JP4526000B2 - 出口筒継手及び閉回路蒸気冷却ガスタービンノズルの継手を形成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉回路冷却システムを用いるガスタービン用のノズルセグメントに関し、具体的には、ノズルセグメントの外側バンドに設けられた出口筒継手、及びその継手を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在のガスタービン設計において、ノズルセグメントは、一般的にタービンの回転軸線周りに環状配列で配置される。セグメントの配列は、外側及び内側の環状バンドと、バンド間に延在する複数の周方向に隔設された一般的に半径方向に延びる静翼とを形成する。バンド及び静翼は、ガスタービンを通る高温ガス通路の一部を構成する。各ノズルセグメントは、外側バンド部と内側バンド部、さらに、外側及び内側バンド部の間に延在する１つ又はそれ以上のノズル静翼とを備える。現在のガスタービン設計では、例えば、蒸気などの冷却媒体が、高温ガス通路に曝された部品を冷却するために、各ノズルセグメントに供給される。蒸気冷却を受け入れるために、各バンド部は、タービンを通る高温ガス通路の一部を構成するノズル壁と、それと共にチャンバを画成するノズル壁から半径方向に隔設されるカバーと、チャンバ中に配置されるインピンジメント板とを備える。インピンジメント板は、カバーと共にその一側に第１空洞を画成し、冷却蒸気入口から冷却蒸気を受け入れる。インピンジメント板はまた、その反対側に沿ってノズル壁と共に第２空洞を画成する。インピンジメント板は複数の開口部を備え、第１空洞から第２空洞内に冷却蒸気を流しノズル壁をインピンジメント冷却する。次いで、冷却蒸気は、静翼空洞を通って半径方向内方に流れるが、静翼空洞のうちのあるものは、静翼側壁をインピンジ冷却するための開口部を持つインサートを備える。次に、冷却蒸気は、内側バンド部のチャンバに流入しその流れの向きを逆にして、インピンジメント板を通って半径方向外方に流れ、内側バンド部のノズル壁をインピンジメント冷却する。使用済み冷却媒体は、静翼の空洞を通ってノズルセグメントの排出口へと還流する。
【０００３】
本出願の出願人による現在の蒸気冷却ノズルセグメント設計では、ノズル壁、インピンジメント板及び外側バンド部のカバーを通過してきた静翼空洞からの使用済み冷却蒸気を外側バンドに連結された出口ポートに流すための出口筒が設けられる。現在の設計では、出口筒は、カバーと一体に鋳造され、使用済みの冷却蒸気を半径方向外方に流す空洞の出口開口部内に半径方向内方に延びている。一体の出口筒は、最初、その縁部周りでインピンジメント板の縁部に蝋付けされる。続いて、そのサブアセンブリが、静翼空洞の出口開口部周りの縁部に蝋付けされる。静翼空洞周りのノズル壁と出口筒との間の第１の継手には、継手全体にわたる応力及び出口筒壁の両側の圧力差のためにある強度が必要とされる。出口筒は、一側で流入する高圧冷却蒸気に曝され、その他側で流出するより高温の使用済み低圧冷却蒸気に曝されることが分るであろう。さらに、出口筒にかかる熱的及び機械的応力も存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在の設計では、出口筒とノズル壁との間の第１の継手は、一対の蝋付け継手によるものであり、蝋付け継手のうちの１つは、必然的にブラインド継手として形成されざるを得ない。すなわち、システムにとって重要なインピンジメント板とノズル側壁との間の継手は、カバー及びインピンジメント板のサブアセンブリが側壁に取付けられた後に、形成する必要がある。従って、現行の継手を形成する方法では、継手がブラインド状態で形成されるため、継手は強度が弱く、品質低下を招く可能性がある。
【０００５】
