JPS5941002B2 - タ−ビンホイ−ルとダイヤフラムのシ−ルフイン装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンにおけるホイール冷却用空気ま
たは前段からのパツキン漏洩空気をシールするためのタ
ービンホイールとダイヤフラムのシールフィン装置に関
する。

ガスタービンはますます大容量化する傾向にあり、効率
向上のために燃焼ガス温度も高くなり、それに加えて起
動停止が短時間（約１０分で定格負荷となる）で頻繁（
２回７日）Ｋなされなければならないという特有の本質
的な特徴を持っているので、熱変形及び熱応力に対する
諸対策が肝要となる。

熱変形及び熱応力を緩和するためには、第１図に示すよ
うなタービンホイール冷却系が設けられる。

この第１図に示す冷却系についてまず説明する。

圧縮機１にて圧縮された空気１０は燃焼器２にて燃料と
混合して燃焼され、約１０００℃の高温ガス１１となっ
て第１段ノズル６に流入する。

このガスはロータ３に固定した第１段ホイール４で仕事
がなされ、第２段ノズル７０入口では約７５０℃となり
、第２段ホイール５で仕事がなされた後、排気ガス１２
となって放出される。

このガスにより第１段ホイール４及び第２段ホイール５
が高温にさらされ、ホイールの回転強度が得られなくな
って破壊につながるため、圧縮機１の中途に抽気口１３
を設け、約２００°Ｃの冷温の冷却空気１４を抽出し、
この冷却空気をタービンシェル２１と第２段ノズル７及
び第２段ダイヤフラム８の内部を貫通させた孔３４を通
し、第１段ホイール４と第２段ダイヤフラム８０間に放
出させ、第１段ホイール４と第２段ホイール５とを冷却
している。

第２図にこの冷却系統の主たる構成要素である第２段ダ
イヤフラム付近の詳細を示す。

第２ダイヤフラム８の第１段ホイール４との対向面には
円環状のフィン２６．２７が同心に突設してあり、第１
段ホイール４側にもこれらのフィン２６゜２７に対応し
てこれらのフィンよりやや小径の円環状のフィン（以下
プラットホームという）２９．３０が突設しである。

第２段ダイヤフラム８の第２段ホイール５との対向面に
も円環状フィン２８が突設され、第２段ホイール５にも
それに対応するプラットホーム３１が突設しである。

冷却空気１４の一部は矢印３２で示すように、フィン２
７とプラットホーム３０との間隙及びフィン２６とプラ
ットホーム２９との間隙を通って流れて第１段ホイール
４を冷却し、他の一部はラビリンスパツキン９とホイー
ルとの間隙３５を通り抜けた後、矢印３３で示すように
流れ、プラットホーム３１とフィン２８との間隙を通っ
て流れる間に第２段ホイール５を冷却する。

一方、第１段バケット２２を通過した７５０℃という高
温燃焼ガス１１は第２段ノズル７、ノズル内壁２５、及
びノズル外壁２４を通過する間にこれらに高温の影響を
直接与え、また、起動停止時に常温から７５０℃近辺の
温度の間を数分間で変化するから、急激に伸縮されるの
で、熱応力が発生し、度重なる起動停止（２回／日）に
より永久歪を生じ、−上下方向に縦長に変形し、これに
より停止中のコールド状態では内壁２５側にて水平面で
６〜１２闘程度の口開き状態となり、負荷運転中のホッ
ト状態ではこの口開き状態が元に戻るという現象が繰り
返されている。

