JP2012149527A - ガスタービンのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な大きな面圧の発生を防いで信頼性を向上させたガスタービンのシール構造を提供することにある。
【解決手段】複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部１０１，１０３が形成され、張出部１０１，１０３の対向面に周方向に沿って溝部１０２，１０４が形成され、対向するロータディスク２０１，２０２のうちの一方のロータディスク２０２の対向面に外切欠部１１４が形成され、溝部１０２，１０４に、複数の外側シール板１３と外側シール板１３の内周側に配置された複数の内側シール板１２とを廻り止め部材１６で一体化されたシール板組品１１の両端部１１ａ，１１ｂが挿入されるとともに、廻り止め部材１６が外切欠部１１４に挿入されたガスタービンのシール構造１０であって、シール板組品１１の端部の剛性がそれ以外の部分と比べて低下されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンのロータディスク間における燃焼ガス又は冷却媒体の漏洩を防止するガスタービンのシール構造に関する。

ガスタービンのロータディスク間をシールするガスタービンのシール構造が種々開発されており、例えば、特許文献１に記載のシール構造を備えたガスタービンが知られている。このガスタービンでは、シールディスクと１段目のタービンディスク間、１段目と２段目のタービンディスク間、２段目と３段目のタービンディスク間、３段目と４段目のタービンディスク間のそれぞれにシール板組品が配置されている。

具体的には、図５および図６に示すように、ガスタービンのシール構造１００では、シール板組品（バッフルプレート）１０５が対向するロータディスク２０１，２０２間に配置され、シール板組品１０５の両端部１０５ａ，１０５ｂがロータディスク２０１，２０２の張出部１０１，１０３に形成された溝部１０２，１０４にそれぞれ挿入されている。シール板組品１０５は、周方向にて４分割した円弧状の外側シール板１０６と、周方向にて４分割した円弧状の内側シール板１０７とが周方向にて端部同士が重ならないように配置され、外側シール板１０６および内側シール板１０７に廻り止め部材１０８が周方向４か所に取り付けられて一体化して構成されている。廻り止め部材１０８は、略Ｕ字状の把持部材１０９と、中間保持部材１１０と、固定ネジ１１１とで構成されている。シール板組品１０５に廻り止め部材１０８を取り付け、廻り止め部材１０８の基端部側を一方のロータディスク２０２の張出部１０３の外周面側に形成された外切欠部１１４に配置すると共に、廻り止め部材１０８の先端部側を他方のロータディスク２０１の張出部１０１の内周面側に形成された内切欠部１１３に配置して、シール板組品１０５の周方向への移動を防止している。

ガスタービンのシール構造が記載されている他の先行技術文献としては、特許文献２がある。

特開２００６−２１４４０１号公報（例えば、明細書の段落［００２９］〜［００３３］、［図１］〜［図４］など参照） 特許２９４１６９８号（例えば、明細書の段落［０００７］〜［０００８］、［図１］〜［図３］など参照）

ところで、上述したガスタービンのシール構造１００では、シール板組品１０５はロータディスク２０１，２０２に固定されず、遠心力により溝部１０２，１０４に張り付いて係止されることにより、冷却媒体（冷却空気）の漏洩を防止している。

ガスタービンの起動と停止の過渡期では、遠心力と熱伸びにより、各ロータディスクが半径方向に伸びて、対向するロータディスクにて段差が生じる。これにより、シール板組品の外周面がロータディスクの溝部の上面部に面接触せずに、シール板組品の外周面の一部のみがロータディスクの溝部の上面部に接触する片あたりが生じ、段差が大きくなると片あたりした部分の面圧が局所的に大きくなることがある。例えば、図７に示すように、外側シール板１０６の一方の端部１０６ｂが一方のロータディスク２０２の溝部１０４の上面部１０４ａに片あたりし、この箇所にて局所的に大きな面圧Ｐ１が発生することがある。また、外側シール板１０６の上面部１０６ａの一部が一方のロータディスク２０２に対向する他方のロータディスク２０１の溝部１０２の上面部１０２ａに片あたりし、この箇所にて局所的に大きな面圧Ｐ２が発生することがある。

