(57)【要約】【課題】  本発明は、ガスタービン用ノズル翼形部の損傷した後縁部分を交換するための、後縁冷却構成を有するクーポンを提供する。【解決手段】  ノズルセグメントの翼形部後縁用の後縁クーポン（３０）は、損傷した後縁部分を除去したノズルセグメントの翼形部セクションに溶接される。クーポンは、該クーポンの正圧側壁部分に沿って互いに間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔（４６）と後縁に沿った複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口（４４）とを含む。クーポンの正圧及び負圧側面端縁部を翼形部の残余部分の正圧及び負圧側面端縁部（５４、５６）に溶接することによって、ノズルの作動寿命を延長する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラットホーム間に翼形部の中間及び前縁部分を残して該翼形部の後縁部分を除去するようにして、各々が内側及び外側プラットホーム間に翼形部を有するタービンノズルセグメントを補修するための物品であって、
正圧（３２）及び負圧（３４）側壁部分を有する後縁クーポン（３０）と、
前記クーポンの正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔（４６）と、を含み、
前記クーポンが、複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口（４４）を有する後縁（３６）を含み、
前記クーポンの対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブ（３６）が設けられ、
前記正圧及び負圧側壁部分の端縁部（５４、５６）が、前記翼形部の中間部分の正圧及び負圧側壁部分に溶接するために面取りされている、
物品。
【請求項２】
前記孔（４６）が、ほぼ円筒形でありかつ前記クーポンの正圧側壁部分のテーパ部分によってフレア形（４８）に広がっており、実質的に前記孔から前記正圧側壁部分の下流表面全体にわたって空気を分配して該孔から下流の実質的に前記クーポンの後縁部分の全体をフィルム冷却することを可能にするようになっている、請求項１記載の物品。
【請求項３】
前記開口の数が、少なくとも２つだけ前記フィルム冷却孔の数を超えている、請求項１記載の物品。
【請求項４】
損傷した後縁（５０）セクションが除去されたノズルセグメントの残余部分を形成する前縁（５３）及び中間（５５）翼形部セクション並びに内側及び外側プラットホームと、
後縁（３６）と、正圧及び負圧（３２、３４）側壁面部分と、その前記正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔（４６）と、前記後縁に沿った複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口（４４）と、翼形部の対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブ（３８）とを有する後縁クーポンと、
前記残余セクションの対向する正圧及び負圧側面端縁部と前記後縁クーポンのそれぞれの正圧及び負圧側面端縁部とに沿った溶接部（５７）と、
を含み、
それによって前記残余セクション及びクーポンが、前記内側及び外側プラットホーム間に完全な翼形部を形成している、
補修したタービンノズル。
【請求項５】
前記開口の数が、少なくとも２つだけ前記孔の数を超えている、請求項４記載の補修したノズル。
【請求項６】
前記孔（４６）が、ほぼ円筒形でありかつ前記クーポンの正圧側壁部分のテーパ部分によってフレア形（４８）に広がっており、実質的に前記孔から前記正圧側壁部分の下流表面全体にわたって空気を分配して該孔から下流の実質的に前記クーポンの後縁部分の全体をフィルム冷却することを可能にするようになっている、請求項４記載の補修したノズル。
【請求項７】
タービンノズルセグメントの翼形部を補修する方法であって、
（ａ）前縁及び中間（５３、５５）セクションを含む残余翼形部セクションを残して前記翼形部の損傷した後縁（５０）部分を除去する段階と、
