シール装置及びシール装置を備えたガスタービン
【課題】
面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供する。
【解決手段】
隣り合う部材である静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する面にそれぞれシール溝３２ｂ，３５ａを設け、シール溝３２ｂ，３５ａにシール部材であるシールプレート３６を挿入して隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、シール部材であるシールプレート３６は溝の長さ方向（図７の奥行き方向）に垂直な面の断面が略円形である円形状弾性体４０であり、隣り合う部材のそれぞれの対向面と溝との間にシール部材であるシールプレート３６と面接触可能に構成されたシール面であるエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを有するよう構成する。
面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供する。
【解決手段】
隣り合う部材である静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する面にそれぞれシール溝３２ｂ，３５ａを設け、シール溝３２ｂ，３５ａにシール部材であるシールプレート３６を挿入して隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、シール部材であるシールプレート３６は溝の長さ方向（図７の奥行き方向）に垂直な面の断面が略円形である円形状弾性体４０であり、隣り合う部材のそれぞれの対向面と溝との間にシール部材であるシールプレート３６と面接触可能に構成されたシール面であるエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを有するよう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール装置及びシール装置を用いたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばガスタービンの静翼体を構成する部材では、周方向に隣接するセグメントの両側面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法が採られている。但し、この種のシールプレートは、近年のガスタービンの作動ガスの高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じるシール溝の半径方向のずれ（オフセットと呼称）への対応が困難である。
【０００３】
これに対し、平板状シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央を薄く加工したシールプレートの開発が進められている。その代表例が、米国特許第５１５８４３０号明細書に記載されているような、シールプレート外端部を楕円状に成形したドッグボーン型シールプレートである。ドックホーン型シールプレートを利用すると、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝に多少のオフセットが生じても、溝面で接触点が確保できる。また、プレート中央部が薄肉化されていることで、このプレート中央部とシール溝エッジ部との干渉を抑制できる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５１５８４３０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ドッグボーン型シールプレートのように、トレードオフ設計によってプレート形状を高温化に伴う半径方向の熱伸び偏差であるオフセットに対応させた結果、シール溝におけるシールプレートの接触状態は、線接触になる。シール面が線接触として構成されたドッグボーン型シールプレートでは、面接触するよう構成された平板状シールプレートに比べ、リーク流量の増加が予想される。このように、シールプレートの開発には、リーク流量の低減と熱伸び偏差によるオフセットへの対応という、相反する課題が含まれている。
【０００６】
本発明の目的は、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のシール装置は、隣り合う部材の対向する面にそれぞれシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、前記シール部材は前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体であり、前記隣り合う部材のそれぞれの対向面と前記溝との間に前記シール部材と面接触可能に構成されたシール面を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例として、本発明のシール装置をガスタービンに用いた例について説明する。ガスタービンおいては、熱効率の向上を目的として作動ガスの高温化が図られているが、特に、作動ガス中に配置されているタービン静・動翼が高温に耐えられるように、翼内部に冷却媒体を供給している。現在稼働しているこの種のガスタービンは、空気冷却によるオープン冷却方式を採用していることが多い。即ち、圧縮機から抽気した空気を冷却空気として用い、この空気をケーシングや、タービン内部を経由させて、翼内部を冷却するようにしている。そして、翼内部を冷却した後の空気は、翼外表面のフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔等から、ガスパス中に排出させている。また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部を、タービンホィールスペースのシール空気として分岐するが、この空気もイングレス抑制用としてガスパスに排出されることになる。
【００１０】
ところで、動翼シュラウドや静翼体は、セグメント構造として周方向に環状配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、セグメント間には、周方向に間隙を有する。熱応力の発生防止の観点から、この間隙は、定格点においても接触しないように設計される。つまり、ケーシング内部外端側キャビティとガスパスは、この間隙路によって半径方向に連通することになる。従って、静翼の冷却用にケーシング内部側キャビティに導いた冷却空気の一部が、このセグメント間からの間隙を通過して、ガスパス中に漏洩する。所謂、リークである。同様に、静翼のダイアフラムもセグメント構造として環状に構成されるが、同様に、シール空気の一部がリークすることになる。
【００１１】
これらのリークは、それ自体が損失である。リーク量の増加は冷却空気必要量の増加につながり、圧縮機で圧縮された圧縮空気を無駄に浪費してしまうからである。その上、比較的低温であるリーク空気がガスパスの作動ガスへ混入することから、希釈されることによる作動ガスの温度低下や混合損失により、タービンの出力低下を起こすため、作動ガス高温化の効果が十分に発揮できない嫌いがある。
【００１２】
例えばガスタービンの静翼体を構成する部材では、周方向に隣接するセグメントの両側面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法が採られている。但し、この種のシールプレートにおいては、近年のガスタービンの作動ガスの高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じるシール溝の半径方向のずれ（オフセットと呼称）への対応が困難である。
【００１３】
これに対し、平板状シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央を薄く加工したシールプレートの開発が進められている。その代表例が、シールプレート外端部を楕円状に成形したドッグボーン型シールプレートである。ドックホーン型シールプレートを利用すると、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝に多少のオフセットが生じても、溝面で接触点が確保できる。また、プレート中央部が薄肉化されていることで、このプレート中央部とシール溝エッジ部との干渉をある程度抑制できる。
【００１４】
