JP3964386B2 - 弾性体シール装置，これを用いたガスタービン及びガスタービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気や蒸気等を冷却媒体として、タービン冷却翼等を冷却するガスタービンに用いる弾性体シール装置，これを用いたガスタービン及びガスタービンの運転方法に係り、特に、冷却媒体を回収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防止するのに好適な弾性体シール装置，これを用いたガスタービン及びガスタービンの運転方法に関する。

ガスタービンにおいては、熱効率の向上を図るために作動ガスの温度を高めることが行われ、作動ガス中に配置されているタービン翼がこの高温に耐えられるようにするために、翼内部に冷却媒体を導入して冷却することが行われる。

従来、一般に採用されているこの種のガスタービンは、圧縮機から抽気した空気を冷却媒体として用い、この冷却空気をタービン翼の内部を流通させ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冷却空気を、翼外表面のフィルム冷却用や翼の後縁等から、またホィールスペースのシール空気として、作動ガス中に排出するようにしたオープン冷却方式である。

このオープン冷却方式は、冷却空気が作動ガス中へ排出されることから、比較的低温である冷却空気の希釈による作動ガスの温度低下や、冷却空気が作動ガス中へ混入する時の作動ガスとの間で発生する混合損失などによってタービンの出力が低下するため、高温化の効果が充分に発揮できない嫌いがある。

この改善策として、被冷却部を冷却した後の冷却空気を作動ガス中に排出しないで、燃焼器に回収するようにした冷却空気回収型ガスタービンや、同じ回収型でも冷却媒体に熱伝達率の大きい蒸気を用いたガスタービン（冷媒消費量の削減と蒸気系への回収による仕事の寄与）などが提案されている。

これら冷媒回収型ガスタービンでは、特に、その開発目的から、冷媒の供給部から回収部に到るまでの冷却経路内で、冷媒のリークの発生を、未然に防止することが重要である。この手段として、系を配管によって閉ざすことが、最も有効で簡単な方法である。しかしながら、静止系経路では、タービン静翼とケーシング間のように、両者間を配管すると、両者の伸び差による熱応力が発生し、配管の損傷等をもたらすことになる。これが供給配管であれば、翼部の冷却が十分行われないことになる。このため、配管をコイル状に巻いて、熱伸び差を吸収することが考えられるが、この方式は、大きな配管スペースがある場合に限られる。また、回転系経路では、基本的に配管が不可能であり、ホィール外径端と動翼供給孔の合わせ面のようなポイントで、総量として大量のリークを発生することになる。

このような冷却経路内でのシール装置として、EAGLE EG&G AERO-SPACE CO.,LTD.のチューブシールが周知であり、中空円柱の支持体と球面状弾性体で構成されている。また、これに関連するものとして、例えば、特開平１０−２３８３０１号公報に記載のように、薄肉の中空円柱体の外端付近に、球面状弾性体に相当する環状突起とスリットを設けたもので、両者とも部材の弾性を利用してシール孔との間を環状に線接触させ、リーク量を低減するものが知られている。これらは、主として静止場での使用されており、回転場では半径方向流れに対して適用される。

特開平１０−２３８３０１号公報

しかしながら、従来のチューブシールのようなものを、回転場における水平方向に流れるようなポイントに使用するには、次のような問題が生じる。即ち、遠心力によって、弾性体シール装置はシール孔の半径方向外側に押付けられることになり、内側の一部がシール孔と接触せず、ここからリークが発生する。さらには、外側に押付けられた環状弾性体は、機器の振動による押付け力の繰返し作用によって、疲労破壊の原因となる。これは、リークの増加と言った問題のみならず、破損した弾性体シール装置の一部が動翼の冷却通路を塞ぎ、適正な流量を確保できない動翼の冷却不足を生じさせることになる。

また、これら弾性体シール装置は、弾性変形を利用して、シール孔内面に接触させて使用するものであり、装置の公差管理が非常に煩雑になる。即ち、リーク量はシメシロが１０数μｍのオーダで倍程度変化するが、シール孔の製作精度がこれに対応できず、個々のシール孔に対してシール装置を製作する必要がある。この管理を徹底しておかなければ、それぞれの製作公差における上・下限の差でリーク量の増大、組立て不可等の不具合が生じることになる。

