JP2010261460A - Turbine nozzle with sidewall cooling plenum - Google Patents

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ゲーリー・マイケル・イッツェル
David Richard Johns
デヴィッド・リチャード・ジョンズ
Andrew Sewall Evan
エヴァン・アンドリュー・ソウウェル
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a turbine nozzle with a sidewall cooling plenum. <P>SOLUTION: The turbine nozzle segment 10 includes an outer band portion 12, an inner band portion 20, and at least one nozzle vane extending between the band portions. The cooling plenum 46 is defined in a mating face 18 of at least one of the band portions and extends transversely at least partially through the respective band portion. First and second cooling passages extend from the cooling plenum to respective first and second cooling chambers 38, 40. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、総括的にはタービンに関し、より具体的には、ノズルセグメントの特定の領域を冷却するための手段に関する。   The present invention relates generally to turbines, and more specifically to means for cooling a particular region of a nozzle segment.

一般的なガスタービンでは、タービンセクションは、燃焼器の出口に取付けられており、従って極度に高温の燃焼ガスに曝される。高温燃焼ガスからタービン構成部品を保護するために、これら構成部品は、冷却媒体で冷却される場合が多い。タービン翼形部構成部品（例えば、ロータブレード及びノズルベーン）を冷却する１つの共通した解決方法は、圧縮機から加圧空気の一部分を抽気しかつこの抽気空気を構成部品内の内部通路に導くことである。この空気は、内部通路を通って循環して構成部品構造体から熱を取除く。空気は、翼形部内に形成された小さなフィルム冷却孔を通して流出して、その表面上に冷却空気の薄いフィルム層を形成するようにすることができる。フィルム冷却はまた、内側及び外側バンドにおいて使用することもできる。その場合には、バンドは、それを貫通して半径方向に延在するフィルム冷却孔を含み、冷却空気は、フィルム冷却孔を通って流れて、バンドの高温側面上に冷却空気フィルムを形成する。   In a typical gas turbine, the turbine section is mounted at the outlet of the combustor and is therefore exposed to extremely hot combustion gases. In order to protect the turbine components from the hot combustion gases, these components are often cooled with a cooling medium. One common solution for cooling turbine airfoil components (eg, rotor blades and nozzle vanes) is to bleed a portion of the pressurized air from the compressor and direct this bleed air to an internal passage in the component. It is. This air circulates through the internal passage to remove heat from the component structure. The air can flow out through small film cooling holes formed in the airfoil to form a thin film layer of cooling air on its surface. Film cooling can also be used in the inner and outer bands. In that case, the band includes film cooling holes extending radially therethrough, and the cooling air flows through the film cooling holes to form a cooling air film on the hot side of the band. .

公知のタービンノズル構成では、複数の鋳造ノズルセグメントの各々は、内側及び外側バンド部分並びに１以上のノズルベーンを含む。バンド部分の合せ面は、隣り合うノズルセグメントのバンド部分間に延在するシールを収容するシールスロットを含む。ノズルベーンは、各ノズルセグメントの外側バンド部分内のプレナムを通して、冷却することになるノズルベーン内の１以上の空洞を通してかつ対応する内側バンド部分内のプレナムに向けて冷却媒体を流すことによって冷却することができる。幾つかのノズルセグメントでは、冷却媒体は次に、内側バンド部分を通って流れかつ吐出される前に再び１以上のノズルベーンを通って流れる。他のノズルセグメントでは、冷却媒体は、各ノズルセグメントを一度だけ通って流れる。   In known turbine nozzle configurations, each of the plurality of cast nozzle segments includes inner and outer band portions and one or more nozzle vanes. The mating surfaces of the band portions include seal slots that receive seals that extend between the band portions of adjacent nozzle segments. The nozzle vanes may be cooled by flowing a cooling medium through the plenum in the outer band portion of each nozzle segment, through one or more cavities in the nozzle vane to be cooled, and toward the plenum in the corresponding inner band portion. it can. In some nozzle segments, the cooling medium then flows through the inner band portion and again through one or more nozzle vanes before being discharged. In other nozzle segments, the cooling medium flows through each nozzle segment only once.

ノズルセグメントの一部の領域の冷却は適切ではなく、またそのような領域はより高い熱応力及び疲労を生じ易いことが広く認められている。それらの領域における冷却を改善するための努力が払われている。例えば、米国特許第７０２９２２８号には、冷却チャネルがノズルセグメントの合せ面とほぼ平行に外側及び内側バンドの少なくとも１つを貫通して軸方向に延在して、シールスロットと高温ガス通路との間の合せ面を冷却するようになった構成が、記載されている。   It is widely accepted that cooling of some areas of the nozzle segment is not adequate and that such areas are prone to higher thermal stresses and fatigue. Efforts have been made to improve cooling in those areas. For example, in US Pat. No. 7,029,228, a cooling channel extends axially through at least one of the outer and inner bands substantially parallel to the mating surfaces of the nozzle segments to provide a seal slot and hot gas passage. A configuration is described which is adapted to cool the mating surface.

