JP6366180B2 - シール構造 - Google Patents

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Description

本発明は、シール構造に関する。
ガスタービンでは、圧縮機で加圧された空気を燃焼器で燃料と混合して高温の流体である燃焼ガスを発生させ、静翼及び動翼が交互に配設されたタービンの燃焼ガス流路内に導入する。ガスタービンでは、燃焼ガス流路内を流通する燃焼ガスによって動翼及びロータを回転させることにより、燃焼ガスのエネルギーを回転エネルギーとして出力するとともに、圧縮機や発電機に回転駆動力を与えている。
燃焼器の尾筒とタービンの第一段静翼のシュラウドとの間には、熱膨張による接触を防ぐために隙間が設けられている。この隙間には、車室空気が燃焼ガス流路内に漏れ出すことを防止するために、シール部材が設けられている（例えば、特許文献１）。
また、ガスタービンを構成する各部品の燃焼ガスに曝される面には、耐熱性を向上させるための耐熱被膜部として遮熱コーティング材（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。この遮熱コーティング材は、燃焼ガスに曝されて高温となる領域に施されており、燃焼ガス流路に面するガスパス面だけでなく、ガスパス面と交差する側壁面の燃焼ガス流路側にも施されている。
特開２００９−１６７９０５号公報
ところで、このようなガスタービンでは、ガスタービンが停止している状態よりも定常運転している状態の方が、尾筒、動翼、静翼、ケーシング等のガスタービンを構成する部材の温度が高くなっている。ガスタービンの起動時に温度が上昇していく過程では、ガスタービンを構成する部材の温度の違いにより、熱伸び差が生ずる。このため、ガスタービンが停止している状態から定常運転している状態となるまでの間でガスタービンの運転状況に応じて、各部材間のクリアランスが変動する。そのため、隣接する部品同士が熱伸び差によってクリアランスが狭くなり、対向する側壁面同士が互いに接触し、遮熱コーティング材が剥離してしまう等の事象が生じて耐熱被膜部が損傷してしまうおそれがある。
本発明は、隣接する部材同士が接触しても、耐熱被膜部が損傷してしまうことが回避可能なシール構造を提供する。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様におけるシール構造は、ロータ軸の周りに形成される燃焼ガス流路に面して配置される第一部材と、前記第一部材に隣接し、前記燃焼ガス流路に面して配置される第二部材と、前記第一部材の第一端面と前記第一端面と対向する前記第二部材の第二端面との間で、前記燃焼ガス流路の外側に配置され、前記第一部材及び前記第二部材に係合する第三部材と、前記第一端面及び前記第二端面の少なくとも一方の前記燃焼ガス流路側に形成される耐熱被膜部と、前記燃焼ガス流路に対して前記耐熱被膜部よりも外側で前記第一端面及び前記第二端面に配置され、前記第一部材及び前記第二部材が互いに接近する方向に相対移動した場合に、前記耐熱被膜部と対向する前記第一端面及び前記第二端面の少なくとも一方の面と前記耐熱被膜部との間に隙間が形成された状態で、前記第一部材及び前記第二部材に対して直接的に又は前記第三部材を介して間接的に接触して前記相対移動を規制する接触部と、を備え、前記第一部材は、燃焼器であり、前記第二部材は、前記燃焼器に対してロータ軸方向下流側に配置された静翼であり、前記第三部材は、前記燃焼ガス流路の外側に配置されたシール部材であり、前記シール部材は、前記静翼のロータ軸方向上流側を向く前縁部に対して、ロータ軸方向上流側の位置を含んで、前記ロータ軸を基準として周方向の一定の領域に形成されている冷却流路と、前記周方向に複数設けられ、前記冷却流路を流れる冷却空気が排出される開口が形成されている第三端面と、を備える。
このような構成によれば、第一端面と第二端面とが接触する前に、接触部が第一端面及び前記第二端面又は第三部材を介して少なくとも一方の耐熱被膜部が形成されていない部材に接触する。そのため、接触部が第一端面及び前記第二端面に直接的又は第三部材を介して間接的に接触した位置よりもさらに第一端面と第二端面とが近づかないように、第一部材と第二部材との相対移動を規制することができる。これにより、第一部材の耐熱被膜部が形成された第一端面と、第一部材と隣接する第二部材の耐熱被膜部が形成された第二端面とが接触することを防ぐことができる。
このような構成によれば、第一部材を燃焼器とし、第二部材を燃焼器に対してロータ軸方向下流側に隣接する静翼とし、第三部材を燃焼器と静翼との間に配置されるシール部材とすることで、燃焼器の出口付近の耐熱被膜部を保護できるシール構造を容易に適用することができる。
このような構成によれば、燃焼ガス流路に流入した燃焼ガスが衝突することで巻き込まれた燃焼ガスにより高温となりやすい前縁部付近のシール部材を効果的に冷却することができる。具体的には、前縁部に対して燃焼ガスが衝突することで、周方向の他の部分よりも前縁部のロータ軸方向上流側の部分の方が、より高温となってしまう。したがって、前縁部のロータ軸方向上流側のシール部材に開口を備えた冷却流路を設けることで、より高温となる部分に冷却空気を効率的に供給してシール部材を冷却することができる。その結果、シール部材を冷却するために冷却流路を流通させる冷却空気の流量をより抑えることができる。
また、上記シール構造では、前記シール部材は、前記第三端面よりロータ軸方向下流側に突出し、ロータ軸方向下流側を向く面である第四端面が形成されている隙間形成部を備えていてもよい。
このような構成によれば、隙間形成部が、第三端面よりロータ軸方向下流側に突出するので、冷却空気が排出する開口を閉塞させることはなく、シール部材が安定して冷却される。
また、上記シール構造では、前記第四端面は、前記静翼のロータ軸方向上流側を向く前記第二端面の接触部に対向して配置されていてもよい。
このような構成によれば、開口が配置された第三端面と、ロータ軸方向下流側で対向する静翼側の側端面との間隔が狭くなっても、開口が閉塞されてしまう前に側端面の接触部が、第四端面に接触する。これにより、開口の前方の空間を安定して確保でき、端面と側端面との間隔が狭くなっても必要な冷却空気を安定して開口から排出し続けることができる。
この発明に係るシール構造によれば、接触部において隣接する部材の対向する面との接触を防ぎ、耐熱被膜部が損傷してしまうことを防止することができる。
本発明の実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面である。 本発明の実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明の第一実施形態におけるシール構造を説明する要部拡大図である。 本発明の第一実施形態における軸方向下流側から見たシール部材を説明する要部拡大図である。 本発明の第一実施形態におけるシール部材の開口の位置を説明する概略図である。 図４におけるＶＩ−ＶＩ断面を説明する断面図である。 本発明の第二実施形態における分割環を説明する要部拡大図である。 本発明の第二実施形態におけるシール構造を説明する要部断面図である。
《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図６を参照して説明する。
ガスタービン１は、図１及び図２に示すように、外気を圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機１０と、燃料を圧縮空気Ａに混合して燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器２０と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン３０と、を備えている。
タービン３０は、ケーシング３１と、このケーシング３１内でロータ軸Ａｒを中心として回転するタービンロータ３３とを備えている。このタービンロータ３３は、例えば、このタービンロータ３３の回転で発電する発電機（不図示）と接続されている。
