JP2008544211A - タービンエンジンの第１段に接線方向の方向転換を生じさせる燃焼移行ダクト - Google Patents

Abstract

燃焼器（１２４）から燃焼タービンエンジンのタービンセクションの第１段（１２６）にガス流を送るための移行ダクト（１２２）が、吸気口（１４０）から、吸気口（１４０）から縦方向、半径方向、及び、接線方向にオフセットした排気口（１４２）までの内部通路を備えている。オフセットした排気口（１４２）及び湾曲した内部通路によって、ガス流が、第１段動翼配列（１２６）向かって縦方向（１４８）に対し或る角度（１５０）をなす接線方向（１４６）に排出される。この角度の排出（１５０）は、動翼（１２８）に対して直接行うことが可能であり、従って、第１段静翼及び関連するコスト及び複雑性が不要になる。

Description

本発明は、一般に、燃焼タービンエンジンに関するものであり、とりわけ、燃焼タービンエンジンの燃焼器からタービンセクションにガス流を送るための移行ダクトに関するものである。

図１を参照すると、燃焼タービン１０の一部の断面図が示されている。タービンの主構成部品は、コンプレッサセクション１２、燃焼セクション１４、及び、タービンセクション１６である。ロータアセンブリ１８が中央に配置され、３つのセクションを貫通している。コンプレッサセクション１２には、交互列をなす静翼２４と動翼２６を密閉するシリンダ２０、２２を含むことが可能である。静翼２４はシリンダ２０に固定することが可能であり、動翼２６は回転アセンブリ１８に取り付けて、回転アセンブリ１８と共に回転するようにすることが可能である。

燃焼セクション１４には、チャンバ３０を形成するシェル２８を含むことが可能である。燃焼セクションのチャンバ３０内には、例えば１６個の燃焼器といった複数の燃焼器（そのうちの１つの燃焼器３２だけが示されている）を収容し、円の周りに環状パターンをなすように配置することが可能である。オイルまたはガスといった液体または気体とすることが可能な燃料３４が各燃焼器３２に流入し、燃焼器３２を包囲する番号のない矢印で示すように、チャンバ３０から燃焼器３２に導入される圧縮空気と混合すること可能である。混合した燃料／空気の混合気は、燃焼器３２内で燃焼させることが可能であり、結果生じる高温の圧縮ガス流３６は、燃焼器３２に取り付けられた移行ダクト３８に排出され、タービンセクション１６に送られる。

タービンセクション１６には、静翼４４と動翼４６を含む静翼列と動翼列を密閉することが可能な内筒４２を含む円筒形ハウジング４０を備えることが可能である。静翼４４は内筒４２に固定することが可能であり、動翼４６はタービンセクション１６の領域内でロータアセンブリ１８の一部を形成するディスクに固定することが可能である。タービンセクション１６の入口に近い第１の静翼列４４と第１の動翼列４６は、一般に、それぞれ、第１段静翼及び第１段動翼と呼ばれる。

タービンセクション１６内においてロータアセンブリ１８を包囲する一連の静翼プラットホーム４８がロータディスク５０と共に、全体としてタービンセクション１６の第１段を通るガス流路５２の内側境界を形成することが可能である。タービンセクションのハウジング４０及び静翼プラットホーム４８に燃焼セクション１４の各移行ダクト３８を取り付けて、第１段静翼４４及び第１段動翼４６に向かってガス流３０を排出することが可能である。

動作時、コンプレッサセクション１２は吸気口（不図示）を介して空気を取り入れ、圧縮する。圧縮空気は燃焼セクション１４のチャンバ３０に流入し、燃焼器３２のそれぞれに分配される。各燃焼器３２では、燃料３４と圧縮空気を混合して燃焼させる。次に、高温の圧縮ガス流３０が移行ダクト３８を介してタービンセクション１６に送られる。タービンセクション１６では、高温の圧縮ガス流が第１段静翼４４のような静翼によって方向を変えて、第１段動翼４６のような動翼を回転させ、この結果、ロータアセンブリ１８が駆動されることになる。その後、ガス流はタービンセクション１６から排出される。タービンシステム１０には、タービンセクション１６の下流に追加排気構造（不図示）を含むことが可能である。こうしてロータアセンブリ１８に付与されるパワーは、コンプレッサセクションの動翼２６を回転させるだけではなく、さらに外部発電機または航空機推進用ファン（不図示）のような他の機械類を回転させるために利用することも可能である。

本発明の理解をより明確にするため、こうしたタービンシステム１０に座標系を適用して、システム内における構成部品の相対配置及びシステム内における動きの説明を助けることが可能である。ロータアセンブリ１８の回転軸は、コンプレッサセクション１２、燃焼セクション１４、及び、タービンセクション１６を縦に貫いて、縦方向を規定している。さまざまなセクションを経る全体的なオペレーショナルフローパターンの観点から見ると、タービン構成部品は、縦方向において互いに上流または下流に位置すると表すことが可能である。例えば、コンプレッサセクション１２は縦方向において燃焼セクション１４の上流にあり、タービンセクション１６は縦方向において燃焼セクション１４の下流にある。

ロータ中心軸または他の縦軸から離れた各種構成部品の位置は、半径方向において表わすことが可能である。例えば、動翼４６はロータディスク５０から半径方向にすなわち放射状に延びている。ロータ中心軸のような縦軸からさらに遠く離れた位置は、半径方向の内側または中央寄りにあるより近い位置と比べて半径方向の外側または外側寄りと表わすことが可能である。

