JPH0776523B2 - タービンノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンノズルに係
り、特にガスタービンノズルのノズル翼の支持構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は一般的なタービンノズルの概略
構成を示している。内輪２１と外輪２２との間に多数の
ノズル翼２３が配列され、それらノズル翼２３の内端面
は内輪２１の外周面に、またノズル翼２３の外端面は外
輪２２の内周面にそれぞれ溶接によって固着されてい
る。しかし、この従来のタービンノズルでは、近来の作
動ガスのタービン入り口温度の高温化要求に対して、ノ
ズル翼２３の材質に問題があり、かつ、作動ガスによっ
てノズル翼２３が高温化した場合にノズル翼２３の接続
部に応力が集中するなどの問題があった。

【０００３】これに対して出願人は、先にセラミック等
の耐熱材料を用いてノズル翼を形成し、かつ、このノズ
ル翼をばねによって弾力的に支持するタービンノズルを
提案した（特願平１−１６８４７３参照）。図１１は、
出願人が先に提案したタービンノズルに用いるノズル翼
を示している。ノズル翼２５は、曲面板状の翼部２６
と、この翼部２６の上下端から翼部２６に対して垂直に
突出した内周壁部２７と外周壁部２８とによって構成さ
れている。ノズル翼２５はセラミック等の耐熱材料によ
って一体に形成され、翼部２６は作動ガスの推力を受
け、内周壁部２７と外周壁部２８は作動ガスの流路の内
側と外側の壁面を構成する。ガス流路の反対側の内周壁
部２７と外周壁部２８の壁面には、ノズル翼２５を支持
する押さえ棒用の凹部２９が設けられている。図１２
は、上記のノズル翼２５を用いたタービンノズルを示し
ている。ノズル翼２５は遮熱材３０を介してタービンノ
ズルの内筒３１と外筒３２の間に円環状に複数配置され
ている。各ノズル翼２５の内周壁部２７と外周壁部２８
は、ばね３３を介して内筒３１と外筒３２に取り付けら
れた押さえ棒３４によって押圧支持されている。押さえ
棒３４の先端は内周壁部２７と外周壁部２８の凹部２９
と係合している。このタービンノズルによれば、ノズル
翼２５の翼部２６と内周壁部２７と外周壁部２８とによ
って形成されるガス流路を作動ガスが流過することによ
り、作動ガスは方向を変えて、さらに大きな流速を得て
タービンの動翼に高速で衝突する。ノズル翼２５はその
反作用としてタービンノズルの円周接線方向に推力を受
けるが、凹部２９に係合する押さえ棒３４を介して内筒
３１及び外筒３２によって支えられる。ノズル翼２５は
耐熱材料によって形成されているので、高温のガスに耐
えられる。また、ノズル翼２５は押さえ棒３４によって
弾力的に支持されているので、高温化してタービンノズ
ルの半径方向に熱膨脹した場合でも、押さえ棒３４のば
ね３３の作用によって、熱変形を吸収することができ、
熱応力によって破損することがない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のノ
ズル翼の組立て構造体では、ノズル翼の高温ガスの流路
部の温度分布の不均衡による熱応力や、タービンノズル
の半径方向にかかる局所応力の低減については、解決す
ることができるが、作動ガスからの周方向の力をノズル
翼の凹部の一点で支える構造であるために、凹部におけ
る応力の集中は避け難いという点が未解決であった。ま
た、熱やガスの推力によって、内筒および外筒がタービ
ンノズルの軸方向或いは円周方向に相対的に変位した場
合に、ノズル翼が傾斜するが、傾斜することにより、ノ
ズル翼は遮熱材と線または点で接触し、接触点に応力が
集中するという点が依然問題として残っている。本発明
は上記の未解決点を解決し、ノズル翼と内筒と外筒に熱
伸び差等が生じてもノズル翼を支持する部材が常に面で
ノズル翼を接触支持するようにタービンノズルを構成
し、過大な応力集中によってノズル翼が破損するのを防
止したタービンノズルを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のタービンノズルは、翼部と内周壁部と外周壁
部とを有する耐熱材料からなるノズル翼を、内側ホルダ
ーと外側ホルダーとを介して内筒と外筒との間に円環状
に複数個配設したタービンノズルにおいて、前記内側ホ
ルダーの上端面および前記外側ホルダーの下端面に前記
ノズル翼の内周壁部および外周壁部にそれぞれ嵌合する
凹部を設けて内側受け座および外側受け座を形成し、前
記内側受け座および外側受け座に板ばねを介して遮熱材
を設けると共に、各受け座の内側側面に半円溝を設けて
これに遊嵌する半円棒を配置し、前記ノズル翼を前記遮
熱材の間に組み込み、ノズル翼の内周壁部と外周壁部と
が前記遮熱材によって押圧支持され、内周壁部および外
周壁部の端面が前記半円柱棒の平面部分に当接するよう
に構成したことを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】本発明のタービンノズルは、板ばねによって付
勢された遮熱材によってノズル翼の内周壁部と外周壁部
を弾性的に押圧支持し、かつ、ノズル翼の内周壁部と外
周壁部の端面を回転可能な半円棒の平面部分に当接させ
るように構成したので、内筒と外筒とノズル翼が、ター
ビンノズルの軸方向、円周方向、半径方向のいずれかに
相対的な変位が生じたときも、ノズル翼の内外周壁部の
傾斜に応じて板ばねの一部が大きく変形し、遮熱材がノ
ズル翼の内外周壁部の壁面全体を弾性的に押圧支持し続
けることができる。また、ノズル翼の内外周壁部の端面
が傾斜した場合には、半円溝に遊嵌された半円棒がこれ
に応じて回転し、この結果、内外周壁部の端面は広い面
で半円棒に接触し、応力が特定の点或いは線に集中する
ことないので、ノズル翼が半損することがない。