本発明の目的は、高温被冷却部であるタービン動翼への冷却経路内における水平方向流路に設置した弾性体シール装置において、信頼性の向上を図るとともに、製作管理の簡易化と組込み作業の作業性を向上させた弾性体シール装置，これを用いたガスタービン及びガスタービンの運転方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、支持体と、該支持体の両端に設置された弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けたものである。
かかる構成により、信頼性の向上を図るとともに、製作管理の簡易化と組込み作業の作業性を向上させ得るものとなる。

（２）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、支持体と、該支持体の両端に設置された弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設け、該環状突起を、前記弾性体の最大径よりも小さな径としたものである。
かかる構成により、信頼性の向上を図るとともに、製作管理の簡易化と組込み作業の作業性を向上させ得るものとなる。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、中空支持体と、該中空支持体の両端に設置された球面状弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記中空支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けたものである。
かかる構成により、信頼性の向上を図るとともに、製作管理の簡易化と組込み作業の作業性を向上させ得るものとなる。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、支持体と、該支持体の両端に設置された弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けた弾性体シール装置を、回転場の水平方向冷却通路内に設置したものである。

（５）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの運転方法において、中空支持体と、該中空支持体の両端に設置された弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記中空支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けた弾性体シール装置を、前記ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路内に設置してリーク量を低減するようにしたものである。
（６）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、支持体と、該支持体の両端に設置された弾性体と、該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、該緩和手段として、前記弾性体の外側であって、前記支持体の外端部に、環状突起を設けたものである。

本発明によれば、弾性体シール装置の信頼性が向上するとともに、製作管理の簡易化が図れ、組込み作業の作業性が向上する。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態によるガスタービンの構成について説明する。

最初に、図１を用いて、本実施形態によるガスタービンを用いる冷媒回収型ガスタービンプラントの全体構成，特に、作動ガスと冷却空気の流れから全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるガスタービンを用いる冷媒回収型ガスタービンプラントの全体構成を示すシステム構成図である。

ガスタービン１は、主として、タービン４と、タービン４に連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２と、圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器３と、発電機５とを備えている。圧縮機２から抽気した冷却空気は、プリクーラ６，フィルタ７，ブースト圧縮機８を経て、冷却空気供給経路１０から静翼冷却空気経路１１ａ及び動翼冷却空気経路１１ｂに分岐され、タービン４の被冷却部に供給される。タービン４の翼部を冷却した空気は、冷却空気回収経路１２を介して、燃焼器３に回収される。

次に、図２を用いて、本実施形態によるガスタービンの要部の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるガスタービンの上流側２段部分の要部断面図である。

最初に、第１段動翼２１ａの冷却系について説明する。

タービン４の図示しない軸端に供給された冷却空気は、中心孔２４を経て、第１段供給チャンバー１５ａに導かれた後、第１段動翼供給通路１７ａに供給される。第１段動翼供給通路１７ａは、図示しない第１段動翼２１ａ内に設けられた冷却パスと連通し、更には第１段動翼回収通路１８ａとも連通して、第１段ホィール回収通路１９ａを介して第１段回収チャンバー１６ａに到る。その後、第１段ホィール２２ａ、第２段ホィール２２ｂを貫通する冷却空気回収経路１２を燃焼器３に向かう。

第１段供給チャンバー１５ａと第１段動翼供給通路１７ａの当り面及び、第１段動翼回収通路１８ａと第１段ホィール回収通路１９ａの当り面には、それぞれ、第１段供給用弾性体シール３０ａと第１段回収用弾性体シール３１ａが設置されている。第１段供給用弾性体シール３０ａは、半径方向の流れに対しての設置であるが、第１段回収用弾性体シール３１ａは、水平となる流れ場に設けられている。なお、符号２０ａは、第１段静翼である。

同様に、第２段動翼２１ｂの冷却系においては、タービン４の図示しない軸端に供給された冷却空気は、中心孔２４を経て、第２段供給チャンバー１５ｂに導かれた後、第２段動翼供給通路１７ｂに供給される。第２段動翼供給通路１７ｂは、図示しない第２段動翼２１ｂ内に設けられた冷却パスと連通し、更には第２段動翼回収通路１８ｂとも連通して、第２段ホィール回収通路１９ｂを介して第２段回収チャンバー１６ｂに到る。その後、第２段ホィール２２ｂ、第２段ホィール２２ｂを貫通する冷却空気回収経路１２を燃焼器３に向かう。

