シール装置，シール装置を備えたガスタービン及びガスタービンの運転方法
【課題】
セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供する。
【解決手段】
互いに隣接するセグメントの対向端面６３ａ，６３ｂにそれぞれシール溝６１ａ，６１ｂが設けられ、このシール溝にシール部材９０が挿入されたシール装置において、隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝６１ａは、溝の深さ方向に突起部８０を有し、シール部材９０は、突起部８０を挟み込むよう構成することにより、流体の漏れを抑制する。
セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供する。
【解決手段】
互いに隣接するセグメントの対向端面６３ａ，６３ｂにそれぞれシール溝６１ａ，６１ｂが設けられ、このシール溝にシール部材９０が挿入されたシール装置において、隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝６１ａは、溝の深さ方向に突起部８０を有し、シール部材９０は、突起部８０を挟み込むよう構成することにより、流体の漏れを抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隣接するセグメント間のシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に火力発電プラントにおけるガスタービンは、大気を吸入し所定の圧力まで昇圧する圧縮機、圧縮機で昇圧された空気を燃料と混合し燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、高温高圧燃焼ガスが膨張することで動力を発生させるタービン、さらにタービンで発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機から構成されている。
【０００３】
このタービン部の構成において、高温燃焼ガスがタービンの動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることによりタービンロータが高速回転して動力（軸回転力）を発生する。従って、ガスタービンで高出力を得るためには、タービン部入口における燃焼ガス温度の高温化とガスタービンの高効率化が重要な点となる。
【０００４】
こういったガスタービンの高温化に伴い、タービンの動静翼においては、高温の燃焼ガスの熱から翼部材を保護するために翼内部に冷却媒体を供給できるような構造にしている。一般的には、圧縮機から所定圧力で抽出した空気を冷却媒体として、ケーシングやタービンロータ内部に導入し、翼内部を冷却した後の冷却媒体を翼に設けられた細孔やスリットから燃焼ガス流路へ直接放出する方式がある。また、静翼冷却用に導入された冷却媒体の一部は、タービンホイールスペースのシールとして利用され、燃焼ガス流路に排出される。
【０００５】
静翼やダイアフラムなどの構成部材はセグメント構造として環状に周方向に配置されるが、熱伸び量を考慮して周方向に隣接するセグメント間に間隙を設けている。この間隙は、ガスタービン定格運転時においてもゼロにならないように設計される。ケーシングやタービンロータ内部に形成された冷却媒体の流路は、セグメント間の間隙を介して燃焼ガス流路に連通し、翼の冷却やホイールスペースのシールのために導入した冷却媒体の一部がセグメント間の間隙を通過して燃焼ガス流路中に漏洩する。このような冷却媒体の漏洩は、それ自体が損失であるとともに、燃焼ガス流路内のガス温度の低下や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じてタービンの性能低下を招き、ガスタービンの効率と出力を低下させる。
【０００６】
そこで、周方向に間隙を介して隣接するセグメント間の対向面にシール溝を設けて、その溝にバネ効果を有するシール部材を挿入することで、セグメント間の間隙を塞いで、冷却媒体の漏洩を抑制する方法がある（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−５０８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
〔特許文献１〕に記載の従来技術は、周方向に互いに隣接する静翼シュラウドの対向する軸方向面にシール溝を設け、両シール溝内に薄板状のシール板を挿入し、そのシール板のバネ効果によりシュラウドの熱変形によりシール溝が変形してもシール板との間の間隙を小さくシール性能を向上させている。しかし、熱変形によるシール溝の変形以外に、隣接するセグメント間には半径方向の熱伸び量に偏差が発生するため、対向する両シール溝の半径方向に位置ずれが生じることがある。従って、上記シール板では、シール溝の位置ずれが生じた場合に、シール板とシール溝との接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能が低下する可能性がある。また、シール溝の位置ずれが大きい場合に、シール溝端面のエッジ部でシール板が干渉して、シール板に必要以上の応力が発生し、シール板の信頼性を低下させる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に突起部を有し、前記シール部材は、前記突起部を挟み込むよう構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高い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】
【００１２】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１３】
はじめに、図１のガスタービン系統図を用いて、ガスタービンの構成について説明する。火力発電プラント等に用いられるガスタービン００は、大気１０１を吸入し所定の圧力まで昇圧する圧縮機１、圧縮機１で昇圧された空気１０２を燃料１０３と混合し燃焼させ燃焼ガス１０４を生成する燃焼器２，高温高圧燃焼ガス１０４が膨張することで動力を発生させるタービン３、さらにタービン３で発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機４から構成され、圧縮機１，タービン３，発電機４は回転軸５を中心に回転している。
【００１４】
また、タービン３の動静翼では、高温の燃焼ガス１０４の熱から翼部材を保護するために翼内部に冷却媒体を供給できるような構造としている。圧縮機１から所定圧力で抽出した空気（冷却媒体）は、静翼冷却空気流路２０１、および動翼冷却空気流路２０２を経て、動静翼内部を熱交換により冷却した後、翼に設けられた細孔やスリットから燃焼ガス流路へ直接放出される。なお、本実施例では、火力発電プラント用ガスタービンとして１軸式で構成されたものを用いているが、発電機４の代わりに負荷機器としてポンプやプロセス圧縮機を駆動できる、２軸式のタービンで構成されたものを用いてもよい。
【００１５】
図２に圧縮機１後段付近、燃焼器２およびタービン３高圧部付近の断面図を示す。図２は、回転軸５に対する上半部構造を示している。タービン３は、燃焼ガス１０４の流路内に交互に配置された静翼１１ａ，１２ａ及び動翼１１ｂ，１２ｂ，ロータディスク１３ａ，１３ｂ，スペーサディスク１４およびスタッキングボルト１５等から構成され、高温燃焼ガス１０４が動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることによりロータが高速回転して動力を発生する。
【００１６】
次に、図２を用いて、タービン静翼１２ａを例にして、翼を冷却する際の冷却媒体の流れについて説明する。圧縮機１からタービン翼のガスパス圧力に応じた所定の圧力で抽出した冷却媒体である空気２０１（以後、冷却媒体は空気として説明する。）は、ケーシング２５に設けた導入孔（図示しない）を通過して、第２段静翼冷却空気供給キャビティ３１へ導入される。供給キャビティ３１に供給された冷却空気は、ケーシング２５の内周側に周方向に環状に配設された第２段静翼体２１に供給される。第２段静翼体２１に供給された冷却空気の一部は、第２段静翼体２１内部の冷却パスを通過するときに熱交換して静翼１２ａを冷却しながら温度上昇して、静翼１２ａ表面に形成されたフィルム孔や翼後縁噴出し孔を介してガスパス６に排出され、第１段動静翼１１ａ，１１ｂを通過した燃焼ガス１０４と混合され第２段動翼１２ｂの作動ガスとなる。