シールプレートとシール溝エッジ部との干渉は深刻な状況を引き起こす可能性がある。静翼セグメントのシール溝の半径方向のずれに対して、当初、シールプレートは溝位置の半径方向変位に従って移動するが、シール溝エッジによるプレート中央部の拘束に始まり、プレート変形によるリーク流量増大や、プレートを介したエッジ部端への曲げ力による静翼体の損傷に到る可能性もある。従来多く利用されてきた平板上シールプレートでは、一定幅以上のオフセットがおきた場合の干渉への対応が困難である。
【００１５】
ガスタービンにおけるセグメント構造面や分割構造面の多くには平板状シールプレートが装着されている。また、シール溝構成で、シールプレート以外のシール部材を設けている例もあるが、上記と同様のことが言える。
【００１６】
後述する本発明のシール装置によれば、ガスタービンの起動時にも定格運転時にも、矩形断面状プレートとシール溝内面、或いは、円形状弾性体とエッジシール面を接触させることができる。即ち、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットも、容易に吸収可能であり、プレート変形やセグメント部材に掛かる力の発生を防止できることから、高い信頼性を図れ、その本来の目的に沿った効率の高いガスタービン装置を得るという優れた実用的効果をもたらす。
【００１７】
以下、本発明の第１の実施例を図１−図７を用いて説明する。図１は本発明のガスタービンを示す構成図、図２は、本発明の構成を示すタービン部の部分断面図、図３は本発明によるシールプレートの配置を示す静翼体の概念図、図４は本発明によるシールプレートの装着を示す概念図、図５は従来例によるシールプレートの装着を示す概念図、図６は本発明による弾性体を用いたシールプレートを装着した概念図、図７は運転中の状態を示す弾性体を用いたシールプレートによるシール装置の概念図を示してある。
【００１８】
図１を用いて、作動ガスと冷却空気の流れからガスタービン１の全体構成を説明する。図１は本発明のガスタービンの構成図を示す。ガスタービン１は、主として多段のタービン４と、このタービンに連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２，圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器３、及び、発電機５を備えている。圧縮機２から抽気した冷却空気は、第２段静翼を冷却するための静翼低圧冷却空気経路６ａ，第１段静翼を冷却するための静翼高圧冷却空気経路６ｂ、また第１，２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、各々のタービン被冷却部に供給される。このとき、抽気空気圧力は、各翼でのガスパス圧力に応じた値から選定しており、静翼高圧冷却空気経路６ｂ，動翼冷却空気経路７には、圧縮機２の最終段からの抽気空気、静翼低圧冷却空気経路６ａには、圧縮機２の中圧段からの抽気空気を導入する。被冷却部を冷却して熱交換した各冷却空気は、図示しない翼のフィルム冷却、或いは後縁からの噴出し等として、タービン４のガスパス中に排出され、作動ガスと混合されて、最終的には排気ガスとして大気に放出される。
【００１９】
図２は、タービン４の第１段静翼１０ａ，第２段静翼１１ａ，第１段動翼１０ｂ及び第２段動翼１１ｂ部分のタービン部分断面、すなわち本発明のガスタービンのタービン部の部分断面図を示したものである。各冷却空気経路６ａ，６ｂ、及び７は、それぞれの被冷却部に連通するが、ここでは、本発明のシール装置を明確にするため、第２段静翼１１ａまわりを対象として説明する。静翼低圧冷却空気経路６ａを径由して、ケーシング１２に設けた導入孔（図示せず）を介して供給された冷却空気は、ケーシング１２内部の外端側にある第２段静翼供給キャビティ１３を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼体２１に供給される。この冷却空気は、第２段静翼体２１の図示しない冷却パスを通過するときに熱交換を行い、第２段静翼１１ａを冷却するとともに、温度上昇して、ガスパス９に排出される。一方、第２段静翼体２１に供給された空気の一部は、第２段静翼体２１とダイアフラム１５で形成されるダイアフラムキャビティ１４を経て、第１段ホィール１９ａ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第１段動翼後側ホィールスペース１６ａに供給された後、ダイアフラム１５とスペーサー２２の間で協働するシールフィン２４によって、第２段ホィール１９ｂ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第２段動翼前側ホィールスペース１６ｂに分配され、それぞれのホィールスペース１６ａ，１６ｂへの作動ガスの侵入を抑制するためのシール空気として使用される。
【００２０】
図３は、本発明のガスタービンのシール溝の配置を示す静翼体の断面図を示す。図３は、周方向に複数個配置された第２段静翼体２１の１つである静翼体セグメント２１ａと、ダイアフラム１５ａを示したものである。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール３１ａには、シール溝３２ａ，３２ｂ、及び３２ｃが設けられており、内径側エンドウォール３１ｂには、シール溝３３ａ，３３ｂ、及び３３ｃが設けられている。また、ダイアフラム１５ａには、シール溝３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ、及び３４ｇがある。ところで、第２段静翼供給キャビティ１３とガスパス９は、連通しており、図中の矢印で示したようなリーク流路が存在する。同様に、内径側エンドウォール３１ｂやダイアフラム１５ａにもリーク流路が存在することになるが、以下、本発明を詳細に説明するため、シール溝３２ｂに着目して本発明のシール装置を説明する。
【００２１】
図４は、静翼体セグメント２１ａとこれに隣接する静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側から眺めた図を示す。第２段静翼体２１は、複数個のセグメントとして環状に配置されたものである。図４は代表的に２つの静翼体セグメント２１ａ，２１ｂを示したものである。両静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの間は、周方向間隙σｃ_coldをもたせて、組み立てられている。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール３１ａに対向して、静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール３７ａがあり、それぞれ、シール溝３２ｂ，３５ａが形成されている。ここに、周方向間隙σｃ_coldを塞ぐように、シールプレート３６が装着されている。これによって、前記した第２段静翼供給キャビティ１３からガスパス９にかけてのリーク流路を介した半径方向のリークが抑制されることになる。
【００２２】
ここで、本発明を明確にするため、図５を用いて比較例のシールプレートについて説明する。図５は、比較例のシール装置の断面図を示す。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの外径側エンドウォール３１ａ，３７ａの互いのセグメント対向面４２ａ，４２ｂには、対向するシール溝３２ｂとシール溝３５ａが設けられている。対向面４２ａ，４２ｂとシール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄが直交して４つの対向面エッジ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ、及び、４３ｄを形成する。なお、シールプレート３６に対するシール面は、シール溝の内部に設けられたシール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄである。
【００２３】
比較例の平板状シールプレートを利用した場合、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝にオフセットが生じてプレート中央部とシール溝エッジ部とが干渉する可能性がある。
【００２４】
この干渉は深刻な状況を引き起こす可能性がある。静翼セグメントのシール溝の半径方向のずれに対して、当初、平板上シールプレートは溝位置の半径方向変位に従って移動する。そうすると、やがてシール溝エッジ部によってプレート中央部が拘束されることになる。ずれがさらに進むと、プレート変形によるリーク流量増大や、プレートを介したエッジ部端への曲げ力による静翼体の損傷に到る可能性もある。
【００２５】