第３の座標方向すなわち円周方向は、ロータアセンブリ１８の中心軸のような縦軸まわりの仮想円に対する特定の構成部品の位置を表わすことが可能である。例えば、縦方向の下流を向いてタービンエンジンのタービン動翼配列を観察すると、動翼のそれぞれが、時計の針のようにいくつかの半径方向において半径方向の外側に延びているのが分かるであろう。各動翼の角位置とも呼ばれる「〜時」位置は、円周方向におけるその位置を表わしている。従って、この例においてロータディスクから垂直に延びる動翼は、円周方向における「１２時」の位置にあると表わすことが可能であり、一方、ロータディスクから右に延びる動翼は、円周方向における「３時」の位置にあると表わすことが可能であり、これら２つの動翼は、円周方向において間隔があいていると表わすことが可能である。従って、半径方向は基準円の大きさを表わすことが可能であり、円周方向は基準円における角位置を表わすことが可能である。

一般に、縦方向、半径方向、及び、円周方向は互いに直交している。また、方向は必ずしも正または負を含意しているとは限らない。例えば、縦方向は上流と下流の両方の可能性があり、ロータの中心軸と一致する必要はない可能性がある。半径方向は内側と外側の可能性があり、円形物体または配列の記述に制限されることはない。円周方向は時計廻り及び反時計廻りの可能性があり、半径方向と同様、円形物体または配列の記述に制限されることはない。

さらに、文脈に応じて、２つの構成部品の互いに対する関連位置は、座標方向の１つだけに関して表わすことが可能である。例えば、燃焼器３２は、動翼４６よりもロータアセンブリ１８の中心軸から半径方向の遠くに位置しているので、動翼４６の半径方向の外側寄りと表わすことが可能である（燃焼器３２が動翼４６と同じ縦方向の面に位置しなくても、実際に、動翼４６の縦方向の上流にあって、特定の翼と円周方向においてアライメントがとれない可能性があっても）。

座標系は動きを表わすための基準とすることも可能である。例えば、移行ダクト３８内のガス流３６は矢印３６の方向に流れるように示されている。このガス流３６は、燃焼器３２からタービンセクション１６に縦方向の下流に移動し、かつ、燃焼器３２から第１段静翼４４及び動翼４６へと半径方向の内側に移動することが可能である。

ガス流のような動きの記述に関して、円周方向は接線方向とみなすことも可能である。ガスが円周方向に流れる場合、流れの方向の１成分は円形経路の一点に対して接線方向である。円形経路の任意の特定の点において、円周方向流は、接線方向成分が比較的大きくなり、半径方向成分は比較的小さくなる。接線方向成分は、とりわけタービンエンジンの静翼及び動翼配列のまわりといったより直径の大きい経路の場合に支配的になるので、円周方向及び接線方向はほぼ同じとみなすことが可能である。

この座標系に留意して、図２を参照すると、縦方向の下流から見た移行ダクト５４が単独で示されている。この特定の移行ダクト５４は１２時の円周方向位置をなすように配向が施されているが、タービンエンジンが、環状配列内において間隔をあけて例えば全部で１６といったさらなる移行ダクトを備えているであろうことは云うまでもない。

移行ダクト５４には、関連燃焼器（図示されていないが、図１参照）によって排出されるガス流を取り入れる吸気口５８を備える移行ダクト本体５６を含むことが可能である。移行ダクト本体５６は、吸気口５８からガス流をタービンセクション（不図示）に向けて排出する排気口６２までの内部通路６０を含むことが可能である。燃焼器はタービンセクションの第１段の半径方向の外側寄りにあるので（図１参照）、移行ダクト５４は吸気口５８から排気口６２まで半径方向の内側に向いて延びている。図２において、この半径方向は軸６４によって描かれている。移行ダクト５４には、ガス流を主として縦方向に排出するため、排気口６２の近くに縦方向のベンド６６が含まれている。ガス流が移行ダクト５４に流入すると、半径方向の内側に向け直されて、その結果縦方向に進むので、移行ダクト５４は半径方向６４においてかなりの曲げスラストを受けることになる。この半径方向スラストによって、移行ダクト５４の排気口領域が半径方向の外側に（図の頁面では上に）押される。この曲げスラストに逆らって移行ダクト５４を支持するため、移行ダクト５４は、従来技術において周知のようにその両端を各種補強材（不図示）によって半径方向に支持することが可能である。

見て分かるように、排気口６２と吸気口５８は軸６８によって描かれた円周方向または接線方向に沿ってアライメントがとれている。従って、移行ダクト５４によって、ガス流は縦方向の下流に、従って、半径方向の内側に送られるので、円周方向または接線方向にはガス流がほとんど送られない。

次に、燃焼器７２、移行ダクト７４、及び、第１段静翼７６及び動翼７８を含むタービンサブセクション７０に焦点を絞って図３に言及する。図３には、概略が描かれた燃焼器７２、移行ダクト７４、及び、いくつかの第１段静翼７６及び動翼７８を上方から見た図が示されている。もちろん、タービンには、環状配列を形成するため、さらなる第１段静翼が円周方向に間隔をあけて配置されていると理解すべきである。同様に、環状配列を形成するため、さらなる第１段動翼が円周方向に間隔をあけて配置されている。図３には、例示を容易にするため、これらのさらなる静翼及び動翼は示されていない。さらに、この略説明図は一定の比率になるように意図されていない。タービンシステムには、さらなる燃焼器及び移行ダクトも含まれているが、例示の都合上、単一の燃焼器７２及び移行ダクト７４だけが略示されている。

こうして上から見ると、軸８０を基準にして縦方向に注目することができる。軸８２を基準にすると円周方向または接線方向に注目することができる。半径方向は図の頁に進入し、そこから出てくる方向であるため例示されていないが、一般的には縦方向及び半径方向に対して直交する。

