JP2019039386A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器等に相対変位が生じても、燃焼器尾筒とタービン入口部との接続部におけるシール性能を高めることができるガスタービンを提供する。【解決手段】ガスタービンは尾筒２５とタービン入口部３ａの接続部にシール構造を有する。尾筒のフレーム４２は、周方向に延在する内側フレーム部４３、内側フレーム部より径方向外側の外側フレーム部４４、内側フレーム部と外側フレーム部の両側端部の間に設けた一対の側方フレーム部４５を有する。シール構造は、内側フレーム部及び外側フレーム部とタービン入口部との隙間を封止する内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３、隣接する側方フレーム部間の隙間を封止する側方シール部材５１、隣接する第１の角部４７間の隙間に配置した第１障害物６１、隣接する第２の角部４８間の隙間に配置した第２障害物６２を備える。第１障害物及び第２障害物は側方シール部材のタービン入口部側に接する。【選択図】 図７

Description

本発明は、ガスタービンに係り、更に詳しくは、環状に配置された複数の燃焼器の尾部出口側端部とタービンの入口部との接続部においてシール構造を有するガスタービンに関する。

ガスタービンの形式の１つに、燃焼ガスが生成される燃焼室をそれぞれ個別に有する複数のガスタービン燃焼器（以下、燃焼器という）を備えた、いわゆる、多缶式のガスタービンがある。多缶式のガスタービンでは、通常、複数の燃焼器がガスタービンの回転軸の外側に円環状に配置されている。各燃焼器は、内部に燃焼室を有する円筒型の燃焼器ライナと、燃焼室で生成された高温高圧の燃焼ガスをタービン入口に導く尾筒とを備えている。尾筒は、燃焼器ライナ内の円形状の断面を有する燃焼室と円環状の流路断面を有するタービン入口流路とを接続するものである。そのため、尾筒は、円筒型の燃焼器ライナに応じて円形状の上流側断面を有すると共に、円環状の流路断面を有するタービン入口流路の形状に応じて当該円環形状を周方向に複数に分割した形状、換言すると、内側及び外側の円弧と両円弧の両端部をそれぞれ結ぶ直線とで構成された略矩形（扇形）状の下流側断面を有し、その間をなだらかな曲線で接続した流路を形成している。

ガスタービンでは、回転軸の長さを短くするために、圧縮機の外周側に燃焼器を配置して、圧縮機とタービンとの間隔を縮めることが一般的である。このような構造の場合、圧縮機からの燃焼用空気（圧縮空気）は、燃焼器の尾筒の外側を通り燃焼器の頭部側（燃焼室側）へ流れの向きを変え、燃焼器ライナの外側を流れる。この燃焼用空気は、燃焼器の頭部において流れ方向を再度変えて、燃焼器ライナの内部（燃焼室）に流入する。すなわち、燃焼器の尾筒とタービン入口流路との接続部における内周側には燃焼ガスが流れる一方、その接続部の外周側には燃焼用空気が流れている。この燃焼用空気は、接続部の内周側を流れる燃焼ガスよりも圧力が高いので、当該接続部においてその外周側から内周側へ流入してしまう（漏れ出てしまう）。この場合、燃焼ガスの温度の低下や燃焼器での燃焼条件の変動により燃料消費量が増加し、ガスタービンのエネルギー効率の低下を招く。また、燃焼用空気が漏れ出る分、燃焼に寄与する空気量が減るので、燃焼室内の燃焼温度が高くなり、燃焼時に生成する窒素酸化物が増加する懸念がある。このため、燃焼用空気の漏れを抑制することが要求されている。

燃焼器の尾筒とタービン入口との接続部おける燃焼用空気の漏れを抑制するシール構造として、例えば、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の技術は、各燃焼器の尾筒の出口側端部（最後部）に取り付けられた略矩形状の額縁と呼ばれる部分の４辺の部分（４つの境界）、詳細には、周方向に延在する円弧状の内周部分(下側部分)と、内周部分よりも径方向外側に位置して周方向に延在する円弧状の外周部分（上側部分）と、内周部分と外周部分の両端部を繋いで径方向に延在する直線状の一対の側方部分とに、それぞれシール部材を設置するものである。具体的には、各額縁の外周面にシール溝を設け、隣接する額縁の側方部分のシール溝間にサイドシールと称する平板状のシール部材を挟み込んで額縁間の隙間を封止している。また、額縁の内周部分及び外周部分のシール溝とタービン入口（初段静翼）に設けたシール溝とにフローティングシールと称するシール部材を嵌合させて尾筒とタービン入口との間の隙間を封止している。フローティングシールは、断面Ｕ字状の部分と、断面Ｕ字状の部分からタービン側に張り出した断面直線状の部分とで構成されており、断面Ｕ字状の部分が額縁に取り付けられると共に、断面直線状の部分がタービン入口のシール溝に嵌合している。

また、複数の燃焼器の尾筒の出口側端部とタービン入口との接続部における尾筒間からの燃焼用空気の漏れを抑制するシール構造として、例えば、特許文献２に記載のものがある。特許文献２に記載のシール構造は、燃焼器の高温下での構造物の温度差に起因した熱変形や作動流体の流通等に伴う振動によって尾筒間に相対変位が生じた場合でも、良好なシール性能を維持するものである。

特開２００３−１９３８６６号公報

国際公開第２００７／０２３７３４号

燃焼器及びタービンでは、高温の燃焼ガスが流通するので、ガスタービンの停止時と運転時とで温度差が大きい。そのため、燃焼器及びタービンを構成する部品間の相対位置がそれらの熱変形により変化する。また、ガスタービンでは、ガスタービンの回転や作動流体の流通に伴う振動が発生しやすい。振動によっても、燃焼器及びタービンを構成する部品間の相対位置が変化する。

