JP2008286199A - タービンエンジンを冷却する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１００）用のトランジションピース（１６０）を提供する。
【解決手段】本トランジションピース（１６０）は、第１の端部（１８４）と、第２の端部（１８６）と、第１の端部（１８４）と第２の端部（１８６）との間に延在する本体とを含み、本体は、内面（１８２）と、対向する外面（１８０）と、該外面全体に螺旋状に延在するタービュレータ（１８８）とを含み、タービュレータは、該トランジションピースを冷却するように構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンで使用するトランジションピースに関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、燃焼器組立体とタービンノズル組立体との間に結合されたトランジションピースを含む。公知のエンジン内ではトランジションピースの作動温度を制御するために、圧縮機からトランジションピースに向かって冷却空気が送られる。より具体的には、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、冷却空気は、圧縮機から燃焼器組立体のトランジションピースの周りで少なくとも部分的に延在するプレナム内に吐出される。プレナムに流入した冷却空気の一部分は、トランジションピースの周りで延在するインピンジメントスリーブと該トランジションピースとの間に形成されたチャネル内に供給される。冷却チャネルに流入した冷却空気は、燃焼器に向かって吐出される。

チャネル内における冷却空気の効果を高めるために、少なくとも幾つかの公知のトランジションピースは、軸方向に間隔を置いて配置された乱流促進リブつまりタービュレータを含み、これらタービュレータは、トランジションピースの外面から外向きに延在する。公知のトランジションピースタービュレータは、冷却チャネル内の冷却空気の流れに対して略垂直に配向される。これら公知のトランジションピースは、空気が移動する表面上に空気乱流を生成する複数のタービュレータを取付けることによって乱流を形成する。空気流が軸方向に隣接する円周方向タービュレータリングに接触すると、空気がタービュレータ上に強制的に押し付けられるので、空気流は速度が低下し、トランジションピースにわたる圧力低下が増大する。そのような圧力低下を減少させるために、少なくとも幾つかの公知のトランジションピースは、限られた数のタービュレータを備えるように製作される。しかしながら、タービュレータの数が減少すると、トランジションピースの冷却効率もまた低下するおそれがある。
米国特許第４，９０３，４７７号明細書 米国特許第４，７１９，７４８号明細書 米国特許第５，７６１，８９８号明細書 米国特許第７，１３７，２４１号明細書 米国特許第４，１９５，４７４号明細書 米国特許第４，２９７，８４３号明細書 米国特許第４，２１１，０６９号明細書

１つの態様では、燃焼器組立体及びノズル組立体を含むガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、第１の端部、第２の端部、並びに該第１の端部及び第２の端部間で延在しかつ内面及び対向する外面を備えた本体を含むトランジションピースを準備する段階と、トランジションピースの第１の端部を燃焼器組立体に結合する段階と、トランジションピースの第２の端部をノズル組立体に結合して、トランジションピースの外面全体に螺旋状に延在するタービュレータがトランジションピース第１の端部からトランジションピース第２の端部まで延在して燃焼器組立体に供給される冷却空気に乱流を生じさせるようにする段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のトランジションピースを提供する。本トランジションピースは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に延在する本体とを含み、本体は、内面と、対向する外面と、外面全体に螺旋状に延在するタービュレータとを含み、タービュレータは、該トランジションピースを冷却するように構成される。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンシステムは、燃焼器組立体と、燃焼器組立体に結合されかつ該燃焼器組立体から下流に延在するトランジションピースとを含み、トランジションピースは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部及び第２の端部から延在する本体とを含み、本体は、内面と、外面と、該外面全体に第１の端部から第２の端部まで螺旋状に延在するタービュレータとを含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略断面図である。エンジン１００は、圧縮機組立体１０２、燃焼器組立体１０４、タービン組立体１０６、及び共通の圧縮機／タービンロータシャフト１０８を含む。エンジン１００は単なる例示であること、また本発明はエンジン１００に限定されるものではなく、代わりに本明細書に記載するように機能するあらゆるガスタービンエンジン内で実施することができることに留意されたい。

