JP2016094857A - ガスタービンシール装置およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚のシールプレートで高圧側と低圧側を区画遮断する構成で、リーク流量をさらに低減しガスタービンの性能を向上させる。【解決手段】タービンを構成する複数の隣接するセグメント間に設置されるシール装置で、セグメントの対向面にそれぞれ相対するように形成された第一のシール溝３２ａ及び第二のシール溝３１ａを備え、第一のシール溝と第二のシール溝はある角度をなして形成され、かつ、接続している。第一のシール溝及び第二のシール溝には、それぞれ、対抗するシール溝を跨ぐように、第一のシールプレート５２と第二のシールプレート５０が装着されている。第一のシールプレートの長手方向の端面５２ａと第二のシールプレートの反シール面５０ｄとの間に形成される間隙を流下するリーク流を遮断するように、シール６０を第一のシールプレートの長手方向の端面５２ａのリーク流に対する下流側位置に設ける。【選択図】図１２

Description

本発明は、ガスタービンシール装置およびガスタービンに係り、特に、冷却空気、或いは、シール空気のリーク流量を抑制してガスタービンの性能低下を防止するのに好適なガスタービンシール装置に関するものである。

ガスタービン設備は、燃料を圧縮空気とともに燃焼して得た高温・高圧の燃焼ガスエネルギーを、回転動力として回収する。ガスタービンにおいては、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。このため、特に、作動ガス中に配置されているタービン静・動翼は高級耐熱材料の使用とともに、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、空気を冷媒としたオープン冷却方式である。即ち、ガスタービンの主構成要素の一つである圧縮機から抽気した空気を用い、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径側キャビティを経由させて、翼内部に導入している。そして、翼内部を冷却した後の空気は、冷却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、主流ガスが通過する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しているが、この空気も同様に、イングレス抑制用としてガスパスに排出されることになる
ところで、静翼とエンドウォール等で構成される静翼体は、複数枚のセグメントとして周方向に環状配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、隣接するセグメント間は、周方向に間隙を有する。このセグメント間隙は、定格点運転においても、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、静翼体の冷却用空気として導入されるケーシング内部外径側キャビティとガスパスは、このセグメント間の間隙流路を介して、半径方向に連通した状態となる。従って、冷却空気の一部が、このセグメント間の間隙流路からガスパスに漏洩する。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や動翼等についても、同様なリークが生じることになる。これらのリークは、それ自体が損失の要因となるばかりでなく、ガスパスの主流中に混入することから、比較的、低温であるリーク空気の希釈による主流ガスの温度低下や、空力的な混合損失によるタービンの出力低下をもたらすことになる。したがって、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を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、間隙を形成する隣接するセグメントの対向面のそれぞれに相対するようにシール溝を形成し、両方のシール溝を跨ぐ形で平板状シールプレートを装着して、間隙流路を遮断するようにしたシール装置が採用されている。
ところで、このようなシールプレートを単独で用いることは殆どなく、高圧側と低圧側を区画して遮断するような形で、シールプレートを複数枚配置するのが一般的である。しかし、複数枚のシールプレートの組合せは、２枚のシールプレートを例にすれば、一方のシールプレートのプレート面と他方のシールプレートのプレート長手方向終端面の交点部で微小な間隙を生じさせ、この間隙に起因するリークの抑制を検討する必要がある。

従来、複数枚のシールプレートの組合せにおける交点部の間隙に起因するリーク流量の低減する案として、例えば、特許文献１に記載のものがある。
特許文献１では、ガスタービンのダイアフラムなどを構成する複数のアーチ形構成要素において隣接するアーチ形構成要素（第１のアーチ形構成要素と第２のアーチ形構成要素）間に設けられるシール装置が開示されている。アーチ形構成要素の端部上には、第１のスロットと第２のスロットとが設けられ、第１のスロットと第２のスロットとは互いに対してある角度をなして形成され、互いに接続している。第１のスロットには第１のシールが、第２のスロットには第２のシールが、それぞれ、隣接するアーチ形構成要素の対向するスロットを跨ぐように配置されている。そして、第１のシールと第２のシールとに結合され、第１のシールと第２のシールとの間の間隙を実質的に覆うコネクタが設けられている。