したがって、燃焼器の尾筒とタービン入口との接続部におけるシール構造に用いられるシール部材は、特許文献２に記載の技術のように、高温環境下での使用を考慮して高い耐熱性や剛性、耐久性を備えている必要がある上に、尾筒やタービン入口の位置変化に追従してシール性を確保できる柔軟性も兼ね備えている必要がある。つまり、このシール構造のシール部材には、剛性と柔軟性という互いに相反する特性が求められている。

特許文献１に記載のシール構造では、略矩形状の額縁の４辺の部分にそれぞれシール部材を設置し、各シール部材と各シール部材の嵌合する部分（シール溝）との間に熱変形を考慮した隙間を設けながら、その隙間の大きさを調整することやシール部材とシール溝との組み合わせにより流路を複雑にすることで、シール性能を持たせている。

また、特許文献１に記載のシール構造にように、額縁の４辺の部分にそれぞれシール部材を設置する場合、燃焼器等に熱変形が生じても、各シール部材がそれぞれのシール性能を維持できるように、シール部材同士の干渉を避ける必要がある。そのため、シール部材同士が交差する（組み合わされる）額縁の４つの角部では、シール位置を互いにずらす必要がある。例えば、額縁の内周部分及び外周部分側に設置するシール部材（フローティングシール）と額縁の側方部分に設置するシール部材（サイドシール）との間に、ガスタービンの回転軸の軸方向に距離（オフセット）を設けておく。この場合、隣接する尾筒が熱変形等により回転軸の軸方向に相対的に変位しても、サイドシールとフローティングシールは、オフセットにより互いに干渉することがない。したがって、熱変形が生じた場合でも、各シール部材はそれぞれ、額縁の各辺の部分のみを担当することになるので、額縁の各辺の部分のシール性能を維持できる。

このように、額縁の角部におけるサイドシールとフローティングシールの交差する部分には、シール部材同士の干渉を回避するための間隙（間隔）を設ける必要がある。しかし、この間隙から隣接する額縁の角部間に形成される隙間を介して、尾筒の外側に流れる燃焼用空気がタービン入口流路内へ流入してしまう。

額縁の角部間からの燃焼用空気の漏れを防止しようと、サイドシールとフローティングシールを結合した場合、燃焼器やタービンの熱変形に対する各シール部材の追随性がなくなる。その結果、額縁の４つの辺部におけるシール性能が低下することとなる。

サイドシールは、通常、対象の２つの燃焼器の熱変形による相対変位に対して追従して位置が変化する。たとえば、隣接する燃焼器の軸方向の相対位置が大きく変動した場合、尾筒の額縁のシール溝が互いに軸方向にずれてサイドシールとシール溝との間に隙間が生じ易くなるので、サイドシールとシール溝の間隙を調整し、サイドシールの位置変化を許容する、いわゆる「遊び」を設けている。平板状のサイドシールの各面にそれぞれ作用する燃焼用空気と燃焼ガスとの圧力差によって、サイドシールが移動して相対するシール溝に押し付けられることで、サイドシールのシール性能が維持されている。

しかし、隣接する尾筒の額縁の角部間からの燃焼用空気の漏れを防止しようと、サイドシールとフローティングシールとを結合した場合、サイドシールがフローティングシールに拘束されて変位できず、サイドシールと相対するシール溝の壁面との間に空間が生じる。その結果、サイドシールのシール性能が低下する。この場合、サイドシールの変位を拘束するフローティングシールにも力がかかり、フローティングシールと相対するシール溝との間にも空間が生じる場合がある。その結果、フローティングシールのシール性能も低下する。

従来は、尾筒の額縁の４つの角部から漏れる空気量が額縁の４つの辺部から漏れる空気量に比べて相対的に少ないことから、額縁の４つの角部におけるシール性能を重視していなかった。しかし、ガスタービンのエネルギー効率の向上や燃焼性能の向上にあたり、燃焼器の尾筒の出口側端部とタービン入口部との接続部における漏れ空気の更なる低減の必要性が生じている。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、複数の燃焼器及びタービンの構成部品に相対的な位置変化が生じても、燃焼器の尾筒の出口側端部とタービン入口部との接続部におけるシール性能を高めることができるガスタービンを提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、環状に配列された複数のガスタービン燃焼器の尾筒と断面円環状のタービン入口流路を形成するタービン入口部との接続部にシール構造を有するガスタービンであって、前記尾筒の各々は、その出口側端部において外周を取り囲むフレームを有し、前記フレームは、周方向に延在する内側フレーム部と、前記内側フレーム部よりも径方向外側に位置し、周方向に延在する外側フレーム部と、前記内側フレーム部の周方向の両側端部と前記外側フレーム部の周方向の両側端部との間にそれぞれ設けられ、径方向に延在する一対の側方フレーム部とで構成され、前記シール構造は、前記内側フレーム部に沿って延在して前記内側フレーム部と前記タービン入口部との隙間を封止する内周側シール部材と、前記外側フレーム部に沿って延在して前記外側フレーム部と前記タービン入口部との隙間を封止する外周側シール部材と、前記側方フレーム部に沿って延在して隣接する前記フレームの前記側方フレーム部間の隙間を封止する側方シール部材と、隣接する前記フレームにおける前記内側フレーム部と前記側方フレーム部との第１の角部の間の隙間に配置された第１障害物と、隣接する前記フレームにおける前記外側フレーム部と前記側方フレーム部との第２の角部の間の隙間に配置された第２障害物とを備え、前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材のタービン入口部側の部分に接す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、隣接する尾筒のフレームの第１の角部間の隙間及び第２の角部間の隙間に第１障害物及び第２障害物を側方シール部材に接した状態で配置するので、燃焼器及びタービンの構成部品に相対的な位置変化が生じても、フレームの第１の角部間の隙間及び第２の角部間の隙間からタービン入口流路への漏れを抑制することができる。したがって、燃焼器の尾筒の出口端部とタービン入口部との接続部におけるシール性能を高めることができる。その結果、ガスタービンのエネルギー効率及び燃焼性能が向上する。
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。

