JP4288147B2 - ガスタービン尾筒シール及びこれを用いたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器の尾筒とタービンの燃焼ガス流路との間をシールするガスタービン尾筒シールと、これを用いたガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えて構成されている（図示略）。このガスタービンによれば、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気が、前記燃焼器に供給され、別途供給されてくる燃料と混合して燃焼される。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、前記タービンへと供給され、該タービンに回転駆動力を発生させる。

図４に、前記燃焼器の一般的な構成を示す。同図において、符号１は燃焼器であり、車室２の内部に固定されている。符号３はパイロット燃料ノズルであり、パイロット燃料が供給され、点火用に用いられる。符号４はメイン燃料ノズルであり、中心のパイロット燃料ノズル３を中心として、円周状に複数本（例えば８本）が配列されている。符号５は内筒、符号６は尾筒であり、高温の燃焼ガスＦを尾筒出口６ａに導く。符号７はバイパス管、符号８はバイパス弁であり、負荷変動により燃焼用空気が不足状態となると、バイパス弁８を開き、車室２内の空気を燃焼器１内に導く流路となる。符号９はシール部であり、後述するように尾筒出口６ａの端部に設けられ、前記タービン側の燃焼ガス流路１０（ガスパス）との接続部をシールするものである。このような燃焼器１は、車室２内でかつロータ（図示せず）の周囲に複数個が配置され、これらからの高温の燃焼ガスＦが燃焼ガス流路１０内で膨張させることにより、前記ロータを回転させる。

上記構成の燃焼器１において、メイン燃料ノズル４からの燃料は、周囲から吸込んだ空気と混合し、パイロット燃料ノズル３からのパイロット燃料の火炎によって点火され、燃焼して燃焼ガスＦとなり、内筒５及び尾筒６を通って尾筒出口６ａからガスパス１０に供給される。燃焼器１の内筒５及び尾筒６の壁面は、絶えず、高温燃焼ガスＦに接しているので、壁内部に冷却用通路を設けて冷却空気を流し、冷却している。また、尾筒出口６ａは、シール部９を介して燃焼ガス流路１０の入口に接続されているので、シール部９も、空気によって冷却される構造となっている。

図５は、図４のＡ部の拡大断面図であり、従来の尾筒シールの構造を示している。同図に示すように、前記尾筒出口６ａの周囲には、フランジ６ａ１が形成されており、また、尾筒６は、その壁内部に形成された流路（図示せず）内に冷却用空気を流すことで、壁部の冷却を行っている。また、尾筒出口６ａの周囲にも、冷却空気を流すための溝６ｂが形成されており、ここに冷却空気を流して冷却する構造となっている。
尾筒出口６ａは、燃焼ガス流路１０に対して、尾筒シール１１を介して接続されている。尾筒シール１１の一端側には、概略Ｕ字形状の溝１１ａが形成されており、この溝１１ａに、尾筒出口６ａのフランジ６ａ１が嵌入されている。また、他端側には、概略コの字形状の溝１１ｂが形成されており、この溝１１ｂに、燃焼ガス流路１０内の第１段静翼１２の外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４のフランジ端部１３ａ，１４ａがそれぞれ嵌合し、接続部をシールする構造となっている。

この尾筒シール１１には、該尾筒シール１１自身の冷却と、第１段静翼１２の外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４のフィルム冷却を行う冷却空気ｃを流すための冷却孔１１ｃが複数穿設されている。これら冷却孔１１ｃは、尾筒シール１１の外周面から内周面に向かって斜めに形成されている。そして、これら冷却孔１１ｃに車室２内の高圧の冷却空気ｃを流入させることで、尾筒シール１１の壁面が冷却され、さらに各冷却孔１１ｃから燃焼ガス流路１０内に吐出された燃焼ガスＦが、外側シュラウド１３の内周面と、内側シュラウド１４の外周面とを覆ってフィルム冷却を行う。なお、この種の尾筒シールの冷却構造については、例えば下記特許文献１にも開示されている。
特開２０００−２５７８６２号公報

ところで、上記説明の従来の尾筒シール１１は、以下に説明する問題を有していた。
すなわち、従来の尾筒シール１１では、前記フィルム冷却が効果的に働かない恐れがあり、場合によっては、外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４の上流側部分を焼損したり、または、熱膨張の繰り返しにより、これら外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４と、尾筒シール１１との間の嵌合部分を摩耗させてしまう恐れがあるという問題である。これは、下記（１）から（３）の理由によるものと考えられる。

