(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン内で用いるノズルセグメントであって、外側および内側バンド部分と、両バンド部分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有し、両バンド部分の少なくとも一方が、前記タービンを貫通している高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、このノズル壁から半径方向に隔てられているカバーとを含み、前記カバーと前記ノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相互に固定されそして相互間に一室を画成しており、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、該セグメント内に固定されそして前記一室内に配置された衝突板を含み、この衝突板はその片側で、前記カバーとともに、冷却媒体を受入れる第１空洞を画成し、また前記第１空洞とは反対の側で前記ノズル壁とともに第２空洞を画成しており、前記衝突板は、前記冷却媒体を前記第１空洞から前記第２空洞内に流して前記ノズル壁の衝突冷却に用いるための複数の貫通開口を有し、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、少なくとも一つの構造要素を含み、この構造要素は前記辺縁の内側で前記カバーと前記ノズル壁とを連結して前記カバーと前記ノズル壁との半径方向の相対移動を防止し、前記衝突板は前記構造要素を受入れる貫通孔を有し、前記要素と前記貫通孔は前記静翼と前記ノズル壁との間の継目の横方向外側に存在する、ノズルセグメント。
【請求項２】
前記カバーと前記ノズル壁とを前記セグメントの側壁の内側で前記継目の横方向外側にて連結している第２構造要素を含む請求項１記載のノズルセグメント。
【請求項３】
前記構造要素は、前記ノズル壁と前記カバーとの間に延在し前記衝突板を貫通しているピンからなる、請求項２記載のノズルセグメント。
【請求項４】
前記静翼と前記ノズル壁と前記構造要素は前記ノズルセグメント用の鋳物の一体部分を構成している、請求項２記載のノズルセグメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明はガスタービン用のノズルセグメントに関し、特に、高温ガス通路を画成するノズル壁から隔てられたノズルカバーと、ノズル壁とカバーとを連結して、圧力により発生する応力を減らすためのノズルセグメント内のペデスタルとを有する蒸気冷却ガスタービンに関する。
【０００２】
最近のガスタービン設計において、ノズルセグメントは通例タービンの回転軸線の周囲に環状列をなすように配列される。ノズルセグメントの環状列は、外側および内側バンドと、両バンド間に延在する複数の静翼を形成する。両バンドと静翼はガスタービンを貫通する高温ガス通路を部分的に画成する。各ノズルセグメントは、外側バンド部分および内側バンド部分と、外側および内側バンド部分間に延在する一つ以上のノズル静翼とからなる。最近のガスタービン設計では、冷却媒体、例えば蒸気が各ノズルセグメントに供給される。蒸気冷却に適するように、各バンド部分は、タービンを貫通する高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、ノズル壁から半径方向に隔てられそれとともに一室を画成するカバーと、該室内に配置された衝突板とを含む。各衝突板はカバーとともにその片側に第１空洞を画成し、この空洞は冷却蒸気入口から冷却蒸気を受入れる。各衝突板はまたその反対側に沿ってかつノズル壁とともに第２空洞を画成する。各衝突板は複数の開口を有し、これにより冷却蒸気を第１空洞から第２空洞内に流して関連ノズル壁を衝突冷却する。外側バンド部分の第２空洞からの冷却蒸気は静翼内の複数の空洞を半径方向内方に通流する。空洞の幾つかには挿入体が含まれ、静翼の側壁を衝突冷却するための複数の開口を有する。冷却蒸気はその後内側バンド部分内の半径方向に最も内側の第１空洞に入りそして流れの向きを逆に変えて衝突板を半径方向外方に通流して関連第２空洞に入り内側バンドのノズル壁を衝突冷却する。使用済み冷却媒体は静翼内の一空洞を通って戻り、外側バンド部分の半径方向外方に向かってノズルセグメントの排出口に達する。
