JP2002021505A - ガスタービンノズルセグメントにおけるカバーとノズルバンド壁とを連結するための支持ペデスタル - Google Patents

ガスタービンノズルセグメントにおけるカバーとノズルバンド壁とを連結するための支持ペデスタル

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズル部分を構造的に支持してタービンの閉
ループ冷却システム内の圧力差によって発生する応力を
減らす。 【解決手段】 ガスタービンノズルセグメントが外側お
よび内側バンド部分を有する。各バンド部分はノズル壁
と、カバーと、カバーとノズル壁との間の衝突板とを含
み、衝突板はその相対する側に２つの空洞を画成する。
冷却蒸気が一方の空洞に供給され衝突板の開口を通流し
てノズル壁を冷却する。複数のペデスタルがカバーとノ
ズル壁とを連結しそして衝突板の孔を貫通して、ノズル
セグメントの室内の圧力と、高温ガス通路の圧力および
ノズル段を囲んでいる固定タービンケーシング内の圧力
との差の結果発生する局所応力を減らす。ペデスタルは
鋳造するかあるいはカバーとノズル壁とに溶接すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明はガスタービン用のノズルセグメ
ントに関し、特に、高温ガス通路を画成するノズル壁か
ら隔てられたノズルカバーと、ノズル壁とカバーとを連
結して、圧力により発生する応力を減らすためのノズル
セグメント内のペデスタルとを有する蒸気冷却ガスター
ビンに関する。
【０００２】最近のガスタービン設計において、ノズル
セグメントは通例タービンの回転軸線の周囲に環状列を
なすように配列される。ノズルセグメントの環状列は、
外側および内側バンドと、両バンド間に延在する複数の
静翼を形成する。両バンドと静翼はガスタービンを貫通
する高温ガス通路を部分的に画成する。各ノズルセグメ
ントは、外側バンド部分および内側バンド部分と、外側
および内側バンド部分間に延在する一つ以上のノズル静
翼とからなる。最近のガスタービン設計では、冷却媒
体、例えば蒸気が各ノズルセグメントに供給される。蒸
気冷却に適するように、各バンド部分は、タービンを貫
通する高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、ノ
ズル壁から半径方向に隔てられそれとともに一室を画成
するカバーと、該室内に配置された衝突板とを含む。各
衝突板はカバーとともにその片側に第１空洞を画成し、
この空洞は冷却蒸気入口から冷却蒸気を受入れる。各衝
突板はまたその反対側に沿ってかつノズル壁とともに第
２空洞を画成する。各衝突板は複数の開口を有し、これ
により冷却蒸気を第１空洞から第２空洞内に流して関連
ノズル壁を衝突冷却する。外側バンド部分の第２空洞か
らの冷却蒸気は静翼内の複数の空洞を半径方向内方に通
流する。空洞の幾つかには挿入体が含まれ、静翼の側壁
を衝突冷却するための複数の開口を有する。冷却蒸気は
その後内側バンド部分内の半径方向に最も内側の第１空
洞に入りそして流れの向きを逆に変えて衝突板を半径方
向外方に通流して関連第２空洞に入り内側バンドのノズ
ル壁を衝突冷却する。使用済み冷却媒体は静翼内の一空
洞を通って戻り、外側バンド部分の半径方向外方に向か
ってノズルセグメントの排出口に達する。
【０００３】外側および内側バンド部分それぞれに設け
たカバーは、好ましくは、対応ノズルセグメント壁に、
ノズルセグメントの横方向辺縁、すなわち、セグメント
の前縁と後縁と側縁の周沿いに溶接される。その結果、
閉じた冷却システムがノズルセグメントを貫通して設け
られ、このシステムにおいて冷却媒体、例えば、加圧さ
れた蒸気が両バンド部分と静翼を通流する。しかし、蒸
気は、ガス通路の圧力および外側バンド部分を囲んでい
る固定タービンケーシングのある部分に入る圧縮機吐出
し流の圧力と比べて、異なる圧力レベルで室内に入れら
れる。この圧力差により高い応力がノズルセグメント、
特にカバーとノズル壁との間の結合域に発生するおそれ
がある。この応力はカバーとノズル壁とを引き離すよう
に膨張させ、カバーとノズル壁の辺縁に沿う溶接継手を
曲げる傾向がある。
【０００４】圧力により発生するこのような応力レベル
は、ノズル壁と静翼とを連結する継ぎ目と隅肉に高い局
所応力をひき起こす。このような高い局所応力は当該部
分の低サイクル疲労寿命を減らすおそれがある。比較的
厚い壁または冷却強化設計をこれらの問題の幾つかを解
決するために用い得るが、これらの方法はそれぞれ重大
な欠点を有する。例えば、厚い壁は高い熱勾配をひき起
こし、この熱勾配は当該部分の低サイクル疲労寿命に悪
影響を及ぼす。冷却強化は必ずしも利用可能であるとは
限らず、またタービン性能と関連して費用がかかるおそ
れがある。
【０００５】
【発明の概要】本発明の好適実施例によれば、一つ以上
