JP4659971B2 - 内部冷却回路を有するタービン静翼セグメント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電用ガスタービンなどの陸上ガスタービンに関するものであり、具体的には、ガスタービンのノズルセグメントの内部冷却回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、タービン動翼及びタービンノズルを冷却するためガスタービンの圧縮機から圧縮機抽気が抽出されている。しかし、冷却空気の抽出はタービン効率の寄生的損失となる。近年、最新式ガスタービン設計では、高温ガス経路流の温度がタービン部品の融点を超えかねないことが認められており、そのため、運転中このような高温ガス経路部品を保護するための異なる冷却設計が必要とされている。蒸気は、熱容量が高いため、冷却媒体として空気よりも優れていることが認められている。ノズルセグメント用冷却媒体として蒸気を用いるガスタービンは、例えば本願出願人に譲渡された米国特許第５６７４７６６号に開示されている。
【０００３】
上記米国特許に記載の冷却設計では、ノズル静翼が介在するノズルセグメントの内壁と外壁（つまり内側バンドと外側バンド）に、ノズルセグメントの外壁及び内壁のインピンジメント冷却のための隔室が設けられる。冷却用蒸気は静翼壁に沿っても供給される。そのため、冷却蒸気を外壁の第１室に供給して、そこでインピンジメント板のインピンジメント開口を通過させて外壁をインピンジメント冷却する。蒸気は次に各静翼の第１及び第５空洞内を半径方向内側に流れ、これらの空洞内のインサートを通る。インサートは開口を有していて、蒸気はこれらの開口を通って静翼壁の所定部分をインピンジメント冷却する。蒸気は次いで内壁の内室に流入し、反転してインピンジメント板の開口を半径方向外側に流れて内壁をインピンジメント冷却する。使用後の冷却媒体は、静翼の隣接壁をインピンジメント冷却するための複数の開口を備えたインサートを各々有する３つの中間空洞を半径方向外側に流れる。次いで使用後の冷却蒸気はセグメントの外に流出する。
【０００４】
さらに、後縁を冷却するため、静翼の後縁付近に延在する空洞に空気も供給される。空気は複数のタービュレータを通過して後縁の複数の開口を通して高温ガス流へと流出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の設計は多数の利点を有するが、鋳造の費用と複雑さを低減しつつ、さらにインサートの数を減らした一段と頑丈な設計を有することが望まれる。
【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では、冷却サイクル条件を満足しつつ、複雑さ及び費用の低減した冷却回路（例えば、蒸気及び空気冷却回路）を有するノズル段が提供される。具体的には、本発明のノズル段用冷却設計は、外側及び内側バンドと、外側バンドと内側バンドの間に延在する静翼とを含む。上述の米国特許と同様、ガス経路を画成する壁のインピンジメント冷却のため、内側バンド及び外側バンドに隔室が設けられる。ただし、本発明では、先行米国特許の流れパターンとは大幅に異なる流れパターンを有する冷却回路が各静翼内に設けて、上述の利点を得る。本発明では、各静翼セグメントの内側バンドと外側バンドの間に第１、第２、第３、第４及び第５空洞を設ける。各静翼内の空洞は前縁から後縁に向かってこの順序で順次配設される。外側バンドのガス経路壁をインピンジメント冷却した後、外側バンドからの蒸気は第１及び第２空洞内のインサートを略半径方向内側に流れ、インサートの複数の開口を通して静翼の所定壁面をインピンジメント冷却する。蒸気は第４空洞にも供給されて半径方向内側に流れる。しかし、第４空洞はインサートをもたず、第４空洞を画成する静翼壁はインピンジメント冷却されず、対流冷却される。このように、冷却媒体は第１、第２及び第４空洞に比較的低い温度で供給され、静翼の最高温部分である前縁と後縁の近辺での冷却を向上させる。内側バンド隔室に流入した蒸気はインピンジメント板を通って内側バンドをインピンジメント冷却する。使用済冷却蒸気は第３静翼空洞に供給される。第３空洞内のインサートは、静翼の所定壁面をインピンジメント冷却するための複数の開口を有する。次いで、使用後の冷却蒸気は第３空洞内を外側に流れて静翼セグメントの略半径方向外側へと流出する。第５空洞は圧縮機抽気によって空冷される。また、複数のタービュレータが第５空洞内に設けられる。ただし、第５空洞は閉ざされていて、空気を高温ガス経路流に排出しない。使用後の冷却空気はホイール空間内へと排出される。