第２段供給チャンバー１５ｂと第２段動翼供給通路１７ｂの当り面及び、第２段動翼回収通路１８ｂと第２段ホィール回収通路１９ｂの当り面には、それぞれ、第２段供給用弾性体シール３０ｂと第２段回収用弾性体シール３１ｂが設置されている。第２段供給用弾性体シール３０ｂは、半径方向の流れに対しての設置であるが、第２段回収用弾性体シール３１ｂは、水平となる流れ場に設けられている。なお、符号２０ｂは、第２段静翼である。

次に、図３を用いて、本実施形態によるガスタービンに用いる球面状弾性体シールの構成と組込み状態について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるガスタービンに用いる回収用弾性体シールの構成と組込み時状態を示す断面図である。

第１段回収用弾性体シール３１ａは、中空支持体３４と両端の球面状弾性体３５で構成されている。中空支持体３４の外端に設けた環状突起３６の径をＤ２とし、球面状弾性体３５の開放時の最大径をＤ１とし、第１段動翼２１ａに設けられた動翼側シール孔３８の孔径をＤｈとするとき、Ｄ１＞Ｄｈ＞Ｄ２の関係となっている。更に、球面状弾性体３５には、その外端から、最大径Ｄ１の位置Ｐ点より内側まで延びる、３本のスリット３７が加工されている。動翼側シール孔３８に組込まれた球面状弾性体３５は、その剛性によって最大径をＤｈまで変化させて、動翼側シール孔３８面に接触する。また、この時点では、動翼側シール孔３８と環状突起３６の間には、周方向に（Ｄｈ−Ｄ２）／２の間隙をもつが、（Ｄ１−Ｄｈ）／２＞（Ｄｈ−Ｄ２）／２の関係がある。
なお、以上の説明は、第１段動翼の冷却系についてであるが、２段動翼冷却系の第２段供給用弾性体シール３０ｂと第２段回収用弾性体シール３１ｂについても同様である。また、供給用弾性体シールと回収用弾性体シールの違いは、冷却空気の流れが、半径と水平方向ということで、形状は同一である。

以上のように構成されているので、先ず、弾性体シール装置３１ａ，３１ｂの第１段動翼回収通路１８ａの動翼側シール孔３８への装着にあたり、スリット３７を設けたことにより、バネ定数（＝押込力／球面状弾性体の変形量）が１／１０以下まで弱まり、比較的小さな押込み力で、シール孔に装着が可能となる。

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２０ａｔａ、温度が１４００℃程度で、タービン内部の第１段静翼２０ａ、第１段動翼２１ａをはじめとする、各段でタービン仕事をしながら圧力、温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出する。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が、圧縮機２での抽気空気の温度は約５００℃と高温であるため、プリクーラ６に導き１５０℃程度に減温する。さらに、この抽気空気を冷却空気として燃焼器２に戻すための供給圧力は、配管や被冷却部での圧力損失を考慮した上で、回収圧力が２０ａｔａよりも大きくなるように設定することが必要である。このため、プリクーラ６で減温した後の抽気空気をブースト圧縮機８に導き、３５ａｔａ程度に昇圧して、はじめて冷却空気として使用が可能となる。この冷却空気は、静翼側と動翼側へ分岐され、一方を動翼冷却空気経路１１ｂとして、動翼２１ａ，２１ｂの翼内部で熱交換して、翼材料の許容温度以下にメタル温度を減温する。この後、冷却空気回収経路１２に沿って、燃焼器３へ回収されタービン出力を増大させることになる。

次に、図４を用いて、本実施形態によるガスタービンに用いる球面状弾性体シールの運転状態における動作について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるガスタービンに用いる回収用弾性体シールの運転状態における状態を示す断面図である。

ガスタービン運転時において、第１段回収用弾性体シール３１ａは、強い遠心場にあり、半径方向外側向きに遠心力を受ける。しかし、回転数の増加とともに、動翼側シール孔３８とスペーサ側シール孔３９の外側内面には、環状突起３６があたるため、遠心力の全てを受けることはないものである。また、球面状弾性体３５がシール孔の中空支持体３４の中心線を基準とするＤｈ以下に押え込まれることもないので、中空支持体３４と球面状弾性体３５の溶接部に掛かる曲げ応力も小さくなる。当然ながら、この近傍では、Ｐ点がシール孔と線接触している。一方、半径方向内側は、見かけ上、持ち上げられる様な形になるが、（Ｄ１−Ｄｈ）／２＞（Ｄｈ−Ｄ２）／２の関係から、球面状弾性体３５がシール孔面から離れることはないものである。即ち、全周に亘ってＰでの線接触が継続しており、第１段動翼回収通路１８と第１段ホィール回収通路１９ａからホィールスペース２５や第２段回収チャンバー１６ｂへのリークを防止できる。

