DE102022209830A1

DE102022209830A1 - Übergangsstück, Brennkammer und Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE102022209830A1
Application number: DE102022209830.7A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Nagahashi; Yoshitaka Terada; Shohei NUMATA
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-03-30
Also published as: US11879359B2; JP7326399B2; KR20230046986A; US20230167747A1; CN115899757A; JP2023050552A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Übergangsstück, das eine erste Strömungsweggruppe, die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen gebildet wird, die sich innerhalb eines das Übergangsstück bildenden Plattenmaterials erstrecken, und eine zweite Strömungsweggruppe aufweist, die auf einer Seite angeordnet ist, die näher an einer Brennkammerauskleidung liegt als die erste Strömungsweggruppe. Jeder wandinterne Strömungsweg in der ersten Strömungsweggruppe und der zweiten Strömungsweggruppe weist einen Einlass, der an einem Endabschnitt in einer Strömungsrichtung eines Verbrennungsgases angeordnet ist und der einem Druckluft-Hauptströmungsweg zugewandt ist, und einen Auslass, der an dem anderen Endabschnitt in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordnet ist und der einem Verbrennungsgas-Strömungsweg zugewandt ist. Ein Einbaubereich der ersten Strömungsweggruppe und ein Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe überlappen sich teilweise in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases um einen vorbestimmten Überlappungsbetrag, und der Überlappungsbetrag ist für einen Abschnitt, in dem eine Formänderung des Übergangsstücks relativ groß ist, im Vergleich zu einem Abschnitt, in dem die Formänderung des Übergangsstücks relativ klein ist, groß eingestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Übergangsstück, eine Brennkammer und einen Gasturbinenmotor.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Gasturbinenmotor verbrennt einen Brennstoff in Brennkammern zusammen mit Druckluft, die in einem Kompressor verdichtet wird, und treibt eine Gasturbine unter Verwendung des so erzeugten Verbrennungsgases an. Eine Vielzahl von Brennkammern ist in einer Umfangsrichtung eines Gehäuses des Gasturbinenmotors angeordnet, und das Verbrennungsgas wird der Gasturbine durch ein Übergangsstück zugeführt, das aus einem metallischen (Legierungs-) Plattenmaterial in einer rohrförmigen Form an jeder Brennkammer gebildet ist.
Manche Übergangsstücke, die von einem Hochtemperatur-Verbrennungsgas nach einer Verbrennungsreaktion durchströmt werden, weisen in ihren Umfangsrichtungen eine große Anzahl von wandinternen Strömungswegen auf, die sich im Inneren der sie bildenden metallischen Plattenmaterialien und in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases erstrecken (z.B. Patentdokument 1). Ein Teil der Druckluft für die Verbrennung strömt in die wandinternen Strömungswege und tritt nach Abkühlung eines Übergangsstücks in einen inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg des Übergangsstücks aus.
Dokument des Stands der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: JP-2014-98352-A
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Weil die Druckluft, die durch die wandinternen Strömungswege eines Übergangsstücks strömt, auf ihrem Weg durch die wandinternen Strömungswege erwärmt wird, verringert sich die Kühlwirkung an den stromabwärts gelegenen Abschnitten der wandinternen Strömungswege, falls die Länge von jedem einzelnen wandinternen Strömungsweg lang ist. Vor diesem Hintergrund ist eine mögliche Lösung beispielsweise, die Fläche des Übergangsstücks in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases in eine Vielzahl von Flächen zu unterteilen und in jedem Bereich wandinterne Strömungswege zu bilden. Dadurch kann die Länge der einzelnen wandinternen Strömungswege verringert und die Kühlleistung des Übergangsstücks insgesamt erhöht werden.
Es besteht jedoch ein erheblicher Temperaturunterschied zwischen Druckluft, die nach der Erwärmung einen wandinternen Strömungsweg durchströmt hat und an der Innenseite eines Übergangsstücks austritt, und Druckluft vor der Erwärmung, die von der Außenseite des Übergangsstücks in den wandinternen Strömungsweg strömt. Dementsprechend bestehen Bedenken, dass die Temperaturgradienten eines Plattenmaterials, welches das Übergangsstück bildet, in einem Bereich in der Nähe sowohl eines Auslasses eines wandinternen Strömungswegs in einem Bereich, der in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases im Übergangsstück gesehen stromabwärts (Gasturbinenseite) liegt, als auch eines Einlasses eines wandinternen Strömungswegs, der in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases im Übergangsstück gesehen stromaufwärts (Seite der Brennkammerauskleidung) liegt, zunehmen. Zudem hat ein Übergangsstück eine Konfiguration, bei der sich dessen Querschnittsform allmählich von einem kreisförmigen Einlass entsprechend der Form einer Brennkammerauskleidung zu einem quadratischen Auslass verändert. Die verschiedenen Abschnitte weisen deutlich unterschiedliche Krümmungen auf, so dass selbst unter gleichen thermischen Bedingungen Spannungsunterschiede zwischen ihnen auftreten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Übergangsstück, eine Brennkammer und einen Gasturbinenmotor bereitzustellen, die es ermöglichen, die Lebensdauer durch die Verringerung von Temperaturgradienten und Spannungen zu verlängern.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Übergangsstück bereit, das an einer Brennkammer vorgesehen ist, die eine Gasturbine mit einem Verbrennungsgas versorgt, das durch die Verbrennung eines Brennstoffs zusammen mit Druckluft, die in einem Kompressor eines Gasturbinenmotors komprimiert wird, innerhalb einer Brennkammerauskleidung erzeugt wird, wobei das Übergangsstück die Brennkammerauskleidung und die Gasturbine verbindet und aus einem Plattenmaterial in einer röhrenförmigen Form derart ausgebildet ist, dass das Übergangsstück einen äußeren Druckluft-Hauptströmungsweg, der die Druckluft von dem Kompressor zu der Brennkammer liefert, und einen inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg, der das Verbrennungsgas von der Brennkammerauskleidung zu der Gasturbine liefert, voneinander trennt. Das Übergangsstück umfasst eine erste Strömungsweggruppe, die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen in einer Umfangsrichtung des Übergangsstücks gebildet wird, die sich im Inneren des Plattenmaterials von einer Seite, die näher an der Gasturbine liegt, zu einer Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung liegt, erstrecken, sowie eine zweite Strömungsweggruppe, die auf einer Seite näher an der Brennkammerauskleidung angeordnet ist als die erste Strömungsweggruppe und die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen in der Umfangsrichtung des Übergangsstücks gebildet wird, die sich innerhalb des Plattenmaterials von der Seite näher an der Gasturbine zu der Seite näher an der Brennkammerauskleidung erstrecken. Jeder wandinterne Strömungsweg in der ersten Strömungsweggruppe und der zweiten Strömungsweggruppe weist einen Einlass, der an einem Endabschnitt in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordnet ist und der dem Druckluft-Hauptströmungsweg zugewandt ist, und einen Auslass auf, der an einem anderen Endabschnitt in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordnet ist und der dem Verbrennungsgas-Strömungsweg zugewandt ist. Ein Einbaubereich der ersten Strömungsweggruppe und ein Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe überlappen sich teilweise in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases um einen vorbestimmten Überlappungsbetrag, und der Überlappungsbetrag ist für einen Abschnitt, in dem eine Formänderung des Übergangsstücks relativ groß ist, im Vergleich zu einem Abschnitt, in dem die Formänderung des Übergangsstücks relativ klein ist, groß eingestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Lebensdauer eines Übergangsstücks durch die Verringerung von Temperaturgradienten und Spannungen zu verlängern.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Gasturbinenanlage mit einem Übergangsstück gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
2 ist eine perspektivische Ansicht des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, aufgenommen entlang einer Ebene, die durch eine Mittellinie einer Gasturbine verläuft;
4 ist eine Pfeilansicht, die schematisch einen Teil einer äußeren Umfangsfläche des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, betrachtet in Pfeilrichtung IV in 3;
5 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht aufgenommen entlang der Linie V-V in 4;
6 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 4;
7 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII in 4;
8 ist eine schematische Ansicht, die Einbaubereiche der in der wandinternen Strömungswege eines oberen Seitenabschnitts des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine schematische Ansicht, welche die Einbaubereiche von wandinternen Strömungswegen eines lateralen Seitenabschnitts des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ist eine schematische Ansicht, die die Einbaubereiche der wandinternen Strömungswege eines unteren Seitenabschnitts des Übergangsstücks gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine schematische Darstellung eines Teils der äußeren Umfangsfläche des Übergangsstücks gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Querschnittsansicht eines Plattenmaterials des Übergangsstücks gemäß einem Konfigurationsbeispiel in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
13 ist eine Querschnittsansicht des Plattenmaterials des Übergangsstücks gemäß einem weiteren Konfigurationsbeispiel der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert.