次に、図６を用いて本発明の実施例であるシール装置について説明する。図６は、本発明の実施例であるシールプレート３６の詳細形状と装着時の状態を示す。シールプレート３６は、中空管状体である円形状弾性体４０と、それに接合されたシール溝の奥行き方向（図６上で、左から右、或いは、右から左）に伸びる矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂから成る。矩形断面状プレート４１ａは、円形状弾性体４０の外径端に固着される。矩形断面状プレート４１ｂは、矩形断面状プレート４１ａの１８０度反対位置に固着される。矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは、円形状弾性体４０の中心点付近から放射線上に延びた面を有する。すなわち、この放射線上に延びた面は、シール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄと略平行な面を有する。また、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは円形状弾性体４０の中心点付近からのびる放射線と直交する面における断面が矩形形状を有している。言い換えると、円形状弾性体４０の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有している。本実施例のシール部材であるシールプレート３６は、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを、円形状弾性体４０の中心線で略線対称に設けている。このように構成することで、オフセットが発生していない状態では、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂがシール溝シール面３９ｂ，３９ｄに面接触するため、比較例の平板状シールプレートと同様のシール効果を得ることができる。また、本実施例では円形状弾性体４０として、比較的高い弾性力を備えることができる中空管状体を用いた例を示したが、弾性力の高い素材からなる中実のもの等、弾性力を備えていれば他の形状でも構わない。熱による塑性変形を起こす素材を用いたものであれば、弾性力を備えていなくても同様の効果を得ることが可能である。
【００２６】
ガスタービン１の組立て時には、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは、シール溝シール面３９ｂ，３９ｄに面接触している。尚、矩形断面状プレートの厚みｔ（図面の上下方向）は、セグメント間の半径方向最大偏差Δｒとシール溝高さｈ（図面の上下方向）との関係において、ｈ≧（Δｒ＋ｔ）を有する。すなわち、矩形断面状プレートの厚みが、シール溝の高さとセグメント間の半径方向最大偏差との差以下である。ここで、セグメント間の半径方向偏差Δｒとは、設計上予想される半径方向偏差の最大値を意味する。このように構成することで、オフセットが生じた場合でも、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄとの干渉の発生を抑制することができ、シール装置の信頼性や耐久性を高めることができる。
【００２７】
また、前述した対向面エッジ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ、及び、４３ｄ部は成形されて、直線状のエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ、及び、３８ｄを備えている。ガスタービン１の運転前、シールプレート３６の装着状態においては、少なくともエッジシール面３８ｂ、とエッジシール面３８ｄの一つは、エッジシール面に対して非接触状態にしておくことで、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂと、シール溝シール面３９ｂ，３９ｄを面接触させておくことができる。
【００２８】
このように構成された本実施例のシールプレート３６は、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを有しているため、組立て時は、平板状シールプレートを用いた場合と同様、シール溝に矩形断面状プレートを挿入して容易に位置決めが可能である。なお、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂのうち少なくとも片方を有していれば、矩形断面状プレートを有していないシール部材に比べて、組立時の位置決めの容易が向上する。
【００２９】
ガスタービン１の運転とともに圧縮機２と燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、圧力が約１.２ＭＰａ、温度が１２００℃程度で、タービン内部の第１段静翼１０ａの入口に流入する。以下、第１段動翼１０ｂをはじめとする各段で、流体エネルギーをタービンの回転エネルギーに変化させながら、圧力，温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出後、排気される。この時、ガスタービン１に直結した発電機５を回転させることで電力を得る。
【００３０】
タービン翼は、高温のガスに晒されるため、圧縮機２で得られる高圧空気の一部を抽気して冷却空気として用いる。この冷却空気は、静翼用冷却空気と動翼用冷却空気に区分される。さらに静翼用冷却空気としても各段に適した適正圧力からの抽気が利用される。第２段静翼１１ａへの冷却空気は、静翼低圧冷却空気経路６ａを経由して、第２段静翼体２１に導入される。耐熱性の高いＮｉ基合金を用いた翼材の許容温度は８００℃程度である。冷却空気は、第２段静翼１１ａ等の翼内部で熱交換し、翼材の許容温度以下にメタル温度を減温する。翼材へのＮｉ基合金の採用は、その耐熱性から冷却空気の削減を可能とする。
【００３１】
次に、図７を用いて、ガスタービン１の運転中の本実施例のシール装置について説明する。図７は、本発明の実施例であるシール装置の、ガスタービン１の運転時における状態を示す。
【００３２】
ガスタービン１の運転を開始すると、作動ガスや冷却空気を通じて、各部材の温度は上昇する。その結果、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには熱伸びが生じる。この熱伸びにより、周方向では、組立時のセグメント間隙σｃ_coldが、σｃ_hotまで狭まる。ただし、この間隙σｃ_hotは定格点においても接触しないように設計されているため零になることはない。セグメント間隙が狭まると、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの動きに連動して、円形状弾性体４０の外径端がエッジシール面３８ａ，３８ｄと接触するようになる。また、このとき円形状弾性体４０は弾性変形をおこし、エッジシール面３８ａ，３８ｄとの接触状態が線接触から面接触に移行する。
【００３３】
一方、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間には、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差によりσｒ_hotの段差が生じる。すなわち、シール溝にオフセットが生じる。このオフセットにより、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄ、及び、円形状弾性体４０の外径端とエッジシール面３８ｂの面接触は解消される。しかし、新たに円形状弾性体４０の外径端とエッジシール面３８ａ，３８ｄの間で面接触を生成する。尚、円形状弾性体４０の弾性変形による変位は、円形状弾性体４０の外径端と、エッジシール面３８ｂ，３８ｃの間に生じるスペースに開放されるため、大きな応力を発生することはない。従って、第２段静翼供給キャビティ１３とガスパス９の間のセグメント間隙σｃ_hotによる連通が運転中の常時にわたり面接触により遮断されるため、この間からのリークを抑制できる。
【００３４】
静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙の幅やオフセットの度合い、及び円形状弾性体の弾性力によっては、エッジシール面３８ａ，３８ｄに加え、エッジシール面３８ｂを加えた３点で円形状弾性体４０の外径端と面接触する状況も考えられる。この場合、シールプレート３６でシールされた上下空間の圧力差が、円形状弾性体４０を各エッジシール面に押しつける力を強くするように作用するため、より優れたシール効果を得ることができる。
【００３５】