【０００３】
外側および内側バンド部分それぞれに設けたカバーは、好ましくは、対応ノズルセグメント壁に、ノズルセグメントの横方向辺縁、すなわち、セグメントの前縁と後縁と側縁の周沿いに溶接される。その結果、閉じた冷却システムがノズルセグメントを貫通して設けられ、このシステムにおいて冷却媒体、例えば、加圧された蒸気が両バンド部分と静翼を通流する。しかし、蒸気は、ガス通路の圧力および外側バンド部分を囲んでいる固定タービンケーシングのある部分に入る圧縮機吐出し流の圧力と比べて、異なる圧力レベルで室内に入れられる。この圧力差により高い応力がノズルセグメント、特にカバーとノズル壁との間の結合域に発生するおそれがある。この応力はカバーとノズル壁とを引き離すように膨張させ、カバーとノズル壁の辺縁に沿う溶接継手を曲げる傾向がある。
【０００４】
圧力により発生するこのような応力レベルは、ノズル壁と静翼とを連結する継ぎ目と隅肉に高い局所応力をひき起こす。このような高い局所応力は当該部分の低サイクル疲労寿命を減らすおそれがある。比較的厚い壁または冷却強化設計をこれらの問題の幾つかを解決するために用い得るが、これらの方法はそれぞれ重大な欠点を有する。例えば、厚い壁は高い熱勾配をひき起こし、この熱勾配は当該部分の低サイクル疲労寿命に悪影響を及ぼす。冷却強化は必ずしも利用可能であるとは限らず、またタービン性能と関連して費用がかかるおそれがある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の好適実施例によれば、一つ以上の構造要素、例えば、ペデスタルがカバーとノズル壁との間に連結されてこれらのノズル部分を構造的に支持し、そしてタービンの閉ループ冷却システム内の圧力差によって発生する応力を減らす。このような応力を減らすことにより、従来の局所高応力部分における低サイクル疲労寿命が増加する。これを達成するために、一つ以上の構造的なペデスタルが設けられ、カバーとノズル壁との間に画成された室内のある箇所でカバーとノズル壁とを連結する。ペデスタルはノズルセグメントの横方向辺縁から隔てられそして一つ以上の箇所に配置されて、ノズルセグメント壁とカバーが内外圧力差に応じてかなり膨張して相互に離れることを阻止する。ペデスタルは好ましくは、適当な断面、例えば、円形、多辺形または長形断面を有し得るピンの形態をなす。ピンは、好ましくは、ノズル壁および静翼とともに単結晶鋳物として鋳造され、ペデスタルの末端が衝突板の開口に挿通されそしてカバーの開口内に支承される。前述の末端は、セグメントの外側でＴＩＧ溶接または電子ビーム溶接法によってカバーに溶接される。代替的に、ペデスタルはカバー上に鋳造されそしてノズルバンドに溶接されるか、あるいは両端がノズル壁とカバーに溶接された別個のペデスタルからなるものでよい。好ましくは、ペデスタルは、ノズル壁を貫通する静翼の開口の対向する側のおのおのに、すなわち、ノズル静翼開口とセグメントの横方向辺縁との間に配置される。
【０００６】
本発明による好適実施例では、ガスタービン内で用いるノズルセグメントが設けられ、このノズルセグメントは、外側および内側バンド部分と、両バンド部分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有し、両バンド部分の少なくとも一方が、タービンを貫通している高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、このノズル壁から半径方向に隔てられているカバーとを含み、カバーとノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相互に固定されそして相互間に一室を画成しており、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、少なくとも一つの構造要素を含み、この構造要素は前記辺縁の内側でカバーとノズル壁とを連結してカバーとノズル壁との概して半径方向の相対移動を実質的に防止する。