特開2010-242748号公報

ガスタービンの性能低下を防止するために、冷却空気の供給経路等にシール装置を設けることは、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、その開発目的からセグメント間の間隙からの冷却・シール空気のリークを、未然に抑制するものである。一般的に、リーク流量は、流量係数、流路面積、及び、圧力差を代表値として算出できる。リーク流量の抑制を考えるとき、これらの代表値の中で、圧力差は、機器の運転条件として与えられるものであり、流量低減の直接的な制御因子としては、流路面積の削減が妥当である。これは、流量係数にも波及する。即ち、流路面積を零にできれば、リーク流を封止することが可能となる。

複数枚のシールプレートで高圧側と低圧側を区画して遮断する構成においては、例えば、特許文献１に記載のように、複数のシール装置（シールプレート）間に形成された間隙（リーク流路）をコネクタで遮断することにより、リーク流量を低減できる。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、複数枚のシールプレートにより高圧側と低圧側を区画して遮断する構成において、三次元的にリーク流路を検討することにより、従来、見過ごされていたリーク流路があることを見出した。この見過ごされていたリーク流路を遮断することによりリーク流量をさらに低減し、ガスタービンの性能を向上させることができる。

本発明の目的は、複数枚のシールプレートで高圧側と低圧側を区画して遮断する構成において、リーク流量をさらに低減し、ガスタービンの性能を向上させることにある。

本発明のガスタービンシール装置は、タービンを構成する複数のセグメントの隣接するセグメント間に設置されるシール装置であって、隣接するセグメントの双方の対向面にそれぞれ相対するように形成された第一のシール溝と、隣接するセグメントの双方の対向面にそれぞれ相対するように形成された第二のシール溝であって、第一のシール溝に対してある角度をなして形成され、かつ、第一のシール溝に接続された第二のシール溝と、第一のシール溝の双方を跨ぐ形で第一のシール溝に装着された第一のシールプレートと、第二のシール溝の双方を跨ぐ形で第二のシール溝に装着された第二のシールプレートとを備え、第一のシールプレートの長手方向の端面と、第二のシールプレートの第二のシール溝の壁面と接する側のシール面とは反対側の反シール面との間に形成される間隙を流下するリーク流を遮断するように設置されたシールであって、第一のシールプレートの長手方向の端面のリーク流に対する下流側位置に設けられたシールを有することを特徴とする。

本発明によれば、複数枚のシールプレートで高圧側と低圧側を区画して遮断する構成において、リーク流量をさらに低減し、ガスタービンの性能を向上させることが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用されるガスタービン装置の構成を示す概念図である。 本発明が適用されるタービンの部分断面図である。 本発明を静翼体に適用した場合のシールプレートの配置を示す概念図である。 本発明を静翼体に適用した場合のシールプレートの装着を示す概念図である。 本発明における複数のシールプレート間及びシールプレートとシール溝との関係を説明する図である。 本発明におけるシールプレート周りに発生し得るリークを説明するためのセグメント部の部分断面図である。 図６におけるＢ-Ｂ矢視断面図であり、本発明におけるシールプレート周りに発生し得るリークを説明するための複数セグメントが対向する付近の部分断面図である。 本発明におけるシールプレート周りに発生し得るリークを説明する図である。 本発明の一実施例におけるガスタービンシール装置を説明するためのセグメント部の部分断面図である。 図８の部分断面図における複数シールプレートの交点部付近の拡大図である。 ガスタービン組立時の際の図９におけるＣ-Ｃ矢視断面図であり、複数セグメントが対向する付近の部分断面図である。 ガスタービン運転時の際の図９におけるＣ-Ｃ矢視断面図であり、複数セグメントが対向する付近の部分断面図である。 本発明の一実施例におけるガスタービンシール装置のリーク流抑制効果を説明するためのセグメント部の部分断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。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。

先ず、本発明が適用されるガスタービン装置の構成を図１に基づき説明する。ガスタービン１は、主な構成として、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２、圧縮機２からの圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温高圧ガスを得る燃焼器３、燃焼器からの高温高圧ガスを作動ガスとして駆動する多段のタービン４、及び、発電機５を備えている。圧縮機２、タービン４、及び、発電機５は軸連結されている。ガスタービン１の起動・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段静翼の入口に流入する。以下、第１段動翼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。この回転エネルギーは、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。

タービン翼は、高温のガスに晒されるため、冷却する必要がある。タービン４の被冷却部（第１，第２段静翼と第１，第２段動翼）は、圧縮機２から抽気した空気により冷却される。すなわち、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，第２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、タービン４の各々の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、各翼のフィルム冷却に利用、或いは、翼後縁から噴出されて、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、最終的には排気として大気に放出される。

