JP2006504045A - 形状画定した冷却孔を備えた流出液体冷却移行ダクト - Google Patents

Abstract

軸線方向および任意の横方向において角度のついた膜冷却孔を備えた噴散冷却された変移ダクト（４０）が開示されている。

Description

本特許出願は、本出願人に譲渡された、２００１年１２月１０日に出願され出願中の米国特許出願番号第０９／６８３，２９０号の一部継続出願である。

本発明は、発電のために発電所で使用されるガスタービンエンジンの燃焼区画に関するものである。詳しくは、本発明はキャンアニュラー型燃焼器（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）からの高温燃焼ガスをタービンの入口まで移送する構造体に関するものである。

典型的なキャンアニュラー型のガスタービン用燃焼器においては、複数の燃焼器がエンジンの周りで環状配列に配置されている。燃焼器から出てくる高温のガスがタービンを回転させるために使用され、該タービンは発電のために発電機を駆動するシャフトに結合されている。高温のガスは変移ダクト（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｄｕｃｔ）によって燃焼器からタービンまで移送される。タービンの入口に対する燃焼器の位置の故に、変移ダクトは燃焼器の出口における全体的に円筒形の形状からタービンの入口における全体的に長方形の形状にその断面形状を変え変える必要があり、並びに燃焼器が典型的にタービンの半径方向外方に装着されているためにその半径方向の位置を変える必要がある。

変移ダクトにおいて見られる複雑な形状変化（ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｃｈａｎｇｅｓ）と過度の温度との組み合わせによって、変移ダクトに早期の修理や交換をもたらす可能性のある過酷な作動環境を発生させる。燃焼ガスからの高温に耐えうるため、変移ダクトは、内部冷却流路あるいは衝突冷却のいずれかにより、通常は空気によって典型的に冷却される。このような高温の環境において作動し、過度の形状変化をもつ内部空冷の変移ダクトにおいて致命的な割れが見られる。広範な分析によれば、この割れは各種の要因によって起因しうる。特に、急な形状変化が発生する変移ダクトの後端の周りの領域においては高度の一様な応力が発見された。更に、冷却孔が変移ダクトにおける内部冷却通路と交錯する急な角部に起因しうる応力集中も発見された。更に高応力状態を複雑にしているのは変移ダクトの構成要素間の極端な温度差である。

本発明は従来技術における前述した欠点を克服しようとするものであり、添付図面を特に参照して以下説明する。

図１を参照すれば、従来技術による変移ダクト１０が斜視図で示されている。変移ダクトは全体的に円筒形の入口フランジ１１と全体的に長方形の出口フレーム１２とを含む。キャンアニュラー型燃焼器（図示せず）が入口フランジ１１において変移ダクト１０と係合する。高温の燃焼ガスが変移ダクト１０を通過し、出口フレーム１２を通ってタービン（図示せず）へ入る。変移ダクト１０は、入口フランジ１１の外面に固定された前部装着手段１３によってエンジンに装着され、出口フレーム１２に固定された後部装着手段１４によってタービンに装着されている。パネル組立体１５が入口フランジ１１を出口フレーム１２に結合し、変移ダクト１０の形状変化を提供する。この形状変化は図２に詳しく示されている。

入口フランジ１１と出口フレーム１２との間を延在し、第一のパネル１７と第二のパネル１８とを含むパネル組立体１５は入口フランジ１１における全体的に円筒形の形状から、出口フレーム１２における全体的に長方形の形状までテーパがつけられている。このテーパの大部分は曲形部分１６において出口フレーム１２の近傍でパネル組立体１５の後端に向かって形成されている。この曲形部分は、第一のパネル１７における１６Ａと、第二のパネル１８における１６Ｂとの二個の曲率半径を含む。パネル１７と１８とは各々、金属の層の間で流路を形成するように相互にプレスされた複数の金属板の層から構成されている。変移ダクト１０を冷却し、パネル組立体１５の金属温度を許容範囲に保つために空気がこれらの流路を通される。この冷却形態は図３に詳細に示されている。