（１）尾筒シール１１の下流端と、外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４の上流端との間の隙間寸法は、各部品の熱膨張を考慮すると大きくせざるを得ない。これにより、外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４の上流端位置が、各冷却孔１１ｃの位置から遠ざかる。

（２）各冷却孔１１ｃから吐出される冷却空気ｃが、燃焼ガス流路１０内に対して斜めに入り込むように吐出されるので、外側シュラウド１３の内周面と、内側シュラウド１４の外周面とに沿ったフィルム冷却の流れをうまく形成できない。
（３）尾筒シール１１内の流路幅寸法が、熱膨張などの理由によって、外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４間の流路幅寸法よりも大きくなってしまった場合には、外側シュラウド１３及び内側シュラウド１４の上流端縁に、冷却空気ｃの流れがぶつかって渦流れを形成する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、第１段静翼の外側シュラウド及び内側シュラウドの焼損や摩耗を防止できるガスタービン尾筒シールと、このガスタービン尾筒シールを備えたガスタービンの提供を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のガスタービン尾筒シールは、燃焼器の尾筒と、第１段静翼の内側シュラウド及び外側シュラウドとの間をシールするとともに、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドへの冷却空気供給を行うガスタービン尾筒シールにおいて、該ガスタービン尾筒シールの、前記冷却空気を吐出する吐出口が形成された下流側端部が、前記内側シュラウドの上流側外周面及び前記外側シュラウドの上流側内周面を覆っており、前記吐出口は、該ガスタービン尾筒シールをその中心軸線を含む断面で見た場合に、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウド毎に対応して、それぞれ複数づつ設けられていることを特徴とする。

このガスタービン尾筒シールによれば、その下流側端部により、内側シュラウドの上流側外周面及び外側シュラウドの上流側内周面が、高温の燃焼ガスに直接面しないように覆われる。また、吐出口を、内側シュラウドの上流側外周面及び外側シュラウドの上流側内周面に対して接近させることができる。
また、各吐出口から吐出される冷却空気のうち、最も燃焼ガス流路に近いものが、渦流れを形成しようとしても、他の吐出口から吐出される冷却空気が、その渦流れを打ち消し、内側シュラウドの上流側外周面及び外側シュラウドの上流側内周面を覆う流れを形成することができる。

請求項２に記載のガスタービン尾筒シールは、請求項１に記載のガスタービン尾筒シールにおいて、該ガスタービン尾筒シールを、その中心軸線を含む断面で見た場合の燃焼ガス流路幅が、前記内側シュラウドの外周面及び前記外側シュラウドの内周面間の燃焼ガス流路幅よりも小さくされ、該尾筒シールの燃焼ガス流路が、少なくともその下流端側部分で、前記第１段静翼に向かって徐々に拡大する傾斜面によって形成されていることを特徴とする。

このガスタービン尾筒シールによれば、その燃焼ガス流路幅を、第１段静翼内の燃焼ガス流路幅よりも小さくしたことにより、ガスタービン尾筒シール側の燃焼ガス流路内から、第１段静翼側の燃焼ガス流路内に流れ込む際の燃焼ガスが、内側シュラウド及び外側シュラウドの上流側端縁により、せき止められて渦流れを形成するようなことがない。しかも、このガスタービン尾筒シール内の燃焼ガス流路は、第１段静翼に向かって徐々に拡大する傾斜面を備えて形成されているので、ガスタービン尾筒シール側から第１段静翼側の燃焼ガス流路に流れ込む際に、流路幅寸法がステップ状に急変することによる渦流れの発生も防ぐことができる。

請求項３に記載のガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えたガスタービンにおいて、前記燃焼器と前記タービンとの間には、請求項１又は請求項２に記載のガスタービン尾筒シールが備えられていることを特徴とする。

