JP4035140B2

JP4035140B2 - タービンロータのシールリング

Info

Publication number: JP4035140B2
Application number: JP2005212219A
Authority: JP
Inventors: 宏宮地; 和彦谷村; 光佐野; 義弘山崎
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: JP2007032282A

Description

本発明は、タービンロータへの脱着を容易に行えるようにしたシールリングに関するものである。

従来、タービンロータにおける動翼セグメントの装着部分の側部にシールリングを取り付けて、このシールリングにより動翼セグメントのロータディスクからの脱落を阻止し、かつ、燃焼ガスが流れるガス通路からの漏れを阻止して高効率化を図り、また、冷却用空気の漏れを阻止して動翼セグメントの熱劣化の防止を図っている（特許文献１）。
特開平１１―１４１３０５号公報

このようなシールリングとして、図１０の正面図で示すように、全体がスリットＳを介して周方向の両端部が対向するＣのシールリングＲが使用され、シールリングＲの内周面側で前記スリットＳの近くの両側に２つの突部Ｐ，Ｐが設けられて、これら突部Ｐに着脱用治具を係止させるための係止孔Ｈが形成されている。そして、着脱用治具を係止孔Ｈに係止させて、シールリングＲの全体を拡径または縮径させながら、動翼セグメントの装着部分の側部に組付ける。

しかし、以上のシールリングＲでは、その内周の一部に係止孔Ｈを有する２つの突部Ｐを設ける必要があるので、加工性が低くてコスト高となり、また、着脱用治具を係止孔Ｈに係止させてシールリングＲの全体を拡径または縮径させながら動翼セグメントの装着部分に組付けるには大きな力を必要とし、その上、着脱用治具を係止孔Ｈに係止させて拡径ないし縮径させるとき、係止孔Ｈの部分に大きな力がかかるので、突部Ｐの変形を招き易い。さらに、回転時の突部Ｐのポンプ効果により燃焼ガスを巻き込んだり、また、前記突部Ｐの回転により、動翼と靜翼間のキャビティ内を撹拌してキャビティ内温度を上昇させたりする。

そこで、本発明は、加工性を向上させてコストの低減が可能で、しかも、従来のようにキャビティ内温度の上昇を招くことなく高効率化を図ることができ、さらに、動翼セグメントの装着部分に対する脱着を容易に行うことができるシールリングとその取り付け方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ロータディスクの外周に周方向に複数の動翼セグメントを装着したタービンロータに取り付けられて、前記動翼セグメントの装着部分をシールするシールリングであって、スリットを介して周方向の両端部が対向するＣ形に形成され、内周部におけるロータディスク寄りの内側面側に設けられてロータディスクの内径側係止部に径方向内方から係止される内径側被係止部と、外周側に設けられて動翼セグメントの外径側係止部に径方向内側から係止される外径側被係止部と、外側方から着脱用治具が引っ掛けられる第１および第２の引っ掛け部とを備え、前記第１の引掛け部が第２の引掛け部よりも径方向外方に離れて位置している。

動翼セグメントの装着部分にシールリングを取り付けるにあたっては、まず、シールリングの第１および第２の引掛け部にそれぞれ着脱用治具を引っ掛けて、前記シールリングをそのスリットが小さくなる方向にねじることにより縮径させて、前記内径側および外径側の被係止部をロータディスクの内径側係止部と外径側係止部にそれぞれ係止させる。これにより、シールリングは、動翼セグメントの装着部分に小さな力でもって容易に取り付けられ、また、同様にしてシールリングの装着部分からの取り外しも容易に行える。さらに、前記シールリングには、従来のように、内周の一部に、係止孔を有する突部を設ける必要がなく、シールリングには第１および第２の引掛け部を形成するだけで良く、つまり、切削機のみによる機械加工が行えるので、加工性が向上してコストの低減が可能となる。しかも、従来のように、シールリングに突部を設けることがないので、この突部のポンプ効果により燃焼ガスを巻き込んだりすることがなく、また、前記突部の回転時に動翼と靜翼間のキャビティ内を撹拌してキャビティ内温度を上昇させたりすることもなく、少ない冷却空気で冷却が可能となって性能アップが図れる。さらに、従来のように、着脱用治具を係止孔に係止させることがないので、着脱用治具の変形を招くこともない。

