JP2001271604A - 内部冷却回路を有するタービン静翼セグメント - Google Patents
内部冷却回路を有するタービン静翼セグメントInfo
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Abstract
ンサートの数を減らした一段と頑丈な冷却設計をしたタ
ービン静翼セグメントの提供。 【解決手段】 静翼は冷却媒体を流すための空洞34,
36,38,40,42を有する。冷却媒体は外壁の外
室に入り、インピンジメント板60を通って、高温ガス
経路を部分的に画成する外側バンド壁をインピンジメン
ト冷却し、第1、第2及び第4空洞の開口64,66,
68を通って半径方向内側に流れて静翼を冷却する。使
用済冷却媒体は内壁の内室に流入し、インピンジメント
板84を半径方向外側に流れて内壁を冷却する。この使
用済冷却媒体は第3空洞38通って外壁からタービン静
翼セグメントを出る。第1、第2及び第3空洞内に、静
翼壁のインピンジメント冷却用のインピンジメント開口
を有するインサート70,72,74が設けられる。第
5空洞42は後縁の空気冷却をもたらす。
Description
タービンなどの陸上ガスタービンに関するものであり、
具体的には、ガスタービンのノズルセグメントの内部冷
却回路に関する。
を冷却するためガスタービンの圧縮機から圧縮機抽気が
抽出されている。しかし、冷却空気の抽出はタービン効
率の寄生的損失となる。近年、最新式ガスタービン設計
では、高温ガス経路流の温度がタービン部品の融点を超
えかねないことが認められており、そのため、運転中こ
のような高温ガス経路部品を保護するための異なる冷却
設計が必要とされている。蒸気は、熱容量が高いため、
冷却媒体として空気よりも優れていることが認められて
いる。ノズルセグメント用冷却媒体として蒸気を用いる
ガスタービンは、例えば本願出願人に譲渡された米国特
許第5674766号に開示されている。
ル静翼が介在するノズルセグメントの内壁と外壁(つま
り内側バンドと外側バンド)に、ノズルセグメントの外
壁及び内壁のインピンジメント冷却のための隔室が設け
られる。冷却用蒸気は静翼壁に沿っても供給される。そ
のため、冷却蒸気を外壁の第1室に供給して、そこでイ
ンピンジメント板のインピンジメント開口を通過させて
外壁をインピンジメント冷却する。蒸気は次に各静翼の
第1及び第5空洞内を半径方向内側に流れ、これらの空
洞内のインサートを通る。インサートは開口を有してい
て、蒸気はこれらの開口を通って静翼壁の所定部分をイ
ンピンジメント冷却する。蒸気は次いで内壁の内室に流
入し、反転してインピンジメント板の開口を半径方向外
側に流れて内壁をインピンジメント冷却する。使用後の
冷却媒体は、静翼の隣接壁をインピンジメント冷却する
ための複数の開口を備えたインサートを各々有する3つ
の中間空洞を半径方向外側に流れる。次いで使用後の冷
却蒸気はセグメントの外に流出する。
付近に延在する空洞に空気も供給される。空気は複数の
タービュレータを通過して後縁の複数の開口を通して高
温ガス流へと流出する。
点を有するが、鋳造の費用と複雑さを低減しつつ、さら
にインサートの数を減らした一段と頑丈な設計を有する
ことが望まれる。
態では、冷却サイクル条件を満足しつつ、複雑さ及び費
用の低減した冷却回路(例えば、蒸気及び空気冷却回
路)を有するノズル段が提供される。具体的には、本発
明のノズル段用冷却設計は、外側及び内側バンドと、外
側バンドと内側バンドの間に延在する静翼とを含む。上
述の米国特許と同様、ガス経路を画成する壁のインピン
ジメント冷却のため、内側バンド及び外側バンドに隔室
が設けられる。ただし、本発明では、先行米国特許の流
れパターンとは大幅に異なる流れパターンを有する冷却
回路が各静翼内に設けて、上述の利点を得る。本発明で
は、各静翼セグメントの内側バンドと外側バンドの間に
第1、第2、第3、第4及び第5空洞を設ける。各静翼
内の空洞は前縁から後縁に向かってこの順序で順次配設
される。外側バンドのガス経路壁をインピンジメント冷
却した後、外側バンドからの蒸気は第1及び第2空洞内
のインサートを略半径方向内側に流れ、インサートの複
数の開口を通して静翼の所定壁面をインピンジメント冷
却する。蒸気は第4空洞にも供給されて半径方向内側に
流れる。しかし、第4空洞はインサートをもたず、第4
空洞を画成する静翼壁はインピンジメント冷却されず、
