(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側及び外側バンド（１４、１２）と該バンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞（４６）を備える羽根（１０）とを有するガスタービンノズルであって、当該ガスタービンノズルが、
前記空洞（４６）の内部に配置され、前記羽根の側壁から間隔を置いて配置された横壁と該横壁を貫通する複数の開口とを有する第１インサート（８０）であって、冷却媒体の第１の部分を受け入れて前記開口を通して冷却媒体の第１の部分を流して羽根の側壁をインピンジメント冷却するための第１インサート（８０）と、
前記空洞（４６）の内部に配置され、前記羽根の側壁の１つに間隔を置いて向かい合う横壁と該横壁を貫通する複数の開口とを有する第２インサート（９０）であって、前記開口を通して冷却媒体の第２の部分を流して１つの側壁の一部分をインピンジメント冷却するための第２インサート（９０）と
を含み、第２インサート（９０）を流れる冷却媒体の第２の部分が第１インサート（８０）を流れる冷却媒体の第１の部分の温度よりも低いことを特徴とするガスタービンノズル。
【請求項２】
前記外側バンド（１４）は冷却媒体を受けるためのプレナム（３２）を含み、前記第２インサート（９０）は前記プレナム（３２）と連通する状態で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンノズル。
【請求項３】
前記外側バンド（１４）は、タービンを通る高温ガス流路の一部を形成する前記外側バンドの壁から間隔を置いて前記プレナム内に配置されたインピンジメント板（３６）を含み、該インピンジメント板（３６）は、前記プレナムをその両側の第１及び第２チャンバ（３９、４１）に分け、かつそれを貫通しそれを通して冷却媒体を前記第１チャンバ（３９）から前記第２チャンバ（４１）に流して前記外側バンド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、前記第２インサート（９０）は前記第１チャンバ（３９）と連通する状態で配置されて前記第１チャンバから冷却媒体の第２の部分を受けることを特徴とする、請求項２に記載のガスタービンノズル。
【請求項４】
内側及び外側バンド（１４、１２）と該バンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞（４６）を備える羽根（１０）と、該羽根を通して冷却媒体を流して前記羽根を冷却するための閉回路冷却システムとを有するガスタービンノズルにおいて、前記羽根壁に沿う局部領域を冷却する方法であって、
前記１つの空洞内の第１インサート（８０）を通して冷却媒体の第１の部分を流して前記羽根の側壁の第１の部分をインピンジメント冷却する段階と、
前記１つの空洞内の第２インサート（９０）を通して冷却媒体の第２の部分を流して前記羽根壁の局部領域を冷却する段階と、
冷却媒体の前記第２の部分を、前記第１インサート（８０）に供給される冷却媒体の前記第１の部分の温度より低い温度で、前記第２インサート（９０）に供給する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、１つ又はそれ以上のノズル段のための閉回路冷却システムを有するガスタービンに関し、具体的には、ノズル壁部分の局部的冷却を備える閉回路冷却を行なうガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンノズルは、しばしば開回路及び／または閉回路冷却システムを備える。例えば空気冷却ノズルのような開回路システムにおいては、一般的に圧縮機吐出空気は、ノズル羽根に供給され、高温ガス流中に排出される。局部的空気フィルム冷却が施されて、必要性や要望に応じて翼形部の局部領域内の冷却を改良する。閉回路ノズル冷却システムにおいては、冷却媒体、例えば蒸気は、一般的に外側バンドから羽根内の様々な空洞を通り内側バンドに流れ、また羽根の空洞及び外側バンド内を通る戻り通路を介して蒸気出口に戻る。蒸気は、インピンジメント冷却によりノズル壁を冷却する。ガスタービンの閉回路蒸気冷却ノズルの実施例は、本出願と同一の出願人の米国特許第５，７４３，７０８号に開示されており、その開示内容は参考文献として本明細書に引用される。