本発明の好ましい実施形態では、前記第１の引掛け部が環状とされている。この構成によれば、シールリングの回転時の抵抗が小となり、また、シールリングによるキャビティ内の撹拌作用も少なくなる。

また、本発明の好ましい実施形態では、前記動翼セグメントが、燃焼ガスの通路に位置する動翼部と、ロータディスクの係合凹所に係合する係合部とを有し、さらに、前記ロータディスクの外周面と動翼セグメントとで形成されている空間内に突出して前記スリットの周方向位置を動翼セグメントの係合部に合致させる位置決め部材を備えている。この構成によれば、位置決め部材によりスリットの周方向位置が動翼セグメントの係合部に合致するから、ガス通路を通る燃焼ガスがスリットを通って漏れるのが阻止される。また、タービンロータを冷却空気で冷却する場合、その冷却用空気がスリットから吹き抜けるのも阻止される。

さらに、本発明の好ましい実施形態では、前記スリットのリング外側面への開口方向が回転方向と鈍角をなしている。この構成によれば、シールリングの回転時における前記スリットによる抵抗が小となり、しかも、シールリングによるキャビティ内の撹拌作用も少なくなる。

本発明にかかるシールリングのロータディスクへの取り付け方法は、第１および第２の掛け爪を有する着脱用治具を２つ用い、前記第１および第２の掛け爪を前記シールリングの周方向における前記スリットの両側で、第１および第２の引掛け部にそれぞれ引っ掛けて、シールリングを前記スリットが小さくなる方向にねじることにより縮径させて、前記内径側および外径側の被係止部をロータディスクの内径側係止部と外径側係止部に係止させる。

この方法によれば、２つの装着治具により、シールリングのスリット近傍部分を捩って、シールリングを縮径させることができるので、シールリングのロータディスクへの脱着を小さな力で容易に行うことができる。

本発明によれば、シールリングの動翼セグメントの装着部分に対する脱着を小さな力でもって容易に行うことができる。また、シールリングは切削のみによる加工が可能となるので、加工性が向上してコスト低減が可能となる。しかも、従来の燃焼ガスの巻き込みや回転時におけるキャビティ内の撹拌によるキャビティ内温度の上昇を避けることができる。

本発明のタービンロータは、例えばガスタービンに用いられる。ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器、燃焼器からの高温、高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えている。以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるタービンロータを備えたタービンの要部を示す縦断面図である。このタービンロータＴは、ロータディスク１の外周に動翼２を装着したものである、第１段静翼３の下流に、第１段のタービンロータＴ、第２段静翼３および第２段タービンロータＴが順次配置されている。ガスタービンの燃焼室からの高温高圧の燃焼ガスＧを動翼２および靜翼３が配置された燃焼ガス通路４に供給して、この燃焼ガスＧによりタービンロータＴを回転させて動力を得る。前記動翼２は、その径方向外方側が、ハウジングに支持されたシユラウド５により覆われている。

動翼２は、図２の正面図に示すように、複数の動翼セグメント２Ｓをロータディスク１の周方向に並べたものである。動翼セグメント２Ｓは、前記燃焼ガスＧの通路４に配置される動翼部２１と、これの基部側に台座部２２を介して一体に設けられた係合部２３とを有する。係合部２３は、その周方向両側に膨出する膨出部２３ａを有するダブテール型である。一方、前記ロータディスク１の外周部分には、外周面１０から凹入して前記係前記係合部２３を受け入れる係合凹所１１が、軸方向に貫通して形成されており、この係合凹所１１に係合部２３を軸方向にスライドさせて嵌め込むことにより、前記動翼セグメント２Ｓをロータディスク１の外周に周方向に等間隔に並べて取り付けている。前記ロータディスク１には、図１のように、前記係合凹所１１に通じる空気通路１２が形成され、圧縮機から抽出された冷却空気を前記空気通路１２から係合凹所１１に吹き出して動翼セグメント２Ｓを冷却するようにしている。

