JP5869100B2 - シール装置、及びシール装置を備えているガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのディフューザの端部をシールするシール装置、及びシール装置を備えているガスタービンに関する。
本願は、２０１２年３月７日に出願された特願２０１２−０５０４３０号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

ガスタービンは、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えている。ロータは、回転軸線を中心として回転軸線と平行な軸方向に延びるロータ本体と、ロータ本体の外周に固定され軸方向に並んでいる複数の動翼段とを有している。最終動翼段を通過した燃焼ガスは、排気ガスとして、排気車室内、排気室内及び排気ダクト内を通って大気に放出される。

以下の特許文献１に開示されているガスタービンでは、排気車室は、ロータの回転軸線を中心として円筒状の排気車室壁で形成されている。排気室は、排気車室壁の下流側に接続された排気室サポート、及び排気室壁で形成されている。排気車室壁及び排気室サポートの径方向内側には、ロータの回転軸線を中心として円筒状の外側ディフューザ及び内側ディフューザが設けられている。内側ディフューザは、外側ディフューザの径方向内側に間隔をあけて配置されている。外側ディフューザと内側ディフューザとの間は、燃焼ガスの排気流路を形成する。

排気車室壁の下流端部、及び排気室サポートの上流端部には、シール装置が設けられている。排気車室壁の下流端部に設けられているシール装置は、排気車室壁と排気車室壁の径方向内側に配置されている外側ディフューザとの間の外側空間と、排気流路との間をシールする装置である。排気室サポートの上流端部に設けられているシール装置は、排気室サポートと、排気室サポートの径方向内側に配置されている外側ディフューザとの間の外側空間と、排気流路との間をシールする装置である。

各シール装置は、いずれも、軸方向に間隔をあけて配置されている二枚のシール板と、二枚のシール板の軸方向における相互間隔を保持するスペーサとを有している。

特開２００９−２０３８７１号公報

上記特許文献１に記載のシール装置の２枚のシール板は、排気車室壁又は排気室サポートと外側ディフューザとの熱膨張差を許容するために、いずれも、変形容易な薄い金属板で形成されている。このため、外側ディフューザの径方向内側及び径方向外側にそれぞれ存在するガスによりシール板が振動し易く、比較的短期間のうちにシール装置が損傷するおそれがある。

本発明は、損傷を抑えることができるシール装置、及び、シール装置を備えているガスタービンを提供する。

本発明の第一の態様に係るシール装置は、筒状を成し、ガスタービンのロータを回転させた燃焼ガスが通る排気流路を径方向内側に形成する外側ディフューザの径方向外側と、該外側ディフューザの径方向外側に間隔をあけて配置されている外側部材との間の外側空間と、前記排気流路との間を該外側ディフューザの端部でシールするシール装置において、筒状の前記外側ディフューザの端部から径方向外側へ広がって前記外側部材に至る複数のシール板が互いに接して積層されている第一のシール板群又は前記第二のシール板群と、前記ロータの回転軸線が延びる軸方向に、前記第一のシール板群と前記第二のシール板群とを間隔をあけて保持するスペーサと、を備えている。

当該シール装置は、外側空間と排気流路側とを前記第一、第二のシール板群で仕切っているので、外側空間と排気流路側との間をシールすることができる。

当該シール装置は、排気流路側のシール板群の複数のシール板のうち、燃焼ガスに接するシール板が燃焼ガスから振動エネルギーを受けても、燃焼ガスに接するシール板に軸方向に向く面で接する他のシール板との摩擦により、振動エネルギーが吸収されて、複数のシール板の振動を軽減することができる。同様に、外部空間側のシール板群の複数のシール板のうち、空気に接するシール板が空気から振動エネルギーを受けても、空気に接するシール板に軸方向に向く面で接する他のシール板との摩擦により、振動エネルギーが吸収されて、複数のシール板の振動を軽減することができる。

よって、当該シール装置は、各シール板群の振動を軽減することができ、振動による複数のシール板の損傷を抑えることができる。

本発明の第二の態様に係るシール装置において、前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する複数のシール板は、前記ロータを中心とする周方向に並んで周方向の一部を形成する複数の分割片を有して構成され、前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する複数の前記分割片における周方向の境目の位置と、前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する前記分割片に軸方向に向く面で接する他の分割片における周方向の境目の位置とは、周方向で異なっていてもよい。

当該シール装置のシール板群を構成する各シール板は、いずれも、周方向に複数に分割されているため、周方向に並んでいる分割片の境目からガスが漏れ出る。しかしながら、当該シール装置は、シール板群を構成する複数のシール板を構成する複数の分割片における周方向の境目の位置と、前記シール板の前記分割片に軸方向に向く面で接する他の分割片における周方向の境目の位置とが周方向で異なっている。このため、当該シール装置は、シール板を構成する複数の分割片における周方向の境目からガスが漏れ出ても、シール板に軸方向に向く面で接する他のシール板により周方向の境目からのガス漏れを防ぐことができる。

本発明の第三の態様に係るシール装置において、前記スペーサは、前記第一のシール板群の径方向外側部と前記第二のシール板群の径方向外側部との間隔を保持する外側スペーサと、前記第一のシール板群の径方向内側部と前記第二のシール板群の径方向内側部との間隔を保持する内側スペーサと、を有してもよい。

