JP4698820B2 - タービンノズルセグメントの側壁を衝突冷却する装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルセグメントのガスタービンノズルバンド部側壁の衝突冷却に関し、特に、ノズルセグメントカバーとノズル側壁との間の溶接継ぎ目が高温ガス通路に露出されるノズル壁から離間する構成におけるノズルセグメントのアンダーカット領域での、ノズルバンド部側壁の衝突冷却に関する。本発明は、米国エネルギー省により認可された契約第DE−FC２１−９５MC３１１８７６号の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に対し一定の権利を有する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のガスタービン構造においては、通常、タービンの回転軸の周囲に複数のノズルセグメントが環状アレイを成して配列されている。セグメントのアレイは環状の外側バンド部と、内側バンド部とを形成し、それらのバンド部の間に複数の羽根部が延出している。バンド部と羽根部は、その一部で、ガスタービンを通過する高温ガス通路を規定する。各ノズルセグメントは外側バンド部と、内側バンド部とを具備し、それら外側バンド部と内側バンド部との間に１つ又は複数のノズル羽根が延出している。現在のガスタービン構造では、例えば蒸気などの冷媒がそれぞれのノズルセグメントに供給され、高温ガス通路に露出される部分を冷却する。蒸気冷却に対応するため、各バンド部は、一部でタービンを通過する高温ガス通路を規定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に離間して配置され、ノズル壁との間にチャンバを規定するカバーと、そのチャンバ内に配設される衝突板とを含む。衝突板はカバーと共に、その一方の側に、冷却用蒸気入口から供給される冷却用蒸気を受け入れるための第１の空洞部を規定する。また、衝突板は、その反対側に沿って、ノズル壁と共に第２の空洞部を規定する。衝突板は、冷却用蒸気を第１の空洞部から第２の空洞部の中へ流入させて、ノズル壁を衝突冷却するための複数の開口を有する。その後、冷却用蒸気は羽根の空洞部を通って半径方向内側へ流れる。羽根の一部は、羽根の側壁を衝突冷却するための開口が形成された挿入部材を含む。冷却用蒸気は更に内側バンド部のチャンバに入り、その流れの方向を逆転させて、衝突板を通って半径方向外側へ流れ、内側バンド部のノズル壁を衝突冷却する。使用済みの冷却用媒体は羽根の空洞部を通ってノズルセグメントの排出ポートに戻る。
【０００３】
外側バンド部及び内側バンド部の各々に設けられたカバーは、対応するノズル側壁に溶接されるのが好ましい。従来の構成においては、カバーとノズル側壁との間の溶接継ぎ目はノズル壁と、隣接するノズルセグメントの側壁の間のスプラインシールとの間の半径方向のある場所に位置していた。その場所にあると、溶接部は高温ガス通路を流れる高温のガスに露出され、冷却することは非常に困難であった。従って、溶接継ぎ目が高温ガス通路に近接していたために、継ぎ目の疲れ寿命は著しく短くなっていた。更に、溶接の場所は製造の再現性という点でも最適の位置ではなく、製造許容差も非常に厳しかった。この溶接継ぎ目は、壁の厚さが変動するために継ぎ目に対する応力が増加し、低サイクル疲れを減少させ、部品の寿命を制限してしまうという特徴を持っていた。機械加工後の溶接部の壁の厚さも、製造工程で許容し得ないほどに変動していた。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の好ましい一実施例によれば、カバーとノズル壁との間の溶接継ぎ目が高温ガス通路に露出されるノズル壁から離れた、スプラインシールの側に位置するようなノズルセグメントにおいて、冷却システムが提供される。すなわち、外側バンド部のカバーとノズル側壁との間の溶接継ぎ目は隣接する外側バンド部間のスプラインシールから半径方向外側に配置されており、一方、内側バンド部のカバーとノズル側壁との間の溶接継ぎ目は隣接する内側バンド部間のスプラインシールの半径方向内側に配置されている。これにより、タービンの動作中の溶接継ぎ目の温度は低下し、継ぎ目に加わる熱応力と機械的応力は共に減少し、溶接後に機械加工する必要は全くなくなるので、一定の厚さを有し、疲れ寿命の長い接合が得られる。また、このような配置とすることにより、加工が容易になると共に、溶接欠陥に対する許容差も改善される。
