JP2004169655A

JP2004169655A - タービンノズル支持構造

Info

Publication number: JP2004169655A
Application number: JP2002338441A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sato; 慶一佐藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】内側の高温ガスと外側の冷却空気にさらされた状態において、熱応力を低く抑え、ノズルの前倒れを防止し、これによりノズル効率低下を防止することができ、かつノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができるタービンノズル支持構造を提供する。
【解決手段】燃焼器２とタービン動翼４との間に位置し燃焼器からの高温ガスを下流側のタービンに導入するタービンノズル１０と、タービンノズルの内側に固定されたノズルサポート部材１４と、タービンノズルの外側に固定されたストッパー部材１６とを備える。タービンノズル１０は、周方向に分割された複数のノズルセグメント１２からなる。また各ノズルセグメント１２の内方端は、軸方向取付ピン１８によりノズルサポート部材に周方向に揺動可能に取付けられ、外方端は、熱膨張可能にストッパー部材に部分的に嵌合する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのタービンノズル支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンノズルは、［非特許文献１］の図５に記載されているように、ノズルガイドベーン（静翼）を環状に並べたもので、ベーンとその支持構造物とからなる。
【０００３】
【非特許文献１】
新航空工学講座８、ジェット・エンジン（構造編）、社団法人日本航空技術協会
【０００４】
タービンノズルは、燃焼器からの高温ガスを加速して下流側のタービンに導入する機能を有する。そのため、タービンノズルは、出入口間の静圧降下により前後方向に大きな圧力荷重を受ける。また、タービンノズルは、エンジン流路の高温ガスとタービン構造体を流通する冷却空気にさらされるので、大きな熱勾配にさらされる。従って、熱勾配の影響を最小にし、かつ静翼に作用する圧力荷重に対処するように、タービンノズルをガス流路内に支持する支持構造が必要となる。
【０００５】
この要望を満たすために、［特許文献１］の「タービンノズル支持体」が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１８７２５９号公報
【０００７】
［特許文献１］の「タービンノズル支持体」は、図５〜７に示すように、ガスタービンノズルが複数のノズルセグメント２０を含み、各ノズルセグメントは、内側および外側シュラウドセグメント２４、２２により支持された１対のノズル静翼２６を有する。各内側シュラウドセグメント２４に周方向保持スロット４４と半径方向スロット４８が周方向に整合して配設される。また、係止タブ４０と係止スロット４２が各内側シュラウドセグメント２４の一端と他端にそれぞれ配設され、隣り合うフランジセグメント３４と相互に係合する。３６０度保持リング６０に複数の周方向保持タブ６２と半径方向保持タブ７６が含まれ、対応するフランジセグメントと係合して全ノズルセグメントをガスタービン燃焼器の出口の周囲に沿う周方向リングとして固定するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した［特許文献１］の「タービンノズル支持体」では、ノズルセグメント２０の取付フランジ３４を３６０度保持リング６０とノズル支持フランジ６８との間に挟持することでノズルセグメント２０の全体を位置決めしている。しかし、この構造では、取付フランジ３４の厚さを大きくして内端の取付フランジ３４を完全拘束すると、高温にさらされた使用時にフランジ部に高い熱応力が発生して寿命が低下するおそれがある。また、逆に取付フランジ３４の厚さを小さくして熱応力の発生を防止すると、取付フランジ３４の前後に生じる隙間により、タービンノズル本体がエンジン前方に傾くおそれがある。このノズル前倒れが生じると、ノズル効率が低下し、タービン性能ひいてはガスタービン全体性能が低下することとなる。
【０００９】
