JP2004076601A - Turbine stationary blade structure - Google Patents

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Tosaku Takamura
高村 東作
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide new stationary blade structure suited for incorporation into a turbine, even if a main body of the stationary blade, a outer shroud and an inner shroud are not integrated. <P>SOLUTION: Instead of conventional turbine stationary blade structure that has an annular sectional gas passage around a turbine shaft, this invention presents the outer shroud with inner peripheral surface forming an outer periphery of the gas passage, the inner shroud with outer peripheral surface forming an inner periphery of the gas passage, and the stationary blade that is a long member sandwiched between the outer shroud and the inner shroud, with longitudinal axis extended in the radial direction, and cross sectional envelope of an airfoil shape. One end of the stationary blade is fitted into or fixed to either of the outer shroud or the inner shroud, and the other end of the stationary blade abuts to the other of the inner shroud or the outer shroud and at least slides freely in the turbine shaft direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンの静翼構造に係る。特に、静翼の支持構造と冷却構造に特徴が有り、セラミックス製の静翼に好適なガスタービンの静翼構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
タービンが発電用動力機や航空用推進機として使用される。 燃焼ガスや高温蒸気がタービンのガス通路を流れる。ガス通路は、外側シャラウドと内側シュラウドに挟まれた空間である。ガス通路には動翼と静翼がタービン軸方法に沿って交互に配置される。
タービンの入口ガス温度を上げると、タービンの出力とエネルギー効率を向上させることができる。一般にタービンの入口ガス温度(例えば、1300度C)は、ガス通路を形成する部品の材料の高温環境下での強度によりきまる。
近年、入口ガス温度をより高温(例えば1600度C)にするために、高温度環境下での強度が金属よりも高いセラミックス製の動翼、静翼、外側シュラウド及び内側シュラウドが採用される。
タービンの外観を形作るケーシングとタービン軸を軸受支持する軸受箱は、使用温度がガス通路の内部温度よりも低いことから、従来通りに金属で製作される。
セラミック製の動翼、静翼、外側シュラウド及び内側シュラウドは、金属製の部品(例えば、外側シュラウドを支持する外側金属リングや内側シュラウドを支持する内側金属リング)を介して、これらのケーシング又は軸受箱に支持される。
【0003】
タービンを停止状態から運転状態にすると、ガス通路の温度が室温から高温に変化する。タービンを構成する部品の温度は、室温から夫々の定常状態での温度になる。
各部品の材質の熱膨張係数が異なるので、各部品が熱膨張した際に、ケーシング又は軸受箱の半径方向の寸法が大きくなるのに対して、セラミックス製の動翼、静翼、外側シュラウド及び内側シュラウドの寸法は殆ど膨張しない。
従来、静翼の両端を支持する静翼構造を採用していることから、セラミックス製静翼と金属製部品の熱膨張による寸法変化の差を吸収するために、特に静翼の支持構造には特別の工夫が施されていた。
【0004】
以下に、従来の静翼の支持構造の典型的な支持構造を、図を基に、説明する。図7は、従来の構造図である。
タービンの静翼構造2は、静翼91と外側金属リング92と外側薄板93と取付ボルト94と外側ばね95と外側取付ボルト96と内側金属リング97と内側ばね98と内側取付ボルト99とで構成される。
静翼91は、セラミック製であり、静翼本体と外側シュラウドと内側シュラウドとが一体化している。一般にこのような静翼91は、セラミックス粉末を焼結して製作される。
【0005】
外側金属リング92は、タービンのケーシング3に固定されており、静翼91の外側シュラウド部を支持するのもである。
外側薄板93は、外側金属リング92に固定され、後述する取付ボルト94の一端を固定するものである。外側薄板93は、薄い板構造をしており、取付ボルト94の引っ張り力により弾性域内で容易に面外変形をする。
取付ボルト94は、静翼91の半径方向の移動を拘束するものであり、一端が外側薄板93に固定され、他端が後述する内側金属リング97に固定される。
外側ばね95は、外側金属リング92をタービン軸方向に沿った一方に付勢する部材である。
外側取付ボルト96は、外側金属リング92をケーシング3に固定する部材である。外側金属リング92は、外側取付ボルト96にタービン軸方向に案内され、外側ばね95で一方向へ付勢されている。
【0006】
内側金属リング97は、軸受箱4に固定され、静翼91の内側シュラウド部を支持するのもである。内側金属リング97の取付ボルト94が取り付けられている部位は、薄い板構造をしており、取付ボルト94の引っ張り力により弾性域内で容易に面外変形をする。
内側ばね98は、内側金属リング97をタービン軸に沿った一方に付勢する部材である。
内側取付ボルト99は、内側金属リング97を軸受箱4に固定する部材である。内側金属リング97は、内側取付ボルト99にタービン軸方向に案内され、内側ばね98で他方向へ付勢されている。
【0007】
従って、静翼91と外側金属リング92と内側金属リング97とは、取付ボルト94により半径方向に位置決めされ、外側ばね95と内側ばね98とによりタービン軸方向に位置決めされる。
タービンが室温から運用温度にまで温度上昇すると、ケーシング3と軸受箱4外側金属リング92と内側金属リング97と静翼91との熱膨張による寸法変化に差異がでても、半径方向に外側薄板93と内側金属リング97とが弾性変形し、タービン軸方向に外側ばね95と内側ばね98とが弾性変形して、大きな熱歪みが発生することを防止している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年、タービンのガス通過路の温度をさらに上げようとする試みがなされている。
そのひとつの手法として、複数の種類のセラミックスが入り交じって単結晶化した構造の静翼の採用が検討されている。この構造をもった静翼は、高温強度が大きく、例えば1600度Cの温度でも使用ができる。
しかし、この構造を持った静翼の製造技術はいまだ研究中であり、現在のところ、複雑な曲がり部をもった構造を製造できない。静翼本体と外側シュラウドと内側シュラウドが別体となってしまう。
従って、静翼本体と外側シュラウドと内側シュラウドが別体となっている静翼では、従来のタービンの静翼構造を使用して静翼をタービンに組み込むことができす、新たな静翼構造が嘱望されていた。
【0009】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来のタービン軸の回りに環状断面を持ったガス通路を有するタービンの静翼構造にかわって、静翼本体と外側シュラウドと内側シュラウドが一体構造でない場合でも、タービンに組み込むことのに好適な、新たな静翼構造を提供しようとする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るタービン軸の回りに環状断面を持ったガス通路を有するタービンの静翼構造を、内周面がガス通路の外周を形成する外側シュラウドと、外周面がガス通路の内周を形成する内側シュラウドと、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとに挟まれ長手軸を半径方向に延ばし包絡線が翼形状をした断面を持った長尺部材である静翼と、を備え、前記静翼の一方の端部が外側シュラウドまたは内側シュラウドの一方に嵌合または固着し、前記静翼の他方の端部が外側シュラウドまたは内側シュラウドの他方に当接し少なくともタービン軸方向に摺動自在になっているものとした。
【0011】
上記本発明の構成により、外側シュラウドの内周面がガス通路の外周を形成し、内側シュラウドの外周面がガス通路の内周を形成し、包絡線が翼形状をした断面を持った長尺部材である静翼が前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとに挟まれ長手軸を半径方向に延ばし、前記静翼の一方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの一方に嵌合または固着し、前記静翼の他方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方に当接し少なくともタービン軸方向に摺動自在になっているので、前記外側シュラウドの位置と前記内側シュラウドの位置とがタービン軸に沿って変化しても、前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方と当接した静翼の他方の端部がタービン軸方向に摺動自在し、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドと前記静翼とで構成される静翼構造が維持される。
【0012】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとを近接する方向へ付勢する半径方向付勢手段を備えるのが好ましい。
上記本発明の構成により、半径方向付勢手段が前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとを近接する方向へ付勢するので、前記外側シュラウドの位置と前記内側シュラウドの位置とが半径方向に沿って変化しても、静翼の他方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方と当接しつづけ、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドと前記静翼とで構成される静翼構造が維持される。