おそらく多少の限られた量の液体を含む高温圧縮ガスのようなガス流が、燃焼器７２から排出され、移行ダクト７４によって第１段静翼７６及び動翼７８に送られる。ガス流は、移行ダクト７４の出口または排気口８６から排出されて、矢印８４で示すように、ほぼ縦方向の下流に進む。排気口８６の周辺条件及び他の要因のために、排出ガス流に対して何らかの偶発的な小規模の半径方向及び円周方向の流れ成分が生じる可能性がある。しかしながら、こうした側方流は、とりわけ、エッジから離れた流れの中心領域では主として縦方向である全体的な流れの方向に比べると僅少とみなされるはずである。

この縦方向ガス流８４は、移行ダクト７４の排気口８６から排出されると、第１段静翼７６を通過する。第１段静翼７６の機能は、主として縦方向の流れを加速して、円周方向８２に向きを変え、静翼７６の後縁から離れるガス流の主方向が、例えば矢印８８で示すように縦方向に対して円周方向または接線方向をなす角度に曲がるようにすることである。こうして方向を変えられたこのガス流８８は、縦方向成分と円周方向成分を有することになる。流れの角度は、縦軸８０を基準に測定してほぼ４０度〜８５度の範囲内とすることが可能である。ガス流を加速し、縦方向８０に対して角度をつけて円周方向８２に曲げることにより、結果生じるガス流８８は、第１列動翼７８にそのエネルギをより有効に付与することになり、これによって関連ロータアセンブリ（不図示）が回転することになる。

第１段静翼を利用して、縦方向ガス流を加速し、角度をつけて円周方向に曲げるやり方は、いくつかの課題を提示する。静翼及び関連する静翼支持構造（図１参照）は、極めて高温で高圧のガス流の方向を比較的短い距離でかなりの角度にわたって変える際に生じる力に耐える高い強度特性を備えていなければならない。ガス流の温度及びこの方向転換プロセスで発生する熱のために、静翼冷却システムも必要になる。この伴って生じる力及び熱によって、静翼及び関連支持構造に亀裂または他の損傷を生じる可能性がある。これらのさまざまな要件及び動作条件に対処するため、第１段静翼及び関連支持構造及び冷却システムは、製造、設置のコスト、さらに、損傷の場合には、修理、交換のコストが高くつく複雑なシステムへと発展することになった。

従って、複雑にすることなく、また、第１段静翼に関して関連コスト及び損傷の恐れが生じないようにして、ガス流を加速し、接線方向に向きを変えて第１段動翼配列に供給することが必要になる。

従って、本発明の目的は、第１段タービンセクション静翼の必要をなくするタービンサブシステムを提供することにある。

本発明によるもう１つの目的は、燃焼器から排出されたガス流をタービンセクションの第１段に送るだけではなく、第１段静翼配列で向きを変えることなく、第１段動翼配列に対して直接供給するのに適した接線方向または円周方向角度でガス流を排出する燃焼器移行ダクトを提供することにある。

本発明の以上の及びその他の目的は、吸気口から排気口まで延びる内部通路を含む移行ダクト本体を備えた移行ダクトによって実現することが可能であるが、排気口は３つの座標方向（縦方向、半径方向、及び、接線方向）において吸気口からオフセットし、内部通路は湾曲してオフセットした排気口に達している。この構成により、移行ダクト本体が燃焼器と第１段動翼配列との間に配置されて、燃焼器からのガス流を吸気口を介して内部通路に取り入れ、第１段動翼配列に向けて排出するようになっている場合、ガス流は縦方向と接線方向との間の或る角度で排気口から排出される。

本発明の望ましい態様によれば、排気口を包囲する移行ダクト本体の排気口領域は、接線方向に細長くすることが可能である。すなわち、排気口領域は、接線方向において矩形にすることが可能であり、接線方向において弓形にすることさえ可能である。同様に、吸気口を包囲する移行ダクト本体の吸気口領域は、ほぼ円形にすることが可能であり、内部通路は、吸気口におけるほぼ円形の断面形状から排気口のほぼ接線方向に細長い断面形状に移行することが可能である。さらに、接線方向における内部通路の幅は吸気口から排気口に向かって縮小することが可能であり、代案として、半径方向における内部通路の高さは吸気口から排気口に向かって縮小することが可能である。

本発明の態様による移行ダクトは少なくとも部分的にはセラミックから製造することも可能である。移行ダクトは衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却または、他の冷却技法によって冷却することが可能である。

本発明の態様によれば、燃焼タービンエンジンに上述の移行ダクトを用いた燃焼タービンサブシステムを組み込むことが可能である。サブシステムには、ロータアセンブリから半径方向に延びて、ロータアセンブリの軸まわりを円周方向に回転する複数の動翼を備えた第１段動翼配列を含むことが可能である。ロータアセンブリの軸が縦方向を規定することが可能であり、円周方向には接線方向構成部品を含むことが可能である。タービンサブシステムには、さらに、第１段動翼配列の縦方向の上流に配置された複数の燃焼器を含むことが可能であり、燃焼器のそれぞれは第１段動翼配列の半径方向の外側寄りに配置されていて、各燃焼器によってガス流が少なくとも第１段動翼配列に向かって下流に排出される。