この現象に伴い、第３図により以下で説明するようにダ
イヤフラム８が上下する。

すなわち、ノズル７（７ａ、７ｂはそれぞれ上半、下半
ノズル）とダイヤフラム８ （８ａ ＋ ８ ｂはそれ
ぞれ上半、下半ダイヤフラム）は４本のピン３６ａ〜３
６ｄで、半径方向の変化が若干許容されうるように連結
されており、ダイヤフラム８の上下方向の支えは水平面
（上半タービンシェル２１ａと下半タービンシェル２１
ｂとの接合面）３９より若干下のピン３６ｂ 、３６ａ
の２本で下半ノズル７ｂで行なわれているので、上下ノ
ズル７ ａ 、７ ｂの変形の影響を直接受け、停止中
のコールド状態では、ダイヤフラム８の中心は水平面３
９より約３〜８ｍｒｎ程度沈下（３７）Ｌ、逆にホット
状態では水平面３９より約１．５ｍｍ上る（３８）。

この間４．５〜９．５間程度ダイヤフラム８の中心位置
が移動することになる。

このため、フィン２６〜２８とプラットホーム２９〜３
１０間隙もそれにつれて変化し、上半ダイヤフラム８ａ
においては、コールド時の中心位置沈下のため前記間隙
が大幅に減少し、両者が接触、摺動する結果となる。

よって、コールド状態から起動する際と、ホット状態か
ら停止させる際、回転部の曲りを防止すべく温度の一様
化を図るため、ロータを低速でターニングさせている。

しかしこのターニング用モータの容量が、静止部から出
ているフィンと、回転部のプラットホームの間隙が無い
ため、接触による摩擦力が発生するので容量不足となっ
てしまい、ターニング不可能という事態を生じ、そのた
め、タービン起動ができなくなる。

またホット時にはこの逆で間隙がダイヤフラム浮沈浮上
りのため拡大し、それにコールド時の枯損による拡大も
加わって、間隙は非常に大きくなる。

一方、下半ダイヤフラム８ｂにおいては、上記した上半
ダイヤフラム８ａにおける場合とは逆の現象を示し、コ
ールド時の間隙が大きく、ホット時少し枯損するという
事態を招（。

このようなフィン２６〜２８とロータがわとの間隙の変
化及びそれに伴うトラブルの可能性は、ダイヤフラム８
がノズル７によって支持されているものにおいては常に
起こり得る問題である。

第３図の例ではピン３６ｂ 、３６ｄによりダイヤフラ
ム８を下半ノズル７ｂに連結し、主にこれによってダイ
ヤフラム８の上下方向の支えを達成したが、この構造に
限らず突起と溝や、ボルトによるものなどの周知手段を
用いて連結を行う構造のものにあっても、下半ノズル７
ｂによりダイヤフラム８が支持されている構成ならばい
ずれもこの問題が生じる。

いずれの場合も上記した如き下半ノズル７ｂの熱伸び差
により下半ノズル７ｂが変形し、よってこれに支持され
ているダイヤフラム８も同様に変形してこれに伴い該ダ
イヤフラム８が上下し、結局上下方向と水平方向のギャ
ップに差が生じてしまうからである。

上記フィン２６〜２８とロータがわとの間隙の変化とそ
れによるトラブルを回避すべく、従来はその対策として
、ダイヤフラム側フィン２６〜２８の内径を、プラント
フオーム２９〜３１の外径よりも十分大きく設定し、ダ
イヤフラムが変形してもフィンとプラットフォームとが
接触しないようにしていた。

しかしながらこのプラットフォームとフィンとを通る冷
却空気３２，３３（第２図）はホイールを冷却した後、
燃焼ガス１１，１２の主流に加わるが、この空気は低温
であるため機械的仕事には変換されず、熱効率的には損
失となるのみならず、主流ガスの流れを乱すため効率低
下をさらに助長させている。

このためこの冷却空気量をホイールの冷却に必要な最小
限にコントロールする必要がある。

ところが従来のようにフィンとプラットフォーム間に大
きな間隙をとった場合、冷却空気通過量がホイール冷却
に必要な最少空気量よりも増大し、効率低下を増加させ
ることになる。

本発明の目的は、上記の欠点を無くし、いずれの運転状
態においてもホイールのプラントホームとダイヤフラム
のフィンが接触しないことは勿論、効率低下を最小限に
とどめることのできるシールフィン装置を提供すること
にある。

