JP5631182B2 - ガスタービンのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのロータディスク間における燃焼ガス又は冷却媒体の漏洩を防止するガスタービンのシール構造に関する。

ガスタービンのロータディスク間をシールするガスタービンのシール構造が種々開発されており、例えば、特許文献１に記載のシール構造を備えたガスタービンが知られている。具体的には、図６および図７に示すように、ガスタービンのシール構造１００では、シール板組品（バッフルプレート）１０５が対向するロータディスク２０１，２０２間に配置され、シール板組品１０５の両端部１０５ａ，１０５ｂがロータディスク２０１，２０２の張出部１０１，１０３に形成された溝部１０２，１０４にそれぞれ挿入されている。シール板組品１０５は、周方向にて４分割した円弧状の外側シール板１０６と、周方向にて４分割した円弧状の内側シール板１０７とが半径方向にて端部同士が重ならないように配置され、外側シール板１０６および内側シール板１０７に廻り止め部材１０８が周方向４か所に取り付けられて一体化して構成されている。廻り止め部材１０８は、略Ｕ字状の把持部材１０９と、中間保持部材１１０と、固定ネジ１１１とで構成されている。シール板組品１０５に廻り止め部材１０８を組み付けると、シール板組品１０５の一方の端部１０５ｂ側が廻り止め部材１０８で覆われる。廻り止め部材１０８が一方のロータディスク２０２の溝部１０４に干渉しないようにこの溝部１０４に切欠部１１２が形成され、この切欠部１１２に廻り止め部材１０８が配置されている。

ガスタービンのシール構造が記載されている他の先行技術文献としては、特許文献２がある。

特開２００６−２１４４０１号公報（例えば、明細書の段落［００２９］〜［００３３］、［図１］〜［図４］など参照） 特許２９４１６９８号（例えば、明細書の段落［０００７］〜［０００８］、［図１］〜［図３］など参照）

ところで、上述したガスタービンのシール構造１００では、シール板組品１０５はロータディスク２０１，２０２に固定されず、遠心力により溝部１０２，１０４に張り付いて係止されることにより、冷却空気の漏洩を防止している。

ガスタービンの起動と停止の過渡期では、遠心力と熱伸びにより、各ロータディスクが半径方向に伸びて、対向するロータディスクにて段差が生じる。これにより、シール板組品が一方のロータディスクの溝部にのみ接触する片あたりが生じ、段差が大きくなると片あたりした部分の面圧が局所的に大きくなることがある。例えば、図８に示すように、外側シール板１０６の一方の端部１０６ｂが一方のロータディスク２０２の溝部１０４の上面部１０４ａに片あたりし、この箇所にて局所的に大きな面圧Ｐ１が発生することがある。また、外側シール板１０６の上面部１０６ａが一方のロータディスク２０２に対向する他方のロータディスク２０１の溝部１０２の上面部１０２ａに片あたりし、この箇所にて局所的に大きな面圧Ｐ２が発生することがある。

さらに、図９に示すように、切欠部１１２が形成されたロータディスク２０２の端部では、このロータディスク２０２に対向するロータディスク２０１と比べて、シール板組品１０５と廻り止め部材１０８による遠心力で応力が高くなり、加えて、ロータ自重たわみにより１回転ごとに軸方向に微小な変位を繰り返すため、ロータディスク２０１，２０２の溝部１０２，１０４の上面部１０２ａ，１０４ａと外側シール板１０６の上面部１０６ａにて摩擦が生じ、変動応力Ｐ３，Ｐ４が発生している。

これら面圧Ｐ１，Ｐ２および変動応力Ｐ３，Ｐ４が相乗的に作用して、ロータディスク２０２の切欠部１１２付近に局所的に負荷がかかってしまい、ガスタービンのシール構造の信頼性を低下させる可能性があった。

以上のことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたもので、信頼性を向上させたガスタービンのシール構造を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係るガスタービンのシール構造は、
複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入され、前記溝部に緩衝材が組み付けられて、前記シール板組品による前記溝部への負荷を抑制したガスタービンのシール構造であって、
前記緩衝材が、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置され、当該溝部の上面部に沿って周方向に延在する外側緩衝板部と、前記外側緩衝板部に接続され、当該外側緩衝板部を前記溝部の上面部側へ弾性的に引き上げて支持する弾性支持部材と、前記弾性支持部材を前記他方のロータディスクの前記張出部の前記対向面に固定する固定手段とを備える
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係るガスタービンのシール構造は、
複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入され、前記溝部に緩衝材が組み付けられて、前記シール板組品による前記溝部への負荷を抑制したガスタービンのシール構造であって、
前記緩衝材が、前記切欠部に配置される第１の緩衝材本体と、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置される第２の緩衝材本体とで構成され、
前記第１の緩衝材本体が、前記溝部の上面部に沿って延在する半径方向緩衝板部を備え、
前記第２の緩衝材本体が、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置され、当該溝部の上面部に沿って周方向に延在する外側緩衝板部と、前記外側緩衝板部に接続され、当該外側緩衝板部を前記溝部の上面部側へ弾性的に引き上げて支持する弾性支持部材と、前記弾性支持部材を前記他方のロータディスクの前記張出部の前記対向面に固定する固定手段とを備える
ことを特徴とする。