次に、本発明が適用されるタービンを図２に基づき説明する。図２は、タービン４の２段目までのタービンの部分断面を示す。冷却空気は、静翼低圧冷却空気経路６aから第２段静翼１２a、静翼高圧冷却空気経路６bから第１段静翼１０、動翼冷却空気経路７から第１段動翼１１，第２段動翼１３へそれぞれ供給される。以下、本実施例のシール装置の全体構成を詳細に説明するが、ここでは、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（図示省略）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段静翼体セグメント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から構成される。冷却空気は、第２段静翼体セグメント２１aの冷却パス（図示省略）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に供給される。その後、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。その一部が、ダイアフラム１５とスペーサー１８の間に形成されたシールフィン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に分配される。そして、分配された空気は、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。

次に、本発明のガスタービンシール装置を静翼体に適用した場合のシールプレートの配置およびシール溝への装着を図３及び図４に基づき説明する。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（高圧側）からガスパス９（低圧側）へ向かう矢印９０方向の冷却空気のリーク流路が発生することになる。このリーク流路を遮断するため、隣接するセグメントの双方の対向面にそれぞれ相対するように形成されたシール溝と、シール溝の双方を跨ぐようにシール溝に装着されるシールプレートとにより構成されるシール装置が設置される。高圧側と低圧側を区画して遮断するために、複数のシールプレート及びそれらを装着する複数のシール溝が設けられている。

例えば、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、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を区画して遮断する形で、シール溝３０a、シール溝３１a及びシール溝３２aが設けられている。シール溝３１aは、シール溝３０a、シール溝３２aに対して所定の角度をなして形成されている。シール溝３１aは、シール溝３０a、シール溝３２aとの間に、図３に示すように、上流側交点部２４と下流側交点部２５を有し、交点部においてシール溝３０a、シール溝３２aとそれぞれ接続している。

シール溝の上流側交点部２４と下流側交点部２５は、シール溝毎に単独に装着されるシールプレートの交点部でもある。交点部において、一方のシールプレートの長手方向の端面と他方のシールプレートのプレート面（反シール面）とが微小間隙をおいて対向している（詳細は後述）。

また、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同様にリーク流路が存在する。これらのリーク流路を遮断するため、内径側エンドウォール２３aには、シール溝３３、シール溝３４及びシール溝３５が設けられ、また、ダイアフラム１６aには、シール溝３６、シール溝３７、シール溝３８、シール溝３９、シール溝４０、シール溝４１及びシール溝４２が設けられている。これらのシール溝においても交点部が形成される。図３に示す例では、計８つの交点部が形成される。よって、一つの第２段静翼体とダイアフラムのセグメントとして１０か所の交点部が形成され、周方向に複数設けられた第２段静翼の全体を考慮すると、これに翼枚数を乗じた値が交点部として形成されることになる。更には、第１段静翼体等も含めてガスタービン全体に範囲を拡大すれば、交点部は１０００箇所以上になる。

次に、図４に基づき、隣接セグメント間のシール溝へのシールプレートの装着を説明する。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の外径側エンドウォール２２ａに隣接対向して、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール２２bが位置する。外径側エンドウォール２２ａと外径側エンドウォール２２bには、対向した位置（半径方向位置）に、シール溝３１ａとシール溝３１ｂ、シール溝３１ａとシール溝３１ｂ、及び、シール溝３２ａとシール溝３２ｂがそれぞれ形成される。隣接する外径側エンドウォールの両者のシール溝に接して、すなわち、両者のシール溝を跨ぎ、組立時の周方向間隙σcを塞ぐように、シールプレート５０，５１，５２がそれぞれ単独に対応するシール溝に装着されている。シールプレート５０はシール溝３１ａとシール溝３１ｂに装着され、シールプレート５１はシール溝３０ａとシール溝３０ｂに装着され、シールプレート５２はシール溝３２ａとシール溝３２ｂに装着されている。これらのシールプレート５０，５１，５２によって、前述の第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９に向かうリーク経路の一部が遮断されることになる。

次に、図５〜図７Ｂを用いて本発明に至った経緯について説明する。
上述したように、本発明者らの検討によれば、複数枚のシールプレートにより高圧側と低圧側を区画して遮断する構成において、三次元的にリーク流路を検討することにより、従来、見過ごされていたリーク流路があることを見出した。この新たに見出されたリーク流路を下流側交点部２５に着目して、以下に説明する。

