JP7841974B2

JP7841974B2 - ガスタービン及びラジアルタービンノズルの組付方法

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Publication number: JP7841974B2
Application number: JP2022112124A
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Inventors: 康二太間
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Description

本発明は、ガスタービン及びラジアルタービンノズルの組付方法に関する。

特許文献１には、ラジアルタービンと、ラジアルタービンを囲むラジアルタービンノズル（入口ノズル）とを備えるガスタービンが開示されている。ラジアルタービンノズルは、円環状のノズル本体を備える。ノズル本体は、複数のブレードと、第１エンドウォール（リングプレート）と、第２エンドウォール（リングプレート）とを備える。複数のブレードは、ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配されている。第１エンドウォールは、ラジアルタービンの軸方向における複数のブレードの一端部に連結されている。第２エンドウォールは、該軸方向における複数のブレードの他端部に連結されている。

ノズル本体は、複数のセグメント（分割ピース）を有する。複数のセグメントは、該周方向に連結されている。複数のセグメントの各々は、第１分割円環部と、第２分割円環部とを有する。第１分割円環部は、第１エンドウォールをラジアルタービンの径方向に対して傾斜する複数の第１分割面で分割することにより形成される。第２分割円環部は、第２エンドウォールを該径方向に対して傾斜する複数の第２分割面で分割することにより形成される。

ラジアルタービンを収容するタービンハウジングには、段差部を有するバックプレートが設けられている。第１エンドウォールは、バックプレートに配されている。第２エンドウォールは、タービンハウジングに形成された環状溝に配されている。第１エンドウォールは、リングバネによって径方向の外側に押圧されることで、バックプレートの段差部に当接する。これにより、ラジアルタービンノズルは、該径方向に位置決め固定される。

特開平４－１１２９０２号公報

特許文献１では、リングバネから第１エンドウォールへの押圧力でラジアルタービンノズルが位置決め固定されるので、ラジアルタービンノズルをガスタービンに良好に組み付けることが困難である。また、ガスタービンの使用時に、ラジアルタービンノズルを通過する燃焼ガスによって、ケーシングであるバックプレート及びタービンハウジングが高温となる。これにより、バックプレート及びタービンハウジングの寸法が熱膨張によって変化し、複数のセグメント間のクリアランスが大きくなる。この結果、ガスタービンの性能が低下するおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様は、ラジアルタービンと、前記ラジアルタービンを囲むラジアルタービンノズルと、前記ラジアルタービンノズルを保持する保持部とを備えるガスタービンであって、前記ラジアルタービンノズルは、前記ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配された複数のブレードと、前記ラジアルタービンの軸方向における前記複数のブレードの一端部に連結された第１エンドウォールと、前記軸方向における前記複数のブレードの他端部に連結された第２エンドウォールとを有する円環状のノズル本体と、前記第１エンドウォールを囲む第１リングと、前記第２エンドウォールを囲む第２リングと、を備え、前記ノズル本体は、前記周方向に沿って連結された複数のセグメントを有し、前記第１リングは、前記ラジアルタービンの径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第１外側溝を有し、前記第２リングは、前記径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第２外側溝を有し、前記複数のセグメントの各々は、前記第１エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第１分割面で分割することにより形成された第１分割円環部と、前記第２エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第２分割面で分割することにより形成された第２分割円環部と、を有し、前記第１分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第１フランジ部を有し、前記第１フランジ部が前記第１外側溝に挿入され、前記第２分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第２フランジ部を有し、前記第２フランジ部が前記第２外側溝に挿入され、前記ノズル本体の内周部分が前記保持部に着座可能であり、前記複数のセグメントは、前記径方向に移動可能である。

本発明の第２の態様は、ラジアルタービンノズルの組付方法であって、前記ラジアルタービンノズルは、ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配された複数のブレードと、前記ラジアルタービンの軸方向における前記複数のブレードの一端部に連結された第１エンドウォールと、前記軸方向における前記複数のブレードの他端部に連結された第２エンドウォールとを有する円環状のノズル本体と、前記第１エンドウォールを囲む第１リングと、前記第２エンドウォールを囲む第２リングと、を備え、前記ノズル本体は、前記周方向に沿って連結された複数のセグメントを有し、前記第１リングは、前記ラジアルタービンの径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第１外側溝を有し、前記第２リングは、前記径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第２外側溝を有し、前記複数のセグメントの各々は、前記第１エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第１分割面で分割することにより形成された第１分割円環部と、前記第２エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第２分割面で分割することにより形成された第２分割円環部と、を有し、前記第１分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第１フランジ部を有し、前記第１フランジ部が前記第１外側溝に挿入され、前記第２分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第２フランジ部を有し、前記第２フランジ部が前記第２外側溝に挿入され、前記組付方法は、前記ノズル本体の外周部分に前記第１リング及び前記第２リングが組み付けられた状態で前記ラジアルタービンノズルを組み立てるノズル組立工程と、前記ノズル本体の内周部分がガスタービンの保持部に対して着座可能となり、且つ、前記複数のセグメントが前記径方向に移動可能となるように、前記保持部の前記径方向の外側に前記ラジアルタービンノズルを配するノズル配置工程と、を有する。

本発明によれば、ガスタービンの運転時に、ラジアルタービンノズルを通過する燃焼ガスの圧力によって、ノズル本体の内周部分が保持部に着座する。ガスタービンの運転時において、保持部は、ラジアルタービンノズルよりも低温である。そのため、保持部は、熱膨張による寸法の変化が少ない。これにより、ガスタービンに組み付けられたラジアルタービンノズルを精度良く位置決め固定することができる。また、第１分割面及び第２分割面がラジアルタービンの径方向に対して傾斜している。これにより、燃焼ガスがラジアルタービンノズルを通過するときに、複数のセグメントをラジアルタービンの径方向に容易に移動させることが可能となる。さらに、保持部とラジアルタービンノズルとの間にクリアランスがあることで、ラジアルタービンノズルをガスタービンに容易に組み付けることができる。

