JP2014080920A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
隣接する部材のオフセットに対応させた上でシール性能を向上させると共に、高い信頼性を確保したシール装置を提供する。
【解決手段】
シールプレート５０は、低圧側となる第１のシール溝面６６ａ、６６ｂに独立して接触点６８ａ、６８ｂを形成する円弧形状６０ａ、６０ｂを有し、円弧形状の反対面外形状のシールプレート５０の最大厚みとなる点、或は、部分的な直線の一部又は全部を含むプレート溝を設け、このプレート溝に薄肉チューブ６５ａ、６５ｂを装着し、高圧側となる第２のシール溝面６７ａ、６７ｂに独立した接触点６９ａ、６９ｂを形成する。このとき、第１のシール溝面６６ａ、６６ｂと第２のシール溝面６７ａ、６７ｂとの面間高さＨｓと、円弧形状６０ａ、６０ｂから装着した薄肉チューブ６５ａ、６５ｂまでの厚みtplateとの間には、tplate＞Ｈｓの関係がある。
【選択図】 図６

Description

本発明は、シール装置に係り、特に、圧縮空気を燃料と共に燃焼して得た燃焼ガスのエネルギーによって回転動力を得るガスタービン設備において空気を冷却媒体とするタービン冷却翼の冷却空気のリーク流量を低減して、熱効率の向上を意図するガスタービンの性能低下を抑止するのに好適なシール装置に関するものである。

ガスタービンおいては、熱効率の向上を目的として作動ガスの高温化が図られている。特に、作動ガス中に配列されているタービン静・動翼は高温に耐えられるように、冷却翼内部に冷却媒体を供給している。一般に採用されている、この種のガスタービンは、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空気を冷却空気として用い、例えば、静翼では、この空気をタービンケーシングに設けた供給口からケーシング内部外端側キャビティを径由させ、翼内部に導入して冷却するようにしている。そして、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、ガスパス中に排出している。また、供給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するが、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中に排出される。

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、セグメント構造として周方向に複数枚が環状配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、各セグメント間には、周方向に間隙を有する。この間隙は、定格点においても、部材の熱応力の発生防止の観点から、接触しないように設計される。つまり、静翼の冷却用空気として導入されるケーシング内部外端側キャビティとガスパスは、この間隙流路によって、半径方向に連通することになる。よって、冷却空気の一部が、このセグメント間の間隙を直通して、ガスパス中に漏洩する。所謂、流体機械のリークである。

同様に、静翼のダイアフラムもセグメントとして環状に構成されるが、シール空気の一部がリークすることになる。これらのリークは、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から、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や、混合損失によるタービンの出力低下を起こすことになり、ガスタービンの効率向上策の一つである高温化のメリットが十分に発揮できない嫌いがある。

この改善策として、一般的には、周方向に隣接する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方法が採られている。但し、この種のシールプレートは、近年の大型化、高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じるシール溝の半径方向のずれ（オフセットと呼称）に対応できない。このため、シールプレートの長手方向断面形状を、互いのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、円弧間となるプレート中央部を薄く製作したシールプレートが開発されている。

その代表例が、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（例えば、特許文献１参照）。これによって、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によって、シール溝にオフセットが生じても、溝面で必ず接触点が確保できると共に、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のエッジ部と接触干渉することはない。但し、オフセット対策によるトレードオフとして、従来の平板状シールプレートの面接触から線接触になるため、シール性能低下が避けられない。そこで、弾性体である波状バネ部材を用いた変形版のドッグボーン型シールプレートによって、線接触部の面圧を上げ、シール性能を向上させる案（例えば、特許文献２参照）や、ドッグボーンの外形状に倣う薄い板材で形成し、薄板自身の弾性力で面圧を上げてシール性能を向上させる案（例えば、特許文献３参照）等が示されている。

