(57)【要約】【課題】  本発明は、タービンノズルセグメントのシールスロットと高温ガス流路との間の側壁の合わせ面を対流冷却する方法及び装置を提供する。【解決手段】  例示的な実施形態では、タービンノズル（４０）は、外側バンド部分（４２）と、内側バンド部分（４４）と、内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びる少なくとも１つのノズルベーン（４６）と、外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びる少なくとも１つの冷却チャネル（８０）とを含む。少なくとも１つのノズルベーン、内側バンド部分及び外側バンド部分は、高温燃焼ガスを流すための流路（７２）を形成する。各冷却チャネルは、流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口（８２）を含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側バンド部分（４２）と、
内側バンド部分（４４）と、
前記内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びかつ該内側バンド部分及び外側バンド部分と共に高温燃焼ガスを流すための流路（７２）を形成する少なくとも１つのノズルベーン（４６）と、
前記外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びかつその各々が流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口（８２）を含む少なくとも１つの冷却チャネル（８０）と、
を含むタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項２】
前記内側及び外側バンド部分（４２、４４）が各々、第１及び第２の合わせ側面（５２、５４、６４、６６）を含み、各前記合わせ側面が、円周方向に該合わせ面内に延びるシールスロット（７４）を含み、前記少なくとも１つの冷却チャネル（８０）が、前記シールスロットと前記高温ガス流路（７２）との間に設置されている、請求項１記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項３】
各前記入口（８２）が、前記冷却チャネル（８０）の上流端部分に設置されかつ圧縮機吐出空気及び上流ノズルセグメントからのインピンジメント冷却空気の少なくとも１つと連通状態になっている、請求項２記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項４】
各前記冷却チャネル（８０）の下流端部分が、少なくとも１つの出口ポート（８４）を含む、請求項２記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項５】
各前記出口ポート（８４）が、前記高温ガス流路、前記バンド部分（４２、４４）の合わせ側面（５２、５４）及び下流インピンジメント冷却区域の少なくとも１つと連通状態になっている、請求項４記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項６】
前記冷却チャネル（８０）が、前記バンド部分（４２、４４）内のアンダカット領域（９４）と前記バンド部分のアンダカット領域の少なくとも一部分を覆うカバープレート（９６）とによって形成されている、請求項１記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項７】
外側面（４８）、内側面（５０）並びに第１及び第２の合わせ側面（５２、５４）を有する外側バンド部分（４２）と、
外側面（６０）、内側面（６２）並びに第１及び第２の合わせ側面（６４、６６）を有する内側バンド部分（４４）と、
前記内側バンド部分の外側面及び外側バンド部分の内側面間で延びかつ該内側バンド部分の外側面及び外側バンド部分の内側面と共に高温燃焼ガスを流すための流路（７２）を形成する少なくとも１つのノズルベーン（４６）と、
前記外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びかつその各々が流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口（８２）を含む少なくとも１つの冷却チャネル（８０）と、
を含むタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項８】
前記内側及び外側バンド部分（４２、４４）の第１及び第２の合わせ側面（５２、５４、６４、６６）が、円周方向に該合わせ面内に延びるシールスロット（７４）を含み、前記少なくとも１つの冷却チャネル（８０）が、前記内側バンド部分（４４）のシールスロットと外側面（６０）との間並びに前記外側バンド部分（４２）のシールスロットと内側面（５０）との間の少なくとも１つに設置されている、請求項７記載のタービンノズルセグメント。
【請求項９】
各前記入口（８２）が、前記冷却チャネル（８０）の上流端部分に設置されかつ圧縮機吐出空気及び上流ノズルセグメントからのインピンジメント冷却空気の少なくとも１つと連通状態になっている、請求項８記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項１０】
各前記冷却チャネルの下流端部分が、その各々が前記高温ガス流路（７２）、前記バンド部分（５２、５４、６４、６６）の合わせ側面及び下流インピンジメント冷却区域の少なくとも１つと連通状態になった少なくとも１つの出口ポート（８４）を含む、請求項８記載のタービンノズルセグメント（４０）。