【００１７】
一方、第２段静翼体２１に供給された冷却空気の他の一部は、第２段静翼体２１の内周側に周方向に環状に配設されたダイアフラム２２のキャビティ３２へ供給される。キャビティ３２へ導入された冷却空気は、第１段ロータディスク１３ａ，スペーサディスク１４及びダイアフラム２２で形成される第１段動翼後側ホイールスペース３５に供給される。その後、ダイアフラム２２とスペーサディスク１４の間に設けられたシールフィン２３を介して、第２段ロータディスク１３ｂ，スペーサディスク１４及びダイアフラム２２で形成される第２段動翼前側ホイールスペース３６に分岐され、ホイールスペース３５，３６への作動燃焼ガス１０４の侵入を抑制するためのシール空気として使用される。
【００１８】
図３に第２段静翼体２１の拡大図を示す。第２段静翼体２１はタービン周方向に環状に配置したセグメント構造をしている。周方向に隣接した第２段静翼体２１のセグメント端面では、静翼１２ａの外周側エンドウォール４２側のシュラウド内にタービン軸方向に延びるシール溝６２が設けられている。また、静翼１２ａの内周側エンドウォール４１側のシュラウド内にタービン軸方向に延びるシール溝６１が設けられている。この周方向に隣接したセグメント端面では、熱伸び量を考慮してセグメント間に間隙を設けており、この間隙値は、タービン定格運転時においてもゼロにならないように設計されている。従って、第２段静翼体２１へ供給される冷却空気は、セグメント間の周方向の間隙を介してガスパス６中に漏れ空気３０１として排出される。この漏洩を抑制するために、セグメント間のシール溝６１，６２にシール装置を装着している。
【００１９】
図４に、隣接する第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの内周側の一般的なシール構造の斜視図を示す。第２段静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと隣り合う静翼体セグメント２１ｂの対向端面６３ｂの間では、冷却空気がセグメント間の周方向間隙を介してガスパス中に漏洩するのを抑制するために、それぞれタービン軸方向に延び、周方向に深さをもつシール溝６１ａ，６１ｂを設け、セグメント間のシール溝６１ａ，６１ｂに装着することが可能なシール装置５２を備えている。これによって静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙が遮断されて、セグメント間隙がシールされるよう構成できる。
【００２０】
図５は、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間のシール装置の構造を表すタービン軸方向断面図である。図５（ａ）はシール装置の組立時、図５（ｂ）はガスタービン運転時におけるシール装置の断面図をそれぞれ示す。
【００２１】
図５（ａ）に示すように、組立時には、２つの静翼体セグメント２１ａ，２１ｂは、対向する端面６３ａ，６３ｂにおいて周方向に間隙δｃを持って、静翼体セグメント２１ａにはシール溝６１ａ、静翼体セグメント２１ｂにはシール溝６１ｂが設けられ、そのシール溝間に周方向間隙を塞ぐようにシール装置５２が架け渡されて装着されている。この組立時の状態が、ガスタービン運転時にも理想的に保持されたとすれば、冷却空気が供給されたキャビティ３２と燃焼ガス１０４の流路の圧力差によって、シール装置５２は冷却空気流路２０１の矢印方向へ押し付けられる。これにより、シール装置５２と各セグメントにおけるシール溝の接触面は面７１ａ，７１ｂにおける面接触状態となり、冷却空気がシール溝内部を周り込んで燃焼ガス流路へ漏洩する流れを遮断して、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙がほぼシールされる。
【００２２】
しかし、ガスタービン運転時には、図５（ｂ）に示すように、作動ガスや冷却空気からの流入熱によっ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には熱伸びが発生し、それぞれの熱伸びの偏差量によって、組立時のセグメント間の周方向間隙δｃがδｈ（＜δｃ）まで狭くなる。静翼体セグメント２１ａと２１ｂはガスタービン定格運転時においても接触しないように設計されているため、間隙値δｈがゼロになることはない。また、熱伸びは周方向だけでなく、タービン半径方向にも発生する。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂに熱流動上の熱偏差により、シール溝６１ａ，６１ｂには半径方向の位置ずれδｒが生じる。これにより、シール装置５２と各セグメントにおけるシール溝の接触面は、面接触状態から軸方向の線７２ａ，７２ｂにおける線接触状態７２に変化する。そうなることでシール性能が低下し、冷却空気がシール溝内部を周り込み、燃焼ガス１０４の流路への漏洩３０１が発生する。この冷却媒体の漏洩は、それ自体が損失であるとともに、燃焼ガス流路内のガス温度の低下や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じることによりタービンの性能低下を招き、ガスタービンの効率と出力を低下させる。
【００２３】
図６に本発明の第一実施の形態であるシール装置の隣接する第２段静翼体セグメント構造の斜視図を示す。第２段静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと隣り合う静翼体セグメント２１ｂの対向端面６３ｂの間を、冷却空気がセグメント間の周方向間隙を介してガスパス中に漏洩するのを抑制するために、それぞれタービン軸方向に延び、周方向に深さを持つシール溝６１ａ，６１ｂを設け、片側の静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａの内部に突起部８０を備えている。
【００２４】
図７は、図６に示した本発明の第一実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図である。図７（ａ）はシール装置の組立時、図７（ｂ）はガスタービン運転時に静翼体セグメントの間隙が小さくなったときのシール装置の詳細構造を示す。
【００２５】
図７（ａ）に示すように、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する端面６３ａ，６３ｂには、それぞれシール溝６１ａ，６１ｂが形成されている。静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ内部には、突起部８０が備えられ、セグメント間の間隙δｃを遮断するように、両シール溝および突起部８０から形成される間隙間にシール部材９０が架け渡されて装着された構造となっている。突起部８０は、静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと平行した端面８１と、シール溝６１ａの深さ方向に傾斜面８２を持つ、断面が台形の形状から構成されている。また、シール部材９０は、薄板形状のバネ作用を有する弾性体であり、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの深さ方向に対して平行になるように直線部９１を有し、シール溝６１ｂの最深部で接触するように、折り曲げ部９２から構成されている。一方、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側では、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０を挟み込むように、径方向に一定の傾き角度を持った傾斜部９３を有し、その端部は開口した形状であり、突起部８０を形成する傾斜部８２とシール部材９０が接触するように構成されている。シール部材９０のシール溝６１ｂ側の直線部９１におけるシール溝幅方向の寸法は、シール溝６１ｂの溝幅の寸法と同程度か、それよりも僅かに小さく設定させることで、シール溝６１ｂとシール部材９０の直線部９１の接触面を、面接触状態にすることができる。また、シール部材９０のシール溝６１ａ側の傾斜部９３の傾斜角度は、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０の傾斜面８２の傾斜角度８２と同程度かそれよりも小さく設定されていることが望ましい。なお、シール溝６１ａ内部に形成された突起部８０の傾斜角度８２と、シール部材９０の傾斜部９３角度の設定は、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙変化量δｃ−δｈとシール溝６１ａ，６１ｂの径方向の位置ずれ量δｒを考慮して設定する必要がある。