【0013】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、タービンのケーシングに固定された外側金属リングを備え、前記外側シュラウドがタービン軸回りに沿って設けられた前後一対の外側溝部を有し、前記外側金属リングが前記外側溝部に緩やかに係合する前後一対の外側爪部を有するのが好ましい。
上記本発明の構成により、タービンのケーシングに固定された前記外側金属リングの前後一対の外側爪部が前記外側シュラウドに設けられた前記外側溝部に緩やかに係合するので、前記外側シュラウドから前記外側溝部と前記外側爪部とを熱伝搬して前記外側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
【0014】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記外側金属リングが前記外側シュラウドの外周部に当接する複数の突起部を有するのが好ましい。
上記本発明の構成により、前記外側金属リングの複数の突起部が前記外側シュラウドの外周部に当接するので、前記外側シュラウドから前記突起部を熱伝搬して前記外側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
【0015】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記外側金属リングが外側冷却ガス用孔を有し、冷却ガスが、前記外側冷却ガス用孔から前記外側金属リングと前記外側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記外側溝部と前記外側爪部の係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっているのが好ましい。
上記本発明の構成により、冷却ガスが、前記外側冷却ガス用孔から前記外側金属リングと前記外側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記外側溝部と前記外側爪部の係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっているので、冷却ガスが、前記外側金属リングをガス冷却し、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
【0016】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、タービンの軸受箱に固定された内側金属リングを備え、前記内側シュラウドがタービン軸回りに沿って設けられた前後一対の内側溝部を有し、前記内側金属リングが前記内側溝部に緩やかに係合する前後一対の内側爪部を有するのが好ましい。
上記本発明の構成により、タービンの軸受箱に固定された前記内側金属リングの前後一対の内側爪部が前記内側シュラウドに設けられた前記内側溝部に緩やかに係合するので、前記内側シュラウドから前記内側溝部と前記内側爪部とを熱伝搬して前記内側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
【0017】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記内側金属リングが前記内側シュラウドの内周部に当接する複数の突起部を有するのが好ましい。
上記本発明の構成により、前記内側金属リングの複数の突起部が前記内側シュラウドの内周部に当接するので、前記内側シュラウドから前記突起部を熱伝搬し前記内側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
【0018】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記内側金属リングが内側冷却ガス用孔を有し、冷却ガスが、前記内側冷却ガス用孔から前記内側金属リングと前記内側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記内側溝部と前記内側爪部との係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっているのが好ましい。
上記本発明の構成により、冷却ガスが、前記内側冷却ガス用孔から前記内側金属リングと前記内側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記内側溝部と前記内側爪部の係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっているので、冷却ガスが、前記内側金属リングをガス冷却し、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
【0019】
さらに、本発明に係るタービンの静翼構造は、前記半径方向付勢手段が、前記外側シュラウドの外周部または前記内側シュラウドの内周部に設けられた波板ばねであるのが好ましい。
上記本発明の構成により、前記半径方向付勢手段が波板ばねであるので、簡単で軽量な構造で静翼を他方の端部側へ付勢することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。図1は、本発明に係る実施形態の側面断面図である。図2は、本発明に係る実施形態のA−A断面図である。図3は、本発明に係る実施形態のBーB断面図である。図4は、本発明に係る実施形態のCーC断面図である。図5は、本発明に係る実施形態のDーD断面図である。図6は、本発明に係る実施形態のEーE断面図である。
説明の便宜のために、図1において、図面に向かって左手側をタービン軸の前方と、向かって右手側をタービン軸の後方とする。ガスは、ガス通路5を前方から後方へ流れる。
【0021】
タービンの静翼構造2は、タービン1の内部の静翼とその静翼を組み付ける構造であり、静翼10と外側シュラウド20と外側金属リング30と半径方向波板ばね40(半径方向付勢手段に相当する。)と外側タービン軸方向波板ばね50と内側シュラウド60と内側金属リング70と内側タービン軸方向波板ばね80とで構成される。タービン1は、タービン軸6の回りに環状断面を持ったガス通路5を有している。
【0022】
静翼10は、後述する外側シュラウド20と内側シュラウド60とに挟まれ半径方向に長手軸を延ばしたセラミックス製部材であり、断面の包絡線が翼形状をした長尺部材である静翼本体11のみで構成される。複数の静翼本体11が、半径方向に配置される。
嵌合突起部14が、静翼本体11の外側の端部(一方の端部に相当する。)に設けられる。嵌合突起部14は、後述する外側シュラウド20の嵌合窪み部24に嵌合する。図1と図2には、嵌合突起部14が嵌合窪み部24に嵌合する様子が示されている。嵌合突起部14は、静翼本体11の翼断面の先縁部と後縁部を切り欠いた形状をしている。
静翼本体11の内側の端部12(他方の端部に相当する。)は、長手方向に交差し、対向する内側シュラウド本体61の外周面62に平行な端面を持つ。
静翼10の内側の端部12は、後述する半径方向波板ばね40に付勢されて、後述する内側シュラウド本体61の外周面62に当接し、少なくともタービン軸方向に摺動自在になっている。
【0023】
外側シュラウド20は、内周面22がガス通路5の外周を形成するセラミックス製部材である。外側シュラウド20は、ガス通路5の外側を囲う略円管形状をしており、円周方向に分割された複数の外側シュラウド本体21で構成される。一般に、静翼10の数に対応して分割される。
嵌合窪み部24が、外側シュラウド本体21の内周面22に設けられ、静翼本体11の嵌合突起部14が嵌合する様になっている。
前後一対の外側溝部23が、外側シュラウド20にタービン軸回りに沿って設けられる。図1には、外側シュラウド本体21の前端面および後端面に水平に設けられた外側溝部23が示されている。
【0024】
外側金属リング30は、タービンのケーシング3に固定された金属製部材である。 外側金属リング30は、外側シュラウド20の外周を囲う略円環形状をしており、円周方向に分割された複数の外側金属リング本体31で構成される。前後一対の外側爪部32が、外側溝部23に緩やかに係合する様に外側金属リング30に設けられる。前方の外側爪部32が前方の外側溝部22に係合し、後方の外側爪部32が後方の外側溝部22に係合する。略環状の隙間(以下、外側ガスシール室F1という。)が、外側金属リング30の内周部と外側シュラウド20の外周部とに挟まれた位置に形成される。
さらに、外側冷却ガス用孔33が、外側金属リング30の外側ガスシール室F1に面する壁に設けられる。ケーシング3の内側に導入された冷却ガスが、前記外側冷却ガス用孔33から、外側ガスシール室F1に入り、外側溝部23と外側爪部32の係合した隙間からガス通路5に吹き出す。
外側金属リング取付ボルト35が、外側金属リング30の外周部の三箇所に対応してケーシング3に設けられた長孔34に貫通し、ケーシング3と外側金属リング30とを固定する。長孔34は、ケーシング3のタービン軸6回りに等分配置された箇所に設けられる。長孔34の長手方向は、半径方向に沿っている。
【0025】
半径方向波板ばね40は、外側シュラウド20と内側シュラウド60とを近接する方向へ付勢する機能部品である。半径方向波板ばね40は、波状にうねりつつ環状になったばね部材であり、外側シユラウド20の外周部に巻かれている。図1と図3には、外側ガスシール室F1に納められて、外周を外側金属リング本体31の内周部に接し、内周を外側シュラウド本体21の外周部に接している波板ばねが示されている。外側シュラウド本体31と外側金属リング本体31とが半径方向波板ばね40を挟み込み弾性変形させて、発生した弾性力が外側シュラウド本体21を内側シュラウド本体61の側へ押している。
【0026】
外側タービン軸方向波板ばね50は、外側シュラウド20をタービン軸に沿った方向へ付勢する機能部品である。外側タービン軸方向波板ばね50は、波状にうねりつつフランジ状になったばね部材であり、外側シュラウド本体21の前端部に設けられている。図1と図4には、外側金属リング本体31と外側シュラウド21とに挟まれた外側タービン軸方向波板ばね50が示されている。外側金属リング本体31と外側シュラウド21とが外側タービン軸方向波板ばね50を挟み込み、発生した弾性力が外側シュラウド本体21をタービン軸に沿って後方へ押している。
【0027】
内側シュラウド60は、外周面がガス通路5の内周を形成するセラミックス製部材である。内側シュラウド60は、ガス通路5の内側を囲う略円管形状をしており、円周方向に分割された複数の内側シュラウド本体61で構成され、分解組立が容易になっている。一般に、静翼10の数に対応して分割される。
前後一対の内側溝部63が、タービン軸回りに沿って内側シュラウド60に設けられる。図1には、内側シュラウド本体61の前端面および後端面に水平に設けられた内側溝部63が示されている。
