JP6184173B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、タービン動翼とケーシングの間隙から作動流体が漏洩することを低減するために設けられる被削性のハニカムシールを備えたガスタービンに関する。

主に圧縮機、燃焼器、およびタービンから構成されるガスタービンにおいて、回転軸に設けられたタービン動翼と静止しているケーシング側に設けられた静翼との間には高温の燃焼ガスが流れる。タービンの性能上は、タービン動翼の先端部等からこの燃焼ガスが漏れないようにすることが望ましい。このため、薄板を加工して台形が交互に連続する波形に形成し、複数の波形薄板をそれぞれの隔壁同士で重ね合わせ、隔壁同士をろう付けすることによって、略六角形の多数の空間を備えた被削性のハニカムシールを製作し、このハニカムシールをケーシング側に固定したガスタービンが一般に用いられている。

図７は、被削性のハニカムシールＨを用いたガスタービン動翼Ｂの先端部のシール構造を例示した模式図である。ハニカムシールＨは、ケーシングＣ側のシュラウドＳにおいて、回転するタービン動翼Ｂの先端に設けられたシールフィンＦに対向する部分に固定されている。そして、シールフィンＦの先端部とハニカムシールＨとの間隙（クリアランス）を最小限に維持することによって、タービン動翼Ｂの先端における燃焼ガスの漏れをシールするものである。

図８で示すように、一般にハニカムシールＨでは、台形が交互に連続するように加工された波形薄板Ｐがそれぞれの隔壁Ｋ同士で重ね合わされ、この隔壁Ｋ同士がろう付けされることによって（ろう付け箇所Ｒ）相互に固定されてその全体が構成されている。

このハニカムシールＨは、タービン動翼Ｂに対して相対的に柔らかい材料で形成されており、回転中のタービン動翼Ｂが熱膨張によって回転軸に直交する径方向に伸長した際に自身と接触し、タービン動翼Ｂの先端にあるシールフィンＦによって容易に削られることでタービン動翼Ｂの損傷や振動を回避しながら、タービン動翼Ｂとの間隙を一定に保つことで燃焼ガスの漏れを抑制するものである。

ところで、ケーシングＣ側のシュラウドＳに対するハニカムシールＨの固定に関しては、図８で示すようにろう付け箇所Ｒを介して隔壁Ｋの長手方向（図８のＹ１方向でろう付け箇所Ｒの長手方向でもある）がタービン動翼Ｂの回転方向（図８のＺ方向）となるように固定されているのが一般的である。その理由は、プレス加工等によって形成された波形薄板Ｐをタービン動翼Ｂの回転方向となるようにシュラウドＳに固定することで、波形薄板Ｐの固定加工性がよく、製造効率が高くなるためである。

しかしながら、このようなハニカムシールＨの固定形態においては、シールフィンＦがハニカムシールＨを被削する際に被削する隔壁Ｋの長さやろう付け箇所Ｒの長さが長くなることから、シールフィンＦによる被削性を低下させることになる。

シールフィンＦによるハニカムシールＨの被削性は、回転するシールフィンＦがろう付け箇所Ｒと接触する状況になると、波形薄板Ｐのみと接触する場合よりも大幅に低下する。実際には、シールフィンＦの厚みは２つの隔壁Ｋの厚みにろう付け箇所Ｒの厚みを加えた厚み以上であることから、シールフィンＦが２つの隔壁Ｋとその間のろう付け箇所Ｒを同時にそれらの長手方向に沿って被削することになる。

図８で示すように、ハニカムシールＨのろう付け箇所Ｒは隔壁Ｋが台形の一辺であることから直線状になっているが、ろう付け箇所Ｒの長手方向とタービン動翼Ｂ（およびシールフィンＦ）の回転方向に伴うシールフィンＦの摺動方向がほぼ同一方向になっていることから、シールフィンＦが被削性の低いろう付け箇所Ｒと接触して摺動する距離が長くなる。しかも、ろう付け箇所Ｒの長手方向がシールフィンＦの摺動に対して自立して対向する形態となっていることからも、シールフィンＦによる被削性が低下する。

このため、場合によっては、ろう付け箇所ＲによってシールフィンＦが削られて摩滅してしまう恐れがある。そして、シールフィンＦが摩滅してしまうと、摩耗箇所からの燃焼ガスの漏れが増大してしまい、ガスタービンの性能低下に直結する。

