JP6782671B2

JP6782671B2 - ターボ機械

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Publication number: JP6782671B2
Application number: JP2017134787A
Authority: JP
Inventors: 仁志北川; 藤村　大悟; 大悟藤村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: US20200200033A1; JP2019015273A; WO2019013178A1

Description

本発明は、ターボ機械に関する。

ターボ機械においては、動翼の先端部分での流体の漏れ流れが動翼を回転させる主流に干渉することで、動翼を回転させる運動エネルギーの損失が発生することがあり、この損失を低減することが望まれている。

例えば、特許文献１には、内表面を有するハウジングと、ハウジング内に配置された圧縮機と、ハウジング内に配置されかつ圧縮機に作動結合されたタービンと、圧縮機およびタービンの１つの一部として構成されかつその各々が基部部分および先端部分を有する複数の動翼（ブレード部材）を備えた回転部材と、回転部材に隣接してハウジングの内表面に取付けられたハニカムシール部材と、を含むターボ機械が示されている。

特開２０１１−０８０４６９号公報

上述した特許文献１において、ハニカムシール部材は、複数の動翼の各々の先端部分によって形成された変形ゾーンを有する成形表面を含む。変形ゾーンは、入口ゾーンおよび出口ゾーンを含む。入口ゾーンは、圧縮機およびタービンの１つの上流端部から空気流を受け、また出口ゾーンは、圧縮機およびタービンの１つの下流端部に向けて該空気流を流すように構成されかつ配置される。入口ゾーンは、複数の動翼の各々の先端部分から第１の距離だけ間隔を置いて配置され、また出口ゾーンは、複数の動翼の各々の先端部分から第２の距離だけ間隔を置いて配置される。第２の距離は、第１の距離にほぼ等しいかまたは第１の距離よりも小さくて、変形ゾーンから流れる先端漏洩空気流がほぼ流線形になるようになる。このように、特許文献１では、変形ゾーンから流れる先端漏洩空気流がほぼ流線形になることで、動翼を回転させる主流と先端漏洩空気流との間の相互作用が減少し、かつターボ機械の運転が強化される。

しかし、特許文献１においては、ハニカムシール部材に変形ゾーンを有する成形表面を設けているが、成形表面の形状は動翼の先端部分による切削で形成されるので、先端漏洩空気流が流線型状態になるためのハニカムシール部材の成形表面の形状は運転条件などに依存してしまう。また、動翼の先端部分は、タービン運転中のロータ軸の熱変形により、相対的に軸方向に移動し、また、動翼の熱伸びにより相対的に径方向にも移動するため、実機で期待通りの効果を確実に得られるとは限らない。

本発明は上述した課題を解決するものであり、動翼の先端部分の漏れ流れが動翼を回転させる主流と干渉して生じることによる動翼を回転させる運動エネルギーの損失を低減することのできるターボ機械を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るターボ機械は、内部に流体の流れるケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸に対して周方向に複数並設された動翼と、前記ケーシングの内面を構成する分割環と、前記動翼の先端部に突設され前記分割環に対向するシールフィンと、を有すターボ機械であって、前記分割環は、前記ターボ機械が運転状態／停止状態のいずれにあるかを問わず常に前記シールフィンに対向し、前記シールフィンが接触することを許容するシール部材を備える第一の内面と、前記第一の内面の前記回転軸の軸方向下流側に接続し前記分割環の前記軸方向下流側の端部を構成し、前記軸方向下流側に向けて内径が拡大する第二の内面と、を有することを特徴とする。換言すれば、分割環は実質剛体である分割環本体と、切削性に優れるシール部材とからなる。

