JP2002155759A - 衝突冷却遷移ダクトの側板冷却を強化する空力装置及び関連方法 - Google Patents

衝突冷却遷移ダクトの側板冷却を強化する空力装置及び関連方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の燃焼器をガスタービンの第１段へ接続
する遷移ダクトの冷却。 【解決手段】 ガスタービン用の尾筒組立体は、ガスタ
ービン燃焼器に接続するようになっている一方の端部及
び第１タービン段に接続するようになっている反対側の
端部と、１対の側板とを有する遷移ダクトを含む。該組
立体はまた、遷移ダクトを包囲し、遷移ダクトとの間に
冷却通路を確立する衝突スリーブを含む。衝突スリーブ
には、スリーブ内の複数列の冷却穴、及び、各々が冷却
穴の１つを少なくとも部分的に包囲する衝突スリーブ外
面上の複数の流れキャッチャ装置が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にターボ機械
に関するもので、より詳しくは、複数の燃焼器をガスタ
ービンの第１段へ接続する遷移ダクトの冷却に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】一般的な配置において、燃焼器は、圧縮
機の吐出し口の内部に環状整列体として配置され、一方
の端部でそれぞれの円筒形燃焼器ライナに形状適合する
ように、また反対側の端部でタービン段入口に形状適合
するように各々形づくられた遷移ダクトによってタービ
ンの第１段へ接続される。後者の端部において、遷移ダ
クトは、遷移ダクトがタービンにしっかり固定される外
端フレームを有する。本出願人の一連のガスタービン製
品における乾燥低ＮＯｘ燃焼装置では、穴あき衝突冷却
スリーブが遷移ダクトを包囲しており、圧縮機吐出し冷
却空気を遷移ダクトと接触するように向けるために用い
られる。この冷却空気は、最終的に燃焼器の燃料と混合
する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】遷移ダクトとそれらに
付随する衝突スリーブは、圧縮機吐出しケーシングに非
常に緊密に一緒にして詰め込まれている。その結果、圧
縮機吐出し空気が遷移ダクトの外側部分を冷却するため
に通って流れることができる区域が殆どない。その結
果、空気は、隣接する遷移ダクトの側板の間の狭い隙間
を通って非常に早い速度で移動し、従って、空気の静圧
は比較的低い。衝突冷却は静圧の差に依存するので、遷
移ダクトの側板は、極めて不十分に冷却される。この結
果、ダクトの低サイクル疲労寿命は、規定寿命を下回る
場合がある。衝突冷却により遷移ダクトを冷却する例
は、本出願人が所有する米国特許第４、７１９、７４８
号に見出すことができる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の例示的実施形態
によると、遷移ダクトの側板の不十分な冷却は、衝突ス
リーブの外面に、好ましくはスリーブの側板に沿って、
従ってまた遷移ダクトの側板に隣接して、スクープを取
り付けることで改善される。これらのスクープは、流れ
が高速で通過する時に流れを停滞させ、流れを遷移ダク
トの側板上に向け直す。この向け直された流れは、材料
特性が十分良好であって所要の使用寿命を達成する温度
範囲まで金属を冷却するのに十分な冷却を供給する。ス
クープは様々な形状を持ってよく、スリーブの形状、圧
縮機吐出しケーシング内の流れ、及び、遷移ダクトに対
する熱負荷によって決定される数及び位置でスリーブに
固定されてよい。
【０００５】更に、スクープ無しの衝突冷却穴に対する
衝突冷却の相対的効果は、これら冷却穴に対する衝突ス
リーブ外側上の流れ剥離の正確な点により達成される。
すなわち、本発明の別の形態は、目標とする位置におい
て一貫した流れ剥離を強制するために衝突スリーブの表
面に空力装置を付け加えることである。この点に関して
は、遷移ダクト外側の高温側板区域の縁部の位置におい
て、特定の負荷及び幾何学形条件下で温度の急速かつ反
復する変動を見ることができることが試験で観察されて
いる。この温度場の不安定性は、圧縮機の吐出し渦や他
の要因の変化に応答して動き回る衝突スリーブ上部の剥
離点に起因する。この問題の解決法は、冷却穴に対して
与えられる位置において流れが確実に剥離し、それによ
り安定した冷却流れを生み出す特徴を衝突スリーブの表
