JP2015021387A - シール装置およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するセグメント部材のそれぞれに設けたシール溝にシールプレートを設置したシール装置において、セグメント部材のオフセットに対応させた上で、シール性能を向上させると共に、信頼性の高いシール装置を提供する。【解決手段】間隙を有して隣接するセグメント部材のそれぞれの間隙側面に相互に対向するように設けたシール溝の双方に架かるようにシールプレートを設置したシール装置であって、シールプレートは、剛体プレートと、板バネとを貼り合わせて、シールプレートの長手方向と交差する断面の形状がＸ字状となるように構成され、シール溝内に配置された際に、シール溝の低圧側が剛体プレート、シール溝の高圧側が前記板バネとなるように配置され、シール溝と剛体プレートの接触部、及び、シール溝と板バネの接触点が、対向するシール溝面に形成されるように構成されている。【選択図】 図７

Description

本発明は、シール装置およびガスタービンに係り、特に、空気を冷却媒体とするタービン冷却翼の冷却空気のリーク流量を低減するのに好適なガスタービンのシール装置に関するものである。

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。特に、作動ガス中に配列されているタービン静・動翼は高級耐熱材料の使用とともに、冷却翼内部に冷却媒体を供給している。一般に採用されている、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である。即ち、ガスタ−ビン構成要素の一つである圧縮機から抽気した空気を冷却媒体として用い、例えば、静翼では、この空気をタービンケーシングに設けた供給口からケーシング内部外径側キャビティを径由させ、翼内部に導入して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、翼外表面に設けたフィルム冷却孔や翼の後縁冷却孔等から、ガスパス中に排出している。また、供給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、この空気も同様に、主流ガスのイングレス抑制用としてガスパス中に排出されることになる。

ところで、例えば、静翼とエンドウォール等から成る静翼体は、セグメント構造として周方向に複数個が環状配置されるが、セグメント部材の熱伸びを考慮して、各セグメント間には、周方向に間隙が設定される。この間隙は、定格運転点においても、部材の熱応力の発生防止の観点から、接触しないように設計される。つまり、静翼体の冷却用空気として導入されるケーシング内部外径側キャビティとガスパスは、この間隙流路によって、半径方向に連通している。よって、冷却空気の一部が、このセグメント間の間隙路を直通して、ガスパス中に漏洩する。同様に、静翼のダイアフラムもセグメントとして環状に構成されるが、シール空気の一部がリークすることになる。これらのリークは、そのもの自体が損失の要因になるとともに、ガスパスの主流中へ混入することから、比較的、低温であるリーク空気の希釈による作動ガスの温度低下や、混合損失によるタービンの出力低下をもたらすことになり、ガスタービンの効率向上策の一つである高温化のメリットを十分に発揮できない嫌いがある。

この改善策として、一般的には、周方向に隣接するセグメントの間隙面に対して、その両側対向位置にシール溝を形成し、シール溝間に平板状シールプレートを装着して流路を遮断することにより、リークを抑制する方法が採られている。但し、平板状シールプレートは、近年のガスタービンの大型化、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）に対応できない。このため、シールプレートの長手方向断面形状を、互いのシール溝との接触部分を円弧状に形成し、円弧間となるプレート中央部を薄く製作したシールプレートが開発されている。その代表例が、いわゆるドッグボーンシールプレートであり、シールプレート外端部を楕円状に成形している（例えば、特許文献１参照）。この楕円形状によって、セグメントの半径方向の熱伸び偏差によって、シール溝にオフセットが生じても、シール溝面で必ず接触点が確保できると共に、プレート中央部が薄肉化されているため、この部分が間隙面のシール溝のエッジ部と接触干渉することはない。但し、オフセット対策によるトレードオフとして、オフセットなしの場合、プレート長手方向に対して、平板状シールプレートの面接触から線接触になるため、リーク流量の増加が避けられない。そこで、弾性体である波状バネ部材を用いた変形版のドッグボーン型シールプレートによって、線接触部の面圧を上げ、シール性能を向上させる案（例えば、特許文献２参照）や、ドッグボーンシールプレートの外形状に倣う薄い板材で構成し、薄板自身の弾性力で面圧を上げて、リーク流量を低減させる案（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。

一方、このようなシールプレートは、単独で用いることはなく、高圧部と低圧部間を区画遮断するような形で、複数枚のシ−ルプレートを配置するのが、一般的である。従って、例えば、２枚のシールプレートの組合せを考えるとき、一方のプレートシール面と、一方のプレート終端面の交接部でのリーク抑制を加味する必要がある。

米国特許公報 ＵＳＰ５１５８４３０Ａ 特願２００７−５３２０８４号公報 特開２００４−５２７７３号公報

セグメント間に装着するシールプレートは、その開発目的から、間隙間の冷却・シール空気のリークを、未然に抑制するものである。しかし、シールプレート形状を、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、特許文献１などに記載されたドッグボーン型シールプレートのシール溝内における接触状態は、線接触になり、オフセットを想定しない平板状シールプレートに比べると、リーク流量の増加が予想される。また、ドッグボーンのオフセット追従性、プレートのシール溝への装着を考えた場合、シール溝高さとプレートの最大厚みの関係は、厚みの方が小さいことが必須であり、これはシール溝とプレートの間に微小間隙を有するとともに、シール溝の高さ方向に２箇所あるシール面に対して、各１箇所のみでしか接触しないことを意味する。一方、この微小間隙は、ガスタービンの運転に際し、シールプレートを震動させ、接触点の磨耗損傷を加速させる恐れがある。

