JP6029274B2

JP6029274B2 - シール組立体、及びこれを備えたガスタービン

Info

Publication number: JP6029274B2
Application number: JP2011246539A
Authority: JP
Inventors: 喜敏藤本; 健太谷口; 勇大青山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN103890350A; EP2778373B1; KR20140054366A; US20140023489A1; EP2778373A1; JP2013104304A; EP2778373A4; WO2013069775A1

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器において、周方向に隣接する燃焼器同士の尾筒間に設けられるシール装置に関するものである。

ガスタービンの燃焼器は、ロータの周方向に複数が隣り合って設置されている。これら複数の燃焼器は、尾筒出口のフランジ部同士が互いに隣接して配置されており、この接続箇所にシール構造が設けられることにより、圧縮機から車室内へ導入された圧縮空気がタービン内部へ入り込まないようにされている。

このようなシール構造については種々のものが公知となっており、例えば特許文献１（図１４）においては、隣り合う燃焼器のフランジ同士が対向する面に各々凹溝が形成され、この凹溝間にわたってシール組立体が挿入されている。このシール組立体は、長尺状のシール板と金属製のバネ板とがスポット溶接によって接合されたものとなっており、上記シール板は燃焼器からの振動による加振力を低減するために薄板状となっている。

特許第４６７２７２８号公報

しかしながら、上記特許文献１のシール板は薄板状とされているため、製作時、取付取外時、運転時においてシール板に変形が生じ、凹溝（凹部）とシール板との間に間隙が発生してしまうおそれがあった。このような間隙から、尾筒外部の圧縮空気が燃焼ガス側に漏れてしまうことで、燃焼器において燃焼用として用いられる圧縮空気が減少してしまう。そのため、燃焼器内部の火炎温度が上昇し、燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を増加させてしまう。さらに、この間隙へ流入する圧縮空気によって引き起こされる自励振動によって、シール板が損傷を受けてしまうという懸念もあった。
また、このような変形及び自励振動抑制による損傷発生を防止するため、シール板の板厚を増加させることも可能である。しかし、この場合、凹溝（凹部）の形状を変更しなければならないため、既に設置されているガスタービンに対してシール板の板厚を増加させたシール組立体を適用するためには、同時に燃焼器を交換しなければならない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、既に設置されているガスタービンにも適用可能なうえ、シール板の変形及び損傷を防止してシール性能と耐久性の向上が可能なシール組立体及びこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るシール組立体は、複数の燃焼器の各々に設けられ、側面で互いに隣接する尾筒出口フランジの前記側面に設けられた一対の凹部が画定する空間に挿入されるシール組立体において、前記一対の凹部のそれぞれで互いに対向する側面のうち、前記尾筒内を流れる燃焼ガスの下流側の側面のそれぞれに接触するシール部が形成されているシール体と、前記シール体を前記下流側に向って付勢する弾性体と、を備え、前記シール体は、前記一対の凹部のそれぞれの前記下流側の側面に対向し、前記シール部が形成されているシール板と、前記シール板で前記側面の方向で互いに対向する側縁のそれぞれから、前記凹部の底面に沿って前記燃焼ガスの上流側に向って前記シール板より前記上流側の位置まで直線状に延びる側板と、を有し、前記弾性体は、前記シール板の前記上流側の面に接触して前記シール板を前記下流側に向かって付勢するシール板接触部と、該シール板接触部から該上流側に延び、その一部が前記一対の凹部のそれぞれの前記上流側の側面に接触する弾性部と、を有する、ことを特徴とする。
さらに、本発明に係るシール体は、複数の燃焼器の各々に設けられ、側面で互いに隣接する尾筒出口フランジの前記側面に設けられた一対の凹部が画定する空間に挿入されるシール組立体において、前記一対の凹部のそれぞれで互いに対向する側面のうち、前記尾筒内を流れる燃焼ガスの下流側の側面のそれぞれに接触するシール部が形成されているシール体と、前記シール体を前記下流側に向って付勢する弾性体と、を備え、前記シール体は、前記一対の凹部のそれぞれの前記下流側の側面に対向し、前記シール部が形成されているシール板と、前記シール板の側縁のそれぞれから、前記下流側に突出する凸部と、前記凸部に接続し、前記凹部の底面に沿って前記燃焼ガスの上流側に向って延びる側板と、を有し、前記弾性体は、前記シール板の前記上流側の面に接触して前記シール板を前記下流側に向かって付勢するシール板接触部と、該シール板接触部から該上流側に延び、その一部が前記一対の凹部のそれぞれの前記上流側の側面に接触する弾性部と、を有し、前記燃焼ガスの流れる方向における前記シール板から前記側板の端部までの距離が、前記燃焼ガスの流れる方向における前記シール板から前記凸部の頂点までの距離よりも大きいことを特徴とする。

