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1. (WO2011148899) STRUCTURE DE JOINT, MACHINE À TURBINE ÉQUIPÉE DE CETTE STRUCTURE ET CENTRALE ÉLECTRIQUE ÉQUIPÉE DE LADITE MACHINE À TURBINE
Document

明 細 書

発明の名称 シール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラント

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028  

発明の効果

0029   0030   0031   0032  

図面の簡単な説明

0033  

発明を実施するための形態

0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071  

符号の説明

0072  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5   6  

明 細 書

発明の名称 : シール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラント

技術分野

[0001]
 本発明は、シール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントに関し、特に、封止手段と翼先端のシュラウドとの間から漏れ出る流体に関するものである。

背景技術

[0002]
 一般に、図5に示すように、タービンの複数の動翼51の各先端には、タービンケーシング52と対向するように、動翼シュラウド53が設けられている。動翼シュラウド53は、これら動翼51の回転中に隣り合うそれぞれが接触して環状になる。動翼シュラウド53と、タービンケーシング52との間には、タービンケーシング52から動翼シュラウド53に向かってシールフィン54がタービンケーシング52側に接続されているシール部が設けられている。シールフィン54は、動翼51に導かれた主流流体が動翼シュラウド53とタービンケーシング52との間から漏れ出る流体(以下、「リークジェット」という。)の漏洩量を減少するために設けられている(例えば、蒸気タービンについての特許文献1および特許文献2)。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2005-214051号公報
特許文献2 : 特開2006-138259号公報
特許文献3 : 特開2006-291967号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 しかしながら、特許文献1や特許文献3に記載の発明では、シール部を漏れ出るリークジェットの流れ方向の下流側には、タービンケーシングの下流側の壁部が存在しており、大気開放となっていないことは明らかである。そのため、図5に示すように、タービンケーシング52の下流側の壁部52aと動翼シュラウド53とシールフィン54とによって形成されている空間部55に導出されたリークジェット(図5において破線で示す。)は、タービンケーシング52の下流側の壁部52aに衝突してその壁部52aに沿って径方向内方側に移動し、動翼51に作用した後の主流流体(図5において実線で示す。)に大きな角度(例えば90°)をもって合流する。リークジェットが主流流体に合流する際には、主流流体に対するリークジェットの流入角度が大きくなるためリークジェットが主流流体を大きく乱し混合損失(ミキシングロス)が生じてタービン効率が低下するという問題があった。
[0005]
 さらに、タービンケーシング52の下流側の壁部52aにリークジェットが衝突することによって、衝突したリークジェットは、タービンケーシング52の下流側の壁部52aに沿って径方向内方側に移動する。タービンケーシング52の壁部52aに沿って径方向内方側に移動したリークジェットは、主流流体の一部を巻き込んで図5の破線で示すように空間部55内に渦を生じる。主流流体の一部が空間部55内に巻き込まれるため、主流流体の流れが大きく乱れて混合損失(ミキシングロス)が発生するという問題があった。
[0006]
 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シール部から漏れ出た流体による主流流体の流れの乱れを抑制可能なシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0007]
 上記課題を解決するために、本発明のシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントは、以下の手段を採用する。
 すなわち、本発明の第1の態様に係るシール構造によれば、主流流体が作用する複数の翼の先端に設けられ、隣り合うそれぞれが接触して筒状となるシュラウドと、該シュラウドに対向して設けられる構造体に接続される封止手段と、前記シュラウドの下流側と、前記封止手段の下流側と、前記構造体の下流側の壁部とによって形成され、前記翼に作用した主流流体に連通する空間部と、を備え、前記構造体の下流側の前記壁部の端部が、前記シュラウドの下流側に延在するシュラウド用延長線と、該シュラウド用延長線に対して所定の間隙を有して略平行に設けられる前記封止手段の下流側に延在する封止手段用延長線とから離反するとともに、前記封止手段用延長線から見て前記シュラウド用延長線とは反対側に位置するように形成されている。
[0008]
 封止手段とシュラウドとの間から空間部内に漏れ出た流体は、シュラウドの下流側に延在するシュラウド用延長線およびそれに平行する封止手段の下流側に延在する封止手段用延長線に沿って導出される。そのため、封止手段用延長線およびシュラウド用延長線によって挟まれた領域、換言すれば、漏れ出た流体が流れる領域の延在方向に、タービンケーシングや回転軸体などの構造体の下流側の壁部がある場合には、漏れ出た流体が空間部内を通過して構造体の下流側の壁部に衝突する。構造体の壁部に衝突した漏れ出た流体は、構造体の下流側の壁部に沿って構造体とは逆の方向に、すなわち、主流流体側に流れる。空間部は、翼に作用した主流流体に連通するので、壁部に沿って漏れ出た流体が翼に作用した主流流体に対して大きな角度(例えば90°)をもって合流する。そのため、翼に作用した主流流体の流れが大きく乱れることになる。
[0009]
 また、例えば、図5のように翼が動翼51であり構造体がタービンケーシング52の場合には、空間部55内に漏れ出た流体がタービンケーシング52の下流側の壁部52aに衝突することによって、衝突した漏れ出た流体がタービンケーシング52の下流側の壁部52aに沿って径方向内方側に移動して、図5の破線に示すように時計回りに流れる。そのため、漏れ出た流体の流れ方向は、動翼51に作用した主流流体の流れ方向と逆向きとなり動翼51に作用した主流流体を空間部55内に巻き込むこととなる。したがって、動翼51に作用した主流流体の流れが大きく乱れることになる。
[0010]
 図6のように翼が静翼61であり構造体が回転軸体62の場合には、空間部65内に漏れ出た流体が回転軸体62の下流側の壁部62aに衝突することによって、衝突した漏れ出た流体の一部が回転軸体62の下流側の壁部62aに沿って径方向外方側に移動して、図6の破線のように反時計回りに流れる。そのため、漏れ出た流体の流れ方向は、静翼61に作用した主流流体の流れ方向と逆向きとなり静翼61に作用した主流流体を空間部65内に巻き込むこととなる。したがって、静翼61に作用した主流流体の流れが大きく乱れることになる。
[0011]
