JP2013185521A - ガスタービンのシール装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置を提供。
【解決手段】ガスタービン静翼の円周方向に環状に複数個配置され隣接した双方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの各端面にタービンの略軸方向に沿った第１のシール溝と、第１のシール溝と略直交する第２のシール溝を設け、第１のシール溝及び第２のシール溝に跨るように第１のシールプレート及び第２のシールプレートを装着すると共に、これらのシールプレートをドッグボーン形状の断面形状を有するようにそれぞれ形成して隣接して配置し、第２のシールプレートに面した第１のシールプレートの長手方向の端面は、第１のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えるように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンのシール装置に係り、特に、圧縮空気を燃料と共にガスタービン燃焼器で燃焼して発生した燃焼ガスのエネルギーによってタービンの回転動力を得るガスタービンの冷却翼周りの冷却空気のリークを抑制するのに好適なガスタービンのシール装置に関するものである。
ガスタービンにおいては、熱効率の向上を目的としてタービンを駆動する作動ガスの高温化が図られている。
一方、この作動ガスに曝されるタービンの静翼及び動翼が高温に耐えられるように、高温材料の適用とともに、静翼及び動翼の翼内部に冷却媒体を供給する必要がある。
一般に採用されている、この種のガスタービンの冷却は、空気冷却によるオープン冷却方式である。即ち、圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気として用い、この空気をタービンケーシングや、タービン内部を径由させて、静翼及び動翼の翼内部に導き、冷却するようにしている。
そして、静翼及び動翼の翼内部を冷却した後の空気は、翼外表面に設けたフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔等から、ガスパス中に排出される。
また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部を、タービンホィールスペースのシール空気として分岐しており、この空気も主流ガスのイングレス抑制用としてガスパスに排出される。
ところで、動翼シュラウドや、静翼とエンドウォール等から成る静翼体は、それぞれ複数個のセグメントに分割されたセグメント構造として周方向に環状配置されている。
この静翼体の分割されたセグメントにおいて、隣接したセグメント間には、セグメント部材の熱伸びを考慮して、周方向に間隙を有しており、熱応力の発生防止の観点から、ガスタービンの定格運転点においてもセグメント部材同士が接触しないように設計されている。
即ち、静翼の冷却用空気として導入されるケーシング内部の外端側キャビティとガスパスは、このセグメント間に形成される間隙流路によって、半径方向に連通することになる。
従って、冷却空気の一部が、このセグメント間の間隙流路を径由して、直接、ガスパス中に漏洩する。所謂、リークが生じることになる。
同様に、静翼のダイアフラムもセグメント構造として環状に配置されており、シール空気の一部がこの静翼のセグメント構造におけるセグメント間の間隙流路を径由してガスパス中にリークすることになる。
これらの冷却空気のリークは、それ自体が損失であると共に、ガスパスの作動ガス中へ混入することによる混合損失発生や、比較的、低温であるリーク空気の希釈による作動ガスの温度低下をもたらし、総合的に、タービンの出力低下をひき起こす結果となり、作動ガスの高温化のメリットが十分に発揮できない恐れがある。
この改善策として、一般的には、周方向に隣接する静翼のセグメントの両側対向面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法が採られている。
但し、この種のシールプレートは、近年の大型化、高温化に伴う静翼のセグメントの半径方向の熱伸び偏差等によって生じるシール溝の半径方向の位置ずれ（オフセットと呼称）に対応できなくなっている。
そこで、平板状シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央部を薄く成形したシールプレートが開発されている。その代表例が、米国特許第５１５８４３０号公報に開示されているドッグボーン型シールプレートであり、シールプレート外端部を楕円状に形成している。
このドッグボーン型シールプレートの採用によって、シール溝にオフセットが生じても、シール溝面で必ず接触点が保持できると共に、プレート中央部が薄肉化されている為、この部分がシール溝エッジ部と干渉することはない。
一方、従来型の平板状シールプレートを含めて、これらのシールプレートを単独に装着して用いることは少なく、リーク発生要因となる高圧側域と低圧側域を遮断するように、複数枚のシールプレートで領域を取り囲む形で配置するのが一般的である。
この場合、略軸方向上に装着されるシールプレートの長手方向端と、交差する隣接のシールプレートとの間で、シール面を形成する必要があるが、その例として、特開平１１−１１７７０７号公報に開示されているように、井桁状に平板シールプレートを組込む等の改良がなされている。
米国特許第５１５８４３０号公報 特開平１１−１１７７０７号公報
例えば、ガスタービン設備において、冷却空気がリークする可能性がある経路等にシール装置を設けることは、リーク空気の流量低減から有効な手段である。
即ち、その一環である静翼を構成するセグメント部材間に装着するシールプレート、特に、オフセットに対応可能な米国特許第５１５８４３０号公報に開示されたようなシール溝に装着するドッグボーン型シールプレートは、その開発目的から、静翼のセグメント部材の間隙からの冷却・シール空気のリークを、あらゆるガスタービンの運転状態で未然に抑制する信頼性の高いガスタービンのシール装置と言える。
しかしながら、静翼のセグメント部材間のシール溝に装着するシールプレートを複数枚のシールプレートの組合せ構造として配置した場合、その形状特性から、一方のシールプレートのプレート端部面と、隣接する他方のシールプレートとの間に空隙を生じてしまい、全体的に見れば、この空隙から冷却・シール空気のリークを増大させる恐れがある。
この複数枚配置のシールプレートの改良策として、特開平１１−１１７７０７号公報に開示されたような井桁状に組込まれた平板プレートの配置では、この種の課題に対応可能であるが、逆に、プレート同士の組込による拘束から、シール溝のオフセットに対応できないという技術的な課題が生じる。
本発明の目的は、複数枚のシールプレートを隣接して配置した場合に、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置を提供することにある。
本発明のガスタービンのシール装置は、ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とする。
また本発明のガスタービンのシール装置は、ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートは矩形形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成した矩形形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とする。
また本発明のガスタービンのシール装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃料と燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンであって、前記タービンはタービン静翼とタービン動翼を有しており、前記タービン静翼は周方向に環状に複数個配置され、ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とする。
また本発明のガスタービンのシール装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃料と燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンであって、前記タービンはタービン静翼とタービン動翼を有しており、前記タービン静翼は周方向に環状に複数個配置され、ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートは矩形形状の断面形状を有するように形成し、前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成した矩形形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、複数枚のシールプレートを隣接して配置した場合にも静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制し、シール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置を実現することが出来る。
