JP7326399B2

JP7326399B2 - トランジションピース、燃焼器及びガスタービンエンジン

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Publication number: JP7326399B2
Application number: JP2021160715A
Authority: JP
Inventors: 裕明長橋; 義隆寺田; 祥平沼田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-08-15
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Description

本発明は、トランジションピース、燃焼器及びガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気と共に燃料を燃焼器で燃焼させ、これにより生成した燃焼ガスでガスタービンを駆動する。燃焼器は、ガスタービンエンジンのケーシングの周方向に複数配置され、各燃焼器において金属製（合金製）の板材で筒状に形成されたトランジションピースを経由してガスタービンに燃焼ガスが供給される。

燃焼反応が進行した高温の燃焼ガスを通すトランジションピースには、自己を構成する金属の板材の内部に、燃焼ガスの流れ方向に延びる壁内流路を周方向に多数有するものがある（特許文献１等）。これら壁内流路には、燃焼用の圧縮空気の一部が流入し、トランジションピースを冷却した後にトランジションピースの内側の燃焼ガス流路に噴出する。

特開２０１４－９８３５２号公報

トランジションピースの壁内流路を流れる圧縮空気は、壁内流路を進むにつれて昇温するため、各々の壁内流路が長いと壁内流路の下流部分における冷却効果が低下する。そこで、例えばトランジションピースの領域を燃焼ガスの流れ方向に複数に分け、それぞれの領域に壁内流路を形成することが考えられる。これにより各々の壁内流路の長さを短縮でき、トランジションピースの冷却能力を全体として向上させることができる。

しかし、壁内流路を流れてトランジションピースの内側に噴出する加熱後の圧縮空気と、トランジションピースの外側から壁内流路に流入する加熱前の圧縮空気との間には、相応の温度差がある。そのため、トランジションピースにおける燃焼ガスの流れ方向に見て下流側（ガスタービン側）の領域の壁内流路の出口と、トランジションピースの燃焼ガスの上流側（燃焼器ライナ側）の壁内流路の入口の双方に近い領域においては、トランジションピースを構成する板材の温度勾配が増す恐れがある。加えて、トランジションピースは、燃焼器ライナの形状に応じて円形に形成された入口から四角形状の出口に向かって徐々に断面形状が変化する構成であり、部位により曲率の違いが大きく熱的な条件が同等でも応力に違いが生じる。

本発明の目的は、温度勾配や応力を緩和して寿命を延ばすことができるトランジションピース、燃焼器及びガスタービンエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機で圧縮される圧縮空気と共に燃料を燃焼器ライナの内部で燃焼させて燃焼ガスをガスタービンに供給する燃焼器に設けられ、前記燃焼器ライナとガスタービンとを接続すると共に板材で筒状に形成され、前記圧縮機から前記燃焼器に前記圧縮空気を供給する外側の圧縮空気主流路と、前記燃焼器ライナから前記ガスタービンに前記燃焼ガスを供給する内側の燃焼ガス流路とを隔てるトランジションピースにおいて、前記板材の内部を前記ガスタービンに近い側から前記燃焼器ライナに近い側に延びる壁内流路を、前記トランジションピースの周方向に複数並べて形成した第１流路群と、前記第１流路群に対して前記燃焼器ライナに近い側に位置し、前記板材の内部を前記ガスタービンに近い側から前記燃焼器ライナに近い側に延びる壁内流路を、前記トランジションピースの周方向に複数並べて形成した第２流路群とを備え、前記第１流路群及び前記第２流路群の各壁内流路は、前記燃焼ガスの流れ方向における一方側の端部に前記圧縮空気主流路に臨む入口を有すると共に、前記燃焼ガスの流れ方向における他方側の端部に前記燃焼ガス流路に臨む出口を有し、前記第１流路群の設置領域と前記第２流路群の設置領域とが、前記燃焼ガスの流れ方向に部分的に所定のオーバーラップ量だけオーバーラップしており、前記オーバーラップ量が、前記トランジションピースの形状変化が相対的に小さい部位と比較して、前記形状変化が相対的に大きな部位で大きく設定してあり、前記形状変化が、前記板材の曲率、前記トランジションピースの断面積変化率、又は前記トランジションピースの幅の変化率であるトランジションピースを提供する。

