(57)【要約】【課題】衝突冷却される高温ガスセグメント装置の冷却効率、寿命ならびに組立および分解を向上させる。【解決手段】支持部に着脱自在に取り付けられ、外側で高温ガスにさらされ、内側で衝突冷却される高温ガスセグメントを備え、複数の分散した衝突孔を有する衝突板は、高温ガスセグメントの内側において距離を置いて配置されており、高温ガスセグメントの内側に衝突する冷却空気の噴流を衝突孔を通じて発生させるために衝突板に加圧冷却空気を供給するための冷却空気供給手段が設けられており、衝突板は、加圧冷却空気が供給される閉鎖された受入れ部の一部であり、衝突板を有する受入れ部が、高温ガスセグメントとは独立して支持部に取り付けられている高温ガスセグメント装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にガスタービンの燃焼室のための高温ガスセグメント装置（２０，３０）であって、
支持部（２１，３１）に着脱自在に取り付けられる、少なくとも１つの高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）であって、その外側で高温ガスにさらされ、かつその内側で衝突冷却される少なくとも１つの高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）を備え、
複数の分散した衝突孔（２５，３５）を有する衝突板（２３，３３，３３ａ，ｂ）は、前記高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）の内側において距離を置いて配置されており、かつ前記衝突板（２３，３３，３３ａ，ｂ）に加圧冷却空気を供給して、前記高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）の内側に衝突する冷却空気の噴流を前記衝突孔（２５，３５）を通じて発生させる冷却空気供給手段（２４，２６；３４，３６）が設けられている、高温ガスセグメント装置（２０，３０）において、
前記衝突板（２３，３３，３３ａ，ｂ）は、前記加圧冷却空気が供給される閉鎖された受入れ部（２４，３４）の一部であり、かつ前記衝突板（２３，３３，３３ａ，ｂ）を有する前記受入れ部（２４，３４）は、前記高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）とは独立して前記支持部（２１，３１）に取り付けられていることを特徴とする、高温ガスセグメント装置。
【請求項２】
前記受入れ部（２４，３４）は、前記衝突板（２３，３３，３３ａ，ｂ）と裏板（４０）とから構成されている、請求項１記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項３】
前記受入れ部（２４，３４）は、中空の茎状部（２６，３６）によって前記支持部（２１，３１）に取り付けられており、かつ前記加圧冷却空気は、前記茎状部（２６，３６）を通じて前記受入れ部（２４，３４）に導入される、請求項１記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項４】
前記受入れ部（２４，３４）は、前記支持部（２１，３１）に着脱自在に取り付けられている、請求項３記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項５】
前記茎状部（２６，３６）は、前記高温ガスセグメント（２２，３２，３２ａ〜ｃ）の中央に配置されている、請求項３記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項６】
前記高温ガスセグメント（３２，３２ａ〜ｃ）は、前記受入れ部（３４）を囲んでおり、封止手段（３７）は、前記高温ガスセグメント（３２，３２ａ〜ｃ）と前記支持部（３１）との間において各溝に設けられており、かつ前記衝突板（３３，３３ａ，ｂ）または前記受入れ部（３４）はそれぞれ、前記衝突板（３３，３３ａ，ｂ）または前記受入れ部（３４）の低圧側において、前記封止手段（３７）のための側壁の画定に使用されている、請求項１記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項７】
前記封止手段は、封止ロープ（２７，３７）を含む、請求項６記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項８】
