JP3034522B1

JP3034522B1 - タ―ビンノズルを改良したガスタ―ビン

Info

Publication number: JP3034522B1
Application number: JP11194267A
Authority: JP
Inventors: 哲男巽; 康治辰巳
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2000-04-17
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: JP2001020705A

Abstract

【要約】【課題】ガスタービンのノズルセグメントを容易、か
つ安価に製造できるようにする。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮された
空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３
からの燃焼ガスＧによって駆動されるタービン９とを備
えたガスタービンにおいて、タービンノズル７を、周方
向に分割された複数のノズルセグメント１３により形成
する。各セグメント１３の周壁部１４，１５の周方向の
側部には、隣接するセグメント１３の側部と径方向に重
合する重合部１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを形成す
る。複数のセグメント１３を径方向Ｒからシールバンド
２１，２２で覆って、重合部間の隙間ｇを塞ぐ。これに
より、ノズルセグメント１３，１３間をシールする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービンノズルが
周方向に分割された複数のノズルセグメントにより形成
されたガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは低公害性に優れ、コ・ジ
ェネレーション（熱電併用）に用いることで省エネルギ
およびＣＯ₂削減に効果的な原動機となる。このため、
小出力のガスタービンが普及すれば、低公害化、省エネ
ルギ化およびＣＯ₂削減の効果を上げることができる。

【０００３】図９は、上述したガスタービンにおける冷
却タービンノズルの従来例の一つを示す（特開平３−２
１３６０２公報参照）。このタービンノズルは、周方向
に分割された複数の金属製ノズルセグメント５３からな
る。各ノズルセグメント５３は、図９（Ａ）に示すよう
に、翼部５６を外周壁部５５と内周壁部５４とで挟んだ
形状とされ、翼部５６を通過する燃焼ガスよりも圧力の
高い冷却空気を外周壁部５５に形成された開口５７から
翼部５６の内部に形成された冷却空気通路５９に導入
し、翼部５６の表面の空気出口６０から導出するように
されている。これにより、燃焼器からタービンノズルに
導入される高温の燃焼ガスにさらされる翼部５６が冷却
される。

【０００４】また、図９（Ｂ）に示すように、隣接する
ノズルセグメント５３，５３の外周壁部５５，５５間お
よび内周壁部５４，５４間には、それぞれシールプレー
ト６１が介挿される。これにより、隣接するノズルセグ
メント５３，５３間の隙間ｇから、燃焼ガスＧよりも圧
力の高い冷却空気Ａがタービンノズルのガス流路に入る
のを防止するとともに、燃焼ガスＧが前記隙間ｇから吹
き抜けてノズル効果（ガス圧力を速度に変える）が損な
われるのを防止するようにしている。

【０００５】上述したように、隣接するノズルセグメン
ト５３，５３間に前記シールプレート６１を介挿するた
めに、各ノズルセグメント５３の外周壁部５５および内
周壁部５４の側面には、図９（Ａ）に示すように、前記
シールプレート６１を保持する溝６２が放電加工により
形成され、この溝６２にシールプレート６１を嵌合させ
ることにより、隣接するノズルセグメント５３，５３で
シールプレート６１が挟持される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記ガスター
ビンにおけるタービンノズルでは、そのノズルセグメン
ト５３の外周壁部５５および内周壁部５４の側面に、放
電加工のような精密加工によりシールプレート６１を保
持する溝６２を形成しなければならないので、ノズルセ
グメント５３の加工の工数および加工費が増し、ガスタ
ービンの製造コストを増大させることになる。その結
果、小出力のガスタービンの普及を阻害することにもな
る。

【０００７】本発明は、上述のような実情に鑑みてなさ
れたもので、容易かつ安価に製造できるようにノズルセ
グメントを改良したガスタービンを提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明の請求項１に係るガスタービンは、空気
を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して
燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスによって駆
動されるタービンとを備えたガスタービンであって、前
記タービンのノズルが周方向に分割された複数のノズル
セグメントにより形成され、各ノズルセグメント周壁部
の周方向の側部に、隣接するノズルセグメントの側部と
径方向に重合する重合部が形成され、さらに、前記複数
のノズルセグメントを径方向から覆って前記重合部の隙
間を塞ぐシールバンドとを備えている。

