JP2019039386A - ガスタービン - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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