(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間した第１の壁（３７）及び第２の壁（３９）と、
該第１の壁と該第２の壁との間に隔設してシールされた第１の室（４２）と第２の室（４４）とを画定しており、複数の流れ開口（４８）を有する衝突板（４６）と、
冷却用スチームを前記第１の室に供給し、前記衝突板の開口を通して前記第２の室に流し、前記第２の壁を衝突冷却させる供給通路（２２）と、
前記第２の室と連通しており、前記第２の室から流れ出る衝突後の冷却用スチームを排出する排出開口（２４）と、
前記衝突板に形成された少なくとも１つのダクト（６２）であって、該少なくとも１つのダクト（６２）は、前記第２の室と連通して形成され、衝突後のスチームの質量流量が前記排出開口に向かって下流方向に増加するにつれて、該衝突後のスチームの少なくとも一部に増加した流れ面積を提供している、少なくとも１つのダクト（６２）とを備えたタービンのスチームによる衝突冷却装置。
【請求項２】
前記衝突板を貫通している流れ開口は、衝突後のスチームが前記第２の室に沿って排出通路に向かって流れる方向に全体的に平行な複数の列に配列されており、前記ダクトは、前記開口の列の間に設けられている請求項１に記載の衝突冷却装置。
【請求項３】
前記衝突板（４６）に前記第２の室（４４）と連通して形成されており、衝突後のスチームの質量流量が前記排出開口に向かって下流方向に増加するにつれて、該衝突後のスチームの少なくとも一部に増加した流れ面積を提供する１つの前記ダクトを含んでいる複数のダクトを含んでいる請求項１に記載の衝突冷却装置。
【請求項４】
前記ダクトは、前記衝突板に形成されていると共に該衝突板の一方の側から前記第１の壁に向かって突出しているチャンネルを含んでいる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の衝突冷却装置。
【請求項５】
前記供給通路は、冷却用スチームを増加した速度で前記第１の室に流すノズルを画定している入口キャビティを含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
冷却用スチームを受け取る入口と、スチーム排出通路と、前記スチーム排出通路に流れるスチームの速度を増加させるノズルとを有する、第１のキャビティ（２８）と、
互いに離間した第１の壁及び第２の壁（３７，３９）と、該第１の壁と該第２の壁との間に隔設され複数の流れ開口を有している衝突板（４６）とを有しており、該衝突板が、該衝突板の両側に互いにシールされた第１の室（４２）と第２の室（４４）とを画定し、前記第１の室は、前記第１のキャビティからの冷却用スチームを受け取るように前記スチーム排出通路と連通しており、前記冷却用スチームが、前記流れ開口を通して前記第１の室から前記第２の室に通流し、前記第２の壁を衝突冷却している、第２のキャビティ（３０）と、
前記第２の室と連通しており、該第２の室から流れ出る衝突後の冷却用スチームを排出する排出開口（５０）と、
前記第２のキャビティ（３０）の一部を形成するダクト（６２）であって、該ダクト（６２）は、前記第２の室から前記排出開口に向かって流れる衝突後のスチームの流れと連通しており、前記第２の室内での交差流効果を軽減するために、衝突後のスチームの質量流量が前記排出開口に向かって下流方向に増加するにつれて、該衝突後のスチームの少なくとも一部に増加した流れ面積を提供している、前記ダクト（６２）と
を備えたタービンシュラウドを冷却するシステム。
【請求項７】
前記ダクトの断面積は、衝突後のスチームが前記排出開口に向かって流れる下流方向に増加している請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
互いに離間した第３の壁及び第４の壁（５１）と、該第３の壁と該第４の壁との間に隔設され複数の流れ開口を有している第２の衝突板（５６）とを有しており、該第２の衝突板は、該第２の衝突板の両側に互いにシールされた第３の室（５２）と第４の室（６０）とを画定しており、該第３の室が前記排出開口と連通しており、前記冷却用スチームが、前記流れ開口を通して前記第３の室から前記第４の室に流通し、前記第４の壁を衝突冷却している、第３のキャビティ（３２）と、
前記第４の室と連通しており、該第４の室から流れ出る衝突後の冷却用スチームを排出する排出通路（２４）と、
