JP2001289001A - タービンノズルセグメントの側壁に隣接するアンダカット領域をインピンジメント冷却するための装置と方法 - Google Patents

タービンノズルセグメントの側壁に隣接するアンダカット領域をインピンジメント冷却するための装置と方法

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JP2001289001A JP2000367857A JP2000367857A JP2001289001A JP 2001289001 A JP2001289001 A JP 2001289001A JP 2000367857 A JP2000367857 A JP 2000367857A JP 2000367857 A JP2000367857 A JP 2000367857A JP 2001289001 A JP2001289001 A JP 2001289001A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ガスタービンのノズルバンドのア
ンダカット領域のインピンジメント冷却に関する。 【解決手段】 ガスタービンのノズルセグメント（１
０）は、外側及び内側バンド（１２，１４）を有する。
各バンドは、側壁（４０）、カバー（２０）、及びカバ
ーとノズル壁（１８）との間に位置しその両側に２つの
空洞を画定するインピンジメント板（２２）を含む。冷
却蒸気が１つの空洞（２４）に供給され、インピンジメ
ント板（２２）の開口（３０）を通って流れノズル壁
（１８）を冷却する。バンドの側壁（４０）と内向きフ
ランジ（４２）が、ノズル壁と共にアンダカット領域
（４４）を画定する。内向きフランジは、隣接するノズ
ルセグメント間の側壁を冷却するために冷却蒸気を方向
付ける複数の開口（５６）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンのノ
ズルバンドのアンダカット領域のインピンジメント冷却
に関し、具体的にはノズルセグメントカバーとノズル壁
との間の溶接継手が、高温ガス通路に曝されるノズル壁
から遠く離れている設計における、ノズルバンド端縁の
インピンジメント冷却に関する。
【０００２】
【従来技術】現在のガスタービンの設計においては、ノ
ズルセグメントは、普通はタービンの回転軸の周りに環
状列に配置される。セグメントの列が、外側と内側の環
状のバンドを形成し、複数の羽根がそのバンドの間に延
びる。バンドと羽根が、ガスタービンを通る高温ガス通
路を部分的に画定する。各ノズルセグメントは、外側バ
ンド部分と内側バンド部分とを含み、１つあるいはそれ
以上の羽根が、外側及び内側バンド部分の間に延びる。
現在のガスタービンの設計においては、冷却媒体、例え
ば蒸気が、ノズルセグメントのそれぞれに供給される。
蒸気冷却に適応するために、各バンド部分は、タービン
を通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁と、ノ
ズル壁から半径方向に間隔を置いて配置され、ノズル壁
とでチャンバを画定するカバーと、チャンバ中に配置さ
れたインピンジメント板とを含む。インピンジメント板
は、その１側にカバーとの間で第１の空洞を画定し、冷
却蒸気入口から冷却蒸気を受け入れる。また、インピン
ジメント板は、その反対側にノズル壁との間で第２の空
洞を画定する。インピンジメント板は、冷却蒸気を第１
の空洞から第２の空洞中に流すための複数の開口を有
し、ノズル壁をインピンジメント冷却する。次いで冷却
蒸気は、羽根の空洞を通して半径方向内方に流れ、羽根
のあるものは、羽根の側壁をインピンジメント冷却する
ための開口を具えるインサートを含む。次いで冷却蒸気
は、内側バンド部分中のチャンバに入り、流れの方向を
反転し、インピンジメント板を通って半径方向外方に流
れ内側バンドのノズル壁をインピンジメント冷却する。
使用済みの冷却媒体は、羽根の中の空洞を通って還流し
ノズルセグメントの排出口に至る。
【０００３】外側及び内側バンド部分のそれぞれに設け
られるカバーは、対応するノズル壁に溶接されることが
望ましい。以前の設計においては、カバーノとズル壁と
の間の溶接継手は、隣接するノズルセグメントの側壁間
でノズル壁とスプラインシールとの間の半径方向位置に
配置されていた。その位置では、溶接個所は、高温ガス
通路の高温のガスに曝されて、冷却するのが極めて難し
かった。従って、溶接継手の疲労寿命は、高温ガス通路
に近接しているために著しく減少された。その上、溶接
個所の位置が、製造反復性には最適ではなかったし、ま
た製作公差に非常に影響され易かった。溶接継手は、壁
に厚さが変ると、継手の応力が増大し、耐低いサイクル
疲労が減少し、部品の寿命を制限する特徴があった。ま
た、機械加工後の溶接での壁厚は、製造工程において許
