JP4713729B2

JP4713729B2 - タービンノズルセグメントのアンダーカット領域に隣接する側壁を衝突冷却する装置

Info

Publication number: JP4713729B2
Application number: JP2000373656A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・セバスチャン・バージック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: ATE319917T1; JP2001303906A; DE60026469D1; US6419445B1; DE60026469T2; EP1146203B1; EP1146203A3; EP1146203A2; US20020028134A1; KR100694921B1; KR20010096525A; CZ20004034A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのノズルセグメントのアンダーカット領域に隣接する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、溶接継ぎ目は高温ガス通路を流れる高温のガスに露出され、側壁を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構造において、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、各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、通常、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、(高温ガス通路内の)ノズル壁から内側へ、ノズル壁とほぼ平行に延出し、ノズル壁から離間して配置され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の最も近い開口から相当な距離をおいて離間させていることを考えると、側壁又は縁部を冷却することは極めて難しい。そのように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。従って、この衝突距離、すなわち、衝突板の開口と冷却すべき面との距離をできる限り短くすることが重要である。また、ノズルセグメントの生産性を考慮しても、この距離を最短にすることが必要である。
【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に、ノズル側壁の内側折り返しフランジに穴をあけられた冷却板を収納する複数の開口を設けることにより、側壁の冷却効果は改善される。板を貫通する開口は板の両側縁部の間で延出している。その結果、板を側壁の内側折り返しフランジに沿って開口に挿入することにより、板の一方の縁部は第１の空洞部と連通し、反対側の縁部は第２の空洞部と連通することになる。しかし、最も重要であるのは、冷却流れ出口開口の端部が側壁にごく近接していることである。そのため、第１の空洞部から開口を通って第２の空洞部に入る冷媒の流れは、冷却すべきノズルの側壁にすぐ隣接する場所で開口から出ることになる。従って、冷媒の自由な流れは、開口を出た後の流れを拡散させるには至らない限定された距離を進むにすぎない。また、開口は細長い形をしているので、すなわち、板の両側縁部の間で延出しているので、開口から側壁に向かって流れる冷媒は更に集中して導かれる結果となり、冷却効率は向上する。
【０００７】
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１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、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、通常、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と、ノズルセグメントにより支持され、冷媒を第１の空洞部から流出させて、ノズルセグメントの側壁を衝突冷却するための複数の貫通する開口を有する手段とを含むノズルセグメントが提供される。
【０００８】
本発明による別の好ましい実施例においては、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、ノズルセグメントは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１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、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し、衝突板の一方の縁部が固着され、第１の空洞部とアンダーカット領域との間に少なくとも１つの貫通する溝穴を有する内側折り返しフランジを有する側壁と、溝穴に配設され且つアンダーカット領域の中へ延出する板と、板を貫通して形成され、冷媒を第１の空洞部からアンダーカット領域の中へ流入させて、ノズルセグメントの側壁を衝突冷却するための複数の開口とを含むノズルセグメント。
【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、内部バンド部１４のチャンバに冷媒を通し、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、使用後の冷媒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接合部が示されている。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、ノズル壁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間にシールを形成する。
【００１２】
図２に示すように、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。また、溶接継ぎ目５０はスプラインシール４８の、ノズル壁１８から離れた側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、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は対向縁部に沿って折り曲げフランジ５２を有する。このフランジ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。衝突板のそれぞれの折り曲げフランジ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、衝突冷却の有効性が低下する。
【００１３】
衝突距離、すなわち、冷却すべき面に最も近い衝突冷却開口から出る流れの距離を最小にするために、第１の空洞部２４から冷媒をセグメントの側壁４０を衝突冷却するように流通させる手段をノズルセグメントにより支持させる。この手段は複数の貫通する開口を有する。そのような手段は、冷媒を搬送する一連の分離した管であっても良く、ノズル側壁４０の内側折り返しフランジ４２に形成された溝穴６０に配設される１つ又は複数の板５８であるのが好ましい。溝穴６０は側壁４０に向かってある角度を成して傾斜して形成されている。それぞれの溝穴６０に１枚の冷却版５８が配設されている。図２及び図３に示すように、各冷却板５８は両側から板を貫通する複数の開口６４を有する。すなわち、図３に示すように、板は長さ、幅及び厚さを有するほぼ方形であり、その長さと幅により規定される平面に、両側の長い辺に沿って板を貫通する開口６４が形成されている。図２から最も良く分かるように、開口６４は一端部で第１の空洞部２４と冷媒を互いに流通させるように連通している。板の両側に沿った開口は第２の空洞部２６へ開いている。従って、冷媒は第１の空洞部２４から開口６４を通って第２の空洞部２６に入る。溝穴６０が側壁４０に向かって傾斜しており且つそれぞれの冷却板は溝穴に同じ傾斜角度で配置されているので、開口６４から出て、第２の空洞部に入る冷媒の流れは側壁４０に接近していることがわかるであろう。更に、冷媒は開口の長さに沿って流れ、その長さと直径の比は相当に大きいため、流れは側壁に集中するように導かれ、開口を通過した流れから大きく広がることはない。
【００１４】
この改良された側壁冷却システムを製造するときには、ノズルセグメント１０を最初に鋳造する際に、内側折り返しフランジ４２に溝穴６０を形成する。あるいは、内側折り返しフランジ４２に溝穴６０を機械加工しても良い。溝穴６０を形成した後、折り曲げフランジ５２を伴う衝突板２２をノズルセグメントに差し込み、所定の位置に固定する。その後、衝突板２２をノズル内部に溶接する。衝突板をノズルにろう付けすべき場合には、この時点で穴をあけた板５８を追加し、衝突板２２と共にセグメントにろう付けすることも可能であろう。穴あき板を受け入れるための溝穴は、衝突板をノズルセグメントに結合するためにどの方法を使用するかに応じて、衝突板を所定の位置に配置する前又はその後に、例えば、EDMにより機械加工される。穴あき板を貫通する開口は、板を内側折り返しフランジ４２に固定する前に形成されるのが好ましい。以上説明したノズルセグメントの側壁の冷却システムは、ノズルセグメントの外側バンド部と内側バンド部の双方に適用できることが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】本発明の好ましい一実施例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】好ましい実施例のカバー／ノズル鋳造時の溶接継ぎ目の場所及び衝突冷却を更に示す、隣接するノズルセグメントの側壁間の接合部を示す拡大部分横断面図。
【図３】本発明の好ましい一形態に従ったノズル側壁冷却のための穴あき板の斜視図。
【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、２５、２７…冷媒入口ポート、２６…第２の空洞部、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…周囲に開いた溝穴、４８…スプライン、５０…溶接継ぎ目、５２…折り曲げフランジ、５８…板、６０…溝穴、６４…開口