圧縮機１０は、タービン３０に対して、ロータ軸Ａｒの一方側に配置されている。タービン３０のケーシング３１は、ロータ軸Ａｒを中心として円筒状をなしている。圧縮機１０では、圧縮空気Ａの一部を冷却空気としてタービン３０や燃焼器２０に供給している。複数の燃焼器２０は、ロータ軸Ａｒに対する周方向Ｄｃに互いの間隔をあけて、このケーシング３１に取り付けられている。
ここで、ロータ軸Ａｒが延びている方向をロータ軸方向Ｄａとする。さらに、ロータ軸方向Ｄａであって、燃焼器２０に対してタービン３０が配置されている側を下流側、その反対側を上流側とする。
また、ロータ軸Ａｒを基準とした周方向Ｄｃを単に周方向Ｄｃ、このロータ軸Ａｒを基準とした径方向Ｄｒを単に径方向Ｄｒとする。
また、径方向Ｄｒであって軸線Ａｃから遠ざかる側を径方向Ｄｒ外側、その反対側を径方向Ｄｒ内側とする。
タービンロータ３３は、図２に示すように、ロータ軸Ａｒを中心として、ロータ軸方向Ｄａに延びているロータ本体３４と、ロータ軸方向Ｄａに並んでロータ本体３４に取り付けられている複数の動翼列３５と、を有している。各動翼列３５は、いずれも、ロータ軸Ａｒに対して周方向Ｄｃに並んでロータ軸Ａｒに取り付けられている複数の動翼３６を有している。動翼３６は、径方向Ｄｒに延びる動翼本体３７と、この動翼本体３７の径方向Ｄｒ内側に設けられているプラットフォーム３８と、このプラットフォーム３８の径方向Ｄｒ内側に設けられている翼根３９とを有している。動翼３６は、この翼根３９がロータ本体３４に埋め込まれることで、ロータ本体３４に固定されている。
複数の動翼列３５の各上流側には、静翼列４０が配置されている。各静翼列４０は、いずれも、複数の静翼４１が周方向Ｄｃに並んで構成されている。各静翼４１は、いずれも、径方向Ｄｒ外側に延びる静翼本体４２と、静翼本体４２の径方向Ｄｒ外側に設けられている外側シュラウド４３と、静翼本体４２の径方向Ｄｒ内側に設けられている内側シュラウド４５と、を有している。
動翼列３５及び静翼列４０の径方向Ｄｒ外側であって、ケーシング３１の径方向Ｄｒ内側には、ロータ軸Ａｒを中心として円筒状の翼環５０が配置されている。この翼環５０は、ケーシング３１に固定されている。静翼４１の外側シュラウド４３と翼環５０とは、遮熱環５２により連結されている。
ロータ軸方向Ｄａで隣接する静翼列４０の外側シュラウド４３同士の間には、ロータ軸Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んだ複数の分割環６０が配置されている。周方向Ｄｃに並んだ複数の分割環６０は環状をなし、その径方向Ｄｒ内側には、動翼列３５が配置されている。周方向Ｄｃに並んだ複数の分割環６０は、いずれも、遮熱環５２により翼環５０に連結されている。
後述する燃焼器２０の尾筒２１内やタービン３０のケーシング３１内には、燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路Ｐｇが形成されている。タービン３０のケーシング３１内の燃焼ガス流路Ｐｇは、静翼列４０を構成する複数の静翼４１の内側シュラウド４５及び外側シュラウド４３と、その下流側の動翼列３５を構成する複数の動翼３６のプラットフォーム３８及びこれに対向する分割環６０とによって、ロータ本体３４の周りに環状に画定されている。
燃焼器２０は、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３０に送る尾筒２１と、この尾筒２１内に燃料及び圧縮空気Ａを供給する燃料供給器２２と、を備えている。
燃料供給器２２は、内部で火炎が形成され、軸線Ａｃを中心とする筒状をなす内筒２２ａを有している。
尾筒２１は、内筒２２ａと接続され、内筒２２ａで生成された高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン３０に供給する。尾筒２１は、筒状をなしている。具体的には、尾筒２１は、ロータ軸方向Ｄａ下流側の出口開口が、ほぼ四角形状をなしている。したがって、尾筒２１内の燃焼ガス流路Ｐｇは、筒状をなす尾筒２１の内周面２１ａによって画定されている。本実施形態の尾筒２１は、第一実施形態のシール構造１００における第一部材である。本実施形態の尾筒２１は、ロータ軸方向Ｄａ下流側で外周面から径方向Ｄｒに突出する出口フランジ２１０を有している（図３）。
シール構造１００は、隣接する部材間の対向する面同士の接触を防止しつつ、ケーシング３１内の圧縮空気Ａが、燃焼ガス流路Ｐｇ側に漏れ出すことを防止する。第一実施形態のシール構造１００は、燃焼器２０と、燃焼器２０に対してロータ軸方向Ｄａ下流側に隣接するタービン３０の静翼列４０との間に配置される。具体的には、第一実施形態のシール構造１００は、ロータ軸方向Ｄａに隣接する尾筒２１と第一静翼列４０ａとに形成された耐熱被膜部１３０を接触させることなく、尾筒２１と第一静翼列４０ａとの間の隙間をシールする。
図３に示す燃焼ガス流路Ｐｇに対して径方向Ｄｒ内側のシール構造１００は、ロータ軸方向Ｄａ上流側に配置された尾筒２１と、ロータ軸方向Ｄａ下流側に配置された第一静翼列４０ａの内側シュラウド４５と、尾筒２１と内側シュラウド４５との間の燃焼ガス流路Ｐｇに対して径方向Ｄｒ内側に配置されたシール部材７（内側シール部材７ａ）とを有する構造である。一方、燃焼ガス流路Ｐｇに対して径方向Ｄｒ外側のシール構造１００は、ロータ軸方向Ｄａ上流側に配置された尾筒２１と、ロータ軸方向Ｄａ下流側に配置された第一静翼列４０ａの外側シュラウド４３と、尾筒２１と外側シュラウド４３との間の燃焼ガス流路Ｐｇに対して径方向Ｄｒ外側に配置されたシール部材７（外側シール部材７ｂ）とを有する構造である。両方の構造は、燃焼器の軸線Ａｃを基準に対称的な構造を備え、両方の構造を結合して一体化されたシール構造が形成されている。なお、シール構造１００の構成には、尾筒２１や第一静翼列４０ａの燃焼ガスＧに曝される面に形成される耐熱被膜部１３０と、尾筒２１及び第一静翼列４０ａの互いに接近する方向への相対移動を規制する接触部１４０が含まれる。
出口フランジ２１０は、この尾筒２１の出口開口の周りを覆うように略四角環状をなしており、尾筒２１の外周面から燃焼ガス流路Ｐｇの外側に向かって突出している。具体的には、出口フランジ２１０は、一対の周方向フランジ部２１０ａと、一対の径方向フランジ部（不図示）とを有する。
一対の周方向フランジ部２１０ａは、それぞれ尾筒２１の外周面のうち周方向Ｄｃに延びる外周面から突出し、出口開口を挟んで径方向Ｄｒに互いに対向して配置されている。
また、尾筒２１では、図３に示すように、ロータ軸方向Ｄａ下流側の後端部２１１が出口フランジ２１０よりもロータ軸方向Ｄａ下流側に向かって延伸している。
ここで、第一実施形態の尾筒２１のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面を第一端面１０１とする。具体的には、第一実施形態の第一端面１０１は、後端部２１１のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面である本体第一端面１１１と、出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面であるフランジ第一端面１２１と、から形成される。
第一静翼列４０ａは、静翼列４０の中でも、最もロータ軸方向Ｄａ上流側に配置されている。第一静翼列４０ａは、周方向Ｄｃに隣接する複数の第一静翼４１ａによって構成されている。第一静翼列４０ａは、翼環５０から支持され、燃焼器２０の尾筒２１との間はシール部材７でシールされている。本実施形態の第一静翼４１ａは、第一実施形態のシール構造１００における第二部材であり、第一部材である尾筒２１に対してロータ軸方向Ｄａ下流側に隣接している。
図３に示すように、第一静翼４１ａの内側シュラウド４５及び外側シュラウド４３には、燃焼ガス流路Ｐｇに面するガスパス面４４１を有するシュラウド本体４４と、ガスパス面４４１と交差する側壁４６とが形成されている。この側壁４６は、ロータ軸方向Ｄａ上流側を向く側端面４６１を有している。側端面４６１は、尾筒２１の後端部２１１の本体第一端面１１１及び出口フランジ２１０のフランジ第一端面１２１に対してロータ軸方向Ｄａに間隔を開けて対向して配置されている。この側壁４６には、側端面４６１からロータ軸方向Ｄａ上流側に延びる突出部４２４が形成されている。
