JP2001041003A - プレストレス型ガスタービンノズル - Google Patents

プレストレス型ガスタービンノズル

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半径方向内側および外側リングセグメント
（１６，１４）間に延在する複数の静止エーロフォイル
（１２）を備えるタービンノズル（１０）の低サイクル
疲労寿命を延長する方法。 【解決手段】 この方法は、ａ）複数のエーロフォイル
それぞれに１個以上の半径方向通路（２２）を設け、
ｂ）半径方向内側および外側リングセグメント（１６，
１４）間に延在する半径方向通路にロッド（５６）を据
え付けてロッドの一端を前記内側および外側リングの一
方に固定し、そしてｃ）ロッド（５６）に予備荷重をか
けてエーロフォイルを内側および外側リングセグメント
間で圧縮する工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明は、たとえば発電用の据置型ま
たは工業用ガスタービンに関し、特に機械的なノズルエ
ーロフォイルの予備荷重付加装置に関する。
【０００２】低サイクル疲労（ＬＣＦ）は、最新の工業
用ガスタービンノズルにおける寿命を制限する主たる劣
化モードの一つである。ＬＣＦはガスタービンの始動、
運転、停止サイクルと関連する周期的な熱的および機械
的荷重に原因がある。循環モードのＬＣＦ寿命への影響
は、通常、数ある要因の中でも特に「ひずみＡ比（ｓｔ
ｒａｉｎ Ａ−ｒａｔｉｏ）」、すなわち交番ひずみ対
平均ひずみの比内で変動する。所定レベルのサイクル荷
重に関して、もっともダメージの大きいＬＣＦサイクル
は、通常ＬＣＦひずみＡ比＝−１として知られる、圧縮
状態の保持期間を含むサイクルである。これに対して、
もっともダメージの小さいＬＣＦサイクルは、ひずみゼ
ロ、すなわちＬＣＦひずみＡ比＝＋１での保持期間を含
むサイクルである。ノズルのＬＣＦ寿命限定位置に存在
する主要なＬＣＦ状態が、通常、寿命を短縮する原因と
なるひずみＡ比＝−１であることが問題である。
【０００３】従来、ノズルのＬＣＦ寿命の改良には、Ｌ
ＣＦ応力および温度を低下する設計最適化や、ＬＣＦ能
力に優れた新しい材料の選択などの伝統的なアプローチ
がとられてきた。しかし、最近のガスタービン工業の広
範な傾向は燃焼温度を上げ、またノズル冷却方式の効率
をよくしようとするもので、ノズルの設計応力や温度
が、現在入手できるもっとも強い材料でもその限度を越
えることがしばしばある。
【０００４】
【発明の概要】この発明は、寿命を左右する位置でのひ
ずみＡ比を−１から＋１にシフトするように、ノズルに
予めひずみを与えることによりＬＣＦ寿命問題を解決
し、これにより長いＬＣＦ寿命を得る。具体的な実施態
様では、ＯＥＭ据付可能な機械的装置を適切に設計し
て、ノズルに予備的ひずみを与えてＬＣＦ荷重に対抗さ
せ、これにより使用寿命を従来のノズルの通常の材料限
界を超えて延長する。さらに詳しくは、予備荷重（プレ
ローディング）ロッドをノズルの各ベーンまたはエーロ
フォイルに挿入し、一端、好ましくは半径方向内端で固
定する。予備荷重装置は、ロッドの外ねじ面に係合する
ねじ切りナットの形態とすることができ、これを、ノズ
ルカバーの外側で、ロッド上に下向きに締め付け、これ
によりエーロフォイルを圧縮状態に置く。ナットを締め
付けて所望の予備荷重を実現したら、ロッドをノズルの
半径方向外側カバーに溶接することができ、これにより
予備荷重を固定する。エーロフォイルの前縁がエーロフ
ォイルの中でもっとも寿命を左右する位置であるので、
ロッドをエーロフォイルの前縁に沿って配置するのが好
ましい。しかし、有利と考えられるなら、追加のロッド
をエーロフォイル内の他の位置に追加してもよい。
【０００５】したがって、この発明は、半径方向内側お
よび外側リングセグメント間に延在する複数の静止エー
ロフォイルを備えるタービンノズルの低サイクル疲労寿
命を延長するにあたり、ａ）前記複数のエーロフォイル
それぞれに１個以上の半径方向通路を設け、ｂ）前記半
径方向内側および外側リングセグメント間に延在する前
記半径方向通路にロッドを据え付けて前記ロッドの一端
を前記内側および外側リングの一方に固定し、ｃ）前記
ロッドに予備荷重をかけて前記エーロフォイルを前記内
側および外側リングセグメント間で圧縮する工程を含
む、タービンノズルの低サイクル疲労寿命を延長する方
法を提供する。
【０００６】この発明はまた、半径方向内側および外側
リングセグメント間に延在する複数のエーロフォイルを
備え、各エーロフォイルがこのエーロフォイルに予備荷
重を加えて圧縮状態に置く手段を有する、ガスタービン
用ノズルを提供する。
【０００７】
【好適な実施態様】図１に、円周方向に離間された配列
体として配列され、１タービン段を構成する複数のノズ
