特許 6367064 タービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6367064

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】タービン

(51)【国際特許分類】

   F01D 11/00 20060101AFI20180723BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20180723BHJP

   F02C 7/28 20060101ALI20180723BHJP

   F16J 15/52 20060101ALI20180723BHJP

   F16J 3/04 20060101ALI20180723BHJP

   F16J 15/16 20060101ALI20180723BHJP

   F16J 15/447 20060101ALN20180723BHJP

【ＦＩ】

   F01D11/00

   F01D25/24 P

   F02C7/28 Z

   F16J15/52

   F16J3/04 Z

   F16J15/16 Z

   !F16J15/447

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-190782(P2014-190782)

(22)【出願日】2014年9月19日

(65)【公開番号】特開2016-61250(P2016-61250A)

(43)【公開日】2016年4月25日

【審査請求日】2017年3月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 紀和

(72)【発明者】

【氏名】岩井 章吾

【審査官】 高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２８５９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０１５９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５５７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２０３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５２６５４１２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １１／００

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０２Ｃ ７／２８

Ｆ１６Ｊ ３／０４

Ｆ１６Ｊ １５／１６

Ｆ１６Ｊ １５／４４７

Ｆ１６Ｊ １５／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体の流路を形成する第１筒部と、
前記第１筒部の一方の端部側に配置され、前記流路の下流側に配置される第２筒部と、
前記第１筒部と前記第２筒部との間に配置される中間筒部と、
前記第１筒部内に設けられる静翼と、
前記静翼の直下流に設けられる動翼と、
前記動翼の先端と前記第１筒部との間に設けられ、前記作動流体よりも温度の低い冷却媒体が流れる流路を前記第１筒部との間に形成する入熱防止部と、
前記第１筒部と前記中間筒部との間に設けられ、径方向の位置ずれに追従する第１シール部と、
前記第２筒部と前記中間筒部との間に設けられ、軸方向の位置ずれに追従する第２シール部と、
を有するタービン。

【請求項2】

作動流体の流路を形成する第１筒部と、
前記第１筒部の一方の端部側に配置され、前記流路の下流側に配置される第２筒部と、
前記第１筒部と前記第２筒部との間に配置される中間筒部と、
前記第１筒部内に設けられる静翼と、
前記静翼の直下流に設けられる動翼と、
前記動翼の先端と前記第１筒部および前記中間筒部との間に設けられ、前記作動流体よりも温度の低い冷却媒体が流れる流路を前記第１筒部および前記中間筒部との間に形成する入熱防止部と、
前記第２筒部と前記中間筒部との間に設けられ、径方向の位置ずれに追従する第１シール部と、
前記第１筒部と前記中間筒部との間に設けられ、軸方向の位置ずれに追従する第２シール部と、
を有するタービン。

【請求項3】

前記第１シール部は、嵌合構造を有する
請求項１または２に記載のタービン。

【請求項4】

前記第２シール部は、接触フィンを有するシール部材を具備する
請求項１から３のいずれかに記載のタービン。

【請求項5】

前記第２シール部は、ベローズを有する
請求項１から３のいずれかに記載のタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、シール構造およびタービンに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、二酸化炭素、燃料、および酸素を燃焼器に導入し、発生した燃焼ガスでタービンを回転させて発電するＣＯ_２サイクル発電システムの開発が進められている。ＣＯ_２サイクル発電システムによれば、発電とＣＯ_２回収とを同時に行うことができ、高効率な発電を行うことができる。以下、ＣＯ_２サイクル発電システムに用いられるタービンをＣＯ_２タービンと記す。

【0003】

ＣＯ_２タービンは、作動流体である燃焼ガスの温度が高く、かつケーシングの内外における圧力差が大きい。このため、従来のシール構造では、ケーシングを構成する隣接する部材の間を十分にシールできない。例えば、蒸気タービンの場合、ケーシングの内外における圧力差は３０ＭＰａ程度と大きいが、作動流体の温度は６００℃程度と低い。一方、ガスタービンの場合、作動流体の温度は１０００℃以上と高いが、ケーシングの内外における圧力差は３ＭＰａ程度と低い。ＣＯ_２タービンの場合、ケーシングの内外における圧力差が３０ＭＰａ程度と大きく、かつ作動流体の温度が１０００℃以上と高い。