前記支持部（３１）上に複数の別々の高温ガスセグメント（３２ａ〜ｃ）が並んで配置されており、前記高温ガスセグメント（３２ａ〜ｃ）は、平行な側壁（４２ａ，ｂ）によって互いに隣接しており、前記隣接し合う側壁（４２ａ，ｂ）の外側に複数の溝（４３ａ，４４ａ，４４ｂ）が設けられており、前記両側壁（４２ａ，ｂ）の前記溝（４３ａ，４４ａ，４４ｂ）は、側壁領域内から始まり、前記高温ガスセグメント（３２ａ〜ｃ）の外側の高温領域に開口し、かつ前記両側壁（４２ａ，ｂ）の前記溝（４３ａ，４４ａ，４４ｂ）は、対で互いに対応し、かつ前記溝（４３ａ，４４ａ，４４ｂ）の各対は、隣接し合う高温ガスセグメント（３２ａ〜ｃ）のうちの１つの内部に、冷却孔（４５）により接続されている、請求項１記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項９】
前記冷却孔（４５）は、前記溝（４４ａ，ｂ）の開始位置に配置されている、請求項８記載の高温ガスセグメント装置。
【請求項１０】
前記冷却孔（４５）は、前記隣接し合う高温ガスセグメント（３２ａ〜ｃ）のそれぞれに交互に設けられている、請求項８または９記載の高温ガスセグメント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に固定ガスタービンの燃焼室内の、衝突冷却される高温ガス部分に関する。本発明は、請求項１の前段に記載の高温ガスセグメント装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定ガスタービンの燃焼室は、要求される寿命を達成するために、効率的に冷却する必要がある。一方、機械の性能および一定の排出目標を考慮に入れなければならない。
【０００３】
効率の良いガスタービンサイクルを達成するためには、燃焼室内の冷却は効率的である必要がある。冷却は、要求に応じて、対流冷却、滲出冷却、膜冷却、衝突冷却、またはこれらの異なる冷却方法の組み合わせにより行われる。最後の方法である衝突冷却は、機械の高温ガス流を妨げることなく集中冷却が要求されるときに使用される。
【０００４】
衝突冷却により冷却される従来の高温ガス部分（ＨＧＰ）は、衝突板と、高温ガスセグメントとを備えており、どちらもろう付けまたは溶接によって直接的または間接的に接続される。これらの高温ガスセグメントは、好ましくは機械の分割線の円周方向に取り付けられ、かつ円周方向に固定される。
【０００５】
図１は、従来技術の衝突冷却される高温ガスセグメントの例を示す図である。図１に記載の高温ガスセグメント装置１０は、板状の支持部１１を備える。支持部１１の高温ガス側（図１では下側）には、フック１９が設けられており、そのフック１９の内側に高温ガスセグメント１２が取り付けられる。封止ロープの形をした封止部１７は、高温ガスセグメント１２の外側の高温ガスに対して、高温ガスセグメント１２の内部を封止する。高温ガスセグメント１２は、円周方向固定部１８によって円周方向でさらに固定される。高温ガスセグメント１２の内部には、支持部１１の裏側から供給される冷却空気が、支持部１１の幅広の開口部１１ａを通じてアクセス可能である。
【０００６】
高温ガスセグメント１２の外壁（図１では底部）は、衝突冷却によって内側から冷却される。そのため、衝突板１３は、高温ガスセグメント１２の内部において、外壁から距離を置いて配置される。その距離は、複数の分散したスペーサ１４により決められる。この場合、衝突板１３は、実質的に平らであり、その縁部が上方向に曲げられて、固定部１６として高温ガスセグメント１２にろう付けまたは溶接される。
【０００７】
この技術は、衝突板１３と高温ガスセグメント１２とがろう付けまたは溶接により接続されることによる以下の不利な点を有する。
・衝突板１３と高温ガスセグメント１２との接続は、製造時における追加の技術的、時間的および費用的労力を必要とする。
・衝突板１３と高温ガスセグメント１２との接続によって、機械の作動時に、衝突板および高温ガスセグメントの異なる熱膨張による熱応力が発生し、その結果として、以下のことが生じる。
−寿命が縮まる。
−予備の間隙が必要となり、それによって冷却効率が低下する。
・衝突板１３と高温ガスセグメント１２との接続は、修理の最初に衝突板と高温ガスセグメントとを分離し、かつ修理の最後にろう付けまたは溶接するという、修理時における追加の技術的、時間的および費用的労力を必要とする。
・衝突冷却には大きな圧力降下が必要とされるので、他の冷却方式と比べて、高温ガス部分から燃焼室に非常に大きな漏れが発生する。逆に、このことは、高温ガス部分に沿った所与の圧力降下で冷却効率が低下することを意味する。
・高温ガスセグメントが、分割面の円周方向に取り付けられると、以下のことが生じる。
−高温ガス部分の取付断面が、支持部の影響を受けないことがある。
−分解時における高温ガス部分の取り外しが、追加の時間的労力を必要とし、その時に高温ガス部分が熱的に歪む。
【０００８】
衝突冷却される高温ガス部分の設計に関するいくつかの従来技術文献がある。
【０００９】
