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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