【請求項１１】
外側バンド部分（４２）と、内側バンド部分（４４）と、前記内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びかつ該内側バンド部分及び外側バンド部分と共に高温燃焼ガスを流すための流路（７２）を形成する少なくとも１つのノズルベーン（４６）とを含むタービンノズルセグメント（４０）の該内側及び外側バンド部分の合わせ側面（６４、６６）を冷却する方法であって、
前記外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びかつその各々が流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口（８２）を含む少なくとも１つの冷却チャネル（８０）を通して冷却媒体を流す段階、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンに関し、より具体的には、タービンノズルセグメントのシールスロットと高温ガス流路との間の側壁の合わせ区域を対流冷却することに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知の産業用タービンにおいては、１つ又はそれ以上のノズル段は、外側バンドの一部を形成する各ノズルセグメント部分内のプレナムを通してかつ１つ又はそれ以上のノズルベーンを通して対応する内側バンド部分内のプレナムに冷却媒体を流してノズルを冷却することによって冷却される。一部のノズルセグメントでは、冷却媒体は、その後内側バンド部分を通ってかつ１つ又はそれ以上のノズルベーンを再び通って流れた後に吐出される。他のノズルセグメントでは、冷却媒体は、各ノズルセグメントを一度だけ通って流れる。ノズルセグメントの各々は、内側及び外側バンド部分と１つ又はそれ以上のノズルベーンとを含み、一般的には鋳造される。
【０００３】
バンド部分の合わせ面は、隣接するバンド部分間で延びるシールを受け入れるためのシールスロットを含む。バンド部分の一部を冷却するために使用するインピンジメント空気は、シールスロットのために該シールスロットと高温ガスとの間の区域には到達しない。その場合、この区域に高温メタル温度が発生する可能性があり、このことが、高い熱応力のために金属腐食及び割れの発生を引き起こすおそれがある。一部の公知のタービンノズルでは、冷却孔によって、タービンベーン空洞から合わせ面に冷却空気を供給している。しかしながら、このような構成は、冷却流量を著しく増大させることを必要とし、タービン効率を低下させて、熱消費率の増大を招くことになる。
【特許文献１】特開２００１−３０３９０６号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、タービンノズルセグメントを提供する。ガスタービンノズルは、外側バンド部分と、内側バンド部分と、内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びる少なくとも１つのノズルベーンと、外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びる少なくとも１つの冷却チャネルとを含む。少なくとも１つのノズルベーン、内側バンド部分及び外側バンド部分は、高温ガスを流すための流路を形成する。各冷却チャネルは、流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口を含む。
【０００５】
別の態様では、タービンノズルセグメントを提供し、本タービンノズルセグメントは、外側面、内側面並びに第１及び第２の合わせ側面を有する外側バンド部分と、外側面、内側面並びに第１及び第２の合わせ側面を有する内側バンド部分と、内側バンド部分の外側面及び外側バンド部分の内側面間で延びる少なくとも１つのノズルベーンと、外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びる少なくとも１つの冷却チャネルとを含む。少なくとも１つのノズルベーン、内側バンド部分の外側面及び外側バンド部分の内側面は、高温燃焼ガスを流すための流路を形成する。各冷却チャネルは、流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口を含む。
【０００６】
さらに別の態様では、ガスタービンノズルセグメントの内側及び外側バンド部分の合わせ側面を冷却する方法を提供する。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、内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びる少なくとも１つのノズルベーンとを含む。少なくとも１つのノズルベーン、内側バンド部分及び外側バンド部分は、高温ガスを流すための流路を形成する。本方法は、外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びる少なくとも１つの冷却チャネルを通して冷却媒体を流す段階を含む。各冷却チャネルは、流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口を含む。
【０００７】