突出部４２４は、側端面４６１のガスパス面４４１から径方向Ｄｒ内側又は径方向Ｄｒ外側の離れた位置に形成されている。突出部４２４は、ロータ軸Ａｒを中心として環状に形成されている。突出部４２４のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く突出部第二端面１１２は、出口フランジ２１０のフランジ第一端面１２１に対してロータ軸方向Ｄａに間隔を開けて対向して配置されている。
ここで、第一実施形態の第一静翼４１ａのロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面を第二端面１０２とする。具体的には、第一実施形態の第二端面１０２は、内側シュラウド４５及び外側シュラウド４３の側端面４６１及び突出部第二端面１１２と、から形成される。
シール部材７は、燃焼器２０と、燃焼器２０のロータ軸方向Ｄａ下流側に配置されて燃焼ガス流路Ｐｇに面する第一静翼列４０ａと、の間に配置されている尾筒シールである。シール部材７は、燃焼器２０の尾筒２１の出口フランジ２１０と、第一静翼列４０ａの第一静翼４１ａの内側シュラウド４５及び外側シュラウド４３との間をシールする。本実施形態のシール部材７は、第一実施形態のシール構造１００における第三部材である。
シール部材７は、第一端面１０１である本体第一端面１１１及びフランジ第一端面１２１と、第二端面１０２である側端面４６１及び突出部第二端面１１２との間で、尾筒２１及び第一静翼４１ａの内側シュラウド４５又は外側シュラウド４３に係合する。
本実施形態のシール部材７は、略四角環状の出口フランジ２１０のうち周方向フランジ部２１０ａに沿って配置されている。シール部材７（内側シール部材７ａ）は、径方向Ｄｒ内側の周方向フランジ部２１０ａに係合すると共に第一静翼４１ａの内側シュラウド４５に係合する。また、シール部材７（外側シール部材７ｂ）は、径方向Ｄｒ外側の周方向フランジ部２１０ａに係合すると共に第一静翼４１ａの外側シュラウド４３に係合する。
なお、径方向Ｄｒ内側のシール部材７（内側シール部材７ａ）と径方向Ｄｒ外側のシール部材７（外側シール部材７ｂ）とは、尾筒２１の軸線Ａｃを基準にしてほぼ対称な形状をなしている。そのため、以下の説明では、主として、径方向Ｄｒ内側の内側シュラウド４５に係合する内側シール部材７ａ含んだシール構造１００を代表例で説明するが、外側シール部材７ｂの場合も同様に適用である。ここでの説明における内側シール部材７ａの名称、符号は、「シール部材７」を用いて説明する。
シール部材７は、燃焼ガスＧの流通する燃焼ガス流路Ｐｇの外側（径方向Ｄｒ内側）に配置されている。シール部材７は、図３に示すように、尾筒２１と、第一静翼４１ａの内側シュラウド４５との間の隙間に形成されるキャビティＣに配置されている。ここで、本実施形態におけるキャビティＣは、燃焼ガス流路Ｐｇに面する尾筒２１と第一静翼４１ａとの間の空間であり、燃焼ガス流路Ｐｇに対して尾筒２１の内周面２１ａ及び第一静翼４１ａのガスパス面４４１よりも径方向Ｄｒ内側に形成されている。キャビティＣは、尾筒２１の後端部２１１よりも径方向Ｄｒ内側であって、出口フランジ２１０と側端面４６１とでロータ軸方向Ｄａに挟まれた空間である。
シール部材７は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる横断面が同じ形状をなして周方向Ｄｃに環状に形成された部材である。本実施形態にシール部材７は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる横断面において、径方向Ｄｒに延びる本体部７０と、本体部７０の端部からロータ軸方向Ｄａ下流側に突出する第一凸部７１と、第一凸部７１より径方向Ｄｒ内側で本体部７０からロータ軸方向Ｄａ下流側に突出する第二凸部７２と、本体部７０の径方向Ｄｒ内側の端部からロータ軸方向Ｄａ上流側に突出する第三凸部７３と、第三凸部７３のロータ軸方向Ｄａ上流側の端部から径方向Ｄｒ外側に向かって突出する第四凸部７４とを有する。本実施形態のシール部材７は、開口８０ａから冷却空気を排出する冷却流路８０が形成されている。
本実施形態の本体部７０は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる横断面が径方向Ｄｒに長い略長方形の形状をなしている。
第一凸部７１は、本体部７０の端部から側端面４６１に向かって突出している。本実施形態の第一凸部７１は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる、横断面がロータ軸方向Ｄａに長い略直方体形状をなし、ロータ軸Ａｒを中心に環状に形成されている。第一凸部７１は、尾筒２１の後端部２１１の第一端面１０１と突出部４２４とによってロータ軸方向Ｄａに挟まれた空間に形成されている。第一凸部７１には、側端面４６１と対向してロータ軸方向Ｄａ下流側を向く第三端面である端面７１ａが形成されている。第一凸部７１では、ロータ軸方向Ｄａに冷却流路８０が形成され、その下流側の末端は端面７１ａで円形状をなす開口８０ａに接続されている。
本実施形態の端面７１ａは、第一凸部７１の本体部７０とは反対側の端部であるロータ軸方向Ｄａ下流側の端部の面である。本実施形態の端面７１ａは、側端面４６１に対してロータ軸方向Ｄａ上流側に隙間を空けて対向して形成されている。
本実施形態の開口８０ａは、図４に示すように、端面７１ａの所定の領域にわたって周方向Ｄｃに互いの間隔をあけて複数形成されている。具体的には、本実施形態の開口８０ａは、図５に示すように、静翼本体４２のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く領域である前縁部４２１に対して、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側の位置を含んで、端面７１ａの周方向Ｄｃの一定の領域に形成されている。即ち、本実施形態の開口８０ａは、周方向Ｄｃの位置が静翼本体４２の前縁部４２１が形成されている位置に対応するように、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側で、前縁部４２１に対応する位置を含んで周方向Ｄｃの一定の範囲に形成されている。
図５に示すように、第一凸部７１には、開口８０ａが形成された端面７１ａからロータ軸方向Ｄａ下流側に突出する隙間形成部７５が形成されている。隙間形成部７５のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く端面は、側端面４６１に対してロータ軸方向Ｄａで対面している。隙間形成部７５は、ロータ軸方向Ｄａ下流側から見た際に、周方向Ｄｃで端面７１ａに隣接している。隙間形成部７５は、冷却流路８０に連通する開口８０ａを備えておらず、開口８０ａが配置された端面７１ａを周方向に挟んで周方向に断続的に形成されている。したがって、尾筒２１、内側シュラウド４５、及びシール部材７の熱伸びの違いにより、隙間形成部７５のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く端面と側端面４６１とが接触した場合、隙間形成部７５のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く端面には、第四端面である第三シール面７５ａが形成される。しかし、端面７１ａと側端面４６１が接近し、第三シール面７５ａと側端面４６１が接触した場合であっても、端面７１ａと側端面４６１とは接触せず、端面７１ａのロータ軸方向Ｄａ下流側には隙間が確実に形成される。
即ち、隙間形成部７５のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く端面である第三シール面７５ａが、側端面４６１にロータ軸方向Ｄａで接触した場合、対面する側端面４６１側には、第二部材である第一静翼４１ａにおける接触部である第二接触部１４２が形成される。図５において、側端面４６１側に形成される第二接触部１４２の一例を太線で示す。第二接触部１４２は、第三シール面７５ａにロータ軸方向Ｄａで接触する側端面４６１の外表面に形成されるが、第三シール面７５ａの全面で接触する必要はなく、一部であってもよい。
