間のシール性を長期間にわたって確保するとともに、タービンの性能を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の動翼シール構造であって、前記シールピンは、前記溝に配置した状態で前記軸線方向において、前記タービンの静止構造側シール部とオーバラップする長さ以上に形成されていることを特徴とする。

この発明に係る動翼シール構造によれば、シールピンは、シールピンが溝に配置した状態で、静止構造側シール部とオーバラップするような長さ以上に形成されているので、アーム部間の隙間はシールピン又は静止構造側シールによりシールされる。
したがって、冷却空気がアーム部間の隙間を通じて、高温ガス通路に直接漏れるのが抑制される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の動翼シール構造であって、前記シールピンは、少なくとも一端側が封止された中空体とされていることを特徴とする。

この発明に係る動翼シール構造によれば、シールピンは、少なくとも一端側が封止された中空体とされているので、シールピン内部を経由した漏れが防止され、また軽量であるため、タービン運転時の遠心力によってアーム部に生じさせる変形を小さく抑えることができる。その結果、シールピンの寿命を向上させることができ、また、アーム部間のシール性を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、タービンであって、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の動翼シール構造を備えることを特徴とする。

この発明に係る動翼シール構造、タービンによれば、動翼のアーム部間の隙間のシール性を向上するとともに、シール性能を長期間にわたって維持することができる。
その結果、タービンの性能を向上するとともに長期間にわたって維持することができる。
また、タービンの稼働率を向上しメンテナンス費用が抑制可能とされるのでコスト削減をすることができる。

この発明に係る動翼のシール構造及びタービンによれば、互いに隣接するアーム部間の隙間を効率的にシールすることができる。
また、シールピンの寿命が伸びて、アーム部間のシール性を長期間にわたって確保することができる。

本発明の実施の一形態に係るタービンの動翼シール構造の概略構成を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視図である。 図２におけるアーム部の拡大図とシールピンを示す図である。 一形態に係るガスタービンの動翼シール構造を示す図であり、シールピンを配置した状態を軸線方向から見た図（図３におけるＢ−Ｂ断面図）である。 従来のタービンにおける動翼のプラットフォーム部分のシール構造を示す斜視図である。 図５におけるＣ−Ｃ矢視図である。 図６におけるアーム部の拡大図とシール板を示す図である。 図６におけるアーム部の拡大図とシール板が配置された状態を示す図である。 図８をＤ−Ｄ矢視した図であり、溝にシール板を配置した状態を軸線方向から見た図である。

以下、図１から図４を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１から図４は、この発明の一実施形態に係る動翼のシール構造を示す図である。
図１は、一実施形態に係る動翼シール構造の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視図である。一実施形態において、タービンは、例えば、ガスタービンとされている。
また、図３は、図２におけるアーム部の拡大図とシールピンを示す図であり、図４は、一実施形態に係る動翼シール構造を軸本体の軸線方向から見た図（図３におけるＢ−Ｂ断面図）を示している。

一実施形態に係る動翼シール構造が、従来のシール構造と異なるのは、アーム部２１Ａ、２２Ａ、（２１Ｂ、２２Ｂ）間のシールに関して、シール板３０に代えてシールピン２５が用いられている点であり、その他は、図５から図９を参照して説明した従来のシール構造と同様であるので、同一の符号を付し説明を省略する。

一実施形態に係るタービンの動翼１１は、アーム部（一方のアーム部）２１Ａ、２１Ｂの、アーム部（他方のアーム部）２２Ａ、２２Ｂと対向する側の面２１Ｆに溝２３が形成され、溝２３にシールピン２５が挿入されるとともに、アーム部２２Ａ、２２Ｂの面（一方のアーム部と対向する面）２２Ｆと対向配置されることで隙間７を閉塞するようになっている。

溝２３は、図３、図４に示すように、図示しないタービンロータの軸線方向に延在して形成され、図４に示すように、軸線と直交する断面は、外周側に内周側が面２１Ｆ側から漸次深く形成されたテーパ部２１Ｔとされ、テーパ部２１Ｔの内周側の部分から、タービン軸線の内周側に面２１Ｆと平行な底面２１Ｇが形成されている。
また、アーム部２２Ａ、２２Ｂの面２２Ｆは、平滑な平面に形成されている。