容できない変動要素であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
点を解決しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の好ましい実施形
態によると、冷却システムが、カバーとノズル壁との間
の溶接継手がスプラインシールの高温ガス通路に曝され
るノズル壁から遠く離れた側にあるノズルセグメント設
計において、提供される。つまり、外側バンドのカバー
とノズル壁との間の溶接継手は、隣接する外側バンド間
のスプラインシールの半径方向外方に位置し、一方、内
側バンドのカバーとノズル壁との間の溶接継手は、隣接
する内側バンド間のスプラインシールの半径方向内方に
位置する。このことが、タービン運転中の溶接継手の温
度を下げ、継手にかかる熱的及び機械的応力を減少さ
せ、溶接後の機械加工の必要性を全くなくし、結果とし
て一定の厚さの継手をもたらし、またより高い耐疲労寿
命をもたらす。その位置は、また結果として機械加工性
と溶接欠陥に対する許容度を向上させることになる。
【０００６】その溶接位置を設けるために、ノズルセグ
メントのバンドの側壁に隣接するアンダカット領域が形
成される。具体的に言えば、各アンダカット領域は、ノ
ズルセグメントの側壁つまり端縁と、側壁つまり端縁か
ら内方にまたノズル壁に概ね平行に延びかつノズル壁か
ら間隔を置いて配置された内向きフランジを含む。しか
しながら、アンダカット領域は側壁つまり端縁をインピ
ンジメント板からかなりの距離隔てることになり、ノズ
ルバンド側壁つまり端縁の冷却が全く難しく、従ってセ
グメントの側壁をインピンジメント冷却する効果が減少
する。
【０００７】本発明によると、改善された側壁の構成と
冷却が提供される。具体的に言えば、カバーとノズル壁
との間の溶接継手がタービンを通る高温ガス通路から遠
く離れて位置するので、バンドの側壁の内向きフランジ
を直接貫通する、例えばバンドを構成する鋳造品を貫通
するインピンジメント冷却開口を設けて、冷却蒸気流れ
が移動する距離を減ずることによって、側壁冷却が改善
される。従って、インピンジメント板を固定するための
接合面をノズル側壁に機械加工した後、インピンジメン
ト開口を内向きフランジを貫通して成形することができ
る。続いて、インピンジメント板が内向きフランジに溶
接されてインピンジメント板の両側面に空洞つまりプレ
ナムを画定する。ノズル側壁及びアンダカット領域のイ
ンピンジメント冷却は、このようにインピンジメント板
と内向きフランジの両方の開口を通して冷却媒体を流す
ことにより行なわれる。
【０００８】本発明による好ましい実施形態において、
外側及び内側バンドとその両バンドの間に延びる少なく
とも１つの羽根とを有し、バンドのうちの少なくとも１
つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定する
ノズル壁と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置
されノズル壁との間にチャンバを画定するカバーと、セ
グメントの内部に固定されチャンバ内に配置されて、そ
の１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受け入れるため
の第１の空洞を画定し、その第１の空洞と反対側にノズ
ル壁との間で第２の空洞を画定し、冷却媒体を第１の空
洞から第２の空洞に流しノズル壁をインピンジメント冷
却するためのそれを貫通する複数の開口を有するインピ
ンジメント板とを含むガスタービンに用いられるノズル
セグメントであって、ノズルセグメントは、ノズル壁と
カバーとの間で概ね半径方向に延び、かつノズル壁から
間隔を置いて配置された内向きフランジを有する側壁を
含み、内向きフランジはノズル壁と側壁と共に側壁に隣
接するアンダカット領域を画定しており、また第１の空
洞から冷却媒体を流しアンダカット領域中の側壁をイン
ピンジメント冷却するための内向きフランジを貫通する
複数の開口をさらに含むことを特徴とするノズルセグメ
ントが提供される。
【０００９】本発明によるさらに好ましい実施形態にお
いて、外側及び内側バンドとその両バンドの間に延びる
少なくとも１つの羽根とを含み、バンドのうちの少なく
とも１つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画
定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に間隔を置い
て配置されノズル壁との間にチャンバを画定するカバー
と、バンドの内部に固定されチャンバ内に配置されて、
その１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受け入れるた
