JP5675425B2 - シール構造及びガスタービンのバイパス空気量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸体を軸線方向に沿って進退動可能且つ首振り可能に支持するスリーブを備えると共に、スリーブと軸体との間並びにスリーブを支持する壁体とスリーブとの間をシールするシール構造、及びそのシール構造を採用したガスタービンのバイパス空気量制御装置に関する。

従来から、ガスタービンに設置され、燃焼器をバイパスして尾筒に導かれる空気の量を制御するバイパス空気量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このバイパス空気量制御装置は、尾筒に空気を導くように尾筒と１対１で対応した複数の開口を備えた環状の弁本体と、弁本体の一面に沿う回転方向に摺動可能となるように弁本体に保持され且つその摺動位置によって開口の開度を可変する環状のスライドリングと、タービン本体の一部を構成する壁体に形成された貫通穴を貫通して一端がスライドリングに連結された軸体と、軸体の他端を支持して軸体を軸線方向に沿って進退動させることでスライドリングを回転方向に変位させる駆動装置と、を備えている。

この際、軸体は、その一端はタービン本体の内部でスライドリングに連結され、その他端は高温高圧環境下から離れた位置、即ち、タービン本体の外部で駆動装置に連結されている。

これにより、軸体は、その中途部でタービン本体の内部と外部とに別れて位置する必要があることから、タービン本体の一部を構成する壁体に支持されたスリーブを貫通している。また、このスリーブは、軸体が軸線方向に沿う直線運動の進退動によってスライドリングを回転方向に摺動変位させることから、軸体を軸線方向に沿って進退動可能且つ首振り可能に支持しなければならない。

特開平１０−０２６３５３号公報

ところで、上述したスリーブは、タービンの熱効率改善の観点から、外部への漏れ空気量を低減するため、タービン本体の内部と外部との密閉性を確保する必要がある。

この際、スリーブは、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間、の双方の密閉性を確保する必要があるが、上述したバイパス空気量制御装置には、スリーブの内側と外側を十分にシールするシール構造の具体的な構成は開示されていなかった。

そこで、本発明は、軸体の軸線方向に沿う直線運動と軸線角度が可変する首振り運動とを許容しつつ、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間の密閉性を確保することができるシール構造及びそのシール構造を備えたガスタービンのバイパス空気量制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のシール構造は、低温の低圧側と高温の高圧側とに仕切る壁体に形成された貫通穴を貫通する軸体を軸線方向に沿って進退動可能且つ首振り可能に支持すると共に前記壁体と前記軸体との間をシールするシール構造であって、前記貫通穴の内部に設けられて前記軸体が貫通され且つ外周側に球面座が形成されたスリーブと、前記壁体に設けられて前記球面座が摺動可能に支持される凹面部と、前記球面座を前記凹面部に向けて付勢する付勢部材と、前記スリーブと前記軸体との間を封止する第一の封止部と、前記スリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止する第二の封止部と、を備え、前記第一の封止部及び前記第二の封止部は、いずれも前記球面座よりも低圧側に設けられ、前記スリーブは、前記球面座が形成され前記軸体が貫通されている第一のスリーブと、前記第一のスリーブよりも前記低圧側に配置され、前記軸体が貫通されている第二のスリーブと、を有し、前記第一の封止部は、前記第二のスリーブの内周面と前記軸体との間を封止し、前記第二の封止部は、前記第二のスリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止することを特徴とする。

本発明のガスタービンのパイパス空気量制御装置によれば、軸体の軸線方向に沿う直線運動と軸線角度が可変する首振り運動とを許容しつつ、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間の密閉性を確保することができる。

この際、前記第二の封止部は、一端が前記第二のスリーブに固定され、他端が前記壁体に固定されている金属ベローズを含んでもよい。

また、本発明のガスタービンのバイパス空気量制御装置は、燃焼器をバイパスして尾筒に導かれる空気の量を制御するガスタービンのバイパス空気量制御装置であって、前記尾筒に空気を導くように前記尾筒と１対１で対応した複数の開口を備えた環状の弁本体と、前記弁本体の一面に沿う回転方向に摺動可能となるように前記弁本体に保持され且つその摺動位置によって前記開口の開度を可変する環状のスライドリングと、タービン本体の一部を構成し、低温の低圧側と高温の高圧側とに仕切る壁体に形成された貫通穴を貫通して一端が前記スライドリングに連結された軸体と、該軸体の他端を支持して前記軸体を軸線方向に沿って進退動させることで前記スライドリングを回転方向に変位させる駆動装置と、前記貫通穴の内部に首振り可能に支持されて前記軸体が貫通され且つ外周側に球面座が形成されたスリーブと、前記壁体に設けられて前記球面座が摺動可能に支持される凹面部と、前記壁体と前記スリーブとの間に設けられて前記球面座を前記凹面部に向けて付勢する付勢部材と、前記スリーブと前記軸体との間を封止する第一の封止部と、前記スリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止する第二の封止部と、を備え、前記第一の封止部及び前記第二の封止部は、いずれも前記球面座よりも低圧側に設けられていることを特徴とする。

