(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンを貫通する高温ガス流路（３０）を部分的に画成するノズル壁（１８）と、該ノズル壁から離隔してノズル壁との間にチャンバ（２４）を画成するカバー（２０）と、該チャンバ内に配置され、冷却媒体を導入するための第１キャビティ（２６）をその片側でカバーと共に画成するインピンジメント板（２２）とを含むバンド部（１２）を有するガスタービン用ノズルセグメント（１０）であって、上記インピンジメント板がその反対側でノズル壁と共に第２キャビティ（２８）を画成し、上記インピンジメント板が冷却媒体を第１キャビティから第２キャビティに流してノズル壁をインピンジメント冷却するための複数の開口（２３）を有し、当該ノズルセグメントが、側壁（３４）及びノズル壁と共にアンダーカット領域（４４）を画成する側壁に沿った内曲フランジ（３６）を含む側壁（３４）と、第１キャビティから冷却媒体を導入するため側壁に向かってアンダーカット領域内に張り出した手段（４８）とを含み、該張出手段が、ノズル側壁の一部をインピンジメント冷却するため、第１キャビティからアンダーカット領域内に冷却媒体を流すための複数の開口（５２）を有する、ノズルセグメント（１０）。
【請求項２】
前記インピンジメント板がカバーの方に延びる内曲端部（４６）を有し、張出手段が内曲端部から側壁に向かう方向に張出している、請求項１記載のノズルセグメント。
【請求項３】
前記カバーが、内曲フランジに沿ってノズル側壁に溶接される（３３）、請求項１記載のノズルセグメント。
【請求項４】
前記インピンジメント板が、互いに離隔した複数の開口（４７）を有し、前記張出手段が、第１キャビティから冷却媒体を導入するため、上記開口の各々に配置され片側が開いたレセプタクル（４８）にして側壁に向かってアンダーカット領域（４４）内に延在する複数のレセプタクル（４８）を含み、該レセプタクルが、ノズル側壁の部分をインピンジメント冷却するため、複数の開口を通して導入した冷却媒体をアンダーカット領域内へ流すための複数の開口（５２）を有する、請求項１記載のノズルセグメント。
【請求項５】
前記レセプタクルが、ノズル側壁をインピンジメント冷却するために冷却媒体の流れをノズル側壁に向けるように配置された開口（５２）を有する、請求項１記載のノズルセグメント。
【請求項６】
外側及び内側バンド部（１２，１４）とそれらの間に延在する１以上のベーン（１６）を有し、バンド部のうちの少なくとも１つが、タービンを貫通する高温ガス流路（３０）を部分的に画成するノズル壁（１８）と、該ノズル壁から半径方向に離隔してノズル壁との間にチャンバ（２４）を画成するカバー（２２）と、該チャンバ内に配置され、冷却媒体を導入するための第１キャビティ（２６）をその片側でカバーと共に画成するインピンジメント板（２２）とを含む、ガスタービン用ノズルセグメントであって、上記インピンジメント板がその反対側でノズル壁と共に第２キャビティ（２８）を画成し、上記インピンジメント板が冷却媒体を第１キャビティから第２キャビティに流してノズル壁（１８）をインピンジメント冷却するための複数の開口（２３）を有し、当該ノズルセグメントが、ノズル壁（１８）とカバー（２０）の間で半径方向に延在する側壁（３４）にして該側壁に沿って延在し第２キャビティの一部をなすアンダーカット領域（４４）を画成する内曲フランジ（３６）を含む側壁（３４）を含み、上記インピンジメント板が、側壁に固定された端部（４６）を有するとともに、冷却媒体を第１キャビティからアンダーカット領域内へ連通するための１以上の開口（４７）を有しており、第１キャビティから冷却媒体を導入するため、側壁に向かってアンダーカット領域（４４）内に延びる片側が開いたレセプタクル（４８）が上記開口に配設され、該レセプタクルが、ノズル側壁（３４）の部分をインピンジメント冷却するため、上記開口から導入した冷却媒体をアンダーカット領域内に流すための複数の開口（５４）を有する、ノズルセグメント（１０）。
【請求項７】
前記インピンジメント板の端部（４６）がカバーの方へ内曲し、前記レセプタクルが内曲端部から半径方向と垂直な方向に張出している、請求項６記載のノズルセグメント。
【請求項８】
前記カバー（２０）が、内曲フランジに沿ってノズル側壁に溶接される、請求項６記載のノズルセグメント。
【請求項９】