 そこで、本発明の第1の態様では、空間部を形成する構造体の下流側の壁部の端部が、シュラウドの下流側に延在するシュラウド用延長線およびそれに平行する封止手段の下流側に延在する封止手段用延長線から離反するとともに、封止手段用延長線から見てシュラウド用延長線とは反対側に位置するようにした。これにより、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が構造体の下流側の壁部に衝突することを防止することができる。そのため、翼に作用した主流流体に対して漏れ出た流体を小さな流入角度(例えば、30°以下)により合流させることができる。したがって、漏れ出た流体が主流流体に合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0012]
 また、漏れ出た流体を構造体の下流側の壁部(壁面)の端部から離反して導出することができるので、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が構造体の下流側の壁部に衝突することを防止することができる。
[0013]
 そのため、図5のように翼が動翼51であり構造体がタービンケーシング52の場合には、タービンケーシング52の下流側の壁部52aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体がタービンケーシング52の下流側の壁部52aに沿って径方向内方側に移動して、図5の破線のように時計回りに流れて翼51に作用した主流流体を空間部55内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図5に示した破線と反対方向である反時計回りに流れる。したがって、翼51に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0014]
 また、図6のように翼が静翼61であり構造体が回転軸体62の場合には、回転軸体62の下流側の壁部62aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体の一部が回転軸体62の下流側の壁部62aに沿って、径方向外方側に移動して、図6の破線のように反時計回りに流れて静翼61に作用した主流流体を空間部65内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図6に示す破線と反対方向である時計回りに流れる。したがって、静翼61に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0015]
 シュラウド用延長線と封止手段用延長線との間の所定の間隙とは、運転中に封止手段とシュラウドとが接触することなく、かつ、シュラウドと封止手段との間から漏れ出る流体の漏洩量を最小限に抑えることが可能な径方向における距離とされる。
[0016]
 さらに、本発明の第1の態様に係るシール構造によれば、前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用した主流流体の流れ方向と略平行に設けられる。
[0017]
 翼に作用した主流流体の流れ方向に略平行となるようにシュラウドの構造体に対向する側の面(動翼の場合は外周面、静翼の場合は内周面)を設けることとした。そのため、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体を翼に作用した主流流体に対して小さな角度により合流させることができる。したがって、漏れ出た流体が主流流体に合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0018]
 さらに、本発明の第1の態様に係るシール構造によれば、前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に前記構造体から離反するように傾斜する。
[0019]
 シュラウドの構造体に対向する側の面は、翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に構造体から離反するように傾斜させて設けることとした。これにより、漏れ出た流体を構造体の下流側の壁部(壁面)から離反して導出することができるので、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が構造体の下流側の壁部に衝突することを防止することができる。
[0020]
 そのため、図5のように翼が動翼51であり構造体がタービンケーシング52の場合には、タービンケーシング52の下流側の壁部52aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体がタービンケーシング52の下流側の壁部52aに沿って径方向内方側に移動して、図5の破線のように時計回りに流れて動翼51に作用した主流流体を空間部55内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図5に示した破線と反対方向である反時計回りに流れる。したがって、動翼51に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0021]
 また、例えば、図6のように翼が静翼61であり構造体が回転軸体62の場合には、回転軸体62の下流側の壁部62aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体の一部が回転軸体62の下流側の壁部62aに沿って径方向外方側に移動して、図6の破線で示すように反時計回りに流れて静翼61に作用した主流流体を空間部65内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図6に示す破線と反対方向である時計回りに流れる。したがって、静翼61に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0022]
 シュラウドの構造体に対向する側の面が傾斜する角度は、漏れ出た流体が翼に作用した主流流体に合流した際に、翼に作用した主流流体の流れを大きく乱すことのない角度とされる。
 翼に作用した主流流体に対して漏れ出た流体を流入させる角度としては、30°以下が好適である。
[0023]
 さらに、本発明の第1の態様に係るシール構造によれば、前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に前記構造体に近づくように傾斜する。
[0024]
 シュラウドの構造体に対向する側の面は、翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に構造体に近づくように傾斜するように設けることとした。そのため、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体を翼に作用した主流流体に直接合流させず、また、空間部内に翼に作用した主流流体が巻き込まれることを更に抑制することができる。したがって、漏れ出た流体が主流流体に合流することによるミキシングロスを低減することができる。
 シュラウドの構造体に対向する側の面の傾斜角度は、漏れ出た流体が翼に作用した主流流体に合流した際に、翼に作用した主流流体の流れを大きく乱すことのない角度とされる。
 翼に作用した主流流体に対して漏れ出た流体を流入させる角度としては、30°以下が好適である。
[0025]
 さらに、本発明の第2の態様に係るタービン機械によれば、上記のいずれかに記載のシール構造を備える。
[0026]
 封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が翼に作用した主流流体に合流する際に生じるミキシングロスの低減が可能なシール構造を備えることとした。そのため、タービン機械のタービン効率の低下を防止することができる。
[0027]
 さらに、本発明の第3の態様に係る発電プラントによれば、上記に記載のタービン機械を備える。
[0028]
 タービン効率の低下を防止することが可能なタービン機械を設けることとした。そのため、発電プラントの発電効率の低下を防止することができる。