米国特許第５１５８４３０号公報 国際公開０７／０２３７３４号公報 特開２００４−５２７７３号公報

例えば、ガスタービンを目的に沿って効率的に実現するために、冷却空気の供給経路等にシール装置を設けることは、リーク流量低減から有効な手段である。即ち、セグメント間に装着するシールプレートは、その開発目的から、間隙間の冷却・シール空気のリークを、未然に抑制するものである。しかし、トレードオフ設計によって、プレート形状を、高温化に伴う半径方向の熱伸び偏差であるオフセットに対応させた結果、ドッグボーン型シールプレートでは、シール溝におけるシールプレートの接触状態は、従来の面接触から線接触になり、当然、平板状シールプレートに比べて、リーク流量の増加が予想される。また、ドッグボーンのオフセット追従性、プレートのシール溝への装着を考えた場合、シール溝高さとプレートの最大厚みの関係は、厚みの方が小さいことが必須であり、これはシール溝とプレートの間に微小間隙を有するとともに、高さ方向に２箇所あるシール面に対して、各１箇所のみでしか接触しないことを意味する。一方、この微小間隙は、ガスタービンの運転に際し、シールプレートを震動させ、接触点の磨耗損傷を加速させる恐れがある。

上記の課題を緩和するために、弾性体である波状バネ部材で構成されるシールプレートは、接触部での面圧上昇に伴うリーク流量低減、震動抑制効果という利点がある。但し、シール性能上の接触点は１箇所のままであり、更なるシール性能向上の余地がある。また、バネ部材のプレートへの固着は、必然的にシール溝高さの増加が条件となり、冷却翼等のセグメントシールとして適用するには、寸法的に困難な場合が生じる。他方、シールプレート外形を薄板によって構成するシールプレートは、上記の難点を克服する有効なシール装置であるが、薄板として高温場に晒されていることから、酸化損傷、繰返し応力に対する強度等、信頼性に欠ける恐れがある。

このように、シールプレートの開発には、プレート自体のリーク流量低減と熱伸び偏差の吸収、更には、配置上のコンパクトさ、信頼性等の課題が含まれている。

そこで本発明の目的は、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置されるシールプレートによるシール装置として、隣接する部材のオフセットに対応させた上でシール性能を向上させると共に、高い信頼性を確保した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、本発明のガスタービンのシール装置は、互いに隣接するセグメントのそれぞれに、互いに対向するシール溝を備え、該両シール溝に架かるシールプレートを装着したガスタービンのシール装置において、前記両シール溝は、洩れ流体の流れ方向に対して下流低圧側に第１のシール溝面、上流高圧側に第２のシール溝面を有し、前記シールプレートの長手方向に垂直な断面を基準として、前記シールプレートは、前記第１のシール溝面或は前記第２のシール溝面に対して第１の接触点を形成する円弧形状を、前記両シール溝に対して個別に備えると共に、前記円弧形状の反対面に前記シールプレートの長手方向に延びるプレート溝を備え、前記両シール溝の前記第１のシール溝面或は前記第２のシール溝面のうち前記第１の接触点が形成されたシール溝面とは異なる方のシール溝面に対して個別に第２の接触点を形成する弾性体を備え、該弾性体が前記プレート溝に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置されるシールプレートによるシール装置として、隣接する部材のオフセットに対応させた上でシール性能を向上させると共に、高い信頼性を確保したシール装置を提供することができる。

ガスタービンの構成を示す概念図である。 タービン部の断面図である。 シールプレートの配置を示す概念図である。 シールプレートの装着を示す静翼体の概念図である。 本発明の第１の実施例を示すシールプレートの断面図である。 本発明の第１の実施例を示すシールプレートの外観図である。 本発明の第１の実施例を示すシールプレートの装着を表す組立時の断面図である。 本発明の第１の実施例を示すシールプレートの装着を表すガスタービン運転時の断面図である。 本発明の第２の実施例を示すシールプレートの断面図である。 本発明の第２の実施例を示すシールプレートの装着を表す組立時の断面図である。 本発明の第２の実施例を示すシールプレートの装着を表すガスタービン運転時の断面図である。 本発明の第２の実施例を示すシールプレートに作用する力を表すシールプレートの断面図である。