さらに、外切欠部が形成されたロータディスク２０２の端部では、このロータディスク２０２に対向するロータディスク２０１と比べて、シール板組品１０５と廻り止め部材による遠心力で応力が高くなり、加えて、図８に示すように、ロータ自重たわみにより１回転ごとに軸方向に微小な変位を繰り返すため、ロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の上面部１０２ａ，１０４ａと外側シール板１０６の上面部１０６ａにて摩擦が生じ、変動応力Ｐ３，Ｐ４が発生している。

これら面圧Ｐ１，Ｐ２および変動応力Ｐ３，Ｐ４が相乗的に作用して、ロータディスク２０２の外切欠部１１４付近に局所的に負荷がかかってしまい、ガスタービンのシール構造の信頼性を低下させる可能性があった。

以上のことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたもので、局所的に大きな面圧の発生を防いで信頼性を向上させたガスタービンのシール構造を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係るガスタービンのシール構造は、
複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入されたガスタービンのシール構造であって、
前記シール板組品の端部の剛性がそれ以外の部分と比べて低下される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第１の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記外側シール板の両端部にテーパ部が設けられる
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第２の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記テーパ部が、前記外側シール板の内面部に形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第２または第３の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記内側シール板の板幅が、前記外側シール板よりも狭く形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第４の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記内側シール板が、前記外側シール板の板幅方向中央に配置される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第４の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記内側シール板の一方の端部が前記外側シール板の一方の端部に揃えて配置される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係るガスタービンのシール構造は、
第４または第６の発明に係るガスタービンのシール構造であって、
前記外側シール板の他方の端部と前記ロータディスクの前記溝部の間にシール部材が配置される
ことを特徴とする。
前記シール部材としては、オメガ形状のシール材などが挙げられる。

本発明に係るガスタービンのシール構造によれば、シール板組品の端部の剛性をそれ以外の部分と比べて低下させたことにより、対向するロータディスクにて段差が生じても、シール板組品の遠心力が前記シール板組品の端部以外の部分を介してロータディスクの溝部に作用することになり、局所的に大きな面圧の発生を防ぐことができる。これにより、信頼性を向上させることができる。

本発明の第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造の概略構成図である。 ガスタービンのシール構造が具備するシール板組品の説明図である。 本発明の第二番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造の説明図である。 本発明の第三番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造の説明図である。 従来のガスタービンのシール構造の断面図である。 従来のガスタービンのシール構造の平面図である。 従来のガスタービンのシール構造の説明図である。 従来のガスタービンのシール構造の説明図である。

本発明に係るガスタービンのシール構造について、各実施形態にて具体的に説明する。

［第一番目の実施形態］
本発明の第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図１および図２を参照して説明する。本実施形態に係るガスタービンのシール構造は、従来のガスタービンのシール構造が具備するシール板組品を変更した構造であって、それ以外は従来のガスタービンのシール構造と同じ部材を具備する。本実施形態では、従来のガスタービンのシール構造と同じ部材には同一符号を付記する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造１０では、図１および図２に示すように、対向するロータディスク２０１，２０２間にシール板組品１０が配置されて、ロータディスクを冷却する冷却媒体の半径方向への漏洩を防止している。シール板組品１１の両端部１１ａ，１１ｂが、対向するロータディスク２０１，２０２の張出部１０１，１０３の対向面に形成された溝部１０２，１０４に挿入されている。なお、張出部１０１，１０３は、ロータ軸（図示せず）を囲んで対向するように環状に形成されている。溝部１０２，１０４は、張出部１０１，１０３の周方向に沿って形成されている。

