JP4520022B2 - タービンノズルセグメントの側壁に隣接するアンダカット領域をインピンジメント冷却するための装置と方法 - Google Patents

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バンドのアンダカット領域のインピンジメント冷却に関し、具体的にはノズルセグメントカバーとノズル壁との間の溶接継手が、高温ガス通路に曝されるノズル壁から遠く離れている設計における、ノズルバンド端縁のインピンジメント冷却に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在のガスタービンの設計においては、ノズルセグメントは、普通はタービンの回転軸の周りに環状列に配置される。セグメントの列が、外側と内側の環状のバンドを形成し、複数の羽根がそのバンドの間に延びる。バンドと羽根が、ガスタービンを通る高温ガス通路を部分的に画定する。各ノズルセグメントは、外側バンド部分と内側バンド部分とを含み、１つあるいはそれ以上の羽根が、外側及び内側バンド部分の間に延びる。現在のガスタービンの設計においては、冷却媒体、例えば蒸気が、ノズルセグメントのそれぞれに供給される。蒸気冷却に適応するために、各バンド部分は、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置され、ノズル壁とでチャンバを画定するカバーと、チャンバ中に配置されたインピンジメント板とを含む。インピンジメント板は、その１側にカバーとの間で第１の空洞を画定し、冷却蒸気入口から冷却蒸気を受け入れる。また、インピンジメント板は、その反対側にノズル壁との間で第２の空洞を画定する。インピンジメント板は、冷却蒸気を第１の空洞から第２の空洞中に流すための複数の開口を有し、ノズル壁をインピンジメント冷却する。次いで冷却蒸気は、羽根の空洞を通して半径方向内方に流れ、羽根のあるものは、羽根の側壁をインピンジメント冷却するための開口を具えるインサートを含む。次いで冷却蒸気は、内側バンド部分中のチャンバに入り、流れの方向を反転し、インピンジメント板を通って半径方向外方に流れ内側バンドのノズル壁をインピンジメント冷却する。使用済みの冷却媒体は、羽根の中の空洞を通って還流しノズルセグメントの排出口に至る。
【０００３】
外側及び内側バンド部分のそれぞれに設けられるカバーは、対応するノズル壁に溶接されることが望ましい。以前の設計においては、カバーノとズル壁との間の溶接継手は、隣接するノズルセグメントの側壁間でノズル壁とスプラインシールとの間の半径方向位置に配置されていた。その位置では、溶接個所は、高温ガス通路の高温のガスに曝されて、冷却するのが極めて難しかった。従って、溶接継手の疲労寿命は、高温ガス通路に近接しているために著しく減少された。その上、溶接個所の位置が、製造反復性には最適ではなかったし、また製作公差に非常に影響され易かった。溶接継手は、壁に厚さが変ると、継手の応力が増大し、耐低いサイクル疲労が減少し、部品の寿命を制限する特徴があった。また、機械加工後の溶接での壁厚は、製造工程において許容できない変動要素であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題点を解決しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によると、冷却システムが、カバーとノズル壁との間の溶接継手がスプラインシールの高温ガス通路に曝されるノズル壁から遠く離れた側にあるノズルセグメント設計において、提供される。つまり、外側バンドのカバーとノズル壁との間の溶接継手は、隣接する外側バンド間のスプラインシールの半径方向外方に位置し、一方、内側バンドのカバーとノズル壁との間の溶接継手は、隣接する内側バンド間のスプラインシールの半径方向内方に位置する。このことが、タービン運転中の溶接継手の温度を下げ、継手にかかる熱的及び機械的応力を減少させ、溶接後の機械加工の必要性を全くなくし、結果として一定の厚さの継手をもたらし、またより高い耐疲労寿命をもたらす。その位置は、また結果として機械加工性と溶接欠陥に対する許容度を向上させることになる。
【０００６】
その溶接位置を設けるために、ノズルセグメントのバンドの側壁に隣接するアンダカット領域が形成される。具体的に言えば、各アンダカット領域は、ノズルセグメントの側壁つまり端縁と、側壁つまり端縁から内方にまたノズル壁に概ね平行に延びかつノズル壁から間隔を置いて配置された内向きフランジを含む。しかしながら、アンダカット領域は側壁つまり端縁をインピンジメント板からかなりの距離隔てることになり、ノズルバンド側壁つまり端縁の冷却が全く難しく、従ってセグメントの側壁をインピンジメント冷却する効果が減少する。
【０００７】