本発明のガスタービンのパイパス空気量制御装置によれば、軸体の軸線方向に沿う直線運動と軸線角度が可変する首振り運動とを許容しつつ、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間の密閉性を確保することができる。

本発明のシール構造は、軸体の軸線方向に沿う直線運動と軸線角度が可変する首振り運動とを許容しつつ、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間の密閉性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービンに適用されるバイパス空気量制御装置の正面図である。 本発明の参考例に係るバイパス空気量制御装置におけるシール構造の実施の形態１を示す要部の断面図である。 本発明の一実施形態に係るバイパス空気量制御装置におけるシール構造の実施の形態２を示す要部の断面図である。

次に、本発明の一実施形態に係るガスタービンについて、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明のガスタービンにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す縦断面図である。

図１において、ガスタービン１は、圧縮空気Ｃを生成する圧縮機２と、圧縮機２から供給される圧縮空気Ｃに燃料を供給して作動流体である燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器３と、燃焼器３から供給される燃焼ガスＧにより回転動力を発生させるタービン４と、タービン４を通過した燃焼ガスＧを排気する排気室５と、を圧縮空気Ｃ及び燃焼ガスＧの供給・排気方向の上流側から下流側に向けてこの順に備えている。また、ガスタービン１は、軸線Ｏを回転中心としてタービン４の周方向Ｒに回転するロータ６を備えている。

タービン４は、内部にタービン静翼８とタービン動翼９とを備え、ロータの軸方向に交互に配置されている。燃焼器で発生した燃焼ガスＧがロータ廻りに配設されたガスタービン動翼を回転させ、燃焼ガスの熱エネルギーが回転エネルギーに変換されて、電力として取り出される。

ガスタービン１は、図１に示すように、燃焼器の燃空比を調整するため、バイパス空気量制御装置１０を備えている。図２はバイパス空気量制御装置の一例を示す。

図２において、バイパス空気量制御装置１０は、尾筒３ａに空気を導くように尾筒３ａと１対１で対応した複数の開口１１ａを備えた環状の弁本体１１と、弁本体１１の一面に沿う回転方向に摺動可能となるように弁本体１１に保持され且つその摺動位置によって開口１１ａの開度を可変する開口１２ａを備えた環状のスライドリング１２と、タービン本体の一部を構成する壁体（例えば、燃焼器ケーシング３ｂ）１３を貫通して一端がスライドリング１２に連結された軸体１４と、を備えている。尚、軸体１４の他端は軸体１４の軸線方向に沿って進退動させることでスライドリング１２を回転方向に変位させるアクチュエータ等の駆動装置７に連結されている。

（参考例）
図３は本発明のシール構造の参考例を示す要部の断面図である。壁体１３は、その内側に形成された貫通穴１３ａに軸体１４が貫通するスリーブ１５が設けられている。
また、壁体１３の端面には軸体１４が貫通する受部材１６がボルト１７によって固定されている。

スリーブ１５は、壁体１３の内側から貫通穴１３ａを貫通しており、その外側の端部には球面座１５ａが形成されている。また、スリーブ１５の外周面と貫通穴１３ａの内周端面との間には、軸体１４の首振りに連動するスリーブ１５の首振りを許容するための隙間Ｇが存在している。尚、この隙間Ｇは、貫通穴１３ａの内径よりもスリーブ１５の外径を小さくすれば良い。また、スリーブ１５と壁体１３との間には、スリーブ１５を壁体１３の外部に向けて常時付勢する付勢部材としての皿バネ１８が設けられている。さらに、スリーブ１５の内周面と軸体１４の外周面との間には、封止部としての複数（四段）のグランドパッキン１９が設けられている。このグランドパッキン１９は、円筒状の押し金２０をスリーブ１５に螺合することによって増し締めされている。また、押し金２０には、受部材１６の外周側から挿入されたネジ２１が係合する凹部２０ａが形成されており、押し金２０が回り止めされている。