【０００９】前記ガスタービンによれば、隣接するノズ
ルセグメントの外周側および内周側の周方向側部を相互
の重合部によって重なり状態とし、さらに外周側の重合
部の隙間を外周シールバンドで、また内周側の重合部の
隙間を内周シールバンドでそれぞれ塞ぐことにより、隣
接するノズルセグメント間の隙間がシールされる。した
がって、従来例の場合のようにシールプレート用の溝を
形成するためにノズルセグメントに精密加工等を施す必
要がないので、タービンノズルを、容易かつ安価に製造
できる。

【００１０】また、本発明の請求項２に係るガスタービ
ンは、請求項１の構成において、前記各ノズルセグメン
トの上下面の少なくとも一方に凹所が形成され、前記凹
所の両側に位置して径方向に突出する両側突部に、前記
シールバンドが圧接されている。

【００１１】前記ガスタービンによれば、ノズルセグメ
ントの突出部に、前記シールバンドが圧接されるので、
ノズルセグメントの上面または下面の全体にシールバン
ドを接触させる場合と比較して、接触面積が少なくなる
分だけ接触圧力が大きくなる。したがって、隣接するノ
ズルセグメントの重合部の隙間を、シールバンドによっ
て、より確実にシールすることができる。

【００１２】また、本発明の請求項３に係るガスタービ
ンは、請求項２の構成において、前記ノズルセグメント
の上面に形成された凹所が、ノズルセグメントの翼部の
内部に形成された冷却空気通路に連通しており、前記シ
ールバンドに、前記凹所に高圧空気を供給する空気供給
孔が形成されている。

【００１３】前記ガスタービンによれば、シールバンド
の空気供給孔からノズルセグメントの上面の凹所を経
て、翼部の内部の冷却空気通路に高圧空気を供給できる
ので、シールバンドに妨げられることなく、高圧空気に
より翼部を確実に冷却できる。

【００１４】また、本発明の請求項４に係るガスタービ
ンは、請求項１から３のいずれかの構成において、前記
シールバンドに、径方向におけるノズルセグメントから
離れる方向に突出する突起が形成され、前記突起に接触
してシールバンドをノズルセグメントに押圧する固定用
リング部材が設けられている。

【００１５】前記ガスタービンによれば、固定用リング
部材が、シールバンドの突起を介してシールバンドをノ
ズルセグメントに確実に押圧するので、隣接するノズル
セグメントの重合部の隙間を、シールバンドによって、
より確実にシールすることができる。

【００１６】また、本発明の請求項５に係るガスタービ
ンは、請求項１から４のいずれかの構成において、前記
ノズルセグメントの両側縁が径方向から見て１ヵ所以上
で曲折している。

【００１７】前記ガスタービンによれば、隣接するノズ
ルセグメントの重合部の隙間がタービンノズルの軸方向
に向けて直線状とならないので、この隙間に沿って軸方
向に吹き抜ける燃焼ガスの吹き抜け抵抗が増大すること
になり、前記隙間を吹き抜ける燃焼ガスに起因するノズ
ル効果の減少をそれだけ抑制することができる。

【００１８】また、本発明の請求項６に係るガスタービ
ンは、請求項１から４のいずれかの構成において、前記
ノズルセグメントの一側部に凹部が、他側部に凸部が形
成され、前記凹部に、隣接するノズルセグメントの凸部
が嵌合している。

【００１９】前記ガスタービンによれば、隣接するノズ
ルセグメントの重合部の隙間がタービンノズルの軸方向
に向けて直線状とならず、途中に湾曲した経路部ができ
るので、この隙間に沿って軸方向に吹き抜ける燃焼ガス
の吹き抜け抵抗が増大することになり、前記隙間を吹き
抜ける燃焼ガスの吹き抜け抵抗が増大することになり、
前記隙間を吹き抜ける燃焼ガスに起因するノズル効果の
減少をそれだけ抑制することができる。

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の
一実施形態であるタービンノズルを改良したガスタービ
ンの概略断面図を示す。このガスタービンは、空気を圧
縮する遠心圧縮機１、半径流型のディフューザ２、およ
び圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器３
を備えている。さらに、外側のハウジング４の内側に、
スクロール６、および燃焼器３からの燃焼ガスＧによっ
て駆動されるタービン９が設けられている。

