JP3252607B2 - 回転蓄熱式熱交換器のシール部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン等に使用さ
れる回転蓄熱式熱交換器のシール部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン、各種熱回収プラント等に
おいては装置の熱効率の向上を図る手段の１つとして回
転蓄熱式熱交換器が用いられている。この回転蓄熱式熱
交換器は、高温ガスによって加熱された回転可能な固体
（コア）を熱交換体として利用するものであって、固体
を一定時間高温ガス中にさらして熱を吸収させて蓄熱し
た後に回転させて蓄熱面を移動し、次の一定時間蓄熱面
を低温ガスに接触せしめて固体に蓄えられた熱を低温ガ
ス中に放熱させることにより熱エネルギを回収するもの
である。

【０００３】図１に前記回転蓄熱式熱交換器の概要を示
す。図において１は多数の細孔が形成されたハニカム状
エレメントを備えた円柱状のコアであり、該コア１はこ
れの外周に固着されたリングギヤ１ａを介して駆動源
（ガスタービンのロータ軸等）により回転軸Ｚ廻りに回
転駆動せしめられる。

【０００４】６は燃焼器（図示せず）への高圧低温の空
気が流過する高圧低温空気通路、５はタービン（図示せ
ず）からの低圧高温のガスが流過する低圧高温ガス通路
であり、該高圧低温空気通路６と低圧高温ガス通路５と
はコア１の上端面１ｂにおいてアウタシール３により、
コア１の下端面１ｃにおいてインナシール２により夫々
シールされている。即ち前記アウタシール３の下面（摺
動面）とコアの上端面１ｂとが、インナシール２の上面
（摺動面）とコアの下端面１ｃとが夫々摺接されて両通
路５，６をシールされた状態でコア１が回転せしめられ
る。

【０００５】図２に前記インナシール２の平面図を、図
３に前記アウタシール３の平面図を、図５に図２のＡ−
Ａ断面及び図３のＢ−Ｂ断面に相当するインナシール２
及びアウタシール３の断面形状を示す。

【０００６】図５において１１は耐熱材料からなるシュ
ー、１０は該シュー１１の反摺動面側に取付けられた耐
熱性ばね材料からなるダイヤフラムである。

【０００７】前記ダイヤフラム１０の弾力によりインナ
シール２又はアウタシール３は、その一面（ダイヤフラ
ム面）がハウジング４の端面４ａに押圧されるととも
に、他面（シュー１１の摺接面１３）がコア１の端面１
ｃ又は１ｂに摺動自在に当接せしめられて、高圧低温空
気通路６と低圧高温ガス通路５との間をシールして高圧
空気の低圧側への洩れを防止することとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記のよ
うな従来のシール部材にあっては、ガスタービン用回転
蓄熱式熱交換器に使用される場合、ダイヤフラム周辺の
最高温度が１０００℃程度の高温となる。

【０００９】このため薄肉（０．２ｍｍ程度の板厚）の
板材からなるダイヤフラム１０にへたりが発生し、ばね
特性が低下してインナシール２又はアウタシール３のコ
ア端面又はハウジング端面への押付力が低下し、シール
性能の低下をもたらす。

【００１０】本発明の目的は、ガスタービン等に使用さ
れる回転蓄熱式熱交換器において、高圧空気通路と低圧
ガス通路とをシールするインナシール及びアウタシール
のダイヤフラムの高温時におけるへたりの発生を阻止
し、全運転域において高いシール性能を維持し、かつダ
イヤフラムの耐久性を向上せしめることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点に鑑
みてなされたものであって、その特徴とするところは、
支軸廻りに回転駆動され両端面間を連通する多数の細流
路を有する円柱状のコアと、該コアを支承するハウジン
グに当接されるダイヤフラム及び前記コアの両端面に摺
接するシューを有するシール部材とを備え、該シール部
材により高圧ガスと低圧ガスの流路域を区画して構成さ
れた回転蓄熱式熱交換器において、前記シール部材のダ
イヤフラムに、該ダイヤフラムの撓みが一定量以下のと
き高圧側と低圧側とを連通せしめ、前記撓みが一定量を
超えたときハウジング面との接着により閉塞せしめられ
る小孔を設けたことである。

