JP3757999B2 - Scroll seal structure in gas turbine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン軸を囲んで配置されタービン翼列に燃焼ガスを供給するスクロール室を有するガスタービンに係わり、更に詳しくは、ガスタービンにおけるスクロールシール構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンは、図2に例示するように、空気圧縮機1、燃焼器2、タービン3、等から構成され、空気圧縮機1で加圧した空気により、燃焼器2で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガス4を発生させ、この高温の燃焼ガス4によりタービン3を駆動し、タービン3により空気圧縮機1を回転駆動するようになっている。また、この図に示すように、陸上用や航空機の補助動力用のガスタービンでは、排ガス対策、メンテナンス性の向上、コスト等の見地から単一の燃焼器2だけを備えたものが多く、この場合、燃焼器2からの燃焼ガス4をタービン翼列に供給するスクロール室5が設けられる。
【0003】
スクロール室5は、通常、タービン軸を囲んで配置された渦巻き状の中空室であり、その外周部に燃焼器2の出口が取付られ、半径方向内方の流路面積が小さく構成され、内周端が軸方向に開口して、タービン翼列に燃焼ガスを軸方向に噴出するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スクロール室は複雑な形状をしているため、通常複数の部分に分割され、その間を図3に例示するような種々の構造で連結して構成されている。
図3(A)は、スクロール室5を前後の部材に分割し、その間を軸方向に延びた円筒形嵌合部6a,6bで嵌め合い結合したものであり、(a)は、後部前縁部5bの内側に前部後縁部5aを嵌め込むもの、(b)(c)は前部後縁部5aとケーシング7との間に設けられたリング状の溝内に後部前縁部5bを嵌め込むものであり、これらは、燃焼ガス4の圧力が脈動又は変動して、スクロール室5の内外差圧が過大になったときには、後部前縁部5b又は前部後縁部5aが部分的に凹み、その凹み部分から圧縮機1からの加圧空気が流入し、出力低下を及ぼすおそれがあった。
【0005】
また、図3(A)の(d)は、上述した問題を解決するために提案されたものであり(特開平4−241744号)、前部後縁部5aを湾曲状に成形し、後部前縁部5bに前部後縁部5aの内周面に沿って湾曲状に延びる曲状補強部材を形成したものであり、板厚を増すことなく、前部後縁部及び後部前縁部の剛性を高めて、スクロール室の内外差圧に耐えるようになっている。
【0006】
しかし、特開平4−241744号のシール構造の場合でも、嵌合部の内側は直接高温(約1000℃)の燃焼ガスに曝され、外側は比較的低温(約400℃前後)の圧縮機出口空気に曝されているため、▲1▼両者間には大きな温度差があり、その熱膨張差によって嵌合部に大きな面圧が作用する問題点があった。この面圧を下げるためには、比較的大きな初期隙間を与えておく必要があり、運転初期にこの隙間からガス漏れが生じ、逆に初期隙間を小さくし過ぎると嵌合部の面圧大となり嵌合部に永久変形が生じ得る。▲2▼また、燃焼ガスの流れは、円周1ケ所の缶型燃焼器である場合、円周方向に不均一であり、嵌合隙間は運転時に円周方向に不均一となりやすい。▲3▼更に、嵌合を構成する部品は各々独立に支持されるため、嵌合に偏りが生じたまま組み立てられることとなり、更に嵌合隙間を増加させることとなる。
【0007】
更に、図3(B)は、スクロールの前部と後部を各々から張り出したフランジ6で連結してシールするものであり、構造上隙間がないため、完全なシールができる。しかし、スクロール本体とフランジ間部位の熱応力が過大とならないように、スクロール本体とフランジ間の軸方向長さを充分取る必要があり、軸方向長さが長くなる問題点がある。
【0008】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、温度差と圧力差に曝されながら、低応力で、嵌合部に隙間を生じさせずに十分なシール性を保持することができ、かつ軸方向の長さを短く抑えることができるガスタービンにおけるスクロールシール構造を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、タービン軸を囲んで配置された中空ドーナツ状のスクロール外環部と、半径方向内方の流路面積が小さく構成され内周端がタービン翼列に開口したスクロール内環部と、からなるスクロール室を備えたガスタービンにおいて、スクロール外環部とスクロール内環部は、外周嵌合部と内周嵌合部で連結されており、該外周嵌合部は、スクロール外環部から離れた位置に軸方向隙間を有する雌部材と、スクロール内環部から離れた位置で前記隙間に嵌合する雄部材と、からなり、前記雌部材は、半径内方に延びる内方張出部を有し、該内方張出部の内端がスクロール外環部に固定され、前記雄部材の内端部は、前記スクロール内環部に半径方向に摺動可能に取り付けられている、ことを特徴とするガスタービンにおけるスクロールシール構造が提供される。
【0010】
上記本発明の構成によれば、スクロール外環部とスクロール内環部が外周嵌合部と内周嵌合部で連結されており、この外周嵌合部は、スクロール外環部から離れた位置に位置する雌部材と雄部材で連結されているので、嵌合部全体が燃焼ガスに直接曝される高温部のスクロール本体から離れた低温部に位置するので、シールのための嵌合部に熱変形が生じない。また、この構成により、嵌合部はスクロール本体より離した部位にあるので、スクロール本体の形状や燃焼器の位置の設計に広い自由度が得られる。
【0011】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記雌部材の内方張出部は、軸方向に湾曲した湾曲部を有する。この構成により、スクロール外環部に生ずる熱変形を低応力で湾曲部で吸収することができる。
【0012】
更に、前記雄部材とスクロール内環部を連結する中空円筒形のリング板を備え、前記雄部材の内端部は、前記リング板に半径方向に摺動可能に挟持され、該リング板にスクロール内環部の一部が挟持されている。この構成により、嵌合の一方の部品(雄部材の内端部)を半径方向に自由な支持とし、嵌合の偏りを防止して嵌合部に隙間が生じないようにできる。