【００２６】
図７（ｂ）を用いて、ガスタービン運転時において、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙δｈになったときのシール装置の作動状態について説明する。
【００２７】
ガスタービン運転時には、図７（ｂ）に示すように、作動ガスや冷却空気からの流入熱によっ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には熱伸びが発生し、それぞれの熱伸びの偏差量によって、組立時のセグメント間の周方向間隙δｃがδｈ（＜δｃ）まで狭くなる。このとき、シール溝６１ａ側に位置するシール部材９０の開口端部では、シール溝６１ａに形成された突起部８０の傾斜部８２の傾斜角度によって、開口端部の径方向長さＬが組立時より拡大する。これにより、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ内に挿入されたシール部材９０の直線部９１における静翼体セグメント２１ｂの端面６３ｂ付近では、径方向に押し付ける力が発生し、シール部材９０の直線部９１とシール溝６１ｂの溝深さ方向の面接触状態は強化される。その結果、シール性能が向上し、セグメント間の間隙における冷却空気の漏洩を抑制することができる。
【００２８】
本発明のシール装置は、隣接するセグメントの一方側のシール溝に、溝の深さ方向の突起部を有し、シール部材が突起部を挟み込むよう構成されているため、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供できる。
【００２９】
図８は、本発明の第二実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図である。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂのシール溝６１ａ，６１ｂ及びシール溝６１ａ内に形成された突起部８０から構成される隣接する静翼体セグメント間の間隙に挿入されたシール部材９０において、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側のシール部材９０の開口端部９４の形状を、径方向に対して外向きに折り曲げた形状としている。これにより、ガスタービン運転時における静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの熱伸びの偏差量によるセグメント間の周方向間隙が狭くなったときに、シール溝６１ａとシール溝６１ａ内に形成される突起部８０からなるシール挿入溝において、シール部材９０の接触状態が合計４箇所の線接触状態７２となる。その結果、シール性能を向上させることが出来る。さらに、シール部材９０の開口端部の折り曲げ部である開口端部９４の先端部に直線部を設けることで、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａの溝深さ方向に面接触させることができ、更なるシール性能向上を望める。
【００３０】
また、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側のシール部材９０の開口端部９４を、径方向に対して外向きに折り曲げた形状とすることにより、突起部８０を有するシール溝６１ａへシール部材９０を挿入するための案内となることで、シール部材の挿入が容易になり、組立性も向上できる。
【００３１】
次に、図８に示すシール装置に関し、ガスタービン運転時の作用について説明する。図９は、図８に示すシール装置のガスタービン運転中の作用を示す。
【００３２】
ガスタービン運転とともに、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには熱伸びが生じ、それぞれの熱伸びの偏差量によって周方向及びタービン半径方向に位置ずれが発生する。そして、図９（ａ）に示すような、シール溝６１ａと６１ｂにおける相対的な半径方向の位置ずれδｒが生じる。図９（ａ）では、静翼体セグメント２１ａの径方向の熱伸び量の方が静翼体セグメント２１ｂより大きい場合について説明する。シール部材９０の静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの溝幅方向に拘束されているため、シール溝６１ｂに対して相対移動することはなく、シール溝がタービン径方向に変位してもシール部材９０とシール溝６１ｂの面接触状態に変化は生じない。それに対し、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側は、タービン径方向に移動するシール溝６１ａとともに、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０も径方向に移動するので、シール部材９０が径方向へ押し上げられる。このときシール部材９０は薄板の弾性体で構成されているため、シール溝６１ａ（突起部８０を含む）の移動に対して柔軟に変形することが可能である。その結果、シール部材９０は、シール溝６１ａ内の突起部８０の図中上側の内壁面へ強く押し付けられ、その接触面７１ｃは面接触状態を形成することができる。
【００３３】
また、シール溝６１ａ内の突起部８０の傾斜部８２の傾斜角度は、シール部材９０の傾き角度より大きくしているため、組立時には、突起部８０とシール部材９０間に間隙が設けてあり、ガスタービン運転時にシール溝６１ａの径方向の移動によるシール部材９０との接触で過大な応力が発生することを抑制でき、シール部材の信頼性を確保できる。図示していないが、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂの端面６３ｂのエッジ部にテーパ構造を備えることで、シール溝の径方向の位置ずれに対して、シール溝６１ｂの端面のエッジ部とシール部材９０との接触面で過大な応力が発生することを抑制できる。
【００３４】
図９（ａ）とは反対に、静翼体セグメント２１ｂの径方向の熱伸び量の方が、静翼体セグメント２１ａよりも大きい場合を図９（ｂ）に示す。この場合、シール溝６１ｂはシール溝６１ａに対し相対的にタービン径方向に移動する。シール部材９０の静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの面接触状態は維持された状態で、タービン径方向に移動することになる。そのため、弾性体であるシール部材９０も同時に静翼体セグメント２１ａに対して相対的に径方向へ移動する。これにより、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側では、シール溝６１ａ内の突起部８０の図面下側の傾斜部８２でシール部材９０と接触し、シール部材９０は突起部８０の内壁面に強く押し付けられる。その結果、接触面は面接触状態７１を形成し、シール性能が向上される。図５（ｂ）に示したように、一般的なシール構造の静翼体セグメント間の熱伸び量の偏差によって、シール溝に径方向の位置ずれが発生した場合と比較して、本実施の形態では、位置ずれが生じた場合でもシール溝内で面接触状態を確保することができるので、冷却空気の漏れ量を約２０％以上低減することが可能である。
【００３５】
また、ガスタービン運転時において、燃焼器で発生する高温高圧の燃焼ガスは、一般的に圧力が１２ata程度、温度が１３００℃程度である。そしてタービン内部で熱膨張仕事をして圧力と温度を低下させ、６００℃以下の温度で排気される。従って、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂやシール部材９０のメタル温度は５００℃〜６００℃程度になる可能性がある。そのため、シール部材の高温酸化を抑制するためにシール部材９０の表面に酸化防止コーティングを施工した構成にすることが有効である。高温酸化が問題にならない場合には、シール部材９０と静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの接触による摩耗を抑制するために耐摩耗コーティングを施工する構成にすることが有効である。これにより、シール部材９０の信頼性を確保することができる。