本発明のガスタービンの第１の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態を構成する燃焼器の尾筒の配列を燃焼ガスの流れ方向上流側から見た図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態を構成する燃焼器の尾筒及び尾筒の出口側端部のシール構造を示す斜視図である。 図３に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造をIV−IV矢視から見た断面図である。 図３に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造をV−V矢視から見た断面図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造のうち、尾筒のフレーム角部の一部分を示す斜視図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造を内周側シール部材及び外周側シール部材を取り外した状態で示す別方向からの斜視図である。 従来の尾筒の出口側端部のシール構造における漏れを示す説明図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造の作用を内周側シール部材及び外周側シール部材を取り外した状態で示す説明図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造の一部を構成する障害物の一例を示す断面図である。 図１０に示す障害物の側方シール部材との接合状態を示す断面図である。 図９に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態のシール構造を外周側から見た図である。 図１２に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態のシール構造を構成する各シール部材における尾筒間の相対変位時の位置変化を示す説明図である。 本発明のガスタービンの第１の実施の形態の変形例における尾筒の出口側端部のシール構造の一部を構成する障害物を示す断面図である。

以下、本発明のガスタービンの実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明のガスタービンの第１の実施の形態の構成を図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明のガスタービンの第１の実施の形態を示す概略構成図、図２は本発明のガスタービンの第１の実施の形態を構成する燃焼器の尾筒の配列を燃焼ガスの流れ方向上流側から見た図である。なお、図１において、燃焼器は、その左側が燃焼ガスの上流側、その右側が下流側になるように図示されている。

図１において、ガスタービンは、外気１００を取り込んで圧縮し高圧の燃焼用空気１１０を生成する圧縮機１と、圧縮機１から導入される燃焼用空気（圧縮空気）１１０と燃料系統（図示せず）から供給される燃料１２０とを混合して燃焼させることで、高温の燃焼ガス１３０を生成する複数（図１では１つのみ図示）の燃焼器２と、燃焼器２で生成された燃焼ガス１３０のエネルギーにより軸駆動力を得るタービン３とを備えている。圧縮機１とタービン３は、駆動軸４により接続されている。ガスタービンには、発電機６が機械的に連結されており、発電機６はタービン３の軸駆動力を電力に変換する。

複数の燃焼器２は、圧縮機１（駆動軸４）の外周側に円環状に配置されている。すなわち、本ガスタービンは、多缶式のガスタービンである。各燃焼器２は、その頭部が圧縮機１側（図１の左側）に、その尾部がタービン３側（図１の右側）に位置するように配置される。燃焼器２は、内部に燃焼室３１を有する略円筒状のライナ２１と、ライナ２１内に燃料を噴射する燃料ノズル２２と、ライナ２１を内包する圧力容器としての外周隔壁２３と、外周隔壁２３の燃料ノズル２２側の開口部を閉塞するエンドカバー２４と、ライナ２１とタービン３の入口部３ａとを接続し、燃焼室３１で生成された燃焼ガス１３０をタービン３に導く尾筒２５とを備えている。外周隔壁２３は、ケーシング２８に取り付けられている。ケーシング２８は尾筒２５を格納しており、ケーシング２８の内部には圧縮機１から燃焼用空気１１０が流入する空間３２が形成されている。外周隔壁２３とライナ２１の間には、ケーシング２８の空間３２内の燃焼用空気１１０が流通する環状の空気流路３３が形成されている。ケーシング２８には、例えば、ライナ２１が固定部材２７により固定されている。

圧縮機１からの燃焼用空気１１０は、ケーシング２８内で流れ方向を反転し、空気流路３３を通りエンドカバー２４側に向かって流れる。その後、エンドカバー２４で流れ方向を再び反転させ、ライナ２１内の燃焼室３１に流入する。燃焼室３１に流入した燃焼用空気１１０は、燃料系統（図示せず）から供給される燃料１２０と混合して燃焼し、その結果、燃焼ガス１３０が生成される。燃焼ガス１３０は、尾筒２５を介してタービン３の入口部３ａ内に流入する。

タービン３の入口部３ａは、円環状の流路断面を有するタービン入口流路３５を形成している。多缶式のガスタービンでは、図２に示すように、複数の燃焼器２の尾筒２５を円環状に配置することにより、円環状のタービン入口流路３５に接続している。各尾筒２５は、ガスタービンの運転時に燃焼ガス１３０の流通に伴って高温になると、周方向、軸方向、半径方向に熱膨張する。そこで、隣接する尾筒２５の出口側端部２５ａの間に間隙Ｇ１（後述の図４参照）を設けることで、熱伸びによる尾筒２５の出口側端部２５ａ同士の干渉を防止している。

また、ライナ２１は、図１に示すように、ケーシング２８に固定されており、燃焼用空気１１０や燃焼ガス１３０の流通に伴って高温になると、ライナ２１の燃焼ガス下流側の尾筒２５の方向に膨張する。そこで、尾筒２５の出口側端部２５ａとその下流側のタービン入口部３ａとの間に間隙Ｇ２（後述の図５参照）を設けることで、熱伸びによる尾筒２５とタービン入口部３ａとの干渉を防止している。

このように、隣接する尾筒２５の出口側端部２５ａの間に間隙Ｇ１が設けられている。また、尾筒２５の出口側端部２５ａと下流側のタービン入口部３ａとの間に間隙Ｇ２が設けられている。ところが、複数の尾筒２５を内包するケーシング２８内の空間３２には燃焼用空気１１０が流通する一方、尾筒２５及びタービン入口部３ａの内部側には燃焼ガス１３０が流通している。ケーシング２８の空間３２内の燃焼用空気１１０は、燃焼ガス１３０よりも圧力が高いので、その一部がライナ２１側に向かわずに、尾筒２５の出口側端部２５ａとタービン入口部３ａとの間隙Ｇ２及び隣接する尾筒２５の出口側端部２５ａ間の間隙Ｇ１を介してタービン入口流路３５側に流入（漏出）する。そこで、尾筒２５の出口側端部２５ａとタービン入口部３ａとの接続部には、シール構造３０が設けられている。