流路による冷却配備の詳細と共にパネル組立体１５を示す破断図が図３に詳細に示されている。流路３０がパネル組立体１５の内部においてパネル１７の層１７Ａと１７Ｂとの間に形成されている。冷却空気が入口孔３１を通ってダクト１０へ入り、流路３０を通ることによってパネルの層１７Ａを冷却し、出口孔３２を通ってダクトのガス通路１９へ出て行く。この冷却方法では局部に十分な量の冷却を提供するが、製造の難しさおよびコストの点で問題があり、従来技術による形状と作動条件と組み合わされるとダクトの亀裂をもたらすことが判明した。本発明、すなわち噴散冷却（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｏｌｉｎｇ）と形状変化とを組み込んだ変移ダクトの改良が以下説明され、図４−図６に示されている。

改良された変移ダクト４０は全体的に円筒形の入口フランジ４１と、全体的に長方形の後端フレーム４２と、パネル組立体４５とを含む。パネル組立体４５は、それぞれ厚さが少なくとも３．１７５ミリメートル（０．１２５ｉｎｃｈｅｓ）の一枚の金属板から構成された第一のパネル４６と第二のパネル４７とを含む。パネル組立体、入口フランジ、および端フレームは、典型的に、例えばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５のようなニッケルベースの超合金から構成されている。パネル４６は例えば溶接によってパネル４７に固定され、内壁４８と、外壁４９と、全体的に円筒形の入口端５０と全体的に長方形の出口端５１とを有するダクトを形成する。入口フランジ４１は円筒形の入口端５０においてパネル組立体４５に固定され、一方後端フレーム４２は長方形の出口端５１においてパネル組立体４５に固定されている。

変移ダクト４０は曲形部分５２を含み、そこでは全体的に円筒形のダクトが全体的に長方形になるようテーパがつけられている。第一のパネル４６に沿って位置している第一の曲率半径５２Ａは少なくとも２５４ミリメートル（１０ｉｎｃｈｅｓ）であり、第二のパネル４７に沿って位置している第二の曲率半径５２Ｂは少なくとも７６．２ミリメートル（３ｉｎｃｈｅｓ）である。この曲形部分は従来技術のものよりも大きくて、端フレーム４２に向かってパネル組立体４５のよりなだらかな曲形を提供するように供される。よりなだらかな曲形によって作用応力がパネル組立体に亘って広がり、一ヶ所に応力集中がないようにしうる。その結果変移ダクト４０に対する作用応力が低くなる。

改良された変移ダクト４０はパネル組立体４５の外壁４９から内壁４８まで延在する複数の冷却孔６０から構成された噴散型の冷却方式を利用している。冷却孔６０は直径Ｄで、後端フレーム４２に向かう下流方向に穿孔され、該孔は外壁４９に対して鋭角βを形成している。角度をつけた冷却孔はその長さが余分に長くされるため既知の冷却空気量に対して冷却効果を増し、従って余分に材料を冷却する。均一な冷却パターンを提供するには、冷却孔の間隔は該孔の直径の関数であり、そのため材料の既知の厚さに対して孔の寸法が増すにつれて、孔間の距離は大きくなる。

本発明に対して許容される冷却方式は作動条件に基づいて変動しうるが、そのような一つの方式は直径Ｄが少なくとも１．０１６ミリメートル（０．０４０ｉｎｃｈｅｓ）で、外壁４９に対する最大角度βが３０度で、孔間間隔Ｐが、軸線および横方向においてＰ＜（１５ｘＤ）の関係に従って決まる冷却孔６０を含む。そのような孔間間隔の結果冷却孔によって占められる表面積は少なくともその２０％となる。