図１は、ガスタービンの断面図である。図２は、ラジアルタービンノズルの斜視図である。図３は、ラジアルタービンノズルを破断して図示した一部斜視図である。図４は、ラジアルタービンノズルを破断して図示した一部斜視図である。図５は、ラジアルタービンノズルの断面図である。図６は、ラジアルタービンノズルの断面図である。図７は、ラジアルタービンノズルの断面図である。図８は、ラジアルタービンノズルの一部側面図である。図９は、ラジアルタービンノズルの組立方法と、ラジアルタービンノズルのガスタービンへの組付方法とを示すフローチャートである。図１０は、ラジアルタービンノズルの組立方法を図示した断面図である。図１１Ａ及び図１１Ｂは、複数のセグメントの連結を図示した一部斜視図である。

図１は、ラジアルタービンノズル１０を備えるガスタービン１２の断面図である。

ガスタービン１２は、ハウジング１４と、シャフト１６と、ラジアルタービン１８と、ラジアルタービンノズル１０と、シュラウドケース２０と、コンプレッサホイール２２と、ディフューザ２４と、燃焼器２６と、ガス排出部２８とを備える。ガスタービン１２の上記各部は、耐熱性の金属材から構成される。

ハウジング１４は、円環状の第１ハウジング３０と、円環状の第２ハウジング３２とを有する。第１ハウジング３０と第２ハウジング３２とは、ガスタービン１２の軸方向（図１の左右方向）に沿って連結されている。ガスタービン１２の軸方向は、ラジアルタービン１８の軸方向である。以下、ラジアルタービンノズル１０の軸方向については、単に「軸方向」ともいう。軸方向に沿った第１ハウジング３０の一端部は、回転電機のハウジング（不図示）に連結されている。軸方向に沿った第１ハウジング３０の他端部は、第２ハウジング３２に連結されている。

シュラウドケース２０は、ハウジング１４の内部に配置された中空体である。シュラウドケース２０は、第１ハウジング３０の内周面に固定されている。

シャフト１６は、ハウジング１４内で、ラジアルタービン１８と同軸に配置されている。シャフト１６は、シュラウドケース２０内を貫通するようにハウジング１４内に配置されている。軸方向に沿ったシャフト１６の一端部は、回転電機の回転シャフト（不図示）に連結されている。軸方向に沿ったシャフト１６の他端部は、ラジアルタービン１８に連結されている。

コンプレッサホイール２２は、シュラウドケース２０の内側で、シャフト１６に取り付けられている。なお、図１では、コンプレッサホイール２２とシャフト１６との連結部分の図示を省略している。回転電機の回転シャフトが回転したときに、シャフト１６と、コンプレッサホイール２２と、ラジアルタービン１８とは、一体に回転可能である。コンプレッサホイール２２とシュラウドケース２０との間に形成される空間には、一点鎖線の矢印で示すように、外部から取り込んだ空気が流通する。コンプレッサホイール２２が回転することにより、外部から取り込んだ空気が圧縮され、圧縮空気となる。

第２ハウジング３２の内部には、シャフト１６の他端部と、ラジアルタービン１８と、ラジアルタービンノズル１０と、シュラウドケース２０の一部と、コンプレッサホイール２２の一部と、ディフューザ２４と、燃焼器２６と、ガス排出部２８とが配置されている。第２ハウジング３２の内部には、第１ホルダ３４（保持部）と、第２ホルダ３６とが配置されている。

ディフューザ２４は、中空体である。ディフューザ２４は、シュラウドケース２０と共に第１ハウジング３０の内周面に固定されている。ディフューザ２４は、シュラウドケース２０の一部と、コンプレッサホイール２２の一部と、第１ホルダ３４と、ラジアルタービン１８とを囲むように、第２ハウジング３２の内部に配置されている。ディフューザ２４は、コンプレッサホイール２２で生成された圧縮空気を流通させる。

第１ホルダ３４は、円環状の中空体である。第１ホルダ３４の外周部分は、ディフューザ２４に固定されている。第１ホルダ３４は、シャフト１６に連結されるラジアルタービン１８の背面側を囲んでいる。第１ホルダ３４の内周部分と、コンプレッサホイール２２との間には、円環状のシールリング３８が介挿されている。

燃焼器２６は、円環状の部材である。燃焼器２６は、第１ホルダ３４と共にディフューザ２４に固定されている。燃焼器２６は、ラジアルタービンノズル１０、ラジアルタービン１８及びガス排出部２８を囲んでいる。

第２ハウジング３２の内周面と燃焼器２６との間には、環状のガス流通路４０が形成されている。ガス流通路４０は、一点鎖線の矢印で示すように、ディフューザ２４から導入された圧縮空気を燃焼器２６に供給する。燃焼器２６には、圧縮空気を導入する導入口４２が形成されている。第２ハウジング３２には、燃料供給ノズル４４が固定されている。燃料供給ノズル４４は、燃焼器２６の導入口４２に入り込むように配置されている。燃料供給ノズル４４は、燃焼器２６に燃料を供給する。

燃焼器２６には、複数の中継孔４６が形成されている。複数の中継孔４６は、ガス流通路４０と燃焼器２６の内部とを連通させる。

燃焼器２６は、燃料供給ノズル４４から供給された燃料と、圧縮空気とを混合して燃焼させることで、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、一点鎖線の矢印で示すように、燃焼器２６に形成された排出口４８を介して、ラジアルタービンノズル１０に排出される。