【0004】

図１０は、ＣＯ_２タービンの最終段落付近の一例を示す断面図である。ＣＯ_２タービン１００は、静止部品１１１と回転部品１１２とを有する。静止部品１１１は、円筒形状の内部ケーシング１１３および図示しない外部ケーシングを有する。

【0005】

ケーシング１１３の内側には、周方向に複数の静翼１１４を有する静翼翼列が設けられる。静翼１１４は、内側から順に、内側シュラウド１１５、静翼本体１１６、および外側シュラウド１１７を有する。静翼１１４には、さらに、燃焼ガスからケーシング１１３への入熱を防止するための延長部１１８が設けられる。また、静翼翼列の直下流側には、タービンロータ１２１のロータホイール１２２に周方向に一定間隔で植設された複数の動翼１２３を有する動翼翼列が設けられる。静翼翼列と動翼翼列とは、軸方向に沿って交互に配設されている。静翼翼列と、この静翼翼列の直下流側の動翼翼列とで、一つのタービン段落が構成されている。なお、図中、符号１２４は、燃焼ガスの流れを示す。また、図中、符号１２５は、冷却媒体の流れを示す。

【0006】

ケーシング１１３は、例えば、燃焼ガスの流れの上流側から下流側に向かって、第１筒部１２６および第２筒部１２７を有する。図示しないが、第１筒部１２６は、第２筒部１２７側の端部以外の部分で固定される。また、第２筒部１２７は、第１筒部１２６側の端部以外の部分で固定される。第１筒部１２６と第２筒部１２７との間は、シール部１２８によりシールされる。第１筒部１２６の内面は延長部１１８により覆われており、第１筒部１２６と延長部１１８との間に流れる冷却媒体により、第１筒部１２６が冷却される。

【0007】

シール部１２８は、例えば、接続フィンを有するシール部材を具備する。このようなシール部材については、接続フィンを除いた部分が第２筒部１２７の内側部分に収容され、接続フィンが第１筒部１２６の外面に接触する。

【0008】

上記構造のＣＯ_２タービン１００の場合、第１筒部１２６の内面には冷却媒体が接触するために温度が低くなる一方、第２筒部１２７の内面には燃焼ガスが接触するために温度が高くなる。

【0009】

第１筒部１２６の温度よりも第２筒部１２７の温度が高くなると、第１筒部１２６の熱膨張による径方向の伸び（熱伸び）に比べて第２筒部１２７の径方向の熱伸びが大きくなる。このような径方向の熱伸びの違いにより、第１筒部１２６と第２筒部１２７との間に径方向の位置ずれが発生する。また、軸方向についても、第１筒部１２６と第２筒部１２７との互いの方向への熱伸びにより、軸方向の位置ずれが発生する。図示されるシール部１２８の場合、軸方向の位置ずれには追従できるが、径方向の位置ずれには十分に追従できない。

【0010】

また、シール部１２８として、図１１に示されるものが挙げられる。図１１に示されるシール部１２８は、第１筒部１２６および第２筒部１２７の内面に設けられた一対の溝部と、この一対の溝部に収容された環状のシール部材とを有する。このようなシール部１２８については、ケーシング１１３の内外の圧力差により、溝部の側面にシール部材が押し付けられてシールされる。しかし、このようなシール部１２８の場合、径方向の位置ずれには追従できるが、軸方向の位置ずれには十分には追従できない。

【0011】

さらに、シール部１２８として、図１２に示されるものが挙げられる。図１２に示されるシール部１２８は、第１筒部１２６の端面と第２筒部１２７の端面とに跨る薄板状のシール部材を有する。このようなシール部１２８については、シール部材の弾性変形により、第１筒部１２６と第２筒部１２７との径方向および軸方向の位置ずれに追従できる。しかし、ケーシング１１３の内外の圧力差が大きくなると、強度不足によりシール部材が破損するおそれがある。一方、シール部材の強度を高くすると弾性変形しにくくなり、径方向および軸方向の位置ずれに十分に追従できない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１１−１４０９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上記したように、温度が異なる一対の筒部の間をシールする場合、径方向および軸方向の双方の位置ずれに追従する必要がある。本発明が解決しようとする課題は、温度が異なる一対の筒部の間をシールできるシール構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