これらの課題を緩和するために、特許文献２に記載のように、弾性体である波状バネ部材で構成されるシールプレートは、接触部での面圧上昇に伴うリーク流量低減、震動抑制効果という利点がある。但し、シール性能上の接触点は１箇所のままであり、更なるシール性能向上の余地がある。

また、特許文献３に記載のように、バネ部材のプレートへの固着は、必然的にシール溝高さの増加が条件となり、冷却翼等のセグメントシールとして適用するには、スペース的な困難さを生じる場合がある。更に、シールプレートの複数枚配置を考えたとき、このバネ部材が、一方のシールプレートの終端面との間で、不要なリーク空隙を生じる。他方、シールプレート外形を薄板によって構成するシールプレートは、これらの難点を克服する有効なシール装置であるが、多数枚配置で同様の問題が生じるとともに、薄板として高温場に晒されていることから、酸化損傷、繰返し応力に対する強度等、信頼性に欠ける恐れがある。

このように、ガスタービンのシール装置におけるシールプレートの開発には、プレート自体、多数枚配置上のリーク流量低減、熱伸び偏差の吸収、更には、信頼性等の課題が含まれている。

本発明の目的は、隣接する部材間の間隙からのリークを抑制するために、隣接する部材のそれぞれに設けたシール溝にシールプレートを設置したシール装置において、部材間のオフセットに対応させた上で、シール性能を向上させると共に、信頼性の高いシール装置を提供することにある。

本発明は、間隙を有して隣接する部材のそれぞれの間隙側面に相互に対向するように設けたシール溝の双方に架かるようにシールプレートを設置したシール装置であって、シールプレートは、シールプレートの長手方向と交差する断面を基準として、両端部側にシール溝面との接触部が円弧状となるように形成された剛体プレートと、板バネとを貼り合わせて、断面の形状がＸ字状となるように構成され、シール溝内に配置された際に、シール溝の低圧側が剛体プレート、シール溝の高圧側が前記板バネとなるように配置され、シール溝と剛体プレートの接触部、及び、シール溝と板バネの接触点が、対向するシール溝面に形成されるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、部材間のオフセットに対応させた上で、シール性能を向上させると共に、信頼性の高いシール装置を実現できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用されるガスタービン装置の構成を示す概念図である。 本発明が適用されるタービンの部分断面図である。 本発明を静翼体に適用した場合のシールプレートの配置を示す概念図である。 本発明を静翼体に適用した場合のシールプレートの装着を示す概念図である。 本発明の第１の実施例におけるシールプレートの外観図である。 本発明の第１の実施例におけるシールプレートの断面図である。 本発明の第１の実施例におけるシールプレートのガスタービン組立時の装着断面図である。 本発明の第１の実施例の作用を表すシールプレートの部分断面図である。 本発明の第１の実施例にけるシールプレートのガスタービン運転時の装着断面図である。 本発明の第２の実施例におけるシールプレートの外観図である。 本発明の第２の実施例におけるシールプレートの構成要素を表す外観図である。 本発明の第２の実施例におけるシールプレートの装着を表すガスタービン組立て時の概念部分図である。 本発明の第２の実施例の効果を示すシールプレートの装着を表す概念部分図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図において、同一番号は、同一の機器、或いは、部材、機能を表す。

先ず、本発明が適用されるガスタービン装置の構成を図１に基づき説明する。ガスタービン１は、主な構成として、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２、圧縮機２からの圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温高圧ガスを得る燃焼器３、燃焼器からの高温高圧ガスを作動ガスとして駆動する多段のタービン４、及び、発電機５を備えている。圧縮機２、タービン４、及び、発電機５は軸連結されている。

タービン４の被冷却部（第１，第２段静翼と第１，第２段動翼）は、圧縮機２から抽気した空気により冷却される。すなわち、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，第２段動翼を冷却するための動翼冷却空気経路７を経て、タービン４の各々の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、各翼のフィルム冷却に利用、或いは、翼後縁から噴出されて、タービン４のガスパス中に排出され、作動ガスと混合して、最終的には排気として大気に放出される。

