JP2006506575A - ガスタービン用のシュラウド冷却組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービン用のシュラウド冷却組立体を提供する。
【解決手段】 改良型組立体（１１０）は、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング（１１２）と支持装置（１１４）とからなり、ノズルはセクタの形態で互いに寄せ集められ、セクタの各々はその外側を支持装置（１１４）によってガスタービンの外部ケーシングに結合され、支持装置（１１４）は内部ケーシング（１１２）によって所定位置に保持され、さらに内部ケーシング（１１２）に第１の冷却孔（１２２）が形成されまた支持装置（１１４）に第２の冷却孔（１２４）が形成されており、内部ケーシング（１１２）の第１の冷却孔（１２２）は、ガスタービンの軸線とほぼ平行に延びている。

Description

本発明は、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体に関する。

具体的には、この改良型組立体は、ガスタービンの第１高圧段において用いられる。

公知のように、ガスタービンは、１つ又はそれ以上の段を備えた圧縮機及びタービンからなる機械であり、これらの構成部品は、回転シャフトによって互いに結合され、また燃焼室が圧縮機とタービンとの間に設けられる。

これらの機械では、外部環境からの空気が、それを加圧するために圧縮機に送給される。

加圧された空気は、収束部分で終わる一連の予混合室を通って流れ、予混合室の各々においてインジェクタが燃料を供給し、燃料は空気と混合されて、燃焼されることになる空気燃料混合気を形成する。

燃料は、燃焼室の内部に導入れ、かつ燃焼させるために好適な点火プラグによって点火されるが、これは、温度及び圧力を上昇させ、従ってガスのエンタルピーを増大させるのを目的とするものである。

同時に、圧縮機は、バーナと燃焼室のジャケットとの両方を通して導かれるように加圧空気を供給し、その結果、上述の加圧空気は燃料を供給するためにも利用できる。

その後、高温かつ高圧のガスは、好適なダクトを介してタービンの異なる段に到達し、これらタービンがガスのエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。

例えば、２段のタービンでは、ガスは、タービンの第１段で非常に高温かつ高圧状態の下で処理され、その中で第１の膨張を行い、一方、ガスは、タービンの第２段では第１の状態よりも低い温度及び圧力の下で第２の膨張を行う。

特定のガスタービンから最大の性能を得るためには、ガスの温度ができるだけ高いことが必要であるが、タービンの使用中に到達し得る最高温度は、使用する材料の強度によって制限されることも知られている。

ガス流は、ガスタービンの異なる段に配置されたステータノズル及びロータブレード・システムを通って流れる。

第１段ノズルは、燃焼ガス流を好適な状態の下で第１段ロータ入口に与える機能を有する。

ガスタービン段のノズルの組は、環状の本体によって形成され、環状の本体は次にノズルセクタに分割されることができ、各セクタは、一般的に好適な翼輪郭を備えた薄板によって画成されるか又は特徴付けられたノズルで形成される。

このノズルの組は、その外側をタービンのケーシングに拘束され、またその内側を「内部ケーシング」とも呼ばれる対応する環状の支持体に拘束される。

この点に関して、ステータは、ノズル入口と出口との間の圧力の低下による高圧負荷を受けることに注目されたい。

その上に、ステータは、燃焼室及び前段からの高温ガス流と、熱及び機械的観点から最も大きな応力を受ける部分を冷却するためにタービンの内部に導入された低温空気流とによる高い温度勾配を受ける。

この公知の構成では、各ノズルセクタは、その外側をシュラウドとして公知のセクタ支持装置によって外部ケーシングに結合される。

これらのセクタ支持装置すなわちシュラウドは、内部ケーシングによって所定位置に保持され、内部ケーシングは、好適な溝及びピンの助けとノズルとの間の相互かみ合い継手とによってその移動が阻止される。

当技術分野の公知の方法では、セクタ支持装置すなわちシュラウドは、該セクタ支持装置の外径に沿って直接ろう付けされた冷却インサートの助けにより冷却される。

軸方向スラストは、回転防止ピンによって完全に吸収され、また組立体全体の冷却は、内部ケーシングとセクタ支持装置すなわちシュラウドの後部とに設けた孔によって行われる。
特開２００２−２４２６１２号公報