発明の効果

[0029]
 空間部を形成する構造体の下流側の壁部の端部が、シュラウドの下流側に延在するシュラウド用延長線およびそれに平行する封止手段の下流側に延在する封止手段用延長線から離反するとともに、封止手段用延長線から見てシュラウド用延長線とは反対側に位置するようにした。これにより、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が構造体の下流側の壁部に衝突することを防止することができる。そのため、翼に作用した主流流体に対して漏れ出た流体を小さな流入角度(例えば、30°以下)により合流させることができる。したがって、漏れ出た流体が主流流体に合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0030]
 また、漏れ出た流体を構造体の下流側の壁部(壁面)の端部から離反して導出することができるので、封止手段とシュラウドとの間から漏れ出た流体が構造体の下流側の壁部に衝突することを防止することができる。
[0031]
 そのため、図5のように翼が動翼51であり構造体がタービンケーシング52の場合には、タービンケーシング52の下流側の壁部52aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体がタービンケーシング52の下流側の壁部52aに沿って径方向内方側に移動して、図5の破線のように時計回りに流れて動翼51に作用した主流流体を空間部55内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図5に示した破線と反対方向である反時計回りに流れる。したがって、動翼51に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0032]
 また、図6のように翼が静翼61であり構造体が回転軸体62の場合には、回転軸体62の下流側の壁部62aに漏れ出た流体が衝突することによって、衝突した漏れ出た流体の一部が回転軸体62の下流側の壁部62aに沿って径方向外方側に移動して、図6の破線で示すように反時計回りに流れて静翼61に作用した主流流体を空間部65内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、漏れ出た流体は、図6に示す破線と反対方向である時計回りに流れる。したがって、静翼61に作用した主流流体の流れが大きく乱れることを防止して、漏れ出た流体が主流流体の流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。

図面の簡単な説明

[0033]
[図1] 本発明の第1実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図である。
[図2] 本発明の第2実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図である。
[図3] 本発明の第3実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図である。
[図4] 本発明の第1実施形態の変形例に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造の概略構成図である。
[図5] 従来の発電プラントにおけるタービン機械の動翼とタービンケーシングとの間のシール構造の概略構成図である。
[図6] 従来の発電プラントにおけるタービン機械の静翼と回転軸体との間のシール構造の概略構成図である。

