B09-1719FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Cadre arrière avec fentes de refroidissement de forme ovale et procédé associé Invention de : TURAGA Vijay Kumar Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 30 juin 2008 sous le n° 12/216.078 B09-1719EN Company known as: GENERAL ELECTRIC COMPANY Rear frame with oval cooling slots and associated process Invention of: TURAGA Vijay Kumar Priority of a patent application filed in the United States of America on June 30, 2008 under no. 12 / 216,078
Cadre arrière avec fentes de refroidissement de forme ovale et procédé associé Cette invention concerne la technologie de refroidissement des turbines, et, plus particulièrement, le refroidissement d'un composant de cadre arrière venant en interface entre la pièce de transition de chambre de combustion et une buse de turbine d'étage 1. Une "pièce de transition", comme on le comprend dans le contexte d'une chambre de combustion à boîte annulaire pour une turbine à gaz de génération d'énergie, est un conduit qui relie le chemisage de la chambre de combustion à la buse de premier étage de la turbine. Le cadre arrière est un composant qui est situé à l'extrémité de sortie de la pièce de transition, et qui agit par conséquent comme interface entre la pièce de transition et la buse d'étage 1. Il est exposé aux gaz chauds s'écoulant dans la buse d'étage 1, et, par conséquent, le refroidissement du composant de cadre arrière est un souci. De façon plus caractéristique, les gaz chauds s'écoulant à travers la pièce de transition recirculent dans une rainure entre le cadre arrière et la buse d'étage 1, provoquant des gradients thermiques élevés. Par conséquent, un refroidissement efficace doit être prévu sur la face arrière du cadre arrière, à savoir le côté du cadre dirigé vers la buse d'étage 1. Actuellement, des configurations de cadre arrière caractéristiques incorporent des trous de refroidissement avec des sections transversales circulaires pour dévier une partie d'un écoulement à travers un manchon d'impact (qui entoure la pièce de transition) dans ces trous pour refroidir le cadre arrière. Cependant, il reste un besoin pour un refroidissement plus efficace du cadre arrière de la pièce de transition. Selon un exemple de réalisation de cette invention, qui n'est pas limitatif, des trous de refroidissement de forme ovale ou elliptique sont réalisés autour de la périphérie du cadre arrière. Du fait que des trous de forme ovale ou elliptique procurent une plus grande surface pour un refroidissement par convection efficace pour une surface de section transversale donnée, le refroidissement du cadre arrière est amélioré. Par conséquent, dans un aspect, l'invention concerne un cadre arrière adapté pour venir en interface entre une pièce de transition de chambre de combustion et une buse de turbine de premier étage, comprenant : un cadre à périphérie fermée comprenant des parois supérieure, inférieure et une paire de parois latérales ; et une pluralité d'ouvertures de refroidissement s'étendant à travers une ou plusieurs des parois supérieure, inférieure et de la paire de parois latérales, les ouvertures de refroidissement ayant une forme de section transversale elliptique ou ovale. Dans un autre aspect, l'invention concerne un cadre arrière adapté pour venir en interface entre une pièce de transition de chambre de combustion et une buse de turbine de premier étage, comprenant : un cadre à périphérie fermée comprenant des parois supérieure, inférieure et une paire de parois latérales ; et une pluralité d'ouvertures de refroidissement ayant une forme de section transversale elliptique ou ovale réalisées dans chacune des parois supérieure, inférieure et de la paire de parois latérales, s'étendant axialement à travers le cadre ; et dans lequel les ouvertures de refroidissement comportent des axes principaux et secondaires, disposés de telle sorte que les axes principaux soient sensiblement parallèles aux parois supérieure et inférieure. Dans encore un autre aspect, l'invention concerne un procédé de formation d'un cadre arrière de turbine adapté pour venir en interface entre une pièce de transition de chambre de combustion et une buse de turbine de chambre de combustion de premier étage, comprenant : a) la réalisation d'un cadre arrière à périphérie fermée comportant des parois supérieure et inférieure et une paire de parois latérales ; et b) la formation de trous