JP2014058893A - シール装置及びシール装置を備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】
高温部材の熱変形により構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合に、シール性能が低下する。また、熱変形に追従するシールプレートの場合は部材の移動に対する拘束が弱く、溝ずれが更に大きくなり、プレートが損傷するおそれがある。そこで、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも良好なシール性能を維持することができるシール装置を提供する。
【解決手段】
隣り合う構成部材の互いに対向する対向面のそれぞれに設けられたシール溝と、一方の前記構成部材に設けられた前記シール溝から他方の前記構成部材に設けられた前記シール溝に掛け渡すように取り付けられて、高圧部と低圧部とを区切るシールプレートとを備え、前記シール溝が互いに対向するように前記構成部材の動きを制御するための制御部材を前記対向面に有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シール装置に係り、特にガスタービンに用いられるシール装置に関するものである。

ガスタービンは、圧縮機により圧縮された作動流体を発生させ、そして燃焼器によりこの作動流体に燃料を加え燃焼させ、高温の作動流体を得てタービンを駆動するように構成されている。高温の作動流体にさらされる部材は、部材が溶けたり、酸化あるいは熱応力による亀裂が入ったりすることのないように、低温の流体によって許容温度以下にまで冷却されている。またガスタービンは、部材の熱変形による応力集中を緩和し、かつ部品の点検・保守・交換を容易にできるように、複数に分割された部材により構成されている。

このようなガスタービンにおいては、部材の隙間から高温の作動流体が作動領域以外に漏れ出すことがないように、その部材の外側に高圧で低温な流体が供給されている。一般にガスタービンにおいては、このような低温の流体は圧縮機から抽気されるものであり、むやみにこの抽気流体を増やすと、タービンを駆動する高温の作動流体が減少してしまうため、ガスタービン全体の効率低下につながる。

そのため、相隣接する構成部材の間にはシール構造が設けてあり、静止する部材同士の場合は一般的に、お互いに対向する面に設けられたシール溝にシールプレートを挿入することによって連結し、抽気流体のリークを抑制する手法が採られている。（特許文献１等参照）

特開昭６２−４５９０４号公報 特開平１０−２１２９０４号公報

上記した特許文献１の技術では、ピンにより抜け止めされた金属製のシールプレートにより、隣接する構成部材間をシールしている。しかしながら、シール溝の溝深さ方向に隙間を有しており、隣接する構成部材間には熱伸び量に偏差が生じ、それによってシール溝にずれが生じることがある。シール溝にずれが生じると、隣接する構成部材間のシール溝に跨るように挿入されたシールプレートに傾斜が生じ、シール溝壁面との接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能が低下する。また、半径方向位置及びタービンの軸方向位置に同時にずれが生じ、シールプレートがシール溝内においてプレート面内で回転した場合には、シールプレートとシール溝との接触状態が点接触、或いは非接触状態ともなるため、さらにシール性能が低下する怖れがある。

また、特許文献２の技術では、同一の部材間に複数のシール溝を設け、薄板状のシールプレートを複数枚積層し、各シールプレートがシール溝の溝深さ方向に適当に移動して全体的なシール溝深さ方向の幅を拡大することによってシール性能を向上させている。しかしながら、熱伸び量に対する溝ずれに追従し易くなることで、溝ずれが更に大きくなりシール性能が低下する怖れがある。また、薄板状シールプレートの各々は強度が低いため、シール溝のずれによりシールプレート自身が損傷する可能性がある。

本発明は、こうした事情に鑑みなされたもので、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも良好なシール性能を維持することができるシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、隣り合う構成部材の互いに対向する対向面のそれぞれに設けられたシール溝と、一方の前記構成部材に設けられた前記シール溝から他方の前記構成部材に設けられた前記シール溝に掛け渡すように取り付けられて、高圧部と低圧部とを区切るシールプレートとを備え、前記シール溝が互いに対向するように前記構成部材の動きを制御するための制御部材を前記対向面に有することを特徴とする。

本発明によれば、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも良好なシール性能を維持することができるシール装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係るシール装置の断面図。 本発明の一実施の形態に係るシール装置の隣接面の側面図。 本発明の応用例の形態に係るシール装置の断面図。 本発明の応用例の形態に係る制御部材の透過図。 本発明の応用例の形態に係るシール装置の断面図。 本発明の応用例の形態に係る制御部材の透過図。 本発明の応用例の形態に係るシール装置の断面図。 本発明の応用例の形態に係るシール装置の構成を表す斜視図。 本発明の応用例の形態に係るシール装置の構成を表す斜視図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１および図２は本発明の実施の形態に係るシール装置の説明図である。隣り合う構成部材１および２は、低温の流体（以下、シール空気と称する）６と、高温の作動流体が流れるガスパス７とを区切るように構成されている。部材の隙間から高温の主流７が作動領域以外に漏れ出すことがないように、シール空気６として、ガスパス７よりも高圧な流体が供給されている。