欧州特許出願公開第１１７８１８２号明細書には、熱変形を抑制するためにより高い剛性を有し、かつセグメント構造体の接続部分の数を少なくすることによって冷却空気の漏れを少なくすることができるガスタービンセグメントリングが開示されている。コンプレッサからの冷却空気は、衝突板の冷却孔を通って流れ、キャビティに入り、セグメントリングに衝突して冷却する。さらに、冷却空気は、セグメントリングの内部を冷却するために、キャビティの開口部から冷却通路に流入し、かつセグメントリングの後端の開口部からガス経路に放出される。格子状に配置されるリブからなるワッフルパターンが、セグメントリングの上面に形成されており、それによって剛性を増している。タービンの円周方向に延びるフランジに複数のスリットが形成され、それによって変形を吸収し、かつセグメントリングの熱変形を抑制する。衝突板とセグメントとを同じ断熱リングに取り付けることは不利である。
【００１０】
米国特許第７６６５９６２号明細書には、ブレードリングキャリアに固定される複数のリングセグメントを有する、ガスタービンエンジン内のブレード外側エアシールが開示されている。衝突リングは、ブレードリングキャリア内に圧力容器を形成し、かつブレード先端の中央上に位置する第１の衝突孔グループを有する。各リングセグメントは、複数の前縁ポケットと，複数の後縁ポケットと、複数の中央ポケットとを形成する複数の補強リブを有する。各ポケットは、伝熱効果を向上させるためにピンフィンを有する。縁ポケット上に閉鎖されたポケットを形成するために補強リブ上に調量プレートが固定されており、その一方で中央ポケットは開いたままである。第２の衝突孔グループは、縁ポケット上の調量プレートに形成される。圧力容器に供給される加圧冷却空気は、まず第１の衝突孔グループを通過し、かつ中央ポケット上に直接放出される。次いで、冷却空気は、第２の衝突孔グループから閉鎖された縁ポケットに流れ、次いでリングセグメントの前縁および後縁に沿って設けられる排出孔から排出される。各ポケットは、特定のポケットに流入する冷却空気の量を調整するために異なるサイズの衝突孔を有する。
【００１１】
セグメントに直接隣接して衝突板を取り付けることは不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１１７８１８２号明細書
【特許文献２】米国特許第７６６５９６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、衝突冷却される高温ガスセグメント装置の冷却効率、寿命、ならびに組立および分解を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的および他の目的は、請求項１記載の高温ガスセグメント装置により達成される。
【００１５】
本発明による、特にガスタービンの燃焼室のために提供される高温ガスセグメント装置は、少なくとも１つの高温ガスセグメントであって、支持部に着脱自在に取り付けられ、その高温ガスセグメントの外側で高温ガスにさらされ、かつその高温ガスセグメントの内側で衝突冷却される、少なくとも１つの高温ガスセグメントを備え、複数の分散した衝突孔を有する衝突板が、高温ガスセグメントの内側において距離を置いて配置されており、かつ高温ガスセグメントの内側に衝突する冷却空気の噴流を衝突孔を通じて発生させるために、衝突板に加圧冷却空気を供給するための冷却空気供給手段が設けられる。衝突板が、加圧冷却空気が供給される閉鎖された受入れ部の一部であり、かつ衝突板を有する受入れ部が、高温ガスセグメントとは独立して支持部に取り付けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明の実施の形態によれば、受入れ部は、衝突板と裏板とから構成される。
【００１７】
本発明の別の実施の形態によれば、受入れ部は、中空の茎状部によって支持部に取り付けられており、かつ加圧冷却空気が、茎状部を通じて受入れ部に導入される。
【００１８】
具体的には、受入れ部は、支持部に着脱自在に取り付けられる。
【００１９】
具体的には、茎状部は、高温ガスセグメントの中央に配置される。
【００２０】
本発明のさらなる実施の形態によれば、高温ガスセグメントは、受入れ部を囲み、封止手段が、高温ガスセグメントと支持部との間において各溝に設けられ、かつ衝突板または受入れ部は、それぞれその低圧側において封止手段のための側壁の画定に使用される。
【００２１】
具体的には、封止手段は、封止ロープを含む。
【００２２】
本発明の別の実施の形態によれば、複数の別々の高温ガスセグメントが、支持部上に並んで配置されており、高温ガスセグメントが平行な側壁によって互いに隣接しており、複数の溝が、隣接し合う側壁の外側に設けられており、それらの側壁の溝が、側壁領域内から始まり、かつ高温ガスセグメントの外側の高温領域に開口しており、それらの側壁の溝が、対で互いに対応しており、かつ溝の各対が、隣接し合う高温ガスセグメントのうちの１つの内部に、冷却孔により接続される。
【００２３】
具体的には、冷却孔は、溝の開始位置に設けられる。