このようなシール組立体によると、シール組立体が凹部へ挿入された状態において、弾性体の弾性部が凹部の上流側の側面に接触し、シール板接触部を介してシール体を凹部の下流側の側面に押し付けてシール性能を発揮する。この際、シール板の両側縁から上流側に向かって側板が延びているため、シール板の板厚を増大させなくとも、断面剛性の向上を達成できる。そのため、シール板の変形及び損傷を防止してシール性能と耐久性を向上させることができる。また板厚を変更していないため、既存の凹部の形状や大きさに対応でき、シール組立体を上記空間へ挿入可能となる。

また、上記のシール組立体において、前記シール体の前記シール板と前記側板とがなす角部の断面形状は、円弧形状であってもよい。

このような断面円弧形状の角部によって、仮に燃焼器が軸方向に熱伸びして、隣り合う燃焼器同士の間に位置ズレが発生した後に再び位置ズレが解消された場合等であっても、凹部からシール組立体が脱落することなく、上記空間内に収さまるように移動可能であるため、シール性能を保持することが可能である。

さらに、本発明に係るガスタービンは、ロータと、前記ロータの周方向に配置されている複数の燃焼器と、複数の前記燃焼器で隣り合う燃焼器のそれぞれの前記凹部によって定められる前記空間に挿入される上記のシール組立体とを備えていることを特徴とする。

このようなガスタービンによると、シール板の側板によって板厚を増加させることなく断面剛性の向上を図ることができるため、凹部の形状変更に伴う設計変更を不要としながら、シール板の変形及び損傷を防止してシール性能の向上を図ることができる。そのため、圧縮空気の漏れを減らすことができるから、窒素酸化物の発生量を削減することができる。さらに、シール板の上記角部が断面円弧状であることによって、凹部からのシール組立体の脱落を防止しながら、挿入空間内で円滑移動可能とされ、シール性能を保持できる。

本発明のシール組立体、及びガスタービンによれば、既設のガスタービンにこれらを適用可能であり、シール板の両側部の側板によってシール性能と耐久性の向上を達成することができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンの全体概略図である。本発明の実施形態に係るガスタービンの燃焼器の概略断面図である。本発明の実施形態に係るガスタービンの燃焼器の尾筒及びシール組立体を示す立体図である。本発明の実施形態に係るガスタービンの燃焼器におけるシール組立体の設置状態を示す図であって、図３のＡ−Ａ断面を示すものである。本発明の実施形態に係るガスタービンの燃焼器におけるシール組立体の立体図である本発明の実施形態に係るガスタービンの燃焼器におけるシール組立体の断面図であって、（ａ）は図５の断面Ａ−Ａを、（ｂ）は図５の断面Ｂ−Ｂを、（ｃ）は図５の断面Ｃ−Ｃを示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るガスタービン１について説明する。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２において生成された圧縮空気Ｗを燃焼器３で燃料と混合した後に燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスＧを生成するように構成されている。そしてこの燃焼ガスＧをタービン４へ流入させることによって、このタービン４のロータ６を軸線Ｐ（以下、ガスタービン１の軸線Ｐ）回りに回転させ、回転動力を得るようになっており、また、上記燃焼ガスＧはタービン４を回転させた後に、排気室５を通じて排気される。

次に、燃焼器３について説明する。
なお、以下では、ガスタービン１の圧縮機２側（図１の紙面左側）を上流側と称し、排気室５側（図１の紙面右側）を下流側と称する。
図２及び図３に示すように、燃焼器３は、圧縮機２とタービン４の間に配置されて、ガスタービン１の軸線Ｐについての周方向に複数が並設されており、それぞれが車室７に接続されている。