の構造要素、例えば、ペデスタルがカバーとノズル壁と
の間に連結されてこれらのノズル部分を構造的に支持
し、そしてタービンの閉ループ冷却システム内の圧力差
によって発生する応力を減らす。このような応力を減ら
すことにより、従来の局所高応力部分における低サイク
ル疲労寿命が増加する。これを達成するために、一つ以
上の構造的なペデスタルが設けられ、カバーとノズル壁
との間に画成された室内のある箇所でカバーとノズル壁
とを連結する。ペデスタルはノズルセグメントの横方向
辺縁から隔てられそして一つ以上の箇所に配置されて、
ノズルセグメント壁とカバーが内外圧力差に応じてかな
り膨張して相互に離れることを阻止する。ペデスタルは
好ましくは、適当な断面、例えば、円形、多辺形または
長形断面を有し得るピンの形態をなす。ピンは、好まし
くは、ノズル壁および静翼とともに単結晶鋳物として鋳
造され、ペデスタルの末端が衝突板の開口に挿通されそ
してカバーの開口内に支承される。前述の末端は、セグ
メントの外側でＴＩＧ溶接または電子ビーム溶接法によ
ってカバーに溶接される。代替的に、ペデスタルはカバ
ー上に鋳造されそしてノズルバンドに溶接されるか、あ
るいは両端がノズル壁とカバーに溶接された別個のペデ
スタルからなるものでよい。好ましくは、ペデスタル
は、ノズル壁を貫通する静翼の開口の対向する側のおの
おのに、すなわち、ノズル静翼開口とセグメントの横方
向辺縁との間に配置される。
【０００６】本発明による好適実施例では、ガスタービ
ン内で用いるノズルセグメントが設けられ、このノズル
セグメントは、外側および内側バンド部分と、両バンド
部分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有し、両バ
ンド部分の少なくとも一方が、タービンを貫通している
高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、このノズ
ル壁から半径方向に隔てられているカバーとを含み、カ
バーとノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相互に固定さ
れそして相互間に一室を画成しており、前記の少なくと
も一方のバンド部分はまた、少なくとも一つの構造要素
を含み、この構造要素は前記辺縁の内側でカバーとノズ
ル壁とを連結してカバーとノズル壁との概して半径方向
の相対移動を実質的に防止する。
【０００７】本発明によるさらに好適な実施例では、ガ
スタービン内で用いるノズルセグメントが設けられ、こ
のノズルセグメントは、外側および内側バンド部分と、
両バンド部分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有
し、両バンド部分の少なくとも一方が、タービンを貫通
している高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、
このノズル壁から半径方向に隔てられているカバーとを
含み、カバーとノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相互
に固定されそして相互間に一室を画成しており、前記の
少なくとも一方のバンド部分はまた、ノズルセグメント
内に固定されそして前記一室内に配置された衝突板を含
み、この衝突板はその片側で、前記カバーとともに、冷
却媒体を受入れる第１空洞を画成し、また第１空洞とは
反対の側でノズル壁とともに第２空洞を画成しており、
衝突板は、冷却媒体を第１空洞から第２空洞内に流して
ノズル壁の衝突冷却に用いるための複数の貫通開口を有
し、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、少なく
とも一つの構造要素を含み、この構造要素は前記辺縁の
内側でカバーとノズル壁とを連結してカバーとノズル壁
との概して半径方向の相対移動を実質的に防止し、衝突
板は構造要素を受入れる貫通孔を有し、構造要素と貫通
孔は静翼とノズル壁との間の継目の横方向外側に存在す
る。
【０００８】
【発明の詳述】添付図面に、総体的に１０で表されたノ
ズルセグメントが例示されており、ガスタービン軸線の
周囲に配置された環状列のセグメントの一部分を構成す
る。各ノズルセグメントは、外側バンド部分１２と、内
側バンド部分１４と、両バンド部分間に延在する一つ以
上の静翼１６とを含み、そして前縁１７と後縁１９を有
する。ノズルセグメントが環状列に配置された時、外側
および内側バンド部分１２、１４と静翼１６は、従来の
ように、ガスタービンを貫通する高温ガス通路を画成し
そしてタービンの一段の一部分を構成する。
【０００９】外側および内側バンド部分と静翼は、冷却
媒体例えば蒸気が外側バンド部分１２の一室を通流し、
静翼１６内の複数の空洞を半径方向内方に通流し、内側
バンド部分１４内の一室を通流し、そして静翼を半径方
向外方に通流して外側バンド部分１２に沿う出口２３に