サブシステムには、複数の移行ダクト本体も含まれている。サブシステムの各移行ダクト本体は、吸気口と排気口の間に延びる内部通路を備えることが可能であり、各移行ダクト本体はそれぞれの燃焼器と第１段動翼配列との間に配置されて、それぞれの燃焼器によって排出されるガス流を吸気口から内部通路に取り入れるようになっている。各移行ダクトの排気口によって、内部通路から第１段動翼配列に向かってガス流を排出することが可能である。前述のように、各移行ダクトの排気口は、吸気口から縦方向、接線方向、及び、半径方向にオフセットさせることが可能であり、内部通路はオフセットした排気口に向かって湾曲させ、ガス流が縦方向と接線方向の間の排出角度で排気口から排出されるようにすることが可能である。排出角度は、縦方向に対して約４０度〜約８５度が望ましく、代案により、ガス流をほぼ縦方向と接線方向によって形成される平面において排気口から排出さすることも可能である。すなわち、半径方向成分はほとんどないか全くない。

サブシステムには、さらに、移行ダクト本体の排気口と第１段動翼配列の間に環状流路を形成する第１段ハウジングを含むことが可能であり、この環状流路には流れ方向を転換する静翼がない。従って、各移行ダクト本体の排気口から排出されるガス流は、流れ方向を転換する静翼を通過することなく、第１段動翼まで流れることが可能である。

各移行ダクト本体の排気口を包囲する排気口領域は、少なくも部分的に第１段ハウジングによって支持することが可能である。さらに、各移行ダクト本体は、それぞれの燃焼器の排出部分に結合することが可能である。第１段ハウジングには、第１段動翼配列を包囲する動翼リングを含むことが可能であり、各排気口領域は少なくとも部分的に動翼リングによって支持することが可能である。

移行ダクト本体の排気口は、環状パターンをなすように円周方向に間隔をあけて配置するのが望ましい。また、各排気口の縦方向の面は第１段動翼配列の回転面に対してほぼ平行であることが望ましい。

排気口領域は、第１段ハウジングに結合された支持リングによって支持することが可能である。支持リングは、円周方向に間隔をあけて配置されて、支持リングを形成する複数の支持リングセグメントから構成することが可能である。各支持リングセグメントは、中央支柱によって結合される内側及び外側梁部を備えることが可能であり、中央支柱の両側に側方開口部が形成されている。１つの移行ダクト本体の一部を側方開口部に挿入し、２つの隣接リングセグメントを共通する１つの移行ダクト本体に取り付けて、共通の移行ダクト本体の挿入部分がほぼ包囲され、隣接リングセグメントが共通移行ダクト本体の排気口を横切る想像線に沿って結合されるようにすることが可能である。こうして、隣接する移行ダクト本体間の漏洩が少なくとも部分的に阻止されることになる。各支持リングセグメントには、外側梁部から延びて、タービンセクション支持ハウジングに接続する支持脚を含むことが可能である。さらに、内側及び外側梁部と支柱によって、挿入された移行ダクト本体部分を密封する密封システムを各側方開口部に沿って形成することが可能である。

以下では、図面のさまざまな図を参照しながら、本発明の態様を組み込んださまざまな可能性のある実施形態について詳述することにする。

本発明による実施形態は、第１段静翼による接線方向の方向転換の代わりに、移行ダクトから排出されるガス流に接線方向成分を付与する燃焼タービン移行ダクトを対象としている。従って、本発明の態様による移行ダクトを用いると、関連タービンエンジンの第１段静翼を削除して、第１段静翼の使用に付随するさまざまな難題を回避することが可能になる。本発明の実施形態によれば、第１段動翼配列と第１段動翼配列の縦方向の上流で半径方向の外側寄りに配置された１つ以上の燃焼器を備えるタービンサブシステムにこの移行ダクトを用いることが可能である。このサブシステムは、発電を含むさまざまな用途のために中心ロータを駆動するため、コンプレッサセクション、燃焼セクション、及び、空気取り入れ及びタービンの排気に適した構造のタービンセクションを備える燃焼タービンシステムに用いられる。本発明による移行ダクト及びこうした移行ダクトを含むタービンサブシステムは、いかなる特定のタービンエンジンにも用途を制限されることはなく、あるいは、その細部によって制限を受けることもない。本発明の実施形態は、可能性のある１つのシステムに関して説明されるが、その詳細な説明は単なる例証を意図したものでしかない。図４〜１１には、本発明の態様の実施形態が示されているが、本発明は例示の構造または応用例に制限されるものではない。

図４を参照すると、タービンの縦方向の下流から見た立面図には、包囲するタービン構成部品なしで本発明の態様による移行ダクト９２、９４の環状配列９０が示されている。移行ダクト９２のような各移行ダクトには、吸気口９８と排気口１００を備えた移行ダクト本体９６と、吸気口９８と排気口１００の間にあって、移行ダクト９２を通るガス流を吸気口９８から排気口１００に送るための内部通路１０２を含むことが可能である。配列９０は、１６の燃焼器（不図示）を備える燃焼タービンエンジンに用いられる構成を明らかにするように示されている。しかしながら、移行ダクト数及びその環状構成は、より多くのまたは少ない燃焼器に用いられるように変更することが可能である。

とりわけ、典型的なものとして図５に示す移行ダクト９２を参照すると、この移行ダクト９２は、タービンエンジン（不図示）内に配置される実用可能な構成として示されている。排気口１００は、従来のタービンエンジン（図１参照）に示す移行ダクト３８の排気口の対応する位置と同様、タービンセクションの環状流路のほぼ１２時の位置に対応する円周方向位置に示されている。図２に示す従来の移行ダクト５４も同様の位置にある。しかしながら、図１及び２における従来の移行ダクト３８、５４とは異なり、本発明の態様による移行ダクト９２の移行ダクト本体９６の排気口１００は、３つの座標軸（すなわち縦方向、半径方向、及び、接線方向であり、後の２つはそれぞれ軸１０４、１０６で表わされている）全てにおいて吸気口９８からオフセットしている。縦方向の軸は軸１０４、１０６に直交して、図の頁に進入し、そこから出てくるので、示されていない。