そのシステムはまた、羽根の後縁を冷却するための開放空気冷却システムも用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、閉回路冷却システムにおいては、閉冷却回路の末端近くでは、様々な表面の冷却効果が減少するということが分かるであろう。これは主としてそれらの局部表面に沿うインピンジメント圧力比が低下することと冷却媒体温度が上昇するためである。例えば、冷却媒体出口への冷却媒体排出部に隣接する空洞の壁は、それらが冷却回路の末端に位置するために効果的に冷却するのが難しい。冷却媒体は著しく熱を取り込み、また圧力比は、局部的なインピンジメント冷却が所望ほどの効果がない程度まで減少してしまっている。その結果、そのような位置での羽根の外壁温度はより高くなり、そのような位置では低サイクル疲労寿命を招くことになる。従って、閉回路冷却回路の末端近くのノズル壁を効果的に冷却することに対する必要性がある。
【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によると、閉冷却回路の末端に隣接して位置するノズル壁の局部表面を効果的に冷却し、低サイクル疲労を改善又は向上させるための装置及び方法が提供される。このことを達成するためには、閉冷却回路の開始位置において供給される冷却媒体の１部分、すなわち流入したばかりの状態にある冷却媒体部分が、ノズル羽根の空洞内の１つ又はそれ以上の補助インサートに分流されて、そうしなければ閉冷却回路の末端で効果的に冷却するのが難しい局部領域を冷却する。具体的には、インピンジメント開口を有する補助インサートが、局部領域、すなわち局部的冷却を必要とするホットスポットに隣接するノズル空洞内に配置されて、羽根からまだ熱を取り込んでいないかまたは如何なる圧力も失っていない冷却媒体、例えば蒸気が供給される。補助インサートは、冷却回路全体にわたる圧力降下を利用し、補助インサートのインピンジメント開口を通して冷却媒体を噴出させて局部領域をインピンジメント冷却する。これにより、より低温の蒸気が著しく高い圧力比で供給され、閉冷却回路の末端でさもなければ本来使用済み冷却蒸気を用いていたのに比較し実質的に高い冷却をもたらすので、インピンジメント冷却される局部領域内の低サイクル疲労が改善される。羽根空洞内の主インサートは、従来技術の上記した米国特許に示されているように、冷却媒体、例えば蒸気を内側バンドから受けてインサートを通して流し、主インサートに隣接する羽根壁をインピンジメント冷却することが分かるであろう。補助インサートは、このような局部領域における主インサートによるインピンジメント冷却の代わりに局部的なホットスポットに隣接して配置されて、より低温の蒸気をより高い圧力比で供給し、従ってこのような局部領域をより効果的に冷却する。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態によると、内側及び外側バンドとバンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞を備える羽根とを有するガスタービンノズルにおける、空洞の内部に配置され、外側バンドから羽根の側壁の１つに沿ってそれから間隔を置いて延び、羽根の長さの半分より手前の空洞の内部で終わり、かつ冷却媒体を受けるための通路を形成しており、その壁を貫通しそれを通して冷却媒体を流して羽根の１つの側壁をインピンジメント冷却するための開口を有するインサートと、使用済みインピンジメント冷却媒体を羽根空洞から排出するための通路とを含む装置が提供される。
【０００６】
本発明の別の好ましい実施形態によると、内側及び外側バンドとバンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞を備える羽根とを有するガスタービンノズルにおける、１つの空洞の内部に配置されて冷却媒体を受け、側壁から間隔を置いて配置された横壁とそれを貫通する複数の開口とを有し、開口を通して冷却媒体を流して羽根の側壁をインピンジメント冷却するための第１インサートと、１つの空洞の内部に配置されそれを貫通する複数の開口を備え、側壁の１つに間隔を置いて向かい合う横壁を有し、開口を通して冷却媒体を流して１つの側壁の１部分をインピンジメント冷却するための第２インサートとを含む装置が提供される。