受部材１６は、外方からボルト１７によって壁体１３の端面に固定することにより、スリーブ１５に対して突き合せ状態で接触している。また、受部材１６には、球面座１５ａと対向する凹面部１６ａが形成されている。これにより、球面座１５ａと凹面部１６ａとは環状の線接触（メタルタッチ）によりシールされる。この際、球面座１５ａと凹面部１６ａとに加工上の誤差や熱膨張が発生しても、皿バネ１８の付勢によって確実なシール状態を確保することができる。さらに、受部材１６と軸体１４との間にもシール部材２２が設けられている。また、受部材１６と壁体１３との間には、密閉性を確保するためのガスケット２３が設けられている。

また、スリーブ１５と受部材１６との間には抽気パイプ２４の先端が臨んでおり、第二の封止部としてのシール部材２２と受部材１６との間に漏れた空気を排気ダクト（図示せず）へと逃がすことも可能である。

このように、参考例のシール構造によれば、軸線方向に沿う直線運動と首振り運動とを行う軸体１４とスリーブ１５とにおいて、軸体１４とスリーブ１５との間はグランドパッキン１９によりシールされる。また、スリーブ１５の外側は皿バネ１８の付勢によるスリーブ１５の球面座１５ａと壁体１３の凹面部１６ａとの接触によりシールされる。これにより、軸体１４とスリーブ１５との首振りを許容するために設けられたスリーブ１５と壁体１３との間の隙からの漏れが阻止される。

（実施の形態）
図４は本発明のシール構造の実施の形態を示す要部の断面図である。尚、壁体１３、軸体１４、受部材１６、ボルト１７、グランドパッキン１９に関しては、形状的な変更を除き、上記参考例と機能的には実質的に同一であるため、ここではその説明は省略する。

スリーブ２５は、壁体１３の内側から貫通穴１３ａを貫通しており、その外側の端部には球面座２５ａが形成されている。尚、実施の形態１と同様に、貫通穴１３ａの内周端面とスリーブ２５との間には、軸体１４の首振りに連動するスリーブ２５の首振りを許容するための隙間が存在している。尚、この隙間は、貫通穴１３ａの内径よりもスリーブ２５の外径を小さくすれば良い。さらに、スリーブ２５の先端には軸体１４の外周面と接する第二のスリーブ３５が設けられている。尚、この第二のスリーブ３５は、スリーブ２５と一体でも良いし、嵌め合い等による接続（同種材・異種材は問わない）でも良い。そして、この第二のスリーブ３５と軸体１４との間には、封止部としての複数（四段）のグランドパッキン１９が設けられている。尚、本実施の形態においては、グランドパッキン１９を増し締めする円筒状の押し金３０は、例えば、第二のスリーブ３５に設けられたハンドル部材２７との間でワイヤ３１で接続することにより回り止めされている。また、第二のスリーブ３５によってグランドパッキン１９及び押し金３０とを壁体１３の外部（低圧側）に離間状態で配置したことにより、高温環境下にある壁体１３の内部から離れた位置でシール構造を採用することができ、グランドパッキン１９に適用する材料（例えば、膨張黒鉛）による劣化を抑制し、シール性の確保（強度の確保）に貢献することができる。また、第二のスリーブ３５にグランドパッキン１９を設けたことにより、グランドパッキン１９の増し締めや交換が簡単になり、本装置のメンテナンス性が向上する。

一方、第二のスリーブ３５と受部材１６との間には、第二の封止部としての第二のシール部材３２が設けられている。

この第二のシール部材３２は、第二のスリーブ３５にネジ固定される内側ベース３２ａと、受部材１６にネジ固定される外側ベース３２ｂと、内側ベース３２ａと外側ベース３２ｂとに跨る金属ベローズ３２ｃと、を備えている。尚、第二のスリーブ３５と内側ベース３２ａとの間並びに軸部材１６と外側ベース３２ｂとの間には、密閉性を確保するためのガスケット３３，３４が設けられている。これにより、軸体１４とスリーブ２５とが首振り（傾動）した場合であっても、金属ベローズ３２ｃによって第二のシール部材３２の追従を許容することができる。また、第二のシール部材３２と受部材１６との間には抽気パイプ２４の先端が臨んでおり、第二のシール部材３２と受部材１６との間に漏れた空気を排気ダクト（図示せず）へと逃がすことも可能である。