以下に示す本発明の実施例によれば、いかなるガスタービンの運転時においても、シールプレートとシール溝面の間で、面圧を上昇させた４点の線接触を確保することにより、リーク流量を低減できることから、高いガスタービン性能を達成できる。さらに、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットに対しても、容易に吸収可能であるとともにシールプレートに掛かる最大応力を最小限に留め、且つ、部材温度の低下を意図した構成から、高い信頼性を図れ、その本来の目的に沿った効率の高いガスタービン装置を得るという優れた実用的効果をもたらす。

以下、本発明の第１の実施例を図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、及び、図８により説明する。図１はガスタービンの構成を示す概念図、図２はタービン部の断面図、図３はシールプレートの配置を示す概念図、図４はシールプレートの装着を示す静翼体の概念図、図５は本実施例に係るシールプレートの断面図、図６は本実施例に係るシールプレートの外観図、図７は本実施例に係るシールプレートの装着を示す組立時の断面図、図８は本実施例に係るシールプレートの装着を示すガスタービン運転時の断面図である。各図において、同一番号は、同一の機器、或いは、部材、機能を表す。

図１を用いて、作動ガスと冷却空気の流れからガスタービン１の全体構成を説明する。ガスタービン１は、主として多段のタービン４と、このタービンに軸連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２、圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器３、及び、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、第２段静翼を冷却するための静翼低圧冷却空気経路６a、第１段静翼を冷却するための静翼高圧冷却空気経路６b、また第１、２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、各々のタービン被冷却部に供給される。

このとき、抽気空気圧力は、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。被冷却部を冷却して熱交換した各冷却空気は、図示しない各翼のフィルム冷却、或いは、翼後縁からの噴出し等として、タービン４のガスパス中に排出され、作動ガスと混合して、最終的には排気ガスとして大気に放出される。

図２は、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、本発明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、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段静翼体２１aの内部に供給される。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から成る。冷却空気は、第２段静翼体２１aの図示しない冷却パスを通過するときに熱交換を行い、各エンドウォール２２a、２３a、第２段静翼１２aを冷却するとともに、温度上昇して、ガスパス９に排出される。

一方、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、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、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、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ことになる。

図３は、周方向に複数個配置される第２段静翼体セグメントの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には、シール溝３０、３１a、及びシール溝３２、内径側エンドウォール２３aには、シール溝３３、３４、及びシール溝３５が、設けられている。また、ダイアフラム１６aには、シール溝３６、３７、３８、３９、４０、４１、及びシール溝４２が設けられている。

ところで、第２段静翼体セグメントは、周方向に複数個を配置するものであり、互いのセグメント間には間隙を有する。従って、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス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冷却空気のリーク流路が発生することになるため、シール装置としてのシール溝３０、３１a、３２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している。

同様に、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、本発明の意図を明確にするため、シール溝３１aと、隣接するセグメントに対向するシール溝に着目して、本実施例のシール装置の詳細を説明するが、ここで、用語の定義をしておく。シール溝３０とシール溝３１aの交点である上流側交点２４、同様に、シール溝３２とシール溝３１aから成る下流側交点２５が形成されるが、シール溝３１a、或は、以下に説明するシール溝３１aに装着されるシールプレートの長手方向とは、この上流側交点２４と下流側交点２５を結ぶ方向である。

図４は、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を半径方向外側から眺めた概念図である。第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂの間は、周方向間隙σc_coldをもたせ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に隣接対向して、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドォール２２bがあり、それぞれの半径方向に対向した位置に、シール溝３１ａと、３１ｂが形成される。この両者のシール溝に接して、周方向間隙σc_coldを塞ぐように、シールプレート５０が装着されている。このシールプレート５０によって、前記の第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９にかけてのリーク経路が、半径方向に遮断されることになる。

図５は、本実施例によるシールプレート５０の長手方向の断面を示している。本シールプレートの製作に当たっては、シールプレート外形状、プレート溝の順に加工を進めることになる。そして、ここでは、シールプレート５０自体の形状を説明するために、図中に破線で示したプレート溝６３ａは、想像線としていることを理解されたい。シールプレート５０は、円弧形状６０ａ、６０ｂを有し、それぞれのシールプレート５０の中央側に位置する円弧端７４ａ、７４ｂが、直線状に中央に延びて接続され、最終的には、円弧形状の反対面外形状６１ａ、６１ｂとの間で中央部材６４を形成することになる。