前記第４の室と連通しているダクトであって、前記第４の室内での交差流効果を軽減するために、該第４の室に沿って流れる衝突後のスチームの質量流量が前記排出通路に向かって下流方向に増加するにつれて、該衝突後のスチームの少なくとも一部に増加した流れ面積を提供している、ダクトとを含んでいる請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
タービンシュラウドをスチーム衝突により冷却する方法であって、
冷却用スチームを前記シュラウド内の第１の室（４２）に流す工程と、
前記第１の室（４２）からの冷却用スチームを衝突板（４６）に設けられている複数の流れ開口に流す工程と、
前記流れ開口を通流するスチームを前記シュラウドの壁に衝突させて前記シュラウドの壁を冷却するように、前記流れ開口を通流するスチームを第２の室（４４）を横切らせる工程と、
前記第２の室内の衝突後の冷却用スチームを排出開口（５０）に流す工程と、
前記衝突板の開口と前記壁との間の前記スチームの衝突後の流れを減少させることにより交差流効果を軽減するために前記第２の室内の衝突後の冷却用スチームに増加した流れ面積を提供するように、少なくとも１つのダクトを前記衝突板に形成する工程と
を備えたタービンシュラウドをスチーム衝突により冷却する方法。
【請求項１０】
流れノズルを有しているキャビティ（２８）を前記シュラウドに設ける工程と、
冷却用スチームを最初に前記キャビティに流し、前記ノズルに通してスチーム流れの速度及び前記シュラウドに沿った対流係数を増加させる工程と、
冷却用スチームを前記キャビティから前記第１の室に排出する工程と
を含んでいる請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、タービンシュラウドを冷却する装置に関し、特に、交差流効果を軽減してタービンシュラウドの衝突（インピンジメント）冷却を行う装置、及び冷却媒体をタービンシュラウドの数個の冷却用キャビティに単一の流れ回路にて直流的に流すシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンシュラウドを冷却する現在の方法では、空気衝突（インピンジメント）板が用いられている。この空気衝突板は、衝突板の両側での圧力差に基づいて空気を比較的高速で衝突板を通流させる多数の孔を有している。孔を通る高速の空気流は、冷却すべき部品に衝突する。部品に衝突し、その部品を冷却した後に、衝突後の空気は圧力の最も低いシンクへ進む。しかしながら、この使用済みの冷却用空気がシンクへ移行する際に、徐々に増加する使用済み空気は、冷却すべき部品に衝突するように向けられた他の高速の空気ジェットの通路と交差する。こうして、使用済みの冷却用空気は低圧シンクに向かう下流方向に徐々に増加する。この使用済み空気の交差流（クロスフロー）は、高速で入ってくる衝突冷却空気と相互作用して、衝突板から冷却すべき部品へ進む際の衝突冷却空気の有効性を著しく劣化させる。この劣化作用は、質量流量の増加する下流区域で一層顕著になる。
【０００３】
本出願人に譲渡された米国特許出願番号第０８／１５２，３６３号（１９９３年１１月１６日出願）に、冷却媒体としてスチーム（蒸気）を用いて、タービン部品、特にタービンシュラウドを衝突冷却する装置及び方法が提案されている。この出願に開示された装置及び方法は、タービンシュラウドをスチームで効果的に冷却することができるが、冷却媒体の使用量を最小に抑え、有害な交差流効果を更に軽減することにより、タービンのスチーム冷却を改良することが依然として求められている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明によれば、直列冷却流れ回路における冷却作用の効率を最大にするシステム、及び交差流効果を最小限に抑える装置が提供される。先ず、このシステムについて説明すると、タービンバケットの先端の半径方向外側のタービンシュラウド、即ち、固定シュラウドに、冷却媒体、例えばスチームを、タービンを通る高熱ガス通路の方向とは反対の流れ（向流）方向に通過させる複数のキャビティが設けられている。尚、シュラウドの少なくとも１つの壁表面が、タービンを通過する高熱の燃焼ガスに露出される。複数のキャビティを向流方向に直列に冷却することにより、順序が適切に制御された流れが得られる。更に、同じ面積を冷却するのに使用するスチームが少なくて済み、流れ条件が余り過酷でない比較的低温の区域の予熱が行われる。又、スチームが流路条件の過酷なキャビティに達した段階では、スチームは既に加熱されており、その区域を有効に冷却するのに十分であるが、部品に大きな熱勾配を与えるほど余りに低温ではない（そうでなければ、部品は大きな応力を受ける。）。
