JP6971596B2 - 後期噴射機構を有するトランジションダクトアセンブリ - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、一般にターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械において、後期噴射機構と共にトランジションダクトを使用することに関する。

ターボ機械は、発電等の分野で広く利用されている。例えば、従来のガスタービンシステムは、圧縮機セクション、燃焼器セクション、および少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、空気が圧縮機セクションを通って流れるときに空気を圧縮するように構成されている。空気は次に、圧縮機セクションから燃焼器セクションに流れ、燃焼器セクションにおいて燃料と混合されて燃焼され、高温ガス流を発生させる。高温ガス流は、タービンセクションに供給され、タービンセクションは、高温ガス流からエネルギーを抽出して、圧縮機、発電機、およびその他の様々な負荷に電力を供給することによって、高温ガス流を用いる。

ターボ機械の燃焼器セクションは、一般的に、タービンセクションに燃焼した高温ガスを流す管またはダクトを含む。近年、高温ガスの流れをシフトさせる管またはダクトを含む燃焼器セクションが導入されている。例えば、高温ガスが燃焼器セクションのダクトを長手方向に通る一方、さらに、流れが様々な角度成分を有するように、高温ガスの流れを半径方向および／または接線方向にシフトさせる燃焼器セクションのダクトが導入されている。これらの設計は、タービンセクションから第１段ノズルを排除することを含む、様々な利点を有する。第１段ノズルは、以前は高温ガス流をシフトさせるために設けられていたものであり、ダクトがこのように設計されることから、必要とされない。第１段ノズルを排除することによって、関連する圧力降下が排除され、ターボ機械の効率および出力を向上させることができる。

様々な設計パラメータおよび動作パラメータは、燃焼器の設計および動作に影響する。例えば、燃焼ガス温度がより高いと、一般的に、燃焼器セクションの熱力学的効率が向上する。しかし、燃焼ガス温度がより高いと、逆火状態および／または保炎状態になりやすい。逆火状態および／または保炎状態では、燃焼火炎が、燃料ノズルによって供給されている燃料に移動し、比較的短時間で燃料ノズルに深刻な損傷を生じる可能性がある。また、燃焼ガス温度がより高いと、一般的に、二原子窒素の解離速度が高まり、窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成が増加する。逆に、燃料流および／または部分負荷運転（ターンダウン）に関連して燃焼ガス温度がより低くなると、一般に、燃焼ガスの化学反応速度が下がり、一酸化炭素および未燃炭化水素の生成が増加する。上述したように、ダクト内の高温ガスの流れをシフトさせるダクトを用いる場合、これらの設計および動作パラメータに特に注意すべきである。

米国特許第９，１３３，７２２号明細書

本開示の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本開示の実施により学ぶことができる。

一実施形態では、ターボ機械が提供される。ターボ機械は、ほぼ環状列状に配置され、第１トランジションダクトおよび第２トランジションダクトを含む複数のトランジションダクトを備える。複数のトランジションダクトの各々は、入口と、出口と、内部とを画成し、入口と出口との間に延び、長手軸線、半径方向軸線および接線方向軸線を画定する通路を備える。複数のトランジションダクトの各々の出口は、長手方向軸線および接線方向軸線に沿って、入口からオフセットされている。ターボ機械はさらに、高温ガス通路に沿って複数のトランジションダクトの下流にある支持リングアセンブリと、複数のトランジションダクトのうち、少なくとも１つのトランジションダクトを支持リングアセンブリに接続する複数の機械的ファスナとを備える。ターボ機械はさらに、複数のトランジションダクトのうち、少なくとも１つのトランジションダクトの入口の下流にある内部に噴射流体が流入するための流体連通を提供する後期噴射アセンブリを備える。

別の実施形態では、ターボ機械が提供される。ターボ機械は、ほぼ環状列状に配置され、第１トランジションダクトおよび第２トランジションダクトを含む複数のトランジションダクトを備える。複数のトランジションダクトの各々は、入口と、出口と、内部とを画成し、入口と出口との間に延び、長手軸線、半径方向軸線および接線方向軸線を画定する通路を備える。複数のトランジションダクトの各々の出口は、長手方向軸線および接線方向軸線に沿って、入口からオフセットされている。ターボ機械はさらに、高温ガス通路に沿って複数のトランジションダクトの下流にある支持リングアセンブリと、複数のトランジションダクトのうち、少なくとも１つのトランジションダクトを支持リングアセンブリに接続する複数の機械的ファスナとを備える。ターボ機械はさらに、複数のトランジションダクトの少なくとも１つのトランジションダクトの内部に噴射流体が流入するための流体連通を提供する後期噴射アセンブリをさらに備え、後期噴射アセンブリの出口は、少なくとも１つのトランジションダクトの内部に画成されたチョーク面の下流に画成されている。

本発明の、これらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、また説明とともに本発明の原理を説明する働きをする。

当業者に向けた、最良の形態を含む、本発明の完全で実施可能な程度の開示が本明細書に記載されており、本明細書は添付の図面を参照する。

本開示の実施形態によるガスタービンシステムの概略図である。 本開示の実施形態によるガスタービンシステムのいくつかの部分の断面図である。 本開示の実施形態によるガスタービンシステムのタービンセクションの断面図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの環状列の斜視図である。 本開示の実施形態による複数のトランジションダクト、および関連するインピンジメントスリーブの上面斜視図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの側面斜視図である。 本開示の実施形態による隣接するトランジションダクトを含み、トランジションダクト同士の間に翼形部の様々な部分を形成するトランジションダクトアセンブリの破断斜視図である。 本開示の実施形態による、複数のトランジションダクト、および関連するインピンジメントスリーブの上面前方斜視図である。 本開示の実施形態による、支持リングアセンブリに連結された複数のトランジションダクトの上面後方斜視図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの下流部の側面斜視図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの下流部の正面斜視図である。 本開示の実施形態による支持リングアセンブリの断面図である。 本開示の実施形態による支持リングアセンブリに連結されたトランジションダクトの断面図であり、本開示の実施形態による、隣接する複数のトランジションダクトの出口の断面図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの下流部の正面斜視図である。 本開示の実施形態によるトランジションダクトの下流部の正面斜視図である。