前記インピンジメント板の端部が、互いに離隔した複数の開口（４７）と、第１キャビティから冷却媒体を導入するため、上記開口の各々に配置され片側が開いたレセプタクル（４８）にして側壁に向かってアンダーカット領域（４４）内に延在する複数のレセプタクル（４８）とを有し、該レセプタクルが、ノズル側壁（３４）の部分をインピンジメント冷却するため、複数の開口を通して導入した冷却媒体をアンダーカット領域内へ流すための複数の開口（５２）を有する、請求項６記載のノズルセグメント。
【請求項１０】
前記レセプタクルが、それぞれノズル壁、ノズル側壁及び内曲フランジから離隔した壁（５３，５１，５７）を含み、内曲フランジとレセプタクルの壁（５７）の１つとが、アンダーカット領域内のノズル側壁に沿うクロスフローを低減してインピンジメント後の流れが側壁に沿って低圧領域に流れるようにするフローチャンバを画成する、請求項６記載のノズルセグメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのノズルセグメント側壁のインピンジメント冷却に関し、具体的にはノズル側壁に沿うインピンジメント冷却流れを目標に対して向けるための冷却インサートに関する。
【０００２】
【従来技術】
地上配備のガスタービンは、発電に用いられる。現在のタービン設計では、ノズルセグメントを含むある特定の静止部品だけでなくタービンバケットを含むロータのある特定の部品も、例えば蒸気などの冷却媒体をその部品を通して流すことによって冷却される。例えば、各々がそれらの間に延在する１以上のベーンを備える外側及び内側バンド部を有するノズルセグメントは、タービンの回転軸の周りに円形又は環状列に配置され、タービンを通る高温ガス流路の一部を画成し構成する。一般的に、各ノズルセグメントの外側バンド部は、高温ガス流路の一部を構成するノズル壁と冷却チャンバを画成するノズル壁の半径方向外方のカバーとを有する。インピンジメント板はチャンバ内に配置され、インピンジメント板の両側には、それぞれカバー及びノズル壁との間に第１及び第２キャビティが画成される。冷却媒体、例えば蒸気は、第１キャビティ内に流れ込み、インピンジメント板中の多数の開口を通って流れ、ノズル壁をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却媒体は、第２キャビティからベーンの側壁をインピンジメント冷却するためのインサートを普通備えるベーン内部キャビティ内に流れ込む。次いで、冷却媒体は、外側バンド部と同様に第１及び第２キャビティに分割されたノズルセグメントの内側バンド部に流れ込む。ベーンキャビティからの流れは、このように第１キャビティ内に流れ込み、方向を反転しインピンジメント板の開口を通して流れ、内側のノズル壁をインピンジメント冷却する。次いで使用済冷却媒体は、ベーンの１以上キャビティを通って外方に流れ冷却媒体排出口へ至る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在のノズルセグメントの設計では、カバーは、溶接接合部を高温ガス流路の近傍に位置させてノズル側壁又は端縁に溶接される。従って、溶接接合部は、流動する高温ガスの高温に曝される。そのような設計では、ノズル側壁冷却は非常に難しく、溶接接合部が寿命を制限する配置となる。インピンジメント板の製造／組立の要求により、相当な距離が設けられ、冷却媒体はノズル側壁又は端縁をインピンジメント冷却するためにその距離を横切って進まなければならない。この距離が、側壁でのインピンジメント冷却の効果を減ずる。従って、ノズル側壁とそのカバーとの間の現在の溶接接合部は、溶接位置の配置とその位置での温度により疲労寿命が短かった。その位置で溶接を施す場合には、溶接歪みによって溶接接合部の厚さが変わるおそれもあることも理解されるであろう。もし接合部が薄くなり過ぎると、構造強度が犠牲にされる。それに加えて、各溶接接合部には、サイクル寿命の減少がある。従って、様々な厚さの溶接に対して、応力が増大し、低サイクル疲労寿命が減少し、部品の寿命が厳しく制限される。また、現在の溶接接合部の位置での溶接接合部に対しては機械加工の下準備が重要であり、設計では製造公差を厳密に考慮しなければならない。前述のように、外壁端縁のインピンジメント冷却は、インピンジメント板の開口から側壁まで冷却媒体の流れが横断する距離が相当あるために、効果的ではなく、最適なものとはいえない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態では、側壁とカバーとの溶接接合部を高温ガス流路から半径方向に遠ざけて、高温ガス流路に曝されるノズル壁から離れた隣接ノズルセグメントとの間のスプラインシールの側面へと移した冷却システムがノズルセグメントに設けられる。このような溶接位置にすることで、溶接厚が変わることはなく、溶接後の機械加工も必要なくなる。その上、溶接の位置を高温ガス流路から相当の距離に位置させることにより、溶接接合部の寿命とその接合部の生産性が格段に改善される。ただし、各ノズルセグメントの側壁の冷却は依然として必要である。本発明の冷却方式は、外壁端縁で必要とされる複雑な冷却の生産性を向上し、インピンジメント開口と側壁との間の距離を低減して効果的な側壁インピンジメント冷却をもたらす。