次に、本発明が適用されるタービンを図２に基づき説明する。図２は、タービン４の２段目までのタービンの部分断面を示す。冷却空気は、静翼低圧冷却空気経路６aから第２段静翼１２a、静翼高圧冷却空気経路６bから第１段静翼１０、動翼冷却空気経路７から第１段動翼１１，第２段動翼１３へそれぞれ供給される。以下、本実施例のシール装置の全体構成を詳細に説明するが、ここでは、第２段静翼１２a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１４に設けた導入孔（図示省略）を介して供給された冷却空気は、ケーシング１４の外端側内部にある第２段静翼供給キャビティ８を経て、周方向に環状に配置された第２段静翼体２１aの内部に供給される。この第２段静翼体セグメント２１aは、主として、外径側エンドウォール２２a、第２段静翼１２a、及び、内径側エンドウォール２３aから構成される。冷却空気は、第２段静翼体２１aの冷却パス（図示省略）を通過するときに熱交換を行い、各エンドウォール２２a，２３a、第２段静翼１２a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段静翼供給キャビティ８に供給された空気の一部は、第２段静翼体セグメント２１aと、第２段静翼体セグメント２１aに装着されるダイアフラム１６aとの間で形成されるダイアフラムキャビティ１５を経て、第１段ホィール１９a、スペーサー１８及びダイアフラム１６aで形成される第１段動翼後側ホィールスペース１７aに供給される。その後、一部が、第１段動翼１１と第２段静翼１２a間のガスパスへシール空気として流れる。その一部が、ダイアフラム１５とスペーサー１８の間に形成されたシールフィン２９によって流量を絞られた後、第２段ホィール１９ｂ、スペーサー１８及びダイアフラム１６aで形成される第２段動翼前側ホィールスペース１７ｂに分配される。そして、分配された空気は、第２段静翼１２aと第２段動翼１３間のガスパス９中へシール空気として流れることになる。

次に、本発明のシール装置を静翼体に適用した場合のシールプレートの配置を図３に基づき説明する。図３は、周方向に複数個配置される第２段静翼体セグメントの１つである第２段静翼体セグメント２１aとダイアフラム１６aを示したものである。

第２段静翼体セグメントは、周方向に複数個を配置するものであり、互いのセグメント間には間隙を有する。従って、第２段静翼供給キャビティ８とガスパス９は連通しており、概念的には、図中に示す第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９へ向かう矢印方向の冷却空気のリーク流路が発生することになる。このリーク流路を遮断するため、第２段静翼体セグメント２１aの外径側エンドウォール２２aには、高圧側である第２段静翼供給キャビティ８と、低圧側であるガスパス９を遮断する形で、シールプレートと共にシール装置を構成するシール溝３０a、シール溝３１a及びシール溝３２aが設けられている。同様に、内径側エンドウォール２３aやダイアフラム１６aのセグメント間にもリーク流路が存在する。これらのリーク流路を遮断するため、内径側エンドウォール２３aには、シール溝３３、シール溝３４及びシール溝３５が設けられ、また、ダイアフラム１６aには、シール溝３６、シール溝３７、シール溝３８、シール溝３９、シール溝４０、シール溝４１及びシール溝４２が設けられている。

本実施例のシール装置は、隣接するセグメントに対向して位置するシール溝と、シール溝に配置されるシールプレートにより構成されるが、以下、その詳細を、シール溝３１aに着目して図４〜図９に基づき説明する。ここで、用語の定義をしておく。シール溝３１aは、シール溝３０a、シール溝３２aとの間に、図３に示すように、上流側交点２４と下流側交点２５を有するが、以下に説明するシール溝３１aに装着されるシールプレートの長手方向とは、これらの点を結ぶ方向である。

図４は、第２段静翼体セグメント２１aと隣接する第２段静翼体セグメント２１bを半径方向外側から眺めた概念図である。第２段静翼体セグメント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。第２段静翼体セグメント２１ａの外径側エンドォール２２ａに隣接対向して、第２段静翼体セグメント２１ｂの外径側エンドォール２２bが位置する。外径側エンドォール２２ａと外径側エンドォール２２bには、対向した位置（半径方向位置）に、それぞれシール溝３１ａとシール溝３１ｂが形成される。この両者のシール溝に接して、周方向間隙σc_coldを塞ぐように、シールプレート５０が装着されている。このシールプレート５０によって、前述の第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９にかけてのリーク経路が、半径方向に遮断されることになる。

図５は、本実施例によるシールプレート５０の外観面を示している。シールプレート５０は、シールプレートの長手方向と交差する断面を基準として（断面から見て）、シール溝面との接触部が円弧状となるように形成された剛体プレート（円弧部材）６０と、弾性体であるバネ部材（板バネ）７０から構成されている。円弧部材６０とバネ部材７０の長手方向寸法Ｌ１，Ｌ２は、加工公差を除く製作図面上で、Ｌ１＝Ｌ２である。なお、ここで、剛体とは、ガスタービンの使用環境下では、円弧部材６０の変形が無視できる程度しか生じない物体であることを意味する。シールプレート５０には耐熱性のステンレス鋼が用いられている。なお、円弧部材とバネ部材には同じ材料を用いてもよいし、違う材料を用いても良い。

本実施例では、シールプレート５０の長手方向の断面（長手方向と交差する線で切断した断面）を基準として、シールプレート５０は、シール溝の低圧側面に円弧部材（剛体プレート）６０との接触点が、そして、シール溝の高圧側面に円弧部材の反対面（シール溝の高圧側面に対向する面）に接続した直線状のバネ部材との接触点がそれぞれ形成されるように構成されている。また、シールプレート５０は、円弧部材の反対面にバネ部材の長手方向長さに対応した長さの傾斜面を形成して、退避空間が形成されるように構成されている。また、言い換えれば、本実施例のシールプレート５０は、円弧部材（剛体プレート）６０とバネ部材（板バネ）７０とを貼り合わせて断面形状がＸ字状となるように構成され、シール溝内に配置された際に、シール溝の低圧側が円弧部材６０、シール溝の高圧側がバネ部材７０となるように配置され、シール溝との接触点が対向する溝面に形成されるように構成されている。以下、詳細に説明する。