ここで、本開示の実施形態を詳細に参照するが、実施形態の１以上の例が図面に示されている。各例は、本開示の限定としてではなく、本開示の説明として提供されている。実際に、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本開示に様々な修正および変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として図示または説明される特徴を別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るような修正形態および変更形態を含むことが意図されている。

図１は、ターボ機械の概略図であり、ターボ機械は、本実施形態では、ガスタービンシステム１０である。本開示のターボ機械は、ガスタービンシステム１０でなければならないわけではなく、任意の適切なタービンシステム、もしくは蒸気タービンシステム等の他のターボ機械、または他の適切なシステムであってもよいことを理解されたい。図示されるシステム１０は、圧縮機セクション１２および燃焼器セクション１４を含んでもよく、燃焼器セクション１４は、以下に説明するように、複数の燃焼器１５およびタービンセクション１６を含んでもよい。圧縮機セクション１２およびタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合することができる。シャフト１８は、単一シャフト、または複数のシャフトセグメントであって、互いに結合されてシャフト１８を形成するものであってもよい。シャフト１８は、発電機もしくは他の適切なエネルギー貯蔵装置に結合するか、または、例えば、配電網に直接接続することができる。入口セクション１９は、圧縮機セクション１２に空気流を提供することができ、排気ガスは、排気セクション２０を通ってタービンセクション１６から排出されてシステム１０または他の適切なシステムに排出され、および／またはそのようなシステムにおいて用いることができる。システム１０からの排気ガスは、例えば大気中に排出され、蒸気タービンまたは他の適切なシステムに流れ、または熱回収蒸気発生器によって再生利用してもよい。

図２を参照すると、ガスタービンシステム１０のいくつかの部分の簡易図が示されている。図２に示すように、ガスタービンシステム１０は、システム１０を通って流れている作動流体を、以下に説明するように加圧するための圧縮機セクション１２を含む。圧縮機セクション１２から吐出される加圧作動流体は燃焼器セクション１４に流入する。燃焼器セクション１４は、システム１０の軸線を中心に環状列状に配置された複数の燃焼器１５（そのうちの１つだけが図２に示されている）を含んでもよい。燃焼器セクション１４に流入する作動流体は、天然ガス等の燃料、または他の適切な液体または気体等と混合され、燃焼させられる。燃焼の高温ガスが各燃焼器１５からタービンセクション１６に流れ、システム１０を作動させて電力を発生させる。

ガスタービンシステム１０の燃焼器１５は、作動流体および燃料を混合し、燃焼させるための様々な構成要素を含んでもよい。例えば、燃焼器１５は、圧縮機吐出ケーシング２１等のケーシング２１を含んでもよい。軸線方向に延びる環状スリーブであってもよい様々なスリーブが、少なくとも部分的にケーシング２１内に配置されていてもよい。図２に示すように、スリーブは、スリーブの入口が出口と軸線方向に整列するように、ほぼ長手方向軸線９８に沿って軸線方向に延びている。例えば、燃焼器ライナ２２は、概略的に燃焼領域２４を画定してもよい。作動流体、燃料、および必要に応じて用いられる酸化剤の燃焼は、燃焼領域２４でほぼ起こり得る。燃焼の結果得られる高温ガスは、燃焼器ライナ２２を介して下流側に、長手方向軸線９８に沿ってほぼ軸線方向に流れてトランジションピース２６に入ることができ、その後、長手方向軸線９８に沿ってほぼ軸線方向にトランジションピース２６を通ってタービンセクション１６に流入する。

燃焼器１５はさらに、１つの燃料ノズル４０、または複数の燃料ノズル４０を含んでもよい。燃料は、１以上のマニホールド（不図示）によって複数の燃料ノズル４０に供給してもよい。以下で説明するように、１つの燃料ノズル４０、または複数の燃料ノズル４０は、燃料を供給するものであり、必要に応じて、燃焼のための燃焼領域２４に作動流体を供給してもよい。

図４〜図１４を参照すると、本開示に係る燃焼器１５は、１以上のトランジションダクト５０を含んでいてもよく、１以上のトランジションダクト５０は、一般に、トランジションダクトアセンブリと呼ばれる。本開示のトランジションダクト５０は、他の燃焼器の、軸線方向に延びる様々なスリーブの代わりに設けてもよい。例えば、トランジションダクト５０は、軸線方向に延びるトランジションピース２６、および必要に応じて燃焼器１５の燃焼器ライナ２２に置き換えることができる。トランジションダクトは、燃料ノズル４０から、または燃焼器ライナ２２から延びていてもよい。本明細書で説明したように、トランジションダクト５０は、軸線方向に延びる燃焼器ライナ２２、および燃焼器ライナ２２を通して作動流体をタービンセクション１６まで流すためのトランジションピース２６を上回る様々な利点を提供することができる。

図示されるように、複数のトランジションダクト５０は、長手方向軸線９０の周りの環状列状に配置することができる。さらに、各トランジションダクト５０は、１つの燃料ノズル４０、または複数の燃料ノズル４０と、タービンセクション１６との間に延びていてもよい。例えば、各トランジションダクト５０は、燃料ノズル４０からタービンセクション１６まで延びていてもよい。したがって、作動流体は、概して、燃料ノズル４０からトランジションダクト５０を通ってタービンセクション１６に流れることができる。いくつかの実施形態では、トランジションダクト５０によって、タービンセクション内の第１段ノズルの除去が可能となり、有利である。それによって、任意の関連する抗力および圧力損失を排除することができ、システム１０の効率および出力を増大させることができる。

