JP4052373B2 - ガスタービンのノズル羽根インサート及びその取り付け方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、エネルギー省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３１１７６号に基づく、政府の支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つ又はそれ以上のノズル段用の閉回路冷却システムを有するガスタービンに関し、より具体的には、ノズル羽根壁の衝突冷却用（インピンジメント冷却）のインサートを有し、そのインサートが、インサートとノズル羽根壁との間に所定の衝突冷却間隙を備えた状態でのノズル羽根空洞への取り付けを容易にするために、組合せ式になっているガスタービンに関する。
【０００３】
【従来技術】
最新のガスタービンでは、ノズル段は、高温ガス通路に曝されるノズル羽根を冷却する閉回路冷却システムを備えていることが多い。例えば、各ノズル羽根は、外側ノズルバンド及び内側ノズルバンドの間に延びている複数の空洞を含む。衝突冷却（インピンジメント冷却）インサートが１つ又はそれ以上の空洞中に設けられており、蒸気などの冷却媒体がインサート中に流され、インサートの側壁にある孔又は開口を通って流れて、ノズル羽根の隣接する壁部分を衝突冷却する。ガスタービン用の閉回路蒸気冷却ノズルの例は、本発明の出願人に譲渡された特許文献１に開示されており、その開示内容は本明細書において参考文献として組み込まれる。
【特許文献１】
特開平０８−１７７４０６号公報
【特許文献２】
特開平１１−０１３４０５号公報
【０００４】
一般に、ノズルインサートは単体であり、インサート供給業者によって供給され、ノズル羽根の空洞内部に収まるような基準寸法になっている。インサートは、羽根空洞に挿入され、ノズル内壁とインサート壁との間に衝突（インピンジメント）間隙をもたらすことが分かるであろう。しかしながら、ノズル空洞及びインサートそれ自体に含まれる製造公差、及び、インサートをまっすぐにノズル空洞中に配置できなければならない必要のために、インサート及びノズル羽根壁の全長に沿う設計衝突間隙からの変動（ばらつき）が、しばしば生じる。衝突間隙の変動は、次にノズル羽根壁と冷却媒体との間の熱伝達に重大な変化を生じさせる。例えば、間隙における基準寸法から０．０１０インチ（０．２５４mm）の変動は、熱伝達係数において約１３パーセントの減少をもたらすことが分かってきた。また、この割合は、さらなる衝突間隙の変動に伴い、幾何級数的に増加する。更に、単体インサートのノズル羽根空洞への取り付けは、少々困難であり、しばしば客側での調節が必要であり、このため、個別に構成された人手作業用の隔離作業台が必要になり、したがってコストがさらに嵩む。また、衝突間隙の変動によって生じる熱伝達係数の変動の結果として、低サイクル疲労を生じる可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決しようとするものである。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によれば、ノズル内壁とインサート壁との間の設計衝突間隙を実現し、潜在的な低サイクル疲労の問題を最小化もしくは除去し、取り付けを容易にするために、ノズル羽根空洞内へのインサートの取付性を向上させる装置及び方法を提供する。このことを達成するために、２つの細長い中空のインサート本体から成るインサートが供給され、インサート本体は、ノズル空洞内部に個別に取り付けられる。各インサート本体は、冷却媒体を受け入れるために一端部が開放し、その対向端部が閉塞した、中空のスリーブを含んでいる。各インサート本体はまた、それを通して衝突冷却媒体が流れて、位置合わせされたノズルの壁部を衝突冷却する開口を有する外側壁部を含み、インサート本体の残りの壁部分は閉じていて、開口は存在しない。インサート本体は、ノズル羽根空洞内部に並んで配置されるように構成されており、壁部は対向するノズル羽根の壁部と位置合わせされた開口を備えている。本体の内側壁部は、羽根空洞に取り付けられた時に、互いに間隔を置いて配置される。本体の開放端部はまた、取り付け後には、本体を互いに本来の場所、すなわちノズル羽根空洞内部に、固定するように構成される。スタンドオフ（間隔保持体）が、開口を備えるインサート本体壁の各々に設けられる。１つ又はそれ以上のスプレッダは、インサート本体の内側壁の間に配置され、本体を外向きに弾性付勢し、スタンドオフをノズル羽根の壁面に係合させる。