また、ノズルの前倒れ防止支持構造として、燃焼器ライナーとのシール部に保持部を設ける手段も知られているが、この場合、前倒れは防止できるもののシール面からのリークがあり、エンジン全体の性能が低下する問題点がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、内側の高温ガスと外側の冷却空気にさらされた状態において、熱応力を低く抑え、ノズルの前倒れを防止し、これによりノズル効率低下を防止することができ、かつノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができるタービンノズル支持構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃焼器（２）とタービン動翼（４）との間に位置し燃焼器からの高温ガスを下流側のタービンに導入するタービンノズル（１０）と、該タービンノズルの内側に固定されたノズルサポート部材（１４）と、タービンノズルの外側に固定されたストッパー部材（１６）とを備え、前記タービンノズル（１０）は、周方向に分割された複数のノズルセグメント（１２）からなり、各ノズルセグメント（１２）の内方端は、軸方向取付ピン（１８）によりノズルサポート部材に周方向に揺動可能に取付けられ、外方端は、熱膨張可能にストッパー部材に部分的に嵌合し、これにより前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止する、ことを特徴とするタービンノズル支持構造が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、タービンノズル（１０）を構成する各ノズルセグメント（１２）の内方端が、軸方向取付ピン（１８）によりノズルサポート部材に周方向に揺動可能に取付けられるので、各ノズルセグメント（１２）の周方向位置をピンにより位置決めし、かつこのピンを中心として半径方向及び周方向に自由に熱膨張することができ、これにより内側の高温ガスと外側の冷却空気にさらされた状態において、熱応力を低く抑えることができる。
【００１３】
また、各ノズルセグメント（１２）の外方端は、熱膨張可能にストッパー部材に部分的に嵌合するので、これにより前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止することができる。
さらに、ノズルセグメント（１２）の各部分が自由に熱膨張するが前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止されるので、前後方向及び周方向の変位が少なく隙間が発生しないので、ノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができる。
なお、後述するように、ノズルセグメント（１２）の後方向は、Ｅシール（９）で弾性的に支持されている。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ノズルセグメント（１２）は、その内方端から半径方向内方に張出した内側フランジ（１２ａ）とその外方端から半径方向外方に張出した外側フランジ（１２ｂ）とを有し、内側フランジ（１２ａ）には軸方向貫通孔（１３）が設けられ、該軸方向貫通孔を貫通する取付ピン（１８）によりノズルサポート部材（１４）に周方向に揺動可能に取付けられ、外側フランジ（１２ｂ）は、さらにその外方端に半径方向外方に張出したタブ（１２ｃ）を有し、これにより外側フランジ（１２ｂ）の軸方向前面がストッパー部材に係止して前倒れを防止し、タブ（１２ｃ）が、ストッパー部材に設けられた凹部（１６ａ）に嵌合し周方向の倒れを防止する。
【００１５】
この構成により、軸方向貫通孔（１３）を貫通する取付ピン（１８）により、ノズルセグメント（１２）の周方向位置を位置決めし、熱膨張及び周方向に揺動可能に取付けることができる。
また、外側フランジ（１２ｂ）の軸方向前面とストッパー部材との係合によりノズルセグメント（１２）の前倒れを防止し、かつタブ（１２ｃ）が、ストッパー部材に設けられた凹部（１６ａ）に嵌合することにより周方向の倒れを防止することができる。
【００１６】
また、前記ストッパー部材（１６）は、ケーシング（６）との周方向位置決めのための嵌合部（１６ｂ）を有する。
この構成により、嵌合部（１６ｂ）がケーシング（６）と嵌合することにより、ストッパー部材（１６）を周方向に位置決めし、ストッパー部材（１６）に設けられた凹部（１６ａ）の周方向位置を正確に位置決めすることができる。
なお、ストッパー部材（１６）は、その外周部をケーシング（６）に固定し或いはケーシングのフランジ部で挟持することにより、軸方向に位置決めされる。
【００１７】
更に、ノズルセグメント（１２）の前端部と燃焼器との間をシールするシールプレート（８）と、ノズルセグメント（１２）の後端部とケーシングとの間をシールするＥシール（９）とを備える、ことが好ましい。
上述した構成により、ノズルセグメント（１２）の前後方向の変位が少ないので、シールプレート（８）とＥシール（９）によりノズルセグメント（１２）の前後をシールすることにより、ノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は、本発明の支持構造によるタービンノズル部の全体断面図である。この図に示すように、本発明のタービンノズル支持構造は、タービンノズル１０、ノズルサポート部材１４、およびストッパー部材１６を備える。