【００１２】

【作用】本発明は前記のように構成されているので、シ
ール部材周辺が高温となる部分負荷時においては、高圧
低温空気通路と低圧高温ガス通路との圧力差が小さく、
高圧空気がダイヤフラムに穿設された小孔を通って低圧
ガス側へと流れる。これにより高温状態にあるダイヤフ
ラム周辺は効果的に冷却され、ダイヤフラムのへたりの
発生が阻止され、これに伴うシール性能の低下が防止さ
れる。

【００１３】ダイヤフラム周辺が部分負荷時よりも低温
になる定格負荷時においては、前記圧力差が大きいた
め、該圧力差によるダイヤフラムの撓みにより小孔がハ
ウジング端面により閉塞され、高い圧力差に対応する充
分なシール性能が確保される。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示
的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構造部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特
に特例的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨でなく単なる説明例に過ぎない。

【００１５】図２は、図１に示す回転蓄熱式熱交換器の
インナシール２の平面図、図３はアウタシール３の平面
図を示し、図４（ａ),（ｂ）は図２に示すインナシール
２のＡ−Ａ断面図、及び図３に示すアウタシール３のＢ
−Ｂ断面図を示す。

【００１６】図２において、２ａはインナシール２の円
環状のリム部、２ｂは該リム部２ａの中央部間を連結す
るクロスアーム部である。

【００１７】また、図３において、アウタシール３は半
円環状のリム部３ａの両端をクロスアーム部３ｂにて連
結して構成されている。

【００１８】前記インナシール２及びアウタシール３の
断面形状は図４のように構成されており、図４において
１１はステンレス系耐熱鋼等の耐熱材料から成るシュ
ー、１０は該シュー１１の反摺動面側に取付けられた耐
熱性ばね材料から成るダイヤフラムである。

【００１９】前記シュー１１の摺動面側には耐摩耗性材
料がコーティングされ、該コーティング面がコア１の端
面１ｃ，１ｂに摺接されている。一方、前記ダイヤフラ
ム１０の上面１０ａはハウジング４の端面に摺接されて
いる。

【００２０】即ち、インナシール２又はアウタシール３
は、コア１の端面１ｃ，１ｂとハウジング４の端面４ａ
との間のガス流通空間内において、ダイヤフラム１０の
ばね力によって、その１面（インナシールの場合は下
面）が一定の圧力でハウジング４に押圧されるととも
に、他面（インナシールの場合は上面）即ち摺動面１３
がコア１の端面に、該コア１が滑らかに回転可能となる
ように当接せしめられるようになっている。

【００２１】前記ダイヤフラム１０には、その円周方向
および長手方向に沿って多数の小孔１０ｂが穿設されて
いる。該小孔１０ｂは、図４（ａ）に示されるように、
高圧低温空気通路６内の圧力が一定値よりも低いとき
は、該高圧低温空気通路６と低圧高温ガス通路５との間
を連通し、かつ図４（ｂ）に示されるように、前記圧力
が一定値を超えるときは空気通路６内の空気圧によりハ
ウジング４の下面４ａにダイヤフラム１０が圧着される
ことにより該小孔１０ｂが閉塞されるような位置に穿設
される。

【００２２】前記のように構成されたシール部材をイン
ナシール２及び／又はアウタシール３に使用したガスタ
ービンの運転時において、タービンの部分負荷時におい
てはダイヤフラム周辺は高温となり、コンプレッサ（図
示せず）から図１に示される回転蓄熱式熱交換器の高圧
低温空気通路６を通って燃焼器（図示せず）に送られる
空気は低圧である。

【００２３】従って前記高圧低温空気通路６内と低圧高
温ガス通路５内の圧力との圧力差は小さく、従って該圧
力差によるダイヤフラム１０の撓みは小さく、小孔１０
ｂは開孔される。