ノズルセグメントの冷却において特に問題となる領域は、合せ面から延在し、かつバンド部分の背部側面上にインピンジメントプレートを含む場合におけるレール部材のほぼ下方に位置するバンド部分の区域である。この区域は、バンド部分の反対側の側面上におけるベーンの後縁と一致する。冷却バンド部分は、１つ以上の流れ回路から成ることが多く、それら流れ回路において、圧縮機抽気空気は、各回路におけるインピンジメントプレートを通って流れてバンド部分の背部側面を冷却した後にフィルム冷却孔又はスロットを通ってガス通路内に流出する。これらの回路は、一般的にベーンの後縁と反対側のバンド部分の背部側面に設置されたレール部材によって分離される。一連の孔は一般的に、このレールを貫通して穿孔されて高圧回路から低圧回路に冷却空気が流れるのを可能にする。しかしながら、バンド部分の背部側面にレールが存在することにより、ベーンの後縁の周りのバンド部分の内面に対するインピンジメント及びフィルム冷却が妨げられる。   An area of particular concern in nozzle segment cooling is the area of the band portion that extends from the mating surface and is located substantially below the rail member when it includes an impingement plate on the back side of the band portion. This area coincides with the trailing edge of the vane on the opposite side of the band portion. The cooling band portion often consists of one or more flow circuits in which the compressor bleed air flows through the impingement plate in each circuit to cool the back side of the band portion and then film cooling It flows into the gas passage through the hole or slot. These circuits are generally separated by a rail member located on the back side of the band portion opposite the vane trailing edge. A series of holes are typically drilled through this rail to allow cooling air to flow from the high pressure circuit to the low pressure circuit. However, the presence of rails on the back side of the band portion prevents impingement and film cooling on the inner surface of the band portion around the trailing edge of the vane.

米国特許第７２４９９３３号明細書US Pat. No. 7,249,933

当技術分野では、このような領域の不適切な冷却に対処する必要性が、存在する。   There is a need in the art to address inadequate cooling of such areas.

本発明は、ノズルベーン後縁において合せ面に対して直交するノズルセグメントのバンド部分の冷却を改善する解決方法を提供する。本発明の付加的な態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、或いはその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。   The present invention provides a solution that improves the cooling of the band segment of the nozzle segment perpendicular to the mating surface at the nozzle vane trailing edge. Additional aspects and advantages of the invention will be set forth in part in the description which follows, or may be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.

本発明の態様によると、タービンノズルセグメントを提供し、本タービン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、内側バンド部分と外側バンド部分の間に延在する少なくとも１つのノズルベーンとを含む。ノズルベーンは、前縁及び後縁を有する。内側及び外側バンド部分の各々は、軸方向に延在する（タービンの軸線に対して）合せ面、燃焼ガス側面及び反対側の背部側面を含む。第１の冷却チャンバ及び第２の冷却チャンバが、バンド部分の背部側面に画成され、また１つの特定の実施形態では、横方向に延在するレール部材によって少なくとも部分的に分離することができる。冷却プレナムが、内側バンド部分及び外側バンド部分の少なくとも１つの合せ面内に画成されかつそれぞれのバンド部分を少なくとも部分的に貫通して横方向に延在する。冷却プレナムは、１つの実施形態ではレール部材の本質的に下方で、或いは別の実施形態ではノズルベーンの後縁の本質的に下方で広がるように延在することができる。少なくとも１つの第１の冷却空気通路が、第１の冷却チャンバから冷却プレナムに向けてバンド部分内に画成され、また少なくとも１つの第２の冷却空気通路が、第２の冷却チャンバから冷却プレナムに向けて画成される。複数のそれら第１及び第２の冷却空気通路は、冷却プレナムの長手方向長さに沿って設けることができる。通路は、冷却プレナムを介して一方の冷却チャンバから他方の冷却チャンバに冷却空気を移動させる働きをする。例えば、第１の冷却チャンバは、圧縮機抽気空気が供給される高圧インピンジメント冷却チャンバとすることができ、また第２の冷却チャンバは、低圧チャンバとすることができ、それによって冷却空気は、第１の冷却空気通路を介して高圧チャンバから冷却プレナム内にかつ第２の冷却空気通路を介して冷却プレナムから低圧チャンバ内に移動する。従って、冷却プレナム内に導入された冷却空気は、レール部材又はノズルベーンの後縁の下方の区域のような、プレナムの下方におけると共に該プレナムに沿いかつ冷却空気通路に隣接するバンド部分の領域を冷却する。   According to an aspect of the present invention, a turbine nozzle segment is provided, the turbine nozzle segment including an outer band portion, an inner band portion, and at least one nozzle vane extending between the inner and outer band portions. . The nozzle vane has a leading edge and a trailing edge. Each of the inner and outer band portions includes an axially extending mating surface (relative to the turbine axis), a combustion gas side, and an opposite back side. The first cooling chamber and the second cooling chamber are defined on the back side of the band portion, and in one particular embodiment, can be at least partially separated by a laterally extending rail member. . A cooling plenum is defined in at least one mating surface of the inner band portion and the outer band portion and extends laterally at least partially through each band portion. The cooling plenum can extend to extend essentially below the rail member in one embodiment, or essentially below the trailing edge of the nozzle vane in another embodiment. At least one first cooling air passage is defined in the band portion from the first cooling chamber toward the cooling plenum, and at least one second cooling air passage is formed from the second cooling chamber. It is defined for. A plurality of these first and second cooling air passages may be provided along the longitudinal length of the cooling plenum. The passage serves to move cooling air from one cooling chamber to the other through the cooling plenum. For example, the first cooling chamber can be a high pressure impingement cooling chamber that is supplied with compressor bleed air, and the second cooling chamber can be a low pressure chamber, whereby the cooling air is Travel from the high pressure chamber into the cooling plenum via the first cooling air passage and from the cooling plenum into the low pressure chamber via the second cooling air passage. Thus, the cooling air introduced into the cooling plenum cools the area of the band portion below and along the plenum and adjacent to the cooling air passage, such as the area below the trailing edge of the rail member or nozzle vane. To do.

本発明はまた、複数のノズル段を有し、ノズル段の各々がさらに、本明細書で具体化した複数のノズルセグメントを備えたガスタービンを含むことを理解されたい。   It should be understood that the present invention also includes a gas turbine having a plurality of nozzle stages, each of the nozzle stages further comprising a plurality of nozzle segments as embodied herein.