【0013】
また、前記内周嵌合部は、軸方向隙間を有する雌部材と、該隙間に嵌合する雄部材と、からなることが好ましい。この構成により、外周嵌合部と併せて、スクロール外環部を軸方向に移動させるだけで、外周嵌合部と内周嵌合部を容易に連結することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図1は、本発明によるスクロールシール構造図である。なお、この図は燃焼器2を含む部分断面図であり、図の下方に位置するエンジン軸線Z−Zを中心とする中空回転体の部分断面を示している。この図において、スクロール室10は、タービン軸(図示せず)を囲んで配置された中空ドーナツ状のスクロール外環部10aと、半径方向内方の流路面積が小さく構成され内周端がタービン翼列に開口したスクロール内環部10bと、からなり、スクロール外環部10aとスクロール内環部10bは、外周嵌合部12と内周嵌合部14で連結されている。
【0015】
外周嵌合部12は、スクロール外環部10aから離れた位置に軸方向隙間を有する雌部材12aと、スクロール内環部10bから離れた位置で前記隙間に嵌合する雄部材12bとからなる。また、内周嵌合部14は、軸方向隙間を有する雌部材14aと、この隙間に嵌合する雄部材14bとからなり、これらの雌部材14aと雄部材14bは、スクロール外環部10aとスクロール内環部10bの連結端部に連続して形成されている。この構成により、外周嵌合部12と併せて、スクロール外環部10aを軸方向に移動させるだけで、外周嵌合部12と内周嵌合部14を容易に連結することができる。
【0016】
外周嵌合部12の雌部材12aは、半径内方に延びる内方張出部13aを有し、この内方張出部13aの内端がスクロール外環部10aに固定されている。雌部材12aのこの内方張出部13aは、軸方向に湾曲した湾曲部を有する。この構成により、スクロール外環部10aに生ずる熱変形を低応力で湾曲部で吸収することができる。
【0017】
外周嵌合部12の雄部材12bの内端部は、スクロール内環部10bに半径方向に摺動可能に取り付けられている。すなわち、この実施形態において、本発明のスクロールシール構造では、更に、雄部材12bとスクロール内環部10bを連結する中空円筒形のリング板16を備え、雄部材12bの内端部は、リング板16に半径方向に摺動可能に挟持され、かつこのリング板16にスクロール内環部10bの一部が挟持されている。この構成により、嵌合の一方の部品(雄部材12bの内端部)を半径方向に自由な支持とし、嵌合の偏りを防止して嵌合部に隙間を生じさせないようになっている。
【0018】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【0019】
【発明の効果】
上述した本発明の構成によれば、スクロール外環部10aとスクロール内環部10bが外周嵌合部12と内周嵌合部14で連結されており、この外周嵌合部12は、スクロール外環部から離れた位置に位置する雌部材12aと雄部材12bで連結されているので、嵌合部全体が燃焼ガス4に直接曝される高温部のスクロール本体10a,10bから離れた低温部に位置するので、シールのための嵌合部に熱変形が生じない。また、この構成により、嵌合部はスクロール本体10a,10bより離した部位にあるので、スクロール本体の形状や燃焼器の位置の設計に広い自由度が得られる。
【0020】
従って、シールのための嵌合部の隙間を小さくでき、また、熱変形が抑えられるので小さい隙間を長時間維持でき、かつ嵌合部全体が低温部にあることから、嵌合部すきま量の設計が容易で的確にできる。
【0021】
すなわち、本発明のガスタービンにおけるスクロールシール構造は、温度差と圧力差に曝されながら、低応力で、嵌合部に隙間を生じさせずに十分なシール性を保持することができ、かつ軸方向の長さを短く抑えることができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるスクロールシール構造図である。
【図2】ガスタービンの全体構成図である。
【図3】従来のスクロールシール構造図である。
【符号の説明】
1 空気圧縮機
2 燃焼器
3 タービン
4 燃焼ガス
5 スクロール室
5a 前部後縁部
5b 後部前縁部
6 フランジ
10 スクロール室
10a スクロール外環部
10b スクロール内環部
12 外周嵌合部
12a 雌部材
12b 雄部材
13a 内方張出部
14 内周嵌合部
14a 雌部材
14b 雄部材
16 リング板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine having a scroll chamber that is disposed around a turbine shaft and supplies combustion gas to a turbine cascade, and more particularly to a scroll seal structure in a gas turbine.
[0002]
[Prior art]
As illustrated in FIG. 2, the gas turbine includes an air compressor 1, a
[0003]
The
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the scroll chamber has a complicated shape, the scroll chamber is usually divided into a plurality of portions, and the spaces are connected by various structures as illustrated in FIG.
FIG. 3 (A) shows a case in which the
[0005]
3 (A) is proposed to solve the above-mentioned problem (Japanese Patent Laid-Open No. 4-241744), and the front
[0006]