【０００７】
本発明による好ましい実施形態では、タービンを貫通するガス経路を部分的に画成する内壁と外壁とをそれぞれ有する互いに隔設された内側バンドと外側バンドと、内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に延在しかつ前縁と後縁を有する静翼にして冷却媒体を流すために前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在する複数の別個の空洞を含む静翼と、外壁の隔室内に冷却媒体を流入させるための当該セグメント用冷却媒体入口とを備えてなるタービン静翼セグメントであって、上記空洞が前縁から後縁に向かって順次第１、第２、第３、第４及び第５空洞を含んでいて、上記静翼が冷却媒体を隔室から第１、第２及び第４空洞へと流入させ第１、第２及び第４空洞に沿って略半径方向内側に流すため隔室と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口を有しており、上記静翼が冷却媒体を第１、第２及び第４空洞から内側バンドの隔室内に流すため内壁の隔室と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口を有しており、かつ静翼が冷却媒体を第３空洞内で略半径方向外側に流して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンドの隔室と第３空洞とを連通する開口を有している、タービン静翼セグメントが提供される。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態では、タービンを貫通するガス経路を部分的に画成する内壁と外壁とをそれぞれ有する互いに隔設された内側バンドと外側バンドと、内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に延在しかつ前縁と後縁を有する静翼にして、冷却媒体を流すために前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在する複数の別個の空洞を含む静翼と、外壁の外側に隔設された外側バンド用の第１カバーと、第１カバーと外壁の間の第１インピンジメント板にしてその両側に外室と内室を部分的に画成する第１インピンジメント板と、外室内に冷却媒体を流入させるための当該セグメント用冷却媒体入口と、内壁から内側に隔設された内側バンド用の第２カバーと、第２カバーと内壁の間の第２インピンジメント板にしてその両側に外室と内室を部分的に画成する第２インピンジメント板とを備えてなる、タービン静翼セグメントであって、上記インピンジメント板が、外壁のインピンジメント冷却のため冷却媒体を外室から内室内に流すための複数の開口を有しており、上記空洞は前縁から後縁に向かって順次第１、第２、第３、第４及び第５空洞を含んでいて、上記静翼が、冷却媒体を内室から第１、第２及び第４空洞へと流入させ第１、第２及び第４空洞内を略半径方向内側に流すため内室と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口を有しており、上記静翼が冷却媒体を第１、第２及び第４空洞から内側バンドの内室内に流すため内壁の内室と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口を有していて、第２インピンジメント板が内壁のインピンジメント冷却のため冷却媒体を内側バンドの内室から内側バンドの外室内に流すための複数の開口を有しており、上記静翼が冷却媒体を第３空洞内で略半径方向外側に流して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンドの外室と第３空洞とを連通する開口を有している、タービン静翼セグメントが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