発明を実施するための形態

[0034]
[第1実施形態]
 図1は、第1実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービン(タービン機械)のシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図を示している。
 発電プラントに設けられているガスタービンは、ガスタービン内に導かれた燃焼ガスである主流ガス(主流流体)の流れを複数の動翼(翼)2へと導く静翼(図示せず)と、静翼を通過した主流ガスが作用する動翼2と、動翼2の先端に設けられて隣り合うそれぞれが接触して筒状となる動翼シュラウド3(3a)と、動翼2および動翼シュラウド(シュラウド)3aを内包しているタービンケーシング(構造体)4とを有している。
[0035]
 タービンケーシング4は、動翼2の先端に設けられている動翼シュラウド3aの外周を囲んでいる筒形状とされている。タービンケーシング4の内周は、図1(A)に示すように、タービンケーシング4の外周に向かって凹形状に形成されている。タービンケーシング4の内周に設けられている凹形状は、動翼2の上流側の壁面(壁部)4aと、動翼2の下流側の壁面4bと、壁面4aおよび壁面4bを接続しており動翼シュラウド3aの径方向外方側に対向するように位置している壁面4cとによって形成されている。これにより、タービンケーシング4の内周に設けられている凹形状は、タービンケーシング4の外周に向かって窪むこととなる。
[0036]
 タービンケーシング4の内周に設けられている凹形状を形成している壁面4cには、シールフィン5の基端が接続されている。シールフィン5は、少なくとも1つ以上のシールフィン、例えば3つを備えている。各シールフィン5a、5b、5cは、タービンケーシング4の壁面4cから動翼シュラウド3aに向かって径方向内方側に延在している。動翼シュラウド3aに向かって延在している各シールフィン5a、5b、5cの先端は、動翼シュラウド3aのタービンケーシング4に対向する側の面(以下、「外周面」という。)と所定の間隙を有して離反している。シールフィン5は、3つに限られることはなく、1つ、2つ、または、4つ以上でもよい。
[0037]
 これらシールフィン5a、5b、5cによって、動翼2とタービンケーシング4との間から漏れ出たガス(漏れ出た流体)が、動翼シュラウド3aとタービンケーシング4との間から動翼2の下流側へと漏洩する漏洩量を低減している。動翼シュラウド3aの外周面と各シールフィン5a、5b、5cの先端との径方向における所定の間隙とは、運転中に動翼シュラウド3aの外周面と各シールフィン5a、5b、5cとが機械的な接触を生じることのない程度に小さく、かつ、動翼2とタービンケーシング4との間から漏れ出たガス(以下、「リークジェット」という。)の漏洩量を最小限に抑えることが可能な径方向における距離とされている。
[0038]
 動翼2は、図示しない回転軸体の周方向に沿って複数設けられている。これら複数の動翼2により動翼列6が形成されている。動翼列6と、静翼が回転軸体の周方向に沿って複数設けられている静翼列(図示せず)とは、交互に多段に回転軸体の軸方向に設けられている。動翼2には、主流ガスが作用する。これにより、ガスタービンが回転駆動されることとなる。各動翼2に作用した主流ガスは、下流側に設けられている静翼列へと導かれる。
[0039]
 キャビティ(空間部)7は、動翼シュラウド3aの下流側およびシールフィン5のうち最下流に位置するシールフィン5c(本発明における封止手段)の下流側と、タービンケーシング4の凹形状の下流側の壁面4bおよび壁面4cとによって形成され、動翼2に作用した主流ガスに連通している。キャビティ7を形成しているタービンケーシング4の壁面4bの内周側の角部(端部)4dは、図1(B)に示すように、動翼シュラウド3aの外周面に沿って延長し、動翼シュラウド3aの下流側に延在している動翼シュラウド用延長線(シュラウド用延長線)11、および、それに対して所定の間隙を有して略平行に設けられ最下流に位置するシールフィン5cの先端を通って最下流に位置するシールフィン5cの下流側に延在しているシールフィン用延長線(封止手段用延長線)10から離反するとともに、シールフィン用延長線10から見て動翼シュラウド用延長線11とは反対側に位置している。
[0040]
 動翼シュラウド用延長線11とシールフィン用延長線10との間の所定の間隙とは、運転中にシールフィン5a、5b、5cと動翼シュラウド3aとが接触することなく、かつ、動翼シュラウド3aとシールフィン5a、5b、5cとの間から漏れ出るリークジェットの漏洩量を最小限に抑えることが可能な径方向における距離とされている。
[0041]
 動翼シュラウド3aは、各動翼2の先端に設けられている。動翼シュラウド3aは、隣り合う動翼シュラウド3a同士が接触して筒状を形成している。動翼シュラウド3aの外周面は、図1(A)に示すように、動翼2に作用する主流ガスの流れ方向に沿って段差を有するステップ形状とされている。動翼シュラウド3aの主流ガスの流れ方向の中央部には、タービンケーシング4側(外周側)に突出している凸部が形成されている。動翼シュラウド3aの上流側、中央部、下流側の各外周面は、動翼2に作用した後の主流ガスの流れ方向に対して略平行になるように設けられている。このように動翼シュラウド3aをステップ形状にすることによって、動翼シュラウド3aとタービンケーシング4との間のシール効果を高めている。
 動翼シュラウド3aの形状は、ステップ形状に限られることはなく、これ以外の形状であっても良い。
[0042]
 次に、主流ガスおよびリークジェットの流れについて説明する。
 ガスタービンに導かれた主流ガスは、静翼列から動翼列6へと導かれる。動翼列6に導かれた主流ガスは、各動翼2に作用してガスタービンを駆動する。動翼2に作用した後の主流ガスは、その下流側に設けられている静翼列へと導かれる。
[0043]
 また、動翼2に作用する主流ガスの一部は、動翼2の上流側から動翼シュラウド3aとタービンケーシング4との間に漏れ出る。動翼シュラウド3aとタービンケーシング4との間に漏れ出た主流ガスは、動翼シュラウド3aと最下流のシールフィン5cとの間から導出されてリークジェットとなる。
[0044]
 動翼シュラウド3aと最下流のシールフィン5cとの間から導出されたリークジェットは、シールフィン用延長線10と動翼シュラウド用延長線11とによって挟まれている領域(以下、「リークジェットが流れる領域」という。)に導出される。ここで、タービンケーシング4の下流側の壁面4bの角部4dは、動翼シュラウド用延長線11およびシールフィン用延長線10から離反するとともに、シールフィン用延長線10から見て動翼シュラウド用延長線11とは反対側に位置しているので、リークジェットが流れる領域から導出されたリークジェットは、タービンケーシング4の下流側の壁面4bおよびに角部4dに衝突することなく主流ガス側へと導出される。