各トランジションダクト５０は、入口５２、出口５４、および入口５２と出口５４との間にあって、内部５７を画成する通路５６を有してもよい。トランジションダクト５０の入口５２および出口５４は、ほぼ円形または楕円形の断面、矩形断面、三角形断面、または任意の他の適当な多角形断面を有してもよい。さらに、トランジションダクト５０の入口５２および出口５４は、同様の形状の断面を有する必要がないことを理解されたい。例えば、一実施形態では、入口５２は、ほぼ円形の断面を有しもよく、一方、出口５４は、ほぼ矩形の断面を有してもよい。

通路５６は、概して、入口５２と出口５４との間に勾配が設けられていてもよい。例えば、例示的な実施形態では、通路５６の少なくとも一部は、ほぼ円錐形状であってもよい。しかし、追加的または代替的に、通路５６またはその任意の部分は、ほぼ矩形断面、三角形断面、または任意の他の適当な多角形断面を有することができる。通路５６の断面形状は、比較的大きな入口５２から比較的小さな出口５４まで通路５６が勾配するにしたがって、通路５６全体または通路５６の任意の部分で変化してもよい。

複数のトランジションダクト５０の各々の出口５４は、それぞれのトランジションダクト５０の入口５２からオフセットされていてもよい。本明細書で用いられる場合、用語「オフセット」は、特定の座標方向に沿って間隔が空いていること意味する。複数のトランジションダクト５０の出口５４は、長手方向軸線９０に沿ったオフセット等のように、トランジションダクト５０の入口５２から長手方向にオフセットされていてもよい。

さらに、例示的な実施形態では、複数のトランジションダクト５０の出口５４は、接線方向に沿ったオフセット等のように、それぞれのトランジションダクト５０の入口５２から接線方向軸線９２に沿ってオフセットされていてもよい。複数のトランジションダクト５０の各々の出口５４が、それぞれのトランジションダクト５０の入口５２から接線方向にオフセットしているため、トランジションダクト５０は、有利に、トランジションダクト５０を通る作動流体の流れの接線成分を用いることができ、タービンセクション１６内の第１段ノズルの必要性を排除することができる。

さらに、例示的な実施形態では、複数のトランジションダクト５０の各々の出口５４は、半径方向軸線９４に沿ったオフセット等のように、トランジションダクト５０の入口５２から径方向にオフセットされていてもよい。複数のトランジションダクト５０の各々の出口５４は、それぞれのトランジションダクト５０の入口５２から半径方向にオフセットされているため、トランジションダクト５０は、有利に、トランジションダクト５０を通る作動流体の流れの半径方向成分を用いることができ、以下に説明するように、タービンセクション１６内の第１段ノズルの必要性をさらに排除することができる。

接線方向軸線９２および半径方向軸線９４が、図４に示すように、各トランジションダクト５０毎に個別に、トランジションダクト５０の環状列によって画定される外周に対して規定されていること、および軸線９２、９４は、長手方向軸線９０の周りに環状列状に配置されたトランジションダクト５０の数に基づいて、外周の周りにある各トランジションダクト５０について異なることを理解されたい。

考察したように、燃焼による高温ガスがトランジションダクト５０を通って流れた後、高温ガスはトランジションダクト５０からタービンセクション１６に流れることができる。図３に示すように、本開示に係るタービンセクション１６は、シュラウド１０２を含んでもよく、シュラウド１０２は、高温ガス経路１０４を画成することができる。シュラウド１０２は、複数のシュラウドブロック１０６から形成することができる。シュラウドブロック１０６は、１以上の環状列状に配置され、環状列の各々は、環状列内に高温ガス経路１０４の一部を画成してもよい。タービンセクション１６は、さらに、支持リングアセンブリを含んでもよく、支持リングアセンブリは、下部支持リング１８０および上部支持リング１８２を含んでいてもよく、下部支持リング１８０および上部支持リング１８２は、例えばシュラウド１０２の（高温ガス経路１０４に沿って）上流側（例えば、シュラウド１０２の、第１の複数のシュラウドブロック１０６等）、またはシュラウド１０２の第１部分であってもよい。支持リングアセンブリは、さらに（すなわち下部支持リング１８０と上部支持リング１８２との間に）高温ガス経路１０４を画成してもよく、かつトランジションダクト５０とタービンセクション１６との間にトランジション部を提供する。したがって、支持リングアセンブリ（および支持リングアセンブリの支持リング１８０、１８２）は、複数のトランジションダクト５０の（高温ガス経路１０４に沿って）下流側にあってもよい。高温ガスは、トランジションダクト５０から支持リングアセンブリ（支持リング１８０と支持リング１８２との間）に流入し、支持リングアセンブリを通って流れ、支持リングアセンブリからタービンセクション１６の残りの部分を通って流れる。支持リングは、従来、ノズル支持リングまたは第１段ノズル支持リングと呼ばれることもあることに留意されたい。しかし、本明細書で説明するように、本開示の例示的実施形態によって、第１段ノズルは、トランジションダクト５０と共に用いられず、したがって、本例示的実施形態における支持リングは、第１段リングおよび他のノズルを囲むことはない。

タービンセクション１６は、複数のバケット１１２および複数のノズル１１４を含んでもよい。複数のバケット１１２およびノズル１１４の各々は、高温ガス経路１０４内に少なくとも部分的に配置されていてもよい。さらに、複数のバケット１１２および複数のノズル１１４は、１以上の環状列状に配置されていてもよく、環状列の各々は、高温ガス経路１０４の一部を画成していてもよい。