本明細書及び請求項において用いられる「オフセット」という用語は、排気口が規定される座標方向に沿って測定すると吸気口から間隔があいていることを意味する。例えば、排気口が吸気口から（または吸気口に対して）接線方向にオフセットしていると記述される場合、排気口は接線方向で測定すると吸気口から間隔があいている。こうした間隔は、また、排気口と吸気口が基準方向または基準軸（この例の場合は接線方向）に対して直交する同じ平面内にはないということを表わしている。幾何学的に云えば、吸気口と排気口は単一点ではなく、２次元領域である。この２つの領域は、任意の特定の座標方向におけるオフセットの程度に応じてこうした直交平面と交差するかまたは部分的に重なるかもしれないという可能性がある。従って、吸気口と排気口のそれぞれによって形成される領域の中心点が基準方向または基準軸に対して直交する同一平面内にないので、吸気口及び排気口はオフセットしているとみなされる。

縦方向のオフセットに関して、移行ダクト９２を既存のタービンシステムにおいて代用することが可能であり、従って、移行ダクト９２を縦方向の上流の燃焼器と下流のタービンセクションの第１段への入口との間の既存の縦方向距離に亘って設置することが可能である。縦方向オフセットの程度は、既存のタービンエンジンの寸法に制限されることはなく、吸気口９８と排気口１００との間の任意の縦方向の長さとすることが可能である。例えば、吸気口９８が上部搭載ユニット、ライナ、または、他の排気フレーム構造のような燃焼器の排気構造に結合されているか、吸気口９８が燃焼器アセンブリから間隔をあけてその排気構造を受けるように配置されている場合、縦方向のオフセットはより短くなる可能性がある。また、燃焼器を半径方向または円周方向にあるいは両方向に傾斜させて、その結果、燃焼器とタービンセクションの第１段入口との間の有効縦方向間隔が短くなるか長くなるようにすることが可能である。

半径方向のオフセットに関して、吸気口９８を結合する（または近くに配置する）燃焼器アセンブリの各種部品及びこれらの部品の半径方向位置及び傾斜が、吸気口９８と排気口１００との間の半径方向のオフセット量に影響する可能性がある。しかしながら、より詳細に後述する接線方向オフセットのため、半径方向のオフセットの程度は、従来の移行ダクトにおける半径方向のオフセットより小さくなる可能性がある（図２と図４を比較されたい）。図４と図５に示される典型的な移行ダクト９２は、半径方向のオフセットの程度を比較的に小さくすることができる。これに対応して、その内部におけるガス流の方向転換によって移行ダクト本体９２に加えられる半径方向の曲げスラストが相応して低減する可能性がある。

吸気口９８と排気口１００との間の円周方向または接線方向オフセットから明らかなように、移行ダクト９２は排気口１００と円周方向においてアライメントのとれていない燃焼器（不図示）に接続されることになるであろう。図５の場合、環状構成をなすもう１つの燃焼器位置１０８が仮想線で略示されている。燃焼器位置１０８は、排気口１００と円周方向においてアライメントがとれている。図２に示す従来の移行ダクトが用いられる場合、その吸気口はほぼ位置１０８に配置されることになるであろう。しかし、移行ダクト９２の吸気口９８は燃焼器位置１１０に配置されるが、この燃焼器位置１１０は円周方向において例えば燃焼器位置１つ分離れていても良い。タービンセクションの第１段の入口に対する燃焼器の特定の縦方向、半径方向、及び、円周方向位置に応じて、本発明による移行ダクトが接続される特定の燃焼器及びその結果としての排気口位置は異なる可能性がある。

図６及び７を参照すると、典型的な移行ダクト１１２が縦方向の位置に示されており、各位置にはその位置における内部通路の断面形状が描かれている。吸気口位置１１４は、望ましい丸みのある形、とりわけ、楕円形として示されている。円形のような他の丸い断面形状及び他の丸くない断面形状も可能である。排気口位置１１６は、軸１０６で表わした円周方向の寸法が長い矩形をなすように示されている。排気口１１６は、弓形をなす、すなわち、間隔をあけて配置された移行ダクト（図４参照）によって形成される環状パターンの曲率半径にほぼ一致するように湾曲しているのが望ましい。排気口１１６は他の断面形状を備えることも可能である。排気口１１６を包囲し、形成している移行ダクト本体１１２の排気口領域は、細長くするか、矩形にするか、弓形にするか、または、その３つ全てにすることが可能であるが、排気口は、可能性のある２〜３の例を挙げると、円形または正方形といった他の断面形状をなす。

内部通路１１８は排気口１１６に向かって湾曲する。任意の点における曲率半径として測定される曲率は、内部通路１１８の全長にわたって変化する可能性があり、内部通路１１８のいくつかの領域は比較的まっすぐな場合さえあり得る。内部通路１１８の上部、下部、及び、側面の曲率も、互いに対して変化することもあれば、同じであることもあり得る。複数の位置で示されているように、典型的な移行ダクト１１２の内部通路１１８の断面形状は、吸気口１１４における丸みのあるのが望ましい断面形状から排気口１１６における細長いか、矩形か、弓形が望ましい断面形状へと変化する。移行ダクト１１２は、吸気口１１４から排気口１１６に向かって半径方向１０４における内部通路１１８の高さが低くなるようにすることも可能である。さらにまたは代わりに、図７に最も明瞭に示されているように、円周方向１０６における内部通路の幅を吸気口１１４から排気口１１６に向かって狭くすることも可能である。