さらに、現在の設計の継手では、形成後に点検することができない。蝋付け継手は、適切な蝋付けのためにちょうど良い大きさの間隙を必要とするため、点検が特に重要である。例えば、製造公差が１０〜２０ミルとばらついた場合、最終的な蝋付け間隙はわからずしかも大き過ぎるため、必要とされる間隙は、問題がある場合しか明らかにならない。そのため、継手の応力負担能力を高めまた点検ができ、ばらつきなく製造できるようにするためには、ノズル鋳造品、出口筒及びノズルカバーの間の継手を改善する必要がある。
【０００６】
【課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、出口筒は、静翼空洞から使用済みの冷却媒体を受け入れ、ノズル壁、インピンジメント板及びカバーを通過して冷却媒体を出口ポートに運ぶ流路としての役割を果たす別体の部品として提供される。鋳造品又は成形加工品とすることができる出口筒の構成、及び、ノズル壁、インピンジメント板及びカバーの対応する構成が、継手の形成の前及び後において近づくことができまた点検することができる継手をもたらす。上述のことを実現するため、出口筒は、継ぎ目なしスリーブで形成され、一端部で静翼の出口空洞を取囲む静翼空洞壁の縁部に受け入れられ、その反対側端部で静翼空洞壁及びカバーそれぞれと端部継手を形成するように全体的に対応する構成を備えた形状になっている。半径方向外方に突出するリブがその端部の間の位置に設けられ、インピンジメント板との継手を形成する。３つの継手の各々は、形成の間にも近づくことができ、継手の形成後で次の継手の形成前に点検が可能であり、蝋付け、Ｅビーム又はレーザ溶接によって形成されることができる。
【０００７】
本発明によれば、第１の継手は、出口筒の半径方向内側端部と、使用済み冷却蒸気を出口ポートに流すために出口筒へ送給する静翼空洞を取囲む縁部又はリブとの間に、形成される。従って、出口筒の内側端部は、ノズル壁の半径方向外方位置から静翼空洞周りの縁部に溶接される。第１の継手は、必要なだけの強度で形成でき、その形成の間及び後でも確実に近づくことができる。この第１の継手の形成に続き、インピンジメント板が、出口筒の両端部の間に位置する出口筒のリブに溶接又は蝋付けされる。この継手も同様に、継手の形成の間及びそれに続く継手の形成の間の両方で、点検のために継手の半径方向外方から近づくことができる。第２の継手の形成に続いて、カバーと出口筒の外側端部との間の第３の継手が形成される。この継手も同様に、継手の外方向から近づくことができ、継手の形成に引き続き点検することができる。出口筒がノズルセグメント及び取付けられたカバーに継手接続された状態で、出口ポートが出口筒の外側開口部周りのカバーに溶接されることで、空洞から出口筒を通って出口ポートへ直接通じる貫通路がもたらされる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、外側及び内側バンド部と、バンド部間に延在する少なくとも１つの静翼とを持ち；１つの静翼が、少なくとも第１及び第２静翼空洞と、第２静翼空洞と連通する外側バンド部の出口筒とを含み；少なくとも外側バンド部が、タービンを通る高温ガス通路の一部を構成するノズル壁と、その間にチャンバを画成して外側バンド部のノズル壁から半径方向に隔設されるカバーと、チャンバ内に配置されカバーと共に冷却媒体を受け入れる第１プレナムとノズル壁と共にその一側に第１プレナムの反対側に位置する第２プレナムとを画成するインピンジメント板とを含み；インピンジメント板が、それを貫通する複数の開口部を備え冷却媒体を第１プレナムから第２プレナム内に流しノズル壁をインピンジメント冷却し；第１静翼空洞が、第２プレナムと連通して位置し冷却媒体を静翼に沿って内側バンド部に流し；第２静翼空洞が、内側バンド部と連通して位置し冷却媒体を静翼に沿って出口筒に流すガスタービンのノズルセグメントであって、出口筒の一端部と第２空洞周りの静翼の縁部との間の第１の継手（６１）と、インピンジメント板と出口筒の一端部と反対側端部との間の位置で出口筒に沿った出口筒との間の第２の継手とを含み、カバーが開口部を備え、さらに、冷却媒体を出口筒を通してカバーを通過して出口ポートへ流すための出口筒の反対側端部と開口部周りのカバーとの第３の継手を含むことを特徴とするセグメントが提供される。
