JPH11257015A - ガスタービンにおけるディスクのシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンにおいてタービンディスクへの
燃焼ガスの侵入を防止するシール構造において、シール
空気のリークを抑制すると共に、クリアランスの拡大を
防止し、好適なシールを行いうる様にしたものを提供す
ることを課題とする。 【解決手段】 静翼内径側キャビティを区画するボック
スは同静翼内径側キャビティと下流キャビティとを密封
して区画し、内周にシールピースを保持して上流キャビ
ティから下流キャビティへ連通するクリアランスを規制
するリング状の保持環は、前記ボックスに対し半径方向
に可動に支持することにより、静翼内側キャビティと下
流キャビティとの間でシール空気をリークすることは無
く、タービンにおける効率の低下を来さず、また、クリ
アランスは静翼等の熱変形の影響から切り離され、シー
ル空気を大量に流して効率低下に結びつけるというおそ
れも無いシール空気の供給構造を得るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンにお
いてタービンディスクへの燃焼ガスの侵入を防止するシ
ール構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンでは、燃焼ガスの温度を上
昇させることで性能の向上を図っているが、これに伴っ
て高温の燃焼ガスが直接当たる翼部においては、燃焼ガ
スの温度の上昇に対して翼内部に冷却空気を通して冷却
することによって翼部の温度上昇を抑えている。

【０００３】また、前記翼部を支持するディスク部で
は、高温の燃焼ガスと直接接触しないようにガスパスと
の間にキャビティを設け、同キャビティ部にガスパスよ
りも圧力が高く、かつ温度の低い空気を供給することに
よって燃焼ガスをシールすることによってロータの温度
上昇を防いでいる。

【０００４】この様な思想に基づいて構成された従来の
産業用ガスタービンにおいて、高温の燃焼ガス（高温ガ
ス）から前記ディスク部の温度上昇を防ぐための具体的
な構造について、図３および図４を用いて説明する。

【０００５】高温ガスＡは矢印８の向きに流れ、タービ
ン上流から下流にかけて動翼１、静翼３、動翼２の順に
通過するガスパス７を形成する。このとき静翼３とディ
スク４、ディスク５で区画する上流キャビティ３１及び
下流キャビティ３２にガスパス７内の高温ガスＡが侵入
すると、ディスク４及びディスク５の温度が許容値より
高くなってしまう。

【０００６】これを防ぐために、ガスパス７より圧力が
高くかつ温度の低いシール空気Ｂを、静翼３の外径側か
ら静翼３の内径側とこれに対峙する保持環３８で区画さ
れた静翼内側キャビティ３３（以下キャビティ３３とい
う）に導入し、更に同キャビティ３３から上流キャビテ
ィ３１へ向けて開口する孔３４を経て前記シール空気Ｂ
を矢印３５の向きに供給することにより、上流キャビテ
ィ３１の圧力をガスパス７の圧力より高く維持して高温
ガスＡの侵入を防いでいる。

【０００７】また、この様にして上流キャビティ３１へ
供給されたシール空気Ｂは、更に保持環３８に装着され
たシールピース９と、ディスク間シール５０で密封され
たディスク４及びディスク５の間に形成されたクリアラ
ンス６を通って矢印３６に沿って流れ、上流キャビティ
３１より圧力の低い下流キャビティ３２へ供給される。

【０００８】これにより、下流キャビティ３２の圧力も
静翼３の下流位置に相当するガスパス７の圧力より高く
維持され、高温ガスＡが下流キャビティ３２に侵入する
のが防止される。

【０００９】しかし、このクリアランス６が広すぎる
と、シール空気Ｂが下流キャビティ３２に流れ易くな
り、上流キャビティ３１の圧力が低下することになるの
で、この圧力低下を避けるために同上流キャビティ３１
の圧力をガスパス７より高く維持することが必要とな
り、そのためより多くのシール空気Ｂが必要となる。