このガスタービンによれば、ガスタービン尾筒シールから第１段静翼にかけての主流の流れが滑らかになり、渦流れの形成を防止することができる。

本発明の請求項１に記載のガスタービン尾筒シールは、その吐出口が形成された下流側端部で、内側シュラウドの上流側外周面及び外側シュラウドの上流側内周面を覆う構成を採用した。この構成によれば、上流側外周面及び上流側内周面を、高温の燃焼ガスより被覆することができ、しかも、これら上流側外周面及び上流側内周面に対して、冷却空気の吐出口を近づけることができる。したがって、内側シュラウド及び外側シュラウドの上流側部分を確実に冷却することができるので、これらの焼損や摩耗を防止することが可能となる。
また、その中心軸線を含む断面において、吐出口を複数設ける構成を採用した。この構成によれば、ガスタービン尾筒シールの下流側端部と、内側シュラウド及び外側シュラウドの各上流側端部間の隙間に、冷却空気の渦流れが生じるのを防止できるようになる。これにより、内側シュラウドの上流側外周面及び外側シュラウドの上流側内周面のフィルム冷却を確実に行うことが可能となる。

また、請求項２に記載のガスタービン尾筒シールは、その燃焼ガス流路を、幅寸法が内側シュラウド及び外側シュラウド間の燃焼ガス流路の幅寸法よりも小さくし、かつ、少なくともその下流端側部分で第１段静翼に向かって徐々に拡大する傾斜面を備えて形成する構成を採用した。この構成によれば、ガスタービン尾筒シールから第１段静翼にかけての主流の流れが滑らかになり、渦流れの形成を防止することができるので、第１段静翼の外側シュラウド及び内側シュラウドの焼損や摩耗を防止することが可能となる。

また、請求項３に記載のガスタービンは、請求項１又は請求項２に記載のガスタービン尾筒シールを備える構成を採用した。この構成によれば、ガスタービン尾筒シールから第１段静翼にかけての主流の流れが滑らかになり、渦流れの形成を防止することができるので、第１段静翼の外側シュラウド及び内側シュラウドの焼損や摩耗を防止することが可能となる。

以下、本発明のガスタービン尾筒シールを用いたガスタービンの一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。

本実施形態のガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えて構成されている（図示略）。このガスタービンによれば、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気が、前記燃焼器に供給され、別途供給されてくる燃料と混合して燃焼される。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、前記タービンへと供給され、該タービンに回転駆動力を発生させる。このタービンの内部には、ロータ側に環状に取り付けられた複数枚のタービン動翼と、前記ロータ周囲の静止側に設けられた複数枚のタービン静翼とが、前記ロータの回転軸線方向に交互に配置されており、これらを通過する燃焼ガス流路が形成されている。このため、前記燃焼器から燃焼ガス流路内に導入された燃焼ガスは、各タービン動翼を回して前記ロータに回転力を付与する。この回転力は、前記ロータに接続された発電機（図示省略）を回して発電させる。

図１及び図２に、前記燃焼器側の尾筒２０と、前記タービン側の第１段静翼２１の内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３との間をシールするとともに、内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３への冷却空気供給を行う、本実施形態のガスタービン尾筒シール２４を示す。なお、以下の説明においては、燃焼ガスＦの流れ方向に沿った上流側（紙面左側）を上流側とし、その反対側（紙面右側）を下流側として説明を行うものとする。

同図に示すように、本実施形態のガスタービン尾筒シール２４は、その内部に形成されている燃焼ガス流路（以下、尾筒シール側ガス流路２５と称する）の幅寸法ｗ１が、内側シュラウド２２の外周面２２ａ及び外側シュラウド２３の内周面２３ａ間の燃焼ガス流路（以下、静翼側ガス流路２６と称する）の幅寸法ｗ２よりも小さくされている。

尾筒シール側ガス流路２５は、その流路形状が、ガスタービン尾筒シール２４の中心軸線を含む断面で見た場合に、前記中心軸線に平行でかつ上流側部分である一対の平行面２７ａと、これら平行面２７ａに連続する下流端側部分であり、第１段静翼２１に向かって徐々に拡大する一対の傾斜面２７ｂとで形成されている。

前記幅寸法ｗ１は、上記一対の平行面２７ａ間の幅寸法を示すものであるが、これら平行面２７ａのみで尾筒シール側ガス流路２５を形成してしまうと、これよりも広い幅寸法ｗ２を有する静翼側ガス流路２６との接続部分で流路に段差を生じて、燃焼ガスの渦流れを発生させてしまう恐れがあるため、このような段差の形成を吸収すべく、前記一対の傾斜面２７ｂを設けて流路幅を徐々に広げることで、尾筒シール側ガス流路２５から静翼側ガス流路２６に燃焼ガスＦがスムーズに流れるようになっている。