次に、本発明のガスタービンの第１の実施の形態におけるシール構造を図３乃至図７を用いて説明する。図３は本発明のガスタービンの第１の実施の形態を構成する燃焼器の尾筒及び尾筒の出口側端部のシール構造を示す斜視図、図４は図３に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造をIV−IV矢視から見た断面図、図５は図３に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造をV−V矢視から見た断面図、図６は本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造のうち、尾筒のフレーム角部の一部分を示す斜視図、図７は本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造を内周側シール部材及び外周側シール部材を取り外した状態で示す別方向からの斜視図である。

図３において、各尾筒２５は、内部にタービン入口流路３５に燃焼ガス１３０を導く流路３４を形成する筒状本体部４１と、筒状本体部４１の出口側端部４１ａの外周を取り囲む（外周面に沿って設けられた）フレーム４２とで構成されている。フレーム４２は、筒状本体部４１と一体に形成された一体部品でも、筒状本体部４１の出口側端部４１ａに溶接等により接合される別個の部品であってもよい。

筒状本体部４１の入口側端部４１ｂは、ライナ２１の下流側端部に係合されるものであり、円筒型のライナ２１に応じて略円形状の流路断面を有する。筒状本体部４１の出口側端部４１ａは、タービン入口流路３５を形成するタービン入口部３ａに接続されるものであり、円環状の流路断面を有するタービン入口流路３５の形状に応じて、当該円環形状を周方向に複数に分割したような形状の流路断面を有している。換言すると、筒状本体部４１の出口側端部４１ａの流路断面は、径方向内側及び径方向外側の円弧と両円弧の両端部をそれぞれ結ぶ直線とで構成された略矩形（扇形）状となっている。筒状本体部４１の流路３４は、入口側端部４１ｂの流路断面と出口側端部４１ａの流路断面とをなだらかな曲線で接続することで形成されている。

フレーム４２は、内側フレーム部４３と、外側フレーム部４４と、一対の側方フレーム部４５とで構成されている。内側フレーム部４３は、タービン入口流路３５の径方向内縁側に対応した径方向位置に配置され、周方向に延在する円弧状の部分である。外側フレーム部４４は、内側フレーム部４３よりも径方向外側に位置し、周方向に延在する円弧状の部分である。一対の側方フレーム部４５は、内側フレーム部４３の周方向の両側端部と外側フレーム部４４の周方向の両側端部との間にそれぞれ設けられ、径方向に延在する直線状の部分である。図３及び図４に示すように、隣接するフレーム４２の側方フレーム部４５の対向面には、それぞれ径方向（側方フレームの延在方向）に沿って延在する第１シール溝４５ａが設けられている。

隣接するフレーム４２の側方フレーム部４５間の隙間Ｇ１を封止するために、側方シール部材５１が設置されている。側方シール部材５１は、隣接する側方フレーム部４５の両第１シール溝４５ａに跨るように配置されており、第１シール溝４５ａに沿って延在している。側方シール部材５１は、例えば、長尺の平板状の部材であり、タービン入口部３ａ側に下流面５１ａを有している。

側方シール部材５１は、図４に示すように、隣接する尾筒２５間の空間を流通する燃焼用空気１１０と尾筒２５内の流路３４からタービン入口流路３５へ向かって流通する燃焼ガス１３０（燃焼用空気１１０よりも圧力が低い）との圧力差によって、第１シール溝４５ａを形成する一対の壁面のうちタービン入口流路３５側の壁面に押し付けられる。このように、側方シール部材５１を側方フレーム部４５の第１シール溝４５ａと組合せることで、尾筒２５の外側を流通する燃焼用空気１１０がタービン入口流路３５内に流入することを抑制することができる。また、側方シール部材５１と側方フレーム部４５の第１シール溝４５ａとの間に、空間、いわゆる「遊び」が設けられているので、隣接する第１シール溝４５ａの相対位置が尾筒２５の熱変形や振動により変化した場合でも、側方シール部材５１の変形や摩耗を抑制しながら、尾筒２５を内包するケーシング２８の空間３２内の燃焼用空気１１０がタービン入口流路３５へ流入することを抑制できる。

また、図３及び図５に示すように、内側フレーム部４３とタービン入口部３ａとの隙間Ｇ２を封止するために、内周側シール部材５２が内側フレーム部４３とタービン入口部３ａとに跨るように配置されている。内周側シール部材５２は、内側フレーム部４３に沿って延在しており、一方側が内側フレーム部４３に係合すると共に、他方側がタービン入口部３ａの径方向内側の部分に係合している。また、外側フレーム部４４とタービン入口部３ａとの隙間Ｇ２を封止するために、外周側シール部材５３が外側フレーム部４４とタービン入口部３ａとに跨るように配置されている。外周側シール部材５３は、外側フレーム部４４に沿って延在しており、一方側が外側フレーム部４４に係合すると共に、他方側がタービン入口部３ａの径方向外側の部分に係合している。

具体的には、図５に示すように、タービン入口部３ａにおけるフレーム４２の内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４の下流側端面に対向する入口側端面には、それぞれ第２シール溝３ｂが設けられている。

内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３は、横断面Ｕ字状に形成され第１脚部５６ａと第２脚部５６ｂとを有する第１係合部５６と、第１係合部５６の第２脚部５６ｂから外側に略直角に折れ曲がって延在する横断面直線状の第２係合部５７とで構成されている。内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３は、例えば、高温での耐摩耗性が高く、かつ、柔軟性がある材質により形成されている。