ルセグメントの１つであるノズルセグメント１０を断面
にて示す。各セグメント１０は、ベーンまたはエーロフ
ォイル１２と半径方向に離間した外側壁１４および内側
壁１６とを含む。外側壁および内側壁は、円周方向に延
在する中空のリングセグメントの形態をとり、ベーン１
２とともにタービン段のノズルを通過する環状高熱ガス
通路を画定する。特定の配列のノズルセグメント１０で
は、半径方向外側壁またはカバー１４が、ベーンおよび
半径方向内側壁を構造的に支持するタービンのシェル
（図示せず）により支持されている。ノズルセグメント
１０はノズル段のまわりで互いにシールされている。ベ
ーンまたはエーロフォイル１２は、外側壁１４および内
側壁１６の間のベーンの長さだけ半径方向に延在する複
数の空洞を含み、これらの空洞は前縁１８から後縁２０
まで前後に順次配置されている。前縁１８から後縁２０
までに存在する空洞は、前縁空洞２２、これに続く４つ
の中間空洞２４，２６，２８，３０、１対の中間空洞３
２，３４および後縁空洞３６である。断面で示す空洞を
画定する壁はベーン１２の加圧側壁および吸引側壁間に
延在する。この配置は壁３８に関して図２から明らかで
ある。
【０００８】パイプまたはチューブ４０が外壁１４を貫
通する蒸気入口４２に連結され、冷却用蒸気を１対の中
間空洞３２および３４に供給する。蒸気出口４４が外壁
１４に設けられ、中間空洞２４，２６，２８および３０
から使用済み冷却蒸気を受け取る。前縁空洞２２および
後縁空洞３６それぞれは個別の空気入口４６および４８
を有する。
【０００９】図１および図２に示すように、複数の横方
向開口５２を有するインサートスリーブ５０が前縁空洞
２２に設けられ、その内部壁から離間している。入口４
６に流れる空気はスリーブ５０内に流入し、開口５２を
通して横方向外向きに流れ、前縁１８のインピンジメン
ト冷却を行う。図２に示すように、ホール５４が前縁１
８の長さに沿って互いに間隔をあけてかつ横方向にも互
いに間隔をあけて設けられ、衝突後の冷却空気は、これ
らのホール５４を通って外向きに流れる。空洞２４，２
６，２８，３０，３２および３４にも同様のインサート
スリーブが設けられているが、これら部品についてのこ
れ以上の説明は本発明の目的には不要である。この冷却
回路の詳細は、本出願人による米国特許出願（１９９９
年５月１０日出願）に開示されている。しかし、本発明
は他のノズル設計にも適用でき、ここに開示する特定の
例示ノズル構造に限定されない。
【００１０】予備荷重（プレローディング）ロッド５６
（好ましくは高強度鋼の）を前縁空洞２２内のスリーブ
５０に挿入し、半径方向外側壁またはカバー１４の上面
と下側または半径方向内側壁１６の下面との間に延在さ
せる。ロッド５６を、６０で示すように、内側壁１６の
下面５８に溶接する。ロッド５６は壁１６およびスリー
ブ５０を上向きに貫通し、半径方向外側壁またはカバー
１４から突出し、ねじ切り自由端がカバーの上面より上
に突出する。予備荷重付加装置は、ねじ切りナット６２
の形態とすればよく（あるいは普通の予備荷重装置のい
ずれでもよい）、これをカバーに対して下向きに締め付
け、エーロフォイルまたはベーン１２に圧縮性予備荷重
をかける。予備荷重をかけたら、ロッド５６の上端を６
４で示すように溶接で固定する。
【００１１】エーロフォイル１２の前縁１８はもっとも
重大な寿命限定領域であるので、ロッドを前縁空洞２２
に配置するのがもっとも効果的であるが、必要なら、多
数のロッドを残りの空洞の１つ以上に使用することがで
きる。このようにノズルのエーロフォイルに予めひずみ
を与えることにより、寿命を左右する前縁位置でのひず
みＡ比を−１から＋１にシフトすることができ、こうし
て従来の予めひずみを与えていないノズルと比較してＬ
ＣＦ寿命を改良する。試験では、ひずみＡ比を−１から
＋１にシフトすると、低サイクル疲労寿命が２倍以上改
良されることが確認された。
【００１２】以上、この発明を、現在のところもっとも
実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明
したが、本発明は、開示の実施例に限定されず、本発明
の要旨に含まれる種々の変更例や均等な配置を包含す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例による機械的予備荷重付
加装置を示す、ノズルベーンの部分的断面図である。
【図２】図１の前縁空洞の拡大断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーリー・マイケル・イトゼル アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 グリーンビル、アパートメント・207、ダ ベンポート・ロード、112番 (72)発明者 ユーフェン・フィリップ・ユー アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 グリーンビル、アパートメント・イー− 49、イースト・ノース・ストリート、3900 番