【０００７】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の一実施例
について説明する。本発明の要部はノズル翼の支持構造
にあるが、その具体的な構成の説明に先立ってまずノズ
ル翼自体について図２を参照して説明する。図２は本発
明のタービンノズルに用いるノズル翼の一つを示してい
る。ノズル翼１は、ガスの推力を受ける翼部２と、翼部
２の内側端部および外側端部から翼部２を含む面に垂直
に突出し、ガスの流路の壁面を形成する内周壁部３と外
周壁部４とから構成されている。翼部２はガスの流れ方
向と流速とを変えるのに好適な曲面に形成されている。
翼部２と内周壁部３、および翼部２と外周壁部４はそれ
ぞれ滑らかな曲面で接続されていると共に、翼部２と内
周壁部３と外周壁部４は、境界部も含めて肉厚が一様に
形成されている。ノズル翼１は耐熱性材料、例えばセラ
ミックスによって一体に形成されている。このノズル翼
１は、内周壁部３および外周壁部４が同一方向に突出す
るように円環状に複数配列され、全体としてガスの流れ
に対して図中に示すように配置される。

【０００８】図１はタービンノズルの１ピッチ分のノズ
ル翼の組立て構造体を示している。タービンノズルは内
筒５を有し、内筒５の外周面の溝にはノズル翼１を保持
する複数の内側ホルダー６が組み込まれている。各内側
ホルダー６の上端面にはノズル翼１の内周壁部３と嵌合
する内側受け座７が設けられている。内側受け座７には
これと整合する形状の板ばね８が組み込まれ、この板ば
ね８の上面には遮熱材９が配置されている。また、内側
受け座７の内側の側面の一部には半円溝７ａが設けら
れ、この半円溝７ａには複数の半円棒１０が回転可能に
嵌合されている。タービンノズルは図示しない外筒を有
し、この外筒の内周面には内筒５側と同様に、ノズル翼
１を保持する複数の外側ホルダー１１が組み込まれてい
る。各外側ホルダー１１の下端面にはノズル翼１の外周
壁部４と嵌合する外側受け座が設けられており、この外
側受け座にはこれに整合する形状の板ばね１２と遮熱材
１３とが組み込まれている。外側受け座の内側側面の一
部には半円溝が設けられ、半円溝には複数の半円棒１４
が組み込まれている。上記の内側ホルダー６と外側ホル
ダー１１の遮熱材９，１３の間には、ノズル翼１が組み
込まれ、内周壁部３と外周壁部４をそれぞれ遮熱材９，
１３に当接させ、内周壁部３と外周壁部４の端面をそれ
ぞれ半円棒１０，１４の平面部分に当接させている。タ
ービンノズルの１ピッチ分のノズル翼の組立て構造体は
上記の構成を有し、タービンノズルの内外筒の間には、
上記のノズル翼の組立て構造体が隙間なく周方向に円環
状に配列されている。