内部通路１１８の曲率には、排気口１１６に接近する前の上部と下部に沿った半径方向の内側曲率の減少または完全な不連続を含むことが可能である。この構造の場合、排気口１１６から排出されるガス流は、その流れの方向に対する半径方向成分がほとんどないかあまりない。排気口の周辺に沿った境界条件及び排気口とタービンセクションの第１段領域との界面における周辺条件のため、縦方向、半径方向、及び、接線方向の任意の１つまたは全ての方向成分を有する偶発的な流れが生じる可能性がある。エッジから離れた流れの中心領域で測定されるような一般的なフローパターンが、主として所定の方向になるはずであるため、こうした二次流れは僅少とみなされる。この一般的なフローパターンでは、半径方向成分がほとんどまたは全くない。移行ダクト１１２の曲率及び吸気口１１４に対する排気口１１６の半径方向、縦方向、及び、接線方向のオフセットのため、ガス流は接線方向において縦方向に対してある角度をなして排気口１１６から排出されることになる。

内部通路１１８は上述のような曲率特徴を備えることが可能であるが、移行ダクト１１２の外部表面は、必ずしも同じ曲率または形状特徴に従う必要はない。外部表面は、いくつかの形状及び表面特徴の任意の１つを備えることが可能であり、例えば、外部表面は、隣接する移行ダクト本体に嵌合によって取り付けられて、支持補強材等に接続する取付け面を形成するような形状にすることが可能である。

図８を参照すると、本発明の態様による移行ダクト１２２を用いる典型的なタービンサブシステム１２０の上方から見た概略図が示されている。タービンサブシステム１２０には、燃焼器１２４と、燃焼器１２４の縦方向の下流に配置された第１段タービン動翼配列１２６を含むことが可能である。燃焼器１２４は、また、第１段タービン動翼配列１２６がロータディスク等を介して固定されるであろうロータ（不図示）の中心軸に対して第１段タービン動翼配列１２６の半径方向の外側寄りに示されている。第１段動翼配列には、ロータアセンブリから半径方向に延び、円周方向に間隔をあけて配置されて、円形配列を形成する複数の動翼が含まれている。図８には、例示を容易にするためこうした動翼１２８が３つだけしか略示されていないが、配列１２６はさらなる動翼を備えている。タービンエンジンサブシステム１２０には、第１段動翼配列１２６を密閉するための第１段ハウジングを含むことも可能である。第１段ハウジングには、略示され、動翼１２８の内部を見せるため部分的に切り取られた動翼リング１３０を含むことが可能である。動翼リング１３０の上流側１３４は、移行ダクトの排気口１４２に結合するようになっているのが望ましい。移行ダクト１２２の排気口１４２と動翼１２８の前縁との間隔は、従来のシステムで用いられた第１段静翼の後縁と第１段動翼の前縁との間の距離にほぼ等しいのが望ましい。代わりに、排気口１４２と動翼１２８の前縁との間隔を従来の静翼と動翼との間隔より広くするか狭くすることも可能である。図８に描かれた間隔は一定の比率になるように意図されたものではなく、実際、さらに詳細に後述する排気流１５０の例示を容易にするため、望ましい間隔より広い間隔になっている。

本発明の態様によるタービンエンジンサブシステム１２０には、燃焼器１２４と第１段動翼配列１２６との間に配置された移行ダクト１２２が含まれている。移行ダクト１２２には、前述のように、燃焼器１２４から排出されるガス流を取り入れるように配置された吸気口１４０と、その間の内部通路１４４によって第１段動翼配列１２６に向かってガス流を排出する排気口１４２を備える移行ダクト本体１３８が含まれている。図８には、単一移行ダクト１２２だけしか略示されていないが、もちろん、タービンエンジンサブシステム１２０は、それぞれタービンエンジンの燃焼器に対応する複数の移行ダクトを備えることが可能であるということを理解されたい。吸気口１４０は、燃焼器アセンブリまたは燃焼器ライナ（不図示）のような燃焼器に関連した支持構造に結合することが可能である。あるいはまた、移行ダクト１２２は、燃焼シェル（不図示）のような燃焼室のフレームワークに取り付け、燃焼器１２４から間隔をあけて吸気口１４０に燃焼排出ガス流を取り入れるように配置することが可能である。

排気口１４２は、３つの座標方向（縦方向、半径方向、及び、接線方向）において吸気口１４０からオフセットしている。内部通路１４４は、少なくともその全長の一部に沿って吸気口１４０と排気口１４２の間で湾曲している。移行ダクト本体１３８の排気口領域は排気口１４２を包囲して形成しており、動翼リング１３０のような第１段ハウジングに結合することが可能である。代わりに、排気口領域は燃焼室内で他の支持構造に結合されて支持されることが可能であり、排気口１４２は動翼リング１３０から間隔をあけて第１段動翼配列１２６にガス流を排出するように配置することが可能である。

排気口１４２から排出されるガス流は矢印１５０によって示すように、縦方向１４８に対して角度をつけて接線方向１４６に曲げられる。このガス流方向１５０は、とりわけ、構造物の側面及びエッジから離れた中央領域における比較的一様な主たるガス流の流れの方向を表わしている。このガス流方向１５０が縦方向成分と接線方向成分を有しているのは明らかである。上述のように、わずかに半径方向成分（図の頁に進入するかそこから出てくる）が存在する可能性があるが、この半径方向成分はサブシステム構成部品の相対的配置と内部通路１４４の曲率によって最小限に抑えるかまたはなくするのが望ましい。