【００２４】
本発明のまた別の実施の形態によれば、冷却孔が、隣接し合う高温ガスセグメントのそれぞれに交互に設けられる。
【００２５】
ここで、本発明を、様々な実施の形態を用いて、かつ添付の図面を参照にしてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術の高温ガスセグメント装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態による高温ガスセグメント装置の断面図である。
【図３】欧州特許出願公開第２４２８６４７号明細書に開示されている燃焼室の移行領域に適用されている、本発明の冷却設計の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の別の実施の形態による、隣接し合う高温ガスセグメントを有する高温ガスセグメント装置の側壁設計を示す図である。
【図５】図４の側壁設計を有する２つの隣接し合う高温ガスセグメントを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態による高温ガスセグメント装置の断面を（図１との比較のために）示している。この実施の形態による高温ガスセグメント装置２０は、各フック２９を用いて高温ガスセグメント２２を支持する支持部２１を備えている。高温ガスセグメント２２は、封止ロープの形をした封止部２７を用いて、支持部２１に対して封止されている。高温ガスセグメント２２は、複数の衝突孔２５を有する衝突板２３を囲んでいる。衝突板２３は、中空の茎状部２６を通じて加圧冷却空気を受ける閉鎖された受入れ部２４の一部である。中空の茎状部は、冷却空気の供給のためだけでなく、受入れ部２４を支持部２１に固定するためにも使用される。好ましくは、固定部は、受入れ部２４をメンテナンス目的または修理目的のために取り外すことができるように、着脱自在な締結部２８を備える。固定部２６，２８は、高温ガスセグメント２２の中央に配置されている。
【００２８】
図３は、欧州特許出願公開第２４２８６４７号明細書に開示されている燃焼室の移行領域に適用されている、本発明の冷却設計の第２の実施の形態を示している。図３の高温ガスセグメント装置３０は、フック３９を用いて支持部３１により支持される、（湾曲した）高温ガスセグメント３２を備えている。高温ガスセグメント３２は、各衝突孔３５を有する衝突板３３と、裏板４０とから構成される閉鎖された受入れ部３４を囲んでいる。それらの板は、共通する縁部において接続されている。さらに、締結部３８を有する中空の茎状部３６が、固定のためおよび受入れ部３４に加圧冷却空気を供給するために使用されている。固定部３６，３８は、高温ガスセグメント３２の中央に配置されている。高温ガスセグメント３２は、封止部（封止ロープ）３７によって支持部３１に対して封止されている。受入れ部３４または衝突板３３の縁部は、それぞれ封止部３７を受ける溝のための側壁４１として使用されている。
【００２９】
よって、本発明によれば（図２および図３を参照）、衝突板２３，３３は、支持部２１，３１に直接取り付けられている閉鎖された受入れ部２４，３４の一部である。衝突板２３，３３および支持部２１，３１の金属温度がほぼ同じであることから、支持部２１，３１に衝突板２３，３３を取り付ける際に追加の封止部を必要としない。しかし、取り付け部における封止を、封止縁部を用いて（すなわち、ヘルツ応力により）最適化してもよい。
【００３０】
衝突板からなる受入れ部２４，３４が閉鎖されているので、衝突板２３，３３の下流側の圧力のみが、高温ガスセグメント（ＨＧＳ）２２，３２全体にわたる漏れを決定している。このようにして漏れ質量流量が減少することによって、機械（ガスタービン）の冷却効率が向上する。
【００３１】
支持部２１，３１に衝突板２３，３３を個別かつ別々に取り付けると、衝突板２３，３３と高温ガスセグメント（ＨＧＳ）２２，３２とが分離する。従って、衝突板２３，３３および高温ガスセグメント２２，３２は、互いに独立して熱膨張することができる。これによって、衝突板２３，３３および高温ガスセグメント２２，３２の寿命が延び、かつ衝突板２３，３３に予備の間隙を設ける必要がなくなる。
【００３２】
さらに、衝突板３３（図３）は、支持部３１と高温ガスセグメント３２との間の封止手段３７のための側壁４１として機能してもよい。衝突板３３が低圧側において側壁４１を画定しているので、封止ロープ３７が溝から外れることが防がれる。
【００３３】
機械を流れる高温ガス流の中心部が、衝突冷却空気の影響を受けないようにするとき、衝突冷却空気を、隣接し合う高温ガスセグメント３２ａ〜ｃ（図４）または３２ａ，３２ｂ（図５）の間隙間から、滲出冷却または膜冷却を用いて漏らすようにしてもよい。間隙が閉じているときであっても規定の冷却質量流量を保証するために、追加の溝４３，４３ａ，４４ａ，４４ｂを有する互い違いになった設計を使用してもよい（図４および図５を参照）。