第二凸部７２は、第一凸部７１に対して径方向Ｄｒ内側の離れた位置で、本体部７０からロータ軸方向Ｄａ下流側に向かって突出している。第二凸部７２は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる、横断面がロータ軸方向Ｄａに長い略直方体形状をなし、ロータ軸Ａｒを中心に環状に形成されている。第二凸部７２は、第一凸部７１との間に突出部４２４が挟み込める距離だけ離れて形成されている。本実施形態の第二凸部７２には、接触シール部材７２１が固定されている。
接触シール部材７２１は、金属板であり、第二凸部７２の第一凸部７１側を向く面に固定されている。接触シール部材７２１は、突出部４２４との間で環状に形成される第一シール面７２１ａを有している。
第一シール面７２１ａは、突出部４２４の径方向Ｄｒ内側を向く面と接触する。本実施形態の第一シール面７２１ａは、接触シール部材７２１の径方向Ｄｒ外側である第一凸部７１側を向く面である。
第三凸部７３は、本体部７０の径方向Ｄｒ内側の端部から第一凸部７１と反対側に向かって突出している。本実施形態の第三凸部７３は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる、横断面がロータ軸方向Ｄａに長い略直方体形状をなしている。第三凸部７３は、周方向フランジ部２１０ａよりも径方向Ｄｒ内側の位置に形成されている。
第四凸部７４は、第三凸部７３のロータ軸方向Ｄａ上流側の端部から尾筒２１の外周面に向かって突出している。第四凸部７４は、軸線Ａｃを含んで径方向Ｄｒに広がる横断面が、径方向Ｄｒに長い略直方体形状をなしている。第四凸部７４は、周方向フランジ部２１０ａよりもロータ軸方向Ｄａ上流側の位置で、第三凸部７３から突出している。
冷却流路８０は、タービン３０のケーシング３１内から圧縮空気Ａを冷却空気として取り込んで流通させ、開口８０ａから側端面４６１に向かって噴出させる。本実施形態の冷却流路８０は、断面円形状をなしており、本体部７０及び第一凸部７１の内部を貫通して複数形成されている。具体的には、本実施形態の冷却流路８０は、図６に示すように、開口８０ａからロータ軸方向Ｄａ上流側に向かって形成される軸方向流路８０１と、軸方向流路８０１のロータ軸方向Ｄａ上流側で連通して径方向Ｄｒ内側に向かって形成される径方向流路８０２とを有している。なお、静翼本体４２の前縁部４２１に衝突した燃焼ガスＧの一部は、尾筒２１の後端部２１１と内側シュラウド４５との間の隙間からキャビティＣ内に巻き込まれる。即ち、静翼本体４２の前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側に対応する位置を含んで第一凸部７１の端面７１ａを含んだ領域が、燃焼ガスＧに曝される。この領域では、周方向Ｄｃに複数の冷却流路８０が配置されている。冷却流路８０は、ロータ軸方向Ｄａ下流側の末端で開口８０ａに接続している。即ち、冷却流路８０は、第一凸部７１の周方向Ｄｃの全領域に渡って配置する必要はなく、端面７１ａを含んだ周方向の部分的な領域に配置すればよい。
軸方向流路８０１は、端面７１ａに形成された開口８０ａからロータ軸方向Ｄａ上流側に向かって第一凸部７１内を延びている。
径方向流路８０２は、本体部７０の径方向Ｄｒ内側を向く面に形成された流入口８０ｂから径方向Ｄｒ外側に向かって延びており、軸方向流路８０１に連通している。
また、本実施形態のシール部材７は、ロータ軸方向Ｄａ上流側で燃焼器２０の尾筒２１と接続する第一係合部８１と、ロータ軸方向Ｄａ下流側で第一静翼４１ａの内側シュラウド４５に接続する第二係合部８２とを備えている。
第一係合部８１は、出口フランジ２１０とシール部材７との接触面から、ケーシング３１内の圧縮空気Ａが、燃焼ガス流路Ｐｇ側に漏れないようにシールしている。本実施形態の第一係合部８１は、本体部７０、第三凸部７３、及び第四凸部７４によって構成されている。本実施形態の第一係合部８１は、本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面と、第三凸部７３の径方向Ｄｒ外側を向く面と、第四凸部７４のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面によって形成される溝部である。本実施形態では、第一係合部８１である溝部に周方向フランジ部２１０ａが嵌まり込み、第一係合部８１は、尾筒２１の出口フランジ２１０に対して係合されている。
本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面には、出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面と接触する第二シール面７０ａが形成されている。即ち、出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面は、ケーシング３１内の圧縮空気Ａの圧力と燃焼ガス流路Ｐｇ側の圧力との差圧をロータ軸方向Ｄａ下流方向に受けて、ロータ軸方向Ｄａ下流側の本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面に押し付けられる。 つまり、ガスタービンの通常運転中は、本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面は、出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面と接触することによりシールされている。これにより、本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面には、第二シール面７０ａが形成されている。また、第二シール面７０ａに接触する出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面には、第一部材である尾筒２１の接触部である第一接触部１４１が形成される。
第二係合部８２は、突出部４２４とシール部材７との間から、ケーシング３１内の圧縮空気Ａが燃焼ガス流路Ｐｇ側に漏れないようにシールしている。本実施形態の第二係合部８２は、本体部７０、第一凸部７１、及び第二凸部７２によって構成されている。具体的には、本実施形態の第二係合部８２は、本体部７０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面と、第一凸部７１の径方向Ｄｒ内側を向く面と、第二凸部７２の第一シール面７２１ａによって形成される溝部であり、ロータ軸方向Ｄａ下流側に向かって開口している。本実施形態では、第二係合部８２である溝部に突出部４２４が嵌まり込み、第一シール面７２１ａが、突出部４２４の径方向Ｄｒ内側を向く面と接触している。これにより、第二係合部８２は、内側シュラウド４５の突出部４２４に対して係合されている。
耐熱被膜部１３０は、燃焼ガスＧに曝される部材の耐熱性を向上させるために表面に施される被膜である。本実施形態の耐熱被膜部１３０は、ＴＢＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）とも呼ばれ、各部材の表面の燃焼ガスＧからの熱による損傷を抑制するための保護膜として機能する。本実施形態の耐熱被膜部１３０は、尾筒２１や第一静翼４１ａに形成されている。
尾筒２１に施される耐熱被膜部１３０は、燃焼ガス流路Ｐｇに面する尾筒２１の内周面２１ａと、ロータ軸方向Ｄａ下流側を向く第一端面１０１の燃焼ガス流路Ｐｇ側に所定の膜厚で形成されている。第一端面１０１に形成されている耐熱被膜部１３０は、本体第一端面１１１の径方向Ｄｒ外側の一部である燃焼ガス流路Ｐｇ側に接近する位置から内周面２１ａに延在して形成されている。
また、第一静翼４１ａに施される耐熱被膜部１３０は、静翼本体４２の外表面と、内側シュラウド４５のガスパス面４４１と、第二端面１０２の燃焼ガス流路Ｐｇ側に近い側とに所定の膜厚で形成されている。第二端面１０２に形成されている耐熱被膜部１３０は、側端面４６１の径方向Ｄｒ外側の一部である燃焼ガス流路Ｐｇ側に接近する位置からガスパス面４４１に延在して形成されている。