ラジアルタービンノズル１０は、燃焼器２６の排出口４８と向かい合うように、第２ハウジング３２の内部に配置されている。ラジアルタービンノズル１０は、ラジアルタービン１８を囲む円環状の部材である。ラジアルタービンノズル１０と燃焼器２６との間には、円環状のシールリング５０、５２が介装されている。

ガス排出部２８は、円環状の部材である。軸方向に沿ったガス排出部２８の一端部は、ラジアルタービン１８の径方向（図１では上下方向）の外側に湾曲している。以下、ラジアルタービン１８の径方向については、単に「径方向」ともいう。ガス排出部２８の一端部は、軸方向に沿って、第１ホルダ３４と向かい合っている。ガス排出部２８の一端部を含むガス排出部２８の一部は、ラジアルタービン１８の一部を囲んでいる。ガス排出部２８のうち、ラジアルタービン１８の一部を囲む部分は、第２ホルダ３６として構成されている。軸方向に沿ったガス排出部２８の他端部は、第２ハウジング３２に固定されている。ガス排出部２８の他端部には、排出口５４が形成されている。

ラジアルタービンノズル１０を介してラジアルタービン１８に導入された燃焼ガスは、ラジアルタービン１８を回転させる。燃焼ガスは、排気ガスとして、ガス排出部２８の排出口５４から外部に排出される。

第１ホルダ３４及び第２ホルダ３６は、ラジアルタービンノズル１０を径方向の内側に保持する。

次に、ラジアルタービンノズル１０の構成について、図２～図８を参照しながら説明する。

図２～図４に示すように、ラジアルタービンノズル１０は、ノズル本体６０と、第１リング６２と、第２リング６４と、第１押圧部材６６と、第２押圧部材６８とを備える。

ノズル本体６０は、複数のブレード７０と、円環状の第１エンドウォール７２と、円環状の第２エンドウォール７４とを有する。

複数のブレード７０は、ラジアルタービン１８の周方向（ラジアルタービン１８の軸回りの方向）に所定の間隔で配されている。以下、ラジアルタービン１８の周方向については、単に「周方向」ともいう。図３及び図８に示すように、複数のブレード７０の各々は、翼状に形成されている。複数のブレード７０の各々は、径方向及び周方向に対して傾斜している。複数のブレード７０の各々は、径方向の内側に向かうにつれて、翼厚が小さくなる。

図３～図７に示すように、第１エンドウォール７２は、軸方向における複数のブレード７０の一端部に連結されている。第２エンドウォール７４は、軸方向における複数のブレード７０の他端部に連結されている。第１エンドウォール７２及び第２エンドウォール７４の各々は、複数のブレード７０よりも径方向に突出している。

図２及び図３に示すように、第１リング６２は、第１エンドウォール７２を囲む円環状の部材である。第２リング６４は、第２エンドウォール７４を囲む円環状の部材である。

図３～図７に示すように、第１リング６２は、第１外側溝７６を有する。第１外側溝７６は、第１リング６２の内周部分に形成されている。第１外側溝７６は、第１リング６２の内周部分において、径方向の外側に凹んでいる。第１外側溝７６は、第１リング６２の内周部分において、周方向に円環状に延在している。

第２リング６４は、第２外側溝７８を有する。第２外側溝７８は、第２リング６４の内周部分に形成されている。第２外側溝７８は、第２リング６４の内周部分において、径方向の外側に凹んでいる。第２外側溝７８は、第２リング６４の内周部分において、周方向に円環状に延在している。

ノズル本体６０は、複数のセグメント８０を有する。複数のセグメント８０が周方向に沿って連結されることにより、ノズル本体６０が構成される。

複数のセグメント８０の各々は、ブレード７０と、第１分割円環部８２と、第２分割円環部８４とを有する。

図３及び図４に示すように、第１エンドウォール７２は、複数の第１分割面８６で分割される。複数の第１分割面８６の各々は、径方向及び周方向に対して傾斜している。第１分割円環部８２は、第１エンドウォール７２を複数の第１分割面８６で分割することにより形成される。

第２エンドウォール７４は、複数の第２分割面８８で分割される。複数の第２分割面８８の各々は、径方向及び周方向に対して傾斜している。第２分割円環部８４は、第２エンドウォール７４を複数の第２分割面８８で分割することにより形成される。

各セグメント８０において、周方向に沿った一端側の第１分割面８６及び第２分割面８８は、互いに平行な面である。各セグメント８０において、周方向に沿った他端側の第１分割面８６及び第２分割面８８は、互いに平行な面である。

図５～図７に示すように、第１分割円環部８２の外周部分は、軸方向の外側に突出している。第１分割円環部８２の外周部分における軸方向の外側部分には、第１フランジ部９０が形成されている。第１フランジ部９０は、径方向の外側に突出し、周方向に延在する。第１フランジ部９０は、第１リング６２の第１外側溝７６に挿入されている。図５及び図６に示すように、ガスタービン１２へのラジアルタービンノズル１０の組み付け直後において、第１分割円環部８２の外周部分における第１フランジ部９０に隣接する段差部９１は、第１リング６２の内周部分に接触している。

図５～図７に示すように、第１分割円環部８２の内周部分には、第１突出部９２が設けられている。第１突出部９２は、第１分割円環部８２の内周部分から軸方向の外側に突出し、且つ、周方向に延在している。第１突出部９２には、第１内側溝９４が形成されている。第１内側溝９４は、第１突出部９２における径方向の外側部分に形成されている。第１内側溝９４は、径方向の内側に凹んでいる。第１内側溝９４は、周方向に延在している（図３及び図４参照）。