そこで、この問題に対処する方策として、特許文献１では、ハニカムシールのろう付け箇所を基材側の一部に限定してシールフィンとろう付け箇所が直接摺動しない構造が提案されており、特許文献２では、ハニカムシールの材料に動翼材の軟化温度よりも低い融点を有する材料を用いる技術が提案されている。

しかしながら、これらの従来技術では、特殊な形状や材質のハニカムシールが必要となり、経済性や被削性、耐久性の点で問題がある。

また、特許文献３には、ハニカムシールの先端部によって形成される包絡面の断面を示す線であるハニカムシール断面線に対して、ハニカムシールの壁の断面であるハニカム壁断面が斜めに傾いて延伸している密封装置が開示されている。

特開２０１１-２２６５５９号公報 特開２００２-３０９９０２号公報 特開２００５-１６３６９３号公報

特許文献３で開示される技術は、静止部材と回転部材の間の流体の漏れ量を低減することを目的としたものであり、ケーシング等の静止部材から立ち上がるハニカムシールの壁を単に傾斜させたに過ぎず、上記する課題、すなわち、ハニカムシールのろう付け箇所によってタービン動翼のシールフィンが削られて摩滅するといった課題を解消するには至らない。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ハニカムシールのろう付け箇所によってタービン動翼のシールフィンが削られて摩滅するのを解消することのできるガスタービンを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるガスタービンは、圧縮機、燃焼器、およびタービンから構成されるガスタービンの該タービンにおいて、ケーシングと、前記ケーシングの長手方向に延設する回転軸の周りで回転するタービン動翼との間の隙間にはハニカムシールが前記ケーシング側に固定されて配設されており、前記タービン動翼の前記ハニカムシールに対向する端面には前記回転軸に直交する方向に延設するシールフィンが設けてある、ガスタービンであって、前記ハニカムシールは、台形が交互に連続する複数の波形薄板がそれぞれの隔壁同士で重ね合わされ、前記隔壁同士がろう付けされて形成されたろう付け箇所を有し、前記タービン動翼の前記回転方向に対して、前記ハニカムシールの前記隔壁の長手方向が傾斜しており、前記ハニカムシールの前記隔壁および隔壁間の前記ろう付け箇所は、前記回転軸に直交する鉛直軸に対して前記タービン動翼の前記回転方向にある逃げ角で傾斜しているものである。

本発明のガスタービンによれば、ハニカムシールを構成する波形薄板の隔壁の長手方向、すなわち、隔壁同士を固定するろう付け箇所の長手方向がタービン動翼の回転方向に対して傾斜していることにより、タービン動翼およびシールフィンによるハニカムシールの被削性を向上させることができ、ハニカムシールによるシールフィンの摩滅を抑制することができる。

本発明のガスタービンの全体構成を示した模式図であり、中心線の上図は縦断面図である。 図１のII部を拡大した図であって、ケーシング側のシュラウドとタービン動翼およびシールフィンを示した図である。 ハニカムシールを示した模式図であり、ハニカムシールとタービン動翼の回転方向の関係その１（ハニカムシールの固定構造の実施の形態１）を説明した図である。 ハニカムシールとタービン動翼の回転方向の関係その２（ハニカムシールの固定構造の実施の形態２）を説明した図である。 ハニカムシールの固定構造の実施の形態３を説明した図である。 シールフィンの他の実施の形態を説明した図であって、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は図６ａのｂ矢視図である。 従来のガスタービンにおける、ケーシング側のシュラウドとタービン動翼およびシールフィンを示した図である。 図７で適用されるハニカムシールを示した図であり、さらに、ハニカムシールとタービン動翼の回転方向の関係を説明した図である。

以下、図面を参照して本発明のガスタービンの実施の形態を説明する。

（ガスタービンの実施の形態）
＜ガスタービンの全体構成＞
図１は本発明のガスタービンの全体構成を示した模式図であり、中心線の上図は縦断面図であり、図２は図１のII部を拡大した図であって、ケーシング側のシュラウドとタービン動翼およびシールフィンを示した図である。

図１で示すように、ガスタービン１００は、吸い込んだ空気（Ｘ方向）を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１０と、圧縮機１０からの圧縮空気を燃料とともに燃焼して高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、この燃焼ガスが噴射されて駆動するタービン３０とから大略構成されている。