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、以下の説明及び特許請求の範囲を参照することにより一層よく理解されるようになるであろう。本明細書の一部として組入れかつその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例示しており、かつ以下の説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。   These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood with reference to the following description and appended claims. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the following description, serve to explain the principles of the invention.

添付の図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。   DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This specification, with reference to the accompanying drawings, describes the complete and effective disclosure of the present invention including its best mode to those skilled in the art.

本発明の態様を組入れたノズルセグメントの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a nozzle segment incorporating an aspect of the present invention. 合わせ面における冷却プレナムを具体的に示すノズルセグメント部分の部分斜視図。The fragmentary perspective view of the nozzle segment part which shows specifically the cooling plenum in a mating surface. 合わせ面における冷却プレナムの別の実施形態を示すノズルセグメントの一部分の拡大部分斜視図。FIG. 6 is an enlarged partial perspective view of a portion of a nozzle segment showing another embodiment of a cooling plenum at the mating surface. 本発明の態様によるノズルベーンの後縁における発生可能性のある高温度区域及び冷却プレナムの関連位置を示すノズルセグメントバンド部分の概略図。FIG. 3 is a schematic view of a nozzle segment band portion showing possible high temperature zones and associated locations of cooling plenums at the trailing edge of a nozzle vane according to aspects of the present invention. 冷却プレナムを組入れたノズルセグメント１０の別の実施形態の部分斜視図。FIG. 3 is a partial perspective view of another embodiment of a nozzle segment 10 incorporating a cooling plenum. 冷却プレナムを組入れたノズルセグメント１０のさらに別の実施形態の部分斜視図。FIG. 6 is a partial perspective view of yet another embodiment of a nozzle segment 10 incorporating a cooling plenum.

次に、その１以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の説明の目的で示すものであり、本発明を限定する目的で示すものではない。実際に、本発明の技術的範囲又は技術思想から逸脱することなく本発明において様々な修正及び変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴は、他の実施形態で使用してさらに別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。   Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the drawings. Each example is provided by way of explanation of the invention, not as a limitation of the invention. In fact, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment can be used on another embodiment to yield a still further embodiment. Accordingly, the present invention is intended to protect such modifications and changes as fall within the scope of the appended claims and equivalents thereof.

図１は、例示的な実施形態のノズルセグメント１０の斜視図である。ノズルセグメント１０は、燃焼ガス側面１４及び背部側面１６を有する外側バンド部分１２を含む。ノズルセグメント１０は、燃焼ガス側面２２及び背部側面２４を有する内側バンド部分２０を含む。外側バンド部分は、合せ（側）面１８を有し、合せ面１８は、シールスロット５０（図２）内に配置されたシール５２を含むことができる。同様に、内側バンド部分２０は、それに沿って配置されたシール５２を有する合せ（側）面２６を含む。   FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment nozzle segment 10. The nozzle segment 10 includes an outer band portion 12 having a combustion gas side 14 and a back side 16. The nozzle segment 10 includes an inner band portion 20 having a combustion gas side 22 and a back side 24. The outer band portion has a mating (side) surface 18 that can include a seal 52 disposed within a seal slot 50 (FIG. 2). Similarly, the inner band portion 20 includes a mating (side) surface 26 having a seal 52 disposed along it.

ノズルセグメント１０は、バンド部分１２、２０の燃焼ガス側面間で延在する少なくとも１つのノズルベーン３０を含み、ノズルベーンは、前縁３２及び後縁３４を有する。ノズルセグメント１０は、単一のセグメントに複数のベーン３０を含むことができる。ノズルベーン３０は、根元５６において下部バンド部分２０の燃焼ガス側面２２と交差する。凹面形の曲率半径を有するフィレット５８が、根元５６に沿って全体的に形成される。外側バンド部分の燃焼ガス側面１４とのノズルベーン３０の接合面は、同じ方法で形成される。   The nozzle segment 10 includes at least one nozzle vane 30 that extends between the combustion gas sides of the band portions 12, 20, and the nozzle vane has a leading edge 32 and a trailing edge 34. The nozzle segment 10 can include multiple vanes 30 in a single segment. The nozzle vane 30 intersects the combustion gas side surface 22 of the lower band portion 20 at the root 56. A fillet 58 having a concave radius of curvature is formed generally along the root 56. The joint surface of the nozzle vane 30 with the combustion gas side surface 14 of the outer band portion is formed in the same manner.

複数のノズルセグメント１０が、タービン（図示せず）の軸線の周りで円周方向に配置されかつタービンシェルに固定されてノズル段を形成する。一般的に、タービンは複数のそれらノズル段を含む。   A plurality of nozzle segments 10 are disposed circumferentially about the axis of a turbine (not shown) and secured to the turbine shell to form a nozzle stage. In general, a turbine includes a plurality of these nozzle stages.

高温燃焼ガス用の流路が、ノズルセグメント１０を貫通して、ノズルベーン３０並びにそれぞれ外側バンド部分１２及び内側バンド部分２０の燃焼ガス側面１４、２２によって形成される。当技術分野では一般に理解されるように、高温燃焼ガスは、セグメントを通りかつベーン３０の周りを流れ、タービンの下流ロータバケット（図示せず）と接触してタービンロータを回転させる。   A flow path for hot combustion gas is formed through nozzle segment 10 by nozzle vane 30 and combustion gas side surfaces 14, 22 of outer band portion 12 and inner band portion 20, respectively. As is generally understood in the art, hot combustion gases flow through the segments and around the vanes 30 to contact the turbine's downstream rotor bucket (not shown) and rotate the turbine rotor.