添付図面、特に図１を参照すると、タービンを貫通する高温ガス経路１６を部分的に画成する外側バンド１２と内側バンド１４とを含むノズル静翼セグメント（全体を符号１０で示す）が示してあり、この静翼セグメント１０はタービンの一部をなす。外側バンド１２と内側バンド１４は静翼１８でつながっている。外側バンドと内側バンドと複数の静翼は各セグメントに設けられ、係る複数のセグメントがタービンの軸線の周りに環状の列をなして配置される。外側バンドと内側バンドの間の静翼を存在する空間が、タービンを貫通するガス流路１６を画成する。
【００１０】
外側バンド１２は、高温ガス経路１６を部分的に画成する外側バンド壁２０、及び前方カバー２４と後方カバー２６とからなるカバー２２を含んでいる。内側バンド１４は、ガス経路１６を部分的に画成する内壁２８、及び内側カバー３０を含んでいる。
【００１１】
外側バンド１２と内側バンド１４の間に延在する静翼１８は、図５に最も明瞭に示されている通り、静翼セグメントをタービンの静止ケーシング（図示せず）に固定するための前方フック３３を有する静翼延長部３２を含んでおり、以降の説明で明らかとなるように冷却媒体の流れを促進する。静翼１８は複数の空洞に分割され、好ましい実施形態では、空洞は第１、第２、第３、第４及び第５空洞からなる（それぞれ符号３４，３６，３８，４０，４２で示す）。これらの空洞は静翼の前縁４４から後縁４６に向かって順次内部リブ４８，５０，５２，５４によって配設される。図５に示す通り、単一カバー５６で第１及び第２空洞３４，３６を覆ってそれらを閉ざしており、さらに別の静翼カバー（図示せず）で空洞４０を覆っている。
【００１２】
外側バンド１２は隔室５５（図５）を含んでいて、インピンジメント板６０で隔てられた外室５６と内室５８とに分割される。インピンジメント板６０は前方インピンジメント板部分６１と後方インピンジメント板部分６３とで構成され、静翼延長部３２の周囲に延在する。インピンジメント板６０は、蒸気を外側バンドの外室５６から外側バンドの内室５８へと導くための複数のインピンジメント開口を有する。前方カバー２４には、図５に示す通り、蒸気を外室５６に供給するための蒸気入口６５が含まれている。静翼延長部３２は、静翼延長部を貫通してそれぞれ第１、第２及び第４空洞３４，３６，４０へと通じる横開口６４，６６，６８を有していて、使用後のインピンジメント蒸気を各空洞内に導く。
【００１３】
第１及び第２空洞は、半径方向外端が開き半径方向内端が閉じたインサートを各々含んでいる。第３空洞は、内端が開き外端が閉じたインサート７４を有する。第１及び第２空洞内のインサート７０，７２は、横開口６４，６６からの蒸気をインサートの開放上端を通してインサート内に導くためのカラーを半径方向外端付近に有する。インサート７０，７２及び第３空洞３８内の別のインサート７４は、静翼の両側壁をインピンジメント冷却するため、インサート壁に複数のインピンジメント冷却用開口７５を含んでいる。
【００１４】
内側バンド１４は隔室８１（図１）を含んでいて、内室８２と外室８６とに分割される。インサート７０，７２の下端は空洞ガイド７９を有する。ガイド７９は、使用後の冷却蒸気を内側バンド１４内のインピンジメント板８４の半径方向内側の半径方向内室８２へと導く。空洞ガイド７９の開口８０は空洞３６からの使用済蒸気を調量するとともに、計装配管（図示せず）が設けられる。こうして、空洞ガイド７９は使用済冷却蒸気を内室８２へと導くが、そこで蒸気は反転して、インピンジメント板８４のインピンジメント冷却用開口を通して内側バンド１４の内壁２８をインピンジメント冷却する。第３空洞内のインサート７４はインピンジメント板８４と内壁２８の間の外室８６に通じていて、使用済インピンジメント蒸気は第３空洞を通って戻り、第３空洞に隣接する静翼の側壁をインピンジメント冷却する。使用済蒸気は次いで静翼延長部を通って後方カバー２６の蒸気排出口８７へと流れる。
【００１５】
図１に示す通り、第４空洞４０には横開口６８から蒸気が流入して静翼壁を対流冷却する。第４空洞内にはインサートは存在しない。蒸気は第４空洞を通って内側バンド１４の内室８２に流入し、第１及び第２空洞からの使用済インピンジメント冷却蒸気と合流して内壁２８をインピンジメント冷却し、第３空洞３８を通って戻る。
【００１６】
後縁に隣接した最後の空洞４２は、その半径方向外端で、後方カバー２６を貫通した冷却空気入口（図５）と連通している。冷却空気（好ましくは圧縮機吐出空気）はこうして第５空洞４２に流入する。冷却空気の境界層を乱して後縁を効率的に冷却するため、複数のタービュレータ９０が第５空洞４２の両側壁に沿って設けられる。使用済冷却空気は第５空洞から開口４５を通してタービンのホイール空間内に流出する。