本発明によれば、温度勾配や応力を緩和してトランジションピースの寿命を延ばすことができる。

本発明の第１実施形態に係るトランジションピースを備えたガスタービンプラントの一例を模式的に表した概略構成図本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの斜視図ガスタービンの中心線を通る平面で切断した本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの断面の模式図図３中の矢印IV方向に見た本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの外周面の一部を模式的に表した矢視図図４中のＶ－Ｖ線による矢視断面図図４中のVI－VI線による矢視断面図図４中のVII－VII線による矢視断面図本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの背側部の壁内流路の設置領域を表した模式図本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの側部の壁内流路の設置領域を表した模式図本発明の第１実施形態に係るトランジションピースの腹側部の壁内流路本発明の第２実施形態に係るトランジションピースの外周面の一部を模式的に表した図本発明の第３実施形態の一構成例に係るトランジションピースの板材の断面図本発明の第３実施形態の他の構成例に係るトランジションピースの板材の断面図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
－ガスタービンエンジン－
図１は本発明の第１実施形態に係るトランジションピースを備えたガスタービンプラントの一例を模式的に表した概略構成図である。同図に示したガスタービンプラントは、ガスタービンエンジン１００と、このガスタービンエンジン１００で駆動される負荷機器２００とを含んで構成されている。負荷機器２００の典型例は発電機であるが、発電機に代えてポンプや圧縮機（ガスタービンエンジン１００に備わった圧縮機１０とは別のもの）を負荷機器２００とし、それら圧縮機やポンプをガスタービンエンジン１００で駆動する場合もある。

ガスタービンエンジン１００は負荷機器２００を駆動する原動機であり、圧縮機１０、燃焼器２０、及びガスタービン３０を含んで構成されている。圧縮機１０は、空気を吸い込んで圧縮し、高温高圧の圧縮空気ａを生成するように構成されている。燃焼器２０は、圧縮機１０からディフューザ１１を介して吐出される圧縮空気ａと共に燃料を燃焼させて燃焼ガスｇを生成するように構成されている。ガスタービン３０は、燃焼器２０から供給される燃焼ガスｇで駆動されて回転動力を出力する。ガスタービン３０と圧縮機１０の互いのロータの軸は連結されている。ガスタービン３０の出力の一部は圧縮機１０の動力として、残りは負荷機器２００の動力として用いられる。ガスタービン３０を駆動した燃焼ガスｇは排気室（不図示）を介して排気ガスとして排出される。

本実施形態ではガスタービンエンジン１００を単軸式とした場合を例示しているが、ガスタービンエンジン１００は二軸式であっても良い。二軸式のガスタービンエンジンを採用した場合、互いに回転軸が分離された高圧タービン及び低圧タービンでガスタービン３０が構成され、高圧タービンが圧縮機１０と同軸に連結され、低圧タービンが負荷機器２００と同軸に連結される。

－燃焼器－
燃焼器２０は、ガスタービンエンジン１００の車室（ケーシング）１０１に対し、ガスタービン３０の回転方向に複数取り付けられている（図１では燃焼器２０を１つのみ代表として図示してある）。各燃焼器２０は、燃焼器ライナ２１、バーナ２２、及びトランジションピース２３を含んで構成されている。この燃焼器２０は、バーナ２２から噴出する燃料を圧縮機１０で圧縮された圧縮空気ａと共に燃焼器ライナ２１の内部（燃焼室２１ａ）で燃焼させて燃焼ガスｇを発生させ、トランジションピース２３を介して燃焼ガスｇをガスタービン３０に供給する。

燃焼器ライナ２１は、内側に燃焼室２１ａを形成する円筒状の部材であり、車室１０１の内部に設置されている。燃焼器ライナ２１は、圧縮機１０から車室１０１の内部に導入された圧縮空気ａ（換言すれば燃焼器ライナ２１の外側の圧縮空気主流路１０１ａ）と、燃焼室２１ａで生成される燃焼ガスｇ（換言すれば燃焼器ライナ２１の内側の燃焼室２１ａ）とを隔てている。燃焼器ライナ２１のガスタービン側（図中の右側）の端部は、トランジションピース２３に挿し込まれている。

バーナ２２は、少なくとも１本の燃料ノズル２２ａを介して燃焼室２１ａに燃料を噴射し、燃焼室２１ａの内部に火炎を形成し保持する装置である。燃料ノズル２２ａには、燃料源（例えば燃料タンク）からの燃料が燃料系統（燃料配管）２２ｂを介して供給される。

次に、トランジションピース２３の構成について説明する。

－トランジションピース－
図２はトランジションピースの斜視図、図３はガスタービン３０の中心線を通る平面で切断したトランジションピースの断面の模式図である。但し、図２においては、後述する壁内流路２６－２８及び希釈孔２９（後述）を図示省略してある。

トランジションピース２３は、燃焼室２１ａで発生した燃焼ガスｇをガスタービン３０に導く部材であり、燃焼器ライナ２１とガスタービン３０とを接続すると共に金属製（合金製）の板材（トランジションピースパネル）２５で筒状に形成されている。このトランジションピース２３は、圧縮機１０から燃焼器２０のバーナ２２に供給される圧縮空気ａが流れる外側の圧縮空気主流路１０１ａと、燃焼器ライナ２１からガスタービン３０に供給される燃焼ガスｇが流れる内側の燃焼ガス流路２３ａとを隔てる。先に触れた通り、トランジションピース２３の燃焼器ライナ側の端部、つまり燃焼ガスｇの入口２３ｂには、燃焼器ライナ２１が挿し込まれる。トランジションピース２３のガスタービン側の端部、つまり燃焼ガスｇの出口２３ｃは、ガスタービン３０の入口３０ａ（図１）に臨む。ガスタービン３０における静翼（不図示）と動翼（不図示）が臨む環状の作動流体流路にトランジションピース２３の出口２３ｃから燃焼ガスｇが供給される。

