JP3911571B2 - ガスタービンのシール方法およびシール構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのシール方法およびシール構造に関する。さらに詳しくは、ガスタービンのタービン・ロータとステータとの間をシールするシール方法およびシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスタービンのタービン・ロータとステータとの間のシール機構としていわゆるラビリンスシールを用いたシール機構が知られている。
【０００３】
図２に、このような従来のシール機構の一例を示す。このシール機構Ａ´は、タービン動翼１´、１´が設けられるロータ・ディスク２´、２´と静翼３´の基端部３ａ´との間にラビリンスシール４´を設けるとともに、動翼１´、１´およびロータ・ディスク２´、２´表面と静翼３´の基端部３ａ´との間に形成されるディスク・キャビティ５´にロータ・ディスク・ブレナム６´を介して圧縮機からの抽気をシール空気ＳＡ´として供給し、これによって、燃焼器からの高温ガスのディスク・キャビティ５´内への侵入を抑制し、ラビリンスシール４´によるシール機能を補完するとともに、タービン各部、特にロータのディスクキャビティ５´を包囲し、高速回転する動翼１´、１´およびロータ・ディスク２´、２´が過熱状態となって折損しないよう冷却するものとされている。
【０００４】
このように、シール機構Ａ´においてはシール空気ＳＡ´の供給が充分でないと、ディスク・キャビティ５´内への高温ガスの巻き込みを防止することができない（図２中の点線参照）ばかりでなく冷却が不充分となって、動翼１´、１´およびロータ・ディスク２´、２´が過熱されて折損等の事故を招くおそれがある。その一方で、シール空気の供給量が増加するとガスタービンの効率が低下するため、シールエアの供給量を可能な限り抑えつつ効率的に冷却することが必要とされる。
【０００５】
ところが、シール機構Ａ´においては、シールエアＳＡ´のシールエア導入通路２ａ´出口流速が数百メートル毎秒にも達するため、シールエアＳＡ´がロータ・ディスク２´、２´の周方向に所定の間隔で設けられるシールエア導入通路２ａ´から直接的に高温ガスの流路７´に流出する傾向があり、動翼１´、１´およびロータ・ディスク２´、２´の冷却が効率的に実施されないといった問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、シールエアの必要供給量を低減させてタービンの効率を向上させながら、効率的に動翼およびロータ・ディスクの冷却がなし得るガスタービンのシール方法およびシール構造を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスタービンのシール方法は、タービン・ロータとステータとの間にラビリンスシールを有するガスタービンのシール方法であって、ラビリンスシールのシールリングを上流側にシールエア供給路を越えて延伸し、その延伸部にインピンジメント溝を形成し、該インピンジメント溝にロータ・ディスク・ブレナムのシールエア供給路からのシールエアを衝突させてシールをなすことを特徴とする。
【０００９】
一方、本発明のガスタービンのシール構造は、タービン・ロータとステータとの間にラビリンスシールを有するガスタービンのシール構造であって、ラビリンスシールのシールリングを上流側にシールエア供給路を越えて延伸し、その延伸部のシールエア供給路に対応する位置にインピンジメント溝が形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
しかして、本発明のガスタービンのシール構造はガスタービンに備えられる。
【００１２】
【作用】
本発明は前記の如く構成されているので、ディスク・キャビティに対して周方向均一にシールエアが供給されてシール性能が向上する。また、ロータ・ディスク・ブレナムからのシールエアはシールエア衝突部との衝突により流速が低下しているので、動翼およびロータ・ディスクにシールエアの膜が形成されて冷却効率が向上する。さらに、例えば、ラビリンスシールのシールリングの前端部にシールエア衝突部を形成している場合には、ロータ・ディスク・ブレナムからのシールエアはシールエア衝突部との衝突により、ラビリンスシールの前方にエアカーテンが形成されるので、ラビリンスシールのシールフィンの局所的な温度上昇が避けられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１４】