タービンセクション１６は、複数のタービン段を含んでもよい。各タービン段は、環状列状に配置された複数のバケット１１２と、１つの環状列状に配置された複数のノズル１１４とを含んでもよい。例えば、一実施形態では、タービンセクション１６は、図３に示すように３つのタービン段を有してもよい。例えば、タービンセクション１６の第１段は、第１段ノズルアセンブリ（不図示）および第１段バケットアセンブリ１２２を含んでもよい。ノズルアセンブリは、シャフト１８の周りに周方向に配置され、固定された複数のノズル１１４を含んでもよい。バケットアセンブリ１２２は、シャフト１８の周りに周方向に配置され、シャフト１８に結合された複数のバケット１１２を含んでもよい。しかし、タービンセクションが、複数のトランジションダクト５０を含む燃焼器セクション１４に結合されている例示的な実施形態では、第１段バケットアセンブリ１２２の上流側にノズルが配置されないように、第１段ノズルアセンブリを排除することもできる。上流は、高温ガス経路１０４を通る燃焼の高温ガスの流れに対して定義することができる。

タービンセクション１６の第２段は、第２段ノズルアセンブリ１２３および第２段バケットアセンブリ１２４を含んでもよい。ノズルアセンブリ１２３に含まれる複数のノズル１１４は、シャフト１８の周りに周方向に配置し、固定することができる。バケットアセンブリ１２４に含まれるバケット１１２は、シャフト１８の周りに周方向に配置し、シャフト１８に結合することができる。第２段ノズルアセンブリ１２３は、このように高温ガス経路１０４に沿って、第１段バケットアセンブリ１２２と第２段バケットアセンブリ１２４との間に配置されている。タービンセクション１６の第３段は、第３段ノズルアセンブリ１２５および第３段バケットアセンブリ１２６を含んでもよい。ノズルアセンブリ１２５に含まれるノズル１１４は、シャフト１８の周りに周方向に配置し、固定してもよい。バケットアセンブリ１２６に含まれるバケット１１２は、シャフト１８の周りに周方向に配置し、シャフト１８に結合してもよい。第３段ノズルアセンブリ１２５は、このように高温ガス経路１０４に沿って、第２段バケットアセンブリ１２４と第３段バケットアセンブリ１２６との間に配置されている。

タービンセクション１６は３段に限定されるものではなく、任意の数の段が、本開示の範囲および趣旨の範囲内であることを理解されたい。

各トランジションダクト５０は、１以上の隣接するトランジションダクト５０とインタフェースすることができる。例えば、図５〜図１４は、複数のトランジションダクト５０のうち、第１トランジションダクト１３０および第２トランジションダクト１３２の実施形態を示している。これらの隣接するトランジションダクト１３０、１３２は、接触面１３４を含み、接触面１３４は、トランジションダクト５０の出口に含まれる外表面であってもよい。接触面１３４は、図示のように、隣接するトランジションダクト５０および／または支持リングアセンブリ（および支持リングアセンブリの支持リング１８０、１８２）の、関連する接触面１３４に接触して、トランジションダクト５０同士の間および／またはトランジションダクト５０と支持リングアセンブリとの間のインタフェースを提供することができる。例えば、第１トランジションダクト１３０および第２トランジションダクト１３２の接触面１３４は、図示のように互いに接触し、第１トランジションダクト１３０と第２トランジションダクト１３２との間にインタフェースを提供することができる。また、第１トランジションダクト１３０および第２トランジションダクト１３２の接触面１３４は、図示のように、支持リングアセンブリと接触し、トランジションダクト１３０、１３２と支持リングアセンブリとの間のインタフェースを提供することができる。ここで説明するように、シールは、様々な接触面同士の間に設けられて、そのようなインタフェースにおける封止を容易にすることができる。注意すべき点として、本明細書で説明する接触は、構成要素同士の間の直接接触または構成要素同士の間に配置されたシールを介しての間接的接触を含んでもよい。

さらに、第１トランジションダクト１３０および第２トランジションダクト１３２等のトランジションダクト５０は、翼形部の様々な空気力学的表面を有する空気力学的構造体１４０を形成してもよい。このような空気力学的構造体１４０は、例えば、トランジションダクト５０の通路５６の内面によって画成することができ、さらに、隣接するトランジションダクト５０の接触面１３４が相互にインタフェースするときに形成することができる。本明細書で説明するように、これらの様々な面は、トランジションダクト５０内の高温ガス流れをシフトさせ、これにより第１段ノズルの必要性を排除できる。例えば図７および図８に示すようないくつかの実施形態では、第１トランジションダクト１３０等のトランジションダクト５０の通路５６の内面は、正圧面１４２を画成することができ、一方第２トランジションダクト１３２等の、隣接するトランジションダクト５０の通路５６の対向する内面は、負圧面１４４を画成することができる。隣接するトランジションダクト５０の接触面１３４等の、隣接するトランジションダクト５０が相互にインタフェースする場合、正圧面１４２および負圧面１４４が組み合わせられて後縁１４６を画成する。他の実施形態では、図１１に示すように、第１トランジションダクト１３０等のトランジションダクト５０の通路５６の内面がそれぞれ正圧面１４２および負圧面１４４、ならびに後縁を画成することができる。第２トランジションダクト１３２等の隣接するトランジションダクト５０の通路５６の内面は、さらに、それぞれ正圧面１４２および／または負圧面１４４を画成することができる。

図５および図８に示すように、例示的な実施形態では、流れスリーブ１５０は、トランジションダクト５０の少なくとも一部の周囲を囲んでもよい。トランジションダクト５０の周囲を囲む流れスリーブ１５０は、トランジションダクト５０と流れスリーブ１５０との間に環状通路１５２を画成することができる。ケーシング２１からの加圧作動流体は環状通路１５２を通って流れ、燃料ノズル４０を通ってトランジションダクト５０に流入する方向を反転させる前に対流冷却トランジションダクト５０を提供することができる。さらにいくつかの実施形態では、流れスリーブ１５０は、インピンジメントスリーブとすることができる。これらの実施形態では、インピンジメント孔１５４は、スリーブ１５０に画成することができる。ケーシング２１からの加圧作動流体は、インピンジメント孔１５４を通って流れ、環状通路１５２を通って流れる前にトランジションダクト５０に衝突してもよく、したがってトランジションダクトのさらなるインピンジメント冷却を提供する。

