JP4616869B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラント等に採用される蒸気冷却方式のガスタービンにおいて、冷却蒸気の漏洩を防止すべくロータディスク間を密閉するシール構造に関する。

コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組み合わせた発電プラントであり、熱エネルギーの高温域をガスタービンで、また、低温域を蒸気タービンでそれぞれ分担して受持ち、熱エネルギーを有効に回収し、利用するようにしたものであり、近年特に脚光を浴びている発電プラントである。

このようなコンバインドサイクル発電プラントにおいては、トッピングサイクルのガスタービンを冷却する手法が技術開発の一つの大きなテーマであり、より効果的な冷却手法を求めて試行錯誤が重ねられた結果、冷媒として圧縮空気を使用した空気冷却方式から、ボトミングサイクルで得られる蒸気を使用する蒸気冷却方式へと進展している状況にある。

一方、蒸気冷却方式を採用するに際しては、冷却媒体である蒸気が経路の途中で漏洩するのを極力防止することが大切であり、そのためのシール構造も種々改良が重ねられている。

従来のガスタービンにおけるロータディスク間のシール構造について図１１、図１２、図１３に基づいて説明する。

同図に示す構造のものは、冷却媒体として圧縮空気を採用したものに対して使用が始まり、その後の蒸気冷却方式に際しても一部において用いられて来たものである。

タービン部のロータは、図１１、図１２に示すように複数（通常４組程度）のロータディスク１で構成されている。そしてロータ内部２の冷却媒体３がタービン部のガスパス４に流出するのを防ぐとともに、タービン部のガスパス４を流れている高温ガス５がロータ内部２に流入するのを防ぐために、図１３に示すようなシール構造が採用されている。

即ち、図１３に示すように、隣接するロータディスク１の対峙面に回転軸を囲んで互いに向き合うように環状の突出部であるディスクランド５０を形成し、これ等ディスクランド５０の突端面に周方向に沿う溝５１をそれぞれ設けて、この溝５１の周方向２分割あるいは４分割のシール板（バッフルプレート）５２を挿入し、回転による遠心力でこのバッフルプレート５２を溝５１の外側に押付けてシールするように構成されている。（例えば、特許文献１参照）
なお、図１１中、６はボルト孔、７はボルトである。

特開平１１−２５７０１５号公報（第１頁、図３）

上述のガスタービンにおけるロータディスク間のシール構造にあっては、回転による遠心力でロータディスク１のディスクランド５０に設けた溝５１の外側にバッフルプレート５２を押し付けてシールするように構成されているが、ロータディスク１間に温度差があるので溝５１の半径方向伸び差が異なっている。また、遠心力による半径方向伸びにもロータディスク１間で差が生じる。

一方、バッフルプレート５２は一定の剛性を持っているので、前記伸び差のためにロータディスク１間のディスクランド５０の溝５１の外側にきちんと押し付けられなくなり、溝５１とバッフルプレート５２との間に微小な隙間ができる。

この結果、ロータ内部２の冷却媒体３がタービン部のガスパス４に流出したり、更にこの流出に止まらず、この微小な隙間を漏れる流れにより、バッフルプレート５２が自励振動を起こしてバッフルプレート５２自体が摩耗減肉する等の問題がある。

従ってこの様な形式のものは、冷却媒体３が圧縮空気の場合はともかく、冷却媒体３として蒸気を用いるガスタービンへの適用は、排ガスボイラ等のボトミングサイクルからの蒸気が大量に失われるために、効率上の損失が大きく、併せてメイキャップ蒸気量が増加する等のことからして、プラントの成立性にかかわる大きな問題点を含んでいる。

本発明はこの様な従来のものにおける問題点を解消し、ロータ内部とタービン部のガスパスとの間のシール性を向上して、蒸気冷却方式の実現性を大きく前進させたシール構造を有するガスタービンを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その第１の手段として、軸方向に並べられた複数のロータディスクを有するガスタービンにおいて、隣接するロータディスク間で互いに向き合って張り出された一対の環状のディスクランドと、コの字型の軸方向断面形状を有すると共に該コの字型に該ディスクランドを嵌め込んで該ディスクランドにそれぞれ接続された一対の環状の接合部材と、両端が該一対の接合部材に一体的に形成されると共に継ぎ目の無い同一部材から成る蛇腹状かつ環状の弾性部材とを備えたことを特徴とする。