de refroidissement de forme elliptique dans au moins l'une parmi lesdites parois supérieure, inférieure et ladite paire de parois latérales, s'étendant axialement à travers le cadre arrière. L'invention va à présent être décrite plus en détail en relation avec les figures identifiées ci-dessous : - la figure 1 est une vue en perspective d'un cadre arrière de pièce de transition caractéristique de construction connue ; - la figure 2 est un détail agrandi montrant des fentes ou des trous de refroidissement circulaires connus formés dans le cadre arrière ; et - la figure 3 est un détail agrandi illustrant la forme ovale ou elliptique des trous de refroidissement destinés à être employés dans un cadre arrière du type montré, par exemple, en figure 1. BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to turbine cooling technology and, more particularly, to the cooling of a rear frame component interfacing between the combustion chamber transition piece and a Stage Turbine Nozzle 1. A "transition piece", as understood in the context of a ring box combustion chamber for an energy generating gas turbine, is a conduit that connects the combustion chamber at the first stage nozzle of the turbine. The rear frame is a component that is located at the outlet end of the transition piece, and therefore acts as an interface between the transition piece and the floor nozzle 1. It is exposed to hot gases flowing in the floor nozzle 1, and therefore the cooling of the rear frame component is a concern. More typically, the hot gases flowing through the transition piece recirculate in a groove between the back frame and the floor nozzle 1, causing high thermal gradients. Therefore, effective cooling must be provided on the rear face of the rear frame, ie the side of the frame facing the floor nozzle 1. Currently, typical rear frame configurations incorporate cooling holes with circular cross sections to deflect a portion of a flow through an impact sleeve (which surrounds the transition piece) into these holes to cool the rear frame. However, there remains a need for more efficient cooling of the rear frame of the transition piece. According to an exemplary embodiment of this invention, which is not limiting, oval or elliptical cooling holes are made around the periphery of the rear frame. Because oval or elliptical holes provide a larger area for efficient convection cooling for a given cross-sectional area, cooling of the back frame is improved. Accordingly, in one aspect, the invention relates to a rear frame adapted to interface between a combustion chamber transition piece and a first stage turbine nozzle, comprising: a closed periphery frame comprising upper, lower walls and a pair of sidewalls; and a plurality of cooling apertures extending through one or more of the upper, lower walls and the pair of sidewalls, the cooling apertures having an elliptical or oval cross-sectional shape. In another aspect, the invention relates to a rear frame adapted to interface with a combustion chamber transition piece and a first stage turbine nozzle, comprising: a closed periphery frame including upper, lower, and lower walls; pair of side walls; and a plurality of cooling apertures having an elliptical or oval cross sectional shape formed in each of the upper, lower, and sidewall pair walls extending axially through the frame; and wherein the cooling apertures have major and minor axes arranged so that the major axes are substantially parallel to the upper and lower walls. In yet another aspect, the invention relates to a method of forming a turbine rear frame adapted to interface an a combustion chamber transition piece and a first stage combustion chamber turbine nozzle, comprising: a) providing a closed periphery rear frame having upper and lower walls and a pair of side walls; and b) forming elliptic-shaped cooling holes in at least one of said upper, lower and said pair of sidewalls extending axially through the rear frame. The invention will now be described in more detail in relation to the figures identified below: FIG. 1 is a perspective view of a characteristic transition piece rear frame of known construction; FIG. 2 is an enlarged detail showing known circular cooling slots or holes formed in the rear frame; and Figure 3 is an enlarged detail illustrating the oval or elliptical shape of the cooling holes for use in a rear frame of the type shown, for example, in Figure 1.