トランジションピース２３の入口２３ｂは、円筒形状の燃焼器ライナ２１（図１）の出口形状に応じ、図２に示すように円形に形成されている。他方、トランジションピース２３の出口２３ｃは、ガスタービン３０の円環状の作動流体流路の入口３０ａを燃焼器２０の数にガスタービン３０の回転方向に等分した形状に応じ、四角形状に形成されていている。ガスタービンエンジン１００に備わった複数の燃焼器２０の各トランジションピース２３の出口２３ｃが、ガスタービン３０の回転方向に連なってガスタービン３０の入口３０ａの形状に応じて円環状をなす。そのため、トランジションピース２３は、円形の入口２３ｂから四角形状の出口２３ｃに向かって徐々に断面形状が変化しており、トランジションピース２３を構成する板材２５の曲率が部位により異なっている。

例えばトランジションピース２３を背側から見ると、入口２３ｂから出口２３ｃに近付くにつれ、トランジションピース２３の幅（ガスタービン３０の回転方向の寸法）は変化し、入口２３ｂの幅に対して出口２３ｃの幅が広くなっている（図８）。他方、トランジションピース２３を側方から見た場合、入口２３ｂから出口２３ｃに近付くにつれ、トランジションピース２３の幅（ガスタービン３０の半径方向の寸法）は狭まっていく（図３）。このようにトランジションピース２３を構成する板材２５の曲率は、燃焼ガスｇの流れ方向における位置、更にはトランジションピース２３の周方向の位置によって異なっている。トランジションピース２３の形状は、燃焼ガスｇを導く役割から滑らかではあるが、このように複雑である。

なお、トランジションピース２３の背側とは、トランジションピース２３におけるガスタービン３０の半径方向の外側である。従って、トランジションピース２３におけるガスタービン３０の半径方向の内側が、トランジションピース２３の腹側である。また、トランジションピース２３を側方から見ることは、トランジションピース２３をガスタービン３０の回転方向に沿った方向から見ることを意味する。

本実施形態において、各トランジションピース２３には、図４に示したように複数の壁内流路２６－２８と複数の希釈孔２９とが備わっている。なお、複数の希釈孔２９について、図示の例ではトランジションピース２３の周方向に希釈孔を形成した環状列を１列配置した構造を示しているが、この列数は複数列であっても良い。燃焼安定性の視点から適切な列数が選択される。これら壁内流路２６－２８及び希釈孔２９について以下に順次説明する。

－壁内流路－
図４は図３中の矢印IV方向に見たトランジションピースの外周面の一部を模式的に表した矢視図、図５は図４中のＶ－Ｖ線による矢視断面図、図６は図４中のVI－VI線による矢視断面図、図７は図４中のVII－VII線による矢視断面図である。図８はトランジションピースの背側部の壁内流路の設置領域を表した模式図である。図９はトランジションピースの側部の壁内流路の設置領域を表した模式図である。図１０はトランジションピースの腹側部の壁内流路の設置領域を表した模式図である。

トランジションピース２３には、第１流路群２６Ｇ、第２流路群２７Ｇ、及び第３流路群２８Ｇが備わっている。第１流路群２６Ｇは、壁内流路２６をトランジションピース２３の周方向に多数並べて環状に形成された流路の集まりであり、トランジションピース２３の周囲を一周する。同様に、第２流路群２７Ｇ及び第３流路群２８Ｇは、それぞれ多数の壁内流路２７，２８の集まりであり、トランジションピース２３の周囲を一周する。第１流路群２６Ｇは、トランジションピース２３における燃焼ガスｇの流れ方向の下流側、つまりガスタービン３０に近い側の領域に位置している。第２流路群２７Ｇは、トランジションピース２３における燃焼ガスｇの流れ方向の中央の領域に位置し、第１流路群２６Ｇに対して燃焼器ライナ２１に近い側に位置している。第３流路群２８Ｇは、燃焼ガスｇの流れ方向において最も下流側に位置する流路群であり、第２流路群２７Ｇに対して燃焼器ライナ２１に近い側に位置している。第１流路群２６Ｇ、第２流路群２７Ｇ、及び第３流路群２８Ｇの壁内流路同士（壁内流路２６，２７、壁内流路２７，２８）は連絡しておらず、互いに独立している。

壁内流路２６－２８は、トランジションピース２３を構成する板材２５の内部（板厚内部）をガスタービン３０に近い側から燃焼器ライナ２１に近い側に、つまり燃焼ガスｇの流れ方向に沿って延びている。第１流路群２６Ｇにおいて、トランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路２６同士の長さは同程度である。同様に、第２流路群２７Ｇ及び第３流路群２８Ｇにおいて、トランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路２７，２８の長さは同程度である。