第２の手段としては、第１の手段のガスタービンにおいて、該接合部材が該コの字型の奥に窪みを有することを特徴とする。

第３の手段としては、第２の手段のガスタービンにおいて、前記ディスクランドと前記接合部材との接合部にネジ部が形成されたことを特徴とする。

第４の手段としては、第２の手段のガスタービンにおいて、前記ディスクランドと前記接合部材とが複数のボルトにより接続されたことを特徴とする。

第５の手段としては、第１の手段のガスタービンにおいて、前記ディスクランドと前記接合部材との接合面は、階段状シール面とギヤ構造部とを有し、且つ、前記ディスクランドと前記接合部材とが複数の通しボルトナットにより接合されていることを特徴とする。

上述の第１の手段、第２の手段、第３の手段、第４の手段または第５の手段のガスタービンによれば、ガスタービンディスク間のシールを行う中間に弾性部材は、環の伸長方向、換言すれば周方向で蛇腹状の弾性による構成であるために、遠心力による周方向の応力を発生することなしにロータディスクの熱伸びに追従して伸びるため、シール性が確実に維持される。

上述の請求項１〜請求項５記載のガスタービンによれば、ガスタービンディスク間のシールを行う中間に弾性部材は、環の伸長方向、換言すれば周方向で蛇腹状の弾性による構成であるために、遠心力による周方向の応力を発生することなしにロータディスクの熱伸びに追従して伸びるため、シール性が確実に維持され、以て蒸気冷却方式の採用の実現性を大幅に高めることができる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態を説明するための参考となる第１の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図２は参考となる第１の検討例に係わるシールリングの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

図３は参考となる第２の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図４は参考となる第３の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図５は参考となる第２、３の検討例に係わるシールリングの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

図６は本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図７は本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図８は本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。

図９は参考となる第４の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図、図１０は参考となる第４の検討例に係わるガスタービンロータディスクのボルト孔及びギア構造を概略的に示す説明図である。

第１の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を図１、図２に基づき説明する。

なお、第１の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造は、従来のものと同様に対峙するロータディスク１間に、ロータ内部２の冷却媒体３（蒸気）がタービン部のガスパス４に流出するのを防ぐとともに、タービン部のガスパス４を流れている高温ガス５がロータ内部２に流入するのを防ぐために設けられている。

また、第１の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造は、従来のものがバッフルプレート５２を用いてシールを行っていたのに対して、継ぎ目の無い一材型の環状のシールリングを採用し、かつ同環状のシールリングの固定に工夫を行ったものである。

図１に示すように、ロータディスク１、１間の対峙する側には、各々環状のディスクランド１０、１０が互いに向き合って張り出している。また、各々ディスクランド１０、１０の回転軸中心側の面にはネジ部１２が形成されている。

そして、各々のディスクランド１０、１０には、それぞれ環状の接合部材１１、１１が接合されている。

一方の接合部材１１のディスクランド１０との接合部のロータ軸方向断面形状はコの字型で、その内端にはネジ部１２を有しており、かつネジ部１２の奥には螺入時に拡張して螺入後には狭小化するような弾性を持たせるために円状の窪み１３が設けられている。

また、一方の接合部材１１の非接合側には、円環状のシールリング台座１４ａ、およびシールリング保持部材１５がロータ軸方向断面八の字状に突出して形成されている。

他方の接合部材１１のディスクランド１０との接合部のロータ軸方向断面形状もコの字型で、上記の一方の接合部材１１と同様にネジ部１２、円状の窪み１３が設けられている。

また、他方の接合部材１１の非接合側にも、円環状のシールリング台座１４ｂが突出して形成されている。

そして、断面形状が円形或いは楕円状のシールリング１６が、上述の３個のシールリング台座１４ａ、１４ｂ、およびシールリング保持部材１５に囲まれるように、シールリング台座１４ａ、１４ｂの内壁面１７、およびシールリング保持部材１５の内壁面１７に当接して配置されている。

このシールリング１６は、図２に示すように、継ぎ目の無い単一部材で形成されると共に内部が中空で連続した環状体となっている。なお、この環状のシールリング１６のスリーブの外径の一例としては２４ｍｍである。

このように構成されたガスタービンのシール構造では、ロータディスク１の回転とともにシールリング１６も回転して遠心力が生じて、２個のシールリング台座１４ａ、１４ｂの内壁面１７に確実に当接し、隣接するロータディスク１、１相互間のシールが行われる。