この噴散型冷却方式を利用することによって、複雑であり、かつ製造が高価につきうる、内部冷却流路と孔とを備えた複数層の金属板の必要性を排除する。更に、噴散型冷却方式は変移ダクトを通してより均一な冷却パターンを提供する。開示したよりなだらかな形状の曲形と組み合わせたこの改良された冷却方式によって変移ダクトにおける作用応力を低減させ、交換頻度がより少なくてすむ、より信頼できる要素を提供する。

本発明の代替実施例において、複数のテーパ付き冷却孔を含む変移ダクトが示されている。変移ダクトの高温ガスに近い冷却孔の出口領域に向かって冷却孔の直径を大きくすることによって冷却流体の出口速度と、冷却膜の破裂の可能性（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｌｍ ｂｌｏｗ−ｏｆｆ）とを低減させることが判明した。噴散冷却された変移ダクトにおいて、冷却流体はそれが孔を通過するにつれてパネル組立体の壁を冷却させるのみならず、冷却孔の列間で表面冷却するためにパネル組立体の内壁の面に沿って冷却流体の膜を敷設するように孔に角度がつけられている。冷却孔を出て行く冷却流体の速度が高温の燃焼ガスの主要な流れに進入するに十分速い場合は冷却膜が吹き飛ばされる。その結果、冷却流体は、冷却孔の列間で内壁を活発に冷却するためにパネル組立体の内壁に沿って冷却膜の層として残るのではなくて、代わりに高温の燃焼ガスと混合される。冷却孔の出口径を大きくすることによって、出口面における冷却孔の断面積が増し、所定量の冷却流体に対して、出口速度は入口速度と較べて低くなる。従って、高温の燃焼ガスの流れの中へ冷却流体が進入することが低減し、冷却流体は変移ダクトのパネル組立体の内壁に沿って残留しようとし、それによって冷却流体の膜を改善し、その結果変移ダクトに対してより効率的な冷却設計を提供する。

さて、図７から図９までを参照すれば、形状画定した冷却孔を組み込んだ本発明の代替実施例が詳細に示されている。本発明の代替実施例の特徴は、噴散による冷却設計に対して使用される冷却孔を除いて、図３から図６までに示すものと同一である。変移ダクト４０は第一のパネル４６と第二のパネル４７とから形成されたパネル組立体４５を含み、前記パネルはそれぞれ一枚の金属板から構成され、パネル組立体４５を形成するために、例えば複数の軸線方向継ぎ目５７に沿った溶接のような手段によって相互に固定される。その結果、パネル組立体４５は内壁４８と、外壁４９と、その間の肉厚とを含む。好適実施例と同様に、本代替実施例は全体的に円筒形の入口端５０と、全体的に長方形の出口端５１とを含み、入口端５０は第一の面５５を画成し、出口端５１は第二の面５６を画成し、第一の面５５は第二の面５６に対してある角度をつけた方向に向けられている。パネル組立体４５の入口端５０には、内径５３と外径５４とを有する全体的に円筒形の入口スリーブ４１が固定されており、一方パネル組立体４５の出口端５１には全体的に長方形の後端フレーム４２が固定されている。パネル組立体４５と、入口スリーブ４１と、後端フレーム４２とは、例えばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５のようなニッケルベースの超合金から構成されており、パネル組立体４５は少なくとも３．１７５ミリメートル（０．１２５ｉｎｃｈｅｓ）の厚さである。

本発明の代替実施例である変移ダクト４０はパネル組立体４５に位置した複数の冷却孔７０を含み、該冷却孔７０は第一のパネル４６と第二のパネル４７との双方において見られる。各冷却孔７０は図８に示すようにＰの距離だけ軸線および横方向に隣接する冷却孔から分離されている。軸線方向とは変移ダクト４０を通るガスの流れに対して概ね平行であり、横方向とは軸線方向に対して全体的に垂直である。冷却孔７０はパネル組立体４５に対して均一な冷却を提供するような要領でパネル組立体４５に亘って離隔されている。このような形態に対して、冷却孔７０間の最も効果的な距離Ｐは少なくとも５．０８ミリメートル（０．２ｉｎｃｈｅｓ）であり、最大距離Ｐは軸線方向において５０．８ミリメートル（２．０ｉｎｃｈｅｓ）で、横方向においては１０．１６ミリメートル（０．４ｉｎｃｈｅｓ）である。