内周側シール部材５２では、第１係合部５６の第１脚部５６ａ及び第２脚部５６ｂが内側フレーム部４３の上流側端面及び下流側端面を挟み込むことで第１係合部５６が内側フレーム部４３に密着すると共に、第２係合部５７がタービン入口部３ａの第２シール溝３ｂ内に挿入されている。内周側シール部材５２の第２係合部５７をタービン入口部３ａの第２シール溝３ｂ内に隙間をあけて配置することで、尾筒２５とタービン入口部３ａとの相対位置が熱変形等により変化した場合でも、両者の干渉を防止しながら、尾筒２５の外側を流れる燃焼用空気１１０がタービン入口流路３５へ流入することを抑制できる。また、内周側シール部材５２は、断面Ｕ字状の第１係合部５６により内側フレーム部４３を挟み込むように構成されているので、内周側シール部材５２自体や内側フレーム部４３が熱変形しても、両者の密着性を維持することができる。

外周側シール部材５３では、第１係合部５６の第１脚部５６ａ及び第２脚部５６ｂが外側フレーム部４４の上流側端面及び下流側端面を挟み込むことで第１係合部５６が外側フレーム部４４に密着すると共に、第２係合部５７がタービン入口部３ａの第２シール溝３ｂ内に挿入されている。外周側シール部材５３の第２係合部５７をタービン入口部３ａの第２シール溝３ｂ内に隙間をあけて配置することで、尾筒２５とタービン入口部３ａとの相対位置が熱変形により変化した場合でも、両者の干渉を防止しつつケーシング２８の空間内の燃焼用空気１１０がタービン入口流路３５へ流入することを抑制できる。外周側シール部材５３は、内周側シール部材５２と同様に、断面Ｕ字状の第１係合部５６により内側フレーム部４３を挟み込むように構成されているので、外周側シール部材５３自体や外側フレーム部４４が熱変形しても、両者の密着性を維持することができる。

なお、内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３が接触するフレーム４２の内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４も、耐摩耗性が高い材質で形成することで、熱変形や振動に伴う摩耗を抑制することができる。

内周側シール部材５２、外周側シール部材５３、及び側方シール部材５１では、隣接する尾筒２５間の相対位置や尾筒２５とタービン入口部３ａとの相対位置が熱変形や振動により変化した場合でも相互の干渉を避けるために、互いを結合させずにシール位置を相互にずらしている。具体的には、内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３は、図５に示すように、それぞれ尾筒２５のフレーム４２の内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４の下流側端面と接している。一方、側方シール部材５１は、図４に示すように、フレーム４２の側方フレーム部４５に設けた第１シール溝４５ａに接している。つまり、内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３のシール位置は、側方シール部材５１のシール位置よりも相対的にタービン入口部３ａ側にずれている。

また、内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３は、側方シール部材５１が隣接する側方フレーム部４５の変位に応じて内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３に干渉せずに変位可能となるように構成されている。例えば、外周側シール部材５３には、図６に示すように、側方シール部材５１と組み合わさる領域（交差する領域）に切欠き５６ａが設けられている。これにより、隣接する２つの外周側シール部材５３に対して、側方シール部材５１が変位可能となる空間Ｇ３が形成されている。内周側シール部材５２にも、外周側シール部材５３と同様に、側方シール部材５１が変位可能となる空間Ｇ３が形成される構造を有している。

この構造では、側方シール部材５１と外周側シール部材５３とが組み合わさる（交差する）領域に設けた空間Ｇ３から外周側シール部材５３の断面Ｕ字状の第１係合部５６内に、尾筒２５の外側を流れる燃焼用空気の一部が漏れ空気Ｌとして流入する。同様に、側方シール部材５１と内周側シール部材５２とが組み合わさる（交差する）領域に設けた空間Ｇ３から内周側シール部材５２の断面Ｕ字状の第１係合部５６内に、漏れ空気Ｌが流入する。

ところで、尾筒２５とタービン入口部３ａとの接続部を封止する従来のシール構造では、前述したシール構造と同様な構成を採用し、内周側シール部材５２、外周側シール部材５３、及び一対の側方シール部材５１のみをシール部材として用いていた。そのため、空間Ｇ３から第１係合部５６内に流入した漏れ空気Ｌが、詳細は後述するが、隣接するフレーム４２における内側フレーム部４３と側方フレーム部４５との角部間の隙間、及び、外側フレーム部４４と側方フレーム部４５との角部間の隙間Ｇ４（後述の図８参照）を介して、タービン入口流路３５へ流入するという問題があった。

そこで、本実施の形態においては、図３及び図７に示すように、第１障害物６１を、側方シール部材５１のタービン入口部３ａ側に接した状態で、隣接するフレーム４２おける内側フレーム部４３と側方フレーム部４５との第１の角部４７の間に跨るように配置している。また、第２障害物６２を、側方シール部材５１のタービン入口部３ａ側に接した状態で、隣接するフレーム４２おける外側フレーム部４４と側方フレーム部４５との第２の角部４８の間に跨るように配置している。これにより、従来のシール構造における隣接するフレーム４２の角部４７、４８間の隙間Ｇ４（後述の図８参照）からタービン入口流路３５への漏れ空気Ｌの流入を抑制している。

次に、本発明のガスタービンの第１の実施の形態のシール構造におけるシール性能を従来のシール構造の場合と比較しつつ図６乃至図９を用いて説明する。図８は従来の尾筒の出口側端部のシール構造における漏れを示す説明図、図９は本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造の作用を内周側シール部材及び外周側シール部材を取り外した状態で示す説明図である。なお、図８において、外周側シール部材の第２係合部を、漏れ空気の説明のために、二点鎖線で示しておく。

尾筒２５とタービン入口部３ａとの接続部を封止する従来のシール構造においては、図６に示すように、側方シール部材５１と外周側シール部材５３とが組み合わさる領域（交差する領域）に設けた空間Ｇ３から外周側シール部材５３の第１係合部５６内へ漏れ空気Ｌが流入する。同様に、側方シール部材５１と内周側シール部材５２とが組み合わさる領域（交差する領域）に設けた空間Ｇ３から内周側シール部材５２の第１係合部５６内へ漏れ空気Ｌが流入する。