当該シール装置は、径方向の剛性が高まることで、径方向の座屈強度を高めることができる。

本発明の第四の態様に係るシール装置において、前記外側スペーサには、径方向外側から径方向内側に向かって貫通するシール空気孔が形成されていてもよい。

当該シール装置は、第一のシール板群と第二のシール板群との間にシール空気を供給することで、外側空間と排気流路側との間のシール性を高めることができる。

本発明の第五の態様に係る外側スペーサを有する前記シール装置において、前記外側スペーサと前記内側スペーサとの間で前記第一のシール板群と前記第二のシール板群との間隔を保持する中間スペーサと、を有してもよい。

当該シール装置は、径方向における第一のシール板群と第二のシール板群の支点スパンが短くなることで、径方向の剛性及び座屈強度をより向上させることができる。当該シール装置は、径方向における第一のシール板群と第二のシール板群の支点スパンが短くなることで、第一のシール板群と第二のシール板群の振動振幅を小さくすることができ、振動によるシール板の損傷を抑えることができる。

本発明の第六の態様に係る中間スペーサを有する前記シール装置において、前記第一のシール板群と前記中間スペーサと前記第二のシール板群とを貫通して、前記第一のシール板群及び前記第二のシール板群を中間スペーサに密着させる連結具を備え、前記第二のシール板群に形成される前記連結具が貫通する燃焼ガス側貫通孔は、前記第二のシール板群が前記連結具に対して径方向に相対移動可能なように、前記連結具外径より大きく形成されていてもよい。

当該シール装置は、第一のシール板群と第二のシール板群とに熱膨張差が生じても、第二のシール板群は、連結具に対して、径方向に相対移動可能であるため、連結具が傾くことを防ぐことができる。各シール板群は、連結具が傾くと連結具近傍で局部的に変形する上に、連結具の外縁にシール板群が接して損傷するおそれがある。
しかしながら、当該シール装置は、連結具の傾きを防ぐことができるので、各シール板群の損傷を防ぐことができる。

本発明の第七の態様に係る中間スペーサを有する前記シール装置において、前記第二のシール板群の軸方向厚さは、前記中間スペーサと前記連結具のナット側座金との間に形成された軸方向隙間より小さく形成されていてもよい。

当該シール装置は、第二のシール板群のシール板の軸方向に、前記中間スペーサと前記連結具のナット側座金の間に隙間が形成されることにより、シール板の径方向の相対移動が更に円滑になる。

本発明の第八の態様に係るシール装置において、前記第一のシール板群の径方向外側部と前記外側スペーサと前記第二のシール板群の径方向外側部とを、前記軸方向で前記外側部材との間で挟み込んで、該外側部材に取り付ける外側取付具と、前記第一のシール板群の径方向内側部と前記内側スペーサと前記第二のシール板群の径方向内側部とを、前記軸方向で前記外側ディフューザとの間で挟み込んで、該外側ディフューザに取り付ける内側取付具と、を備え、前記内側取付具と前記外側取付具とのうちのいずれか一方の取付具は、前記第一のシール板群及び前記第二のシール板群を取付対象に対して径方向に相対移動可能に取り付けてもよい。

外側ディフューザは、ガスタービンの運転中、燃焼ガスに接するため、外側部材との間に熱膨張差が生じることで、外側部材の径に対する外側ディフューザの径が相対変化する。当該シール装置は、一方の取付具が一方のシール板群及び他方のシール板群を取付対象に対して径方向に相対移動可能に取り付けられるので、この相対移動により、外側部材の径に対する外側ディフューザの径の相対変化を許容することができる。

本発明の第九の態様に係るガスタービンは、前記シール装置と、前記外側ディフューザと、前記外側部材と、を備えていることを特徴とする。

当該ガスタービンも、前記シール装置を備えているので、外側空間と排気流路側との間をシールすることができると共に、各シール板群の振動を軽減することができ、振動によるシール板の損傷を抑えることができる。

本発明の第十の態様に係るガスタービンにおいて、前記外側部材には、前記第一のシール板群と前記第二のシール板群との間にシール空気を供給するためのシール空気路が形成さされていてもよい。

当該ガスタービンでは、第一のシール板群と第二のシール板群との間にシール空気を供給することで、外側空間と排気流路側との間のシール性を高めることができる。

本発明では、外側空間と排気流路側とを第一のシール板群と第二のシール板群で仕切っているので、外側空間と排気流路側との間をシールすることができる。本発明では、各シール板群の振動を軽減することができるので、振動によるシール板の損傷を抑えることができる。

本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるシール装置周りのガスタービンの断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるシール装置の断面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。 本発明に係る一実施形態における中間スペーサ周りの断面図である。 一枚のシール板でシールした際の状態を示す説明図である。 連結具に対して第一のシール板群及び第二のシール板群の両方が径方向に相対移動不能である場合のシール板群の変形を示す説明図である。 連結具に対して第二のシール板群が径方向に相対移動可能である場合のシール板群の変形を示す説明図である。

以下、本発明に係るガスタービンの一実施形態について、図１〜図８Ｂを参照して詳細に説明する。

本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器２と、燃焼ガスにより駆動するタービン３と、を備えている。