【０００７】
インサート本体を取り付けるために、本体はノズル羽根空洞に個別に挿入され、それによって製造公差の積み重なりを取り除く。挿入後に、１つ又はそれ以上のスプレッダが取り付けられ、インサート本体に結合され、スタンドオフを内部ノズル空洞壁に係合させ、その結果、設計衝突間隙を能動的に決定する。次にインサートの開放入口端部は、互いに固定されかつノズルに固定されることができる。この構成及び取り付け手順を採用することにより、羽根の全長を通してインサート本体の側壁部とノズル羽根壁との間に、設計衝突間隙が与えられる。インサートを正確な衝突間隔で取り付けることによって、熱伝達が著しく改善され、それに応じて低サイクル疲労寿命が改善されるという利点が得られる。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態において、ノズル羽根の壁を衝突冷却するための、ガスタービンのノズル羽根の空洞用のインサートであって、空洞内部に互いに並んだ関係で配置可能な１対の細長い中空のインサート本体を含み、本体は互いに反対方向を向いた本体の外側壁を貫通する複数の開口を有しており、本体の内側壁部は互いに間隔を置いており、インサート本体の内側壁部を互いに間隔を置いて保持するために、内側壁部の間に配置可能な少なくとも１つのスプレッダをさらに含むインサートが提供される。
【０００９】
本発明による更に好ましい実施形態において、ノズル羽根本体の外端部と内端部の間に延び、羽根の前縁と後縁の間で互いに間隔を置いて配置された複数の空洞を有するノズル羽根と、冷却媒体を受け入れるために、互いに並んだ関係にある１対の細長い中空のインサート本体を含み、本体の各々は、互いに反対方向を向いた本体の外側壁を貫通する複数の開口を有し、冷却媒体を流して羽根の位置合わせされている側壁部を衝突冷却する、空洞の１つに位置するインサートとを含み、本体は、互いに間隔を置いているそれぞれの内側壁部と、内側壁部を互いに間隔を置いて保持するために、内側壁部の間に配置されている少なくとも１つのスプレッダを有するガスタービン用のノズルが提供される。
【００１０】
本発明による更に好ましい実施形態において、１対の個別の細長い中空からなりそれぞれが自身を貫通する複数の開口を備える外側壁を有しインサート本体を含む冷却媒体インサートを、ガスタービン用のノズル羽根の空洞内に取り付ける方法であって、本体の外側壁が羽根の側壁部と位置合わせされて、空洞内部に互いに並んだ関係で配置されるように空洞内に個別のインサート本体を挿入する段階と、本体の外側壁を羽根の側壁部から所定の距離だけ間隔を置いて保持するために、互いに間隔を置いているインサート本体の内側壁部の間にスプレッダを挿入する段階とを含む方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先に述べたように、本発明はタービンのノズル段、好ましくは第１段用の閉冷却回路に関する。タービンの多様な態様、その構成、及び作動方法の説明については、先に摘示した特許を参照する。図１には、円周方向に間隔を置いて配置された複数の羽根の１つを含む羽根１０の断面概略図を示しており、各羽根は、ガスタービン用の第１段ノズルの弓形セグメント１１の一部を形成している。セグメント１１は、互いに結合され、タービンの第１段ノズルを通る高熱ガス通路を形成するセグメントの環状配列を構成していることが分かるであろう。各セグメントは、半径方向に間隔を置いて配置された外側及び内側バンド１２及び１４をそれぞれ含んでおり、１つ又はそれ以上のノズル羽根１０が外側及び内側バンドの間に延びている。セグメントは、隣接するセグメントが互いにシールされて、タービンの内側シェル（図示せず）の周りに支持されている。本説明においては、羽根１０はセグメントの唯一の羽根を構成しているものとして説明するが、各セグメント１１は、２つ又はそれ以上の羽根を備えてもよいことは明らかであろう。図示するように、ノズル羽根１０は、前縁１８及び後縁２０を有している。