図８に示すように、外周側シール部材５３の第１係合部５６（図８では図示せず）内では、隣接するフレーム４２の側方フレーム部４５の対向面と、側方シール部材５１の下流面５１ａと、外周側シール部材５３の第２係合部５７（二点鎖線）とで囲まれた部分に、隙間Ｇ４が形成されている。従来のシール構造では、この隙間Ｇ４にシール部材が配置されていないので、図６に示す空間Ｇ３から外周側シール部材５３の第１係合部５６内へ流入した漏れ空気Ｌは、隣接するフレーム４２の第２の角部４８間の隙間Ｇ４を介してタービン入口流路３５へ流入する。側方フレーム部４５と内側フレーム部４３との第１の角部４７間にも、図８に示すような隙間Ｇ４が形成される。したがって、空間Ｇ３から内周側シール部材５２の第１係合部５６内へ流入した漏れ空気Ｌは、隣接するフレーム４２の第１の角部４７間の間隙Ｇ４を介してタービン入口流路３５へ流入する。

従来は、隣接するフレーム４２の角部４７、４８間の隙間Ｇ４からの漏れ量は、隣接する側方フレーム部４５間の隙間Ｇ１（図４参照）からの漏れ量や内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４とタービン入口部３ａとの間の隙間Ｇ２（図５参照）からの漏れ量に比べて相対的に小さいことから、重視されていなかった。しかし、近年、ガスタービンのエネルギー効率の向上や燃焼性能の向上にあたり、漏れ空気の更なる削減が求められている。

本実施の形態においては、図９に示すように、隣接するフレーム４２の第２の角部４８間に第２障害物６２を配置している。同様に、隣接するフレーム４２の第１の角部４７間に第１障害物６１を配置している（図７も参照）。このため、第１障害物６１及び第２障害物６２により、隣接するフレーム４２の第１の角部４７間及び第２の角部４８間の隙間Ｇ４（図８参照）が閉止される。したがって、図６に示す空間Ｇ３から外周側シール部材５３及び内周側シール部材５２の第１係合部５６内へ流入した漏れ空気Ｌは、第１障害物６１及び第２障害物６２によって、タービン入口流路３５へ流入が抑制される。その結果、燃焼器２の尾筒２５の出口端部２５ａとタービン入口部３ａとの接続部からの燃焼用空気１１０の漏れ量を低減できる。

ところで、本実施の形態においては、図７及び図９に示すように、フレーム４２の第１の角部４７及び第２の角部４８を、例えば、断面円弧状に丸めた形状、つまり、凸状のフィレットとなるように形成している。また、第１障害物６１及び第２障害物６２を、例えば、円筒状に形成し、フレーム４２の前後方向に延在するように配置している。このような構造の場合、フレーム４２の第１の角部４７及び第２の角部４８と第１障害物６１及び第２障害物６２とが接触しやすくなり、フレーム４２間の相対位置が熱変形等により変化した場合であっても、フレーム４２の第１の角部４７と第１障害物６１及び第１の角部４７と第２障害物６２との接触を維持しやすく、第１障害物６１及び第２障害物６２のシール性能の維持が可能となる。

また、本実施の形態においては、図９に示すように、第１障害物６１及び第２障害物６２の円筒部の外径Ｄを隣接する側方フレーム部４５間の間隔Ｗよりも大きくなるように設定している。これにより、第１障害物６１及び第２障害物６２がフレーム４２の側方フレーム部４５間の隙間から脱落することを防止できる。また、第１係合部５６内へ流入した漏れ空気Ｌ（燃焼用空気１１０）により、第１障害物６１及び第２障害物６２が隣接する側方フレーム部４５の２つの第２の角部４８に押し付けられるので、隣接する側方フレーム部４５第２の角部４８間の隙間Ｇ４が確実に閉塞され、漏れ空気Ｌのタービン入口流路３５への流入を防ぐことができる。

次に、本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造の一部を構成する第１障害物及び第２障害物の構造を図１０乃至図１３を用いて説明する。図１０は本発明のガスタービンの第１の実施の形態における尾筒の出口側端部のシール構造の一部を構成する障害物の一例を示す断面図、図１１は図１０に示す障害物の側方シール部材との接合状態を示す断面図、図１２は図９に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態のシール構造を外周側から見た図、図１３は図１２に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態のシール構造を構成する各シール部材における尾筒間の相対変位時の位置変化を示す説明図である。

第１障害物６１及び第２障害物６２はそれぞれ、例えば、側方シール部材５１の下流面５１ａに対して一点で接した状態で相対的に傾斜可能に構成されている。具体的には、図１０に示すように、第１障害物６１及び第２障害物６２は、側方シール部材５１に設けたピン６４を介して側方シール部材５１に接合されている。第１障害物６１及び第２障害物６２は、内部にピン６４を保持する収容部６１ａ、６２ａを有しており、側方シール部材５１の下流面５１ａに対向する部分に凸状の曲面部６１ｂ、６２ｂを有している。この曲面部６１ｂ、６２ｂには、ピン６４を挿入する挿入孔６１ｃ、６２ｃが設けられている。挿入孔６１ｃ、６２ｃは、ピン６４に対し隙間が生じる大きさに設けられている。したがって、第１障害物６１及び第２障害物６２は、図１１に示すように、側方シール部材５１に対して傾斜する自由度を有する。すなわち、側方シール部材５１の下流面５１ａと第１障害物６１及び第２障害物６２とは、一点で接した状態で相対的な角度が自在に変更可能となっている。