本発明に係るガスタービンのシール構造によれば、緩衝材により、応力の溝部に対する局所的な作用が抑制されて、信頼性が向上する。

本発明の第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造の説明図である。 ガスタービンのシール構造を説明するための図であって、図２（ａ）に緩衝材が切欠部に組み込まれた状態の断面を示し、図２（ｂ）にシール板組品および廻り止め部材および緩衝材が組み付けられた状態の平面を示す。 ガスタービンのシール構造が具備する緩衝材の説明図であって、図３（ａ）にその正面を示し、図３（ｂ）にその平面を示し、図３（ｃ）にその斜視を示す。 本発明の第二番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造が具備する緩衝材を溝部に組み込んだ状態の断面図である。 本発明の第三番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造が具備する緩衝材を溝部に組み込んだ状態の断面図である。 従来のガスタービンのシール構造の断面図である。 従来のガスタービンのシール構造の平面図である。 従来のガスタービンのシール構造の説明図である。 従来のガスタービンのシール構造の説明図である。

本発明に係るガスタービンのシール構造について、各実施形態にて具体的に説明する。

［第一番目の実施形態］
本発明の第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図１、図２および図３を参照して説明する。本実施形態では、従来のガスタービンのシール構造に緩衝材を追加した構造であって、従来のガスタービンのシール構造と同じ部材には同一符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造は、図１および図２に示すように、複数のロータディスク（図示例では２つのロータディスク２０１，２０２）の隣接する面にロータ軸（図示せず）を囲んで互いに対向するように環状の張出部１０１，１０３が形成され、張出部１０１，１０３の対向面に周方向に沿って溝部１０２，１０４がそれぞれ形成され、対向するロータディスク２０１，２０２のうちの一方のロータディスク２０２の対向面に外切欠部１１４が形成され、溝部１０２，１０４に、複数の外側シール板１０６と当該外側シール板１０６の内周側に配置された複数の内側シール板１０７とを廻り止め部材１０８で一体化されたシール板組品１０５の両端部が挿入されるとともに、廻り止め部材１０８が外切欠部１１４に挿入される。ただし、外切欠部１１４には緩衝材（第１の緩衝材本体）１１が組み付けられる。なお、ロータディスク２０１の溝部１０２の下面部には内切欠部１１３が形成され、内切欠部１１３に廻り止め部材１０８の端部が挿入可能になっている。

緩衝材１１は、シール板組品１０５より硬度が高い材料であって、例えば、ビッカース硬度（Ｈｖ）が２５０以上の材料で作製されたものであれば良い。緩衝材１１は、図３に示すように、第１の半径方向緩衝板部１２、第２の半径方向緩衝板部１３、第１の周方向緩衝板部１４、第２の周方向緩衝板部１５、軸方向緩衝板部１６を備える。第１の半径方向緩衝板部１２は、溝部１０４の上面部に沿って周方向に延在している。第２の半径方向緩衝板部１３は、溝部１０４の上面部に沿って周方向に延在している。第１の周方向緩衝板部１４は、第１の半径方向緩衝板部１２の基端部に設けられ、上方（外側）へ延在している。第２の周方向緩衝板部１５は、第２の半径方向緩衝板部１３の基端部に設けられ、上方（外側）へ延在している。軸方向緩衝板部１６は、第１，第２の半径方向緩衝板部１２，１３の基端の一方の端部に接続され、下方（内側）へ延在している。

上述した構成の緩衝材１１を外切欠部１１４に組み付けることにより、外切欠部１１４近傍に緩衝材１１の第１，第２の半径方向緩衝板部１２，１３が配置されることになり、シール板組品１０５（外側シール板１０６）がロータディスク２０２に直接接触することが無くなる。外切欠部１１４に沿って第１，第２の周方向緩衝板部１４，１５および軸方向緩衝板部１６が配置されることになり、廻り止め部材１０８の把持部材１０９がロータディスク２０２に直接接触することが無くなる。

よって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造１０によれば、緩衝材１１が外切欠部１１４に組み付けられるにより、シール板組品１０５による応力がロータディスク２０２の溝部１０４の上面部に直接的には作用せずに緩衝材１１を介して溝部１０４の上面部に作用すると共に、緩衝材１１により分散して溝部１０４の上面部に作用することになる。これにより、緩衝材を組み付けていない場合と比べて、ロータディスクの摩耗を抑制することができる。また、シール板組品１０５および緩衝材１１を消耗品とし、定期点検などで交換することができる。その結果、シール板組品１０５や廻り止め部材１０８によるロータディスクの摩耗を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