先ず初めに、図５を用いて、交点部における複数のシールプレートの関係、シールプレートとシール溝の関係を説明する。図５は、図３で示したＡ−Ａ矢視方向の部分的な俯瞰図である。分かりやすくするため、外径側エンドウォール２２ｂの図示を省略している。

本実施例において、シールプレートは、同平面形状を二面ずつ持つ六面体プレートである。図５において、外径側エンドウォール２２ａに設けられたシール溝３１ａ，３２ａにそれぞれ装着したシールプレート５０，５２を示している。
シールプレート５０と、シールプレート５０が装着されるシール溝３１ａに着目して説明する。シールプレート５０はシールプレート厚みｔを有する。シール溝３１ａはシール溝高さＨｇを有する。シールプレート５０とシール溝３１ａの両者の長手方向（紙面における奥行き方向）にあるシールプレートの長さはＬｇとする。
シールプレート５０は、長さＬｇの方向（長手方向）の両端（紙面奥側と手前側）にプレート長手方向端面５０ａを有する。
また、シールプレート５０は、シール溝３１ａの壁面（紙面下側の壁面）との間でシール面を形成するシールプレートの面、即ち、プレート側シール面５０ｃを有する。また、シール面と反対のシールプレートの面をプレート側反シール面５０ｄとする。シールプレート５０は第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９の圧力差によりシール溝３１ａの壁面にプレート側シール面５０ｃが押し付けられる。一方、プレート側反シール面５０ｄは、対向するシール溝３１ａの壁面（紙面上側の壁面）とは非接触でありシールプレート５０の反シール面５０ｄとシール溝３１ａの壁面との間にはシール溝空間４３ａが形成される。
一方、残る六面体の二面（紙面の右側と左側）が、シールプレート５０の側端面５０ｂである。
また、シールプレート５０のシールプレート幅Ｗｐ、シール溝３１ａの溝深さＧｄとすれば、シールプレート５０の側端面５０ｂとシール溝３１ａの底面との間に、ｘｃ＝（２×Ｇｄ+σｃ-Ｗｐ）／２となる間隙が生じ、（Ｈｇ×ｘｃ）なるシール溝空間４４ａが形成される。図示していないが、外径側エンドウォール２２ｂに形成されたシール溝３１ｂ内にも、（Ｈｇ×ｘｃ）なるシール溝空間が形成される。
同様に、シールプレート５２と、シールプレート５２が装着されるシール溝３３ａに着目すると、シールプレート５２は、プレート長手方向（紙面下側及び上側）の端面５２ａ（図５では紙面下側の端面５２ａのみ図示）を有する。また、シールプレート５２は、シール溝３２ａの壁面（紙面手前側の壁面）との間でシール面を形成するプレート側シール面５２ｃ、シール溝３２ａの壁面（紙面奥側の壁面）との間にシール溝空間４３ｂを形成するプレート側反シール面５２ｄを有する。六面体残りの二面（紙面の右側と左側）として、シールプレート５２の側端面５２ｂを有する。このシールプレート５２の側端面５２ｂとシール溝３２ａの底面との間に、シール溝空間４５ａが形成される。図示していないが、外径側エンドウォール２２ｂに形成されたシール溝３１ｂ内にも、同様なシール溝空間が形成される。

尚、本実施例において、シールプレート５０のプレート側反シール面５０ｄと、シールプレート５２のプレート長手方向端面５２ａの交点部が、下流側交点部２５であり、この交点部の位置において、シールプレート５０のプレート側反シール面５０ｄと、シールプレート５２のプレート長手方向端面５２ａとの間に、間隙ｇが形成されている。

次に、図６〜図７Ｂを用いて、本発明のガスタービンシール装置によって遮断しようとするリーク経路を概念的に説明する。
先に、第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９へ向かう概念的なリーク経路を矢印９０としたが、下流側交点部２５廻りのリークとして、破線で示す矢印９０a、実線の矢印９０b、９０cとに分けて表示している。