流れスリーブ１５０は、入口１６２、出口１６４、および通路１６６を有することができる。各々の流れスリーブ１５０は、燃料ノズル４０または複数の燃料ノズル４０と、タービンセクション１６のとの間に延び、したがって関連するトランジションダクト５０の少なくとも一部を囲んでもよい。したがって、上述したように、トランジションダクト５０と同様に、複数の流れスリーブ１５０の各々の出口１６４を、それぞれの流れスリーブ１５０の入口１６２から長手方向、半径方向、および／また接線方向にオフセットすることができる。

いくつかの実施形態では、図５および図８に示すように、本開示に係るトランジションダクト５０は入口５２と出口５４との間に延びる単一の一体部品である。他の実施形態では、図９〜図１４に示すように、本開示に係るトランジションダクト５０は、複数のセクションまたは部分であって、互いに対する関節運動をするものを含んでいてもよい。トランジションダクト５０の関節運動によって、トランジションダクト５０の様々な部分が、運転中に互いに対して移動し、シフトすることが可能となり、トランジションダクト５０の熱膨張を許容することができる。例えば、トランジションダクト５０は、上流部１７０および下流部１７２を含んでもよい。上流部１７０は、トランジションダクト５０の入口５２を含むことができ、入口５２から出口５４に向かって実質的に下流方向に延びていてもよい。下流部１７２は、トランジションダクト５０の出口５４を含むことができ、出口５４から入口５２に向かって実質的に上流方向に延びていてもよい。したがって、上流部１７０は、入口５２および後方端部１７４を含むことができ、入口５２と後方端部１７４との間に延びることができ、かつ下流部１７２は、先端部１７６および出口１７８を含むことができ、先端部１７６と出口１７８との間に延びることができる。

ジョイントは、上流部１７０と下流部１７２とを互いに結合してもよく、上流部１７０と下流部１７２との間に関節運動を提供することができ、それによって、ターボマシンの運転中にトランジションダクト５０が動くことができる。具体的には、ジョイントは、後方端部１７４と先端部１７６とを結合してもよい。ジョイントは、少なくとも１つの軸線の周りの、またはこれに沿った、上流部１７０および／または下流部１７２の互いに対する動きを許容するように構成されていてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、ジョイントは、３つの軸線等、少なくとも２つの軸線の周りの、またはこれに沿った動きを許容するように構成されていてもよい。１以上の軸線は、長手方向軸線９０、接線方向軸線９２、および／または半径方向軸線９４のいずれか１以上であってもよい。したがって、これらの軸線のうちの１つの周りでの動きは、上流部１７０および／または下流部１７２の一方（または両方）が、上流部１７０と下流部１７２との間にこの自由度を与えるジョイントに起因して、互いに対して軸線の周りを回転できること、または他の方法で動けることを意味する。したがって、これらの軸線のうちの１つに沿った動きは、上流部１７０または下流部１７２の一方（または両方）が、上流部１７０と下流部１７２との間にこの自由度を与えるジョイントに起因して、互いに対して軸線に沿って平行移動できること、または他の方法で動けることを意味する。例示的実施形態において、ジョイントは、フラシールであってもよい。あるいは、他の適切なシールまたは他のジョイントを用いてもよい。

いくつかの実施形態では、上流部１７０および下流部１７２を使用することにより、これらの部分に特定の材料を用いることができるという利点がある。例えば、下流部１７２は、セラミックマトリクス複合材等のセラミック材料から形成することができるという利点がある。上流部１７０および流れスリーブ１５０は、適切な金属から形成することができる。セラミック材料が相対的に高い温度公差を有することから、セラミック材料を使用することは特に有利である。セラミック材料は、下流部１７２が、支持リングアセンブリに接続されており、上流部１７０が下流部１７２に対して（本明細書で説明するように）動くことができる場合には、下流部１７２の動きが最小限に抑えられ、したがって比較的脆弱なセラミック材料を用いることに関する懸念を低減するので、特に下流部１７２に対して有利に使用することができる。

いくつかの実施形態では、トランジションダクト５０の出口５４、および支持リングアセンブリ（および支持リング１８０、１８２）等の、トランジションダクト５０同士の間のインタフェースは、フローティングインタフェースであってもよい。例えば、出口５４は、支持リング１８０、１８２に接続されず、支持リング１８０、１８２に対して相対的に移動可能であってもよい。これは運転中、トランジションダクト５０の熱膨張を許容することができる。このような動きに適応することができる適切なフローティングシールが、出口５４と支持リング１８０、１８２との間に配置される。あるいは、ここで図９〜図１４を参照すると、いくつかの実施形態では、トランジションダクト５０の出口５４等のトランジションダクト５０と、支持リング１８０、１８２との間のインタフェースは、接続されたインタフェースであってもよい。例示的な実施形態では、例えば、接続されたインタフェースは、上流部１７０および下流部１７２を含む多関節トランジションダクトと共に用いることができる。

例えば、図示のように、複数の機械的ファスナ２００を設けてもよい。機械的ファスナ２００は、例えば第１トランジションダクト１３０および／または第２トランジションダクト１３２を含む、１以上のトランジションダクト５０の（例えば、トランジションダクト５０の出口５４）を、支持リングアセンブリ（および支持リングアセンブリの支持リング１８０、１８２）に接続していてもよい。代表的実施形態に図示されているように、本開示による機械的ファスナ２００は、ボルトを含んでもよく、例えばナット／ボルトの組み合わせであってもよい。代替実施形態では、本開示に従った機械的ファスナは、ねじ、くぎ、リベット等であってもよいし、これらを含んでもよい。

