JP4637435B2 - タービン設備 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、タービン設備、特にガスタービン設備に関する。
【０００２】
ここでガスタービン設備とは、以下においては、燃焼室とこの燃焼室に後置接続されガスタービンと呼ばれるタービンとを有している設備を意味する。その燃焼室において燃料ガスがガス空間内で燃焼され、その際に発生した高温ガスがタービンに導入され、このタービンを貫流する。タービンを貫流する高温ガスの流れ経路は以下において同様にガス空間と呼ばれる。タービンは静翼と動翼とを有し、その静翼は外側から半径方向にガス空間の中に延び、動翼はロータと呼ばれる軸に設けられ、ロータから半径方向へ外側に延びている。タービンの長手方向に見て、静翼および動翼は歯状に入り交じっている。タービンは一般に複数のタービン段を有し、各タービン段に静翼環が配置され、即ち複数の静翼がタービンの円周方向に並べて配置されている。個々の静翼環が軸線方向に連続して配置されている。燃焼室並びにタービンの場合、ガス空間は通常プレート要素で内張りされている。燃焼室の場合、それはれんがであり、タービンの場合、プレート要素は個々の静翼のいわゆる翼根元部プレートによって形成されている。
【０００３】
燃焼室並びにタービンのガス範囲はできるだけ気密にしなければならない。従って個々のプレート要素の間における漏れ損失を小さくするように努められている。特に２つのタービン段間における漏れ損失が防止されねばならない。ガス空間における大きな熱応力のために、漏れ止め装置が個々のプレート要素の膨張を、漏れ止め装置がほとんど害されることなしに、吸収して橋渡ししなければならない、という問題がある。れんが並びに静翼の翼根元部プレートがその縁部範囲で隣のプレート要素に固定されていないことによって上述の問題が強められる。その場合、プレート縁部が多かれ少なかれ自由であり、熱膨張のために曲がりを生ずる。れんがは例えば一般にその中央で固定され、熱負荷時にほぼ球状に曲がる。従って漏れ止め装置は、（また燃焼室およびタービンが軸線方向に円錐状に形成されているために）軸線方向並びに半径方向の可動性を許さねばならない。
【０００４】
タービンの範囲において、従来の漏れ止め装置の場合、翼根元部プレートの端面に溝が設けられ、隣接するタービン段の両静翼の翼根元部プレートにある溝に、シール板がはめ込まれる。その端面側溝の場合、翼根元部プレートの軸線方向及び半径方向への可動性は、その溝が傾斜した側壁を有していることによって得られる。もっともそのような溝は高い製造費用がかかる。またそのような漏れ止め装置は、翼根元部プレートおよびこの翼根元部プレートが固定されるいわゆる静翼ホルダの異なった速さの熱膨張挙動を考慮しなければならないので、あまり漏れ止めできない。つまりタービンの起動時、翼根元部プレートが急速に熱膨張するので、翼根元部プレート間の漏れ隙間がまず閉じられる。タービン静翼ホルダが温度に応じて膨張したとき、漏れ隙間が再び開く。
【０００５】
燃焼室におけるれんがの場合、そのようなシール板は、その球状の曲がりによって、事情によっては損傷するまでせん断荷重を受けるという問題も生ずる。
【０００６】
本発明の課題は上述の欠点を解消して漏れ止めできるようにすることにある。
【０００７】
この課題は本発明に基づいて、互いに隣接するプレート要素によって外側が画成されているガス空間を備え、それぞれシール要素が互いに隣接するプレート要素に付設され、それらのプレート要素をガス空間と反対側の背面においてクリップ状に互いに結合しており、前記シール要素は、互いに隣接するプレート要素にある溝にそれぞれ係合する２つの脚部を有し、さらに、前記溝は、それぞれのプレート要素の背面からその中にほぼ半径方向に延びているタービン設備、特にガスタービン設備によって解決される。
【０００８】
その大きな利点はシール要素のクリップ状の形状にある。即ちシール要素は両側のプレート要素をまたがって覆っている。熱膨張時、そのシール要素はプレート要素に隙間を空けることなしに追従する。従ってシール要素による漏れ止め作用は熱膨張によってほとんど害されない。
【０００９】
全方面における熱膨張時でもできるだけ良好な漏れ止めを保証するために、シール要素は、好適には、プレート要素の軸線方向並びに半径方向への可動性を可能にしている。従ってシール要素は軸線方向並びに半径方向に特に弾性的に形成されている。ここで軸線方向とはタービンの長手方向における広がりを意味し、半径方向とは長手軸線に対して直角な広がりを意味している。