タービン３０で得られた動力は、回転軸４に連結された不図示の発電機等に伝達されてこの発電機等を駆動するとともに、圧縮機１０の駆動力にも供されるようになっている。

タービン３０は、圧縮機１０や燃焼器２０の一部を収容するケーシング１の中心に回転軸線Ｌ１（ケーシング１の長手方向軸）を中心に回転軸４を回転自在に備えており、回転軸４の周囲に複数のタービン動翼５Ａ，５Ｂ、５Ｃが取り付けられている。

タービン静翼３Ａ，３Ｂ，３Ｃはケーシング１の内壁側に固定されており、これらタービン静翼３Ａ，３Ｂ，３Ｃと回転軸４の周囲に固定されているタービン動翼５Ａ，５Ｂ、５Ｃが回転軸線Ｌ１の方向に交互に各段落に設けられている。なお、図示例のガスタービン１００においては、タービン３０は３段の翼列を有する一軸式のタービンであり、第１段の静翼３Ａ、第２段の静翼３Ｂおよび第３段の静翼３Ｃと、第１段の動翼５Ａ、第２段の動翼５Ｂおよび第３段の動翼５Ｃを備えている。ただし、本発明のガスタービンは一軸式のガスタービンに限定されるものでなく、高圧タービンや低圧タービンを備えた二軸式タービンに適用されてもよいし、さらに、段落数も３段に限定されるものではない。

また、図２に示すように、各段落のタービン動翼５Ａ〜５Ｃとケーシング１との間には、高温高圧の燃焼ガスの流路外周壁を形成して燃焼ガスが直接ケーシング１に接触するのを防止するためのシュラウド２が動翼の回転方向に亘って環状に、複数段設けられている。

これらシュラウド２はケーシング１の内壁に固定され、静翼３Ａ〜３Ｃは、この複数段のシュラウド２に跨って支持されている。

タービン動翼５Ａ〜５Ｃは、燃焼ガスの流れ方向下流側の後段にいくにつれて翼長が長くなっており、ガス流れを受けた際の翼の振動応力や曲げ応力に対する強度は後段にいくにつれて低下する傾向にある。そこで、たとえば第２段のタービン動翼５Ｂと第３段のタービン動翼５Ｃの翼先端には環状のシュラウドカバー５Ｂ’、５Ｃ’がそれぞれ設けられ、動翼５Ｂ，５Ｃの回転方向（周方向）に隣接するタービン翼５Ｂ，５Ｃ同士をシュラウドカバー５Ｂ’、５Ｃ’で一体とすることで各翼列の剛性を高める構成としている。

各動翼５Ａ〜５Ｃとシュラウド２の間の間隙はガスタービンの性能上可及的に狭いことが望ましい。そこで、シュラウドカバー５Ｂ’，５Ｃ’の径方向外側面には、シュラウド２側に突出するように動翼回転方向とほぼ平行に略直線状のシールフィン６が設けてある。

ところで、このシールフィン６とシュラウド２の間の間隙が小さ過ぎると、運転中の熱膨張でタービン動翼５Ａ〜５Ｃの翼長が伸長した際に、シールフィン６とシュラウド２が接触してタービン動翼５Ａ〜５Ｃの破損や損傷を来す恐れがある。そこで、シュラウド２の内周側において、シールフィン６に対して径方向外側に間隙をもって対向するハニカムシール７が固定されている。

次に、以下、ハニカムシールとそのシュラウドに対する固定構造の実施の形態を詳細に説明する。

＜ハニカムシールとその固定構造の実施の形態１＞
図３はハニカムシールを示した模式図であり、ハニカムシールとタービン動翼の回転方向の関係その１（ハニカムシールの固定構造の実施の形態１）を説明した図である。

ハニカムシール７は、台形状の凹凸が交互に連続する波形薄板７１が複数接合されることにより、略六角形の空隙と隔壁から構成される蜂の巣状が連続した六角形状のハニカム構造体を呈しており、この六角形状のハニカム構造体がシュラウド２にろう付けて構成されたものである。