対流冷却される。このように、冷却媒体は第1、第2及
び第4空洞に比較的低い温度で供給され、静翼の最高温
部分である前縁と後縁の近辺での冷却を向上させる。内
側バンド隔室に流入した蒸気はインピンジメント板を通
って内側バンドをインピンジメント冷却する。使用済冷
却蒸気は第3静翼空洞に供給される。第3空洞内のイン
サートは、静翼の所定壁面をインピンジメント冷却する
ための複数の開口を有する。次いで、使用後の冷却蒸気
は第3空洞内を外側に流れて静翼セグメントの略半径方
向外側へと流出する。第5空洞は圧縮機抽気によって空
冷される。また、複数のタービュレータが第5空洞内に
設けられる。ただし、第5空洞は閉ざされていて、空気
を高温ガス経路流に排出しない。使用後の冷却空気はホ
イール空間内へと排出される。
ビンを貫通するガス経路を部分的に画成する内壁と外壁
とをそれぞれ有する互いに隔設された内側バンドと外側
バンドと、内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に
延在しかつ前縁と後縁を有する静翼にして冷却媒体を流
すために前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在する
複数の別個の空洞を含む静翼と、外壁の隔室内に冷却媒
体を流入させるための当該セグメント用冷却媒体入口と
を備えてなるタービン静翼セグメントであって、上記空
洞が前縁から後縁に向かって順次第1、第2、第3、第
4及び第5空洞を含んでいて、上記静翼が冷却媒体を隔
室から第1、第2及び第4空洞へと流入させ第1、第2
及び第4空洞に沿って略半径方向内側に流すため隔室と
第1、第2及び第4空洞とを連通する複数の開口を有し
ており、上記静翼が冷却媒体を第1、第2及び第4空洞
から内側バンドの隔室内に流すため内壁の隔室と第1、
第2及び第4空洞とを連通する複数の開口を有してお
り、かつ静翼が冷却媒体を第3空洞内で略半径方向外側
に流して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンド
の隔室と第3空洞とを連通する開口を有している、ター
ビン静翼セグメントが提供される。
ビンを貫通するガス経路を部分的に画成する内壁と外壁
とをそれぞれ有する互いに隔設された内側バンドと外側
バンドと、内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に
延在しかつ前縁と後縁を有する静翼にして、冷却媒体を
流すために前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在す
る複数の別個の空洞を含む静翼と、外壁の外側に隔設さ
れた外側バンド用の第1カバーと、第1カバーと外壁の
間の第1インピンジメント板にしてその両側に外室と内
室を部分的に画成する第1インピンジメント板と、外室
内に冷却媒体を流入させるための当該セグメント用冷却
媒体入口と、内壁から内側に隔設された内側バンド用の
第2カバーと、第2カバーと内壁の間の第2インピンジ
メント板にしてその両側に外室と内室を部分的に画成す
る第2インピンジメント板とを備えてなる、タービン静
翼セグメントであって、上記インピンジメント板が、外
壁のインピンジメント冷却のため冷却媒体を外室から内
室内に流すための複数の開口を有しており、上記空洞は
前縁から後縁に向かって順次第1、第2、第3、第4及
び第5空洞を含んでいて、上記静翼が、冷却媒体を内室
から第1、第2及び第4空洞へと流入させ第1、第2及
び第4空洞内を略半径方向内側に流すため内室と第1、
第2及び第4空洞とを連通する複数の開口を有してお
り、上記静翼が冷却媒体を第1、第2及び第4空洞から
内側バンドの内室内に流すため内壁の内室と第1、第2
及び第4空洞とを連通する複数の開口を有していて、第
2インピンジメント板が内壁のインピンジメント冷却の
ため冷却媒体を内側バンドの内室から内側バンドの外室
内に流すための複数の開口を有しており、上記静翼が冷
却媒体を第3空洞内で略半径方向外側に流して当該静翼
セグメントの外に流すため内側バンドの外室と第3空洞
とを連通する開口を有している、タービン静翼セグメン
トが提供される。
と、タービンを貫通する高温ガス経路16を部分的に画
成する外側バンド12と内側バンド14とを含むノズル
静翼セグメント(全体を符号10で示す)が示してあ
り、この静翼セグメント10はタービンの一部をなす。