このターボ機械によれば、シールフィンが分割環の第一の内面と接近して対向することで、動翼とこれに対向する第一の内面の間で第一の内面に沿って軸方向下流側に通過する流体(漏れ流れ)を減少させることができる。
また、このターボ機械によれば、第一の内面がシール部材を備えることで、運転条件の変化によりシールフィンが対向する第一の内面に接触してもシール部材が切削されるためシールフィンおよび分割環本体の損傷を防ぐことができる。
しかも、このターボ機械によれば、シールフィンとこれに対向する第一の内面の間の漏れ流れを第二の内面に沿って第二の内面が拡大する径方向外側および軸方向下流側に向かって案内することで、第一の内面の軸方向下流側で主流に干渉する渦流の発生を抑制することができる。
すなわち、シールフィンがシール部材に接触せず隙間を保ったまま運転しているときも、運転状態の変化によりシールフィンによりシール部材が切削され、シール部材の表面形状が変化したときも、第一の内面とシールフィンの間を通過した漏れ流れが動翼を回転させる主流に干渉することを抑制することができ、実機で期待通りの効果を確実に得ることができる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記シール部材は、前記軸方向下流側に向く下流側面の軸方向下流側を前記分割環本体に覆われていることが好ましい。

このターボ機械によれば、第一の内面を構成するシール部材の下流側面の軸方向下流側を分割環で覆うことで、第二の内面を第一の内面の下流側に隣接して設置することができ、渦流を生じさせる大きな段部を形成せず、第一の内面に沿って軸方向下流側に通過する漏れ流れを第二の内面に沿って案内することができる。この結果、動翼の先端部分の漏れ流れが主流と干渉して生じる損失をより低減することができ、動翼を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減する効果を顕著に得ることができる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記シール部材は、径方向内面の一部が径方向外側に向けて傾斜した傾斜内面を有し、前記第二の内面は前記傾斜内面に連続して設けられていることが好ましい。

このターボ機械によれば、傾斜内面を介して第二の内面を第一の内面をなすシール部材の径方向内面よりも径方向外側に配置することができる。このため、熱変形などにより動翼の軸方向位置が分割環に対して相対的に移動した場合、動翼のシールフィンがシール部材に接触しても、シールフィンが第二の内面に接触する事態を防ぎ、シールフィンおよび第二の内面の損傷を防止できる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記シール部材の前記軸方向下流側の端部は前記第二の内面よりも前記径方向内側に突出していることが好ましい。

このターボ機械によれば、熱変形などにより動翼の軸方向位置が分割環に対して相対的に移動した場合、動翼のシールフィンがシール部材に接触しても、シールフィンが第二の内面に接触する事態を防ぎ、シールフィンおよび第二の内面の損傷を防止できる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記第一の内面と、当該第一の内面の前記軸方向下流側に接続する前記第二の内面には、前記シール部材の前記突出以外に、軸方向に不連続な段差がないことが好ましい。

このターボ機械によれば、シール部材の突出以外に、軸方向に不連続な段差がないため、段差による渦の発生を防止できる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記シール部材の突出量は、前記シールフィンによる切削が想定される深さよりも大きく、前記深さの２倍よりも小さいことが好ましい。

このターボ機械によれば、シール部材の突出量を、動翼のシールフィンがシール部材に接触した場合のシール部材の切削が想定される深さよりも大きくすることで、動翼のシールフィンがシール部材に接触した場合に、シールフィンが分割環側に接触する事態を防ぐことができる。一方、シール部材の突出量を、前記深さの２倍より小さくすることで、段差による渦の発生を極力抑制することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記第二の内面は、前記分割環と一体であることが好ましい。

このターボ機械によれば、第二の内面を分割環と一体に形成することで、構成部品数を低減することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記第二の内面は、前記分割環とは別体で設けられることが好ましい。

このターボ機械によれば、第二の内面を分割環と別体とすることで、シール部材の交換が容易に行えるためメンテナンス性を向上することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ機械では、前記シール部材は、前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面が前記分割環の内面から突出して設けられていることが好ましい。

このターボ機械によれば、第一の内面をなすシール部材の径方向内面の径方向内側であってシールフィンの軸方向上流側に渦を発生させ、この渦により第一の内面である径方向内面とシールフィンの先端との隙間に向かう流れを阻害することができる。このため、当該隙間からの流体の漏れを低減し、この漏れ流れが主流と干渉することを低減することができ、動翼を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減する効果を顕著に得ることができる。