従来、リーク経路は、図６に示すように、第２段静翼体セグメントの隣接するセグメントの対向面から矢視した断面図において二次元的な視点から検討されている。
先に、シールプレートによって、リーク経路の一部が遮断されると述べたが、これは矢印９０aで示すリーク経路である。この矢印９０aで示すリーク経路は、シールプレート５０のプレートシール面５０ｃとシール溝３１ａの壁面との間に形成されるシール面によりリーク流を抑制することが可能である。
また、矢印９０bは、シールプレート５０のプレート反シール面５０ｄとシールプレート５２のプレート長手方向端面５２ａとの間に形成される間隙ｇを通過するリーク経路であり、第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの間の周方向間隙σcを矢印のように流れに、直接的に、間隙ｇを通過するリーク経路である。このリーク経路は、従来、間隙ｇの上流側位置（シールプレート５２の長手方向の端面５２ａのリーク流に対する上流側位置）にシール（特許文献１ではコネクタ）を設置してリーク流を抑制している。

しかし、本発明者らの検討によれば、三次元的にリーク経路を検討することにより、従来着目されていなかったリーク経路があることが判明した。
すなわち、シールプレート５２の側端面５２ｂとシール溝３２ａとの間に形成されるシール溝空間４５ａを通過するリーク経路である。なお、シールプレート５２の側端面５２ｂとシール溝３２ｂとの間にも同様な溝空間が形成され、リーク経路が形成される。
このリーク経路は、矢印９０ｃで示される。このシールプレート５２の側端面５２ｂを経由して間隙ｇの後流側に通ずる。
矢印９０ｃで示されるリーク流路について、図７Ａ，図７Ｂを用いて詳細に説明する。図７Ａは、図６に示したＢ-Ｂ矢視部分断面図である。すなわち、視点を変えてリーク流路を検討するものである。また、図７Ｂは、俯瞰図である図５にリーク流路を図示したものである。
図７Ａに示すように、外径側エンドウォール２２ａに隣接して、外径側エンドウォール２２ｂが設けられる。外径側エンドウォール２２ａに設けられたシール溝３１ａ，３２ａに対向して、外径側エンドウォール２２ｂにシール溝３１ｂ，３２ｂが設けられている。それぞれ対向するシール溝３１ａとシール溝３１ｂ、シール溝３２ａとシール溝３２ｂに跨る形で、シールプレート５０とシールプレート５２が装着されている。
リーク経路となる矢印９０ｂは、第２段静翼供給キャビティ８から、外径側エンドウォール２２ａと外径側エンドウォール２２ｂのセグメントの周方向間隙σc間を通過し、図面上の奥側から手前方向に進み（図７Ｂ参照）、間隙gを通過した後、セグメント間隙σcを下方のガスパス９に向かって流れる。
一方、矢印９０ｃは、シールプレート５２の側端面５２ｂとシール溝３２ａ，３２ｂとの間に形成されるシール溝空間４５ａ，４５ｂに沿いながら、図面の手前方向に進み（図面７Ｂにおける側端面５２ｂに沿う流れ）、間隙gへ廻り込み、矢印９０ｂの流れに合流して、ガスパス９へ向かうことになる。すなわち、矢印９０ｃで示される経路のリーク流は、シールプレート５２の側端面５２ｂの周りの溝空間に流れ込み、側端面５２ｂから間隙ｇに合流する。

このリーク経路は、シールプレート交点部におけるリーク流の上流側に設置された遮断方法、すなわち、間隙ｇの上流側位置（シールプレート５２の長手方向の端面５２ａのリーク流に対する上流側位置）にシール（特許文献１ではコネクタ）を設置する方法では、矢印９０ｂの流れを遮断できるが、矢印９０ｃ方向からのリーク経路に対しては、その効果が及ばないことになる。すなわち、端面５２ａの上流側において間隙ｇを塞いでも、矢印９０ｃ方向からのリーク経路に対しては間隙ｇを塞いだことにならない。この見過ごされていたリーク経路を遮断することによりリーク流量をさらに低減し、ガスタービンの性能を向上させることができる。

そして、本発明では、このリーク経路を流れるリーク流（側端面５２ｂの周りを経由して間隙ｇを流れるリーク流）を、シールプレート５０の長手方向の端面５２ａとシールプレート５０の反シール面５０ｄとの間に形成される間隙ｇの端面５２ａの上流側ではなく、下流側（リーク流についての下流側）にシールを設けることにより抑制するようにしている。

図８〜図１２を用いて、端面５２ａの下流側に設けられるシールの構成例とその作用効果について説明する。なお、図８や図９、図１２などにおいて、便宜的に、シール溝３１ａとシール溝３２ａが直交するように描写している。図３や図６に示すようにシール溝が直交していない場合も含むものである。
また、図８では、リーク経路として、矢印９０ｂを代表的に示している。第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９に向かうリーク経路として、端面５２ａの位置基準で、図面上、左方向が上流側、右手方向が下流側となる。