（ｂ）正圧及び負圧側壁（３２、３４）部分と、その前記正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔（４６）と、複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口（４４）と、翼形部の対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブ（３８）とを有する後縁クーポン（３０）を準備する段階と、
（ｃ）それぞれ各前記残余翼形部セクションと前記クーポンとの正圧及び負圧側面に沿って溶接（５７）して前記クーポンを前記残余翼形部セクションに固定する段階と、
を含む方法。
【請求項８】
前記クーポンの対向する半径方向端部を内側及び外側プラットホーム（１４、１６）に溶接する段階を含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記クーポンの対向する半径方向端部と前記内側及び外側プラットホームとの接合部にフィレット（５９）を形成する段階を含む、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記段階（ｂ）が、少なくとも２つだけ前記孔の数を超えた前記開口の数を有する後縁クーポンを準備する段階を含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼形部の後縁の補修に関し、具体的には、ガスタービン用ノズル翼形部の損傷した後縁部分を交換するための、後縁冷却構成を有するクーポンに関する。本発明はまた、翼形部の後縁部分を補修する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの作動効率は、より高い燃焼温度によって、また翼形部、例えばノズルステータ翼形部の高性能にした空気力学的設計によって達成されてきたので、最新式のタービンは、特に翼形部の後縁において改良した冷却構成を採用するようになってきた。タービンのガス流路内の高温ガスは、第１段翼形部、例えばノズルにおいて約１７００〜１８００°Ｆになる可能性があることが分かるであろう。翼形部のこれらの高い作動温度及び高性能空気力学的設計の場合には、翼形部がこれらのガスに曝されることによって受ける損傷を最少にしかつ損傷速度を遅くするために、これまでは改良した冷却システムが使用されてきた。後縁冷却システムの様々な構成が、これまで提案されかつ製作されてきた。例えば、１つのそのような冷却システムは、後縁から軸方向に間隔を置いてかつ該後縁に隣接して配置された半径方向に間隔を置いて配置されたフィルム冷却孔と組合せて、後縁を貫通する複数の半径方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ開口部を含む。フィルム冷却孔は、残余後縁表面をフィルム冷却するために翼形部の正圧側面、すなわちより高温の側面に沿って設けられる。このような高性能の冷却構成を有する翼形部をガスタービン内に設けて、タービンノズルの作動寿命を従来の冷却構成の作動時間のおよそ２倍にまで延長させていた。その結果、このようなガスタービンは、例えば公共設備において整備を必要とする前に著しく長い期間作動させることができ、タービン効率に関してだけでなくタービン停止時間に関しても付随コストの利点がある。
【０００３】
タービン翼形部はまた、これまでは、損傷した後縁部分を新しい交換後縁部分と取換えることによって補修されていた。ノズル翼形部用の交換後縁部分を構成するクーポンは、これまでは、翼形部の損傷した後縁セクションが除去された翼形部の残余前縁及び中間セクションに溶接されていた。しかしながら、後縁クーポンは、これまで必要な冷却構成が不足していたので、タービン翼形部の作動寿命を大幅に延ばすようには利用されていなかった。現在使用中のノズルは、それらのノズルの翼形部がタービンの効率の悪化を生じまた補修を必要とするほど激しく損傷する前に、限られた作動時間数を有するのみである。例えば、多くの現存のタービンは、２４０００時間の作動能力を備えた翼形部を有する。タービン内に現存するのと類似の後縁セクションを有するクーポンは、損傷した後縁セクション用の交換部品とすることができまたこれまで利用されてきたが、補修したノズル翼形部の作動時間能力は、大幅には延長されず、元の翼形部と同じ作動寿命が見込まれていた。
【０００４】