【００２０】
タービンノズル１０は、燃焼器２とタービン動翼４との間に位置し、燃焼器２からの高温ガスを下流側のタービンに導入する機能を有する。
【００２１】
ノズルサポート部材１４は、タービンノズル１０の内側に固定されたエンジン中心を中心とする円筒形状であり、その周囲にタービンノズル１０を嵌め込むための半径方向に延びる溝部１４ａを有する。また、この溝部１４ａを挟む前後のフランジ部には、周方向に一定の間隔を隔てて複数の軸方向貫通孔１４ｂが設けられている。
【００２２】
ストッパー部材１６は、タービンノズル１０の外側に位置し、外方端がエンジンのケーシング６に固定されている。
【００２３】
図２は、本発明を構成するノズルセグメントの斜視図である。この図に示すように、タービンノズル１０は、周方向に分割された複数のノズルセグメント１２からなる。各ノズルセグメント１２の周方向端面は、隣接する各ノズルセグメント１２の端面に密接し、端面に設けられた溝１１に嵌め込むシールプレート（図示せず）により、その間がシールされる。
【００２４】
ノズルセグメント１２は、その内方端から半径方向内方に張出した内側フランジ１２ａと、その外方端から半径方向外方に張出した外側フランジ１２ｂとを有する。内側フランジ１２ａは、ノズルサポート部材１４の溝部１４ａに嵌め込まれ、前後方向に移動しないようになっている。
また、内側フランジ１２ａには軸方向貫通孔１３が設けられ、取付ピン１８が軸方向貫通孔１３をノズルサポート部材１４の溝部１４ａと共に貫通することによりノズルセグメント１２がノズルサポート部材１４に取付けられる。
【００２５】
この構成により、軸方向貫通孔１３を貫通する取付ピン１８により、ノズルセグメント１２の周方向及び径方向の位置を位置決めし、熱膨張及び周方向に揺動可能に取付けることができる。
【００２６】
図３は、本発明を構成するストッパー部材の詳細図である。この図において、（Ａ）はストッパー部材１６の一部正面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はそのＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はそのＤ部拡大図である。
【００２７】
図３に示すように、ストッパー部材１６は、エンジン中心を中心とするリング状部材である。またその外周縁の複数箇所にケーシング６との周方向位置決めのための嵌合部１６ｂを有する。この嵌合部１６ｂは軸方向に突出した矩形部材であり、ケーシング６に設けられた凹部と嵌合することにより、ストッパー部材１６を周方向に位置決めしている。
また、ストッパー部材１６は、内周縁に段差が設けられ、かつ内周縁に沿って周方向に設けられた複数の凹部１６ａを有する。この凹部１６ａは、分割された複数の各ノズルセグメント１２毎に１つずつ対応する箇所に設けられている。
【００２８】
図２において、ノズルセグメント１２の外側フランジ１２ｂは、ストッパー部材１６の段差の後面に熱膨張可能に当接し、ノズルセグメント１２の前倒れを防止するようになっている。
また、外側フランジ１２ｂは、その外方端に半径方向外方に張出したタブ１２ｃを有し、このタブ１２ｃが、ストッパー部材１６に設けられた凹部１６ａに嵌合し周方向の倒れを防止するようになっている。
【００２９】
図１において、本発明のタービンノズル支持構造では、更に、ノズルセグメント１２の前端部と燃焼器２との間をシールするシールプレート８と、ノズルセグメント１２の後端部とシュラウドサポート７との間をシールするＥシール９とを備え、ノズルセグメント１２の前後をシールすることにより、ノズルの内側と外側間のシール性能を保持するようになっている。
【００３０】
上述した本発明の構成によれば、タービンノズル１０を構成する各ノズルセグメント１２の内方端が、単一の軸方向取付ピン１８によりノズルサポート部材１４に周方向に揺動可能に取付けられるので、各ノズルセグメント１２の周方向位置をピン１８により位置決めし、かつこのピン１８を中心として半径方向及び周方向に自由に熱膨張することができ、これにより内側の高温ガスと外側の冷却空気にさらされた状態において、熱応力を低く抑えることができる。
【００３１】
また、各ノズルセグメント１２の外方端は、熱膨張可能にストッパー部材１６に部分的に嵌合するので、これにより前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止することができる。