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半径方向内側および外側リングセグメン
    ト（１６，１４）間に延在する複数の静止エーロフォイ
    ル（１２）を備えるタービンノズルの低サイクル疲労寿
    命を延長するにあたり、 ａ）前記複数のエーロフォイルそれぞれに１個以上の半
    径方向通路を設け、 ｂ）前記半径方向内側および外側リングセグメント（１
    ６，１４）間に延在する前記半径方向通路にロッド（５
    ６）を据え付けて前記ロッドの一端を前記内側および外
    側リングの一方に固定し、そして ｃ）前記ロッド（５６）に予備荷重をかけて前記エーロ
    フォイルを前記内側および外側リングセグメント間で圧
    縮する工程を含む、タービンノズルの低サイクル疲労寿
    命を延長する方法。
  2. 【請求項２】 工程ｂ）で、前記ロッド（５６）の下端
    を前記内側リングセグメント（１６）に固定し、前記ロ
    ッド（５６）の自由端を前記エーロフォイルおよび前記
    外側リングセグメント（１４）に半径方向に貫通させ、
    ナット（６２）を前記ロッド（５６）にねじ係合しそし
    て前記外側リングセグメントに対して締め付けて、これ
    によりエーロフォイル（１２）に予備荷重を加えて圧縮
    状態とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 ナット（６２）を締め付けた後、ロッド
    を外側リングセグメント（１４）に溶接する、請求項２
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】 ノズルの各エーロフォイルについて工程
    ａ）、ｂ）およびｃ）を繰り返す、請求項３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】 スリーブ（５０）が前記１個以上の半径
    方向通路（２２）内に配置され、前記ロッド（５６）が
    前記スリーブを貫通する、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記１個以上の半径方向通路（２２）が
    ノズル（１０）の前縁（１８）に沿って配置されてい
    る、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記半径方向通路（２２）が冷却通路を
    構成する、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 半径方向内側および外側リングセグメン
    ト（１６，１４）間に延在する複数のエーロフォイル
    （１２）を備え、各エーロフォイル（１２）がこのエー
    ロフォイルに予備荷重を加えて圧縮状態に置く手段（５
    ６，６２）を有する、ガスタービン用ノズル。
  9. 【請求項９】 各エーロフォイル（１２）が実質的に前
    記内側および外側リングセグメント間に延在する１個以
    上の半径方向通路（２２）を有し、前記エーロフォイル
    に予備荷重を加える手段が前記半径方向通路に貫通する
    ロッドを含む、請求項８に記載のノズル。
  10. 【請求項１０】 前記半径方向通路が前記エーロフォイ
    ルの前縁に沿って延在する、請求項９に記載のノズル。
  11. 【請求項１１】 前記ロッドが前記半径方向内側リング
    セグメントに固定され、前記予備荷重を前記半径方向外
    側リングセグメントに加える、請求項９に記載のノズ
    ル。
  12. 【請求項１２】 半径方向内側および外側リングセグメ
    ント間に延在する複数のエーロフォイルを備えるガスタ
    ービン用ノズルにおいて、予備荷重を加えるロッドが各
    エーロフォイルに半径方向に貫通し、前記ロッドの一端
    が前記半径方向内側および外側リングセグメントの一方
    に固定され、ロッドの反対側のねじ切り自由端にねじ切
    りナットが係合し、前記ねじ切りナットを前記半径方向
    外側リングセグメントに対して締め付けることにより前
    記エーロフォイルが圧縮状態に置かれる、ガスタービン
    用ノズル。
  13. 【請求項１３】 前記予備荷重を加えるロッドが前記エ
    ーロフォイルの前縁に沿って半径方向に延在する、請求
    項１２に記載のノズル。
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