本発明は、ダイヤフラム側フィンの上部及び下部にプラ
ットフォームとの間隙を増大させる膨出部を形成した構
造とすることにより上記目的を達成したものである。

第４図は本発明によるダイヤフラム側フィン２６．２７
．２８の構成の一例を示す図であり、ダイヤフラム側フ
ィンの上半の上部と下半の下部には、ロータ軸心を通る
鉛直線５０を挾むように、θで示す角度範囲にわたり、
それぞれ円弧状の膨出部４６ａ ＋ ４６ｂを形成した
ものである。

この場合、膨出部４６ａ 、４６ｂを設ける角度範囲θ
は、概ね９０度乃至１００度近傍とする。

この膨出部４６ａ 、４６ｂは、次のようにして構成す
る。

すなわち、円形のタービンホイール側フィン２９゜３０
．３１と向応の中心Ｏを中心とし、Ｒｏを半径とする弧
状部４６ｃの−Ｌ部及び下部を、中心０より上方向及び
下方向に偏心させた点Ｐ２．Ｒ２′を中心とし、半径Ｒ
６より小径のＲ２を半径とする円弧状の膨出部４６ａ、
４６ｂをそれぞれ形成することによって、これを設ける
ものである。

この場合、ホイール側フィンであるプラントフオーム外
径４９と中心を点Ｏとするダイヤフラム側フィンの弧状
部４６ｃの内径との水平方向間隙４１は冷却空気通過の
ための間隙であり、中心を点Ｐ２．Ｐ２′とする円弧状
の膨出部４６ａ 、４６ｂによりもたらされる垂直方向
の増加した間隙４２はダイヤフラム浮沈を考慮した間隙
である。

両間隙により構成される環状の間隙全体によって、冷却
に必要な空気量に見合う最低量が確保されればよい。

膨出部４′６ａの最上部及び４６ｂの最下部は中心Ｏと
点Ｐ２ 、 Ｐ２’との間に位置し、半径をＲｏ と同
じＲ１とした破線で示す楕円形状のダイヤフラム側フィ
ン４５の最上部及び最下部と一致するように形成する。

第５図は、第４図に示したフィンの構成における円弧状
の膨出部であるθの範囲と最大変形時（このときのプラ
ントフオーム外径の相対位置を４９′で示す）の最少間
隙４３との関係、及びθの範囲と効率向上量との関係を
示す。

最少間隙４３は、接触を発生させないためには０（ｍｍ
）以上必要であり、従ってＯ（ｍｍ）が接触限界という
ことになる。

しかし０（ｍｍ）以上といっても、最少間隙４３が大き
くなると、前記した通り効率が悪くなる。

よって、効率を落とすことなく、しかも接触を生じさせ
ないためには、ぎりぎりのＯ（ｍｍ）が最も望ましい。

第５図から、最少間隙４３をゼロにする角度は、θ−９
０度近傍であることがわかる。

よって９０度近傍とするのが理想的であるが、９０度近
傍としてあくまで最少間隙４３をＯ（ｍｍ）とすること
をねらって設計する場合でも、実用上は加工公差の存在
を余儀なくされるため、予めこの分を見込んで設計する
必要がある。

第５図を参照すると、θが１００度のときの変形時の最
小間隙４３は０．０５闘であり、これは実用上の加工公
差上不可欠の程度である。

よって９０度近傍から１００度近傍までの範囲で、θを
設定するものである。

（加工公差ゼロの技術を有する場合は、９０度で可能で
ある）。

このように、θの角度が約９０度以上であれば、基本的
に最大熱変形時（ダイヤフラムが最も浮上した時）にお
いてもプラン１゛フオームとダイヤフラム側フィンとが
接触して枯損することはなく、一方、θの角度が大きく
なると効率向上量は下がるので、１００度近傍程度を上
限とするものである。

図の効率向上量を見れば、θがこの範囲の場合、従来の
ダイヤフラム側フィンの内径を単にプラントフオーム２
９〜３１の外径よりも十分大きく設定して両者の接触を
防止した装置と比較すると、それよりも本構成における
効率の方が格段に向上していることは明白であろう。