一方、本実施例における円弧形状の反対面外形状６１ａ、６１ｂは、シールプレート５０の厚み方向中心線A−Aに対して、線対称形となっている。この円弧形状６０ａと円弧形状の反対面外形状６１ａ、円弧形状６０ｂと円弧形状の反対面外形状６１ｂがなす厚みtmaxが、シールプレート５０の厚みとなる。このとき、円弧形状の反対面外形状６１ａ、６１ｂは、最大厚み位置として点６２ａ、６２ｂをもつ。プレート溝６３ａ、６３ｂは、個別に形成される第２の接触点６９ａ、６９ｂ同士を結ぶ方向にあたる溝幅tpとしてシールプレートの長手方向(図面の奥行き方向)に加工されることになるが、この溝幅tpの幅域中に点６２ａ、６２ｂを含んでいる。

図６は、シールプレート５０に加工した矩形状のプレート溝６３ａ、６３ｂと、そのプレート溝６３ａ、６３ｂに薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂを装着した外観図である。図５では、シールプレート５０の厚みtmaxを定義したが、ここでは、シールプレート５０に薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂを含めた最大厚みtplateを定義しておく。シールプレート５０の長手方向長さLplate、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの長手方向長さLpipeの間には、Lplate>Lpipeの関係がある。尚、この薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂのプレート溝６３ａ、６３ｂへの装着に関しては、接着剤による点付け固定である。

図７に、シールプレート５０を、隣接するシール溝３１ａ、３１ｂに装着した組立て時の断面図を示す。互いに対向するシール溝３１ａ、３１ｂは、組立時のセグメントの周方向間隙σc_coldをはさんだ位置に対向しており、両シール溝３１ａ、３１ｂに架かるシールプレート５０は、σc_coldを跨ぐ形で装着されている。リーク空気は、第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９に向かって発生することになるが、シール溝３１ａ、３１ｂは、リーク流の上流側であり高圧側となる第２のシール溝面６７ａ、６７ｂ、下流側であり低圧側となる第１のシール溝面６６ａ、６６ｂを有している。

シールプレート５０の円弧形状６０ａ、６０ｂは、それぞれ、第１のシール溝面６６ａ、６６ｂとの間に、第１の接触点６８ａ、６８ｂを得る。一方、シール溝３１ａ、３１ｂのシール溝高さをHsとするとき、厚みtplateとの間に、Hs> tplateの関係があり、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂは、組立時の円断面から楕円断面に押しつぶされる形で装着され、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂは、それぞれ第２のシール溝面６７ａ、６７ｂとの間に、第２の接触点６９ａ、６９ｂを得る。尚、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂとプレート溝６３ａ、６３ｂとの間にも接触点(図示せず)が形成されるが、第１の接触点６８ａ、６８ｂ、第２の接触点６９ａ、６９ｂと同じ作用となる為、説明を割愛する。

このように構成された本実施例において、ガスタービン１の運転とともに圧縮機２と燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、圧力が約１.５MPa[ｇ]、温度が１３００℃程度で、タービン内部の第１段静翼１０の入口に流入する。以下、第１段動翼１１をはじめとする各動翼段で、流体エネルギーをタービンの回転エネルギーに変化させながら、圧力、温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出後、排気される。

この時、ガスタービン１に直結した発電機５が回転して電力を得る。タービン冷却翼は、高温の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、さらに静翼も適正圧力からの抽気となり、セグメントのひとつである第２段静翼１２ａ、１２ａへは、静翼低圧冷却空気経路６aに含まれる第２段静翼キャビティ８を経由して導入される。この冷却空気は、翼の内部冷却後に後縁端から、或は、フィルム冷却用としてガスパス９中に排出されることになるが、圧力損失を伴う為、必然的に、ガスパス９の圧力に比べて、第２段静翼キャビティ８の圧力の方が大きいことになる。

