JP4554759B2 - 熱冷却タービンノズル段の内側及び外側バンドにおける熱応力を緩和する装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、概括的には、１以上のノズル段に冷却用閉回路を有するガスタービンに関するものであり、具体的には、高温ガス流路を流れる高温燃焼ガスと冷却媒体との温度差によってノズル段の内側及び外側バンドに生じる熱応力を低減することに関する。
【０００２】
工業用又は陸上ガスタービンでは、ノズル段の１以上を冷却するため、冷却媒体を、外側バンドの一部をなす各ノズルセグメント部のプレナムから１以上のノズルベーンに通してノズルを冷却し、さらに冷却媒体を内側バンド部のプレナムに通す。冷却媒体は次いで内側バンド部から半径方向外側方向に流れ、再び１以上のノズルベーンを通って排出される。通例、冷却媒体は蒸気である。１以上のノズルベーンと内側及び外側バンド部を含む各ノズルセグメントは通例鋳造品である。内側及び外側バンドの、高温ガス流路から離れた方の側に、カバーが装着され、冷却媒体を受入れるプレナムを画成する。カバーはノズルセグメントと一緒には鋳造されず、好ましくは、後々、例えば溶接又はろう付等によって内側及び外側バンド部に取付けられる。この構成では、バンドの高温ガス流路側は比較的高い温度に暴露されるのが、流路を流れる高温燃焼ガスに直接暴露されないカバーはかなり低い温度に留まる。加えて、カバーは外側が圧縮機吐出空気に暴露されるが、この圧縮機吐出空気は、蒸気冷却媒体の温度よりも高い温度を有するものの、高温燃焼ガスに暴露される内側及び外側バンドの温度よりはかなり低い。カバーとバンド部との温度差、特に、カバーと高温ガス流路に暴露されるバンド部の壁との溶接線に沿う温度差の結果、高い熱応力が発生する。その結果、高温ガス流路内の高温燃焼ガスと、内側及び外側バンドを流れる冷却媒体及び圧縮機吐出空気との温度差を主な原因としてノズル段の内側及び外側バンドに沿って発生する熱応力を減らす必要がある。
【０００３】
【発明の概要】
本発明の好ましい実施形態によれば、高温燃焼ガスの温度とカバーを通る冷却媒体の温度の中間の温度でカバー（特にカバーとノズルバンドの間の継手近傍）に熱媒体を流すことによって、内側及び外側バンドの流路面と冷却媒体及び圧縮機吐出空気に暴露されるカバーとの温度差を減らす。カバーを流れる熱媒体は、カバーの温度がノズルバンドの流路暴露面のバルク温度に近づくようにカバーを加熱するため、冷却媒体と圧縮機吐出空気の温度よりもかなり高い温度を有する。かかる熱媒体を供給するため、燃焼流路ガスの一部をカバー前縁の入口に流す。この燃焼ガスはカバーを貫通する通路を流れ、熱を実質的に均等にカバーに配分した後、カバーの後縁から流出して高温ガス流路に入る。流路ガスは温度が非常に高いので、流路ガス単独では、酸化、流路表面のバルク温度を超えるカバーのバルク温度の上昇、逆温度勾配を引き起こし、ひいては同じような高い熱応力によってカバーの損傷を引き起こすおそれがある。カバー内の加熱通路を流れる熱媒体の温度を最適化するため、高温燃焼ガスを高圧の圧縮機吐出空気と混合してカバー内の１以上の通路を流す。圧縮機吐出空気と連通し、しかもカバーを貫通する通路とも連通した１以上の流量規制開口を設けることによって、通路に入る高温流路ガスを圧縮機吐出空気と混合する。その結果、熱応力を適度に低減すべくカバーを加熱するのに十分な温度を有する熱媒体が得られ、一方、上述及びその他の問題は解消される。
【０００４】
また、都合のよいことに、燃焼ガスと圧縮機吐出空気の混合物は、（ｉ）通路の前縁における圧縮機吐出空気と高温燃焼ガスより圧力が低く、また（ii）カバーの後縁において高温燃焼ガスより圧力が高い。従って、冷却媒体はノズルセグメントの前縁と後縁間の通路を自然に流れる。その結果、カバーは高温ガス流路表面のバルク温度に非常に近い温度を有し、従って、熱的不整合によって発生する熱応力を減らしそして構成部の寿命を延ばしさらに継手の信頼性を高める。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態では、冷却媒体を流す冷却回路を有するタービンノズルの内側及び外側バンドの少なくとも一方における温度不整合を制御する装置であって、当該装置が、１以上のノズルベーンと該ノズルベーンの両端に隣接していて高温燃焼ガスを流す流路を部分的に画成する内側及び外側ノズルバンド部とを有するノズルセグメントを具備していて、上記内側及び外側バンド部の一方がタービンの高温ガス流路に暴露される壁を形成しているとともに壁の高温ガス流路から離れた方の側にカバーを有していて、該カバーと壁がそれらの間に冷却媒体を受入れて冷却回路の一部をなすプレナムを画成しており、上記セグメントが、カバーと壁との温度差を低減すべく冷却媒体と高温燃焼ガスの温度の中間の温度で熱媒体を流して上記一方のバンド部における熱応力を低減するための、カバーを貫通した１以上の通路を含んでいる、装置が提供される。