【0028】
内側金属リング70は、タービンの軸受箱4に固定された金属製部材である。内側金属リング70は、内側シュラウド60の内周を内側から囲う略円環形状をしており、円周方向に分割された複数の内側金属リング本体71で構成される。前後一対の内側爪部72が、内側溝部63に緩やかに係合する様に内側金属リング70に設けられる。前方の内側爪部72が前方の内側溝部62に係合し、後方の内側爪部72が後方の内側溝部62に係合する。略環状の隙間(以下、内側ガスシール室F2という。)が内側金属リング70の外周部と内側シュラウド60の内周部とに挟まれた位置に形成される。
さらに、内側冷却ガス用孔73が、内側金属リング70の内側ガスシール室F2に面する壁に設けられる。軸受箱4の内部に導入された冷却ガスが、内側冷却ガス用孔73から内側ガスシール室F2に入り、内側溝部63と内側爪部72の係合した隙間からガス通路5に吹き出す。
さらに、複数の内側突起部74が内側金属リング70の内側ガスシール室F2に接する面に設けられる。内側突起部74の先端が内側シュラウド60の内周部に当接している。図1と図5には、内側シュラウド本体61の内周部に当接する4個の内側突起部74が示されている。
【0029】
内側タービン軸方向波板ばね80は、内側シュラウド60をタービン軸に沿った方向へ付勢する機能部品である。内側タービン軸方向波板ばね80は、波状にうねりつつフランジ状になったばね部材であり、内側シュラウド本体61の前端部に設けられている。図1と図5には、内側金属リング本体71と内側シュラウド61とに挟まれた内側タービン軸方向波板ばね80が示されている。内側金属リング本体71と内側シュラウド本体61とが内側タービン軸方向波板ばね80を挟み込み、発生した弾性力が内側シュラウド本体61をタービン軸に沿って後方へ押している。
【0030】
次に、本発明の実施形態に係るタービンの静翼支持構造の作用を説明する。
最初は、タービンが休止状態にあり、タービン1を構成する各部材の温度は室温に近い。
静翼10が外側シュラウド本体21に嵌合して一体構造となる。半径方向波板ばね40がその一体構造を内側シュラウド本体61の側へ押す。静翼10の他方の端部12が内側シュラウド60の外周面62に押し付けられ、位置決めされる。
外側タービン軸方向波板ばね50が、外側シュラウド20をタービン軸に沿って後方へ付勢する。外側シュラウド本体21が、外側金属リング本体31に押し付けられ、位置決めされる。
内側タービン軸方向波板ばね80が、内側シュラウド60をタービン軸に沿って後方へ付勢する。内側シュラウド本体61が、内側金属リング本体71に押し付けられ、位置決めされる。
【0031】
タービンが運転状態になると、高温のガス(燃焼ガス、高温蒸気等)がガス通路にながれる。
静翼10と外側シャラウド20の内周面22と内側シュラウド30の外周面62とは、高温のガスに直接に接触するので、静翼10と外側シャラウド20と内側シュラウド30との温度は、高温ガスの温度に近くなる。
ケーシング3の内側に導入された冷却ガスが、外側冷却ガス用孔33から外側ガスシール室F1に入って、外側溝部23と外側爪部32の係合した隙間からガス通路5に吹き出す。冷却ガスが外側金属リング30を冷却するので、外側金属リング30の温度は、高温ガスの温度より低くなる。冷却ガスの流量を調整すると、外側金属リング30の温度が、外側金属リング30の十分な高温強度を維持するのに適当な値となる。
軸受箱4の内部に導入された冷却ガスが、内側冷却ガス用孔73から内側ガスシール室F2に入り、内側溝部63と内側爪部72の係合した隙間からガス通路5に吹き出す。冷却ガスが内側金属リング70を冷却するので、内側金属リング70の温度は、高温ガスの温度より低くなる。冷却ガスの流量を調整すると、内側金属リング70の温度が、内側金属リング70の十分な高温強度を維持するのに適当な値となる。
【0032】
ケーシング3と外側金属リング30と内側金属リング70と軸受箱4は、ほぼ等しい熱膨張係数をもった材料でできており、各部材の寸法は温度上昇に伴って大きくなる。例えば、外側金属リング30と内側金属リング70との間隔は1mm程度広がる。
一方、静翼10と外側シュラウド20と内側シュラウド60の材料は、金属に比べ熱膨張係数の極めて小さな材料(例えば、セラミックス)でできているので、熱膨張による寸法変化が少ない。半径方向波板ばね40が静翼10と外側シュラウド20とを内側シュラウド60の側へ押す。静翼10の他方の端部12が内側シュラウド60の外周面62に押し付けられて移動し、位置決めされる。
また、外側金属リング30と内側金属リング70とのタービン軸方向の位置は、例えば1mm程度ずれる。外側タービン軸方向波板ばね50は、外側シュラウド20をタービン軸に沿った方向へ付勢し、内側タービン軸方向波板ばね80は、内側シュラウド60をタービン軸に沿った方向へ付勢する。静翼10の他方の端部12は、少なくともタービン軸方向に摺動自在になっているので、異常な熱歪みが、静翼10や外側シュラウド20や内側シュラウド60に発生することがない。
外側金属リング30は、外周を3本の外側金属リング取付ボルト35で固定されるので、熱膨張した寸法だけ長孔34を移動し、タービン軸中心に自動的に調心される。
【0033】
上述の実施形態のタービンの静翼構造を用いれば、
タービンが休止状態から運転状態になり、タービンを構成する各部材の温度が定常温度になった際に、外側シュラウドと内側シュラウドのタービン軸方向の相対的位置がづれても、静翼の他の端部と内側シュラウドの外周面がタービン軸方向に摺動するので、静翼や内側シュラウドに異常な熱応力が発生せず。また、良好な静翼支持構造を維持でき、タービンの性能に維持することができる。
また、半径方向波板ばねが静翼を内側シュラウドに向かって付勢しているので、外側シュラウドと内側シュラウドの半径方向の相対的位置がづれても、静翼の他の端部と内側シュラウドの外周面との隙間が開かず、良好な静翼支持構造を維持でき、タービンの性能に影響を与えない。また、静翼や内側シュラウドに異常な熱応力が発生しない。
また、外側金属リングまたは内側金属リングの爪構造が外側シュラウドまたは内側シュラウドの溝構造に緩やかに係合しているので、外側金属リングまたは内側金属リングが外側シュラウドまたは内側シュラウドを緩やかに支持でき、また溝部と爪部での熱の伝搬が抑制されるので、外側シュラウドまたは内側シュラウドの熱が外側金属リングまたは内側金属リングに伝わりにくく、外側金属リングまたは内側金属リングの温度が上がらず、ケーシングまたは軸受箱の温度も上がらない。
また、内側金属リングの複数の突起部が内側シュラウドの内周部に当接する様にしたので、突起部の当接部位での熱の伝搬が抑制でき、内側シュラウドの熱が内側金属リングへ伝搬しにくく、内側金属リングの温度が上がらず、ケーシングまたは軸受箱の温度も上がらない。
また、冷却ガスを外側ガスシール室と内側ガスシール室に通して、ガス通路に吹きだす様にしたので、外側金属リングと内側金属リングをガス冷却でき、外側金属リングと内側金属リングの温度を下げることができる。
また、半径方向波板ばね40(半径方向付勢手段)、外側タービン軸方向波板ばね、又は内側タービン軸方向波板ばねを波板構造をしたので、付勢手段の構造が簡単になり、さらに波板の熱の伝搬が抑制されるので、外側シュラウドまたは内側シュラウドの熱が波板を熱伝搬して外側金属リングまたは内側金属リングへ伝達しにくく、外側金属リングまたは内側金属リングの温度が上がらす、ケーシングまたは軸受箱の温度も上がらない。
【0034】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
静翼の一端を外側シュラウドに嵌合するのとして説明したがこれに限定されず、例えば製造可能であれば、静翼と外側シュラウドと一体としても良い。
また、静翼の外側の端部を外側シュラウドに嵌合させ静翼の内側の端部と内側シュラウドとの間を摺動自在としたが、これに限定されず、例えば、静翼の内側の端部を内側シュラウドに嵌合させ静翼の外側の端部と外側シュラウドとの間を摺動自在としてもよい。
また、半径方向波板ばねを外側シュラウドの外周部に巻いたがこれに限定されず、例えば、内側シュラウドの内周部に巻いてもよい。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のタービン軸の回りに環状断面を持ったガス通路を有するタービンの静翼構造は、その構成により、以下の効果を有する。
静翼の端部を前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方に当接しタービン軸方向に摺動自在にしたので、前記外側シュラウドの位置と前記内側シュラウドの位置とがタービン軸に沿って変化しても、前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方と当接した静翼の他方の端部がタービン軸方向に摺動自在し、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドと前記静翼とで構成される静翼構造が維持される。
また、半径方向付勢手段が前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとを近接する方向へ付勢するようにしたので、前記外側シュラウドの位置と前記内側シュラウドの位置とが半径方向に沿って変化しても、静翼の他方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方と当接しつづけ、前記外側シュラウドと前記内側シュラウドと前記静翼とで構成される静翼構造が維持される。
また、前記外側シュラウドと前記外側金属リングとの結合構造を溝と爪との係合構造としたので、前記外側シュラウドから前記外側溝部と前記外側爪部とを熱伝搬して前記外側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
また、前記外側金属リングの複数の突起部が前記外側シュラウドの外周部に当接するようにしたので、前記外側シュラウドから前記突起部を熱伝搬して前記外側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
また、冷却ガスを前記外側金属リングと前記外側シュラウドとの隙間に通すようにしたので、冷却ガスが、前記外側金属リングをガス冷却し、前記外側金属リングの温度を下げることができる。
また、前記内側シュラウドと前記内側金属リングとの結合構造を溝と爪との係合構造としたので、前記内側シュラウドから前記内側溝部と前記内側爪部とを熱伝搬して前記内側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
また、前記内側金属リングの複数の突起部が前記内側シュラウドの外周部に当接するようにしたので、前記内側シュラウドから前記突起部を熱伝搬し前記内側金属リングへ移動する熱量を減らすことができ、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
また、冷却ガスを前記内側金属リングと前記内側シュラウドとの隙間に通すようにしたので、冷却ガスが、前記内側金属リングをガス冷却し、前記内側金属リングの温度を下げることができる。