［第二番目の実施形態］
本発明の第二番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図４を参照して説明する。本実施形態では、第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造と同じ部材には同一符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造２０では、緩衝材（第２の緩衝材本体）２１が、図４に示すように、一方のロータディスク２０２に対向する他方のロータディスク２０１の溝部１１５に配置される。他方のロータディスク２０１の張出部１０１の対向面１０１ａには、外側凹部１１５ａおよび内側凹部１１５ｂが形成されている。外側凹部１０５ａおよび内側凹部１１５ｂには、後述する外側支持板部２５および内側支持板部２６がそれぞれ配置される。

緩衝材２１は、外側緩衝板部２２、内側緩衝板部２３、圧縮ばね（弾性部材）２４、外側支持板部２５、内側支持板部２６を備える。外側緩衝板部２２は、溝部１１５の上面部１１５ｃに沿って周方向に延在している。内側緩衝板部２３は、溝部１１５の下面部１１５ｄに沿って周方向に延在している。圧縮ばね２４は、外側緩衝板部２２の基端側に接続されると共に、内側緩衝板部２３の基端側に接続される。圧縮ばね２４は、外側緩衝板部２２および内側緩衝板部２３を互いに離間する方向に付勢する。外側支持板部２５は、外側緩衝板部２２の先端に接続され、半径方向に延在すると共に、周方向に延在する。内側支持板部２６は、内側緩衝板部２３の先端に接続され、軸心方向に延在すると共に、周方向に延在する。

よって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造２０によれば、ロータディスク２０１の溝部１１５に緩衝材２１が組み付けられることにより、シール板組品１０５がロータディスク２０１の溝部１１５の上面部１１５ｃおよび下面部１１５ｄに直接接触することが無くなる。これにより、緩衝材を組み付けていない場合と比べて、ロータディスクの摩耗を抑制することができる。また、シール板組品１０５および緩衝材２１を消耗品とし、定期点検などで交換することができる。その結果、シール板組品１０５や廻り止め部材１０８によるロータディスクの摩耗を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

さらに、対向するロータディスク２０１，２０２にて、定格起動時に段差を生じるように設計している場合、例えば、図４に示すガスタービンのシール構造２０にて一方のロータディスク２０２がこれに対向する他方のロータディスク２０１と比べて半径方向に延びて段差が生じている場合には、シール板組品１０５の一方の端部が一方のロータディスク２０２の溝部１０４に片あたりする。このとき、シール板組品１０５の他方の端部が他方のロータディスク２０１の溝部１１５にて摺動する、言い換えるとばたつくことがある。この箇所に緩衝材２１を配置していることにより、シール板組品１０５の他方の端部の摺動による他方のロータディスク２０１の溝部１１５の摩耗を防止することができる。また、他方のロータディスク２０１の溝部１１５にてフレッティング疲労を抑制することができる。

なお、上記では、緩衝材２１のみを具備するガスタービンのシール構造２０について説明したが、この緩衝材２１と、上述した第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０が具備する緩衝材１１をともに具備するガスタービンのシール構造とすることも可能である。このようなガスタービンのシール構造によれば、上述した第一番目および第二番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０，２０と同様な作用効果を奏する。

［第三番目の実施形態］
本発明の第三番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造について、図５を参照して説明する。本実施形態では、第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造と同じ部材には同一符号を付記しその説明を省略する。

本実施形態に係るガスタービンのシール構造３０では、緩衝材（第２の緩衝材本体）３１が、図５に示すように、一方のロータディスク２０２に対向する他方のロータディスク２０１の溝部１０２に配置される。

緩衝材３１は、外側緩衝板部３２、弾性支持部材（ばね）３３、固定具（固定手段）３４を備える。外側緩衝板部３２は、溝部１０２の上面部１０２ａに沿って周方向に延在している。弾性支持部材３３は、外側緩衝板部３２の先端に接続され、当該外側緩衝板部３２を溝部１０２の上面部１０２ａ側へ弾性的に引き上げて支持する。固定具３４はテーパ状に形成される。固定具３４は、弾性支持部材の上端に接続され、ロータディスク２０１の張出部１０１の対向面１０１ａに、周方向に延在して形成され固定溝に固定される。

よって、本実施形態に係るガスタービンのシール構造３０によれば、ロータディスク２０１の溝部１０２に緩衝材３１が組み付けられることにより、シール板組品１０５がロータディスク２０１の溝部１０２の上面部１０２ａに直接接触することが無くなる。これにより、緩衝材を組み付けていない場合と比べて、ロータディスクの摩耗を抑制することができる。また、シール板組品１０５および緩衝材３１を消耗品とし、定期点検などで交換することができる。その結果、シール板組品１０５や廻り止め部材１０８によるロータディスクの摩耗を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