本実施形態では、図３に示すように、耐熱被膜部１３０を有する第一端面１０１と第二端面１０２とは、燃焼ガス流路Ｐｇを流れる燃焼ガスＧの温度変化によってロータ軸方向Ｄａに熱伸びの違いが生じても、常にロータ軸方向Ｄａに所定の隙間が確保され、接触することはない。即ち、後述のように、本実施形態の場合、尾筒２１及び第一静翼４１ａが互いに接近した場合であっても、第一端面１０１とシール部材７及び第二端面１０２とシール部材７がそれぞれ接触することで、シール部材７を介して尾筒２１と第一静翼４１ａとが間接的に接触はするが、直接的に接触することはない。そのため、尾筒２１と第一静翼４１ａとの間には、常にロータ軸方向Ｄａに所定の隙間が形成されている。
即ち、本実施形態のシール構造における接触部１４０は、第一端面１０１の一部を形成する出口フランジ２１０（フランジ第一端面１２１）のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面に形成される第一接触部１４１と、第二端面１０２の一部を形成する側端面４６１のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面に形成される第二接触部１４２と、を有している。
第一接触部１４１及び第二接触部１４２は、尾筒２１及び第一静翼４１ａが互いに接近する方向に相対移動した場合に、第一端面１０１及び第二端面１０２の間に隙間を形成した状態で、第一端面１０１は第一接触部１４１でシール部材７に形成された第二シール面７０ａと接触し、第二端面１０２は第二接触部１４２でシール部材７に形成された第三シール面７５ａと接触する。これにより、第一接触部１４１及び第二接触部１４２は、シール部材７を介して、第一端面１０１と第二端面１０２のロータ軸方向Ｄａの相対移動を規制する。
即ち、尾筒２１及び第一静翼４１ａが互いにロータ軸方向Ｄａに相対移動することで最も接近した場合、第一接触部１４１がシール部材７の第二シール面７０ａに接触した状態では、第二接触部１４２も同時にシール部材７の第三シール面７５ａに接触した状態となる。しかし、そのような場合であっても、第一端面１０１と第二端面１０２の間には、常に一定の隙間が形成されている。つまり、第一部材である尾筒２１と第二部材である第一静翼４１ａが互いに接近する方向に相対移動した場合、耐熱被膜部１３０を備えた第一端面１０１と第二端面１０２の間に隙間が形成された状態で、燃焼ガス流路Ｐｇに対して耐熱被膜部１３０より外側（径方向Ｄｒ内側又は外側）において、第一部材である尾筒２１及び第二部材である第一静翼４１ａは、第三部材であるシール部材７を介して接触している。即ち、本実施形態では、第一接触部１４１及び第二接触部１４２から構成される接触部１４０を介して、尾筒２１と第一静翼４１ａは間接的に接触している。
これにより、第一実施形態の接触部１４０（第一接触部１４１、第二接触部１４２）は、尾筒２１及び第一静翼４１ａが互いにロータ軸方向Ｄａに接近するように相対移動した場合に、第一端面１０１（１１１）と側端面４６１との間に隙間を形成した状態で、尾筒２１及び第一静翼４１ａのロータ軸方向Ｄａの相対移動を規制する。
次に、上記構成を有するガスタービン１の作用について説明する。
本実施形態のガスタービン１によれば、圧縮機１０からの圧縮空気Ａは、タービン３０のケーシング３１内に入り、燃焼器２０内に流れ込む。燃焼器２０では、この圧縮空気Ａと共に外部から供給される燃料を内筒２２ａ内で燃焼して、燃焼ガスＧが生成される。燃焼ガスＧは、尾筒２１を介してタービン３０の燃焼ガス流路Ｐｇに流入する。この燃焼ガスＧは、燃焼ガス流路Ｐｇを通る過程で、動翼本体３７に接して、タービンロータ３３をロータ軸Ａｒ回りに回転させる。
燃焼ガスＧが尾筒２１から燃焼ガス流路Ｐｇに流入する際に、燃焼ガスＧが静翼本体４２の前縁部４２１に衝突することで、尾筒２１の後端部２１１と内側シュラウド４５との間に形成された隙間から燃焼ガスの一部が巻き込まれるようにキャビティＣ内に流入する。そのため、シール部材７の本体部７０及び第一凸部７１の燃焼ガス流路Ｐｇ側を向く面が高温の燃焼ガスＧに曝される。
ガスタービン１の運転時には、ケーシング３１内の圧力が燃焼ガス流路Ｐｇと連通しているキャビティＣ内の圧力よりも高くなっている。そのため、シール部材７の本体部７０のロータ軸方向Ｄａ上流側を向く面と出口フランジ２１０のロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面とが、第一接触部１４１及び第二シール面７０ａで接触すると共に、第二凸部７２に固定された接触シール部材７２１の第一シール面７２１ａと突出部４２４の径方向Ｄｒ内側の面とが接触して、ケーシング３１内の空間とキャビティＣがシールされている。
即ち、第二凸部７２に設けられている接触シール部材７２１の第一シール面７２１ａが、突出部４２４の径方向Ｄｒ内側を向く面に押し付けられる。さらに、第二シール面７０ａが、周方向フランジ部２１０ａのロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面に押し付けられる。これらにより、第一シール面７２１ａと突出部４２４の径方向Ｄｒ内側を向く面との間がシールされ、かつ、第二シール面７０ａと周方向フランジ部２１０ａのロータ軸方向Ｄａ下流側を向く面とがシールされている。
この状態で、圧縮機１０からケーシング３１内に供給された圧縮空気Ａの一部は、シール部材７の冷却流路８０に流入することで、シール部材７自体を冷却する。具体的には、ケーシング３１内の圧縮空気Ａが流入口８０ｂから径方向流路８０２に流入し、軸方向流路８０１を流通して開口８０ａからキャビティＣ内に噴出される。これにより、燃焼ガスＧに曝されている本体部７０及び第一凸部７１が冷却される。
上記のようなシール構造１００によれば、接触部１４０（第一接触部１４１及び第二接触部１４２）が本体第一端面１１１（第一端面１０１）と側端面４６１との間に隙間を形成した状態で、側端面４６１に接触して尾筒２１と第一静翼４１ａとが互いに近づくようにロータ軸方向Ｄａに相対移動することを規制する。その結果、本体第一端面１１１に形成された耐熱被膜部１３０と側端面４６１に形成された耐熱被膜部１３０とが接触することを防止できる。
具体的には、ガスタービンの運転起動時又は運転停止時において、尾筒２１と内側シュラウド４５との熱伸びの違いにより、本体第一端面１１１と側端面４６１とが接触し、耐熱被膜部１３０が傷ついてしまうおそれがある。
ところが、第一実施形態では、本体第一端面１１１と側端面４６１とが直接接触する前に、接触部１４０（第一接触部１４１及び第二接触部１４２）が側端面４６１の耐熱被膜部１３０が形成されていない径方向Ｄｒ外側の領域に接触する。そのため、本体第一端面１１１と側端面４６１とがロータ軸方向Ｄａに近づかないように、尾筒２１及び第一静翼４１ａのロータ軸方向Ｄａの相対移動をシール部材７によって規制することができる。これにより、尾筒２１の耐熱被膜部１３０が形成された本体第一端面１１１と、隣接する第一静翼４１ａの耐熱被膜部１３０が形成された側端面４６１とが直接接触することを防ぐことができる。したがって、耐熱被膜部１３０が損傷してしまうことを防止できる。
また、シール構造１００における第一部材を燃焼器２０の尾筒２１とし、第二部材を尾筒２１に対してロータ軸方向Ｄａ下流側に隣接する第一静翼４１ａとし、第三部材を尾筒２１と第一静翼４１ａとの間に配置されるシール部材７とする。これにより、尾筒２１の出口開口付近の耐熱被膜部１３０を保護できるシール構造１００を容易に適用することができる。
また、シール部材７の端面７１ａからロータ軸方向Ｄａ下流側に突出する隙間形成部７５が設けられていることで、端面７１ａと内側シュラウド４５の側端面４６１とが近づいても、開口８０ａが閉塞されることを防止できる。
具体的には、本実施形態では、隙間形成部７５が、開口８０ａが形成された端面７１ａよりロータ軸方向Ｄａ下流側に突出している。そのため、第一凸部７１の端面７１ａと、内側シュラウド４５の側端面４６１との間隔が狭くなっても、開口８０ａが閉塞されてしまう前に、隙間形成部７５のロータ軸方向Ｄａ下流側端面に形成された第三シール面７５ａが、側端面４６１に形成された第二接触部１４２に接触する。これにより、開口８０ａのロータ軸方向Ｄａ下流側に空間を安定して確保でき、端面７１ａと側端面４６１との間隔が狭くなっても必要な冷却空気を安定して開口８０ａから排出し続けることができる。