本発明によれば、動翼の先端部分の漏れ流れが動翼を回転させる主流と干渉することを抑制することができ、動翼を回転させる運動エネルギーの損失を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。図２は、本発明の実施形態に係るガスタービンのタービン動翼の斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係るガスタービンのタービン動翼先端部周辺の拡大図である。図４は、本発明の実施形態に係るガスタービンの他の例のタービン動翼先端部周辺の拡大図である。図５は、本発明の実施形態に係るガスタービンの他の例のタービン動翼先端部周辺の拡大図である。図６は、本発明の実施形態に係るガスタービンの他の例のタービン動翼先端部周辺の拡大図である。図７は、本発明の実施形態に係るガスタービンの他の例のタービン動翼先端部周辺の拡大図である。図８は、本発明の実施形態に係るガスタービンの他の例のタービン動翼先端部周辺の拡大図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。

本実施形態では、ターボ機械として図１に示す産業用のガスタービン１０を一例とする。他に、ターボ機械は、例えば、蒸気タービンや航空用タービンなどがある。

図１に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とを備えている。このガスタービン１０は、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３の中心部に、回転軸であるロータ軸４が貫通して配置されている。圧縮機１、燃焼器２およびタービン３は、ロータ軸４の軸心Ｒに沿い、ガスの流れの上流側から下流側に向かって順に並設されている。なお、以下の説明において、軸方向とは軸心Ｒに平行な方向をいい、周方向とは軸心Ｒを中心とした周り方向をいい、径方向とは軸心Ｒに直交する方向をいう。また、径方向内側は径方向において軸心Ｒに向かう側で、径方向外側は径方向において軸心Ｒから離れる側である。

圧縮機１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に圧縮機静翼１３および圧縮機動翼１４が設けられている。圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、圧縮機動翼１４は、ロータ軸４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。

燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器２は、燃焼筒として、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン３に導く尾筒２２と、内筒２１の外周を覆い、圧縮機１からの圧縮空気を内筒２１に導く空気通路２５をなす外筒２３とを有している。この燃焼器２は、燃焼器ケーシング２４に対し周方向に複数並設されている。

タービン３は、燃焼器２で燃焼された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン３は、タービンケーシング３１内にタービン静翼３２およびタービン動翼３３が設けられている。タービン静翼３２は、タービンケーシング３１側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、タービン動翼３３は、ロータ軸４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これらタービン静翼３２とタービン動翼３３とは、軸方向に沿って交互に設けられている。また、タービンケーシング３１の軸方向下流側には、タービン３に連続する排気ディフューザ３４ａを有した排気室３４が設けられている。

ロータ軸４は、圧縮機１側の端部が軸受部４１により支持され、排気室３４側の端部が軸受部４２により支持されて、軸心Ｒを中心として回転自在に設けられている。そして、ロータ軸４は、図には明示しないが、圧縮機１側の端部に発電機の駆動軸が連結されている。

このようなガスタービン１０は、圧縮機１の空気取入口１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気に対し、燃焼器２において燃料が混合されて燃焼されることで高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２とタービン動翼３３とを通過することでロータ軸４が回転駆動され、このロータ軸４に連結された発電機に回転動力を付与することで発電を行う。そして、ロータ軸４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａを経て排気ガスとして大気に放出される。

図２は、本実施形態に係るガスタービンのタービン動翼の斜視図である。図３から図８は、本実施形態に係るガスタービンのタービン動翼先端部周辺の拡大図である。

図２に示すように、タービン動翼（単に動翼ともいう）３３は、ディスク（ロータ軸４）に固定される翼根部３３１と、基端部がこの翼根部３３１に接合される翼本体３３２と、この翼本体３３２の先端部に連結されるチップシュラウド３３３、チップシュラウド３３３の径方向外面に突設して形成されるシールフィン３３４とから構成されている。翼本体３３２は、径方向に延在しつつ所定角度だけねじられて形成されている。チップシュラウド３３３は、周方向および軸方向に延在する板状に形成されている。シールフィン３３４は、周方向に延在する凸条として形成されている。このタービン動翼３３は、翼根部３３１がディスクの外周部に嵌合して複数が周方向に沿って配置されることで、各チップシュラウド３３３同士が接触して接続され、各シールフィン３３４が周方向に連続して各翼本体３３２の外周側（先端部）に円環形状をなすシュラウド３３５が構成される。