図１に、本発明の一実施形態に係るガスタービンのシール方法が適用されてなるシール構造の概略構成を示す。
【００１５】
シール構造Ａは、軸流ガスタービン（全体の図示は省略）において、燃焼器（不図示である）からの高温・高圧のガス（以下、高温ガスという（図１中の点線参照））が、タービン翼部をバイパスしてタービンの駆動に寄与しないことがないように、タービン・ロータとステータとの間をシールするシール構造とされる。
【００１６】
より具体的には、シール構造Ａは、ガスタービンの軸方向に多段に設けられ、外周面に多数のタービン動翼（タービン・ブレード、以下動翼という）１，１が設けられてなるロータ・ディスク（以下、ディスクという）２，２と、タービン静翼（ノズル・ガイド・ベーン、以下静翼という）３の基端部３ａとの間をシールするラビリンスシール（Labyrinth Seal）４とを備え、ラビリンスシール４のシール機能を補完するようディスク・キャビティ５に、例えば圧縮機（不図示である）からの抽気をシールエアＳＡとしてロータ・ディスク・ブレナム６を介して供給するようにしてなるものとされる。
【００１７】
ここで、ラビリンスシール４は、多数の静翼３の各基端部３ａによって外周側から支持される、断面が軸方向に幅広の板状とされるシールリング４ａと、シールリング４ａの内周面と全周に亘って対向するように、タービン軸方向に並ぶようにして各ディスク２，２に設けられる複数の環状のシールフィン４ｂ、４ｂ、…と、各ディスク２，２のシールフィン４ｂ、４ｂ、…とそれぞれ対向させるようにシールリング４ａの内周面に全周に亘って設けられるハニカム４ｃ、４ｃとから構成されている。
【００１８】
また、ラビリンスシール４のシールリング４ａは、上流側に所定長さ延伸されてシールエア衝突部４ｄとされその内周面には、後で詳細に説明するインピンジメント溝４ｆが形成されている。
【００１９】
ディスクキャビティ５は、動翼１，１、ディスク２，２と静翼３の基端部３ａとの間に形成された空間とされる。
【００２０】
ディスクキャビティ５を包囲する動翼１，１およびロータ・ディスク２，２の表面が高温ガスに直接さらされるのを回避出来るように、ディスクキャビティ５に対してシールエアＳＡが供給される。
【００２１】
ロータ・ディスク・ブレナム６は、圧縮機からの抽気を一旦溜めるように、各ディスク２，２の間に形成される空間とされる。また、シールエアＳＡは、一端がディスク・キャビティ５に開口し他端がロータ・ディスク・ブレナム６に開口するように、静翼３に対してタービン軸方向上流側のロータ・ディスク（以下、上流側ディスクという）２Ａに、タービン周方向に所定間隔で穿設される各シールエア供給通路２ａを介してロータ・ディスク・ブレナム６からディスク・キャビティ５に供給される。
【００２２】
以下、ラビリンスシール４のインピンジメント溝４ｆを説明する。
【００２３】
インピンジメント溝４ｆは、シールリング４ａ内周面のハニカム４ｃ、４ｃに対して、タービン軸方向の上流側に形成されたシールエア衝突部４ｄ内面を１周するように設けられた環状の溝とされる。インピンジメント溝４ｆは、各シールエア供給通路２ａのディスク・キャビティ５側開口と対向するようにして設けられており、シールエア供給通路２ａを介してディスク・キャビティ５内に噴出されたシールエアＳＡは、インピンジメント溝４ｆの底面に衝突し、溝４ｆに沿って周方向に拡がると同時に減速されて軸方向に進む。
【００２４】
このとき、ディスクキャビティ５を包囲する動翼１およびロータ・ディスク２表面近傍は静翼３近傍よりも低圧であり、かつ前記表面近傍の径方向内側は外側よりも低圧であるという一般的性質（ポンピングの原理）によって、シールエアＳＡは図に矢印ｇで示すように、動翼１および上流側ロータ・ディスク２Ａ表面に沿って表面全体を覆うようにして高温ガスの流路７まで流れる。
【００２５】