本発明の実施例であるガスタービンのシール装置が適用されるガスタービンの構成を示す概念図。 図１に示したガスタービンのタービン部の詳細構造を示す断面図。 図２に示した本実施例のガスタービンのシール装置を配置する静翼体セグメントを示す概念図。 本発明の第１実施例であるガスタービンのシール装置を配置した静翼体セグメントを外形側エンドウォールの半径方向外方から見た概念図。 図４に示した本発明の第１実施例であるガスタービンのシール装置を静翼体セグメントのシール溝に隣接して配置したガスタービンのシール装置の組立時の状況を模式的に示した断面図。 図５に示した本発明の第１実施例のガスタービンのシール装置を構成するシールプレートを示す部分断面図。 図５及び図６に示した本発明の第１実施例であるガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置されたシールプレートの組立時の状況を示す模式図。 図５及び図６に示した本発明の第１実施例であるガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置されたシールプレーとのガスタービン運転時の状況を示す模式図。 本発明の第２実施例であるガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置されたシールプレートの組立時の状況を示す模式図。 本発明の第２実施例であるガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置されたシールプレートのガスタービン運転時の状況を示す模式図。
本発明の実施例であるガスタービンのシール装置について図面を参照して以下に説明する。
本発明の第１実施例のガスタービンのシール装置について、図１〜図９を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施例のガスタービンのシール装置が適用されるガスタービンの構成を示す概念図、図２は図１に示したガスタービンのタービン部の詳細構造を示す断面図、図３は図２に示した本実施例のガスタービンのシール装置を配置する静翼体セグメントを示す概念図、図４は図２に示した本実施例のガスタービンのシール装置を配置した静翼体セグメントを外形側エンドウォールの半径方向外方から見た概念図、図５は本実施例によるシール装置を静翼体セグメントのシール溝に隣接して配置したガスタービンのシール装置の組立時の状況を示す概念断面図、図６は本実施例のガスタービンのシール装置を示す部分断面図である。
まず図１を用いて、本発明のガスタービンのシール装置が適用される本発明の実施例であるガスタービン１００の全体構成を作動ガスと冷却空気の流れについて説明する。
図１において、ガスタービン１００は、第１段静翼１０、第２段静翼１２ａ、第１段動翼１１、及び第２段動翼１３を上流側から下流側に沿って多段に配列したタービン４と、このタービン４とロータ１によって連結され燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２と、圧縮機２で圧縮した圧縮空気を燃料と共に燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器３と、ガスタービン燃焼器３で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン４と、このタービン４によって駆動されて発電する発電機５を備えている。
圧縮機２から抽気した冷却空気は、タービン４に配設した例えば第２段静翼１２を冷却するための静翼低圧冷却空気経路６ａ、タービン４に配設した第１段静翼１０を冷却するための静翼高圧冷却空気経路６ｂ、第１段動翼１１及び第２段動翼１３を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、各々のタービン４の被冷却部に供給される。
このとき、圧縮機２から抽気した抽気空気圧力は、前記静翼及び動翼の各翼でのガスパス圧力に応じた値から選定しており、静翼高圧冷却空気経路６ｂ、動翼冷却空気経路７には、圧縮機２の最終段からの抽気空気、静翼低圧冷却空気経路６ａには、圧縮機２の中圧段からの抽気空気を導入するように構成されている。
そしてタービン４の被冷却部を冷却して熱交換した各冷却空気は、図示しない翼のフィルム冷却、或いは、翼後縁からの噴出し等として、タービン４のガスパス９中に排出され、作動ガスと混合して、最終的にはタービン４から排出する排気ガスとして大気に放出される。
図２は図１に示したガスタービンのタービン部の詳細構造を示す断面図であり、タービン４の２段目までの第１段静翼１０、第２段静翼１２ａ、第１段動翼１１、及び、第２段動翼１３を表すタービン部分断面である。
各冷却空気経路６ａ、６ｂ、及び７は、それぞれの被冷却部である翼に連通するが、ここでは、本実施例によるガスタービンのシール装置を明確にするため、第２段静翼１２ａまわりを対象として説明する。
静翼低圧冷却空気経路６ａを径由して、タービン４のケーシング１４に設けた導入孔（図示せず）を介して供給された冷却空気は、ケーシング１４の外端側内部にある第２段静翼供給キャビティ８を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼１２ａを構成する第２段静翼体セグメント２１ａに供給される。
この第２段静翼体セグメント２１ａは、主として、外径側エンドウォール２２ａ、第２段静翼１２ａ、及び、内径側エンドウォール２３ａから構成されている。
導入された冷却空気は、第２段静翼体セグメント２１ａの図示しない冷却パスを通過するときに、各エンドウォール２２ａ、２３ａ、第２段静翼１２ａを冷却して熱交換することにより温度上昇して、ガスパス９に排出される。
また、第２段静翼供給キャビティ８に供給された空気の一部は、第２段静翼体セグメント２１ａと、第２段静翼体セグメント２１ａに装着されるダイアフラム１６ａとの間で形成されるダイアフラムキャビティ１５を経て、回転体の第１段ホィール１９ａ、スペーサー１８及びダイアフラム１６ａで形成される第１段動翼後側ホィールスペース１７ａに供給された後、一部が、第１段動翼１１と第２段静翼１２ａ間のガスパスへシール空気として流れるように構成されている。
また、第２段静翼供給キャビティ８に供給された空気の他の一部が、ダイアフラム１５とスペーサー１８の間で協働するシールフィン２９によって流量を絞られた後、回転体の第２段ホィール１９ｂ、スペーサー１８及びダイアフラム１６ａで形成される第２段動翼前側ホィールスペース１７ｂに分配され、第２段静翼１２ａと第２段動翼１３間のガスパス９中へシール空気として流れるように構成されている。
図３は図２に示した本実施例のガスタービンのシール装置を配置する静翼体セグメントを示す概念図であり、周方向に複数個配置される第２段静翼体セグメント２１の１つである第２段静翼１２ａを含む第２段静翼体セグメント２１ａと、前記第２段静翼体セグメント２１ａに取り付けられるダイアフラム１６ａを示したものである。
第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａにおいて、隣接する第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂと対向した前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面には、タービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３１ａと、タービンの略軸方向に沿った前記シール溝３１ａと略直交する方向に沿って形成され、第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側に位置するシール溝３０ａ及びシール溝３２ａがそれぞれ設けられている。そして、これらのシール溝３０ａ、３２ａは前記シール溝３１ａとそれぞれ連通している。
また、第２段静翼体セグメント２１ａの内径側エンドウォール２３ａにおいて、隣接する第２段静翼体セグメント２１ｂの内径側エンドウォール２３ｂと対向した前記第２段静翼体セグメント２１ａの内径側エンドウォール２３ａの端面には、タービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３３ａと、タービンの略軸方向に沿った前記シール溝３３ａと略直交する方向に沿って形成されて第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置するシール溝３４ａ及びシール溝３５ａがそれぞれ設けられている。そして、これらのシール溝３４ａ、３５ａは前記シール溝３３ａとそれぞれ連通している。