ここで、トランジションピース２３を構成する板材２５は、図５に示した通り圧縮空気主流路１０１ａに面する外板２５ａと、燃焼ガス流路２３ａに面する内板２５ｂとを張り合わせて構成されている。壁内流路２６－２８は、外板２５ａの内面にスリットを形成し、外板２５ａの内面に内板２５ｂを張り合わせてスリットを塞ぐことで、板材２５の内部を通る流路として構成されている。内板２５ｂにスリットを設ける構成としても良い。本実施形態において、トランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路２６同士は連絡していないが、例えば流量偏差を抑制するために必要であれば隣接する壁内流路２６同士が１か所又は複数個所で連絡する構成とすることもできる。壁内流路２７，２８についても同様である。

第１流路群２６Ｇの各壁内流路２６には、圧縮空気ａの入口２６ａと出口２６ｂとが１つずつ備わっている（図３及び図４）。入口２６ａは、板材２５の外板２５ａに設けられて圧縮空気主流路１０１ａに臨んでおり、外板２５ａを板厚方向に貫通して圧縮空気主流路１０１ａと壁内流路２６とを連絡している。出口２６ｂは、板材２５の内板２５ｂに設けられて燃焼ガス流路２３ａに臨んでおり、内板２５ｂを板厚方向に貫通して燃焼ガス流路２３ａと壁内流路２６とを連絡している。ガスタービンエンジン１００の運転中、入口２６ａと出口２６ｂとの間に生じる差圧により、圧縮空気主流路１０１ａから各壁内流路２６に冷却空気として一部の圧縮空気ａが流れ込んで燃焼ガス流路２３ａに噴き出す。このようにしてバーナ２２（図１）をバイパスして一部の圧縮空気ａが壁内流路２６を流れることで、トランジションピース２３が冷却される。

なお、入口２６ａは、壁内流路２６における燃焼ガスｇの流れ方向における一方側の端部に接続しており、出口２６ｂは、壁内流路２６における燃焼ガスｇの流れ方向における他方側の端部に接続している。具体的には、各壁内流路２６において、ガスタービン３０に近い側の端部に入口２６ａが、燃焼器ライナ２１に近い側の端部に出口２６ｂが設けられており、各壁内流路２６には燃焼ガスｇの流れ方向と逆向きに圧縮空気ａが流れるように構成されている。

第２流路群２７Ｇの各壁内流路２７も壁内流路２６と同様の構成であり、入口２７ａと出口２７ｂとが１つずつ備わっている（図３及び図４）。第３流路群２８Ｇの各壁内流路２８も、同様に入口２８ａと出口２８ｂとを１つずつ備えている（図３）。本実施形態においては、壁内流路２７，２８の出入口の配置も壁内流路２６と同様であり、壁内流路２７，２８には燃焼ガスｇと逆向きに圧縮空気ａが流れる。

図３－図１０に示されているように、第１流路群２６Ｇの設置領域と第２流路群２７Ｇの設置領域とが、燃焼ガスｇの流れ方向（燃焼器ライナ２１からガスタービン３０に向かう方向）に部分的に所定のオーバーラップ量Ｌ１だけオーバーラップしている。具体的には、第２流路群２７Ｇにおいて隣接する壁内流路２７の間に第１流路群２６Ｇの壁内流路２６の一端が入り込み、第１流路群２６Ｇと第２流路群２７Ｇとがオーバーラップする帯状のオーバーラップ部ＯＬ１が形成されている。このオーバーラップ部ＯＬ１はトランジションピース２３を周方向に一周して存在している。

同様に、第２流路群２７Ｇの設置領域と第３流路群２８Ｇの設置領域も、燃焼ガスｇの流れ方向に部分的に所定のオーバーラップ量Ｌ２だけオーバーラップしている。具体的には、第３流路群２８Ｇにおいて隣接する壁内流路２８の間に第２流路群２７Ｇの壁内流路２７の一端が入り込み、第２流路群２７Ｇと第３流路群２８Ｇとがオーバーラップする帯状のオーバーラップ部ＯＬ２が形成されている。このオーバーラップ部ＯＬ２もトランジションピース２３を周方向に一周して存在している。

なお、壁内流路２６－２８の配置は密である。本実施形態では、オーバーラップ部ＯＬ１においてトランジションピース２３の周方向に隣接する２本の壁内流路２６，２７の間隔Ｄを、各壁内流路２６，２７の円形断面の直径Ｗと同じかそれよりも小さく設定した構成を例示している（図４及び図５）。同様に、オーバーラップ部ＯＬ２においてトランジションピース２３の周方向に隣接する２本の壁内流路２７，２８の間隔Ｄも、各壁内流路２７，２８の円形断面の直径Ｗと同じかそれよりも小さく設定してある。