第１リング６２の内周部分には、第１内周突起９６が形成されている。第１内周突起９６は、第１リング６２の内周部分において、第１外側溝７６よりも軸方向の外側に形成されている。第１内周突起９６は、第１リング６２の内周部分から径方向の内側に突出している。第１内周突起９６は、複数のセグメント８０の各々の第１フランジ部９０よりも、軸方向の外側に離間している。第１内周突起９６は、周方向に沿って円環状に延在している（図３及び図４参照）。

第２分割円環部８４の外周部分は、軸方向の外側に突出している。第２分割円環部８４の外周部分における軸方向の外側部分には、第２フランジ部９８が形成されている。第２フランジ部９８は、径方向の外側に突出し、周方向に延在する。第２フランジ部９８は、第２外側溝７８に挿入されている。図５及び図６に示すように、ガスタービン１２へのラジアルタービンノズル１０の組み付け直後において、第２分割円環部８４の外周部分における第２フランジ部９８に隣接する段差部９９は、第２リング６４の内周部分に接触している。

図５～図７に示すように、第２分割円環部８４の内周部分には、第２突出部１００が設けられている。第２突出部１００は、第２分割円環部８４の内周部分から軸方向の外側に突出し、且つ、周方向に延在している。第２突出部１００には、第２内側溝１０２が形成されている。第２内側溝１０２は、第２突出部１００における径方向の外側部分に形成されている。第２内側溝１０２は、径方向の内側に凹んでいる。第２内側溝１０２は、周方向に延在している。

第２リング６４の内周部分には、第２内周突起１０４が形成されている。第２内周突起１０４は、第２リング６４の内周部分において、第２外側溝７８よりも軸方向の外側に形成されている。第２内周突起１０４は、第２リング６４の内周部分から径方向の内側に突出している。第２内周突起１０４は、複数のセグメント８０の各々の第２フランジ部９８よりも、軸方向の外側に離間している。第２内周突起１０４は、周方向に沿って延在している。

図２～図４に示すように、第１押圧部材６６は、円環状の板ばねである。図３～図７に示すように、第１押圧部材６６は、第１エンドウォール７２と第１リング６２との間に配置されている。具体的には、第１押圧部材６６の外周部１０６は、第１内周突起９６と、複数のセグメント８０の各々における第１分割円環部８２の外周部分との間に配置される。第１押圧部材６６の内周部１０８は、第１内側溝９４に配置される。

第１内周突起９６は、第１押圧部材６６の外周部１０６を軸方向の内側に押圧する。すなわち、第１内周突起９６は、第１押圧部材６６の外周部１０６をノズル本体６０に向かって押圧する。第１押圧部材６６の内周部１０８は、複数のセグメント８０の各々の第１分割円環部８２を軸方向の内側に押圧する。

第２押圧部材６８は、第１押圧部材６６と同様の円環状の板ばねである。第２押圧部材６８は、第２エンドウォール７４と第２リング６４との間に配置されている。具体的には、第２押圧部材６８の外周部１１０は、第２内周突起１０４と、複数のセグメント８０の各々における第２分割円環部８４の外周部分との間に配置される。第２押圧部材６８の内周部１１２は、第２内側溝１０２に配置される。

第２内周突起１０４は、第２押圧部材６８の外周部１１０を軸方向の内側に押圧する。すなわち、第２内周突起１０４は、第２押圧部材６８の外周部１１０をノズル本体６０に向かって押圧する。第２押圧部材６８の内周部１１２は、複数のセグメント８０の各々の第２分割円環部８４を軸方向の内側に押圧する。

図３及び図４に示すように、複数のセグメント８０のうち、少なくとも１つのセグメント８０の第１突出部９２には、第１切欠部１１４が形成されている。第１切欠部１１４は、第１突出部９２を軸方向に貫通している。第１切欠部１１４は、第１内側溝９４に連通している。なお、図３及び図４では、複数のセグメント８０の各々に第１切欠部１１４が形成されている場合を図示している。

図３、図４、図６及び図７に示すように、第１押圧部材６６の内周部１０８には、第１突起１１６が設けられている。第１突起１１６は、第１押圧部材６６の内周部１０８から軸方向の外側に突出している。第１突起１１６は、第１切欠部１１４に挿入される。

図８に示すように、複数のセグメント８０（図３～図７参照）のうち、少なくとも１つのセグメント８０の第２突出部１００には、第２切欠部１１８が形成されている。第２切欠部１１８は、第２突出部１００を軸方向に貫通している。第２切欠部１１８は、第２内側溝１０２（図５参照）に連通している。なお、図８では、複数のセグメント８０の各々に、第２切欠部１１８が形成されている場合を図示している。

図４、図６、図７及び図８に示すように、第２押圧部材６８の内周部１１２には、第２突起１２０が設けられている。第２突起１２０は、第２押圧部材６８の内周部１１２から軸方向の外側に突出している。第２突起１２０は、第２切欠部１１８に挿入される。

図２～図４に示すように、第１押圧部材６６には、複数の第１孔１２２が形成されている。複数の第１孔１２２の各々は、第１押圧部材６６を軸方向に貫通している。

図８に示すように、第２押圧部材６８には、複数の第２孔１２４が形成されている。複数の第２孔１２４の各々は、第２押圧部材６８を軸方向に貫通している。

図２～図４に示すように、複数のブレード７０の各々の内部には、中空部１２６が形成されている。中空部１２６は、第１エンドウォール７２に開口している。第１押圧部材６６の複数の第１孔１２２は、複数のブレード７０の中空部１２６と向かい合うように、周方向に間隔を置いて第１押圧部材６６に形成されている。複数の第１孔１２２の各々は、複数の第２孔１２４の各々よりも大きい。

