JP4747146B2 - ガスタービンのシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに用いられるシール装置に関するものである。

圧縮空気を燃料とともに燃焼して得た燃焼ガスによって回転動力を得るガスタービンの
タービンは、部材の熱変形による応力集中を緩和し、かつ部品の点検・保守・交換を容易とできるように、複数に分割された部材により構成されている。

このようなガスタービンにおいては、部材の冷却用に、および前記部材間の隙間から高温の作動流体が作動領域以外に漏れ出すことがないように、その部材の外側に高圧で低温な流体が供給されている。一般にガスタービンにおいては、このような低温の流体は圧縮機から抽気されるものである。むやみにこの抽気流体の供給量を増やすと、部材間の隙間から作動領域側への抽気流体のリーク量が増加し、タービンを駆動する高温の作動流体の温度低下や抽気流体が混入するときに発生する混合損失を招き、ガスタービン全体の効率低下につながる。

そのため、相隣接する構成部材の間にはシール構造が設けてあり、静止する部材同士の場合は一般的に、お互いに対向する面に設けられたシール溝にシールプレートを挿入することによって連結し、抽気流体のリークを抑制する手法が採られている（特許文献１等参照）。

特開平１０−２１２９０４号公報

上記した従来技術では、薄板状のシールプレートを複数枚積層し、各シールプレートがシール溝の溝深さ方向に適当に移動して全体的なシール溝深さ方向の幅を拡大することによってシール性能を向上させている。しかしながら、隣接する構成部材間にはタービンの半径方向の熱伸び量に偏差が生じ、それによってシール溝のタービンの半径方向位置にずれが生じることがある。シール溝のタービン半径方向位置にずれが生じると、隣接する構成部材間を橋架するようにシール溝に挿入されたシールプレートに傾斜が生じ、シール溝壁面との接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能が低下する。また、半径方向位置及びタービンの軸方向位置に同時にずれが生じ、シールプレートがシール溝内においてプレート面内で回転した場合には、シールプレートとシール溝との接触状態が点接触、或いは非接触状態ともなり得る。こうした現象は、特に上記従来技術のように複数のシールプレートを単に重ね合わせた場合、全体に剛性が高まって弾性変形し難くなるため一層起こり易くなる。

本発明は、こうした事情に鑑みなされたもので、構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にもシール装置とシール溝壁面との面接触を保ち、良好なシール性能を維持することができるガスタービンのシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、相隣接する構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするガスタービンのシール装置であって、板状の多孔質金属で構成されていることを特徴とするガスタービンのシール装置を提供する。

本発明のシール装置によれば、ガスタービンを構成する構成部材間の熱伸び量に偏差が生じた場合にもシール装置とシール溝壁面との面接触を保ち、隣接する構成部材間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を抑制し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を向上させることができる。

以下、図を用いて、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るガスタービンの構成例を示すシステム構成図である。図１に図示したガスタービン１は、大気から空気を吸い込んで圧縮し、主として燃焼用の圧縮空気を生成する圧縮機２と、この圧縮機２からの圧縮空気と燃料供給流路（図示せず）から供給された燃料とを燃焼して高温の燃焼ガスを生成する燃焼器３と、この燃焼器３からの燃焼ガスにより軸動力を得るタービン４と、このタービン４の駆動力によって発電する発電機５を備えている。圧縮機２，タービン４、および発電機５は連結しており、タービン４で得られた軸動力は、圧縮機２及び発電機５の駆動力として用いられる。図１に図示した本実施例では、発電機５を圧縮機２に連結しているが、タービン４に連結する構成としても良い。タービン４は一軸式のものでも良いし、互いに独立して回転する低圧タービン及び高圧タービンを有する二軸式のものでも良い。また負荷機器として発電機５を用いた場合を例に挙げているが、得られた軸動力でポンプや他の圧縮機等を駆動する場合もある。