【０００５】
そのような溶接場所を規定するために、ノズルセグメントバンド部の側壁に隣接してアンダーカット領域を形成する。すなわち、各アンダーカット領域はノズルセグメントの側壁又は縁部と、ノズル壁から内側へ、ノズル壁とほぼ平行に離間して延出する内側折り返しフランジとを含む。しかし、アンダーカット領域が側壁又は縁部を衝突板から離間させていることを考えると、ノズルバンド部側壁又は縁部を冷却することは極めて難しい。このように、衝突板の開口を通る衝突冷却流れからかなり離れていると、ノズル側壁の冷却の効果は低下してしまう。
【０００６】
本発明によれば、側壁の製造と冷却の改善が図られる。すなわち、カバーとノズル側壁との間の溶接継ぎ目がタービンを通る高温ガス通路から離れて位置している場合、衝突冷却流れを側壁に導く為に、衝突板を貫通する開口と裏当て板を貫通する開口とを整列して衝突板に対して裏当て板を設けることにより、側壁の冷却効果は改善される。すなわち、衝突板は折り曲げ縁部を設けている。縁部の辺は、例えばノズルセグメント側壁の内側折り返しフランジの形成面に溶接することにより固定され、ノズルセグメント側壁に対してほぼ平行に延出する衝突板の折り曲げ縁部の一部を残す。より直接的に折り曲げ縁部の開口を流れる衝突冷媒を集中して当てる為に、衝突板の折り曲げ縁部を通る開口と整列される開口を有する裏当て板は、折り曲げ縁部に沿って固定される。結果として、整列開口の長さと直径の比は改善され、それによってノズルセグメントの側壁へ冷却流れを集中して当てることが可能となる。裏当て板は更に、衝突板の周囲に対する付加的な強度を追加する。
【０００７】
前述の冷却システムは、容易に製造される。例えば裏当て板は、衝突板の折り曲げフランジに追加され、開口は裏当て板及び折り曲げ縁部を貫通して一体に設けられる。そして衝突板は、ノズルセグメント内に配置されて位置決めされ、その後ノズルセグメントに溶接又はろう付けされる。
【０００８】
本発明による好ましい一実施例においては、ガスタービンで使用するためのノズルセグメントであり、外側バンド部及び内側バンド部と、外側バンド部と内側バンド部との間に延出する少なくとも一つの羽根部とを有し、バンド部の少なくとも一方は、一部でタービンを通過する高温ガス通路を規定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に離間しノズル壁との間にチャンバを規定するカバーと、セグメント内に固定されてチャンバ内に配設され、カバーと共にその片側に冷媒を受け入れるための第１の空洞部を規定する衝突板とを含み、衝突板は、反対側では、ノズル壁と共に第２の空洞部を規定し、衝突板は、冷媒を第１の空洞部から第２の空洞部内へ流入させて、ノズル壁を衝突冷却するための複数の貫通する開口を有し、ノズルセグメントは、ノズル壁とカバーとの間にほぼ半径方向に延出する側壁であって、隣接するアンダーカット領域を規定する内側折り返しフランジを有する側壁と、衝突板に部分的に重なる裏当て板とを有し、裏当て板と衝突板とは衝突冷却のため側壁に冷媒の流れを向ける貫通した整列開口を有するノズルセグメント。
【０００９】
【発明の実施の形態】
そこで、図１を参照すると、通常、ガスタービン軸の周囲に配設された複数のセグメントの環状アレイの一部を形成するノズルセグメント１０が示されている。各ノズルセグメントは外側バンド部１２と、内側バンド部１４と、それらのバンド部の間に延出する１つ又は複数の羽根部１６とを含む。これらのノズルセグメントを環状アレイとして配列すると、外側バンド部１２及び内側バンド部１４と、羽根部１６とは、従来通り、ガスタービンを貫通する環状の高温ガス通路を規定する。
【００１０】