[0045]
 リークジェットが流れる領域から導出されたリークジェットは、各動翼2に作用した後の主流ガスの流れ方向に対して小さな流入角度をもって合流する。この流入角度は、30°以下がよいとされるが、小さければ小さいほど好ましいため、主流ガスの流れ方向に対して平行に近い角度であれば更によく、平行な場合が最も望ましい。
[0046]
 また、リークジェットをタービンケーシング4の下流側の壁面4bおよび角部4dから離反して導出させることができるので、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3aとの間から漏れ出たリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに衝突することを防止することができる。そのため、タービンケーシング4の下流側の壁面4bにリークジェットが衝突することによって、衝突したリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに沿って径方向内方側に移動して、図5に示した破線のように時計回りに流れる渦が形成され、その渦と主流ガスが合流する際に、渦と主流ガスが逆方向に流れて、動翼2に作用した主流ガスをキャビティ7内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、リークジェットは、図1(A)に示した破線のようにキャビティ7内を反時計回りに流れることとなる。
[0047]
 以上の通り、シール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
 キャビティ(空間部)7を形成しているタービンケーシング(構造体)4の下流側の壁面(壁部)4bの角部(端部)4dが、動翼シュラウド(シュラウド)3aの下流側に延在している動翼シュラウド用延長線(シュラウド用延長線)11およびそれに平行して最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cの下流側に延在しているシールフィン用延長線(封止手段用延長線)10から離反するとともに、シールフィン用延長線10から見て動翼シュラウド用延長線11とは反対側に位置するようにした。これにより、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3aとの間から漏れ出たリークジェット(漏れ出た流体)がタービンケーシング4の下流側の壁面4bに衝突することを防止することができる。そのため、動翼(翼)2に作用した主流ガス(主流流体)に対してリークジェットを小さな流入角度により合流させることができる。したがって、リークジェットが主流ガスに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0048]
 また、リークジェットをタービンケーシング4の下流側の壁面4bから離反して導出することができるので、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3aとの間から漏れ出たリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに衝突することを防止することができる。そのため、タービンケーシング4の下流側の壁面4bにリークジェットが衝突することによって、衝突したリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに沿って径方向内方側に移動して、図5に示した破線のように、時計回りに流れる渦が形成され、その渦と主流ガスが合流する際に、渦と主流ガスが逆方向に流れて、動翼2に作用した主流ガスをキャビティ7内に巻き込むことを抑制することができる。すなわちリークジェットは、図1(A)に示した破線のようにキャビティ7内を反時計回りに流れることとなる。したがって、リークジェットが動翼2に作用した主流ガスの流れに合流する際の流れの向きがほぼ同じとなるため、動翼2に作用した主流ガスの流れが大きく乱れることを防止して、リークジェットが主流ガスの流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0049]
 動翼シュラウド3aのタービンケーシング4に対向する側の面(外周面)は、動翼2に作用した主流ガスの流れ方向に略平行となるように設けることとした。そのため、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3aとの間から漏れ出たリークジェットを動翼2に作用した主流ガスに対して小さな流入角度により合流させることができる。したがって、リークジェットが主流ガスに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0050]
 最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3aとの間から漏れ出たリークジェットが動翼2に作用した主流ガスに合流する際に生じるミキシングロスの低減が可能なシール構造を備えることとした。そのため、ガスタービン(タービン機械)のタービン効率の低下を防止することができる。
[0051]
 タービン効率の低下を防止することが可能なガスタービン(タービン機械)を設けることとした。そのため、発電プラントの発電効率の低下を防止することができる。
[0052]
[第2実施形態]
 以下、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態のシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントは、最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cと所定の間隙を有して離反する動翼シュラウドの下流側の外周面が動翼に作用する主流ガスの流れ方向に沿って次第にタービンケーシングの内側から離反する点で第1実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成および同一の流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
 図2は、本発明の第2実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図を示している。
[0053]
