JP2010236852A - 熱的に分離された環状筒形の移行部片 - Google Patents

熱的に分離された環状筒形の移行部片 Download PDF

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Abstract

【課題】環状筒形配列(40)で配置された複数の噴射ノズル(37、38)と、燃焼流路(72)を画定する少なくとも1つの壁(64)を備える移行部片(55)とを備えるターボ機械を提供する。
【解決手段】希釈オリフィス(67)が、移行部片(55)の壁(64)内に形成されている。希釈オリフィス(67)は燃焼流路(72)に希釈ガスを案内する。熱遮蔽部材(80)が、燃焼流路(72)における移行部片(55)の壁(64)に取り付けられている。熱遮蔽部材(80)は、第1の表面(136)および対向する第2の表面(137)を有するボディ(135)と、ボディ(135)を通って延びる希釈通路(140〜142)とを備える。希釈通路(140〜142)は、希釈オリフィス(67)からずれている。熱遮蔽部材(80)は、移行部片(55)の壁(64)から離間に配置されて、壁(64)と第2の表面との間に流れ領域(100)を画定している。
【選択図】図2

Description

本明細書で開示する主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、熱的に分離された環状筒形の移行部片を備えるターボ機械に関する。
一般的に、ガス・タービン・エンジンは、燃料/空気混合気を燃焼させて熱エネルギーを放出させ、高温ガス流を形成する。高温ガス流は、高温ガス経路を介してタービンに送られる。タービンによって、高温ガス流からの熱エネルギーが機械的エネルギーに変換され、タービン・シャフトを回転させる。タービンを、種々の応用例で(たとえば、ポンプまたは発電機にパワーを供給するために)用いる場合がある。
ガス・タービンの多くは、環状の燃焼器を備えている。燃焼器の中で燃焼ガスが形成され、高温ガス流が形成される。他のターボ機械では、環状筒形配列で配置された複数の燃焼器を用いている。このようなターボ機械では、燃焼ガスが、複数の燃焼器のそれぞれにおいて形成され、移行部片を通ってタービンに送出される。タービンに通路を与えることに加えて、移行部片は、燃焼を高めるさらなる可能性をもたらす。あるターボ機械では、移行部片内に配置された一連の希釈通路を用いている。圧縮機空気の一部が、移行部片に沿って、希釈通路を通って、燃焼空気流内に送られる。この部分の圧縮機空気(または希釈ガス)を用いて、燃焼ガスのプロファイル/パターン因子が高められる。
米国特許第5,682,747号明細書
熱的に分離された環状筒形の移行部片を備えるターボ機械を提供する。
本発明の一態様によれば、ターボ機械が、環状筒形配列で配置された複数の噴射ノズルと、燃焼流路を画定する少なくとも1つの壁を備える移行部片とを備える。希釈オリフィスが移行部片の少なくとも1つの壁内に形成されている。希釈オリフィスは燃焼流路に希釈ガスを案内する。熱遮蔽部材が、燃焼流路における移行部片の少なくとも1つの壁に取り付けられている。熱遮蔽部材は、第1の表面および対向する第2の表面を有するボディと、ボディを通って延びる希釈通路とを備える。希釈通路は希釈オリフィスからずれている。熱遮蔽部材は、移行部片の少なくとも1つの壁から離間に配置されて、少なくとも1つの壁と第2の表面との間に流れ領域を画定する。
本発明の別の態様によれば、ターボ機械において移行部片を燃焼ガスから熱的に分離する方法が、ターボ機械の圧縮機部分において冷却ガスを形成することと、環状筒形配列で配置された複数の燃焼室内で燃焼ガスを発生させることと、燃焼ガスをターボ機械の流れキャビティ内に案内することと、を含んでいる。流れキャビティは、環状筒形配列の燃焼室を第1段のタービンに流体的に接続する。本方法はさらに、少なくとも1つの熱遮蔽部材を用いて移行部片の内面を燃焼ガスから遮蔽することを含む。少なくとも1つの熱遮蔽部材は、移行部片の内面から離間に配置されて流れキャビティを形成している。冷却空気流は、移行部片内に形成された少なくとも1つの希釈オリフィスを通る。希釈オリフィスは流れキャビティに流体的に接続されている。最後に、本方法は、少なくとも1つの熱遮蔽部材内に形成された少なくとも1つの希釈通路を通して冷却空気流を案内することを含む。少なくとも1つの希釈通路は、少なくとも1つの希釈オリフィスからずれて、少なくとも1つの熱遮蔽部材の表面上に進んで移行部片の内壁を燃焼ガスから熱的に分離する流出空気流を形成する。