フィンを点線４５で示した構成とする技術を仮定すれば
、これと実線４６ａ〜４６ｃとで囲まれた部分だけ間隙
が減少し、これに基づいて効率向上という効果をもたら
すことができるのである。

例えばθを１００度にすれば効率は点線４５の技術より
０．０５％も向上する。

これからも、従来技術に対しての効率の良さが理解され
よう。

第６図は本発明の他の実施例を示す図である。

この実施例は、ダイヤフラムの中心Ｏを中心としてθ度
（１００度近傍）の角度範囲にわたり膨出部を形成した
もので、該膨出部は、第４図で示したＰ、、Ｐ、’を中
心とした弧状部４６ｄ（この部分は点Ｏを中心としてα
度（約６０度）の範囲に形成されている）と曲線部４６
ｅからなる。

４９はダイヤフラムの中心Ｏとロータ軸心とが一致した
時のプラントフオーム外径を示しており、４９’はダイ
ヤフラムの最大浮上時（ロータ軸心がσの点に一致する
時）のプラントフオーム外径を示す。

このような構成とすることにより、プラットフォームと
ダイヤフラムフィンとの間隙は、矢印で示すロータの回
転方向に沿って、４８ａ、４８ｂ。

４８ｃと変化し、４８ｂで絞られ４８ｃで増加するとい
うサイクルが１回転のうちで左右２ケ所で行われること
になり、冷却空気の漏洩の割合が第４図の実施例よりも
更に減少するので効率がより向上する。

なお、この実施例のように構成する場合も、第５図の実
施例について説明したのと同様の理由により、θは９０
度近傍から１００度近傍の範囲とする。

曲線部４６ｅの範囲は、このθに対応して定まることに
なる。

以上説明したように、本発明のシールフィン装置は、ノ
ズルとダイヤフラムが各々水平面で分割されて成るとと
もに該ダイヤフラムはノズルにより支持することにより
該ダイヤフラムの上下方向の支えを下半ノズルによって
行う構成のタービンに用いる装置であるにも拘らず、該
ノズルの熱による変形（特に下半ノズルの変形）に伴っ
てこれに支持されたダイヤフラムの浮沈の発生があって
も、フィンと回転がわとの接触も起きず、かつ効率低下
も最小限にとどめ得るものである。

すなわち本発明においては、冷却に必要な空気量を環状
の間隙で確保するとともにその間隙のうち上部及び下部
はダイヤフラムの浮沈を考慮した間隙となるように、ダ
イヤフラム側フィンの上部及び下部に膨出部を設け、こ
の膨出部の角度範囲は概ね９０度乃至１００度近傍とし
、その場合該膨出部はフィンにホイール側のフィン中心
よりも上方及び下方にそれぞれ偏位した点を中心として
ホイール側フィンよりも半径が小径の弧状部を設けて、
ダイヤフラム側のフィンの上部及び下部をそれぞれ」二
方向及び下方向に膨出させるか、あるいはダイヤフラム
側フィンの上部及び下部に膨出して形成した弧状部を設
けてこの弧状部の端部は非膨出部の端部との間を曲線部
により結ばれるように構成することにより設けたものな
ので、かかる膨出部によりフィン枯損のおそれが確実に
防止されよって該枯損による補修の必要が無く、かつ当
然フィン枯損による振動も無く、またフィン接触による
摩擦力の増大に伴うターニングモータの容量不足が解消
でき、スムーズな起動停止が可能となる。