また、半径方向付勢手段を波板ばねとしたので、簡単で軽量な構造で、静翼を他方の端部側へ付勢することができる。
従って、静翼本体と外側シュラウドと内側シュラウドが一体構造でない場合でも、タービンに組み込むことのに好適な静翼構造を提供できる。
【0036】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施形態の側面断面図である。
【図2】本発明に係る実施形態のA−A断面図である。
【図3】本発明に係る実施形態のBーB断面図である。
【図4】本発明に係る実施形態のCーC断面図である。
【図5】本発明に係る実施形態のDーD断面図である。
【図6】本発明に係る実施形態のEーE断面図である。
【図7】従来の構造図である。
【符号の説明】
F1 外側ガスシール室
F2 内側ガスシール室
1 タービン
2 静翼構造
3 ケーシング
4 軸受箱
5 ガス通路
6 タービン軸
10 静翼
11 静翼本体
12 他方の端部
13 一方の端部
14 嵌合突起部
20 外側シュラウド
21 外側シュラウド本体
22 内周面
23 外側溝部
24 嵌合窪み部
30 外側金属リング
31 外側金属リング本体
32 外側爪部
33 外側冷却ガス用孔
34 長孔
35 外側金属リング取付ボルト
40 半径方向波板ばね40(半径方向付勢手段)
50 外側タービン軸方向波板ばね
60 内側シュラウド
61 内側シュラウド本体
62 外周面
63 内側溝部
70 内側金属リング
71 内側金属リング本体
72 内側爪部
73 内側冷却ガス用孔
74 内側突起部
80 内側タービン軸方向波板ばね
91 静翼
92 外側金属リング
93 外側薄板
94 取付ボル
95 外側ばね
96 外側取付ボルト
97 内側金属リング
98 内側ばね
99 内側取付ボルト
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbine vane structure. In particular, the present invention relates to a gas turbine stationary blade structure which is characterized by a stationary blade supporting structure and a cooling structure and is suitable for a ceramic stationary blade.
[0002]
[Prior art]
Turbines are used as power generators and aircraft propulsion. Combustion gases and high temperature steam flow through the gas passages of the turbine. The gas passage is a space sandwiched between the outer shroud and the inner shroud. In the gas passage, moving blades and stationary blades are alternately arranged along the turbine shaft method.
Increasing the turbine inlet gas temperature can improve turbine output and energy efficiency. Generally, the inlet gas temperature of the turbine (for example, 1300 ° C.) is determined by the strength of the material of the components forming the gas passage in a high-temperature environment.
In recent years, in order to make the inlet gas temperature higher (for example, 1600 ° C.), ceramic moving blades, stationary blades, outer shrouds, and inner shrouds having higher strength in a high-temperature environment than metal are employed.
The casing that forms the external appearance of the turbine and the bearing box that supports and supports the turbine shaft are conventionally made of metal because the operating temperature is lower than the internal temperature of the gas passage.
The blades, vanes, outer shroud and inner shroud made of ceramic are mounted on their casings or bearings via metallic components (eg, an outer metal ring supporting the outer shroud and an inner metal ring supporting the inner shroud). Supported by a box.
[0003]
When the turbine is switched from the stopped state to the operating state, the temperature of the gas passage changes from room temperature to a high temperature. The temperature of the components constituting the turbine changes from room temperature to the temperature in each steady state.
Since the thermal expansion coefficients of the materials of the components are different, when the components are thermally expanded, the casing or the bearing housing becomes large in the radial direction, whereas the ceramic moving blade, the stationary blade, the outer shroud and The dimensions of the inner shroud hardly expand.
Conventionally, since the stationary blade structure that supports both ends of the stationary blade is adopted, in order to absorb the difference in dimensional change due to thermal expansion between the ceramic stationary blade and metal parts, the stationary blade supporting structure Special measures were taken.
[0004]
Hereinafter, a typical support structure of a conventional stationary blade support structure will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a conventional structural diagram.
The turbine vane structure 2 includes a vane 91, an outer metal ring 92, an outer thin plate 93, a mounting bolt 94, an outer spring 95, an outer mounting bolt 96, an inner metal ring 97, an inner spring 98, and an inner mounting bolt 99. Is done.
The stationary blade 91 is made of ceramic, and the stationary blade main body, the outer shroud, and the inner shroud are integrated. Generally, such a stationary blade 91 is manufactured by sintering ceramic powder.
[0005]
The outer metal ring 92 is fixed to the casing 3 of the turbine and supports the outer shroud portion of the stationary blade 91.
The outer thin plate 93 is fixed to the outer metal ring 92, and fixes one end of a mounting bolt 94 described later. The outer thin plate 93 has a thin plate structure, and easily undergoes out-of-plane deformation within the elastic region by the pulling force of the mounting bolt 94.
The mounting bolt 94 restricts the movement of the stationary blade 91 in the radial direction. One end is fixed to the outer thin plate 93 and the other end is fixed to an inner metal ring 97 described later.
The outer spring 95 is a member that urges the outer metal ring 92 to one side along the turbine axial direction.