【０００９】図３は図１に示す矢印Ｉ−Ｉ方向に見たノ
ズル翼の組立て構造体の下部を示している。図中に示す
ように、ノズル翼１の内周壁部３は内側ホルダー６の内
側受け座７に嵌合し、内周壁部３の端面３ａ，３ｂ，３
ｃは、内側受け座７の半円溝７ａに回転可能に設けられ
た半円棒１０の平面部分に当接している。図４は図３に
示す矢印Ｊ−Ｊ方向に見たノズル翼の組立て構造体の下
部を示している。図中に示すように、ノズル翼１の内周
壁部３は内側ホルダー６の内側受け座７と嵌合し、ガス
流路の反対側の面は、遮熱材９と当接して板ばね８の弾
力によって押圧支持されている。また、内周壁部３の端
面３ａは、内側受け座７の側面に設けられた半円溝７ａ
に回転可能に組み込まれた半円棒１０の平面部分に当接
している。図３の矢印Ｊ₁ −Ｊ₁ ，Ｊ₂ −Ｊ₂ 方向に見
たノズル翼の組立て構造体の下部もそれぞれ同様の構造
を有している。また、ノズル翼の組立て構造体の上部に
おいて、ノズル翼１の外周壁部４は内周壁部３と全く同
様に支持されている。ノズル翼１を通って作動ガスが流
れることにより、ノズル翼１の翼部２は作動ガスの流れ
方向を変え、作動ガスの流速を増加させて図示しない動
翼に衝突させる。この反作用として、ノズル翼１は図３
および図４に示す方向に推力Ｐを受ける。推力Ｐによっ
てノズル翼１の内周壁部３の端面３ａ，３ｂ，３ｃは半
円棒１０の平面部分に押し付けられ、内側ホルダー６か
らの反力によって支持される。また、ノズル翼１の外周
壁部４の端面も同時に半円棒１４の平面部分に押し付け
られ、外側ホルダー１１からの反力によって支持され
る。

【００１０】次に、上記構造に基づいて本実施例の作用
について以下に説明する。運転に際して、タービンノズ
ルは高温の作動ガスにされされ、温度と作動ガスの推力
とによって、タービンノズルの軸方向と周方向と半径方
向とに変形を生じる。最初に内筒と外筒とが軸方向に相
対的に変形した場合について、以下に説明する。図５
は、タービンノズルの内筒と外筒が温度差等によって軸
方向に相対的に変位を生じたときのノズル翼の組立て構
造体の側断面を示している。図５において、符号１５は
タービンノズルの外筒１５を示し、符号１６は外側ホル
ダー１１の外側受け座を示している。内筒５と外筒１５
とが熱変形によって相対的に変位δ₁ を生じた場合、上
端と下端を内側ホルダー６の内側受け座７と外側ホルダ
ー１１の外側受け座１６とにそれぞれ嵌合させたノズル
翼１は、図中に示すように、傾斜する。図６は図５のＡ
部を拡大して示している。図６において、二点鎖線ｘは
内筒５と外筒１５とが相対的に変位する前のノズル翼１
の位置を示している。上記のように内筒５と外筒１５と
が温度差等によって相対的に変位するときは、ノズル翼
１は変位前の位置ｘに対して角度θ傾斜する。この結
果、板ばね８は図中の左端側が強く圧縮されて大きく変
形し、ノズル翼１の内周壁部３の傾斜を吸収する。一
方、半円棒１０は、ノズル翼１の傾斜に応じて角度θだ
け方向Ｒに回転し、ノズル翼１の内周壁部３の端面３
ａ，３ｂ，３ｃと平面部分において面接触を維持する。
この結果、ノズル翼１の内周壁部３の端面３ａ，３ｂ，
３ｃは一点において押圧されることがなくなり、破損す
ることがない。この場合、ガスによる推力Ｐは、図中に
示すように、半円棒１０を介して内側ホルダー６によっ
て効率よく支持される。