【００３６】
以上のように本実施の形態によれば、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂに熱伸び量の偏差が発生しても、シール部材９０が柔軟に変形することで、シール溝６１ａ内の突起部の内壁面と、シール溝６１ｂの内壁面では、シール部材９０との接触状態を常に面接触状態に保持することができる。これにより、静翼体セグメント間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し、良好なシール性能を維持することができ、ガスタービンの信頼性及び効率を向上させることができる。
【００３７】
図１０を用いて、本発明のシール装置の装着方法について説明する。シール部材９０は、薄板状の弾性体から構成されており、静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部のタービン径方向の幅寸法は、装着後にシール溝６１ａ内で接触させる必要があるため、図１０で示すようなＬ１とＬ２の２種類が考えられる。例えば、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部における外径側の幅寸法をＬ２とした場合、このＬ２は、シール溝６１ａの径方向の幅寸法Ｄ２（＜Ｌ２）より大きくしている。シール部材９０をシール溝６１ａ内に装着する際に、シール部材９０の開口端部の幅をＬ２より縮小させて、シール溝へ挿入し、挿入後にシール溝６１ａの径方向の内側でシール部材と接触させる。この場合、静翼体セグメントの径方向の位置ずれが発生したとき、静翼体セグメント２１ａ側のシール溝６１ａ内で、シール部材９０が確実に面接触を維持することは難しい。
【００３８】
一方、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部における内径側の幅寸法をＬ１とした場合、このＬ１は、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０の端面の幅寸法Ｄ１（＞Ｌ１）よりも小さくする必要がある。これにより、シール部材９０をシール溝６１ａ内に装着する際に、シール部材９０の開口端部の幅をＬ１より拡大して、シール溝６１ａへ挿入し、挿入後に突起部８０の傾斜面８２にシール部材９０を接触させる。このように構成することで、静翼体セグメントの径方向の位置ずれが発生しても、両端の静翼体セグメントのシール溝内でシール部材９０が確実に面接触を維持させることが可能となる。
【００３９】
図１１に、本発明のシール装置を装着するシール溝を示す。図１１で示したシール溝は、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ内に形成される突起部８５が、静翼体セグメント２１ａと別部材で構成されている。突起部８５を構成する突起部構成材は、シール溝６１ａの深さ方向の端面で面接触した箱型形状をしており、静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと突起部構成材の径方向端部８６とを接続させた構成である。接続方法は、カシメや溶接，ボルトによる接続が考えられる。このように構成することにより、突起部の制作性を向上させることができる。
【００４０】
各実施の形態では、第２段静翼体セグメントについて本発明を適用した例を説明したが、当該部分のみならず、例えば、他の段落の静翼セグメント，動翼シュラウドや静翼ダイアフラムなどといった、間隙を介して複数の構成部材が隣接し構成部材間の間隙から冷却空気がリークする可能性がある他の箇所にも本発明は適用可能であり、その効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ガスタービンの系統図を示す。
【図２】ガスタービンの圧縮機後段付近、燃焼器およびタービン高圧部付近の断面図を示す。
【図３】ガスタービンの第２段静翼体の拡大図を示す。
【図４】ガスタービンの隣接する第２段静翼体セグメントの内周側の一般的なシール構造の斜視図を示す。
【図５】ガスタービンの隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間のシール装置の構造を表すタービン軸方向断面図を示す。
【図６】本発明の第一実施の形態であるシール装置の隣接する第２段静翼体セグメント構造の斜視図を示す。
【図７】図６に示した本発明の第一実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図を示す。
【図８】本発明の第二実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図を示す。
【図９】図８に示すシール装置のガスタービン運転中の作用を示す。
【図１０】本発明の本発明のシール装置の装着方法について示す。
【図１１】本発明の第三実施例のシール装置の突起部の断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１２ａ 静翼
２１ａ，２１ｂ 静翼体セグメント
３１，３２ キャビティ
６１ａ，６１ｂ シール溝
７１ 面接触状態
７２ 線接触状態
８０，８５ 突起部
９０ シール部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隣接するセグメント間のシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に火力発電プラントにおけるガスタービンは、大気を吸入し所定の圧力まで昇圧する圧縮機、圧縮機で昇圧された空気を燃料と混合し燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、高温高圧燃焼ガスが膨張することで動力を発生させるタービン、さらにタービンで発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機から構成されている。
【０００３】
このタービン部の構成において、高温燃焼ガスがタービンの動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることによりタービンロータが高速回転して動力（軸回転力）を発生する。従って、ガスタービンで高出力を得るためには、タービン部入口における燃焼ガス温度の高温化とガスタービンの高効率化が重要な点となる。
【０００４】
こういったガスタービンの高温化に伴い、タービンの動静翼においては、高温の燃焼ガスの熱から翼部材を保護するために翼内部に冷却媒体を供給できるような構造にしている。一般的には、圧縮機から所定圧力で抽出した空気を冷却媒体として、ケーシングやタービンロータ内部に導入し、翼内部を冷却した後の冷却媒体を翼に設けられた細孔やスリットから燃焼ガス流路へ直接放出する方式がある。また、静翼冷却用に導入された冷却媒体の一部は、タービンホイールスペースのシールとして利用され、燃焼ガス流路に排出される。
【０００５】
静翼やダイアフラムなどの構成部材はセグメント構造として環状に周方向に配置されるが、熱伸び量を考慮して周方向に隣接するセグメント間に間隙を設けている。この間隙は、ガスタービン定格運転時においてもゼロにならないように設計される。ケーシングやタービンロータ内部に形成された冷却媒体の流路は、セグメント間の間隙を介して燃焼ガス流路に連通し、翼の冷却やホイールスペースのシールのために導入した冷却媒体の一部がセグメント間の間隙を通過して燃焼ガス流路中に漏洩する。このような冷却媒体の漏洩は、それ自体が損失であるとともに、燃焼ガス流路内のガス温度の低下や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じてタービンの性能低下を招き、ガスタービンの効率と出力を低下させる。
【０００６】
そこで、周方向に間隙を介して隣接するセグメント間の対向面にシール溝を設けて、その溝にバネ効果を有するシール部材を挿入することで、セグメント間の間隙を塞いで、冷却媒体の漏洩を抑制する方法がある（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−５０８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