タービン３は、ケーシング４と、このケーシング４内で回転するタービンロータ５とを備えている。タービンロータ５は、例えば、このタービンロータ５の回転で発電する発電機（図示されていない。）と接続されている。複数の燃焼器２は、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心として、周方向Ｄｃに互いに等間隔でケーシング４に固定されている。なお、以下では、回転軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａとし、回転軸線Ａｒに対する径方向を単に径方向Ｄｒという。軸方向Ｄａであって、タービン３を基準にして圧縮機１側を上流側、圧縮機１を基準にしてタービン３側を下流側という。

タービンロータ５は、軸方向Ｄａに並んでいる複数の段毎に回転軸線Ａｒを中心とするロータディスク６と、周方向Ｄｃに並んでロータディスク６に固定されている複数の動翼８と、最終段のロータディスク６に固定され軸方向Ｄａに延びる軸部７と、を有している。軸部７は、回転軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、最終段のロータディスク６の下流側に設けられている。

ケーシング４は、回転軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、最終段の動翼８よりも下流側に配置されている排気車室壁１０と、排気車室壁１０の下流側に配置されている排気室サポート１１と、排気室サポート１１の下流側に配置されている排気室壁１２と、排気室壁１２の下流側に配置されている排気ダクト１３とを有している。

排気車室壁（外側部材）１０の径方向内側には、図２に示すように、回転軸線Ａｒを中心として円筒状の外側ディフューザ１５及び内側ディフューザ１６が配置されている。外側ディフューザ１５は、排気車室壁１０の内周面に沿って設けられている。内側ディフューザ１６は、外側ディフューザ１５の径方向内側に間隔をあけて配置されている。

内側ディフューザ１６の径方向内側には、タービンロータ５の軸部７を回転可能に支持する軸受け２１と、この軸受け２１の外周側を覆うと共にこの軸受け２１を支持する軸受け箱２２とが設けられている。排気車室壁１０と軸受け箱２２とは、外側ディフューザ１５及び内側ディフューザ１６を貫通するストラット２３により連結されている。このストラット２３は、ストラット２３の延在方向に沿ってストラットカバー２４で覆われている。ストラットカバー２４の延在方向の一端部は外側ディフューザ１５に取り付けられ、他端部は内側ディフューザ１６に取り付けられている。

排気室サポート（外側部材）１１の径方向内側には、排気車室壁１０の径方向内側と同様、回転軸線Ａｒを中心として円筒状の外側ディフューザ１７及び内側ディフューザ１８が配置されている。外側ディフューザ１７は、排気室サポート１１の内周面に沿って設けられている。内側ディフューザ１８は、外側ディフューザ１７の径方向内側に間隔をあけて配置されている。排気室壁１２は、外側ディフューザとして機能する。排気室壁１２の径方向内側には、回転軸線Ａｒを中心として円筒状の内側ディフューザ１９が配置されている。

排気車室壁１０の径方向内側に配置されている外側ディフューザ１５と内側ディフューザ１６との間の空間、排気室サポート１１の径方向内側に配置されている外側ディフューザ１７と内側ディフューザ１８との間の空間、外側ディフューザとして機能する排気室壁１２とその内側ディフューザ１９との間、さらに、排気ダクト１３（図１）の径方向内側の空間は、タービンロータ５を回転させた燃焼ガスＧの排気流路２８を形成する。

排気車室壁１０の径方向外側の面、排気室サポート１１の径方向内側に配置されている外側ディフューザ１７の径方向外側の面、及び排気室壁１２の径方向外側の面には、それぞれ、断熱材２６が設けられている。

排気車室壁１０の下流端部、及び排気室サポート１１の上流端部には、図３に示すように、それぞれ、シール装置３０，３０ａが設けられている。排気車室壁１０の下流端部に設けられているシール装置３０は、排気車室壁１０とこの排気車室壁１０の径方向内側に配置されている外側ディフューザ１５との間の外側空間２９と、排気流路２８との間をシールする装置である。排気室サポート１１の上流端部に設けられているシール装置３０ａは、排気室サポート１１と、この排気室サポート１１の径方向内側に配置されている外側ディフューザ１７との間の外側空間２７と、排気流路２８との間をシールする装置である。

排気車室壁１０の下流端部、及び排気室サポート１１の上流端部に設けられている各シール装置３０，３０ａは、基本的に同じ構成である。そこで、以下では、排気車室壁１０の下流端部に設けられているシール装置３０について説明する。排気室サポート１１の上流端部に設けられているシール装置３０ａの説明を省略する。

シール装置３０は、図４に示すように、第一のシール板群及び第二のシール板群３２，３３とスペーサ３５，３６，３７を備えている。
第一のシール板群及び第二のシール板群３２，３３は、筒状の外側ディフューザ１５の下流端部から径方向外側へ広がって排気車室壁１０の下流端部に至り、軸方向Ｄａに向く面で互いに接して積層されている２枚シール板を、それぞれ備えている。スペーサ３５，３６，３７は、第一のシール板群３２と第二のシール板群３３とを軸方向Ｄａに間隔をあけて保持する。さらに、シール装置３０は、第一のシール板群３２の径方向外側端部３２ｏ及び第二のシール板群３３の径方向外側端部３３ｏを排気車室壁１０に取り付ける外側取付具４０と、一方のシール板群３２の径方向内側端部３２ｉ及び他方のシール板群３３の径方向内側端部３３ｉを外側ディフューザ１５に取り付ける内側取付具４５と、を備えている。