この圧力差が、隣接する第２段静翼体セグメント２１ａと第２段静翼体セグメント２１ｂ間からのリークの要因となるが、シール溝３１ａ、３１ｂでは、シールプレート５０との間に、第１の接触点６８ａ、６８ｂと第２の接触点６９ａ、６９ｂを有しており、リークを抑制することになる。且つ、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの変形に伴う復元力により、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂでの面圧は上昇しており、更なるシール性を向上させることになり、リーク流量は低減される。

図８に、ガスタービン運転時のシールプレート５０の長手方向の断面図が示されている。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。その一つとして、第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂには熱伸びが生じるが、周方向には、組立時のセグメントの周方向間隙σc_coldが、σc_hotまで狭まる。しかし、この周方向間隙σc_hotは、ガスタービンの定格点運転においても接触しないように設計されているため零になることはない。このとき、この第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、図の間隙方向に向かって移動するが、シールプレート５０は、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂでの滑りによって、シール溝３１ａ、３１ｂの周方向変位を吸収する。

第２段静翼体セグメント２１ａ、２１ｂには、周方向の変位とともに、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σrの半径方向偏差が生じ、シール溝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５０は、図では左廻り方向に回転するため、組立時の接触点から移動することになるが、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂ自体は維持された状態にあり、リーク流量の低減に変化はない。

一方、ガスタービンの運転とともに部材は震動することになるが、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの弾性力が吸収するため、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂでの磨耗を抑制できる。また、プレート溝６３ａ、６３ｂは、リーク流の上流側となる第２のシール溝面６７ａ、６７ｂに対向して設けている。基本的には、リーク流を完全に無くすことは困難であり、微量のリーク流の発生がある。ただ、この微量リーク流は、第２段静翼キャビティ８に供給される、比較的低温の冷却空気であり、この空気が薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂを冷却し、温度低下させる。よって、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの震動吸収による破壊損傷に到る繰返し数は増加することになる。そのため、例えば薄材板で直接的にドッグボーン外形に倣うシールプレートを構成する場合に比べて、温度降下の観点から信頼性が向上する可能性がある。

シールプレートの長手方向の長さLplateと薄肉金属チューブの長手方向の長さLpipeの関係として、Lplate>Lpipeとしており、この説明をしておく。尚、この関係は、ガスタービン起動時においても成立している。図３に示したように、シールプレートを単独で用いることはなく、例えば、本実施例に関係する外径側エンドウォール２２ａを対象として、シール溝としてみれば、シール溝３０、シール溝３１ａ、及び、シール溝３２の複数枚配置として成立する。従って、これらのシールプレートの間で、上流側交点２４、下流側交点２５が生じることになる。

このシールプレートの交点部分にも間隙があり、リークが発生する。先のLplate>Lpipeとすることにより、リークの流路面積を縮小でき、換言すれば、この位置でのリーク流量を低減できる。関連して、本実施例では、プレート溝６３ａ、６３ｂへの薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの固定を接着剤による点付けとした。ガスタービンの運転とともに、部材温度の上昇により、接着剤は燃焼して、その効果を失う。しかしながら、シールプレート５０は、複数枚プレートとしての成立性、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂ条件から、プレート溝６３ａ、６３ｂに対してスペース的には拘束されており、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂがシール溝３１ａ、３１ｂから飛び出すことは無い。この接着剤固定は、シールプレートの組立時の容易性を考えたものであり、組立工程の時間短縮に寄与する。

また、プレート溝６３ａ、６３ｂの溝幅tpの中に、シールプレート５０の最大厚み点となる点６２ａ、６２ｂを含ませて配置しており、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂのプレート溝６３ａ、６３ｂからの飛び出し防止とともに、換言すれば、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂは、プレート溝６３ａ、６３ｂに拘束されることになり、その変形が分散されることなく、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの変形に対する復元力が、効果的に、各接触点６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂに伝達されることを意味しており、リーク流量の低減をもたらす。