実施形態のタービンは、第１筒部、第２筒部、中間筒部、静翼、動翼、入熱防止部、第１シール部、および第２シール部を有する。第１筒部は、タービンの作動流体の流路を形成する。第２筒部は、第１筒部の一方の端部側であって、第１筒部よりも下流側に配置される。中間筒部は、第１筒部と第２筒部との間に配置される。静翼は、第１筒部内に設けられる。動翼は、静翼の直下流に設けられる。入熱防止部は、動翼の先端と第１筒部との間に設けられ、作動流体よりも温度の低い冷却媒体が流れる流路を第１筒部との間に形成する。第１シール部は、第１筒部と中間筒部との間に設けられ、径方向の位置ずれに追従する。第２シール部は、第２筒部と中間筒部との間に設けられ、軸方向の位置ずれに追従する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態のシール構造（熱伸び発生前）の断面図である。

【図2】第１の実施形態のシール構造（熱伸び発生後）の断面図である。

【図3】第２の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生前）を示す断面図である。

【図4】第２の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生後）を示す断面図である。

【図5】第２の実施形態のガスタービン設備の系統図である。

【図6】第３の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生前）を示す断面図である。

【図7】第３の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生後）を示す断面図である。

【図8】第４の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生前）を示す断面図である。

【図9】第５の実施形態のＣＯ_２タービン（熱伸び発生前）を示す断面図である。

【図10】従来のシール部が適用されたＣＯ_２タービンの第１の例を示す断面図である。

【図11】従来のシール部が適用されたＣＯ_２タービンの第２の例を示す断面図である。

【図12】従来のシール部が適用されたＣＯ_２タービンの第３の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0017】

（第１の実施形態）
図１、図２は、第１の実施形態のシール構造を示す断面図である。
図１は、熱伸び発生前の状態を示している。図２は、熱伸び発生後の状態を示している。なお、図１、図２には、中心軸に対して一方の径方向側の断面のみを示している。

【0018】

本実施形態のシール構造１０は、第１筒部１１の温度に比べて第２筒部１２の温度が高くなるものに好適に用いられる。

【0019】

シール構造１０は、第１筒部１１、第２筒部１２、および中間筒部１３を有する。第１筒部１１、第２筒部１２、および中間筒部１３は、それぞれの中心軸が一致するように設けられる。第２筒部１２は、第１筒部１１の軸方向の一方の端部側に配置される。図示しないが、第１筒部１１は、第２筒部１２側の端部を除いた部分で固定される。また、第２筒部１２は、第１筒部１１側の端部を除いた部分で固定される。

【0020】

中間筒部１３は、第１筒部１１と第２筒部１２との径方向の間に配置されるとともに、第１筒部１１と第２筒部１２との軸方向の間に配置される。また、中間筒部１３は、第１筒部１１側が第１筒部１１の端部の外側に配置され、かつ第２筒部１２側が第２筒部１２の端部の内側に配置される。なお、中間筒部１３は、その温度が第１筒部１１の温度よりも第２筒部１２の温度に近くなるように構成される。特に、中間筒部１３は、その温度が第２筒部１２の温度と等しくなるように構成されることが好ましい。

【0021】

第１シール部１４は、径方向の位置ずれに追従するものであり、第１筒部１１と中間筒部１３との間に設けられる。具体的には、第１筒部１１と中間筒部１３とが径方向に重なり合う部分に設けられる。

【0022】

第１シール部１４は、嵌合構造を有する。嵌合構造は、第１筒部１１に設けられた嵌合凸部１１ａおよび嵌合凹部１１ｂと、中間筒部１３に設けられた嵌合凸部１３ａおよび嵌合凹部１３ｂとから構成される。

【0023】

嵌合凸部１１ａ、嵌合凹部１１ｂは、第１筒部１１における第２筒部１２側の端部に設けられる。嵌合凸部１１ａは、嵌合凹部１１ｂよりも第２筒部１２側に設けられる。嵌合凸部１１ａは、外側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部１１ｂは、内側に凹状となるように設けられる。