【０００７】
本発明によるさらに好適な実施例では、ガスタービン内で用いるノズルセグメントが設けられ、このノズルセグメントは、外側および内側バンド部分と、両バンド部分間に延在する少なくとも一つの静翼とを有し、両バンド部分の少なくとも一方が、タービンを貫通している高温ガス通路を部分的に画成するノズル壁と、このノズル壁から半径方向に隔てられているカバーとを含み、カバーとノズル壁はそれらの辺縁の周沿いに相互に固定されそして相互間に一室を画成しており、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、ノズルセグメント内に固定されそして前記一室内に配置された衝突板を含み、この衝突板はその片側で、前記カバーとともに、冷却媒体を受入れる第１空洞を画成し、また第１空洞とは反対の側でノズル壁とともに第２空洞を画成しており、衝突板は、冷却媒体を第１空洞から第２空洞内に流してノズル壁の衝突冷却に用いるための複数の貫通開口を有し、前記の少なくとも一方のバンド部分はまた、少なくとも一つの構造要素を含み、この構造要素は前記辺縁の内側でカバーとノズル壁とを連結してカバーとノズル壁との概して半径方向の相対移動を実質的に防止し、衝突板は構造要素を受入れる貫通孔を有し、構造要素と貫通孔は静翼とノズル壁との間の継目の横方向外側に存在する。
【０００８】
【発明の詳述】
添付図面に、総体的に１０で表されたノズルセグメントが例示されており、ガスタービン軸線の周囲に配置された環状列のセグメントの一部分を構成する。各ノズルセグメントは、外側バンド部分１２と、内側バンド部分１４と、両バンド部分間に延在する一つ以上の静翼１６とを含み、そして前縁１７と後縁１９を有する。ノズルセグメントが環状列に配置された時、外側および内側バンド部分１２、１４と静翼１６は、従来のように、ガスタービンを貫通する高温ガス通路を画成しそしてタービンの一段の一部分を構成する。
【０００９】
外側および内側バンド部分と静翼は、冷却媒体例えば蒸気が外側バンド部分１２の一室を通流し、静翼１６内の複数の空洞を半径方向内方に通流し、内側バンド部分１４内の一室を通流し、そして静翼を半径方向外方に通流して外側バンド部分１２に沿う出口２３に向かって戻るように冷却媒体を流すことにより冷却される。さらに詳述すると、図１と図３に例示するように、外側バンド部分１２は外側ノズル壁１８と外側カバー２０を含み、このカバーは外壁１８上に載置されかつそれに溶接されて相互間に一室２１（図３）を画成している。衝突板２２が室２１内に配置されている。衝突板２２はノズルセグメントカバー２０とともに第１空洞２４（図３）を画成し、またその反対側においてノズル壁１８とともに第２空洞２６を画成している。冷却媒体入口２７（図１）が外側カバー２０を貫通するように設けられて冷却媒体例えば蒸気をノズル静翼セグメントに供給し、使用済み冷却蒸気は出口２３を経てセグメントから排出される。
【００１０】
冷却蒸気は入口２７を通って第１空洞２４に供給され、衝突板２２の複数の開口２９を通って側壁１８を衝突冷却する。静翼１６には空洞３０、３２、３４、３６、３８、４０が含まれ、外側および内側バンド部分間で静翼を貫通しており、これらの空洞は静翼１６の前縁から後縁まで連続的に配設されている。静翼空洞３０はセグメント空洞２６に開いており、残りの静翼空洞は、出口２３と連通しているエンドレス静翼延長部４２（図１）に開いている。衝突冷却蒸気は第２セグメント空洞２６から第１静翼空洞３０に流入しそして静翼空洞挿入体（図示せず）に流入して静翼の側壁を衝突冷却する。次いで、冷却蒸気は内側バンド部分１４の室内に、そして特に半径方向に最も内側の空洞内に流入し、内側バンド部分室内の衝突板の開口を通流して内側バンド部分の側壁を衝突冷却する。使用済み冷却蒸気はその後静翼内の空洞３２、３４、３６、３８、４０を通流しそしてこれらの空洞内の挿入体（図示せず）の開口を通って静翼１６の側壁を衝突冷却する。使用済み冷却蒸気は外側バンド部分１２の出口に流入する。上述の冷却回路の実施例の完全な説明については、本発明と同じ譲受人（本件出願人）の米国特許第５６３４７６６号を参照されたい。この米国特許の開示内容は参照によりここに包含される。