【０００７】
本発明のさらに別の好ましい実施形態においては、内側及び外側バンドと、バンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞を備える羽根と、羽根を通して冷却媒体を流して羽根を冷却するための閉回路冷却システムとを有するガスタービンにおいて、羽根壁に沿う局部領域を冷却する方法であって、１つの空洞内の第１インサートを通して冷却媒体の第１の部分を流して羽根の側壁の第１の部分をインピンジメント冷却する段階と、１つの空洞内の第２インサートを通して冷却媒体の第２の部分を流して羽根壁の局部領域を冷却する段階と、冷却媒体の第2の部分を、第１インサートに供給される冷却媒体の第1の部分の温度より低い温度で、第２インサートに供給する段階と、を含む方法が提供される。
【０００８】
本発明のさらに別の好ましい実施形態においては、内側及び外側バンドと、バンドの間に延びてその側壁の間に少なくとも１つの空洞を備える羽根と、羽根を通して冷却媒体を流して羽根を冷却するための閉回路冷却システムとを有するガスタービンにおいて、羽根壁に沿う局部領域を冷却する方法であって、１つの空洞内の第１インサートを通して冷却媒体の第１の部分を流して羽根の側壁の第１の部分をインピンジメント冷却する段階と、１つの空洞内の第２インサートを通して冷却媒体の第２の部分を流して羽根壁の局部領域を冷却する段階と、冷却媒体の第2の部分を、第１インサートに供給される第1の冷却媒体部分の圧力より高い圧力で、第２インサートに供給することを含む段階と、を含む方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
前述のように、本発明は、特にタービンのノズル段、好ましくは第1段ノズルのための閉冷却回路に関し、タービンの様々な他の形態、その構造、及び作動方法の開示については先に挙げた特許を参照する。ここで図１には、ガスタービンの第1段ノズルの円周方向に配列された複数のセグメント１１のうちの１つを備える羽根１０を断面で概略的に示している。セグメント１１は、互いに結合されてタービンの第１段ノズルを通る高温ガス流路を形成する環状列のセグメントを構成することが分かるであろう。各セグメントは、それぞれ半径方向に間隔を置いて配置された外側及び内側バンド１２、１４を含み、１つ又はそれ以上のノズル羽根１０が外側及び内側バンドの間に延びている。セグメントは、隣接するセグメントが互いにシールされた状態で、タービン（図示せず）の内側シェルの周りに支持される。説明のために、セグメントはただ１つの羽根１０を持つものとして説明するが、各セグメント１１は２つまたはそれ以上の羽根を持ってもよいことを理解されたい。図示するように、羽根１０は、前縁１８及び後縁２０を有する。
【００１０】
図１に示した第１段ノズル羽根セグメントのための従来技術の冷却回路は、外側バンド１２への冷却蒸気入口２２を有する。戻り蒸気出口２４もまた、ノズルセグメントと連通する状態で配置されている。外側バンド１２は、上部カバー３４と共にプレナム３２を形成する外側側方レール２６、前方レール２８及び後方レール３０を備え、インピンジメント板３６が外側バンド１２内に配置される。（「外方」及び「内方」または「外側」及び「内側」の用語は、ほぼ半径方向について言う。）側壁２６、前壁２８、及び後壁３０の間に延びる複数の構造リブ４０が、インピンジメント板３６と外側バンド１２の内壁３８との間に配置される。インピンジメント板３６は、プレナム３２全体にわたってリブ４０に重なる。従って、入口２２を通ってプレナム３２内に入る蒸気は、インピンジメント板３６の開口を通って流れて外側バンド１２の外壁３８をインピンジメント冷却する。このように、外側バンドはインピンジメント板の両側に第１及び第２チャンバ３９、４１を有する。
【００１１】
第１段ノズル羽根１０はまた、複数の空洞、例えば前縁空洞４２、後部空洞４４、３つの中間の戻り空洞４６、４８、５０、及び後縁空洞５２を有する。これらの空洞は、羽根の対向する側壁の間に延びている横方向に延びるリブにより形成される。１つ又はそれ以上の追加の空洞またはより少ない数の空洞を備えるようにすることもできる。
【００１２】