外側バンド12と内側バンド14は静翼18でつながっ
ている。外側バンドと内側バンドと複数の静翼は各セグ
メントに設けられ、係る複数のセグメントがタービンの
軸線の周りに環状の列をなして配置される。外側バンド
と内側バンドの間の静翼を存在する空間が、タービンを
貫通するガス流路16を画成する。
分的に画成する外側バンド壁20、及び前方カバー24
と後方カバー26とからなるカバー22を含んでいる。
内側バンド14は、ガス経路16を部分的に画成する内
壁28、及び内側カバー30を含んでいる。
在する静翼18は、図5に最も明瞭に示されている通
り、静翼セグメントをタービンの静止ケーシング(図示
せず)に固定するための前方フック33を有する静翼延
長部32を含んでおり、以降の説明で明らかとなるよう
に冷却媒体の流れを促進する。静翼18は複数の空洞に
分割され、好ましい実施形態では、空洞は第1、第2、
第3、第4及び第5空洞からなる(それぞれ符号34,
36,38,40,42で示す)。これらの空洞は静翼
の前縁44から後縁46に向かって順次内部リブ48,
50,52,54によって配設される。図5に示す通
り、単一カバー56で第1及び第2空洞34,36を覆
ってそれらを閉ざしており、さらに別の静翼カバー(図
示せず)で空洞40を覆っている。
でいて、インピンジメント板60で隔てられた外室56
と内室58とに分割される。インピンジメント板60は
前方インピンジメント板部分61と後方インピンジメン
ト板部分63とで構成され、静翼延長部32の周囲に延
在する。インピンジメント板60は、蒸気を外側バンド
の外室56から外側バンドの内室58へと導くための複
数のインピンジメント開口を有する。前方カバー24に
は、図5に示す通り、蒸気を外室56に供給するための
蒸気入口65が含まれている。静翼延長部32は、静翼
延長部を貫通してそれぞれ第1、第2及び第4空洞3
4,36,40へと通じる横開口64,66,68を有
していて、使用後のインピンジメント蒸気を各空洞内に
導く。
半径方向内端が閉じたインサートを各々含んでいる。第
3空洞は、内端が開き外端が閉じたインサート74を有
する。第1及び第2空洞内のインサート70,72は、
横開口64,66からの蒸気をインサートの開放上端を
通してインサート内に導くためのカラーを半径方向外端
付近に有する。インサート70,72及び第3空洞38
内の別のインサート74は、静翼の両側壁をインピンジ
メント冷却するため、インサート壁に複数のインピンジ
メント冷却用開口75を含んでいる。
でいて、内室82と外室86とに分割される。インサー
ト70,72の下端は空洞ガイド79を有する。ガイド
79は、使用後の冷却蒸気を内側バンド14内のインピ
ンジメント板84の半径方向内側の半径方向内室82へ
と導く。空洞ガイド79の開口80は空洞36からの使
用済蒸気を調量するとともに、計装配管(図示せず)が
設けられる。こうして、空洞ガイド79は使用済冷却蒸
気を内室82へと導くが、そこで蒸気は反転して、イン
ピンジメント板84のインピンジメント冷却用開口を通
して内側バンド14の内壁28をインピンジメント冷却
する。第3空洞内のインサート74はインピンジメント
板84と内壁28の間の外室86に通じていて、使用済
インピンジメント蒸気は第3空洞を通って戻り、第3空
洞に隣接する静翼の側壁をインピンジメント冷却する。
使用済蒸気は次いで静翼延長部を通って後方カバー26
の蒸気排出口87へと流れる。
68から蒸気が流入して静翼壁を対流冷却する。第4空
洞内にはインサートは存在しない。蒸気は第4空洞を通
って内側バンド14の内室82に流入し、第1及び第2
空洞からの使用済インピンジメント冷却蒸気と合流して
内壁28をインピンジメント冷却し、第3空洞38を通
って戻る。
径方向外端で、後方カバー26を貫通した冷却空気入口
(図5)と連通している。冷却空気(好ましくは圧縮機
吐出空気)はこうして第5空洞42に流入する。冷却空
気の境界層を乱して後縁を効率的に冷却するため、複数
のタービュレータ90が第5空洞42の両側壁に沿って
設けられる。使用済冷却空気は第5空洞から開口45を
通してタービンのホイール空間内に流出する。
口65を通して外側バンド12の外室56に流入する。
蒸気は必然的にインピンジメント板60のインピンジメ
ント開口を通して外側バンド12の外壁20をインピン
ジメント冷却する。使用後のインピンジメント冷却蒸気