また、前記第２段静翼体セグメント２１ａに取り付けられるダイアフラム１６ａにも、タービンの略軸方向に沿って形成されてダイアフラム１６ａのスペーサー１８側に位置するシール溝３９ａと、タービンの略軸方向に沿った前記シール溝３９ａと略直交する方向に沿って形成されて第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置するシール溝３８ａ及びシール溝４０ａがそれぞれ設けられている。
前記第２段静翼体セグメント２１ａに取り付けられるダイアフラム１６ａには、更に、第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側で、前記シール溝３３ａとシール溝３９ａとの半径方向の中間に位置してタービンの略軸方向に沿って形成された短いシール溝３７ａ及び４１ａがそれぞれ設けられている。そして、このシール溝３７ａは前記シール溝３４ａ、３８ａと連通し、シール溝４１ａは前記シール溝３５ａ、４０ａと連通している。
ところで、第２段静翼体セグメント２１は、周方向に複数個配置するものであり、互いのセグメント間、例えば、第２段静翼体セグメント２１ａと、隣接する第２段静翼体セグメント２１ｂとの間には間隙を有する。
従って、ケーシング１４の外端側内部に形成された第２段静翼供給キャビティ８と、第２段静翼１２ａと第２段動翼１３間に形成した作動ガスが流下するガスパス９は連通しており、概念的には、図中に示す第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９へ向かう矢印方向のリーク流路が発生することになり、第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面に設けたシール溝３０ａ、３１ａ、３２ａが、高圧側である第２段静翼供給キャビティ８と、低圧側であるガスパス９を遮断する形で配置されている。
同様に、第２段静翼体セグメント２１ａの内径側エンドウォール２３ａやダイアフラム１６ａのセグメント間にもリーク流路が存在することになるが、以下、さらに、本発明の実施例の意図を明確にするため、第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面に設けたシール溝３０ａ、シール溝３１ａ、及びシール溝３２ａと、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂの端面に設けたシール溝３０ｂ、シール溝３１ｂ、及びシール溝３２ｂと、これらの各シール溝３１ａと３１ｂ、３０ａと３０ｂ、３２ａと３２ｂにそれぞれ装着されるシールプレート５１、シールプレート５０、及びシールプレート５２とから構成されるガスタービンのシール装置を代表的な実施例に取り上げ、この実施例のガスタービンのシール装置について詳細に説明する。
図４は図２に示した本実施例のガスタービンのシール装置を配置した第２段静翼体セグメント２１ａと、これに隣接する第２段静翼体セグメント２１ｂを外形側エンドウォールの半径方向外側から眺めた投影図である。
前述したとおり、第２段静翼体セグメント２１は、複数個のセグメントとして環状に配置されており、代表的に隣接した２つの第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂを示したものである。
隣接して配置されたこれらの第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂとの間には、ガスタービンの運転停止時に両セグメント間に周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを形成して、組み立てられている。
第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドォール２２ａに隣接して、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドォール２２ｂが配置されており、前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面と、隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂの端面との相互に対向した位置に、タービンの略軸方向に沿ってシール溝３１ａと、シール溝３１ｂがそれぞれ形成されている。
この両者のシール溝３１ａ及び３１ｂを跨ぐようにシールプレート５１がシール溝３１ａ及び３１ｂの内部に装着されており、前記シールプレート５１は第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを塞ぐように作用する。
前記シールプレート５１をシール溝３１ａ及び３１ｂに装着することによって、第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９にかけて冷却空気のリーク経路が、半径方向に遮断されることになる。
同様に、前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの上流側の端面と、隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂの上流側の端面との相互に対向した位置に、タービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３１ａ及びシール溝３１ｂと連通すると共に、シール溝３１ａ及びシール溝３１ｂと略直交する方向に沿ってシール溝３０ａ及びシール溝３０ｂがそれぞれ形成されている。
そしてこの両者のシール溝３０ａ及び３０ｂを跨ぐようにシールプレート５０がシール溝３０ａ及び３０ｂの内部に装着されており、このシールプレート５０も第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを塞ぐように作用する。
更に、前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの下流側の端面と、隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂの下流側の端面との相互に対向した位置に、タービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３１ａ及びシール溝３１ｂと連通すると共に、シール溝３１ａ及びシール溝３１ｂと略直交する方向に沿ってシール溝３２ａ及びシール溝３２ｂがそれぞれ形成されている。
そしてこの両者のシール溝３２ａ及び３２ｂを跨ぐようにシールプレート５２がシール溝３２ａ及び３２ｂの内部に装着されており、このシールプレート５２も第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを塞ぐように作用する。
図５は本実施例によるガスタービンのシール装置を静翼体セグメントのシール溝に隣接して配置したガスタービンのシール装置の組立時の状況を示す概念断面図であり、本実施例のガスタービンのシール装置である第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３０ａ、３１ａ、３２ａと、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂのシール溝３０ｂ、３１ｂ、３２ｂにそれぞれ跨ぐように装着したシールプレート５０、５１、５２のうち、第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３０ａ及び３１ａにシールプレート５０及び５１を装着した部分のみを示したガスタービンシール装置の組立時の断面を簡略して示しやものである。尚、説明を容易にするため、便宜的に、シールプレート５０とシールプレート５１とが直交して隣接して配置されているものとして表示した。
前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面にタービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３１ａにはシールプレート５１が装着され、前記第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの上流側となる端面にタービンの軸方向と略直交する方向（シール溝３１ａの配設方向に対して略直交する方向）に沿って形成され、前記シール溝３１ａと連通したシール溝３０ａにはシールプレート５０が装着されている。
前記シールプレート５１及びシールプレート５０の両者は、それぞれ後述するドッグボーン型の断面を有するシールプレートである。前記シールプレート５１は、その一方のプレート端面２４が前記シールプレート５０に対向するように配置され、図示していない他方のプレート端面３４は図示していないシールプレート５２に対向するように配置されている。