【０００９】
本発明によるさらに好ましい実施形態では、外側及び内側バンド部と、バンド部間に延在し、静翼に沿って延びる少なくとも１つの静翼空洞を備え、外側バンド部が、ノズル壁と、ノズル壁から半径方向に隔設されそれらでチャンバを画成するカバーと、チャンバ内に位置しカバーと共に冷却媒体を受け入れる第１プレナムとノズル壁と共にその開口部を通して流れる冷却媒体を受け入れノズル壁をインピンジメント冷却する第２プレナムとを画成するインピンジメント板とを含むノズルセグメントを持つガスタービンにおいて、ノズルセグメントの出口筒を固着する方法であって、（ａ）出口筒の一端部を、それらの間の第１の継手で、静翼空洞の縁部周りのノズル壁に固着する段階と、（ｂ）段階（ａ）に続き、インピンジメント板及び出口筒の縁部を互いに、出口筒の両端部の間の位置で出口筒に沿った第２の継手で固着する段階と、（ｃ）段階（ｂ）に続き、出口筒の反対側端部及びカバーを互いに、出口筒を静翼空洞の出口開口部と連通させて、固定する段階と、を含むことを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
さて図１を参照すると、ガスタービン軸線周りに配置されるセグメントの環状列の１つを形成する、全体を１０で示したノズルセグメントが示されている。各ノズルセグメントは、外側バンド部１２、内側バンド部１４、及びその間に延在する１つ又はそれ以上の静翼１６を備える。ノズルセグメントが環状列に配置されるとき、外側及び内側バンド部１２及び１４と静翼１６は、従来のもと同様に、ガスタービンを通る環状の高温ガス通路の一部を構成する。
【００１１】
外側及び内側バンドと静翼は、蒸気などの冷却媒体を、外側バンド部１２のチャンバを通し、半径方向内方に静翼の空洞を通し、内側バンド部１４のチャンバを通し、さらに、半径方向外方に静翼を通して流し、冷却媒体を外側バンド部に沿った出口ポートに還流させることで、冷却される。より具体的には、図１の実施例よれば、外側バンド部１２は、外側ノズル壁１８と、ノズル壁１８を覆って配置されノズル壁に溶接されてカバー２０とノズル壁１８との間にチャンバ２１(図５）を画成する外側カバー２０とを備える。インピンジメント板２２が、チャンバ２１内に配置される。インピンジメント板２２は、ノズルカバー２０と共に第１プレナム又は空洞２４（図５）と、その反対側に、ノズル壁１８と共に第２プレナム又は空洞２６とを画成する。図１に戻って、冷却媒体入口及び出口ポート２５及び２７が、それぞれカバー２０を貫通して設けられ、蒸気などの冷却媒体をノズル静翼セグメントに供給し、またセグメントから使用済み冷却蒸気を排出する。第１空洞２４に供給される冷却蒸気は、インピンジメント板２２の複数の開口部３０(図５)を通って流れ、ノズル壁１８をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却蒸気は、第２空洞２６から、外側及び内側バンド間の静翼を貫通して延びる空洞内の１つ又はそれ以上のインサート(図示せず）中に流入する。冷却媒体は静翼の前縁空洞３１(図３）を通って流れ、使用済みの冷却媒体は静翼空洞３２、３３、３４及び３５を通って半径方向外方に流れるのが好ましい。静翼インサートは、静翼側壁をインピンジメント冷却するための複数の開口部を備える。次いで、冷却蒸気は、内側バンド１４にあるチャンバ、具体的には半径方向に最も内側の空洞に流入し、内側バンド部のインピンジメント板の開口部を通って流れ内側バンド部のノズル側壁をインピンジメント冷却する。次いで、使用済みの冷却媒体は、静翼の空洞３２〜３５を通り、さらには、以下で記載するが、出口筒３８のを通って流れ、排気ポート２７を通って流出する。上述の冷却回路の実施形態に関する完全な説明については、同じ出願人の米国特許第５，６３４，７６６号が参照され、その開示内容は本明細書に引用として組み込まれる。
【００１２】