【０００５】
以上の点を達成するため、ノズル側壁は、側壁及びノズル壁と共にアンダーカット領域を画成する内曲フランジを有する。カバーは、高温ガス流路から離間した位置でノズルセグメントの内曲フランジに溶接される。例えば、外側バンドの場合には、溶接接合部は、隣り合ったノズルセグメント間のエッジスプラインシールの外側に位置する。ノズル側壁又は端縁に対してインピンジメント冷却を施すため、ノズル壁とカバーの間に画成されるチャンバに配置されるインピンジメント板は、ノズル側壁の内曲フランジに溶接された内曲端部を有する。内曲フランジとノズル側壁とノズル壁の高温ガス流路の一部を画成する部分とで画成されるアンダーカット領域は、相当な容積を有する。さらに、インピンジメント板とアンダーカット領域を画成する壁との間の距離は相当に大きくて、インピンジメント板の開口を通しての冷却流れは、アンダーカット領域での側壁を冷却する効果を悪くしていた。アンダーカット領域で側壁を冷却するための効果的なインピンジメント冷却を施すため、１以上の開口が、インピンジメント板の内曲端部に沿って形成される。冷却インサートつまりレセプタクルが開口に配置され、アンダーカット領域内に張出している。各レセプタクルは、冷却媒体流れをカバーとインピンジメント板との間の第１キャビティから導入するため、片側が開いている。ノズル側壁に向かって張出し、ノズル側壁と向かい合ったレセプタクルの壁は、効果的なインピンジメント冷却を施すためノズル側壁に十分近い位置に開口を有する。従って、冷却媒体は、第１キャビティからインピンジメント板の内曲端部の１以上の開口を通してレセプタクルに流れ込み、レセプタクルの開口を通してアンダーカット領域内の側壁とノズル壁部分をインピンジメント冷却する。こうしてノズル端縁の効果的な冷却がもたらされる。レセプタクルを用いるもう一つの利点は、ノズル側壁の内曲フランジとレセプタクル壁の間の流れ領域の使用済冷却媒体が低圧領域に向かって流れることである。これによってノズル壁からノズルベーンへの冷却媒体の流れが促進される。ノズルセグメントの内側バンド部は、その相対する側壁に沿って類似の冷却構成を有することを理解されたい。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態では、タービンを貫通する高温ガス流路を部分的に画成するノズル壁と、該ノズル壁から離隔してノズル壁との間にチャンバを画成するカバーと、該チャンバ内に配置され、冷却媒体を導入するための第１キャビティをその片側でカバーと共に画成するインピンジメント板とを含むバンド部を有するガスタービン用ノズルセグメントであって、上記インピンジメント板がその反対側でノズル壁と共に第２キャビティを画成し、上記インピンジメント板が冷却媒体を第１キャビティから第２キャビティに流してノズル壁をインピンジメント冷却するための複数の開口を有し、当該ノズルセグメントが、側壁及びノズル壁と共にアンダーカット領域を画成する側壁に沿った内曲フランジを含む側壁と、第１キャビティから冷却媒体を導入するため側壁に向かってアンダーカット領域内に張り出した手段とを含み、該張出手段が、ノズル側壁の一部をインピンジメント冷却するため、第１キャビティからアンダーカット領域内に冷却媒体を流すための複数の開口を有する、ノズルセグメントが提供される。