(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルバンド（１２，１４）とその間に延びる羽根（１６）とを有し、ノズルセグメント（１０）がガスタービンに用いられるために組立てられるとき互いに隣接する側壁（４０）を有するノズルセグメント（１０）を製作する方法であって、
各ノズルバンドの少なくとも１つの側壁に断熱皮膜（６４）を施す段階と、
セグメントの製作公差に適応するバッファとしての働きをする断熱皮膜を備える前記１つの側壁を機械加工し、それによってノズルセグメントの側壁の厚さを調整する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記セグメントの前記少なくとも１つの側壁に段部（６０）を形成する段階と、
前記段部に前記断熱皮膜を施す段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
隣接するノズルバンドの側壁の各々に段部を形成する段階と、
各段部に断熱皮膜を施す段階と、
前記鋳造ノズルセグメントの製作公差に適応するバッファとしての働きをする前記断熱皮膜を備える各側壁を機械加工し、それによって前記ノズルセグメントの前記側壁の厚さを調整する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記機械加工する段階は、前記ノズルセグメントの前記側壁に施された前記断熱皮膜の全てを除去する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記機械加工する段階は、前記断熱皮膜の１部を除去し、前記断熱皮膜の１部を前記側壁に残す段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記断熱皮膜の１部を前記側壁に沿って形成された前記段部の全体に沿って残す段階を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
カバーと前記ノズル外壁とを互いに溶接して、その間に冷却媒体を受け入れるためのチャンバーを画定する段階を含み、前記機械加工する段階が、前記カバーと前記ノズル外壁とを互いに溶接する段階に続いて実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルセグメントのカバーとノズル側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ガスタービンノズルのバンド側壁のインピンジメント冷却に関し、また具体的にはノズルバンドの冷却を容易にするためにその側壁の厚さを調整する方法に関する。本発明は、米国エネルギー省により与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３１１８７６に基づく政府支援を受けてなされたものである。政府が本発明にその権利の一部を有する。
【０００２】
【従来の技術】
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、一般的にタービンの回転軸線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つ又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、チャンバ内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、羽根のうちのあるものは、羽根の側壁をインピンジメント冷却するための開口を備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。これまでの設計においては、カバーとノズル側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、また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、製作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、壁の厚さが変ると、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、製作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】
現在のノズルセグメント設計においては、カバーとノズル壁との間の溶接継手は、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。つまり、外側バンドのカバーとノズル側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側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、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、カバーとタービンを通る高温ガス通路から遠く離れて位置するノズル側壁との間の溶接継手を用いて、側壁の厚さを極めて厳しい公差まで調整することにより側壁冷却が容易になる。前記のことから理解されるように、アンダカット領域における大きなインピンジメント間隙、すなわち側壁と最も近接しているインピンジメント板の開口と側壁自体との間のかなりの距離のために、各ノズルセグメントの側壁は冷却するのが極めて難しい。側壁もまた製作工程に対して堅牢ではない。この設計は、ノズルセグメントのための鋳造工程及びセグメントの処理工程の間に起こる溶接または他の歪みに非常に左右される。側壁の厚さが厚すぎる場合には、セグメントの熱歪みが増大することにより耐低サイクル疲労の減少をもたらす。また、増大した応力が、ノズルセグメントのこの区域または他の区域にも生じるであろう。鋳造後の機械加工では、壁が厚すぎるままになるか薄すぎるままになるかあるいは側壁の一部分が取除かれることさえ起こり得るので、側壁の厚さが変動することもまた問題である。壁面が厚くなりすぎる場合に、一般的にセグメントを再加工することはできず、セグメントは大幅に部品寿命を縮められることになる。その上に、壁の厚さは厚くなりすぎて部品が使えなくなる場合もある。厚い壁と同様に薄い壁は、側壁位置あるいはセグメントの他の区域のどちらかで応力を増大させる原因となるであろう。結果として、側壁の厚さは、設計パラメータの範囲内で適切な冷却を維持するために、非常に厳しい公差の範囲内に維持されなければならないと判断するにいたった。