図示されているように、機械的ファスナ２００は、トランジションダクト５０（例えば、トランジションダクト５０の出口５４）および支持リングアセンブリ（および支持リング１８０、１８２）の部品を通って延びて、これらの構成要素を互いに接続するようにしてもよい。トランジションダクト５０の出口５４は、例えば、内側フランジ２０２および／または外側フランジ２０４（トランジションダクト５０の接触面１３４である／接触面１３４を画成する）を含んでもよい。内側フランジ２０２は、外側フランジ２０４の径方向内側に配置することができ、出口５４の開口は、内側フランジ２０２と外側フランジ２０４との間に画成することができる。この開口を通って、トランジションダクト５０からの高温ガスが、支持リングアセンブリ（支持リング１８０、１８２の間）に流入し、支持リングアセンブリを通って流れる。ボア孔２０３、２０５が、内側フランジ２０２および外側フランジ２０４にそれぞれ画成されていてもよい。ボア孔２０３、２０５は、支持リング１８０、１８２に画成された嵌合ボア孔１８１、１８３と位置合わせされていてもよく、機械的ファスナ２００は、それぞれボア孔２０３、２０５と嵌合ボア孔１８１、１８３とを通って延び、フランジ２０２、２０４および支持リング１８０、１８２を接続するようにしてもよい。

図９および図１１〜図１４を参照すると、１以上の後期噴射アセンブリ２１０を設けてもよい。内部５７への噴射流体の後期噴射は、後期噴射アセンブリ２１０を介して提供することができる。具体的には、各後期噴射アセンブリ２１０は、１以上のトランジションダクト５０の内部５７と流体連通していてもよく、したがって、噴射流体が、１以上のトランジションダクト５０の入口５２の下流側にある内部５７に流入するための流体連通を提供することができる。

噴射流体は、燃料、および任意選択的に作動流体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、噴射流体は、燃料および作動流体の希薄混合気であってもよく、したがって、後期希薄噴射として提供することもできる。他の実施形態では、噴射流体は、作動流体なしの、燃料のみであってもよいし、燃料および作動流体の、他の適切な混合気であってもよい。

本開示による後期噴射アセンブリ２１０は、入口管２１２を含んでもよい。入口管２１２の入口２１４は、ケーシング２１と流体連通していてもよい。圧縮機セクション１２から出る加圧作動流体の一部は、入口２１４を通ってケーシング２１内から入口管２１２に流れ込み、管２１２を通って燃料と混合し、噴射流体を生成してもよい。

例示的実施形態において、１以上の燃料ポート２１６を、入口管２１２に画成してもよい。図示されているように、燃料ポート２１６は、例えば、管２１２の周りに、周方向に配置されていてもよい。各燃料ポート２１６は、燃料が燃料ポート２１６を介して管２１２に流入するための流体連通を提供してもよい。管２１２が、作動流体を受ける入口２１４を有する実施形態では、燃料および作動流体は、管２１２内で混合され、噴射流体を生成する。他の実施形態では、管２１２は入口２１４を有していなくてもよいし、作動流体は管２１２に流入しなくてもよい。これらの実施形態では、噴射流体は、このような加圧作動流体を含まずに、燃料を含んでもよい。

図示されているように、１以上の燃料導管２１８が、管２１２と流体連通するように配置されていてもよい。例えば、各燃料導管２１８は、燃料ポート２１６を介して管２１２と流体連通している。燃料は、燃料源２２０から燃料導管２１８を通り、燃料導管２１８から燃料ポート２１６を通って管２１２内に供給することができる。

各管１６０内で生成された噴射流体は、入口管２１２から、１以上のトランジションダクト５０の内部５７に流入、または噴射してもよい。燃料ノズル４０の噴射流体の下流側、およびトランジションダクト５０の入口５２に噴射流体を噴射することにより、このような噴射の結果、さらなる燃焼が得られ、それによって燃焼ガス温度が上昇し、燃焼器１５の熱力学的効率を増加させる。後期噴射アセンブリ２１０を使用することは、このように効率的である。燃焼ガス温度を上昇させることに対応してＮＯＸを生成することなく燃焼ガス温度を上昇させるのに効果的である。このような後期噴射アセンブリ２１０を使用することは、トランジションダクト５０を用いた燃焼器１５において特に有利である。

噴射流体は、１以上の出口２２２を通って後期噴射アセンブリ２１０から排出することができる。出口２２２は、入口５２の下流にあるトランジションダクト５０に沿った、任意の適切な位置で噴射流体を排出することができる。例えば、出口２２２は、トランジションダクト５０の前方部分に噴射流体を排出することができる。前方部分は、例えば、トランジションダクトの入口５２から、ほぼ長手方向軸線９０に沿って測定して、トランジションダクト５０の長さの前方５０％または２５％であってもよい。あるいは、出口２２２は、トランジションダクト５０の後方部分に噴射流体を排出してもよい。後方部分は、例えば、トランジションダクトの出口５４から、ほぼ長手方向軸線９０に沿って測定して、トランジションダクト５０の長さの後方５０％または２５％であってもよい。例示的な実施形態では、出口２２２は、通路５６の内部５７に画成されたチョーク面の下流で（通路５６内等に）（したがって、チョーク面と出口５４との間に）画成されてもよい。一般に理解されるように、チョーク面は、通路５０の内側表面同士の間の、内部５７の断面積が最小となる場所である。例えば、いくつかの実施形態において、チョーク面は、内部５７内の後縁１４６に、または後縁１４６近傍に画定されてもよい。また、いくつかの例示的な実施形態では、図１１および図１５に示すように、出口２２２は、１以上のトランジションダクト５０の内面に形成された後縁１４６において画成することができる。他の実施形態では、出口２２２は、正圧面１４２または負圧面１４４に画成することができる。