【０００６】
本発明の別の好ましい実施形態では、中間にタービンノズルベーンを有していて該ノズルベーンに冷却媒体を流すための冷却回路を有する内側及び外側バンドの少なくとも一方における温度不整合を制御する装置であって、当該装置が、１以上のノズルベーンと、該ノズルベーンの両端に隣接していて高温燃焼ガスを流す流路を部分的に画成する内側及び外側ノズルバンド部とを有するノズルセグメントを具備していて、上記内側及び外側バンド部の一方がタービンの高温ガス流路に暴露される壁を形成しているとともに壁の高温ガス流路から離れた方の側にカバーを有していて、該カバーと壁がそれらの間に冷却媒体を受入れて冷却回路の一部をなすプレナムを画成していて、カバーとバンド部の壁はその両側でそれらの間に継手を形成しており、上記セグメントが、継手領域におけるカバーと壁との温度差を低減すべく冷却媒体と高温燃焼ガスの温度の中間の温度で媒体を流して上記バンド部における熱応力を低減するための、カバーを前縁近傍から後縁まで継手近傍で貫通した複数の通路を含んでいる、装置が提供される。
【０００７】
本発明のまた別の好ましい実施形態では、内側バンドの壁と外側バンドの壁の間にベーンを有するタービンノズルセグメントの内側バンド又は外側バンドの壁と、ノズルを通過する高温燃焼ガスの流路から離れた方の壁の側にあるカバーとの温度差を低減するための方法であって、上記壁とカバーが、ノズルベーンの内部に流す冷却媒体を受入れるプレナムをそれらの間に画成しており、当該方法が、上記カバーの温度を高めるため、カバー内の１以上の通路（４２、６０）に高温燃焼ガスと冷却媒体の温度の中間の温度で熱媒体を流して段階を含んでなる方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示すノズル段が例示されており、タービン軸を中心として周方向に配置された複数のノズルセグメントを備えている。各ノズルセグメント１２には１以上のノズルベーン１４が含まれ、内側バンド部１６と外側バンド部１８の間に配置されている。内側バンド部１６と外側バンド部１８及びノズルベーン１４は、矢印２０の方向に流れる高温燃焼ガスの流路を画成している。ノズルセグメントはタービン軸の周りに周方向に配列され、固定されたシェル２２に固定される。また、図１には、タービンのロータの一部をなす複数の周方向に離隔したバケット２４の一つが例示されており、高温燃焼ガスはバケットの間を流れてロータを回転させる。
【０００９】
内側バンド部２４と外側バンド部２６は、それぞれ、共に流路２０の高温燃焼ガスに暴露される内側壁２５と外側壁２７、及び内側カバー２８と外側カバー３０を備えている。これらのカバーは上記の壁とともに、冷却媒体を受入れるプレナムＰを画成しており、図２では一つのプレナムＰを破線で示してある。具体的には、冷却媒体は、外壁プレナムに供給されて半径方向外側バンド部をインピンジメント冷却し、ベーン１４内部を通って内側バンド部のプレナムに入る。冷却媒体は後者のプレナムを流れて内側バンド部をインピンジメント冷却し、ベーン１４を貫通した半径方向外側方向に延在する通路を通って排出され回収される。ノズルセグメントは、例えば、ニッケル合金材料で鋳造することができる。カバー２８、３０は、好ましくは、図５に示した溶接継手又はろう付継手３２によって鋳造ノズルセグメントの壁に固定され、プレナムを画成する。再度図１を参照すると、内側及び外側バンド部の壁は当然に流路２０を流れる高温燃焼ガスの高温に暴露されるが、カバー２８は壁から離れた方の側面で圧縮機吐出空気に暴露される。圧縮機吐出空気は無論高温燃焼ガスよりも温度が低い。加えて、プレナムを経てノズルに供給される冷却媒体は、圧縮機吐出空気の温度と流路２０を流れる高温ガスの温度の中間の温度を有する。前述のように、これはカバーと内側及び外側バンド部との間に熱的不整合を引き起こし、その結果内側及び外側バンドセグメントに熱応力が発生する。本発明は、カバーの温度を、内側壁及び外側壁の温度に比較的近い温度でしかも壁のバルク温度と冷却媒体の温度の中間の温度まで上昇させることによって、かかる熱応力を最小限又は皆無にする。
【００１０】