シール板組品１１は、複数の内側シール板１２と、内側シール板１２の外周側に配置された複数の外側シール板１３とを備えている。複数の内側シール板１２は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。複数の外側シール板１３は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。複数の内側シール板１２と複数の外側シール板１３はこれらの端部同士が周方向にて重ならないように配置され、これらシール板１２，１３に廻り止め部材１６が周方向複数箇所に取り付けられる。すなわち、シール板組品１１は、複数の内側シール板１２と複数の外側シール板１３とが廻り止め部材１６により一体化して構成されている。なお、廻り止め部材１６は、上述した従来のガスタービンのシール構造１００が具備する廻り止め部材１０８と同様、略Ｕ字状の把持部材と、中間保持部材と、固定ネジとで構成される。廻り止め部材１６の基端部側が一方のロータディスク２０２の張出部１０３の外周面側に形成された外切欠部１１４に配置されると共に、廻り止め部材１６の先端部側が一方のロータディスク２０２に対向して配置される他方のロータディスク２０１の張出部１０１の内周面側に形成された内切欠部１１３に配置される。これにより、シール板組品１１の周方向への移動を防止している。

外側シール板１３の板幅は、内側シール板１２の板幅と略同じに形成される。外側シール板１３の内周面１３ｂには、その両端部１３ｃ，１３ｄに沿って周方向に延在するテーパ部１４，１５がそれぞれ形成されている。これにより、外側シール板１３の両端部１３ｃ，１３ｄ側の剛性がそれ以外の部分と比べて低下し、シール板組品１１の両端部１１ａ，１１ｂ側の剛性がそれ以外の部分と比べて低下することになる。

したがって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造１０によれば、外側シール板１３の内周面１３ｂの両端部１３ｃ，１３ｄに沿って延在するテーパ部１４，１５を設けてシール板組品１１の両端部１１ａ，１１ｂの剛性をそれ以外の部分と比べて低下させたことにより、シール板組品１１の両端部１１ａ，１１ｂが挿入されるロータディスク２０１，２０２間の溝部１０２，１０４にて段差が生じても、シール板組品１１に作用した遠心力が外側シール板１３の上面部１３ａにおける両端部１３ｃ，１３ｄ以外の部分を介してロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の上面部１０２ａ，１０４ａに作用することになり、シール板組品１１による局所的に大きな面圧の発生を防ぐことができる。これにより、信頼性を向上させることができる。

［第二番目の実施形態］
本発明の第二番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図３を参照して説明する。本実施形態に係るガスタービンのシール構造は、上述した第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０が具備するシール板組品を変更した構造であって、それ以外はガスタービンのシール構造１０と同じ部材を具備する。本実施形態では、ガスタービンのシール構造１０と同じ部材には同一符号を付記する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造２０は、図３に示すように、対向するロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４に両端部２１ａ，２１ｂが挿入されたシール板組品２１を具備する。シール板組品２１は、複数の内側シール板２２と、内側シール板２２の外周側に配置された複数の外側シール板２３とを備えている。複数の内側シール板２２は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。複数の外側シール板２３は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。内側シール板２２と外側シール板２３はこれらの端部同士が周方向にて重ならないように配置され、これらシール板２２，２３に廻り止め部材（図示せず）が周方向複数箇所に取り付けられる。すなわち、シール板組品２１は、複数の内側シール板２２と複数の外側シール板２３とが廻り止め部材により一体化して構成されている。なお、廻り止め部材は、上述した従来のガスタービンのシール構造１００が具備する廻り止め部材１０８と同様、略Ｕ字状の把持部材と、中間保持部材と、固定ネジとで構成される。

内側シール板２２の板幅Ｗ１は、外側シール板２３の板幅Ｗ２と比べて狭く形成される。内側シール板２２は、その板幅方向の中央が外側シール板２３の板幅方向の中央と略一致して配置される。よって、シール板組品２１では、その両端部２１ａ，２１ｂ側の剛性がそれ以外の部分と比べて低下している。シール板組品２１の重心は、その幅方向の中央部分となる。そのため、ロータディスク２０１，２０２に遠心力が作用し、ロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の先端側がその奥側と比べてロータ軸（図示せず）から離れる方向へ移動し、いわゆる口開き状態になると、それに追随するように外側シール板２３の幅方向中央にて撓みが生じることになる。よって、外側シール板２３の上面部２３ａはロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の上面部１０２ａ，１０４ａに面接触することになる。