なお、シールリング１６は環状体として周方向に構成されているので、遠心力による周方向応力を緩和するとともに、ロータディスク１の熱伸びに対して追従させることができ、このシールリング１６と内壁面１７との間に隙間をつくるようなことはない。また相隣接するロータディスク１、１の間に熱伸び差があっても熱伸びの大きい方にシールリング１６が移動する為問題とはならず、この位置で確実なシールを行うことができるものである。

また、このシールリング１６の自重を増加させることにより、遠心力によるシール面圧を増加させ、より一層の確実なシールをすることができる。

次に、第２の検討例にかかるガスタービンロータディスク１間のシール構造について図３、図５を用いて説明する。

なお、図３においては、第１の検討例と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第１の検討例と同一の部位についての説明は省略して、第１の検討例との相違点について重点的に説明する。

第１の検討例と異なる点は、ロータ軸方向断面形状が円形或いは楕円状のシールリング１６に代えて、ロータ軸方向断面形状がタービンの回転軸中心側を扁平にした断面半円状のシールリング１８を配設したことにある。

図３に示すように、断面半円状のシールリング１８は、一方の接合部材１１のシールリング台座１４ａ、シールリング保持部材１５、及び他方の接合部材１１のシールリング台座１４ｂの３個の内壁面１７に囲まれるように配置されている。

そして、シールリング１８の回転軸中心側の扁平部分は、シールリング保持部材１５に面で接するようになっている。

また、シールリング１８は、図５に示すように、継ぎ目の無い単一部材で形成されると共に内部が中実で連続した環状体となっている。

このように構成されたシール構造では、第１の検討例のものと同様に、ロータ部の回転とともにシールリング１８も回転して遠心力が生じて、２個のシールリング台座１４ａ、１４ｂの内壁面１７に確実に当接し、隣接するロータディスク１、１相互間のシールが行われる。

第３の検討例にかかるガスタービンロータディスク間のシール構造について図４を用いて説明する。

なお、図４において、第１の検討例、或いは第２の検討例と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第１の検討例或いは第２の検討例と同一の部位についての説明は省略して、相違点について重点的に説明する。

図４に示すように、第２の検討例における一方の接合部材１１に代えて、シールリング保持部材１５を省略し、シールリング台座１４ａのみを有する接合部材１９がディスクランド１０に接合されている。

そして、図５に示すような内部が中実で連続した環状体のシールリング１８が、接合部材１９、１１のシールリング台座１４ａ、１４ｂの内壁面１７に密着して当接させて配置されている。

さて、本発明の第１の実施の形態にかかるガスタービンロータディスク間のシール構造について図６を用いて説明する。

なお、図６において、第１、２、３の検討例と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第１、２、３の検討例と同一の部位についての説明は省略して、第１、２、３の検討例との相違点について重点的に説明する。

図６に示すように、ロータディスク１間の対峙する側には、各々ディスクランド１０、２０が互いに向き合って張り出している。

そして、このディスクランド１０、２０間に、環状の接合部材２１、２２が配設されている。

一方の接合部材２１は、第１、２、３の検討例における接合部材１１と同様に、ディスクランド１０との接合する側のロータ軸方向断面形状がコの字型で、内面にネジ部１２を有し、ネジ部１２の奥には接合時は拡張して螺入後には狭小化するような弾性を持たせるための円状の窪み１３が設けられている。

他方の接合部材２２は、ロータ軸方向断面形状がコの字型で、ネジ部がなく、奥に接合時に拡張して接合後には狭小化するような弾性を持たせるための円状の窪み１３が設けられている。

そして、一方の接合部材２１と他方の接合部材２２との中間部には、蛇腹状の弾性部材２３が周方向に形成されている。

なお、接合部材２１、２２および蛇腹状の弾性部材２３は、継ぎ目の無い同一部材により環状体として周方向に一体的に形成しても良く、あるいは、接合部材２１、２２と蛇腹状の弾性部材２３とを別の部材で各々製造し、その後溶接等により接合しても良い。

上述のごとく、接合部材２１、２２および蛇腹状の弾性部材２３からなるシール部材は、一方のディスクランド１０へネジにより螺入すると共に、他方のディスクランド２０へ嵌め込まれる。なお、シール部材の組み立て時には、他方のディスクランド２０を超低温に冷却して、接合部材２２が嵌め込まれる。