〔特許文献１〕に記載の従来技術は、周方向に互いに隣接する静翼シュラウドの対向する軸方向面にシール溝を設け、両シール溝内に薄板状のシール板を挿入し、そのシール板のバネ効果によりシュラウドの熱変形によりシール溝が変形してもシール板との間の間隙を小さくシール性能を向上させている。しかし、熱変形によるシール溝の変形以外に、隣接するセグメント間には半径方向の熱伸び量に偏差が発生するため、対向する両シール溝の半径方向に位置ずれが生じることがある。従って、上記シール板では、シール溝の位置ずれが生じた場合に、シール板とシール溝との接触状態が面接触から線接触に変化し、シール性能が低下する可能性がある。また、シール溝の位置ずれが大きい場合に、シール溝端面のエッジ部でシール板が干渉して、シール板に必要以上の応力が発生し、シール板の信頼性を低下させる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に突起部を有し、前記シール部材は、前記突起部を挟み込むよう構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高い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】
【００１２】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１３】
はじめに、図１のガスタービン系統図を用いて、ガスタービンの構成について説明する。火力発電プラント等に用いられるガスタービン００は、大気１０１を吸入し所定の圧力まで昇圧する圧縮機１、圧縮機１で昇圧された空気１０２を燃料１０３と混合し燃焼させ燃焼ガス１０４を生成する燃焼器２，高温高圧燃焼ガス１０４が膨張することで動力を発生させるタービン３、さらにタービン３で発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機４から構成され、圧縮機１，タービン３，発電機４は回転軸５を中心に回転している。
【００１４】
また、タービン３の動静翼では、高温の燃焼ガス１０４の熱から翼部材を保護するために翼内部に冷却媒体を供給できるような構造としている。圧縮機１から所定圧力で抽出した空気（冷却媒体）は、静翼冷却空気流路２０１、および動翼冷却空気流路２０２を経て、動静翼内部を熱交換により冷却した後、翼に設けられた細孔やスリットから燃焼ガス流路へ直接放出される。なお、本実施例では、火力発電プラント用ガスタービンとして１軸式で構成されたものを用いているが、発電機４の代わりに負荷機器としてポンプやプロセス圧縮機を駆動できる、２軸式のタービンで構成されたものを用いてもよい。
【００１５】
図２に圧縮機１後段付近、燃焼器２およびタービン３高圧部付近の断面図を示す。図２は、回転軸５に対する上半部構造を示している。タービン３は、燃焼ガス１０４の流路内に交互に配置された静翼１１ａ，１２ａ及び動翼１１ｂ，１２ｂ，ロータディスク１３ａ，１３ｂ，スペーサディスク１４およびスタッキングボルト１５等から構成され、高温燃焼ガス１０４が動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることによりロータが高速回転して動力を発生する。
【００１６】
次に、図２を用いて、タービン静翼１２ａを例にして、翼を冷却する際の冷却媒体の流れについて説明する。圧縮機１からタービン翼のガスパス圧力に応じた所定の圧力で抽出した冷却媒体である空気２０１（以後、冷却媒体は空気として説明する。）は、ケーシング２５に設けた導入孔（図示しない）を通過して、第２段静翼冷却空気供給キャビティ３１へ導入される。供給キャビティ３１に供給された冷却空気は、ケーシング２５の内周側に周方向に環状に配設された第２段静翼体２１に供給される。第２段静翼体２１に供給された冷却空気の一部は、第２段静翼体２１内部の冷却パスを通過するときに熱交換して静翼１２ａを冷却しながら温度上昇して、静翼１２ａ表面に形成されたフィルム孔や翼後縁噴出し孔を介してガスパス６に排出され、第１段動静翼１１ａ，１１ｂを通過した燃焼ガス１０４と混合され第２段動翼１２ｂの作動ガスとなる。
【００１７】
一方、第２段静翼体２１に供給された冷却空気の他の一部は、第２段静翼体２１の内周側に周方向に環状に配設されたダイアフラム２２のキャビティ３２へ供給される。キャビティ３２へ導入された冷却空気は、第１段ロータディスク１３ａ，スペーサディスク１４及びダイアフラム２２で形成される第１段動翼後側ホイールスペース３５に供給される。その後、ダイアフラム２２とスペーサディスク１４の間に設けられたシールフィン２３を介して、第２段ロータディスク１３ｂ，スペーサディスク１４及びダイアフラム２２で形成される第２段動翼前側ホイールスペース３６に分岐され、ホイールスペース３５，３６への作動燃焼ガス１０４の侵入を抑制するためのシール空気として使用される。
【００１８】
図３に第２段静翼体２１の拡大図を示す。第２段静翼体２１はタービン周方向に環状に配置したセグメント構造をしている。周方向に隣接した第２段静翼体２１のセグメント端面では、静翼１２ａの外周側エンドウォール４２側のシュラウド内にタービン軸方向に延びるシール溝６２が設けられている。また、静翼１２ａの内周側エンドウォール４１側のシュラウド内にタービン軸方向に延びるシール溝６１が設けられている。この周方向に隣接したセグメント端面では、熱伸び量を考慮してセグメント間に間隙を設けており、この間隙値は、タービン定格運転時においてもゼロにならないように設計されている。従って、第２段静翼体２１へ供給される冷却空気は、セグメント間の周方向の間隙を介してガスパス６中に漏れ空気３０１として排出される。この漏洩を抑制するために、セグメント間のシール溝６１，６２にシール装置を装着している。
【００１９】
図４に、隣接する第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの内周側の一般的なシール構造の斜視図を示す。第２段静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと隣り合う静翼体セグメント２１ｂの対向端面６３ｂの間では、冷却空気がセグメント間の周方向間隙を介してガスパス中に漏洩するのを抑制するために、それぞれタービン軸方向に延び、周方向に深さをもつシール溝６１ａ，６１ｂを設け、セグメント間のシール溝６１ａ，６１ｂに装着することが可能なシール装置５２を備えている。これによって静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙が遮断されて、セグメント間隙がシールされるよう構成できる。
【００２０】
図５は、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間のシール装置の構造を表すタービン軸方向断面図である。図５（ａ）はシール装置の組立時、図５（ｂ）はガスタービン運転時におけるシール装置の断面図をそれぞれ示す。
【００２１】
図５（ａ）に示すように、組立時には、２つの静翼体セグメント２１ａ，２１ｂは、対向する端面６３ａ，６３ｂにおいて周方向に間隙δｃを持って、静翼体セグメント２１ａにはシール溝６１ａ、静翼体セグメント２１ｂにはシール溝６１ｂが設けられ、そのシール溝間に周方向間隙を塞ぐようにシール装置５２が架け渡されて装着されている。この組立時の状態が、ガスタービン運転時にも理想的に保持されたとすれば、冷却空気が供給されたキャビティ３２と燃焼ガス１０４の流路の圧力差によって、シール装置５２は冷却空気流路２０１の矢印方向へ押し付けられる。これにより、シール装置５２と各セグメントにおけるシール溝の接触面は面７１ａ，７１ｂにおける面接触状態となり、冷却空気がシール溝内部を周り込んで燃焼ガス流路へ漏洩する流れを遮断して、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙がほぼシールされる。
【００２２】