第一のシール板群及び第二のシール板群３２，３３のうち、第一のシール板群３２は、排気車室壁１０と外側ディフューザ１５との間の外側空間２９中の空気と接するシール板群を成す。第二のシール板群３３は、排気流路２８を流れる燃焼ガスＧに接するシール板群を成す。以下では、第一のシール板群３２を空気側シール板群とし、第二のシール板群３３を燃焼ガス側シール板群とする。

スペーサ３５，３６，３７は、外側スペーサ３５と内側スペーサ３６と中間スペーサを備える。外側スペーサ３５は、燃焼ガス側シール板群３３の径方向外側端部３３ｏと空気側シール板群３２の径方向外側端部３２ｏとの間隔を保持する。内側スペーサ３６は、燃焼ガス側シール板群３３の径方向内側端部３３ｉと空気側シール板群３２の径方向内側端部３２ｉとの間隔を保持する。中間スペーサは、外側スペーサ３５と内側スペーサ３６との間で燃焼ガス側シール板群３３と空気側シール板群３２との間隔を保持する。

外側ディフューザ１５の下流端部には、フランジ１５ｆが形成されている。内側取付具４５は、押え板４６とボルト４７を備える。押え板４６は、燃焼ガス側シール板群３３の径方向内側端部３３ｉに接する。また、内側取付具４５の押え板４６は、燃焼ガス側シール板群３３と内側スペーサ３６と空気側シール板群３２とを軸方向Ｄａでフランジ１５ｆとの間で挟み込み、燃焼ガス側シール板群３３、内側スペーサ３６および空気側シール板群３２の軸方向Ｄａの位置を拘束する。内側取付具４５のボルト４７は、燃焼ガス側シール板群３３と内側スペーサ３６と空気側シール板群３２とを軸方向Ｄａに貫通して、燃焼ガス側シール板群３３、内側スペーサ３６および空気側シール板群３２の径方向Ｄｒの位置を拘束する。

排気車室壁１０の下流端部には、フランジ１０ｆが形成されている。外側取付具４０は、押え板４１とボルト４２を備える。押え板４１は、燃焼ガス側シール板群３３の径方向外側端部３３ｏに接する。外側取付具４０の押え板４１は、燃焼ガス側シール板群３３と外側スペーサ３５と空気側シール板群３２とを軸方向Ｄａでフランジ１０ｆとの間で挟み込み、燃焼ガス側シール板群３３、外側スペーサ３５および空気側シール板群３２の軸方向Ｄａの位置を拘束する。外側取付具４０のボルト４２は、内側取付具４５のボルト４７と異なり、燃焼ガス側シール板群３３と外側スペーサ３５と空気側シール板群３２とを貫通しない。このため、この外側取付具４０は、燃焼ガス側シール板群３３の径方向外側端部３３ｏと外側スペーサ３５と空気側シール板群３２の径方向外側端部３２ｏの径方向Ｄｒへの相対移動を許容する。

排気車室壁１０のフランジ１０ｆの径方向外側には、図３及び図４に示すように、シール空気配管１０ａが接続されている。このフランジ１０ｆには、シール空気配管１０ａ内の流路と連通するシール空気流路１０ｐが形成されている。シール空気流路１０ｐは、シール装置３０の外側スペーサ３５と対向する位置で開口している。外側スペーサ３５には、径方向外側から径方向内側に貫通するシール空気孔３５ｈが形成されている。このため、本実施形態では、シール空気配管１０ａにシール空気Ａｓが供給されると、シール空気Ａｓは、フランジ１０ｆのシール空気流路１０ｐ及び外側スペーサ３５のシール空気孔３５ｈを経て、燃焼ガス側シール板群３３と空気側シール板群３２との間の空間に供給される。

燃焼ガス側シール板群３３を構成する２枚のシール板３１、及び空気側シール板群３２を構成する２枚のシール板３１は、図５に示すように、いずれも、組立の都合上、周方向に分割されている。シール板３１は、周方向Ｄｃに並んだ複数の分割片３１ｐで構成されている。燃焼ガス側シール板群３３を構成する２枚のシール板３１のうちの一のシール板３１を構成する複数の分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ１の位置と、この一のシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他のシール板３１を構成する分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ２の位置とは、周方向Ｄｃで異なっている。空気側シール板群３２を構成する２枚のシール板３１のうちの一のシール板３１を構成する複数の分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ１の位置と、この一のシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他のシール板３１を構成する分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ２の位置とは、周方向Ｄｃで異なっている。各シール板３１は、その厚さ方向に、言い換えると軸方向Ｄａに容易に変形できるよう、各シール板３１は、ミリメートルオーダーの厚さを有する。

シール装置３０は、図６に示すように、燃焼ガス側シール板群３３及び空気側シール板群３２をそれぞれ中間スペーサ３７に密着させて、相互に連結する連結具５０を備えている。この連結具５０は、ボルト５１と、ボルト５１の軸部５１ａに捻じ込まれるナット５２と、ボルト５１のボルト頭５１ｂに接するボルト側座金５３と、ナット５２に接するナット側座金５４と、を有している。ボルト側座金５３及びナット側座金５４は、いずれも、座面及びボルト５１の軸部５１ａが挿通される貫通孔が形成されている円板状の平座部５３ａ，５４ａと、平座部５３ａ，５４ａの貫通孔の縁に沿って形成されボルト５１の軸部５１ａが挿通される筒状の鍔部５３ｂ，５４ｂと、を有している。