さて、図９を参照すれば、冷却孔７０はパネル組立体４５の外壁４９から内壁４８まで延在しており、各冷却孔７０は外壁４９に対して鋭角βで穿孔されている。冷却孔７０は、作動時冷却流体が変移ダクト４０の後端に向かって流れるように、パネル組立体４５において外壁４９から内壁４８に向かって穿孔されている。更に、冷却孔７０はまた、図８に示すように横方向角度γをつけて穿孔されており、γは高温の燃焼ガスの流れに対して全体的に平行である軸線方向から測定したものである。典型的には、前記面鋭角（ａｃｕｔｅ ｓｕｒｆａｓｅ ａｎｇｌｅ）βは外壁４９から測定して１５度から３０度の間であり、一方横角度γは３０度から４５度の間である。

冷却孔７０の別の特徴は冷却孔の形状にある。図９を参照すれば、冷却孔７０は第一の直径Ｄ１と第二の直径Ｄ２とを有し、双方の直径Ｄ１およびＤ２は、冷却孔７０が外壁４９と内壁４８とに交錯する冷却孔７０の中心線ＣＬに対して垂直に測定される。冷却孔７０は、第二の直径Ｄ２が第一の直径Ｄ１より大きく、その結果全体的に円錐形状を提供するような寸法とされている。冷却孔７０は少なくとも０．６３５ミリメートル（０．０２５ｉｎｃｈｅｓ）の第一の直径と、一方少なくとも１．１４３ミリメートル（０．０４５ｉｎｃｈｅｓ）の第二の直径とを有することが好ましい。全体的に円錐形の孔を使用することによって、その結果第一の直径Ｄ１における流体速度と比較して、第二の直径Ｄ２における冷却流体速度は低減する。冷却孔７０内において流体速度が低減することによって冷却流体は一旦冷却孔７０を出ると内壁４８に沿って膜として残留しうるようにする。このような改良された膜冷却の効果が全体的な伝熱性および変移ダクトの耐久性を改良する。

本発明を好適実施例として現在知られているものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施例に限定されるべきでなく、逆に特許請求の範囲内での各種修正および同等配備についても網羅する意図であることが理解されるべきである。

従来技術による変移ダクトの斜視図である。 従来技術による変移ダクトの断面図である。 従来技術による変移ダクトの冷却配備の一部の斜視図である。 本発明による変移ダクトの斜視図である。 本発明による変移ダクトの断面図である。 本発明による変移ダクトの冷却配備の一部の斜視図である。 変移ダクトのための代替的タイプの冷却孔を開示する本発明の代替実施例の断面図である。 変移ダクトのための代替的タイプの冷却孔を示す本発明の代替実施例の一部の上面図である。 変移ダクトのための代替的タイプの冷却孔を示す、図８に示す本発明の代替実施例の一部の断面図である。

Claims (26)