向かって戻るように冷却媒体を流すことにより冷却され
る。さらに詳述すると、図１と図３に例示するように、
外側バンド部分１２は外側ノズル壁１８と外側カバー２
０を含み、このカバーは外壁１８上に載置されかつそれ
に溶接されて相互間に一室２１（図３）を画成してい
る。衝突板２２が室２１内に配置されている。衝突板２
２はノズルセグメントカバー２０とともに第１空洞２４
（図３）を画成し、またその反対側においてノズル壁１
８とともに第２空洞２６を画成している。冷却媒体入口
２７（図１）が外側カバー２０を貫通するように設けら
れて冷却媒体例えば蒸気をノズル静翼セグメントに供給
し、使用済み冷却蒸気は出口２３を経てセグメントから
排出される。
【００１０】冷却蒸気は入口２７を通って第１空洞２４
に供給され、衝突板２２の複数の開口２９を通って側壁
１８を衝突冷却する。静翼１６には空洞３０、３２、３
４、３６、３８、４０が含まれ、外側および内側バンド
部分間で静翼を貫通しており、これらの空洞は静翼１６
の前縁から後縁まで連続的に配設されている。静翼空洞
３０はセグメント空洞２６に開いており、残りの静翼空
洞は、出口２３と連通しているエンドレス静翼延長部４
２（図１）に開いている。衝突冷却蒸気は第２セグメン
ト空洞２６から第１静翼空洞３０に流入しそして静翼空
洞挿入体（図示せず）に流入して静翼の側壁を衝突冷却
する。次いで、冷却蒸気は内側バンド部分１４の室内
に、そして特に半径方向に最も内側の空洞内に流入し、
内側バンド部分室内の衝突板の開口を通流して内側バン
ド部分の側壁を衝突冷却する。使用済み冷却蒸気はその
後静翼内の空洞３２、３４、３６、３８、４０を通流し
そしてこれらの空洞内の挿入体（図示せず）の開口を通
って静翼１６の側壁を衝突冷却する。使用済み冷却蒸気
は外側バンド部分１２の出口に流入する。上述の冷却回
路の実施例の完全な説明については、本発明と同じ譲受
人（本件出願人）の米国特許第５６３４７６６号を参照
されたい。この米国特許の開示内容は参照によりここに
包含される。
【００１１】前述のように、ノズルバンド部分の室内の
圧力と、高温ガス通路の流体圧力およびノズルセグメン
トを囲んでいるタービンケーシングの固定部分内の空気
圧力との間にはかなりの差が存在する。この圧力差によ
り局所応力が、特に、カバーとノズルバンド部分との間
の溶接継手を設けたセグメントの辺縁に沿って発生す
る。さらに、局所応力がノズル壁と静翼との間の隅肉５
０（図３）に発生する。ノズルセグメントの構造的な支
持を強めて、このような圧力差による局所応力を実質的
に最小または皆無にするために、一つ以上の構造要素、
例えば、ペデスタルまたはピン４４が、内側および外側
バンド部分の室内に、例えば、図３に示した室２１内に
設けられ、外側バンド部分１２のノズル壁とカバーとを
連結する。構造要素４４は、好ましくは、ノズルセグメ
ントのバンド部分の横方向周囲壁から隔てられたピンの
形態をなす。ピン４４は好ましくは、ノズル壁またはカ
バーと一体に鋳造され、ピンのそれと反対側の末端また
は自由端はそれぞれ対向するカバーまたはノズル壁に溶
接される。図３に示すように、ピン４４はノズル壁１８
とともに一体鋳物を形成し得る。その他端は、例えばＴ
ＩＧ溶接または電子ビーム溶接により、カバー２０に溶
接される。その逆を実施してもよい。すなわち、ピン４
４をカバー例えばカバー２０と一体に鋳造しそしてピン
の末端をノズル壁１８に溶接してもよい。さらなる代替
方式は、別個にピンを設けそしてピンの両端をノズル壁
とカバーに溶接することである。
【００１２】特に図２について説明すると、要素４４は
ノズルセグメントバンド部分の横方向辺縁４８の側壁４
７と端壁４９から横方向内方に、またノズル壁を貫通し
ている静翼空洞の開口から横方向外方に隔てられてい
る。従って、要素４４は静翼とノズル壁との継目の横方
向外側に、すなわち、静翼とノズル壁との間の隅肉の横
方向外側に隔置されている。好ましくは、１対の要素４
４が静翼の第１空洞３０の相対する側の近くに、すなわ
ち、静翼の前縁近辺に配置される。第３要素４４が、好
ましくは、静翼の長さの中間で静翼の凹側に配置されて
その箇所のカバーとノズル壁との連結に役立つ。衝突板
２２を貫通する孔４５が設けられて要素４４を受入れる
ことを認識されたい。
【００１３】構造要素４４がカバーとノズル壁とを連結
しているので、圧力差がカバーとノズル壁とを膨張させ
て両者を引き離す傾向は最少または皆無になる。その結
果、カバーとノズル壁とを互いに接合しているノズルセ
グメントの横方向辺縁４８に沿う溶接継手４６に、低減
された局所応力と最小の曲げモーメントが生じる。加え
て、ノズル壁と静翼との間の隅肉域５０に生じる局所応
力も同様に減少する。その結果、構造要素を配置して前
述の圧力差に応答して生ずるカバーとノズル壁の相対変
位を防止することにより、当該部分の低サイクル疲労寿
命がかなり増加する。
