(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向内側および外側リングセグメント（１６，１４）間に延在する複数の静止エーロフォイル（１２）を備えるタービンノズルの低サイクル疲労寿命を延長する方法であって、
ａ）前記複数の静止エーロフォイルそれぞれに１個以上の半径方向通路を設け、
ｂ）前記半径方向内側および外側リングセグメント（１６，１４）間に延在する前記１個以上の半径方向通路の少なくともいずれかにロッド（５６）を据え付けて前記ロッドの一端を前記半径方向内側および外側リングの一方に固定し、そして
ｃ）前記ロッド（５６）に予備荷重をかけて前記静止エーロフォイルを前記半径方向内側および外側リングセグメント間で圧縮する工程を含み、
前記１個以上の半径方向通路（２２）が冷却通路を構成することを特徴とするタービンノズルの低サイクル疲労寿命を延長する方法。
【請求項２】
工程ｂ）で、前記ロッド（５６）の下端を前記半径方向内側リングセグメント（１６）に固定し、前記ロッド（５６）の自由端を前記静止エーロフォイルおよび前記外側リングセグメント（１４）に半径方向に貫通させ、ナット（６２）を前記ロッド（５６）にねじ係合しそして前記外側リングセグメントに対して締め付けて、これにより静止エーロフォイル（１２）に予備荷重を加えて圧縮状態とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ナット（６２）を締め付けた後、ロッドを外側リングセグメント（１４）に溶接する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ノズルの各静止エーロフォイルについて工程ａ）、ｂ）およびｃ）を繰り返す、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
スリーブ（５０）が前記１個以上の半径方向通路（２２）内に配置され、前記ロッド（５６）が前記スリーブを貫通する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ロッド（５６）が、前記１個以上の半径方向通路（２２）のうちノズル（１０）の前縁（１８）に沿って配置された半径方向通路内に挿入される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記外側リングセグメント（１４）に、前記１個以上の半径方向通路（２２）に蒸気を供給するための蒸気入口（４０）と、前記１個以上の半径方向通路（２２）から使用済み冷却蒸気を受け取るための蒸気出口（４４）とが設けられている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は、たとえば発電用の据置型または工業用ガスタービンに関し、特に機械的なノズルエーロフォイル（以下、単に「ノズル」、「エーロフォイル」、「静止エーロフォイル」又は「ベーン」ともいう。）の予備荷重付加装置に関する。
【０００２】
低サイクル疲労（ＬＣＦ）は、最新の工業用ガスタービンノズルにおける寿命を制限する主たる劣化モードの一つである。ＬＣＦはガスタービンの始動、運転、停止サイクルと関連する周期的な熱的および機械的荷重に原因がある。循環モードのＬＣＦ寿命への影響は、通常、数ある要因の中でも特に「ひずみＡ比（ｓｔｒａｉｎ  Ａ−ｒａｔｉｏ）」、すなわち交番ひずみ対平均ひずみの比内で変動する。所定レベルのサイクル荷重に関して、もっともダメージの大きいＬＣＦサイクルは、通常ＬＣＦひずみＡ比＝−１として知られる、圧縮状態の保持期間を含むサイクルである。これに対して、もっともダメージの小さいＬＣＦサイクルは、ひずみゼロ、すなわちＬＣＦひずみＡ比＝＋１での保持期間を含むサイクルである。ノズルのＬＣＦ寿命限定位置に存在する主要なＬＣＦ状態が、通常、寿命を短縮する原因となるひずみＡ比＝−１であることが問題である。
【０００３】
従来、ノズルのＬＣＦ寿命の改良には、ＬＣＦ応力および温度を低下する設計最適化や、ＬＣＦ能力に優れた新しい材料の選択などの伝統的なアプローチがとられてきた。しかし、最近のガスタービン工業の広範な傾向は燃焼温度を上げ、またノズル冷却方式の効率をよくしようとするもので、ノズルの設計応力や温度が、現在入手できるもっとも強い材料でもその限度を越えることがしばしばある。
【０００４】
【発明の概要】
この発明は、寿命を左右する位置でのひずみＡ比を−１から＋１にシフトするように、ノズルに予めひずみを与えることによりＬＣＦ寿命問題を解決し、これにより長いＬＣＦ寿命を得る。具体的な実施態様では、ＯＥＭ据付可能な機械的装置を適切に設計して、ノズルに予備的ひずみを与えてＬＣＦ荷重に対抗させ、これにより使用寿命を従来のノズルの通常の材料限界を超えて延長する。さらに詳しくは、予備荷重（プレローディング）ロッドをノズルの各ベーンまたはエーロフォイルに挿入し、一端、好ましくは半径方向内端で固定する。予備荷重装置は、ロッドの外ねじ面に係合するねじ切りナットの形態とすることができ、これを、ノズルカバーの外側で、ロッド上に下向きに締め付け、これによりエーロフォイルを圧縮状態に置く。ナットを締め付けて所望の予備荷重を実現したら、ロッドをノズルの半径方向外側カバー（すなわち、半径方向外側リングセグメント）に溶接することができ、これにより予備荷重を固定する。エーロフォイルの前縁がエーロフォイルの中でもっとも寿命を左右する位置であるので、ロッドをエーロフォイルの前縁に沿って配置するのが好ましい。しかし、有利と考えられるなら、追加のロッドをエーロフォイル内の他の位置に追加してもよい。
【０００５】