The outer mounting bolt 96 is a member that fixes the outer metal ring 92 to the casing 3. The outer metal ring 92 is guided in the turbine axial direction by outer mounting bolts 96, and is urged in one direction by an outer spring 95.
[0006]
The inner metal ring 97 is fixed to the bearing housing 4 and supports the inner shroud portion of the stationary blade 91. The part of the inner metal ring 97 to which the mounting bolt 94 is mounted has a thin plate structure, and easily undergoes out-of-plane deformation within the elastic region due to the pulling force of the mounting bolt 94.
The inner spring 98 is a member that urges the inner metal ring 97 to one side along the turbine axis.
The inner mounting bolt 99 is a member that fixes the inner metal ring 97 to the bearing housing 4. The inner metal ring 97 is guided in the turbine axial direction by an inner mounting bolt 99, and is urged in the other direction by an inner spring 98.
[0007]
Therefore, the stationary blade 91, the outer metal ring 92, and the inner metal ring 97 are positioned in the radial direction by the mounting bolt 94, and are positioned in the turbine axial direction by the outer spring 95 and the inner spring 98.
When the temperature of the turbine rises from room temperature to the operating temperature, even if there is a difference in the dimensional change due to the thermal expansion of the outer metal ring 92, the inner metal ring 97, and the stationary blade 91 of the casing 3, the bearing housing 4, the outer thin plate in the radial direction. 93 and the inner metal ring 97 are elastically deformed, and the outer spring 95 and the inner spring 98 are elastically deformed in the turbine axial direction, thereby preventing a large thermal distortion from occurring.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, attempts have been made to further increase the temperature of the gas passage of the turbine.
As one of the methods, adoption of a stationary blade having a structure in which a plurality of types of ceramics are mixed and monocrystallized is being studied. A stationary blade having this structure has high strength at high temperatures, and can be used even at a temperature of, for example, 1600 ° C.
However, the manufacturing technique of the stator vane having this structure is still under study, and at present, a structure having a complicated bent portion cannot be manufactured. The stator vane body, the outer shroud, and the inner shroud become separate bodies.
Therefore, in the vane where the stator vane body, the outer shroud, and the inner shroud are separate, a new vane structure that allows the vane to be incorporated into the turbine using the conventional turbine vane structure has been developed. It was expected.
[0009]
The present invention has been devised in view of the above-described problems, and replaces a conventional vane structure of a turbine having a gas passage having an annular cross section around a turbine shaft, and includes a vane main body and an outer shroud. Even if the inner shroud is not a unitary structure, it seeks to provide a new vane structure suitable for incorporation into a turbine.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a turbine vane structure having a gas passage having an annular cross section around a turbine shaft according to the present invention includes an outer shroud having an inner peripheral surface forming an outer periphery of the gas passage, and an outer peripheral surface having an outer peripheral surface. An inner shroud forming an inner periphery of a gas passage, and a stationary blade that is a long member having a cross-section in which an envelope extends in a radial direction and a longitudinal axis extends between the outer shroud and the inner shroud in a radial direction, Wherein one end of the vane fits or is fixed to one of an outer shroud or an inner shroud, and the other end of the vane abuts the other of the outer shroud or the inner shroud and at least in the turbine axial direction. It is slidable.
[0011]
According to the configuration of the present invention, the inner peripheral surface of the outer shroud forms the outer periphery of the gas passage, the outer peripheral surface of the inner shroud forms the inner periphery of the gas passage, and the envelope has a wing-shaped cross section. A stator vane, which is a member, is sandwiched between the outer shroud and the inner shroud and extends a longitudinal axis in a radial direction, and one end of the stator vane is fitted or fixed to one of the outer shroud or the inner shroud, Since the other end of the vane abuts on the other of the outer shroud or the inner shroud and is slidable at least in the turbine axial direction, the position of the outer shroud and the position of the inner shroud are different from the turbine shaft. , The other end of the vane in contact with the other of the outer shroud or the inner shroud is slidable in the turbine axial direction, and Stator blades structure composed of Udo and said inner shroud and the vanes are maintained.
[0012]
Further, it is preferable that the turbine vane structure according to the present invention includes a radial urging means for urging the outer shroud and the inner shroud in a direction to approach each other.
According to the configuration of the present invention, since the radial urging means urges the outer shroud and the inner shroud in the approaching direction, the position of the outer shroud and the position of the inner shroud change along the radial direction. Even so, the other end of the stationary blade continues to contact the other of the outer shroud or the inner shroud, and the stationary blade structure including the outer shroud, the inner shroud, and the stationary blade is maintained.
[0013]
Furthermore, the turbine vane structure according to the present invention includes an outer metal ring fixed to a casing of the turbine, the outer shroud includes a pair of front and rear outer grooves provided around the turbine axis, and It is preferable that the metal ring has a pair of front and rear outer claw portions that gently engage with the outer groove portions.
According to the configuration of the present invention, the pair of front and rear outer claw portions of the outer metal ring fixed to the casing of the turbine gently engage with the outer groove portions provided on the outer shroud. The amount of heat that propagates through the groove and the outer claw portion and moves to the outer metal ring can be reduced, and the temperature of the outer metal ring can be reduced.
[0014]
Further, in the turbine vane structure according to the present invention, it is preferable that the outer metal ring has a plurality of protrusions that come into contact with the outer peripheral portion of the outer shroud.
According to the configuration of the present invention, since the plurality of protrusions of the outer metal ring abut on the outer peripheral portion of the outer shroud, the amount of heat transferred from the outer shroud to the outer metal ring through the protrusion is reduced. And the temperature of the outer metal ring can be reduced.
[0015]
Further, in the turbine vane structure according to the present invention, the outer metal ring has an outer cooling gas hole, and the cooling gas is sandwiched between the outer metal ring and the outer shroud from the outer cooling gas hole. It is preferable that the gas enters the gap and blows out to the gas passage from the gap where the outer groove and the outer claw are engaged.
According to the configuration of the present invention, the cooling gas enters the gap between the outer metal ring and the outer shroud from the outer cooling gas hole, and the gas flows from the gap in which the outer groove and the outer claw engage. Since the gas is blown into the passage, the cooling gas can gas-cool the outer metal ring and lower the temperature of the outer metal ring.
[0016]
Further, the turbine vane structure according to the present invention includes an inner metal ring fixed to a bearing housing of the turbine, the inner shroud includes a pair of front and rear inner grooves provided around the turbine axis, Preferably, the inner metal ring has a pair of front and rear inner claws that gently engage the inner groove.
According to the configuration of the present invention, the pair of front and rear inner claw portions of the inner metal ring fixed to the bearing housing of the turbine are gently engaged with the inner groove portions provided in the inner shroud. The amount of heat transferred to the inner metal ring by heat propagation between the inner groove and the inner claw can be reduced, and the temperature of the inner metal ring can be reduced.
[0017]
Further, in the turbine vane structure according to the present invention, it is preferable that the inner metal ring has a plurality of protrusions that come into contact with an inner peripheral portion of the inner shroud.
According to the configuration of the present invention, since the plurality of protrusions of the inner metal ring abut on the inner peripheral portion of the inner shroud, the amount of heat that propagates from the inner shroud to the protrusion and moves to the inner metal ring is reduced. And the temperature of the inner metal ring can be reduced.
[0018]
Further, in the turbine vane structure according to the present invention, the inner metal ring has an inner cooling gas hole, and cooling gas is sandwiched between the inner metal ring and the inner shroud from the inner cooling gas hole. It is preferable that the gas is blown into the gas passage from the gap where the inside groove portion and the inside claw portion are engaged.
According to the configuration of the present invention, the cooling gas enters the gap between the inner metal ring and the inner shroud from the inner cooling gas hole, and the gas flows from the gap in which the inner groove and the inner claw are engaged. Since the cooling gas is blown into the passage, the cooling gas can gas-cool the inner metal ring and lower the temperature of the inner metal ring.
[0019]
Furthermore, in the turbine vane structure according to the present invention, it is preferable that the radial urging means is a corrugated spring provided on an outer peripheral portion of the outer shroud or an inner peripheral portion of the inner shroud.