運転中に、空気は圧縮機組立体１０２を通って流れ、加圧された空気は、燃焼器組立体１０４に吐出される。燃焼器組立体１０４は、例えば天然ガス及び／又は燃料油などの燃料を空気流内に噴射し、燃料−空気混合気に点火して燃焼により燃料−空気混合気を膨張させ、かつ高温燃焼ガスストリーム（図示せず）を発生させる。燃焼器組立体１０４は、タービン組立体１０６と流れ連通状態になっており、高温膨張ガスストリームをタービン組立体１０６内に吐出する。高温膨張ガスストリームは、タービン組立体１０６に回転エネルギーを与え、タービン組立体１０６がロータ１０８に回転可能に結合されているので、ロータ１０８は次に圧縮機組立体１０２に回転動力を与える。

図２は、燃焼器組立体１０４の一部分の拡大断面図である。燃焼器組立体１０４は、タービン組立体１０６及び圧縮機組立体１０２と流れ連通状態で結合される。圧縮機組立体１０２は、ディフューザ１４０及び吐出プレナム１４２を含み、吐出プレナム１４２は、該プレナム１４２の下流において流れ連通状態で燃焼器組立体１０４に結合されて、以下でより詳細に説明するように該燃焼器組立体１０４に向かって空気を送る。

この例示的な実施形態では、燃焼器組立体１０４は、複数の燃料ノズル１４６を少なくとも部分的に支持しかつ保持ハードウェア（図２には図示せず）によって略円筒形の燃焼器流れスリーブ１４８に結合された環状ドーム板１４４を含む。略円筒形の燃焼器ライナ１５０が、流れスリーブ１４８内に配置されかつ該流れスリーブ１４８によって支持される。略円筒形の燃焼室１５２は、ライナ１５０によって形成される。より具体的には、ライナ１５０は、流れスリーブ１４８から半径方向内側に間隔を置いて配置されて、環状燃焼器ライナ冷却通路１５４が燃焼器流れスリーブ１４８と燃焼器ライナ１５０との間に形成されるようになる。流れスリーブ１４８は、冷却通路１５４内への流路を形成する複数の入口１５６を含む。

インピンジメントスリーブ１５８が、該インピンジメントスリーブ１５８の上流端部１５９において燃焼器流れスリーブ１４８に略同心に結合され、またトランジションピース１６０が、インピンジメントスリーブ１５８の下流側１６１に結合される。トランジションピース１６０は、燃焼室１５２内で発生した燃焼ガスを下流方向にタービンノズル１７４に向かって送る。冷却通路１６４が、インピンジメントスリーブ１５８とトランジションピース１６０との間に形成される。インピンジメントスリーブ１５８内に形成された複数の開口部１６６は、圧縮機吐出プレナム１４２から吐出された空気流の一部分をトランジションピース冷却通路１６４内に送ることを可能にする。

運転時に、圧縮機組立体１０２は、シャフト１０８（図１に図示）を介してタービン組立体１０６によって駆動される。圧縮機組立体１０２が回転すると、図２に複数の矢印で示すように圧縮空気がディフューザ１４０内に吐出される。この例示的な実施形態では、圧縮機組立体１０２から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム１４２を通して燃焼器組立体１０４に向かって送られ、圧縮機組立体１０２から吐出された空気のより僅かな部分が、エンジン１００の構成要素を冷却するのに使用するために下流に送られる。より具体的には、プレナム１４２内の加圧空気の第１の流れ分枝部分１６８は、インピンジメントスリーブ開口部１６６を通してトランジションピース冷却通路１６４内に送られる。開口部１６６に流入した空気は、トランジションピース冷却通路１６４内で上流に送られ、燃焼ライナ冷却通路１５４内に吐出される。プレナム１４２内の加圧空気の第２の流れ分枝部分１７０は、インピンジメントスリーブ１５８の周りに送られ、入口１５６を通して燃焼ライナ冷却通路１５４に流入する。入口１５６に流入した空気及びトランジションピース冷却通路１６４からの空気は次に、流路１５４内で混合され、次に燃料ノズル１４６内に吐出され、空気は、そこで燃料と混合され、燃焼室１５２内で点火される。

流れスリーブ１４８は、燃焼室１５２及びその関連する燃焼過程を例えばタービン構成要素を囲む外部環境から実質的に隔離する。得られた燃焼ガスは、燃焼室１５２からトランジションピース１６０を通してタービンノズル１７４に向かって送られる。