図６は本実施例のガスタービンのシール装置を示す部分断面図であり、本実施例のガスタービンのシール装置である図５で示した第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａに装着したシールプレート５１を、矢印２６の方向から見たタービンの略軸方向に沿って配設したシールプレート５１の断面を示したものであり、前述のドッグボーン型の断面を有するシールプレート５１の拡大断面図である。
前記シールプレート５１は、第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａの端面に設けたシール溝３１ａと、第２段静翼体セグメント２１ａに隣接して配置された第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂの端面に設けられたシール溝３１ｂとを跨ぐように装着されている。
シールプレート５１のドッグボーン型の断面形状は、シール溝３１ａ側の第１の円弧６０ａと、シール溝３１ｂ側の第２の円弧６０ｂをそれぞれ有し、第１の円弧６０ａの内側となる第１の内側円弧端６４ａと、第２の円弧６０ｂの内側となる第２の内側円弧端６４ｂとを結ぶ直線部６１と、前記各内側円弧端６４ａ、６４ｂの反対側の外側となる円弧端にそれぞれ形成された側面部６３ａ、６３ｂから成るドッグボーン形状に形成されており、前記直線部６１の中間がシールプレート５１の長手方向となるタービンの略軸方向に沿って通る軸線となる線対称形で形成されている。
前記シール溝３１ａ内及びシール溝３１ｂ内に跨ぐように装着された前記シールプレート５１において、シールプレート５１の第１の円弧６０ａ及び第２の円弧６０ｂには、シール溝３１ａの下側の壁面と当接する接触点６２ａ及びシール溝３１ｂの下側の壁面と当接する接触点６２ｂをそれぞれ形成している。
前記シールプレート５１の第１の円弧６０ａ及び第２の円弧６０ｂに形成された接触点６２ａ、６２ｂは、これらのシール溝３１ａの下側の壁面及びシール溝３１ｂの下側の壁面との間でシールプレート５１の長手方向に沿って連続した線接触シールを形成することになる。尚、第１の円弧６０ａ、第２の円弧６０ｂ、及び直線部６１で形成されるシールプレート５１の外形状線をプレート外形状線６５と称する。
また、本実施例のシールプレート５１を装着した図６に示した本実施例のガスタービンのシール装置において、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの半径方向外方となる第２段静翼供給キャビティ８の圧力はＰ１、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの半径方向内方となる作動ガスが流下するガスパス９の圧力はＰ２として示している。
図７は本実施例のガスタービンのシール装置である図５で示した第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３０ａに装着したシールプレート５０、シール溝３１ａに装着したシールプレート５１、及びシール溝３２ａに装着したシールプレート５２を矢印２７の方向から見たガスタービンのシール装置の組立時の概念図である。
図７に示した本実施例のガスタービンのシール装置において、シール溝３１ａに装着したシールプレート５１はシール溝３０ａに装着したシールプレート５０、及びシール溝３２ａに装着したシールプレート５２とほぼ直交して隣接配置されており、このシールプレート５０に面した前記シールプレート５１の一方の端面であるプレート端面２４は、シールプレート５０のドッグボーン形状の断面形状を有するプレート外形線状６５とほぼ同一形状となる２つの円弧とその間の直線部で形成されるシールプレート５１の外形線状に形成されている。
また、このシールプレート５２に面した前記シールプレート５１の他方の端面であるプレート端面３４は、シールプレート５２のドッグボーン形状の断面形状を有するプレート外形線状６５とほぼ同一形状となる２つの円弧とその間の直線部で形成されるシールプレート５２の外形線状に形成されている。
そして、前記形状のプレート端面２４及びプレート端面３４を備えたシールプレート５１が第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを有した状態で第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３１ａ内、及び隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂのシール溝３１ｂ内に跨って組込まれる。
尚、詳細な説明は省略したが、図７に示したように、シールプレート５０の断面形状は、前記シールプレート５１の断面形状と同様に、シール溝３０ａ側の第１の円弧と、シール溝３０ｂ側の第２の円弧をそれぞれ有し、第１の円弧の内側となる第１の内側円弧端と、第２の円弧の内側となる第２の内側円弧端とを結ぶ直線部と、前記各内側円弧端の反対側の外側となる円弧端にそれぞれ形成された側面部を有するプレート外形状線６５から成るドッグボーン形状に形成されており、前記直線部の中間を第２段静翼１２ａの翼長方向に沿って通る軸線とした線対称形で形成されている。
同様に、シールプレート５２の断面形状は、前記シールプレート５１の断面形状と同様に、シール溝３２ａ側の第１の円弧と、シール溝３２ｂ側の第２の円弧をそれぞれ有し、第１の円弧の内側となる第１の内側円弧端と、第２の円弧の内側となる第２の内側円弧端とを結ぶ直線部と、前記各内側円弧端の反対側の外側となる円弧端にそれぞれ形成された側面部を有するプレート外形状線６５から成るドッグボーン形状に形成されており、前記直線部の中間を第２段静翼１２ａの翼長方向に沿って通る軸線とした線対称形で形成されている。
そして図７に示した本実施例のガスタービンのシール装置では、このシールプレート５０が第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを有した状態で第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３０ａ内、及び隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂのシール溝３０ｂ内に跨くように装着されて組込まれている。
また、シールプレート５２が第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂ間に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄを有した状態で第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３２ａ内、及び隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２ｂのシール溝３２ｂ内に跨くように装着されて組込まれている。
上記のように構成された本実施例のガスタービンのシール装置において、ガスタービン１が運転すると、ガスタービン燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、圧力が約１．６ＭＰａ、温度が１３００℃程度となり、図１及び図２に示したタービン４の内部の第１段静翼１０の入口に流入する。
そして第１段静翼１０ａの下流側に設置された第１段動翼１１をはじめとする各動翼段で、流入した作動ガスの流体エネルギーをタービン４の回転エネルギーに変化させながら、作動ガスの圧力、温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出後、タービン４から排気される。
そして、作動ガスによるタービン４の駆動によって、タービン４に直結した発電機５が回転して電力を得る。
タービン４の内部に設置された動翼及び静翼のタービン翼は、高温の作動ガスに晒されるため、圧縮機２で得られる高圧空気の一部を抽気して前記タービン翼の冷却空気として用いる。この冷却空気は、静翼と動翼へ区分されて供給されている。
静翼を冷却する冷却空気は圧縮機２から適正圧力で抽気されて、静翼体セグメントを構成する第２段静翼１２ａに、静翼低圧冷却空気経路６ａを経由してタービン４のケーシング１４の外端側内部に形成された第２段静翼キャビティ８に流入し、この第２段静翼キャビティ８を経由した冷却空気が第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂに導入される。