According to the configuration of the present invention, since the radial urging means is a corrugated spring, the vane can be urged toward the other end with a simple and lightweight structure.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 1 is a side sectional view of an embodiment according to the present invention. FIG. 2 is an AA sectional view of the embodiment according to the present invention. FIG. 3 is a sectional view taken along line BB of the embodiment according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view taken along the line CC of the embodiment according to the present invention. FIG. 5 is a sectional view taken along line DD of the embodiment according to the present invention. FIG. 6 is an EE cross-sectional view of the embodiment according to the present invention.
For convenience of description, in FIG. 1, the left hand side as viewed in the drawing is the front of the turbine shaft, and the right hand side is the rear of the turbine shaft as viewed. The gas flows through the gas passage 5 from the front to the rear.
[0021]
The turbine vane structure 2 is a structure for assembling the vanes inside the turbine 1 and the vanes, and includes a vane 10, an outer shroud 20, an outer metal ring 30, a radial corrugated spring 40 (radial urging means). ), An outer turbine axial corrugated spring 50, an inner shroud 60, an inner metal ring 70, and an inner turbine axial corrugated spring 80. The turbine 1 has a gas passage 5 having an annular cross section around a turbine shaft 6.
[0022]
The stator vane 10 is a ceramic member whose longitudinal axis extends in the radial direction and is sandwiched between an outer shroud 20 and an inner shroud 60, which will be described later. It is composed only of A plurality of vane bodies 11 are arranged in the radial direction.
The fitting protrusion 14 is provided at an outer end (corresponding to one end) of the stationary blade main body 11. The fitting protrusion 14 fits into a fitting recess 24 of the outer shroud 20 described later. FIGS. 1 and 2 show a state in which the fitting projection 14 is fitted into the fitting recess 24. The fitting projection 14 has a shape in which the leading edge and the trailing edge of the blade section of the stationary blade body 11 are cut off.
The inner end 12 (corresponding to the other end) of the stator vane main body 11 has an end face that crosses in the longitudinal direction and is parallel to the outer peripheral surface 62 of the inner shroud main body 61 facing the same.
The inner end portion 12 of the stator vane 10 is urged by a radial corrugated leaf spring 40 described later to abut an outer peripheral surface 62 of an inner shroud body 61 described later, and is slidable at least in the turbine axial direction. I have.
[0023]
The outer shroud 20 is a ceramic member whose inner peripheral surface 22 forms the outer periphery of the gas passage 5. The outer shroud 20 has a substantially cylindrical shape surrounding the outside of the gas passage 5 and is composed of a plurality of outer shroud bodies 21 divided in a circumferential direction. Generally, it is divided according to the number of the stationary blades 10.
A fitting recess 24 is provided on the inner peripheral surface 22 of the outer shroud main body 21 so that the fitting projection 14 of the stationary blade main body 11 fits.
A pair of front and rear outer grooves 23 are provided on the outer shroud 20 around the turbine axis. FIG. 1 shows an outer groove 23 provided horizontally on the front end face and the rear end face of the outer shroud main body 21.
[0024]
The outer metal ring 30 is a metal member fixed to the casing 3 of the turbine. The outer metal ring 30 has a substantially annular shape surrounding the outer periphery of the outer shroud 20, and includes a plurality of outer metal ring bodies 31 divided in a circumferential direction. A pair of front and rear outer claw portions 32 are provided on the outer metal ring 30 so as to gently engage with the outer groove portions 23. The front outer claw 32 is engaged with the front outer groove 22, and the rear outer claw 32 is engaged with the rear outer groove 22. A substantially annular gap (hereinafter, referred to as an outer gas seal chamber F1) is formed at a position between the inner peripheral portion of the outer metal ring 30 and the outer peripheral portion of the outer shroud 20.
Further, an outer cooling gas hole 33 is provided in a wall of the outer metal ring 30 facing the outer gas seal chamber F1. The cooling gas introduced into the inside of the casing 3 enters the outer gas seal chamber F1 from the outer cooling gas hole 33, and blows out to the gas passage 5 from the gap where the outer groove 23 and the outer claw 32 are engaged.
Outer metal ring mounting bolts 35 penetrate through elongated holes 34 provided in casing 3 at three locations on the outer peripheral portion of outer metal ring 30 to fix casing 3 and outer metal ring 30. The long holes 34 are provided at locations of the casing 3 that are equally spaced around the turbine shaft 6. The longitudinal direction of the long hole 34 is along the radial direction.
[0025]
The radial corrugated leaf spring 40 is a functional component that urges the outer shroud 20 and the inner shroud 60 in a direction toward each other. The radial corrugated plate spring 40 is an annular spring member that is undulating and undulates, and is wound around the outer periphery of the outer shroud 20. FIGS. 1 and 3 show a corrugated spring accommodated in the outer gas seal chamber F1 and having an outer periphery in contact with the inner periphery of the outer metal ring main body 31 and an inner periphery in contact with the outer periphery of the outer shroud main body 21. It is shown. The outer shroud body 31 and the outer metal ring body 31 sandwich and elastically deform the radial corrugated plate spring 40, and the generated elastic force pushes the outer shroud body 21 toward the inner shroud body 61.
[0026]
The outer turbine axial corrugated spring 50 is a functional component that urges the outer shroud 20 in a direction along the turbine axis. The outer turbine axial direction corrugated plate spring 50 is a spring member that is undulating and has a flange shape and is provided at the front end of the outer shroud main body 21. 1 and 4 show an outer turbine axial corrugated spring 50 sandwiched between an outer metal ring main body 31 and an outer shroud 21. The outer metal ring main body 31 and the outer shroud 21 sandwich the outer turbine axial corrugated spring 50, and the generated elastic force pushes the outer shroud main body 21 rearward along the turbine axis.
[0027]
The inner shroud 60 is a ceramic member whose outer peripheral surface forms the inner periphery of the gas passage 5. The inner shroud 60 has a substantially cylindrical shape surrounding the inside of the gas passage 5 and is constituted by a plurality of inner shroud bodies 61 divided in a circumferential direction, so that disassembly and assembly are facilitated. Generally, it is divided according to the number of the stationary blades 10.
A pair of front and rear inner grooves 63 are provided in the inner shroud 60 along the turbine axis. FIG. 1 shows an inner groove 63 provided horizontally on the front end face and the rear end face of the inner shroud main body 61.
[0028]
The inner metal ring 70 is a metal member fixed to the bearing housing 4 of the turbine. The inner metal ring 70 has a substantially annular shape surrounding the inner periphery of the inner shroud 60 from the inside, and includes a plurality of inner metal ring bodies 71 divided in the circumferential direction. A pair of front and rear inner claws 72 are provided on the inner metal ring 70 so as to gently engage with the inner groove 63. The front inner claw 72 engages with the front inner groove 62, and the rear inner claw 72 engages with the rear inner groove 62. A substantially annular gap (hereinafter, referred to as an inner gas seal chamber F2) is formed at a position between the outer peripheral portion of the inner metal ring 70 and the inner peripheral portion of the inner shroud 60.
Further, an inner cooling gas hole 73 is provided in a wall of the inner metal ring 70 facing the inner gas seal chamber F2. The cooling gas introduced into the bearing housing 4 enters the inner gas seal chamber F2 from the inner cooling gas hole 73 and blows out to the gas passage 5 from the gap where the inner groove 63 and the inner claw 72 are engaged.
Further, a plurality of inner protrusions 74 are provided on a surface of the inner metal ring 70 that contacts the inner gas seal chamber F2. The tip of the inner protrusion 74 is in contact with the inner peripheral portion of the inner shroud 60. FIGS. 1 and 5 show four inner projections 74 abutting on the inner peripheral portion of the inner shroud main body 61.
[0029]
The inner turbine axial corrugated spring 80 is a functional component that urges the inner shroud 60 in a direction along the turbine axis. The inner turbine axial direction corrugated spring 80 is a spring member which is undulating and has a flange shape and is provided at the front end of the inner shroud main body 61. FIGS. 1 and 5 show an inner turbine axial corrugated spring 80 sandwiched between an inner metal ring body 71 and an inner shroud 61. The inner metal ring main body 71 and the inner shroud main body 61 sandwich the inner turbine axial corrugated spring 80, and the generated elastic force pushes the inner shroud main body 61 rearward along the turbine axis.