【００１０】このシール空気Ｂは、ディスク部の温度上
昇を防ぐために上流キャビティ３１及び下流キャビティ
３２の圧力をそれぞれガスパス７より高く維持してガス
パス７中に吹き出すことになり、吹き出した後は仕事を
しない無駄な空気となっている。

【００１１】従って、ガスタービンの効率を向上させる
面からは、前記したクリアランス６を広くしないで全体
のシール空気Ｂの流量はできるだけ低減させたほうが好
ましいことになるが、他方、クリアランス６が狭すぎる
とガスタービン運転時の非定常状態においてシールピー
ス９とディスク４及びディスク５が互いの熱伸び差によ
り接触損傷することになるため、同接触損傷を防止する
と共に流量を低減した必要最小限のクリアランスを設定
し、維持することが必要である。

【００１２】次に、他の従来例として航空用ガスタービ
ンについて図５ないし図７を用いて説明する。

【００１３】シール空気Ｂは、静翼３の外径側から同静
翼３内径側に個々に取り付けられたボックス５７で形成
される静翼内側キャビティ５３（以下キャビティ５３と
いう）へ導入され、更に上流キャビティ５１へ向けて開
口する孔５４を経て矢印５５の向きに供給されて上流キ
ャビティ５１の圧力をガスパス７の圧力より高く維持
し、高温ガスＡの侵入を防いでいる。

【００１４】また、ボックス５７は、キャビティ５３か
ら直接下流キャビティ５２へシール空気Ｂをリークさせ
ることがないように、上流キャビティ５１へシール空気
Ｂを送る孔５４以外は完全に密閉された構造になってい
る。

【００１５】従って、キャビティ５３に導入されたシー
ル空気Ｂは、その全てが上流キャビティ５１に供給され
ることとなるためにリークがなくなり、その分シール空
気Ｂの流量を減らすことができる。

【００１６】また、上流キャビティ５１から下流キャビ
ティ５２へ矢印５６のように供給されるシール空気Ｂの
流量は、ボックス５７の内径側に装着されたシールピー
ス９と、ディスク４及びディスク５との間に形成される
クリアランス６で制限されている。

【００１７】但し、ボックス５７は、静翼３の内径側に
直接取り付けられており、かつ同静翼３はガスパス７内
に配置されて高温ガスＡに接触するため温度の変動が大
きくなり、熱伸びによる変化量も大きなものであるの
で、同ボックス５７に取付けられたシールピース９の半
径方向変位は同ボックス５７共々静翼３に支配され大き
くなる。

【００１８】以上より、図７に示すように組立時（初
期）のクリアランス６は、静翼３の熱伸び量７１を考慮
して設定する必要が有るため、熱伸びが飽和するまで、
クリアランス６が大きくなり（シール空気Ｂの量が増加
する必要がある）、部分負荷時の性能が低下する。

【００１９】更に静翼３の熱伸び量は、温度分布にばら
つきが生じ易い燃焼ガスの温度分布によって決まるた
め、そのばらつきの最大を考慮するとクリアランス６を
詰めることは困難である。

【００２０】この熱伸びは、航空機用ガスタービンにお
いては径が小さなことにより影響は小さいが、この構成
をそっくりそのまま産業用ガスタービンに応用した場合
には、径の大きな産業用ガスタービンでは静翼の熱伸び
による変動幅は同図７にばらつき大７２として示す様に
大きくなるため無視できない問題となる。

【００２１】なお、この点について前記図３及び図４に
示した従来の産業用ガスタービンと対比してみると、同
産業用ガスタービンでは、シールピース９が装着された
保持環３８が静翼３とは半径方向に独立したリング状の
構造になっているため、これに装着されたシールピース
９の半径方向変位は、保持環３８の熱伸びのみによって
支配される。

【００２２】また、保持環３８とディスク４およびディ
スク５は、互いに径長差、及び温度差が小さいため、非
定常状態でクリアランス６の変動幅は、ばらつき小７３
として示す様に小さくなることから、組立時（初期）の
クリアランス６を小さく設定できる。