【００１１】
前述のように、ノズルバンド部分の室内の圧力と、高温ガス通路の流体圧力およびノズルセグメントを囲んでいるタービンケーシングの固定部分内の空気圧力との間にはかなりの差が存在する。この圧力差により局所応力が、特に、カバーとノズルバンド部分との間の溶接継手を設けたセグメントの辺縁に沿って発生する。さらに、局所応力がノズル壁と静翼との間の隅肉５０（図３）に発生する。ノズルセグメントの構造的な支持を強めて、このような圧力差による局所応力を実質的に最小または皆無にするために、一つ以上の構造要素、例えば、ペデスタルまたはピン４４が、内側および外側バンド部分の室内に、例えば、図３に示した室２１内に設けられ、外側バンド部分１２のノズル壁とカバーとを連結する。構造要素４４は、好ましくは、ノズルセグメントのバンド部分の横方向周囲壁から隔てられたピンの形態をなす。ピン４４は好ましくは、ノズル壁またはカバーと一体に鋳造され、ピンのそれと反対側の末端または自由端はそれぞれ対向するカバーまたはノズル壁に溶接される。図３に示すように、ピン４４はノズル壁１８とともに一体鋳物を形成し得る。その他端は、例えばＴＩＧ溶接または電子ビーム溶接により、カバー２０に溶接される。その逆を実施してもよい。すなわち、ピン４４をカバー例えばカバー２０と一体に鋳造しそしてピンの末端をノズル壁１８に溶接してもよい。さらなる代替方式は、別個にピンを設けそしてピンの両端をノズル壁とカバーに溶接することである。
【００１２】
特に図２について説明すると、要素４４はノズルセグメントバンド部分の横方向辺縁４８の側壁４７と端壁４９から横方向内方に、またノズル壁を貫通している静翼空洞の開口から横方向外方に隔てられている。従って、要素４４は静翼とノズル壁との継目の横方向外側に、すなわち、静翼とノズル壁との間の隅肉の横方向外側に隔置されている。好ましくは、１対の要素４４が静翼の第１空洞３０の相対する側の近くに、すなわち、静翼の前縁近辺に配置される。第３要素４４が、好ましくは、静翼の長さの中間で静翼の凹側に配置されてその箇所のカバーとノズル壁との連結に役立つ。衝突板２２を貫通する孔４５が設けられて要素４４を受入れることを認識されたい。
【００１３】
構造要素４４がカバーとノズル壁とを連結しているので、圧力差がカバーとノズル壁とを膨張させて両者を引き離す傾向は最少または皆無になる。その結果、カバーとノズル壁とを互いに接合しているノズルセグメントの横方向辺縁４８に沿う溶接継手４６に、低減された局所応力と最小の曲げモーメントが生じる。加えて、ノズル壁と静翼との間の隅肉域５０に生じる局所応力も同様に減少する。その結果、構造要素を配置して前述の圧力差に応答して生ずるカバーとノズル壁の相対変位を防止することにより、当該部分の低サイクル疲労寿命がかなり増加する。
【００１４】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例による構造のノズルセグメントの概略分解斜視図で、本発明の複数の構造的ペデスタルを示す。
【図２】主として外側バンド部分とそれから突出したペデスタルとを示す斜視図であり、カバーと衝突板を除去してある。
【図３】カバーとノズル壁とを連結しているペデスタルを示す図２の断面図である。
【符号の説明】
１０  ノズルセグメント
１２  外側バンド部分
１４  内側バンド部分
１６  静翼
１８  外側ノズル壁
２０  外側カバー
２１  室
２２  衝突板
２４  第１空洞
２６  第２空洞
２９  開口
４４  ペデスタルまたはピン（構造要素）
４５  孔
４７  側壁
４８  横方向辺縁
４９  端壁
【図１】
0004579431.tif 000002
【図２】
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【図３】
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