以上に説明したセグメント間に装着したガスタービンのシール装置において、シール溝の長手方向断面基準で、シール溝の低圧側面に円弧形状を有するシールプレートとの接触点を設け、円弧形状の反対面外形状にシールプレート厚みの最大となる点を内包するプレート溝を設けて、この溝部に薄肉金属チューブを装着して、シール溝の低圧側面に薄肉金属チューブとの接触点を設けた構成にすることにより、隣接する部材のオフセットに対応させた上でシール性能を向上させると共に、高い信頼性を確保したシール装置を提供することができる。そして本シール装置をガスタービンに適用することにより、その効果を十分に発揮できるガスタービンを提供できる。

即ち、互いに隣接するセグメントのそれぞれに、互いに対向するシール溝を備え、該両シール溝に架かるシールプレートを装着したガスタービンのシール装置において、前記両シール溝が、洩れ流体の流れ方向に対して下流低圧側に第１のシール溝面、上流高圧側に第２のシール溝面を有し、前記シールプレートの長手方向に垂直な断面を基準として、前記シールプレートが、前記第１のシール溝面或は前記第２のシール溝面に対して第１の接触点を形成する円弧形状を、前記両シール溝に対して個別に備えると共に、前記円弧形状の反対面に前記シールプレートの長手方向に延びるプレート溝を備え、前記両シール溝の前記第１のシール溝面或が前記第２のシール溝面のうち前記第１の接触点が形成されたシール溝面とは異なる方のシール溝面に対して個別に第２の接触点を形成する弾性体を備え、該弾性体が前記プレート溝に設けられていることにより、シールプレートとシール溝面の間で、面圧を上昇させた４点の線接触を確保することにより、シール性能の向上が可能である。さらに、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットに対しても、容易に吸収が可能であるとともにシールプレートに掛かる最大応力を最小限に留めることが可能なため、高い信頼性を確保する事ができる。

したがって、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために設置されるシールプレートによるシール装置として、隣接する部材のオフセットに対応させた上でシール性能を向上させると共に、高い信頼性を確保したシール装置を提供することができる。

更に、シールプレートの長手方向に垂直な断面を基準として、シールプレートの円弧形状の反対面の外形状が、前記両シール溝に対して個別に、点或は部分的な直線として前記シールプレートの厚みとして最大値をとるように、前記第２の接触点を形成するシール溝面に向かって膨らみを有する形状であるため、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットが生じた場合にも、シール溝とシールプレートとが干渉することを抑制でき、より高いシール性能と信頼性を確保する事ができる。

本実施例では、第２段静翼体の外径側エンドウォールに設けた、一対の対向するシール溝に装着したシールプレートを実施例として説明したが、外径側エンドウォールのみならず、他に設けたシール溝に対しても、本シールプレートを適用すれば、さらに大きな効果が期待できるのは自明である。さらに、プレート溝を矩形断面としたが、これに限定されないことは明らかである。

次に、本発明の第２の実施例を図９、図１０、図１１、図１２により説明する。図９は、本発明の第２の実施例を示す隣接するシールプレートの断面図である。図１０は、本発明の第２の実施例を示すシールプレートの装着を表す組立時の部分断面図である。図１１は、本発明の第２の実施例を示すガスタービン運転状態におけるシールプレートの断面図である。図１２は、本発明の第２の実施例を示すシールプレートに作用する力を表すシールプレートの断面図である。各図において、同一番号は、第１、２の実施例と同一の機器、或いは、部材、機能を表す。

図９に、本実施例によるシールプレート５０の長手方向の断面を示す。シールプレート５０は、円弧形状６０ａ、６０ｂを有し、それぞれのシールプレート５０の中央側に位置する円弧端７４ａ、７４ｂがシールプレート中央部７２に向かって延びて接続される。但し、両円弧端は、２点を直線上に結ばれるのではなく、シールプレート５０の中央部材６４の厚みとしてみれば、シールプレート中央部７２の方向へ単調減少となる形状である。

一方、円弧形状の反対面外形状６１ａ、６１ｂは、シールプレート５０の最大厚みtmax上に、外側直線端７１ａと中央側直線端７１c、外側直線端７１ｂと中央側直線端７１dを結んで形成される部分的な直線７３ａ、７３ｂを有しており、中央側直線端７１cと中央側直線端７１dは、円弧形状側と同様に、シールプレート中央部７２の方向へ単調減少しながら直線的に結ばれている。