このように、本発明のシール構造によれば、軸線方向に沿う直線運動と首振り運動とを行う軸体１４とスリーブ２５，３５とにおいて、軸体１４と第二のスリーブ３５との間はグランドパッキン１９によりシールされている。また、スリーブ２５の外側は皿バネ１８の付勢によるスリーブ１５の球面座１５ａと壁体１３の凹面部１６ａとの接触によりシールされる。これにより、軸体１４とスリーブ２５との首振りを許容するために設けられたスリーブ２５と壁体１３との間の隙からの漏れが阻止される。さらに、第二のスリーブと受部材１６との間は第二のシール部材３２によってシールされている。

したがって、本発明のシール構造は、軸体の軸線方向に沿う直線運動と軸線角度が可変する首振り運動とを許容しつつ、軸体とスリーブとの間並びにスリーブと壁体との間の密閉性を確実に確保することができるという効果が得られる。

１…ガスタービン
１３…壁体
１３ａ…貫通穴
１４…軸体
１５…スリーブ
１５ａ…球面座
１６…受部材
１６ａ…凹面部
１８…皿バネ（付勢部材）
１９…グランドパッキン（封止部）
２２…シール部材（第二の封止部）
３２…第二のシール部材（第二の封止部）

Claims (5)

1. 低温の低圧側と高温の高圧側とに仕切る壁体に形成された貫通穴を貫通する軸体を軸線方向に沿って進退動可能且つ首振り可能に支持すると共に前記壁体と前記軸体との間をシールするシール構造であって、
   前記貫通穴の内部に設けられて前記軸体が貫通され且つ外周側に球面座が形成されたスリーブと、
   前記壁体に設けられて前記球面座が摺動可能に支持される凹面部と、
   前記球面座を前記凹面部に向けて付勢する付勢部材と、
   前記スリーブと前記軸体との間を封止する第一の封止部と、
   前記スリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止する第二の封止部と、
   を備え、
   前記第一の封止部及び前記第二の封止部は、いずれも前記球面座よりも低圧側に設けられ、
   前記スリーブは、前記球面座が形成され前記軸体が貫通されている第一のスリーブと、前記第一のスリーブよりも前記低圧側に配置され、前記軸体が貫通されている第二のスリーブと、を有し、
   前記第一の封止部は、前記第二のスリーブの内周面と前記軸体との間を封止し、
   前記第二の封止部は、前記第二のスリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止することを特徴とするシール構造。
2. 前記第二の封止部は、一端が前記第二のスリーブに固定され、他端が前記壁体に固定されている金属ベローズを含むことを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 燃焼器をバイパスして尾筒に導かれる空気の量を制御するガスタービンのバイパス空気量制御装置であって、
   前記尾筒に空気を導くように前記尾筒と１対１で対応した複数の開口を備えた環状の弁本体と、
   前記弁本体の一面に沿う回転方向に摺動可能となるように前記弁本体に保持され且つその摺動位置によって前記開口の開度を可変する環状のスライドリングと、
   タービン本体の一部を構成し、低温の低圧側と高温の高圧側とに仕切る壁体に形成された貫通穴を貫通して一端が前記スライドリングに連結された軸体と、
   該軸体の他端を支持して前記軸体を軸線方向に沿って進退動させることで前記スライドリングを回転方向に変位させる駆動装置と、
   前記貫通穴の内部に首振り可能に支持されて前記軸体が貫通され且つ外周側に球面座が形成されたスリーブと、
   前記壁体に設けられて前記球面座が摺動可能に支持される凹面部と、
   前記壁体と前記スリーブとの間に設けられて前記球面座を前記凹面部に向けて付勢する付勢部材と、
   前記スリーブと前記軸体との間を封止する第一の封止部と、
   前記スリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止する第二の封止部と、
   を備え、
   前記第一の封止部及び前記第二の封止部は、いずれも前記球面座よりも低圧側に設けられていることを特徴とするガスタービンのバイパス空気量制御装置。
4. 前記スリーブは、前記球面座が形成され前記軸体が貫通されている第一のスリーブと、前記第一のスリーブよりも前記低圧側に配置され、前記軸体が貫通されている第二のスリーブと、を有し、
   前記第一の封止部は、前記第二のスリーブの内周面と前記軸体との間を封止し、
   前記第二の封止部は、前記第二のスリーブの外周面と前記貫通穴の内壁との間を封止することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンのバイパス空気量制御装置。
5. 前記第二の封止部は、一端が前記第二のスリーブに固定され、他端が前記壁体に固定されている金属ベローズを含むことを特徴とする請求項４に記載のガスタービンのバイパス空気量制御装置。

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