(Erste Ausführungsform)
- Gasturbinenmotor -
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, in dem ein Beispiel einer Gasturbinenanlage mit einem Übergangsstück gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist. Die in der Figur dargestellte Gasturbinenanlage umfasst einen Gasturbinenmotor 100 und eine durch den Gasturbinenmotor 100 angetriebene Lastvorrichtung 200. Ein typisches Beispiel für die Lastvorrichtung 200 ist ein Generator, aber anstelle eines Generators kann die Lastvorrichtung 200 eine Pumpe oder ein Kompressor sein (der sich von einem in des Gasturbinenmotors 100 enthaltenen Kompressor 10 unterscheidet), und der Kompressor oder die Pumpe kann von dem Gasturbinenmotor 100 angetrieben werden.
Der Gasturbinenmotor 100 ist ein Antriebsaggregat, das die Lastvorrichtung 200 antreibt, und umfasst den Kompressor 10, eine Brennkammer 20 und eine Gasturbine 30. Der Kompressor 10 ist derart konfiguriert, dass er Luft ansaugt und verdichtet, um Druckluft „a“ mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Die Brennkammer 20 ist derart konfiguriert, dass sie einen Brennstoff zusammen mit der vom Kompressor 10 über einen Diffusor 11 gelieferten Druckluft „a“ verbrennt, um ein Verbrennungsgas „g“ zu erzeugen. Die Gasturbine 30 wird durch das von der Brennkammer 20 zugeführte Verbrennungsgas „g“ angetrieben und gibt Rotationsenergie ab. Die Achsen der Rotoren der Gasturbine 30 und des Kompressors 10 sind aneinander gekoppelt. Ein Teil der Ausgangsleistung der Gasturbine 30 wird als Antriebsleistung des Kompressors 10 verwendet, und die restliche Ausgangsleistung wird als Antriebsleistung der Lastvorrichtung 200 verwendet. Das Verbrennungsgas „g“, das die Gasturbine 30 angetrieben hat, wird als ein Abgas über eine Auslasskammer (nicht abgebildet) abgeleitet.
Während der Gasturbinenmotor 100 in dem in der vorliegenden Ausführungsform dargestellten Fall ein einachsiger Gasturbinenmotor ist, kann der Gasturbinenmotor 100 ein zweiachsiger Gasturbinenmotor sein. In einem Fall, bei dem ein zweiachsiger Gasturbinenmotor angewendet wird, umfasst die Gasturbine 30 eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, deren Rotationswellen voneinander getrennt sind, die Hochdruckturbine ist koaxial mit dem Kompressor 10 gekoppelt, und die Niederdruckturbine ist koaxial mit der Lastvorrichtung 200 gekoppelt.
- Brennkammer -
In einer Drehrichtung der Gasturbine 30 ist eine Vielzahl von Brennkammern 20 an einem Gehäuse 101 des Gasturbinenmotors 100 befestigt (in 1 ist beispielhaft nur eine Brennkammer 20 dargestellt). Jede Brennkammer 20 weist eine Brennkammerauskleidung 21, einen Brenner 22 und ein Übergangsstück 23 auf. Die Brennkammer 20 verbrennt im Inneren der Brennkammerauskleidung 21 (einer Brennkammer 21a) einen Brennstoff, der aus dem Brenner 22 austritt, zusammen mit der in dem Kompressor 10 Druckluft „a“, um das Verbrennungsgas „g“ zu erzeugen, und liefert das Verbrennungsgas „g“ über das Übergangsstück 23 an die Gasturbine 30.
Die Brennkammerauskleidung 21 ist ein zylindrisches Element mit der darin ausgebildeten Verbrennungskammer 21a und ist im Inneren des Gehäuses 101 eingebaut. Die Brennkammerauskleidung 21 trennt die von dem Kompressor 10 in das Gehäuse 101 eingeleitete Druckluft „a“ (d.h. einen Druckluft-Hauptströmungsweg 101a außerhalb der Brennkammerauskleidung 21) und das in der Brennkammer 21a erzeugte Verbrennungsgas „g“ (d.h. die Brennkammer 21a innerhalb der Brennkammerauskleidung 21) voneinander. Ein Endabschnitt der Brennkammerauskleidung 21 auf der Gasturbinenseite (in der Abbildung die rechte Seite) wird in das Übergangsstück 23 eingesetzt.
Der Brenner 22 ist eine Vorrichtung, die über zumindest eine Brennstoffdüse 22a einen Brennstoff in die Brennkammer 21a injiziert, Flammen im Innern der Brennkammer 21a bildet und die Flammen aufrechterhält. Die Brennstoffdüse 22a wird über ein Brennstoffsystem (Brennstoffleitung) 22b von einer Brennstoffquelle (z.B. einem Brennstofftank) mit Brennstoff versorgt.
Als nächstes wird eine Konfiguration des Übergangsstücks 23 erläutert.
- Übergangsstück -
2 ist eine perspektivische Ansicht des Übergangsstücks, und 3 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts des Übergangsstücks entlang einer Ebene, die durch die Mittellinie der Gasturbine 30 verläuft. Es wird angemerkt, dass die später erwähnten wandinternen Strömungswege 26 bis 28 und die (später erwähnten) Verdünnungslöcher 29 in 2 weggelassen sind.
Das Übergangsstück 23 ist ein Element, das das in der Brennkammer 21a erzeugte Verbrennungsgas „g“ in die Gasturbine 30 einleitet, die Brennkammerauskleidung 21 und die Gasturbine 30 verbindet und ebenfalls aus einem metallischen (Legierungs- ) Plattenmaterial (Übergangsstückplatte) 25 in einer rohrförmigen Form gebildet ist. Das Übergangsstück 23 trennt den äußeren Druckluft-Hauptströmungsweg 101a, durch den die vom Kompressor 10 dem Brenner 22 der Brennkammer 20 zugeführte Druckluft „a“ strömt, und einen inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a, durch den das von der Brennkammerauskleidung 21 der Gasturbine 30 zugeführte Verbrennungsgas „g“ strömt, voneinander. Wie bereits erwähnt, ist die Brennkammerauskleidung 21 in einen Endabschnitt des Übergangsstücks 23 auf der Seite der Brennkammerauskleidung, d.h. in einen Einlass 23b für das Verbrennungsgas „g“, eingesetzt. Ein Endabschnitt des Übergangsstücks 23 auf der Gasturbinenseite, d.h. ein Auslass 23c für das Verbrennungsgas „g“, ist einem Einlass 30a (1) der Gasturbine 30 zugewandt. Ein ringförmiger Arbeitsfluid-Strömungsweg, dem stationäre Schaufeln (nicht dargestellt) und sich bewegende Schaufeln (nicht dargestellt) in der Gasturbine 30 zugewandt sind, wird mit dem Verbrennungsgas „g“ von dem Auslass 23c des Übergangsstücks 23 versorgt.