このように、実施形態のシール構造Ａによれば、シールエアＳＡをシールリング４ａの前端部に形成された、シールエア衝突部４ｄ内周面に設けられたインピンジメント溝４ｆと衝突させるようにしてディスク・キャビティ５に供給するので、動翼１およびロータ・ディスク２の回転によるポンピングの原理を利用して動翼１およびロータ・ディスク２表面にシールエアＳＡによる膜を形成することができ、動翼およびロータ・ディスク２に対する冷却性能が向上する。
【００２６】
また、インピンジメント溝４ｆと衝突したシールエアＳＡは、一旦溝４ｆに沿って周方向に流れるため、シールエアＳＡを周方向に均一に供給することが可能となる。これによって、動翼およびロータ・ディスク２の周方向の温度分布を均一なものとすることができる。その結果、局所的な過熱状態を避けるための過剰なシールエアＳＡを供給する必要もなくなる。したがって、シールエアＳＡの供給量を最低限度に抑えることができ、ガスタービンの効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、インピンジメント溝４ｆの近傍にエアカーテンが形成されるため、シールフィン４ｂの周方向に対して局所的な温度上昇が抑えられる。その結果、シールフィン４ｂの周方向および軸方向（各列）の温度分布を均一とすることが可能となる。これにより、シールフィン４ｂとハニカム４ｃとの間隙を均一化することも容易となり、シール性を向上させることができる。
【００２８】
さらに、シールフィン４ｂを均一に熱膨張させることができるので、シールフィン４ｂとハニカム４ｃとの間の局所的なラビング（こすれ）の発生を抑制することが可能となる。その結果、シールフィン４ｂおよびハニカム４ｃの耐久性が向上する。
【００２９】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態ではシールエア衝突部４ｄはシールリング４ａの前端部に形成されているが、冷却能力の向上のためにシールリング４ａの後端部にも設けてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ディスク・キャビティに均一にシールエアが供給されてシール効率が向上するという優れた効果が得られる。また、ロータ・ディスク・ブレナムからのシールエアはシールエア衝突部との衝突により流速が低下しているので、動翼およびロータ・ディスクにシールエアの膜が形成されて冷却効率が向上するという優れた効果も得られる。さらに、例えば、ラビリンスシールのシールリングの前端部にシールエア衝突部を形成している場合には、ロータ・ディスク・ブレナムからのシールエアはシールエア衝突部との衝突により、ラビリンスシールの前方にエアカーテンが形成されるので、ラビリンスシールのシールフィンの局所的な温度上昇が避けられるという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンのシール構造の概略図である。
【図２】従来のガスタービンのシール構造の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ タービン動翼
２ ロータ・ディスク
２ａ シールエア供給通路
３ タービン静翼
４ ラビリンスシール
４ａ シールリング
４ｂ シールフィン
４ｃ ハニカム
４ｄ シールエア衝突部
４ｆ インピンジメント溝
５ ディスク・キャビティ

Claims (3)

1. タービン・ロータとステータとの間にラビリンスシールを有するガスタービンのシール方法であって、
   ラビリンスシールのシールリングを上流側にシールエア供給路を越えて延伸し、その延伸部にインピンジメント溝を形成し、該インピンジメント溝にロータ・ディスク・ブレナムのシールエア供給路からのシールエアを衝突させてシールをなすことを特徴とするガスタービンのシール方法。
2. タービン・ロータとステータとの間にラビリンスシールを有するガスタービンのシール構造であって、
   ラビリンスシールのシールリングを上流側にシールエア供給路を越えて延伸し、その延伸部のシールエア供給路に対応する位置にインピンジメント溝が形成されてなることを特徴とするガスタービンのシール構造。
3. 請求項２記載のシール構造を備えてなることを特徴とするガスタービン。

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