さらに、対向するロータディスク２０１，２０２にて、定格起動時に段差を生じるように設計している場合、例えば、図５に示すガスタービンのシール構造３０にて一方のロータディスク２０２がこれに対向する他方のロータディスク２０１と比べて半径方向に延びて段差が生じている場合には、シール板組品１０５の一方の端部が一方のロータディスク２０２の溝部１０４に片あたりする。このとき、シール板組品１０５の他方の端部が他方のロータディスク２０１の溝部１０２にて摺動する、言い換えるとばたつくことがある。この箇所に緩衝材３１を配置していることにより、シール板組品１０５の他方の端部の摺動による他方のロータディスク２０１の溝部１０２の摩耗を防止することができる。また、他方のロータディスク２０１の溝部１０２にてフレッティング疲労を抑制することができる。

なお、上記では、緩衝材３１のみを具備するガスタービンのシール構造３０について説明したが、この緩衝材３１と、上述した第一番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０が具備する緩衝材１１をともに具備するガスタービンのシール構造とすることも可能である。このようなガスタービンのシール構造によれば、上述した第一番目および第三番目の実施形態に係るガスタービンのシール構造１０，３０と同様な作用効果を奏する。

本発明に係るガスタービンのシール構造によれば、信頼性を向上させることができるため、ガスタービンを用いる発電産業などで有益に利用することができる。

１０ ガスタービンのシール構造
１１ 緩衝材
１２ 第１の半径方向緩衝板部（外側緩衝板部）
１３ 第２の半径方向緩衝板部（外側緩衝板部）
１４ 第１の周方向緩衝板部（側壁緩衝板部）
１５ 第２の周方向緩衝板部（側壁緩衝板部）
１６ 軸方向緩衝板部（端部緩衝板部）
２０ ガスタービンのシール構造
２１ 緩衝材（第２の緩衝材本体）
２２ 外側緩衝板部
２３ 内側緩衝板部
２４ 圧縮ばね（弾性部材）
２５ 外側支持板部
２６ 内側支持板部
３０ ガスタービンのシール構造
３１ 緩衝材（第２の緩衝材本体）
３２ 外側緩衝板部
３３ 弾性支持部材（ばね）
３４ 固定具（固定手段）
１００ ガスタービンのシール構造
１０１ 張出部
１０２ 溝部
１０３ 張出部
１０４ 溝部
１０５ シール板組品
１０６ 外側シール板
１０７ 内側シール板
１０８ 廻り止め部材
１０９ 把持部材
１１０ 中間保持部材
１１１ 固定ネジ（固定ボルト）
１１３ 内切欠部
１１４ 外切欠部
２０１ ロータディスク
２０２ ロータディスク

Claims (2)

1. 複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入され、前記溝部に緩衝材が組み付けられて、前記シール板組品による前記溝部への負荷を抑制したガスタービンのシール構造であって、
   前記緩衝材は、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置され、当該溝部の上面部に沿って周方向に延在する外側緩衝板部と、前記外側緩衝板部に接続され、当該外側緩衝板部を前記溝部の上面部側へ弾性的に引き上げて支持する弾性支持部材と、前記弾性支持部材を前記他方のロータディスクの前記張出部の前記対向面に固定する固定手段とを備える
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。
2. 複数のロータディスクの隣接する面にロータ軸を囲んで互いに対向するように環状の張出部が形成され、前記張出部の対向面に周方向に沿って溝部が形成され、対向するロータディスクのうちの一方のロータディスクの対向面に切欠部が形成され、前記溝部に、複数の外側シール板と当該外側シール板の内周側に配置された複数の内側シール板とを廻り止め部材で一体化されたシール板組品の両端部が挿入されるとともに、前記廻り止め部材が前記切欠部に挿入され、前記溝部に緩衝材が組み付けられて、前記シール板組品による前記溝部への負荷を抑制したガスタービンのシール構造であって、
   前記緩衝材が、前記切欠部に配置される第１の緩衝材本体と、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置される第２の緩衝材本体とで構成され、
   前記第１の緩衝材本体が、前記溝部の上面部に沿って延在する半径方向緩衝板部を備え、
   前記第２の緩衝材本体が、前記一方のロータディスクに対向する他方のロータディスクの前記溝部に配置され、当該溝部の上面部に沿って周方向に延在する外側緩衝板部と、前記外側緩衝板部に接続され、当該外側緩衝板部を前記溝部の上面部側へ弾性的に引き上げて支持する弾性支持部材と、前記弾性支持部材を前記他方のロータディスクの前記張出部の前記対向面に固定する固定手段とを備える
   ことを特徴とするガスタービンのシール構造。

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