合せ面１８、２６は、シールスロット５０（図２）内にシール５２を含み、従ってノズル段内の隣り合うノズルセグメント１０間にシール接触状態で配置される。シール５２により、外側バンド部分１２及び内側バンド部分２０の接合面間で燃焼ガス流路内に冷却空気が漏洩するのが防止される。   The mating surfaces 18, 26 include a seal 52 in the seal slot 50 (FIG. 2) and are therefore placed in sealing contact between adjacent nozzle segments 10 in the nozzle stage. The seal 52 prevents cooling air from leaking into the combustion gas flow path between the joint surfaces of the outer band portion 12 and the inner band portion 20.

図１を参照すると、ノズルセグメント１０は、第１の冷却チャンバ３８及び第２の冷却チャンバ４０を含む。一般的に、第１の冷却チャンバ３８は、例えば圧縮機抽気空気のような高圧冷却空気を受けるように構成される。この高圧空気は、インピンジメントプレート４４、プレナム、又はあらゆるその他の導通装置を通してより低い圧力の第２の冷却チャンバ４０に導くことができる。冷却チャンバ４０、３８は、該チャンバをシールするカバープレート（図示せず）を含む。ノズルベーン３０は、ほぼ中空の構造を有しかつより低圧の冷却チャンバ３８と連通状態になった冷却空洞３６を含む。従って、冷却空洞３６は、冷却チャンバと見なすことができる。外側バンド部分１２の合せ面表面１８間及び内側バンド部分２０の合せ面表面２６間にレール部材４２が配置される。外側及び内側バンド部分上のレール部材４２は、同じ又は異なる形状を有することができ、かつ異なる目的に役立てることができる。外側バンド部分１２を参照すると、構造レール部材４２は、図１に示すように、インピンジメントプレート４４を組入れることができ、また第１のつまり高圧の冷却チャンバ３８を第２のつまりより低圧の冷却チャンバ４０と分離することができる。冷却チャンバはまた、内側バンド部分２０の背部側面２４内にも形成されることを理解されたい。   Referring to FIG. 1, the nozzle segment 10 includes a first cooling chamber 38 and a second cooling chamber 40. Generally, the first cooling chamber 38 is configured to receive high pressure cooling air, such as compressor bleed air. This high pressure air can be directed through the impingement plate 44, plenum, or any other conducting device to the lower pressure second cooling chamber 40. The cooling chambers 40, 38 include cover plates (not shown) that seal the chambers. The nozzle vane 30 includes a cooling cavity 36 having a generally hollow structure and in communication with a lower pressure cooling chamber 38. Accordingly, the cooling cavity 36 can be regarded as a cooling chamber. Rail members 42 are disposed between the mating surface surfaces 18 of the outer band portion 12 and between the mating surface surfaces 26 of the inner band portion 20. The rail members 42 on the outer and inner band portions can have the same or different shapes and can serve different purposes. Referring to the outer band portion 12, the structural rail member 42 can incorporate an impingement plate 44, as shown in FIG. 1, and the first or high pressure cooling chamber 38 can be coupled to a second or lower pressure cooling chamber. It can be separated from the chamber 40. It should be understood that the cooling chamber is also formed in the back side 24 of the inner band portion 20.

冷却回路が、ノズルセグメント１０の様々な空洞及び構造部材によって形成される。本発明は、あらゆる冷却回路の特定の構成によって限定されるものではないことを理解されたい。この図示した実施形態では、第１の冷却チャンバ３８内に導入された冷却空気は、この領域におけるノズルセグメント１０の構造構成部品に対してインピンジメント及び／又は対流冷却をもたらす。冷却空気は、インピンジメントプレート４４を通って第２のつまりより低圧の冷却チャンバ４０（或いは、該冷却チャンバ４０と連通状態になった空洞３６又はその他の区域）内に導入される。冷却空気の一部分は、バンド部分１２を貫通したフィルム孔５４を通してかつ燃焼ガス流内に拡散させることができる。この限られた量の冷却空気は、それぞれのバンド部分１２、２０の燃焼ガス側面表面に対してフィルム冷却をもたらす。図面に様々に示すように、これらフィルム孔５４のあらゆる構成及び位置を利用することができる。   A cooling circuit is formed by the various cavities and structural members of the nozzle segment 10. It should be understood that the present invention is not limited by any particular configuration of the cooling circuit. In the illustrated embodiment, the cooling air introduced into the first cooling chamber 38 provides impingement and / or convective cooling for the structural components of the nozzle segment 10 in this region. Cooling air is introduced through the impingement plate 44 into the second or lower pressure cooling chamber 40 (or cavity 36 or other area in communication with the cooling chamber 40). A portion of the cooling air can diffuse through the film holes 54 through the band portion 12 and into the combustion gas stream. This limited amount of cooling air provides film cooling to the combustion gas side surface of each band portion 12, 20. Any configuration and location of these film holes 54 may be utilized, as variously shown in the drawings.