【００１７】
使用時に、蒸気は前方カバー２４の蒸気入口６５を通して外側バンド１２の外室５６に流入する。蒸気は必然的にインピンジメント板６０のインピンジメント開口を通して外側バンド１２の外壁２０をインピンジメント冷却する。使用後のインピンジメント冷却蒸気は第１、第２及び第４空洞の横開口６４，６６，６８を通って流れる。これらの空洞は上端がカバープレートで閉じているので、蒸気は半径方向内側に向かってインサート７０，７２内を流れる。第１及び第２空洞内では、蒸気はインサート壁のインピンジメント冷却孔から外側に流れて静翼側壁の対応部をインピンジメント冷却する。第１及び第２空洞からの使用後の冷却蒸気は半径方向に内側バンド１４に向かって流れガイド７９を経て内室８２へと流出する。横開口６８からの蒸気は第４空洞４０を半径方向内側に流れて静翼壁を対流冷却し内室８２へと流入する。空洞３４，３６，４０から内室８２に入った蒸気はインピンジメント板８４のインピンジメント開口を通って内側バンド１４の外室８６に流入する。この使用済冷却蒸気は第３空洞インサート７４の半径方向内端を通ってインサート７４に沿って半径方向外側へと流れる。この戻り蒸気流はインサート７４のインピンジメント開口にも流れ、第３空洞に隣接する静翼の両側壁をインピンジメント冷却する。次いで、使用済蒸気は後方カバー２６の蒸気出口８７を経て静翼セグメントから流出する。同時に、圧縮機吐出空気が第５空洞４２に流入して、この空洞内を半径方向内側に流れて後縁４６を冷却する。使用済冷却空気は内側バンドを通ってロータのホイール空間内に流出する。
【００１８】
以上、本発明を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ついて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態のみに限定されるものではなく、請求項に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成にも及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静翼セグメントの概略側断面図である。
【図２】静翼の第１、第２及び第３空洞用のインサートの斜視図である。
【図３】図１の線３−３にほぼ沿う断面図である。
【図４】外側バンドの外壁上方の静翼延長部と、静翼延長部を貫通した蒸気入口を示す断面図である。
【図５】静翼セグメントの様々な部分を複合形態で示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０ 静翼セグメント
１２ 外側バンド
１４ 内側バンド
１８ 静翼
２０ 外壁
２２ カバー
２８ 内壁
３０ 内側カバー
３２ 静翼延長部
３４ 第１空洞
３６ 第２空洞
３８ 第３空洞
４０ 第４空洞
４２ 第５空洞
４３ 開口
４４ 前縁
４５ 開口
４６ 後縁
５５ 隔室
５６ 外室
５８ 内室
６０ インピンジメント板
６４，６６，６８ 横開口
６５ 冷却媒体（蒸気）入口
７０，７２，７４ インサート（インサートスリーブ）
７５ インピンジメント冷却用開口
７７ 開口
７９ 空洞ガイド
８０ 開口
８１ 隔室
８２ 内室
８４ インピンジメント板
８６ 外室
８７ 蒸気出口
９０ タービュレータ

Claims (9)

1. タービンを貫通するガス経路（１６）を部分的に画成する内壁（２８）と外壁（２０）とをそれぞれ有する互いに隔設された内側バンド（１４）と外側バンド（１２）と、
   内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に延在しかつ前縁（４４）と後縁（４６）を有する静翼（１８）にして、冷却媒体を流すために前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在する複数の別個の空洞（３４，３６，３８，４０，４２）を含む静翼（１８）と、
   外壁の隔室（５５）内に冷却媒体を流入させるための当該セグメント用冷却媒体入口（６５）とを備えてなるタービン静翼セグメントであって、