中間スペーサ３７には、軸方向Ｄａに貫通し、ボルト５１の軸部５１ａが挿通されるボルト孔３７ａが形成されている。燃焼ガス側シール板群３３で中間スペーサ３７に対応する位置には、軸方向Ｄａに貫通し、ナット側座金５４の鍔部（連結具５０の貫通部）５４ｂが挿通される燃焼ガス側貫通孔３３ａが形成されている。また、空気側シール板群３２で中間スペーサ３７に対応する位置には、軸方向Ｄａに貫通し、ボルト側座金５３の鍔部５３ｂが挿通される空気側貫通孔３２ａが形成されている。

この連結具５０を用いて、燃焼ガス側シール板群３３及び空気側シール板群３２をそれぞれ中間スペーサ３７に密着させる際には、まず、ボルト側座金５３にボルト５１の軸部５１ａが挿通される。次に、排気車室壁１０と外側ディフューザ１５との間の外側空間２９側から、ボルト５１の軸部５１ａが空気側シール板群３２の空気側貫通孔３２ａ、中間スペーサ３７のボルト孔３７ａ、及び燃焼ガス側シール板群３３の燃焼ガス側貫通孔３３ａに挿通される。次に、燃焼ガス側シール板群３３から排気流路２８側に突出したボルト５１の軸部５１ａに、ナット側座金５４が装着される。このナット側座金５４の装着により、ナット側座金５４の円筒状の鍔部５４ｂは、燃焼ガス側シール板群３３の燃焼ガス側貫通孔３３ａに挿通される。そして、燃焼ガス側シール板群３３から排気流路２８側に突出したボルト５１の軸部５１ａにナット５２が捻じ込まれる。

ところで、空気側貫通孔３２ａの内径は、ボルト側座金５３の円筒状の鍔部５３ｂの外径と実質的に同じである。このため、ボルト側座金５３の円筒状の鍔部５３ｂが空気側シール板群３２の空気側貫通孔３２ａに挿通されると、空気側シール板群３２は、連結具５０（ボルト側座金５３）に対して、径方向Ｄｒに相対移動できない。一方、燃焼ガス側貫通孔３３ａの内径は、連結具５０の外径、すなわち連結具５０のナット側座金５４の円筒状の鍔部５４ｂの外径よりも十分に大きくする。これにより、ナット側座金５４の円筒状の鍔部５４ｂが燃焼ガス側シール板群３３の燃焼ガス側貫通孔３３ａに挿通されても、燃焼ガス側シール板群３３は、連結具５０に対して、径方向に相対移動可能である。

また、図６において、空気側シール板群３２の２枚のシール板３１は、ボルト側座金５３の平面座５３ａの下流側端面と、対向する中間スペーサ３７の上流側端面の間の隙間に挿入される。ボルト側座金５３の鍔部５３ｂの軸方向長さ（平面座５３ａの下流側端面から鍔部５３ｂの頂部までの軸方向長さ）は、空気側シール板群３２の２枚のシール板３１の軸方向厚さより小さい。従って、シール板３１を、中間スペーサ３７とボルト側座金５３で形成される隙間に挿入して、連結具５０のボルト５１及びナット５２を軸方向に締め込んだ場合、空気側シール板群３２のシール板３１は、連結具５０に対する径方向Ｄｒの相対移動が拘束される。

一方、燃焼ガス側シール板群３３の２枚のシール板３１は、ナット側座金５４の平面座５４ａの上流側端面と対向する中間スペーサ３７の下流側端面の間の隙間に挿入される。ナット側座金５４の鍔部５４ｂの軸方向長さ（平面座５４ａの上流側端面から鍔部５４ｂの頂部までの軸方向長さ）は、燃焼ガス側シール板群３３の２枚のシール板３１の軸方向厚さより大きい。従って、連結具５０のボルト５１及びナット５２を締め込んだ場合でも、ナット側座金５４の鍔部５４ｂの頂部が中間スペーサ３７の下流側端面に接触し、ナット５２の更なる締め込みは困難となる。すなわち、中間スペーサ３７の下流側端面とナット側座金５４の平面座５４ａの上流側端面の間に形成される軸方向隙間にシール板３１を挿入した後、ボルト５１及びナット５２を締め込んだ場合でも、燃焼ガス側シール板群３３のシール板３１とナット側座金５４の平面座５４ａの上流側端面との間、又はシール板３１と中間スペーサ３７の下流側端面との間にはわずかな隙間が生ずる。したがって、燃焼ガス側シール板群３３のシール板３１は、連結具５０に対する径方向Ｄｒの相対移動が拘束されない。

つまり、前述のように、空気側シール板群３２は、連結具５０に対して径方向Ｄｒの相対移動はできない。一方、燃焼ガス側シール板群３３のシール板３１は、連結具５０の外径に対して十分に内径が大きい燃焼ガス側貫通孔３３ａを備え、中間スペーサ３７とナット側座金５４で形成される軸方向隙間より軸方向厚さが小さい。そのため、連結具５０に対して、燃焼ガス側シール板群３３は、径方向Ｄｒに相対移動可能である。