めの第１の空洞とその反対側にノズル壁との間で第２の
空洞を画定し、冷却媒体を第１の空洞から第２の空洞中
に流しノズル壁をインピンジメント冷却するためのそれ
を貫通する複数の開口を有するインピンジメント板とを
含むノズルセグメントであって、ノズル壁とカバーとの
間で概ね半径方向に延び、かつ、ノズル壁から間隔を置
いて配置されノズル壁と側壁と共に側壁に隣接するアン
ダカット領域を画定する内向きフランジを有する側壁を
含むノズルセグメントを有するガスタービンにおいて、
冷却媒体を内向きフランジを貫通する複数の開口を通し
て第１の空洞から第２の空洞中に流し、第１の空洞から
の冷却媒体を方向付けてアンダカット領域の側壁をイン
ピンジメント冷却することを含む１つのバンドの側壁を
冷却する方法が提供される。
【００１０】
【発明実施の形態】さて図１を参照すれば、全体として
１０で示されるノズルセグメントが示され、ノズルセグ
メントはガスタービン軸の周りに配置された環状列のセ
グメントの１部分を形成する。各ノズルセグメントは、
外側バンド１２と内側バンド１４とその間に延びる１つ
あるいはそれ以上の羽根１６を含む。ノズルセグメント
が、環状列に配置されるとき、外側及び内側バンド１２
及び１４並びに羽根１６が、普通そうであるように、ガ
スタービンを通る環状の高温ガス通路を画定する。
【００１１】外側及び内側バンド並びに羽根は、冷却媒
体、例えば蒸気を、外側バンド１２のチャンバを通り、
半径方向内方に羽根中の空洞を通り、内側バンド１４中
のチャンバを通り、そして半径方向外方に羽根を通っ
て、外側バンドの出口に冷却媒体が戻って来るように流
すことによって冷却される。より具体的に図１の例で、
外側バンド１２は、外側のノズル壁１８と、外側壁１８
を覆って配置され外側壁１８に溶接されその間にチャン
バ２１（図２）を画定する外側カバー２０と、チャンバ
２１に配置されたインピンジメント板２２とを含む。イ
ンピンジメント板２２は、ノズルセグメントカバー２０
と共に第１の空洞２４を画定し、またその反対側にノズ
ル壁１２と共に第２の空洞２６を画定する。冷却媒体入
口及び出口２５及び２７がそれぞれカバーを貫通して設
けられ、冷却媒体、例えば蒸気をノズル羽根セグメント
に供給し、使用済みの蒸気をセグメントから排出する。
冷却蒸気が、第１の空洞２４に供給され、インピンジメ
ント板２２の複数の開口３０を通って流れ、側壁１８を
インピンジメント冷却する。インピンジメント冷却蒸気
は、第２の空洞２６から外側及び内側バンド間の羽根を
貫通して延びる空洞中の１つあるいはそれ以上のインサ
ート（図示せず）中に流れ込む。羽根インサートは、羽
根の側壁をインピンジメント冷却するための複数の開口
を含む。次いで冷却蒸気は、内側バンド１４のチャン
バ、特に半径方向最内方の空洞中に流れ込み、内側バン
ド中のインピンジメント板の開口を通って流れ、内側バ
ンドの側壁をインピンジメント冷却する。使用済みの冷
却蒸気は、次いで羽根中の空洞を通りまた外側バンドの
排出口を通って流れる。前述の冷却回路の実施形態の完
全な記述に関しては、同一譲受人の米国特許第５，６３
４，７６６号が参照され、その開示は本明細書に引用と
して組み入れられる。
【００１２】今度は図２を参照すれば、隣接するノズル
セグメント間の接合箇所が図示されている。以下の記載
は外側バンド１２に関しての具体的な説明であるが、そ
れは内側バンド１４にも等しく適用できるということを
理解されたい。従って、各ノズルバンド（内側及び外側
の両方のバンド）は、ノズル壁１８とカバー２０との間
に概ね半径方向に延びるノズル側壁つまり端縁４０を含
む。また、バンドは、ノズル壁１８から間隔を置いて配
置された内向きフランジ４２を含み、壁１８と側壁つま
り端縁４０と共にアンダカット領域４４を画定する。内
向きフランジ４２はまた、隣接するノズルセグメント間
のシールを形成するスプライン４８の１つのエッジを受
け入れるための円周方向の開放スロット４６を含む。
【００１３】図２に図示されるように、カバー２０は、
ノズルバンドの相対する端部に沿って内向きフランジ４
２に溶接される。また、溶接継手５０は、スプラインシ
ール４８のノズル壁１８から遠く離れた側に位置する。
一部分をノズル壁１８により画定される高温ガス通路か
ら離して溶接継手５０を位置させることによって、溶接
継手５０は、高温ガス通路により近接して位置させた場
合よりもずっと低い温度に曝される。また図２に示すよ
うに、インピンジメント板２２は、内向きフランジ４２
の内側の表面に蝋付けまたは溶接するために相対する縁
に沿って上向きフランジ５２を有する。開口３０は、イ
ンピンジメント板の各上向きフランジ５２中に設置され
るが、最も近接する開口３０とアンダカット領域４４中
の側壁つまり端縁４０との間にかなりの距離があるとい
うことが分かるであろう。この大きな距離が、インピン
ジ冷却の効果を減少させる。