ノズル翼形部は、一般的にタービン軸線の周りに円周方向列の形態で配置された複数のノズルセグメント内に設けられる。各セグメントは、その間で１つ又はそれ以上のノズルベーンすなわち翼形部が延びる内側及び外側バンド又はプラットホームを含む。セグメントは、一般的に高価な材料で鋳造される。ノズルセグメントをその全体として新しいノズルと交換して、セグメントがより長期間の作動を可能にする改良した冷却構成を有するようにすることは可能であるが、このような交換用ノズルセグメントは、特に材料及びそのような交換を実施するのに必要な機械加工の観点から法外にコストが掛かる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、補修したノズルの作動寿命を最初にタービン内に設けられたノズル翼形部の寿命サイクル以上に延長することになる、タービン翼形部を補修するための後縁クーポン及び補修する方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい態様によると、ノズル翼形部の損傷した後縁部分に対する交換用として使用して、翼形部補修がタービンノズルの作動寿命サイクルを増大させることを可能にするような高い冷却性能を有する後縁クーポンを提供する。本後縁クーポンは、後縁を貫通する複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口と共にクーポンの正圧側面に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔を含む。複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブは、クーポンの対向する正圧及び負圧側面間で延び、またクーポンの前方端縁部は、それから損傷した後縁セクションが除去されたノズル翼形部の残余部分に溶接するために面取りされる。クーポンを現存翼形部の残余部分に溶接することによって、延長した作動寿命を有する補修した翼形部が得られる。つまり、品質改善した翼形部は、新規の翼形部構成に対応する冷却構成を有し、高性能の冷却構成によりノズルセグメントの作動寿命を延長することが可能になる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、プラットホーム間に翼形部の中間及び前縁部分を残して該翼形部の後縁部分を除去するようにして、各々が内側及び外側プラットホーム間に翼形部を有するタービンノズルセグメントを補修するための物品を提供し、本物品は、正圧及び負圧側壁部分を有する後縁クーポンと、クーポンの正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔とを含み、クーポンが、複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口を有する後縁を含み、クーポンの対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブが設けられ、正圧及び負圧側壁部分の端縁部が、翼形部の中間部分の正圧及び負圧側壁部分に溶接するために面取りされている。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態では、補修したタービンノズルを提供し、本補修したタービンノズルは、損傷した後縁セクションが除去されたノズルセグメントの残余部分を形成する前縁及び中間翼形部セクション並びに内側及び外側プラットホームと、後縁と正圧及び負圧側壁面部分とその正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔と後縁に沿った複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口と翼形部の対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブとを有する後縁クーポンと、残余セクションの対向する正圧及び負圧側面端縁部と後縁クーポンのそれぞれの正圧及び負圧側面端縁部とに沿った溶接部とを含み、それによって残余セクション及びクーポンが、内側及び外側プラットホーム間に完全な翼形部を形成している。
【０００９】