これらおよび他の優位性および特徴が、図面とともに以下の説明からより明らかとなる。
本発明と考えられる主題は特に、本明細書の結びにおける請求項において示され、明確に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、添付図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。
代表的な実施形態による熱的に分離された移行部片を備えるターボ機械の部分断面図である。 図1のターボ機械の燃焼器部分の部分断面図である。 代表的な実施形態の第1の態様による熱遮蔽部材の詳細図である。 代表的な実施形態の第2の態様による熱遮蔽部材の詳細図である。 代表的な実施形態のさらに別の態様による熱遮蔽部材の詳細図である。
詳細な説明において、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、図面を参照して一例として説明する。
図1を参照して、代表的な実施形態により構成されるターボ機械を、一般的に2で示す。ターボ機械2は、圧縮機4と燃焼器アセンブリ5とを備える。燃焼器アセンブリ5は少なくとも1つの燃焼器6を有する。燃焼器6には、噴射ノズル・アセンブリ・ハウジング8が設けられている。またターボ機械2は、タービン10と、共通の圧縮機/タービン・シャフト12とを備える。特に、本発明は、どれか一つの特定のエンジンに限定されるわけではなく、他のターボ機械に関連して用いても良い。
図2に最も良く示されるように、燃焼器6は、圧縮機4およびタービン10と流れ連絡する状態で結合されている。圧縮機4は、ディフューザ22と圧縮機吐出プレナム24とを備えており、これらは互いに流れ連絡する状態で結合している。燃焼器6はまた、その第1の端部に位置する端部カバー30と、キャップ部材34とを備える。燃焼器6はさらに、複数の予混合器または噴射ノズルを備える。それらのうちの2つを37および38で示す。噴射ノズル37および38は中央のノズル39の周りに配置されて、環状筒形配列40を形成している。3つの噴射ノズルのみを示しているが、環状筒形配列40において用いる噴射ノズルの数は変えられることを理解されたい。加えて、燃焼器6は燃焼器ケーシング46と燃焼器ライナ47とを備える。図示したように、燃焼器ライナ47は、燃焼器ケーシング46から半径方向内側に位置して燃焼室48を画定している。環状の燃焼室冷却通路49が、燃焼器ケーシング46と燃焼器ライナ47との間に画定されている。
燃焼器6はターボ機械2に、移行部片55を通して結合されている。移行部片55は、燃焼室48から出た燃焼ガスを下流に、第1段のタービン・ノズル62の方へ送る。そうするために、移行部片55は内壁64と外壁または衝突スリーブ65とを備える。外壁65は、内壁64と外壁65との間に画定される環状流路68に通じる複数の開口部66を備える。この配置において、外壁65は、環状流路68内での圧力差を介して冷却空気流(および熱交換)を制御する。同様に、内壁64は希釈オリフィス67を備えている。希釈オリフィス67は、環状流路68から、燃焼室48とタービン10との間を延びる燃焼流路72内へと通じている。流路72は、燃焼ガスを第1のタービン段62に、以下でより十分に説明する方法で送出するように構成された複合曲率を備える。
動作中、圧縮機4を通る空気流を圧縮して、燃焼器6に、より具体的には噴射ノズル37〜39に送る。同時に、燃料を噴射ノズル37〜39に送って、圧縮空気と混合し、可燃性の混合物を形成する。可燃性の混合物は、環状筒形配列40から燃焼室48へ進み、点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスを次に、移行部片55を介してタービン10に送る。燃焼ガスから得られる熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換し、このエネルギーを用いて圧縮機/タービン・シャフト12を駆動する。