したがって、開口８０ａが閉塞されることを防止し、軸方向流路８０１や径方向流路８０２に対して冷却空気として圧縮空気Ａを安定して流通させることができる。これにより、シール部材７を安定して冷却することができる。
また、端面７１ａに設けられる開口８０ａが、静翼本体４２の前縁部４２１が形成されている周方向Ｄｃの位置に対してロータ軸方向Ｄａの上流側の対応する位置を含んで周方向Ｄｃの一定の領域に形成されている。そのため、尾筒２１から燃焼ガス流路Ｐｇに流入した燃焼ガスＧが衝突することで高温となりやすい前縁部４２１付近を部分的、且つ効果的に冷却することができる。
具体的には、前縁部４２１に対して燃焼ガスＧが衝突することで、周方向Ｄｃの他の部分よりも前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側の部分の方が、尾筒２１の後端部２１１と内側シュラウド４５の端面７１ａとの間の隙間からキャビティＣに対して燃焼ガスＧの一部が流入し易くなる。そのため、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側の部分では、巻き込まれた燃焼ガスＧにより、本体部７０及び第一凸部７１が、より高温となってしまう。
したがって、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側に対応する位置を含んで周方向Ｄｃの一定の領域である第一凸部７１において、冷却流路８０を周方向Ｄｃに複数配置し、冷却流路８０の軸方向下流側の末端に開口８０ａを設けている。その結果、本体部７０及び第一凸部７１の中で、より高温となる部分に冷却空気を効率的に供給してシール部材７を周方向Ｄｃに冷却することができる。その結果、シール部材７の本体部７０と第一凸部７１を冷却するために冷却流路８０を流通させる冷却空気の流量をより抑えることができる。これにより、冷却空気として用いる圧縮空気Ａの流量を低減することができ、ガスタービン１の性能低下をより抑えることができる。
《第二実施形態》
次に、図７及び図８を参照して第二実施形態のシール構造２００について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のシール構造２００は、周方向Ｄｃに隣接する分割環６０に形成されている点で第一実施形態と相違する。
以下、本発明の第二実施形態に係るシール構造２００について説明する。図７は、周方向Ｄｃから見た分割環６０の断面構造を示し、図８は、ロータ軸方向Ｄａから見た分割環６０の断面構造を示す。
第二実施形態のシール構造２００は、周方向Ｄｃに隣接する分割環６０に用いられている。第二実施形態のシール構造２００は、周方向Ｄｃに隣接する一対の分割環６０に形成された遮熱コーティングを損傷させることなく、一対の分割環６０の隙間をシールする構造に係る。
分割環６０は、図７に示すように、周方向Ｄｃに広がる分割環本体６１と、この分割環本体６１のロータ軸方向Ｄａ上流側から径方向Ｄｒ外側に延びる上流側フック６２と、この分割環本体６１のロータ軸方向Ｄａ下流側から径方向Ｄｒ外側に延びる下流側フック６３と、を有している。
分割環本体６１は、上流側フック６２及び下流側フック６３を介して、遮熱環５２に取り付けられて、翼環５０に支持されている。分割環本体６１には、燃焼ガス流路Ｐｇに面する分割環ガスパス面６１０と、分割環ガスパス面６１０と交差する側面とが形成されている。分割環本体６１には、側面として、ロータ軸方向Ｄａ上流側を向く上流側端面６１１と、ロータ軸方向Ｄａ下流側を向く下流側端面６１２とが形成されている。
分割環本体６１には、ロータ軸方向Ｄａに延びる冷却流路が形成されている。具体的には、分割環本体６１には、冷却流路として、上流側流路６１１ｂと下流側流路６１２ｂとが内部に形成されている。上流側流路６１１ｂは、分割環ガスパス面６１０と反対側の径方向Ｄｒ外側を向く面から、上流側開口６１１ａに向かってロータ軸方向Ｄａに延びている。下流側流路６１２ｂは、分割環ガスパス面６１０と反対側の径方向Ｄｒ外側を向く面から、下流側開口６１２ａに向かってロータ軸方向Ｄａに延びている。なお、上述の冷却流路は一例にすぎず、この例に限定されない。
ここで、ロータ軸Ａｒを中心として回転する動翼３６の回転する方向の前方側を周方向Ｄｃ前方側（図８紙面左側）、回転する方向の後方側を周方向Ｄｃ後方側（図８紙面右側）とする。
分割環６０は、隣接する分割環本体６１の周方向Ｄｃ前方側に設けられる前方係合部６５と、隣接する分割環本体６１の周方向Ｄｃ後方側に設けられる後方係合部６４と有する。本実施形態では、図８に示すように、周方向Ｄｃに隣接する一対の分割環６０を例に挙げて、前方係合部６５と後方係合部６４とを説明する。
後方係合部６４には、分割環ガスパス面６１０と交差する周方向Ｄｃ前方側を向く後方端面６４１が形成されている。後方係合部６４には、後方端面６４１から周方向Ｄｃに突出する凸部６４２と、後方端面６４１から周方向Ｄｃに凹んでロータ軸方向Ｄａに延びている後方溝部６４３と、が形成されている。
凸部６４２は、燃焼ガス流路Ｐｇに面して後方端面６４１から周方向Ｄｃ前方側に突出している。凸部６４２では、燃焼ガス流路Ｐｇ側の面が分割環ガスパス面６１０を周方向Ｄｃ前方側に延長する部材として形成されている。凸部６４２には、突出している方向の先端側に、周方向Ｄｃ前方側を向く凸部端面６４２ａが形成されている。さらに、凸部端面６４２ａの燃焼ガス流路Ｐｇに近い側には、凸部端面６４２ａの一部を形成し、凸部端面６４２ａから周方向Ｄｃ後方側に凹こむ本体外側面６１ａが形成されている。本体外側面６１ａは、分割環本体６１の分割環ガスパス面６１０に沿って広がる本体外面６１ｂに滑らかな面で接続される。本体外側面６１ａ及び本体外面６１ｂの表面には後述する分割環耐熱被膜部２３０が被覆される。
後方溝部６４３は、燃焼ガス流路Ｐｇの外側に形成されている。具体的には、後方溝部６４３は、凸部６４２よりも径方向Ｄｒ外側に形成されている。後方溝部６４３は、後方端面６４１から周方向Ｄｃ後方側に窪む角溝である。
前方係合部６５には、分割環ガスパス面６１０と交差して周方向Ｄｃ後方側を向く前方端面６５１が形成されている。前方端面６５１は、隣接する分割環６０の後方端面６４１に対して離れて対向している。前方係合部６５には、前方端面６５１から周方向Ｄｃ前方側に凹む凹部６５２と、前方端面６５１から周方向Ｄｃ前方側に凹んでロータ軸方向Ｄａに延びている前方溝部６５３と、が形成されている。
凹部６５２は、凸部６４２が周方向Ｄｃから嵌り込むように、ロータ軸方向Ｄａに見た断面で角部が凹んだ形状に形成されている。凹部６５２は、分割環ガスパス面６１０と前方端面６５１とが交差する角部分に形成されている。凹部６５２では、前方端面６５１よりも周方向Ｄｃ前方側で周方向Ｄｃ後方側を向く凹部端面６５２ａが形成されている。さらに、凸部６４２と同様に、凹部端面６５２ａの燃焼ガス流路Ｐｇに近い側には、凹部端面６５２ａの一部を形成し、凹部端面６５２ａから周方向Ｄｃ前方側に凹こむ本体外側面６１ａが形成されている。本体外側面６１ａは、分割環本体６１の分割環ガスパス面６１０に沿って広がる本体外面６１ｂに滑らかな面で接続される。本体外側面６１ａ及び本体外面６１ｂの表面には後述する分割環耐熱被膜部２３０が被覆される。
前方溝部６５３は、燃焼ガス流路Ｐｇの外側に形成されている。具体的には、前方溝部６５３は、凹部６５２よりも径方向Ｄｒ外側に形成されている。前方溝部６５３は、後方溝部６４３と径方向Ｄｒの位置が同じ位置に形成されている。前方溝部６５３は、周方向Ｄｃ前方側に窪む角溝である。
また、分割環６０の径方向Ｄｒ外側とケーシング３１との間には、遮熱環５２に支持される衝突板９が設けられている。衝突板９は、板状をなしており、分割環６０に向かうように径方向Ｄｒに貫通する複数の空気孔９ａが形成されている。