図８に示すように、複数の第２孔１２４は、第２押圧部材６８を軸方向から見たときに、複数のブレード７０の各々を囲むように、第２押圧部材６８に形成されている。

図２～図４に示すように、複数のブレード７０の各々には、ブレード７０の外側と内側（中空部１２６）と連通する複数の第１連通孔１２８が形成されている。また、複数のブレード７０の各々の第２分割円環部８４には、複数の第２連通孔１３０が形成されている。複数の第２連通孔１３０は、中空部１２６を避けるように、軸方向に形成されている。

図３及び図５～図７に示すように、複数の第１分割面８６（図３及び図４参照）の各々には、第１挿入溝１３２が形成されている。第１挿入溝１３２は、第１分割面８６から周方向に凹む溝である。第１挿入溝１３２は、第１分割円環部８２の外周部から内周部に向かって第１分割面８６に沿って延在している。具体的には、第１挿入溝１３２の径方向の外側（外端）は、開放されている。第１挿入溝１３２の径方向の内側（内端）は、閉じている。第１挿入溝１３２には、板状の第１シール部材１３６が挿入されている。

複数の第２分割面８８の各々には、第２挿入溝１３４が形成されている。第２挿入溝１３４は、第２分割面８８から周方向に凹む溝である。第２挿入溝１３４は、第２分割円環部８４の外周部から内周部に向かって第２分割面８８に沿って延在している。具体的には、第２挿入溝１３４の径方向の外側（外端）は、開放されている。第２挿入溝１３４の径方向の内側（内端）は、閉じている。第２挿入溝１３４には、板状の第２シール部材１３８が挿入されている。

互いに隣接するセグメント８０において、互いに向き合う第１挿入溝１３２の一方に第１シール部材１３６の一部が挿入され、互いに向き合う第１挿入溝１３２の他方に第１シール部材１３６の他の一部が挿入されている。すなわち、周方向に沿った第１シール部材１３６の一端部は、一方のセグメント８０の第１挿入溝１３２に挿入されている。周方向に沿った第１シール部材１３６の他端部は、他方のセグメント８０の第１挿入溝１３２に挿入されている。

互いに隣接するセグメント８０において、互いに向き合う第２挿入溝１３４の一方に第２シール部材１３８の一部が挿入され、互いに向き合う第２挿入溝１３４の他方に第２シール部材１３８の他の一部が挿入されている。すなわち、周方向に沿った第２シール部材１３８の一端部は、一方のセグメント８０の第２挿入溝１３４に挿入されている。周方向に沿った第２シール部材１３８の他端部は、他方のセグメント８０の第２挿入溝１３４に挿入されている。

従って、互いに隣接する２つのセグメント８０の間は、第１シール部材１３６及び第２シール部材１３８によってシールされている。

図３～図７に示すように、第１リング６２の外周部分には、第１外周溝１４０が形成されている。第１外周溝１４０は、第１リング６２の外周部分において、径方向の内側に凹んでいる。第１外周溝１４０は、第１リング６２の外周部分において、周方向に円環状に延びている。第１外周溝１４０には、円環状のシールリング５０（図１及び図５～図７参照）が挿入される。

第２リング６４の外周部分には、第２外周溝１４２が形成されている。第２外周溝１４２は、第２リング６４の外周部分において、径方向の外側に凹んでいる。第２外周溝１４２は、第２リング６４の外周部分において、周方向に円環状に延びている。第２外周溝１４２には、円環状のシールリング５２（図１及び図５～図７参照）が挿入される。

ノズル本体６０の内周部分は、第１ホルダ３４に着座可能である。また、複数のセグメント８０は、径方向に移動可能である。

具体的には、図３～図５に示すように、複数のセグメント８０の各々について、第１分割円環部８２の内周部分には、嵌合突起１４４が形成されている。嵌合突起１４４は、第１分割円環部８２の内周部分から径方向の内側に突出している。第１ホルダ３４には、複数のスロット１４６が形成されている。複数のスロット１４６は、複数のセグメント８０の嵌合突起１４４と向かい合うように、周方向に互いに間隔を置いて形成されている。複数の嵌合突起１４４は、複数のスロット１４６にそれぞれ挿入されている。

第１ホルダ３４は、第１突出部９２に対して、軸方向に面接触している。第２ホルダ３６の外周部分は、第２突出部１００に対して、軸方向に面接触している。

図６に示すように、ガスタービン１２へのラジアルタービンノズル１０の組み付け直後において、複数のセグメント８０の各々の第１分割円環部８２の内周部分と、第１ホルダ３４との間には、クリアランス１４８が設けられている。第２分割円環部８４の内周部分と、第２ホルダ３６との間には、クリアランス１５０が設けられている。

以上のように構成されるガスタービン１２の動作について説明する。

図１に示すように、コンプレッサホイール２２は、外部から空気を取り込んで圧縮する。圧縮空気は、ディフューザ２４を介して、ガス流通路４０に供給される。ガス流通路４０は、圧縮空気を燃焼器２６に供給する。燃料供給ノズル４４は、燃焼器２６に燃料を供給する。燃焼器２６は、燃料供給ノズル４４から供給された燃料と、圧縮空気とを混合して燃焼させることで、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、排出口４８を介して、ラジアルタービンノズル１０に供給される。

燃焼ガスは、径方向の内側に向かって、複数のブレード７０に衝突する。図２、図３及び図８に示すように、複数のブレード７０は、径方向に対して所定の角度で傾斜している。従って、複数のブレード７０は、燃焼ガスの流れる方向を、所定の角度に沿った方向に変換する。流れる向きが変換された燃焼ガスは、複数のブレード７０の間を通過し、ラジアルタービン１８（図１参照）に噴射される。噴射された燃焼ガスは、ラジアルタービン１８の羽根に衝突し、該ラジアルタービン１８を回転させる。これにより、ラジアルタービン１８、シャフト１６及び回転シャフトが一体に回転し、回転電機が発電する。ラジアルタービン１８を通過した燃焼ガスは、ガス排出部２８の排出口５４を介して外部に排出される。