上記ガスタービン１のタービン４は、部材の熱変形による応力集中を緩和し、かつ部品の点検・保守・交換を容易とできるように、静翼体セグメント等の複数に分割された構成部材（セグメント）により構成されている。これらの構成部材は、高温の作動流体にさらされて溶けたり、酸化あるいは熱応力による亀裂が入ったりすることのないように、圧縮機２から抽気した低温の冷却流体によって許容温度以下にまで冷却されている。

ガスタービン１の運転状態の一例では、燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガス（燃焼ガス）は、タービン４へ流入する時点において、圧力が１.２ＭＰａ程度、温度が１２００℃程度である。その後、タービン内部で膨張仕事をしながら圧力及び温度を低下させ、６００℃程度で最終段動翼を通過して放出される。従って、タービンのガスパス内、特にタービン各段の翼は、高温の作動ガスに晒されるため、圧縮機２から抽気した一部の高圧空気を冷却空気としてタービンの高温箇所に供給し冷却する。

図１に図示したガスタービン１では、圧縮機２から抽気した冷却空気の一部を供給する流路として、静翼冷却空気流路６ａ１，静翼冷却空気流路６ａ２，動翼冷却空気流路６ｂを備える。冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂを介して冷却空気の一部をタービン被冷却部に供給し、材料の許容温度以下にメタル温度を減温する。

次に、図２を用いて、ガスタービン１の構成のうち本発明に係る要部の構成について説明する。

図２は、タービン４の高圧部近傍の内部構造を表す断面図である。図２に示すように、
静翼冷却空気流路６ａ１は、圧縮機２から抽気した冷却空気の一部をタービン４の第二段静翼１１ａに供給する。静翼冷却空気流路６ａ２は、圧縮機２から抽気した冷却空気の一部をタービン４の第一段静翼１０ａに供給する。また圧縮機２から抽気した冷却空気の一部は、動翼冷却空気流路６ｂを経てタービン４の第一及び二段動翼１０ｂ，１１ｂにもそれぞれ供給されている。圧縮機２から抽気した冷却空気の一部は、冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂを経てタービン被冷却部に供給され、材料の許容温度以下にメタル温度を減温する。このとき、圧縮機２から抽気する冷却空気には、各翼のガスパス圧力に応じた圧力を選定しており、例えば、静翼冷却空気流路６ａ２及び動翼冷却空気流路６ｂには圧縮機最終段近傍の抽気空気、冷却空気流路６ａ１には圧縮機中圧段の抽気空気を用いる。被冷却部を冷却した空気は、翼のフィルム冷却、或いは翼後縁からの噴出し等として、タービンのガスパス９中に排出され、作動ガスと混合されて大気に放出される。

静翼冷却空気流路６ａ１を通過してケーシング１２に設けた導入孔（図示せず）を介して供給された冷却空気は、第二段静翼供給チャンバー１３を経て、ケーシング１２の内周側にて周方向に環状に配置された第二段静翼体２１に供給される。第二段静翼体２１に供給された冷却空気の一部は、第二段静翼体２１の翼内冷却パス（図示せず）を通過するときに熱交換して第二段静翼１１ａを冷却するとともに、温度上昇して翼の噴出孔（図示せず）からガスパス９に放出される。一方、第二段静翼体２１に供給された冷却空気の他の一部は、翼内冷却パスを経て第二段静翼体２１の内周側に周方向に環状配置されたダイアフラム１５のチャンバー１４に供給され、ダイアフラム１５に設けられた孔（図示せず）からタービンロータの第一段ホイール１９ａ，スペーサ２２及びダイアフラム１５で形成される第一段動翼後側ホイールスペース１６ａに供給される。その後、冷却空気は、ダイアフラム１５とスペーサ２２との間で協働するシールフィン２４によって、第二段ホイール１９ｂ，スペーサ２２及びダイアフラム１５で形成される第二段動翼前側ホイールスペース１６ｂに分岐され、ホイールスペース１６ａ，１６ｂへの作動ガスの侵入を抑制するためのシール空気として使用される。