【００１４】アンダカット領域に沿う側壁つまり端縁４
０のインピンジ冷却を効果的に行なうために、複数の開
口５６が、内向きフランジ４２に沿ってかつそれを貫通
して形成され、第１の空洞と第２の空洞との間を連通す
る。しかしながら、重要なことは、開口５６が、開口５
６を通って流れるインピンジメント冷却蒸気によって側
壁つまり端縁４０に的を絞った冷却を施すように方向付
けられそして直径対長さの比を有することである。理解
されると思うが、開口５６とノズルバンド１２及び１４
の相対する側面に沿う側壁つまり端縁４０との間の流れ
の距離は、開口５６を内向きフランジ４２中に設置する
ことによりかなり減じられる。冷却はまた、冷却蒸気を
側壁つまり端縁４０上に直接流すように、大きい長さ／
幅の比をもち的を絞った開口５６により改善される。
【００１５】本発明を、最も実用的で好ましい実施形態
であると現在考えられるものに関連して今まで説明てき
たが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべき
ものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想と技術的
範囲に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を含むこ
とを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成されたノズルセグメント
の分解斜視概略図。
【図２】 隣接するノズルセグメントの側壁間の継手を
示し、カバー／ノズル鋳造品の溶接継手とインピンジメ
ント冷却開口の配置とをさらに示す拡大破断断面図。
【符号の説明】
１０ ノズルセグメント １２ 外側バンド １４ 内側バンド １６ 羽根 １８ 外側ノズル壁 ２０ 外側カバー ２１ チャンバ ２２ インピンジメント板 ２４ 第１の空洞 ２５ 入口 ２６ 第２の空洞 ２７ 出口 ３０ 開口 ４０ ノズル側壁つまり端縁 ４２ 内向きフランジ ４４ アンダカット領域 ４６ 開放スロット ４８ スプライン ５０ 溶接継手 ５２ 上向きフランジ ５６ 開口
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆターム(参考） 3G002 GA18 GB01

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外側及び内側バンド（１２，１４）と前
    記両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根（１６）
    とを有し、前記バンドのうちの少なくとも１つが、ター
    ビンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁
    （１８）と、前記ノズル壁から半径方向に間隔を置いて
    配置され前記ノズル壁との間にチャンバ（２１）を画定
    するカバー（２０）と、セグメントの内部に固定され前
    記チャンバ内に配置されて、その１方の側に前記カバー
    との間で冷却媒体を受け入れるための第１の空洞（２
    ４）を画定し、その前記第１の空洞と反対側に前記ノズ
    ル壁との間で第２の空洞（２６）を画定し、冷却媒体を
    前記第１の空洞から前記第２の空洞に流し前記ノズル壁
    をインピンジメント冷却するためのそれを貫通する複数
    の開口（３０）を有するインピンジメント板（２２）と
    を含むガスタービンに用いられるノズルセグメント（１
    ０）であって、該ノズルセグメントは、前記ノズル壁と
    前記カバーとの間で概ね半径方向に延び、かつ前記ノズ
    ル壁から間隔を置いて配置された内向きフランジ（４
    ２）を有する側壁（４０）を含み、前記内向きフランジ
    は前記ノズル壁と前記側壁と共に前記側壁に隣接するア
    ンダカット領域（４４）を画定しており、また前記第１
    の空洞から冷却媒体を流し前記アンダカット領域中の前
    記側壁をインピンジメント冷却するための前記内向きフ
    ランジを貫通する複数の開口（５６）をさらに含むこと
    を特徴とするノズルセグメント（１０）。
  2. 【請求項２】 前記インピンジメント板は、前記側壁の
    前記内向きフランジに固定された上向き端部（５２）を
    有し、前記インピンジメント板を貫通する前記開口は、
    その前記上向き端部を貫通して延びることを特徴とする
    請求項１に記載のノズルセグメント。
  3. 【請求項３】 前記インピンジメント板の前記上向き端
    部は、概ね半径方向に延びることを特徴とする請求項２
    に記載のノズルセグメント。
  4. 【請求項４】 前記ノズル側壁と前記カバーは、前記イ