本来であれば、傾斜面２７ｂを設ける代わりに、平行面２７ａと、内側シュラウド２２の上流側外周面２２ａ及び外側シュラウド２３の上流側内周面２３ａとを完全に面一にするのが好ましい。しかしながら、実際には、そのような最適設計は難しいため、本実施形態では、幅寸法ｗ２よりも幅寸法ｗ１を若干狭くする設計を採用している。これは、幅寸法ｗ２よりも幅寸法ｗ１を広くしてしまうと、燃焼ガスＦの流れが内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３の上端にぶつかってこれらの部分を焼損させてしまう恐れがあるからである。

さらに、本実施形態のガスタービン尾筒シール２４は、その、冷却空気ｃを吐出する吐出口２８ａ１が複数形成された下流側端部２８が、内側シュラウド２２の上流側外周面２２ａ及び外側シュラウド２３の上流側内周面２３ａの一部を覆っている。
すなわち、上流側外周面２２ａ及び上流側内周面２３ａは、これらの間の距離が、ガスタービン尾筒シール２４との接続箇所に向かって徐々に拡がる傾斜面となっている。そして、これら傾斜面の一部を静翼側ガス流路２６から覆うように、前記下流側端部２８が重なっている。

前記各吐出口２８ａ１は、ガスタービン尾筒シール２４の中心軸線に平行（すなわち、尾筒シール側ガス流路２５から静翼側ガス流路２６側に向かう燃焼ガスＦの流れ方向に平行）な冷却孔２８ａの出口であり、ガスタービン尾筒シール２４の周囲空間３０に供給された冷却用空気ｃ（前記圧縮機からの抽気）を導入する複数の導入穴３１に対して、それぞれ連通している。
また、ガスタービン尾筒シール２４には、その上流側端部に向かって周囲空間３０からの冷却空気ｃを導入するための抽気孔３２が複数穿設されている。これら抽気孔３２は、該ガスタービン尾筒シール２４及び尾筒２０間の接合部分に連通しており、前記平行面２７ａ及び傾斜面２７ｂのフィルム冷却をすることが可能となっている。

続いて、以上説明の構成を有するガスタービン尾筒シール２４によれば、前記尾筒２０からの燃焼ガスＦが、尾筒シール側ガス流路２５を介して静翼側ガス流路２６へと流れていく。この時の燃焼ガスＦの流れは、前記幅寸法ｗ１を前記幅寸法ｗ２よりも小さくしたことにより、尾筒シール側ガス流路２５から静翼側ガス流路２６に流れ込む際に、内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３の上流側端縁により、せき止められて渦流れを形成するようなことがない。しかも、この尾筒シール側ガス流路２５は、第１段静翼２１に向かって徐々に拡大する一対の傾斜面２７ｂを備えて形成されているので、筒シール側ガス流路２５から静翼側ガス流路２６に流れ込む際に、流路幅寸法がステップ状に急変することによる渦流れの発生も防ぐことができる。

さらに、このガスタービン尾筒シール２４では、その下流側端部２８により、前記上流側外周面２２ａ及び前記上流側内周面２３ａの一部を覆っているため、これら前記上流側外周面２２ａ及び前記上流側内周面２３ａが、高温の燃焼ガスＦに直接面しないようにすることができ、なおかつ、各吐出口２８ａ１を、上流側外周面２２ａ及び上流側内周面２３ａに対して接近させることができるようになっている。

一方、前記周囲空間３０内の冷却空気ｃは、各導入穴３１に導入され、さらに、これらのそれぞれに対応して形成された各冷却穴２８を介して各吐出口２８ａ１から静翼側ガス流路２６内に吐出される。この時の冷却空気ｃは、ガスタービン尾筒シール２４の壁部冷却に加えて、内側シュラウド２２の上流側外周面２２ａ及び外側シュラウド２３の上流側内周面２３ａを覆うフィルム冷却を行う。
また、前記周囲空間３０から抽気孔３２に導入された冷却空気ｃは、前記各平行面２７ａ及び傾斜面２７ｂを覆うフィルム冷却を行う。

以上説明の、本実施形態のガスタービン尾筒シール２４によれば、該ガスタービン尾筒シール２４から第１段静翼２１にかけての燃焼ガスＦの流れが滑らかになり、渦流れの形成を防止することができるので、第１段静翼２１の外側シュラウド２３及び内側シュラウド２２の焼損や、これら外側シュラウド２３及び内側シュラウド２２とガスタービン尾筒シール２４との間の嵌合部分の摩耗を、防止することが可能となる。