構成部材１の、構成部材２に対向する側面には、シール溝３が設けられている。また、構成部材２の、構成部材１に対向する側面には、シール溝４が設けられている。シール溝３及び４は、互いに対向するように設けられており、シール溝３及び４との間にシール部材（例えば、プレート）５を掛け渡すことで、高圧部と低圧部とを区切り、シール空気６がガスパス７へむやみに漏洩することを抑制する。高圧部から低圧部に向かう方向であるリーク方向（シール空気６の矢印方向）におけるシール部材５の幅とシール溝３，４の幅は異なっており、シール部材５とシール溝３，４との間には、構成部材の熱変形に対して損傷しないようにシール間隙δが設けられている。

本実施例のシール装置は、構成部材１の端面（構成部材２に対向する側面）に設けられたピン固定部１１に円柱形状の制御ピン１０が溶接・溶着などの手段で固定され、凸状部材を形成している。隣接する構成部材２の端面に設けられた凹状のピン挿入部１２に挿入されている。制御ピン１０とピン挿入部１２の間には、シール溝３に対して垂直方向に、組立可能となるように制御間隙δcを有している。このとき、制御間隙δcは十分に小さくなるように厳密に管理し、少なくともシール間隙δよりも小さくなるよう構成する。また、図２に示すように、制御ピン１０は、シール溝３に対して平行となる位置に複数箇所設置している。

以下に、本実施例のシール装置の作用を説明する。ガスタービン運転時においては構成部材１および２は高温となって熱変形を起こす。この時、従来であればシール溝３に対してシール溝４はシール間隙δの範囲で垂直方向へ動くことが出来るため、シール溝３、４に段差や捩れが発生しシール部材５の接触面が保たれない。

一方で本実施例においては、制御ピン１０がピン挿入部１２に挿入されていることにより、構成部材１及び２の動きが制御され、シール溝３に対するシール溝４の相対的な動きをシール間隙δより微小な制御間隙δc以下に抑制することができる。これにより、構成部材１および２間の熱伸び量に偏差が生じた場合にも、シールプレートに損傷を与えずにシール溝３，４とシール部材５の接触面を常に保つことが可能であり、シール性能の低下を抑えることができる。

さらに、シール溝３，４の相対的な位置の変化が微小な制御間隙δc以下に抑制されることで、シールプレートにかかる負荷が低減される。そのため、シールプレートの長寿命化が可能となり、シール装置の信頼性を高める事ができる。また、シールプレートの強度面での制限が緩和されるため、シールプレートの薄肉化や複雑化を図ることが可能となり、これによりシール性能の向上を図っても良い。

なお、リーク方向における制御ピン１０の幅をピン挿入部１２の幅と同程度の大きさにすれば、制御間隙δcが極めて微小となるため、より良好なシール性能を維持する事ができる。なお、本願でいう同程度の大きさとは、必ずしも同一の大きさのみを指すものではなく、組立が可能となるための公差を有する場合も含むものである。

また、構成部材１の端面に設けられたピン固定部１１に円柱形状の制御ピン１０を固定しているため、組立時などに制御ピン１０が脱落することを防ぐ事ができる。

さらに、本実施例のシール装置を高温の作動流体を扱うガスタービンに適用すれば、シール装置の信頼性及び性能の向上により、ガスタービンの信頼性及び効率を向上させることができる。

このような効果を得るための他の構成例としては、以下説明する図３〜９に示すような構成が考えられる。図３に示す例では構成部材２のピン挿入部を、シール溝と平行に伸びる一つの四角い形状の溝１３としている。図４は、制御ピン１０、ピン固定部１１、ピン挿入溝１３を、構成部材を透過して見た斜視図である。制御ピン１１とピン挿入溝１３が、シール溝３に対してシール溝４の垂直方向の動きを微小な制御間隙δc以下に抑制するため、シール溝３、４とシール部材５の接触面を常に保つことが可能であり、シール性能の低下を抑えることができる。シール溝３に対してシール溝４は水平方向に動くことができるが、シール溝３、４とシール部材５の接触面は保たれるので、シール性能に対しては影響を与えない。