【００２０】ディフューザ２からの圧縮空気Ｃは、ハウ
ジング４の外周壁に貫通して設けられた導出口８を経
て、タービン排ガスＥＧを熱源とする熱交換器（図示せ
ず）に供給され、そこで熱交換された予熱空気Ｈが、予
熱空気通路１１を経て、燃焼器３のケーシング３ａに設
けた導入口１０から燃焼器３内に導かれる。ケーシング
３ａの内側には、燃焼室を形成する内筒３ｂが配置され
ており、この内筒３ｂからの燃焼ガスＧは、前記スクロ
ール６内で旋回しながら第１段タービンノズル７を経て
第１段タービンロータ９１および第２段タービンロータ
９２に導かれ、その出力で発電機その他の負荷が駆動さ
れる。また、前記圧縮空気Ｃの一部は、冷却空気Ａとし
て第１段タービンノズル７や第１段タービンロータ９１
に導入される。

【００２１】前記第１段タ−ビンノズル７に本発明が適
応されている。すなわち、このタービンノズル７は、図
６に示すように、周方向に分割された複数のノズルセグ
メント１３により構成されている。これらのノズルセグ
メント１３は精密鋳造により形成され、内外の周壁部１
４、１５の間で翼部１６を挟んだ形状とされている。各
ノズルセグメント１３の内周壁部１４および外周壁部１
５の周方向Ｑの側部には、隣接するノズルセグメント１
３の側部と径方向Ｒに相欠き状に重合する重合部１４
ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂがそれぞれ形成されてい
る。

【００２２】また、各ノズルセグメント１３の内周壁部
１４および外周壁部１５における上流側の端部には、ノ
ズルセグメント１３から離れる径方向Ｒに延びるフラン
ジ部１４ｃ，１５ｃがそれぞれ形成されている。

【００２３】また、各ノズルセグメント１３の上面およ
び下面には凹所１７が形成され、凹所１７の少なくとも
周方向Ｑの両側には、図３に示す径方向Ｒに突出する突
出部１８が側部に沿って形成されている。さらに、各ノ
ズルセグメント１３の上面の前記凹所１７は、翼部１６
の内部に形成された冷却空気通路１９に連通しており、
その冷却空気通路１９は前記翼部１６の表面に開口させ
た複数の空気出口２０に連通して、冷却空気Ａを燃焼ガ
ス通路内に排出する。

【００２４】また、各ノズルセグメント１３の各周壁１
４，１５の左右両側縁Ｓは、径方向Ｒから見て「く」字
状に曲折している。これにより、隣接するノズルセグメ
ント１３，１３間の隙間ｇは、図５に示すように、ター
ビンノズル７の軸方向Ｐに向けて直線状とならずに
「く」字状に曲折する。これにより、前記隙間ｇに沿っ
て軸方向Ｐに吹き抜ける燃焼ガスＧの吹き抜け抵抗が増
大することになり、隙間ｇを吹き抜ける燃焼ガスＧに起
因するノズル効果の減少をそれだけ抑制することができ
る。

【００２５】さらに、前記ノズルセグメント１３は、径
方向の外方および内方から、それぞれシールバンド２
１、２２により覆われる。すなわち、各ノズルセグメン
ト１３の径方向外方は、図６に示すように、概略Ｃ字状
の外周シールバンド２１により覆われる。これにより、
隣接するノズルセグメント１３，１３の外周側の重合部
１５ａ，１５ｂの隙間ｇが外周シールバンド２１により
塞がれる。また、前記外周シールバンド２１は、ノズル
セグメント１３の上面に形成された凹所１７の両側に位
置して径方向Ｒに突出する両側突出部１８に圧接される
ので、ノズルセグメント１３の上面の全体にシールバン
ド２１を接触させる場合と比較して、接触面積が小さく
なる分だけ接触圧力が大きくなる結果、外周シールバン
ド２１による前記隙間ｇのシールが確実に行われる。

【００２６】同様に、前記各ノズルセグメント１３の径
方向内方は、概形がＣ字状の内周シールバンド２２によ
り覆われる。これにより、隣接するノズルセグメント１
３，１３の内周側の重合部１４ａ，１４ｂの隙間ｇが内
周シールバンド２２により塞がれる。また、前記内周シ
ールバンド２２は、ノズルセグメント１３の下面に形成
された凹所１７の両側に位置して径方向に突出する両側
突出部１８に圧接されるので、やはり、内周シールバン
ド２１による前記隙間ｇのシールが確実に行われる。