【００１０】
好適には、シール要素が、互いに隣接するプレート要素にある溝にそれぞれ係合する２つの脚部を有している。これによって、シール要素を製造技術的に簡単に固定することができる。
【００１１】
好適には、溝がそれぞれのプレート要素の背面からその中にほぼ半径方向に延びている。即ち、シール要素脚部は溝から半径方向へ外側に突出している。そのような形状の溝は簡単に製造でき、特に例えば研削加工あるいは浸食加工によって高い精度にできる。背面への溝配置の利点は、溝を熱膨張の問題に関して特別な形状にする必要がないことにある。従って、溝およびシール要素は非常に精確に合わされるので、漏れ隙間は極めて小さくなる。
【００１２】
タービン設備内でプレート要素を組み立てる際の作業を単純にするために、シール要素は多分割構造に形成されている。
【００１３】
その場合、多分割構造のシール要素の脚部は共通の円周方向長さに亘って重なり合っていると有利である。その円周方向長さは、漏れを十分に防止するために十分に大きく決められている。
【００１４】
本発明の有利な実施態様において、シール要素はＵ形に形成されている。これは製造技術的並びに組立技術的に簡単に実施できる。
【００１５】
シール要素の大きな伸び性を得るために、シール要素は伸びを吸収するためにベローズの形をした波形構造を有している。
【００１６】
シール要素は、これが種々の方向における伸びを吸収するように、タービン設備の軸線方向および半径方向の両方向において波形構造を有していると好ましい。
【００１７】
本発明の有利な実施態様において、シール要素は燃焼室の互いに隣接するれんが間に配置されている。これによって、れんがが熱負荷に基づいて球状に曲げられたときでも、れんが間の確実な漏れ止めが達成される。
【００１８】
本発明の有利な実施態様において、シール要素がタービンの隣接する静翼の翼根元部プレート間に配置され、詳しくは特に、隣接するタービン段の両静翼の翼根元部プレート間に配置されている。従って、個々の翼根元部プレートはタービンの軸線方向あるいは長手方向においてクリップ状シール要素を介して互いに結合されている。
【００１９】
プレート要素、特に翼根元部プレートの単純な組立および同時に、隣接するタービン段間におけるプレート要素の円周方向ならびに軸線方向への良好な漏れ止めを達成するために、好適には、軸線方向における漏れ止めに対しては上述のクリップ状シール要素が設けられ、円周方向における漏れ止めに対しては別のシール要素が設けられている。即ち方向に関係して、特に組立技術上の理由から、異なって形成されたシール要素が採用される。
【００２０】
その別のシール要素はプレート要素が入り込む収容部を有している。特にそのシール要素は断面Ｈ形に形成されている。この形状の基本的な考えは、シール板が翼根元部プレートの端面にある溝に入れられる従来のシール原理と逆の考えにある。その従来のシール原理の場合、一般に翼根元部プレートの縁を溝部位において厚くする必要がある。この場合、異なった材料厚さのために、一様な冷却を実施することが困難であり、熱応力が生ずるので、翼根元部プレートの良好な冷却に対して問題がある。これとは逆の本発明の漏れ止め原理の場合、シール板は翼根元部プレート内に入れられず、翼根元部プレートがシール要素内に入れられる。これによって、翼根元部プレートの縁部範囲を厚くする必要がない。従って冷却が簡単に行え、翼根元部プレートがすべての部位を均質に冷却されるので、熱応力は生じない。
【００２１】
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は燃焼室とタービンとを備えたタービン設備、
図２及び図３は従来の異なった形態の漏れ止め装置、
図４は本発明に基づく漏れ止め装置の断面図、
図５乃至図７は漏れ止め装置の異なった実施例、
図８は特に円周方向に並べて配置されたプレート要素に対して設けられた漏れ止め装置、を示す。
【００２２】
図１おいて、タービン設備２、特にエネルギー発生用発電所のガスタービン設備は燃焼室４およびタービン６を有している。タービン６はタービン設備２の長手方向ないしは軸線方向８において燃焼室４の後ろに配置されている。燃焼室６並びにタービン６は一部が断面図で示されている。これによって、燃焼室４のガス空間１０およびタービン６のガス空間１２が見えている。
【００２３】