タービンケーシング３１は、その内部にタービン動翼３３を収容する。図３に示すようにタービンケーシング３１は、内部に燃焼ガス（流体）が矢印Ｇで示す軸方向に流れる。この燃焼ガスがタービン動翼３３とタービン静翼３２とを通過することでロータ軸４が回転駆動される。このタービンケーシング３１内において、その内面が分割環３１Ａにより構成されている。分割環３１Ａは、剛体であり、タービン動翼３３の径方向外側を囲むように周方向に沿って円環形状に配置されている。そして、この分割環３１Ａの内面３１Ａａにシール部材５が固定されている。シール部材５は、径方向に開口する六角形の筒状体が周方向および軸方向に並設されてハニカム構造とされたものや、アルミ合金材が周方向に沿って板状に蒸着されたものなどがある。シール部材５は、径方向内側に周方向に沿いタービン動翼３３のシールフィン３３４に近接して対向する径方向内面５ａと、径方向に沿い燃焼ガスの流れ方向（矢印Ｇ）の下流側（回転軸であるロータ軸４が延在する軸方向に沿う軸方向下流側）に向く下流側面５ｂと、径方向に沿い燃焼ガスの流れ方向（矢印Ｇ）の上流側（回転軸であるロータ軸４が延在する軸方向に沿う軸方向上流側）に向く上流側面５ｃと、径方向内面５ａとは相反する径方向外側に向く径方向外面５ｄと、を有する断面矩形状に形成されている。このシール部材５およびシールフィン３３４は、シール部材５の径方向内面５ａとシールフィン３３４の先端とが近接して対向することでタービン動翼３３の先端部における流れ方向ｇへの燃焼ガスの漏れを抑制する。その一方で、シール部材５は、径方向内面５ａとシールフィン３３４の先端との間に隙間を形成してタービン動翼３３の回転を許容し、熱膨張などによりタービン動翼３３が径方向外側に位置が変化してシールフィン３３４が接触した場合には自身が切削されることでシールフィン３３４の損傷を防ぐ。すなわち、シール部材５は、シールフィン３３４が接触することを許容するものである。

本実施形態のガスタービン１０は、図３に示すように、第一の内面６Ａと、第二の内面６Ｂと、を有する。

第一の内面６Ａは、分割環３１Ａに固定されたシール部材５の径方向内面５ａを備えるもので、常にシールフィン３３４に対向する面を構成する。ここで、「常に」とは、ガスタービン１０が運転状態／停止状態のいずれにあるかを問わない状態を示す。

第二の内面６Ｂは、第一の内面６Ａの軸方向下流側において第一の内面６Ａに接続して設けられている。第二の内面６Ｂは、シール部材５とは別に、分割環３１Ａの軸方向下流側の端部を構成する。この第二の内面６Ｂは、第一の内面６Ａに接続した部分から軸方向下流側に向けて内径が拡大して設けられている。すなわち、第二の内面６Ｂは、シール部材５を備える第一の内面６Ａの軸方向下流側に接続し、この接続部分からシール部材５とは異なる剛体である分割環においてさらに軸方向下流側に向けて径方向外側に漸次広がるように傾斜する傾斜面を構成している。

また、図３に示すように、第二の内面６Ｂの軸方向下流端であって分割環３１Ａの軸方向下流端には、燃焼ガスの流れ方向（矢印Ｇ）の下流側（軸方向下流側）に向く下流側面３１Ａｂが設けられている。そして、この下流側面３１Ａｂよりも軸方向下流側に、下流側面３１Ａｂと隙間を有して軸方向で対向する下流側ケーシング３１Ｂが設けられている。下流側ケーシング３１Ｂは、タービン動翼３３の位置の軸方向下流側であって、第二の内面６Ｂと軸方向で隣接して設けられており、円環形状に形成されている。この下流側ケーシング３１Ｂは、隣接するタービン動翼３３が最終段の場合は排気ディフューザ３４ａを構成し、隣接するタービン動翼３３が最終段でない場合は静翼シュラウド（図示せず）を構成する。そして、第二の内面６Ｂは、径方向外側に漸次広がった下流端の内径と、下流側ケーシング３１Ｂの径方向内面３１Ｂａの内径とが、ほぼ等しくなるように設けられている。