そして、タービンが回転すると、蛇腹状の弾性部材２３により遠心力による周方向応力は緩和されとともに、ロータディスク１の熱伸びに対して追従させることができる。したがって、この位置に隙間をつくるようなことはなく、また相隣接するロータディスク１の間に熱伸び差があっても蛇腹状の弾性部材２３により吸収されるため問題とはならず、この位置で確実なシールを行うことができるものである。

次に、本発明の第２の実施の形態にかかるガスタービンロータディスク１間のシール構造について図７を用いて説明する。

なお、図７において、第１の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第１の実施の形態と同一の部位についての説明は省略して、相違点について重点的に説明する。

本発明の第２の実施の形態のものは、第１の実施の形態に対し、図７に示すように、両方のディスクランド及び接合部材ともネジを省略したものである。

すなわち、隣接するロータディスク１、１相互間で互いに向き合って張り出したディスクランド２０、２０には接合部材２２、２２が嵌め込まれている。そして、接合部材２２、２２間には、蛇腹状の弾性部材２３が接合部材２２、２２と一体的に形成されている。

なお、接合部材２２、２２および蛇腹状の弾性部材２３も、継ぎ目の無い同一部材により環状体として周方向に一体的に形成しても良く、あるいは、接合部材２２、２２と蛇腹状の弾性部材２３とを別の部材で各々製造し、その後溶接等により接合しても良い。

また、シール部材の組み立て時には、ディスクランド２０、２０を超低温に冷却して、接合部材２２、２２が嵌め込まれる。

このように、両方の接合部材２２、２２は各々ディスクランド２０、２０へ冷し嵌めされ、かつ接合部材２２、２２の中間には、継ぎ目の無い一材からなる蛇腹状の弾性部材２３が設けられており、遠心力による周方向応力を緩和するとともに、ロータディスク１の熱伸びに対して追従させることができ、この位置に隙間をつくるようなことはなく、また相隣接するロータディスク１の間に熱伸び差があっても蛇腹状の弾性部材２３により吸収されるため問題とはならず、この位置で確実なシールを行うことができるものである。

なお、一方のディスクランド２０と接合部材２２との接合する面の半径方向の外側には、交互に軸方向の凸凹を有し、接合時にはディスクランド２０側の凸凹形状と接合部材２２の凹凸形状とがお互いに合致するようなギヤ構造部４４ａが円周方向に形成されている。

次に、本発明の第３の実施の形態にかかるガスタービンロータディスク１間のシール構造について図８を用いて説明する。

なお、図８において、第１、２の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第１、２の実施の形態と同一の部位についての説明は省略して、相違点について重点的に説明する。

本発明の第３の実施の形態は、上記の本発明の第１の実施の形態における、ディスクランド１０および接合部材２１のネジ部１２を廃止するとともに、他方のディスクランド２０と接合部材２２との冷や嵌めをも廃止し、代わりに、各ディスクランド３０、３０と接合部材３１、３１とを各ボルト３２により固定するようにしたものである。

図８に示すように、隣接するロータディスク１、１相互間で互いに向き合って張り出した環状のディスクランド３０、３０には、ロータ軸方向断面形状がコの字型の接合部材３１、３１が嵌め込まれている。そして、接合部材３１、３１間には、蛇腹状の弾性部材２３が接合部材３１、３１と一体的に形成されている。

そして、各ディスクランド３０、３０および各接合部材３１、３１は、周方向にボルト孔が設けられ、ボルト３２を螺入させ締結されている。

このように、両方の接合部材３１、３１はボルト３２により各々ディスクランド３０、３０へ締結され、かつ接合部材３１、３１の中間には、継ぎ目の無い一材からなる蛇腹状の弾性部材２３が設けられており、遠心力による周方向応力を緩和するとともに、ロータディスク１の熱伸びに対して追従させることができ、この位置に隙間をつくるようなことはなく、また相隣接するロータディスク１の間に熱伸び差があっても蛇腹状の弾性部材２３により吸収されるため問題とはならず、この位置で確実なシールを行うことができるものである。

次に、参考となる第４の検討例にかかるガスタービンロータディスク間のシール構造について図９、図１０を用いて説明する。

なお、図９において、第３の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付して示している。また、第３の実施の形態と同一の部位についての説明は省略して、相違点について重点的に説明する。