 動翼シュラウド(シュラウド)3bの下流側の外周面(タービンケーシング4に対向している側の面)は、動翼シュラウド3bの中央部に設けられている凸部から動翼(翼)2に作用する主流ガス(主流流れ)の流れ方向に沿って次第にタービンケーシング(構造体)4の内側から離反するように傾斜している。動翼シュラウド3bの下流側の外周面がタービンケーシング4の内側から次第に離反する割合、即ち、傾斜角度は、リークジェット(漏れ出た流体)が動翼2に作用した後の主流ガスに合流した際に、主流ガスの流れを大きく乱すことのない流入角度とするために、動翼2に作用した主流ガスの流れ方向に対して30°以下がよいとされている。
[0054]
 最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3bとの間から導出されたリークジェットは、タービンケーシング4の壁面(壁部)4bおよび角部(端部)4dに衝突することなく主流ガス側へと導出される。
 また、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3bとの間から導出されたリークジェットは、各動翼2に作用した後の主流ガスの流れ方向に対して小さな流入角度をもって合流する。
[0055]
 以上の通り、本実施形態に係るシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
 動翼シュラウド(シュラウド)3bの下流側の外周面(タービンケーシング4に対向している側の面)は、動翼(翼)2に作用する主流ガス(主流流体)の流れ方向に沿って次第にタービンケーシング(構造体)4から離反するように傾斜させて設けることとした。これによりリークジェット(漏れ出た流体)をタービンケーシング4の下流側の壁面(壁部)4bから離反して導出することができるので、最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cと動翼シュラウド3bとの間から漏れ出たリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに衝突することを防止することができる。そのため、タービンケーシング4の下流側の壁面4bにリークジェットが衝突することによって、衝突したリークジェットがタービンケーシング4の下流側の壁面4bに沿って径方向内方側に移動して、図5に示した破線のようにキャビティ7(空間部)内に時計回りの渦を形成して、動翼2に作用した主流ガスをキャビティ7内に巻き込むことを抑制することができる。すなわち、リークジェットは、図2(A)に示した破線のようにキャビティ7内を反時計回りに流れることとなる。したがって、動翼2に作用した主流ガスの流れが大きく乱れることを防止して、リークジェットが主流ガスの流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0056]
[第3実施形態]
 以下、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態のシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントは、最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cと所定の間隙を有して離反する動翼シュラウドの下流側の外周面が動翼に作用する主流ガスの流れ方向に沿って次第にタービンケーシングの内側に近づく点で第1実施形態と相違しその他は同様である。したがって、同一の構成および同一の流れについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
 図3は、本発明の第3実施形態に係る発電プラントにおけるガスタービンのシール構造であり、(A)は、その概略構成図を示し、(B)は、その部分拡大図を示している。
[0057]
 動翼シュラウド(シュラウド)3cの下流側の外周面(タービンケーシング4に対向している側の面)は、動翼シュラウド3cの中央部に設けられている凸部から動翼(翼)2に作用する主流ガス(主流流れ)の流れ方向に沿って次第にタービンケーシング(構造体)4の内側に近づいて傾斜するように形成されている。動翼シュラウド3cの下流側の外周面がタービンケーシング4の内側へと次第に近づく割合、即ち、傾斜角度は、リークジェット(漏れ出た流体)が動翼2に作用した後の主流ガスに合流した際に、主流ガスの流れを大きく乱すことのない流入角度とするために、動翼2に作用した主流ガスの流れ方向に対して30°以下がよいとされている。
[0058]
 最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cと動翼シュラウド3cとの間から導出されたリークジェットは、タービンケーシング4の壁面(壁部)4bおよび角部(端部)4dに衝突することなく主流ガス側へと導出される。
 また、最下流に位置するシールフィン5cと動翼シュラウド3cとの間から導出されたリークジェットは、各動翼2に作用した後の主流ガスの流れ方向に対して小さな流入角度をもって合流する。
[0059]
 以上の通り、本実施形態に係るシール構造、これを備えたタービン機械およびこれを備えた発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
 動翼シュラウド(シュラウド)3cの下流側の外周面(タービンケーシング4に対向している側の面)は、動翼(翼)2に作用する主流ガス(主流流体)の流れ方向に沿って次第にタービンケーシング(構造体)4に近づくように傾斜するように設けることとした。そのため、最下流に位置するシールフィン(封止手段)5cと動翼シュラウド3cとの間から漏れ出たリークジェット(漏れ出た流体)を動翼2に作用した主流ガスに直接合流させず、また、キャビティ(空間部)7内に動翼2に作用した主流ガスが巻き込まれることを更に抑制することができる。したがって、リークジェットが主流ガスに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0060]
 上述した第1~第3実施形態では、タービン機械としてガスタービンを用いて説明したが、蒸気タービンなど他のタービン機械であっても良い。
 また、上述した第1~第3実施形態では、翼を動翼2とし、構造体をタービンケーシング4として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、翼を静翼とし、構造体を回転軸体としても良い。
[0061]
 図4には、前述した第1実施形態の変形例として、翼を静翼とし構造体を回転軸体とした場合の概略構成図が示されている。