したがって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造２０によれば、内側シール板２２の板幅Ｗ１を外側シール板２３の板幅Ｗ２と比べて狭く形成し、内側シール板２２の幅方向中央と外側シール板２３の幅方向中央とを一致して配置して、シール板組品２１の両端部２１ａ，２１ｂの剛性をそれ以外の部分と比べて低下させたことにより、シール板組品２１の両端部２１ａ，２１ｂが挿入されるロータディスク２０１，２０２間の溝部１０２，１０４にて段差が生じても、シール板組品２１に作用した遠心力が外側シール板２３の上面部２３ａの一部ではなくその全体を介してロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の上面部１０２ａ，１０４ａに作用することになり、シール板組品２１による局所的に大きな面圧の発生を防ぐことができる。これにより、信頼性を向上させることができる。

［第三番目の実施形態］
本発明の第三番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図４を参照して説明する。本実施形態に係るガスタービンのシール構造は、上述した第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０が具備するシール板組品を変更した構造であって、それ以外はガスタービンのシール構造１０と同じ部材を具備する。本実施形態では、ガスタービンのシール構造１０と同じ部材には同一符号を付記する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造３０は、図４に示すように、対向するロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４に両端部３１ａ，３１ｂが挿入されたシール板組品３１を具備する。シール板組品３１は、複数の内側シール板３２と、内側シール板３２の外周側に配置された複数の外側シール板３３とを備えている。複数の内側シール板３２は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。複数の外側シール板３３は、周方向にて複数に分割した円弧状の板材である。内側シール板３２と外側シール板３３はこれらの端部同士が周方向にて重ならないように配置され、これらシール板３２，３３に廻り止め部材（図示せず）が周方向複数箇所に取り付けられる。すなわち、シール板組品３１は、複数の内側シール板３２と複数の外側シール板３３とが廻り止め部材により一体化して構成されている。なお、廻り止め部材は、上述した従来のガスタービンのシール構造１００が具備する廻り止め部材１０８と同様、略Ｕ字状の把持部材と、中間保持部材と、固定ネジとで構成される。

内側シール板３２の板幅Ｗ１１は、外側シール板３３の板幅Ｗ１２と比べて狭く形成される。内側シール板３２の一方の端部３２ａが外側シール板３３の一方の端部３３ａに揃えて配置される。すなわち、内側シール板３２と外側シール板３３とは、一方の端部３２ａ，３３ｃ同士が径方向で一致して配置される。よって、シール板組品３１では、その他方の端部３１ｂ側の剛性がそれ以外の部分と比べて低下している。シール板組品３１の重心は、その板幅方向の中央部分から一方の端部３１ａ側へとずれた部分となる。そのため、対向するロータディスク２０１，２０２にて、定格起動時に段差を生じるように設計している場合、例えば、図４に示すガスタービンのシール構造３０にて、一方のロータディスク２０２がこれに対向する他方のロータディスク２０１と比べて半径方向に延びて段差が生じると、シール板組品３１の他方の端部３１ｂ側の曲げ剛性がこの箇所以外の部分と比べて弱くシール板組品３１の他方の端部３１ｂが一方のロータディスク２０２の溝部１０４ａの上面部１０４ａに片あたりしようとするが、シール板組品３１に作用する遠心力は、シール板組品３１の一方の端部３１ａ側の上面部、具体的には外側シール板３３の一方の端部３３ｃ近傍の上面部３３ａを介して他方のロータディスク２０１の溝部１０２の上面部１０２ａに作用することになる。

