JP2013185814A - 高温ガスを案内する装置及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 後方フレームに認められる亀裂によって、トランジションピースの現場での製品ライフサイクルが制限されてきた。亀裂は、著しい補修費用をもたらし、部材の全体のサイクル寿命を短くする場合がある。
【解決手段】 本明細書は、トランジションピースから出る高温ガス流を案内する装置及びシステムを開示する。一実施形態では、トランジションピースの後方出口での装置は翼形の表面を有する。別の実施形態では、トランジションピース後方出口は翼形を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広義には燃焼システムに関するものであり、具体的には高温ガス流に関する。

典型的なガスタービンは、複数の燃焼器を含む。燃焼器は、燃料供給装置からの可燃性燃料及び軸駆動される圧縮機からの圧縮空気を受け取る。各燃焼器で、燃料は燃焼器ライナで画成される燃焼室内の圧縮空気中で燃焼して高温燃焼ガスを発生し、高温燃焼ガスはタービンを通って膨張して軸を駆動する仕事を生じる。高温燃焼ガスは、燃焼器ライナからトランジションピース（トランジションダクトとも呼ばれる。）によってタービンへと運ばれる。トランジションピースを流れる高温燃焼ガスは、ダクト構造を非常に高い温度に付す。高温ガスがトランジションピース後方フレームに向かって還流すると、亀裂のような損傷を引き起こしかねない。

米国特許第４４６５２８４号明細書

トランジションピースの現場での製品ライフサイクルは、後方フレームで観察される亀裂のため制限されてきた。亀裂は、多大な補修費用を要し、部材の総合的サイクル寿命を短くするおそれがある。

本明細書では、トランジションピースから出る高温ガス流を案内する装置及びシステムについて開示する。一実施形態では、トランジションピースの後方出口の装置は翼形表面を有する。別の実施形態では、トランジションピース後方出口は翼形を有する。他の実施形態では、システムは、出口面で翼形を有する第１の後方フレームと、第１の後方フレームに隣接する第２の後方フレームとを備え、第２の後方フレームは出口面で翼形を有する。

本発明の概要は、発明を実施するための形態において以下でさらに説明される概念の中から選択された内容を簡易的な形態で紹介するために提供される。この発明の概要は、請求項に記載された主題の主要な特徴又は基本的特徴を確認するためのものではなく、さらに、請求項に記載された主題の範囲を定める一助として使用されるものでもない。さらに、請求項に記載の主題は、本開示の何らかの部分に示される何らかの又は全ての欠点を解消する制限に限定されない。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

ガスタービントランジションピースの側面図。 トランジションピース後方フレームの斜視図。 翼形後方フレーム出口の斜視カット図。 後方フレームの正面図。 矢視４０１−４０１断面図。 隣接するトランジションピースの後方から見た正面図。 矢視６０１−６０１断面図。 隣接する後方フレームの断面図。 ブラント面を備える隣接する後方フレームからの例示的な高温ガス流を示す図。 翼形を有する隣接する後方フレームからの例示的な高温ガス流を示す図。 翼形を有する隣接する後方フレームからの例示的な高温ガス流を示す図。 隣接する後方フレームの断面図。 後方フレームの正面図。 矢視１３０１−１３０１断面図。 矢視１３０２−１３０２断面図。 冷却孔を備える翼形の後方フレームの部分断面図。 翼形を有する隣接する後方フレームの断面図。 スポイラを備える隣接する後方フレームの断面図。

図１は例示的なトランジションピースを示す。トランジションピース１００は、上流端で燃焼器に結合し、下流端又は後端でタービンに結合する。トランジションピース１００は、燃焼器からの高温ガス流をタービンに送る。後方フレーム１０５は、トランジションピースの出口又は後端に配置される部品であり、トランジションピース１００と第１段ノズルとの間の接合部として機能する。後方フレーム１０５は、第１段ノズルに流れる高温ガスに暴露される。

図２は、後方フレームの例示的な従来技術の実施形態である。後方フレーム２００は後面２１２及び内壁２１０を有する。内壁２１０は、後面２１２とシャープな約９０度の角度で交差する。後方フレーム２００は、上部レール２０５及び下部レール２１５、並びに左側レール２０７及び右側レール２２０を有する。

従来技術の後方フレーム側壁の熱損傷の発生の潜在的原因は、トランジションピースを出る高温ガスの取り込み、高温ガスのトラッピング、及び第１段ノズル翼と後方フレームの後面との間の環流に起因する。