【００１２】
図１に示した第１段ノズル羽根セグメント用の先行技術の冷却回路は、外側バンド１２に通じる冷却蒸気入り口２２を有している。還流蒸気出口２４もまた、ノズルセグメントの外側バンドと連通して位置している。外側バンド１２は、上部カバー３４と共にプレナム３２を形成する外側横部レール２６、前部レール２８及び後部レール３０と、外側バンド１２中に配置されたインピンジメント板３６を備える。（外方へ及び内方へ、又は、外側の及び内側のという用語は、一般的に半径方向の方向について述べている。）外側バンド１２のインピンジメント板３６と内壁３８との間には、側部壁２６、前部壁２８及び後部壁３０の間に延びている複数の構造リブ４０が配置されている。インピンジメント板３６は、プレナム３２の全範囲に亘って構造リブ４０の上に位置している。従って、入口２２を通ってプレナム３２に入る蒸気は、インピンジメント板３６の開口を通って流れて、外側バンド１２の外壁３８を衝突冷却し、従って、外側バンドは、インピンジメント板３６の両側に第１及び第２チャンバ３９及び４１を備える。
【００１３】
第１段ノズル羽根１０はまた、複数の空洞、例えば前縁空洞４２、後部空洞４４、３つの中間環流空洞４６、４８、５０、及び後縁空洞５２を有している。これらの空洞は、羽根の対向する側壁４９及び５２（図５）の間に延びている横断伸張リブによって形成される。１つ又はそれ以上の追加の空洞を設けてもよいし、あるいは空洞の数を少なくしてもよい。
【００１４】
前縁空洞４２及び後部空洞４４の各々は、それぞれインサート５４及び５６を有しており、一方、各中間空洞４６、４８、５０は、それぞれ類似のインサート５８、６０、６２を有しており、これら全てのインサートは、全体的に中空スリーブの形態をしている。インサートは、それらを設ける特定の空洞の形状に合わせて成型される。スリーブの側壁は、衝突冷却される羽根の壁に対向して位置する、インサートの一部に沿った複数の衝突冷却開口を備えている。例えば、前縁空洞４２において、インサート５４の前縁部は弓形であり、側壁は一般に空洞４２の側壁の形状に一致しており、インサートのこれらの壁は全てインピンジメント開口を有している。しかしながら、前縁空洞４２と中間空洞４６とを分離するリブ６４に対向するスリーブ又はインサート５４の後部側は、インピンジメント開口を有していない。他方、後部空洞４４においては、インサートスリーブ５６の側壁のみが、インピンジメント開口を有しており、インサートスリーブ５６の前部壁及び後部壁は中実の無孔材料でできている。
【００１５】
空洞４２、４４、４６、４８及び５０に受け入れられるインサートは、空洞の壁から間隔を置いて配置されており、冷却媒体例えば蒸気は、インピンジメント開口を通って流れ、ノズル羽根の内部壁面に突き当たり、従ってそれらの壁面を冷却する。以下の説明から明らかなように、インサート５４及び５６は、その半径方向内端部で閉塞しており、その半径方向外端部で開放されている。反対に、インサート５８、６０及び６２は、その半径方向外端部で閉塞しており、その半径方向内端部で開放されている。
【００１６】
図１に示すように、外壁３８を冷却した衝突冷却後の媒体、例えば蒸気は、インサート５４及び５６の開放した半径方向外端部から流れ込み、羽根の全長に沿ったインサートのインピンジメント開口と位置合わせされている羽根壁を衝突冷却する。使用済みの衝突冷却蒸気は、次いで、内側カバー板６８によって閉じられた内側バンド１４内のプレナム６６に流れ込む。構造強化リブ７０は、内側バンド１４の内壁６９と一体鋳造されている。リブ７０の半径方向内側方向には、インピンジメント板７２が位置している。結果として、空洞４２及び４４から流れ出る使用済みの衝突冷却蒸気は、インピンジメント板７２のインピンジメント開口を通ってプレナム６６に流れ込み、内壁６９を衝突冷却する。使用済みの冷却蒸気は、リブ７０の方向に、蒸気出口２４へ還流するようにリブ７０の開口（詳細には図示せず）に向かって流れる。具体的には、インサート５８、６０及び６２は、それぞれの空洞を形成する側壁及びリブから距離を置いた関係で、空洞４６、４８及び５０内に配置される。インサート５８、６０及び６２のインピンジメント開口は、羽根壁と位置合わせされてその両側に沿って位置している。従って、使用済みの冷却蒸気は、インサート５８、６０及び６２の解放内端部を通り、更にインピンジメント開口を通って流れ、羽根の隣接する側壁を衝突冷却する。使用済みの冷却蒸気は、次いで出口２４を流れ出て、図示しないが例えば蒸気供給源に環流する。