ガスタービンの運転の経過とともに、作動ガスや冷却空気を加熱源として、各ガスタービン部材は温度上昇する。そしてガスタービン部材の一つである第２段静翼体セグメント２１ａと、この第２段静翼体セグメント２１ａと隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂは熱伸びが生じるが、これらの第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの周方向には、組立時に形成された周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｃｏｌｄが、ガスタービン運転時の周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｈｏｔ（図示せず）まで熱伸びによって狭まる。
しかし、前記運転時の周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｈｏｔは、ガスタービンの定格点運転において第２段静翼体セグメント２１ａと隣接した第２段静翼体セグメント２１ｂとが接触しないような所定の間隙を確保するように設計しているため、前記運転時に前記周方向の隣接端面間隙σｃ＿ｈｏｔが零になることはない。
この場合、前記第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの熱伸びに連動して、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂ、さらには、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成したシール溝３１ａ、３１ｂの位置も周方向間隙方向に向かって熱伸びによって移動するが、シール溝３１ａ、３１ｂ内に装着された前記シールプレート５１は、シール溝３１ａ、３１ｂの内壁下面と接するシールプレート５１の接触点６２ａ、６２ｂでの滑りにより、シール溝３１ａ、３１ｂの変位に対応することができるので、シール溝３１ａ、３１ｂ内のシールプレート５１の設置位置は保持される。
一方、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂは、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動ガスの作動流体力とガスタービン部材の製作公差によってσｒ（図示せず）の半径方向変位が生じ、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成した前記シール溝３１ａ、３１ｂに半径方向のオフセットが生じる。
この半径方向のオフセットの発生によって、シール溝３１ａ、３１ｂに跨って配設された前記シールプレート５１の接触点６２ａと接触点６２ｂの間で半径方向に段差を生じることになるが、この段差による変位は、前記シールプレート５１に形成した第１の円弧６０ａと第２の円弧６０ｂがシール溝３１ａ、３１ｂの壁面と接する接触点６２ａ、６２ｂを前記第１の円弧６０ａ上及び第２の円弧６０ｂ上をそれぞれ移動させることによって、ガスタービンのシール装置の組立時と同様に、シールプレートの長手方向に沿った線接触シールを保持する。
更に、第２段静翼供給キャビティ８に供給される冷却空気の圧力Ｐ１は、ガスパス９の圧力Ｐ２よりも高いため、図６に示した図面の上側から下側方向に流体力（Ｐ１−Ｐ２）が作用して、前記シールプレート５１に形成した第１の円弧６０ａ上及び第２の円弧６０ｂ上をそれぞれ移動した接触点６２ａ、６２ｂでは押付け力が増加して、リークの遮断効果が増すことになる。
尚、図７に示したシール装置の組立時におけるガスタービンのシール装置では、シール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着したシールプレート５１と、シールプレート５０との間の組立時の隣接端面間隙はσｐ＿ｃｏｌｄである。
図８は本実施例のガスタービンのシール装置である図７に示したシール装置の組立時におけるガスタービンのシール装置の概念図において、第２段静翼体セグメント２１ａ、２２ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂのシール溝３０ａに装着したシールプレート５０と、シール溝３２ａに装着したシールプレート５２と、これらのシールプレート５０及び５２と略直交して隣接配置され、シール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着したシールプレート５１のガスタービン運転状態の概念図を示す。
図８に示したガスタービンのシール装置においては、シール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着したシールプレート５１は、ガスタービン運転状態では温度上昇によりタービンの略軸方向長手方向（シールプレート５１の長手方向）への熱伸びによって、シールプレート５０及び５２とシールプレート５１との間の組立時の隣接端面間隙σｐ＿ｃｏｌｄが、ガスタービン運転時の隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔまで縮小（σｐ＿ｃｏｌｄ＞σｐ＿ｈｏｔ）することになる。
更に、前記シールプレート５１は、一方のプレート端面２４が前記シールプレート５０に対向するように配置され、他方のプレート端面３４が前記シールプレート５２に対向するように配置されており、シールプレート５０と面した前記シールプレート５１の一方のプレート端面２４は、シールプレート５０のドックボーン形状の断面形状であるプレート外形状線６５とほぼ同一形状となる２つの円弧とその間の直線部で形成されるシールプレート５２の外形状線に倣って形成されており、また、シールプレート５２と面した前記シールプレート５１の他方のプレート端面３４は、シールプレート５２のドックボーン形状の断面形状であるプレート外形状線６５とほぼ同一形状となる２つの円弧とその間の直線部で形成されるシールプレート５２の外形状線に倣って形成されている。
更に、シール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着したシールプレート５１は、ガスタービン運転状態では温度上昇によりタービンの略軸方向長手方向（シールプレート５１の長手方向）への熱伸びによって、シールプレート５０とシールプレート５１との間の組立時の隣接端面間隙σｐ＿ｃｏｌｄが、ガスタービン運転時の隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔまで縮小（σｐ＿ｃｏｌｄ＞σｐ＿ｈｏｔ）するので、この隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔからリークするリーク流量を大幅に抑制できる。
即ち、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９の間のセグメント間隙σｃ＿ｈｏｔ、及びシールプレート５０とシールプレート５１との間の隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔに起因する冷却空気連通が、第２段静翼体セグメント２１ａ、２２ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂのシール溝３０ａに装着したシールプレート５０、及びシール溝３２ａに装着したシールプレート５２と、これらのシールプレート５０及び５２とほぼ直交して隣接配置されて外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂのシール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着したシールプレート５１を備えると共に、このシールプレート５１の一方のプレート端面２４を前記シールプレート５０に対向するように配置させ、このシールプレート５１の他方のプレート端面３４を前記シールプレート５２に対向するように配置させることによって、前記した冷却空気連通がガスタービン運転中の常時に亘り、遮断、抑制されるため、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９の間のセグメント間隙σｃ＿ｈｏｔ、及びシールプレート５０とシールプレート５１との間の隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔからのリーク流量が大幅に低減できる。