図６は、シールプレート５０の長手方向の断面図を示す。円弧部材６０は、外端側に円弧６２ａ，６２ｂをもち、円弧６２ａ，６２ｂはそれぞれ外端面６１ａ，６１ｂに接続される。一方、両円弧６２ａ，６２ｂの内側円弧端６３ａ，６３ｂは、図面の中央部で接続するが、その交点（図示省略）位置は、図面の上下方向において内側円弧端６３ａ，６３ｂよりも、バネ部材７０側にある。円弧部材６０の円弧６２ａ，６２ｂが設けられた面と反対側の面の中央部形状は、円弧６２ａ，６２ｂに共通の接線９１に平行な直線であり、直線端６４ａ，６４ｂをもつ。

シールプレート５０の厚みについて説明する。図面の上下方向をシールプレート５０の厚み方向と定義する。

シールプレート５０の円弧部材６０の厚みについて説明する。直線端６４ａ、又は、直線端６４ｂを交点とする接線９１から垂直に延びる線分の長さが厚みｔｃである。なお、図面では、直線端６４ａ、又は、直線端６４ｂから接線９１に平行な引き出し線を用いて厚みｔｃを図示しており、その他の厚みも同様に接線９１に平行な引き出し線を用いて厚みを図示している。直線端６４ａ，６４ｂは、後述の傾斜面６７ａ，６７ｂを介してそれぞれ外端面６１ａ，６１ｂに接続されるが、その交点(図示省略)まで接線９１から垂直に延びる線分の長さが厚みｔｓである。円弧部材６０は、ｔｃ＞ｔｓの関係となるように形成されている。また、直線端６４ａと外端面６１ａ、直線端６４ｂと外端面６１ｂの間で、直線端６４ａと直線端６４ｂを結ぶ直線を基準に、傾斜面６７ａ，６７ｂを有する。この傾斜面６７ａ，６７ｂは、図５に示すように、Ｌ１またはＬ２の長手方向全域に亘って形成されることになる。尚、接線９１と円弧６２ａ，６２ｂは、接点６５ａ，６５ｂをもつ。また、外端面６１ａと外端面６１ｂの幅をｗ１とする。

シールプレート５０のバネ部材（板バネ）７０は、バネ部材中央部７１とバネ部材外側部７２ａ，７２ｂを有する。バネ部材中央部７１とバネ部材外側部７２ａ，７２ｂは一体成形品である。バネ部材中央部７１は、直線状に加工され、円弧部材６０の直線端６４ａと直線端６４ｂを結ぶ直線上の面に接続されている。これらは、相互にずれが生じないように、すなわち、相対的な移動が生じないように取り付けられていれば良く、全面溶接の他、点溶接などにより接続が行われる。

バネ部材（板バネ）７０の板厚みをｔとすれば、ｔｂ＝（ｔ＋ｔｃ)が定義できる。バネ部材中央部７１は、直線端６４ａ，６４ｂに相当するｗ１方向の位置から、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂに接続されるが、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂは、直線的に、厚み方向に対して単調増加した後、最大厚み点７３ａ，７３ｂをとり、単調減少に移行する。最大厚み点７３ａ，７３ｂは、後述のシール溝との接触点を構成する。ばね部材７０は、言い換えれば、直線端から個別の接触点に向かって、それぞれ直線状に成形されるとともに、接触点近傍から、円弧部材側へ偏向している。最大厚み点７３ａ，７３ｂを中心とする領域は、実際には、円弧状となり、シール溝の高圧側面との良好な接触点を形成する。最大厚み点７３ａ、或は、最大厚み点７３ｂに交わる、接線９１から垂直に延びる線分長さが、シールプレート５０の最大厚みｔ0となる。従って、上記に定義した厚みの関係として、ｔ0＞ｔｂ＞ｔｃ＞ｔｓが得られる。一方、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂの外端７４ａと外端７４ｂを結ぶ幅がｗ２であり、ｗ１＞ｗ２の関係にある。

また、バネ部材外側部７２ａと傾斜面６７ａ、バネ部材外側部７２ｂと傾斜面６７ｂとの間には、退避空間７５ａ，７５ｂが形成されている。そして、バネ部材（板バネ）７０は、バネ部材外側部７２ａとバネ部材外側部７２ｂがバネ部材中央部７１の直線端６４ａ，６４ｂに相当するｗ１方向の位置を起点として、最大厚み点７３ａ，７３ｂの厚み方向位置が変位するように退避空間７５ａ，７５ｂを利用して弾性変形する。

なお、本実施例のシールプレート５０は、図６から分かるように、円弧部材（剛体プレート）６０とバネ部材（板バネ）７０とは、図面上、下側（シール溝の低圧側に対応）が円弧部材６０、上側（シール溝の高圧側に対応）がバネ部材７０となるように上下に配置されて接続され、断面形状がＸ字状となるように構成されている。

図７に、隣接するシール溝３１ａ，３１ｂにシールプレート５０を装着したガスタービン組立て時の断面図を示す。シール溝３１ａ，３１ｂは、組立時のセグメントの周方向間隙σc_coldを挟んだ位置に対向しており、シールプレート５０は、σc_coldを跨ぐ形で装着されている。リーク空気は、第２段静翼供給キャビティ８からガスパス９に向かって発生することになる。