上述したように、シール部材５は、第一の内面６Ａを構成する径方向内面５ａとシールフィン３３４の先端との間に隙間を形成してタービン動翼３３の回転を許容している。隙間は極力小さいことが好ましいが、図３に符号ｇで示すように、隙間から流体が漏れることになる。すなわち、第一の内面６Ａ（シール部材５の径方向内面５ａ）に沿って流体が軸方向下流側に通過する。この第一の内面６Ａに沿って軸方向下流側に通過した流体は、第二の内面６Ｂに沿って第二の内面６Ｂが拡大する径方向外側および軸方向下流側に向かって案内される。

ここで、従来は、図３に二点鎖線で示すように、シール部材５の軸方向下流側にシール部材５の下流側面５ｂを段部として径方向内面５ａよりも径方向外側に段差を有し周方向に連続する平面７が分割環３１Ａに形成されている。この従来の場合、シールフィン３３４とこれに対向するシール部材５の径方向内面５ａの間を通過した流体は、下流側面５ｂを超えた付近となる図３の範囲Ａ部において渦流を生じる。また、従来では、平面７の下流端において燃焼ガスの流れ方向（矢印Ｇ）の下流側（軸方向下流側）に向く下流側面３１Ａｂが設けられ、この下流側面３１Ａｂの軸方向下流側に、下流側面３１Ａｂと対向するように下流側ケーシング３１Ｂが設けられている。そして、平面７と下流側ケーシング３１Ｂとの間には、隙間が形成されていると共に、平面７に対して下流側ケーシング３１Ｂの径方向内面３１Ｂａの位置が径方向外側にずれて設けられて平面７と下流側ケーシング３１Ｂの径方向内面３１Ｂａとの間に段差があることで、下流側面３１Ａｂの付近となる図３の範囲Ｃ部において渦流を生じる。そして、これら、範囲Ａ部や範囲Ｂ部の渦流が、タービン動翼３３を回転させる燃焼ガスの主流に干渉することとなり、タービン動翼３３を回転させる流体の運動エネルギーの損失が発生する。

このような従来の事象に対し、本実施形態のガスタービン１０によれば、シールフィン３３４が分割環３１Ａの第一の内面６Ａと接近して対向することで、動翼３３とこれに対向する第一の内面６Ａの間で第一の内面６Ａに沿って軸方向下流側に通過する流体(漏れ流れ)を減少させることができる。また、このガスタービン１０によれば、第一の内面６Ａがシール部材５を備えることで、運転条件の変化によりシールフィン３３４が対向する第一の内面６Ａに接触してもシール部材５が切削されるためシールフィン３３４および分割環３１Ａ本体の損傷を防ぐことができる。しかも、本実施形態のガスタービン１０によれば、シールフィン３３４とこれに対向する第一の内面６Ａ（シール部材５の径方向内面５ａ）の間での漏れ流れを第二の内面６Ｂに沿って第二の内面６Ｂが拡大する径方向外側および軸方向下流側に向かって案内することで第一の内面６Ａの軸方向下流側（範囲Ａ部）で主流に干渉する渦流の発生を抑制することができる。すなわち、シールフィン３３４がシール部材５に接触せず隙間を保ったまま運転しているときも、運転状態の変化によりシールフィン３３４によりシール部材５が切削され、シール部材５の表面形状が変化したときも、第一の内面６Ａとシールフィン３３４の間を通過した漏れ流れが動翼を回転させる主流に干渉することを抑制することができ、実機で期待通りの効果を確実に得ることができる。また、タービン動翼３３を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減することができる。また、第二の内面６Ｂの軸方向下流側において下流側ケーシング３１Ｂとの隙間に下流側面３１Ａｂが設けられている場合であっても、第二の内面６Ｂは、シールフィン３３４とこれに対向する第一の内面６Ａの間を通過した流体を下流側ケーシング３１Ｂの径方向内面３１Ｂａに向けて案内することから、下流側面３１Ａｂの付近となる図３の範囲Ｃ部において渦流の発生を抑制することができる。このため、タービン動翼３３を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減することができる。