【００３４】
図４および図５に示されるとおり、内側の衝突板３３ａ，３３ｂと封止部３７ａ，３７ｂとを有する複数の別々の高温ガスセグメント３２ａ〜ｃが、支持部３１上に並べて配置されており、高温ガスセグメント３２ａ〜ｃは、それぞれ平行な側壁４２または４２ａ，ｂによって互いに隣接している。複数の溝４３ａ，４４ａ，４４ｂが、隣接し合う側壁４２，４２ａ，ｂの外側に設けられている。側壁４２，４２ａ，ｂの（直線かつ傾斜した）溝４３ａ，４４ａ，４４ｂは、側壁領域内から始まっており、かつ高温ガスセグメント３２ａ〜ｃの外側の高温領域に開口している。側壁４２ａ，ｂの溝４３ａ，４４ａ，４４ｂは、互いに対になるように対応しており（図５を参照）、溝４３ａ，４４ｂの各対は、冷却孔４５によって、隣接し合う高温ガスセグメント３２ａ〜ｃのうちの１つの内部に接続されている。図４では、第２の溝４４ａのすべてに冷却孔４５が設けられており、一方、残りの溝４３ａは、各高温ガスセグメントの内部に接続されていない。隣接する高温ガスセグメントの側壁では、冷却孔４５の分布は逆である。すなわち、冷却孔４５は、一連の対の溝４３ａ，４３ｂ（図示せず）および４４ａ，４４ｂに関して、隣接し合う高温ガスセグメント３２ａ〜ｃのそれぞれに交互に設けられている。
【００３５】
好ましくは、冷却孔４５は、溝４４ａ，ｂの開始位置に設けられる。
【００３６】
上述のように、本発明の冷却設計（図３〜図５の実施の形態）を、特に欧州特許出願公開第２４２８６４７号明細書に記載のガスタービンの燃焼室の移行領域に適用してもよい。
【００３７】
本発明の利点は以下のとおりである。
・衝突板と高温ガスセグメント（ＨＧＳ）とが完全に分離する。これによって、以下のことが可能になる。
−衝突板および高温ガスセグメントの検査が簡単になる。
−高温ガス部分（ＨＧＰ）の修理が簡単になり（衝突板を取り外す必要がない）、これにより、技術的労力が少なくなり、かつ修理が低コストになる。
−高温ガスセグメントとの直接的な接触がないことから衝突板の寿命が延び、これによって、衝突板を修理することなく再利用することができる。
−（燃焼室の）全圧力降下のうちの一部（例えば１／３）しか各封止部において生じないので、高温ガス部分に沿った漏れが大幅に低下する。
−衝突板の熱挙動が、高温ガスセグメントの熱挙動から独立しているので、予備の間隙を省略することができ、加えて、必要な冷却空気の質量流量を、予備の間隙が省略されていることから、低く維持することができる。
−衝突板を支持部に取り付けるまたは支持部から取り外す必要がないので、取り付けおよび取り外しのための時間を短縮することができる。
・（５ｍｍから８ｍｍの範囲内で）軸方向に取り付け／取り外しすることが可能になる。
・冷却効率を、各衝突冷却孔を開けることによって、費用効率的な方法で、（側壁を通って）半径方向、軸方向および円周方向に調整することができるので、衝突板の再設計によって、あらゆる方向において均質なまたは最適化された冷却が可能になる。
−加えて、必要に応じて、衝突空気を、（滲出冷却、膜冷却、衝突冷却、高温ガスの流入を防止するための）追加の冷却段に使用してもよい。例として、必要な圧力が利用可能であるならば、２つの衝突冷却段を直列に使用してもよい。このようにして、費用のかかる冷却空気をより効率的に使用することができる。
・衝突板の再設計によって、衝突板を、低圧側における封止ロープのための側壁の画定に使用することができる（図３および図５を参照）。
・衝突板を、高温ガスセグメントに関して、中央の固定部を用いて取り付けることができる。これによって、ガスタービンの起動または負荷投入といった機械の過渡運転条件下における、支持部と衝突板の固定部との間の相対移動を最小化することが可能になる。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０，３０  高温ガスセグメント装置（ＨＧＰ）
１１，２１，３１  支持部
１１ａ  開口部
１２，２２，３２  高温ガスセグメント（ＨＧＳ）
１３，２３，３３  衝突板
１４  スペーサ
１５，２５，３５  衝突孔
１６  固定部（ろう付けまたは溶接）
１７，２７，３７  封止部（封止ロープ）
１８  円周方向固定部
１９，２９，３９  フック
２４，３４  受入れ部（衝突板）
２６，３６  茎状部
２８，３８  締結部
３２ａ〜ｃ  高温ガスセグメント
３３ａ，３３ｂ  衝突板
４０  裏板
４１  側壁（衝突板）
４２，４２ａ，４２ｂ  側壁（ＨＧＳ）
４３，４３ａ，４４ａ，４４ｂ  溝
４５  冷却孔
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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