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によると、好ましくはノズルセグメントの側壁の厚さは、カバーをノズルセグメントに溶接するに先立って、その外側表面に沿ってノズルの側壁の各々に段部を前機械加工することによって調整される。側壁の段部は、側壁の内側表面の位置に基づくものであり、すなわち機械加工のための基準は内側の壁表面である。断熱皮膜（ＴＢＣ）が、前もって機械加工された表面を残してマスキングすることにより、段部に比較的に厚い層で施される。カバーをノズルセグメントに溶接するのに続いて側壁が最終的に機械加工される、すなわち断熱皮膜が機械加工されて、製作公差のバッファとして役立ちまた、製作公差に適応する働きをし最終機械加工の後に所定の側壁の厚さをもたらす。従って、ノズルセグメントの鋳造された側壁が公差から外れており、そして機械加工後ＴＢＣが厚い場合には、ＴＢＣが金属部分の熱勾配を減少させるのでＴＢＣは側壁に付加的な保護をもたらす。最終機械加工後のＴＢＣが、側壁の公差から外れた形成のため、前もって機械加工された段部に沿って比較的に非常に薄いかまたは全然無い場合には、これもまた、空洞の放熱すなわちインピンジメント冷却により、また壁が既知の厚さであるという事実により許容できる。従って、製作工程は、断熱皮膜を製作公差を吸収しつまり適合する手段として用い、セグメントの耐低サイクル疲労を大幅に改善し、部品が公差から外れているためにセグメントを廃棄する必要性を一切減らす非常に調整された壁厚さをもたらす。
【０００９】
本発明による好ましい実施形態において、ノズルバンドとその間に延びる羽根とを有し、ノズルセグメントがガスタービンに用いられるために組立てられるとき互いに隣接する側壁を有するノズルセグメントを製作する方法であって、各ノズルバンドの少なくとも１つの側壁に断熱皮膜を施す段階と、セグメントの製作公差に適応するバッファとしての働きをする断熱皮膜を備える１つの側壁を機械加工し、それによってノズルセグメントの側壁の厚さを調整する段階とを含む方法が提供される。
【００１０】
【発明実施の形態】
さて、図１を参照すれば、全体を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線の周りに配置される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つ又はそれ以上の羽根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、通常そうであるように、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。より具体的には図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１８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つ又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】
さて、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の内側表面に蝋付けまたは溶接するための相対する縁に沿って折曲げ端部５２を有する。開口３０は、インピンジメント板の各折曲げ端部５２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。係属中の米国特許出願に記載されているように、インピンジメント冷却開口５４が内向きフランジ４２を貫通して形成され、アンダカット領域４４への冷却蒸気を側壁４０を直接インピンジメント冷却するように導く。
【００１４】
前述のように、側壁４０の厚さは厳しい公差にまで調整されることが最も好ましい。しかしながら、側壁の厚さは、溶接歪み及び機械加工歪みだけでなく製作公差、つまり鋳造公差に非常に鋭敏である。カバー２０がノズル鋳造品に溶接された後に製作公差に対するバッファとして断熱皮膜を施すことによって、既知の金属壁の厚さが最終機械加工で得られることが可能である。側壁４０の厚さを調整するために、段部６０が、壁の内側位置に基づいて側壁中に前もって機械加工されることが望ましい。つまり、側壁４０の内側表面が、機械加工のための基準の働きをする。ノズルカバー２０がセグメントの主ノズル鋳造品上に溶接され、溶接により引き起こされる歪みが継手中に形成された後に、段部が側壁に設けられるのが望ましい。前もって機械加工した後に、側壁は、前もって機械加工された表面を残してマスキングされて断熱皮膜６４で被覆される。図示されるように、コーティングは、高温ガス通路に沿って流れる高温のガスと接触するノズル壁１８の壁面にも施される。次いで、ノズルセグメントの側壁４０は、断熱皮膜と金属の機械加工の両方に適合する方法、例えば微速研削加工を用いて最終機械加工される。最終機械加工段階によって、側壁の壁厚さを溶接公差にも鋳造公差にも影響されない極めて厳しい公差に調整することができる。この工程が、製作公差に対する鋭敏さを減らすバッファ、つまり適応性をもたらす。例えば、側壁が公差から外れていてかつ断熱皮膜が厚い場合には、コーティングは、側壁にコーティングが加わった冷却要求を満たす複合厚さに最終機械加工され、つまり、残っているＴＢＣが付加的な熱保護をもたらしつつ、インピンジメント冷却が十分に行なわれ、側壁を所望の温度範囲内に維持する。最終機械加工段階によって、側壁に沿って断熱皮膜がほとんど無いかまたは全く無いという結果になる場合には、断熱皮膜は必要でない。側壁が厳しい公差の所望の厚さの範囲内であるため、側壁のインピンジメント冷却が効果的に行なわれる。従って、側壁は適正に冷却される。断熱皮膜をバッファとして用いて製作公差を吸収するかまたはそれに適応する能力が、ノズルセグメントの耐低サイクル疲労を向上させる。
【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、隣接するノズルセグメントの側壁間の側壁に沿う断熱皮膜の位置を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
２６  第２の空洞
２５、２７  入口及び出口
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  折曲げ端部
５４  冷却開口
６４  断熱皮膜
【図１】
0004713728.tif 000002
【図２】
0004713728.tif 000003