図３は前記ロータディスク１へのシールリングの取り付け部分を拡大して示す縦断面図である。同図のように、前記ロータディスク１の係合凹所１１の軸方向両外側部には、前記動翼セグメント２Ｓの係合凹所１１からの脱落を阻止し、かつ、前記燃焼ガス通路４を通る燃焼ガスＧの係合凹所１１への漏れなどを防止するために、シールリング６が取り付けられている。

このシールリング６は、前記ロータディスク１に次のようにして取り付けられている。前記ロータディスク１の外周部で軸方向外側部に、軸心方向に向けて突出状に形成された環状の内径側係止部１３が設けられ、また、前記動翼セグメント２Ｓにおける台座部２２の軸方向外側位置の内面側には、径方向内方に開口した溝状の外径側係止部２４が形成されている。この外径側係止部２４は、動翼セグメント２Ｓをロータディスク１の周方向に並べたとき、径方向内方に向いた環状の溝を形状する。一方、前記シールリング６には、内周面側でそのロータディスク１寄りの内側面位置に、ロータディスク１の内径側係止部１３に径方向内方から係止される、環状凹所からなる内径側被係止部６１が形成されている。また、前記シールリング６の外周側には、前記外径側係止部２４に径方向内側から係止される外径側被係止部６２が形成されている。この外径側被係止部６２がシールリング６の外周端部を形成している。シールリング６の内径側被係止部６１と外径側被係止部６２をロータディスク１の内径側係止部１３と外径側係止部２４のそれぞれに、径方向内側から係止させることにより、前記シールリング６をロータディスク１の係合凹所１１の軸方向（前後方向）両側部に取り付ける。なお、このシールリング６は係合凹所１１の軸方向の一方側だけに取り付けてもよい。

さらに、シールリング６の内周側位置で外側面側には、径方向外方に斜め状に突出する先鋭で環状の第１の引掛け部６３が、また、シールリング６の内周面側には、径方向内方に向かって突出状の第２の引掛け部６４が形成され、この第２の引掛け部６４に対し前記第１の引掛け部６３は径方向外方に互いに離れて配置されている。第２の引っ掛け部６４はシールリング６の内周面により形成されている。

図４はシールリング６の一部の正面図、図５はその側面図である。図４のように、シールリング６は、スリット６０を介して周方向の両端部が対向するＣ形に形成されており、前記スリット６０のリング外側面への開口方向が回転方向に対して鈍角とされている。つまり、図５のように、シールリング６の回転方向をＸ、スリット６０のリング外側面への開口方向をＹとしたとき、ＸとＹとがなす角度θは９０°を越えるように、すなわち、回転方向Ｘに対して開口方向Ｙが後ろ向きとなるように設定されている。このようにすれば、前記シールリング６のＸ方向への回転時にスリット６０による空気抵抗が小となる。また、前記動翼および靜翼２，３間に形成されるキャビティＳ１（図１参照）のシールリング６による撹拌作用も少なくなる。

シールリング６は、図２のように、そのスリット６０の周方向位置が動翼セグメント２Ｓの係合部２３の位置に合致するように位置決めして取り付けられる。このシールリング６を位置決めするに際しては、図６に示すように、位置決め部材であるリベット７を用い、このリベット７の２本をシールリング６のスリット６０を挟んだ所定間隔離れた２箇所から、ロータディスク１の外周面１０と、動翼セグメント２Ｓに設けた係合部２３の係合凹所１１から外周に突出する側方部分との間に形成される空間Ｓ２内に、各リベット７を前記係合部２３の周方向側部に当接するように突入させて、ポンチのような固定用具具により、リベット７をかしめて固定する。このように各リベット７でシールリング６の移動を規制して、シールリング６のスリット６０を動翼セグメント２Ｓの係合部２３と合致させて取り付ける。