図３及び図４に示すように、外部から取り込まれた空気等の冷却ガスは、複数の第１孔１２２を介して、複数の中空部１２６に供給される。これにより、複数の第１分割円環部８２と複数のブレード７０とを効率よく冷却することができる。中空部１２６に供給された冷却ガスは、ブレード７０に形成された複数の第１連通孔１２８を通過し、燃焼ガスと共にガス排出部２８の排出口５４（図１参照）から外部に排出される。

図４及び図８に示すように、外部から取り込まれた空気等の冷却ガスは、複数の第２孔１２４を介して、第２押圧部材６８と第２分割円環部８４との間の空間に供給される。これにより、複数の第２分割円環部８４を効率よく冷却することができる。この空間に供給された冷却ガスは、第２分割円環部８４に形成された複数の第２連通孔１３０を通過し、燃焼ガスと共にガス排出部２８の排出口５４（図１参照）から外部に排出される。

次に、ラジアルタービンノズル１０の組立方法と、ガスタービン１２へのラジアルタービンノズル１０の組付方法とについて、図９～図１１Ｂを参照しながら説明する。

先ず、図９のフローチャートと、図１０～図１１Ｂとを参照しながら、ラジアルタービンノズル１０の組立方法について説明する。

この組立方法では、スライド用治具１６２（図１０参照）を用いてもよい。スライド用治具１６２を用いる場合、図９のステップＳ１において、プレート状のベース治具１６０の中央部にスライド用治具１６２を配置する。図１０では、スライド用治具１６２については、二点鎖線で、外周部のみ図示している。スライド用治具１６２の外周部には、複数のセグメント８０の内周部分を押圧可能な複数の押圧部１６４が形成されている。

次に、図９のステップＳ２（第１リング配置工程）において、ベース治具１６０（図１０参照）の上面に第１リング６２を配置する。第１リング６２は、スライド用治具１６２を通して、ベース治具１６０の上面に配置される。

次のステップＳ３（第１押圧部材配置工程）において、第１リング６２に第１押圧部材６６を配置する。第１押圧部材６６は、スライド用治具１６２を通して、第１リング６２に配置される。

次のステップＳ４（第１フランジ部挿入工程）において、複数のセグメント８０の各々について、第１フランジ部９０の一部（第１フランジ部９０の周方向の一端側）を第１リング６２の第１外側溝７６に挿入する。なお、複数のセグメント８０の各々には、一方の第１挿入溝１３２に第１シール部材１３６が予め挿入され、一方の第２挿入溝１３４に第２シール部材１３８が予め挿入されている。この場合、第１フランジ部９０の周方向の他端側は、第１フランジ部９０の周方向の一端側よりも径方向の内側に配置される。従って、第１フランジ部９０の周方向の他端側は、第１外側溝７６には挿入されない。これにより、複数のセグメント８０の各々は、第１シール部材１３６及び第２シール部材１３８が予め挿入された状態で、第１フランジ部９０とスライド用治具１６２の外周面との間に配置される。また、複数のセグメント８０の各々は、周方向に隣接する２つのセグメント８０が互いに間隔を空けるように配置される。

次のステップＳ５（第２押圧部材配置工程）において、複数のセグメント８０に対して第２押圧部材６８を配置する。

次のステップＳ６（第２フランジ部挿入工程）において、複数のセグメント８０の各々について、第２フランジ部９８の一部（第２フランジ部９８の周方向の一端側）を第２リング６４の第２外側溝７８に挿入することにより、第２フランジ部９８を配置する。この場合、第２フランジ部９８の周方向の他端側は、第２フランジ部９８の周方向の一端側よりも径方向の内側に配置される。従って、第２フランジ部９８の周方向の他端側は、第２外側溝７８には挿入されない。

次のステップＳ７では、先ず、ベース治具１６０にボルト１６６を取り付ける。次に、ボルト１６６に押圧治具１６８を挿通させる。押圧治具１６８は、第２リング６４に接触する。次に、ボルト１６６にナット１７０を取り付ける。次に、ナット１７０をボルト１６６の所定位置まで移動させることにより、第１リング６２、第１押圧部材６６、複数のセグメント８０、第２押圧部材６８、及び、第２リング６４に対して、ボルト１６６の軸方向に沿った力を付加する。これにより、第１リング６２、第１押圧部材６６、複数のセグメント８０、第２押圧部材６８、及び、第２リング６４は、該軸方向に対して保持される。なお、ボルト１６６の軸方向は、スライド用治具１６２の軸方向であると共に、ノズル本体６０の軸方向（ラジアルタービン１８の軸方向）に一致する。

次のステップＳ８（セグメント連結工程）において、複数のセグメント８０の各々を回転させながら、第１リング６２の径方向の外側にスライドさせることにより、複数のセグメント８０を周方向に連結する。例えば、スライド用治具１６２を用いる場合、スライド用治具１６２を軸回りに回転させる。これにより、スライド用治具１６２の複数の押圧部１６４は、複数のセグメント８０の内周部分をスライド用治具１６２の径方向の外側に押圧する。この結果、複数のセグメント８０の各々は、該径方向の外側にスライドされる。このときに、スライド用治具１６２の周方向に隣接する２つのセグメント８０の第１分割面８６が重ね合わさると共に、第２分割面８８が重ね合わさる。この結果、複数のセグメント８０がスライド用治具１６２の周方向に連結され、ノズル本体６０が構成される。