【００１７】
図１に図示している羽根の、空気及び蒸気冷却複合回路の後縁空洞の空気冷却回路は、上記で特定した特許において開示されている冷却回路に全体的に相当している。従って、その詳細な説明は省略する。
【００１８】
先に述べたように、空洞内のインサートは、インサートの開口のある壁と、隣接するノズル壁部との間に衝突間隙を形成するが、この間隙は設計間隙から著しく変動して、熱伝達の変動を生じ、低サイクル疲労をもたらす可能性がある。それらの問題は、製造公差の積み重なり、インサートの取り付けの困難さ、及び生じた設計衝突間隙からの変動によって引き起こされる。本発明によれば、全体を７９で示し、図２に示している、１対の個別のインサート本体８０及び８２からなるインサートが得られる。インサート本体８０及び８２は、それぞれ中空の細長いスリーブ８４及び８５を含み、それぞれが外側壁８６及び内側壁８８を有している。各本体８０及び８２は、全体的に直線的構成の開放端部９０を有している。各インサート本体の外側壁８６及び内側壁８８は、開放端部９０から対向する閉塞端部９２まで相互に向かって全体的に収束している。各インサート本体８０及び８２の外側壁８６は、インサートがノズル内に配置された時、開放口９０を通して本体内に受け入れた冷却媒体を、ノズル羽根の位置合わせされている側壁部に向けて流すための複数の開口９４を有する。加えて、インサート本体の開放端部に隣接する内側壁部９５を有する本体８０及び８２の端部９３は、互いに当接するように構成されており、従って、本体は、ノズル空洞に取り付けられた後、溶接又はろう付け作業により、互いに結合されることができる。本体の開放端部９０付近の外縁部９７もまた、取り付け後に、これもまた溶接又はろう付けによって、ノズル自体に固定されるように構成される。スタンドオフ９６は、各本体８０及び８２の外側壁８６に沿って様々な位置に設けられる。スタンドオフ９６は、取り付けられた時にノズル壁の内部壁面に係合するように、外側壁面から突き出た突出部を含んでいる。
【００１９】
各本体８０及び８２の内側壁８８は、その解放端部９０から外側壁８６に向かって、かつ各本体の閉塞端部９２に向かって細くなっている。従って、インサート本体がノズル空洞内に取り付けられる時、その間に間隙９８（図３）が生じる。スプレッダ１００が取り付け時に設けられ、ノズル羽根壁の内壁面に対してスタンドオフ９６が係合した状態を保つ。１つ又はそれ以上のスプレッダ１００を、インサート本体８０及び８２の長さに沿って縦方向位置に設けることができることが分かるであろう。図５を見れば、インサート本体８０及び８２は、互いに同一ではないことが分かるであろう。従って、図示されているように、インサート本体８０は羽根の凹状及び凸状側面にそれぞれ近接して配置されるので、インサート本体８０は、弦方向においてインサート本体８２より狭い。
【００２０】
インサートを空洞に取り付けるには、各インサート本体８０及び８２は、本体の解放端部９０を互いに整合させ、かつ本体が固定されるノズル壁に整合させて、個別に空洞に挿入される。各本体の挿入の後、１つ又はそれ以上のスプレッダ１００が、本体の内側壁部８８の間に配置される。従って、本体は互いに離れるように外向きに弾性付勢され、スタンドオフ９６をノズル羽根の内壁面に係合させる。ひとたび正確に位置が決まれば、スプレッダ１００を、例えば溶接又はろう付けによって、内側壁８８に固定してもよい。次いで、各インサート本体８０及び８２の解放端部９０は、溶接又はろう付けによって、互いに固定されかつ周囲のノズル壁に固定される。この取り付け手順の結果、各インサート本体の外側壁８６とノズル羽根の対向する壁面の間の設計衝突間隙１０２（図５）が得られる。インサート本体は、解放端部９０が空洞の冷却媒体入口端部にあるので、空洞内部の冷却媒体の流れの方向に応じて、内側又は外側の開口部を通して羽根空洞に挿入されることが分かるであろう。