従って、シールプレート５０の中央部材６４の厚みとしては、外側直線端７１ａから外側直線端７１ｂの幅方向の中で、シールプレート中央部７２が、最小となる。プレート溝６３ａ、６３ｂの溝幅tpは、部分的な直線７３ａ、７３ｂの線分の一部を領域として形成されている。このプレート溝６３ａ、６３ｂには、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂが装着されており、それぞれ、長手方向にスリット７０ａ、７０ｂが施されている。シールプレート５０に、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂを装着した後の厚みをtplateとする。

図１０に、シールプレート５０を、シール溝３１ａに装着した組立て時の部分断面図を示す。尚、シールプレート５０とシール溝３１ｂの関係に対しても、以下同様である。シール溝３１ａは、リーク流の上流側となる第２のシール溝面６７ａ、下流側となる第１のシール溝面６６ａを有している。シールプレート５０の円弧形状６０ａは、第１のシール溝面６６ａとの間に、第１の接触点６８ａを形成する。一方、シール溝３１ａ、３１ｂのシール溝高さをHsとするとき、厚みtplateとの間に、Hs> tplateの関係があり、薄肉金属チューブ６５ａは、組立時の断面形状から図面の上下方向に押しつぶされる形で装着され、薄肉金属チューブ６５ａは、第２のシール溝面６７ａとの間に、第２の接触点６９ａを形成する。尚、薄肉金属チューブ６５ａとプレート溝６３ａとの間にも接触点(図示せず)が形成されるが、第１の接触点６８ａ、第２の接触点６９ａと同じ作用となる為、説明を割愛する。

このように構成された本実施例において、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。図１１に、ガスタービン運転時のシールプレート５０の長手方向の断面図が示されている。シールプレート５０は、シール溝との間の接触シール面での滑りにより、周方向変位を吸収する。

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σrの段差が生じ、シール溝にオフセットが生じる。このオフセットによって、接触点６８ａと接触点６８b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、長手方向に線接触を保持することができる。この周・半径方向の動作に対して、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂに設けられたスリット７０ａ、７０ｂは、変位吸収の抵抗を低減する。同様に、スリット７０ａ、７０ｂは、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂ自身の剛性を低減し弾性効果を増幅させる為、ガスタービンの運転に伴う震動を、より吸収することが可能である。

図１２は、図１１で示したシールプレート５０を抜き出して、各部に作用する力を示したものである。矢印８０ａ、８０ｂは、薄肉金属チューブ６５ａ、６５ｂの復元力Ｆａ、Ｆｂであり、第２の接触点６９ａ、６９ｂの接触面圧を上昇する。その反力となる-Ｆａ、-Ｆｂは、第１の接触点６８ａ、６８ｂの接触面圧を上昇させる。オフセットによるシールプレート５０の回転によって、Ｆａと-Ｆａ、Ｆｂと-Ｆｂは、周方向に位置がずれる(図面の左右方向)為、それぞれで接触点廻りの偶力が発生するが、全体の総和として相殺されるので、接触面圧へ影響することはない。

一方、流体力として、矢印８２ａ、８２ｂがシールプレート５０に作用する。Ｐ１＞Ｐ２の関係から、図の上から下方向への流体力差が掛かることになる。プレート溝６３ａ、６３ｂの側壁７５ａ、７５ｂ位置を固定点とする等分布荷重を受ける単純支持梁を仮定すると、側壁７５ａ、７５ｂ断面に最も大きなモーメントが作用することになるが、シールプレート５０の厚みtmaxは最大であり、十分な断面係数を確保できる。このように、最大厚みとなる部分的な直線７３ａ、７３ｂの設定により、シールプレート５０の強度確保が可能となる。