シールプレート５０は、シール溝３１ａ，３１ｂ内に配置された際に、シール溝の低圧側（リーク空気流の下流側）が円弧部材６０、シール溝の高圧側（リーク空気流の上流側）がバネ部材７０となるように配置され、シール溝との接触点が対向する溝面に形成されるように配置されている。

すなわち、シール溝３１ａ，３１ｂは、リーク空気流の上流側となる第２のシール溝面８１ａ，８１ｂ、下流側となる第１のシール溝面８０ａ，８０ｂを有している。円弧部材６０の円弧６０ａ，６０ｂは、それぞれ、第１のシール溝面８０ａ，８０ｂとの間に、第１の組立時接触点６６ａと第２の組立時接触点６６ｂを得る。この第１，第２の組立時接触点６６ａ，６６ｂは、先に示した接点６５ａ，６５ｂに他ならない。一方、バネ部材７０の最大厚み点７３ａ，７３ｂは、それぞれ、第２のシール溝面８１ａ，８１ｂとの間に、第３の組立時接触点７６ａ、第４の組立時接触点７６ｂを得る。したがって、シールプレート５０は、第１，〜第４の組立時接触点６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂからなる４点の接触点を得る。説明を簡略したが、実際には、シール溝３１ａ，３１ｂの溝高さＨｓとすると、(ｔ0＞Ｈｓ)の関係から、各接触点は、僅かながら最大厚み点７３ａ，７３ｂから内側に変位している。

図８に基づき、本実施例における、ｗ１＞ｗ２の関係の作用を説明する。なお、図８では、外端７４ａと外端７４ｂを結ぶ幅をｗ２’として、ｗ１とｗ２’の関係が、本実施例（ｗ１＞ｗ２）と反対の関係（ｗ１＜ｗ２’)を図示している。左右対称のため、シール溝３１ａ側のみの部分断面であるが、シール溝３１ｂ側も同様であり、同じ作用となるので、説明を省略する。シールプレート５０は、その最大厚みｔ0と、シール溝高さＨｓの関係（ｔ0＞Ｈｓ）から、最大厚みをＨｓまで縮小してシール溝３１ａに装着されることになる。この変位は、バネ部材７０のバネ部材外側部７２ａの弾性変位で吸収するが、変位分のバネ復元力によって、第３の組立時接触点７６ａのみならず、第１の組立時接触点６６ａにも、反力Ｆｂが作用する。これが、接触箇所での接触圧を向上させる。

ところで、バネ部材外側部７２ａは、直線端６４ａ近傍を基点として撓み、Ｆｂ[ｗ２]＝ｆ(ｗ２)、Ｆｂ[ｗ２’]＝ｆ(ｗ２’)となる。今、直線端６４ａを固定点とするバネ部材外側部７２ａを片持梁と仮定し、撓み量（ｔ0−Ｈｓ）、断面形状を同一とすれば、次式の関係が成立する。
Ｆｂ[ｗ２]×｛(ｗ２−バネ部材中央部７１のｗ２方向長さ)/２｝^３＝Ｆｂ[ｗ２’]×｛(ｗ２’−バネ部材中央部７１のｗ２’方向長さ)/２)｝^３
よって、ｗ２＜ｗ２’から、Ｆｂ[ｗ２]＞Ｆｂ[ｗ２’]となり、幅が短い方が有効に復元力を利用することができる。但し、本実施例におけるバネ部材外側部７２ａは、ｗ１以下の寸法範囲で、ほぼ最大（ｗ１≒ｗ２）となるようにしており、逆に、Ｆｂの増大化を緩和し、適度な弾性力を保持する。一方、ｗ２の長大化は、シール溝深さＤｓを余分に削り込むことを必要とする。

次に、本実施例のシール装置の作用を説明する。

ガスタービン１の運転時、燃焼器３で発生する高温高圧の作動ガスは、例えば、圧力が約１.５MPa[ｇ]、温度が１３００℃程度であり、タービン内部の第１段静翼１０の入口に流入する。作動ガスは、以下、順次、第１段動翼１１をはじめとする各動翼段で、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が回転して電力を得る。タービン冷却翼は、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、静翼と動翼へ区分され、さらに静翼も適正圧力からの抽気となり、セグメントのひとつである第２段静翼１２ａへは、静翼低圧冷却空気経路６aに含まれる第２段静翼キャビティ８を経由して導入される。この冷却空気は、翼の内部冷却後に後縁端から、或は、フィルム冷却用としてガスパス９中に排出されることになるが、圧力損失を伴う為、必然的に、ガスパス９の圧力に比べて、第２段静翼キャビティ８の圧力の方が大きいことになる。この圧力差が、隣接する第２段静翼体セグメント２１ａと第２段静翼体セグメント２１ｂ間からの冷却空気のリークの要因となる。本実施例では、シール溝３１ａ，３１ｂでは、シールプレート５０との間に、第１の組立時接触点６６ａ、第２の組立時接触点６６ｂ、第３の組立時接触点７６ａ、及び、第４の組立時接触点７６ｂを有しており、リークを抑制することになる。且つ、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂの弾性変形に伴う復元力により、各接触点６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂでの接触圧は上昇しており、更なるシール性を向上させることになり、冷却空気のリーク流量は低減される。尚、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂは、第２段静翼キャビティ８とガスパス９の圧力差である流体力を受けるが、当然ながら、復元力＞流体力の関係が成立するように構成されている。