燃焼器３は、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン４に送る尾筒１１と、この尾筒１１内に燃料及び圧縮空気Ｗを供給する燃料供給器１２とを備え、さらに図３及び図４に示すように、隣り合う尾筒１１同士の出口部分の間に設けられるシール組立体３０とを備えている。

燃料供給器１２は、パイロット燃料ＰＦ及び圧縮空気Ｗを尾筒１１内に供給して、この尾筒１１内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ１３と、メイン燃料ＭＦ及び圧縮空気Ｗを予混合して、予混合気体として尾筒１１内に供給し、この尾筒１１内に予混合火炎を形成する複数のメインノズル１４とを有している。そして、パイロットバーナ１３及びメインノズル１４によって、尾筒１１内で燃焼ガスＧが生成される。

尾筒１１は、筒状部材１６の下流端に尾筒出口フランジ１５が設けられているものであり、この尾筒出口フランジ１５を介して燃焼器３とタービン４とが接続され、燃焼ガスＧがタービン４内へ流入可能とされている。

そして、図３及び図４に示すように、この尾筒出口フランジ１５には、隣り合う燃焼器３の尾筒出口フランジ１５同士が対向する対向面１５ａから、互いに遠ざかるようにガスタービン１の軸線Ｐについての周方向に向かって凹む凹部２１が形成されている。また、これらの対向する凹部２１によって空間Ｓが形成されており、この空間Ｓ内にはシール組立体３０が挿入されている。

次に、図４から図６を参照してシール組立体３０について説明する。
シール組立体３０は、ガスタービン１の軸線Ｐについての径方向を長手方向とし、上記空間Ｓ内に径方向全域にわたって設けられ、尾筒１１外部の圧縮空気Ｗが燃焼ガスＧに混入することを防止する金属製のシール部材である。
そしてこのシール組立体３０は、空間Ｓ内において、凹部２１の下流側の側面である第一側面２１ａに対向するシール体３１と、上流側の側面である第二側面２１ｂに対向するバネ部（弾性体）３２とを備えている。

シール体３１は、第一側面２１ａに接触するシール部となるシール板４１を有する。このシール板４１の、ガスタービン１の軸線Ｐについての周方向両縁部に位置する側縁からは、凹部２１の底面２１ｃに沿って上流側に向かって延びる側板４２が形成されている。また、上記側縁においては断面円弧形状となるように、シール体３１は下流側に突出する凸部４３を有するとともに、角の無い滑らかな曲面によって側板４２とシール板４１とが接続されている。

また、シール体３１の、ガスタービン１の軸線Ｐについての径方向外側の端部は、シール組立体３０を空間Ｓに挿入する際の取手部３３となっている。

バネ部３２は、弾性変形可能なバネ板５１を有しており、バネ板５１はシール板４１の上流側を向く面上に位置するシール板接触部５１ａにおいて、シール板４１に溶接によって接合されている。またバネ板５１は、このシール板接触部５１ａを基点とした上流側であって、ガスタービン１の軸線Ｐの径方向の内外両側に向かってシール板４１から離間するようにＶ字状に延びるように形成されている。さらに、このバネ板５１は上記長手方向に一定の間隔を空けて複数設けられており、シール板接触部５１ａとバネ板５１の端部５１ｂとの間の中途位置で、隣り合うバネ板５１同士が重なり合っている。具体的にはバネ板５１は、細長く形成されたバネ板５１Ａと、貫通孔５４が設けられたバネ板５１Ｂの二種類よりなる。そして、バネ板５１Ｂに設けられた貫通孔５４に、バネ板５１Ａを通した状態で、バネ板５１が設置されている。

そして、このバネ板５１においては、シール板接触部５１ａと端部５１ｂとの間の中途位置であって、貫通孔５４よりも上流側の位置でシール板４１と平行となる平行面５６を形成するように屈曲部５５が設けられている。また、第二側面２１ｂに対向するシール部となる略矩形状をなす当接部５２（弾性部）が、上流側から平行面５６上に載置され、溶接によって接合されている。

また、この当接部５２は、ガスタービン１の軸線Ｐの周方向両縁部において上流側に曲面状に突出する凸部５３を有しており、この凸部５３が凹部２１の第二側面２１ｂに接触するようになっている。