ガス流は移行ダクト排気口１４２から或る角度１５０で接線方向に排出されるので、第１段静翼を削除することが可能である。第１段静翼及びその関連する構造支持体及び冷却システムの複雑性及びコストも同様に回避することができる。代わりに、移行ダクト１２２の排気口１４２を吸気口１４０から縦方向、半径方向、及び、接線方向にオフセットさせ、その間の湾曲した内部通路１４４によって、第１段動翼配列１２８に直接送るのに適した排出角度１５０になるようにガス流の向きを変えることが可能である。排出角度１５０は約４０度〜約８５度の範囲内が望ましい。

本発明の態様による移行ダクトによれば、ガス流は、半径方向及び縦方向への方向転換を比較的小さくし、接線方向の方向転換が最も大きくなるようにして燃焼器からタービンセクションの第１段に送られる。結果として、移行ダクトにかかるスラスト荷重を接線方向において高くし、半径方向及び縦方向において小さくすることが可能になる。また、本発明の態様による移行ダクトは、これまで第１段静翼によって実施された方向転換機能を実施するので、機械的及び熱的負荷が大きくなる可能性がある。従って、移行ダクトは、高温条件で高い強度特性を示す材料から製造するのが望ましい。従って、移行ダクトは少なくとも部分的にセラミック母材複合材料（ＣＭＣ材料）で製造することが可能である。さらに、衝突冷却、しみ出し冷却、蒸気冷却、及び、強制対流冷却といった既知の冷却技法を利用することが可能である。

移行ダクトの排気口領域及び吸気口領域に軸受支えを設けることが可能である。吸気口領域は、従来のように燃焼器アセンブリまたは燃焼器ライナのような関連する支持構造に固定することが可能である。排気口領域はさらに詳細に後述するように補強リング構造によって支持するのが望ましい。さらに、移行ダクト配列（図４参照）は、隣接する移行ダクト間で支持することが可能であり、その支持物としては調整板、支柱等、または、燃焼室シェルまたはそこから延びる枠構造のような包囲する支持構造に対して固定される追加のリング支持体がある。

図９〜１１を参照すると、各移行ダクトの排気口領域１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃは、円形に間隔をあけて配置されて、全体として支持リングを形成するリングセグメント１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃによって支持することが可能である。各支持リングセグメント１５６は外側梁部１５８と内側梁部１６０を備えることが可能であり、これらの梁部１５８、１６０は弓形が望ましいが、まっすぐでも差し支えない。梁部１５８、１６０は中央支柱１６２によって結合されて中央支柱１６２の両側に側方開口部１６４が形成され、この側方開口部１６４に移行ダクト本体の一部が挿入される。２つの隣接するリングセグメント１５６ａ、１５６ｂによって共通の移行ダクト本体１５４ａが囲まれ、共通移行ダクト本体１５４ａの挿入部分がほぼ包囲されることになる。

各移行ダクト本体の排気口領域１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃには締付用柱１６６を装着することが可能であり、リングセグメント１５６の対応する孔１７０に取り付けるためのねじ込みボルト１６８のような可調整締付具が取付けられる。孔１７０は、梁部の一方できれば外側梁部１５８から突き出す補強材１７２のような支持脚に設けるのが望ましい。補強材１７２には、タービンセクション（不図示）の動翼リングまたは他の第１段ハウジングのような包囲する支持構造に結合するための追加開口１７４または他の取付け構造を設けることが可能である。補強材１７２は、半径方向の外側に延びて、第１段ハウジングの半径方向の外側構造に結合することが可能である。補強材は、これに加えてまたはこれに代わって、内側梁部から半径方向の内側に延びて、第１段ハウジングの半径方向の内側支持構造に固定することが可能である。補強材１７２または他の支持脚は、主として円周方向荷重に対する軸受支えをなすような寸法にし、高強度材料から製造するのが望ましい。

リングセグメントを利用すると、隣接する移行ダクト間の間隔における縦方向の漏洩の減少に役立てることも可能になる。図９に示すように、セグメント１５６ｂ及び１５６ｃのような隣接リングセグメントの接合１７６は共通移行ダクト本体１５４ｂの排気口を横切る想像線１７８に沿って行われ、その結果、隣接する移行ダクト本体間における漏洩が少なくとも部分的に阻止される。接合部１７６におけるどの間隔も適切なブリッジ材料によって密封することが可能である。さらに図１０に示すように、リングセグメント１５６の梁部１５８、１６０、及び、支柱１６２は、各側方開口部１６４に沿ったロープシール１８０を形成して、挿入された移行ダクト本体部分を密封することが可能である。２つのこうしたロープシールを利用するのが望ましいが、１つまたは３つ以上も可能である。

従って、本発明によれば、燃焼器からタービンシステムの第１段セクションにガス流を送るだけではなく、ガス流の向きを縦方向に対して接線方向に変えて、第１段動翼配列に直接供給し、その結果、第１段静翼列が不要になるようにする燃焼器移行ダクトが提供される。

以上の説明は、こうした移行ダクト及び関連するタービンサブシステムの可能性のあるいくつかの構造に関して提示されたものである。従って、もちろん云うまでもなく、本発明は、例証のためだけに提示された本明細書に記載の特定の細部の制限されるものではなく、付属の請求項において定義される本発明の範囲内においてさまざまな修正及び変更が可能である。