【0024】

嵌合凸部１３ａ、嵌合凹部１３ｂは、中間筒部１３における第１筒部１１側の端部に設けられる。嵌合凸部１３ａは、嵌合凹部１３ｂよりも第１筒部１１側に設けられる。嵌合凸部１３ａは、内側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部１３ｂは、外側に凹状となるように設けられる。

【0025】

嵌合凸部１１ａの嵌合凹部１１ｂ側の表面と、嵌合凸部１３ａの嵌合凹部１３ｂ側の表面とは、第１筒部１１、第２筒部１２、および中間筒部１３からなる部分の内外の圧力差により互いに接触する。この一対の表面の接触により、第１筒部１１と中間筒部１３との間がシールされる。また、この一対の表面が摺動することにより、第１筒部１１と中間筒部１３との間の径方向の位置ずれに追従する。

【0026】

第２シール部１５は、軸方向の位置ずれに追従するものであり、第２筒部１２と中間筒部１３との間に設けられる。具体的には、第２筒部１２と中間筒部１３とが径方向に重なり合う部分に設けられる。

【0027】

第２シール部１５は、接触フィンを有するシール部材を具備する。シール部材は、接触フィンを除いた部分が第２筒部１２の内側部分に収容され、接触フィンが中間筒部１３の外面に接触する。中間筒部１３に接触フィンが接触することにより、第２筒部１２と中間筒部１３との間がシールされる。また、中間筒部１３と接触フィンとが摺動することにより、第２筒部１２と中間筒部１３との間の軸方向の位置ずれに追従する。

【0028】

第１筒部１１の温度に比べて第２筒部１２の温度が高くなった場合、第１筒部１１の径方向の熱伸びに比べて第２筒部１２の径方向の熱伸びが大きくなり、第１筒部１１の壁部に対して第２筒部１２の壁部が径方向の外側へと移動する（図２）。

【0029】

この際、中間筒部１３の温度が第１筒部１１の温度よりも第２筒部１２の温度に近いと、第２筒部１２と同様、第１筒部１１の壁部に対して中間筒部１３の壁部が径方向の外側へと移動する。このとき、第１筒部１１と中間筒部１３との間には径方向の位置ずれに追従する第１シール部１４が設けられていることから、第１筒部１１と中間筒部１３との間が有効にシールされる。

【0030】

また、第１筒部１１および第２筒部１２は軸方向にも熱伸びするが、第２筒部１２と中間筒部１３との間に設けられた軸方向に位置ずれする第２シール部１５により有効にシールされる。特に、第２筒部１２と中間筒部１３との壁部の径方向の外側への移動量がほぼ等しく、第２筒部１２と中間筒部１３との間の隙間が常に一定に保たれることから、軸方向に位置ずれする第２シール部１５により有効にシールされる。

【0031】

以上説明したように、シール構造１０によれば、第１筒部１１と第２筒部１２との間に中間筒部１３を有することで、第１筒部１１と第２筒部１２との間の位置ずれを、径方向の位置ずれと軸方向の位置ずれに分割できる。このため、径方向の位置ずれに追従する第１シール部１４と、軸方向の位置ずれに追従する第２シール部１５とにより、第１筒部１１と第２筒部１２との間を有効にシールできる。

【0032】

また、第１筒部１１または第２筒部１２の一方の筒部の温度と中間筒部１３の温度とを近くすることで、これらの径方向の熱伸びが近くなり、これらの間の径方向の隙間を常に一定に保つことができる。このため、軸方向の位置ずれに追従する第２シール部１５により、これらの間を有効にシールできる。

【0033】

一方、第１筒部１１または第２筒部１２の他方の筒部と中間筒部１３との間の径方向の隙間は大きくなるが、これらの間には軸方向の位置ずれが発生しないことから、径方向の位置ずれに追従する第１シール部３７により有効にシールできる。また、第１シール部１４の構造として嵌合構造を適用することで、大きな位置ずれにも追従できる。