上記した本実施例のガスタービンのシール装置である各段の静翼体セグメント間に装着したガスタービンのシール装置では、隣接する２枚のドッグボーン型シールプレート５０及び５１において、シール溝３１ａ及びシール溝３１ｂを跨ぐように装着され、略水平方向線上に配置する前記シールプレート５１のプレート端面２４の形状を、シール溝３０ａ及びシール溝３０ｂを跨ぐように装着され、略垂直方向線上に配置する前記シールプレート５０の第１の円弧と第２の円弧、及び、内側の円弧端を結ぶ直線で表されるドッグボーン形状の外形状線６５に略同一形状に形成することによって、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動ガスの作動流体力とガスタービン部材の製作公差によって第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成した前記シール溝３１ａ、３１ｂに半径方向のオフセットが生じた場合にも、このオフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、シールプレート５０とシールプレート５１とが隣接して配置された本実施例のガスタービンのシール装置において、シールプレート５０に面した前記シールプレート５１の略水平方向のシールプレート端面の空隙を抑制しているので、更なるリーク流量の低減が達成できる。
そして、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成した前記シール溝３１ａ、３１ｂに半径方向のオフセットが生じた場合でも、オフセットによって起こりうるシールプレート５０、５１の変形、或いは、シールプレート５０、５１を介したシール溝エッジに作用する応力の発生を低減し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いガスタービンのシール装置を実現することができ、その効果を十分に発揮できる前記ガスタービンのシール装置を備えたガスタービンを提供できる。
上記した本実施例のガスタービンのシール装置である各段の静翼体セグメント間に装着したガスタービンのシール装置では、隣接する２枚のドッグボーン型シールプレート５２及び５１において、シール溝３１ａ及びシール溝３１ｂを跨ぐように装着され、略水平方向線上に配置する前記シールプレート５１のプレート端面３４の形状を、シール溝３２ａ及びシール溝３２ｂを跨ぐように装着され、略垂直方向線上に配置する前記シールプレート５２の第１の円弧と第２の円弧、及び、内側の円弧端を結ぶ直線で表されるドッグボーン形状の外形状線６５に略同一形状に形成することによって、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動ガスの作動流体力とガスタービン部材の製作公差によって第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成した前記シール溝３１ａ、３１ｂに半径方向のオフセットが生じた場合にも、このオフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、シールプレート５２とシールプレート５１とが隣接して配置された本実施例のガスタービンのシール装置において、シールプレート５２に面した前記シールプレート５１の略水平方向のシールプレート端面の空隙を抑制しているので、更なるリーク流量の低減が達成できる。
そして、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの端面に形成した前記シール溝３１ａ、３１ｂに半径方向のオフセットが生じた場合でも、オフセットによって起こりうるシールプレート５２、５１の変形、或いは、シールプレート５２、５１を介したシール溝エッジに作用する応力の発生を低減し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いガスタービンのシール装置を実現することができ、その効果を十分に発揮できる前記ガスタービンのシール装置を備えたガスタービンを提供できる。
上記した実施例のガスタービンのシール装置においては、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けた一対の対向するシール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着されたシールプレート５１と、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの上流側に設けた別の一対の対向するシール溝３０ａ、３０ｂに跨って装着され、前記シールプレート５１と隣接して配設されたシールプレート５０で構成したガスタービンのシール装置を本実施例の１つの態様であるガスタービンのシール装置として説明した。
本実施例のガスタービンのシール装置の実施例の別の態様としては、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けた一対の対向するシール溝３１ａ、３１ｂに跨って装着されたシールプレート５１と、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂの下流側に設けた別の一対の対向するシール溝３２ａ、３２ｂに跨って装着され、前記シールプレート５１と隣接して配設されたシールプレート５２で構成したガスタービンのシール装置を本実施例の別の態様であるガスタービンのシール装置としても良い。
また、本実施例のガスタービンのシール装置として、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けたシール溝３１ａ、３１ｂ、３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂにそれぞれ装着したシールプレート５１、５０、５２のみならず、図３に示した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの内径側エンドウォール２３ａ、２３ｂにタービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３３ａと、タービンの軸方向と略直交する方向に沿って形成されて該シール溝３３ａと連通している第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置するシール溝３４ａ及び３５ａと、これらのシール溝３３ａ、３４ａ、３５ａに装着されるそれぞれのシールプレートで構成したガスタービンのシール装置を本実施例の他の態様であるガスタービンのシール装置としても良い。
また、本実施例のガスタービンのシール装置として、前記第２段静翼体セグメント２１ａに取り付けられるダイアフラム１６ａの略軸方向に沿って形成されてダイアフラム１６ａのスペーサー１８側に位置するシール溝３９ａと、タービンの軸方向と略直交する方向に沿って形成されて該シール溝３９ａと連通している第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置するシール溝３８ａ及び４０ａと、第２段静翼体セグメント２１ａの上流側に位置して前記シール溝３８ａ及び３４ａと連通しているシール溝３７ａと、第２段静翼体セグメント２１ａの下流側に位置して前記シール溝４０ａ及び３５ａと連通しているシール溝４１ａと、これらのシール溝３９ａ、３８ａ、４０ａ、３７ａ、４１ａに装着されるそれぞれのシールプレートで構成したガスタービンのシール装置を本実施例の他の態様であるガスタービンのシール装置としても良い。
そして、前記した各態様の本実施例のガスタービンのシール装置を採用しても、これらのシール溝に装着されるシールプレートとして、本実施例のガスタービンのシール装置を構成するシールプレート５１、５０、或いはシールプレート５１、５２と同じ構成のシールプレートを適用すれば、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを更に抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置が実現できるという大きな効果が期待できる。
また、本実施例のガスタービンのシール装置においては、シールプレート５０に面したシールプレート５１の一方のプレート端面２４の形状を、シールプレート５０のドッグボーン形状の断面形状を有するプレート外形状線と略同一形状に形成したが、例えば、図６に示した実施例のガスタービンのシール装置では、シールプレート５０の第１の円弧６０ａがシール溝３１ａの内壁の下面と接触する接触点６２ａと、シールプレート５０の第２の円弧６０ｂがシール溝３１ｂの内壁の下面と接触する接触点６２ｂを結ぶ直線をＸ軸、このＸ軸と直交する直交線をＹ軸とするとき、第１の円弧６０ａと第２の円弧６０ｂの最大値点を始点として、その両内径側円弧端を結ぶ直線としてシールプレート５０のプレート外形状線６５を定義した形状に倣うようにシールプレート５１の一方のプレート端面２４の形状を形成した場合でも、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制してシール性能を向上する効果は多大である。
また、本発明の主旨は、ガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置した２枚のシールプレートの間に生じる空隙を低減させることにあることから、シールプレート５１のプレート端面２４の形状は、前記シールプレート５０のプレート外形状線の形状に類似していれば良く、完全に一致した形状に形成する必要はない。