セグメント連結工程について、より具体的に説明する。スライド用治具１６２の回転に伴い、複数のセグメント８０は、図１１Ａに示す状態から、径方向の外側に移動する。スライド用治具１６２がさらに回転すると、複数のセグメント８０の各々は、第１分割円環部８２の外周部分の角部１７２（第１フランジ部９０の周方向の一端側）と、第２分割円環部８４の外周部分の角部１７３（第２フランジ部９８の周方向の一端側）とを支点として、径方向の外側に回転する。これにより、図１１Ｂに示すように、第１フランジ部９０の周方向の全長が第１外側溝７６に挿入されると共に、第２フランジ部９８の周方向の全長が第２外側溝７８に挿入される。この結果、周方向に隣接する２つのセグメント８０の第１分割面８６が互いに重ね合わさると共に、第２分割面８８が重ね合わさる。また、周方向に隣接する２つのセグメント８０について、互いに向かい合う第１挿入溝１３２に第１シール部材１３６が挿入されると共に、互いに向かい合う第２挿入溝１３４（図３参照）に第２シール部材１３８が挿入される。これにより、周方向に隣接する２つのセグメント８０の間が、第１シール部材１３６及び第２シール部材１３８によってシールされる。このようにして、該周方向に隣接する２つのセグメント８０が連結される。

以上のように、隣接する２つのセグメント８０の間にクリアランスを設けた状態で、セグメント８０の一部を第１リング６２及び第２リング６４に挿入し、第１分割円環部８２の外周部分の角部１７２と、第２分割円環部８４の外周部分の角部１７３とを支点として、該セグメント８０を回動させる。これにより、複数のセグメント８０を容易且つ安定して連結することができる。

また、ステップＳ８では、複数のセグメント８０がスライド用治具１６２の周方向に連結されることに伴い、第１押圧部材６６の内周部１０８が第１内側溝９４に挿入されると共に、第２押圧部材６８の内周部１１２が第２内側溝１０２に挿入される。この結果、複数のセグメント８０の各々は、ノズル本体６０の軸方向に位置決めされる。

さらに、ステップＳ８では、複数のセグメント８０がスライド用治具１６２の周方向に連結されることに伴い、第１押圧部材６６の第１突起１１６が第１切欠部１１４に挿入されると共に、第２押圧部材６８の第２突起１２０が第２切欠部１１８に挿入される。これにより、複数のセグメント８０の各々は、ノズル本体６０の周方向に位置決めされる。この結果、複数のセグメント８０の中空部１２６と、複数の第１孔１２２との該周方向の位相を合わせることができる。

このようにして、ラジアルタービンノズル１０が構成される。

次のステップＳ９では、先ず、ナット１７０を緩めてラジアルタービンノズル１０を押圧状態から解放する。次に、ボルト１６６からナット１７０を取り外し、ボルト１６６から押圧治具１６８を取り外す。次に、ベース治具１６０からラジアルタービンノズル１０を取り外す。

次に、ガスタービン１２へのラジアルタービンノズル１０の組付方法について説明する。

この組付方法では、ステップＳ１０（ノズル配置工程）において、上記のステップＳ１～ステップＳ９の各工程（ノズル組立工程）によって組み立てられたラジアルタービンノズル１０を、第１ホルダ３４における径方向の外側に配置する。具体的には、ノズル本体６０の内周部分が第１ホルダ３４に対して着座可能となり、且つ、複数のセグメント８０が径方向に移動可能となるように、ラジアルタービンノズル１０を第１ホルダ３４及び第２ホルダ３６に配置する。ラジアルタービンノズル１０は、第１ホルダ３４及び第２ホルダ３６に対して径方向にクリアランス１４８、１５０を有する状態で配置される。

複数のセグメント８０の内周部分は、ガスタービン１２の運転時に燃焼ガスの圧力によって第１ホルダ３４に着座する。具体的には、複数のブレード７０に燃焼ガスが衝突したときに、複数のセグメント８０の各々には、径方向の内側への押圧力が作用する。これにより、複数のセグメント８０の各々は、径方向の内側に移動する。この結果、図７に示すように、複数のセグメント８０の各々の第１分割円環部８２の内周部分は、第１ホルダ３４に着座する。この結果、ラジアルタービンノズル１０は、ラジアルタービン１８の径方向に位置決め固定される。

なお、上記の説明では、第１挿入溝１３２に第１シール部材１３６が挿入され、第２挿入溝１３４に第２シール部材１３８が挿入される場合について説明した。本実施形態では、隣接する２つのセグメント８０の間で、第１シール部材１３６及び第２シール部材１３８を保持できればよい。そのため、本実施形態では、複数の第１分割面８６に形成されたスロット（凹部）に第１シール部材１３６を挿入してもよい。また、複数の第２分割面８８に形成されたスロット（凹部）に第２シール部材１３８を挿入してもよい。

また、図９でのラジアルタービンノズルの組立方法では、スライド用治具１６２を用いず、作業者が手作業で複数のセグメント８０を径方向の外側に移動させることにより、複数のセグメント８０を周方向に連結してもよい。