【００１１】次に、内筒と外筒とが周方向に相対的に変
形した場合について以下に説明する。図７は、タービン
ノズルの内筒と外筒が作動ガスの推力等によって周方向
に相対的に変位を生じたときのノズル翼の組立て構造体
を示している。内筒５と外筒１５とが回転によって相対
的に変位δ₂ を生じたときは、内側ホルダー６の内側受
け座７と外側ホルダー１１の外側受け座１６にそれぞれ
上端と下端を嵌合させたノズル翼１は、周方向に微小角
度回転する。図８は図７のＢ部を拡大して示している。
図８において、二点鎖線ｙは内筒５と外筒１５とが周方
向に相対的に変位する前のノズル翼１の位置を示してい
る。内筒５と外筒１５とが周方向に相対的に変位した場
合に、ノズル翼１は変位前の位置に対して角度θ傾斜す
る。これに応じて、ノズル翼１の内周壁部３の端面３
ａ，３ｂも角度θ傾斜する。半円棒１０は、内側受け座
７の半円溝７ａに回転可能に組み込まれているので、内
周壁部３の端面３ａ，３ｂの傾斜に応じて角度θだけ方
向Ｒに回転する。この結果、ノズル翼１の内周壁部３の
端面３ａ，３ｂと半円棒１０は面接触を維持し、ノズル
翼１の内周壁部３の端面３ａ，３ｂ，が一点において押
圧されて破損するのを防止することができる。

【００１２】最後にノズル翼が熱によって、タービンノ
ズルの半径方向に内筒と外筒に対して相対的に変形する
場合について以下に説明する。図９は、半径方向に変形
する前後のノズル翼を比較のために並列的に示してい
る。図９（ａ）は、低温時のノズル翼の組立て構造体を
示しており、これに対して図９（ｂ）は、高温時のノズ
ル翼の組立て構造体を示している。図９（ａ），（ｂ）
において、ノズル翼１は板ばね８，１２と遮熱材９，１
３とを介して内側ホルダー６と外側ホルダー１１とによ
って支持され、さらに内側ホルダー６と外側ホルダー１
１はそれぞれ内筒５と外筒１５とに取り付けられてい
る。ノズル翼１の内外周壁部３，４の端面３ｃ，４ｃ
は、半円棒１０，１４を介して内側ホルダー６と外側ホ
ルダー１１と接触している。遮熱材９，１３は板ばね
８，１２によって弾力的にノズル翼１を押圧支持してい
る。図９（ａ）に示すように、低温時において、ノズル
翼１はタービンノズルの半径方向に短い長さを有し、板
ばね８，１２を緩く圧縮した状態で内側ホルダー６と外
側ホルダー１１との間に保持されている。運転に際し
て、ノズル翼１は高温の作動ガスにさらされ、この結
果、ノズル翼１はタービンノズルの半径方向に熱膨張
し、図９（ｂ）に示すように、板ばね８，１２を強く圧
縮した状態で内側ホルダー６と外側ホルダー１１との間
に保持される。この場合、図中に示す距離δ₃ と距離δ
₄ の総和は、ノズル翼１の熱によるタービンノズルの半
径方向の変形量の総和となる。板ばね８，１２がノズル
翼１の熱変形に応じて弾力的に変形するので、ノズル翼
１は熱変形によって強く押圧されて破損することがな
い。また、ノズル翼１は内外周壁部の端面３ｃ，４ｃに
おいて半円棒１０，１４と摺動可能に接触しているの
で、応力集中等によって破損することない。