ノズルベーン３０は、ほぼ中空でありかつ１以上の空洞３６を含む。冷却空気は、空洞３６を通って移動してノズルベーン３０を冷却する。空洞３６はまた、ベーン３０を貫通して形成された流体孔５４を通してノズルベーンの負圧側面及び正圧側面と連通状態にすることができる。このようにして、ノズルベーン３０の外側表面は、該表面上に生じさせた冷却空気フィルムによって冷却される。冷却空気は、ベーン３０を通って内側バンド部分２０の空洞内に移動し、かつバンド２０内のフィルム孔５４を通して拡散させることができる。ノズルセグメント１０の構成に応じて、冷却空気は、該ノズルセグメント１０のその他の部分を通して再循環させた後に冷却回路から排出させることができる。   The nozzle vane 30 is substantially hollow and includes one or more cavities 36. The cooling air moves through the cavity 36 to cool the nozzle vane 30. The cavity 36 can also be in communication with the suction and pressure sides of the nozzle vane through fluid holes 54 formed through the vane 30. In this way, the outer surface of the nozzle vane 30 is cooled by the cooling air film generated on the surface. Cooling air can travel through the vanes 30 into the cavity of the inner band portion 20 and diffuse through the film holes 54 in the band 20. Depending on the configuration of the nozzle segment 10, the cooling air can be exhausted from the cooling circuit after being recirculated through other portions of the nozzle segment 10.

様々な図を参照すると、外側バンド部分１２の合せ面１８間及び下部バンド部分２０の合せ面２０間で延在するレール部材４２は、冷却に関して問題となる区域を生じさせる。構造レールの存在により、特にノズルベーン３０の後縁の領域においてインピンジメント冷却が妨げられる。図４は、ベーン３０の後縁において該ベーンの負圧側面上に集中する発生可能性のある高温度領域つまり「高温スポット」（点線区域）を示す概略図である。図４における点線によって、構造レール部材４２の位置を示している。図２、図３及び図５を参照すると、これらの特定の実施形態におけるレール部材４２の位置は、合せ面１８に対するノズルベーン３０の後縁３４の終端箇所にほぼ隣接した該合せ面に沿っていることを理解することができる。図１、図４及び図５で理解することができるように、レール部材４２は、図５において根元５６を表す点線によって表したノズルベーン３０の後縁部分を二分する。言い換えれば、レール部材４２は、ノズルベーン３０の後縁部分を横切って広がるか又は延在して、このことが、図４に示す熱的高温スポットに加わる。   Referring to the various figures, the rail members 42 that extend between the mating surfaces 18 of the outer band portion 12 and between the mating surfaces 20 of the lower band portion 20 create areas that are problematic with respect to cooling. The presence of the structural rail prevents impingement cooling, particularly in the region of the trailing edge of the nozzle vane 30. FIG. 4 is a schematic diagram showing a high temperature region or “hot spot” (dotted line area) that may occur at the trailing edge of the vane 30 on the suction side of the vane. The position of the structural rail member 42 is indicated by a dotted line in FIG. With reference to FIGS. 2, 3, and 5, the position of the rail member 42 in these particular embodiments is along the mating surface substantially adjacent to the termination location of the trailing edge 34 of the nozzle vane 30 relative to the mating surface 18. I can understand that. As can be seen in FIGS. 1, 4, and 5, the rail member 42 bisects the trailing edge portion of the nozzle vane 30 represented by the dotted line representing the root 56 in FIG. 5. In other words, the rail member 42 extends or extends across the trailing edge portion of the nozzle vane 30, which adds to the thermal hot spot shown in FIG.

様々な図を参照するとまた本発明の態様によると、外側バンド部分１２又は内側バンド部分２０の少なくとも１つの合せ面１８、２６の１つ内に、冷却プレナム４６が形成される。この冷却プレナム４６は、外側及び内側バンド部分１２、２０の両方内に、また各それぞれのバンド部分の両方の合せ面内に設けることができることを理解されたい。説明の目的上、本明細書では、上部バンド部分１２の合せ面１８を参照して冷却プレナム４６をさらに詳細に説明する。   Referring to the various figures and in accordance with aspects of the present invention, a cooling plenum 46 is formed in one of the at least one mating surfaces 18, 26 of the outer band portion 12 or the inner band portion 20. It should be understood that this cooling plenum 46 can be provided in both the outer and inner band portions 12, 20 and in both mating faces of each respective band portion. For purposes of explanation, the cooling plenum 46 is described in more detail herein with reference to the mating surface 18 of the upper band portion 12.

冷却プレナム４６は、横方向にバンド部分内に延在して該バンド部分の特定の領域を冷却するようなあらゆる所望の位置において合せ面内に形成される。この図示した実施形態では、冷却プレナム４６は、レール部材４２に隣接した位置に形成される。例えば、図２及び図３を参照すると、冷却プレナム４６は、上部バンド部分１２内でレール部材４２と整列した状態として或いは該レール部材４２の下方で少なくとも部分的に延在するものとして見なすことができる。冷却プレナム４６は、それぞれのバンド部分を少なくとも部分的に貫通して横方向に延在し、かつ１つの合せ面表面１８から対向する合せ面表面１８まで延在するようにバンド部分を完全に貫通して延在することができる。冷却空気は、冷却プレナム４６内に導入され、従ってレール部材４２の根元つまり基部に沿ってバンド部分１２の領域を冷却する。このようにして、ノズルベーン３０の後縁３４周りのバンド部分１２の領域もまた、冷却空気が冷却プレナム４６を通って移動する時に、インピンジメント及び／又は対流冷却によって冷却される。このことは、冷却プレナム４６の位置を点線で示す図４の概略図に具体的に示している。冷却プレナムはまた、ノズルベーン３０の後縁３４領域を横切っており、従ってノズルベーン３０の負圧側面後縁に隣接した、図４に示す発生可能性のある問題となる高温スポットを冷却する働きをすることになることを、この図から理解することができる。   The cooling plenum 46 is formed in the mating surface at any desired location that extends laterally into the band portion to cool a particular region of the band portion. In the illustrated embodiment, the cooling plenum 46 is formed at a location adjacent to the rail member 42. For example, referring to FIGS. 2 and 3, the cooling plenum 46 may be viewed as being aligned with the rail member 42 within the upper band portion 12 or at least partially extending below the rail member 42. it can. The cooling plenum 46 extends transversely at least partially through the respective band portion and completely through the band portion so as to extend from one mating surface 18 to the opposing mating surface 18. And can be extended. Cooling air is introduced into the cooling plenum 46 and thus cools the region of the band portion 12 along the root or base of the rail member 42. In this way, the area of the band portion 12 around the trailing edge 34 of the nozzle vane 30 is also cooled by impingement and / or convection cooling as the cooling air travels through the cooling plenum 46. This is specifically illustrated in the schematic diagram of FIG. 4 where the position of the cooling plenum 46 is indicated by a dotted line. The cooling plenum also crosses the trailing edge 34 region of the nozzle vane 30 and thus serves to cool the potentially problematic hot spot shown in FIG. 4 adjacent to the suction side trailing edge of the nozzle vane 30. It can be understood from this figure.