Claims

ガスタービン用のノズルセグメント（１０）であって、当該ノズルセグメント（１０）が外側バンド部（１２）及び内側バンド部（１４）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１つの羽根部（１６）とを有し、前記外側及び内側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（２４）から前記第２の空洞部（２６）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（１８）と前記カバー（２０）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）を有する側壁（４０）と、前記ノズルセグメント（１０）の内側折り返しフランジ（４２）により支持される手段（５８）であって冷媒を前記第１の空洞部（２４）から前記第２の空洞部（２６）のアンダカット領域（４４）内へ流入させて前記ノズルセグメント（１０）の前記側壁（４０）を衝突冷却するための複数の貫通する開口（６４）を有する手段（５８）とを含むノズルセグメント。
前記冷媒を流出させる手段は、前記開口が貫通している板を含む、請求項１記載のノズルセグメント。
前記板は長さ、幅及び厚さを有し、前記開口は前記長さ及び幅により規定される平面において、前記板の両側縁部の間で延出している、請求項１又は請求項２記載のノズルセグメント。
前記側壁はそれに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し、前記内側折り返しフランジ（４２）に沿って互いに離間して、前記内側折り返しフランジを貫通する溝穴（６０）が開いており、前記板は前記溝穴に配設されて、前記アンダーカット領域の中へ延出し、前記板には、冷媒を前記第１の空洞部から前記アンダーカット領域へ流入させて、前記ノズルセグメントの前記側壁を衝突冷却するための複数の開口（６４）が通っている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のノズルセグメント。
前記側壁（４０）が、それに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）を有しており、前記衝突板の一方の縁部が内側折り返しフランジ（４２）に固着されており、前記内側折り返しフランジ（４２）が前記第１の空洞部（２４）と前記アンダーカット領域との間に少なくとも１つの貫通する溝穴を有しており、前記手段（５８）が前記溝穴に配設され且つ前記アンダーカット領域の中へ延出する板である、請求項１記載のノズルセグメント。
前記板は長さ、幅及び厚さを有し、前記開口は前記長さ及び幅により規定される平面において、前記板の両側縁部の間で延出している、請求項５記載のノズルセグメント。
前記内側折り返しフランジ（４２）に沿って互いに離間して配置され、前記内側折り返しフランジを貫通する複数の溝穴（６０）であって、前記アンダーカット領域の中へ延出する前記複数の板を内部に収容する前記複数の溝穴（６０）と、各々の板を貫通して、冷媒を前記第１の空洞部から前記アンダーカット領域の中へ流入させて、前記ノズルセグメントの前記側壁を衝突冷却するための複数の開口（６４）とを含む、請求項５記載のノズルセグメント。
前記カバーは前記ノズル側壁に溶接されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のノズルセグメント。
板の開口の出口開口部は衝突板を貫通する開口より側壁に近接して位置している、請求項５乃至請求項８のいずれか１項記載のノズルセグメント。