は第1、第2及び第4空洞の横開口64,66,68を
通って流れる。これらの空洞は上端がカバープレートで
閉じているので、蒸気は半径方向内側に向かってインサ
ート70,72内を流れる。第1及び第2空洞内では、
蒸気はインサート壁のインピンジメント冷却孔から外側
に流れて静翼側壁の対応部をインピンジメント冷却す
る。第1及び第2空洞からの使用後の冷却蒸気は半径方
向に内側バンド14に向かって流れガイド79を経て内
室82へと流出する。横開口68からの蒸気は第4空洞
40を半径方向内側に流れて静翼壁を対流冷却し内室8
2へと流入する。空洞34,36,40から内室82に
入った蒸気はインピンジメント板84のインピンジメン
ト開口を通って内側バンド14の外室86に流入する。
この使用済冷却蒸気は第3空洞インサート74の半径方
向内端を通ってインサート74に沿って半径方向外側へ
と流れる。この戻り蒸気流はインサート74のインピン
ジメント開口にも流れ、第3空洞に隣接する静翼の両側
壁をインピンジメント冷却する。次いで、使用済蒸気は
後方カバー26の蒸気出口87を経て静翼セグメントか
ら流出する。同時に、圧縮機吐出空気が第5空洞42に
流入して、この空洞内を半径方向内側に流れて後縁46
を冷却する。使用済冷却空気は内側バンドを通ってロー
タのホイール空間内に流出する。
しいと思料される実施形態について説明してきたが、本
発明は、開示した実施形態のみに限定されるものではな
く、請求項に記載された技術的思想及び技術的範囲に属
する様々な修正及び均等な構成にも及ぶものである。
ある。
の斜視図である。
長部を貫通した蒸気入口を示す断面図である。
分解斜視図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 タービンを貫通するガス経路(16)を
部分的に画成する内壁(28)と外壁(20)とをそれ
ぞれ有する互いに隔設された内側バンド(14)と外側
バンド(12)と、 内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に延在しかつ
前縁(44)と後縁(46)を有する静翼(18)にし
て、冷却媒体を流すために前縁と後縁の間で該静翼の長
手方向に延在する複数の別個の空洞(34,36,3
8,40,42)を含む静翼(18)と、 外壁の隔室内に冷却媒体を流入させるための当該セグメ
ント用冷却媒体入口(65)とを備えてなるタービン静
翼セグメントであって、 上記空洞が前縁から後縁に向かって順次第1、第2、第
3、第4及び第5空洞(34,36,38,40,4
2)を含んでいて、上記静翼が、冷却媒体を隔室から第
1、第2及び第4空洞へと流入させ第1、第2及び第4
空洞に沿って略半径方向内側に流すため隔室と第1、第
2及び第4空洞とを連通する複数の開口(64,66,
68)を有しており、 上記静翼が冷却媒体を第1、第2及び第4空洞から内側
バンドの隔室内に流すため内壁の隔室と第1、第2及び
第4空洞とを連通する複数の開口(80)を有してお
り、かつ静翼が冷却媒体を第3空洞内で略半径方向外側
に流して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンド
の隔室と第3空洞とを連通する開口(77)を有してい
る、タービン静翼セグメント。 - 【請求項2】 第2冷却媒体が第5空洞を略半径方向内
側に流れるように内壁と外壁とを貫通した開口(43、
45)を含む、請求項1記載のタービン静翼セグメン
ト。 - 【請求項3】 第5空洞が静翼の後縁に沿って存在し、
前縁から後縁に向かって順に並んだ空洞の最後のものか
らなる、請求項2記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項4】 静翼が5つの空洞だけを有する、請求項
1記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項5】 第1、第2及び第3空洞それぞれの内部
にそれぞれの内壁から離隔して設けられた第1、第2及
び第3インサートスリーブ(70,72,74)を含ん
でいて、各インサートスリーブが、冷却媒体を該インサ
ートスリーブ内に流入させる入口と、冷却媒体をスリー
ブ開口から該スリーブと該空洞の間の空間に流入させて
静翼の内壁面をインピンジメント冷却するための複数の
インピンジメント開口(75)とを有しており、第1及