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施形態では、外側及び内側バンド部とそれらの間に延在する１以上のベーンを有し、バンド部のうちの少なくとも１つが、タービンを貫通する高温ガス流路を部分的に画成するノズル壁と、該ノズル壁から半径方向に離隔してノズル壁との間にチャンバを画成するカバーと、該チャンバ内に配置され、冷却媒体を導入するための第１キャビティをその片側でカバーと共に画成するインピンジメント板とを含む、ガスタービン用ノズルセグメントであって、上記インピンジメント板がその反対側でノズル壁と共に第２キャビティを画成し、上記インピンジメント板が冷却媒体を第１キャビティから第２キャビティに流してノズル壁をインピンジメント冷却するための複数の開口を有し、当該ノズルセグメントが、ノズル壁とカバーの間で略半径方向に延在する側壁にして該側壁に沿って延在し第２キャビティの一部をなすアンダーカット領域を画成する内曲フランジを含む側壁を含み、上記インピンジメント板が、側壁に固定された端部を有するとともに、冷却媒体を第１キャビティからアンダーカット領域内へ連通するための１以上の開口を有しており、第１キャビティから冷却媒体を導入するため、側壁に向かってアンダーカット領域内に延びる片側が開いたレセプタクルが上記開口に配設され、該レセプタクルが、ノズル側壁の部分をインピンジメント冷却するため、上記開口から導入した冷却媒体をアンダーカット領域内に流すための複数の開口を有する、ノズルセグメントが提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
さて、図面、特に図１と図２を参照すると、全体を符号１０で示すノズル段セグメントが示してあり、ノズル段セグメントはガスタービン（図示せず）の回転軸の周りのセグメントの環状列の一部をなす。各ノズルセグメント１０は、外側バンド部１２と内側バンド部１４とそれぞれ外側及び内側バンド部１２及び１４の間に延在する１以上のベーン１６を含む。ノズルセグメントの環状列で、外側及び内側バンド部の側壁又は端縁が、隣接ノズルセグメントの側壁又は端縁に直接隣接して位置し、ベーン１６と外側及び内側バンドがロータ軸の周りにノズルセグメントの完全な環状列を形成することが解かるであろう。
【０００９】
図１に関して、外側バンド部１２は、ノズル壁１８と外側カバー２０を含み、両方とも鋳造されたものであることが好ましい。インピンジメント板２２が、ノズル壁１8とカバー２０との間に形成されるチャンバ２４内に配置される。図２に最も明瞭に示されている通り、第１キャビティ２６がインピンジメント板２２とカバー２０との間に画成され、第２キャビティ２８がインピンジメント板２２とノズル壁１８との間に画成される。再び図１を参照すれば、ノズルセグメントの設計は、米国特許第５６３４７６６号（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）に記載・図示されたものと類似のものにすることができ、ノズルセグメント用の冷却回路の詳細は本明細書で説明する必要はないであろう。外側バンド部１２は、カバー２０の冷却媒体入口２１を通して冷却媒体を導入し、冷却媒体を第１キャビティ２６に流し、ノズル壁１８をインピンジメント冷却するためにインピンジメント板２２の開口２３を通して第２キャビティ２８内に流し込むと言うだけで足りる。次に、冷却媒体は、第２キャビティ２８からベーン１６内のキャビティのインサート中に流れ込み、インサート中の開口を通して流れ、ベーンの壁をインピンジメント冷却する。冷却媒体は、ベーンキャビティから内側バンド部の第１キャビティ（半径方向最内部キャビティ）内に流れ込み、そこで方向を転じ内側バンド部１４のインピンジメント板を通して第２キャビティ内に流れ込み、内側のノズル壁１４をインピンジメント冷却する。使用済冷却媒体は、第２キャビティからベーン中の戻りキャビティを通してカバー２０の排出口２５に戻る。冷却回路の詳細は、上記の米国特許に開示されているので、その詳細については上記米国特許を参照されたい。
【００１０】
カバー２０は、図２に示す通り、ノズル側壁３４に溶接され、図１の矢印３０で示すノズルセグメントを通る高温ガス流路から相当な距離をおいた位置で溶接接合部３３を形成する。図２に示す通り、ノズル側壁３４は、ノズル壁１８から略半径方向に延び、隣接ノズルセグメントの同様の側壁３４に隣接して位置する。側壁３４は内曲フランジ３６も含む。フランジ３６は、隣り合ったノズルセグメント間をシールするためのエッジスプライン３７を収容するエッジスプラインシールスロット３８を含む。カバー２０とノズル側壁３４との間の溶接接合部３３は、このように高温ガス流路３０から相当な距離をおいて位置しており、高温ガス流路の近くに位置する場合よりも低温に曝されることになり、それによって溶接接合部３３は設計に対する寿命の制約要因とはならない。
【００１１】