【００２３】更にクリアランス６の変動は、燃焼ガスの
温度分布に支配されるばらつきの大きな静翼３の熱伸び
とは独立しているために、その影響を受けず、上記ばら
つきを考慮する必要がない分クリアランス６を詰めるこ
とができるので、キャビティ３１からキャビティ３２へ
供給されるシール空気Ｂの流量を部分負荷時も含めて必
要最小限に低減することが可能である。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】従来の第１例として前
記した産業用ガスタービンにおけるシール部の構造に
は、上記のシール空気Ｂの流量を低減させる点で以下の
問題点が存在する。

【００２５】静翼３は個々に独立しているため、翼と翼
の間には隙間ができるので、この隙間を塞ぐためにシー
ル板３７が挿入されているが、これによっても完全に塞
ぎきれずに尚且つ隙間３９，４０が残る。

【００２６】これにより静翼３の外径側からキャビティ
３３に導入されたシール空気Ｂは、孔３４より上流キャ
ビティ３１へ供給される以外に隙間３９，４０から下流
キャビティ３２へリーク空気Ｃとして直接リークするこ
とになる。

【００２７】このため上流キャビティ３１では、供給さ
れるシール空気Ｂの流量が不足し圧力が下がるため高温
ガスＡが侵入してくるので、これを防ぐためにはリーク
空気Ｃの流量を見込んだ更に多くのシール空気Ｂが必要
となり、この分ガスタービンの効率が低下することにな
る。

【００２８】他方、従来の第２例として説明した航空用
ガスタービンにあっては、前記第１例の産業用ガスター
ビンにおける下流キャビティ３２へのリーク空気Ｃの発
生を回避したものの、静翼の熱変形に大きく支配され、
クリアランスの変動幅が大きなものとなる等の不具合が
ある。

【００２９】すなわち、産業用ガスタービンにおけるキ
ャビティ３３、または航空用ガスタービンにおけるキャ
ビティ５３と、それぞれに対応する上流キャビティ３１
および下流キャビティ３２との関係において、従来の産
業用タービン及び航空用タービンはそれぞれ一長一短が
あり、何れが勝り、何れが劣るともいちがいに決め難い
ものであった。

【００３０】本発明はこの様な背景の下にあって、シー
ル空気のリークを抑制すると共に、クリアランスの拡大
を防止し、好適なシールを行いうる様にしたものを提供
することを課題とするものである。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記した課題を
解決すべくなされたもので、静翼内径側キャビティへ導
入されたシール空気を静翼前方へ供給し、静翼前方に存
在するディスクを壁面とする上流キャビティの圧力をガ
スパスより上昇させ、更に同上流キャビティより圧力の
低い静翼後方に存在するディスクを壁面とする下流キャ
ビティへシール空気を送り、同下流キャビティの圧力を
ガスパスより上昇させることによって、ディスクへの燃
焼ガスの進入を防ぐシール構造において、静翼内径側キ
ャビティを前記下流キャビティと密封して区画するボッ
クスと、同ボックスに対し半径方向に可動に支持され、
内周にシールピースを保持して上流キャビティから下流
キャビティへ連通するクリアランスを規制するリング状
の保持環を有してなるガスタービンにおけるディスクの
シール構造を提供するものである。

【００３２】即ち、本発明によれば、シール空気の供給
される静翼内側キャビティは、下流キャビティとの間を
密封するボックスで区画されることにより、前記シール
空気はリークすることなしに上流キャビティへ供給され
て効率の低下を来さず、また、上流キャビティから下流
キャビティへ連通するクリアランスは前記ボックスに対
して半径方向に可動のリング状の保持環により保持され
たシールピースで規制されているので、同クリアランス
は前記ボックス、ひいては静翼の熱変形の影響から切り
離されることとなり、シールフィンがクリアランスを大
きくしてシール空気を大量に流し、効率低下に結びつけ
るというおそれも無く、安定し、かつ効率の低下を招く
ことの無いシール空気の供給を確保することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１、図２を用いて説明する。なお前記した従来のものと
同一の部分については図面中に同一の符号を付して示
し、重複する説明は出来るだけ省略して本実施の形態に
固有の点について重点的に説明する。