ここで説明した、ガスタービン運転時のシール効果は、主に円形状弾性体４０による作用によるものである。すなわちシールプレート３６が矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを有さず円形状弾性体４０のみからなるものであっても、上記効果を得ることができる。
【００３６】
本発明のシール装置は、隣り合う部材である静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する面にそれぞれシール溝３２ｂ，３５ａを設け、シール溝３２ｂ，３５ａにシール部材であるシールプレート３６を挿入して隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、シール部材であるシールプレート３６は溝の長さ方向（図７の奥行き方向）に垂直な面の断面が略円形である円形状弾性体４０であり、隣り合う部材のそれぞれの対向面と溝との間にシール部材であるシールプレート３６と面接触可能に構成されたシール面であるエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを有するよう構成されている。
【００３７】
このように構成することで、オフセットが発生していないときには、円形状弾性体４０とエッジシール面３８ｂ，３８ｄとが面接触し、オフセットが発生した場合でも他のエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄのうち少なくとも二面と円形状弾性体４０が面接触するため、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供可能である。なお、例えば円形状弾性体４０に矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを設けた場合には、オフセットが発生していない場合に、この矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄとを面接触させることができる。そうすると、円形状弾性体４０とエッジシール面３８ｂ，３８ｄとを面接触させる場合よりもさらに強力なシール効果を得ることもできる。
【００３８】
以上に説明したセグメント間に装着したシール装置において、円形状弾性体４０に接合した２枚の矩形断面状プレートを接合するとともに、シール溝の対向面エッジ部にシール面を設ける構成により、シールプレートの組立て性の効率向上と、リーク流量低減を達成することができる。さらに、オフセットによって起こりうるシールプレートの変形や、プレートを介してシール溝エッジに掛かる応力の発生を防止し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いシール装置を得ることができる。このシール装置をガスタービンに用いると、この効果を十分に享受できるガスタービンを提供できる。具体的には、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、シール部材は、シール溝の長さ方向と直交する面の断面が略円形状である円形状弾性体に、円形状弾性体の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有するように設けられた矩形断面状プレートを固着した部材であり、間隙面とシール溝の境界であるエッジ部には、平面状のエッジシール面が設けられている。
【００３９】
本発明の実施例では、第２段静翼体の外径側エンドウォールについて説明し、外径側エンドウォール３７ｂが外径側エンドウォール３１ａに対して、半径方向外側（図面上，上方向）にずれるオフセットの場合を説明したが、その逆のオフセットでも、同様の効果が成立するのは明らかである。さらに、外径側エンドウォールのみならず、内径側エンドウォール，多段の静翼セグメント，動翼のシュラウドや静翼ダイアフラム、或いは、これ以外の熱偏差を伴う部材間にも適用すれば、さらに大きな効果が期待できるのは自明である。また、本実施例では、２つの矩形断面状プレート４１ａ，４０ｂを、円形状弾性体４０に接合したが、１つでも上記効果を得ることができる。この場合はコスト低減効果を生む。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のガスタービンの構成図を示す。
【図２】本発明のガスタービンのタービン部の部分断面図を示す。
【図３】本発明のガスタービンのシール溝の配置を示す静翼体の断面図を示す。
【図４】本発明のガスタービンの、静翼体セグメント２１ａとこれに隣接する静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側から眺めた図を示す。
【図５】比較例のシール装置の断面図を示す。
【図６】本発明の実施例であるシールプレート３６の詳細形状と装着時の状態を示す。
【図７】本発明の実施例であるシール装置の、ガスタービン運転時における状態を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ａ，６ｂ，７ 冷却空気経路
９ ガスパス
１０ａ 第１段静翼
１０ｂ 第１段動翼
１１ａ 第２段静翼
１１ｂ 第２段動翼
１２ ケーシング
１３ 第２段静翼供給キャビティ
１４ ダイアフラムキャビティ
１５ ダイアフラム
１６ａ，１６ｂ ホィールスペース
１９ａ 第１段ホィール
１９ｂ 第２段ホィール
２１ 第２段静翼体
２１ａ，２１ｂ 静翼体セグメント
２２ スペーサー
２４ シールフィン
３１ａ，３７ｂ 外径側エンドウォール
３１ｂ 内径側エンドウォール
３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｇ，３５ａ シール溝
３６ シールプレート
３８ａ〜３８ｄ エッジシール面
３９ａ〜３９ｄ シール溝シール面
４０ 円形状弾性体
４１ａ，４１ｂ 矩形断面状プレート
４２ａ，４２ｂ 対向面
４３ａ〜４３ｄ 対向面エッジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール装置及びシール装置を用いたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばガスタービンの静翼体を構成する部材では、周方向に隣接するセグメントの両側面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法が採られている。但し、この種のシールプレートは、近年のガスタービンの作動ガスの高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じるシール溝の半径方向のずれ（オフセットと呼称）への対応が困難である。
【０００３】
これに対し、平板状シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央を薄く加工したシールプレートの開発が進められている。その代表例が、米国特許第５１５８４３０号明細書に記載されているような、シールプレート外端部を楕円状に成形したドッグボーン型シールプレートである。ドックホーン型シールプレートを利用すると、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝に多少のオフセットが生じても、溝面で接触点が確保できる。また、プレート中央部が薄肉化されていることで、このプレート中央部とシール溝エッジ部との干渉を抑制できる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５１５８４３０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ドッグボーン型シールプレートのように、トレードオフ設計によってプレート形状を高温化に伴う半径方向の熱伸び偏差であるオフセットに対応させた結果、シール溝におけるシールプレートの接触状態は、線接触になる。シール面が線接触として構成されたドッグボーン型シールプレートでは、面接触するよう構成された平板状シールプレートに比べ、リーク流量の増加が予想される。このように、シールプレートの開発には、リーク流量の低減と熱伸び偏差によるオフセットへの対応という、相反する課題が含まれている。
【０００６】