図３は、トランジションピース１６０の斜視図である。トランジションピース１６０は、外面１８０、内面１８２、第１の端部１８４及び第２の端部１８６を含む。螺旋状タービュレータ１８８が、外面１８０から延在する。この例示的な実施形態では、タービュレータ１８８は、トランジションピース１６０と一体形に形成されかつトランジションピース１６０の周りで螺旋状に延在する連続構造体である。この例示的な実施形態では、巻かれた螺旋状タービュレータ１８８は、ロウ付け法を使用してトランジションピース１６０に結合される。他の実施形態では、タービュレータ１８８は、溶接法を含むその他のあらゆる適当な結合手段を使用してトランジションピース１６０に結合される。別の実施形態では、タービュレータ１８８は、機械加工法によって表面１８０上に形成される。タービュレータ１８８の断面形状は、それに限定されないが略円形、半円形、矩形又はその他のあらゆる形状とすることを含むことができる。

それに代えて、別の実施形態では、タービュレータ１８８は、外面１８０にわたって螺旋パターンで延在する複数の弓形セグメントからなる。弓形セグメントは、連続螺旋状タービュレータを形成するのではなく、隣接するセグメントは、ギャップによって分離される。そのような実施形態におけるタービュレータは連続していないが、セグメントは単一の共通経路を辿り、トランジションピース１６０の周りに加圧空気の螺旋流を生じさせる。これに代えて、そのような実施形態では、隣接するセグメント間に、柱又は他の同等な構造を配置することができる。

さらに別の実施形態では、タービュレータ１８８は、トランジションピース１６０の周りに巻きパターンとして螺旋状に延在する複数の独立した並列構造を含む。螺旋状セグメントは独立しておりかつその各々が別個の経路を辿るが、複数の螺旋状セグメントはトランジションピース１６０の周りに加圧空気の螺旋流を生じさせる。

図２及び図３を参照すると、運転時に、圧縮機組立体１０２から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム１４２を通して燃焼器組立体１０４に向かって送られ、また圧縮機組立体１０２から吐出された残りの空気は、エンジン１００の構成要素を冷却するのに使用するために下流に送られる。より具体的には、プレナム１４２内の加圧圧縮空気の第１の流れ分枝部分１６８は、インピンジメントスリーブ開口部１６６を通してトランジションピース冷却通路１６４内に送られる。開口部１６６に流入した空気は、冷却通路１６４を通して上流に送られ、燃焼ライナ冷却通路１５４内に吐出される。タービュレータ１８８は、流路１６４に流入した空気内に乱流を生じさせる。さらに、タービュレータ１８８は、トランジションピース１６０の周りに冷却空気の螺旋流路を生じさせる。より具体的には、流路１６４を通って流れる空気は一般的に、タービュレータ１８８によってトランジションピース１６０の周りの螺旋経路内に送られた後に、燃焼器ライナ冷却通路１５４内に吐出される。

外面１８０の周りを流れる空気は、非乱流式トランジションピースを通って流れる空気に比べてトランジションピース１６０の冷却を強化する。より具体的には、空気は外面１８０全体に螺旋状に流れるので、空気は、非乱流式トランジションピースに比べてより長時間にわたってトランジションピース１６０に当接した状態つまり「接触状態」を維持する。その結果、トランジションピース１６０は、その増加した滞留時間のために、螺旋進行空気によってより効率的に冷却される。さらに、公知のトランジションピースタービュレータとは異なり、この例示的な実施形態では、タービュレータ１８８は、空気をトランジションピース１６０の周りで螺旋状に送るだけでなく、空気に乱流を生じさせる。

この例示的な実施形態では、螺旋状タービュレータ１８８は、トランジションピース１６０の周りで空気流の一部分を螺旋方式で送る。空気流が螺旋状タービュレータ１８８に接触すると、空気流の第１の部分がトランジションピースの周りで螺旋状に送られ、また空気流の第２の部分が螺旋状タービュレータ１８８上を超えて強制的に送られる。空気流の一部分のみしかタービュレータ１８８上を超えて強制的に送られないので、螺旋状タービュレータによる圧力損失を減少させることが可能になる。空気流の残り部分は、トランジションピース１６０の周りで螺旋経路内を流れる。トランジションピース１６０の周りの空気の螺旋流は、空気がトランジションピース１６０を冷却することを可能にしながら、超えて強制的に送られ空気流の圧力低下を最小にする。さらに、タービュレータ１８８は、トランジションピース１６０の冷却を高めて、構成要素耐用年数を増大させるようにする。