逆に、本実施例のガスタービンのシール装置では、ガスタービンの運転時に、隣接するシールプレート５０、５１の間に隣接端面間隙σｐ＿ｈｏｔを与えるようにしたが、シールプレート５０のプレート外形状線と、シールプレート５１の一方のプレート端面２４とが接触しても構わない。
上述した理由により、シールプレート５０のプレート外形状線と、シールプレート５１のプレート端面２４とが部分接触としたとしても、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制するシール効果があることは明らかである。
本実施例のガスタービンのシール装置においては、説明の容易性を考慮して、便宜的に隣接するシールプレート５０、５１が直交する構成であるとして説明したが、前記シールプレート５０、５１が実際的な略水平方向、略垂直方向に傾斜して装着されていた場合であっても、略水平方向配備のシールプレート５０の一方のプレート端面２４の加工を、略垂直方向のシールプレート５０のプレート外形状線に対して面状で略同一形状に形成していれば、本発明の主旨に合致するものとなる。
本実施例によれば、複数枚のシールプレートを隣接して配置した場合に、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置を提供することが出来る。
次に、本発明の第２実施例のガスタービンのシール装置について、図９及び図１０を用いて説明する。
本実施例のガスタービンのシール装置は、図１〜図８に示した本発明の第１実施例のガスタービンのシール装置と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。
図９は本実施例のガスタービンのシール装置を構成する隣接して配置したシールプレート５１ａ及びシールプレート５０ａについて、ガスタービンのシール装置の組立時の状況として示した概念図であり、第１実施例のガスタービンのシール装置と同様に、第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３１ａ、シール溝３０ａにそれぞれ装着したシールプレート５１ａ及びシールプレート５０ａの組立時の状況を簡略して示している。
図１０は本実施例のガスタービンのシール装置である第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３１ａ、３０ａにそれぞれ装着した、隣接して配置したシールプレート５１ａ及びシールプレート５０ａのガスタービン運転時の状況を示す概念図である。
図９及び図１０に示した本実施例のガスタービンのシール装置において、シールプレート５１ａは断面形状がドッグボーン型の形状を有するシールプレートであり、シールプレート５０ａに面した側の前記シールプレート５１ａの一方のプレート端面２４ａは、シールプレート５１ａの長手方向線に対して直角方向に直線状に加工されている。
前記シールプレート５１ａに隣接して配置され、第２段静翼１２ａの翼長方向に長手方向を有するシールプレート５０ａは、その長手方向断面を矩形形状とする平板である。
矩形形状の断面形状を有するシールプレート５０ａに面した前記シールプレート５１ａのプレート端面２４ａと、シールプレート５１ａに面した前記シールプレート５０ａのプレート対抗面２５との間には、隣接端面間隙σｐ＿ｃｏｌｄを有した状態で、これらのシールプレート５１ａ及びシールプレート５０ａが第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール２２ａのシール溝３１ａ、３０ａに装着されている。
この場合、本実施例のガスタービンのシール装置を構成する前記シールプレート５１ａに設けた第１の円弧６０ａ及び第２の円弧６０ｂには、シール溝３１ａ、３１ｂの内壁の下面と接触する接触点６２ａと、接触点６２ｂがそれぞれ形成されている。これらの接触点６２ａ、６２ｂは、シールプレート５１ａの長手方向に対して線接触となる。
このように構成された本実施例のガスタービンのシール装置において、ガスタービンの運転とともに、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの動きに連動して、外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂ、さらには、シール溝３１ａ、３１ｂも周方向に変位するが、シールプレート５１ａは、シール溝３１ａ、３１ｂの内壁下面と接するシールプレート５１ａの接触点６２ａ、６２ｂでの滑りにより、シール溝３１ａ、３１ｂの変位に対応することができるので、シール溝３１ａ、３１ｂ内のシールプレート５１ａの設置位置は保持される。
一方、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂは、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動流体力と部材の製作公差による間隙σｒの段差が生じ、シール溝３１ａ、３１ｂに、第２段静翼１２ａの半径方向にオフセットが生じる。
このオフセットによって、シールプレート５１ａの接触点６６ａと接触点６６ｂの間で半径方向に段差を生じることになるが、前記シールプレート５１ａの接触点６６ａと接触点６６ｂの位置を、それぞれの円弧上で変化させながら（図示せず）吸収するため、変化後の接触点は、組立時と同様に、シールプレート５１ａの長手方向に線接触を保持することができる。
一方、図１０で示した本実施例のガスタービンのシール装置は、図９で示した本実施例のガスタービンのシール装置を構成するシールプレート５０ａ、５１ａを、矢印２８の方向から見たガスタービン運転時の矢視図である。
図１０に示した本実施例のガスタービンのシール装置おいて、シールプレート５０ａに面したシールプレート５１ａの一方のプレート端面２４ａは、シールプレート５０ａのプレート対抗面２５と対向する直線面であり、シールプレート５０ａのプレート対向面２５とシールプレート５１ａのプレート端面２４ａとの間に形成される隣接端面間隙は、σｐ＿ｃｏｌｄからσｐ＿ｈｏｔまで縮小しており、この間の空隙は減少することになる。
上述したように、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けたシール溝３１ａ、３１ｂ、３０ａ、３０ｂに装着したシールプレート５１ａ、５０ａを備えた本実施例のガスタービンのシール装置において、隣接した略水平方向に装着したドッグボーン型シールプレート５１ａとの組合せとして、略垂直方向に装着する矩形形状のシールプレート５０ａと前記シールプレート５１ａとを組み合せて構成することにより、オフセットに対応したリーク流量低減は勿論のこと、その流量低減の確実性を高めるとともに、隣接するシールプレート５０ａ、５１ａとの間の端面からのリーク流量を低減することが出来、更に、オフセットによって起こりうるシールプレートの変形、或いは、シールプレートを介したシール溝エッジに作用する応力の発生を防止し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いガスタービンのシール装置を得ることができる。
尚、本実施例のガスタービンのシール装置では、第２段静翼体の外径側エンドウォールに設けた一対の隣接するシールプレート５１ａ、５０ａを本発明の第２実施例であるガスタービンのシール装置として説明したが、本実施例のガスタービンのシール装置で説明したシールプレート５１ａにおいて、シールプレート５０ａに面した一方の端面となるプレート端面２４ａと同じ形状の端面は、シールプレート５２ａ（図示せず）に面した前記シールプレート５１ａの反対側の他方の端面３４ａにも形成されている。
更に、隣接して配置した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けたシール溝３１ａ、３１ｂ、３０ａ、３０ｂに装着したシールプレート５１ａ、５０ａのみならず、図３に示した第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの外径側エンドウォール２２ａ、２２ｂに設けられ、該シール溝３１ａ、３１ｂと連通したシール溝３２ａ、３２ｂ、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの内径側エンドウォール２３ａ、２３ｂにタービンの略軸方向に沿って形成されたシール溝３３ａ、タービンの略軸方向と直交する方向に沿って形成されて第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置する該シール溝３３ａと連通したシール溝３４ａ、３５ａ、前記第２段静翼体セグメント２１ａに取り付けられるダイアフラム１６ａの略軸方向に沿って形成されてダイアフラム１６ａのスペーサー１８側に位置するシール溝３９ａと、タービンの略軸方向と直交する方向に沿って形成されて第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置する該シール溝３９ａと連通したシール溝３８ａ、４０ａ、及びタービンの略軸方向に沿って形成されて第２段静翼体セグメント２１ａの上流側及び下流側にそれぞれ位置する短い長さのシール溝３７ａ、４１ａに対しても、これらのシール溝に装着される各シールプレートとして、本実施例のガスタービンのシール装置を構成するシールプレート５０ａ、５１ａと同じ構成のシールプレートを適用すれば、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを更に抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置が実現できるという大きな効果が期待できる。