本発明によると、改善された側壁の構成と冷却が提供される。具体的に言えば、カバーとノズル壁との間の溶接継手がタービンを通る高温ガス通路から遠く離れて位置するので、バンドの側壁の内向きフランジを直接貫通する、例えばバンドを構成する鋳造品を貫通するインピンジメント冷却開口を設けて、冷却蒸気流れが移動する距離を減ずることによって、側壁冷却が改善される。従って、インピンジメント板を固定するための接合面をノズル側壁に機械加工した後、インピンジメント開口を内向きフランジを貫通して成形することができる。続いて、インピンジメント板が内向きフランジに溶接されてインピンジメント板の両側面に空洞つまりプレナムを画定する。ノズル側壁及びアンダカット領域のインピンジメント冷却は、このようにインピンジメント板と内向きフランジの両方の開口を通して冷却媒体を流すことにより行なわれる。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態において、外側及び内側バンドとその両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根とを有し、バンドのうちの少なくとも１つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置されノズル壁との間にチャンバを画定するカバーと、セグメントの内部に固定されチャンバ内に配置されて、その１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受け入れるための第１の空洞を画定し、その第１の空洞と反対側にノズル壁との間で第２の空洞を画定し、冷却媒体を第１の空洞から第２の空洞に流しノズル壁をインピンジメント冷却するためのそれを貫通する複数の開口を有するインピンジメント板とを含むガスタービンに用いられるノズルセグメントであって、ノズルセグメントは、ノズル壁とカバーとの間で概ね半径方向に延び、かつノズル壁から間隔を置いて配置された内向きフランジを有する側壁を含み、内向きフランジはノズル壁と側壁と共に側壁に隣接するアンダカット領域を画定しており、また第１の空洞から冷却媒体を流しアンダカット領域中の側壁をインピンジメント冷却するための内向きフランジを貫通する複数の開口をさらに含むことを特徴とするノズルセグメントが提供される。
【０００９】
本発明によるさらに好ましい実施形態において、外側及び内側バンドとその両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根とを含み、バンドのうちの少なくとも１つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置されノズル壁との間にチャンバを画定するカバーと、バンドの内部に固定されチャンバ内に配置されて、その１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受け入れるための第１の空洞とその反対側にノズル壁との間で第２の空洞を画定し、冷却媒体を第１の空洞から第２の空洞中に流しノズル壁をインピンジメント冷却するためのそれを貫通する複数の開口を有するインピンジメント板とを含むノズルセグメントであって、ノズル壁とカバーとの間で概ね半径方向に延び、かつ、ノズル壁から間隔を置いて配置されノズル壁と側壁と共に側壁に隣接するアンダカット領域を画定する内向きフランジを有する側壁を含むノズルセグメントを有するガスタービンにおいて、冷却媒体を内向きフランジを貫通する複数の開口を通して第１の空洞から第２の空洞中に流し、第１の空洞からの冷却媒体を方向付けてアンダカット領域の側壁をインピンジメント冷却することを含む１つのバンドの側壁を冷却する方法が提供される。
【００１０】
【発明実施の形態】
さて図１を参照すれば、全体として１０で示されるノズルセグメントが示され、ノズルセグメントはガスタービン軸の周りに配置された環状列のセグメントの１部分を形成する。各ノズルセグメントは、外側バンド１２と内側バンド１４とその間に延びる１つあるいはそれ以上の羽根１６を含む。ノズルセグメントが、環状列に配置されるとき、外側及び内側バンド１２及び１４並びに羽根１６が、普通そうであるように、ガスタービンを通る環状の高温ガス通路を画定する。
【００１１】
外側及び内側バンド並びに羽根は、冷却媒体、例えば蒸気を、外側バンド１２のチャンバを通り、半径方向内方に羽根中の空洞を通り、内側バンド１４中のチャンバを通り、そして半径方向外方に羽根を通って、外側バンドの出口に冷却媒体が戻って来るように流すことによって冷却される。より具体的に図１の例で、外側バンド１２は、外側のノズル壁１８と、外側壁１８を覆って配置され外側壁１８に溶接されその間にチャンバ２１（図２）を画定する外側カバー２０と、チャンバ２１に配置されたインピンジメント板２２とを含む。インピンジメント板２２は、ノズルセグメントカバー２０と共に第１の空洞２４を画定し、またその反対側にノズル壁１２と共に第２の空洞２６を画定する。冷却媒体入口及び出口２５及び２７がそれぞれカバーを貫通して設けられ、冷却媒体、例えば蒸気をノズル羽根セグメントに供給し、使用済みの蒸気をセグメントから排出する。冷却蒸気が、第１の空洞２４に供給され、インピンジメント板２２の複数の開口３０を通って流れ、側壁１８をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却蒸気は、第２の空洞２６から外側及び内側バンド間の羽根を貫通して延びる空洞中の１つあるいはそれ以上のインサート（図示せず）中に流れ込む。羽根インサートは、羽根の側壁をインピンジメント冷却するための複数の開口を含む。次いで冷却蒸気は、内側バンド１４のチャンバ、特に半径方向最内方の空洞中に流れ込み、内側バンド中のインピンジメント板の開口を通って流れ、内側バンドの側壁をインピンジメント冷却する。使用済みの冷却蒸気は、次いで羽根中の空洞を通りまた外側バンドの排出口を通って流れる。前述の冷却回路の実施形態の完全な記述に関しては、同一譲受人の米国特許第５，６３４，７６６号が参照され、その開示は本明細書に引用として組み入れられる。