したがって、本実施形態のガスタービン１０によれば、タービン動翼３３の先端部分の漏れ流れがタービン動翼３３を回転させる主流と干渉することを抑制することができ、タービン動翼３３を回転させる運動エネルギーの損失を低減することができる。この結果、ガスタービン１０の性能を向上できる。そして、第一の内面６Ａをシール部材５を備えてシールフィン３３４に対向させ、この第一の内面６Ａの軸方向下流側で第一の内面６Ａに接続する第二の内面６Ｂを剛体である分割環３１Ｂに設ける構成とすることで、シール部材５にシールフィン３３４が接触しても、実機で期待通りの効果を確実に奏する。

なお、タービン３は、流体の下流側に向けて径方向寸法が大きくなる拡大流路形状とされる。そして、最終段のタービン動翼３３の下流側には、下流側ケーシングとして、上述したように流体を減速させる排気ディフューザ３４ａが設けられる。従って、第二の内面６Ｂを径方向外側および軸方向下流側に向かって傾斜して設けることで、排気ディフューザにおける流体の流れに対応してシールフィン３３４とこれに対向するシール部材５の間を通過した流体を下流側に向けて案内することができる。また、タービン３は、最終段以外のタービン動翼３３の下流側には、下流側ケーシングとして、静翼シュラウドが設けられる。従って、第二の内面６Ｂを径方向外側および軸方向下流側に向かって傾斜して設けることで、静翼シュラウドに対する流体の流れに対応しシールフィン３３４とこれに対向するシール部材５の間を通過した流体を下流側に向けて径方向外側に案内することができる。この結果、タービン動翼３３の先端部の位置に固定されたシール部材５の下流側において主流との干渉を低減することができ、運動エネルギーの損失を抑制することができる。

しかも、本実施形態のガスタービン１０では、第一の内面６Ａは、シールフィン３３４が接触することを許容するように分割環３１Ａに固定されたシール部材５により構成されている。

このように、第一の内面６Ａをシール部材５により構成することで、シールフィン３３４が接触してもシール部材５が切削されるためシールフィン３３４の損傷を防ぐことができる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、図３に示すように、第一の内面６Ａを構成するシール部材５は、軸方向下流側に向く下流側面５ｂの軸方向下流側を分割環３１Ａ本体に覆われている。

このように、第一の内面６Ａを構成するシール部材５の下流側面５ｂの軸方向下流側を分割環３１Ａで覆い、第二の内面６Ｂを第一の内面６Ａに隣接させることで、渦流を生じさせる大きな段部を形成せず、第一の内面６Ａに沿って軸方向下流側に通過する漏れ流れを第二の内面６Ｂに沿って案内することができる。この結果、タービン動翼３３の先端部分の漏れ流れが主流と干渉して生じる損失をより低減することができ、タービン動翼３３を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減する効果を顕著に得ることができる。この結果、ガスタービン１０の性能をより向上できる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、図４に示すように、シール部材５は、径方向内面５ａの一部が径方向外側に向けて傾斜した傾斜内面５ｅを有している。そして、第二の内面６Ｂは、傾斜内面５ｅに連続して設けられている。

このガスタービン１０によれば、傾斜内面５ｅを介して第二の内面６Ｂを第一の内面６Ａ（シール部材５の径方向内面５ａ）よりも径方向外側に配置することができる。このため、熱変形などによりロータ軸４およびタービン動翼３３の軸方向位置が分割環３１Ａに対して相対的に移動した場合、タービン動翼３３のシールフィン３３４がシール部材５に接触しても、シールフィン３３４が第二の内面６Ｂに接触する事態を防ぎ、シールフィン３３４および第二の内面６Ｂの損傷を防止できる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、図５に示すように、シール部材５の軸方向下流側の端部は、第二の内面６Ｂよりも径方向内側に寸法Ｔ分突出していてもよい。具体的には、シール部材５の軸方向下流側に向く下流側面５ｂが表出するように、第二の内面６Ｂが下流側面５ｂの途中に接続されている。つまり、シール部材５の径方向内面５ａよりも第二の内面６Ｂが径方向外側に寸法Ｔの分ロータ軸４から離れる。