以上、タービンエンジンで使用するためのトランジションピースの例示的な実施形態を詳細に説明している。タービュレータは、本明細書に記載した特定のトランジションピースでの使用に限定されるものではなく、むしろ、タービュレータは、本明細書に記載したその他のトランジションピースから独立してかつ別個に使用することができる。さらに、本発明は、詳細に上述したトランジションピース又はタービュレータの実施形態に限定されるものではない。むしろ、その他の様々な螺旋状タービュレータの実施形態を、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で使用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器組立体の一部分の拡大断面図。 図２に示す燃焼器組立体で使用することができるトランジションピースの斜視図。

符号の説明

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機組立体
１０４ 燃焼器組立体
１０６ タービン組立体
１０８ ロータシャフト
１４０ ディフューザ
１４２ 吐出プレナム
１４４ 環状ドーム板
１４６ 燃料ノズル
１４８ 流れスリーブ
１５０ 燃焼器ライナ
１５２ 燃焼室
１５４ 冷却通路
１５６ 入口
１５８ インピンジメントスリーブ
１５９ 上流端部
１６０ トランジションピース
１６１ 下流側
１６４ 冷却通路
１６６ インピンジメントスリーブ開口部
１６８ 第１の流れ分枝部分
１７０ 第２の流れ分枝部分
１７４ タービンノズル
１８０ 外面
１８２ 内面
１８４ 第１の端部
１８６ 第２の端部
１８８ 螺旋状タービュレータ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１００）用のトランジションピース（１６０）であって、
   第１の端部（１８４）と、
   第２の端部（１８６）と、
   第１の端部（１８４）と第２の端部（１８６）との間に延在する本体と、
   を含み、前記本体が、
   内面（１８２）と、
   対向する外面（１８０）と、
   前記外面全体に螺旋状に延在するタービュレータ（１８８）と、を含み、
   前記タービュレータが該トランジションピースを冷却するように構成される、
   トランジションピース（１６０）。
2. 第１の端部（１８４）が略矩形の断面輪郭を有する、請求項１記載のトランジションピース（１６０）。
3. 第２の端部（１８６）が略円形の断面輪郭を有する、請求項２記載のトランジションピース（１６０）。
4. 前記タービュレータ（１８８）が前記外面（１８０）に結合される、請求項１記載のトランジションピース（１６０）。
5. 前記タービュレータ（１８８）が前記本体と一体形に形成される、請求項１記載のトランジションピース（１６０）。
6. 前記タービュレータ（１８８）が矩形断面形状、半円形断面形状及び円形断面形状の少なくとも１つを含む、請求項１記載のトランジションピース（１６０）。
7. 前記タービュレータ（１８８）が前記トランジションピースを効果的に冷却することによって該トランジションピースの耐用年数を延長する、請求項１記載のトランジションピース（１６０）。
8. ガスタービンエンジン（１００）であって、
   燃焼器組立体（１０４）と、
   前記燃焼器組立体に結合されかつ該燃焼器組立体から下流に延在するトランジションピース（１６０）と、
   を含み、前記トランジションピースが、
   第１の端部（１８４）と、
   第２の端部（１８６）と、
   第１の端部及び第２の端部から延在する本体と、
   を含み、前記本体が、
   内面（１８２）と、
   外面（１８０）と、
   前記外面全体に第１の端部から第２の端部まで螺旋状に延在するタービュレータ（１８８）と、を含む、
   ガスタービンエンジン（１００）。
9. 前記タービュレータ（１８８）が、前記外面（１８０）に結合される、請求項８記載のガスタービンエンジン（１００）。
10. 前記タービュレータ（１８８）が、ロウ付け法によって前記外面（１８０）に結合される、請求項９記載のガスタービンエンジン（１００）。

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