 回転軸体(構造体)20は、前述した静翼列(図示せず)および動翼列6(図1参照)を通過する主流ガス(主流流体)の流れ方向に延在している棒状形状とされている。回転軸体20の外周は、回転軸体20の中心軸方向に向かって凹形状になるように形成されている。回転軸体20の外周に設けられている凹形状は、静翼(翼)22の上流側の壁面(壁部)20aと、静翼22の下流側の壁面20bと、壁面20aおよび壁面20bを接続しており静翼シュラウド(シュラウド)23の径方向内方側に対向するように位置している壁面20cとによって形成されている。これにより、回転軸体20の外周に設けられている凹形状は、回転軸体20の中心軸方向に向って窪むこととなる。
[0062]
 回転軸体20の外周に設けられている凹形状を形成している壁面20cには、シールフィン25の基端が接続されている。シールフィン25は、少なくとも1つ以上のシールフィン25、例えば3つを備えている。各シールフィン25a、25b、25cは、回転軸体20の壁面20cから静翼シュラウド23に向かって径方向外方側に延在している。静翼シュラウド23に向かって延在している各シールフィン25a、25b、25cの先端は、静翼シュラウド23の回転軸体20に対向する側の面(以下、「内周面」という。)と所定の間隙を有して離反している。シールフィン25は、3つに限られることはなく、1つ、2つ、または、4つ以上でもよい。
[0063]
 これらシールフィン25a、25b、25cによって、静翼22と回転軸体20との間から漏れ出たガス(漏れ出た流体)が、静翼シュラウド23と回転軸体20との間から静翼22の下流側へと漏洩する漏洩量を低減している。静翼シュラウド23の内周面と各シールフィン25a、25b、25cの先端との径方向における所定の間隙とは、運転中に静翼22と回転軸体20との間から漏れ出たガス(以下、「リークジェット」という。)の漏洩量を最小限に抑えることが可能な径方向における距離とされている。
[0064]
 静翼22は、その先端に静翼シュラウド23を有している。静翼シュラウド23は、隣り合う静翼シュラウド23同士が接触して筒状を形成している。静翼シュラウド23の内周面は、静翼22に作用した主流ガスの流れ方向に対して略平行とされている。
[0065]
 キャビティ(空間部)27は、静翼シュラウド23の下流側およびシールフィン25のうち最下流に位置するシールフィン(封止手段)25cの下流側と、回転軸体20の凹形状の下流側の壁面20bおよび壁面20cとによって形成され、静翼22に作用した主流ガスに連通している。キャビティ27を形成している回転軸体20の壁面20bの外周側の角部(端部)20dは、静翼シュラウド23の内周面に沿って延長し、静翼シュラウド23の下流側に延在している静翼シュラウド用延長線(シュラウド用延長線)31、および、それに対して所定の間隙を有して略平行に設けられている最下流に位置するシールフィン25cの先端を通って最下流に位置するシールフィン25cの下流側に延在しているシールフィン用延長線(封止手段用延長線)30から離反するとともに、シールフィン用延長線30からみて静翼シュラウド用延長線31とは反対側に位置している。
[0066]
 静翼シュラウド用延長線31とシールフィン用延長線30との間の所定の間隙とは、静翼シュラウド31と最下流に位置するシールフィン25との間から漏れ出るリークジェットの漏洩量を最小限に抑えることが可能な径方向における距離とされている。
[0067]
 次に、主流ガスおよびリークジェットの流れについて説明する。
 各静翼22に導かれた主流ガスの一部は、静翼22の上流側から静翼シュラウド23と回転軸体20との間に漏れ出る。静翼シュラウド23と回転軸体20との間に漏れ出た主流ガスは、静翼シュラウド23と最下流に位置するシールフィン25cとの間から導出されてリークジェットとなる。
[0068]
 静翼シュラウド23と最下流に位置するシールフィン25cとの間から導出されたリークジェットは、シールフィン用延長線30と静翼シュラウド用延長線31とによって挟まれている領域に導出される。ここで、回転軸体20の下流側の壁面20bの角部20dは、静翼シュラウド用延長線31およびシールフィン用延長線30から離反するとともに、シールフィン用延長線30から見て静翼シュラウド用延長線31とは反対側に位置しているので、シールフィン用延長線30と静翼シュラウド用延長線31との間から導出されたリークジェットは、回転軸体20の下流側の壁面20bおよびに角部20dに衝突することなく主流ガス側へと導出される。
[0069]
 シールフィン用延長線30と静翼シュラウド用延長線31との間から導出されたリークジェットは、各静翼22に作用した後の主流ガスの流れ方向に対して小さな流入角度をもって合流する。この流入角度は、30°以下がよいとされるが、小さければ小さいほど好ましいため、主流ガスの流れ方向に対して平行に近い角度であれば更によく、平行な場合が最も望ましい。
[0070]
 また、リークジェットを回転軸体20の下流側の壁面20bおよび角部(端部)20dから離反して導出させることができるので、最下流に位置するシールフィン25cと静翼シュラウド23との間から漏れ出たリークジェットが回転軸体20の下流側の壁面20bに衝突することを防止することができる。そのため、回転軸体20の下流側の壁面20bにリークジェットが衝突することによって、衝突したリークジェットが回転軸体20の下流側の壁面20bに沿って径方向外方側に移動して、図6に示す破線のように反時計回りに流れる渦が形成され、その渦と主流ガスが合流する際に、渦と主流ガスが逆方向に流れて、静翼22に作用した主流ガスをキャビティ27内に巻き込むことを抑制することができる。すなわちリークジェットは、図4に示した破線のようにキャビティ27内を時計回りに流れることとなる。
 そのため、静翼22に作用した主流ガスの流れを大きく乱すことなくリークジェットを合流させることができ、リークジェットが主流ガスの流れに合流することによるミキシングロスを低減することができる。
[0071]
 静翼シュラウド23の内周面は、本変形例で示した形状以外の形状であっても良く、図2に示した動翼シュラウド3bや図3に示した動翼シュラウド3cの下流側の外周面のように傾斜していてもよい。
 すなわち、最下流に位置するシールフィン25cと所定の間隙を有して離反している静翼シュラウド23の下流側の内周面とは、静翼22に作用する主流ガスの流れ方向に沿って次第に回転軸体20から離反するように傾斜するものであったり、静翼22に作用する主流ガスの流れ方向に沿って次第に回転軸体20に近づくように傾斜するものであってもよい。
 このように、静翼シュラウド23の下流側の内周面を傾斜させた場合、これらの傾斜角度は、リークジェットが静翼22に作用した後の主流ガスに合流した際に、主流ガスの流れを大きく乱すことのない流入角度とするために、静翼22に作用した主流ガスの流れ方向に対して30°以下がよいとされている。