冷却プレナム４６には、様々な手段により冷却空気を供給することができる。この図示した実施形態では、複数の空気通路を使用して、冷却空気を冷却プレナム４６内に、該冷却プレナム４６に沿ってまた該冷却プレナム４６から外に移動させるか又は輸送する。例えば、図１、図４及び図５を参照すると、レール部材４２（又は、バンド部分１２のその他の構造体）内に少なくとも１つの第１の冷却空気通路４８を形成して、冷却空気プレナム４６を第１の冷却チャンバ３８と流体空気連通状態にすることができる。従って、冷却チャンバ３８内に導入された圧縮機抽気空気又はその他の冷却空気は、冷却プレナム４６内に移動する。少なくとも１つの第２の空気通路４９が、レール部材内に形成されかつ冷却プレナム４６を第２の冷却チャンバ４０（該チャンバ４０と連通状態になった領域又は空洞を含む）と流体空気連通状態にする。従って、冷却空気は、冷却プレナム４６を通って移動しかつ第２の空気通路４９を介して冷却チャンバ４０内に流出することができる。この図示した実施形態では、複数の通路４８及び４９は、冷却プレナム４６の長さに沿って長手方向に形成される。これら通路のあらゆる数又は位置が、実施可能である。冷却することになるバンド部分の特定の領域に応じて、冷却プレナム４６は、バンド部分１２を完全に横切って横方向に延在することができ、また冷却通路４８及び４９は、冷却プレナム４６の全長に沿って様々な長手方向位置に配置することができる。必要条件ではないが、第１の冷却通路４８及び第２の冷却通路４９は、各第１の冷却通路４８が対応する第２の冷却空気通路４９を含むように対の形態でグループ化することができる。これら通路の配置は、プレナム４６の長手方向長さに沿って千鳥配置とすることができる。   Cooling air can be supplied to the cooling plenum 46 by various means. In the illustrated embodiment, a plurality of air passages are used to move or transport cooling air into, along and out of the cooling plenum 46. For example, referring to FIGS. 1, 4, and 5, at least one first cooling air passage 48 is formed in the rail member 42 (or other structure of the band portion 12) to provide a cooling air plenum 46. Can be in fluid air communication with the first cooling chamber 38. Accordingly, compressor bleed air or other cooling air introduced into the cooling chamber 38 moves into the cooling plenum 46. At least one second air passage 49 is formed in the rail member and places the cooling plenum 46 in fluid air communication with the second cooling chamber 40 (including a region or cavity in communication with the chamber 40). To do. Accordingly, the cooling air can travel through the cooling plenum 46 and exit into the cooling chamber 40 via the second air passage 49. In the illustrated embodiment, the plurality of passages 48 and 49 are formed longitudinally along the length of the cooling plenum 46. Any number or location of these passages is possible. Depending on the particular area of the band portion that is to be cooled, the cooling plenum 46 can extend laterally completely across the band portion 12 and the cooling passages 48 and 49 can be provided on the cooling plenum 46. It can be arranged at various longitudinal positions along the entire length. Although not a requirement, the first cooling passages 48 and the second cooling passages 49 may be grouped in pairs such that each first cooling passage 48 includes a corresponding second cooling air passage 49. Can do. The arrangement of these passages can be staggered along the length of the plenum 46 in the longitudinal direction.

プレナム４６は、あらゆる特定の断面輪郭又はその他の構成に限定されるものではないことを理解されたい。例えば、図２に示した実施形態では、プレナム４６は、ほぼ円形の断面輪郭である。図３の実施形態では、冷却空気プレナム４６は、ほぼ卵形の断面輪郭を有する。   It should be understood that the plenum 46 is not limited to any particular cross-sectional profile or other configuration. For example, in the embodiment shown in FIG. 2, the plenum 46 is a generally circular cross-sectional profile. In the embodiment of FIG. 3, the cooling air plenum 46 has a generally oval cross-sectional profile.

さらに図２及び図３を参照すると、この図示した実施形態では、冷却プレナム４６は、バンド部分１２の背部側面上のレール部材４２と該バンド部分１２の燃焼ガス側面上のノズルベーン３０の後縁３４とのほぼ間でそれぞれのバンド部分合せ面１８内に形成される。合せ面表面１８が軸方向に延在するシールスロット５０を含む場合には、冷却プレナム４６は、シールスロット５０と燃焼ガス側面１４との間に形成される。   Still referring to FIGS. 2 and 3, in the illustrated embodiment, the cooling plenum 46 includes a rail member 42 on the back side of the band portion 12 and a trailing edge 34 of the nozzle vane 30 on the combustion gas side of the band portion 12. Are formed in the respective band partial mating surfaces 18. If the mating surface 18 includes an axially extending seal slot 50, the cooling plenum 46 is formed between the seal slot 50 and the combustion gas side 14.