【００２１】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連させて説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び等価構成を保護することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術の第１段ノズル羽根の拡大断面図。
【図２】 本発明に従って構成され、ノズル羽根空洞に取り付けられる前の、１対のインサート本体及びスプレッダの分解組立斜視図。
【図３】 ノズル羽根空洞内にあるとした時のインサートの斜視図。
【図４】 図３と同様の斜視図。
【図５】 図４のほぼ線５−５によるインサート本体及びスプレッダの断面図。
【符号の説明】
７９ インサート
８０、８２ インサート本体
８４、８５ スリーブ
８６ 外側壁
８８ 内側壁
９０ 開放端部
９２ 閉塞端部
９４ 開口
９６ スタンドオフ
１００ スプレッダ

Claims (4)

1. ノズル羽根の壁を衝突冷却するための、ガスタービンのノズル羽根の空洞（４６）用のインサートであって、
   前記空洞内部に互いに並んだ関係で配置可能な１対の細長い中空のインサート本体（８０、８２）を含み、該本体は互いに反対方向を向いた該本体の外側壁（８６）に貫通する複数の開口を有しており、該本体の内側壁部（８８）は互いに間隔を置いてあり、
   前記インサート本体の前記内側壁部を互いに間隔を置いて保持するために、前記内側壁部の間に配置可能な少なくとも１つのスプレッダ（１００）をさらに含む、
   ことを特徴とするインサート。
2. ノズル羽根本体の外端部と内端部の間に延び、羽根の前縁（１８）と後縁（２０）の間で互いに間隔を置いて配置された複数の空洞（４６、４８、５０）を有するノズル羽根（１０）と、
   冷却媒体を受け入れるために、互いに並んだ関係にある１対の細長い中空のインサート本体（８０、８２）を含み、該本体の各々は、互いに反対方向を向いた該本体の外側壁（８６）に貫通する複数の開口（９４）を有し、前記ノズル羽根の位置合わせされている側壁部（４９、５１）を冷却媒体を流して衝突冷却する、前記空洞の少なくとも１つに配されるインサート（７９）と、を含み、
   前記本体は、互いに間隔を置いているそれぞれの内側壁部（８８）と、該内側壁部を互いに間隔を置いて保持するために、前記内側壁部の間に配置されている少なくとも１つのスプレッダ（１００）とを有する、
   ことを特徴とするガスタービン用のノズル。
3. 前記インサート本体のそれぞれがインサート本体内に且つ前記ノズル羽根の側壁部（４９、５１）を衝突冷却するために前記外側壁に沿った開口に冷媒が流れるように冷媒を受ける開放端部（９０）を有し、該開放端部と対向するそれぞれのインサート本体の端部（９２）は閉じられていることを特徴とする請求項２記載のガスタービン用のノズル。
4. 貫通する複数の開口（９４）を備える外側壁（８６）を有する１対の個別の細長い中空のインサート本体（８０、８２）を含む冷却媒体インサート（７９）を、ガスタービン用のノズル羽根（１０）の空洞内に取り付ける方法であって、
   前記本体の前記外側壁（８６）が前記ノズル羽根の側壁部（４９、５１）と位置合わせされて、空洞内部に互いに並んだ関係で配置されるように前記空洞内に前記個別のインサート本体を挿入する段階と、
   前記本体の前記外側壁（８６）を前記羽根の前記側壁部（４９、５１）から所定の距離だけ間隔を置いて保持するために、互いに間隔が空けられている前記インサート本体の内側壁部（８８）の間にスプレッダ（１００）を挿入する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。

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