しかし、ガスタービン運転時には、図５（ｂ）に示すように、作動ガスや冷却空気からの流入熱によっ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には熱伸びが発生し、それぞれの熱伸びの偏差量によって、組立時のセグメント間の周方向間隙δｃがδｈ（＜δｃ）まで狭くなる。静翼体セグメント２１ａと２１ｂはガスタービン定格運転時においても接触しないように設計されているため、間隙値δｈがゼロになることはない。また、熱伸びは周方向だけでなく、タービン半径方向にも発生する。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂに熱流動上の熱偏差により、シール溝６１ａ，６１ｂには半径方向の位置ずれδｒが生じる。これにより、シール装置５２と各セグメントにおけるシール溝の接触面は、面接触状態から軸方向の線７２ａ，７２ｂにおける線接触状態７２に変化する。そうなることでシール性能が低下し、冷却空気がシール溝内部を周り込み、燃焼ガス１０４の流路への漏洩３０１が発生する。この冷却媒体の漏洩は、それ自体が損失であるとともに、燃焼ガス流路内のガス温度の低下や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じることによりタービンの性能低下を招き、ガスタービンの効率と出力を低下させる。
【００２３】
図６に本発明の第一実施の形態であるシール装置の隣接する第２段静翼体セグメント構造の斜視図を示す。第２段静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと隣り合う静翼体セグメント２１ｂの対向端面６３ｂの間を、冷却空気がセグメント間の周方向間隙を介してガスパス中に漏洩するのを抑制するために、それぞれタービン軸方向に延び、周方向に深さを持つシール溝６１ａ，６１ｂを設け、片側の静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａの内部に突起部８０を備えている。
【００２４】
図７は、図６に示した本発明の第一実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図である。図７（ａ）はシール装置の組立時、図７（ｂ）はガスタービン運転時に静翼体セグメントの間隙が小さくなったときのシール装置の詳細構造を示す。
【００２５】
図７（ａ）に示すように、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの対向する端面６３ａ，６３ｂには、それぞれシール溝６１ａ，６１ｂが形成されている。静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ内部には、突起部８０が備えられ、セグメント間の間隙δｃを遮断するように、両シール溝および突起部８０から形成される間隙間にシール部材９０が架け渡されて装着された構造となっている。突起部８０は、静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと平行した端面８１と、シール溝６１ａの深さ方向に傾斜面８２を持つ、断面が台形の形状から構成されている。また、シール部材９０は、薄板形状のバネ作用を有する弾性体であり、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの深さ方向に対して平行になるように直線部９１を有し、シール溝６１ｂの最深部で接触するように、折り曲げ部９２から構成されている。一方、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側では、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０を挟み込むように、径方向に一定の傾き角度を持った傾斜部９３を有し、その端部は開口した形状であり、突起部８０を形成する傾斜部８２とシール部材９０が接触するように構成されている。シール部材９０のシール溝６１ｂ側の直線部９１におけるシール溝幅方向の寸法は、シール溝６１ｂの溝幅の寸法と同程度か、それよりも僅かに小さく設定させることで、シール溝６１ｂとシール部材９０の直線部９１の接触面を、面接触状態にすることができる。また、シール部材９０のシール溝６１ａ側の傾斜部９３の傾斜角度は、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０の傾斜面８２の傾斜角度８２と同程度かそれよりも小さく設定されていることが望ましい。なお、シール溝６１ａ内部に形成された突起部８０の傾斜角度８２と、シール部材９０の傾斜部９３角度の設定は、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙変化量δｃ−δｈとシール溝６１ａ，６１ｂの径方向の位置ずれ量δｒを考慮して設定する必要がある。
【００２６】
図７（ｂ）を用いて、ガスタービン運転時において、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間の間隙δｈになったときのシール装置の作動状態について説明する。
【００２７】
ガスタービン運転時には、図７（ｂ）に示すように、作動ガスや冷却空気からの流入熱によっ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には熱伸びが発生し、それぞれの熱伸びの偏差量によって、組立時のセグメント間の周方向間隙δｃがδｈ（＜δｃ）まで狭くなる。このとき、シール溝６１ａ側に位置するシール部材９０の開口端部では、シール溝６１ａに形成された突起部８０の傾斜部８２の傾斜角度によって、開口端部の径方向長さＬが組立時より拡大する。これにより、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ内に挿入されたシール部材９０の直線部９１における静翼体セグメント２１ｂの端面６３ｂ付近では、径方向に押し付ける力が発生し、シール部材９０の直線部９１とシール溝６１ｂの溝深さ方向の面接触状態は強化される。その結果、シール性能が向上し、セグメント間の間隙における冷却空気の漏洩を抑制することができる。
【００２８】
本発明のシール装置は、隣接するセグメントの一方側のシール溝に、溝の深さ方向の突起部を有し、シール部材が突起部を挟み込むよう構成されているため、セグメント間の熱伸び量に偏差が生じた場合でも柔軟に対応可能な信頼性の高いシール装置を提供できる。
【００２９】
図８は、本発明の第二実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図である。静翼体セグメント２１ａ，２１ｂのシール溝６１ａ，６１ｂ及びシール溝６１ａ内に形成された突起部８０から構成される隣接する静翼体セグメント間の間隙に挿入されたシール部材９０において、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側のシール部材９０の開口端部９４の形状を、径方向に対して外向きに折り曲げた形状としている。これにより、ガスタービン運転時における静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの熱伸びの偏差量によるセグメント間の周方向間隙が狭くなったときに、シール溝６１ａとシール溝６１ａ内に形成される突起部８０からなるシール挿入溝において、シール部材９０の接触状態が合計４箇所の線接触状態７２となる。その結果、シール性能を向上させることが出来る。さらに、シール部材９０の開口端部の折り曲げ部である開口端部９４の先端部に直線部を設けることで、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａの溝深さ方向に面接触させることができ、更なるシール性能向上を望める。
【００３０】
また、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側のシール部材９０の開口端部９４を、径方向に対して外向きに折り曲げた形状とすることにより、突起部８０を有するシール溝６１ａへシール部材９０を挿入するための案内となることで、シール部材の挿入が容易になり、組立性も向上できる。
【００３１】
次に、図８に示すシール装置に関し、ガスタービン運転時の作用について説明する。図９は、図８に示すシール装置のガスタービン運転中の作用を示す。
【００３２】