いくつかの実施形態では、図１４および図１５に示すように、入口管２１２は、１以上の関連づけられたトランジションダクト５０の出口５４の上流、例えば最も近い通路５６に配置してもよい。あるいは図９、図１２および図１３に示すように、入口管２１２は、１以上の関連づけられたトランジションダクト５０の出口５４の下流、例えば最も近い支持リングアセンブリに配置してもよい。噴射流体を入口管２１２から出口２２２に流し、出口２２２を通って流すため、入口管２１２は、１以上のトランジションダクト５０および／または支持リングアセンブリを通って延びることができる様々な導管（図示された上部支持リング１８２または下部支持リング１８０等）と流体連通していてもよい。導管および入口管２１２は、単一の管の部分であってもよいし、互いに流体連通している別々の構成要素であってもよい。例えば図１４および図１５の実施形態では、後期噴射アセンブリ２１０はさらに、通路５６内および／または様々な内側表面内等、トランジションダクト５０を通って延びている導管および／またはトランジションダクト５０に画成されている導管をさらに含んでいる。噴射流体は、導管を通って入口管２１２から流れ、出口２２２を通って導管から排出されて内部５７に流入する。図９、１２および１３に示す実施形態では、後期噴射アセンブリ２１０は、さらに、互いに流体連通している第１導管２２４および第２導管２２６を備えている。第１導管２２４は、入口管２１２から延び、入口管２１２と流体連通しており、支持リングアセンブリを通って延び、および／または支持リングアセンブリ（図示されるように上部支持リング１８２、または下部支持リング１８０等）に画成されている。第２導管２２６は、通路５６内および／または様々な内側表面内等、トランジションダクト５０を通って延び、および／またはトランジションダクト５０に画成されている。噴射流体は、入口管２１２から第１導管２２４を通って流れ、第１導管２２４から第２導管２２６を通って流れ、第２導管２２６から出口２２２を通って排出されて内部５７に流入する。

いくつかの実施形態では、図１３に示すように、噴射流体が第１導管２２４から直接第２導管２２６に流入するように、第１導管２２４と第２導管２２６とは、直接的に流体連通していてもよい。例えば、第１導管２２４と第２導管２２６とは、第１導管２２４（図示）もしくは第２導管２２６のオス型機構２３０と、第２導管２２６（図示）もしくは第１導管２２４のメス型機構２３２とを介して、または別の適切な接続を介して直接結合することができる。代替的な実施形態では、図１２に示すように、第１導管２２４と第２導管２２６とは、間接的に流体連通していてもよい。マニホールド２２８は、例えば、支持リングアセンブリ（図示された上部支持リング１８２、または下部支持リング１８０等）に画成することができる。マニホールド２２８は、環状および／または弧状であってもよく、任意の他の適切な形状であってもよい。マニホールド２２８は、１以上のトランジションダクト５０に噴射流体を分配することができ、有利である。マニホールド２２８は、例えば、１以上の第１導管２２４と１以上の第２導管２２６との間で流体連通することができる。分配導管２２９は、マニホールド２２８と第２導管２２６との間で流体連通するように画成することができる。噴射流体は、このようにして第１導管２２４からマニホールド２２８に流入し、マニホールド２２８から第２導管２２６に（例えば分配導管２２９を介して）流入し、第２導管２２６から出口２２２を介して１以上のトランジションダクト５０の内部５７に流入してもよい。関連している分配導管２２９および第２導管２２６は、分配導管２２９または第２導管２２６のオス型機構と、第２導管２２６または分配導管２２９のメス型機構とを介して、または別の適切な接続を介して直接結合してもよい。

本明細書は、本発明を開示するために、かついかなる当業者も、装置またはシステムの製造および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む、本発明の実施が可能となるような最良の態様を含む例を用いている。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例も含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言との差異がない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差異がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

１０ タービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１５ 燃焼器
１６ タービンセクション
１８ シャフト
２１ ケーシング
２２ 燃焼器ライナ
２４ 燃焼領域
２６ トランジションピース
３０ 流れスリーブ
３２ 流路
３４ インピンジメントスリーブ
３６ 流路
３８ 外部環状部
４０ 燃料ノズル
５０ トランジションダクト
５２ 入口
５４ 出口
５６ 通路
５７ 内部
９０ 長手方向軸線
９２ 接線方向軸線
９４ 半径方向軸線
９８ 長手方向軸線
１０２ シュラウド
１０４ 高温ガス経路
１０６ シュラウドブロック
１１２ バケット
１１４ ノズル
１２２ 第１段バケットアセンブリ
１２３ 第２段ノズルアセンブリ
１２４ 第２段バケットアセンブリ
１２５ 第３段ノズルアセンブリ
１２６ 第３段バケットアセンブリ
１３０ 第１トランジションダクト
１３２ 第２トランジションダクト
１３４ 接触面
１４２ 正圧面
１４４ 負圧面
１４６ 後縁
１５０ 流れスリーブ
１５２ 環状通路
１５４ インピンジメント孔
１６２ 入口
１６４ 出口
１６６ 通路
１７０ 上流部
１７２ 下流部
１７４ 後方端部
１７６ 先端部
１８０ 下部支持リング
１８１ 嵌合ボア孔
１８２ 上部支持リング
１８３ 嵌合ボア孔
１８４ チャネル
１８６ 接触面
２００ 機械的ファスナ
２０２ 内側フランジ
２０３ ボア孔
２０４ 外側フランジ
２０５ ボア孔
２１０ 後期噴射アセンブリ
２１２ 入口管
２１４ 入口
２１６ 燃料ポート
２１８ 燃料導管
２２０ 燃料源
２２２ 出口
２２４ 第１導管
２２６ 第２導管
２２８ マニホールド
２２９ 分配導管
２３０ オス型機構
２３２ メス型機構