図７は前記シールリング６をロータディスク１に脱着するために用いられる左右一対の２つの着脱用治具８Ａ，８Ｂを示す斜視図である。これらの着脱用治具８Ａ，８Ｂは、操作時に把持する握り部８１と、この握り部８１の先端に設けられ、図６のシールリング６の第１および第２の引掛け部６３，６４にそれぞれ引っ掛けられる第1および第２の掛け爪８２，８３とを備えている。図の実施形態では、前記握り部８１の先端に取り付け部８１ａを設けて、この取り付け部８１ａに、前記掛け爪８２，８３が形成された爪部材８４を、複数の締結具８５により固定している。この爪部材８４には、その基端側で幅方向一側に第１の引掛け部６３（図６）に引っ掛けられる断面Ｖ字状の溝が形成され、この溝の部分が前記第１の掛け爪８２とされ、また、前記爪部材８４の先端側で溝の形成側とは反対側に断面概略Ｌ形状の突部が一体に形成され、この突部が前記第２の掛け爪８３とされている。両掛け爪８２，８３は、各着脱治具８Ａ，８Ｂの握り部１８の長手方向Ｐに沿ってずれて位置している。前記着脱用治具８Ａ，８Ｂは、第１および第２の掛け爪８２，８３がそれぞれ左右対称に設けられている。

図８は前記シールリング６のロータディスク１への取り付け方法を説明する一部省略した正面図、図９はその要部の縦断面図である。図９のように、前記シールリング６をロータディスク１の係合凹所１１の軸方向両外側部に取り付ける場合は、まず、図８のように、各着脱用治具８Ａ，８Ｂをシールリング６のスリット６０を挟んだ左右両側に位置させて、図９に示す各着脱用治具８Ａ，８Ｂの第１の掛け爪８２をシールリング６の第１の引掛け部６３に、また、第２の掛け爪８３をシールリング６の第２の引掛け部６４に引っ掛ける。続いて、図８に示す各着脱用治具８Ａ，８Ｂの握り部８１を把持して、Ｚ−Ｚ線方向に力を加えることにより、前記シールリング６のスリット６０が小さくなるようにシールリング６をねじって縮径させる。この状態で、図９に示すシールリング６の内径および外径側の被係止部６１，６２を前記ロータディスク１および動翼セグメント２Ｓに設けた内径および外径側係止部１３，２４にそれぞれ径方向内方側から係止させる。この後、各着脱用治具８Ａ，８Ｂによるシールリング６のねじり力を解除して、シールリング６を復元力により前記内径および外径側係止部１３，２４の間に支持させる。また、前記と同様にしてシールリング６のロータディスク１からの取り外しを行う。

上記構成により、シールリング６のロータディスク１に対する脱着が小さな力でもって容易に行える。つまり、シールリング６の脱着時には、図８の着脱用治具８Ａ，８Ｂに設けた第１および第２の掛け爪８２，８３が、図９のシールリング６に形成した第１および第２の引掛け部６３，６４に係止されて、シールリング６に縮径方向にねじり力が付与されるから、図１０に示す従来のように係止孔Ｈに着脱用治具を差し込んでシールリング６の縮径を行う場合のように大きな力を必要としないで、小さな力で容易にシールリング６を縮径させて、その脱着を行うことができる。また、シールリング６には、切削により図９の第１および第２の引掛け部６３，６４を形成するだけで良いので、加工性が向上してコストの低減が可能となる。さらに、前記シールリング６の第１の引掛け部６３は環状とされ、第２の引掛け部６４はシールリング６の内周面により形成されているので、回転時の抵抗の増大が抑制される。しかも、シールリング６が図１の通路４を通る燃焼ガスＧを巻き込んだり、動翼および靜翼２，３間のキャビティＳ１内を撹拌してキャビティ内の温度を上昇させたりすることもなく、少ない冷却空気で冷却が可能となる。