ガスタービン運転とともに、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには熱伸びが生じ、それぞれの熱伸びの偏差量によって周方向及びタービン半径方向に位置ずれが発生する。そして、図９（ａ）に示すような、シール溝６１ａと６１ｂにおける相対的な半径方向の位置ずれδｒが生じる。図９（ａ）では、静翼体セグメント２１ａの径方向の熱伸び量の方が静翼体セグメント２１ｂより大きい場合について説明する。シール部材９０の静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの溝幅方向に拘束されているため、シール溝６１ｂに対して相対移動することはなく、シール溝がタービン径方向に変位してもシール部材９０とシール溝６１ｂの面接触状態に変化は生じない。それに対し、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側は、タービン径方向に移動するシール溝６１ａとともに、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０も径方向に移動するので、シール部材９０が径方向へ押し上げられる。このときシール部材９０は薄板の弾性体で構成されているため、シール溝６１ａ（突起部８０を含む）の移動に対して柔軟に変形することが可能である。その結果、シール部材９０は、シール溝６１ａ内の突起部８０の図中上側の内壁面へ強く押し付けられ、その接触面７１ｃは面接触状態を形成することができる。
【００３３】
また、シール溝６１ａ内の突起部８０の傾斜部８２の傾斜角度は、シール部材９０の傾き角度より大きくしているため、組立時には、突起部８０とシール部材９０間に間隙が設けてあり、ガスタービン運転時にシール溝６１ａの径方向の移動によるシール部材９０との接触で過大な応力が発生することを抑制でき、シール部材の信頼性を確保できる。図示していないが、静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂの端面６３ｂのエッジ部にテーパ構造を備えることで、シール溝の径方向の位置ずれに対して、シール溝６１ｂの端面のエッジ部とシール部材９０との接触面で過大な応力が発生することを抑制できる。
【００３４】
図９（ａ）とは反対に、静翼体セグメント２１ｂの径方向の熱伸び量の方が、静翼体セグメント２１ａよりも大きい場合を図９（ｂ）に示す。この場合、シール溝６１ｂはシール溝６１ａに対し相対的にタービン径方向に移動する。シール部材９０の静翼体セグメント２１ｂのシール溝６１ｂ側はシール溝６１ｂの面接触状態は維持された状態で、タービン径方向に移動することになる。そのため、弾性体であるシール部材９０も同時に静翼体セグメント２１ａに対して相対的に径方向へ移動する。これにより、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ側では、シール溝６１ａ内の突起部８０の図面下側の傾斜部８２でシール部材９０と接触し、シール部材９０は突起部８０の内壁面に強く押し付けられる。その結果、接触面は面接触状態７１を形成し、シール性能が向上される。図５（ｂ）に示したように、一般的なシール構造の静翼体セグメント間の熱伸び量の偏差によって、シール溝に径方向の位置ずれが発生した場合と比較して、本実施の形態では、位置ずれが生じた場合でもシール溝内で面接触状態を確保することができるので、冷却空気の漏れ量を約２０％以上低減することが可能である。
【００３５】
また、ガスタービン運転時において、燃焼器で発生する高温高圧の燃焼ガスは、一般的に圧力が１２ata程度、温度が１３００℃程度である。そしてタービン内部で熱膨張仕事をして圧力と温度を低下させ、６００℃以下の温度で排気される。従って、静翼体セグメント２１ａ，２１ｂやシール部材９０のメタル温度は５００℃〜６００℃程度になる可能性がある。そのため、シール部材の高温酸化を抑制するためにシール部材９０の表面に酸化防止コーティングを施工した構成にすることが有効である。高温酸化が問題にならない場合には、シール部材９０と静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの接触による摩耗を抑制するために耐摩耗コーティングを施工する構成にすることが有効である。これにより、シール部材９０の信頼性を確保することができる。
【００３６】
以上のように本実施の形態によれば、隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂに熱伸び量の偏差が発生しても、シール部材９０が柔軟に変形することで、シール溝６１ａ内の突起部の内壁面と、シール溝６１ｂの内壁面では、シール部材９０との接触状態を常に面接触状態に保持することができる。これにより、静翼体セグメント間の間隙からの冷却空気の漏洩の発生を効果的に抑制し、良好なシール性能を維持することができ、ガスタービンの信頼性及び効率を向上させることができる。
【００３７】
図１０を用いて、本発明のシール装置の装着方法について説明する。シール部材９０は、薄板状の弾性体から構成されており、静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部のタービン径方向の幅寸法は、装着後にシール溝６１ａ内で接触させる必要があるため、図１０で示すようなＬ１とＬ２の２種類が考えられる。例えば、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部における外径側の幅寸法をＬ２とした場合、このＬ２は、シール溝６１ａの径方向の幅寸法Ｄ２（＜Ｌ２）より大きくしている。シール部材９０をシール溝６１ａ内に装着する際に、シール部材９０の開口端部の幅をＬ２より縮小させて、シール溝へ挿入し、挿入後にシール溝６１ａの径方向の内側でシール部材と接触させる。この場合、静翼体セグメントの径方向の位置ずれが発生したとき、静翼体セグメント２１ａ側のシール溝６１ａ内で、シール部材９０が確実に面接触を維持することは難しい。
【００３８】
一方、シール部材９０の静翼体セグメント２１ａに装着する側の開口端部における内径側の幅寸法をＬ１とした場合、このＬ１は、シール溝６１ａ内に形成された突起部８０の端面の幅寸法Ｄ１（＞Ｌ１）よりも小さくする必要がある。これにより、シール部材９０をシール溝６１ａ内に装着する際に、シール部材９０の開口端部の幅をＬ１より拡大して、シール溝６１ａへ挿入し、挿入後に突起部８０の傾斜面８２にシール部材９０を接触させる。このように構成することで、静翼体セグメントの径方向の位置ずれが発生しても、両端の静翼体セグメントのシール溝内でシール部材９０が確実に面接触を維持させることが可能となる。
【００３９】
図１１に、本発明のシール装置を装着するシール溝を示す。図１１で示したシール溝は、静翼体セグメント２１ａのシール溝６１ａ内に形成される突起部８５が、静翼体セグメント２１ａと別部材で構成されている。突起部８５を構成する突起部構成材は、シール溝６１ａの深さ方向の端面で面接触した箱型形状をしており、静翼体セグメント２１ａの端面６３ａと突起部構成材の径方向端部８６とを接続させた構成である。接続方法は、カシメや溶接，ボルトによる接続が考えられる。このように構成することにより、突起部の制作性を向上させることができる。
【００４０】
各実施の形態では、第２段静翼体セグメントについて本発明を適用した例を説明したが、当該部分のみならず、例えば、他の段落の静翼セグメント，動翼シュラウドや静翼ダイアフラムなどといった、間隙を介して複数の構成部材が隣接し構成部材間の間隙から冷却空気がリークする可能性がある他の箇所にも本発明は適用可能であり、その効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ガスタービンの系統図を示す。
【図２】ガスタービンの圧縮機後段付近、燃焼器およびタービン高圧部付近の断面図を示す。
【図３】ガスタービンの第２段静翼体の拡大図を示す。
【図４】ガスタービンの隣接する第２段静翼体セグメントの内周側の一般的なシール構造の斜視図を示す。
【図５】ガスタービンの隣接する静翼体セグメント２１ａ，２１ｂ間のシール装置の構造を表すタービン軸方向断面図を示す。
【図６】本発明の第一実施の形態であるシール装置の隣接する第２段静翼体セグメント構造の斜視図を示す。
【図７】図６に示した本発明の第一実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図を示す。
【図８】本発明の第二実施の形態であるシール装置のタービン軸方向の断面図を示す。
【図９】図８に示すシール装置のガスタービン運転中の作用を示す。
【図１０】本発明の本発明のシール装置の装着方法について示す。