前縁空洞４２及び後部空洞４４の各々は、それぞれインサート５４、５６を有するが、一方、中間空洞４６、４８、５０の各々はそれぞれ同様なインサート５８、６０、６２を有し、かかるインサートの全ては中空スリーブの全体形状になっている。インサートは、インサートが設けられる特定の空洞の形状と一致する形に作られる。スリーブの側壁には、インピンジメント冷却される羽根の壁に対向して配置されるインサートの部分に沿って複数のインピンジメント冷却開口が備えられる。例えば、前縁空洞４２において、インサート５４の前方端縁は円弧状であり、側壁は空洞４２の側壁にほぼ形状が一致するはずであり、インサートのかかる全ての壁はインピンジメント開口を有する。しかしながら、空洞４２を空洞４６から隔離するリブ６４に対向するスリーブすなわちインサート５４の背面には、インピンジメント開口がない。一方、後部空洞４４においては、インサートスリーブ５６の側壁のみがインピンジメント開口を有し、インサートスリーブ５６の前壁及び後壁は中実の穴が明けられていない材料から作られる。
【００１３】
空洞４２、４４、４６、４８、５０内に受けられるインサートは、空洞の壁から間隔を置いて配置されて、冷却媒体、例えば蒸気がインピンジメント開口を通って流れ、空洞の内部壁に衝突し壁面を冷却することが可能になることが分かるであろう。次の説明から明らかなように、インサート５４、５６は、それらの半径方向内方端で閉じられており、一方、インサート５８、６０、６２は、それらの半径方向外方端で閉じられている。
【００１４】
図１に示すように、外壁３８を冷却したインピンジメント後の冷却蒸気は、インサート５４、５６の開放外方端中に流れ込み、羽根の長さ方向に沿うインサートのインピンジメント開口と整合する羽根壁をインピンジメント冷却する。次いで、蒸気は、内側カバー板６８により閉じられた内側バンド１４内のプレナム６６中に流れ込む。構造補強リブ７０が、バンド１４の内壁６９と一体に鋳造される。リブ７０の半径方向内方にインピンジメント板７２が配置される。その結果、空洞４２及び４４から流れるインピンジメント後の冷却蒸気は、プレナム６６中に流れ込み、次いでインピンジメント板７２のインピンジメント開口を通って流れて内壁６９をインピンジメント冷却することが分かるであろう。使用済み冷却蒸気は、リブ７０の方向によりリブ７０の開口（詳細には示さず）に向かって流れて、空洞４６、４８、５０を通って蒸気出口２４に還流する。具体的には、インサート５８、６０、６２は、それぞれの空洞を形成する側壁及びリブから間隔を置いた関係で空洞４６、４８、５０内に配置される。インサート５８、６０、６２のインピンジメント開口は、羽根壁に位置合わせされてその両側に沿って位置している。従って、使用済み冷却蒸気は、インサート５８、６０、６２の開放内方端を通り、またインピンジメント開口を通って流れて羽根の隣接する側壁をインピンジメント冷却する。次いで使用済み冷却蒸気は出口２４から流出し、例えば蒸気供給源に戻る。
【００１５】
図１に示す羽根の蒸気・空気複合冷却回路における後縁空洞の空気冷却回路は、‘７０８号特許に開示された冷却回路とほぼ一致する。従って、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
上述の通り、閉回路ノズル設計においては、羽根の局部領域、特に閉冷却回路の末端寄りは、所望通りに効果的に冷却されない可能性がある。図１の従来技術におけるように、例えば羽根の前方凸状側壁に隣接する局部領域は、閉回路冷却システムの出口近くで使用済み冷却蒸気を用いるインピンジメント冷却を受ける。冷却される表面と使用済み蒸気との温度差は最小であり、またインピンジメント開口を通して使用済み冷却蒸気を噴出する圧力比は、同じく最小である。しかしながら、本発明は、閉冷却システムの末端における表面の局部的冷却の改善をもたらす。
【００１７】