本実施例において、シールプレート５２の長手方向の端面５２ａの下流側にシール６０が設けられている。シールプレート５２の端面５２ａが、図５などに示すようにシールプレート５０の反シール面５０ｄと平行であると、端面５２ａの下流側には、シール６０を設置する空間の長さが、シール間隙δｃに相当する長さしか確保できない。その場合でも間隙ｇに起因するリーク流の流路面積を小さくすることができるので、ある程度の効果は見込める。しかし、シール間隙δｃの箇所を狙ってシール６０を装着する作業は困難であり、また、間隙ｇに起因するリーク流の流路面積をより小さくするためには、端面５２ａの下流側において、シール端面５２ａの長手方向幅をカバーするように、シール６０を設けることが望ましい。

そこで本実施例では、シールプレート５０の長手方向の端面５２ａとシールプレート５０の反シール面が交わる下流側交点部２５において、シールプレート５２の端面５２ａの下流側を、端面５２ａの長手方向幅に渡ってカットして、シール６０を設置するための空間を形成している。
すなわち、シールプレート５２の端面５２ａとプレート側シール面５２ｃとの間を斜めにカットすることにより、シールプレート５２の長手方向にはカット面が形成される。このカット面を、第２の端面５２ｆと呼称する。この第２の端面５２ｆはシールプレート５０の反シール面５０ｄに対して傾斜している。シールプレート５２の第２の端面５２ｆ、シールプレート５０の反シール面５０ｄ、及び、プレート側シール面５２ｃと接するシール溝３２ａの壁面（シール溝接触面）４７の三つの面で囲まれる空間６１が形成される。シール６０を装着する空間としてこの空間６１を用いる。

そして、本実施例では、この空間６１には、円柱状の軟質材で形成されたシール６０が図８における図面の奥行方向に延在して装着されている。軟質材としては耐熱性の材料であり、例えば、紐状のセラミックファイバーが用いられ、この軟質材を用いて円柱状のシールが形成される。間隙ｇ自体は１ｍｍ以下であるので、円柱状のシールの直径は２ｍｍ程度のものが用いられる。また、空間６１へのシール６０の装着は、例えば、組立の際に、接着剤を用いて第２の端面５２ｆにシール６０を点固定（仮止め）して、シール溝３２ａ，３２ｂに装着する。接着剤はガスタービンの運転時に焼失しても良いので一般的な接着剤でよく、耐熱性などの必要性はない。

図９にシール６０周りにおける拡大断面図を示す。シール６０は、空間６１内において、第２の端面５２ｆとの間に第１の接触部６２、反シール面５０ｄとの間に第２の接触部６３、及び、シール溝接触面４７との間に第３の接触部６４を形成しており、３点の接触部を有する。

ガスタービンの運転時において、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。第２段静翼キャビティ８（高圧側）とガスパス９（低圧側）の圧力差は、シールプレート５０，５２をシール溝の低圧側(ガスパス９側)へ押えつける作用力として働くことになり、円柱状の軟質材で形成されたシール６０の断面形状は変形することになる。そして、変形の反作用力として、第１接触部６２、第２接触部６３、及び、第３接触部６４での面圧は上昇する。この時点では、組立の際に用いた、シール６０を固定した接着剤は焼失しているが、シール６０の三つの接触部における面圧の上昇という作用によってシール６０が空間６１内において固定される。