参考となる第４の検討例は、上記の本発明の第３の実施の形態に対し、ディスクランド４０と接合部材４１とをボルトナット４２により接合するようにしたものである。

図９に示すように、隣接するロータディスク１、１相互間で互いに向き合って張り出したディスクランド４０、４０には接合部材４１、４１が接続されている。そして、接合部材４１、４１間には、第３の実施の形態と同様に蛇腹状の弾性部材２３が接合部材４１、４１と一体的に形成されている。

次に、ディスクランド４０、４０と接合部材４１、４１との接合構造につき詳細に説明する。

ディスクランド４０、４０と接合部材４１、４１との接合する面の半径方向の外側には、接合時に互いに密着する階段状シール面４３が円周方向に形成されている。

そして、一方の半径方向内側には、交互に半径方向の凸凹を有し、接合時にはこれらの凸凹形状がお互いに隙間をおいて合致するようなギヤ構造部４４が円周方向に形成されている。

また、他方の半径方向内側には、交互に軸方向の凸凹を有し、接合時にはディスクランド４０側の凸凹形状と接合部材４１の凹凸形状とがお互いに合致するようなギヤ構造部４４ａが円周方向に形成されている。

そして、ディスクランド４０、４０と接合部材４１、４１とには、階段状シール面４３を横切るように複数組のボルト孔４５が穿設されており、ディスクランド４０、４０と接合部材４１、４１とは複数の通しボルトナット４２とにより接合されている。

このように、ディスクランド４０、４０と接合部材４１、４１とは、凸凹形状のギヤ構造部４４および通しボルトナット４２により締結され、かつ継ぎ目の無い一材からなり中間には蛇腹状の弾性部材２３を設けた環状体として周方向に構成されているので、遠心力による周方向応力を緩和するとともに、ロータディスク１、１の熱伸びに対して追従させることができ、この位置に隙間をつくるようなことはなく、また相隣接するロータディスク１、１の間に熱伸び差があっても蛇腹状の弾性部材２３により吸収されるため問題とはならず、また階段状シール面４３とによりこの位置で確実なシールを行うことができる。

以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてもよいことはいうまでもない。

参考となる第１の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 参考となる第１の検討例に係わるシールリングの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 参考となる第２の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 参考となる第３の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 参考となる第２、３の検討例に係わるシールリングの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 参考となる第４の検討例に係わるガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す断面図である。 参考となる第４の検討例に係わるガスタービンロータディスクのボルト孔及びギア構造を概略的に示す説明図である。 従来のガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す説明図である。 従来のガスタービンロータディスク間のシール構造を概略的に示す説明図である。 従来のガスタービンにおけるロータディスク間のシール構造を概略的に示す説明図である。

符号の説明

１ ロータディスク
２ ロータ内部
３ 冷却媒体
４ ガスパス
５ 高温ガス
６ ボルト孔
７ ボルト
１０、２０、３０、４０ ディスクランド
１１、１９、２１、２２、３１、４１ 接合部材
１２ ネジ部
１３ 窪み
１４ａ、１４ｂ シールリング台座
１５ シールリング保持部材
１６、１８ シールリング
１７ 内壁面
２３ 蛇腹状の弾性部材
３２ ボルト
４２ 通しボルトナット
４３ 階段状シール面
４４ ギヤ構造部
４５ ボルト孔
５０ ディスクランド
５１ 溝
５２ バッフルプレート

Claims (5)

1. 軸方向に並べられた複数のロータディスクを有するガスタービンにおいて、
   隣接するロータディスク間で互いに向き合って張り出された一対の環状のディスクランドと、コの字型の軸方向断面形状を有すると共に該コの字型に該ディスクランドを嵌め込んで該ディスクランドにそれぞれ接続された一対の環状の接合部材と、両端が該一対の接合部材に一体的に形成されると共に継ぎ目の無い同一部材から成る蛇腹状かつ環状の弾性部材とを備えたことを特徴とするガスタービン。
2. 該接合部材が該コの字型の奥に窪みを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記ディスクランドと前記接合部材との接合部にネジ部が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 前記ディスクランドと前記接合部材とが複数のボルトにより接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
5. 前記ディスクランドと前記接合部材との接合面は、階段状シール面とギヤ構造部とを有し、且つ、前記ディスクランドと前記接合部材とが複数の通しボルトナットにより接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。

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