前述したオーバーラップ量Ｌ１，Ｌ２は、トランジションピース２３の形状変化が相対的に小さい部位と比較して、形状変化が相対的に大きな部位で大きく設定してある。ここで言うトランジションピース２３の形状変化とは、例えばトランジションピース２３を形成する板材２５の曲率、トランジションピース２３の断面積変化率、又はトランジションピース２３の幅の変化率である。トランジションピース２３の断面積の変化率は、燃焼ガス流路２３ａの中心線に沿った位置の変化に応じた、燃焼ガス流路２３ａの中心線に直交するトランジションピース２３の断面の面積の変化の割合である。トランジションピース２３の幅の変化率は、燃焼ガス流路２３ａの中心線に沿った位置の変化に応じた、ガスタービン３０の回転方向又は半径方向に採ったトランジションピース２３の寸法の変化の割合である。例えば、オーバーラップ量Ｌ２は、トランジションピース２３の周方向位置によって一部異なっており、本実施形態において、オーバーラップ量Ｌ２がトランジションピース２３の背側に対して側部や腹側で広くなっている（図８－図１０）。周方向位置によるオーバーラップ量Ｌ２の差の程度は、例えばそれぞれの位置におけるトランジションピース２３の形状変化の差に応じており、図８－図１０の例では倍程度である。オーバーラップ量Ｌ１についても同様に周方向位置により値を変えることができるが、本実施形態ではトランジションピース２３の周方向によらず概ね一定としてある。

また、本実施形態においては、同一の周方向位置で比較して、第２流路群２７Ｇ及び第３流路群２８Ｇのオーバーラップ量Ｌ２が、第１流路群２６Ｇ及び第２流路群２７Ｇのオーバーラップ量Ｌ１と一部異なっている。具体的には、トランジションピース２３の側部や腹側において、オーバーラップ量Ｌ２がオーバーラップ量Ｌ１よりも広くしてある（図９，図１０）。オーバーラップ量Ｌ１，Ｌ２の差の程度は、例えばそれぞれの位置におけるトランジションピース２３の形状変化の差に応じており、図９，図１０の例では倍程度である。トランジションピース２３の背側においてもオーバーラップ量Ｌ１，Ｌ２に差をつけることができるが、本実施形態においては背側においてオーバーラップ量Ｌ１，Ｌ２は同程度としてある。

－希釈孔－
上記の複数の希釈孔２９は、トランジションピース２３を形成する板材２５を貫通し圧縮空気主流路１０１ａと燃焼ガス流路２３ａとを連絡する小孔であり、開口径は壁内流路２６－２８の出口２６ｂ－２８ｂと同程度かそれよりも小さい。これら希釈孔２９は、第２流路群２７Ｇのトランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路２７の間のスペースのそれぞれにおいて、第２流路群２７Ｇの壁内流路２７の出口２７ｂよりも第２流路群２７Ｇの壁内流路２７の入口２７ａの近くに位置している。このように、オーバーラップ部ＯＬ１に沿って壁内流路２６又は２７と同程度の数の希釈孔２９が壁内流路２７と交互に設けられ、トランジションピース２３の周囲を一周する環状列を形成している。

壁内流路２６の出口２６ｂとこれに最も近い希釈孔２９との距離ｄは、壁内流路２６－２８の円形断面の直径Ｗと同じかそれよりも小さい（図４）。この出口２６ｂと希釈孔２９との距離ｄは、少なくとも第１流路群２６Ｇと第２流路群２７Ｇのオーバーラップ量Ｌ１の最大値よりも小さい。一例として、距離ｄは１０ｍｍ程度である。

また、希釈孔２９の位置するトランジションピース２３の部位は、トランジションピース２３の形状変化が比較的大きな（例えばトランジションピース２３の各部の形状変化の平均値よりも大きな）位置である。形状変化については前述した通りであり、例えばトランジションピース２３を形成する板材２５の曲率、トランジションピース２３の断面積変化率、又はトランジションピース２３の幅の変化率を意味する。ガスタービン３０に近付くにつれてガスタービン３０の半径方向（又は回転方向）に採った寸法が変化するトランジションピース２３にあって、こうした寸法変化が極大となる部位又はその付近が、希釈孔２９の好適な位置の一例として挙げられる。

－動作－
ガスタービンエンジン１００の運転中、空気が圧縮機１０に取り込まれて圧縮され、高圧の圧縮空気ａとしてディフューザ１１を介して圧縮機１０から圧縮空気主流路１０１ａに吐出される。圧縮空気主流路１０１ａに吐出された圧縮空気ａはバーナ２２に供給され、燃料系統２２ｂ（図３）から供給される燃料と共に燃焼室２１ａに噴出して燃焼される。これにより燃焼室２１ａで発生した高温の燃焼ガスｇがトランジションピース２３を介してガスタービン３０に供給され、燃焼ガスｇによりガスタービン３０が駆動される。そして、ガスタービン３０の回転出力により負荷機器２００が駆動される。

この間、圧縮空気主流路１０１ａからバーナ２２に向かう圧縮空気ａの一部は、バーナ２２をバイパスして入口２６ａ－２８ａから壁内流路２６－２８に流入する。壁内流路２６－２８に流入した圧縮空気ａは、それぞれ壁内流路２６－２８を流れてトランジションピース２３を冷却し、トランジションピース２３の内側の燃焼ガス流路２３ａに噴出して燃焼ガスｇに合流する。また、圧縮空気主流路１０１ａの圧縮空気ａの他の一部は、バーナ２２をバイパスして希釈孔２９からトランジションピース２３の内側に噴出する。小孔である多数の希釈孔２９から噴出した圧縮空気ａは、トランジションピース２３の内壁面に沿ってフィルム冷却膜を形成してガスタービン３０に向かって流れ、トランジションピース２３の板材２５を燃焼ガスｇの熱から保護する。