【００３４】シール部の構造は、ボックス５７、保持環
３８、シールピース９からなり、また、ボックス５７
は、前記従来の航空用ガスタービンにおけるボックス構
造と同様に静翼３の内径側に個々に取付けられており、
静翼３の外径側より導入されたシール空気Ｂをディスク
４側の上流キャビティ３１に供給する孔５４以外には完
全に密封されたキャビティ５３を形成している。

【００３５】シールピース９は、従来の産業用ガスター
ビンと同じリング状の保持環３８に取付けられており、
上流キャビティ３１から下流キャビティ３２へ供給され
るシール空気Ｂの通路となるシールピース９とディスク
４及びディスク５とで区画されるクリアランス６は、従
来の産業用ガスタービンと同じ保持環３８の熱伸びとデ
ィスク４およびディスク５の熱伸びプラス遠心伸びの差
のみに支配され、そのクリアランスを詰めることが容易
な構造となっている。

【００３６】これは即ち保持環３８は、ボックス５７と
嵌合部１９にて接続されており、同嵌合部１９は径方向
への嵌め込み構造となっていて、軸方向の変位は拘束し
ているが、半径方向の変位に対しては自由に動くことが
可能な構造であるため、熱伸び等による拘束は生じるこ
となく、前記静翼３等の熱変形による影響は全く及ばな
い構造である。

【００３７】本実施の形態は前記の様に構成されている
ので、従来の航空用ガスタービンにおけるボックス構造
と同じ構造のボックス５７で形成されるキャビティ５３
は、ディスク４側の上流キャビティ３１にシール空気Ｂ
を供給する孔３４以外には完全に密封された空間となっ
ているため、他部へリークする空気は発生しない。

【００３８】従って、上流キャビティ３１の圧力をガス
パス７より高く維持するために必要なシール空気Ｂの流
量は、同キャビティ５３内においてリーク空気が発生し
ない分、低減させることが可能となる。

【００３９】また、シールピース９は、従来の産業用ガ
スタービンと同じリング状の保持環３８に取付けられて
いるので、上流キャビティ３１から下流キャビティ３２
へシール空気Ｂを供給する通路となるクリアランス６の
設定には、保持環３８の熱伸びとディスク４およびディ
スク５の熱伸びプラス遠心伸びの差のみを考慮すれば良
いことになる。

【００４０】両者は、互いに径長差、及び温度差が小さ
いため、非定常状態でもその変動幅が小さくなるこか
ら、組立時（初期）クリアランス６を小さく設定するこ
とができ、全運転状態で上流キャビティ３１から下流キ
ャビティ３２へ供給されるシール空気Ｂの流量を低減す
ることが可能となる。

【００４１】更にクリアランス６の変動は、ばらつきの
大きな燃焼ガスの温度分布に支配される静翼３の熱伸び
とは独立しているために、その影響を受けないので、静
翼３の熱伸びのばらつきを考慮する必要がない分、クリ
アランス６を詰めることができることとなり、上流キャ
ビティ３１から下流キャビティ３２へのシール空気Ｂの
流量を低減できる。

【００４２】以上の様に本実施形態によればディスク４
及びディスク５への燃焼ガスの侵入を防ぐためのシール
構造として、従来の航空用ガスタービンにおけるリーク
空気を無くしたボックス５７の構造を取り入れながら、
従来の産業用ガスタービンにおける隙間６を詰めること
が可能な構造を踏襲させ、これによりシール空気Ｂの流
量を低減させるために有効な構造を得ることができたも
のである。