Der Einlass 23b des Übergangsstücks 23 ist kreisförmig, wie in 2 dargestellt, entsprechend der Auslassform der zylindrischen Brennkammerauskleidung 21 ausgebildet (1). Der Auslass 23c des Übergangsstücks 23 hat eine quadratische Form entsprechend einer Form, die durch Teilen des Einlasses 30a des ringförmigen Arbeitsfluidströmungswegs der Gasturbine 30 gleichmäßig in der Drehrichtung der Gasturbine 30 in die Anzahl der Auslässe 23c der Übergangsstücke 23 der Brennkammern 20 gebildet wird. Die Auslässe 23c der Übergangsstücke 23 der Vielzahl von Brennkammern 20, die in dem Gasturbinenmotor 100 enthalten sind, liegen in der Drehrichtung der Gasturbine 30 nebeneinander, um eine ringförmige Form entsprechend der Form des Einlasses 30a der Gasturbine 30 zu bilden. Dementsprechend haben die Übergangsstücke 23 jeweils eine Querschnittsform, die sich allmählich von dem kreisförmigen Einlass 23b zu dem quadratischen Auslass 23c ändert, und verschiedene Abschnitte des Plattenmaterials 25, das das Übergangsstück 23 bildet, haben unterschiedliche Krümmungen.
Zum Beispiel, wenn das Übergangsstück 23 von oben betrachtet wird, ändert sich die Breite des Übergangsstücks 23 (Abmessung in der Drehrichtung der Gasturbine 30) von dem Einlass 23b zu dem Auslass 23c, und die Breite des Auslasses 23c ist breiter als die Breite des Einlasses 23b (8). Betrachtet man das Übergangsstück 23 von der Seite, so nimmt die Breite des Übergangsstücks 23 (Abmessung in radialer Richtung der Gasturbine 30) vom Einlass 23b zum Auslass 23c hin ab ( 3). Auf diese Weise ist die Krümmung des Plattenmaterials 25, das das Übergangsstück 23 bildet, je nach Position in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ und darüber hinaus je nach Position in einer Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 verschieden. Die Form des Übergangsstücks 23 ist eine glatte Form für seine Rolle bei der Einführung des Verbrennungsgases „g“, aber auf diese Weise eine komplizierte Form.
Es wird angemerkt, dass die Oberseite des Übergangsstücks 23 eine Außenseite des Übergangsstücks 23 in der radialen Richtung der Gasturbine 30 ist. Dementsprechend ist eine Innenseite des Übergangsstücks 23 in der radialen Richtung der Gasturbine 30 eine Unterseite des Übergangsstücks 23. Darüber hinaus bedeutet die Betrachtung des Übergangsstücks 23 von der lateralen Seite aus, dass das Übergangsstück 23 in einer Richtung entlang der Drehrichtung der Gasturbine 30 betrachtet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedes Übergangsstück 23 eine Vielzahl von wandinternen Strömungswegen 26 bis 28 und eine Vielzahl von Verdünnungslöchern 29, wie in 3 dargestellt. Es wird angemerkt, dass obgleich eine ringförmige Linie der Verdünnungslöcher 29 in dem in der Abbildung dargestellten Beispiel in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 angeordnet ist, auch eine Vielzahl von Linien von Verdünnungslöchern 29 vorhanden sein kann. Eine angemessen Anzahl wird als die Anzahl der Reihen unter dem Gesichtspunkt der Verbrennungsstabilität gewählt. Diese wandinternen Strömungswege 26 bis 28 und Verdünnungslöcher 29 werden im Folgenden der Reihe nach erläutert.
- wandinterne Strömungswege -
4 ist eine Pfeilansicht, die schematisch einen Teil einer äußeren Umfangsfläche des Übergangsstücks darstellt, wie in Pfeilrichtung IV in 3 gesehen, 5 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht entlang der Linie V-V in 4, 6 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 4 und 7 ist eine Pfeil-Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII in 4. 8 ist eine schematische Ansicht, welche die Einbaubereiche der in der Wand befindlichen Strömungswege eines oberen Seitenabschnitts des Übergangsstücks zeigt. 9 ist eine schematische Ansicht, in der die Einbaubereiche der wandinternen Strömungswege eines seitlichen Abschnitts des Übergangsstücks dargestellt sind. 10 ist eine schematische Ansicht, die die Einbaubereiche der wandinternen Strömungswege eines unteren Seitenabschnitts des Übergangsstücks zeigt.
Das Übergangsstück 23 umfasst eine erste Strömungsweggruppe 26G, eine zweite Strömungsweggruppe 27G und eine dritte Strömungsweggruppe 28G. Die erste Strömungsweggruppe 26G ist ein Satz von Strömungswegen, der durch ringförmiges Anordnen einer großen Anzahl von wandinternen Strömungswegen 26 in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 gebildet wird und den gesamten Umfang des Übergangsstücks 23 umgibt. In ähnlicher Weise sind die zweite Strömungsweggruppe 27G und die dritte Strömungsweggruppe 28G jeweils Sätze aus einer großen Anzahl von wandinternen Strömungswegen 27 und 28 und umgeben den gesamten Umfang des Übergangsstücks 23. Die erste Strömungsweggruppe 26G ist in einem Bereich angeordnet, der sich in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ auf der stromabwärts gelegenen Seite des Übergangsstücks 23 befindet, d.h. auf einer Seite, die näher an der Gasturbine 30 liegt. Die zweite Strömungsweggruppe 27G ist in einem mittleren Bereich in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ in dem Übergangsstück 23 angeordnet und befindet sich auf einer Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung 21 liegt als die erste Strömungsweggruppe 26G. Die dritte Strömungsweggruppe 28G ist eine Strömungsweggruppe, die sich in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ an der am weitesten stromaufwärts gelegenen Position befindet und auf einer Seite angeordnet ist, die näher an der Brennkammerauskleidung 21 liegt als die zweite Strömungsweggruppe 27G. Die wandinternen Strömungswege (die wandinternen Strömungswege 26 und 27, die wandinternen Strömungswege 27 und 28) in der ersten Strömungsweggruppe 26G, der zweiten Strömungsweggruppe 27G und der dritten Strömungsweggruppe 28G stehen nicht miteinander in Verbindung und sind unabhängig voneinander.
Die wandinternen Strömungswege 26 bis 28 erstrecken sich innerhalb des Plattenmaterials 25 (innerhalb seiner Plattendicke), das das Übergangsstück 23 bildet, von der Seite, die näher an der Gasturbine 30 liegt, zu der Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung 21 liegt, d.h. entlang der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“. In der ersten Strömungsweggruppe 26G sind die Längen der wandinternen Strömungswege 26, die in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 benachbart sind, im Wesentlichen gleich. In ähnlicher Weise sind in der zweiten Strömungsweggruppe 27G und der dritten Strömungsweggruppe 28G die Längen der wandinternen Strömungswege 27 und 28, die in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 benachbart sind, im Wesentlichen gleich lang.
Hier umfasst das Plattenmaterial 25, welches das Übergangsstück 23 bildet, eine äußere Platte 25a und eine innere Platte 25b, die miteinander verklebt sind. Die äußere Platte 25a ist, wie in 5 dargestellt, dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a und die innere Platte 25b dem Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a zugewandt. Die wandinternen Strömungswege 26 bis 28 sind als Strömungswege konfiguriert, die durch das Innere des Plattenmaterials 25 verlaufen, indem Schlitze auf einer Innenfläche der äußeren Platte 25a gebildet werden und die innere Platte 25b auf die Innenfläche der äußeren Platte 25a geklebt wird, um die Schlitze zu schließen. Alternativ können auch Schlitze auf der Innenplatte 25b vorgesehen sein. Obgleich in der vorliegenden Ausführungsform in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 benachbarte wandinterne Strömungswege 26 nicht miteinander in Verbindung stehen, können alternativ benachbarte wandinterne Strömungswege 26 an einer Stelle oder an einer Vielzahl von Stellen miteinander in Verbindung stehen, falls dies beispielsweise zur Verringerung von Durchflussabweichungen erforderlich ist. Das Gleiche gilt auch für die wandinternen Strömungswege 27 und 28.