このようなガスタービン１においては、シール組立体３０が空間Ｓへ挿入された状態では、当接部５２の凸部５３が凹部２１の第二側面２１ｂに接触し、シール板接触部５１ａを介してシール体３１を下流側の第一側面２１ａに押し付ける。このようにして、隣り合う尾筒出口フランジ１５同士の間に間隙が形成されることがなく、確実にシール性能を発揮することができる。

さらに、シール体３１に側板４２が設けられることによって、シール板４１の板厚を増加させることなく、断面剛性を向上できる。従って、この断面剛性向上によって、シール組立体３０を空間Ｓ内へ設置する際に変形してしまうことを防止でき、凹部２１とシール組立体３０との間の間隙形成を回避できるから、シール性能を向上させることができる。そして仮に、シール組立体３０が変形してしまい上記間隙が形成されてしまった場合であっても、この間隙を通過する漏れ空気によって発生する自励振動の回避が可能となる。従って、このような自励振動によるシール組立体３０の損傷を回避することができ、シール組立体３０の耐久性を向上させることができる。

さらに、ガスタービン１の運転によって、隣り合う燃焼器３同士の間に位置ズレが生じても、この位置ズレに追従してシール体３１の凸部４３が凹部２１の第一側面２１ａに、また、当接部５２の凸部５３が第二側面２１ｂに接触可能である。このため、隣り合う尾筒出口フランジ１５同士の間に間隙を形成することがなく、確実にシール性能を発揮でき、尾筒１１外部の圧縮空気Ｗが燃焼ガスＧに混入してしまうことを防止できる。

また、ガスタービン１の運転によって燃焼器３の軸線Ｐ方向への熱伸縮が発生したり、燃焼器３が振動する場合であっても、側板４２が設けられることによって、凹部２１の内周面である第一側面２１ａ、第二側面２１ｂ、底面２１ｃへ、シール組立体３０が接触する箇所が多くなり、空間Ｓからシール組立体３０が脱落しにくい。また、シール板４１と側板４２との接続部が角のない曲面状となっているため、仮にシール組立体３０が空間Ｓから脱落しそうな状態となっても、ガスタービンの運転停止等によって燃焼器３の位置ズレが解消した際や振動が収まった際には、再びシール組立体３０が空間Ｓ内に収まるように円滑移動が可能である。

また、仮にシール体３１が側板４２を有しない矩形状である場合には、凹部２１の底面２１ｃと第一側面２１ａとの間に形成される角部、又は底面２１ｃと第二側面２１ｂとの間に形成される角部にシール体３１が噛み込んでしまうおそれがある。しかしこの点、本実施形態のシール体３１は、側板４２によって噛み込みを防止でき、確実にシール性能を発揮可能となる。

本実施形態のガスタービン１によると、シール体３１の側板４２によってシール板４１の板厚を増大することなく断面剛性が高められ、シール組立体３０の変形及び損傷を回避できる。これによりシール性能の向上を達成することが可能となる。さらに自励振動による損傷を回避することができ、シール組立体３０の耐久性を向上することができる。そして、尾筒１１外部からの圧縮空気Ｗが燃焼ガスＧに漏れこんでしまうことにより、燃焼器３に流れる燃焼用空気が不足することで火炎温度が上昇し、窒素酸化物が発生してしまうことを防ぐことができ、ガスタービン１の排気ガスの性状を改善することができる。

さらに、板厚を増加せずに断面剛性の向上が可能となり、空間Ｓへ設置された際の軸線Ｐ方向の寸法も増大することがないため、凹部２１の形状変更にともなう尾筒１１の設計変更が不要となる。言い換えれば、本実施形態のガスタービン１は、既に取り付けられている燃焼器３を取り替えることなく、そのシール性能を向上させることによって排気ガスの性状を改善することができる。

また、燃焼器３の位置ズレが発生した際にも、シール体３１の側板４２によってシール組立体３０の脱落や噛み込みを防止可能である。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、シール体３１の凸部４３、当接部５２の凸部５３表面には、耐摩耗性のＣｒＣ、ＷＣ、ＭｏＳ２等がコーティングされてもよく、このようなコーティングによって、シール組立体３０の耐久性を向上し、ガスタービン１のさらなる性能向上を達成できる。