さらに別の態様では、ガスタービン装置を提供する。本ガスタービンは、複数のノズルセグメントを備えた複数のノズル段を含む。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、内側バンド部分及び外側バンド部分間で延びる少なくとも１つのノズルベーンと、外側バンド部分及び内側バンド部分の少なくとも１つを少なくとも部分的に貫通して軸方向に延びる少なくとも１つの冷却チャネルとを含む。少なくとも１つのノズルベーン、内側バンド部分及び外側バンド部分は、高温ガスを流すための流路を形成する。各冷却チャネルは、流動する高温燃焼ガスから各々隔離された少なくとも１つの入口を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
シールスロットと高温ガス流路との間のバンドセグメントの合わせ面が、ノズルバンドセグメント内の該合わせ面と平行に空気を流すことによって対流冷却されるタービンノズルを以下に詳細に説明する。公知のタービンノズルでは、インピンジメント冷却は、シールスロットのために該シールスロットと高温ガスとの間の区域には到達しない。その場合、この区域に高温メタル温度が発生する可能性があり、このことが、高い熱応力のために金属腐食及び割れの発生を引き起こすおそれがある。一部の公知のタービンノズルでは、冷却孔によって、タービンベーン空洞から合わせ面に冷却空気を供給している。しかしながら、このような構成は、冷却流量を著しく増大させることを必要とし、タービン効率を低下させて、熱消費率の増大を招くことになる。以下に説明するタービンノズルは、より低温の空気、例えば圧縮機吐出空気又は上流インピンジメント領域からの後方インピンジメント空気を、ノズルの上部及び／又は下部バンド部分を通して合わせ面と平行に延びる冷却チャネルに供給するように使用して、シールスロットと高温ガス流路との間のバンドセグメントの合わせ面を対流冷却する。
【０００９】
図面を参照すると、図１は、ガスタービン２０を含むガスタービンシステム１０の破断側面図である。ガスタービン２０は、圧縮機セクション２２と、複数の燃焼器缶２６を備えた燃焼器セクション２４と、シャフト２９を用いて圧縮機セクション２２に結合されたタービンセクション２８とを含む。複数のタービンブレード３０が、タービンシャフト２９に結合される。タービンブレード３０間には、複数のタービンノズル３２を含む複数の非回転タービンノズル段３１が配置される。タービンノズル３２は、タービンブレード３０及びノズル３２を囲むハウジング又はシェル３４に結合される。高温ガスが、ブレード３０に衝突するようにノズル３２を通して導かれて、ブレード３０をタービンシャフト２９と共に回転させる。
【００１０】
作動中、周囲空気が圧縮機セクション２２内に流れ、圧縮機セクション２２において周囲空気は該周囲空気よりも大きい圧力まで加圧される。次に、加圧された空気は燃焼器セクション２４内に流され、燃焼器セクション２４において加圧空気と燃料とが混合されて比較的高圧かつ高速のガスを発生する。タービンセクション２８は、燃焼器セクション２４から流れる高圧かつ高速ガスからエネルギーを取り出すように構成される。燃焼した燃料混合物により、例えば電気、熱及び機械的エネルギーのような所望の形態のエネルギーが生成される。１つの実施形態では、燃焼した燃料混合物は、キロワット時（ｋWｈ）で測定される電気的エネルギーを生成する。しかしながら、本発明は、電気的エネルギーの生成に限定されるものではなく、機械的仕事及び熱のような他の形態のエネルギーを包含する。ガスタービンシステム１０は、一般的にガスタービンシステム１０に取付けられた自動及び／又は電子制御システム（図示せず）によって様々な制御パラメータを介して制御される。
【００１１】
図２は、タービンノズルセグメント４０の概略斜視図であり、また図３は、タービンノズルセグメント４０の概略断面図である。図２及び図３を参照すると、例示的な実施形態では、ノズルセグメント４０は、外側バンド部分４２と、内側バンド部分４４と、内側及び外側バンド部分４４及び４２間で延びるノズルベーン４６とを含む。別の実施形態では、ノズルセグメントは、複数のノズルベーン４６を含む。複数のノズルセグメント４０は、タービンの軸線の周りで円周方向に配列されかつタービンシェルに固定されてノズル段を形成する。
【００１２】
外側バンド部分４２は、外側面４８、内側面５０、第１及び第２の合わせ側面５２及び５４、下流端縁５６並びに上流端縁５８を含む。内側バンド部分４４は、外側面６０、内側面６２、第１及び第２の合わせ側面６４及び６６、下流端縁６８並びに上流端縁７０を含む。ノズルベーン４６は、外側バンド部分４２の内側面５０と内側バンド部分４４の外側面６０との間で延びる。高温燃焼ガスのための流路７２は、ノズルベーン４６と、外側バンド部分４２の内側面５０と、内側バンド部分４４の外側面６０とによって形成される。高温ガスは、流路７２を通って流れ、タービンのロータバケット３０（図１に示す）に当たり、ロータを回転させる。
【００１３】
合わせ面５２、５４、６４及び６６は、円周方向に該合わせ面内に延びるシールスロット７４を含む。シールスロット７４は、シール７６を受ける寸法にされる。シール７６は、冷却空気が流路７２内に漏洩するのを防止する。図３に示すように、インピンジメントプレート７８が、内側バンド部分４４の内側面６２に隣接して設置される。インピンジメント冷却空気は、インピンジメントプレート７８を通って流れて内側面６２を冷却する。シールスロット７４を設置しているために、インピンジメント冷却空気は、シールスロット７４と高温ガス流路７２との間にある合わせ面５２、５４、６４及び６６の部分７９を冷却するために使用することができない。
【００１４】