【００１４】以上、本発明の最適実施例と考えられるも
のについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対
等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例による構造のノズルセグメ
ントの概略分解斜視図で、本発明の複数の構造的ペデス
タルを示す。
【図２】主として外側バンド部分とそれから突出したペ
デスタルとを示す斜視図であり、カバーと衝突板を除去
してある。
【図３】カバーとノズル壁とを連結しているペデスタル
を示す図２の断面図である。
【符号の説明】
１０ ノズルセグメント １２ 外側バンド部分 １４ 内側バンド部分 １６ 静翼 １８ 外側ノズル壁 ２０ 外側カバー ２１ 室 ２２ 衝突板 ２４ 第１空洞 ２６ 第２空洞 ２９ 開口 ４４ ペデスタルまたはピン（構造要素） ４５ 孔 ４７ 側壁 ４８ 横方向辺縁 ４９ 端壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーリー・マイケル・イツェル アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、クエイル・リッジ・ドラ イブ、218番 (72)発明者 ウェイロン・ウィラード・ウェボン アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 グリーンビル、プロモントリー・コート、 ７番 (72)発明者 ラドハクリシュナ・バゲパリー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、シェリダン・ビレッジ・アパー トメンツ、９エー３番 (72)発明者 スティーブン・セバスチャン・バージック アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、ケビン・レーン、7006番 (72)発明者 イエイン・ロバートソン・ケロック アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、シリングフォード・コー ト、８番 Ｆターム(参考） 3G002 GA08 GA11 GB00 GB01

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービン内で用いるノズルセグメン
    トであって、外側および内側バンド部分と、両バンド部
    分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有し、両バン
    ド部分の少なくとも一方が、前記タービンを貫通してい
    る高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、このノ
    ズル壁から半径方向に隔てられているカバーとを含み、
    前記カバーと前記ノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相
    互に固定されそして相互間に一室を画成しており、前記
    の少なくとも一方のバンド部分はまた、該セグメント内
    に固定されそして前記一室内に配置された衝突板を含
    み、この衝突板はその片側で、前記カバーとともに、冷
    却媒体を受入れる第１空洞を画成し、また前記第１空洞
    とは反対の側で前記ノズル壁とともに第２空洞を画成し
    ており、前記衝突板は、前記冷却媒体を前記第１空洞か
    ら前記第２空洞内に流して前記ノズル壁の衝突冷却に用
    いるための複数の貫通開口を有し、前記の少なくとも一
    方のバンド部分はまた、少なくとも一つの構造要素を含
    み、この構造要素は前記辺縁の内側で前記カバーと前記
    ノズル壁とを連結して前記カバーと前記ノズル壁との概
    して半径方向の相対移動を実質的に防止し、前記衝突板
    は前記構造要素を受入れる貫通孔を有し、前記要素と前
    記貫通孔は前記静翼と前記ノズル壁との間の継目の横方
    向外側に存在する、ノズルセグメント。
  2. 【請求項２】 前記カバーと前記ノズル壁とを前記セグ
    メントの側壁の内側で前記継目の横方向外側にて連結し
    ている第２構造要素を含む請求項１記載のノズルセグメ
    ント。
  3. 【請求項３】 前記構造要素は、前記ノズル壁と前記カ
    バーとの間に延在し前記衝突板を貫通しているピンから
    なる、請求項２記載のノズルセグメント。
  4. 【請求項４】 前記静翼と前記ノズル壁と前記構造要素
    は前記ノズルセグメント用の鋳物の一体部分を構成して
    いる、請求項２記載のノズルセグメント。
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