Jeder wandinterne Strömungsweg 26 in der ersten Strömungsweggruppe 26G umfasst einen Einlass 26a und einen Auslass 26b für die Druckluft „a“ (3 und 4). Der Einlass 26a ist durch die äußere Platte 25a des Plattenmaterials 25 hindurch vorgesehen, ist dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a zugewandt, durchdringt die äußere Platte 25a in Richtung der Plattendicke und stellt eine Verbindung zwischen dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a und dem wandinternen Durchflussweg 26 her. Der Auslass 26b ist durch die Innenplatte 25b des Plattenmaterials 25 hindurch vorgesehen, ist dem Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a zugewandt, durchdringt die Innenplatte 25b in Richtung der Plattendicke und stellt eine Verbindung zwischen dem Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a und dem wandinternen Strömungsweg 26 her. Aufgrund eines Differenzdrucks, der während des Betriebs des Gasturbinenmotors 100 zwischen dem Einlass 26a und dem Auslass 26b erzeugt wird, strömt ein Teil der Druckluft „a“ als Kühlluft aus dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a in jeden wandinternen Strömungsweg 26 und tritt zu dem Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a aus. Der Teil der Druckluft „a“, der durch den wandinternen Strömungsweg 26 strömt und dabei den Brenner 22 umgeht ( 1), kühlt auf diese Weise das Übergangsstück 23.
Es wird angemerkt, dass der Einlass 26a mit dem einen Endabschnitt des wandinternen Strömungsweges 26 in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ verbunden ist und der Auslass 26b mit dem anderen Endabschnitt des wandinternen Strömungsweges 26 in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ verbunden ist. Insbesondere ist jeder wandinterne Strömungsweg 26 mit dem Einlass 26a an einem Endabschnitt auf der Seite, die näher an der Gasturbine 30 liegt, und dem Auslass 26b an einem Endabschnitt auf der Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung 21 liegt, versehen, und jeder wandinterne Strömungsweg 26 ist derart konfiguriert, dass die Druckluft „a“ in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ durch ihn strömt.
Jeder wandinterne Strömungsweg 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G hat eine ähnliche Konfiguration wie der wandinterne Strömungsweg 26, und umfasst einen Einlass 27a und einen Auslass 27b (3 und 4). Jeder wandinterne Strömungsweg 28 in der dritten Strömungsweggruppe 28G umfasst ebenfalls einen Einlass 28a und einen Auslass 28b (3). In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anordnung der Auslässe und Einlässe der wandinternen Strömungswege 27 und 28 ähnlich wie die des wandinternen Strömungsweges 26, und die Druckluft „a“ strömt durch die wandinterne Strömungswege 27 und 28 in der dem Verbrennungsgas „g“ entgegengesetzten Richtung.
Wie in 3 bis 10 dargestellt, überlappen sich ein Einbaubereich der ersten Strömungsweggruppe 26G und ein Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe 27G in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ (in einer Richtung von der Brennkammerauskleidung 21 zu der Gasturbine 30) teilweise um einen vorbestimmten Überlappungsbetrag L1. Insbesondere ist ein Ende eines wandinternen Strömungsweges 26 in der ersten Strömungsweggruppe 26G zwischen benachbarten wandinternen Strömungswegen 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G angeordnet, und ein streifenförmiger Überlappungsabschnitt OLl, in dem sich die erste Strömungsweggruppe 26G und die zweite Strömungsweggruppe 27G überlappen, wird gebildet. Der Überlappungsabschnitt OLl umgibt den gesamten Umfang des Übergangsstücks 23.
Ebenso überlappen sich der Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe 27G und ein Einbaubereich der dritten Strömungsweggruppe 28G in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ teilweise um einen vorgegebenen Überlappungsbetrag L2. Insbesondere ist ein Ende eines wandinternen Strömungsweges 27 der zweiten Strömungsweggruppe 27G zwischen benachbarten wandinternen Strömungswegen 28 in der dritten Strömungsweggruppe 28G eingefügt, und es wird ein streifenförmiger Überlappungsabschnitt OL2 gebildet, in dem sich die zweite Strömungsweggruppe 27G und die dritte Strömungsweggruppe 28G überlappen. Der Überlappungsabschnitt OL2 umgibt ebenfalls den gesamten Umfang des Übergangsstücks 23.
Es wird angemerkt, dass die wandinternen Strömungswege 26 bis 28 dicht angeordnet sind. Ein Intervall D zwischen zwei wandinternen Strömungswegen 26 und 27, die in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 im Überlappungsabschnitt OL1 benachbart sind, ist auf ein Intervall festgelegt, das gleich oder kleiner ist als ein Durchmesser W von kreisförmigen Querschnitten der wandinternen Strömungswege 26 und 27 in der in der vorliegenden Ausführungsform dargestellten Konfiguration (4 und 5). In ähnlicher Weise wird ein Intervall D zwischen zwei wandinternen Strömungswegen 27 und 28, die in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 im Überlappungsabschnitt OL2 benachbart sind, ebenfalls auf ein Intervall eingestellt, das gleich oder kleiner ist als ein Durchmesser W der kreisförmigen Querschnitte der wandinternen Strömungswege 27 und 28.
Die oben erwähnten Überlappungsbeträge L1 und L2 werden für Abschnitte, in denen eine Formänderung des Übergangsstücks 23 relativ groß ist, im Vergleich zu jenen für Abschnitte, in denen eine Formänderung des Übergangsstücks 23 relativ klein ist, groß eingestellt. Bei der hier erwähnten Formänderung des Übergangsstücks 23 handelt es sich beispielsweise um eine Krümmung des Plattenmaterials 25, das das Übergangsstück 23 bildet, eine Änderungsrate der Querschnittsflächengröße des Übergangsstücks 23 oder eine Änderungsrate der Breite des Übergangsstücks 23. Die Änderungsrate der Querschnittsflächengröße des Übergangsstücks 23 ist eine Änderungsrate der Flächengröße eines Querschnitts des Übergangsstücks 23, der orthogonal zu einer Mittellinie des Verbrennungsgas-Strömungswegs 23a verläuft, entsprechend einer Positionsänderung entlang der Mittellinie des Verbrennungsgas-Strömungswegs 23a. Die Änderungsrate der Breite des Übergangsstücks 23 ist eine Rate der Abmessungsänderung des Übergangsstücks 23, gemessen in der Drehrichtung oder radialen Richtung der Gasturbine 30, entsprechend einer Positionsänderung entlang der Mittellinie des Verbrennungsgas-Strömungswegs 23a. Beispielsweise unterscheidet sich der Überlappungsbetrag L2 teilweise in Abhängigkeit von der Umfangsposition des Übergangsstücks 23, und der Überlappungsbetrag L2 ist in der vorliegenden Ausführungsform (8 bis 10) auf der lateralen Seite und der Unterseite des Übergangsstücks 23 größer als auf der Oberseite. Zum Beispiel entsprechen die Unterschiede des Überlappungsbetrages L2 in Abhängigkeit von der Umfangsposition den Unterschieden in der Formänderung des Übergangsstücks 23 an jeder Position, und der größere Überlappungsbetrag L2 im Wesentlichen doppelt so groß ist wie der kleinere Überlappungsbetrag L2 in dem in 8 bis 10 dargestellten Beispiel. Der Überlappungsbetrag L1 kann in ähnlicher Weise unterschiedliche Werte in Abhängigkeit von der Umfangsposition haben, ist aber im Allgemeinen unabhängig von der Umfangsposition des Übergangsstücks 23 in der vorliegenden Ausführungsform konstant.