図９に、ガスタービン運転時のシールプレート５０の断面図を示す。作動ガスや冷却空気を加熱源として、各ガスタービン部材は温度上昇する。その一つとして、第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには熱伸びが生じるが、周方向には、組立時のセグメントの周方向間隙σc_coldが、σc_hotまで狭まる。しかし、ガスタービン運転時のこの周方向間隙σc_hotは、ガスタービンの定格点運転においても第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの外径側エンドウォール２２a，２２ｂが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。このとき、この第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの動きに連動して、外径側エンドウォール２２ａ，２２b、即ち、シール溝３１ａ，３１ｂも、図の間隙方向、中央部に向かって移動するが、シールプレート５０は、各接触点６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂでの滑りによって、シール溝３１ａ，３１ｂの周方向変位を吸収する。

同様に、第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂには、周方向の変位とともに、熱流動上の熱偏差に伴う半径方向の熱伸び偏差や、作動流体力と部材の製作公差によるσrの半径方向偏差が生じ、シール溝３１ａ，３１ｂにオフセットが生じる。このオフセットによって、シールプレート５０は、図９に図示の例では左廻り方向に回転するため、組立時の接触点から移動することになり、第１の運転時接触点６６c、第２の運転時接触点６６d、第３の運転時接触点７６c、及び、第４の運転時接触点７６dにそれぞれ変化するが、接触状態自体は維持された状態にあり、冷却空気のリーク流量の低減に変化はない。

また、ガスタービンの運転とともに部材は震動することになるが、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂの弾性力が振動を吸収するため、各々の運転時接触点６６c，６６d，７６c，７６dでの磨耗を抑制できる。更に、図９の図示の例では、オフセットは、シール溝面８１ａがバネ部材外側部７２ａを押し付ける形になるが、バネ部材外側部７２ａは、退避空間７５ａによって、円弧部材６０と干渉することはない。

また、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂは、冷却空気のリーク流の上流側となる第２のシール溝面８１ａ，８１ｂに対向して設けている。基本的には、冷却空気のリーク流を零にすることは困難であり、微量のリーク流が発生する。ただし、この微量リーク流は、第２段静翼キャビティ８に供給される、比較的、低温の冷却空気であり、この空気がバネ部材外側部７２ａ，７２ｂを冷却し、温度低下させる。よって、バネ部材外側部７２ａ，７２ｂの震動吸収による破壊損傷に到る繰返し数は増加することになり、例えば、薄材板で直接的にドッグボーン外形に倣うシールプレートを構成する場合に比べて、温度降下の観点から信頼性が向上すると考えられる。

また、本実施例のシールプレート５０は、最大厚みｔ0が必要以上に大きくならないので、シール溝３１ａ，３１ｂのように、溝を形成可能な領域に形成する必要がある場合、すなわち、シール溝高さＨｓを大きく取れない場合に好適な構成である。

以上説明した本実施例のシール装置によれば、オフセットに対応して、冷却空気のリーク流量抑制効果を十分に発揮できるとともに、シールプレートに作用する流体力、震動力がもたらす応力を緩和することができる。したがって、熱効率を向上（ガスタービンの性能低下を抑止）させることができ、さらに信頼性を向上させたシール装置を備えたガスタービンを提供できる。言い換えれば、本実施例によれば、いかなるガスタービンの運転状態においても、シールプレートとシール溝面の間で、接触圧を上昇させた線接触を確保することにより、リーク流量を低減でき、高いガスタービン性能を達成できる。さらに、セグメントの熱伸び偏差に起因するオフセットに対しても、容易に吸収可能であるとともに、震動を抑制し、且つ、構成部材温度の低下を意図した構成から、高い信頼性が図れ、その本来の目的に沿った効率の良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。

なお、本実施例では、第２段静翼体の外径側エンドウォールに設けた、一対の対向するシール溝３１ａ，３１ｂに装着したシールプレートを実施例として説明したが、外径側エンドウォールの他のシール溝や、内径側エンドウォールなどに設けたシール溝に対しても、本シールプレートを同様に適用することができ、より多くの溝に本実施例のシールプレートを適用すれば、さらに大きな効果が期待できるのは自明である。

次に、図３、図４、図１０〜図１３を用いて本発明の第２の実施例を説明する。各図において、同一番号は、第１の実施例と同一の機器、或いは、部材、機能を表す。

通常、シールプレートは単独で用いることはなく、複数のシール溝にそれぞれシールプレートが設置され、隣接するシールプレートとの接続を考慮する必要がある。例えば、図３において、第２段静翼体セグメント２１aの外径側エンドウォール２２aに注目すると、外径側エンドウォール２２aには、シール溝３０a、シール溝３１a、及びシール溝３２aを備える。これらのシール溝にそれぞれシールプレートを配置して、すなわち、複数枚のシールプレートにより、高圧側である第２段静翼供給キャビティ８から低圧側となるガスパス９に向かう冷却空気のリークを遮断する。この時、シール溝３０aとシール溝３１a、シール溝３１aとシール溝３２aの間で、互いのシールプレートが交差するように接する上流側交点２４と下流側交点２５が生じる。