シール板組品３１の他方の端部３１ｂ近傍、具体的には、外側シール板３３の他方の端部３３ｄ近傍の上面部（外周面）３３ａと一方のロータディスク２０２の溝部１０４の上面部１０４ａの間には、シール材３４が配置される。シール材３４は、周方向に延在するものであって、軸方向にて３つ配置される。シール材３４としては、耐熱性を有し、オメガ状などに形成されたシール材が挙げられる。このような箇所にシール材３４を配置することにより、ロータ側の冷却媒体の外部への漏出を防止することができる。

したがって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造３０によれば、内側シール板３２の板幅Ｗ１１を外側シール板３３の板幅Ｗ１２と比べて狭く形成し、内側シール板３２の一方の端部３２ａと外側シール板３３の一方の端部３３ｃとを径方向にて一致して配置し、シール板組品３１の他方の端部３１ｂ側の剛性を低下させ、シール板組品３１の重心をその幅方向中央から一方の端部３１ａ側へとずらしたことで、シール板組品３１に作用した遠心力が外側シール板３３の上面部３３ａの一部ではなく全体を介してロータディスク２０１の溝部１０２の上面部１０２ａに作用することになり、シール板組品３１による局所的に大きな面圧の発生を防ぐことができる。これにより、信頼性を向上させることができる。

なお、上記では、基端部が一方のロータディスク２０２に形成された外切欠部１１４に配置されると共に、先端部が他方のロータディスク２０１に形成された内切欠部１１３に配置される廻り止め部材１６により内側シール板と外側シール板を一体化したシール板組品を具備するガスタービンのシール構造１０，２０，３０を用いて説明したが、把持部材の先端部側を短くし、基端部が一方のロータディスク２０２に形成された外切欠部１１４に配置される廻り止め部材により内側シール板と外側シール板を一体化したガスタービンのシール構造とすることも可能である。

本発明に係るガスタービンのシール構造によれば、シール板組品の上面全体ではなく端部のみがロータディスクの溝部の上面部に接触することによる局所的に大きな面圧の発生を防いで、信頼性を向上させることができるため、ガスタービンを用いる発電産業などで有益に利用することができる。

１０ ガスタービンのシール構造
１１ シール板組品
１２ 内側シール板
１３ 外側シール板
１４ テーパ部
１５ テーパ部
１６ 廻り止め部材
２０ ガスタービンのシール構造
２１ シール板組品
２２ 内側シール板
２３ 外側シール板
３０ ガスタービンのシール構造
３１ シール板組品
３２ 内側シール板
３３ 外側シール板
３４ シール材
１００ ガスタービンのシール構造
１０１ 張出部
１０２ 溝部
１０３ 張出部
１０４ 溝部
１０５ シール板組品
１０６ 外側シール板
１０７ 内側シール板
１０８ 廻り止め部材
１０９ 把持部材
１１０ 中間保持部材
１１１ 固定ネジ
１１３ 内切欠部
１１４ 外切欠部
２０１ ロータディスク
２０２ ロータディスク
Ｗ１ 内側シール板の板幅
Ｗ２ 外側シール板の板幅
Ｗ１１ 内側シール板の板幅
Ｗ１２ 外側シール板の板幅

Claims (7)

1. 複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入されたガスタービンのシール構造であって、
   前記シール板組品の端部の剛性がそれ以外の部分と比べて低下される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
2. 請求項１に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記外側シール板の両端部にテーパ部が設けられる
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
3. 請求項２に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記テーパ部は、前記外側シール板の内面部に形成される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
4. 請求項２または請求項３に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記内側シール板の板幅は、前記外側シール板よりも狭く形成される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
5. 請求項４に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記内側シール板は、前記外側シール板の板幅方向中央に配置される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
6. 請求項４に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記内側シール板の一方の端部が前記外側シール板の一方の端部に揃えて配置される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
7. 請求項４または請求項６に記載されたガスタービンのシール構造であって、
   前記外側シール板の他方の端部と前記ロータディスクの前記溝部の間にシール部材が配置される
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。

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