【００４３】以上、本発明を図示の実施の形態について
説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、
本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて
よいことはいうまでもない。

【００４４】

【発明の効果】以上本発明によれば、静翼内径側キャビ
ティへ導入されたシール空気を静翼前方へ供給し、静翼
前方に存在するディスクを壁面とする上流キャビティの
圧力をガスパスより上昇させ、更に同上流キャビティよ
り圧力の低い静翼後方に存在するディスクを壁面とする
下流キャビティへシール空気を送り、同下流キャビティ
の圧力をガスパスより上昇させることによって、ディス
クへの燃焼ガスの進入を防ぐシール構造において、静翼
内径側キャビティを前記下流キャビティと密封して区画
するボックスと、同ボックスに対し半径方向に可動に支
持され、内周にシールピースを保持して上流キャビティ
から下流キャビティへ連通するクリアランスを規制する
リング状の保持環を有してガスタービンにおけるディス
クのシール構造を構成している。

【００４５】従って本発明では、まず、シール空気の供
給される静翼内側キャビティと下流キャビティとの間に
ついては両者間をボックスで密封区画することにより、
シール空気はこの位置でリークすることなしにひたすら
上流キャビティへ供給されるので、ここにシール空気の
供給を余分に必要とせず、タービンにおける効率の低下
を来すことはないものである。

【００４６】また、上流キャビティから下流キャビティ
へ連通するクリアランスは、前記ボックスに対して半径
方向に可動のリング状の保持環により保持されたシール
ピースで規制されているので、同クリアランスは前記ボ
ックス、ひいては静翼の熱変形の影響から切り離される
こととなり、シールフィンがクリアランスを大きくして
シール空気を大量に流して効率低下に結びつけるという
おそれも無く、安定し、かつ効率の低下を招くことの無
いシール空気の供給を確保することができたものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービンにお
けるディスクのシール構造を示す断面図である。

【図２】図１の要部を詳細に示す鳥瞰図である。

【図３】従来の産業用ガスタービンにおけるディスクの
シール構造を示す断面図である。

【図４】図３の要部を拡大して示す上面図である。

【図５】従来の航空機用ガスタービンにおけるディスク
のシール構造を示す断面図である。

【図６】図５の要部を詳細に示す鳥瞰図である。

【図７】従来の産業用ガスタービンと航空機用ガスター
ビンの起動時クリアランスの推移を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 動翼 ２ 動翼 ３ 静翼 ４ ディスク ５ ディスク ６ クリアランス ７ ガスパス ９ シールピース １９ 嵌合部 ３１ 上流キャビティ ３２ 下流キャビティ ３３ キャビティ ３４ 孔 ３７ シール板 ３８ 保持環 ３９ 隙間 ４０ 隙間 ５０ ディスク間シール ５１ 上流キャビティ ５２ 下流キャビティ ５３ キャビティ ５４ 孔 ５７ ボックス ７１ 翼の熱伸び量 ７２ ばらつき大 ７３ ばらつき小 Ａ 高温ガス Ｂ シール空気 Ｃ リーク空気

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静翼内径側キャビティへ導入されたシー
   ル空気を静翼前方へ供給し、静翼前方に存在するディス
   クを壁面とする上流キャビティの圧力をガスパスより上
   昇させ、更に同上流キャビティより圧力の低い静翼後方
   に存在するディスクを壁面とする下流キャビティへシー
   ル空気を送り、同下流キャビティの圧力をガスパスより
   上昇させることによって、ディスクへの燃焼ガスの進入
   を防ぐシール構造において、静翼内径側キャビティを前
   記下流キャビティと密封して区画するボックスと、同ボ
   ックスに対し半径方向に可動に支持され、内周にシール
   ピースを保持して上流キャビティから下流キャビティへ
   連通するクリアランスを規制するリング状の保持環を有
   してなることを特徴とするガスタービンにおけるディス
   クのシール構造。