－効果－
（１）本実施形態では、トランジションピース２３に多数の壁内流路２６－２８を設け、トランジションピース２３を構成する板材２５に冷却空気として圧縮空気ａを流し、高温の燃焼ガスｇを通すトランジションピース２３を効果的に冷却することができる。このとき、壁内流路２６－２８を流れるうちに圧縮空気ａは加熱されるため、仮に各壁内流路をトランジションピース２３の一端から他端まで延ばした場合、個々の壁内流路が長いため各壁内流路の出口付近では圧縮空気ａの温度が上昇し冷却効果が低下する。

そこで、本実施形態では、トランジションピース２３を燃焼ガスｇの流れ方向に複数の領域に分け、各領域に互いに独立した流路群を形成することで、１本当たりの壁内流路の長さを抑えてある。これにより、各壁内流路２６－２８の出口付近の圧縮空気ａの温度を抑え、トランジションピース２３の冷却効果を向上させることができる。

しかし、第１流路群２６Ｇの壁内流路２６の出口２６ｂから噴出する圧縮空気ａと第２流路群２７Ｇの壁内流路２７の入口２７ａに流入する圧縮空気ａとの間には温度差がある。そのため、出口２６ｂと入口２７ａの付近の板材２５に燃焼ガスｇの流れ方向に温度勾配が生じ、出口２６ｂの存在に起因する応力集中を増加させ得る。そこで、第１流路群２６Ｇの設置領域と第２流路群２７Ｇの設置領域とを部分的にオーバーラップさせ、出口２６ｂ及び入口２７ａの間隔を確保することで付近の応力の増大を抑制することができる。第２流路群２７Ｇと第３流路群２８Ｇのオーバーラップ構造についても同様である。

特に本実施形態においては、トランジションピース２３の形状変化が相対的に大きな部位において、形状変化が相対的に小さな部位に比べてオーバーラップ量Ｌ１，Ｌ２を大きく設定してある。これにより、特に強度面で不利な形状変化の大きな部位において、相対的に低温の圧縮空気ａが流入する入口２７ａ，２８ａと、相対的に高温の圧縮空気ａが噴出する出口２６ｂ，２７ｂとの距離を確保できる。よって、壁内流路２６，２７の各々の出口２６ｂ，２７ｂの周辺部の温度勾配や応力集中を全体として緩和でき、トランジションピース２３の寿命を延ばすことができる。

（２）また、燃料供給量が少ない運転条件でバーナ２２への圧縮空気ａの供給量が過多になると、燃焼温度が低下して燃焼安定性を損なう恐れがある。それに対し、本実施形態では、多数設けた小径の希釈孔２９を介しバーナ２２をバイパスして一部の圧縮空気ａをトランジションピース２３の内側の燃焼ガス流路２３ａにおける燃焼反応が完結した領域に供給することで、燃焼安定性の向上を図ることができる。

しかし、トランジションピース２３は、燃焼室２１ａで燃焼反応が進んだ高温の燃焼ガスｇを通すため熱的に過酷な環境にあり、しかも円形断面から矩形断面に形状が変形するため形状的にも応力が上昇し易い。このトランジションピース２３に希釈孔２９を設ける場合、希釈孔２９の周囲に応力が集中し得る。

それに対し、本実施形態では、第２流路群２７Ｇの周方向に隣接する壁内流路２７の間のスペースのそれぞれにおいて、第２流路群２７Ｇの壁内流路２７の出口２７ｂよりも入口２７ａの近くに希釈孔２９が配置してある。壁内流路２７の入口２７ａの付近の板材２５は、壁内流路２７に流入して間もない相対的に低温の圧縮空気ａで冷却されることからメタル温度及び応力が低い。この位置に希釈孔２９を設置することで、希釈孔２９の付近の応力集中を抑制し、希釈孔２９の設置に伴う強度上のリスクを抑制することができる。また、希釈孔２９を流れる圧縮空気ａもトランジションピース２３の冷却に貢献し得る。

（３）仮に希釈孔２９の数を減らしてその分だけ開口面積を大きくした場合、希釈孔２９が壁内流路２７に干渉するが、本実施形態では、多数存在する壁内流路２７と同程度の数に希釈孔２９を分割し、個々の希釈孔２９の開口面積を小さく抑えてある。これにより希釈孔２９と壁内流路２７との干渉を避けることができ、壁内流路２７が意図する冷却効果を阻害することがない。加えて、小径の多数の希釈孔２９で環状列が形成されるので、トランジションピース２３の内壁を覆うフィルム冷却膜（冷却空気層）を形成することができる。バーナ２２をバイパスして燃焼安定性を向上させる目的で希釈孔２９に通す圧縮空気ａをフィルム冷却に兼用し、燃焼ガスｇの熱からトランジションピース２３を保護することにも役立てることができる。