従来のタービンエンジンの一部に関する断面図である。 従来の移行ダクトの上流の縦方向図である。 従来のタービンエンジンの燃焼器、移行ダクト、及び、第１段静翼及び動翼の略半径方向図である。 本発明の態様を具現化する円形移行ダクト配列の上流の縦方向図である。 図４に示す移行ダクトの１つの上流の縦方向図である。 縦方向の位置に描かれた本発明の態様による移行ダクトの上流の縦方向図である。 縦方向の位置に描かれた図６に示す移行ダクトの半径方向図である。 本発明の態様による燃焼器、移行ダクト、及び、第１段動翼の実施形態の１つに関する略半径方向図である。 本発明の態様による移行出口支持システムの実施形態の１つに関する上流斜視図である。 図９に示す移行出口支持システムの実施形態のための支持リングセグメントの実施形態の１つに関する下流斜視図である。 本発明の態様による支持リング締結具を装着した移行配列の一部に関する上流斜視図である。

符号の説明

９２ 移行ダクト
９４ 移行ダクト本体
９８ 吸気口
１００ 排気口
１１２ 移行ダクト
１１４ 吸気口
１１６ 排気口
１１８ 内部通路
１２０ 燃焼タービンサブシステム
１２２ 移行ダクト
１２４ 燃焼器
１２６ 第１段動翼配列
１２８ 動翼
１３０ 動翼リング
１３８ 移行ダクト本体
１４０ 吸気口
１４２ 排気口
１４４ 内部通路
１５４ 排気口領域
１５６ 支持リングセグメント
１５８ 外側梁部
１６０ 内側梁部
１６２ 中央支柱
１７０ 孔
１７２ 補強材

Claims (10)

1. ロータアセンブリから半径方向に延びて、接線方向成分（１４６）を有する円周方向に回転する複数の動翼（１２８）を備えており、前記ロータアセンブリの軸が縦方向（１４８）を形成している第１段動翼配列（１２６）と、前記第１段動翼配列（１２６）の縦方向の上流に位置し、前記第１段動翼配列（１２６）の半径方向の外側寄りに位置する少なくとも１つの燃焼器（１２４）を含んでいる燃焼タービンサブシステム（１２０）にガス流を送り込むための移行ダクト（１２２）において、
   吸気口（１４０）と排気口（１４２）の間に延びる内部通路を備えた移行ダクト本体（１３８）を備え、前記排気口（１４２）が前記縦方向（１４８）、前記半径方向、及び、前記接線方向（１４６）において前記吸気口（１４０）からオフセットされ、前記内部通路が湾曲して前記オフセットした排気口（１４２）に達しており、その結果、前記移行ダクト本体（１３８）が、前記吸気口（１４０）を介して前記燃焼器（１２４）からのガス流を前記内部通路に取り込んで、前記第１段動翼配列（１２６）に向かって前記ガス流を排出するように前記燃焼器（１２４）と前記第１段動翼配列（１２６）の間に配置されている場合、前記ガス流が前記縦方向（１４８）と前記接線方向（１４６）の間の或る角度（１５０）で前記排気口（１４２）から排出されるようにしてなることを特徴とする移行ダクト。
2. 前記排気口（１４２）が前記接線方向（１４６）において細長いことを特徴とする請求項１に記載の移行ダクト。
3. 前記接線方向（１４６）における前記内部通路の幅が前記吸気口（１４０）から前記排気口（１４２）に向かって狭くなることを特徴とする請求項１に記載の移行ダクト。
4. 前記半径方向における前記内部通路の高さが前記吸気口（１４０）から前記排気口（１４２）に向かって低くなることを特徴とする請求項１に記載の移行ダクト。
5. 前記移行ダクト（１２２）が少なくとも部分的にセラミック母材複合材料（ＣＭＣ材料）から製造されることを特徴とする請求項１に記載の移行ダクト。
6. さらに、
   前記第１段動翼配列（１２６）の上流に縦方向に配置されて、それぞれが前記第１段動翼配列（１２６）の半径方向の外側寄りに位置し、少なくとも縦方向の下流向き成分（１４８）を有する方向にガス流を排出する複数の燃焼器（１２４）と、
   それぞれが吸気口（９８）と排気口（１００）の間に延びる内部通路を備え、それぞれの燃焼器（１２４）と前記第１段動翼配列（１２６）間に配置されて、前記それぞれの燃焼器（１２４）によって排出される前記ガス流を前記吸気口（９８）を介して前記内部通路に取り入れ、前記排気口（１００）によって前記内部通路からの前記ガス流を前記第１段動翼配列（１２６）に向かって排出するようになっている複数の移行ダクト本体（９４）とを備え、
   前記排気口（１００）が前記吸気口（９８）から縦方向、接線方向、及び、半径方向にオフセットしていることと、前記内部通路が前記オフセットした排気口（１００）に向かって湾曲しており、前記ガス流が前記縦方向（１４８）と前記接線方向（１４６）の間の或る排出角度で前記排気口（１００）から排出されるようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の移行ダクト。
7. 前記排出角度（１５０）が、前記縦方向（１４８）に対して約４０度〜約８５度であることを特徴とする請求項６に記載の燃焼タービンサブシステム。
8. 前記ガス流が、前記排気口（１４２）からほぼ前記縦方向（１４８）と前記接線方向（１４６）によって形成される平面内に排出され、その結果、前記排出されるガス流の方向に半径方向成分がほとんどないか、または全くないことを特徴とする請求項６に記載の燃焼タービンサブシステム。
9. 前記移行ダクト本体（９４）の前記排気口（１００）が円周方向に間隔をあけて配置され、環状パターンを形成することを特徴とする請求項６に記載の燃焼タービンサブシステム。
10. 各排気口（１００）の縦方向面が前記第１段動翼配列（１２６）の回転面とほぼ平行であることを特徴とする請求項６に記載の燃焼タービンサブシステム。

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