符号の説明

[0072]
2 動翼(翼)
3(3a,3b,3c) 動翼シュラウド (シュラウド)
4 タービンケーシング(構造体)
4b 壁面(壁部)
4d 角部(端部)
5c 最下流に位置するシールフィン(封止手段)
7 キャビティ(空間部)
10 シールフィン用延長線(封止手段用延長線)
11 動翼シュラウド用延長線(シュラウド用延長線)

請求の範囲

[請求項1]
 主流流体が作用する複数の翼の先端に設けられ、隣り合うそれぞれが接触して筒状となるシュラウドと、
 該シュラウドに対向して設けられる構造体に接続される封止手段と、
 前記シュラウドの下流側と、前記封止手段の下流側と、前記構造体の下流側の壁部とによって形成され、前記翼に作用した主流流体に連通する空間部と、を備え、
 前記構造体の下流側の前記壁部の端部が、前記シュラウドの下流側に延在するシュラウド用延長線と、該シュラウド用延長線に対して所定の間隙を有して略平行に設けられる前記封止手段の下流側に延在する封止手段用延長線とから離反するとともに、前記封止手段用延長線から見て前記シュラウド用延長線とは反対側に位置するように形成されているシール構造。
[請求項2]
 前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用した主流流体の流れ方向と略平行に設けられる請求項1に記載のシール構造。
[請求項3]
 前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に前記構造体から離反するように傾斜する請求項1または請求項2に記載のシール構造。
[請求項4]
 前記シュラウドの前記構造体に対向する側の面は、前記翼に作用する主流流体の流れ方向に沿って次第に前記構造体に近づくように傾斜する請求項1または請求項2に記載のシール構造。
[請求項5]
 請求項1から請求項4のいずれかに記載のシール構造を備えるタービン機械。
[請求項6]
 請求項5に記載のタービン機械を備える発電プラント。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]