JPH1150806A

JPH1150806A - ガスタービンのノズル部材

Info

Publication number: JPH1150806A
Application number: JP20877097A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nishimura; 圭司西村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳造時にシュリンケージ（部分収縮）やイ
ンクルージョン（砂の混入）等が発生しにくく製品の歩
留りを高めることができ、試作段階で静翼の角度をわ
ずかに変化させてスロート面積を調整する場合に、ロウ
型の再設計、再製作の必要性を減らして、ロウ型製作費
を低減することができ、使用状態における静翼チップ
部の後縁部やアウターシュラウド部の下流端部に発生す
る応力を下げて、寿命を延ばすことができるガスタービ
ンのノズル部材を提供する。【解決手段】ガス流３の流れ方向に間隔を隔てた１対
のフック部５間を連結しかつアウターシュラウド部１２
の外面に密着したリブ部５を有する。このリブ部は、後
縁１３ａを中心とする所定の調整角度範囲で静翼チップ
部がアウターシュラウド部に接触する領域１４の大部分
を包含するように、その周方向厚さＢが設定されてい
る。また、フック部は、静翼の後縁よりも上流側に設け
られ、これにより静翼からフック部への荷重伝達が後縁
を通らないようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アウターシュラウド
部、静翼部及びインナーシュラウド部が一体に形成され
たガスタービンのノズル部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、ガスタービンの翼列の構成例で
ある。この図に示すように、ガスタービンは通常複数
（この例では４組）の静翼列１と動翼列２からなる翼列
であり、静翼列１でガス流３の向きを整え、動翼列２で
ガス流３からエネルギーを回収して回転動力を得るよう
になっている。また、この図に示すようにガス流路は下
流側（図で右側）が徐々に広くなっている。

【０００３】図８は、静翼列１を構成するノズル部材４
の斜視図である。この図に示すように、ノズル部材４は
周方向に分割された扇形をしている。また、各ノズル部
材４は、アウターシュラウド部４ａ、静翼部４ｂ及びイ
ンナーシュラウド部４ｃが一体に形成され、アウターシ
ュラウド部４ａの外側のフック部５をケーシングの内面
に固定することにより複数のノズル部材４を周方向に密
着して連結し、１つの静翼列１を構成するようになって
いる。また、図７において、隣接するノズル部材４の間
にシール板６を挟み込み、その間のガスシールを行うよ
うになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図８に示したノズル部
材４は、ロストワックス法により通常製造される。その
ためフック部５からの湯流れを良くするために、２つの
フック部５の間にリブ部５ａ（図７参照）を設け、この
リブ部５ａを介してアウターシュラウド部４ａから静翼
部４ｂへ溶融金属を流すようになっている。

【０００５】しかし、従来のノズル部材では、アウタ
ーシュラウドのリブ部形状が、翼チップ部の２次元断面
形状を用いて定義されており、そのため、図７に示すよ
うに特に低圧ノズル部で流路面のテーパが急でありかつ
翼形が半径方向に大きく変化する場合には、翼チップ部
と流路面との実際の交差曲線とリブ部形状が前縁部及び
後縁部でズレていた。そのため、鋳造時の湯流れが悪く
なり、シュリンケージ（部分収縮）やインクルージョン
（砂の混入）等が発生しやすく、鋳造製品の歩留りが低
い問題点があった。

【０００６】また、従来のアウターシュラウドのフッ
ク部の軸方向取付け位置は、将来の翼形変更まで考慮し
て最適化されていない。そのため、試作の段階で静翼の
角度をわずかに変化させてスロート面積を調整すること
が通常行われるが、静翼角度を変化させる毎に、フック
部を含むアウターシュラウド部のロウ型を再設計、再製
作する必要があり、ロウ型製作費が非常にかかる（例え
ば１千万円以上）問題点があった。すなわち、翼形変更
により、高価な鋳造ロウ型をそのまま一式変更する必要
があり、開発日程、コストに多大な影響を与えていた。