ここで、詳細は後述するが、静翼や動翼のダイアフラム、また後述する静翼体セグメント等といったタービン周方向に環状に配置したセグメント構造をなす構成部材は、熱伸び量を考慮して周方向に隣接する構成部材（セグメント）間に間隙を設けている（後の図４も参照）。これらの間隙は、定格運転時においてもゼロにならないように設計されている。したがって、冷却空気流路６ａ１，６ａ２，６ｂ等はこうした構成部材間の周方向間隙を介してガスパスに連通し一部の冷却空気がガスパス９中に漏洩し得るので、このような構成部材間の間隙により形成される冷却空気流路とガスパスとの連通路に後述するようなシール装置を設ける。

図３は本発明の一実施例に係るシール装置を適用した静翼体を表した概念図である。図３に示すように、第二段静翼体２１の静翼体セグメント２１ａにおける外径側エンドウォール３１ａの作動ガス流れ方向上流側には概ねタービン半径方向に直線状に延びるシール溝３２ａが、外径側エンドウォール３１ａの内周側には概ねタービン軸方向に直線状に延びるシール溝３２ｂが設けられている。また、静翼体セグメント２１ａの内径側エンドウォール３１ｂにも概ねタービン軸方向に直線状に延びるシール溝３２ｃが設けられている。

図４は相隣接する構成部材である静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２をタービン径方向外側から見た図である。図４では代表的に２つの静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２を示しているが、第二段静翼体２１はさらに多数の静翼体セグメントが環状に配置されている。静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２は、互いの間に周方向間隙δｃを持たせて組み立てられている。したがって、静翼体セグメント２１ａ−１の外径側エンドウォール３１ａ−１と静翼体セグメント２１ａ−２の外径側エンドウォール３１ａ−２とは対向しており、相隣接するエンドウォール３１ａ−１，３１ａ−２の互いの対向端面には、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２が設けられている。これら対向するシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２には、エンドウォール３１ａ−１，３１ａ−２の間の周方向間隙を塞ぐように、シール装置３３が架け渡されて装着されている。これによって、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２間の間隙が遮断され、構成部材間の間隙δｃがシールされるようになっている。

図５は本実施例に係るシール装置の詳細構造を表すタービン軸方向からみた断面図である。本実施の形態に係るシール装置３３ａは、相隣接するエンドウォール３１ａ−１，３１ａ−２の互いの対向端面に同一の半径方向位置となるようそれぞれ形成されたシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２間に架け渡され、構成部材間の間隙により形成される第二段静翼供給チャンバー１３とガスパス９の連通路を遮断する。シール装置３３ａは、シール溝の溝深さ方向（図５中の左右方向）の寸法が隣接する構成部材（静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２）間の間隙寸法δｃよりも大きいシールプレート４０ａが、その表面を耐酸化性コーティング層４１で被われることにより形成されている。

ここで、シールプレート４０ａは、ガスタービンの高温部にも使用可能な耐熱性を有する耐熱性金属の多孔質体が平たんな板状に形成されたものや、重層構造を有するよう複数枚の薄い耐熱性金属の多孔質シートを積層して溶着し、平たんな板状に形成したものなどであり、多孔質材であるため応力を加えたときに緻密材に比べて大きく変形することができ、かつ塑性変形を起こさずに元の形状に復元できる可撓特性を有する。

図６を用いて、ガスタービン運転中の本実施の形態に係るシール装置の作用を説明する。ガスタービンの運転とともに作動ガスや冷却空気からの流入熱によって各部材は温度上昇する。その結果、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２に熱伸び量の偏差が生じ、図６に示したようにシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に半径方向のずれδｒが発生することになる。