図２に示す通り、インピンジメント板２２は、第１キャビティ２６から第２キャビティ２８へ冷却媒体を流すための複数の開口２３を有し、高温ガス流路３０に沿ってノズル壁１８をインピンジメント冷却する。内曲フランジ３６と側壁３４とノズル壁１２の部分とで、アンダーカット領域４４が画成される。このアンダーカット領域のため、側壁３４は一般的なインピンジメント板２２を用いて冷却するのが難しくなる。本発明では、インピンジメント板２２は、ノズル側壁３４の内曲フランジ３６の端面に溶接される内曲端部４６を有する。内曲端部４６は側壁端縁３４からはるかに離れすぎており、内曲端部４６を通して形成され側壁３４の方へ向けられた開口により効果的にインピンジメント冷却できない。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、冷却媒体を第１キャビティ２６からアンダーカット領域４４内に供給して側壁３４を冷却するため、側壁３４に向かってアンダーカット領域４４内に張出した手段が設けられる。かかる手段は、内曲フランジ３６又はインピンジメント板２２のフランジ４６或いはその両方を貫通して領域４４内に延びる流路を含むことができる。流路は、フランジ３６又はインピンジメント板２２から張出したガイドを含み、側壁３４をインピンジメント冷却するために第１キャビティ２４から側壁３４へ冷却流れを向けることができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態では、側壁３４をインピンジメント冷却するため、１以上の開口４７が、インピンジメント板２２の内曲端部４６を貫通して設けられる。その好ましい実施形態では、張出手段は、開放端５０を有するインサートつまりレセプタクル４８を含み、開放端５０近くで、内曲端部４６の開口４７近くでインピンジメント板２２に固定される。側壁５１とノズル壁１８に面する壁５３は、それぞれアンダーカット領域４４内の側壁３４及びノズル壁１２の一部分の十分近くに位置する開口５２と５４を有しており、それらの壁部分を効果的にインピンジメント冷却する。従って、第１キャビティ２６内に流れ込む冷却媒体は、インピンジメント板２２の内曲端部４６の開口４７を通してレセプタクルつまりインサート４８中に流れ、開口５２と５４を通して側壁３４及び側壁３４に隣接しかつインサート４８に向い合うノズル側壁１８の一部分をインピンジメント冷却する。
【００１４】
使用済インピンジメント冷却媒体は、アンダーカット領域４４と第２キャビティ２８からベーンキャビティ中のインサートに流れ込む。レセプタクル４８の壁５７と内曲フランジ３６との間の流れ領域４９が、インピンジメント冷却後の冷却流れがベーンキャビティに向かう方向で低圧領域に流れることができる領域を画成する。従って、内曲フランジ３６とレセプタクル壁５７との間の領域４９は、側壁３４上のクロスフローを低減して、インピンジメント冷却後の流れをベーンキャビティへ向けるためにアンダーカット領域４４に沿って低圧力領域へと流れるようになる。
【００１５】
本発明は、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して今まで述べられてきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲内に含まれる様々な変形形態及び均等構成を保護することを意図するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  理解し易いように外側バンドを分解して示すノズルベーンの斜視図。
【図２】  内側バンド又は外側バンドのいずれか一方に沿うノズルセグメントの側壁の拡大破断断面図。
【図３】  冷却インサートつまりレセプタクルの１つの斜視図。
１０  ノズルセグメント
１２  外側バンド
１４  内側バンド
１６  ベーン
１８  ノズル壁
２０  外側カバー
２１  冷却媒体入口
２２  インピンジメント板
２３  インピンジメント板開口
２４  チャンバ
２５  カバー２０の排出口
２６  第１キャビティ
２８  第２キャビティ
３０  高温ガス流路
３３  溶接接合部
３４  ノズル側壁
３６  内曲フランジ
３７  エッジスプライン
３８  エッジスプラインシールスロット
４４  アンダーカット領域
４６  内曲端部
４７  開口
４８  レセプタクル
５０  開放端
５１  側壁
５２，５４  開口
５７  レセプタクル壁
【図１】
0004520023.tif 000002
【図２】
0004520023.tif 000003
【図３】
0004520023.tif 000004