第二実施形態のシール構造２００は、隣接する一対の分割環６０のうち周方向Ｄｃ前方側に配置される一方の分割環６０ａの前方係合部６５と、周方向Ｄｃ後方側に配置される他方の分割環６０ｂの後方係合部６４と、前方係合部６５と後方係合部６４との間に配置されるシール板２５０とを備えている。第二実施形態のシール構造２００は、分割環６０の燃焼ガスＧに曝される面に形成される分割環耐熱被膜部２３０と、隣接する一対の分割環６０の互いに接近する方向への相対移動を規制する分割環接触部２４０とを有する。
なお、第二実施形態のシール構造２００では、周方向に隣接する一対の分割環６０のうち、一方の分割環６０ｂの後方係合部６４が第一部材に相当し、分割環６０ａに対して周方向Ｄｃ後方側に隣接する他方の分割環６０ａの前方係合部６５が第二部材に相当している。
したがって、後方係合部６４の周方向Ｄｃ前方側を向く面が第二実施形態における第一端面２０１であり、前方係合部６５の周方向Ｄｃ後方側を向く面が第二実施形態における第二端面２０２である。第二実施形態の第一端面２０１は、後方端面６４１及び凸部端面６４２ａである。第二実施形態の第二端面２０２は、前方端面６５１及び凹部端面６５２ａである。
シール板２５０は、前方端面６５１と後方端面６４１との間に配置されている。シール板２５０は、前方溝部６５３及び後方溝部６４３を介して前方端面６５１と後方端面６４１との間をシールするシール部材である。シール板２５０は、第二実施形態のシール構造２００における第三部材である。シール板２５０は、第一端面２０１である後方端面６４１と、第二端面２０２である前方端面６５１との間で、隣接する分割環６０に係合する。
本実施形態のシール板２５０は、燃焼ガスＧの流通する燃焼ガス流路Ｐｇの外側に配置されている。シール板２５０は、図８に示すように、後方端面６４１の後方溝部６４３と前方端面６５１の前方溝部６５３とに挿入されている。シール板２５０は、ロータ軸Ａｒと直交する縦断面が長方形状をなし、ロータ軸方向Ｄａに延伸している。
分割環耐熱被膜部２３０は、分割環６０において燃焼ガスＧに曝される部材の耐熱性を向上させるために表面に施されるＴＢＣの被膜である。本実施形態の分割環耐熱被膜部２３０は、第一実施形態の耐熱被膜部１３０と同様に所定の膜厚で形成されている。
分割環耐熱被膜部２３０は、前述のように、分割環本体６１の本体外側面６１ａに形成される。即ち、分割環耐熱被膜部２３０は、凸部端面６４２ａの燃焼ガス流路Ｐｇ側であって、凸部端面６４２ａから周方向Ｄｃ後方側に凹んだ位置を境界として分割環ガスパス面６１０側の本体外側面６１ａに形成される。同様に、凸部端面６４２ａに周方向Ｄｃで対向する凹部端面６５２ａには、凹部端面６５２ａの燃焼ガス流路Ｐｇ側であって、凹部端面６５２ａから周方向Ｄｃ前方側に凹んだ位置を境界として分割環ガスパス面６１０側の本体外側面６１ａに分割環耐熱被膜部２３０が形成される。なお、凸部端面６４２ａ及び凹部端面６５２ａのそれぞれの境界においては、耐熱被膜は、周方向Ｄｃの凸部端面６４２ａ又は凹部端面６５２ａから周方向Ｄｃの前方側又は後方側にはみ出さない程度の膜厚としている。これにより、凸部端面６４２ａと凹部端面６５２ａが周方向Ｄｃに接触した場合であっても、隣接する分割環耐熱被膜部２３０同士が周方向Ｄｃには接触することはなく、周方向Ｄｃには常に若干の隙間が形成される。
分割環接触部２４０は、燃焼ガス流路Ｐｇに対して分割環耐熱被膜部２３０の外側に配置される。第二実施形態の分割環接触部２４０は、凸部端面６４２ａ及び凹部端面６５２ａの分割環耐熱被膜部２３０が形成された位置よりも燃焼ガス流路Ｐｇから離れた位置に配置されている。分割環接触部２４０は、隣接する一対の分割環６０が互いに周方向Ｄｃに接近する方向に相対移動した場合に、周方向Ｄｃに隣接する分割環耐熱被膜部２３０の間に隙間が形成された状態で、燃焼ガス流路Ｐｇの外側に配置された凸部端面６４２ａ及び凹部端面６５２ａが周方向Ｄｃに接触して、一対の分割環６０の周方向Ｄｃの相対移動を規制する。
第二実施形態の分割環接触部２４０は、凹部端面６５２ａに形成された第一接触部２４１と、凸部端面６４２ａに形成された第二接触部２４２とを有する。
また、凸部端面６４２ａの分割環耐熱被膜部２３０が形成されている領域には、一端が分割環キャビティに連通し、他端が円形状をなす後側開口６４２ｂに接続する冷却流路（前側流路６４２ｃ）がロータ軸方向Ｄａに間隔をあけて複数形成されている。凹部端面６５２ａの分割環耐熱被膜部２３０が形成されている領域には、一端が分割環キャビティに連通し、他端が円形状をなす前側開口６５２ｂに接続する冷却流路（後側流路６５２ｃ）がロータ軸方向Ｄａに間隔をあけて複数形成されている。
次に、上記構成を有するガスタービン１の作用について説明する。
本実施形態のガスタービン１によれば、圧縮機１０からの圧縮空気Ａの一部、又は圧縮機１０から抽気された圧縮空気Ａは、静翼４１の外側シュラウド４３及び内側シュラウド４５を冷却するために、冷却空気として、この外側シュラウド４３の径方向Ｄｒ外側や内側シュラウド４５の径方向Ｄｒ内側の領域にも供給される。また、ケーシング３１の径方向Ｄｒ内側であって翼環５０の径方向Ｄｒ外側に領域にも、圧縮機１０からケーシング３１内に流れ込んだ前述の圧縮空気Ａの一部、又は圧縮機１０から抽気した圧縮空気Ａが供給される。この圧縮空気Ａは、分割環６０を冷却するために、翼環５０を介して、その径方向Ｄｒ内側に配置されている分割環６０の径方向Ｄｒ外側に流れ込む。
分割環６０の径方向Ｄｒ外側に供給された圧縮空気Ａは、衝突板９の複数の空気孔９ａから径方向Ｄｒ内側に向かって吹き出して、分割環本体６１の径方向Ｄｒ外側の面をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の圧縮空気Ａは、分割環本体６１の上流側流路６１１ｂ及び下流側流路６１２ｂに流入し、ロータ軸方向Ｄａ上流側及び下流側に流れて、上流側端面６１１及び下流側端面６１２を対流冷却している。
また、インピンジメント冷却後の圧縮空気Ａは、前側流路６４２ｃ及び後側流路６５２ｃに流入し、周方向Ｄｃ前方側及び後方側に流れて、凸部端面６４２ａ及び凹部端面６５２ａを対流冷却している。
上記のようなシール構造２００によれば、周方向Ｄｃに隣接する分割環６０の分割環耐熱被膜部２３０同士の間に隙間が形成された状態で、凹部端面６５２ａに形成された第一接触部２４１と凸部端面６４２ａに形成された第二接触部２４２とが接触して、隣接する分割環６０ａ、６０ｂが互いに近づくように周方向Ｄｃに相対移動することを規制することで、凹部端面６５２ａに形成された分割環耐熱被膜部２３０と凸部端面６４２ａに形成された分割環耐熱被膜部２３０とが接触することを防止できる。
具体的には、第二実施形態では、第一接触部２４１及び第二接触部２４２を境界として、第一接触部２４１及び第二接触部２４２よりも燃焼ガス流路Ｐｇ側に分割環耐熱被膜部２３０が形成されている。分割環耐熱被膜部２３０は、第一接触部２４１及び第二接触部２４２よりも周方向Ｄｃに突出しない程度の膜厚で形成されている。これにより、凹部端面６５２ａに形成された第一接触部２４１と凸部端面６４２ａに形成された第二接触部２４２とが互いに接触しても、分割環耐熱被膜部２３０に接触することなく若干の隙間が形成され、分割環耐熱被膜部２３０に損傷が生じないような構造としている。つまり、周方向Ｄｃに隣接する分割環６０ａ、６０ｂ同士が周方向Ｄｃに互いに接近する方向に移動して、凹部端面６５２ａと凸部端面６４２ａとが接触しそうになった場合でも、第一接触部２４１と第二接触部２４２とが最初に接触する。その結果、凹部端面６５２ａと凸部端面６４２ａとがさらに接近して、分割環耐熱被膜部２３０に直接接触する事態を回避している。
また、シール板２５０よりも径方向Ｄｒ内側であって、隣接する分割環６０ａ、６０ｂの凹部端面６５２ａと凸部端面６４２ａとの間の隙間には、動翼３６の回転により巻き込まれた高温の燃焼ガスＧが滞留する。そのため、分割環６０ａ、６０ｂの外表面温度が上昇し、分割環６０ａ、６０ｂの角部では酸化減肉が進みやすい。ところが、本実施形態では、周方向Ｄｃに隣り合う分割環６０ａ、６０ｂの凹部端面６５２ａと凸部端面６４２ａとの両側に後側流路６５２ｃと前側流路６４２ｃとを形成して、圧縮空気Ａを後側開口６４２ｂ及び前側開口６５２ｂから噴出して互いに対向する凹部端面６５２ａ及び凸部端面６４２ａに当てて冷却している。これにより、高温の燃焼ガスＧの巻き込み、滞留が激しい凹部端面６５２ａと凸部端面６４２ａとの間の分割環６０ａ、６０ｂの角部の冷却を促進することができる。