また、シール体３１においては、凸部４３が形成されずに、側板４２とシール板４１との接続部分がＲ状となっているのみであってもよい。

さらに、上記実施形態では、隣り合うバネ板５１同士が重なり合うように配置されているが、バネ板５１の配置間隔、バネ板５１の長さ寸法等の際によって、重なり合わないように製作しても構わない。

１…ガスタービン、２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、５…排気室、６…ロータ、７…車室、１１…尾筒、１２…燃料供給器、１３…パイロットバーナ、１４…メインノズル、１５…尾筒出口フランジ、１５ａ…対向面、１６…筒状部材、２１…凹部、２１ａ…第一側面、２１ｂ…第二側面、２１ｃ…底面、３０…シール組立体、３１…シール体、３２…バネ部（弾性体）、３３…取手部、４１…シール板、４２…側板、４３…凸部、５１…バネ板、５１ａ…シール板接触部、５１ｂ…端部、５２…当接部（弾性部）、５３…凸部、５４…貫通孔、５５…屈曲部、５６…平行面、Ｐ…軸線、Ｗ…圧縮空気、Ｇ…燃焼ガス、ＭＦ…メイン燃料、ＰＦ…パイロット燃料、Ｓ…空間

Claims

複数の燃焼器の各々に設けられ、側面で互いに隣接する尾筒出口フランジの前記側面に設けられた一対の凹部が画定する空間に挿入されるシール組立体において、
前記一対の凹部のそれぞれで互いに対向する側面のうち、前記尾筒内を流れる燃焼ガスの下流側の側面のそれぞれに接触するシール部が形成されているシール体と、
前記シール体を前記下流側に向って付勢する弾性体と、
を備え、
前記シール体は、前記一対の凹部のそれぞれの前記下流側の側面に対向し、前記シール部が形成されているシール板と、前記シール板で前記側面の方向で互いに対向する側縁のそれぞれから、前記凹部の底面に沿って前記燃焼ガスの上流側に向って前記シール板より前記上流側の位置まで直線状に延びる側板と、を有し、
前記弾性体は、前記シール板の前記上流側の面に接触して前記シール板を前記下流側に向かって付勢するシール板接触部と、該シール板接触部から該上流側に延び、その一部が前記一対の凹部のそれぞれの前記上流側の側面に接触する弾性部と、を有する、
ことを特徴とするシール組立体。
複数の燃焼器の各々に設けられ、側面で互いに隣接する尾筒出口フランジの前記側面に設けられた一対の凹部が画定する空間に挿入されるシール組立体において、
前記一対の凹部のそれぞれで互いに対向する側面のうち、前記尾筒内を流れる燃焼ガスの下流側の側面のそれぞれに接触するシール部が形成されているシール体と、
前記シール体を前記下流側に向って付勢する弾性体と、
を備え、
前記シール体は、前記一対の凹部のそれぞれの前記下流側の側面に対向し、前記シール部が形成されているシール板と、前記シール板の側縁のそれぞれから、前記下流側に突出する凸部と、前記凸部に接続し、前記凹部の底面に沿って前記燃焼ガスの上流側に向って延びる側板と、を有し、
前記弾性体は、前記シール板の前記上流側の面に接触して前記シール板を前記下流側に向かって付勢するシール板接触部と、該シール板接触部から該上流側に延び、その一部が前記一対の凹部のそれぞれの前記上流側の側面に接触する弾性部と、を有し、
前記燃焼ガスの流れる方向における前記シール板から前記側板の端部までの距離が、前記燃焼ガスの流れる方向における前記シール板から前記凸部の頂点までの距離よりも大きい
ことを特徴とするシール組立体。
請求項１に記載のシール組立体において、
前記シール体の前記シール板と前記側板とがなす角部の断面形状は、円弧形状である、
ことを特徴とするシール組立体。
ロータと、
前記ロータの周方向に配置されている複数の燃焼器と、
複数の前記燃焼器で隣り合う燃焼器のそれぞれの前記凹部によって定められる前記空間に挿入される請求項１から３のいずれか一項に記載のシール組立体と、
を備えていることを特徴とするガスタービン。