Si l'on se réfère à la figure 1, un cadre arrière 10 qui joue le rôle d'interface entre une pièce de transition classique (non représentée) et une buse de turbine de premier étage (également non représentée) comprend des parois supérieure et inférieure 12, 14, respectivement, et une paire de parois latérales 16, 18, qui constituent le cadre à périphérie fermée. Des composants de montage, tels que des étriers 20 et 22, facilitent le raccordement du cadre arrière à la buse de turbine de premier étage. Cependant, le mode de fixation exact ne fait pas partie de cette invention, et, dans tous les cas, toute technique de fixation appropriée peut être employée. On appréciera le fait qu'une pièce de transition classique est fixée au côté opposé du cadre arrière, s'étendant entre la buse de premier étage et le chemisage de chambre de combustion. On peut trouver des exemples de ce type de configuration dans les Brevets US N° 6 412 268 et 6 547 257. Si l'on se réfère à présent à la figure 2, des trous de refroidissement circulaires 24 sont, de façon caractéristique, espacés autour de la périphérie du cadre arrière, permettant à de l'air de refroidissement de s'écouler axialement dans les trous et à travers le cadre arrière, de façon à refroidir ainsi le cadre. La figure 3 illustre une forme de trou de refroidissement modifiée qui produit un meilleur refroidissement, plus efficace, du cadre arrière. De façon caractéristique, tout ou partie des trous ou ouvertures de refroidissement s'étendant axialement 26 ont une forme de section transversale elliptique ou ovale, de façon à accroître ainsi la surface pour un refroidissement par convection plus efficace pour une surface de section transversale donnée. Des trous ou ouvertures de refroidissement elliptiques 26 peuvent être utilisés exclusivement ou en combinaison avec des trous de refroidissement circulaires (par exemple, les trous 24), selon ce qui est déterminé par les exigences de refroidissement spécifiques. Les dimensions pour les trous elliptiques peuvent également varier en fonction des exigences de refroidissement. Les trous de refroidissement elliptiques 26 peuvent être réalisés dans l'une quelconque ou dans plusieurs (ou dans la totalité) parmi les parois supérieure, inférieure et latérales 12, 14, 16 et 18, respectivement, du cadre arrière. De préférence, les axes principaux des ouvertures de refroidissement sont sensiblement parallèles aux parois supérieure et inférieure du cadre arrière. Referring to FIG. 1, a rear frame 10 which acts as an interface between a conventional transition piece (not shown) and a first stage turbine nozzle (also not shown) comprises top and bottom walls. bottom 12, 14, respectively, and a pair of side walls 16, 18, which constitute the closed periphery frame. Mounting components, such as brackets 20 and 22, facilitate connection of the rear frame to the first stage turbine nozzle. However, the exact method of attachment is not part of this invention, and in any case any suitable fastening technique may be employed. It will be appreciated that a conventional transition piece is attached to the opposite side of the rear frame, extending between the first stage nozzle and the combustion chamber liner. Examples of this type of configuration can be found in US Pat. Nos. 6,412,268 and 6,547,257. Referring now to FIG. 2, circular cooling holes 24 are typically spaced apart. around the periphery of the rear frame, allowing cooling air to flow axially through the holes and through the rear frame, thereby cooling the frame. Figure 3 illustrates a modified cooling hole shape that produces better, more efficient cooling of the rear frame. Typically, all or part of the axially extending cooling holes or apertures 26 are elliptical or oval in cross-sectional shape, thereby increasing the area for more efficient convection cooling for a given cross-sectional area. Elliptical cooling holes or apertures 26 may be used exclusively or in combination with circular cooling holes (e.g., holes 24), as determined by the specific cooling requirements. The dimensions for the elliptical holes may also vary depending on the cooling requirements. The elliptical cooling holes 26 may be made in any one or more (or all) of the top, bottom and side walls 12, 14, 16 and 18, respectively, of the rear frame. Preferably, the main axes of the cooling openings are substantially parallel to the upper and lower walls of the rear frame.