図４に示される本出願の出願人の現在の設計によれば、外側カバー４２は、静翼空洞からの使用済みの冷却蒸気を受け入れるための一体に形成された出口筒４４を備える。出口筒は、静翼空洞３２〜３５の出口開口部の縁部内に下方に延び、静翼空洞周りの静翼壁に形成されるリブ４６から隔設される。出口筒４４の末端部とリブ４６との間には、インピンジメント板５０用の接続ビード４８がある。出口筒４４とリブ４６でのノズル壁間との接合は、インピンジメント板５０のビード４８によって遮られていることが分るであろう。さらに、インピンジメント板５０が出口筒４４の末端部に最初に蝋付け又は溶接されるため、リブ４６とビード４８との間の継手は、ブラインド状態で行なわれなければならない。従って、出口筒とノズル壁との間の継手は、望ましい強度を持つことができない。
【００１３】
図１及び図５において、出口筒３８の好ましい実施形態は、両端部が開放され、その内側端部が静翼壁５８周りのリブ５６の縁部に適合するように鋳造でその内側端部が構成された短い継ぎ目なしスリーブを含んでいる。また、出口筒３８はその両端部間に位置し、スリーブ全体の周りに延びる直立リブ５９を含む。スリーブ３８の反対側あるいは外側端部は、カバー板２０を貫通する開口部６２と継手を形成するための仕上げ面６０を持つ。さらに、カバー板２０は、出口ポート２７を固着する直立ボス６４を備える。
【００１４】
出口筒３８の上記構成により、ノズルセグメントへの出口筒３８の組立てが、いかなるブラインド継手を形成する必要もなく達成され、形成された各継手には、継手の形成の前、その間及び後でも近づくことができる。具体的には、出口筒スリーブ３８は、カバー２０及びインピンジメント板３０がセグメントに未だ固定されていない状態で、空洞の静翼開口部３２〜３５を覆って位置を保たれる。従って、スリーブ３８の内側端部とリブ５６との間の第１の継手６１は、完全に視ることも近づくことも可能で、蝋付けあるいはＥビーム又はレーザービームによる溶接を行なうことができる。結果として、強度のある継手を出口筒３８とノズル壁との間に形成することができる。第１の継手の形成に続いて、出口筒３８とインピンジメント板２２との間の第２の継手６３が形成される。第２の継手６３は、直立リブ５９とインピンジメント板２２の縁部との接合部に位置している。第１の継手におけると同様に、第２の継手は完全に露出しており、その形成の前及び後で近づくことができる。出口筒及びインピンジメント板がノズルセグメントに固着された状態で、第３の継手６５は、出口筒３８の外側端部とカバー２０を貫通する開口部６２の縁部との間に形成されることができる。第３の継手６５は、同様に、溶接の前、その間及び後でも完全に近づくことができ、そのため、継手の完成後に点検が可能である。最後に、出口ポート２７が、図５に６８で示されているカバーの直立リブ６４に溶接され、空洞３２〜３５から出口筒３８を通り、外側バンドを通過して、排気ポートへ至る使用済みの冷却媒体のための出口開口部が完成する。
【００１５】
本発明は、現在最も実用的で好ましい実施形態と思われるものについてこれまで説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されず、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び同等の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】 セグメントの外側バンド部に対する、出口筒、インピンジメント板、カバー及び出口ポートの組立てを示すノズルセグメントの分解組立斜視図。
【図２】 組立後のノズルセグメントの斜視図。
【図３】 インピンジメント板、カバー又は出口ポートを取除いた、ノズルセグメントの外側バンド部の斜視図。
【図４】 現在の出口筒の設計、及び出口筒と、インピンジメント板と、ノズル壁との間の継手を示す拡大破断断面図。
【図５】 ノズルセグメントの組立てにおける本発明の出口筒を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１０ ノズルセグメント