【００２７】また、前記外周シールバンド２１には、前
記ノズルセグメント１３の上面に形成された凹所１７に
高圧の冷却空気Ａを供給する空気供給孔２３が形成され
ている。これにより、外周シールバンド２１に妨げられ
ることなく、翼部１６の内部の冷却空気通路１９に冷却
空気Ａを供給でき、冷却空気Ａによる翼部１６の冷却を
確実に行うことができる。さらに、前記外周シールバン
ド２１および内周シールバンド２２には、径方向Ｒにお
けるノズルセグメント１３から離れる方向に突出する複
数の突起２４が周方向にほぼ等間隔でエンボス加工によ
り形成されている。前記空気供給孔２３と突起２４の形
状と位置は、図７に明示されている。

【００２８】前記タービンノズル７の内周側は、図２に
示すように、固定用の内周リング部材３１で支持され、
またタービンノズル７の外周側は、固定用の外周リング
部材３２で支持される。すなわち、内周リング部材３１
は、そのフランジ３１ａがボルト３３により内ハウジン
グ５に締め付けて固定されており、この内周リング部材
３１が内周シールバンド２２の突起２４に接触して内周
シールバンド２２をノズルセグメント１３の下面に押圧
する。

【００２９】また、外周リング部材３２は、そのフラン
ジ３２ａがボルト３４によりスクロール６の吐出部外周
側に設けられた支持部材３５に締め付けて固定されてお
り、この外周リング部材３２が外周シールバンド２１の
突起２４に接触して外周シールバンド２１をノズルセグ
メント１３の上面に押圧する。これにより、隣接するノ
ズルセグメント１３の外周側や内周側の重合部の隙間ｇ
（図６）を、対応するシールバンド２１，２２によっ
て、より確実にシールすることができる。なお、各ノズ
ルセグメント１３は、その内周壁部１４のフランジ１４
ｃに形成された位置決め孔３６（図３）を、前記内ハウ
ジング５のタービン下流側に向く端面に設けられた位置
決めピン３７（図２）に係合させることにより位置決め
される。

【００３０】また、前記外周リング部材３２には、周方
向の複数個所に空気供給孔３８が形成されており、先述
した冷却空気Ａが前記空気供給孔３８，２１および外周
壁部１５の凹所１７を経て、翼部１６の内部の冷却空気
通路１９（図３）に導入される。

【００３１】前記外周リング部材３２の、前記タービン
ノズル７よりも下流側の部分には、先述した第１段ター
ビンロータ９１のシュラウド３９が取り付けられるとと
もに、第１段タービンロータ９１以降の部分のカバー４
０が、ボルト４１により締付け固定される。

【００３２】前記構成のタービンノズル７では、図３に
示した隣接するノズルセグメント１３，１３の外周側お
よび内周側の周方向側部が、重合部１５ａ，１５ｂ，１
４ａ，１４ｂによって重なり状態とされ、さらに内外周
の重合部の隙間ｇが対応する内外周のシールバンド２
１，２２でそれぞれ塞がれて、その重合部の前記隙間ｇ
がシールされるので、従来例の場合のようにシールプレ
ート用の溝を形成するためにノズルセグメントに精密加
工を施す必要がなくなる。したがって、精密鋳造したノ
ズルセグメント１３をそのまま使用することができ、タ
ービンノズル７を容易、かつ安価に製造できる。

【００３３】なお、前記実施形態では、図５に示したよ
うに、隣接するノズルセグメント１３の重合部の隙間ｇ
が、タービンノズル７の軸方向Ｐに「く」字状に曲がる
ようにした場合を示したが、図８（Ａ）に示すように、
さらにノズルセグメント１３の一側部に一つまたは複数
の凹部４２を形成するとともに、ノズルセグメント１３
の他側部に前記凹部４２に対応する凸部４３を形成し、
前記凹部４２に隣接するノズルセグメント１３の凸部４
３を嵌合させることにより、隣接するノズルセグメント
１３の重合部の隙間ｇがタービンノズル７の軸方向Ｐに
「く」字状に曲がるだけでなく、隙間ｇの途中に前記凹
部４２と凸４３とからなる湾曲部が形成されるようにし
てもよい。これにより、前記隙間ｇを吹き抜ける燃焼ガ
スＧの吹き抜け抵抗をより効果的に抑制することができ
る。