なお、燃焼ガス側シール板群３３のシール板３１は、連結具５０の外径に対して内径が大きい燃焼ガス側貫通孔３３ａを備えていれば、シール板３１の軸方向厚さが、中間スペーサ３７とナット側座金５４で形成される軸方向隙間と同じであってもよい。すなわち、燃焼ガス側シール板群３３のシール板３１とナット側座金５４の平面座５４ａの上流側端面との間、又はシール板３１と中間スペーサ３７の下流側端面との間に隙間が形成されていなくてもよい。

次に、以上で説明したシール装置３０の作用及び効果について説明する。

本実施形態では、排気流路２８側と、排気車室壁１０と外側ディフューザ１５との外側空間２９とを、空気側シール板群３２及び燃焼ガス側シール板群３３で仕切っているので、外側空間２９と排気流路２８側との間をシールすることができる。

本実施形態では、各シール板群３２，３３を構成する２枚のシール板３１は、図５を用いて前述したように、いずれも、組立の都合上、周方向Ｄｃに分割されており、複数の分割片３１ｐで構成されている。このため、１のシール板３１において、周方向Ｄｃに並んでいる分割片３１ｐの境目３１ｂ１から空気又は燃焼ガスＧが漏れ出る。しかしながら、本実施形態では、シール板群３２，３３を構成する２枚のシール板３１のうちの一のシール板３１を構成する複数の分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ１の位置と、この一のシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他のシール板３１を構成する複数の分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ２の位置とは、周方向Ｄｃで異なっている。このため、一のシール板３１を構成する複数の分割片３１ｐにおける周方向Ｄｃの境目３１ｂ１から空気又は燃焼ガスＧが漏れても、一のシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他のシール板３１で空気又は燃焼ガスＧがシールされ、その漏れを防ぐことができる。

本実施形態では、空気側シール板群３２と燃焼ガス側シール板群３３との間に外部からシール空気Ａｓを供給し、供給されたシール空気Ａｓがこの間を加圧している。空気側シール板群３２と燃焼ガス側シール板群３３との間に外側空間２９中の空気や排気流路２８側の燃焼ガスＧが流れ込むのを防ぐことができる。

よって、本実施形態のシール装置３０は、排気車室壁１０と外側ディフューザ１５との間の外側空間２９と排気流路２８側との間のシール性を高めることができる。

ところで、ガスタービンの運転中、外側ディフューザ１５は高温の燃焼ガスＧに接触し、排気車室壁１０は大気に接触している。このため、外側ディフューザ１５と排気車室壁１０とにおいては、ガスタービンの運転中、温度差により熱膨張差が生じる。この外側ディフューザ１５と排気車室壁１０との熱膨張差は、排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対する外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆの軸方向Ｄａ及び径方向Ｄｒの相対変位として現れる。

排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対する外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆの軸方向Ｄａの相対変位に対して、本実施形態のシール装置３０は、軸方向Ｄａへの変形が容易な各シール板３１が軸方向Ｄａに変形することで、軸方向Ｄａにおけるフランジ１０ｆ，１５ｆの相対変位を許容している。

排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対する外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆの径方向Ｄｒの相対変位に対して、本実施形態のシール装置３０は、各シール板群３２，３３の径方向外側端部３２ｏ，３３ｏ及び外側スペーサ３５が排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対して径方向Ｄｒに相対移動することで、径方向Ｄｒにおけるフランジ１０ｆ，１５ｆの相対変位を許容している。しかしながら、本実施形態のシール装置３０は、各シール板３１が軸方向Ｄａに変形し易いため、径方向Ｄｒにおけるフランジ１０ｆ，１５ｆの相対変位が生じると、各シール板３１が軸方向Ｄａに変形して、径方向Ｄｒにおけるフランジ１０ｆ，１５ｆの相対変位をある程度許容することになる。

図７に示すように、外側ディフューザ１５と排気車室壁１０との間の外側空間２９と、排気流路２８側とを１枚のシール板３１でシールする場合について考察する。

排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対して外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆが径方向Ｄｒで近づく側に変位した場合、軸方向Ｄａに変形容易な１枚のシール板３１は、軸方向Ｄａに変形して、その径方向外側端部３１ｏが径方向外側に移動しないと考えられる。排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対して外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆが径方向Ｄｒの近づく側への変位量が大きい場合、シール板３１が軸方向Ｄａの変位のみで、フランジ１０ｆ，１５ｆの相対変位を許容しようとすると、シール板３１の軸方向Ｄａの変形量が大きくなり、シール板３１が座屈するおそれがある。