【０００７】更に、使用状態において、ガス流から静
翼が受ける力は、アウターシュラウド部を介してフック
部に伝達されるが、この際に静翼チップ部の特に後縁部
やアウターシュラウド部の下流端部に高い応力が発生
し、亀裂が入りやすく、寿命が短い問題点があった。す
なわち、軸方向位置が最適化されていない場合、翼形変
更によりアウターシュラウドのフック部が翼エッジ部の
真上にくると、構造的に弱い翼エッジ部に荷重伝達のパ
スが通ることになり、部品の耐久性上好ましくなかっ
た。

【０００８】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、鋳造時にシュリンケージやインクルージョン等が
発生しにくく製品の歩留りを高めることができ、試作
段階で静翼の角度をわずかに変化させてスロート面積を
調整する場合に、ロウ型の再設計、再製作の必要性を減
らして、ロウ型製作費を低減することができ、使用状
態における静翼チップ部の後縁部やアウターシュラウド
部の下流端部に発生する応力を下げて、寿命を延ばすこ
とができるガスタービンのノズル部材を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、外側に
フック部を有するアウターシュラウド部と複数の静翼か
らなる静翼部とが一体に形成されるガスタービンのノズ
ル部材において、ガス流の流れ方向に間隔を隔てた１対
のフック部間を連結しかつアウターシュラウド部の外面
に密着したリブ部を有し、該リブ部は、後縁を中心とす
る所定の調整角度範囲で静翼チップ部がアウターシュラ
ウド部に接触する領域の大部分を包含するように、その
周方向厚さが設定されている、ことを特徴とするガスタ
ービンのノズル部材が提供される。

【００１０】上記本発明の構成によれば、フック部間を
連結するリブ部の周方向厚さが、静翼チップ部がアウタ
ーシュラウド部に接触する領域の大部分を包含するよう
に設定されているので、リブ部を介してアウターシュラ
ウド部から静翼部へ溶融金属をスムースに流すことがで
き、シュリンケージやインクルージョン等を防止して鋳
造製品の歩留りを高めることができる。

【００１１】すなわち、リブ部形状を、翼チップ部と流
路面の交差曲線を３次元ＣＡＤ上で定義し、その形状を
平面に投影して定義することにより、リブ部と翼チップ
部がアウターシュラウド部を挟んで重なるので、リブ部
から翼チップ部へアウターシュラウド部を通してスムー
スに溶融金属を流すことができる。また、後縁を中心と
する所定の調整角度範囲で、静翼チップ部がアウターシ
ュラウド部に接触する領域の大部分を包含するように設
定されているので、この範囲で、静翼を後縁を中心とし
て揺動させてスロート面積を調整する場合に、各鋳造ロ
ウ型は部分的に位置をずらすだけでそのまま適用でき、
開発コストを下げ、開発日程を短縮することができる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
１対のフック部は、静翼の後縁よりも上流側に設けら
れ、これにより静翼からフック部への荷重伝達が後縁を
通らないようになっている。この構成により、静翼後縁
部に作用する荷重を低減することができ、この部分に発
生する応力を下げて、寿命を延ばすことができる。

【００１３】また、ノズル部材間の隙間をシールするた
めのシール板が、前記１対のフック部の間にのみ設けら
れる。この構成により、アウターシュラウド部の後端部
までシール板を設けた従来例と比較して、この部分に発
生する応力を下げて、寿命を延ばすことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本
発明のノズル部材を模式的に示す部分構成図である。こ
の図において、（Ａ）はノズル部材のアウターシュラウ
ド部の縦断面図であり、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）
はＣ−Ｃ線における断面図を示している。（Ａ）に示す
ように、本発明のノズル部材１０は、外側にガス流３の
流れ方向に間隔を隔てた１対のフック部５を有し、この
フック部５間をアウターシュラウド部１２の外面に密着
したリブ部１１が連結している。