外側バンド部及び内側バンド部と、羽根部とは、外側バンド部１２のチャンバに冷媒、例えば蒸気を流し、羽根部にある複数の空洞部に半径方向内側に向かって冷媒を通し、内側バンド部１４のチャンバを通し、羽根部を通して半径方向外側に向かって冷媒を導き、外側バンド部に沿って排出ポートへ戻すことにより冷却される。すなわち、図１参照の例で言えば、外側バンド部１２は外側ノズル壁１８と、外側ノズル壁１８を覆うように溶接されて、外側ノズル壁１８との間にチャンバ２１(図２)を規定する外側カバー２０と、チャンバ２１内に配設された衝突板２２とを含む。衝突板２２はノズルセグメントカバー２０との間に第１の空洞部２４を規定すると共に、その反対側ではノズル壁１８との間に第２の空洞部２６を規定する。カバーには、ノズル羽根セグメントに冷媒、例えば蒸気を供給するための冷媒入口部２５と、使用後の冷却用蒸気をセグメントから排出するための冷媒出口部２７とがそれぞれ形成されている。冷媒である蒸気は第１の空洞部２４に供給された後、衝突板２２の複数の開口３０を通過して、ノズル壁１８に衝突し、冷却する。衝突冷却した蒸気は第２の空洞部２６から、外側バンド部と内側バンド部との間で羽根部を通過する空洞部内の１つ又は複数の挿入部材(図示せず)に流入する。羽根部の挿入部材には、羽根部の側壁を衝突冷却するための複数の開口が形成されている。その後、冷却用蒸気は内側バンド部１４のチャンバ、特に、半径方向で最も内側の空洞部に入り、内側バンド部の衝突板の複数の開口を通過して、内側バンド部の側壁を衝突冷却する。使用後の冷却用蒸気は羽根部にある空洞部を通過し、外側バンド部の排出ポートから流出する。以上説明した冷却回路の一実施例を完璧に解説している引例として、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第５，６３４，７６６号を参照のこと。尚、この米国特許の開示内容は参考として本明細書中にも取り入れられている。
【００１１】
次に、図２を参照すると、互いに隣接するノズルセグメントの連結部が示されている。以下、外側バンド部１２に特定して説明をするが、内側バンド部１４についても全く同じことが言えるということは理解されるであろう。すなわち、各ノズルバンド部は(内側バンド部及び外側バンド部に共通して)、ノズル壁１８とカバー２０との間にほぼ半径方向に延出するノズル側壁又は縁部４０を含む。バンド部は、ノズル壁１８から離間して配置された内側折り返しフランジ４２を更に含み、壁１８及び側壁又は縁部４０と共に、アンダーカット領域４４を規定している。内側折り返しフランジ４２の周囲には、スプライン４８の一方の縁部を受け入れるための溝穴４６が開いており、それにより、隣接するノズルセグメントの間にシールを形成する。
【００１２】
図２に示すように、各カバー２０はノズルバンド部の互いに対向する縁部に沿って内側折り返しフランジ４２に溶接される。溶接継ぎ目５０はノズル壁１８から離れた側のスプラインシール４８の面に位置している。溶接継ぎ目５０をノズル壁１８により一部規定される高温ガス通路から離して配置することにより、溶接継ぎ目５０は高温ガス通路により近接して配置された場合と比べてはるかに低い温度に露出されることになる。更に、図２に示すように、衝突板２２はそれぞれの辺に沿ってフランジ又は折り曲げ縁部５２を有する。この折り曲げ縁部５２は内側折り返しフランジ４２の内面にろう付け又は溶接される。衝突板２２のそれぞれの折り曲げ縁部５２に複数の開口３０が形成されているが、アンダーカット領域４４の最も近い開口３０と側壁又は縁部４０との間には相当の距離があることがわかるであろう。このように長い距離が存在することによって、折り曲げフランジ５２の開口を流れる冷媒の冷却有効性が低下する。
【００１３】
アンダーカット領域に沿った側壁４０の効果的な衝突冷却を可能にする為に、裏当て板６０は衝突板２２の折り曲げ縁部５２の片側に沿って設けられている。裏当て板６０は、衝突板２２をノズルセグメント１０に固定するのに先立って、衝突板の折り曲げフランジ５２に固定されるのが好ましい。このように裏当て板６０を配設すると、開口６２は接合された裏当て板６０と折り曲げ縁部５２とを貫通して形成され、整列開口は側壁４０の方向に集中して向けられる。裏当て板６０を適用することで、第１の空洞部２４から第２の空洞部２６へ冷媒、例えば蒸気を通過させる開口６２の長さと直径の比が大きくなることにより、より長い開口６２を通る流れは、ノズルセグメントの側壁４０に誘導されて向けられる。例えば円錐形噴射パターンにおける拡散する冷媒パターンの代りに、冷媒は集中し且つ収束したままであり、折り曲げ縁部５２と側壁４０との空間を密集した状態で横断し、冷媒を側壁に直接向けそれによって効果的に側壁を冷却する。図２に示されるように、整列開口６２の長さと直径の比は開口３０の長さと直径の比を上回る。
【００１４】