【００３４】また、図８（Ｂ）に示すように、ノズルセ
グメント１３の側部の複数カ所を段付きで折れ曲がった
形状とすることにより、隣接するノズルセグメント１３
の重合部の隙間ｇがタービンノズル７の軸方向に稲妻状
に折り曲がるようにしてもよい。この場合も、前記隙間
ｇを吹き抜ける燃焼ガスＧの吹き抜け抵抗をより効果的
に抑制することができる。

【００３５】なお、ノズルセグント１３の重合部は一方
の周壁部、例えば外周壁部１５のみに設け、それに対応
して、シールバンド２１，２２およびリング部材２１，
２２を内外周のいずれか一方のみに配置してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明のガスタービンに
よれば、隣接するノズルセグメントの周方向側部を相互
の重合部によって重なり状態とし、さらに重合部の隙間
をシールバンドで塞ぐことにより、隣接するノズルセグ
メント間の隙間がシールされるので、従来例の場合のよ
うにシールプレート用の溝を形成するためにノズルセグ
メントに精密加工を施す必要がなくなり、タービンノズ
ルを容易、かつ安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンを示す
概略縦断面図である。

【図２】同ガスタービンの要部を示す拡大縦断面図であ
る。

【図３】同ガスターンビンにおけるタービンノズルのセ
グメントを示す斜視図である。

【図４】同ノズルセグメントの組み合わせ状態を示す斜
視図である。

【図５】同ノズルセグメントの組み合わせ状態を示す概
略平面図である。

【図６】同ノズルセグメントの内外周をシールバンドで
覆った状態を示す要部断面図である。

【図７】同ノズルセグメントの内外周をシールバンドで
覆った状態を示す要部斜視図である。

【図８】本発明の他の実施形態に係るタービンノズルを
改良したガスタービンにおけるノズルセグメントの組み
合わせ状態を示す概略平面図である。

【図９】（Ａ）は従来例の斜視図、（Ｂ）は同従来例の
要部正面図である。

【符号の説明】

１…遠心圧縮機、３…燃焼器、７…タービンノズル、９
…タービン、１３…ノズルセグメント、１４…内周壁
部、１４ａ，１４ｂ…重合部、１５…外周壁部、１５
ａ，１５ｂ…重合部、１６…翼部、１７…凹所、１８…
突出部、１９…冷却空気通路、２１…外周シールバン
ド、２２…内周シールバンド、２３…空気供給孔、２４
…突起、３１…固定用内周リング部材、３２…固定用外
周リング部材、４２…凹部、４３…凸部、Ｇ…燃焼ガ
ス、Ｃ…圧縮空気、ｇ…隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01D 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空
気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの
燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタ
ービンにおいて、前記タービンのノズルが周方向に分割された複数のノズ
ルセグメントにより形成され、各ノズルセグメント周壁部の周方向の側部に、隣接する
ノズルセグメントの側部と径方向に重合する重合部が形
成され、さらに、前記複数のノズルセグメントを径方向から覆っ
て前記重合部の隙間を塞ぐシールバンドとを備えたガス
タービン。
【請求項２】請求項１において、前記各ノズルセグメ
ントの上下面の少なくとも一方に凹所が形成され、前記
凹所の両側に位置して径方向に突出する両側突部に、前
記シールバンドが圧接されているガスタービン。
【請求項３】請求項２において、前記ノズルセグメン
トの上面に形成された凹所が、ノズルセグメントの翼部
の内部に形成された冷却空気通路に連通しており、前記
シールバンドに、前記凹所に高圧空気を供給する空気供
給孔が形成されているガスタービン。
【請求項４】請求項１から３のいずれかにおいて、前
記シールバンドに、径方向におけるノズルセグメントか
ら離れる方向に突出する突起が形成され、前記突起に接
触してシールバンドをノズルセグメントに押圧する固定
用リング部材が設けられているガスタービン。
【請求項５】請求項１から４のいずれかにおいて、前
記ノズルセグメントの両側縁が径方向から見て１ヵ所以
上で曲折しているガスタービン。
【請求項６】請求項１から４のいずれかにおいて、前
記ノズルセグメントの一側部に凹部が、他側部に凸部が
形成され、前記凹部に、隣接するノズルセグメントの凸
部が嵌合しているガスタービン。