Claims (15)

1. ターボ機械（１０）であって、当該ターボ機械（１０）が、
   環状列状に配置され、第１トランジションダクト（１３０）及び第２トランジションダクト（１３２）を含む複数のトランジションダクト（５０）であって、該複数のトランジションダクト（５０）の各々が、入口（５２）と出口（５４）と通路（５６）とを備えており、該通路（５６）が、内部（５７）を画成するとともに、前記入口（５２）と前記出口（５４）との間に延在して長手方向軸線、半径方向軸線及び接線方向軸線を画定しており、前記出口（５４）の各々が、前記長手方向軸線及び前記接線方向軸線に沿って、前記入口（５２）からオフセットしている、複数のトランジションダクト（５０）と、
   高温ガス経路（１０４）に沿って前記複数のトランジションダクト（５０）の下流にある支持リングアセンブリ（１８０、１８２）と、
   前記複数のトランジションダクト（５０）のうち、少なくとも１つのトランジションダクト（５０）を前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）に接続する複数の機械的ファスナ（２００）と、
   前記複数のトランジションダクト（５０）のうち、少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の入口（５２）の下流で前記内部（５７）に噴射流体を流入させるための流体連通を提供する後期噴射アセンブリ（２１０）と
   を備えており、前記後期噴射アセンブリ（２１０）の入口管（２１２）が、前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の出口（５４）の下流に配置されている、ターボ機械（１０）。
2. 前記後期噴射アセンブリ（２１０）が、さらに、燃料を前記入口管（２１２）に流入させるための流体連通を提供する燃料ポート（２１６）を備える、請求項１に記載のターボ機械（１０）。
3. 前記後期噴射アセンブリ（２１０）が、さらに、前記燃料ポート（２１６）を介して前記入口管（２１２）と流体連通している燃料導管（２１８）を備える、請求項２に記載のターボ機械（１０）。
4. 前記入口管（２１２）の入口（２１４）が、作動流体を前記入口管（２１２）に流すように構成されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
5. 前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の内面が、少なくとも部分的に後縁（１４６）を画成しており、前記後期噴射アセンブリ（２１０）の出口（２２２）が、前記後縁（１４６）に画成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
6. 前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の内面が、正圧面（１４２）及び負圧面（１４４）を少なくとも部分的に画成し、前記後期噴射アセンブリ（２１０）の出口（２２２）が、前記正圧面（１４２）又は前記負圧面（１４４）の一方に画成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
7. 前記後期噴射アセンブリ（２１０）の出口（２２２）が、前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の内部（５７）に画成されたチョーク面の下流に画成されている、請求項１に記載のターボ機械（１０）。
8. 前記後期噴射アセンブリ（２１０）の入口管（２１２）が、前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）の半径方向外側に配置されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
9. 前記後期噴射アセンブリ（２１０）が、前記入口管（２１２）から前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）を通って延在する第１導管（２２４）と、前記トランジションダクト（５０）を通って延在する第２導管（２２６）とを備え、前記第１導管（２２４）と前記第２導管（２２６）とが流体連通している、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
10. 前記第１導管（２２４）と前記第２導管（２２６）とが流体的に直接的に流体連通している、請求項９に記載のターボ機械（１０）。
11. マニホールド（２２８）が前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）内に画成されており、前記マニホールド（２２８）が、前記第１導管（２２４）と前記第２導管（２２６）との間に流体連通している、請求項９に記載のターボ機械（１０）。
12. 前記複数のトランジションダクト（５０）の出口（５４）の各々が、前記入口（５２）から、前記半径方向軸線に沿ってさらにオフセットしている、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
13. 当該ターボ機械（１０）が、前記複数のトランジションダクト（５０）と連通しているタービンセクション（１６）をさらに備え、前記タービンセクション（１６）が、前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）と、第１段バケットアセンブリ（１２２）とを備えており、前記第１段バケットアセンブリ（１２２）の上流に、ノズルが配置されていない、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
14. 前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）が、前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）と前記タービンセクション（１６）との間のトランジション部を画成する、請求項１３に記載のターボ機械（１０）。
15. ターボ機械（１０）であって、当該ターボ機械（１０）が、
    環状列状に配置され、第１トランジションダクト（１３０）及び第２トランジションダクト（１３２）を含む複数のトランジションダクト（５０）であって、該複数のトランジションダクト（５０）の各々が、入口（５２）と出口（５４）と通路（５６）とを備えており、該通路（５６）が、内部（５７）を画成するとともに、前記入口（５２）と前記出口（５４）との間に延在して長手方向軸線、半径方向軸線及び接線方向軸線を画定しており、前記出口（５４）の各々が、前記長手方向軸線及び前記接線方向軸線に沿って、前記入口（５２）からオフセットしている、複数のトランジションダクト（５０）と、
    高温ガス経路（１０４）に沿って前記複数のトランジションダクト（５０）の下流にある支持リングアセンブリ（１８０、１８２）と、
    前記複数のトランジションダクト（５０）のうち、少なくとも１つのトランジションダクト（５０）を前記支持リングアセンブリ（１８０、１８２）に接続する複数の機械的ファスナ（２００）と、
    前記複数のトランジションダクト（５０）のうち、少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の内部（５７）に噴射流体を流入させるための流体連通を提供する後期噴射アセンブリ（２１０）であって、後期噴射アセンブリ（２１０）の出口（５４）が、前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の内部（５７）に画成されたチョーク面の下流に画成されており、前記後期噴射アセンブリ（２１０）の入口管（２１２）が、前記少なくとも１つのトランジションダクト（５０）の出口（５４）の下流に配置されている、後期噴射アセンブリ（２１０）と
    を備えるターボ機械（１０）。

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