ハニカムシール７を製造する際には、薄板材料をプレス成形した波形薄板７１を溶接、ろう付け等によって接合して六角形状のハニカム構造体を形成する。その後、シュラウド２の貼付面とハニカム構造体の間にシート状のろう材を挟み込み、この状態のままで炉内にて加熱処理してシート状のろう材を溶融させる。この熱処理により、隣接する波形薄板７１の隔壁７１ａ間には、毛管現象によって微小隙間を通って溶融したシート状のろう材が浸入して硬化し、隔壁７１ａ間にろう付け箇所７２が形成される。そして、このろう付け箇所７２により、シールフィン６と接触するハニカムシール面を形成するハニカムシール７の剛性が確保されることになる。

このろう付け箇所７２では、波形薄板７１の隔壁７１ａの先端までろう材が浸入しており、隔壁７１ａ同士を強固に接合してハニカムシール７の形状と剛性の保持が図られる。

図３で示すように、シュラウド２に対するハニカムシール７の固定形態においては、隔壁７１ａの長手方向（Ｙ１方向であり、ろう付け箇所７２の長手方向でもある）と、タービン動翼５Ａ〜５Ｃの回転方向（Ｚ方向）の間の角度θが90度に設定されている。

図８で示す従来のハニカムシールＨの固定形態と比較すると理解が容易となるが、図３で示すハニカムシール７の固定形態を適用することで、タービン動翼先端のシールフィン６がハニカムシール７と接触してこれを被削する際に、シールフィン６は、ハニカムシール７を構成する２つの隔壁７１ａの厚み方向を通過し、隔壁７１ａ間のろう付け箇所７２の厚み方向を通過することになる。

すなわち、シールフィン６は、隔壁７１ａを最短で通過し、かつ、ろう付け箇所７２も最短で通過することになる。

このようにシールフィン６がハニカムシール７の隔壁７１ａおよびろう付け箇所７２の最短部を被削すること、特に硬質なろう付け箇所７２の最短部を被削することによって、このハニカムシール７の被削の際にシールフィン６が破損や損傷するといった問題は効果的に解消される。

なお、図示するハニカムシール７の固定構造は、ハニカムシール７の配設態様を変更した簡易な構造改良によるものであることから、この構造改良によってタービンの製造コストが増加することはない。

＜ハニカムシールの固定構造の実施の形態２＞
図４は、ハニカムシールとタービン動翼の回転方向の関係その２（ハニカムシールの固定構造の実施の形態２）を説明した図である。

同図で示すハニカムシールの配設形態は、隔壁７１ａの長手方向（Ｙ１方向）と、タービン動翼５Ａ〜５Ｃの回転方向（Ｚ方向）の間の角度θが30度以上で90度未満の範囲に設定されたものである。

角度θが90度の場合よりも、シールフィン６が隔壁７１ａやろう付け箇所７２を被削する長さは長くなるものの、本発明者等の検証によれば、角度θが30度以上の範囲にあることでシールフィン６の破損防止効果が十分に得られることが分かっている。

＜ハニカムシールの固定構造の実施の形態３＞
また、図５は、ハニカムシールの固定構造の実施の形態３を説明した図である。

同図で示すハニカムシールの固定構造は、たとえば図３，４で示すように、ハニカムシール７の固定形態において、隔壁７１ａの長手方向（Ｙ１方向）とタービン動翼５Ａ〜５Ｃの回転方向（Ｚ方向）の間の角度θが30度以上で90度以下の範囲に設定されていることに加えて、さらに、隔壁７１ａやろう付け箇所７２が、回転軸４に直交する鉛直軸Ｌ２に対してタービン動翼の回転方向（Ｚ方向）に15度〜45度の範囲の逃げ角θ’で傾斜しているものである。

本発明者等の検証によれば、ハニカムシール７がこのような角度範囲でタービン動翼の回転方向に傾斜した逃げ角をさらに有していることで、シールフィン６がハニカムシール７を被削する際にシールフィン６が受ける荷重をさらに低減することができ、その破損防止効果をさらに高めることができることが分かっている。

＜シールフィンの他の実施の形態＞
次に、シールフィンの他の実施の形態を説明する。図６は、シールフィンの他の実施の形態を説明した図であって、図６（ａ）は側面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ矢視図である。