さらに図４〜図６を参照すると、合わせ面５２、５４、６４及び６６の部分７９を冷却するために、対流冷却チャネル８０が、外側バンド部分４２及び／又は内側バンド部分４４を貫通してかつ合わせ面５２、５４、６４及び６６と平行に軸方向に延びている。対流冷却チャネル８０は、シールスロット７４と高温ガス流路７２との間に設置される。冷却チャネル８０は、少なくとも１つの入口ポート８２（２つを示す）を含む。冷却チャネル８０の各入口８２は、高温ガスが冷却チャネル８０には流入しないように、高温ガス流路７２から隔離されている。入口８２は、より低温の空気が冷却チャネル８０に流入しかつ冷却チャネル８０を通って流れて、合わせ面の部分７９を含む冷却チャネル８０に隣接する金属部分に対して対流冷却を与えるのを可能にする。このより低温の空気は、圧縮機吐出空気及び／又は上流インピンジメント区域からの後方インピンジメント空気とすることができる。少なくとも１つの出口ポートによって、冷却空気が冷却チャネル８０から流出することが可能になる。出口ポート８４は、高温ガス流路７２対して開口して、使用済み冷却空気が流路７２内に排出されるのを可能にする。出口ポート８６は、下流インピンジメント区域に対して開口して、使用済み冷却空気が下流インピンジメント冷却空気として使用されることを可能にする。出口ポート８８は、使用済み冷却空気が合わせ面の区域に排出されてセグメントの合わせ区域から高温ガス流をパージするために使用されることを可能にする。図５に示す例示的な実施形態は、出口ポート８４、８６及び８８を含む。しかしながら、別の実施形態では、冷却チャネル８０は、出口ポート８４、８６及び８８のいずれか１つのみ又はいずれかの組み合わせを含むことができる。さらに、別の実施形態では、冷却チャネル８０は、各種の出口ポート８４、８６及び８８の１つ又はそれ以上を含むことができる。
【００１５】
図５では、冷却チャネル８０が長円形断面を有するものとして示されている。しかしながら、図６に示す別の実施形態では、冷却チャネル８０は、円形断面を有することができ、また図７に示すさらに別の別の実施形態では、２つの平行な冷却チャネル８０がある。さらに、図５に示すように、冷却効果を高める乱流を促進するために、タービュレータ９０が冷却チャネル８０内に延びている。この例示的な実施形態では、タービュレータ９０は、冷却チャネル８０の内部表面９２から延びるリブ９１を含み、このリブ９１は、チャネル８０を通る冷却空気の流れに対して約４５度〜約９０度になるように配置される。別の実施形態では、タービュレータ９０は、チャネル８０を通る乱流を促進する任意の適当な障害物を冷却チャネル８０内部に含む。
【００１６】
冷却チャネル８０は、内側バンド部分４４又は外側バンド部分４２内の内部空洞として鋳造するか又は機械加工することができる。また、図８に示す別の実施形態では、冷却チャネル８０は、シールスロット７４と高温ガス流路７２との間のバンド部分４４内のアンダカット領域９４を金属プレート９６で覆うことによって形成することができる。具体的には、金属プレート９６は、アンダカット領域９４の一部分を密封し、それによって冷却チャネル８０を形成する。
【００１７】
上記のタービンノズルセグメント４０は、冷却チャネル８０を通して冷却空気を流すことによる対流冷却を用いて、シールスロット７４と高温ガス流路７２との間の区域内の合わせ面を冷却する。圧縮機吐出空気及び／又は上流インピンジメント領域からの後方インピンジメント空気を冷却チャネル８０に供給するように使用するので、タービンを通る所要の冷却空気を増大させることはない。対流冷却は、メタル温度を低下させ、それによって高い熱応力による割れの発生を減少させる。
【００１８】
様々な特定の実施形態に関して本発明をこれまで説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に示す参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなく、それらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガスタービンを含むガスタービンシステムの破断側面図。
【図２】図１に示すタービンノズルセグメントの概略斜視図。
【図３】図２に示すタービンノズルセグメントの内側バンド部分の概略断面図。
【図４】本発明の実施形態によるタービンノズルセグメントの一部を破断した概略斜視図。
【図５】図４に示すノズルセグメントの内側バンド部分の概略断面図。
【図６】本発明の別の実施形態によるタービンノズルセグメントの内側バンド部分の概略断面図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態によるタービンノズルセグメントの内側バンド部分の概略断面図。
【図８】本発明のさらに別の実施形態によるタービンノズルセグメントの内側バンド部分の概略断面図。
【符号の説明】
【００２０】
２０  ガスタービン
４０  タービンノズルセグメント
４２  外側バンド部分
４４  内側バンド部分
４６  ノズルベーン
４８  外側バンド部分の外側面
５０  外側バンド部分の内側面
５２、５４  外側バンド部分の合わせ側面
６０  内側バンド部分の外側面
６２  内側バンド部分の内側面
６４、６６  内側バンド部分の合わせ側面
７２  高温燃焼ガス流路
７４  シールスロット
８０  冷却チャネル
８２  冷却チャネルの入口ポート
８４、８６、８８  冷却チャネルの出口ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005163791.tif 000008
【図７】
2005163791.tif 000009
【図８】
2005163791.tif 000010
【外国語明細書】
2005163791000001.pdf