より具体的には、タービン10が、圧縮機4を、圧縮機タービン・シャフト12(図1に示す)を介して駆動する。圧縮機4が回転すると、圧縮空気がディフューザ22内に排出される。これを、付随する矢印によって示す。代表的な実施形態においては、圧縮機4から排出される圧縮空気の大部分が、圧縮機吐出プレナム24を通して燃焼器6の方へ送られる。わずかでも残存する圧縮空気は、エンジン構成部品の冷却で用いるために送られる。吐出プレナム24内の圧縮空気は、外壁開口部66を介して移行部片55内に送られ、環状通路68内に送られる。環状流路を用いない構成の場合、圧縮機吐出空気は、外壁65が形成する圧力差を伴わずに開口部66を通過する。しかし図示する代表的な実施形態においては、圧縮空気の第1の部分または希釈部分が、環状流路68から希釈オリフィス67を通って流路72内に送られる。圧縮空気の第2の部分が、環状の燃焼室冷却通路49を通って噴射ノズル37〜39へ送られる。燃料および空気が混合されて、可燃性の混合物が形成される。可燃性の混合物は点火されて、燃焼室48内で燃焼ガスが形成される。燃焼器ケーシング47によって、燃焼室48およびその関連する燃焼プロセスを、外部環境(たとえば周囲のタービン構成部品)から遮蔽することが容易になる。燃焼ガスは、燃焼室48から、案内キャビティ72を通ってタービン・ノズル62の方へ送られる。高温ガスが第1段のタービン・ノズル62に衝突することで回転力が形成され、これによって最終的にターボ機械2から動作が生成される。ここで、前述した構造は、本発明の代表的な実施形態をより完全に理解するために示したものであることを理解されたい。加えて、前述した代表的な実施形態では衝突スリーブを用いているが、他の代表的な実施形態として、衝突スリーブを用いる場合および用いない場合の両方を用いることができることを理解されたい。
内壁64を高温燃焼ガスの影響から保護するために、移行部片55は複数の熱遮蔽部材80〜85を備えている。各熱遮蔽部材80〜85は同様の構造を備えているので、詳細な説明は、図3を参照して、第1の代表的な実施形態により構成された熱遮蔽部材80を説明しながら、熱遮蔽部材81〜85は実質的に同様に形成されているという理解の下で行なう。図示したように、熱遮蔽部材80は、第1の表面92と第1の表面92が及ぶ第2の対向する表面94とを有するボディ90と、ボディ90を通って延びる希釈通路96とを備える。ボディ90は、たとえばニッケル合金またはセラミックスから形成され、移行部片55の複合曲率に適合するように形作られている。加えて、ボディ90は、第1の表面92および/または第2の表面94にあてがわれる遮熱コーティングを備えていても良い。希釈通路96は、第1の端部部分97と第1の端部部分97が及ぶ第2の端部部分98とを備えている。図示する代表的な実施形態においては、希釈通路96は、第2の表面94に沿って生じる流れを促進するために希釈オリフィス67からずれている。加えて、熱遮蔽部材80は、移行部片55の内壁64から離間に配置されて流れ領域100を画定している。流れ領域100の特定の寸法はデザイン要求に応じて変えることができる。さらに、図示する代表的な実施形態によれば、熱遮蔽部材80は、第2の表面94から外へ延びる複数の表面増大部または突起部を備えており、そのうちの1つを101で示す。突起部101によって、流れ領域100を通る希釈空気内に乱流が形成される。
前述したように、熱遮蔽部材80は、移行部片55の内壁64に取り付けられているがそこから離間に配置されている。そうするために、移行部片55は、内壁64から外へ突き出る複数の取り付け部材を備えており、そのうちの2つを104および105で示す。図示した代表的な実施形態においては、取り付け部材104および105は、フック部材108および109という形をとる。各フック部材108、109はまた、対応する第1の端部部分111および112と、それらが及ぶ第2の端部部分114および115とを備える。相応に、熱遮蔽部材80は、第2の表面94から外へ突き出る複数の取り付け要素を備えており、そのうちの2つを120および121で示す。
図示した代表的な実施形態においては、取り付け要素120および121は、フック要素124および125という形をとる。各フック要素124、125は、対応する第1の端部126および127と、それらがフックで終わる前(別個に標示せず)に及ぶ対応する第2の端部130および131とを備える。フック要素124および125はフック部材108および109と係合して、熱シールされた部材80を移行部片55に取り付け、流路100を画定する。この配置において、燃焼器流路72を通って流れる冷却用空気は、希釈オリフィス67を通って流れ領域100内に入り、希釈空気を形成する。希釈空気は、流れ領域100に沿って進み、希釈通路96を通って燃焼器流路72内に入る。したがって、熱遮蔽部材によって、移行部片55の内壁64に対する熱障壁がもたらされる。熱障壁は、あるレベルの保護を内壁64の種々の部分に対してもたらす。たとえば、流路72において燃焼ガスから内壁64を分離することによって、内壁64に生じる亀裂が、特に希釈オリフィス67の周りの領域において軽減される。より具体的には、高温ガスが、希釈空気によって形成される縮流部内に吸い込まれると、燃焼ガスと混合して、希釈オリフィス67に隣接する領域において内壁64に亀裂が生じることになる。希釈オリフィス67と希釈通路96との間にずれを設けることによって、高温ガスの吸い込みがなくなり、熱遮蔽部材80によって移行部片55の全体的な動作寿命が延びるようになる。