図５に示す例では構成部材１の端面に設けられたピン固定部１１を四角柱形状とし、同じく四角柱形状の制御ピン１０を溶接・溶着などの手段で固定している。図６は、制御ピン１０、ピン固定部１１、ピン挿入溝１３を、構成部材を透過して見た斜視図である。シール溝３に対してシール溝４の垂直方向の動きを微小な制御間隙δc以下に抑制するため、シール溝３、４とシール部材５の接触面を常に保つことが可能でありシール性能の低下を抑えることができる。

また、制御ピン１０が四角柱形状であるため、熱伸び量の偏差を抑制するための負荷を面で受ける事ができる。これにより、制御ピン１０やピン固定部１１にかかる局部的な負荷を緩和することができるため、シール装置の信頼性をさらに高めることができる。

図７に示す例では構成部材１の端面に設けられたピン固定部１４を一つの四角い溝形状とし、一つの制御プレート１５を溶接・溶着などの手段で固定している。図６は、制御プレート１５、ピン固定溝１４、ピン挿入溝１３を、構成部材を透過して見た斜視図である。シール溝３に対してシール溝４の垂直方向の動きを微小な制御間隙δc以下に抑制するため、シール溝３、４とシール部材５の接触面を常に保つことが可能でありシール性能の低下を抑えることができる。

図９に示す例では構成部材１の端面に突出部１６を加工により構成部材１と一体形成し、隣接する構成部材２の端面に設けられた挿入溝１３に挿入している。突出部１６の形状は、図３、図５、図７と同じように、円柱形状、四角柱形状、プレート形状などが考えられる。

以上のように本実施例によれば、隣接する構成部材に熱変形が生じても、シール溝とシール部材との接触状態を常に面接触状態に保つことができるので、隣接する構成部材間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を高めることができる。

１、２…ガスパス構成部材
３、４…シール溝
５…シール部材
６…シール空気
７…ガスパス
１０…制御ピン
１１…ピン固定部
１２…ピン挿入部
１３…ピン挿入溝
１４…ピン固定溝
１５…制御プレート
１６…構成部材突出部

Claims (9)

1. 隣り合う構成部材の互いに対向する対向面のそれぞれに設けられたシール溝と、
   一方の前記構成部材に設けられた前記シール溝から他方の前記構成部材に設けられた前記シール溝に掛け渡すように取り付けられて、高圧部と低圧部とを区切るシールプレートとを備え、
   前記シール溝が互いに対向するように前記構成部材の動きを制御するための制御部材を前記対向面に有することを特徴とするシール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置であって、
   前記制御部材として、一方の前記構成部材の前記対向面から突き出るように取り付けられた凸状部材を有し、
   他方の前記構成部材の前記対向面に凹状部を備え、前記凸状部材が前記凹状部に挿入されていることを特徴とするシール装置。
3. 請求項２に記載のシール装置であって、
   前記高圧部から前記低圧部に向かうリーク方向における、前記凸状部材の幅と前記凹状部の幅との差である制御間隙が、前記シールプレートの幅と前記シール溝の幅との差であるシール間隙よりも、小さく構成されていることを特徴とするシール装置。
4. 請求項３に記載のシール装置であって、
   前記リーク方向における前記凸状部材の幅と前記凹状部の幅が、同程度の大きさに構成されていることを特徴とするシール装置。
5. 請求項３に記載のシール装置であって、
   前記凸状部材として、前記対向面に複数の円柱部材が設けられていることを特徴とするシール装置。
6. 請求項３に記載のシール装置であって、
   前記凸状部材として、前記対向面に一つもしくは複数の四角柱部材が設けられていることを特徴とするシール装置。
7. 請求項３に記載のシール装置であって、
   前記凸状部材が、該凸状部材が設けられている前記対向面を構成している部材で一体形成されていることを特徴とするシール装置。
8. 請求項３に記載のシール装置であって、
   前記凹状部が、前記シール溝に対して平行な方向に深さを持った溝形状となっていることを特徴とするシール装置。
9. 圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの圧縮機を燃料とともに燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービンを備え、前記タービンを構成する複数の静止する構成部材間の対向する対向面に設けられたシール溝にシールプレートを掛け渡すように取り付けて、高圧部と低圧部とを区切るシール装置を有するガスタービンにおいて、
   前記シール装置が、前記シール溝が互いに対向するように前記構成部材の動きを制御するための制御部材を前記対向面に有することを特徴とするガスタービン。