（４）バーナ２２をバイパスして燃焼ガスｇに合流させる一部の圧縮空気ａが火炎の燃焼反応に影響しないようにする観点では、希釈孔２９の位置はガスタービン３０に近い方が有利である。しかし、ガスタービン３０と希釈孔２９との距離が過度に短いと、燃焼ガスｇとの温度差の大きな圧縮空気ａが燃焼ガスｇと十分に混ざらず、温度分布が不均一な状態で燃焼ガスｇがガスタービン３０に流入し、ガスタービン３０の応力が増大し得る。

それに対し、本実施形態において、壁内流路２７の間隔に設置した希釈孔２９から噴出した圧縮空気ａについては、ガスタービン３０に供給されるまでに第１流路群２６Ｇの長さだけ燃焼ガスｇとの混合距離が確保される。従って、希釈孔２９から燃焼ガス流路２３ａに噴出した圧縮空気ａを燃焼ガスｇと十分に混合させることができ、燃焼ガスｇの温度分布を均一化してガスタービン３０の応力増大を抑えることができる。

（第２実施形態）
図１１は本発明の第２実施形態に係るトランジションピースの外周面の一部を模式的に表した図であり、第１実施形態の図４に相当する図である。図１１において第１実施形態と同一の又は対応する要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、第１流路群２６Ｇ－第３流路群２８Ｇのそれぞれにおいてトランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路同士の圧縮空気ａの流れ方向が逆になるように構成されている点である。具体的には、第１流路群２６Ｇにおいて、トランジションピース２３の周方向に隣接する壁内流路２６同士で入口２６ａ及び出口２６ｂが互い違いになっている。図１１中の上から１番目と３番目の壁内流路２６は、入口２６ａがガスタービン側、出口２６ｂが燃焼器ライナ側に位置しているが、その間の２番目の壁内流路２６は、入口２６ａが燃焼器ライナ側、出口２６ｂがガスタービン側に位置している。同じように、上側の壁内流路２７は、入口２７ａがガスタービン側、出口２７ｂが燃焼器ライナ側に位置しているが、下側の壁内流路２７は、入口２７ａが燃焼器ライナ側、出口２７ｂがガスタービン側に位置している。図示していないが、第３流路群２８Ｇの壁内流路２８も同様である。

その他の点において、本実施形態は第１実施形態と同様の構成である。

本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、第１流路群２６Ｇ－第３流路群２８Ｇのそれぞれにおいて、隣接する壁内流路の圧縮空気ａの流れ方向が互い違いになるので、応力の一因である温度勾配そのものが生じ難くなるメリットがある。

（第３実施形態）
図１２及び図１３は本発明の第３実施形態に係るトランジションピースの板材の断面図である。図１１において第１実施形態と同一の又は対応する要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、第１流路群２６Ｇ－第３流路群２８Ｇの少なくとも１つの流路群において、壁内流路の入口に近い側の流路断面積に対して出口に近い側の流路断面積が小さくしてある点である。図１２に示した例では、第１流路群２６Ｇの各壁内流路２６が円錐形に形成されており、入口から出口に近付くにつれて流路断面積が連続的に小さくなっている。図１３に示した例では、第１流路群２６Ｇの各壁内流路２６の内壁に段差が設けられており、入口側の部分に対して出口側の部分の流路断面積がステップ状に小さくなっている。図１２及び図１３の例では、第１流路群２６Ｇの壁内流路２６を適用対象として例示したが、第２流路群２７Ｇの壁内流路２７、第３流路群２８Ｇの壁内流路２８にも同様の構成を適用することができる。第１流路群２６Ｇ、第２流路群２７Ｇ、第３流路群２８Ｇの少なくとも１つの流路群において、壁内流路の入口に対して出口が狭まっていれば良い。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、壁内流路を流れる圧縮空気ａの流速の調整による板材２５の温度勾配の抑制効果が期待できる。つまり、各壁内流路を流れる圧縮空気ａは壁内流路の出口に近付くにつれて昇温するが、本実施形態においては壁内流路内において相対的に低温の圧縮空気ａに比べて相対的に高温の圧縮空気ａの流速が増す。これにより壁内流路を流れる圧縮空気ａから板材２５への熱伝達率が調整され、板材２５に生じる温度勾配を抑制できる。

（変形例）
第１実施形態において、各壁内流路を流れる圧縮空気ａの流れ方向が燃焼ガス流路２３ａを流れる燃焼ガスｇの流れと逆向きになるように構成したが、燃焼ガスｇと同じ方向に壁内流路を圧縮空気ａが流れるようにしても良い。

また、本実施形態では、第１流路群２６Ｇ－第３流路群２８Ｇの３つの流路群をトランジションピース２３に設けた構成を例示したが、トランジションピース２３の領域を２分割して流路群を２つにした構成としても良い。トランジションピース２３の領域を４つ以上に分割して流路群を４つ以上にした構成としても良い。流路群が２つの場合、オーバーラップ部は１つになるが、トランジションピース２３の周方向位置による形状変化の大きさに応じてオーバーラップ量が変化していれば本質的な上記効果（１）が得られる。