【０００５】
具体的には、冷却用スチームはシュラウドに第１のキャビティから入る。第１のキャビティは、ノズルを形成している面積の減少した区域を有しており、このノズルは、スチームがノズルを下流に進むにつれて、スチームの速度を増加させる。この速度の増加により、第１のキャビティ内の冷却すべきシュラウドの壁に沿った対流係数が増加し、こうして当該領域を冷却し、その結果、スチームの温度は上昇する。第１のキャビティ内のシュラウド壁を冷却した後に、スチームは排出通路を高速で第２のキャビティへ通過する。この第２のキャビティでは、衝突板がこのキャビティを第１の室と第２の室とに分割している。スチームは第１の室から衝突板に設けられた孔を通過し（これらの孔が、高速の蒸気ジェットを形成する。）、第２の室に入り、こうして、蒸気ジェットは、冷却すべき第２のキャビティの壁に衝突し、同時に、冷却を行った後に、スチームの温度が上昇する。スチームは第２のキャビティから小さな排出開口を、従って高速で通過して、第３のキャビティへ流れる。第３のキャビティにも衝突板が設けられている。しかしながら、第３のキャビティでは、エンクロジャ板が衝突板と共に、他のキャビティを画定しており、この他のキャビティの強制作用で、スチームは衝突板の孔を通過し、第３のキャビティ内の冷却すべき壁に直接衝突する。次いで、スチームはエンクロージャ板の周りを通って、排出パイプに連通した捕集マニホールドへ流れる。
【０００６】
本発明の他の観点によれば、衝突冷却交差流効果が最小になるか又は軽減される。これを達成するために、１つ以上のダクトが衝突板の各々に冷却孔の列の間に形成されている。冷却孔は、キャビティからの出口に向かう衝突後のスチームの流れの方向に対して全体的に平行に配列されている。ダクトの高さを下流流れ方向に増加させることが好ましい。従って、ダクトは、使用済みのスチーム流れの質量流量が下流位置で増加するにつれて、その使用済みのスチーム流れが移動するための面積を増大させる。この増大した面積は、交差流効果を軽減させる傾向がある。これは、衝突孔と冷却すべき壁との間に生じる使用済み流れの量が少なくなるからである。そのような使用済み流れは、増大すると、冷却すべき表面に衝突する冷却用スチームの高速ジェットに干渉するおそれがある。
【０００７】
本発明による好適な実施例では、タービンのスチーム・衝突冷却装置が提供される。この装置は、互いに離間した第１の壁及び第２の壁を有しているタービンシュラウドと、第１の壁と第２の壁との間に隔設されている衝突板であって、この衝突板の両側に互いに実質的にシールされた第１の室と第２の室とを画定している衝突板とを含んでいる。衝突板は、衝突板を貫通している複数の流れ開口であって、冷却用スチームをこれらの流れ開口を通して第１の室と第２の室との間を通流させる複数の流れ開口と、第１の室と連通している供給通路であって、冷却用スチームを第１の室に供給し、衝突板の開口を通して第２の室に流し、第２の壁を衝突冷却させる供給通路とを有している。排出開口が、第２の室と連通して設けられており、第２の室から流れ出る衝突後の冷却用スチームを排出する。少なくとも１つのダクトが、衝突後のスチームの少なくとも一部のための流れ面積を形成するように、衝突板に第２の室と連通関係に形成されており、この流れ面積は、衝突後のスチームの質量流量が排出開口に向かって下流方向に増加するにつれて増加している。
【０００８】
本発明による他の好適な実施例では、タービンシュラウドを冷却するシステムが提供される。このシステムは、複数のキャビティを含んでいる。複数のキャビティのうちの第１のキャビティが、冷却用スチームを受け取る入口と、スチーム出口通路とを有している。第１のキャビティは、第１のキャビティを通って出口通路に流れるスチームの速度を増加させるノズルを画定している。複数のキャビティのうちの第２のキャビティが、互いに離間した第１の壁及び第２の壁と、第１の壁と第２の壁との間に隔設されている衝突板であって、衝突板の両側に互いに実質的にシールされた第１の室と第２の室とを画定している、衝突板とを有している。第１の室は、第１のキャビティからスチームを受け取るように、出口通路と連通している。衝突板は、衝突板を貫通している複数の流れ開口であって、冷却用スチームをこれらの流れ開口を通して第１の室から第２の室に通流させて、第２のキャビティの第２の壁を衝突冷却させる複数の流れ開口を有している。排出開口が、第２の室と連通しており、第２の室から流れ出る衝突後の冷却用スチームを排出する。第２のキャビティの一部を形成しているダクトが、第２の室から排出開口に向かって流れる衝突後のスチームの流れと連通しており、第２の室内での交差流効果を軽減するために、衝突後のスチームの質量流量が排出開口に向かって下流方向に増加するにつれて、衝突後のスチームの少なくとも一部に増加した流れ面積を提供している。