図６（ａ），（ｂ）で示すように、シールフィン６’はその一部に、硬質材（耐摩耗合金やセラミックスなど）が肉盛されてなる増厚部６ａを備えたものである。

このように硬質材からなる増厚部６ａをその側壁から左右に突設させることで、ハニカムシール７の被削性を一層向上させることができる。

なお、図示を省略するが、図６（ａ）で示すシールフィンの上端面において、上方に突出する突起をさらに備えた形態のシールフィンを適用してもよい。

また、シールフィンの全周に硬質材からなるコーティング層を形成してもよい。

[本発明によるガスタービンを構成するハニカムシールとその固定構造による効果を確認した実験とその結果]
本発明者等は、図３で示すハニカムシールの固定構造、具体的には、波形薄板の隔壁の長手方向と、タービン動翼の回転方向の間の角度θが90度に設定されている形態の固定構造を製作し、ハニカムシールを被削する際にシールフィンに作用する荷重を測定する実験をおこなった。

図８で示す従来の固定構造も製作してこれを比較例とし、同様の実験をおこない、その際のシールフィンに作用する荷重を測定した。

双方の測定値を比較した結果、図８で示す比較例の場合のシールフィンに作用する最大荷重に対し、図３で示す固定構造の場合にシールフィンに作用する最大荷重はおよそ1/2となることが分かり、被削性の向上効果、およびシールフィンの破損防止効果が十分に期待できることが実証されている。

本発明者等はさらに、図３の固定構造に加えて図５で示す逃げ角を有する構造のハニカムシールを製作し、シールフィンに作用する最大荷重を測定する実験をおこなった。

この実験では、逃げ角θ’が15度〜45度に順次変化するハニカムシールをそれぞれ製作し、それぞれのハニカムシールを適用した際のシールフィンに作用する最大荷重を測定している。

その結果、図３で示す角度θが90度で逃げ角θ’がゼロの場合は、上記するように図８で示す従来構造の場合に比してシールフィンに作用する最大荷重が1/2程度であったのに対して、逃げ角θ’が15度の場合には、シールフィンに作用する最大荷重をさらに5%程度低減できることが分かった。また、逃げ角θ’が45度の場合には、シールフィンに作用する最大荷重をさらに30%程度低減できることが分かった。

本実験結果より、図示するハニカムシールの固定構造を適用することにより、被削性の向上効果とシールフィンの破損防止効果が得られることが確認されている。

１…ケーシング、２…シュラウド、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…タービン静翼（静翼）、４…回転軸、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…タービン動翼（動翼）、５Ａ’、５Ｂ’… 環状のシュラウドカバー、６，６’…シールフィン、６ａ…増厚部、７…ハニカムシール、７１…波形薄板、７１ａ…隔壁、７２…ろう付け箇所、１０…圧縮機、２０…燃焼器、３０…タービン、１００…ガスタービン、Ｙ１…隔壁の長手方向、Ｚ…動翼の回転方向、Ｌ１…回転軸線、Ｌ２…回転軸に直交する鉛直軸

Claims (6)

1. 圧縮機、燃焼器、およびタービンから構成されるガスタービンの該タービンにおいて、ケーシングと、前記ケーシングの長手方向に延設する回転軸の周りで回転するタービン動翼との間の隙間にはハニカムシールが前記ケーシング側に固定されて配設されており、前記タービン動翼の前記ハニカムシールに対向する端面には前記回転軸に直交する方向に延設するシールフィンが設けてある、ガスタービンであって、
   前記ハニカムシールは、台形が交互に連続する複数の波形薄板がそれぞれの隔壁同士で重ね合わされ、前記隔壁同士がろう付けされて形成されたろう付け箇所を有し、
   前記タービン動翼の前記回転方向に対して、前記ハニカムシールの前記隔壁の長手方向が傾斜しており、
   前記ハニカムシールの前記隔壁および隔壁間の前記ろう付け箇所は、前記回転軸に直交する鉛直軸に対して前記タービン動翼の前記回転方向にある逃げ角で傾斜しているガスタービン。
2. 前記隔壁の長手方向の傾斜している角度が30度〜90度の範囲である請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記隔壁の長手方向の傾斜している角度が90度である請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記隔壁の前記逃げ角が15度〜45度の範囲である請求項１に記載のガスタービン。
5. 前記シールフィンの一部には硬質材が肉盛されてなる増厚部が形成されている請求項１に記載のガスタービン。
6. 前記シールフィンの表面には硬質材がコーティングされている請求項１に記載のガスタービン。

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