Zudem unterscheidet sich in der vorliegenden Ausführungsform in Bezug auf eine identische Umfangsposition der Überlappungsbetrag L2 der zweiten Strömungsweggruppe 27G und der dritten Strömungsweggruppe 28G teilweise von dem Überlappungsbetrag L1 der ersten Strömungsweggruppe 26G und der zweiten Strömungsweggruppe 27G. Insbesondere ist der Überlappungsbetrag L2 größer als der Überlappungsbetrag L1 auf der lateralen Seite und der Unterseite des Übergangsstücks 23 (9, 10). Beispielsweise entsprechen die Unterschiede der Überlappungsbeträge L1 und L2 den Unterschieden in der Formänderung des Übergangsstücks 23 an jeder Position, und der größere Überlappungsbetrag L2 ist im Wesentlichen doppelt so groß wie der kleinere Überlappungsbetrag L1 in dem in 9 und 10 dargestellten Beispiel. Die Überlappungsbeträge L1 und L2 können auch auf der Oberseite des Übergangsstücks 23 unterschiedlich sein, aber die Überlappungsbeträge L1 und L2 sind in der vorliegenden Ausführungsform auf der Oberseite im Wesentlichen gleich.
- Verdünnungslöcher -
Die Vielzahl von oben beschriebenen Verdünnungslöchern 29 sind kleine Löcher, die das Plattenmaterial 25, aus dem das Übergangsstück 23 gebildet ist, durchdringen und eine Verbindung zwischen dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a und dem Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a herstellen, und ihre Öffnungsdurchmesser sind im Wesentlichen gleich oder kleiner als die der Auslässe 26b bis 28b der wandinternen Strömungswege 26 bis 28. Jedes dieser Verdünnungslöcher 29 ist in einem Zwischenraum zwischen wandinternen Strömungswegen 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G angeordnet, die in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 benachbart sind, und ist näher an den Einlässen 27a der wandinternen Strömungswege 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G angeordnet als an den Auslässen 27b der wandinternen Strömungswege 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G. Auf diese Weise sind die Verdünnungslöcher 29 entlang des Überlappungsabschnitts OL1 vorgesehen, um sich mit den wandinternen Strömungswegen 27 in einer Anzahl abzuwechseln, die im Wesentlichen der Anzahl der wandinternen Strömungswege 26 oder 27 entspricht, und bilden eine ringförmige Linie, die den gesamten Umfang des Übergangsstücks 23 umgibt.
Ein Abstand d zwischen dem Auslass 26b eines wandinternen Strömungsweges 26 und dem ihm am nächsten gelegenen Verdünnungsloch 29 ist gleich oder kleiner als der Durchmesser W der kreisförmigen Querschnitte der wandinterne Strömungswege 26 bis 28 (4). Der Abstand d zwischen dem Auslass 26b und dem Verdünnungsloch 29 ist kleiner als zumindest der Höchstwert des Überlappungsbetrags L1 der ersten Strömungsweggruppe 26G und der zweiten Strömungsweggruppe 27G. Zum Beispiel beträgt der Abstand d etwa 10 mm.
Zudem befinden sich Abschnitte des Übergangsstücks 23, in denen die Verdünnungslöcher 29 vorgesehen sind, an Positionen, an denen die Formänderung des Übergangsstücks 23 relativ groß ist (z.B. wenn die Formänderung größer ist als ein Durchschnittswert der Formänderungen aller Abschnitte des Übergangsstücks 23). Wie bereits erwähnt, bezieht sich die Formänderung zum Beispiel auf die Krümmung des Plattenmaterials 25, aus dem das Übergangsstück 23 gebildet ist, auf die Änderungsrate der Querschnittsflächengröße des Übergangsstücks 23 oder auf die Änderungsrate der Breite des Übergangsstücks 23. In dem Übergangsstück 23, dessen Abmessung, gemessen in radialer Richtung (oder Drehrichtung) der Gasturbine 30, sich in Richtung der Gasturbine 30 verändert, sind Abschnitte, in denen eine solche Abmessungsänderung ein lokales Maximum annimmt, oder Abschnitte um diese Abschnitte herum Beispiele für geeignete Positionen der Verdünnungslöcher 29.
- Betrieb -
Während Betrieb des Gasturbinenmotors 100 wird Luft in den Kompressor 10 angesaugt, verdichtet und als Hochdruck-Druckluft „a“ von dem Kompressor 10 über den Diffusor 11 in den Druckluft-Hauptströmungsweg 101a abgegeben. Die in den Druckluft-Hauptströmungsweg 101a gelieferte Druckluft „a“ wird dem Brenner 22 zugeführt, tritt zusammen mit einem aus dem Brennstoffsystem 22b (1) zugeführten Brennstoff in die Brennkammer 21a aus und wird verbrannt. Das in der Brennkammer 21a erzeugte Hochtemperatur-Verbrennungsgas „g“ wird somit über das Übergangsstück 23 der Gasturbine 30 zugeführt und treibt diese an. Die Rotationsausgangsleistung der Gasturbine 30 treibt dann die Lastvorrichtung 200 an.
Ein Teil der Druckluft „a“, die aus dem Druckluft-Hauptströmungsweg 101a in Richtung Brenner 22 strömt, umgeht indessen den Brenner 22 und strömt über die Einlässe 26a bis 28a in die wandinternen Strömungswege 26 bis 28. Die in die wandinternen Strömungswege 26 bis 28 eingeströmte Druckluft „a“ durchströmt die wandinternen Strömungswege 26 bis 28, kühlt das Übergangsstück 23, tritt in den inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a des Übergangsstücks 23 aus und vereinigt sich mit dem Verbrennungsgas „g“. Darüber hinaus umgeht ein weiterer Teil der Druckluft „a“ im Druckluft-Hauptströmungsweg 101a den Brenner 22 und tritt über die Verdünnungslöcher 29 in das Innere des Übergangsstücks 23 aus. Die Druckluft „a“, die über die große Anzahl von Verdünnungslöchern 29, bei denen es sich um kleine Löcher handelt, ausgetreten ist, bildet eine Filmkühlmembran entlang einer Innenwandfläche des Übergangsstücks 23, die zu der Gasturbine 30 hin strömt, um dadurch das Plattenmaterial 25 des Übergangsstücks 23 vor der Hitze des Verbrennungsgases „g“ zu schützen.
- Wirkungen -
(1) In der vorliegenden Ausführungsform ist eine große Anzahl von wandinternen Strömungswegen 26 bis 28 zum Übergangsstück 23 vorgesehen, die Druckluft „a“ wird veranlasst, als Kühlluft zu dem Plattenmaterial 25 zu strömen, welches das Übergangsstück 23 bildet, und das Übergangsstück 23, durch das das Hochtemperatur-Verbrennungsgas „g“ strömt, kann effektiv gekühlt werden. Da die Druckluft „a“ beim Durchströmen der wandinternen Strömungswege 26 bis 28 erwärmt wird, steigt die Temperatur der Druckluft „a“ am und um den Auslass des wandinternen Strömungswegs, wenn sich jeder wandinterne Strömungsweg von einem Ende zu dem anderen Ende des Übergangsstücks 23 erstreckt, weil der wandinterne Strömungsweg lang ist, so dass die Kühlwirkung abnimmt.
Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Ausführungsform das Übergangsstück 23 in eine Vielzahl von Bereichen in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ unterteilt, und in jedem Bereich wird eine unabhängige Strömungsweggruppe gebildet, um die Länge jedes wandinternen Strömungswegs zu verringern. Die Temperatur der Druckluft „a“ am und um den Auslass jedes der wandinternen Strömungswege 26 bis 28 kann so niedrig gehalten werden, und die Wirkung der Kühlung des Übergangsstücks 23 kann verstärkt werden.