以上に説明したセグメント間に装着したガスタービンのシール装置において、シール溝の長手方向断面基準で、シール溝の低圧側面に円弧形状を有するシールプレートとの接触点を設け、円弧形状の反対面外形状にシールプレート厚みの最大となるシールプレートの幅に対する部分的な直線を形成して、この直線上にあるプレート溝を設けるとともに、この溝部に長手方向にスリットを有する薄肉金属チューブを装着して、シール溝の低圧側面に薄肉金属チューブとの接触点を設けた構成にすることにより、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ことが出来、更に、シールプレートに作用する流体力、震動力がもたらす応力を緩和することのできる信頼性の高いシール装置を得ることができ、その効果を十分に発揮できるガスタービンを提供できる。

即ち、
尚、本実施例では、プレート溝に円管である金属チューブを装着したが、円管に拘るものではなく、例えば、エキスパンドメタルを用いた矩形状断面を有する材料を適用しても、本発明に同じ効果が期待できるのは自明である。

１・・・・ガスタービン
４・・・・タービン
３０・・・シール溝
５０・・・シールプレート
６０ａ、６０ｂ・・・円弧形状
６１ａ、６１ｂ・・・円弧形状の反対面外形状
６２ａ、６２ｂ・・・点
６３ａ、６３ｂ・・・プレート溝
６５ａ、６５ｂ・・・薄肉金属チューブ
６８ａ、６８ｂ・・・第１の接触点
６９ａ、６９ｂ・・・第２の接触点
７０ａ、７０ｂ・・・スリット
７３ａ、７３ｂ・・・部分的な直線

Claims (8)

1. 互いに隣接するセグメントのそれぞれに、互いに対向するシール溝を備え、該両シール溝に架かるシールプレートを装着したガスタービンのシール装置において、
   前記両シール溝は、洩れ流体の流れ方向に対して下流低圧側に第１のシール溝面、上流高圧側に第２のシール溝面を有し、
   前記シールプレートの長手方向に垂直な断面を基準として、前記シールプレートは、前記第１のシール溝面或は前記第２のシール溝面に対して第１の接触点を形成する円弧形状を、前記両シール溝に対して個別に備えると共に、前記円弧形状の反対面に前記シールプレートの長手方向に延びるプレート溝を備え、
   前記両シール溝の前記第１のシール溝面或は前記第２のシール溝面のうち前記第１の接触点が形成されたシール溝面とは異なる方のシール溝面に対して個別に第２の接触点を形成する弾性体を備え、該弾性体が前記プレート溝に設けられてい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において、
   前記シールプレートの長手方向に垂直な断面を基準として、前記シールプレートの前記円弧形状の反対面の外形状が、前記両シール溝に対して個別に、点或は部分的な直線として前記シールプレートの厚みとして最大値をとるように、前記第２の接触点を形成するシール溝面に向かって膨らみを有する形状であ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において、前記円弧形状の反対面の外形状は、前記両シール溝に対して個別に形成される前記点或は前記部分的な直線として前記シールプレートの厚みとして最大値をとる箇所から、それぞれ前記シールプレートの中央に向かって前記シールプレートの厚みが単調減少し、前記シールプレートの中央部で接続される形状であることを特徴とするシール装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンのシール装置において、前記プレート溝が、前記第２のシール溝面に対向するよう形成されたことを特徴とするシール装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービンのシール装置において、シールプレートの長手方向の断面を基準として、個別に形成される前記第２の接触点同士を結ぶ方向にあたる前記プレート溝の溝幅を与えるとき、前記両シール溝に対して個別に形成される、前記シールプレートの厚みとして最大値をとる点或は部分的な直線の一部又は全てが、前記溝幅の中に含まれるように形成されたことを特徴とするシール装置。
6. 請求項５に記載のガスタービンのシール装置において、前記シールプレートを前記シール溝に装着する前の組立時点寸法基準として、前記溝幅方向の直角方向にあたる前記シールプレートの前記弾性体を装着した後の厚みであるtｐlateと、前記溝幅方向の直角方向にあたるシール溝高さであるＨｓの関係において、tｐlateが＞Hsよりも大きくなるように構成されたことを特徴とするシール装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービンのシール装置において、前記弾性体として、円管状の薄肉の金属チューブを装着することを特徴とするシール装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービンのシール装置において、前記弾性体として、円管状の薄肉の金属チューブの長手方向にスリットを施したものを装着することを特徴とするシール装置。