本発明のさらに別の好ましい実施形態では、タービンノズルセグメントの翼形部を補修する方法を提供し、本方法は、（ａ）前縁及び中間セクションを含む残余翼形部セクションを残して翼形部の損傷した後縁部分を除去する段階と、（ｂ）正圧及び負圧側壁部分と、その正圧側壁部分に沿って互いにほぼ半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム冷却孔と、複数の半径方向に間隔を置いて配置された開口と、翼形部の対向する正圧及び負圧側面間で延びる複数の半径方向に間隔を置いて配置されたリブとを有する後縁クーポンを準備する段階と、（ｃ）それぞれ各残余翼形部セクションとクーポンとの正圧及び負圧側面に沿って溶接してクーポンを残余翼形部セクションに固定する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ここで図１を参照すると、ガスタービンの一部を形成しかつタービン軸線の周りに環状列の形態で配置された、全体を符号１０で表した複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズルセグメントを示している。セグメント１０の各々は、内側プラットホーム１４と外側プラットホーム１６との間で延びる１つ又はそれ以上のノズルベーンすなわち翼形部１２を含むことが分かるであろう。ノズル翼形部１２並びにプラットホーム１４及び１６は、タービンを通ってほぼ軸方向に延びる高温ガス流路の一部を形成し、同時にタービン段の一部を形成する。図２及び図３には、ノズルセグメント１０をより詳細に示す。この実施形態では、一対の翼形部１２が、各セグメント１０の一部を形成し、かつそれぞれ内側及び外側プラットホーム１４及び１６間で延びる。各セグメントは、プラットホーム間に１つ又はそれ以上の翼形部を含むことができることが分かるであろう。さらに、図２には、それに対してノズルセグメントを固定する保持リング２０を示しており、内側支持リング２２は、内側プラットホーム１４の半径方向内向きに延びるレール２６を受けて後方向の軸方向移動に抗してノズルセグメントを固定するためのスロット２４を有する。
【００１１】
先に指摘したように、ノズル翼形部１２は、使用中に割れた状態及び酸化した状態になることがよくあり、交換する必要がある。ノズルセグメントを全体として交換することは、セグメント及びそれに伴う労力のコストと同時に交換に必要な停止時間の観点から費用効果が良くないことが分かるであろう。さらに、損耗したノズル翼形部を新しい翼形部と交換することは、一般的に時間の経過と共に同じような割れ及び酸化を生じ、同じような限られた作動サイクルを越えると再度の交換を必要とする。従って、補修コストを削減するだけでなくノズル翼形部の寿命を元の翼形部よりも大幅に延長することにもなる有効な補修に対する必要性がある。
【００１２】
上述のことを達成するためには、大部分の割れ及び酸化を受けるノズル翼形部の部分は、後縁領域であることを理解されたい。後縁領域から前方のノズル翼形部の領域は、同じ程度の割れ及び酸化を受けることはなく、従って後縁領域と比較して長い寿命を有する。その結果、ノズル翼形部の損傷した後縁部分を除去しかつその部分を改良した冷却特性を有する後縁部分又はクーポンと置き換えて、補修したノズル翼形部の寿命を元の翼形部の寿命以上に大幅に、例えば元の翼形部の寿命の２倍に延長することが可能になるようにすることができる。
【００１３】
図４〜図６を参照すると、それぞれ後縁３６で終端する正圧及び負圧側壁部分３２及び３４を有する後縁クーポン３０を示す。クーポン３０は、元の翼形部の除去した損傷後縁部分用の交換品となる。クーポン３０には、補修翼形部の後縁の酸化速度を遅くする冷却構成が設けられ、従ってクーポンは補修した翼形部が延長した作動寿命サイクルを有することを可能にする。クーポン３０の冷却構成は、現在使用中の元の翼形部の冷却構成と同様であるが、それらの冷却構成は、損傷ノズル翼形部の補修用のクーポンにおいてはこれまで使用されていなかった。
【００１４】
特に図４〜図６を参照すると、クーポン３０は、後縁領域４０内でほぼ半径方向に間隔を置いた位置においてそれぞれ正圧及び負圧側面３２及び３４間を延びる複数のリブ３８を含む。リブ３８間の半径方向間隔は、空気をプレナム４２内に受けるように補修翼形部の内部からほぼ軸方向後方向に導くための半径方向に間隔を置いて配置された流れチャネルを形成する。プレナム４２は、ノズル翼形部の内側及び外側端部間でほぼ半径方向に延びる。複数の半径方向に間隔を置いて配置された通路４４は、プレナム４２と連通した状態でほぼ軸方向に延びて、クーポン３０の後縁３６内の出口開口で終わる。従って、補修翼形部内部を流れる冷却空気は、リブ３８間のチャネルを通ってほぼ軸方向に流れて翼形部の側面を対流冷却するようになり、プレナム４２内に流出することが分かるであろう。冷却空気は、次に通路４４及び後縁３６を通って吐出され、空気がプレナム４２から後縁３６まで横切って流れるとき翼形部の対向する側面を冷却する。