ここで図３及び図４には、特に第２空洞４６のための改良された閉冷却回路を示すが、この改良された冷却回路は他の空洞に対しても使用することができ、空洞４６は代表的な実施例である。図示するように、空洞４６内のインサートは、変更されている。このような変更したインサートが、図３、図４及び図６に示す第１すなわち主インサートを構成する。インサート５８と類似したインサート８０は、それを貫通するインピンジメント開口８２を備える対向する側壁を有しており、インサート８０に隣接する羽根の側壁をインピンジメント冷却する。しかしながら、インサートは、外側バンドに隣接してかつ羽根の凸状側に、内方に段を付けられており、インピンジメント開口を持たない壁８４を有する。その結果、図４に最もよく示されるように、その外方端で閉じられたインサート８０は、インサート８０内を流れる冷却蒸気からインピンジメント冷却を受けない局部領域８６まわりの壁部分を除いて、羽根の対向する壁にインピンジメント冷却を施す。図４に示すように、羽根の側壁に対して向けられるインピンジメント冷却蒸気は、空洞４６から出口管８８を通って蒸気出口２４に排出される。
【００１８】
羽根１０の凸状側の局部領域８６を効果的に冷却するために、補助すなわち第２インサート９０が設けられる。この補助インサート９０は、本質的にその１つの側面を貫通するインピンジメント開口９４を有する直線で囲まれたポケット９２の形状のミニインサートを構成する。補助インサート９０は、極めて限定された距離、例えば主インサート８０の長さの半分より短い距離だけ羽根１０中に延びて、主インサート８０の内方端より手前に位置するその内方端で終わる。ポケット９２は、その外方端に隣接して開口する蒸気入口通路９６を除いて、本質的に閉じられている。補助インサート９０は、出口管８８のフランジ１００内に形成されたスロット９８（図３）中に固定される。補助インサート９０の外方端は、フランジ１００にろう付けされるのが好ましい。図４に示すように、補助インサート９０への入口通路９６は、外側バンドのプレナム３２の外側すなわち第１チャンバ３９と連通する状態で配置されている。従って、流入したばかりの状態にある冷却媒体、例えば蒸気が、共通の供給源すなわちプレナム３２から主インサート８０及び補助インサート９０に供給され、インサート９０に供給された冷却媒体が、羽根の凸状側の局部領域をインピンジメント冷却するのに用いられる。流入蒸気の極めて少ない部分のみが、補助インサート９０に供給され、一方、流入蒸気の大部分は、図1に関して前述した冷却回路に供給される。補助インサート９０のインピンジメント開口９４から出て使用された後のインピンジメント冷却媒体は、主インサート８０の開口８２から出る使用済み冷却媒体と合流し、合流した後、出口管８８及び出口２４を通って流れる。その結果、そうでなければ効果的に冷却されない羽根の領域に強化された局部的冷却が施され、それにより低サイクル疲労の改善が得られる。
【００１９】
本発明を、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連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び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保護しようと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】  従来技術における第１段ノズル羽根の拡大断面図。
【図２】  製作及び組立て後の図３のノズルセグメントの斜視図。
【図３】  本発明によるセグメントの、主及び補助インサート、出口管、インピンジメント板、カバー、及び外側バンド部分への出口ポートの組立てを示す、１つの羽根を備えるノズルセグメントの分解斜視図。
【図４】  出口管及び外側バンド冷却システムの部分と共に、羽根の第２空洞内の主及び補助インサートを示す拡大部分断面図。
【図５】  ノズル出口管及び補助インサートを示す分解斜視図。
【図６】  主及び補助インサートの配置を示す羽根の出口管を通る概略図。
【符号の説明】
１０  羽根
１２  外側バンド
１４  内側バンド
１８  前縁
２０  後縁
２２  冷却蒸気入口
２４  戻り蒸気出口
３４  上部カバー
３６  インピンジメント板
３８  外側バンドの内壁
８０  主インサート
８２  主インサートの開口
８４  主インサートの壁
８８  出口管
９２  補助インサート
９４  補助インサートのインピンジメント開口
【図１】
0004130540.tif 000002
【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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