【００１５】また、（Ｂ）（Ｃ）に示すように、このリ
ブ部１１は、静翼１３の後縁１３ａを中心とする所定の
調整角度範囲で静翼チップ部がアウターシュラウド部１
２に接触する領域１４の大部分を包含するように、その
周方向厚さＢが設定されている。この調整角度範囲は、
例えば±２度程度を設けるのがよい。すなわち、鋳造時
の金属湯供給路となるリブ部材１１の形状を上記交差曲
線１４と一致するように設定し、かつ将来の翼形変更に
備えて必要量だけ幅広にする。

【００１６】図２は、本発明のノズル部材の側面図であ
る。この図に示すように、本発明のノズル部材１０は、
前記１対のフック部５が、静翼１３の後縁１３ａよりも
上流側に設けられ、これにより静翼１３からフック部５
への荷重伝達が後縁１３ａを通らないようになってい
る。また、この例では、前縁１３ｂよりも下流側にフッ
ク部５を設け、同様に前縁１３ｂに荷重が作用しないよ
うになっている。この構成により、静翼後縁部に作用す
る荷重を低減することができ、この部分に発生する応力
を下げて、寿命を延ばすことができる。

【００１７】また、仮に、翼形変更により翼コード長が
短くなっても構造的に弱い翼エッジ部（特に後縁１３
ａ）がフック部５より内側に入らない形状とするのがよ
い。

【００１８】図３は、翼チップ部と流路面の交差曲線と
これを２次元平面に投影した図である。（Ａ）は従来例
であり、前述のように、従来のノズル部材では、アウタ
ーシュラウドのリブ部形状が、翼チップ部の２次元断面
形状７を用いて定義されており、そのため、流路面８の
テーパがきつくかつ翼形が半径方向に大きく変化する場
合には、翼チップ部と流路面との実際の交差曲線とリブ
部形状が前縁部及び後縁部でズレていた。（Ｂ）（Ｃ）
は本発明の例であり、（Ａ）のズレをなくすため、ま
ず、翼チップ部と流路面の交差曲線９を３次元ＣＡＤ上
で定義し、その形状を平面に投影して定義する。また、
将来の翼型変更に備えて、変更後にも翼チップ部とのズ
レを生じないよう、リブ部材１１の形状を必要なだけ厚
肉にする。

【００１９】このように、ズレをなくすことにより、鋳
造時の欠陥の発生を抑制することができる。また、必要
量だけリブ部形状を厚肉にすることにより、将来翼形変
更が必要となった場合も、鋳造ロウ金型は翼部インサー
トのみを変更するだけで対応でき開発日程、コスト上、
非常にメリットがある。

【００２０】図４は、フック位置の解析用モデル図であ
り、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は本発明の場合を示してい
る。（Ａ）従来例では、１対のフック部５が静翼の前縁
より上流側及び後縁より下流側に位置しており、静翼に
作用する流体力が前縁及び後縁を通ってフック部へ荷重
伝達が行われる。このため、解析の結果、前縁部と後縁
部にそれぞれ最大約３２ｋｓｉ、３５ｋｓｉの応力が発
生していた。

【００２１】これに対して、（Ｂ）の本発明では、図２
に示したように、１対のフック部５は、静翼１３の後縁
１３ａよりも上流側かつ前縁１３ｂよりも下流側に設け
られ、これにより静翼１３からフック部５への荷重伝達
が前縁１３ｂと後縁１３ａを通らないようになってい
る。このため、静翼後縁部に作用する荷重を低減するこ
とができ、解析の結果、前縁部と後縁部の最大応力をそ
れぞれ最大約１３ｋｓｉ、１８ｋｓｉまで低減できるこ
とがわかった。