面上に置くことである。例示的実施例において、１つ又
はそれ以上の例えば針金（又は、複数の針金）などの中
実部材が、衝突スリーブの外面に固定され、隣接する衝
突スリーブ間の最小空間の線の外側の、また、衝突スリ
ーブの側板に沿って配置されたスクープ整列体の外側の
スリーブにほぼ沿って延びる。
【０００６】従って１つの態様において、本発明は、ガ
スタービン燃焼器に接続するようになっている一方の端
部及び第１タービン段に接続するようになっている反対
側の端部と、１対の側板とを有する遷移ダクト、遷移ダ
クトを包囲し、遷移ダクトとの間に冷却通路を確立する
衝突スリーブ、スリーブ内の複数列の冷却穴を形成され
た衝突スリーブ、及び、各々が冷却穴の１つを少なくと
も部分的に包囲する、衝突スリーブ外面上の複数の流れ
キャッチャ装置を含む、ガスタービン用の尾筒組立体に
関する。
【０００７】別の態様において、本発明は、圧縮機から
吐き出される空気によりガスタービン燃焼器と第１ター
ビン段との間に接続される遷移ダクトを衝突冷却する方
法であって、ａ）複数の冷却穴を備える衝突スリーブに
より遷移ダクトを包囲する段階と、ｂ）衝突スリーブに
沿って圧縮機吐出し空気用の流路を確立する段階と、
ｃ）圧縮機吐出し空気を捕らえ、衝突穴を通して遷移ダ
クト上に向け直す流れキャッチャ装置を衝突スリーブ上
に用意する段階とを含むことを特徴とする方法に関す
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】以上述べてきたように、一般的な
ガスタービンは、燃焼器と第１タービン段との間に接続
される遷移ダクトを各々有する環状の燃焼器整列体を含
む。そのような１つの遷移ダクトと付随する冷却スリー
ブとの概略図が図１に示されている。詳細には、遷移ダ
クト１０は、高温の燃焼ガスを燃焼器ライナ１２で表さ
れる上流側燃焼器からタービンの第１段入口１４へ運
ぶ。ガスタービン圧縮機からの空気の流れは、軸流ディ
フューザ１６を出て圧縮機吐出しケーシング１８へ流入
する。遷移ダクトを冷却するために、圧縮機が吐き出す
空気の約５０％は、遷移ダクト１０と半径方向外側衝突
スリーブとの間の環状領域又は環２４内への流れ用の、
衝突冷却スリーブ２２に沿ってその周囲に形成された冷
却開口又は穴２０を通過する。圧縮機吐出し流れの残り
の約５０％は、上流側燃焼器ライナ冷却スリーブ（図示
しない）の流れスリーブ穴の中を通り、冷却スリーブと
燃焼器ライナとの間の環の中を通って流れ、最終的には
空気遷移ダクト環２４と混合する。この組み合わされた
空気は、最終的に燃焼室内でガスタービン燃料と混合す
る。
【０００９】図２は、本発明に従って使用される空力
「流れキャッチャ装置」２６を有する遷移ダクト衝突ス
リーブ１２２を示す。例示的実施形態において、装置２
６は、軸線方向、円周方向、又は、その両方に、また好
ましくは、遷移ダクトの類似の側板に隣接する側板に沿
って延びる数列の衝突スリーブ冷却穴１２０に沿って装
着されたスクープの形をとる。上記の通り、特定のガス
タービン設計において燃焼器及び遷移ダクトのコンパク
トな環状整列体では、冷却が最も困難なのが遷移ダクト
の側板である。一般的なスクープは、完全に又は部分的
に冷却穴１２０を包囲するか（例えば、スクープは上面
を持つか又は持たない半円筒形が可能である）、又は、
部分的又は完全に穴を覆ってほぼ部分球の形状をとるこ
とができる。同様な流れを捕らえる機能をもたらす他の
形状を使用してもよい。
【００１０】スクープ２６は、圧縮機吐出し空気を穴１
２０を通って遷移ダクトの側板上へ半径方向内向きに向
けるために、スリーブへ個別に溶接されるのが好まし
い。本発明の構成ではスクープ２６は、流れの方向に向
かって傾斜することができる開口部を持つ。スクープ
は、１つ１つ、ストリップに、又は、全スクープが単一
作業で固定されるシートとして、製造することができ
る。スクープ２６の数量や位置は、衝突スリーブの形
状、圧縮機吐出しケーシング内の流れ、及び、尾筒に対
する燃焼器による熱負荷により規定される。
【００１１】本発明の別の特徴は、隣接する尾筒間の最
小面積の線の外側の衝突スリーブ１２０の表面に固定さ
れる針金などの一定断面の材料のストリップ２８が含ま
れる。最小面積点の後では、流れは不安定の流れ体制で
拡散する。ある時点で流れは、衝突スリーブの輪郭にも
はや追従できず、剥離して圧縮機吐出しケーシングの外