本実施例によれば、複数枚のシールプレートを隣接して配置した場合に、隣接する静翼のセグメント部材のオフセットに対応すると共に、静翼のセグメント部材間の間隙からのリークを抑制してシール性能を向上した信頼性の高いガスタービンのシール装置を提供することが出来る。
本発明はガスタービンのシール装置に適用可能である。
１：ガスタービン、２：圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、４：タービン、５：発電機、６ａ：静翼低圧冷却空気経路、６ｂ：静翼高圧冷却空気経路、７：動翼冷却空気経路、８：第２段静翼供給キャビティ、９：ガスパス、１０：第１段静翼、１１：第１段動翼、１２ａ：第２段静翼、１２ｂ：第２段静翼（１２ａに隣接）、１３：第２段動翼、１４：タービンケーシング、１５：ダイアフラムキャビティ、１６ａ：ダイアフラム、１７ａ：第１段動翼後側ホィールスペース、１７ｂ：第２段動翼前側ホィールスペース、１８：スペーサー、１９ａ：第１段ホィール、１９ｂ：第２段ホィール、２１ａ：第２段静翼体セグメント、２１ｂ：第２段静翼体セグメント（２１ａに隣接）、２２ａ：外径側エンドウォール、２２ｂ：外径側エンドウォール（２２ａに隣接）、２３ａ：内径側エンドウォール、２３ｂ：内径側エンドウォール、２４：プレート端面、２４ａ：プレート端面、２５：プレート対抗面、２６：矢印、２７：矢印、２８：矢印、２９：シールフィン、３０ａ、３０ｂ：シール溝、３１ａ、３１ｂ：シール溝、３２ａ、３２ｂ：シール溝、３４：プレート端面、３３ａ〜３５ａ：シール溝、３７ａ〜４１ａ：シール溝、５０、５２：シールプレート、５０ａ：シールプレート、５１：シールプレート、５１ａ：シールプレート、５５：空隙、５６ａ：空隙、５６ｂ：空隙、６０ａ：第１の円弧、６０ｂ：第２の円弧、６１：円弧端を結ぶ直線、６２ａ：接触点（ｃｏｌｄ）、６２ｂ：接触点（ｃｏｌｄ）、６３ａ：直線、６３ｂ：直線、６４ａ：第１の内側円弧端、６４ｂ：第２の内側円弧端、６５：プレート外形状線。

Claims (6)

  1. ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、
    隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、
    これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、
    前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
  2. 請求項１に記載のガスタービンのシール装置において、
    前記第１のシールプレートの長手方向の端面に備えた端面形状は、この第１のシールプレートと対面する前記第１のシールプレートの端面の範囲で、前記第２のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状の輪郭線に倣った形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
  3. 請求項２に記載のガスタービンのシール装置において、
    前記第１のシールプレートの長手方向の端面に備えた端面形状に備えられた前記輪郭線に倣った形状は、前記第２のシールプレートの幅方向の全域に亘った輪郭線に倣った形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
  4. ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、
    隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、
    これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、
    前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートは矩形形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成した矩形形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
  5. 圧縮機と、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃料と燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンであって、前記タービンはタービン静翼とタービン動翼を有しており、
    前記タービン静翼は周方向に環状に複数個配置され、
    ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、
    隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、
    これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、
    前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成したドックボーン形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
  6. 圧縮機と、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃料と燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンであって、前記タービンはタービン静翼とタービン動翼を有しており、
    前記タービン静翼は周方向に環状に複数個配置され、
    ガスタービン静翼の周方向に静翼体セグメントが環状に複数個配置されており、隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの端面であって、対向する双方の前記端面にタービンの略軸方向に沿って第１のシール溝をそれぞれ形成し、
    隣接配置された一方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面と、一方の静翼体セグメントと隣接する他方の静翼体セグメントの外径側エンドウォールの端面又は内径側エンドウォールの端面のうち、外径側又は内径側のいずれかの前記エンドウォールの上流側又は下流側の端面であって、対向する双方の前記端面に前記第１のシール溝と連通すると共に第１のシール溝と略直交する方向に沿って第２のシール溝をそれぞれ形成し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの端面にそれぞれ形成された前記第１のシール溝に跨るように第１のシールプレートを装着し、
    双方の外径側エンドウォール又は内径側エンドウォールの上流側又は下流側の端面にそれぞれ形成された前記第２のシール溝に跨るように第２のシールプレートを装着し、
    これらの第１のシールプレート及び第２のシールプレートを隣接して配置し、
    前記第１のシールプレートはドッグボーン形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートは矩形形状の断面形状を有するように形成し、
    前記第２のシールプレートの外面に面した前記第１のシールプレートの長手方向の端面は、前記第２のシールプレートに形成した矩形形状の断面形状と略同一形状となる端面形状を備えていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105089713A (zh) * 2015-09-06 2015-11-25 湖南天雁机械有限责任公司 一种使用于涡轮增压器涡轮箱与轴承体之间的密封装置

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