ここで図８に図示したように従来のシール装置３３ｃでは剛性が高いため、上記のようなずれが生じると、シールプレートとシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とのプレート接触面２３ａ，２３ｂとシールプレートとの接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能を低下させる。また、半径方向のずれδｒも周方向位置によっては異なる値を持つため、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２は三次元的に複雑にねじれ、接触状態は線接触から点接触に変化し、シール性能を大きく低下させる場合もある。また、シール溝の位置ずれが大きい場合に、シール溝端面のエッジ部でシール板が干渉して、シール板に必要以上の応力が発生し、シール板の信頼性を低下させる可能性がある。

一方、図６に図示するように本実施例に係るシール装置３３ａを用いると、シール溝内部に装着されたシール装置３３ａは、高圧ガス（冷却空気）によってシール溝３２ｂ−１の内壁面２３ａ，シール溝３２ｂ−２の内壁面２３ｂに対して押圧されて拘束されており、また可撓特性を有するため、シール溝３２ｂ−２の形状に倣って変形する。

シール装置３３ａは、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に半径方向のずれδｒが発生した場合に、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２の間隙δｃの間で塑性変形を起こさず大きく変形することができる。したがって、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とシールプレート４０ａとの接触面２３ａ，２３ｂを常に面接触状態に維持する。また、シール溝の位置ずれが大きい場合に、シール溝端面のエッジ部でシール板が干渉しても、可撓特性を有するため柔軟に対応できるので、シール板の信頼性を高めることができる。

以上のように本実施例によれば、隣接する構成部材（静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２等）に熱伸び量の偏差が生じても、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とシール装置３３ａとの接触状態を常に面接触状態に保つことができるので、隣接する構成部材間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を高めることができる。

また、シールプレート４０ａは耐熱性の多孔質金属で構成することで、耐熱性，可撓特性を有しながらプレート自身で形状を安定的に保ち、加工および製作が容易であるという利点を有する。

なお、シールプレート４０ａは、高温の作動ガスに曝されるが、その表面に耐酸化性コーティングを施すことで、酸化を抑制できる。また、コーティングを施すことで、シールプレート４０の表面粗さを小さくすることができ、シールプレートとシール溝との接触面積を大きくして、より高いシール性能を得ることができる。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。

本実施例は、図１乃至図５に示した第１実施例とは基本構成が共通しているので、共通の構成については説明を省略し、相違する部分についてのみ図７に基づいて説明する。

本実施例に係るシール装置３３ｂは、熱膨張性を持つシールプレート４０ｂが、その表面を耐酸化性コーティング層４１で被われることにより形成されている。このシールプレート４０ｂは、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２からの入熱により熱膨張した際、プレートが挿入されているシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の形状に拠って変形し、シール溝内の空間を充塞するような寸法に形成されている。また、このシールプレート４０ｂは、実施例１のシールプレート４０ａと同様に耐熱性金属の多孔質体が平たんな板状に形成されたものや、複数の薄い耐熱性金属の多孔質シートを溶着して、平たんな板状に形成したものであり、力を加えたときに緻密材に比べて大きく変形することができ、かつ塑性変形を起こさずに元の形状に復元できる可撓特性を有する。

図７を用いて、ガスタービン運転中の本実施の形態に係るシール装置の作用を説明する。ガスタービンの運転とともに作動ガスや冷却空気からの流入熱によって各部材は温度上昇する。その結果、静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２に熱伸び量の偏差が生じ、図７に示したようにシール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に半径方向のずれδｒが発生することになる。

ここで、多孔質体で構成されるシールプレート４０ｂは、可撓特性を有すため塑性変形を起こさず、シール溝３２ｂ−２に沿って大きく変形する。また、シールプレート４０ｂは静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２からの入熱により熱膨張し、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の形状に倣って変形し、シール溝内の空間を充塞してシール溝の内壁面を押圧する。従って、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２に半径方向のずれδｒが発生した場合においても、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面とのプレート接触面２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを常に面接触状態に維持できるので、シール面積が増大し、シール性能を著しく向上することができる。