【００１５】
その上に、クーポン３０の正圧側面３２に沿って、複数の全体的に間隔を置いて配置された冷却孔４６が設けられる。補修翼形部内部の冷却空気はまた、補修翼形部のフィルム冷却孔４６を通ってかつ正圧側壁３２に沿って流れて、正圧側面後縁領域をフィルム冷却する。フィルム冷却孔４６は、図６に符号４８で示すようにフレア形に広がった、正圧側面に沿う外部表面を有する。フレアは、半径方向及び軸方向後方向に拡大して、後縁３６までの後縁領域４０の正圧側面のほぼ全体を覆うように冷却空気のフィルムを分配するようになる。フィルム冷却孔４６の場合には、冷却通路４４と同様にフィルム冷却孔のフレア表面もまた、後縁３６を貫通して開口し、そのような冷却構成を内蔵した補修翼形部は、酸化及び割れ発生の可能性が減少する。
【００１６】
損傷翼形部を補修するために、また図７〜図９を参照すると、ノズルセグメントは、タービンから取外される。取外したセグメントの翼形部の損傷後縁領域５０は、翼形部１２から除去される。具体的には、翼形部は、正圧及び負圧側面の両方に沿って後縁から所定の距離で切断され、また除去することになる後縁領域とそれぞれ内側及び外側プラットホーム１４及び１６との接合部に沿ってさらに切断される。切断は、図７に符号５２で概略的に示すようなウォータジェットカッタ、ワイヤＥＤＭ又はプラズマトーチによって行うことがきる。従って、損傷した後縁領域５０は、図８に示すように元の翼形部の正圧及び負圧側面に沿って別々の端縁部を残した状態で除去される。それらの端縁部は、清浄化されかつクーポン３０の対応する端縁部５４及び５６（図４）を受けるように形を整えられる。翼形部の残余部分は、それぞれ前縁及び中間部分５３及び５５を含む。
【００１７】
具体的には、図９に示すように、クーポン３０は、内側及び外側プラットホーム間に配置されて、また正圧及び負圧側面端縁部５４及び５６は、翼形部の残余部分の正圧及び負圧側面端縁部に溶接されて、元の翼形部と同じ空気力学的構成を有する補修された翼形部を形成する。その上に、しかしながら、補修した翼形部の後縁の冷却構成は、損傷した後縁領域５０の除去及び上述の冷却構成を有するクーポン３０の付加によって変化したことが分かるであろう。
【００１８】
クーポン３０を翼形部の残余部分に肉盛溶接することは、例えばＴＩＧ溶接法によって達成することができる。溶接部５７は、内側及び外側プラットホーム間の翼形部の対向する側面に沿って、またさらにクーポンの半径方向外側及び内側端部と外側及び内側プラットホームとの間に沿って進められる。溶接部は、平滑表面を形成するように清浄化され、また必要に応じてフィレット５９（図９）が施工され、これらのセグメントの各々内に高性能の冷却構成を有する補修翼形部と滑らかに連続する。
【００１９】
次に、セグメントは、タービン内に再配置される。クーポン補修によって得られた新しい冷却構成のため、ノズル翼形部の作動寿命サイクルは、著しく増大する。割れ発生及び酸化が低減され、補修と補修との間の時間的間隔は、大いに、例えば２倍ほど増大する。
【００２０】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】タービン段用ノズルの環状列の一部を形成する複数のノズルセグメントの部分軸方向図。
【図２】内側及び外側ケーシングの部分間に取付けたノズルセグメントの側面図。
【図３】元の翼形部の再利用可能な部分に溶接したクーポンを示す、ノズルセグメントの翼形部の拡大断面図。
【図４】ノズル翼形部を補修するためのクーポンの拡大断面図。
【図５】図４のクーポンの拡大側面図。
【図６】クーポンの正圧側面に沿ったフィルム冷却孔の拡大図。
【図７】ノズル翼形部を補修する方法の概略図。
【図８】ノズル翼形部を補修する方法の概略図。
【図９】ノズル翼形部を補修する方法の概略図。
【符号の説明】
【００２２】
１０  ノズルセグメント
１２  翼形部
１４  内側プラットホーム
１６  外側プラットホーム
３０  クーポン
３２  クーポン正圧側壁
３４  クーポン負圧側壁
３６  クーポンの後縁
５０  損傷した後縁
５３  前縁翼形部セクション
５５  中間翼形部セクション
５７  溶接部
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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