以上のことを達成するために、図１及び図２に示すように、各々のカバーは、熱媒体（すなわち、カバーを加熱してその温度を実質的に壁のバルク温度まで上げるための加熱媒体）を流すため、カバー前縁から後縁まで延在する１以上の通路（好ましくは１対の通路４２）を有する。図２の内側バンド部１６を参照すると、カバー２６は各通路４２の入口４０を１以上含んでいて、通路４２はカバーの前縁４４と後縁４６の間に延在していて出口４７に至る。各通路４２には前縁４４近傍に混合室４８が設けられる。図２に最も明瞭に示されている通り、ノズルセグメントの前縁と隣接構造体５０の間にスロット４９が形成されていて、高温ガス流路を流れる高温ガスがそこを流れて通路４２の入口４０に流入できるようになっている。さらに、通路５２がカバーを貫通し、その両端はそれぞれ混合室４８及び圧縮機吐出空気を含んだ領域５４と連通している。その結果、高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気が混合室４８に供給されて混合され、カバーの温度を実質的に壁のバルク温度まで上げるのに十分な温度を有する熱媒体を与える。
【００１１】
図３及び図５に最も明瞭に示されている通り、入口４０及び通路４２は、カバーの両側にカバーと壁の間の各継手に直接隣接して配設されている。また、追加の通路４２と入口４０と混合室４８と出口４７を、カバーの両端の間にカバーの前縁から後縁にかけてカバーを貫通するように設けもよい。これらの追加通路は、高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気の混合物によって、カバーの両端の間でカバーを同様に加熱する。図３及び図４を参照すると、内側又は外側バンド部に有用な１対のカバーの概略が示してある。図３では、例えば、内側カバー２８は両側近傍に通路４２を備えており、図示のカバーに重ね合わせてベーン１４の輪郭を破線で示す。図から分かる通り、各通路４２の出口４７は、高温燃焼ガスがベーンの後縁から流れる角度と実質的に同じ角度をもつ。図３に示した通路４２はカバーの両側でカバーとバンド部１６の間の継手に直接隣接していることが分かる。
【００１２】
図４では、カバー全体が高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気の混合物によって加熱される。この形態では、蛇行通路がカバーを貫通して設けられている。上記の実施形態と同様に、入口６２によって高温燃焼ガスが混合室６４内へと導かれる。高温ガスと圧縮機吐出空気の混合物が通路６０を流れ、出口６６を経て高温ガス流へと入る。出口６６はベーンの後縁の角度と実質的に同じ角度をもつので、流出する熱媒体はベーンの後縁を離れる高温燃焼ガスと実質的に同じ方向に流れる。
【００１３】
半径方向外側バンド部は上述の内側バンド部と同様に形成されていることが分かる。すなわち、外側バンド部は同様にその両側近傍に入口を有し、これらの入口は前縁近傍の混合室と連通していて、そこで圧縮機吐出空気と高温燃焼ガスとが混合され、カバーの両側縁に沿う通路を流れて外側カバーの後縁近傍で高温ガス流路に入る。
【００１４】
以上の説明から明らかな通り、カバーの温度は、高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気の混合物によって、内側又は外側バンド部の壁のバルク温度近くまでカバーを加熱する温度へと高められる。その結果、カバーと内壁及び外壁バンド部との温度差が格段に低減して、熱応力を最小又は皆無にするのに十分なものとなる。また、各カバーを貫通するかなりの数の通路をカバーの両側に１対の通路と実質的に平行に配設してもよいことを認識されたい。例えば、図５には、高温燃焼ガスをカバー内の複数の混合室に流し込むための入口が例示されており、これにより高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気とが混合して通路７０を通る。従って、カバー全体を加熱することができる。また、前縁における高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気の圧力は、後縁における流路の圧力より高い。従って、混合ガスの流れはポンプ圧送を必要とせず、ガスは自然に流れてカバーを加熱する。
【００１５】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で特定した技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るガスタービンのノズル段を示す断片断面図である。
【図２】 ノズルセグメントの内側バンド部の前縁を示す拡大断片断面図である。
【図３】 内側又は外側バンドセグメント用のカバーの概略斜視図である。
【図４】 内側又は外側バンドセグメント用の他のカバーの概略斜視図である。
【図５】 熱媒体通路を示す内側バンドセグメント部の断片断面図である。
【符号の説明】