本発明の目的は、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のシール装置は、隣り合う部材の対向する面にそれぞれシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、前記シール部材は前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体であり、前記隣り合う部材のそれぞれの対向面と前記溝との間に前記シール部材と面接触可能に構成されたシール面を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例として、本発明のシール装置をガスタービンに用いた例について説明する。ガスタービンおいては、熱効率の向上を目的として作動ガスの高温化が図られているが、特に、作動ガス中に配置されているタービン静・動翼が高温に耐えられるように、翼内部に冷却媒体を供給している。現在稼働しているこの種のガスタービンは、空気冷却によるオープン冷却方式を採用していることが多い。即ち、圧縮機から抽気した空気を冷却空気として用い、この空気をケーシングや、タービン内部を経由させて、翼内部を冷却するようにしている。そして、翼内部を冷却した後の空気は、翼外表面のフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔等から、ガスパス中に排出させている。また、静翼冷却用に導入された冷却空気の一部を、タービンホィールスペースのシール空気として分岐するが、この空気もイングレス抑制用としてガスパスに排出されることになる。
【００１０】
ところで、動翼シュラウドや静翼体は、セグメント構造として周方向に環状配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、セグメント間には、周方向に間隙を有する。熱応力の発生防止の観点から、この間隙は、定格点においても接触しないように設計される。つまり、ケーシング内部外端側キャビティとガスパスは、この間隙路によって半径方向に連通することになる。従って、静翼の冷却用にケーシング内部側キャビティに導いた冷却空気の一部が、このセグメント間からの間隙を通過して、ガスパス中に漏洩する。所謂、リークである。同様に、静翼のダイアフラムもセグメント構造として環状に構成されるが、同様に、シール空気の一部がリークすることになる。
【００１１】
これらのリークは、それ自体が損失である。リーク量の増加は冷却空気必要量の増加につながり、圧縮機で圧縮された圧縮空気を無駄に浪費してしまうからである。その上、比較的低温であるリーク空気がガスパスの作動ガスへ混入することから、希釈されることによる作動ガスの温度低下や混合損失により、タービンの出力低下を起こすため、作動ガス高温化の効果が十分に発揮できない嫌いがある。
【００１２】
例えばガスタービンの静翼体を構成する部材では、周方向に隣接するセグメントの両側面にシール溝を形成し、そのシール溝間に平板状シールプレートを装着して、リーク空気を抑制する手法が採られている。但し、この種のシールプレートにおいては、近年のガスタービンの作動ガスの高温化に伴うセグメントの半径方向の熱伸び偏差によって生じるシール溝の半径方向のずれ（オフセットと呼称）への対応が困難である。
【００１３】
これに対し、平板状シールプレートのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、中央を薄く加工したシールプレートの開発が進められている。その代表例が、シールプレート外端部を楕円状に成形したドッグボーン型シールプレートである。ドックホーン型シールプレートを利用すると、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝に多少のオフセットが生じても、溝面で接触点が確保できる。また、プレート中央部が薄肉化されていることで、このプレート中央部とシール溝エッジ部との干渉をある程度抑制できる。
【００１４】
シールプレートとシール溝エッジ部との干渉は深刻な状況を引き起こす可能性がある。静翼セグメントのシール溝の半径方向のずれに対して、当初、シールプレートは溝位置の半径方向変位に従って移動するが、シール溝エッジによるプレート中央部の拘束に始まり、プレート変形によるリーク流量増大や、プレートを介したエッジ部端への曲げ力による静翼体の損傷に到る可能性もある。従来多く利用されてきた平板上シールプレートでは、一定幅以上のオフセットがおきた場合の干渉への対応が困難である。
【００１５】
ガスタービンにおけるセグメント構造面や分割構造面の多くには平板状シールプレートが装着されている。また、シール溝構成で、シールプレート以外のシール部材を設けている例もあるが、上記と同様のことが言える。
【００１６】
後述する本発明のシール装置によれば、ガスタービンの起動時にも定格運転時にも、矩形断面状プレートとシール溝内面、或いは、円形状弾性体とエッジシール面を接触させることができる。即ち、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットも、容易に吸収可能であり、プレート変形やセグメント部材に掛かる力の発生を防止できることから、高い信頼性を図れ、その本来の目的に沿った効率の高いガスタービン装置を得るという優れた実用的効果をもたらす。
【００１７】
以下、本発明の第１の実施例を図１−図７を用いて説明する。図１は本発明のガスタービンを示す構成図、図２は、本発明の構成を示すタービン部の部分断面図、図３は本発明によるシールプレートの配置を示す静翼体の概念図、図４は本発明によるシールプレートの装着を示す概念図、図５は従来例によるシールプレートの装着を示す概念図、図６は本発明による弾性体を用いたシールプレートを装着した概念図、図７は運転中の状態を示す弾性体を用いたシールプレートによるシール装置の概念図を示してある。
【００１８】
図１を用いて、作動ガスと冷却空気の流れからガスタービン１の全体構成を説明する。図１は本発明のガスタービンの構成図を示す。ガスタービン１は、主として多段のタービン４と、このタービンに連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２，圧縮空気を高温高圧ガスに変換する燃焼器３、及び、発電機５を備えている。圧縮機２から抽気した冷却空気は、第２段静翼を冷却するための静翼低圧冷却空気経路６ａ，第１段静翼を冷却するための静翼高圧冷却空気経路６ｂ、また第１，２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、各々のタービン被冷却部に供給される。このとき、抽気空気圧力は、各翼でのガスパス圧力に応じた値から選定しており、静翼高圧冷却空気経路６ｂ，動翼冷却空気経路７には、圧縮機２の最終段からの抽気空気、静翼低圧冷却空気経路６ａには、圧縮機２の中圧段からの抽気空気を導入する。被冷却部を冷却して熱交換した各冷却空気は、図示しない翼のフィルム冷却、或いは後縁からの噴出し等として、タービン４のガスパス中に排出され、作動ガスと混合されて、最終的には排気ガスとして大気に放出される。
【００１９】
図２は、タービン４の第１段静翼１０ａ，第２段静翼１１ａ，第１段動翼１０ｂ及び第２段動翼１１ｂ部分のタービン部分断面、すなわち本発明のガスタービンのタービン部の部分断面図を示したものである。各冷却空気経路６ａ，６ｂ、及び７は、それぞれの被冷却部に連通するが、ここでは、本発明のシール装置を明確にするため、第２段静翼１１ａまわりを対象として説明する。静翼低圧冷却空気経路６ａを径由して、ケーシング１２に設けた導入孔（図示せず）を介して供給された冷却空気は、ケーシング１２内部の外端側にある第２段静翼供給キャビティ１３を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼体２１に供給される。この冷却空気は、第２段静翼体２１の図示しない冷却パスを通過するときに熱交換を行い、第２段静翼１１ａを冷却するとともに、温度上昇して、ガスパス９に排出される。一方、第２段静翼体２１に供給された空気の一部は、第２段静翼体２１とダイアフラム１５で形成されるダイアフラムキャビティ１４を経て、第１段ホィール１９ａ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第１段動翼後側ホィールスペース１６ａに供給された後、ダイアフラム１５とスペーサー２２の間で協働するシールフィン２４によって、第２段ホィール１９ｂ，スペーサー２２及びダイアフラム１５で形成される第２段動翼前側ホィールスペース１６ｂに分配され、それぞれのホィールスペース１６ａ，１６ｂへの作動ガスの侵入を抑制するためのシール空気として使用される。
【００２０】