However, even in the case of the sealing structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-241744, the inside of the fitting portion is directly exposed to high-temperature (about 1000 ° C.) combustion gas, and the outside is a relatively low temperature (about 400 ° C.) compressor outlet. Since it is exposed to air, (1) there is a large temperature difference between the two, and there is a problem that a large surface pressure acts on the fitting portion due to the difference in thermal expansion. In order to reduce this surface pressure, it is necessary to provide a relatively large initial gap. Gas leakage occurs from this gap in the initial stage of operation, and conversely, if the initial gap is too small, the surface pressure of the fitting portion increases. Permanent deformation may occur in the fitting portion. {Circle around (2)} The flow of combustion gas is uneven in the circumferential direction in the case of a can-type combustor at one circumference, and the fitting gap tends to be uneven in the circumferential direction during operation. (3) Further, since the parts constituting the fitting are supported independently, the parts are assembled with the fitting biased, and the fitting gap is further increased.
[0007]
Further, FIG. 3 (B) is a case where the front and rear portions of the scroll are connected and sealed by
[0008]
The present invention has been made to solve such problems. That is, the object of the present invention is to be able to maintain a sufficient sealing property without causing a gap in the fitting portion with low stress while being exposed to a temperature difference and a pressure difference, and to reduce the axial length. An object of the present invention is to provide a scroll seal structure in a gas turbine that can be kept short.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a hollow donut-shaped scroll outer ring portion that is disposed so as to surround the turbine shaft, and a scroll inner ring portion that is configured to have a small radial inner passage area and whose inner peripheral end is open to the turbine blade row The scroll outer ring portion and the scroll inner ring portion are connected by the outer peripheral fitting portion and the inner peripheral fitting portion, and the outer peripheral fitting portion is connected to the scroll outer ring. A female member having an axial gap at a position away from the part and a male member fitted into the gap at a position away from the scroll inner ring part. The inner end of the inward projecting portion is fixed to the scroll outer ring portion, and the inner end portion of the male member is attached to the scroll inner ring portion so as to be slidable in the radial direction. In a gas turbine characterized by Seal structure is provided.