Zwischen der aus dem Auslass 26b eines wandinternen Strömungsweges 26 der ersten Strömungsweggruppe 26G austretenden Druckluft „a“ und der in den Einlass 27a eines wandinternen Strömungsweges 27 der zweiten Strömungsweggruppe 27G einströmenden Druckluft „a“ besteht jedoch ein Temperaturunterschied. Dementsprechend werden in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ in dem Plattenmaterial 25 an und um die Auslässe 26b und die Einlässe 27a Temperaturgradienten erzeugt, was die Spannungskonzentration aufgrund des Vorhandenseins der Auslässe 26b erhöhen kann. Vor diesem Hintergrund wird ein teilweiser Überlappungsbereich zwischen dem Einbaubereich der ersten Strömungsweggruppe 26G und dem Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe 27G geschaffen, und ein Anstieg der Spannungen an und um die Auslässe 26b und die Einlässe 27a kann durch die Gewährleistung von Intervallen zwischen den Auslässen 26b und den Einlässen 27a verringert werden. Das Gleiche gilt auch für eine überlappende Struktur zwischen der zweiten Strömungsweggruppe 27G und der dritten Strömungsweggruppe 28G.
Insbesondere werden in der vorliegenden Ausführungsform die Überlappungsbeträge L1 und L2 für Abschnitte, in denen die Formänderung des Übergangsstücks 23 relativ groß ist, größer eingestellt als für Abschnitte, in denen die Formänderung des Übergangsstücks 23 relativ klein ist. An den Abschnitten mit großen Formänderungen, die hinsichtlich der Festigkeit besonders nachteilig sind, kann daher sichergestellt werden, dass die Einlässe 27a und 28a, in die die Druckluft „a“ mit relativ niedriger Temperatur einströmt, und die Auslässe 26b und 27b, aus denen die Druckluft „a“ mit relativ hoher Temperatur austritt, voneinander beabstandet sind. Dadurch können Temperaturgradienten und Spannungskonzentrationen in den Bereichen um die Auslässe 26b und 27b der wandinternen Strömungswege 26 und 27 insgesamt verringert und die Lebensdauer des Übergangsstücks 23 verlängert werden.
(2) Zudem besteht die Befürchtung, dass die Verbrennungstemperatur sinkt und die Verbrennungsstabilität beeinträchtigt wird, wenn die Zufuhrrate der Druckluft „a“ zu dem Brenner 22 unter einer Betriebsbedingung mit einer niedrigen Brennstoffzufuhrrate zu hoch wird. In Anbetracht dessen kann bei der vorliegenden Ausführungsform versucht werden, die Verbrennungsstabilität zu verbessern, indem bewirkt wird, dass ein Teil der Druckluft „a“ den Brenner 22 über die große Anzahl von Verdünnungslöchern mit kleinem Durchmesser 29 umgeht und der Teil der Druckluft „a“ einem Bereich zugeführt wird, der sich im inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a des Übergangsstücks 23 befindet und wo Verbrennungsreaktionen abgeschlossen sind.
Das Übergangsstück 23 wird jedoch in einer thermisch anspruchsvollen Umgebung verwendet, da das Hochtemperatur-Verbrennungsgas „g“, das in der Verbrennungskammer 21a Verbrennungsreaktionen durchlaufen hat, hindurchströmt. Außerdem nehmen die Spannungen in der Form leicht zu, weil sich die Form des Übergangsstücks von einem kreisförmigen zu einem quadratischen Querschnitt ändert. Wenn das Übergangsstück 23 mit Verdünnungslöchern 29 versehen ist, können sich die Spannungen um die Verdünnungslöcher 29 herum konzentrieren.
Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform in jedem Zwischenraum zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten wandinternen Strömungswegen 27 der zweiten Strömungsweggruppe 27G ein Verdünnungsloch 29 näher an den Einlässen 27a der wandinternen Strömungswege 27 der zweiten Strömungsweggruppe 27G als an den Auslässen 27b angeordnet. An und um die Einlässe 27a der wandinternen Strömungswege 27 weist das Plattenmaterial 25 niedrige Metalltemperaturen und geringe Spannungen auf, weil jene Bereiche durch die Druckluft „a“ mit relativ niedriger Temperatur, die gerade in die wandinternen Strömungswege 27 eingeströmt ist, gekühlt werden. Durch Bilden der Verdünnungslöcher 29 an diesen Stellen kann die Spannungskonzentration an und um die Verdünnungslöcher 29 herum verringert werden, und das mit der Bildung der Verdünnungslöcher 29 verbundene Risiko in Bezug auf die Festigkeit kann verringert werden. Zudem kann die durch die Verdünnungslöcher 29 strömende Druckluft „a“ auch zur Kühlung des Übergangsstücks 23 beitragen.
(3) Falls die Zahl der Verdünnungslöcher 29 verringert und deren Öffnungsbereichsgrößen um einen entsprechenden Betrag vergrößert werden, stören die Verdünnungslöcher 29 die wandinternen Strömungswege 27. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl der Verdünnungslöcher 29 jedoch im Wesentlichen gleich der Anzahl der in großer Zahl vorhandenen wandinternen Strömungswege 27, und die Öffnungsbereichsgrößen der einzelnen Verdünnungslöcher 29 werden klein gehalten. Störungen zwischen den Verdünnungslöchern 29 und den wandinternen Strömungswegen 27 können so vermieden werden, und die für die wandinternen Strömungswege 27 vorgesehene Kühlwirkung wird nicht beeinträchtigt. Da eine große Anzahl von Verdünnungslöchern 29 mit kleinem Durchmesser eine ringförmige Linie bilden, kann zudem eine Filmkühlmembran (Kühlluftschicht) gebildet werden, welche die Innenwand des Übergangsstücks 23 bedeckt. Die Druckluft „a“, die dazu gebracht wird, durch die Verdünnungslöcher 29 zu strömen, um die Verbrennungsstabilität durch Umgehung des Brenners 22 zu verbessern, verdoppelt sich als Film-Kühlluft, und kann auch zum Schutz des Übergangsstücks 23 vor der Hitze des Verbrennungsgases „g“ beitragen.
(4) Um zu verhindern, dass ein Teil der Druckluft „a“ dazu gebracht wird, den Brenner 22 zu umgehen und sich mit dem Verbrennungsgas „g“ zu vermischen und die Verbrennungsreaktionen der Flammen zu beeinflussen, ist es vorteilhaft, die Verdünnungslöcher 29 näher an der Gasturbine 30 anzuordnen. Falls jedoch die Abstände zwischen der Gasturbine 30 und den Verdünnungslöchern 29 zu kurz sind, wird die Druckluft „a“, die einen großen Temperaturunterschied zum Verbrennungsgas „g“ aufweist, nicht ausreichend mit dem Verbrennungsgas „g“ vermischt, das Verbrennungsgas „g“ strömt in die Gasturbine 30 in einem Zustand, in dem seine Temperaturverteilung nicht gleichmäßig ist, und die Spannungen in der Gasturbine 30 können zunehmen.
Angesichts dessen wird in der vorliegenden Ausführungsform sichergestellt, dass die Druckluft „a“, die aus den Verdünnungslöchern 29 austritt, die zwischen den wandinternen Strömungswegen 27 eingebaut sind, einen Abstand zum Vermischen mit dem Verbrennungsgas „g“ erhält, welcher gleich der Länge der ersten Strömungsweggruppe 26G ist, bevor die Druckluft „a“ der Gasturbine 30 zugeführt wird. Dementsprechend kann die Druckluft „a“, die aus den Verdünnungslöchern 29 in den Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a ausgetreten ist, ausreichend mit dem Verbrennungsgas „g“ vermischt werden, so dass die Temperaturverteilung des Verbrennungsgases „g“ gleichmäßig gemacht werden kann und die Spannungserhöhungen der Gasturbine 30 verringert werden können.