運転中、燃焼室４にガス入口１４を介して燃料ガスＢＧが供給される。この燃料ガスＢＧは燃焼室４のガス空間１０内で燃焼され、高温ガスＨＧを発生する。そのガス空間１０はプレート要素として形成された多数のれんが１３で内張りされている。高温ガスＨＧはタービン６を貫流し、排ガス管１６を通して低温ガスＫＧとしてタービン６から出る。高温ガスＨＧはタービン６において静翼１８並びに動翼２０を経て導かれる。その際、動翼２０が配置されている軸２２が駆動される。その軸２２は発電機２４に結合されている。
【００２４】
動翼２０は軸２２から半径方向へ外側に延びている。静翼１８は翼根元部プレート３２とこの翼根元部プレート３２に固定された翼形部（羽根）２１とを有している。静翼１８はその翼根元部プレート３２を介してそれぞれタービン６における外側でいわゆる静翼ホルダ２６に固定され、半径方向にガス空間１２の中に延びている。長手方向８に見て静翼１８および動翼２０は互いに歯状に入り交じっている。多数の動翼２０および多数の静翼１８がそれぞれ翼環の形にまとめられ、その各静翼環がタービン段となっている。図１の実施例において、第２タービン段２８および第３タービン段３０が例示されている。
【００２５】
各静翼１８の翼根元部プレート３２はれんが１３と同様にプレート要素として形成され、タービン６の軸線方向８並びに円周方向３３において互いに隣接し、ガス空間１２を画成している。図１における円で囲まれた個所が図２〜図４に拡大して示されている。これらの図に示され特に長手方向８に並べて配置された翼根元部プレート３２間の漏れ止め装置は、意にかなって燃焼室４のれんが１３に対する漏れ止め装置としても転用される。
【００２６】
図２に示された従来の形態において、漏れ止めは、特別なシール要素なしに、互いに隣接する翼根元部プレート３２の重なりによって行われる。その重なり範囲において両翼根元部プレート３２は段状に形成されている。両翼根元部プレート３２は、熱負荷時およびこれに伴う熱膨張時に、長手方向８および半径方向３６における移動によって相対変位する。これによって、両翼根元部プレート３２間に形成された漏れ隙間３８が変化する。即ち、漏れ止め作用は翼根元部プレート３２の熱膨張挙動に大きく左右される。
【００２７】
図２〜図４における翼根元部プレート３２は、そのガス空間１２とは反対側の背面３９にそれぞれフック要素４０を有している。翼根元部プレート３２はそのフック要素４０を介して静翼ホルダ２６（図１参照）に保持される。各翼根元部プレート３２は代表的には、互いに異なって形成され軸線方向８並びに半径方向３６における可動性を与える２つのフック要素４０を有している。
【００２８】
図３において、別の従来の漏れ止め装置はシール板４２を有している。このシール板４２は隣接する翼根元部プレート３２にある溝４４にはめ込まれている。それらの溝４４は翼根元部プレート３２の端面４６に加工されている。翼根元部プレート３２の半径方向３６における可動性を与えるために、その溝４４は約１５°の開き角αを有している。この実施例の場合も、シール板４２と翼根元部プレート３２との間に漏れ隙間３８が形成されている。この漏れ隙間３８は熱負荷による熱膨張のために変化する。この変化は特に、翼根元部プレート３２がこれが固定されている静翼ホルダ２６よりも速く膨張することによって惹き起される。
【００２９】
特に漏れ隙間３８の温度依存問題は、図４における本発明に基づく構成においては生じない。本発明に基づいて、両翼根元部プレート３２が互いに隣接する範囲において、その翼根元部プレート３２の背面３９に、その翼根元部プレート３２の中にほぼ半径方向に延びる溝４４が加工されている。図４における溝４４が、図３の場合と異なって平行な側壁５０を有していることを特記しておかねばならない。これは溝４４の特に簡単な製造を可能にしている。
【００３０】
断面Ｕ形シール要素４２Ａの両側の脚部５２がそれぞれ溝４４の中にはめ込まれ、特に固定されている。その固定は例えばクリップ作用あるいは溶接によって行われる。シール要素４２Ａは特に板金要素として形成されている。その脚部５２はほぼ半径方向へ外側に延びているので、両脚部５２を結合する湾曲部５４は背面３９から間隔を隔てられている。この実施例はシール要素４２Ａの弾性挙動を可能にし、即ち、シール要素４２Ａは翼根元部プレート３２の熱膨張に追従する。即ち翼根元部プレート３２の熱膨張運動は曲がり可能あるいは伸長可能なシール要素４２Ａによって保証される。従って、その可動性は溝４４の特別な形成に左右されないので、その溝４４はシール要素脚部５２に非常にぴったり合わされる。従って、シール要素脚部５２と溝４４との間に、全くあるいはほんの僅かしか漏れ隙間３８が形成されず、漏れ隙間３８は翼根元部プレート３２の熱負荷に左右されない。