【0034】

なお、第１筒部１１、第２筒部１２、および中間筒部１３は、中間筒部１３の温度が第２筒部１２の温度よりも第１筒部１１の温度に近くなるように構成されてもよい。中間筒部１３の温度が第２筒部１２の温度よりも第１筒部１１の温度に近くなるように構成される場合、第１筒部１１と中間筒部１３との間に軸方向の位置ずれに追従する第２シール部１５が設けられ、第２筒部１２と中間筒部１３との間に径方向の位置ずれに追従する第１シール部１４が設けられることが好ましい。

【0035】

（第２の実施形態）
図３、図４は、第２の実施形態のＣＯ_２タービン２０を示す断面図である。
なお、図３は、熱伸び発生前の状態を示している。図４は、熱伸び発生後の状態を示している。

【0036】

ＣＯ_２タービン２０は、実質的に第１の実施形態のシール構造を有するものである。ＣＯ_２タービン２０は、静止部品２０ａおよび回転部品２０ｂを有する。静止部品２０ａは、円筒形状の内部ケーシング２１および図示しない外部ケーシングを有する。ケーシング２１の内側には、周方向に複数の静翼２２を有する静翼翼列が設けられる。静翼２２は、内側から順に、内側シュラウド２３、静翼本体２４、および外側シュラウド２５を有する。また、静翼翼列の直下流側には、タービンロータ２６のロータホイール２７に周方向に一定間隔で植設された複数の動翼２８を有する動翼翼列が設けられる。静翼翼列と動翼翼列とは、軸方向に沿って交互に配設される。静翼翼列と、この静翼翼列の直下流側の動翼翼列とで、一つのタービン段落が構成される。

【0037】

ケーシング２１の内側には、静翼翼列および動翼翼列を有する円環状の燃焼ガス通路が形成される。燃焼ガスは、矢印３１に示されるように、図中の左側から右側へと流れる。動翼２８の周囲には、静翼２２から延長される延長部３２が設けられる。延長部３２は、燃焼ガスからケーシング２１への入熱を防止するために設けられる。また、ケーシング２１と延長部３２との間には、矢印３３に示されるように、図中の左側から右側へと冷却媒体が流れる。冷却媒体としては、例えば、ＣＯ_２サイクル発電システムにおける超臨界流体の二酸化炭素が用いられる。冷却媒体は、ケーシング２１の外側から外側シュラウド２５の内部に導入され、さらに外側シュラウド２５に設けられた孔部を通してケーシング２１と延長部３２との間に供給される。

【0038】

ケーシング２１は、第１筒部３４、第２筒部３５、中間筒部３６、第１シール部３７、および第２シール部３８を有する。第１筒部３４、第２筒部３５は、燃焼ガスの流路を形成し、第１筒部３４の下流側に第２筒部３５が配置される。第１シール部３７は、第１筒部３４と中間筒部３６との間に設けられ、嵌合構造を有する。第２シール部３８は、第２筒部３５と中間筒部３６との間に設けられ、嵌合構造を有しない。

【0039】

第１筒部３４は、第２筒部３５側の端部に嵌合凸部３４ａおよび嵌合凹部３４ｂを有する。嵌合凸部３４ａは、嵌合凹部３４ｂよりも第２筒部３５側に設けられる。嵌合凸部３４ａは、外側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部３４ｂは、内側に凹状となるように設けられる。

【0040】

第２筒部３５は、第１筒部３４側の端部が第１筒部３４における第２筒部３５側の端部を外側から覆うように設けられる。

【0041】

中間筒部３６は、一方の端部側が第１筒部３４と第２筒部３５との径方向の間に設けられ、他方の端部側が第１筒部３４における第２筒部３５側の端面を覆うように設けられる。

【0042】

中間筒部３６は、第１筒部３４側に嵌合凸部３６ａおよび嵌合凹部３６ｂを有する。嵌合凸部３６ａは、嵌合凹部３６ｂよりも第１筒部３４側に設けられる。嵌合凸部３６ａは、内側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部３６ｂは、外側に凹状となるように設けられる。

【0043】

中間筒部３６の外径は、軸方向に一定である。また、中間筒部３６の内径は、嵌合凸部３６ａおよび嵌合凹部３６ｂを除いた部分については、第１筒部３４側が第１筒部３４とほぼ同様であり、反対側に向かって徐々に拡大しており、燃焼ガスに接触できるようになっている。