本実施の形態においては、図１２に示すように、側方シール部材５１を尾筒２５のフレーム４２に設けた第１シール溝４５ａと組み合わせることで両者間の流路が複雑になるので、燃焼用空気１１０の流れが妨げられてシール性能が得られている。加えて、隣接するフレーム４２の第２の角部４８間の隙間に第２障害物６２を配置することで両者間の流路が複雑になるので、燃焼用空気１１０の流れが妨げられてシール性能が得られている。このような構成のシール構造において、熱変形や振動により隣接する尾筒２５間の相対位置が変化した場合、図１３に示すにように、フレーム４２の両第１シール溝４５ａ間のずれに応じて、両第１シール溝４５ａに跨って配置されている側方シール部材５１の向きが変化する。

本実施の形態とは異なり、第１障害物６１及び第２障害物６２を側方シール部材５１に固定した場合、第１障害物６１及び第２障害物６２は、二点鎖線で示すように、側方シール部材５１の向きの変化に応じて、尾筒２５のフレーム４２に対して相対的な傾きが生じる。その結果、第１障害物６１及び第２障害物６２と側方シール部材５１との間、第１障害物６１及び第２障害物６２とフレーム４２との間、側方シール部材５１とフレーム４２との間に力が作用してそれぞれ部材に応力が生じる。このように、第１障害物６１及び第２障害物６２を側方シール部材５１に固定すると、側方シール部材５１、第１障害物６１、第２障害物６２には、熱変形や振動により繰返し応力が発生する。さらに、当該部材５１、６１、６２は、高温の環境下に曝されるので、材料に熱疲労が生じて破断や摩耗が発生する虞がある。

それに対して、本実施の形態においては、第１障害物６１及び第２障害物６２が側方シール部材５１に対して一点で接した状態で側方シール部材５１に対して傾斜する自由度を有しているので、図１３の実線で示すにように、尾筒２５のフレーム４２や側方シール部材５１の相対位置の変化に対して、第１障害物６１及び第２障害物６２は、柔軟に位置を変えながら側方シール部材５１に対して接触を保ち、その結果、シール性能を維持できる。

上述したように、本発明のガスタービンの第１の実施の形態によれば、隣接する尾筒２５のフレーム４２の第１の角部４７間の隙間Ｇ４及び第２の角部４８間の隙間Ｇ４に第１障害物６１及び第２障害物６２を側方シール部材５１に接した状態で配置したので、燃焼器２及びタービン３の構成部品に相対的な位置変化が生じても、フレーム４２の第１の角部４７間の隙間Ｇ４及び第２の角部４８間の隙間Ｇ４からタービン入口流路３５への燃焼用空気１１０の漏れを抑制することができる。したがって、燃焼器２の尾筒２５の出口端部２５ａとタービン入口部３ａとの接続部におけるシール性能を高めることができる。その結果、ガスタービンのエネルギー効率及び燃焼性能が向上する。

また、本実施の形態によれば、第１障害物６１及び第２障害物６２が側方シール部材５１の下流面５１ａに対して一点で接した状態で傾く自由度を有しているので、側方シール部材５１や尾筒２５の相対位置が熱変形等により変化しても、それに応じて第１障害物６１及び第２障害物６２と側方シール部材５１との相対角度が変化する。そのため、第１障害物６１及び第２障害物６２は、側方シール部材５１や尾筒２５の相対位置が変化に追従して柔軟に変位することができる。その結果、尾筒２５等が相対的変位しても、第１障害物６１及び第２障害物６２と側方シール部材５１との接合に無理な力が作用することがなく、高温環境下における第１障害物６１、第２障害物６２、側方シール部材５１の疲労破壊を抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、尾筒２５のフレーム４２の第１の角部４７及び第２の角部４８を断面円弧状に丸めた形状（凸状のフィレット）となるように構成すると共に、第１障害物６１及び第２障害物６２を円筒形状に構成したので、フレーム４２の第１の角部４７及び第２の角部４８と第１障害物６１及び第２障害物６２とが線状で接触する。そのため、隣接する尾筒２５が熱変形等によりガスタービンの軸方向に相対的に変位しても、フレーム４２の角部４７、４８の円弧面と障害物６１、６２の円弧面とで接触が維持され、障害物６１、６２とフレーム４２の角部４７、４８との間に空隙が生じ難い。したがって、フレーム４２の第１の角部４７間の隙間Ｇ４及び第２の角部４８間の隙間Ｇ４からの漏れを更に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、第１障害物６１及び第２障害物６２の円筒形状の外径Ｄを隣接するフレーム４２の側方フレーム部４５間の間隔Ｗよりも大きくなるように設定したので、第１障害物６１及び第２障害物６２が、フレーム４２の第１の角部４７の間及び第２の角部４８の間から脱落することを防止することができる。また、第１の角部４７間の隙間Ｇ４及び第２の角部４８間の隙間Ｇ４を確実に閉止することができるので、漏れ空気Ｌのタービン入口流路３５への流入を封止することができる。

さらに、本実施の形態によれば、第１障害物６１及び第２障害物６２と側方シール部材５１とをピン６４で接合しているので、第１障害物６１及び第２障害物６２の側方シール部材５１に対する相対的に傾斜可能な構成を、簡素な構造で達成できる。

［第１の実施の形態の変形例］
次に、本発明のガスタービンの第１の実施の形態の変形例を図１４を用いて説明する。図１４は本発明のガスタービンの第１の実施の形態の変形例における尾筒の出口側端部のシール構造の一部を構成する障害物を示す断面図である。なお、図１４において、図１乃至図１３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１４に示す本発明のガスタービンの第１の実施の形態の変形例は、第１の実施の形態が第１障害物６１及び第２障害物６２と側方シール部材５１とをピン６４で接合するものであるのに対して、第１障害物６１Ａ及び第２障害物６２Ａと側方シール部材５１とをばね部材６５で接合するものである。具体的には、第１障害物６１Ａ及び第２障害物６２Ａはそれぞれ、側方シール部材５１の下流面５１ａに対向する部分に凹部６１ｅ、６２ｅを有している。凹部６１ｅ、６２ｅには、ばね部材６５が収容されている。ばね部材６５は、その一端部が側方シール部材５１の下流面５１ａに固定されると共に、その他端部が第１障害物６１及び第２障害物６２の凹部６１ｅ、６２ｅの底部に固定されている。したがって、第１障害物６１Ａ及び第２障害物６２Ａは、側方シール部材５１や隣接する尾筒２５の相対位置が変化しても、ばね部材６５が変形して側方シール部材５１に接した状態を維持しつつ、側方シール部材５１に対して相対的に傾斜した状態となる。すなわち、本変形例に係る第１障害物６１Ａ及び第２障害物６２Ａも、第１の実施の形態と同様に、側方シール部材５１に対して接した状態で相対的に傾斜可能な構成となっている。