さらにそればかりでな（、ダイヤフラム浮沈を考慮した
間隙量の増大を少なくすることができるので、従来のも
のに比べて効率の向上が達成できるという効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転ホイール部を低温冷却空気で冷却するため
の概略系統図、第２図はシールフィン部の詳細図、第３
図は第２段ノズル及びダイヤフラムの断面図、第４図は
本発明によるダイヤフラムフィンの一実施例の構成を従
来例と比較して示す図、第５図は第４図の実施例の効果
を示す図、第６図は本発明の他の実施例を示す図である
。 ４・・・・・・第１段ホイール、５・・・・・・第２段
ホイール、７・・・・・・第２段ノズル、８・・・・・
・第２段ダイヤフラム、１４・・・・・・冷却空気、２
６〜２８・・・・・・ダイヤフラム側フィン、２９〜３
１・・・・・・ホイール側フィン、４１・・・・・・冷
却空気通過所要間隙、４２・・・・・・ダイヤフラム浮
沈を考慮した拡大間隙、４６ ａ 、４６ ｂ・・・・
・・弧状膨出部、４６ｃ・・・・・・弧状部（非膨出部
）、４６ｄ・・・・・・弧状部（膨出部の一部）、４６
ｅ・・・・・・曲線部（膨出部の一部）、θ・・・・・
・角度範囲。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ノズルとダイヤフラムが各々水平面で分割されて成
   るとともに該ダイヤフラムはノズルにより支持すること
   により該ダイヤフラムの上下方向の支えを下半ノズルに
   よって行う構成のタービンに用いる装置であって、その
   タービンホイールとダイヤフラムの相互の対向面にダイ
   ヤフラム側のものがより大径をなす円環状のフィンをそ
   れぞれ突設し、両フィン間の間隙に冷却空気を流すシー
   ルフィン装置において、 前記両フィン間の環状の間隙が冷却に必要な空気量に見
   合うものとなるとともにその環状の間隙の上部及び下部
   はダイヤフラムの浮沈を考慮した間隙となるように、前
   記ダイヤフラム側フィンの上部及び下部に膨出部を設け
   、該ダイヤフラム側フィンの上部及び下部に膨出した膨
   出部はロータ軸心を通る鉛直線を挾んで概ね９０度乃至
   １００度近傍の角度範囲にわたって形成するものとし、
   かつ該膨出部は、ダイヤフラム側フィンの上部及び下部
   をホイール側のフィン中心よりも上方及び下方にそれぞ
   れ偏位した点を中心としてホイール側フィンよりも半径
   が小径の弧状部に形成することによりダイヤフラム側フ
   ィンの上部及び下部をそれぞれ上方向及び下方向に膨出
   させて設けたものであることを特徴とするタービンホイ
   ールとダイヤフラムのシールフィン装置。 ２ ノズルとダイヤフラムが各々水平面で分割されて成
   るとともに該ダイヤフラムはノズルにより支持すること
   により該ダイヤフラムの上下方向の支えを下半ノズルに
   よって行う構成のタービンに用いる装置であって、その
   タービンホイールとダイヤフラムの相互の対向面にダイ
   ヤフラム側のものがより大径をなす円環状のフィンをそ
   れぞれ突設し、両フィン間の間隙に冷却空気を流すシー
   ルフィン装置において、 前記両フィン間の環状の間隙が冷却に必要な空気量に見
   合うものとなるとともにその環状の間隙の上部及び下部
   はダイヤフラムの浮沈を考慮した間隙となるように、前
   記ダイヤフラム側フィンの上部及び下部に膨出部を設け
   、該ダイヤフラム側フィンの上部及び下部に膨出した膨
   出部はロータ軸心を通る鉛直線を挾んで概ね９０度乃至
   １００度近傍の角度範囲にわたって形成するものとし、
   かつ該膨出部は、ダイヤフラム側フィンの上部及び下部
   を膨出させて弧状部に形成し、かつこの弧状部の端部は
   、非膨出部の端部との間を曲線部により結ばれる構成と
   することにより設けたものであり、かつこの場合該弧状
   部と曲線部が、ロータ軸心を通る鉛直線を挾んでそれぞ
   れ６０°近傍の角度範囲及び前記膨出部の膨出角度に対
   応して９０度乃至１００度近傍の角度範囲にわたって形
   成されていることを特徴とするタービンホイールとダイ
   ヤフラムのシールフィン装置。