【００１２】
今度は図２を参照すれば、隣接するノズルセグメント間の接合箇所が図示されている。以下の記載は外側バンド１２に関しての具体的な説明であるが、それは内側バンド１４にも等しく適用できるということを理解されたい。従って、各ノズルバンド（内側及び外側の両方のバンド）は、ノズル壁１８とカバー２０との間に概ね半径方向に延びるノズル側壁つまり端縁４０を含む。また、バンドは、ノズル壁１８から間隔を置いて配置された内向きフランジ４２を含み、壁１８と側壁つまり端縁４０と共にアンダカット領域４４を画定する。内向きフランジ４２はまた、隣接するノズルセグメント間のシールを形成するスプライン４８の１つのエッジを受け入れるための円周方向の開放スロット４６を含む。
【００１３】
図２に図示されるように、カバー２０は、ノズルバンドの相対する端部に沿って内向きフランジ４２に溶接される。また、溶接継手５０は、スプラインシール４８のノズル壁１８から遠く離れた側に位置する。一部分をノズル壁１８により画定される高温ガス通路から離して溶接継手５０を位置させることによって、溶接継手５０は、高温ガス通路により近接して位置させた場合よりもずっと低い温度に曝される。また図２に示すように、インピンジメント板２２は、内向きフランジ４２の内側の表面に蝋付けまたは溶接するために相対する縁に沿って上向きフランジ５２を有する。開口３０は、インピンジメント板の各上向きフランジ５２中に設置されるが、最も近接する開口３０とアンダカット領域４４中の側壁つまり端縁４０との間にかなりの距離があるということが分かるであろう。この大きな距離が、インピンジ冷却の効果を減少させる。
【００１４】
アンダカット領域に沿う側壁つまり端縁４０のインピンジ冷却を効果的に行なうために、複数の開口５６が、内向きフランジ４２に沿ってかつそれを貫通して形成され、第１の空洞と第２の空洞との間を連通する。しかしながら、重要なことは、開口５６が、開口５６を通って流れるインピンジメント冷却蒸気によって側壁つまり端縁４０に的を絞った冷却を施すように方向付けられそして直径対長さの比を有することである。理解されると思うが、開口５６とノズルバンド１２及び１４の相対する側面に沿う側壁つまり端縁４０との間の流れの距離は、開口５６を内向きフランジ４２中に設置することによりかなり減じられる。冷却はまた、冷却蒸気を側壁つまり端縁４０上に直接流すように、大きい長さ／幅の比をもち的を絞った開口５６により改善される。
【００１５】
本発明を、最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられるものに関連して今まで説明てきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を含むことを意図している。
【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分解斜視概略図。
【図２】 隣接するノズルセグメントの側壁間の継手を示し、カバー／ノズル鋳造品の溶接継手とインピンジメント冷却開口の配置とをさらに示す拡大破断断面図。
【符号の説明】
１０ ノズルセグメント
１２ 外側バンド
１４ 内側バンド
１６ 羽根
１８ 外側ノズル壁
２０ 外側カバー
２１ チャンバ
２２ インピンジメント板
２４ 第１の空洞
２５ 入口
２６ 第２の空洞
２７ 出口
３０ 開口
４０ ノズル側壁つまり端縁
４２ 内向きフランジ
４４ アンダカット領域
４６ 開放スロット
４８ スプライン
５０ 溶接継手
５２ 上向きフランジ
５６ 開口

Claims (13)

1. 外側及び内側バンド（１２，１４）と前記両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根（１６）とを有し、前記バンドのうちの少なくとも１つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁（１８）と、前記ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置され前記ノズル壁との間にチャンバ（２１）を画定するカバー（２０）と、セグメントの内部に固定され前記チャンバ内に配置されて、その１方の側に前記カバーとの間で冷却媒体を受け入れるための第１の空洞（２４）を画定し、その前記第１の空洞と反対側に前記ノズル壁との間で第２の空洞（２６）を画定