【００１３】

【発明の効果】上記したことから明らかなように本発明
のタービンノズルは、耐熱材料によって翼部と内周壁部
と外周壁部とを有するノズル翼を一体に形成し、このノ
ズル翼を内筒と外筒との間に円環状に配置し、板ばねに
よって付勢された遮熱材によってノズル翼の内周壁部と
外周壁部を弾性的に押圧支持し、かつ、ノズル翼の内周
壁部と外周壁部の端面を回転可能な半円棒の平面部分に
当接させるように構成したので、タービンノズルの内筒
と外筒とノズル翼との間に、軸方向、周方向、半径方向
のいずれの相対変位によって、ノズル翼が支持部材によ
って、特定の点或いは線において強く押圧され、応力が
集中して破損することがない。このように支持部材によ
ってノズル翼が破損することがないので、ノズル翼を高
温の作動ガスに耐え得る脆性の耐熱材料で形成すること
が可能であり、このことにより、信頼性が高い高効率の
タービンノズルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタービンノズルを構成する１ピッチ分
のノズル翼の組立て構造体を分解して示した斜視図。

【図２】本発明のタービンノズルに用いるノズル翼の斜
視図。

【図３】本発明のタービンノズルを構成する１ピッチ分
のノズル翼の組立て構造体の下部を示した平面断面図。

【図４】本発明のタービンノズルを構成する１ピッチ分
のノズル翼の組立て構造体の下部を拡大して示した側断
面図。

【図５】軸方向変位を生じた場合の本発明のタービンノ
ズルを軸方向に切断して示した説明図。

【図６】軸方向変位を生じた場合の本発明のタービンノ
ズルの下部を軸方向に切断して示した拡大説明図。

【図７】周方向変位を生じた場合の本発明のタービンノ
ズルをタービンの軸に直交する方向に切断して示した説
明図。

【図８】周方向変位を生じた場合の本発明のタービンノ
ズルの下部をタービンの軸に直交する方向に切断して示
した拡大説明図。

【図９】熱によって変形する前後のノズル翼の組立て構
造体を並列的に示した説明図。

【図１０】ノズル翼を溶接した従来のタービンノズルを
概略示した斜視図。

【図１１】出願人が提案したタービンノズルのノズル翼
を示した斜視図。

【図１２】出願人が提案したタービンノズルを示した軸
に直交する方向の断面図。

【符号の説明】

１ ノズル翼 ２ 翼部 ３ 内周壁部 ４ 外周壁部 ５ 内筒 ６ 内側ホルダー ７ 内側受け座 ８ 板ばね ９ 遮熱材 １０ 半円棒 １１ 外側ホルダー １２ 板ばね １３ 遮熱材 １４ 半円棒 １５ 外筒 １６ 外側受け座

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】翼部と内周壁部と外周壁部とを有する耐熱
   材料からなるノズル翼を、内側ホルダーと外側ホルダー
   とを介して内筒と外筒との間に円環状に複数個配設した
   タービンノズルにおいて、前記内側ホルダーの上端面お
   よび前記外側ホルダーの下端面に前記ノズル翼の内周壁
   部および外周壁部にそれぞれ嵌合する凹部を設けて内側
   受け座および外側受け座を形成し、前記内側受け座およ
   び外側受け座に板ばねを介して遮熱材を設けると共に、
   各受け座の内側側面に半円溝を設けてこれに遊嵌する半
   円棒を配置し、前記ノズル翼を前記遮熱材の間に組み込
   み、ノズル翼の内周壁部と外周壁部とが前記遮熱材によ
   って押圧支持され、内周壁部および外周壁部の端面が前
   記半円柱棒の平面部分に当接するように構成したことを
   特徴とするタービンノズル。