以上説明したように、本実施形態による環状突起を配置した弾性体シール装置では、支持体の外端に環状突起を設けることにより、リーク量削減は勿論のこと、球面状弾性体に掛かる遠心力を緩和し、応力レベルを低下させることにより、損傷破壊を未然に防止する信頼性の高い冷媒回収型ガスタービンを提供するとともに、その効果を十分に発揮できる。
また、球面状弾性体にスリットを設けることにより、剛性を弱められるので、弾性体シール装置の製作に当たり、一つの製作公差で対応が可能となり、製作管理上の煩雑さが解消されるとともに、比較的、小さな力で装着することができるので、作業性の向上が図られる。このスリット長さは、球面状弾性体の剛性に影響する。バネ定数は、スリット長さの２乗倍で変化するので、短ければ、その効果は殆ど期待できない。尚、Ｐ点より外端側で長くしても意味が無いのは当然であり、球面状弾性体の剛性を弱めるためには、Ｐ点を基準に、内側までスリットを設ける必要がある。
ここで、スリットを設けることによる剛性の弱まりは、スリットそのものの面積とともに、リーク発生の要因となる事が考えられる。しかし、本実施形態は、最低限の剛性確保を狙ったものであり、余分な剛性による弊害を排除できるところに利点がある。因みに、球面弾性体をステンレスとする７０μｍスリットの３本構成で、シメシロが４０μｍ程度あれば、リークは零に近いことを実験的に確認している。

なお、以上の説明では、第１段動翼について説明したが、後段側動翼の冷却通路のみならず、回転場での流れが水平となる位置でのシール装置として適用すれば、さらに大きな効果が期待できるものである。
また、本発明は、従来オープン冷却方式のガスタービン、或は冷媒の異なるタイプのガスタービンにも適用が可能である。

本発明の一実施形態によるガスタービンを用いる冷媒回収型ガスタービンプラントの全体構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンの上流側２段部分の要部断面図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンに用いる回収用弾性体シールの構成と組込み時状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンに用いる回収用弾性体シールの運転状態における状態を示す断面図である。

符号の説明

１…ガスタービン
２…圧縮機
３…燃焼器
４…タービン
５…発電機
６…プリクーラ
７…フィルタ
８…ブースト圧縮機
１１ｂ…動翼冷却空気経路
１２…冷却空気回収経路
１５ａ…第１段供給チャンバー
１６ａ…第１段回収チャンバー
１７ａ…第１段動翼供給通路
１８ａ…第１段動翼回収通路
１９ａ…第１段ホィール回収通路
３０ａ…第１段供給用弾性体シール
３１ａ…第１段回収用弾性体シール
３４…中空支持体
３５…球面状弾性体
３６…環状突起
３７…スリット
３８…動翼側シール孔
３９…スペーサ側シール孔

Claims (6)

1. ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、
   支持体と、
   該支持体の両端に設置された弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けたことを特徴とする弾性体シール装置。
2. ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、
   支持体と、
   該支持体の両端に設置された弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設け、
   該環状突起を、前記弾性体の最大径よりも小さな径とすることを特徴とする弾性体シール装置。
3. ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、
   中空支持体と、
   該中空支持体の両端に設置された球面状弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記中空支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けたことを特徴とする弾性体シール装置。
4. 支持体と、
   該支持体の両端に設置された弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けた弾性体シール装置を、回転場の水平方向冷却通路内に設置したガスタービン。
5. ガスタービンの運転方法において、
   中空支持体と、
   該中空支持体の両端に設置された弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記中空支持体の両端外側の外端部に環状突起を設けた弾性体シール装置を、前記ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路内に設置してリーク量を低減するガスタービンの運転方法。
6. ガスタービンの回転場の水平方向冷却通路に用いる弾性体シール装置であって、
   支持体と、
   該支持体の両端に設置された弾性体と、
   該弾性体にかかる遠心力を緩和する緩和手段とを有し、
   該緩和手段として、前記弾性体の外側であって、前記支持体の外端部に、環状突起を設けたことを特徴とする弾性体シール装置。

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