従って、本発明の目的は、上述の欠点を克服することであり、具体的には、その構成部品の作動温度を低下させ、結果として該構成部品のより長期にわたる持久期間を可能にする、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体を提供することである。

本発明の別の目的は、タービンのロータとステータとの間の遊びを最適化し、結果として機械の性能特性を増大させることを可能にする、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、特に信頼性があり、簡単でしかも機能的であり、かつコストが比較的安い、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体を提供することである。

本発明によるこれら及び他の目的は、請求項１に示すような、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体を提供することによって達成される。

ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型システムの更なる特有の特徴は、請求項１以降の請求項に記載されている。

本発明による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体の特有の特徴及び利点は、非限定的な実施例によって添付の概略図に関して行う以下の説明からより明らかにかつ明瞭になってくるであろう。

図１を参照すると、この図は、従来技術による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング１２と支持装置１４とからなる、全体を符号１０で表した組立体を示す。

各ノズルセクタは、セクタ形式でありかつ「シュラウド」と呼ばれる支持装置１４によって、その外側をガスタービンの外部ケーシングに結合される。

これらのセクタ支持装置１４すなわちシュラウドは、内部ケーシング１２によって所定位置に保持され、内部ケーシング１２は、好適な溝及びピンの助けとノズルとの間の相互かみ合い継手１６とによってその移動が阻止される。

図１に示す公知の方法では、セクタ支持装置すなわちシュラウド１４は、セクタ支持装置１４の外径に沿って直接ろう付けされた冷却インサート１８の助けにより冷却される。

軸方向スラストは、回転防止ピン２０によって完全に吸収され、また組立体１０全体の冷却は、内部ケーシング１２に設けた第１の孔２２とセクタ支持装置すなわちシュラウド１４の後部に配置した第２の孔２４とによって行われる。

具体的には、第１の孔２２は、ガスタービンの軸線に対してほぼ垂直な方向に形成される。一般的に、第１の孔２２は、ガス流の方向にも傾斜しており、約１ｍｍの直径を有する。２列のこれらの第１の孔２２を設けて、例えば内部ケーシング１２全体に対して総数８４個の第１の孔２２を形成するようにするのが有利である。

図２は、本発明による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング１１２と支持装置１１４とからなる改良型組立体１１０を示し、この図では、図１に示す構成部品と同一及び／又は均等な構成部品は、１００だけ加えた同じ参照符号を有する。

具体的には、各ノズルセクタは、その外側をセクタ支持装置すなわちシュラウド１１４によってガスタービンの外部ケーシングに結合される。

これらのセクタ支持装置すなわちシュラウド１１４は、内部ケーシング１１２によって所定位置に保持され、好適な溝及びピンの助けとノズルとの間の相互かみ合い継手１１６とによってその移動が阻止される。

組立体１１０の冷却は、内部ケーシング１１２に設けた第１の孔１２２とセクタ支持装置すなわちシュラウド１１４の後部に配置した第２の孔１２４とによって行われる。

より正確には、内部ケーシング１１２の第１の冷却孔１２２は、ガスタービンの軸線とほぼ平行に延びる。これらの孔は、当技術分野で公知の組立体１０に用いる第１の孔２２の直径よりも大きい、例えば１．８ｍｍの直径を有する。円周方向に一連のこれらの第１の孔２２を設けて、例えば内部ケーシング１１２全体に対して総数４２個の第１の孔２２を形成するようにするのが有利である。

従って、このことにより、従来技術で用いていた第１の孔２２の性質により生じていた状態ではなく、第１の孔１２２の端部間の圧力差によるガス乱流の形成が回避される。

セクタ支持装置すなわちシュラウド１１４は、内部側に冷却陥凹部１２６を有し、このようにして、厚さを減少させかつセクタ支持装置１１４の外径に沿って直接ろう付けされた冷却インサート１１８の助けにより、作動温度を低下させかつ最適化する。

回転防止ピン１２０が、従来技術で用いていた回転防止ピン２０の位置と比較してさらに上流でセクタ支持装置すなわちシュラウド１１４のほぼ前面に設置される。

軸方向スラストは、もはや回転防止ピン１２０によっては支持されないが、内部ケーシング１１２と支持装置１１４との間に接触面１２８が存在し、このことが、この領域に生じていた漏洩を次に減少させることになる。