図４において、シール溝３１a，３１ｂには、シールプレート５０、シール溝３０a，３０ｂには、シールプレート５１、シール溝３２a，３２ｂには、シールプレート５２が、それぞれ装着されている。以下、シールプレート５０とシールプレート５１の上流側交点２４を対象として本実施例を詳細に説明するが、シールプレート５０とシールプレート５２の下流側交点２５についても同様である。尚、シールプレート５０は、実施例１で説明したシールプレートと同一である。

本実施例では、複数枚のシールプレートを隣接するシール溝に設置する場合、シールプレート交点でのリーク流量低減を図るため、実施例１のシールプレート５０と、シールプレート５１の長手方向の断面（長手方向と交差する線で切断した断面）を基準として、シール溝の低圧側面に円弧部材（剛体プレート）６０との接触点が、そして、シール溝の高圧側面に円弧部材の反対面（シール溝の高圧側面に対向する面）に接続した直線状のバネ部材との接触点がそれぞれ形成されるように構成され、円弧部材の反対面にバネ部材の長手方向長さに対応した長さの傾斜面を形成して、退避空間が形成されるように構成され、かつ、シールプレート５１の円弧部材の長手方向の端部に平面（円弧部材の二つの円弧に共通の接線に平行な直線を面内に含む平面）を有するように構成されたシールプレート５１との組合せとして、シールプレート５０（円弧部材の長手方向の全長に対応する傾斜面を有するシールプレート）の終端面を、シールプレート５１（円弧部材の長手方向の一部に平面を有するシールプレート）の平面に対向させた配置構成としている。以下、詳細に説明する。

図１０に、第２の実施例によるシールプレート５１の外観図を示す。シールプレート５１も、円弧部材６０とバネ部材７０から構成され、基本的には、シールプレート５０と同様の断面形状が規定できる。但し、円弧部材６０の長手方向の長さＬ１に対して、バネ部材７０の長手方向の長さＬ２は、Ｌ１＞Ｌ２である。そして、円弧部材６０は、その長手方向全域に傾斜面を有するのではなく、端部に平面（円弧部材の円弧（図６における符号６２ａ，６２ｂ）に共通の接線（図６における符号９１）に平行な直線を面内に含む平面）６８を有する。

図１１は、第２の実施例によるシールプレート５１の円弧部材６０のみを図示したものである。シールプレート５１における円弧部材６０の傾斜面６７c，６７dの長手方向の長さをＬ３とすると、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２である。Ｌ３は、Ｌ２との間に、バネ部材外側部７２c，７２dの動きに対して、バネ部材外側部の端部９６c，９６dが、平面６８のエッジ部９７c，９７dと干渉しない程度の寸法差があればよく、略同程度の長さを有する。即ち、シールプレート５１のバネ部材７０の領域に対応するように、長手方向寸法Ｌ２と同程度長さの傾斜面６７c，６７dが円弧部材６０に形成される。また、シールプレートの円弧部材６０の平面６８における外端面６１ｃ，６１dの厚み（高さ）は、傾斜面６７c，６７dにおける外端面６１ａ，６７ｂの厚み（高さ）よりも大きくなっている。

図１２に、シールプレート５０とシールプレート５１を、それぞれシール溝３１ａとシール溝３０ａに装着した組立て時の部分的な概念図を示す。シールプレート５１は、平面６８側を、図面の下側に配置しており、シールプレート５０の終端面６９は、シールプレート５１の平面６８に対向している。

図１３は、図１２の矢印９０方向からシールプレート５０とシールプレート５１を見た部分的な概念図である。シールプレート５０の終端面６９とシールプレート５１の平面６８は、間隙δを介して対向している。なお、例えば、シールプレート５１に平面６８がない場合は、バネ部材外側部７２c，７２dと円弧部材の傾斜面６７c，６７dの間に形成する退避空間分の空隙が生じることになる。

このように構成された本実施例において、ガスタービンの運転とともに、第２段静翼体セグメント２１ａ，２１ｂの動きに連動して、外径側エンドウォール２２ａ，２２b、即ち、シール溝３１ａ，３１ｂも周方向、半径方向に変位する。周方向変位は、シールプレート５０，５１の円弧部材６０の第１の運転時接触点、第２の運転時接触点、及び、シールプレート５０のバネ部材外側部７２a，７２b、シールプレート５１のバネ部材外側部７２c，７２dで形成される、それぞれの第３の運転時接触点、第４の運転時接触点で吸収される。また、各接触点には、バネ部材外側部の復元力がそれぞれ加わり、接触圧力が上昇するようになっており、４点接触によるリーク低減が図られる。

一方、シールプレート５０とシールプレート５１の間隙δは、熱延びにより運転時の温度によってδ’まで縮小する。従って、平面６８と終端面６９の間に、(ｗ１×δ’)のリーク流路が存在することになる。しかし、全域を傾斜面とした場合に比べて、リークを最小流量に抑制することが可能である。また、当然ながら、平面６８では、第３の運転時接触点、第４の運転時接触点が形成されないことになるが、図１２を参照すれば明確なとおり、高圧側の第２段静翼供給キャビティ８と低圧側のガスパス９は、シールプレート５０とシールプレート５１の外側バネ部材の取付け範囲で遮断されており、この平面６８での接触点有無にリーク流量は関与しない。