１２ 外側バンド部
１４ 内側バンド部
１６ 静翼
１８ ノズル壁
２０ 外側カバー
２１ チャンバ
２２ インピンジメント板
２４ 第１空洞
２６ 第２空洞
２７ 出口ポート
３０ 開口部
３３ 静翼空洞
３８ 出口筒スリーブ
５８ 静翼壁
５９ リブ
６１ 第１の継手
６２ 開口部
６３ 第２の継手
６４ 直立ボス
６５ 第３の継手

Claims (6)

1. 外側及び内側バンド部（１２、１４）と、前記バンド部間に延在する少なくとも１つの静翼（１６）とを持ち；前記１つの静翼が、少なくとも第１及び第２静翼空洞（３１、３２）と、前記第２静翼空洞と連通する前記外側バンド部の出口筒（３８）とを含み；少なくとも前記外側バンド部が、前記タービンを通る高温ガス通路の一部を構成するノズル壁（１８）と、その間にチャンバ（２１）を画成して前記外側バンド部の前記ノズル壁から半径方向に隔設されるカバー（２０）と、前記チャンバ内に配置され前記カバーと共に冷却媒体を受け入れる第１プレナム（２４）と前記ノズル壁と共にその一側に前記第１プレナムの反対側に位置する第２プレナム（２６）とを画成するインピンジメント板（２２）とを含み；前記インピンジメント板が、それを貫通する複数の開口部（３０）を備え前記冷却媒体を前記第１プレナムから前記第２プレナム内に流し前記ノズル壁をインピンジメント冷却し；前記第１静翼空洞が、前記第２プレナムと連通して位置し前記冷却媒体を前記静翼に沿って前記内側バンド部に流し；前記第２静翼空洞が、前記内側バンド部と連通して位置し前記冷却媒体を前記静翼に沿って前記出口筒に流すガスタービンのノズルセグメント（１０）であって、前記出口筒の一端部と前記第２空洞周りの前記静翼の縁部との間の第１の継手（６１）と、前記インピンジメント板と前記出口筒の前記一端部と反対側端部との間の位置で前記出口筒に沿った前記出口筒との間の第２の継手（６３）とを含み、前記カバーが開口部を備え、さらに、冷却媒体を前記出口筒を通して前記カバーを通過して出口ポートへ流すための前記出口筒の前記反対側端部と前記開口部周りの前記カバーとの第３の継手（６５）を含むことを特徴とするセグメント。
2. 前記静翼が第３空洞を持ち、前記出口筒が前記第３空洞と連通して位置し前記第３空洞からの冷却媒体を受け入れ、また前記冷却媒体を前記カバーの前記開口部を通して前記出口ポートに流すことを特徴とする請求項１に記載のセグメント。
3. 前記出口筒が、前記外側バンドの前記チャンバを貫通して延びることを特徴とする請求項１に記載のセグメント。
4. 前記出口筒が鋳造品であることを特徴とする請求項１に記載のセグメント。
5. 外側及び内側バンド部と、前記バンド部間に延在し、前記静翼に沿って延びる少なくとも１つの静翼空洞を備え、前記外側バンド部が、ノズル壁と、前記ノズル壁から半径方向に隔設されそれらでチャンバを画成するカバーと、前記チャンバ内に位置し前記カバーと共に冷却媒体を受け入れる第１プレナムと前記ノズル壁と共にその開口部を通して流れる冷却媒体を受け入れ前記ノズル壁をインピンジメント冷却する第２プレナムとを画成するインピンジメント板とを含むノズルセグメントを持つガスタービンにおいて、前記ノズルセグメントの出口筒を固着する方法であって、
   （ａ）前記出口筒の一端部を、それらの間の第１の継手で、前記静翼空洞の縁部周りの前記ノズル壁に固着する段階と、
   （ｂ）段階（ａ）に続き、前記インピンジメント板及び前記出口筒の縁部を互いに、前記出口筒の両端部の間の位置で前記出口筒に沿った第２の継手で固着する段階と、
   （ｃ）段階（ｂ）に続き、前記出口筒の反対側端部及び前記カバーを互いに、前記出口筒を前記静翼空洞の出口開口部と連通させて、固定する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 出口ポートを前記カバーに固定する段階を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。

Images