【0044】

第１シール部３７は、第１筒部３４に設けられた嵌合凸部３４ａおよび嵌合凹部３４ｂと、中間筒部３６に設けられた嵌合凸部３６ａおよび嵌合凹部３６ｂとから構成される嵌合構造を有する。第２シール部３８は、第２筒部３５の内側部分に収容された接触フィンを有するシール部材を具備する。

【0045】

延長部３２は、第１筒部３４における第２筒部３５側の端部まで設けられており、中間筒部３６の内面を覆わずに第１筒部３４の内面を覆っている。これにより、第１筒部３４が燃焼ガスに接触せずに冷却媒体に接触し、第２筒部３５および中間筒部３６が冷却媒体に接触せずに燃焼ガスに接触する。

【0046】

ここで、冷却媒体の流量は、燃焼ガスの流量に比べて非常に少ない。また、冷却媒体は、第１筒部３４と延長部３２との間から流れ出ると同時に燃焼ガスと混ざり合う。このような理由から、冷却媒体は、第１筒部３４と延長部３２との間から流れ出たときにはもはや冷却媒体としては存在しない。従って、第２筒部３５および中間筒部３６は、実質的に燃焼ガスのみと接触する。

【0047】

第２筒部３５および中間筒部３６に燃焼ガスが接触する場合、第２筒部３５および中間筒部３６の温度がほぼ等しくなる。このため、第２筒部３５および中間筒部３６の径方向の熱伸びが同程度となり、第１筒部３４の壁部に対して中間筒部３６および第２筒部３５の壁部が径方向の外側へと移動する（図４）。

【0048】

第１筒部３４と中間筒部３６との間には、径方向の位置ずれに追従する第１シール部３７が設けられている。このため、第１筒部３４と中間筒部３６との間は、第１シール部３７によりシールされる。

【0049】

一方、第１筒部３４および第２筒部３５は軸方向にも熱伸びするが、第２筒部３５と中間筒部３６との間に設けられた軸方向に位置ずれする第２シール部３８により有効にシールされる。特に、第２筒部３５の壁部の径方向の外側への移動量と中間筒部３６の壁部の径方向の外側への移動量とがほぼ等しく、第２筒部３５と中間筒部３６との間の隙間が常に一定に保たれることから、軸方向に位置ずれする第２シール部３８により有効にシールされる。

【0050】

第２筒部３５と中間筒部３６との径方向の熱伸びをほぼ等しくする観点から、第２筒部３５と中間筒部３６との構成材料は同様とすることが好ましい。第２筒部３５、中間筒部３６の構成材料としては、耐熱性に優れるニッケル基合金が好ましい。一方、第１筒部３４の構成材料は、必ずしも耐熱性が要求されず、また生産コストの観点から、鉄基合金が好ましい。

【0051】

図５は、ＣＯ_２タービン２０が適用されるガスタービン設備４０の系統図である。
ガスタービン設備４０は、例えば、ＣＯ_２サイクル発電システムに用いられる。

【0052】

燃焼器４１には、酸素および燃料が供給されて燃焼する。また、燃焼器４１には、この燃焼以前に燃焼器４１において発生した二酸化炭素が供給される。二酸化炭素は、例えば、酸素に混合されて燃焼に利用される。燃料および酸素の流量は、例えば、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整される。燃料としては、例えば、天然ガス、メタンなどの炭化水素や、石炭ガス化ガスなどが使用される。

【0053】

燃焼器４１から排出された、二酸化炭素および水蒸気からなる燃焼ガス（作動流体）は、ＣＯ_２タービン２０に導入される。ＣＯ_２タービン２０において膨張仕事をした燃焼ガスは、第１の熱交換器４２を通り、さらに第２の熱交換器４３を通る。第２の熱交換器４３を通る際、水蒸気が凝縮して水となる。水は、配管４４を通り外部に排出される。なお、ＣＯ_２タービン２０には、発電機４５が連結される。

【0054】

水蒸気が分離された二酸化炭素は、圧縮機４６で昇圧されて超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、第１の熱交換器４２において加熱され、燃焼器４１に供給される。燃焼器４１に供給された二酸化炭素は、例えば、燃焼器４１の上流側から燃料や酸化剤とともに燃焼領域に噴出される。