オーバーラップ部ＯＬ１に沿った希釈孔２９の環状列を設けた構成を例に挙げて説明したが、これに代えて又はこれに加えて、オーバーラップ部ＯＬ２に沿った希釈孔２９の環状列を設けた構成としても良い。更には、必要がなければ希釈孔２９は省略しても良い。

壁内流路２６－２８の各々の入口又は出口は、隣接する壁内流路同士で共用する構成としても良い。つまり、入口又は出口を拡大し、又は周方向に長い長穴とし、１つの入口又は出口が複数本の壁内流路に連絡する構成であっても良い。

板材２５の内板２５ｂにスリット付きの外板２５ａを張り合わせて壁内流路２６－２８を形成する例を説明したが、壁内流路２６－２８の形成方法は適宜変更可能である。

１０…圧縮機、２０…燃焼器、２１…燃焼器ライナ、２３…トランジションピース、２３ａ…燃焼ガス流路、２５…板材、２６－２８…壁内流路、２６ａ，２７ａ，２８ａ…入口、２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ…出口、２６Ｇ…第１流路群、２７Ｇ…第２流路群、２８Ｇ…第３流路群、３０…ガスタービン、１０１ａ…圧縮空気主流路、１００…ガスタービンエンジン、ａ…圧縮空気、ｇ…燃焼ガス、Ｌ１，Ｌ２…オーバーラップ量

Claims

ガスタービンエンジンの圧縮機で圧縮される圧縮空気と共に燃料を燃焼器ライナの内部で燃焼させて燃焼ガスをガスタービンに供給する燃焼器に設けられ、前記燃焼器ライナとガスタービンとを接続すると共に板材で筒状に形成され、前記圧縮機から前記燃焼器に前記圧縮空気を供給する外側の圧縮空気主流路と、前記燃焼器ライナから前記ガスタービンに前記燃焼ガスを供給する内側の燃焼ガス流路とを隔てるトランジションピースにおいて、
前記板材の内部を前記ガスタービンに近い側から前記燃焼器ライナに近い側に延びる壁内流路を、前記トランジションピースの周方向に複数並べて形成した第１流路群と、
前記第１流路群に対して前記燃焼器ライナに近い側に位置し、前記板材の内部を前記ガスタービンに近い側から前記燃焼器ライナに近い側に延びる壁内流路を、前記トランジションピースの周方向に複数並べて形成した第２流路群とを備え、
前記第１流路群及び前記第２流路群の各壁内流路は、前記燃焼ガスの流れ方向における一方側の端部に前記圧縮空気主流路に臨む入口を有すると共に、前記燃焼ガスの流れ方向における他方側の端部に前記燃焼ガス流路に臨む出口を有し、
前記第１流路群の設置領域と前記第２流路群の設置領域とが、前記燃焼ガスの流れ方向に部分的に所定のオーバーラップ量だけオーバーラップしており、
前記オーバーラップ量が、前記トランジションピースの形状変化が相対的に小さい部位と比較して、前記形状変化が相対的に大きな部位で大きく設定してあり、
前記形状変化が、前記板材の曲率、前記トランジションピースの断面積変化率、又は前記トランジションピースの幅の変化率であることを特徴とするトランジションピース。
請求項１のトランジションピースにおいて、
前記オーバーラップ量が、前記トランジションピースの周方向位置で一部変えてあることを特徴とするトランジションピース。
請求項１のトランジションピースにおいて、
前記第２流路群に対して前記燃焼器ライナに近い側に位置し、前記板材の内部を前記ガスタービンに近い下流側から前記燃焼器ライナに近い上流側に延びる壁内流路を、前記トランジションピースの周方向に複数並べて形成した第３流路群を更に備え、
前記第２流路群の設置領域と前記第３流路群の設置領域とが、前記燃焼ガスの流れ方向に部分的に所定のオーバーラップ量だけオーバーラップしており、
前記第２流路群及び前記第３流路群の前記オーバーラップ量が、前記第１流路群及び前記第２流路群の前記オーバーラップ量と一部異なっていることを特徴とするトランジションピース。
請求項１のトランジションピースにおいて、
前記第１流路群及び前記第２流路群のそれぞれにおいて隣接する壁内流路同士の前記圧縮空気の流れ方向が逆になるように構成されていることを特徴とするトランジションピース。
請求項１のトランジションピースにおいて、
前記第１流路群及び前記第２流路群の各壁内流路が、前記燃焼ガスの流れ方向と逆向きに前記圧縮空気を通すように構成されており、
前記第１流路群及び前記第２流路群の少なくとも一方の各壁内流路が、前記入口に近い側の流路断面積に対して前記出口に近い側の流路断面積が小さくしてあることを特徴とするトランジションピース。
請求項１のトランジションピースを備えた燃焼器。
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出される圧縮空気と共に燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項６の燃焼器と、
前記燃焼器から供給される燃焼ガスで駆動されるガスタービンと
を備えたガスタービンエンジン。