【００３１】
例えば図５〜図７にシール要素４２Ａの異なった実施例が示されている。図５においてシール要素４２Ｂは、それぞれ湾曲部５４を有し円周方向長さＬに亘って重なり合っている２つの別個の脚部５２から形成されている。このシール要素４２Ｂの多分割構造は、例えば個々の脚部５２が静翼１８の組立前に既に簡単にそれぞれの翼根元部プレート３２の溝４４にはめ込まれ、続いてその翼根元部プレート３２が静翼ホルダ２６に取付けられるので、組立作業を簡単にする。その共通の円周方向長さＬは、両者間に形成された漏れ隙間３８をあらゆる温度条件および運転条件において小さくするために、できるだけ大きく選定されている。
【００３２】
図６におけるシール要素４２Ｃの多分割構造の場合、片側脚部５２Ａにしか湾曲部５４が設けられておらず、反対側脚部５２Ｂは真っ直ぐな板金部材となっている。これらの多分割構造のシール要素４２Ｂ、４２Ｃの場合、組み立てられた状態において個々の脚部５２が互いに押し合わされ、例えば或る弾性力を有していると有利である。
【００３３】
図７におけるシール要素４２Ｄは、図４〜図６における単一に曲げられた湾曲部５４の代わりに、波形構造５８が設けられている。この波形構造５８は、好適には多方向に、特に翼根元部プレート３２に対して平行に両方向に延びている。加えてシール要素脚部５２も波形にできる。従って、シール要素４２Ｄはベローズの形に形成され、多方向における大きな熱膨張さえも、漏れ隙間３８を増大することなしに吸収できる。
【００３４】
シール要素４２Ａ〜４２Ｄは組立技術上の理由から好適には、互いに隣接するタービン段２８、３０の静翼１８の翼根元部プレート３２を互いに結合する。円周方向３３においても良好に簡単に据え付けできる漏れ止め装置を得るために、静翼環の円周方向３３において互いに隣接する静翼１８に対して、別のシール要素６０が設けられている。
【００３５】
このシール要素６０は図８において断面Ｈ形に形成され、横手脚部６４を介して互いに結合された両側の長手脚部６２を有している。両側の長手脚部６２間に横手脚部６４によって分離された２つの収容部６５が形成されている。これらの収容部６５にそれぞれ翼根元部プレート３２が入り込み受けられる。翼根元部プレート３２の横側縁６６はガス空間１２からほぼ垂直に外側に曲げられ、横手脚部６４に直接密着している。
【００３６】
翼根元部プレート３２用の収容部６５を有するこの構成は、有利に、翼根元部プレート３２全体に亘って一様な材料厚さにすることを可能にし、これによって翼根元部プレート３２の一様な冷却が保証され、翼根元部プレート３２に熱応力は生じない。
【００３７】
翼根元部プレート３２を冷却するために、特に冷却材として蒸気を使用した閉鎖冷却系統６８が設けられ、この閉鎖冷却系統６８は図８に部分的に示されている。この閉鎖冷却系統６８は入口通路７０と帰還通路７２とを有している。入口通路７０は外側案内板７４と衝突板７６との間に形成されている。その衝突板７６は案内板７４と翼根元部プレート３２との間に配置されている。衝突板７６はノズルの形に形成されている流れ開口７８を有しているので、入口通路７０を通して導入された冷却材は図示した矢印に沿って帰還通路７２に流入する。流れ通路７８のノズル作用によって、冷却材は高速で翼根元部プレート３２の背面８０に向けて転向され、これによって冷却材と翼根元部プレート３２との間の効果的な熱伝達が実現される。
【００３８】
衝突板７６は例えば溶接点あるいは溶接板の形をした支持要素８２を介して翼根元部プレート３２に対して間隔を隔てて支持されている。衝突板７６は翼根元部プレート３２の横側縁６６に直接固定され、特に溶接され、案内板７４は衝突板７６に固定されている。
【００３９】
シール要素６０と少なくとも片側の翼根元部プレート３２との間に、漏れ隙間の形をした流れ経路８４が形成されているので、ガス空間１２とは反対側の外側空間から例えば空気が流れ経路８４を介してガス空間１２に流入し、これによって漏れ止め部位、即ちシール要素６０並びに横側縁６６を冷却する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃焼室とタービンとを備えたタービン設備の一部断面概略側面図。
【図２】 従来の漏れ止め装置の断面図。
【図３】 従来の異なった形態の漏れ止め装置の断面図。
【図４】 本発明に基づく漏れ止め装置の断面図。
【図５】 本発明に基づく漏れ止め装置の異なった実施例の断面図。
【図６】 本発明に基づく漏れ止め装置の異なった実施例の断面図。