【図１１】本発明の第三実施例のシール装置の突起部の断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１２ａ 静翼
２１ａ，２１ｂ 静翼体セグメント
３１，３２ キャビティ
６１ａ，６１ｂ シール溝
７１ 面接触状態
７２ 線接触状態
８０，８５ 突起部
９０ シール部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、
前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に突起部を有し、
前記シール部材は、前記突起部を挟み込むよう構成されていることを特徴とするシール装置。
【請求項２】
請求項１に記載のシール装置において、
前記シール部材の前記一方側のシール溝に設置される端部は前記突起部を挟み込むよう構成され、
前記シール部材の他方側のシール溝に設置される端部はシール溝に底部で接触するよう構成され、
前記シール部材は、他方側のシール溝の深さ方向に対して平行な直線部を有する
ことを特徴とするシール装置。
【請求項３】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、
前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に断面が台形状の突起部を有し、
前記シール部材は薄板形状の弾性体であり、
前記シール部材の他方側のシール溝に挿入される側は、前記他方側のシール溝と最深部で接触可能な折り曲げ部と、前記他方側のシール溝の深さ方向に対して平行で溝幅方向の寸法が前記他方側のシール溝と同程度かそれより僅かに小さく設定された直線部とを有し、
前記シール部材の前記一方側のシール溝に挿入される側は前記突起部を有するシール溝へ向かって前記直線部に対して一定の傾き角度を有しながら開口した形状である
ことを特徴とするシール装置。
【請求項４】
請求項３に記載のシール装置において、
突起部の傾斜角度は、前記シール部材の開口部の傾き角度と同程度かそれよりも大きく設定されていることを特徴とするシール装置。
【請求項５】
請求項３に記載のシール装置において、
前記シール部材の開口部側の端部が、前記突起部に対して外向きに折り曲げた形状であることを特徴とするシール装置。
【請求項６】
請求項１に記載のシール装置であって、
前記突起部が前記セグメントと別部材で構成されたことを特徴とするシール装置。
【請求項７】
請求項１に記載のシール装置であって、
前記シール部材は耐酸化コーティング、もしくは、耐摩耗コーティングを施されたものであることを特徴とするシール装置。
【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する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、
周方向に互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、いずれか一方側のシール溝に深さ方向の突起部が設けられ、前記それぞれのシール溝に前記突起部を挟み込むようなシール部材が挿入されたシール装置を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
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する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンの運転方法において、
周方向に互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、いずれか一方側のシール溝に深さ方向の突起部が設けられ、前記それぞれのシール溝に前記突起部を挟み込むようなシール部材が挿入されたシール装置を用いることを特徴とするガスタービンの運転方法。
【請求項１】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、
前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に突起部を有し、
前記シール部材は、前記突起部を挟み込むよう構成されていることを特徴とするシール装置。
【請求項２】
請求項１に記載のシール装置において、
前記シール部材の前記一方側のシール溝に設置される端部は前記突起部を挟み込むよう構成され、
前記シール部材の他方側のシール溝に設置される端部はシール溝に底部で接触するよう構成され、
前記シール部材は、他方側のシール溝の深さ方向に対して平行な直線部を有する
ことを特徴とするシール装置。
【請求項３】
互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、該シール溝にシール部材が挿入されたシール装置において、
前記隣接するセグメントのいずれか一方側のシール溝は、溝の深さ方向に断面が台形状の突起部を有し、
前記シール部材は薄板形状の弾性体であり、
前記シール部材の他方側のシール溝に挿入される側は、前記他方側のシール溝と最深部で接触可能な折り曲げ部と、前記他方側のシール溝の深さ方向に対して平行で溝幅方向の寸法が前記他方側のシール溝と同程度かそれより僅かに小さく設定された直線部とを有し、
前記シール部材の前記一方側のシール溝に挿入される側は前記突起部を有するシール溝へ向かって前記直線部に対して一定の傾き角度を有しながら開口した形状である
ことを特徴とするシール装置。
【請求項４】
請求項３に記載のシール装置において、
突起部の傾斜角度は、前記シール部材の開口部の傾き角度と同程度かそれよりも大きく設定されていることを特徴とするシール装置。
【請求項５】
請求項３に記載のシール装置において、
前記シール部材の開口部側の端部が、前記突起部に対して外向きに折り曲げた形状であることを特徴とするシール装置。
【請求項６】
請求項１に記載のシール装置であって、
前記突起部が前記セグメントと別部材で構成されたことを特徴とするシール装置。
【請求項７】
請求項１に記載のシール装置であって、
前記シール部材は耐酸化コーティング、もしくは、耐摩耗コーティングを施されたものであることを特徴とするシール装置。
【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する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、
周方向に互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、いずれか一方側のシール溝に深さ方向の突起部が設けられ、前記それぞれのシール溝に前記突起部を挟み込むようなシール部材が挿入されたシール装置を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
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する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンの運転方法において、
周方向に互いに隣接するセグメントの対向端面にそれぞれシール溝が設けられ、いずれか一方側のシール溝に深さ方向の突起部が設けられ、前記それぞれのシール溝に前記突起部を挟み込むようなシール部材が挿入されたシール装置を用い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８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２０３９４７（Ｐ２００９−２０３９４７Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４９００１（Ｐ２００８−４９００１）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【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２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【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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