このガスタービン１０によれば、熱変形などによりロータ軸４およびタービン動翼３３の軸方向位置が分割環３１Ａに対して相対的に移動した場合、タービン動翼３３のシールフィン３３４がシール部材５に接触しても、シールフィン３３４が第二の内面６Ｂに接触する事態を防ぎ、シールフィン３３４および第二の内面６Ｂの損傷を防止できる。

なお、シール部材５の軸方向下流側の端部が第二の内面６Ｂよりも径方向内側に突出する突出量である寸法Ｔは、タービン動翼３３のシールフィン３３４がシール部材５に接触した場合のシール部材５の切削が想定される深さの設計上の許容値よりも大きく設定することで、タービン動翼３３のシールフィン３３４がシール部材５に接触した場合であっても、シールフィン３３４が分割環３１Ａ側に接触する事態を防ぐことができる。一方、寸法Ｔは、前記設計上の許容値の２倍より小さい範囲に設定することで、段差による渦の発生を極力抑制することができる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、第一の内面６Ａと、第一の内面６Ａの軸方向下流側に接続する第二の内面６Ｂには、シール部材５の突出以外に、軸方向に不連続な段差がないことが好ましい。

このガスタービン１０によれば、シール部材５の突出以外に、軸方向に不連続な段差がないため、段差による渦の発生を防止できる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、第二の内面６Ｂは、分割環３１Ａと一体であることが好ましい。すなわち、第二の内面６Ｂは、図３に示すように、分割環３１Ａの内面３１Ａａにより形成されることが好ましい。

このガスタービン１０によれば、第二の内面６Ｂを分割環３１Ａと一体に形成することで、構成部品数を低減することができる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、図６に示すように、第二の内面６Ｂは、分割環３１Ａとは別体で設けられていてもよい。

このガスタービン１０によれば、第二の内面６Ｂを分割環３１Ａと別体とすることで、シール部材５の交換が容易に行えるためメンテナンス性を向上することができる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、シール部材５は、回転軸の軸方向上流側に向く上流側面５ｃが分割環３１Ａの内面３１Ａａから突出して設けられていてもよい。

このガスタービン１０によれば、シール部材５の上流側面５ｃが分割環３１Ａの内面３１Ａａから突出して設けられていることで、図７に符号ｇ’で示すようにシール部材５の径方向内面５ａの径方向内側であってシールフィン３３４の軸方向上流側に渦を発生させ、この渦により第一の内面６Ａである径方向内面５ａとシールフィン３３４の先端との隙間に向かう流れｇを阻害することができる。このため、当該隙間からの流体の漏れを低減し、この漏れ流れが主流と干渉することを低減することができ、タービン動翼３３を回転させる流体の運動エネルギーの損失を低減する効果を顕著に得ることができる。この結果、ガスタービン１０の性能をより向上できる。

なお、上述した実施形態において、第二の内面６Ｂは、各図に直線断面にて示された回転体形状であり平坦状とされているが、平坦状に限定されるものではなく、例えば、下流側および径方向外側に向かってサインカーブや円弧形状の断面として形成されていても上述した効果を得ることが可能である。そして、下流側および径方向外側に向かってサインカーブや円弧形状第二の内面６Ｂは、上述した傾斜して設けられる形態に含まれる。

１圧縮機
１１空気取入口
１２圧縮機ケーシング
１３圧縮機静翼
１４圧縮機動翼
２燃焼器
２１内筒
２２尾筒
２３外筒
２４燃焼器ケーシング
２５空気通路
３タービン
３１タービンケーシング
３１Ａ分割環
３１Ａａ内面
３１Ａｂ下流側面
３１Ｂ下流側ケーシング
３１Ｂａ径方向内面
３２タービン静翼
３３タービン動翼
３３１翼根部
３３２翼本体
３３３チップシュラウド
３３４シールフィン
３３５シュラウド
３４排気室
３４ａ排気ディフューザ
４ロータ軸（回転軸）
４１軸受部
４２軸受部
５シール部材
５ａ径方向内面
５ｂ下流側面
５ｃ上流側面
５ｄ径方向外面
５ｅ傾斜内面
６Ａ第一の内面
６Ｂ第二の内面
７平面
１０ガスタービン
Ａ範囲
Ｃ範囲
Ｒ軸心