(Zweite Ausführungsform)
11 ist eine schematische Darstellung eines Teils der äußeren Umfangsfläche des Übergangsstücks gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und entspricht 4 der ersten Ausführungsform. Elemente in 11, die mit ihren Gegenstücken in der ersten Ausführungsform identisch sind oder ihnen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie die in der ersten Ausführungsform, und Erklärungen dazu werden weggelassen.
Ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform liegt darin, dass in der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform die Strömungsrichtungen der Druckluft „a“ durch die wandinternen Strömungswege, die sich jeweils in der ersten Strömungsweggruppe 26G bis zur dritten Strömungsweggruppe 28G befinden und in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 einander benachbart sind, einander entgegengesetzt sind. Insbesondere weisen die wandinternen Strömungswege 26, die sich in der ersten Strömungsweggruppe 26G befinden und in Umfangsrichtung des Übergangsstücks 23 benachbart sind, die Einlässe 26a und die Auslässe 26b aneinander gegenüberliegenden Enden auf. Der erste und der dritte wandinterne Strömungsweg 26 weisen in 11 von oben gesehen die Einlässe 26a, die auf der Gasturbinenseite angeordnet sind, und die Auslässe 26b, die auf der Seite der Brennkammerauskleidung angeordnet sind, auf. Der zweite wandinterne Strömungsweg 26 zwischen diesen weist den Einlass 26a auf, der auf der Seite der Brennkammerauskleidung positioniert ist, und den Auslass 26b auf, der auf der Seite der Gasturbine positioniert ist. In ähnlicher Weise weist der obere wandinterne Strömungsweg 27 den Einlass 27a auf der Gasturbinenseite und den Auslass 27b auf der Seite der Brennkammerauskleidung auf. Der untere wandinterne Strömungsweg 27 weist den Einlass 27a auf der Seite der Brennkammerauskleidung auf und den Auslass 27b auf der Seite der Gasturbine auf. Obwohl nicht dargestellt, gilt das Gleiche auch für die wandinternen Strömungswege 28 in der dritten Strömungsweggruppe 28G.
Abgesehen davon weist die vorliegende Ausführungsform eine ähnliche Konfiguration auf wie die erste Ausführungsform.
Zusätzlich zu ähnlichen Effekten wie bei der ersten Ausführungsform weisen bei der vorliegenden Ausführungsform benachbarte wandinterne Strömungswege in der ersten Strömungsweggruppe 26G bis zur dritten Strömungsweggruppe 28G jeweils entgegengesetzte Strömungsrichtungen der Druckluft „a“ auf, so dass der Vorteil besteht, dass die Entstehung von Temperaturgradienten, die eine Ursache für Spannungen sind, unwahrscheinlich ist.
(Dritte Ausführungsform)
12 und 13 sind Querschnittsansichten des Plattenmaterials des Übergangsstücks gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Elemente in 12 und 13, die mit ihren Gegenstücken in der ersten und zweiten Ausführungsform identisch sind oder ihnen entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die in der ersten und zweiten Ausführungsform, und Erklärungen dazu werden weggelassen.
Ein Unterschied zu der ersten und zweiten Ausführungsform liegt darin, dass in der vorliegenden Ausführungsform in zumindest einer Strömungsweggruppe in der ersten Strömungsweggruppe 26G bis zur dritten Strömungsweggruppe 28G die Querschnittsflächengrößen der Strömungswege auf der Seite, die näher an den Auslässen der wandinternen Strömungswege liegt, kleiner sind als die Querschnittsflächengrößen der Strömungswege auf der Seite, die näher an den Einlässen der wandinternen Strömungswege liegt. In einem in 12 dargestellten Beispiel ist jeder wandinterne Strömungsweg 26 in der ersten Strömungsweggruppe 26G konisch geformt, und die Querschnittsfläche des Strömungswegs nimmt vom Einlass zum Auslass hin kontinuierlich ab. In einem in 13 dargestellten Beispiel ist an der Innenwand jedes wandinternen Strömungswegs 26 in der ersten Strömungsweggruppe 26G eine Stufe vorgesehen, und die Querschnittsfläche des Strömungswegs in einem Abschnitt auf der Auslassseite nimmt relativ zu einem Abschnitt auf der Einlassseite stufenweise ab. Während in den Beispielen in 12 und 13 die wandinternen Strömungswege 26 in der ersten Strömungsweggruppe 26G als Anwendungsbeispiele dargestellt sind, können ähnliche Konfigurationen auch auf die wandinternen Strömungswege 27 in der zweiten Strömungsweggruppe 27G und die wandinternen Strömungswege 28 in der dritten Strömungsweggruppe 28G angewendet werden. Es reicht aus, wenn die Auslässe der wandinternen Strömungswege kleiner sind als ihre Einlässe in zumindest einer Strömungsweggruppe der ersten Strömungsweggruppe 26G, der zweiten Strömungsweggruppe 27G und der dritten Strömungsweggruppe 28G.
Im Übrigen ist die vorliegende Ausführung ähnlich aufgebaut wie die erste oder zweite Ausführung.
Zusätzlich zu den Wirkungen, die denen der ersten oder zweiten Ausführungsform ähneln, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Wirkung zur Verringerung der Temperaturgradienten des Plattenmaterials 25 aufgrund der Anpassung der Strömungsraten der durch die wandinternen Strömungswege strömenden Druckluft „a“ erwartet werden. Das heißt, während die Druckluft „a“, die durch jeden wandinternen Strömungsweg strömt, erwärmt wird, wenn sie sich dem Auslass des wandinternen Strömungswegs nähert, erhöht sich bei der vorliegenden Ausführungsform die Strömungsrate der Druckluft „a“ mit einer relativ hohen Temperatur im Vergleich zu derjenigen der Druckluft „a“ mit einer relativ niedrigen Temperatur in jedem wandinternen Strömungsweg. Dementsprechend wird die Wärmeübertragungsrate auf das Plattenmaterial 25 von der Druckluft „a“, die durch den wandinternen Strömungsweg strömt, angepasst, und die Erzeugung von Temperaturgradienten in dem Plattenmaterial 25 kann verringert werden.
(Modifikationsbeispiele)
Obgleich die Strömungsrichtung der Druckluft „a“, die durch jeden wandinterne Strömungsweg strömt, in der Konfiguration der ersten Ausführungsform der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“, das durch den Verbrennungsgas-Strömungsweg 23a strömt, entgegengesetzt ist, kann die Strömungsrichtung der Druckluft „a“ in jedem wandinternen Strömungsweg mit der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases „g“ identisch gemacht werden.
Zudem, obgleich drei Strömungsweggruppen, die die erste Strömungsweggruppe 26G bis die dritte Strömungsweggruppe 28G sind, in dem Übergangsstück 23 in der Konfiguration, die als Beispiel in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, vorgesehen sind, kann der Bereich des Übergangsstücks 23 im Übrigen in Zwei unterteilt sein, und zwei Strömungsweggruppen können vorgesehen sein. Alternativ kann der Bereich des Übergangsstücks 23 in vier oder mehr unterteilt sein, und es können vier oder mehr Strömungsweggruppen vorgesehen werden. Wenn es zwei Strömungsweggruppen gibt, gibt es einen Überlappungsabschnitt, aber die oben beschriebene wesentliche Wirkung (1) kann erreicht werden, falls sich der Überlappungsbetrag gemäß dem Betrag der Formänderung des Übergangsstücks 23 in Abhängigkeit von der Umfangsposition ändert.