し、冷却媒体を前記第１の空洞から前記第２の空洞に流し前記ノズル壁をインピンジメント冷却するためのそれを貫通する複数の開口（３０）を有するインピンジメント板（２２）とを含むガスタービンに用いられるノズルセグメント（１０）であって、該ノズルセグメントは、前記ノズル壁と前記カバーとの間で半径方向に延び、かつ前記ノズル壁から間隔を置いて配置された内向きフランジ（４２）を有する側壁（４０）を含み、前記内向きフランジは前記ノズル壁と前記側壁と共に前記側壁に隣接するアンダカット領域（４４）を画定しており、また前記第１の空洞から冷却媒体を流し前記アンダカット領域中の前記側壁をインピンジメント冷却するための前記内向きフランジを貫通する複数の開口（５６）をさらに含むことを特徴とするノズルセグメント（１０）。
2. 前記インピンジメント板は、前記側壁の前記内向きフランジに固定された上向き端部（５２）を有し、前記インピンジメント板を貫通する前記開口は、その前記上向き端部を貫通して延びることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
3. 前記インピンジメント板の前記上向き端部は、半径方向に延びることを特徴とする請求項２に記載のノズルセグメント。
4. 前記ノズル側壁と前記カバーは、前記インピンジメント板の前記ノズル壁から遠く離れた側の溶接継手（５０）のところで互いに溶接されることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
5. 前記側壁は、スプラインシール（４８）を受け入れるための前記セグメントの外方に開放したスロット（４６）を有し、前記側壁と前記カバーは、前記スロットから外方に位置する溶接継手のところで互い溶接されることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
6. 前記インピンジメント板は、前記側壁の前記内向きフランジ（４２）に固定された上向き端部（５２）を有し、前記インピンジメント板を貫通する前記開口（３０）は、その前記上向き端部（５２）を貫通して延び、前記ノズル側壁（４０）と前記カバー（２０）は、前記インピンジメント板の前記ノズル壁から遠く離れた側の溶接継手のところで互いに溶接されることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
7. 前記インピンジメント板の前記上向き端部は、半径方向に延びることを特徴とする請求項６に記載のノズルセグメント。
8. 前記側壁は、スプラインシール（４８）を受け入れるための前記セグメントの外方に開放したスロット（４６）を有し、前記側壁と前記カバーは、前記スロットから外方に位置する溶接継手のところで互いに溶接されることを特徴とする請求項６に記載のノズルセグメント。
9. 前記１つのバンドは、前記ノズルセグメントの外側バンド（１２）であることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
10. 前記１つのバンドは、前記ノズルセグメントの内側バンド（１４）であることを特徴とする請求項１に記載のノズルセグメント。
11. 外側及び内側バンド（１２，１４）とその両バンドの間に延びる少なくとも１つの羽根（１６）とを含み、バンドのうちの少なくとも１つが、タービンを通る高温ガス通路を部分的に画定するノズル壁（１８）と、ノズル壁から半径方向に間隔を置いて配置されノズル壁との間にチャンバ（２１）を画定するカバー（２０）と、バンドの内部に固定されチャンバ内に配置されて、その１方の側にカバーとの間で冷却媒体を受け入れるための第１の空洞（２４）とその反対側にノズル壁との間で第２の空洞（２６）を画定し、冷却媒体を第１の空洞から第２の空洞中に流しノズル壁をインピンジメント冷却するためのそれを貫通する複数の開口（３０）を有するインピンジメント板（２２）とを含むノズルセグメント（１０）であって、ノズル壁（１８）とカバー（２０）との間で半径方向に延び、かつ、ノズル壁から間隔を置いて配置されノズル壁と側壁と共に側壁に隣接するアンダカット領域（４４）を画定する内向きフランジ（４２）を有する側壁（４０）を含むノズルセグメント（１０）を有するガスタービンにおいて、冷却媒体を内向きフランジを貫通する複数の開口（５６）を通して第１の空洞から第２の空洞中に流し、第１の空洞からの冷却媒体を方向付けてアンダカット領域の側壁をインピンジメント冷却することを含む１つのバンドの側壁を冷却する方法。
12. 前記インピンジメント板は、前記開口（５６）に隣接して前記側壁の前記内向きフランジに固定された上向き端部（５２）を有しており、冷却媒体を前記第１の空洞から前記インピンジメント板の前記上向き端部を通して流すことを含む請求項１１に記載の方法。
13. 冷却媒体の流れを、前記内向きフランジ及び前記上向き端部の開口を通して横方向に方向付け前記１つのバンドの前記側壁を直接インピンジメント冷却することを含む請求項１２に記載の方法。

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