以上のように本実施形態によれば、隣接する構成部材（静翼体セグメント２１ａ−１，２１ａ−２等）に熱伸び量の偏差が生じても、シール溝３２ｂ−１，３２ｂ−２の内壁面全体とシール装置３３ｂとの接触状態を常に面接触状態に保つことができるので、隣接する構成部材間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し良好なシール性能を維持することができる。よって、ガスタービンの信頼性及び効率を高めることができる。

また本実施例においても、シールプレート４０ｂを耐熱性の多孔質金属で構成することで、実施例１と同様に耐熱性，可撓特性を有しながらプレート自身で形状を安定して保ち、加工が容易であるという利点を有する。さらに、シールプレート４０ｂは、高温の作動ガスに曝されるが、その表面に耐酸化性コーティングを施すことで酸化を抑制でき、コーティングを施すことで、シールプレート４０ｂの表面粗さを小さくしてシールプレートとシール溝との接触面積を大きくし、より高いシール性能を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態では、第二段静翼体の外径側エンドウォールについて本発明を適用した例を説明したが、当該部分のみならず、例えば、内径側エンドウォールや他の段落の静翼セグメント，動翼のシュラウドや静翼ダイアフラム等といった、間隙を介して複数の構成部材が隣接し構成部材間の間隙から冷却空気がリークし得る他の箇所にも本発明は適用可能である。これらの場合も同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本発明の構造は低温流体が空気にかかわらず、蒸気，窒素などの様々な冷却媒体に適用可能であり、かつ同様の適用効果がある。またガスタービンの高温部のみならず、複数の部材を連結して高温流体と低温流体を遮断しかつ連結部が冷却を要する構造であれば、本発明を適用することができる。

ガスタービンの高温部をはじめ、複数の部材を連結して高温流体と低温流体を遮断しかつ連結部が冷却を要する構造であれば適用可能である。

本発明の一実施の形態に係るシール装置であるガスタービンの一構成例を示す概念図である。 タービン部の高圧部近傍の内部構造を表す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るシール装置を適用した静翼体を抽出して表した概念図である。 相隣接する構成部材である静翼体セグメントをタービン径方向外側から見た図である。 本発明の一実施の形態に係るシール装置の詳細構造を表す径方向断面図である。 ガスタービン運転中の本発明の一実施の形態に係るシール装置の作用説明図である。 ガスタービン運転中の本発明の別の実施の形態に係るシール装置の作用説明図である。 ガスタービン運転中の従来のシール装置の作用説明図である。

符号の説明

１３ 第二段静翼供給チャンバー
２１ａ−１，２１ａ−２ 静翼体セグメント
３２ｂ−１，３２ｂ−２ シール溝
３３ａ，ｂ，ｃ シール装置
４０ａ，ｂ 多孔質シールプレート
４１ 耐酸化コーティング層

Claims (6)

1. 相隣接する構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするガスタービンのシール装置であって、
   板状の多孔質金属で構成されていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
2. 前記請求項１に記載のガスタービンのシール装置であって、
   表面に耐酸化性コーティング層を有することを特徴とするガスタービンのシール装置。
3. 前記請求項２に記載のガスタービンのシール装置であって、
   前記多孔質金属は、熱膨張性を有し、熱膨張により前記シール溝内の空間を充塞するよう形成されていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
4. 相隣接する構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするガスタービンのシールプレートであって、
   複数枚の多孔質金属シートを積層し、溶着して構成されていることを特徴とするガスタービンのシールプレート。
5. タービンの周方向に環状に配置された相隣接する静翼体セグメントの互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記静翼セグメント間の間隙をシールするガスタービンのシールプレートであって、
   多孔質金属で構成され、その表面に耐酸化性コーティング層を有することを特徴とするガスタービンのシールプレート。
6. 複数の構成部材と、相隣接する前記構成部材の互いの対向端面に設けられたシール溝に架け渡されて前記構成部材間の間隙をシールするシール装置とを有するガスタービン設備であって、
   前記シール装置は、板状の多孔質金属で構成され、その表面に耐酸化性コーティング層を有することを特徴とするガスタービン設備。

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