Claims

内部に流体の流れるケーシングと、
前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸に対して周方向に複数並設された動翼と、
前記ケーシングの内面を構成する分割環と、
前記動翼の先端部に突設され前記分割環に対向するシールフィンと、
を有するターボ機械であって、
前記ターボ機械が前記シールフィンに対向し、前記シールフィンが接触することを許容する第一の内面を有するシール部材を前記分割環に備え、
前記分割環には、前記回転軸の軸方向下流側に向かうにつれて漸次拡大する第二の内面が設けられ、
前記第一の内面は、前記シール部材において前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面と前記回転軸の軸方向下流側に向く下流側面との間で軸方向に段差無く形成された径方向内面であり、前記シール部材の径方向内面が、前記回転軸の軸方向に沿って構成され、前記第一の内面の前記回転軸の軸方向下流側において、前記第一の内面と前記第二の内面が段差無く接続している、
ことを特徴とするターボ機械。
内部に流体の流れるケーシングと、
前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸に対して周方向に複数並設された動翼と、
前記ケーシングの内面を構成する分割環と、
前記動翼の先端部に突設され前記分割環に対向するシールフィンと、
を有するターボ機械であって、
前記ターボ機械が前記シールフィンに対向し、前記シールフィンが接触することを許容する第一の内面を有するシール部材を前記分割環に備え、
前記分割環には、前記回転軸の軸方向下流側に向かうにつれて漸次拡大する第二の内面が設けられ、
前記第一の内面は、前記シール部材において前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面と前記回転軸の軸方向下流側に向く下流側面との間で軸方向に段差無く形成された径方向内面であり、前記シール部材の径方向内面が、前記回転軸の軸方向に沿って構成され、前記第一の内面の前記軸方向下流側において、前記第一の内面が前記第二の内面よりも径方向内側に突出するように段差をもって接続しており、前記段差がシール部材の厚さよりも小さく、
前記シール部材には、前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面が前記分割環の内面から突出して設けられ、前記上流側面が突出する前記分割環の内面との段差が前記シール部材の厚さよりも小さい、
ことを特徴とするターボ機械。
内部に流体の流れるケーシングと、
前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸に対して周方向に複数並設された動翼と、
前記ケーシングの内面を構成する分割環と、
前記動翼の先端部に突設され前記分割環に対向するシールフィンと、
を有するターボ機械であって、
最終段の前記動翼の先端部に突設された前記シールフィンに対向し、当該シールフィンが接触することを許容する第一の内面を有するシール部材を前記分割環に備え、
前記分割環には、前記回転軸の軸方向下流側に向かうにつれて内径が漸次拡大する第二の内面が設けられ、
前記第一の内面は、前記シール部材において前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面と前記回転軸の軸方向下流側に向く下流側面との間で軸方向に段差無く形成された径方向内面であり、前記シール部材の径方向内面が、前記回転軸の軸方向に沿って構成され、前記第一の内面の前記軸方向下流側において、前記第一の内面が前記第二の内面よりも径方向内側に突出するように段差をもって接続し、
前記シール部材には、前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面が前記分割環の内面から突出して設けられ、前記上流側面が突出する前記分割環の内面との段差が前記シール部材の厚さよりも小さい、
ことを特徴とするターボ機械。
前記第一の内面と、当該第一の内面の前記軸方向下流側に接続する前記第二の内面には、前記シール部材の前記突出以外に、軸方向に不連続な段差がない、請求項２または３に記載のターボ機械。
前記シール部材の突出量は、前記シールフィンによる切削が想定される深さよりも大きく、前記深さの２倍よりも小さい、請求項２または３に記載のターボ機械。
前記第二の内面は、前記分割環と一体である、請求項１から３のいずれか１つに記載のターボ機械。
前記第二の内面は、前記分割環とは別体で設けられる、請求項１から３のいずれか１つに記載のターボ機械。
前記シール部材は、前記回転軸の軸方向上流側に向く上流側面が前記分割環の内面から突出して設けられている、請求項１に記載のターボ機械。