【００２４】これにより、図４（ａ）にＳ矢印で示され
るように高圧低温空気通路６内の空気が小孔（１０ｂ）
を通って低圧高温ガス通路５内へと流れる。この空気流
により、約１０００℃程度に昇温せしめられているダイ
ヤフラム１０周辺は効果的に冷却せしめられ、ダイヤフ
ラムの過熱によるへたりの発生が阻止される。

【００２５】また、ガスタービンの高負荷時（定格負荷
時等）には、ダイヤフラム周辺は部分負荷時よりも低温
となり、前記高圧低温空気通路６内の空気は高圧となっ
ている。

【００２６】このため高圧低温空気通路６内と低圧高温
ガス通路５内の圧力差が大きくなり、図４（ｂ）に示さ
れるように、ダイヤフラム１０は該圧力差により撓みが
大きくなってハウジング４の端面４ａへの圧着面積が増
加し、前記圧力差が一定値以上になるとダイヤフラムの
小孔１０ｂはハウジング４の端面４ａにより閉塞せしめ
られる。

【００２７】これにより、高圧低温空気通路６側と低圧
高温ガス通路５側との連通は遮断され、部分負荷時にお
ける小孔１０ｂを流れる冷却空気による冷却損失はゼロ
となり、高い空気圧に対応してシール部材のシール性能
が上昇する。

【００２８】尚、前記実施例においては、インナシール
２及びアウタシール３のクロスアーム部２ｂ，３ｂの断
面形状について説明したが、リム部２ａ，３ａにおいて
も前記構成を適用できるのは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低圧の
部分負荷時には、本発明に係る回転蓄熱式熱交換器の高
圧低温空気通路を経て燃焼器に送られる空気が小孔を通
って低圧高温ガス通路内へと流れることとなって、該空
気により高温に昇温せしめられているダイヤフラム及び
その周辺が効果的に冷却される。これにより、ダイヤフ
ラムの過熱によるへたりの発生及びこれに基づくシール
性能の低下が防止される。

【００３０】前記空気圧力が高圧となる高負荷時におい
ては、圧力差の増大によるダイヤフラムの変形により、
小孔が閉塞されるので、高圧空気に対応して所要のシー
ル部材のシール性能を確保できる。

【００３１】さらに、ダイヤフラムは板厚が０．２ｍｍ
程度と薄肉であり熱容量が小さいので、負荷変動に対し
て高い追従性を保持できる。

【００３２】要するに本発明によれば、高負荷時のシー
ル性能を維持しつつダイヤフラム周辺が高温となる部分
負荷時においては、小孔を流れる冷却空気によりダイヤ
フラム周辺を効果的に冷却することができ、ダイヤフラ
ムのへたりの発生に伴うシール性能の低下が阻止され、
高いシール性能を確保してシール部材の耐久性を向上せ
しめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン用回転蓄熱式熱交換器の概略構造
図。

【図２】インナシールの平面図。

【図３】アウタシールの平面図。

【図４】本発明の実施例に係るシール部材の断面図。

【図５】従来例を示す図４応当図。

【符号の説明】

１ コア １ｂ，１ｃ コアの端面 ２ インナシール ３ アウタシール ４ ハウジング ４ａ ハウジングの端面 ５ 低圧高温空気通路 ６ 高圧低温空気通路 １０ ダイヤフラム １０ａ 小孔 １１ シュー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支軸廻りに回転駆動され両端面間を連通
   する多数の細流路を有する円柱状のコアと、該コアを支
   承するハウジングに当接されるダイヤフラム及び前記コ
   アの両端面に摺接するシューを有するシール部材とを備
   え、該シール部材により高圧ガスと低圧ガスの流路域を
   区画して構成された回転蓄熱式熱交換器において、 前記シール部材のダイヤフラムに、該ダイヤフラムの撓
   みが一定量以下のとき高圧側と低圧側とを連通せしめ、
   前記撓みが一定量を超えたときハウジング面との接着に
   より閉塞せしめられる小孔を設けてなることを特徴とす
   る回転蓄熱式熱交換器のシール部材。