また、本実施形態のガスタービン尾筒シール２４によれば、上流側外周面２２ａ及び上流側内周面２３ａを、高温の燃焼ガスＦより被覆して保護することができ、しかも、これら上流側外周面２２ａ及び上流側内周面２３ａに対して、各吐出口２８ａ１を近づけることができる。したがって、内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３の上流側部分を確実に冷却することができるので、これらの焼損や、前記嵌合部分の摩耗を防止することが可能となる。

なお、上記実施形態では、このガスタービン尾筒シール２４をその中心軸線を含む断面（図２に示す断面）で見た場合の吐出口２８ａ１の数を、各内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３毎に対応して、それぞれ１箇所づつ設けるものとしたが、これに限らず、例えば図３に示す２箇所づつ、または３箇所以上づつ形成するものとしても良い。

この場合、各吐出口２８ａ１から吐出される冷却空気ｃのうち、最も静翼側ガス流路２６に近いものが、渦流れを形成しようとしても、他の吐出口２８ａ１から吐出される冷却空気ｃが、その渦流れを打ち消すので、ガスタービン尾筒シール２４の下流側端部２８と、内側シュラウド２２及び外側シュラウド２３の各上流側端部間の隙間に、冷却空気ｃの渦流れが生じるのを防止できるようになる。これにより、前記上流側外周面２２ａ及び前記上流側内周面２３ａのフィルム冷却を確実に行うことが可能となる。

本発明のガスタービンに備えられているガスタービン尾筒シールの一実施形態を示す図であって、ロータの軸線を含む断面で見た場合の断面図である。 同ガスタービン尾筒シールを示す図であって、図１のＢ部の拡大断面図である。 同ガスタービン尾筒シールの変形例を示す図であって、図２に相当する部分拡大断面図である。 従来のガスタービン尾筒シールを備えたガスタービンの要部を示す図であって、燃焼器及び第１段静翼に対する相対位置を示す断面図である。 同ガスタービン尾筒シールを示す図であって、図４のＡ部の拡大断面図である。

符号の説明

２０・・・尾筒
２１・・・第１段静翼
２２・・・内側シュラウド
２２ａ・・・内側シュラウドの上流側外周面
２３・・・外側シュラウド
２３ａ・・・外側シュラウドの上流側内周面
２４・・・ガスタービン尾筒シール
２５・・・尾筒シール側流路（ガスタービン尾筒シール内の燃焼ガス流路）
２６・・・静翼側ガス流路（内側シュラウドの外周面及び外側シュラウドの内周面間の燃焼ガス流路）
２７ｂ・・・傾斜面
２８・・・下流側端部
２８ａ１・・・吐出口
ｃ・・・冷却空気供給
ｗ１，ｗ２・・・幅寸法

Claims (3)

1. 燃焼器の尾筒と、第１段静翼の内側シュラウド及び外側シュラウドとの間をシールするとともに、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドへの冷却空気供給を行うガスタービン尾筒シールにおいて、
   該ガスタービン尾筒シールの、前記冷却空気を吐出する吐出口が形成された下流側端部が、前記内側シュラウドの上流側外周面及び前記外側シュラウドの上流側内周面を覆っており、
   前記吐出口は、該ガスタービン尾筒シールをその中心軸線を含む断面で見た場合に、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウド毎に対応して、それぞれ複数づつ設けられていることを特徴とするガスタービン尾筒シール。
2. 請求項１に記載のガスタービン尾筒シールにおいて、
   該ガスタービン尾筒シールを、その中心軸線を含む断面で見た場合の燃焼ガス流路幅が、前記内側シュラウドの外周面及び前記外側シュラウドの内周面間の燃焼ガス流路幅よりも小さくされ、
   該尾筒シールの燃焼ガス流路が、少なくともその下流端側部分で、前記第１段静翼に向かって徐々に拡大する傾斜面によって形成されていることを特徴とするガスタービン尾筒シール。
3. 圧縮機と燃焼器とタービンとを備えたガスタービンにおいて、
   前記燃焼器と前記タービンとの間には、請求項１又は請求項２に記載のガスタービン尾筒シールが備えられていることを特徴とするガスタービン。

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