本発明はまた、バンド部分１２の背部側面１６上のあらゆるレール部材の長さに関係なくノズルベーン３０の後縁３４に隣接したバンド部分１２内に横方向に延在するように、合せ面表面１８内に冷却空気プレナム４６を形成した実施形態を含むことを理解されたい。例えば、バンド部分１２の背部側面１６は、該バンド部分の特定の領域のインピンジメント冷却を妨げるあらゆる設計の構造部材を含むことができる。このような状況では、冷却プレナム４６は、この構造部材とほぼ一致した状態で特にノズルベーン３０の後縁領域においてバンド部分１２内に延在するように合せ面表面１８内に形成することができる。プレナム４６を通って移動する冷却空気は、ノズルベーン３０の後縁の周りのバンド部分１２の領域を冷却することになる。冷却通路４８、４９は、冷却プレナム４６を第１の位置及び第２の位置と流体空気連通状態にするようにバンド部分内に形成することができ、その場合に、冷却空気プレナムはまた、バンド部分１２の問題となる領域に対して有効なインピンジメント冷却をもたらしながら、一方の位置から他方の位置に冷却空気を移動させる働きをする。このような概念は、図６に全体的に示しており、ここでは、冷却プレナム４６は、ノズルベーン３０の後縁部分をほぼ横切って下部バンド部分２０内で延在するように該下部バンド部分２０の合せ面表面２６内に形成される。プレナム４６は、これもまたバンド部分２０の背部側面を横切って横方向に延在するレール部材の下方に又は該レール部材に沿って延在していることもあれば、延在していない場合もある。   The present invention also provides a mating surface 18 that extends laterally into the band portion 12 adjacent the trailing edge 34 of the nozzle vane 30 regardless of the length of any rail member on the back side 16 of the band portion 12. It should be understood to include embodiments in which the cooling air plenum 46 is formed. For example, the back side 16 of the band portion 12 can include structural members of any design that prevent impingement cooling of specific areas of the band portion. In such a situation, the cooling plenum 46 can be formed in the mating surface 18 so as to extend into the band portion 12 in substantial conformity with the structural member, particularly in the trailing edge region of the nozzle vane 30. Cooling air traveling through the plenum 46 will cool the area of the band portion 12 around the trailing edge of the nozzle vane 30. The cooling passages 48, 49 may be formed in the band portion to place the cooling plenum 46 in fluid air communication with the first position and the second position, in which case the cooling air plenum may also be It serves to move the cooling air from one position to the other while providing effective impingement cooling to the problematic areas of portion 12. Such a concept is illustrated generally in FIG. 6 where the cooling plenum 46 extends within the lower band portion 20 substantially across the trailing edge portion of the nozzle vane 30. Are formed in the mating surface 26. The plenum 46 may or may not extend below or along the rail member that extends laterally across the back side of the band portion 20. There is also.

図５は、冷却空気通路４９の少なくとも１つが、プレナム４６をベーン３０の空洞３６と流体空気連通状態にした実施形態を示している。このような構成は、プレナム４６から空洞３６内に直接空気を導入するか又は空洞３６からプレナム４６に直接空気を取出すために使用することができる。   FIG. 5 illustrates an embodiment in which at least one of the cooling air passages 49 places the plenum 46 in fluid air communication with the cavity 36 of the vane 30. Such a configuration can be used to introduce air directly from the plenum 46 into the cavity 36 or to extract air directly from the cavity 36 to the plenum 46.

本主題を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、以上の説明を理解したとき、当業者には、そのような実施形態に対する変更形態、変形形態及び均等物を容易に構成することができることが分かるであろう。従って、本開示の技術的範囲は、限定としてではなく例示としてのものであり、また本主題の開示は、当業者に容易に明らかとなるような本主題に対するそのような修正、変更及び／又は付加を包含することを排除するものではない。   Although the present subject matter has been described in detail with respect to particular exemplary embodiments and methods thereof, those skilled in the art will readily recognize variations, modifications and equivalents to such embodiments upon understanding the foregoing description. It will be appreciated that can be configured. Accordingly, the technical scope of the present disclosure is intended to be illustrative rather than limiting, and the disclosure of the present subject matter is such modifications, changes and / or modifications to the present subject matter that will be readily apparent to those skilled in the art. It is not excluded to include additions.

１０ ノズルセグメント
１２ 外側バンド部分
１４ 燃焼ガス側面
１６ 背部側面
１８ 合せ面
２０ 内側バンド部分
２２ 燃焼ガス側面
２４ 背部側面
２６ 合せ面
３０ ノズルベーン
３２ 前縁
３４ 後縁
３６ 冷却空洞
３８ 第１の冷却チャンバ
４０ 第２の冷却チャンバ
４２ レール部材
４４ インピンジメントプレート
４６ 冷却プレナム
４８ 通路
４９ 通路
５０ シールスロット
５２ シール
５４ フィルム孔
５６ 根元
５８ フィレット 10 Nozzle segment 12 Outer band portion 14 Combustion gas side surface 16 Back side surface 18 Mating surface 20 Inner band portion 22 Combustion gas side surface 24 Back side surface 26 Mating surface 30 Nozzle vane 32 Leading edge 34 Trailing edge 36 Cooling cavity 38 First cooling chamber 40 First Two cooling chambers 42 Rail member 44 Impingement plate 46 Cooling plenum 48 Passage 49 Passage 50 Seal slot 52 Seal 54 Film hole 56 Base 58 Fillet

Claims (8)