【図７】 本発明に基づく漏れ止め装置の異なった実施例の断面図。
【図８】 円周方向に並べて配置されたプレート要素に対して設けられた漏れ止め装置の断面図。
【符号の説明】
２ タービン設備
４ 燃焼室
６ タービン
８ 軸線方向
１０ ガス空間
１２ ガス空間
１３ れんが
１８ 静翼
２８ タービン段
３０ タービン段
３２ 翼根元部プレート
３３ 円周方向
３９ 翼根元部プレートの背面
４２ シール要素
４４ 溝
５２ シール要素脚部
６５ 収容部

Claims (11)

1. 互いに隣接するプレート要素（１３、３２）によって外側が画成されているガス空間（１０、１２）を備え、それぞれシール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）が互いに隣接するプレート要素（１３、３２）に付設され、それらのプレート要素（１３、３２）をガス空間（１０、１２）とは反対側の背面（３９）においてクリップ状に互いに結合しており、前記シール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）は、互いに隣接するプレート要素（１３、３２）にある溝（４４）にそれぞれ係合する２つの脚部（５２）を有し、さらに、前記溝（４４）は、それぞれのプレート要素（１３、３２）の背面（３９）からその中にほぼ半径方向に延びていることを特徴とするタービン設備。
2. シール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）が、プレート要素（１３、３２）の軸線方向（８）並びに半径方向（３６）への可動性を可能にすることを特徴とする請求項１記載のタービン設備。
3. シール要素（４２Ｂ、４２Ｃ）が多分割構造に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン設備。
4. 多分割構造のシール要素（４２Ｂ、４２Ｃ）の脚部（５２）が共通の円周方向長さ（Ｌ）に亘って重なり合っていることを特徴とする請求項３記載のタービン設備。
5. シール要素（４２Ａ〜４２Ｃ）がＵ形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のタービン設備。
6. シール要素（４２Ｄ）が伸びを吸収するためにベローズの形をした波形構造（５８）を有していることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のタービン設備。
7. シール要素（４２Ｄ）がタービン設備の軸線方向（８）および半径方向の両方向において波形構造（５８）を有していることを特徴とする請求項６記載のタービン設備。
8. シール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）が燃焼室（４）の互いに隣接するれんが（１３）間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のタービン設備。
9. シール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）がタービン（６）の隣接する静翼（１８）の翼根元部プレート（３２）間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のタービン設備。
10. 軸線方向（８）に延びているタービン設備（２）であって、前記クリップ状のシール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）が軸線方向に互いに隣接するプレート要素としての互いに隣接するタービン段（２８、３０）の静翼（１８）の翼根元部プレート（３２）間に配置されており、前記シール要素（４２Ａ〜４２Ｄ）は、互いに隣接するプレート要素（１３、３２）にある溝（４４）にそれぞれ係合する２つの脚部（５２）を有し、さらに、前記溝（４４）は、それぞれのプレート要素（１３、３２）の背面（３９）からその中にほぼ半径方向に延びていることを特徴とするタービン設備。
11. 円周方向において隣接するプレート要素としての静翼（１８）の翼根元部プレート（３２）間に、プレート要素（３２）の横側縁（６６）が入り込む収容部（６５）を備えた別のシール要素（６０）が設けられていることを特徴とする請求項１０記載のタービン設備。

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