したがって、この発明は、半径方向内側および外側リングセグメント（以下、それぞれ単に「内側リングセグメント」、「内側リング」、「内側壁」、「内壁」、並びに「外側リングセグメント」、「外側リング」、「外側壁」、「外壁」ともいう。）間に延在する複数の静止エーロフォイルを備えるタービンノズルの低サイクル疲労寿命を延長するにあたり、ａ）前記複数のエーロフォイルそれぞれに１個以上の半径方向通路を設け、ｂ）前記半径方向内側および外側リングセグメント間に延在する前記半径方向通路にロッドを据え付けて前記ロッドの一端を前記内側および外側リングの一方に固定し、ｃ）前記ロッドに予備荷重をかけて前記エーロフォイルを前記内側および外側リングセグメント間で圧縮する工程を含む、タービンノズルの低サイクル疲労寿命を延長する方法を提供する。
【０００６】
この発明はまた、半径方向内側および外側リングセグメント間に延在する複数のエーロフォイルを備え、各エーロフォイルがこのエーロフォイルに予備荷重を加えて圧縮状態に置く手段を有する、ガスタービン用ノズルを提供する。
【０００７】
【好適な実施態様】
図１に、円周方向に離間された配列体として配列され、１タービン段を構成する複数のノズルセグメントの１つであるノズルセグメント１０を断面にて示す。各セグメント１０は、ベーンまたはエーロフォイル１２と半径方向に離間した外側壁１４および内側壁１６とを含む。外側壁および内側壁は、円周方向に延在する中空のリングセグメントの形態をとり、ベーン１２とともにタービン段のノズルを通過する環状高熱ガス通路を画定する。特定の配列のノズルセグメント１０では、半径方向外側壁１４が、ベーンおよび半径方向内側壁を構造的に支持するタービンのシェル（図示せず）により支持されている。ノズルセグメント１０はノズル段のまわりで互いにシールされている。ベーンまたはエーロフォイル１２は、外側壁１４および内側壁１６の間のベーンの長さだけ半径方向に延在する複数の空洞を含み、これらの空洞は前縁１８から後縁２０まで前後に順次配置されている。前縁１８から後縁２０までに存在する空洞は、前縁空洞２２、これに続く４つの中間空洞２４，２６，２８，３０、１対の中間空洞３２，３４および後縁空洞３６である。断面で示す空洞を画定する壁はベーン１２の加圧側壁および吸引側壁間に延在する。この配置は壁３８に関して図２から明らかである。
【０００８】
パイプまたはチューブ４０が外壁１４を貫通する蒸気入口４２に連結され、冷却用蒸気を１対の中間空洞３２および３４に供給する。蒸気出口４４が外壁１４に設けられ、中間空洞２４，２６，２８および３０から使用済み冷却蒸気を受け取る。前縁空洞２２および後縁空洞３６それぞれは個別の空気入口４６および４８を有する。
【０００９】
図１および図２に示すように、複数の横方向開口５２を有するインサートスリーブ５０が前縁空洞２２に設けられ、その内部壁から離間している。入口４６に流れる空気はスリーブ５０内に流入し、開口５２を通して横方向外向きに流れ、前縁１８のインピンジメント冷却を行う。図２に示すように、ホール５４が前縁１８の長さに沿って互いに間隔をあけてかつ横方向にも互いに間隔をあけて設けられ、衝突後の冷却空気は、これらのホール５４を通って外向きに流れる。空洞２４，２６，２８，３０，３２および３４にも同様のインサートスリーブが設けられているが、これら部品についてのこれ以上の説明は本発明の目的には不要である。この冷却回路の詳細は、本出願人による米国特許出願（１９９９年５月１０日出願）に開示されている。しかし、本発明は他のノズル設計にも適用でき、ここに開示する特定の例示ノズル構造に限定されない。
【００１０】
予備荷重（プレローディング）ロッド５６（好ましくは高強度鋼の）を前縁空洞２２内のスリーブ５０に挿入し、半径方向外側壁１４の上面と下側または半径方向内側壁１６の下面との間に延在させる。ロッド５６を、６０で示すように、内側壁１６の下面５８に溶接する。ロッド５６は壁１６およびスリーブ５０を上向きに貫通し、半径方向外側壁１４から突出し、ねじ切り自由端がカバーの上面より上に突出する。予備荷重付加装置は、ねじ切りナット６２の形態とすればよく（あるいは普通の予備荷重装置のいずれでもよい）、これをカバーに対して下向きに締め付け、エーロフォイルまたはベーン１２に圧縮性予備荷重をかける。予備荷重をかけたら、ロッド５６の上端を６４で示すように溶接で固定する。
【００１１】
エーロフォイル１２の前縁１８はもっとも重大な寿命限定領域であるので、ロッドを前縁空洞２２に配置するのがもっとも効果的であるが、必要なら、多数のロッドを残りの空洞の１つ以上に使用することができる。このようにノズルのエーロフォイルに予めひずみを与えることにより、寿命を左右する前縁位置でのひずみＡ比を−１から＋１にシフトすることができ、こうして従来の予めひずみを与えていないノズルと比較してＬＣＦ寿命を改良する。試験では、ひずみＡ比を−１から＋１にシフトすると、低サイクル疲労寿命が２倍以上改良されることが確認された。
【００１２】
以上、この発明を、現在のところもっとも実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は、開示の実施例に限定されず、本発明の要旨に含まれる種々の変更例や均等な配置を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例による機械的予備荷重付加装置を示す、ノズルベーンの部分的断面図である。
【図２】図１の前縁空洞の拡大断面図である。
【図１】
0004738567.tif 000002
【図２】
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