シールピン２５は、長手方向における少なくとも一端側が封止され、例えば、ハステロイ等の５００℃〜６００℃の温度に耐える材料により形成された中空の円筒とされていて、例えば、溝２３に配置した状態でタービン軸線方向において、図示しない静止構造側シール部とオーバラップする長さ以上に形成されている。
また、シールピン２５は、図４に示すように、溝２３に挿入された状態でタービン運転時の遠心力により矢印Ｔで示す外周側に押圧されてテーパ部２１Ｔに当接するようになっている。

以上のように、シールピン２５がテーパ部２１Ｔと当接することで隙間７を塞ぎ隙間７からの冷却空気の漏れを効率的に抑制し、高いシール性を確保することができる。
また、シールピン２５が、アーム部２２Ａ、２２Ｂに対してタービンロータ軸線の径方向に移動可能とされているので、アーム部２１Ａ、２１Ｂとアーム部２２Ａ、２２Ｂ間に変形量の差が生じた場合であっても、シールピン２５にせん断力が作用することはなく、シールピン２５の変形や破損が回避される。また、アーム部２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂの変形も抑制される。
その結果、シールピン２５の寿命が伸びて、アーム部２１Ａ、２１Ｂ及びアーム部２２Ａ、２２Ｂ間のシール性を長期期間にわたって確保することができる。

また、シールピン２５は、シールピン２５が溝２３に配置した状態で、静止構造側シール部とオーバラップするように構成されているので、アーム部２１Ａ、２１Ｂ及びアーム部２２Ａ、２２Ｂ間の隙間７から高温ガス通路に、冷却空気が直接漏れるのが抑制される。

また、シールピン２５の長手方向における一端側が封止された中空体とされているので、シール性を確保しつつタービン運転時の遠心力によってアーム部２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂに生じさせる変形を小さく抑えることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、タービンがガスタービンである場合について説明したが、蒸気タービン等に用いてもよい。
また、上記実施の形態においては、溝２３が、動翼１１のアーム部２１Ａに形成される場合について説明したが、動翼１１のアーム部２１Ａに代えて、動翼１２のアーム部２２Ａに形成してもよい。

また、上記実施の形態においては、動翼１２のアーム部２２Ａのアーム部２１Ａと対向する部分が平面状に形成される場合について説明したが、シールピン２５がタービンの軸本体の軸線の径方向に移動可能とされていれば、他の形状に形成されていてもよい。
また、上記実施の形態においては、シールピン２５が、一方端が閉塞された中空円筒とされている場合について説明したが、中実とされていてもよく、円筒以外の形状とされていてもよい。また、シールピン２５の長さについても任意に設定可能である。

タービンを運転する際の隣接配置された動翼のアーム部間からの冷却空気の漏れを抑制することでタービンの効率を向上することができるので、産業上利用可能である。

１１、１２ 動翼
２１、２２ プラットフォーム
２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂ アーム部
４ シールピン
５ シールピン
７ 隙間
２３ 溝
２５ シールピン
２８ 溝
２９ ツメ
３０ シール板

Claims (4)

1. 軸線周りに回転される軸本体の周面に周方向に近接して複数の動翼が配置され、前記動翼のプラットフォームに前記軸線方向に延在するアーム部が形成されたタービンにおける動翼シール構造であって、
   周方向に隣接する一方の前記アーム部には、前記軸線方向に延び外周側がテーパ部とされた溝が他方の前記アーム部に面して形成され、前記溝にはシールピンが配置されるとともに前記他方のアーム部の前記一方のアーム部と対向する部分は前記シールピンが前記軸本体の径方向に移動可能とされていることを特徴とする動翼シール構造。
2. 前記シールピンは、前記溝に配置した状態で前記軸線方向において、前記タービンの静止構造側シール部とオーバラップする長さ以上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の動翼シール構造。
3. 前記シールピンは、少なくとも一端側が封止された中空体とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動翼シール構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の動翼シール構造を備えることを特徴とするタービン。

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