[0030]
Next, the operation of the turbine vane support structure according to the embodiment of the present invention will be described.
At first, the turbine is at rest, and the temperature of each member constituting the turbine 1 is close to room temperature.
The stationary blade 10 is fitted to the outer shroud main body 21 to form an integral structure. A radial corrugated spring 40 pushes the unitary structure toward the inner shroud body 61. The other end 12 of the stationary blade 10 is pressed against the outer peripheral surface 62 of the inner shroud 60 and positioned.
An outer turbine axial corrugated spring 50 biases the outer shroud 20 rearwardly along the turbine axis. The outer shroud body 21 is pressed against the outer metal ring body 31 and positioned.
An inner turbine axial corrugated spring 80 biases the inner shroud 60 rearwardly along the turbine axis. The inner shroud body 61 is pressed against the inner metal ring body 71 and positioned.
[0031]
When the turbine is in operation, high-temperature gas (combustion gas, high-temperature steam, etc.) flows into the gas passage.
Since the inner peripheral surface 22 of the stationary blade 10 and the outer shroud 20 and the outer peripheral surface 62 of the inner shroud 30 are in direct contact with the high-temperature gas, the temperature of the stationary blade 10, the outer shroud 20 and the inner shroud 30 becomes It approaches the temperature of the gas.
The cooling gas introduced into the inside of the casing 3 enters the outer gas sealing chamber F1 from the outer cooling gas hole 33 and blows out to the gas passage 5 from the gap where the outer groove 23 and the outer claw 32 are engaged. As the cooling gas cools the outer metal ring 30, the temperature of the outer metal ring 30 will be lower than the temperature of the hot gas. By adjusting the flow rate of the cooling gas, the temperature of the outer metal ring 30 becomes a value suitable for maintaining the sufficient high-temperature strength of the outer metal ring 30.
The cooling gas introduced into the bearing housing 4 enters the inner gas seal chamber F2 from the inner cooling gas hole 73 and blows out to the gas passage 5 from the gap where the inner groove 63 and the inner claw 72 are engaged. As the cooling gas cools the inner metal ring 70, the temperature of the inner metal ring 70 will be lower than the temperature of the hot gas. By adjusting the flow rate of the cooling gas, the temperature of the inner metal ring 70 becomes a value suitable for maintaining sufficient high-temperature strength of the inner metal ring 70.
[0032]
The casing 3, the outer metal ring 30, the inner metal ring 70, and the bearing housing 4 are made of a material having substantially the same coefficient of thermal expansion, and the size of each member increases as the temperature rises. For example, the distance between the outer metal ring 30 and the inner metal ring 70 increases by about 1 mm.
On the other hand, since the materials of the stationary blade 10, the outer shroud 20, and the inner shroud 60 are made of a material (for example, ceramics) having an extremely small coefficient of thermal expansion as compared with metal, a dimensional change due to thermal expansion is small. A radial corrugated spring 40 pushes the vane 10 and the outer shroud 20 toward the inner shroud 60. The other end 12 of the stationary blade 10 is moved by being pressed against the outer peripheral surface 62 of the inner shroud 60 and positioned.
The positions of the outer metal ring 30 and the inner metal ring 70 in the turbine axial direction are shifted by, for example, about 1 mm. Outer turbine axial corrugated spring 50 urges outer shroud 20 in a direction along the turbine axis, and inner turbine axial corrugated spring 80 urges inner shroud 60 in a direction along the turbine axis. Since the other end 12 of the stationary blade 10 is slidable at least in the turbine axial direction, abnormal thermal distortion does not occur in the stationary blade 10, the outer shroud 20, and the inner shroud 60.
Since the outer metal ring 30 is fixed on its outer periphery by three outer metal ring mounting bolts 35, the outer metal ring 30 moves through the elongated hole 34 by the size of thermal expansion and is automatically centered on the turbine shaft center.
[0033]
By using the turbine vane structure of the above-described embodiment,
When the turbine enters the operating state from the rest state and the temperature of each member constituting the turbine reaches a steady temperature, even if the relative positions of the outer shroud and the inner shroud in the turbine axial direction are deviated, the other end of the stationary blade is not affected. No abnormal thermal stress occurs on the stator vanes and inner shroud because the outer surface of the section and the inner shroud slide in the turbine axial direction. Further, a good stationary blade support structure can be maintained, and the performance of the turbine can be maintained.
In addition, since the radial corrugated spring urges the stator blade toward the inner shroud, even if the relative positions of the outer shroud and the inner shroud in the radial direction are misaligned, the other end of the stator blade and the inner shroud may be displaced. A gap with the outer peripheral surface is not opened, a good stationary blade support structure can be maintained, and the performance of the turbine is not affected. Further, no abnormal thermal stress is generated in the stationary blade and the inner shroud.
Also, since the claw structure of the outer metal ring or the inner metal ring is loosely engaged with the groove structure of the outer shroud or the inner shroud, the outer metal ring or the inner metal ring can loosely support the outer shroud or the inner shroud, In addition, since the propagation of heat in the groove and the claw portion is suppressed, the heat of the outer shroud or the inner shroud is less likely to be transmitted to the outer metal ring or the inner metal ring, and the temperature of the outer metal ring or the inner metal ring does not rise, so that the casing or The temperature of the bearing box does not rise.
In addition, since the plurality of protrusions of the inner metal ring abut on the inner peripheral portion of the inner shroud, the propagation of heat at the contact portion of the protrusion can be suppressed, and the heat of the inner shroud propagates to the inner metal ring. And the temperature of the inner metal ring does not rise, nor does the temperature of the casing or bearing housing.
In addition, since the cooling gas is passed through the outer gas seal chamber and the inner gas seal chamber and blown out to the gas passage, the outer metal ring and the inner metal ring can be gas-cooled, and the temperature of the outer metal ring and the inner metal ring can be reduced. Can be lowered.
Further, since the radial corrugated spring 40 (radial urging means), the outer turbine axial corrugated spring, or the inner turbine axial corrugated spring has a corrugated structure, the structure of the urging means is simplified, Further, since the heat propagation of the corrugated sheet is suppressed, the heat of the outer shroud or the inner shroud is less likely to be transmitted to the outer metal ring or the inner metal ring through the corrugated sheet, and the temperature of the outer metal ring or the inner metal ring is reduced. The temperature of the casing or the bearing housing does not rise.
[0034]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the gist of the invention.
Although one end of the stationary blade has been described as being fitted to the outer shroud, the present invention is not limited to this. For example, if it can be manufactured, the stationary blade and the outer shroud may be integrated.
Further, the outer end of the stationary blade is fitted to the outer shroud so as to be slidable between the inner end of the stationary blade and the inner shroud, but is not limited thereto. The end may be fitted to the inner shroud to allow sliding between the outer end of the vane and the outer shroud.
Further, the radial corrugated plate spring is wound around the outer peripheral portion of the outer shroud, but is not limited thereto. For example, it may be wound around the inner peripheral portion of the inner shroud.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, the vane structure of the turbine having the gas passage having the annular cross section around the turbine shaft according to the present invention has the following effects due to its configuration.
Since the end of the vane abuts on the other of the outer shroud or the inner shroud and is slidable in the turbine axial direction, the position of the outer shroud and the position of the inner shroud change along the turbine axis. Also, the other end of the vane in contact with the other of the outer shroud or the inner shroud is slidable in the turbine axial direction, and the vane includes the outer shroud, the inner shroud, and the stator vane. The structure is maintained.
Also, since the radial biasing means biases the outer shroud and the inner shroud in a direction to approach, the position of the outer shroud and the position of the inner shroud change along the radial direction. Also, the other end of the stationary blade continues to contact the other of the outer shroud or the inner shroud, and the stationary blade structure including the outer shroud, the inner shroud, and the stationary blade is maintained.