例えば、従来技術の典型例としての図２を参照すると、上述の取り込みは、後方フレーム２００に第１段ノズル翼が周方向に近接していること並びにトランジションピース出口流の方向の後方フレームの内壁２１０に垂直な後面２１２の鈍頭体（blunt body）作用のため、トランジションピース後方フレーム２００の後面２１２に向かって偏流される場合がある。本明細書で説明するように、高温ガスの環流が最小限になるように後方フレームの側部レール（又は、後方フレームの全周）の形状を変更することができる。

一実施形態では、従来技術のトランジションピース後方フレームの後面及び直交する後方フレーム内壁の形状は、後方フレームの側部レールの各々で翼形をなすように変更できる。図３は、例示的な湾曲又は丸みを付けた翼形面を有する後方フレームのコーナ部の切断斜視図である。図４は、湾曲形後面を有する後方フレーム４００の例示的な正面図である。図５は、図４の矢視４０１−４０１断面図である。

ガスタービン構造では、隣接するトランジションピース及び対応する後方フレームが可能となる。図６を参照すると、トランジションピース６００及び対応する後方フレーム６０５を、トランジションピース６０７及び対応する後方フレーム６１０に隣接させることができる。図７は、図６の例示的な矢視６０１−６０１断面図である。図７において、符号７０５は後方フレーム６０５に対応し、符号７１０は後方フレーム６１０に対応する。図８は、後方フレームの前面出口に対して直交する内壁を有する従来技術の隣接する後方フレームの例示的な断面図である。

図８に示すように構成されたトランジションピース後方フレームでは、ガスタービン内で側面同士を並べて組み立てた時にその側面が広がる大きな鈍頭体を生じる。本明細書で説明するように、この後方フレーム構成は、第１段の上流側に配置すると、高温ガスをトランジションピース後方フレームに向かって環流させて損傷を生じかねない環流ゾーンをもたらすおそれがある。図７に示すような翼形（例えば、曲線輪郭）を有する後方フレームは、環流ゾーンを低減できる。図９及び図１０は、コンピュータによる流動ダイナミックス等高線を示す。図９は、平らな後方フレーム後面（例えば、図２及び図８）の例示的な伴流を示す。図１０は、湾曲後方フレーム後面（例えば、図３及び図７）の例示的な伴流を示す。図１０の湾曲形後方フレーム後面を有する隣接する後方フレームの伴流は、図９の平らな後面の後方フレームの伴流よりも安定している。図１１は、隣接する湾曲形後方フレームの例示的な断面図を示し、矢印は冷却流ベクトルを示す。冷却空気は高温ガスをハードウェアの間のキャビティから押しやる。

図１２は、隣接する後方フレームの断面の非対称の翼形の例示的な実施形態を示す。流れ場をさらに最適化して取り込みを最小限にするために、隣接する後方フレームの２つの隣接する側部レールの内径は同じ方向にテーパー付けすることができる。（非対称後方フレームを形成する）。隣接する後方フレームのテーパーは、第１段ノズル翼のテーパーに基づくことができる。

図１３は、後方フレームの例示的な正面図を示す。図１４は、後方フレーム１３００の例示的な矢視１３０１−１３０１断面図である。図１５は、後方フレーム１３００の例示的な矢視１３０２−１３０２断面図である。単一の後方フレーム１３００は、断面１４００及び断面１５００で示すように側部レール上で非対称曲線輪郭をもつことができる。単一の後方フレーム出口の非対称曲線輪郭は、第１段へと向かうような曲線輪郭とすることができる。

現在、典型的な後方フレーム構造体は円形断面の冷却孔を備え、流れの一部は、インピンジメントスリーブ（トランジションピースを取り囲む）を経由してこれらの孔に分流して後方フレームを冷却する。後方フレーム出口の翼形を利用する本明細書に記載の後方フレーム後面の実施形態は、後方フレームの金属温度を低下させる別の方法を提供する。側部レールの冷却孔はもはや必要ないであろう。後方フレーム翼形部の追加的な背面冷却は、外側熱障壁コーティングを保護するために追加することができる。平らな後方フレーム後面を無くして翼形を形成することは製造プロセスを単純化できる。冷却孔は、放電加工機（ＥＤＭ）の稼働率を削減できる側部レールに移動させることができる。さらに、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）は、トランジションピース本体の下流で、サイドシールの方向を向く翼形面に施すことができ、高温ガスに暴露されるトランジションピースの全表面を覆うことができる。図１６は、翼形の後方フレームの例示的な断面を示す。図１６に示す湾曲形状と冷却孔の角度とを組み合わせると、トランジションピースの後端にフィルム冷却を作り出すことができる。