    ンピンジメント板の前記ノズル壁から遠く離れた側の溶
    接継手（５０）のところで互いに溶接されることを特徴
    とする請求項１に記載のノズルセグメント。
  5. 【請求項５】 前記側壁は、スプラインシール（４８）
    を受け入れるための前記セグメントの外方に開放したス
    ロット（４６）を有し、前記側壁と前記カバーは、前記
    スロットから外方に位置する溶接継手のところで互い溶
    接されることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグ
    メント。
  6. 【請求項６】 前記インピンジメント板は、前記側壁の
    前記内向きフランジ（４２）に固定された上向き端部
    （５２）を有し、前記インピンジメント板を貫通する前
    記開口（３０）は、その前記上向き端部（５２）を貫通
    して延び、前記ノズル側壁（４０）と前記カバー（２
    ０）は、前記インピンジメント板の前記ノズル壁から遠
    く離れた側の溶接継手のところで互いに溶接されること
    を特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
  7. 【請求項７】 前記インピンジメント板の前記上向き端
    部は、概ね半径方向に延びることを特徴とする請求項６
    に記載のノズルセグメント。
  8. 【請求項８】 前記側壁は、スプラインシール（４８）
    を受け入れるための前記セグメントの外方に開放したス
    ロット（４６）を有し、前記側壁と前記カバーは、前記
    スロットから外方に位置する溶接継手のところで互いに
    溶接されることを特徴とする請求項６に記載のノズルセ
    グメント。
  9. 【請求項９】 前記１つのバンドは、前記ノズルセグメ
    ントの外側バンド（１２）であることを特徴とする請求
    項１に記載のノズルセグメント。
  10. 【請求項１０】 前記１つのバンドは、前記ノズルセグ
    メントの内側バンド（１４）であることを特徴とする請
    求項１に記載のノズルセグメント。
  11. 【請求項１１】 外側及び内側バンド（１２，１４）と
    その両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根（１
    ６）とを含み、バンドのうちの少なくとも１つが、ター
    ビンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁
    （１８）と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置
    されノズル壁との間にチャンバ（２１）を画定するカバ
    ー（２０）と、バンドの内部に固定されチャンバ内に配
    置されて、その１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受
    け入れるための第１の空洞（２４）とその反対側にノズ
    ル壁との間で第２の空洞（２６）を画定し、冷却媒体を
    第１の空洞から第２の空洞中に流しノズル壁をインピン
    ジメント冷却するためのそれを貫通する複数の開口（３
    ０）を有するインピンジメント板（２２）とを含むノズ
    ルセグメント（１０）であって、ノズル壁（１８）とカ
    バー（２０）との間で概ね半径方向に延び、かつ、ノズ
    ル壁から間隔を置いて配置されノズル壁と側壁と共に側
    壁に隣接するアンダカット領域（４４）を画定する内向
    きフランジ（４２）を有する側壁（４０）を含むノズル
    セグメント（１０）を有するガスタービンにおいて、冷
    却媒体を内向きフランジを貫通する複数の開口（５６）
    を通して第１の空洞から第２の空洞中に流し、第１の空
    洞からの冷却媒体を方向付けてアンダカット領域の側壁
    をインピンジメント冷却することを含む１つのバンドの
    側壁を冷却する方法。
  12. 【請求項１２】 前記インピンジメント板は、前記開口
    （５６）に隣接して前記側壁の前記内向きフランジに固
    定された上向き端部（５２）を有しており、冷却媒体を
    前記第１の空洞から前記インピンジメント板の前記上向
    き端部を通して流すことを含む請求項１１に記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】 冷却媒体の流れを、前記内向きフラン
    ジ及び前記上向き端部の開口を通して概ね横方向に方向
    付け前記１つのバンドの前記側壁を直接インピンジメン
    ト冷却することを含む請求項１２に記載の方法。
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