本発明による、内部ケーシング１１２と支持装置１１４とからなる改良型組立体１１０は、ガスタービンの第１高圧段に用いることができる利点がある。

以上の説明は、本発明による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体の特有の特徴及び利点を明らかにしている。

上述の利点をより正確かつ明白にするために、本明細書では以下の考慮事項及び最終コメントを記載しておく。

最初に、図２に例示する改良型組立体１１０は、内部ケーシング１１２とセクタ支持装置すなわちシュラウド１１４とからなる２つの構成部品の温度を低下させ、その結果、その構成部品及び他の隣接する構成部品のより大きな持久時間をもたらすことを指摘しておく。この温度の低下は、ガスが通過するチャネルからの高温ガスの吸入が減少することにより得られる。

さらに、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング１１２と支持装置１１４とからなる改良型組立体１１０は、ガスタービンのロータとステータとの間に存在する遊びを最適化し、その結果、機械の性能特性を増大させる可能性をもたらした。

さらに、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング１１２と支持装置１１４とからなる改良型組立体１１０は、特に信頼があり、かつこの改良型組立体１１０により、従来技術と比較してコストが抑えられたことを記憶されたい。

最後に、このような概念をもつガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体には、多数の改良及び変更を加えることができるが、それらはすべて本発明の範囲内に属し、さらに、全ての細部は、技術的に均等な要素と置き換えることができることは明らかである。基本的には、使用する材料並びに形態及び寸法は、技術的要求に応じて任意の性質のものとすることができる。

従って、本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲によって限定される。

従来技術による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる組立体の断面側面図。 本発明による、ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシングと支持装置とからなる改良型組立体の断面側面図。

符号の説明

１１０ 改良型組立体
１１２ 内部ケーシング
１１４ 支持装置
１１６ 相互かみ合い継手
１１８ 冷却インサート
１２０ 回転防止ピン
１２２ 第１の冷却孔
１２４ 第２の冷却孔
１２６ 冷却陥凹部
１２８ 接触面

Claims (12)

1. ガスタービン段におけるノズルのための内部ケーシング（１１２）と支持装置（１１４）とからなり、前記ノズルがセクタの形態で互いに寄せ集められ、前記セクタの各々がその外側を前記支持装置（１１４）によってガスタービンの外部ケーシングに結合され、前記支持装置（１１４）が前記内部ケーシング（１１２）によって所定位置に保持され、さらに前記内部ケーシング（１１２）に第１の冷却孔（１２２）が形成されまた前記支持装置（１１４）に第２の冷却孔（１２４）が形成されている、改良型組立体（１１０）であって、
   前記内部ケーシング（１１２）の第１の冷却孔（１２２）が、ガスタービンの軸線とほぼ平行に延びている、
   ことを特徴とする改良型組立体（１１０）。
2. 前記支持装置（１１４）が、その内側に冷却陥凹部（１２６）を有することを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
3. 前記支持装置（１１４）内に冷却インサート（１１８）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
4. 前記冷却インサート（１１８）が、前記支持装置（１１４）の外径に沿ってろう付けされていることを特徴とする、請求項３記載の改良型組立体（１１０）。
5. 前記支持装置（１１４）のほぼ前面に位置させて回転防止ピン（１２０）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
6. 前記内部ケーシング（１１２）と前記支持装置（１１４）との間に軸方向スラストを支持する接触面（１２８）が存在することを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
7. 前記支持装置（１１４）が、セクタの形態で互いに寄せ集められていることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
8. 前記支持装置（１１４）が、溝及びピンと前記ノズルとの間の相互かみ合い継手（１１６）とにより前記内部ケーシング（１１２）によって所定位置に保持されていることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
9. 前記第２の冷却孔（１２４）が、前記支持装置（１１４）の後部に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
10. 前記第１の孔（１２２）が、円周方向に配列されておりかつその数が４２個であることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
11. 前記第１の孔（１２２）が、およそ１．８ｍｍの直径を有することを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。
12. 前記段が、ガスタービンの第１高圧段であることを特徴とする、請求項１記載の改良型組立体（１１０）。

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