[0010]
According to the configuration of the present invention, the scroll outer ring portion and the scroll inner ring portion are connected by the outer periphery fitting portion and the inner periphery fitting portion, and the outer periphery fitting portion is positioned away from the scroll outer ring portion. Since the whole fitting part is located in the low temperature part away from the scroll body of the high temperature part that is directly exposed to the combustion gas, it is connected to the fitting part for sealing. Thermal deformation does not occur. Further, with this configuration, since the fitting portion is located at a site separated from the scroll body, a wide degree of freedom can be obtained in designing the shape of the scroll body and the position of the combustor.
[0011]
According to a preferred embodiment of the present invention, the inward projecting portion of the female member has a curved portion that is curved in the axial direction. With this configuration, thermal deformation occurring in the scroll outer ring portion can be absorbed by the curved portion with low stress.
[0012]
Furthermore, a hollow cylindrical ring plate for connecting the male member and the scroll inner ring portion is provided, and the inner end portion of the male member is sandwiched by the ring plate so as to be slidable in the radial direction, and the scroll is scrolled to the ring plate A part of the inner ring is sandwiched. With this configuration, one part of the fitting (inner end portion of the male member) can be supported freely in the radial direction, the fitting can be prevented from being biased, and no gap can be formed in the fitting portion.
[0013]
Moreover, it is preferable that the said inner periphery fitting part consists of a female member which has an axial direction clearance gap, and a male member which fits in this clearance gap. With this configuration, it is possible to easily connect the outer periphery fitting portion and the inner periphery fitting portion only by moving the scroll outer ring portion in the axial direction together with the outer periphery fitting portion.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and used for the common part in each figure.
FIG. 1 is a structural view of a scroll seal according to the present invention. This figure is a partial cross-sectional view including the
[0015]
The outer
[0016]
The
[0017]
The inner end portion of the
[0018]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0019]
【The invention's effect】
According to the configuration of the present invention described above, the scroll
[0020]
Therefore, the gap of the fitting part for sealing can be reduced, and since the thermal deformation is suppressed, the small gap can be maintained for a long time, and the entire fitting part is in the low temperature part. Design is easy and accurate.
[0021]
That is, the scroll seal structure in the gas turbine of the present invention is capable of maintaining a sufficient sealing performance without causing a gap in the fitting portion with low stress while being exposed to a temperature difference and a pressure difference. It has excellent effects such as the ability to keep the direction length short.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram of a scroll seal according to the present invention.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a gas turbine.
FIG. 3 is a structure diagram of a conventional scroll seal.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
スクロール外環部とスクロール内環部は、外周嵌合部と内周嵌合部で連結されており、該外周嵌合部は、スクロール外環部から離れた位置に軸方向隙間を有する雌部材と、スクロール内環部から離れた位置で前記隙間に嵌合する雄部材と、からなり、
前記雌部材は、半径内方に延びる内方張出部を有し、該内方張出部の内端がスクロール外環部に固定され、前記雄部材の内端部は、前記スクロール内環部に半径方向に摺動可能に取り付けられている、ことを特徴とするガスタービンにおけるスクロールシール構造。A scroll chamber comprising a hollow donut-shaped scroll outer ring portion that surrounds the turbine shaft, and a scroll inner ring portion that has a small radial inner passage area and an inner peripheral end that opens to the turbine blade row. In a gas turbine with
The scroll outer ring portion and the scroll inner ring portion are connected by the outer periphery fitting portion and the inner periphery fitting portion, and the outer periphery fitting portion has a female member having an axial clearance at a position away from the scroll outer ring portion. And a male member that fits into the gap at a position away from the scroll inner ring,
The female member has an inward extending portion extending radially inward, and an inner end of the inward extending portion is fixed to a scroll outer ring portion, and the inner end portion of the male member is an inner end portion of the scroll inner ring. A scroll seal structure in a gas turbine, wherein the scroll seal structure is slidably attached to the portion in the radial direction.
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