【０００９】
本発明による更に他の好適な実施例では、シュラウドのスチーム衝突によりタービンシュラウドを冷却する方法が提供される。この方法は、冷却用スチームをシュラウド内のキャビティに流す工程と、キャビティを第１の室と第２の室とに分割している衝突板に設けられた複数の開口へキャビティからの冷却用スチームを流す工程と、開口を通流するスチームをシュラウドの壁に衝突させてその壁を冷却するように、第２の室を横切らせる工程と、第２の室内の衝突後の冷却用スチームを排出開口に流す工程と、衝突板の開口と壁との間のスチームの衝突後の流れを減少させることにより交差流効果を軽減するために第２の室内の衝突後の冷却用スチームに増加した流れ面積を提供するように、キャビティに少なくとも１つのダクトを形成する工程とを含んでいる。
【００１０】
従って、本発明の主たる目的は、良好な冷却効率で且つ衝突冷却中の交差流効果を抑えて、タービンシュラウドを冷却する新規で改良された装置及び方法を提供することにある。
【００１１】
【実施例】
図１はタービンの内側シェルの配置図である。このタービンの内側シェルは、第１段ノズル１０と、第１段バケット１２と、第２段ノズル１４と、第２段バケット１６とを含んでいる。第１段バケット１２及び第２段バケット１６は、タービンのシャフトの軸線（図示していない）の周りに回転する一方、第１段ノズル１０及び第２段ノズル１４は静止しており、タービンの内側シェルに固定されていることが明らかである。本発明は、シュラウド・ハンガ２０に固定されていると共に静止内側シェルの一部を形成しているタービンシュラウド１８に関する。内側シュラウド壁は、バケットの第１段においてバケットの外側先端から離間している。内側シェルは、冷却スチーム入口供給通路２２と、衝突後の冷却用スチーム排出通路２４とを含んでおり、冷却スチーム入口供給通路２２と、衝突後の冷却用スチーム排出通路２４とは共に、シュラウド１８と連通している。シュラウド・ハンガ・アセンブリは、スチーム供給通路２２及び排出通路２４と共に、図２に拡大して示されている。
【００１２】
図３はシュラウドに形成されている冷却キャビティの断面図であり、図４は第２のキャビティの衝突板の斜視図である。高熱ガス通路が高熱燃焼ガスを図３の白抜き矢印の方向に流し、シュラウド１８の内面２６を通過していることがわかる。シュラウド１８は、３つの実質的に閉じたキャビティ２８、３０及び３２から形成されている。図示のように、キャビティ２８はスチーム供給通路２２からスチーム（蒸気）を受け取り、受け取ったスチームを第２のキャビティ３０に流す。後述するように、キャビティ３０における冷却用スチームは、衝突（インピンジメント）板を通過して、壁表面２６の一部を衝突冷却し、その後、排気通路を通って第３のキャビティ３２に流入する。第３のキャビティ３２内の壁部２６でも衝突冷却が同様に行われ、スチームは最終的にスチーム排出通路２４を通ってシュラウドから出ていく。
【００１３】
図３及び図４について詳述すると、第１のキャビティ２８はマニホールド３４を含んでいる。マニホールド３４の壁には突起３６が設けられており、流れ面積を減少させるノズル３８を形成している。ノズル３８は、スチームがキャビティ２８内を下流に移行するにつれて、スチームが速度を増すように作用し、スチームはその後、複数の離間した通路４０に抜け出る。スチームを突起３６の周りに押し付け、又、突起によって形成されているノズルを通過させることにより、スチームは速度を増し、その結果、高熱ガス通路に露出されたキャビティ２８の下面に沿っての対流係数が増加する。従って、高熱ガス通路はその領域で冷却され、冷却用スチームは、排出通路４０を通って第２のキャビティ３０に流入するにつれて、温度が上昇する。
【００１４】