図３は、本発明のガスタービンのシール溝の配置を示す静翼体の断面図を示す。図３は、周方向に複数個配置された第２段静翼体２１の１つである静翼体セグメント２１ａと、ダイアフラム１５ａを示したものである。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール３１ａには、シール溝３２ａ，３２ｂ、及び３２ｃが設けられており、内径側エンドウォール３１ｂには、シール溝３３ａ，３３ｂ、及び３３ｃが設けられている。また、ダイアフラム１５ａには、シール溝３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ、及び３４ｇがある。ところで、第２段静翼供給キャビティ１３とガスパス９は、連通しており、図中の矢印で示したようなリーク流路が存在する。同様に、内径側エンドウォール３１ｂやダイアフラム１５ａにもリーク流路が存在することになるが、以下、本発明を詳細に説明するため、シール溝３２ｂに着目して本発明のシール装置を説明する。
【００２１】
図４は、静翼体セグメント２１ａとこれに隣接する静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側から眺めた図を示す。第２段静翼体２１は、複数個のセグメントとして環状に配置されたものである。図４は代表的に２つの静翼体セグメント２１ａ，２１ｂを示したものである。両静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの間は、周方向間隙σｃ_coldをもたせて、組み立てられている。静翼体セグメント２１ａの外径側エンドウォール３１ａに対向して、静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドウォール３７ａがあり、それぞれ、シール溝３２ｂ，３５ａが形成されている。ここに、周方向間隙σｃ_coldを塞ぐように、シールプレート３６が装着されている。これによって、前記した第２段静翼供給キャビティ１３からガスパス９にかけてのリーク流路を介した半径方向のリークが抑制されることになる。
【００２２】
ここで、本発明を明確にするため、図５を用いて比較例のシールプレートについて説明する。図５は、比較例のシール装置の断面図を示す。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの外径側エンドウォール３１ａ，３７ａの互いのセグメント対向面４２ａ，４２ｂには、対向するシール溝３２ｂとシール溝３５ａが設けられている。対向面４２ａ，４２ｂとシール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄが直交して４つの対向面エッジ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ、及び、４３ｄを形成する。なお、シールプレート３６に対するシール面は、シール溝の内部に設けられたシール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄである。
【００２３】
比較例の平板状シールプレートを利用した場合、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によりシール溝にオフセットが生じてプレート中央部とシール溝エッジ部とが干渉する可能性がある。
【００２４】
この干渉は深刻な状況を引き起こす可能性がある。静翼セグメントのシール溝の半径方向のずれに対して、当初、平板上シールプレートは溝位置の半径方向変位に従って移動する。そうすると、やがてシール溝エッジ部によってプレート中央部が拘束されることになる。ずれがさらに進むと、プレート変形によるリーク流量増大や、プレートを介したエッジ部端への曲げ力による静翼体の損傷に到る可能性もある。
【００２５】
次に、図６を用いて本発明の実施例であるシール装置について説明する。図６は、本発明の実施例であるシールプレート３６の詳細形状と装着時の状態を示す。シールプレート３６は、中空管状体である円形状弾性体４０と、それに接合されたシール溝の奥行き方向（図６上で、左から右、或いは、右から左）に伸びる矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂから成る。矩形断面状プレート４１ａは、円形状弾性体４０の外径端に固着される。矩形断面状プレート４１ｂは、矩形断面状プレート４１ａの１８０度反対位置に固着される。矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは、円形状弾性体４０の中心点付近から放射線上に延びた面を有する。すなわち、この放射線上に延びた面は、シール溝シール面３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、及び、３９ｄと略平行な面を有する。また、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは円形状弾性体４０の中心点付近からのびる放射線と直交する面における断面が矩形形状を有している。言い換えると、円形状弾性体４０の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有している。本実施例のシール部材であるシールプレート３６は、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを、円形状弾性体４０の中心線で略線対称に設けている。このように構成することで、オフセットが発生していない状態では、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂがシール溝シール面３９ｂ，３９ｄに面接触するため、比較例の平板状シールプレートと同様のシール効果を得ることができる。また、本実施例では円形状弾性体４０として、比較的高い弾性力を備えることができる中空管状体を用いた例を示したが、弾性力の高い素材からなる中実のもの等、弾性力を備えていれば他の形状でも構わない。熱による塑性変形を起こす素材を用いたものであれば、弾性力を備えていなくても同様の効果を得ることが可能である。
【００２６】
ガスタービン１の組立て時には、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂは、シール溝シール面３９ｂ，３９ｄに面接触している。尚、矩形断面状プレートの厚みｔ（図面の上下方向）は、セグメント間の半径方向最大偏差Δｒとシール溝高さｈ（図面の上下方向）との関係において、ｈ≧（Δｒ＋ｔ）を有する。すなわち、矩形断面状プレートの厚みが、シール溝の高さとセグメント間の半径方向最大偏差との差以下である。ここで、セグメント間の半径方向偏差Δｒとは、設計上予想される半径方向偏差の最大値を意味する。このように構成することで、オフセットが生じた場合でも、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄとの干渉の発生を抑制することができ、シール装置の信頼性や耐久性を高めることができる。
【００２７】
また、前述した対向面エッジ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ、及び、４３ｄ部は成形されて、直線状のエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ、及び、３８ｄを備えている。ガスタービン１の運転前、シールプレート３６の装着状態においては、少なくともエッジシール面３８ｂ、とエッジシール面３８ｄの一つは、エッジシール面に対して非接触状態にしておくことで、両矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂと、シール溝シール面３９ｂ，３９ｄを面接触させておくことができる。
【００２８】
このように構成された本実施例のシールプレート３６は、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを有しているため、組立て時は、平板状シールプレートを用いた場合と同様、シール溝に矩形断面状プレートを挿入して容易に位置決めが可能である。なお、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂのうち少なくとも片方を有していれば、矩形断面状プレートを有していないシール部材に比べて、組立時の位置決めの容易が向上する。
【００２９】
ガスタービン１の運転とともに圧縮機２と燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、圧力が約１.２ＭＰａ、温度が１２００℃程度で、タービン内部の第１段静翼１０ａの入口に流入する。以下、第１段動翼１０ｂをはじめとする各段で、流体エネルギーをタービンの回転エネルギーに変化させながら、圧力，温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼を流出後、排気される。この時、ガスタービン１に直結した発電機５を回転させることで電力を得る。