本実施形態では、スペーサ３５，３６，３７により、軸方向Ｄａへの変位が容易なシール板３１で構成される空気側シール板群３２と、同じく、軸方向Ｄａへの変位が容易なシール板３１で構成される燃焼ガス側シール板群３３との間の軸方向Ｄａの間隔を確保することで、空気側シール板群３２と燃焼ガス側シール板群３３と各スペーサ３５，３６，３７とを合わせた部材における径方向Ｄｒへの座屈強度が向上されている。本実施形態では、中間スペーサ３７を設け、径方向Ｄｒにおける空気側シール板群３２及び燃焼ガス側シール板群３３の支点スパンを短くすることで、空気側シール板群３２と燃焼ガス側シール板群３３と各スペーサ３５，３６，３７とを合わせた部材における径方向Ｄｒの座屈強度がより向上されている。この結果、本実施形態では、排気車室壁１０のフランジ１０ｆに対して外側ディフューザ１５のフランジ１５ｆが径方向Ｄｒで近づく側に変位した場合、各シール板３１は座屈することなく軸方向Ｄａの変形が抑えられて、各シール板群３２，３３の径方向外側端部３２ｏ，３３ｏが径方向外側へ移動する。

ところで、ガスタービンの運転中、空気側シール板群３２は空気に接するのに対して、燃焼ガス側シール板群３３は高温の燃焼ガスＧに接する。このため、空気側シール板群３２に対して、燃焼ガス側シール板群３３の径方向Ｄｒの熱膨張量が大きくなる。従って、ガスタービンの運転中、空気側シール板群３２の径方向内側端部３２ｉからこの空気側シール板群３２を貫通する空気側貫通孔３２ａまでの距離に対して、燃焼ガス側シール板群３３の径方向内側端部３３ｉからこの燃焼ガス側シール板群３３を貫通する燃焼ガス側貫通孔３３ａまでの距離が長くなる。

連結具５０に対して、空気側シール板群３２と燃焼ガス側シール板群３３の両方が、径方向Ｄｒに相対移動不能の場合、前述したように、燃焼ガス側シール板群３３の径方向内側端部３３ｉからこの燃焼ガス側シール板群３３を貫通する燃焼ガス側貫通孔３３ａまでの距離が長くなる。そのため、図８Ａに示すように、連結具５０は下流側に向かうに連れて径方向外側に向かう方向に傾くことになる。このように、連結具５０が傾くと、燃焼ガス側シール板群３３及び空気側シール板群３２が連結具５０近傍で局部的に変形する。また、連結具５０の各座金５３，５４の外縁に接して、燃焼ガス側シール板群３３及び空気側シール板群３２が損傷するおそれがある。

本実施形態では、図６を用いて前述したように、燃焼ガス側シール板群３３の燃焼ガス側貫通孔３３ａの内径を、連結具５０のナット側座金５４の鍔部５４ｂの外径よりも十分に大きくして、連結具５０に対して、燃焼ガス側シール板群３３が径方向Ｄｒに相対移動可能にしている。このため、本実施形態では、ガスタービンの運転中、燃焼ガス側シール板群３３の径方向内側端部３３ｉからこの燃焼ガス側シール板群３３を貫通する燃焼ガス側貫通孔３３ａまでの距離が長くなっても、この燃焼ガス側貫通孔３３ａに対して連結具５０が相対移動することで、図８Ｂに示すように、連結具５０は傾かなくなる。よって、本実施形態は、連結具５０の傾きによる燃焼ガス側シール板群３３及び空気側シール板群３２の損傷を回避することができる。

本実施形態では、燃焼ガス側シール板群３３の燃焼ガス側貫通孔３３ａの内径を連結具５０のナット側座金５４の鍔部５４ｂの外径よりも十分に大きくしているが、逆に、空気側シール板群３２の空気側貫通孔３２ａの内径を連結具５０の貫通部の外径よりも十分に大きくしても、連結具５０の傾きを抑えることができる。

外側ディフューザ１５の径方向内側に存在する燃焼ガスＧ、及び外側ディフューザ１５の径方向外側に存在する空気により、各ガスに接触する複数のシール板３１が振動することが考えられる。本実施形態では、燃焼ガス側シール板群３３を２枚のシール板３１で構成し、空気側シール板群３２も２枚のシール板３１で構成している。このため、燃焼ガス側シール板群３３の２枚のシール板３１のうち、燃焼ガスＧに接するシール板３１が燃焼ガスＧから振動エネルギーを受けても、燃焼ガスＧに接するシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他方のシール板３１との摩擦により、振動エネルギーが吸収されて、２枚のシール板３１の振動を軽減することができる。同様に、空気側シール板群３２の２枚のシール板３１のうち、空気に接するシール板３１が空気から振動エネルギーを受けても、空気に接するシール板３１に軸方向Ｄａに向く面で接する他方のシール板３１との摩擦により、振動エネルギーが吸収されて、２枚のシール板３１の振動を軽減することができる。本実施形態では、中間スペーサ３７を設けたことにより、径方向Ｄｒにおける空気側シール板群３２及び燃焼ガス側シール板群３３の支点スパンが短くなり、各シール板群３２，３３の振動振幅を小さくすることができる。

本実施形態は、各シール板群３２，３３の振動を軽減することができ、振動によるシール板３１の損傷を抑えることができる。すなわち、本実施形態は、各シール板群３２，３３を複数枚のシール板３１で構成することで、シール板３１を構成する複数の分割片３１ｐの境目３１ｂ１からのガス漏れを防ぐと共に、振動によるシール板３１の損傷を抑えている。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
本実施形態では、各シール板群３２，３３を２枚のシール板３１で構成しているが、３枚重ね以上のシール板３１で構成してもよい。