【0055】

ＣＯ_２タービン２０を冷却する場合には、第１の熱交換器４２における流路の途中から分岐してＣＯ_２タービン２０に接続する配管が設けられる。この配管を通して、超臨界流体の二酸化炭素の一部が冷却媒体としてＣＯ_２タービン２０に導入される。

【0056】

昇圧された二酸化炭素の残りは、系統の外部に排出される。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、回収装置により回収される。また、外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で利用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）にも利用することができる。上記した系統において、例えば、燃焼器４１において燃料と酸素を燃焼させることで生成した二酸化炭素の生成量に相当する分の二酸化炭素が系統の外部に排出される。

【0057】

（第３の実施形態）
図６、図７は、第３の実施形態のＣＯ_２タービン２０を示す断面図である。図６は、熱伸び発生前の状態を示している。図７は、熱伸び発生後の状態を示している。なお、本実施形態のＣＯ_２タービン２０は、ケーシング２１の部分を除いて第２の実施形態のＣＯ_２タービン２０と同様の構造を有する。

【0058】

ケーシング２１は、第１筒部３４、第２筒部３５、中間筒部３６、第１シール部３７、および第２シール部３８を有する。第１シール部３７は、第２筒部３５と中間筒部３６との間に設けられ、嵌合構造を有する。第２シール部３８は、第１筒部３４と中間筒部３６との間に設けられ、嵌合構造を有しない。

【0059】

第１筒部３４は、軸方向に一定の外径を有する。第２筒部３５は、第１筒部３４に対して軸方向に間隔を空けて設けられる。第２筒部３５は、第１筒部３４側の端部に嵌合凸部３５ａおよび嵌合凹部３５ｂを有する。嵌合凸部３５ａは、嵌合凹部３５ｂよりも第１筒部３４側に設けられる。嵌合凸部３５ａは、内側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部３５ｂは、外側に凹状となるように設けられる。

【0060】

第２筒部３５における嵌合凸部３５ａおよび嵌合凹部３５ｂを除いた部分については、第１筒部３４側の内径が第１筒部３４の内径と同様であり、第１筒部３４側とは反対側に向かって内径が徐々に拡大する。

【0061】

中間筒部３６は、第１筒部３４側が第１筒部３４の外側に位置し、第２筒部３５側が第２筒部３５の内側に位置するように設けられる。中間筒部３６は、第２筒部３５側に嵌合凸部３６ａおよび嵌合凹部３６ｂを有する。嵌合凸部３６ａは、嵌合凹部３６ｂよりも第２筒部３５側に設けられる。嵌合凸部３６ａは、外側に凸状となるように設けられ、嵌合凹部３６ｂは、内側に凹状となるように設けられる。中間筒部３６のうち第１筒部３４と第２筒部３５との軸方向の間に配置される部分の内径は、第１筒部３４の内径と同様である。

【0062】

第１シール部３７は、第２筒部３５に設けられた嵌合凸部３５ａおよび嵌合凹部３５ｂと、中間筒部３６に設けられた嵌合凸部３６ａおよび嵌合凹部３６ｂとから構成される嵌合構造を有する。第２シール部３８は、中間筒部３６の内側部分に収容された接触フィンを有するシール部材を具備する。

【0063】

本実施形態のケーシング２１では、第１筒部３４および中間筒部３６の双方の内面を覆うように延長部３２が設けられる。また、中間筒部３６の第２筒部３５側の端面は、燃焼ガスに接触しないように、軸方向に対して垂直に設けられる。

【0064】

第１筒部３４および中間筒部３６に冷却媒体が接触する場合、第１筒部３４および中間筒部３６の温度がほぼ等しくなる。このため、第１筒部３４および中間筒部３６の径方向の熱伸びがほぼ等しくなり、第１筒部３４および中間筒部３６の壁部に対して第２筒部３５の壁部が径方向の外側へと移動する（図７）。

【0065】

第２筒部３５と中間筒部３６との間には、径方向の位置ずれに追従する第１シール部３７が設けられている。このため、第２筒部３５と中間筒部３６との間は、第１シール部３７によりシールされる。