なお、もう１つの変形例として、柔軟性を有する材料で第１障害物及び記第２障害物を製作することが可能である。例えば、図７に示す第１障害物及び第２障害物自体をばね部材で構成することが可能である。この場合、側方シール部材５１や隣接する尾筒２５の相対位置が変化すると、第１障害物及び第２障害物自体が変形することで、第１の実施の形態と同様に、側方シール部材５１に対して接触を保ち、シール性能を維持することができる。

上述した本発明のガスタービンの第１の実施の形態の変形例によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［その他の実施形態］
本発明は上述した第１の実施の形態及びその変形例に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易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。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した第１の実施の形態においては、圧縮機１、タービン３、発電機６を１つの駆動軸４で接続した例を示したが，タービンを圧縮機１の駆動用及び発電機６の駆動用の２つに分割し、それぞれに駆動軸を設ける構成も可能である。

また、上述した第１の実施の形態においては、発電機６を駆動するガスタービンの例を示したが、ガスタービンは、発電機６に代えて他の回転体を駆動することも可能である。

また、上述した第１の実施の形態においては、内周側シール部材５２及び外周側シール部材５３が断面Ｕ字状の第１係合部５６を有し、当該第１係合部５６により内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４を挟み込む構成のシール構造の例を示した。しかし、内周側シール部材及び外周側シール部材を内側フレーム部４３及び外側フレーム部４４に対して溶接やボルトにより固定する構成のシール構造も可能である。また、内周側シール部材、外周側シール部材と内側フレーム部４３、外側フレーム部４４とに凹凸部を互いに設けて組み合わせるように構成するシール構造も可能である。

また、上述した第１の実施の形態においては、第１障害物６１及び第２障害物６２が、側方シール部材５１に対して一点で接した状態で相対的に傾斜可能に構成された例を示したが、第１障害物及び第２障害物を、側方シール部材５１に対して線状に接した状態で相対的に傾斜可能とする構成も可能である。この場合も第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

２…ガスタービン燃焼器、 ３ａ…タービン入口部、 ３５…タービン入口流路、 ２５…尾筒、 ３０…シール構造、 ４２…フレーム、 ４３…内側フレーム部、 ４４…外側フレーム部、 ４５…側方フレーム部、４７…第１の角部、４８…第２の角部、 ５１…側方シール部材、 ５２…内周側シール部材、 ５３…外周側シール部材、 ６１、６１Ａ…第１障害物、６２、６２Ａ…第２障害物、 ６４…ピン、 ６５…ばね部材

Claims (8)

1. 環状に配列された複数のガスタービン燃焼器の尾筒と断面円環状のタービン入口流路を形成するタービン入口部との接続部にシール構造を有するガスタービンであって、
   前記尾筒の各々は、その出口側端部において外周を取り囲むフレームを有し、
   前記フレームは、
   周方向に延在する内側フレーム部と、
   前記内側フレーム部よりも径方向外側に位置し、周方向に延在する外側フレーム部と、
   前記内側フレーム部の周方向の両側端部と前記外側フレーム部の周方向の両側端部との間にそれぞれ設けられ、径方向に延在する一対の側方フレーム部とで構成され、
   前記シール構造は、
   前記内側フレーム部に沿って延在して前記内側フレーム部と前記タービン入口部との隙間を封止する内周側シール部材と、
   前記外側フレーム部に沿って延在して前記外側フレーム部と前記タービン入口部との隙間を封止する外周側シール部材と、
   前記側方フレーム部に沿って延在して隣接する前記フレームの前記側方フレーム部間の隙間を封止する側方シール部材
   とで構成されるガスタービンにおいて、
   隣接する前記フレームにおける前記内側フレーム部と前記側方フレーム部との第１の角部の間の隙間に配置された第１障害物と、
   隣接する前記フレームにおける前記外側フレーム部と前記側方フレーム部との第２の角部の間の隙間に配置された第２障害物とを備え、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材のタービン入口部側の部分に接す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。
2. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材に対して、一点で接した状態又は線状に接した状態で相対的に傾斜可能に構成されている
   ことを特徴とするガスタービン。
3. 請求項２に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材にピンで接合されている
   ことを特徴とするガスタービン。
4. 請求項２に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材にばね部材を介して接合されている
   ことを特徴とするガスタービン。
5. 請求項２に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記側方シール部材に対して相対的に傾斜可能なばね部材である
   ことを特徴とするガスタービン。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物は、隣接する前記フレームの前記第１の角部間に跨るように配置され、
   前記第２障害物は、隣接する前記フレームの前記第２の角部間に跨るように配置される
   ことを特徴とするガスタービン。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
   前記フレームの前記第１の角部及び前記フレームの前記第２の角部はそれぞれ、断面円弧状に丸めた形状を有し、
   前記第１障害物及び前記第２障害物はそれぞれ、前記フレームの前後方向に沿って延在する円筒形状である
   ことを特徴とするガスタービン。
8. 請求項７に記載のガスタービンにおいて、
   前記第１障害物及び前記第２障害物の外径はそれぞれ、隣接する前記フレームの前記側方フレーム部間の間隔よりも大きくなるように設定されている
   ことを特徴とするガスタービン。

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