裏当て板６０は、例えば衝突板をノズルセグメントに取り付けるのに先立って溶接することにより、衝突板２２の折り曲げ縁部５２に適用されることが好ましい。この方法において、裏当て板６０と衝突板２２の折り曲げ縁部５２とを貫通する複数の整列開口６２は、同時に形成されることが可能である。その後、衝突板２２はノズルセグメント内に配置することができ、ノズル側壁４０の内側折り返しフランジ４２に溶接又はろう付けされることができる。この構成がノズルセグメントの内側バンド部及び外側バンド部の両方に適用可能であることは、理解されるであろう。
【００１５】
本発明を現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものと関連させながら説明したが、本発明は開示した実施例に限定されず、特許請求の範囲の趣旨に包含される様々な変形及び等価の構成を含むものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成されたノズルセグメントの概略展開斜視図。
【図２】 側壁を冷却する為の、ノズルセグメントの側壁と、裏当て板と、衝突板とを示す拡大部分横断面図。
【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…羽根部、１８…外側ノズル壁、２０…外側カバー、２１…チャンバ、２２…衝突板、２４…第１の空洞部、２６…第２の空洞部、２５…冷媒入口部、２７…冷媒出口部、３０…開口、４０…ノズル側壁又は縁部、４２…内側折り返しフランジ、４４…アンダーカット領域、４６…溝穴、４８…スプライン、５０…溶接継ぎ目、５２…折り曲げ縁部、６０…裏当て板、６２…開口

Claims (8)

1. ガスタービンで使用するためのノズルセグメント（１０）であり、前記ノズルセグメント（１０）は外側バンド部及び内側バンド部（１２、１４）と、前記外側バンド部と前記内側バンド部との間に延出する少なくとも１つの羽根部（１６）とを有し、前記バンド部の少なくとも一方は、一部でガスタービンを通過する高温ガス通路を規定するノズル壁（１８）と、前記ノズル壁から半径方向に離間し、前記ノズル壁との間にチャンバ（２１）を規定するカバー（２０）と、前記セグメント内に固定され且つ前記チャンバ内に配設され、前記カバーと共にその片側に冷媒を受け入れるための第１の空洞部（２４）を規定する衝突板（２２）とを含み、前記衝突板は、反対側では、前記ノズル壁と共に第２の空洞部（２６）を規定し、前記衝突板は、冷媒を前記第１の空洞部から前記第２の空洞部内へ流入させて、前記ノズル壁を衝突冷却するための複数の貫通する開口（３０）を有し、前記ノズルセグメントは、前記ノズル壁と前記カバーとの間に半径方向に延出する側壁（４０）であって、隣接するアンダーカット領域（４４）を規定する内側折り返しフランジ（４２）を有する前記側壁（４０）と、前記衝突板に部分的に重なる裏当て板（６０）とを有し、前記裏当て板と前記衝突板とは衝突冷却のため前記側壁に冷媒の流れを向ける貫通した整列開口（６２）を有し、前記整列開口（６２）が、衝突板の裏当て板が重なっていない部分を貫通する開口（３０）の長さと幅の比を上回る長さと幅の比を有する、ノズルセグメント。
2. 前記衝突板は、前記側壁の前記内側折り返しフランジに固定された折り曲げ縁部（５２）を有し、前記裏当て板は、前記衝突板の前記折り曲げ縁部に沿って延出する請求項１記載のノズルセグメント。
3. 前記裏当て板は前記第１の空洞部に配設されている請求項２記載のノズルセグメント。
4. 前記衝突板の折り曲げ縁部及び前記裏当て板は、半径方向に延出する請求項２記載のノズルセグメント。
5. 前記ノズル側壁と前記カバーが、前記側壁の前記内側折り返しフランジ（４２）の側の溶接継ぎ目（５０）において互いに溶接されている請求項１記載のノズルセグメント。
6. 前記側壁はスプラインシール（４８）を収容する為の前記セグメントの外側に開口する溝穴（４６）を有し、前記側壁及び前記カバーは、前記溝穴の外側で溶接継ぎ目において互いに溶接される請求項１記載のノズルセグメント。
7. 前記１つのバンド部は、前記ノズルセグメントの外側バンド部（１２）である請求項１記載のノズルセグメント。
8. 前記１つのバンド部は、前記ノズルセグメントの内側バンド部（１４）である請求項１記載のノズルセグメント。

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