図１０及び図１１は、図９に示したＣ-Ｃ矢視部分断面図であり、図１０はガスタービン組立時の状態を示し、図１１はガスタービン運転時の状態を示す。
図１０において、シール６０の長さＬｎは、シールプレート５０のプレート幅Ｗｐ、シールプレート５０の側端面５０ｂとシール溝３１ａ，３１ｂの底面（シール溝深さ方向面）との間の間隙ｘｃとの間に、（Ｗｐ+２×ｘｃ）>Ｌｎ＞Ｗｐの関係を有している。なお、本実施例では、シールプレート５２のプレート幅はシールプレート５０のプレート幅Ｗｐに等しく、シールプレート５２の側端面５２ｂとシール溝３２ａ，３２ｂの底面（シール溝深さ方向面）との間の間隙も間隙ｘｃに等しく設定されている。
ガスタービン運転時には、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。この熱伸びにより、周方向においては、組立時のセグメントの周方向間隙σcが、図１１に示すように、σhまで狭まる。しかし、この運転時の周方向間隙σh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。当然ながら、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、即ち、シール溝３１ａ，３１ｂとシール溝３２ａ，３２ｂも、図の左右方向、中央部に向かって変位するため、組立時の間隙ｘｃも運転時の間隙ｘｈまで縮小する。しかしながら、シール溝の底面（シール溝深さ方向面）とシールプレート、例えば、シール溝３２ａ，３２ｂの底面とシールプレート５２の側端面５２ｂが干渉することはない。逆に、シール６０は軟質材で形成されているので、シール６０の長さ方向の両端は、シール溝３２ａ，３２ｂの底面と干渉しても良く、本実施例では、ガスタービンの運転時に、シール溝３２ａ，３２ｂの底面に接触するようにシール６０の長さを調整している。これにより、シールプレートの側端面から間隙ｘｈに相当する長さまでの範囲のリーク流の流路面積を封止することができる。この効果を得るためには、本実施例では、ガスタービン組立時のシール６０の長さＬｎをプレート幅Ｗｐよりも大きくしている。この構成による効果自体は、端面５２ａの上流側にシールを設ける場合に適用しても期待できる。なお、シール６０の長さＬｎを（Ｗｐ+２×ｘｃ）より小さくしているのは、ガスタービン組立時に、シール６０の両端がシール溝３２ａ，３２ｂの底面に接触すると、シール６０のシール溝３２ａ，３２ｂへの装着が難しくなるからである。

図１２を用いて、本実施例の効果を説明する。
上述したリーク経路の内、直接的に、端面５２ａと反シール面５０ｄの間の間隙ｇを通過する、矢印９０ｂのリーク経路については、第１接触部６２、第２接触部６３によって流路が遮断されている。一方、シールプレート５２の側端面５２ｂを経由する矢印９０ｃのリーク経路については、第２接触部６３、或は、第３接触部６４によって遮断されることになる。本実施例のシール６０により、矢印９０ｂのリーク経路についても矢印９０ｃのリーク経路についても、間隙ｇに起因するリーク流の流路面積を小さくすることができる。なお、本実施例では、シール６０が三つの接触部を有することが肝要であり、本実施例では円柱状のシールによりこれを実現しているが、シール形状は円柱状に拘束されるものではない。

ところで、間隙ｇ自体は、１ｍｍ以下の小さな数値ではあるが、上流側交点部２４、また、内径側エンドウォール、ダイアフラム、更に、翼枚数、段数を掛け合せると、員数効果によって無視できないリーク流路面積となるので、これらに本実施例を適用することにより、ガスタービンの性能向上を図ることができる。

また、本実施例では、矢印９０ｂのリーク経路と矢印９０ｃのリーク経路の二つのリーク経路に対して一つのシールで遮断できるので、部品点数の削減効果も大きい。すなわち、矢印９０ｃのリーク経路の遮断を行うには、例えば、側端面５２ｂにシールを設置することも考えられるが、この場合、矢印９０ｂのリーク経路と矢印９０ｃのリーク経路を遮断するためには、３つのシールが必要となる。本実施例のように、端面５２ａの下流にシール６０を設置することより、一つのシールで矢印９０ｂのリーク経路と矢印９０ｃのリーク経路の双方を遮断できる。

また、ガスタービンの運転時におけるシール６０の断面形状の変更と、それに伴う第１接触部６２、第２接触部６３、及び、第３接触部６４での面圧上昇は、ガスタービンの運転に伴うシールプレートの震動伝達を吸収するという効果をもたらす。すなわち、シール溝に装着されるシールプレートは、基本的には、プレートの一面でシール溝とシール面を形成し、その反対面はシール溝との間で微小間隙を有する。このため、ガスタービンの運転に際して、シールプレートが震動する余地があり、この震動に起因してシールプレートの接触点の摩耗損傷を加速させる恐れがある。また、断続的なリークを発生する要因ともなる。本実施例では、シール６０として変形可能な軟質材を用い、シール６０を変形させた状態で空間６１内に固定している。シール６０の変形は、シールプレートを拘束する作用として働き、シールプレートの震動を抑制することで、シールプレートに作用する震動力がもたらす応力を緩和することができ、シール装置の信頼性を高めることができる。また、シールプレートの震動を抑制することで、断続的なリークの抑制が図れ、効率の良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。