Obgleich in der als Beispiel erläuterten Konfiguration eine ringförmige Reihe von Verdünnungslöchern 29 entlang des Überlappungsabschnitts OL1 vorgesehen ist, kann stattdessen oder zusätzlich dazu eine ringförmige Reihe von Verdünnungslöchern 29 entlang des Überlappungsabschnitts OL2 vorgesehen sein. Falls nicht erforderlich, können die Verdünnungslöcher 29 auch entfallen.
Jeder der wandinternen Strömungswege 26 bis 28 kann sich einen Einlass oder einen Auslass mit einem benachbarten wandinternen Strömungsweg teilen. Das heißt, ein Einlass oder ein Auslass kann erweitert sein oder als Langloch ausgebildet sein, das in Umfangsrichtung lang ist, und der eine Einlass oder Auslass kann mit einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen in Verbindung stehen.
Obgleich in dem erläuterten Beispiel die geschlitzte Außenplatte 25a mit der Innenplatte 25b des Plattenmaterials 25 zusammengeklebt wird, um die wandinternen Strömungswege 26 bis 28 zu bilden, kann das Verfahren zur Bildung der wandinternen Strömungswege 26 bis 28 bei Bedarf geändert werden.
Bezugszeichenliste

10: Kompressor
20: Brennkammer
21: Brennkammerauskleidung
23: Übergangsstück
23a: Verbrennungsgas-Strömungsweg
25: Plattenmaterial
26 bis 28: wandinterner Strömungsweg
26a, 27a, 28a: Einlass
26b, 27b, 28b: Auslass
26G: erste Strömungsweggruppe
27G: zweite Strömungsweggruppe
28G: dritte Strömungsweggruppe
30: Gasturbine
101a: Druckluft-Hauptströmungsweg
100: Gasturbinenmotor
a: Druckluft
g: Verbrennungsgas
L1, L2: Überlappungsbetrag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201498352 A [0004]

Claims

Übergangsstück (23), das an einer Brennkammer (20) vorgesehen ist, die eine Gasturbine (30) mit einem Verbrennungsgas (g) versorgt, das durch Verbrennen eines Brennstoffs zusammen mit Druckluft (a), die in einem Kompressor (10) eines Gasturbinenmotors (100) komprimiert wird, innerhalb einer Brennkammerauskleidung (21) erzeugt wird, wobei das Übergangsstück (23) die Brennkammerauskleidung (21) und die Gasturbine (30) verbindet und aus einem Plattenmaterial (25) in einer rohrförmigen Form derart gebildet ist, dass das Übergangsstück (23) einen äußeren Druckluft-Hauptströmungsweg (101a), der die Druckluft (a) von dem Kompressor (10) zu der Brennkammer (20) zuführt, und einen inneren Verbrennungsgas-Strömungsweg (23a), der das Verbrennungsgas (g) von der Brennkammerauskleidung (21) zu der Gasturbine (30) zuführt, voneinander trennt, wobei das Übergangsstück (23) umfasst: eine erste Strömungsweggruppe (26G), die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen (26-28) in einer Umfangsrichtung des Übergangsstücks (23) gebildet wird, die sich innerhalb des Plattenmaterials (25) von einer Seite, die näher an der Gasturbine (30) liegt, zu einer Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung (21) liegt, erstrecken; und eine zweite Strömungsweggruppe (27G), die auf einer Seite positioniert ist, die näher an der Brennkammerauskleidung (21) liegt als die erste Strömungsweggruppe (26G), und die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen (26-28) in der Umfangsrichtung des Übergangsstücks (23) gebildet wird, die sich innerhalb des Plattenmaterials (25) von der Seite, die näher an der Gasturbine (30) liegt, zu der Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung (21) liegt, erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass jeder wandinterne Strömungsweg (26-28) in der ersten Strömungsweggruppe (26G) und der zweiten Strömungsweggruppe (27G) einen Einlass (26a-28a), der sich an einem Endabschnitt in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (g) befindet und der dem Druckluft-Hauptströmungsweg (101a) zugewandt ist, und einen Auslass (26b-28b), der sich an einem anderen Endabschnitt in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (g) befindet und der dem Verbrennungsgas-Strömungsweg (23a) zugewandt ist, aufweist, ein Einbaubereich der ersten Strömungsweggruppe (26G) und ein Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe (27G) sich in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (g) teilweise um einen vorbestimmten Überlappungsbetrag (L1) überlappen, und der Überlappungsbetrag (L1) für einen Abschnitt, in dem eine Formänderung des Übergangsstücks (23) relativ groß ist, verglichen mit einem Abschnitt, in dem die Formänderung des Übergangsstücks (23) relativ klein ist, groß eingestellt wird.
Übergangsstück (23) gemäß Anspruch 1, wobei die Formänderung eine Krümmung des Plattenmaterials (25), eine Änderungsrate der Querschnittsflächengröße des Übergangsstücks (23) oder eine Änderungsrate der Breite des Übergangsstücks (23) ist.
Übergangsstück (23) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Überlappungsbetrag (L1) teilweise in Abhängigkeit von einer Umfangsposition des Übergangsstücks (23) unterschiedlich gestaltet ist.
Übergangsstück (23) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine dritte Strömungsweggruppe (28G), die auf einer Seite angeordnet ist, die näher an der Brennkammerauskleidung (21) liegt als die zweite Strömungsweggruppe (27G), und die durch Anordnen einer Vielzahl von wandinternen Strömungswegen (26-28) in der Umfangsrichtung des Übergangsstücks (23) gebildet wird, die sich innerhalb des Plattenmaterials (25) von einer stromabwärtigen Seite, die näher an der Gasturbine (30) liegt, zu einer stromaufwärtigen Seite, die näher an der Brennkammerauskleidung (21) liegt, erstrecken, wobei der Einbaubereich der zweiten Strömungsweggruppe (27G) und ein Einbaubereich der dritten Strömungsweggruppe (28G) sich in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (g) teilweise um einen vorbestimmten Überlappungsbetrag (L2) überlappen, und der Überlappungsbetrag (L2) der zweiten Strömungsweggruppe (27G) und der dritten Strömungsweggruppe (28G) sich teilweise von dem Überlappungsbetrag (L1) der ersten Strömungsweggruppe (26G) und der zweiten Strömungsweggruppe (27G) unterscheidet.
Übergangsstück (23) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei benachbarte wandinterne Strömungswege (26-28) in jeder der ersten Strömungsweggruppe (26G) und der zweiten Strömungsweggruppe (27G) derart konfiguriert sind, dass Strömungsrichtungen der Druckluft (a) durch sie einander entgegengesetzt werden.
Übergangsstück (23) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder wandinterne Strömungsweg (26-28) in der ersten Strömungsweggruppe (26G) und der zweiten Strömungsweggruppe (27G) derart konfiguriert ist, dass die Druckluft (a) veranlasst wird, in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases (g) hindurchzutreten, und jeder wandinterne Strömungsweg (26-28) der ersten Strömungsweggruppe (26G) und/oder der zweiten Strömungsweggruppe (27G) eine kleinere Strömungsweg-Querschnittsflächengröße auf einer Seite näher an dem Auslass (26b-28b) als eine Strömungsweg-Querschnittsflächengröße auf einer Seite näher an dem Einlass (26a-28a) aufweist.
Brennkammer (20), umfassend das Übergangsstück (23) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Gasturbinenmotor (100), umfassend: einen Kompressor (10), der Luft komprimiert, um Druckluft (a) zu erzeugen; die Brennkammer (20) gemäß Anspruch 7, die durch Verbrennen eines Brennstoffs zusammen mit der von dem Kompressor (10) gelieferten Druckluft (a) ein Verbrennungsgas (g) erzeugt; und eine Gasturbine (30), die durch das von der Brennkammer (20) zugeführte Verbrennungsgas (g) angetrieben wird.