【0066】

一方、第１筒部３４および第２筒部３５は軸方向にも熱伸びするが、第１筒部３４と中間筒部３６との間に設けられた軸方向に位置ずれする第２シール部３８により有効にシールされる。特に、第１筒部３４の壁部の径方向の外側への移動量と中間筒部３６の壁部の径方向の外側への移動量とがほぼ等しく、第１筒部３４と中間筒部３６との間の隙間が常に一定に保たれることから、軸方向に位置ずれする第２シール部３８により有効にシールされる。

【0067】

第１筒部３４と中間筒部３６との径方向の熱伸びをほぼ等しくする観点から、第１筒部３４と中間筒部３６との構成材料は同様とすることが好ましい。第１筒部３４、中間筒部３６の構成材料としては、必ずしも耐熱性が要求されず、また生産コストの観点から、鉄基合金が好ましい。一方、第２筒部３５の構成材料は、耐熱性に優れるニッケル基合金が好ましい。

【0068】

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態のＣＯ_２タービン２０を示す断面図である。なお、図８は、熱伸び発生前の状態を示している。

【0069】

本実施形態のＣＯ_２タービン２０は、第２シール部３８を除いて第２の実施形態のＣＯ_２タービン２０と同様の構造を有する。本実施形態のＣＯ_２タービン２０は、第２シール部３８がベローズを有する。ベローズによれば、第２筒部３５と中間筒部３６との間の軸方向および径方向の位置ずれに追従できる。また、第２筒部３５と中間筒部３６との間にベローズを設けることで、燃焼ガスがベローズに直接接触することを抑制でき、ベローズの損傷を抑制できる。ベローズは、例えば、外縁が第２筒部３５の内面に固定され、内縁が中間筒部３６の外面に固定される。

【0070】

（第５の実施形態）
図９は、ＣＯ_２タービン２０の第５の実施形態を示す断面図である。なお、図８は、熱伸び発生前の状態を示している。

【0071】

本実施形態のＣＯ_２タービン２０は、第２シール部３８を除いて第３の実施形態のＣＯ_２タービン２０と同様の構造を有する。本実施形態のＣＯ_２タービン２０は、第２シール部３８がベローズを有する。ベローズによれば、第１筒部３４と中間筒部３６との間の軸方向および径方向の位置ずれに追従できる。また、第１筒部３４と中間筒部３６との間にベローズを設けることで、燃焼ガスがベローズに直接接触することを抑制でき、ベローズの損傷を抑制できる。ベローズは、例えば、外縁が中間筒部３６の内面に固定され、内縁が第１筒部３４の外面に固定される。

【0072】

以上、シール構造が適用されたＣＯ_２タービンについて説明したが、シール構造が適用されるタービンはＣＯ_２タービンに限定されない。シール構造が適用されるタービンとしては、公知の蒸気タービンまたはガスタービンでもよい。シール構造が適用されるタービンとしては、冷却構造を有するために部材間に位置ずれが発生しやすい冷却タービンが好ましく、このようなものとしてはガスタービンまたはＣＯ_２タービンが挙げられ、特にＣＯ_２タービンが好ましい。なお、シール構造は、タービンへの適用に限定されず、他の装置等に適用してもよい。

【0073】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0074】

１０…シール構造、１１…第１筒部、１１ａ…嵌合凸部、１１ｂ…嵌合凹部、１２…第２筒部、１３…中間筒部、１３ａ…嵌合凸部、１３ｂ…嵌合凹部、１４…第１シール部、１５…第２シール部、２０…ＣＯ_２タービン、２１…ケーシング、２２…静翼、２３…内側シュラウド、２４…静翼本体、２５…外側シュラウド、２６…タービンロータ、２７…ロータホイール、２８…動翼、３１…燃焼ガスの流れ、３２…延長部、３３…冷却媒体の流れ、３４…第１筒部、３４ａ…嵌合凸部、３４ｂ…嵌合凹部、３５…第２筒部、３５ａ…嵌合凸部、３５ｂ…嵌合凹部、３６…中間筒部、３６ａ…嵌合凸部、３６ｂ…嵌合凹部、３７…第１シール部、３８…第２シール部、４０…ガスタービン設備、４１…燃焼器、４２、４３…熱交換器、４４…配管、４５…発電機、４６…圧縮機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】