なお、上述の実施例においては、シール６０を設置する空間６１を形成するために、シールプレートの端面５２ａとプレート側シール面５２ｃを結ぶカット面を形成しているが、例えば、シールプレート５２がシールプレート５０に対して傾斜しており、端面５２ａが反シール面５０ｄに対して傾斜していれば、シール６０を設置する空間が形成され得るので、カット面を形成し、第２の端面５２ｆを設けなくても良い場合がある。

さらに、上述の実施例では、シールプレートを六面体平板プレートとして取り扱ったが、プレートのエッジ部を面取りした多面体としても良い。この場合、改めて、シール６０を設置する空間６１を形成するためにカット面を形成しなくても良い場合がある。

また、本実施例は、外径側エンドウォールの下流側交点部に着目して説明したが、上流側交点部、更には、内径側エンドウォールにも適用できる。さらに、他に設けた複数のシールプレートで高圧側と低圧側を区画して遮断するようにした箇所にも適用できる。このように多くの箇所に本実施例を適用すれば、大きな効果が期待できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

２１a、２１b・・・・第２段静翼体セグメント
２２a、２２b・・・・外径側エンドウォール
２５・・・下流側交点部
３１a、３１b・・・・シール溝
３２a、３２b・・・・シール溝
４７・・・・シール溝接触面（シール溝壁面）
５０、５２・・・・シールプレート
５０ｄ・・・・反シール面
５２ａ・・・長手方向の端面
５２ｆ・・・・長手方向の第２の端面
６０・・・シール
６２・・・第１の接触部
６３・・・第２の接触部
６４・・・第３の接触部

Claims (8)

1. タービンを構成する複数のセグメントの隣接するセグメント間に設置されるガスタービンシール装置であって、
   前記隣接するセグメントの双方の対向面にそれぞれ相対するように形成された第一のシール溝と、
   前記隣接するセグメントの双方の対向面にそれぞれ相対するように形成された第二のシール溝であって、前記第一のシール溝に対してある角度をなして形成され、かつ、前記第一のシール溝に接続された第二のシール溝と、
   前記第一のシール溝の双方を跨ぐ形で前記第一のシール溝に装着された第一のシールプレートと、
   前記第二のシール溝の双方を跨ぐ形で前記第二のシール溝に装着された第二のシールプレートとを備え、
   前記第一のシールプレートの長手方向の一方の端面と、前記第二のシールプレートの前記第二のシール溝の壁面と接する側のシール面とは反対側の反シール面とが対向するように配置されており、
   前記端面と前記反シール面との間に形成される間隙を流下するリーク流を遮断するように設置されたシールであって、前記第一のシールプレートの長手方向の端面のリーク流に対する下流側位置に設けられたシールを有することを特徴とするガスタービンシール装置。
2. 請求項１に記載のガスタービンシール装置において、
   前記端面と、前記反シール面と、前記第一のシールプレートのシール面と接する側の前記第一のシール溝の壁面との間に形成される空間に、前記シールが設置されていることを特徴とするガスタービンシール装置。
3. 請求項２に記載のガスタービンシール装置において、
   前記シールは、前記端面、前記反シール面及び前記壁面に接触していることを特徴とするガスタービンシール装置。
4. 請求項１に記載のガスタービンシール装置において、
   前記端面の下流側が該端面の長手方向の幅に渡ってカットされて第二の端面が形成されており、前記第二の端面と、前記反シール面と、前記第一のシールプレートのシール面と接する側の前記第一のシール溝の壁面との間に形成される空間に、前記シールが設置されていることを特徴とするガスタービンシール装置。
5. 請求項４に記載のガスタービンシール装置において、
   前記シールは、前記第二の端面、前記反シール面及び前記壁面に接触していることを特徴とするガスタービンシール装置。
6. 請求項２〜５の何れかに記載のガスタービンシール装置において、
   前記シールは、軟質材で形成され、ガスタービン運転時に前記空間内で変形する力を受けていることを特徴とするガスタービン装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載のガスタービンシール装置において、
   ガスタービン組立時の前記シールの長さＬｎは、前記第一のシールプレートのプレート幅Ｗｐよりも大きいことを特徴とするガスタービンシール装置。
8. 圧縮機、燃焼器、及び、タービンで構成されるガスタービンであって、
   前記タービンを構成する複数のセグメントは、周方向に複数設置された静翼体であり、隣接する前記静翼体のエンドウォールの間隙面に、請求項１から７の何れかに記載のガスタービンシール装置を設けたことを特徴とするガスタービン。

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