以上に説明した本実施例によれば、高圧側と低圧側へのリークを遮断するため、複数枚のシールプレートを隣接するシール溝に設置する場合、シールプレート交点でのリーク流量低減を図ることができる。したがって、熱効率を向上（ガスタービンの性能低下を抑止）させることができ、さらに信頼性の高いシール装置を備えたガスタービンを提供できる。

なお、本実施例では、上流側交点を対象として説明したが、下流側交点にも同様に適用できる。また、本実施例では、シールプレート５１に平面８６を設ける例を説明したが、シールプレート５０側に平面を設けるようにしても良い。この場合、シールプレート５０の両端、すなわち、下流側交点にも平面を設けるようにしても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１・・・・ガスタービン
４・・・・タービン
２１ａ，２１ｂ・・・第２段静翼体
３０ａ，３０ｂ・・・シール溝
３１ａ，３１ｂ・・・シール溝
５０，５１・・・シールプレート
６０・・・円弧部材（剛体プレート）
６６ａ・・・第１の組立時接触点
６６ｂ・・・第２の組立時接触点
７６ａ・・・第３の組立時接触点
７６ｂ・・・第４の組立時接触点
６７ａ，６７ｂ・・・傾斜面
６８・・・平面
６９・・・終端面
７０・・・バネ部材（板バネ）
７５ａ，７５ｂ・・・退避空間

Claims (10)

1. 間隙を有して隣接する部材のそれぞれの間隙側面に相互に対向するように設けたシール溝の双方に架かるようにシールプレートを設置したシール装置であって、
   前記シールプレートは、
   前記シールプレートの長手方向と交差する断面を基準として、両端部側に前記シール溝面との接触部が円弧状となるように形成された剛体プレートと、板バネとを貼り合わせて、前記断面の形状がＸ字状となるように構成され、
   前記シール溝内に配置された際に、前記シール溝の低圧側に前記剛体プレートが位置し、前記シール溝の高圧側に前記板バネが位置するように配置され、
   前記シール溝と前記剛体プレートの接触部、及び、前記シール溝と前記板バネの接触部が、対向するシール溝面に形成されるように配置されていることを特徴とするシール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置において、
   前記剛体プレートは、前記断面を基準として、前記シール溝面側とは反対側の中央部に直線部が形成され、前記直線部の両端から前記剛体プレートの両端部側に向けて前記シール溝面側に近づくように傾斜が形成され、
   前記板バネは、前記剛体プレートの前記直線部に固定されていることを特徴とするシール装置。
3. 請求項１または２に記載のシール装置において、
   前記断面を基準として、前記板バネの両側端距離が、前記剛体プレートの両側端距離以下となるように構成されていることを特徴とするガスタービンのシール装置。
4. 請求項２または３に記載のシール装置において、
   前記板バネは、前記断面を基準として、前記剛体プレートの前記直線部への固定部から両側端に向けてそれぞれ前記シール溝面との接触部に近づくような直線形状を有し、前記接触部の近傍から、前記剛性体側へ偏向するように形成されていることを特徴とするシール装置。
5. 請求項２に記載のシール装置において、
   前記シールプレートは、
   前記シールプレートの長手方向を基準として、前記剛性体プレートの長さをＬ１、前記板バネの長さをＬ２、前記傾斜が形成された面の長さをＬ３とするとき、
   Ｌ１とＬ２とＬ３が等しくなるように形成されていることを特徴とするシール装置。
6. 請求項２に記載のシール装置において、
   前記シールプレートは、
   前記シールプレートの長手方向を基準として、前記剛性体プレートの長さをＬ１、前記板バネの長さをＬ２、前記傾斜が形成された面の長さをＬ３とするとき、
   Ｌ１≧Ｌ３＞Ｌ２の関係が成立し、前記傾斜が形成された面の長さ方向の領域内に前記板バネの長さ方向の全てが位置するように形成されていることを特徴とするシール装置。
7. 請求項６に記載のシール装置において、
   前記剛性体プレートは、
   前記剛性体プレートの長さＬ１と前記傾斜が形成された面の長さＬ３の関係がＬ１＞Ｌ３となるように形成され、
   前記剛性体の長さ方向の端部に平面が形成されていることを特徴とするシール装置。
8. 複数の前記シール溝が交差するように形成され、前記複数のシール溝にそれぞれ前記シールプレートが設置され、
   前記複数のシール溝の一方に請求項５に記載の前記シールプレートを配置し、前記複数のシール溝の他方に請求項７に記載の前記シールプレートを配置し、
   請求項５に記載の前記シールプレートの終端面が、請求項７に記載の前記シールプレートの前記平面に対向するように配置されていることを特徴とするシール装置。
9. 請求項１から８の何れかに記載のシール装置において、
   前記間隙を有して隣接する部材は、ガスタービンを構成し、複数のセグメントに分割されたセグメント部材であることを特徴とするシール装置。
10. 圧縮機、燃焼器、及び、タービンで構成されるガスタービンであって、
    前記ガスタービンの静翼体の隣接するエンドウォール部の間隙面に、請求項１から８の何れかに記載のシール装置を設けたことを特徴とするガスタービン。

Images