1. 燃焼器から高温ガスをタービンまで移送するための噴散冷却された変移ダクト（４０）において、
   パネル組立体（４５）であって、該パネル組立体が、
   一枚の金属板から形成された第一のパネル（４６）と、
   一枚の金属板から形成された第二のパネル（４７）とを含み、
   例えば溶接のような手段によって前記第一のパネル（４６）が前記第二のパネル（４７）に固定され、それによって内壁（４８）と、外壁（５０）と、前記壁の間の肉厚と、全体的に円筒形の入口端（５０）と、全体的に長方形の出口端（５１）とを有するダクトを形成し、前記入口端が第一の面を、前記出口端が第二の面を画成し、前記第一の面が前記第二の面に対してある角度をつけて向いているパネル組立体（４５）と、
   内径と外径とを有する全体的に円筒形の入口フランジ（４１）であって、前記パネル組立体の前記入口端に固定されている入口フランジ（４１）と、
   全体的に長方形の後端フレーム（４２）であって、前記パネル組立体（４５）の前記出口端に固定されている後端フレーム（４２）と、
   前記パネル組立体（４５）にある複数の冷却孔（６０）であって、前記外壁（４９）から前記内壁（４８）まで延在し、各々の前記孔が前記外壁（４９）に進入する位置において前記外壁（４９）に対して鋭角βをつけて穿孔されている冷却孔（６０）と、を含むことを特徴とする噴散冷却された変移ダクト（４０）。
2. 前記鋭角βが最大３０度であることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
3. 前記冷却孔（６０）の直径が少なくとも１．０１６ミリメートル（０．０４０ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
4. 前記冷却孔（６０）が前記外壁（４９）から前記内壁（４８）に向かう方向において穿孔され、かつ前記後端フレーム（４２）に向かう方向に角度をつけられていることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
5. 最も近い隣接する冷却孔（６０）間の軸線方向および横方向の最小距離Ｐが、Ｐ＜（１５ｘＤ）の関係によって決まることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
6. 前記パネル組立体（４５）が前記壁の少なくとも２０％を占める冷却孔（６０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
7. 前記パネル組立体（４５）において、入口フランジ（４１）と後端フレーム（４２）とが例えばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５のようなニッケルベースの超合金から作られていることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
8. 前記第一のパネル（４６）と第二のパネル（４７）の厚さが少なくとも３．１７５ミリメートル（０．１２５ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１に記載の変移ダクト（４０）。
9. 燃焼器からタービンまで高温のガスを移送するための噴散冷却された変移ダクト（４０）において、
   パネル組立体（４５）であって、前記パネル組立体が、
   一枚の金属板から形成された第一のパネル（４６）と、
   一枚の金属板から形成された第二のパネル（４７）とを含み、
   前記第一のパネル（４６）が例えば溶接のような手段によって前記第二のパネル（４７）に固定され、そのため内壁（４８）と、外壁（４９）と、前記壁の間の肉厚と、全体的に円筒形の入口端（５０）と、全体的に長方形の出口端（５１）とを有するダクトを形成し、前記入口端が第一の面を画成し、前記出口端が第二の面を画成し、前記第一の面が前記第二の面に対して角度をつけて向けられているパネル組立体（４５）と、
   前記の円筒形の入口端（５０）と前記長方形の出口端（５１）との間で前記第一のパネル（４６）に沿って位置した第一の曲率半径（５２Ａ）と、
   前記円筒形の入口端（５０）と前記長方形の出口端（５１）との間で前記第二のパネル（４７）に沿って位置した第二の曲率半径（５２Ｂ）と、
   内径と外径とを有する全体的に円筒形の入口フランジ（４１）であって、パネル組立体（４５）の前記入口端（５０）に固定されている入口フランジ（４１）と、
   前記パネル組立体（４５）の前記出口端に固定された全体的に長方形の後端フレーム（４２）と、
   前記パネル組立体（４５）における複数の冷却孔（６０）であって、前記外壁（４９）から前記内壁（４８）まで延在し、各々の冷却孔（６０）が、前記孔が前記外壁（４９）へ進入する位置において前記外壁（４９）に対して鋭角βをつけて穿孔されている冷却孔（６０）とを含むことを特徴とする噴散冷却した変移ダクト（４０）。
10. 前記鋭角βが最大３０度であることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
11. 前記冷却孔（６０）の直径Ｄが少なくとも１．０１６ミリメートル（０．０４０ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１０に記載の変移ダクト（４０）。