【００３０】
タービン翼は、高温のガスに晒されるため、圧縮機２で得られる高圧空気の一部を抽気して冷却空気として用いる。この冷却空気は、静翼用冷却空気と動翼用冷却空気に区分される。さらに静翼用冷却空気としても各段に適した適正圧力からの抽気が利用される。第２段静翼１１ａへの冷却空気は、静翼低圧冷却空気経路６ａを経由して、第２段静翼体２１に導入される。耐熱性の高いＮｉ基合金を用いた翼材の許容温度は８００℃程度である。冷却空気は、第２段静翼１１ａ等の翼内部で熱交換し、翼材の許容温度以下にメタル温度を減温する。翼材へのＮｉ基合金の採用は、その耐熱性から冷却空気の削減を可能とする。
【００３１】
次に、図７を用いて、ガスタービン１の運転中の本実施例のシール装置について説明する。図７は、本発明の実施例であるシール装置の、ガスタービン１の運転時における状態を示す。
【００３２】
ガスタービン１の運転を開始すると、作動ガスや冷却空気を通じて、各部材の温度は上昇する。その結果、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには熱伸びが生じる。この熱伸びにより、周方向では、組立時のセグメント間隙σｃ_coldが、σｃ_hotまで狭まる。ただし、この間隙σｃ_hotは定格点においても接触しないように設計されているため零になることはない。セグメント間隙が狭まると、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの動きに連動して、円形状弾性体４０の外径端がエッジシール面３８ａ，３８ｄと接触するようになる。また、このとき円形状弾性体４０は弾性変形をおこし、エッジシール面３８ａ，３８ｄとの接触状態が線接触から面接触に移行する。
【００３３】
一方、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間には、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差によりσｒ_hotの段差が生じる。すなわち、シール溝にオフセットが生じる。このオフセットにより、矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄ、及び、円形状弾性体４０の外径端とエッジシール面３８ｂの面接触は解消される。しかし、新たに円形状弾性体４０の外径端とエッジシール面３８ａ，３８ｄの間で面接触を生成する。尚、円形状弾性体４０の弾性変形による変位は、円形状弾性体４０の外径端と、エッジシール面３８ｂ，３８ｃの間に生じるスペースに開放されるため、大きな応力を発生することはない。従って、第２段静翼供給キャビティ１３とガスパス９の間のセグメント間隙σｃ_hotによる連通が運転中の常時にわたり面接触により遮断されるため、この間からのリークを抑制できる。
【００３４】
静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙の幅やオフセットの度合い、及び円形状弾性体の弾性力によっては、エッジシール面３８ａ，３８ｄに加え、エッジシール面３８ｂを加えた３点で円形状弾性体４０の外径端と面接触する状況も考えられる。この場合、シールプレート３６でシールされた上下空間の圧力差が、円形状弾性体４０を各エッジシール面に押しつける力を強くするように作用するため、より優れたシール効果を得ることができる。
【００３５】
ここで説明した、ガスタービン運転時のシール効果は、主に円形状弾性体４０による作用によるものである。すなわちシールプレート３６が矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを有さず円形状弾性体４０のみからなるものであっても、上記効果を得ることができる。
【００３６】
本発明のシール装置は、隣り合う部材である静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する面にそれぞれシール溝３２ｂ，３５ａを設け、シール溝３２ｂ，３５ａにシール部材であるシールプレート３６を挿入して隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、シール部材であるシールプレート３６は溝の長さ方向（図７の奥行き方向）に垂直な面の断面が略円形である円形状弾性体４０であり、隣り合う部材のそれぞれの対向面と溝との間にシール部材であるシールプレート３６と面接触可能に構成されたシール面であるエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを有するよう構成されている。
【００３７】
このように構成することで、オフセットが発生していないときには、円形状弾性体４０とエッジシール面３８ｂ，３８ｄとが面接触し、オフセットが発生した場合でも他のエッジシール面３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄのうち少なくとも二面と円形状弾性体４０が面接触するため、面接触による高いシール効果と、部材のオフセットに対応した高い信頼性を両立したシール装置を提供可能である。なお、例えば円形状弾性体４０に矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂを設けた場合には、オフセットが発生していない場合に、この矩形断面状プレート４１ａ，４１ｂとシール溝シール面３９ｂ，３９ｄとを面接触させることができる。そうすると、円形状弾性体４０とエッジシール面３８ｂ，３８ｄとを面接触させる場合よりもさらに強力なシール効果を得ることもできる。
【００３８】
以上に説明したセグメント間に装着したシール装置において、円形状弾性体４０に接合した２枚の矩形断面状プレートを接合するとともに、シール溝の対向面エッジ部にシール面を設ける構成により、シールプレートの組立て性の効率向上と、リーク流量低減を達成することができる。さらに、オフセットによって起こりうるシールプレートの変形や、プレートを介してシール溝エッジに掛かる応力の発生を防止し、損傷破壊を未然に防ぐことのできる信頼性の高いシール装置を得ることができる。このシール装置をガスタービンに用いると、この効果を十分に享受できるガスタービンを提供できる。具体的には、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、シール部材は、シール溝の長さ方向と直交する面の断面が略円形状である円形状弾性体に、円形状弾性体の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有するように設けられた矩形断面状プレートを固着した部材であり、間隙面とシール溝の境界であるエッジ部には、平面状のエッジシール面が設けられている。
【００３９】
本発明の実施例では、第２段静翼体の外径側エンドウォールについて説明し、外径側エンドウォール３７ｂが外径側エンドウォール３１ａに対して、半径方向外側（図面上，上方向）にずれるオフセットの場合を説明したが、その逆のオフセットでも、同様の効果が成立するのは明らかである。さらに、外径側エンドウォールのみならず、内径側エンドウォール，多段の静翼セグメント，動翼のシュラウドや静翼ダイアフラム、或いは、これ以外の熱偏差を伴う部材間にも適用すれば、さらに大きな効果が期待できるのは自明である。また、本実施例では、２つの矩形断面状プレート４１ａ，４０ｂを、円形状弾性体４０に接合したが、１つでも上記効果を得ることができる。この場合はコスト低減効果を生む。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のガスタービンの構成図を示す。
【図２】本発明のガスタービンのタービン部の部分断面図を示す。
【図３】本発明のガスタービンのシール溝の配置を示す静翼体の断面図を示す。
【図４】本発明のガスタービンの、静翼体セグメント２１ａとこれに隣接する静翼体セグメント２１ｂを半径方向外側から眺めた図を示す。
【図５】比較例のシール装置の断面図を示す。
【図６】本発明の実施例であるシールプレート３６の詳細形状と装着時の状態を示す。
【図７】本発明の実施例であるシール装置の、ガスタービン運転時における状態を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ａ，６ｂ，７ 冷却空気経路
９ ガスパス
１０ａ 第１段静翼
１０ｂ 第１段動翼
１１ａ 第２段静翼
１１ｂ 第２段動翼
１２ ケーシング
１３ 第２段静翼供給キャビティ
１４ ダイアフラムキャビティ
１５ ダイアフラム
１６ａ，１６ｂ ホィールスペース
１９ａ 第１段ホィール
１９ｂ 第２段ホィール
２１ 第２段静翼体