【００２２】図５は、シールサポート部の位置を示すノ
ズル部材のモデル図であり、図６は、図５の場合の解析
結果の一例を示す応力分布図である。従来の例では、図
５に示すように、フック部の下流側にもブロック状のシ
ールサポート４ｃを設け、隣接するシールサポート４ｃ
間にシール板を挟持することにより、この部分のガスシ
ールを行っていた。しかし、図６に示すように、かかる
シールサポート４ｃを設けた場合には、静翼１３のＭＸ
部に高い応力が発生し、特に後縁１３ａでは最大約４７
ｋｓｉに達することが解析からわかった。なお、図５に
おけるＡ〜Ｋは発生応力を低い順に示しており、そのう
ちＫは１４ｋｇｆ／ｍｍ²である。

【００２３】この解析結果から、本発明のノズル部材間
の隙間をシールするためのシール板は、１対のフック部
５の間にのみ設けるようになっており、図５のシールサ
ポートがない構造となっている。

【００２４】上述した本発明によれば、フック部５間を
連結するリブ部１１の周方向厚さが、静翼チップ部がア
ウターシュラウド部１２に接触する領域１４の大部分を
包含するように設定されているので、リブ部１１を介し
てアウターシュラウド部１２から静翼部１３へ溶融金属
をスムースに流すことができ、シュリンケージやインク
ルージョン等を防止して鋳造製品の歩留りを高めること
ができる。

【００２５】また、後縁１３ａを中心とする所定の調整
角度範囲で、静翼チップ部がアウターシュラウド部１２
に接触する領域１４の大部分を包含するように設定され
ているので、この範囲で、静翼１３を後縁１３ａを中心
として揺動させてスロート面積を調整する場合に、各鋳
造ロウ型は部分的に位置をずらすだけでそのまま適用で
き、開発コストを下げ、開発日程を短縮することができ
る。

【００２６】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明のガスタービン
のノズル部材は、鋳造時にシュリンケージ（部分収
縮）やインクルージョン（砂の混入）等が発生しにくく
製品の歩留りを高めることができ、試作段階で静翼の
角度をわずかに変化させてスロート面積を調整する場合
に、ロウ型の再設計、再製作の必要性を減らして、ロウ
型製作費を低減することができ、使用状態における静
翼チップ部の後縁部やアウターシュラウド部の下流端部
に発生する応力を下げて、寿命を延ばすことができる、
等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のノズル部材を模式的に示す部分構成図
である。

【図２】本発明のノズル部材の側面図である。

【図３】翼チップ部と流路面の交差曲線とそれを２次元
平面に投影した図である。

【図４】フック位置の解析用モデル図である。

【図５】シールサポート部の位置を示すノズル部材のモ
デル図である。

【図６】解析結果の一例を示す応力分布図である。

【図７】ガスタービンの翼列図である。

【図８】静翼列を構成するノズル部材の斜視図である。

【符号の説明】

１静翼列２動翼列３ガス流４ノズル部材４ａアウターシュラウド部４ｂ静翼部４ｃインナーシュラウド部５フック部５ａリブ部６シール板７２次元断面形状８流路面９交差曲線１０ノズル部材１１リブ部材１２アウターシュラウド部１３静翼１３ａ後縁１３ｂ前縁１４接触領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外側にフック部を有するアウターシュラ
ウド部と複数の静翼からなる静翼部とが一体に形成され
るガスタービンのノズル部材において、ガス流の流れ方向に間隔を隔てた１対のフック部間を連
結しかつアウターシュラウド部の外面に密着したリブ部
を有し、該リブ部は、後縁を中心とする所定の調整角度
範囲で静翼チップ部がアウターシュラウド部に接触する
領域の大部分を包含するように、その周方向厚さが設定
されている、ことを特徴とするガスタービンのノズル部
材。
【請求項２】前記１対のフック部は、静翼の後縁より
も上流側に設けられ、これにより静翼からフック部への
荷重伝達が後縁を通らないようになっている、ことを特
徴とする請求項１に記載のガスタービンのノズル部材。
【請求項３】ノズル部材間の隙間をシールするための
シール板が、前記１対のフック部の間にのみ設けられ
る、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンの
ノズル部材。