び第2スリーブが第1及び第2空洞の内壁面から離隔し
ていて該内壁面と共にそれぞれの流路を画成して使用済
インピンジメント冷却媒体を流路から内壁の隔室へと流
すようになっており、第3スリーブが第3空洞の内壁面
から離隔していて該内壁面と共に内壁の隔室から第3イ
ンサートスリーブの開口を流れる冷却媒体を受入れて静
翼の略半径方向外側へと導く流路を画成している、請求
項1記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項6】 前記インサートがそれぞれ第1、第2及
び第3空洞内だけに存在し、第4及び第5空洞にはイン
ピンジメント冷却用インサートがない、請求項5記載の
タービン静翼セグメント。 - 【請求項7】 タービンを貫通するガス経路を部分的に
画成する内壁と外壁とをそれぞれ有する互いに隔設され
た内側バンドと外側バンドと、 内側バンドと外側バンドの間のガス経路内に延在しかつ
前縁と後縁を有する静翼にして、冷却媒体を流すために
前縁と後縁の間で該静翼の長手方向に延在する複数の別
個の空洞を含む静翼と、 外壁の外側に隔設された外側バンド用の第1カバーと、
第1カバーと外壁の間の第1インピンジメント板にして
その両側に外室と内室を部分的に画成する第1インピン
ジメント板と、外室内に冷却媒体を流入させるための当
該セグメント用冷却媒体入口と、 内壁から内側に隔設された内側バンド用の第2カバー
と、第2カバーと内壁の間の第2インピンジメント板に
してその両側に外室と内室を部分的に画成する第2イン
ピンジメント板とを備えてなる、タービン静翼セグメン
トであって、 上記インピンジメント板が、外壁のインピンジメント冷
却のため冷却媒体を外室から内室内に流すための複数の
開口を有しており、 上記空洞は前縁から後縁に向かって順次第1、第2、第
3、第4及び第5空洞を含んでいて、上記静翼が、冷却
媒体を内室から第1、第2及び第4空洞へと流入させ第
1、第2及び第4空洞内を略半径方向内側に流すため内
室と第1、第2及び第4空洞とを連通する複数の開口を
有しており、 上記静翼が冷却媒体を第1、第2及び第4空洞から内側
バンドの内室内に流すため内壁の内室と第1、第2及び
第4空洞とを連通する複数の開口を有していて、第2イ
ンピンジメント板が内壁のインピンジメント冷却のため
冷却媒体を内側バンドの内室から内側バンドの外室内に
流すための複数の開口を有しており、 上記静翼が冷却媒体を第3空洞内で略半径方向外側に流
して当該静翼セグメントの外に流すため内側バンドの外
室と第3空洞とを連通する開口を有している、タービン
静翼セグメント。 - 【請求項8】 第2冷却媒体が第5空洞を略半径方向内
側に流れるように内壁と外壁とを貫通した開口を含む、
請求項7記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項9】 第5空洞は静翼の後縁に沿って存在し、
前縁から後縁に向かって順に並んだ空洞の最後のものか
らなる、請求項8記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項10】 静翼が5つの空洞だけを有する、請求
項7記載のタービン静翼セグメント。 - 【請求項11】 第1、第2及び第3空洞それぞれの内
部にそれぞれの内壁から離隔して設けられた第1、第2
及び第3インサートスリーブを含んでいて、各インサー
トスリーブが冷却媒体を該インサートスリーブ内に流入
させる入口と冷却媒体をスリーブ開口から該スリーブと
該空洞の間の空間に流入させて静翼の内壁面をインピン
ジメント冷却するための複数のインピンジメント開口
(75)とを有しており、第1及び第2スリーブが第1
及び第2空洞の内壁面から離隔していて該内壁面と共に
それぞれの流路を画成して使用済インピンジメント冷却
媒体を流路から内壁の内室へと流すようになっており、
第3スリーブが第3空洞の内壁面から離隔していて該内
壁面と共に内壁の外室から第3インサートスリーブの開
口を流れる冷却媒体を受入れて静翼の略半径方向外側へ
と導く流路を画成している、請求項7記載のタービン静
翼セグメント。 - 【請求項12】 前記インサートがそれぞれ第1、第2
及び第3空洞内だけに存在し、第4及び第5空洞にはイ
ンピンジメント冷却用インサートがない、請求項11記
載のタービン静翼セグメント。
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