本実施形態では、排気車室壁１０の下流端部に設けられているシール装置３０について代表して説明したが、排気室サポート１１の上流端部に設けられているシール装置３０ａも、排気車室壁１０の下流端部に設けられているシール装置３０と基本的に同様の構成であるため、本実施形態のシール装置３０と同様の作用効果を得ることができる。
排気室サポート１１の上流端部に設けられているシール装置３０ａよりも下流側に別のシール装置を設ける場合でも、本実施形態のシール装置３０と同様の構成のシール装置とすることが好ましい。

本発明は、ガスタービンのディフューザの端部をシールするシール装置、及びこれを備えているガスタービンに関する。本発明では、外側空間と排気流路側とを第一、第二のシール板群で仕切っているので、外側空間と排気流路側との間をシールすることができる。本発明では、各シール板群の振動を軽減することができるので、振動によるシール板の損傷を抑えることができる。

１：圧縮機、２：燃焼器、３：タービン、４：ケーシング、５：タービンロータ、８：動翼、１０：排気車室壁（外側部材）、１０ｐ；シール空気流路、１１：排気室サポート、１２：排気室、１５，１７：外側ディフューザ、１６，１８，１９：内側ディフューザ、２７，２８：外側空間、２９：排気流路、３０，３０ａ：シール装置、３１：シール板、３１ｐ：分割片、３２：空気側シール板群（第一のシール板群）、３３：燃焼ガス側シール板群（第二のシール板群）、３３ａ：燃焼ガス側貫通孔、３５：外側スペーサ、３６：内側スペーサ、３７：中間スペーサ、４０：外側取付具、４５：内側取付具、５０：連結具、５４：ナット側座金、鍔部：５４ｂ

Claims (10)

1. 筒状を成し、ガスタービンのロータを回転させた燃焼ガスが通る排気流路を径方向内側に形成する外側ディフューザの径方向外側と、該外側ディフューザの径方向外側に間隔をあけて配置されている外側部材との間の外側空間と、前記排気流路との間を該外側ディフューザの端部でシールするシール装置において、
   筒状の前記外側ディフューザの端部から径方向外側へ広がって前記外側部材に至る複数のシール板が互いに接して積層されている第一のシール板群及び第二のシール板群と、
   前記ロータの回転軸線が延びる軸方向に、前記第一のシール板群と前記第二のシール板群とを間隔をあけて保持するスペーサと
   を備えているシール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置において、
   前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する複数のシール板は、前記ロータを中心とする周方向に並んで周方向の一部を形成する複数の分割片を有して構成され、
   前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する複数の前記分割片における周方向の境目の位置と、前記第一のシール板群又は前記第二のシール板群を構成する前記分割片に軸方向に向く面で接する他の分割片における周方向の境目の位置とは、周方向で異なっているシール装置。
3. 請求項１又は２に記載のシール装置において、
   前記スペーサは、前記第一のシール板群の径方向外側部と前記第二のシール板群の径方向外側部との間隔を保持する外側スペーサと、前記第一のシール板群の径方向内側部と前記第二のシール板群の径方向内側部との間隔を保持する内側スペーサと、を有する、シール装置。
4. 請求項３に記載のシール装置において、
   前記外側スペーサには、径方向外側から径方向内側に向かって貫通するシール空気孔が形成されているシール装置。
5. 請求項３又は４に記載のシール装置において、
   前記外側スペーサと前記内側スペーサとの間で前記第一のシール板群と前記第二のシール板群との間隔を保持する中間スペーサと、を有するシール装置。
6. 請求項５に記載のシール装置において、
   前記第一のシール板群と前記中間スペーサと前記第二のシール板群とを貫通して、前記第一のシール板群及び前記第二のシール板群を中間スペーサに密着させる連結具を備え、
   前記第二のシール板群に形成される前記連結具が貫通する燃焼ガス側貫通孔は、前記第二のシール板群が前記連結具に対して径方向に相対移動可能なように、前記連結具外径より大きく形成されているシール装置。
7. 請求項６に記載のシール装置において、
   前記第二のシール板群の軸方向厚さは、前記中間スペーサと前記連結具のナット側座金の間に形成された軸方向隙間より小さく形成されているシール装置。
8. 請求項３から７のいずれか一項に記載のシール装置において、
   前記第一のシール板群の径方向外側部と前記外側スペーサと前記第二のシール板群の径方向外側部とを、前記軸方向で前記外側部材との間で挟み込んで、該外側部材に取り付ける外側取付具と、
   前記第一のシール板群の径方向内側部と前記内側スペーサと前記第二のシール板群の径方向内側部とを、前記軸方向で前記外側ディフューザとの間で挟み込んで、該外側ディフューザに取り付ける内側取付具と
   を備え、
   前記内側取付具と前記外側取付具とのうちのいずれか一方の取付具は、前記第一のシール板群及び前記第二のシール板群を取付対象に対して径方向に相対移動可能に取り付けるシール装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のシール装置と、
   前記外側ディフューザと、
   前記外側部材と、
   を備えているガスタービン。
10. 請求項９に記載のガスタービンにおいて、
    前記外側部材に形成され、前記第一のシール板群と前記第二のシール板群との間にシール空気を供給するシール空気路を更に備えるガスタービン。

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