12. 前記冷却孔（６０）が前記外壁（４９）から前記内壁（４８）に向かう方向で穿孔され、かつ前記後端フレーム（４２）に向かう方向において角度をつけられていることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
13. 最も近い隣接する冷却孔（６０）の間の軸線方向および横方向における最小距離ＰがＰ＜（１５ｘＤ）の関係によって決まることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
14. 前記パネル組立体（４５）が前記壁の少なくとも２０％を占める冷却孔（６０）を含むことを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
15. 前記パネル組立体（４５）において、前記入口フランジ（４１）と前記後端フレーム（４２）とが例えばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５のようなニッケルベースの超合金から作られていることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
16. 前記第一のパネル（４６）と第二のパネル（４７）との厚さが少なくとも３．１７５ミリメートル（０．１２５ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
17. 前記第一の曲率半径が少なくとも２５４ミリメートル（１０ｉｎｃｈｅｓ）であり、前記第二の曲率半径が少なくとも７６．２ミリメートル（３ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項９に記載の変移ダクト（４０）。
18. 燃焼器からタービンまで高温のガスを移送する噴散冷却された変移ダクト（４０）において、
    パネル組立体（４５）であって、該パネル組立体が、
    一枚の金属板から形成された第一のパネル（４６）と、
    一枚の金属板から形成された第二のパネル（４７）とを含み、
    前記第一のパネル（４６）が例えば溶接のような手段によって前記第二のパネル（４７）に固定され、そのため内壁（４８）と、外壁（４９）と、前記壁の間の肉厚と、全体的に円筒形の入口端（５０）と、全体的に長方形の出口端（５１）とを有するダクト（４０）を形成し、前記入口端（５０）が第一の面を画成し、前記出口端（５１）が第二の面を画成し、前記第一の面が前記第二の面に対して角度を付けて向けられているパネル組立体（４５）と、
    内径（５３）と外径（５４）とを有し、前記パネル組立体の前記入口端に固定されている全体的に円筒形の入口スリーブ（４１）と、
    前記パネル組立体の前記出口端に固定されている全体的に長方形の後端フレーム（４２）と、
    前記パネル組立体（４５）における複数の冷却孔（６０）であって、各々が中心線ＣＬを有し、軸線および横方向において隣接する冷却孔から距離Ｐだけ分離されており、前記冷却孔（６０）は前記外壁（４９）から前記内壁（４８）まで延在しており、前記冷却孔（６０）の各々が前記外壁（４９）に対して面鋭角βを、そして横方向角度γをつけて穿孔されており、前記冷却孔（６０）の各々が前記冷却孔前記外壁（４９）と前記内壁（４８）と交差する前記冷却孔の中心ＣＬに対して垂直に測定して第一の直径Ｄ１と第二の直径Ｄ２とを有し、前記冷却孔が全体的に円錐形となるように前記第二の直径Ｄ２が前記第一の直径Ｄ１よりも大きい複数の冷却孔（６０）とを含むことを特徴とする噴散冷却した変移ダクト（４０）。
19. 前記面鋭角βが前記外壁（４９）から１５度と３０度の間であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
20. 前記横角度γが３０度から４５度の間であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
21. 前記第一の直径が少なくとも０．６３５ミリメートル（０．０２５ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
22. 前記第二の直径Ｄ２が少なくとも１．１４３ミリメートル（０．０４５ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
23. 前記冷却孔（６０）が前記外壁（４９）から前記内壁（４８）に向かう方向において穿孔され、かつ前記後端フレーム（４２）に向かう方向に角度が付けられていることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
24. 最も近い隣接した冷却孔（６０）の間の軸線方向および横方向における前記距離Ｐが少なくとも５．０８ミリメートル（０．２ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
25. 前記パネル組立体（２５）において、前記入口スリーブ（４１）と後端フレーム（４２）とが例えばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５のようなニッケルベースの超合金から作られていることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。
26. 前記厚さが少なくとも３．１７５ミリメートル（０．１２５ｉｎｃｈｅｓ）であることを特徴とする請求項１８に記載の変移ダクト（４０）。

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