タービンノズルセグメント（１０）であって、
外側バンド部分（１２）と、内側バンド部分（２０）と、内側バンド部分と外側バンド部分の間に延在する少なくとも１つのノズルベーン（３０）であって、前縁（３２）及び後縁（３４）を有するノズルベーン（３０）とを含んでいて、
内側バンド部分及び外側バンド部分の各々が、軸方向に延在する合せ面（１８）、燃焼ガス側面（１４）及び反対側の背部側面（１６）をさらに含んでおり、
該タービンノズルセグメント（１０）が、
内側バンド部分及び外側バンド部分の背部側面に画成された第１の冷却チャンバ（３８）及び第２の冷却チャンバ（４０）と、
内側バンド部分又は外側バンド部分の少なくとも１つの合せ面の少なくとも１つ内に画成されかつそれぞれのバンド部分を少なくとも部分的に貫通して横方向に延在する冷却プレナム（４６）と、
第１の冷却チャンバから冷却プレナムに向けてバンド部分内に画成された少なくとも１つの第１の冷却空気通路（４８）及び第２の冷却チャンバから冷却プレナムに向けてバンド部分内に画成された少なくとも１つの第２の冷却空気通路（４９）と
をさらに含んでいるタービンノズルセグメント（１０）。 A turbine nozzle segment (10) comprising:
An outer band portion (12), an inner band portion (20), and at least one nozzle vane (30) extending between the inner and outer band portions, the leading edge (32) and the trailing edge (34) A nozzle vane (30) having
Each of the inner and outer band portions further includes an axially extending mating surface (18), a combustion gas side surface (14) and an opposite back side surface (16);
The turbine nozzle segment (10)
A first cooling chamber (38) and a second cooling chamber (40) defined on the back side of the inner and outer band portions;
A cooling plenum (46) defined in at least one of at least one mating surface of the inner band portion or the outer band portion and extending laterally at least partially through the respective band portion;
At least one first cooling air passageway (48) defined in the band portion from the first cooling chamber toward the cooling plenum and defined in the band portion from the second cooling chamber toward the cooling plenum. A turbine nozzle segment (10) further comprising at least one second cooling air passage (49). 第１の冷却チャンバ（３８）が高圧チャンバであり、第２の冷却チャンバ（４０）が低圧チャンバであり、第１及び第２の冷却チャンバが、横方向に延在するレール部材（４２）によって少なくとも部分的に分離され、冷却プレナム（４６）が、レール部材の下方でそれぞれのバンド部分を少なくとも部分的に貫通して横方向に延在しており、それによって、冷却空気が、第１の冷却空気通路（４８）を介して高圧チャンバから冷却プレナム内にかつ第２の冷却空気通路（４９）を介して冷却プレナムから低圧チャンバ内に移動する、請求項１記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The first cooling chamber (38) is a high pressure chamber, the second cooling chamber (40) is a low pressure chamber, and the first and second cooling chambers are provided by rail members (42) extending in the lateral direction. At least partially separated, a cooling plenum (46) extends laterally at least partially through the respective band portion below the rail member, so that the cooling air is a first The turbine nozzle segment (10) of claim 1, wherein the turbine nozzle segment (10) travels from the high pressure chamber into the cooling plenum via the cooling air passage (48) and from the cooling plenum into the low pressure chamber via the second cooling air passage (49). . 第１及び第２の冷却空気通路（４８、４９）が、冷却プレナム（４６）に沿って軸方向にオフセットしており、冷却プレナムが、レール部材（４２）とノズルベーン（３０）の後縁（３４）との間でそれぞれのバンド部分内に画成される、請求項２記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The first and second cooling air passages (48, 49) are axially offset along the cooling plenum (46), and the cooling plenum is connected to the trailing edge of the rail member (42) and the nozzle vane (30) ( 34. A turbine nozzle segment (10) according to claim 2, defined in each band portion with respect to 34). 合せ面（１８）が、該合せ面に沿って軸方向に画成されたシールスロット（５０）をさらに含み、冷却プレナム（４６）が、シールスロットとそれぞれのバンド部分（１２、２０）の燃焼ガス側面（２２）との間に画成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The mating surface (18) further includes a seal slot (50) that is axially defined along the mating surface, and a cooling plenum (46) combusts the seal slot and the respective band portions (12, 20). The turbine nozzle segment (10) according to any one of the preceding claims, defined between the gas side (22). 第１の冷却チャンバ（３８）が、圧縮機抽気空気が供給される高圧インピンジメント冷却チャンバであり、冷却プレナム（４６）が、合せ面（１８）の対向する合せ面間でそれぞれのバンド部分（１２、２０）を完全に貫通して延在する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The first cooling chamber (38) is a high-pressure impingement cooling chamber supplied with compressor bleed air, and the cooling plenum (46) has a respective band portion ( 12. A turbine nozzle segment (10) according to any one of the preceding claims, extending completely through 12, 20). 冷却プレナム（４６）が、後縁（３４）を横切ってそれぞれのバンド部分（１２、２０）を少なくとも部分的に貫通して横方向に延在する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The cooling plenum (46) extends laterally at least partially through the respective band portion (12, 20) across the trailing edge (34). A turbine nozzle segment (10) according to claim. 冷却プレナム（４６）が、合せ面（１８）の対向する合せ面間でそれぞれのバンド部分（１２、２０）を完全に貫通して延在する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンノズルセグメント（１０）。   The cooling plenum (46) extends completely through each band portion (12, 20) between opposing mating surfaces of the mating surface (18). The turbine nozzle segment (10) described. 複数のノズル段を含み、各ノズル段が、その各々が請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のものである複数のノズルセグメント（１０）をさらに含む、ガスタービン。   A gas turbine comprising a plurality of nozzle stages, each nozzle stage further comprising a plurality of nozzle segments (10), each of which is as claimed in any one of claims 1 to 3.
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