上記の実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。

本発明の第１の態様は、ラジアルタービン（１８）と、前記ラジアルタービンを囲むラジアルタービンノズル（１０）と、前記ラジアルタービンノズルを保持する保持部（３４）とを備えるガスタービン（１２）であって、前記ラジアルタービンノズルは、前記ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配された複数のブレード（７０）と、前記ラジアルタービンの軸方向における前記複数のブレードの一端部に連結された第１エンドウォール（７２）と、前記軸方向における前記複数のブレードの他端部に連結された第２エンドウォール（７４）とを有する円環状のノズル本体（６０）と、前記第１エンドウォールを囲む第１リング（６２）と、前記第２エンドウォールを囲む第２リング（６４）と、を備え、前記ノズル本体は、前記周方向に沿って連結された複数のセグメント（８０）を有し、前記第１リングは、前記ラジアルタービンの径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第１外側溝（７６）を有し、前記第２リングは、前記径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第２外側溝（７８）を有し、前記複数のセグメントの各々は、前記第１エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第１分割面（８６）で分割することにより形成された第１分割円環部（８２）と、前記第２エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第２分割面（８８）で分割することにより形成された第２分割円環部（８４）と、を有し、前記第１分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第１フランジ部（９０）を有し、前記第１フランジ部が前記第１外側溝に挿入され、前記第２分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第２フランジ部（９８）を有し、前記第２フランジ部が前記第２外側溝に挿入され、前記ノズル本体の内周部分が前記保持部に着座可能であり、前記複数のセグメントは、前記径方向に移動可能である。

本発明の第１の態様において、前記複数の第１分割面の各々には、第１挿入溝（１３２）が形成され、前記複数の第２分割面の各々には、第２挿入溝（１３４）が形成され、前記第１挿入溝には、第１シール部材（１３６）が挿入され、前記第２挿入溝には、第２シール部材（１３８）が挿入されている。

第１シール部材及び第２シール部材が複数のセグメントを押圧することがないので、燃焼ガスの圧力によって複数のセグメントを、ラジアルタービンの径方向の内側に容易に移動させることが可能となる。

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…ラジアルタービンノズル１２…ガスタービン
１８…ラジアルタービン３４…第１ホルダ（保持部）
６０…ノズル本体６２…第１リング
６４…第２リング７０…ブレード
７２…第１エンドウォール７４…第２エンドウォール
７６…第１外側溝７８…第２外側溝
８０…セグメント８２…第１分割円環部
８４…第２分割円環部８６…第１分割面
８８…第２分割面９０…第１フランジ部
９８…第２フランジ部

Claims

ラジアルタービンと、前記ラジアルタービンを囲むラジアルタービンノズルと、前記ラジアルタービンノズルを保持する環状の保持部とを備えるガスタービンであって、
前記ラジアルタービンノズルは、
前記ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配された複数のブレードと、前記ラジアルタービンの軸方向における前記複数のブレードの一端部に連結された第１エンドウォールと、前記軸方向における前記複数のブレードの他端部に連結された第２エンドウォールとを有する円環状のノズル本体と、
前記第１エンドウォールを囲む第１リングと、
前記第２エンドウォールを囲む第２リングと、
を備え、
前記ノズル本体は、前記周方向に沿って連結された複数のセグメントを有し、
前記第１リングは、前記ラジアルタービンの径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第１外側溝を有し、
前記第２リングは、前記径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第２外側溝を有し、
前記複数のセグメントの各々は、
前記第１エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第１分割面で分割することにより形成された第１分割円環部と、
前記第２エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第２分割面で分割することにより形成された第２分割円環部と、
を有し、
前記第１分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第１フランジ部を有し、前記第１フランジ部が前記第１外側溝に挿入され、
前記第２分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第２フランジ部を有し、前記第２フランジ部が前記第２外側溝に挿入され、
前記第１分割円環部の内周部分が前記保持部の外周に遊嵌されており、
前記複数のセグメントは、前記径方向に移動可能である、ガスタービン。
請求項１記載のガスタービンにおいて、
前記複数の第１分割面の各々には、第１挿入溝が形成され、
前記複数の第２分割面の各々には、第２挿入溝が形成され、
前記第１挿入溝には、第１シール部材が挿入され、
前記第２挿入溝には、第２シール部材が挿入されている、ガスタービン。
請求項１又は２記載のガスタービンにおいて、
前記複数のセグメントの各々において、前記第１分割円環部の内周部分には、嵌合突起が形成され、
前記保持部の前記外周には、複数のスロットが前記周方向に間隔を置いて形成され、
前記複数の嵌合突起は、前記複数のスロットにそれぞれ挿入されている、ガスタービン。
ラジアルタービンノズルの組付方法であって、
前記ラジアルタービンノズルは、
ラジアルタービンの周方向に所定の間隔で配された複数のブレードと、前記ラジアルタービンの軸方向における前記複数のブレードの一端部に連結された第１エンドウォールと、前記軸方向における前記複数のブレードの他端部に連結された第２エンドウォールとを有する円環状のノズル本体と、
前記第１エンドウォールを囲む第１リングと、
前記第２エンドウォールを囲む第２リングと、
を備え、
前記ノズル本体は、前記周方向に沿って連結された複数のセグメントを有し、
前記第１リングは、前記ラジアルタービンの径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第１外側溝を有し、
前記第２リングは、前記径方向の外側に凹み且つ前記周方向に延在する第２外側溝を有し、
前記複数のセグメントの各々は、
前記第１エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第１分割面で分割することにより形成された第１分割円環部と、
前記第２エンドウォールを前記径方向に対して傾斜する複数の第２分割面で分割することにより形成された第２分割円環部と、
を有し、
前記第１分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第１フランジ部を有し、前記第１フランジ部が前記第１外側溝に挿入され、
前記第２分割円環部の外周部分は、前記径方向の外側に突出する第２フランジ部を有し、前記第２フランジ部が前記第２外側溝に挿入され、
前記組付方法は、
前記ノズル本体の外周部分に前記第１リング及び前記第２リングが組み付けられた状態で前記ラジアルタービンノズルを組み立てるノズル組立工程と、
前記第１分割円環部の内周部分がガスタービンの環状の保持部の外周に遊嵌され、且つ、前記複数のセグメントが前記径方向に移動可能となるように、前記保持部の前記径方向の外側に前記ラジアルタービンノズルを配するノズル配置工程と、
を有する、ラジアルタービンノズルの組付方法。