第１の壁３７と第２の壁３９との間に画定されている第２のキャビティ３０において、第１のキャビティ２８からの加熱された冷却用スチームが第１の室４２に流入する。キャビティ３０は衝突板４６によって、第１の室４２と第２の室４４に分割されている。衝突板４６は、複数の開口４８を有しており、冷却用スチームは開口４８を通って高速で第１の室４２から第２の室４４に通過し、第２の室４４の壁３９に衝突し、その壁の衝突冷却を行う。スチームの温度は、冷却を行うにつれて当然に上昇する。衝突後のスチームは、キャビティ３０とキャビティ３２との間に形成されている排出開口５０を通過する。
【００１５】
第３の壁４９と第４の壁５１との間に画定されている第３のキャビティ３２において、冷却用スチームは、閉止板５４と第２の衝突板５６との間に画定されている第３の室５２に入る。第２の衝突板５６は、複数の流れ開口５８を含んでおり、冷却用スチームが流れ開口５８を通って高速で流れ、キャビティ３２の壁５１に衝突し、これにより、その壁を衝突冷却する。衝突後のスチームは第３の室５２の周囲を流れ、第４の室６０から排出通路２４に流れる。
【００１６】
以上の説明から明らかなように、冷却用スチームは、高熱燃焼ガスの流れに対して向流方向に複数のキャビティを直列的に流れる。従って、流れ通路条件が過酷になるにつれて、冷却用スチームは、温度が上昇し、高熱ガスに露出した表面を効果的に冷却するが、冷却用スチームと高熱ガスとの間の熱勾配は減少し、冷却すべき表面に大きな応力が生じるのを防止する。
【００１７】
図４に、第２のキャビティ３０に設けられた衝突板４６を示す。衝突板４６は、衝突板４６と冷却すべき壁３９との間の第２の室４４と連通している少なくとも１つの、好ましくは複数のダクト６２を含んでいる。開口４８は、キャビティ３０から排出開口５０に向かって流れる衝突後のスチームの流れ方向に延在している複数の列に配列していることが好ましい。従って、ダクト６２は開口４８の列の間に配設されており、衝突後の冷却用スチームの流れ方向に面積を増加するように広がっている。その結果、図４に示すように、ダクト６２の断面積は排出開口５０に向かう方向に増加しており、これにより、第２の室４４の断面積も同様に、衝突後の冷却流れの方向に増加している。言い換えると、ダクト６２が衝突板４６の下流端に近付くにつれて、ダクト６２の高さは増加する。従って、衝突後の冷却用スチームの質量流量が下流位置で増加するにつれて、ダクト６２は使用済み冷却用スチームの流れが移動するための増加分の面積を提供する。この衝突後のスチームを流すための追加の面積は、交差流（クロスフロー）効果を低減させる傾向がある。これは、衝突の開口とシュラウドの床との間を通る使用済み冷却用スチームの量が少なくなるからである。
【００１８】
図３に戻ると、第３のキャビティ３２の第２の衝突板５６も第２のキャビティ３０の衝突板４６と同様に成形されている。即ち、衝突板５６も同様に、第４の室６０に向かって開口した複数のダクト６６を含んでおり、これにより、排出通路２４に向かう方向に衝突後の冷却用スチームの流れ面積が増加する。
以上、本発明を現在のところ最も実用的且つ好適と考えられる実施例について説明したが、本発明は、開示の実施例に限定されず、本発明の要旨の範囲に含まれる種々の変更及び均等構成を包含している。例えば、好適な実施例では、スチームを冷却流体として用いたが、より低温の用途では、ガスタービン用途において圧縮機から周知の方法で典型的に抽出される空気等の他の流体を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン内側シェルの一部の線図的立面図であって、タービンのバケットの周りのタービンシュラウドの位置を示す図である。
【図２】シュラウド・ハンガに固定されている図１の冷却用シュラウドの拡大斜視図である。
【図３】図１及び図２に示すシュラウドに形成されている冷却用キャビティの拡大断面図である。
【図４】図３に示す第２のキャビティ内の衝突板の斜視図である。
【符号の説明】
１８  タービンシュラウド
２２  入口通路
２４  排出通路
２８、３０、３２  キャビティ
３６  突起
３８  ノズル
４２  第１の室
４４  第２の室
４６、５６  衝突板
４８  開口
５０  排出開口
５２  第３の室
６０  第４の室
６２、６６  ダクト
【図１】
0003774491.tif 000002
【図２】
0003774491.tif 000003
【図３】
0003774491.tif 000004
【図４】
0003774491.tif 000005