さらに、ノズルセグメント１２の各部分が自由に熱膨張するが前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止されるので、前後方向及び周方向の変位が少なく隙間が発生しないので、ノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができる。
【００３２】
上述したように、本発明の構造は、対象となるノズル外径側に張出し１２ｂを設け、ノズル１０が傾いた場合その張出しを抑えるようにリング状の前倒れ防止部材（ストッパー部材１６）を設けたものである。ストッパー部材１６はその外径側にあるケーシング６のフランジ部に挟み込むことにより支持されている。さらにストッパー部材１６にはノズル張出し部を周方向に拘束する溝１６ａが設けてあり、前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止している。ケーシング６とストッパー部材１６との周方向位置は嵌合部１６ｂにより拘束されている。
【００３３】
本発明により、比較的容易な方法で、リークを抑えながらノズルの前倒れを防止することが可能となる。これにより、ノズル効率低下を防止することが可能となり、タービン効率ひいてはガスタービン性能低下を防止することが可能である。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更することができることは勿論である。例えば、本発明を航空用、舶用、陸上用のガスタービンに広く適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明のタービンノズル支持構造は、内側の高温ガスと外側の冷却空気にさらされた状態において、熱応力を低く抑え、ノズルの前倒れを防止し、これによりノズル効率低下を防止することができ、かつノズルの内側と外側間のシール性能を保持することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の支持構造によるタービンノズル部の全体断面図である。
【図２】本発明を構成するノズルセグメントの斜視図である。
【図３】本発明を構成するストッパー部材の詳細図である。
【図４】従来のタービンノズル構造の斜視図である。
【図５】従来のタービンノズルの支持構造の例を示す全体断面図である。
【図６】図５のノズルセグメントの斜視図である。
【図７】図５の保持リングの斜視図である。
【符号の説明】
２燃焼器、４タービン動翼、６ケーシング、
７シュラウドサポート、８シールプレート、９Ｅシール、
１０タービンノズル、１１溝、１２ノズルセグメント、
１２ａ内側フランジ、１２ｂ外側フランジ、
１２ｃタブ、１３貫通孔、１４ノズルサポート部材、
１４ａ溝部、１４ｂ軸方向貫通孔、
１６ストッパー部材、１６ａ凹部、
１６ｂ嵌合部、１８取付ピン

Claims

燃焼器（２）とタービン動翼（４）との間に位置し燃焼器からの高温ガスを下流側のタービンに導入するタービンノズル（１０）と、該タービンノズルの内側に固定されたノズルサポート部材（１４）と、タービンノズルの外側に固定されたストッパー部材（１６）とを備え、
前記タービンノズル（１０）は、周方向に分割された複数のノズルセグメント（１２）からなり、
各ノズルセグメント（１２）の内方端は、軸方向取付ピン（１８）によりノズルサポート部材に周方向に揺動可能に取付けられ、外方端は、熱膨張可能にストッパー部材に部分的に嵌合し、これにより前倒れ防止と共に周方向の倒れも防止する、ことを特徴とするタービンノズル支持構造。
前記ノズルセグメント（１２）は、その内方端から半径方向内方に張出した内側フランジ（１２ａ）とその外方端から半径方向外方に張出した外側フランジ（１２ｂ）とを有し、
内側フランジ（１２ａ）には軸方向貫通孔（１３）が設けられ、該軸方向貫通孔を隙間をもって貫通する取付ピン（１８）により、内側フランジ（１２ａ）はノズルサポート部材（１４）に軸方向に隙間を有しかつ周方向に揺動可能に取付けられ、
外側フランジ（１２ｂ）は、さらにその外方端に半径方向外方に張出したタブ（１２ｃ）を有し、これにより外側フランジ（１２ｂ）の軸方向前面がストッパー部材（１６）に係止して前倒れを防止し、タブ（１２ｃ）が、ストッパー部材（１６）に設けられた凹部（１６ａ）に嵌合し周方向の倒れを防止する、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル支持構造。
前記ストッパー部材（１６）は、ケーシング（６）との周方向位置決めのための嵌合部（１６ｂ）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル支持構造。
ノズルセグメント（１２）の前端部と燃焼器との間をシールするシールプレート（８）と、ノズルセグメント（１２）の後端部とケーシングとの間をシールするＥシール（９）とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル支持構造。