図１７は、さらに角のある形状の翼形のトランジションピース後方フレーム後面を有する例示的な隣接する後方フレームを示す。図１８は、高温ガスの環流及び取り込み作用を害するように設計された後方フレームの側方スパンを備える例示的な隣接する後方フレームを示す。後方フレーム出口のスポイラ１８０１は、流れを隔離して環流ゾーンを低減することができる。さらに、冷却孔又はパージ孔は、環流ゾーンをさらに壊すために、スポイラの背面に追加することができる。

タービン及び圧縮機の設計は様々とすることができるので、計算流体力学（ＣＦＤ）及び他の解析技術のセットを組み合わせるための実験計画法（ＤＯＥ）を利用して、種々の幾何形状（例えば、後方フレームの湾曲半径）を最適化でき、これは特定のシステムの効果を最大にする。後方フレームの側部レールを説明したが、後方フレーム後面の全周が翼形をもつことができる。さらに、後方フレームを説明したが、本明細書で説明する実施形態はトランジションピース後端出口での後方フレームと同じ位置におけるトランジションピースとは別の又はこれと一体化された任意の装置に適用できる。

図面に示す本開示の主題の好ましい実施形態の説明において、明瞭化のために特定の用語が使用される。しかしながら、請求項に記載の主題は、選択された特定の用語に限定されることは意図されておらず、各要素は、同様に機能して同じ目的を達成する技術的な均等物を含むことを理解されたい。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

Claims (20)

1. 後方フレームを備える装置であって、後方フレームの後方フレーム出口面が翼形を有する、装置。
2. 前記翼形が湾曲形状である、請求項１記載の装置。
3. 前記翼形が高温ガス流と第１段ノズル翼との相互作用に基づく、請求項１記載の装置。
4. 前記後方フレーム出口面の側部レールが翼形を有する、請求項１記載の装置。
5. 前記後方フレームが第１の側部レール及び第２の側部レールを備えており、第１の側部レールと第２の側部レールとが非対称である、請求項１記載の装置。
6. 前記後方フレーム出口面が背面冷却孔を有する、請求項１記載の装置。
7. 前記後方フレームが、高温ガスの環流及び取り込み作用を壊すように設計された特徴部を有する、請求項１記載の装置。
8. 前記後方フレーム出口面が、後方フレーム出口でフィルム冷却を生じる湾曲形状及び冷却孔角度を有する、請求項１記載の装置。
9. 翼形を有する後方出口を備えるトランジションピース。
10. 前記翼形が湾曲形状である、請求項９記載のトランジションピース。
11. 前記翼形が高温ガス流と第１段ノズル翼との相互作用に基づく、請求項９記載のトランジションピース。
12. 前記後方出口が第１の側部レール及び第２の側部レールを備えており、第１の側部レールと第２の側部レールとが非対称である、請求項９記載のトランジションピース。
13. 前記後方出口が高温ガスの環流及び取り込み作用を壊すように設計された特徴部を有する、請求項９記載のトランジションピース。
14. 前記後方出口が後方出口でフィルム冷却を生じる湾曲形状及び冷却孔角度を有する、請求項９記載のトランジションピース。
15. 表面に翼形を有する第１の後方フレームと、
    第１の後方フレームに隣接し、表面に翼形を有する第２の後方フレームと
    を備えるシステム。
16. 前記後方フレームの翼形が高温ガス流と第１段ノズル翼との相互作用に基づく、請求項１５記載のシステム。
17. 前記後方フレームの翼形が湾曲形状である、請求項１５記載のシステム。
18. 第１の後方フレームの表面が第２の後方フレームの表面とは非対称の翼形を有する、請求項１５記載のシステム。
19. 前記後方フレームが、高温ガスの環流及び取り込み作用を壊すように設計された特徴部を有する、請求項１５記載のシステム。
20. 前記後方フレーム出口面が、後方フレーム出口でフィルム冷却を生じる湾曲形状及び冷却孔角度を有する、請求項１５記載のシステム。