また、図２のように、前記シールリング６は、そのスリット６０が前記動翼セグメント２Ｓの係合部２３の位置に合致するように位置決め部材（リベット）７を用いて取り付けられているので、通路４を通る燃焼ガスＧがスリット６０から空間Ｓ２内に漏れるのが阻止され、また、図１のロータディスク１に設けた空気通路１２から空間Ｓ２内に入った冷却用空気が、スリット６０からキャビティＳ１側に吹き抜けるのも阻止される。このとき、図１の仮想線で示すように、靜翼３を支持する支持リング３０にけるシールリング６と対向する側面に、シールリング６に設けた第１の引掛け部６３と径方向に所定の隙間をあけて径方向から対向するように、軸方向に突出したシール壁３１を形成して、動翼セグメント２Ｓの回転時におけるシール壁３１によるラビリンス効果で、冷却空気の燃焼ガス通路４への漏れを阻止することもできる。

本発明の一実施形態にかかるタービンロータの要部を示す縦断面図である。ロータディスクへの動翼セグメントの取り付け部分を示す一部破断した正面図である。シールリングのロータディスクへの取り付け部分を拡大して示す縦断面図である。シールリングの一部分を示す正面図ある。同側面図である。図２のVI−VI線に沿った断面図である。シールリングをロータディスクに脱着するために用いられる着脱用治具の斜視図である。シールリングのロータディスクへの取り付け方法を説明する一部省略した正面図である。同要部の縦断面図である。従来のシールリングの一部分を示す正面図である。

符号の説明

１ロータディスク
１０外周面
１１係合凹所
１３内径側係止部
２動翼
２Ｓ動翼セグメント
２１動翼部
２３係合部
２４外径側係止部
４燃焼ガス通路
６シールリング
６０スリット
６１内径側被係止部
６２外径側被係止部
６３第１の引掛け部
６４第２の引掛け部
８Ａ，８Ｂ着脱用治具
Ｔタービンロータ
Ｘ回転方向
Ｙ開口方向

Claims

ロータディスクの外周に周方向に複数の動翼セグメントを装着したタービンロータに同心状に取り付けられて、前記動翼セグメントの装着部分をシールするシールリングであって、
スリットを介して周方向の両端部が対向するＣ形に形成され、
内周部におけるロータディスク寄りの内側面側に設けられてロータディスクの内径側係止部に径方向内方から係止される内径側被係止部と、外周側に設けられて動翼セグメントの外径側係止部に径方向内側から係止される外径側被係止部と、外側方から着脱用治具が引っ掛けられる第１および第２の引っ掛け部とを備え、
前記第１の引掛け部が第２の引掛け部よりも径方向外方に離れて位置しているタービンロータのシールリング。
請求項1において、前記第１の引掛け部は、環状であるタービンロータのシールリング。
請求項１または２において、前記動翼セグメントは、燃焼ガスの通路に位置する動翼部と、ロータディスクの係合凹所に係合する係合部とを有し、さらに、前記ロータディスクの外周面と動翼セグメントとで形成されている空間内に突出して前記スリットの周方向位置を動翼セグメントの係合部に合致させる位置決め部材を備えたタービンロータのシールリング。
請求項１，２または３において、前記スリットのリング外側面への開口方向が回転方向と鈍角をなしているタービンロータのシールリング。
請求項１から４のいずれか一項記載のシールリングをロータディスクに取り付ける方法であって、第１および第２の掛け爪を有する着脱用治具を２つ用い、前記第１および第２の掛け爪を前記シールリングの周方向における前記スリットの両側で第１および第２の引掛け部にそれぞれ引っ掛けて、シールリングを前記スリットが小さくなる方向にねじることにより縮径させて、前記内径側および外径側の被係止部をロータディスクの内径側係止部と外径側係止部に係止させるシールリングの取り付け方法。