壁に衝突する。表面上の流れは、表面近傍の圧力に影響
を与え、従って、この領域の衝突性能にも影響を与え
る。いわゆる「トリップ・ストリップ」２８の目的は、
流れを既知の位置において衝突スリーブの表面から強制
的に離すことである。これらのストリップは、流れが再
びストリップ背後の表面に付着するのを不可能にするた
めに適当な距離だけ表面から突出する必要がある。一般
的な装着において、ストリップ２８は、側板に沿うスク
ープ整列体の最終のスクープ列の外側の衝突スリーブ表
面上に置かれる。この種の配置例は、図２に説明されて
いる。しかし、スクープ２６と、トリップ・ストリップ
又は流れセパレータ２８の数、正確な位置、及び、形状
は、用途により特定なものになる。
【００１２】本発明の使用において、空気は、衝突スリ
ーブを通過する高速空気流の中に突出した空力スクープ
２６によって尾筒表面へと導かれる。スクープ２６は、
停滞及び再方向づけの組合せにより、以前においては流
れを衝突冷却穴１２０を通すように働く静圧差が不足し
ていたために衝突冷却穴１２０を通過してしまったであ
ろう空気を捕らえ、流れを遷移ダクトの高温表面（すな
わち、側板）上へ内方に導き、その結果、金属の温度を
許容できるレベルまで低下させる。同時にトリップ・ス
トリップ２８は、所望される位置におけるスリーブ表面
からの流れの剥離を確実にし、それにより、衝突スリー
ブの冷却能力を強化する。
【００１３】本発明の１つの利点は、既存の設計に適用
可能なことであり、比較的安価で装着しやすく、追加冷
却を必要とする側板上のどの領域にも適用できる局部的
解決法を提供することである。
【００１４】本発明は、現在最も実用的で好ましい実施
形態と考えられるものに関連して説明されたが、本発明
が開示された実施形態に限定されず、逆に、本請求項の
精神及び範囲に含まれる様々な修正や同等装置を包含す
るように意図されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃焼器と第１タービン段との間に位置する従
来技術の遷移ダクトで、遷移ダクトの端部フレームが省
略された概略断面図。
【図２】 本発明による空力スクープ及び流れセパレー
タ装置が図解されている遷移ダクト衝突スリーブの概略
側面図。
【図３】 衝突スリーブ上の空力スクープの拡大詳細
図。
【符号の説明】
２６ 空力流れキャッチャ装置 ２８ トリップ・ストリップ １２０ 衝突スリーブ冷却穴 １２２ 遷移ダクト衝突スリーブ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービン燃焼器に接続するようにな
    っている一方の端部及び第１タービン段に接続するよう
    になっている反対側の端部と、１対の側板とを有する遷
    移ダクトと、 前記遷移ダクトを包囲し、遷移ダクトとの間に冷却通路
    を確立する、複数列の冷却穴を形成された衝突スリーブ
    と、 各々が前記冷却穴の１つを少なくとも部分的に包囲す
    る、前記衝突スリーブ外面上の複数の流れキャッチャ装
    置と、を含むことを特徴とする、ガスタービン用の尾筒
    組立体。
  2. 【請求項２】 流れキャッチャ装置を有する前記冷却穴
    列の外側で前記外面に沿って延びる少なくとも１つの中
    実の材料ストリップを更に含むことを特徴とする請求項
    １に記載の尾筒組立体。
  3. 【請求項３】 ガスタービン・尾筒を冷却する衝突スリ
    ーブであって、 複数列の冷却穴を形成された管状体と、 各々が前記冷却穴の１つに近接している、衝突スリーブ
    の外面上の複数の流れキャッチャ装置と、を含むことを
    特徴とする衝突スリーブ。
  4. 【請求項４】 圧縮機から吐き出される空気によりガス
    タービン燃焼器と第１タービン段との間に接続される遷
    移ダクトを衝突冷却する方法であって、 ａ）複数の冷却穴を備える衝突スリーブにより前記遷移
    ダクトを包囲する段階と、 ｂ）前記衝突スリーブに沿って圧縮機吐出し空気用の流
    路を確立する段階と、 ｃ）前記圧縮機吐出し空気を捕らえ、前記衝突穴を通し
    て前記遷移ダクト上に向け直す流れキャッチャ装置を前
    記衝突スリーブ上に用意する段階と、を含むことを特徴
    とする方法。
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