２１ａ，２１ｂ 静翼体セグメント
２２ スペーサー
２４ シールフィン
３１ａ，３７ｂ 外径側エンドウォール
３１ｂ 内径側エンドウォール
３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｇ，３５ａ シール溝
３６ シールプレート
３８ａ〜３８ｄ エッジシール面
３９ａ〜３９ｄ シール溝シール面
４０ 円形状弾性体
４１ａ，４１ｂ 矩形断面状プレート
４２ａ，４２ｂ 対向面
４３ａ〜４３ｄ 対向面エッジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣り合う部材の対向する面にそれぞれシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、
前記シール部材は前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体であり、
前記隣り合う部材のそれぞれの対向面と前記溝との間に前記シール部材と面接触可能に構成されたシール面を有することを特徴とするシール装置。
【請求項２】
平面同士が対向するように配置された隣り合う部材に、対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の隙間からの流体のリークを抑制するシール装置において、
前記シール部材は、前記シール溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体と、前記シール溝の下面と略平行な面を有するプレートとからなる部材であり、
前記隣り合う部材の平面と前記シール溝との境界であるエッジ部には平面状のシール面が設けられていることを特徴とするシール装置。
【請求項３】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール部材は、前記シール溝の長さ方向と直交する面の断面が略円形状である円形状弾性体に、前記円形状弾性体の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有するように設けられた矩形断面状プレートを固着した部材であり、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部には、平面状のエッジシール面が設けられていることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記シール部材は、前記矩形断面状プレートを、前記円形状弾性体の中心線で略線対称に設けたことを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記円形状弾性体は、中空環状体であることを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記矩形断面状プレートの厚みが、前記シール溝の高さと前記セグメント間の半径方向最大偏差との差以下であることを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンの改造方法において、
前記シール部材を前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体とし、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部に平面状のシール面を設けることを特徴とするガスタービンの改造方法。
【請求項８】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し、前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面に、それぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンの運転方法において、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部に平面状のシール面を設け、前記シール部材として前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体を用いることで、前記弾性体を前記エッジ部に面接触させることにより前記流体のリークを抑制することを特徴とするガスタービンの運転方法。
【請求項１】
隣り合う部材の対向する面にそれぞれシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の間を通過する流体の流れをシールするシール装置において、
前記シール部材は前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体であり、
前記隣り合う部材のそれぞれの対向面と前記溝との間に前記シール部材と面接触可能に構成されたシール面を有することを特徴とするシール装置。
【請求項２】
平面同士が対向するように配置された隣り合う部材に、対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を挿入して前記隣り合う部材の隙間からの流体のリークを抑制するシール装置において、
前記シール部材は、前記シール溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体と、前記シール溝の下面と略平行な面を有するプレートとからなる部材であり、
前記隣り合う部材の平面と前記シール溝との境界であるエッジ部には平面状のシール面が設けられていることを特徴とするシール装置。
【請求項３】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンにおいて、
前記シール部材は、前記シール溝の長さ方向と直交する面の断面が略円形状である円形状弾性体に、前記円形状弾性体の中心線付近から放射線方向に矩形断面を有するように設けられた矩形断面状プレートを固着した部材であり、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部には、平面状のエッジシール面が設けられていることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記シール部材は、前記矩形断面状プレートを、前記円形状弾性体の中心線で略線対称に設けたことを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記円形状弾性体は、中空環状体であることを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記矩形断面状プレートの厚みが、前記シール溝の高さと前記セグメント間の半径方向最大偏差との差以下であることを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面にそれぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンの改造方法において、
前記シール部材を前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体とし、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部に平面状のシール面を設けることを特徴とするガスタービンの改造方法。
【請求項８】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを有し、
前記タービンを構成する部材のうち、周方向のセグメント構造を有し、前記複数のセグメントが一体化されて機能する部材のセグメント間の間隙面に、それぞれ対向するシール溝を設け、前記シール溝にシール部材を装着して流体のリークを抑制するシール装置を備えたガスタービンの運転方法において、
前記間隙面と前記シール溝の境界であるエッジ部に平面状のシール面を設け、前記シール部材として前記溝の長さ方向に垂直な面の断面が略円形である弾性体を用いることで、前記弾性体を前記エッジ部に面接触させることにより前記流体のリークを抑制することを特徴とするガスタービンの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４１６１（Ｐ２０１０−１４１６１Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７２８８４（Ｐ２００８−１７２８８４）
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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