   上記空洞が前縁から後縁に向かって順次第１、第２、第３、第４及び第５空洞（３４，３６，３８，４０，４２）を含んでいて、上記静翼が、冷却媒体を隔室（５５）から第１、第２及び第４空洞へと流入させ第１、第２及び第４空洞に沿って半径方向内側に流すため隔室（５５）と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口（６４，６６，６８）を有しており、
   第１及び第２空洞（３４，３６）の内部に半径方向内側方向の流れのための第１及び第２インサートスリーブ（７０，７２）が配置され、第３空洞（３８）の内部に半径方向外側方向の流れのための第３インサートスリーブ（７４）が配置されており、
   上記静翼が冷却媒体を第１、第２及び第４空洞から内側バンドの隔室（８１）内に流すため内壁の隔室（８１）と第１、第２及び第４空洞とを連通する複数の開口（８０）を有しており、かつ
   静翼が冷却媒体を第３空洞内で半径方向外側に流して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンドの隔室（８１）と第３空洞とを連通する開口（７７）を有している、
   タービン静翼セグメント。
2. 当該タービン静翼セグメントが、さらに、
   外壁（２０）の外側に隔設された外側バンド用の第１カバー（２２）と、第１カバーと外壁の間の隔室（５５）内に配置された第１インピンジメント板（６０）にしてその両側に外室（５６）と内室（５８）を部分的に画成する第１インピンジメント板（６０）と、
   内壁（２８）から内側に隔設された内側バンド用の第２カバー（３０）と、第２カバーと内壁の間の隔室（８１）内に配置された第２インピンジメント板（８４）にしてその両側に外室（８６）と内室（８２）を部分的に画成する第２インピンジメント板（８４）と
   を備えており、
   上記第１インピンジメント板（６０）が、外壁（２０）のインピンジメント冷却のため冷却媒体を外室（５６）から内室（５８）内に流すための複数の開口を有しており、
   上記第２インピンジメント板（８４）が内壁（２８）のインピンジメント冷却のため冷却媒体を内側バンドの内室（８２）から内側バンドの外室（８６）内に流すための複数の開口を有している、請求項１記載のタービン静翼セグメント。
3. 第２冷却媒体が第５空洞（４２）を半径方向内側に流れるように内壁（２８）と外壁（２０）とを貫通した開口（４３，４５）を含む、請求項１又は請求項２記載のタービン静翼セグメント。
4. 第５空洞（４２）が静翼の後縁に沿って存在し、前縁から後縁に向かって順に並んだ空洞の最後のものからなる、請求項３記載のタービン静翼セグメント。
5. 静翼が５つの空洞（３４，３６，３８，４０，４２）だけを有する、請求項１記載のタービン静翼セグメント。
6. 前記第１、第２及び第３インサートスリーブ（７０，７２，７４）が第１、第２及び第３空洞それぞれの内部にそれぞれの内壁から離隔して設けられていて、各インサートスリーブが、冷却媒体を該インサートスリーブ内に流入させる入口と、冷却媒体をスリーブ開口から該スリーブと該空洞の間の空間に流入させて静翼の内壁面をインピンジメント冷却するための複数のインピンジメント開口（７５）とを有しており、第１及び第２スリーブが第１及び第２空洞の内壁面から離隔していて該内壁面と共にそれぞれの流路を画成して使用済インピンジメント冷却媒体を流路から内壁の隔室（８１）へと流すようになっており、第３スリーブが第３空洞の内壁面から離隔していて該内壁面と共に内壁の隔室（８１）から第３インサートスリーブの開口を流れる冷却媒体を受入れて静翼の半径方向外側へと導く流路を画成している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービン静翼セグメント。
7. 前記インサートがそれぞれ第１、第２及び第３空洞内だけに存在し、第４及び第５空洞にはインピンジメント冷却用インサートがない、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービン静翼セグメント。
8. 前記冷却媒体が蒸気である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のタービン静翼セグメント。
9. 前記第２冷却媒体が圧縮機吐出空気である、請求項３乃至請求項８のいずれか１項記載のタービン静翼セグメント。

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