Further, since the coupling structure between the outer shroud and the outer metal ring is an engagement structure of a groove and a claw, heat is propagated from the outer shroud to the outer groove and the outer claw to the outer metal ring. The amount of heat transferred can be reduced, and the temperature of the outer metal ring can be reduced.
Further, since the plurality of protrusions of the outer metal ring are configured to abut on the outer peripheral portion of the outer shroud, it is possible to reduce the amount of heat that propagates from the outer shroud to the protrusion and moves to the outer metal ring. The temperature of the outer metal ring can be reduced.
Further, since the cooling gas is caused to pass through the gap between the outer metal ring and the outer shroud, the cooling gas can cool the outer metal ring and lower the temperature of the outer metal ring.
Further, since the coupling structure between the inner shroud and the inner metal ring is an engagement structure of a groove and a claw, heat is propagated from the inner shroud to the inner groove and the inner claw to the inner metal ring. The amount of heat transferred can be reduced, and the temperature of the inner metal ring can be reduced.
In addition, since the plurality of protrusions of the inner metal ring abut on the outer peripheral portion of the inner shroud, the amount of heat that propagates from the inner shroud to the protrusion and moves to the inner metal ring can be reduced. The temperature of the inner metal ring can be reduced.
Further, since the cooling gas is caused to pass through the gap between the inner metal ring and the inner shroud, the cooling gas can cool the inner metal ring and lower the temperature of the inner metal ring.
Further, since the radial urging means is a corrugated spring, the stationary blade can be urged toward the other end with a simple and lightweight structure.
Therefore, even when the stationary blade main body, the outer shroud, and the inner shroud are not integrated, a stationary blade structure suitable for being incorporated in a turbine can be provided.
[0036]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of an embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is an AA sectional view of the embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a BB cross-sectional view of the embodiment according to the present invention.
FIG. 4 is a sectional view taken along the line CC of the embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is a sectional view taken along line DD of the embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is an EE cross-sectional view of the embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a conventional structural view.
[Explanation of symbols]
F1 Outer gas seal chamber
F2 Inner gas seal chamber
1 turbine
2 Stator structure
3 Casing
4 Bearing housing
5 Gas passage
6 Turbine shaft
10 Stationary wing
11 Stationary wing body
12 The other end
13 One end
14 Fitting projection
20 Outer shroud
21 Outer shroud body
22 Inner circumference
23 Outer groove
24 Fitting recess
30 Outer metal ring
31 Outer metal ring body
32 Outside claw
33 Outside cooling gas hole
34 Slot
35 Outer metal ring mounting bolt
40 Radial corrugated leaf spring 40 (radial biasing means)
50 Outer turbine axial corrugated spring
60 Inner Shroud
61 Inside Shroud Body
62 Outer surface
63 Inner groove
70 Inner metal ring
71 Inside metal ring body
72 Inner claw
73 Inside cooling gas hole
74 Inside protrusion
80 Inner turbine axial corrugated leaf spring
91 Stationary wing
92 Outer metal ring
93 Outside thin plate
94 mounting bolt
95 Outer spring
96 Outer mounting bolt
97 Inner metal ring
98 inner spring
99 Inside mounting bolt

Claims (9)

タービン軸の回りに環状断面を持ったガス通路を有するタービンの静翼構造であって、
内周面がガス通路の外周を形成する外側シュラウドと、
外周面がガス通路の内周を形成する内側シュラウドと、
前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとに挟まれ長手軸を半径方向に延ばし包絡線が翼形状をした断面を持った長尺部材である静翼と、
を備え、
前記静翼の一方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの一方に嵌合または固着し、
前記静翼の他方の端部が前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドの他方に当接し少なくともタービン軸方向に摺動自在になっていることを特徴とするタービンの静翼構造。
A turbine vane structure having a gas passage having an annular cross section around a turbine axis,
An outer shroud whose inner peripheral surface forms the outer periphery of the gas passage;
An inner shroud whose outer peripheral surface forms the inner periphery of the gas passage;
A stationary blade that is a long member having a cross section in which a longitudinal axis extends in the radial direction and is enveloped between the outer shroud and the inner shroud and has an envelope shape,
With
One end of the vane fits or is secured to one of the outer shroud or the inner shroud,
A turbine vane structure, wherein the other end of the vane abuts on the other of the outer shroud or the inner shroud and is slidable at least in the turbine axial direction.
前記外側シュラウドと前記内側シュラウドとを近接する方向へ付勢する半径方向付勢手段を備えることを特徴とする請求項1に記載のタービンの静翼構造。2. The turbine vane structure according to claim 1, further comprising a radial biasing unit that biases the outer shroud and the inner shroud in a direction toward each other. 3. タービンのケーシングに固定された外側金属リングを備え、前記外側シュラウドがタービン軸回りに沿って設けられた前後一対の外側溝部を有し、
前記外側金属リングが前記外側溝部に緩やかに係合する前後一対の外側爪部を有することを特徴とする請求項1または請求項2のひとつに記載のタービンの静翼構造。
An outer metal ring fixed to a turbine casing, the outer shroud having a pair of front and rear outer grooves provided along a turbine axis;
3. The turbine vane structure according to claim 1, wherein the outer metal ring includes a pair of front and rear outer claw portions that gently engage with the outer groove portions. 4.
前記外側金属リングが前記外側シュラウドの外周部に当接する複数の突起部を有することを特徴とする請求項3に記載のタービンの静翼構造。4. The turbine vane structure according to claim 3, wherein the outer metal ring has a plurality of protrusions that contact an outer peripheral portion of the outer shroud. 5. 前記外側金属リングが外側冷却ガス用孔を有し、
冷却ガスが、前記外側冷却ガス用孔から前記外側金属リングと前記外側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記外側溝部と前記外側爪部の係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっていることを特徴とする請求項3又は請求項4のひとつに記載のタービンの静翼構造。
The outer metal ring has an outer cooling gas hole,
Cooling gas enters the gap between the outer metal ring and the outer shroud from the outer cooling gas hole, and blows out to the gas passage from the gap where the outer groove and the outer claw are engaged. 5. The turbine vane structure according to claim 3, wherein:
タービンの軸受箱に固定された内側金属リングを備え、
前記内側シュラウドがタービン軸回りに沿って設けられた前後一対の内側溝部を有し、
前記内側金属リングが前記内側溝部に緩やかに係合する前後一対の内側爪部を有することを特徴とする請求項1乃至請求項5のひとつに記載のタービンの静翼構造。
With an inner metal ring fixed to the bearing housing of the turbine,
The inner shroud has a pair of front and rear inner grooves provided around the turbine axis,
6. The turbine vane structure according to claim 1, wherein the inner metal ring includes a pair of front and rear inner claws that gently engage with the inner groove. 7.
前記内側金属リングが前記内側シュラウドの内周部に当接する複数の突起部を有することを特徴とする請求項6に記載のタービンの静翼構造。7. The turbine vane structure according to claim 6, wherein the inner metal ring has a plurality of protrusions abutting on an inner peripheral portion of the inner shroud. 8. 前記内側金属リングが内側冷却ガス用孔を有し、
冷却ガスが、前記内側冷却ガス用孔から前記内側金属リングと前記内側シュラウドとに挟まれた隙間に入り、前記内側溝部と前記内側爪部との係合した隙間からガス通路に吹き出す様になっていることを特徴とする請求項6又は請求項7のひとつに記載のタービンの静翼構造。
The inner metal ring has an inner cooling gas hole,
Cooling gas enters the gap between the inner metal ring and the inner shroud from the inner cooling gas hole, and blows out to the gas passage from the gap where the inner groove and the inner claw are engaged. 8. The turbine vane structure according to claim 6, wherein:
前記半径方向付勢手段が、前記外側シュラウドの外周部または前記内側シュラウドの内周部に設けられた波板ばねであることを特徴とする請求項2乃至請求項8に記載のタービンの静翼構造。9. The turbine vane according to claim 2, wherein the radial urging means is a corrugated spring provided on an outer peripheral portion of the outer shroud or an inner peripheral portion of the inner shroud. 10. Construction.
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