１２ ノズルセグメント
１４ ノズルベーン
１６ 内側バンド部
１８ 外側バンド部
２０ 高温ガス流路
２５ 内側バンド部の壁
２７ 外側バンド部の壁
２８ 内側カバー
３０ 外側カバー
３２ 溶接又はろう付継手
４０ 入口
４２ 通路
４４ 前縁
４６ 後縁
４７ 出口
４８ 混合室
５２ 通路
６０ 蛇行通路
６２ 入口
６４ 混合室
６６ 出口
７０ 通路

Claims (10)

1. 冷却媒体を流す冷却回路を有する内側及び外側バンド（１６，１８）を備えるタービンノズルを有するノズル段（１０）であって、当該ノズル段（１０）が、
   １以上のノズルベーン（１４）と、該ノズルベーンの両端に隣接していて高温燃焼ガスを流す流路（２０）を部分的に画成する内側及び外側ノズルバンド部（２４，２６）とを有するノズルセグメント（１２）
   を具備していて、
   上記内側及び外側バンド部の一方（２４）が、該タービンノズルを含むタービンの高温ガス流路に暴露される壁（２５）を形成しているとともに壁（２５）の高温ガス流路から離れた方の側にカバー（２８）を有していて、該カバー（２８）と壁（２５）がそれらの間に冷却媒体を受入れて冷却回路の一部をなすプレナム（Ｐ）を画成しており、
   上記セグメント（１２）が、上記プレナム（Ｐ）とは連通していない１以上の通路（４２）であって、カバー（２８）と壁（２５）との温度差を低減すべく上記プレナム（Ｐ）に受け入れられる冷却媒体と高温燃焼ガスの温度の中間の温度で熱媒体を流して上記バンド部の一方（２４）における熱応力を低減するための、上記カバー（２８）の前縁（４４）から後縁（４６）までカバーを貫通した１以上の通路（４２）を含んでいて、上記通路（４２）がカバー（２８）の前縁（４４）近傍に混合室（４８）を有しており、さらに両端がそれぞれ混合室（４８）及び圧縮機吐出空気を含んだ領域（５４）と連通した通路（５２）がカバー（２８）内部に設けられている、ノズル段（１０）。
2. 前記通路（４２）が、ノズルセグメント（１２）の前縁と隣接構造体（５０）の間に形成されたスロット（４９）を介して高温ガス流路を流れる高温燃焼ガスと連通している、請求項１記載のノズル段（１０）。
3. 前記通路（４２）が、高温燃焼ガスがノズルベーンの後縁から流出する角度と実質的に同じ角度に熱媒体を向ける角度の出口（４７）を有している、請求項１又は請求項２記載のノズル段（１０）。
4. 前記バンド部の一方（２４）のカバー（２８）とバンド部の壁（２５）が前記セグメント（１２）の両側でそれらの間に継手（３２）を形成しており、熱媒体を流して継手に沿ってカバーと壁との温度差を減らすため、前記通路（４２）がセグメントの片側の継手近傍に延在しているとともに第２通路（４２）がセグメントの反対側に沿う第２継手近傍に延在している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズル段（１０）。
5. 前記通路（４２）が、バンド部の両端の間にその前縁から後縁にかけて蛇行（６０）して延在している、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のノズル段（１０）における温度差を低減するための方法であって、当該方法が、上記カバー（２８）の温度を高めるため、カバー内の１以上の通路（４２）に高温燃焼ガスと冷却媒体の温度の中間の温度で熱媒体を流すことを含んでおり、その際、前記壁（２５，２７）の前縁近傍の混合室（４８）内で高温燃焼ガスと圧縮機吐出空気を混合して上記熱媒体を生成させ、その混合物を前縁近傍から通路を通して壁の後縁まで流すことを特徴とする方法。
7. ノズルセグメント（１２）の前縁と隣接構造体（５０）の間に形成されたスロット（４９）を介して、前記高温燃焼ガスを通路（４２）に流すことを含んでなる、請求項６記載の方法。
8. 壁の後縁で流出する熱媒体を、高温燃焼ガスがノズルベーンの後縁から流出するのと実質的に同じ角度で流すことを含んでなる、請求項６又は請求項７記載の方法。
9. 前記通路（６０）がセグメント（１２）の両端の間に前縁から後縁にかけて蛇行して延在している、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記セグメント（１２）の両側でカバー（２８，３０）と壁（２５，２７）の間に継手（３２）を設け、継手（３２）近傍に１対の通路（４２）を形成し、この継手（３２）近傍の１対の通路に上記熱媒体を流す、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。

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