また、シール構造２００における第一部材を周方向Ｄｃ前方側に配置される一方の分割環６０ｂの後方係合部６４とし、第二部材を周方向Ｄｃ後方側に配置される他方の分割環６０ａの前方係合部６５とし、第三部材をシール板２５０とする。これにより、周方向に隣接する一対の分割環６０ａ、６０ｂの間に分割環耐熱被膜部２３０を保護できるシール構造２００を容易に適用することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
なお、第一実施形態の接触部１４０は、本実施形態のように、開口８０ａに対して周方向Ｄｃに隣接して配置される形状に限定されるものではなく、開口８０ａを閉塞しないように開口８０ａが設けられた端面７１ａと内側シュラウド４５の側端面４６１との間に空間を形成できればよい。例えば、開口８０ａに対して径方向Ｄｒに隣接して形成されていてもよく、第二凸部７２や本体部７０に形成されていてもよい。
また、第一実施形態のシール部材７に設けられた開口８０ａは、本実施形態のように静翼本体４２の前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側に形成されている形状に限定されるものではなく、周方向Ｄｃに並んで形成されていればよい。例えば、周方向Ｄｃにわたって均等に離れて形成されていてもよく、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側以外の範囲に形成されていてもよい。
また、第一実施形態では、周方向Ｄｃに並んで形成される開口８０ａは同じ形状で形成されているが、これに限定されるものではなく、周方向Ｄｃによって任意の形状をなしていればよい。例えば、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側に形成される開口８０ａを大きく形成し、前縁部４２１のロータ軸方向Ｄａ上流側以外の位置に形成される開口８０ａを小さく形成してもよい。
また、第一実施形態において、尾筒２１や第一静翼４１ａに冷却流路８０が形成されていてもよい。例えば、第一実施形態の第一端面１０１である本体第一端面１１１に開口８０ａする冷却流路８０や、第二端面１０２である側端面４６１に開口８０ａする冷却流路８０が形成されていてもよい。
また、接触部１４０は、第一実施形態や第二実施形態の形状に限定されるものではなく、耐熱被膜部１３０の外側において第一端面１０１及び第二端面１０２のいずれか一方に接触して第一部材及び第二部材が互いに接近する方向に相対移動することを規制できればよい。
例えば、第一実施形態において第三部材であるシール部材７に接触部１４０が設けられているだけでなく、第二実施形態の第二部材である分割環６０ｂのように、第一静翼４１ａにも接触部１４０が設けられていてもよい。
また、第二実施形態の第一接触部２４１及び第二接触部２４２のように隣接する一対の分割環６０ａ、６０ｂにそれぞれ設けられているだけでなく、第一接触部２４１及び第二接触部２４２のいずれか一方のみを有していてもよい。また、第一接触部２４１及び第二接触部２４２は凹部端面６５２ａ及び凸部端面６４２ａではなく、前方端面６５１や後方端面６４１に設けられていてもよい。
上記したシール構造１００によれば、第一端面１０１と第二端面１０２とが接触する前に、接触部１４０が第一端面１０１の耐熱被膜部１３０が形成されていない領域に接触する。これにより、第一部材の耐熱被膜部１３０が形成された第一端面１０１と、第一部材と隣接する第二部材の耐熱被膜部１３０が形成された第二端面１０２とが接触することを防ぐことができる。
１ ガスタービン
Ａ 圧縮空気
１０ 圧縮機
２０ 燃焼器
Ａｃ 軸線
２１ 尾筒（第一部材）
２１ａ 内周面
２１０ 出口フランジ
２１０ａ 周方向フランジ部
２１１ 後端部
２２ 燃料供給器
２２ａ 内筒
３０ タービン
Ｄａ ロータ軸方向
Ｄｃ 周方向
Ｄｒ 径方向
３１ ケーシング
Ａｒ ロータ軸
３３ タービンロータ
３４ ロータ本体
３５ 動翼列
３６ 動翼
３７ 動翼本体
３８ プラットフォーム
３９ 翼根
４０ 静翼列
４１ 静翼
４２ 静翼本体
４３ 外側シュラウド
４５ 内側シュラウド
４０ａ 第一静翼列
４１ａ 第一静翼（第二部材）
４２１ 前縁部
４４ シュラウド本体
４４１ ガスパス面
４６ 側壁
４６１ 側端面
４２４ 突出部
５０ 翼環
５２ 遮熱環
６０ 分割環（第一部材、第二部材）
Ｇ 燃焼ガス
Ｐｇ 燃焼ガス流路
１００、２００ シール構造
１０１、２０１ 第一端面
１１１ 本体第一端面
１２１ フランジ第一端面
１０２、２０２ 第二端面
１１２ 突出部第二端面
７ シール部材（第三部材）
Ｃ キャビティ
７０ 本体部
７０ａ 第二シール面
７１ 第一凸部
７１ａ 端面（第三端面）
７２ 第二凸部
７２１ 接触シール部材
７２１ａ 第一シール面
７３ 第三凸部
７４ 第四凸部
７５ 隙間形成部
７５ａ 第三シール面（第四端面）
８０ 冷却流路
８０１ 軸方向流路
８０２ 径方向流路
８０ａ 開口
８０ｂ 流入口
８１ 第一係合部
８２ 第二係合部
１３０ 耐熱被膜部
１４０ 接触部
１４１ 第一接触部
１４２ 第二接触部
９ 衝突板
９ａ 空気孔
６１ 分割環本体
６１ａ 本体外側面
６１ｂ 本体外面
６１０ 分割環ガスパス面
６１１ 上流側端面
６１１ａ 上流側開口
６１１ｂ 上流側流路
６１２ 下流側端面
６１２ａ 下流側開口
６１２ｂ 下流側流路
６２ 上流側フック
６３ 下流側フック
６４ 後方係合部
６４１ 後方端面
６４２ 凸部
６４２ａ 凸部端面
６４２ｂ 後側開口
６４２ｃ 前側流路
６４３ 後方溝部
６５ 前方係合部
６５１ 前方端面
６５２ 凹部
６５２ａ 凹部端面
６５２ｂ 前側開口
６５２ｃ 後側流路
６５３ 前方溝部
２３０ 分割環耐熱被膜部
２４０ 分割環接触部
２４１ 第一接触部
２４２ 第二接触部
２５０ シール板（第三部材）

Claims (3)

  1. ロータ軸の周りに形成される燃焼ガス流路に面して配置される第一部材と、
    前記第一部材に隣接し、前記燃焼ガス流路に面して配置される第二部材と、
    前記第一部材の第一端面と前記第一端面と対向する前記第二部材の第二端面との間で、前記燃焼ガス流路の外側に配置され、前記第一部材及び前記第二部材に係合する第三部材と、
    前記第一端面及び前記第二端面の少なくとも一方の前記燃焼ガス流路側に形成される耐熱被膜部と、
    前記燃焼ガス流路に対して前記耐熱被膜部よりも外側で前記第一端面及び前記第二端面に配置され、前記第一部材及び前記第二部材が互いに接近する方向に相対移動した場合に、前記耐熱被膜部と対向する前記第一端面及び前記第二端面の少なくとも一方の面と前記耐熱被膜部との間に隙間が形成された状態で、前記第一部材及び前記第二部材に対して直接的に又は前記第三部材を介して間接的に接触して前記相対移動を規制する接触部と、を備え、
    前記第一部材は、燃焼器であり、
    前記第二部材は、前記燃焼器に対してロータ軸方向下流側に配置された静翼であり、
    前記第三部材は、前記燃焼ガス流路の外側に配置されたシール部材であり、
    前記シール部材は、
    前記静翼のロータ軸方向上流側を向く前縁部に対して、ロータ軸方向上流側の位置を含んで、前記ロータ軸を基準として周方向の一定の領域に形成されている冷却流路と、
    前記周方向に複数設けられ、前記冷却流路を流れる冷却空気が排出される開口が形成されている第三端面と、を備えるシール構造。
  2. 前記シール部材は、
    前記第三端面よりロータ軸方向下流側に突出し、ロータ軸方向下流側を向く面である第四端面が形成されている隙間形成部を備える請求項１に記載のシール構造。
  3. 前記第四端面は、前記静翼のロータ軸方向上流側を向く前記第二端面の接触部に対向して配置されている請求項２に記載のシール構造。
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