次に図4(同様の参照数字によって別個の図における対応する部品を表す)を参照して、代表的な実施形態の別の態様により構成される熱遮蔽部材134について説明する。図示したように、熱遮蔽部材134は、第1の表面136および対向する第2の表面137を有するボディ135を備えている。熱遮蔽部材134は、ボディ135を通って延びる複数の希釈通路140〜142を備える。前述と同様の仕方で、各希釈通路140〜142は、移行部片55の内壁64内に形成された希釈オリフィス67のうち対応するものからずれている。以下でより十分に説明するように、各希釈通路140〜142は、熱遮蔽部材134の冷却を高めるように構成されている。より具体的には、希釈通路140は、第1の端部部分144と、第1の端部部分144が角度の付いた中間部分146を通って及ぶ第2の端部部分145とを備える。すなわち、第1の端部部分144は第2の端部部分145からずれて、希釈通路140の全体的な流動長を長くする。このようにして、熱遮蔽部材134を通る流出流れを形成する希釈空気には、熱交換のための付加的な時間が与えられて、その結果、熱交換が高まる。同様に、希釈通路141が、第1の端部部分151と、第1の端部部分151が角度の付いた中間部分153を通って及ぶ第2の端部部分152とを備え、希釈通路142が、第1の端部部分157と、第1の端部部分157が角度の付いた中間部分159を通って及ぶ第2の端部部分158とを備える。前述と同様の仕方で、各第1の端部部分151および157は、第2の端部部分152および158のうち対応するものからずれて、希釈通路141および142の全体的な流動長を長くする。やはり前述と同様の仕方で、熱遮蔽部材134は、移行部片55上のフック部材108および109と係合するように構成された第1および第2のフック要素164および165を備える。
次に図5を参照して、さらに別の代表的な実施形態により構成される熱遮蔽部材170について説明する。図示したように、熱遮蔽部材170は、第1の表面172と第1の表面172が延びて向かう対向する第2の表面173とを有するボディ171を備える。熱遮蔽部材170は、流れ領域100と燃焼器流路72との間を延びる複数の希釈通路179〜182を備える。やはり前述と同様の仕方で、各希釈通路179〜182は、流路100を通って燃焼器流路72へ向かう冷却用空気との熱伝達を高めるように構成されている。すなわち、希釈通路179は、第1の端部部分185と、第1の端部部分185が角度の付いた部分187を通って及ぶ第2の端部部分186とを備える。同様に、希釈通路180は、第1の端部部分190と、第1の端部部分190が角度の付いた部分192を通って及ぶ第2の端部部分191とを備え、希釈通路181は、第1の端部部分195と、第1の端部部分195が角度の付いた部分197を通って及ぶ第2の端部部分196とを備え、希釈通路182は、第1の端部部分200と、第1の端部部分200が角度の付いた中間部分202を通って及ぶ第2の端部部分201とを備える。この配置において、各第1の端部部分185、190、195、および200は、第2の端部部分186、191、196、および201のうち対応するものからずれて、ボディ171内の流れを延長して熱遮蔽部材170からの熱伝達を高める。
さらに、図示する代表的な実施形態によれば、熱遮蔽部材170は、移行部片55の内壁64に取り付けられているがそこから離間に配置されて、流路100を画定している。より具体的には、内壁64は、開口部211の形で示される取り付け部材209を備える。また外壁65は、開口部211と位置合わせされた開口部(別個に標示しない)を備える。熱遮蔽部材170は、第2の表面173から延びる突出部またはスタッド218の形で示される取り付け要素215を備える。スタッド218は、開口部211を通って延びて熱遮蔽部材170を移行部片55に固定するように構成されている。より具体的には、スタッド218は、第1の端部226と第1の端部226が及ぶ第2の端部227とを備え、留め具238を受け取るように構成されたネジ山部分233を備えている。留め具238(ネジ山部分233と係合するように構成された複数の雌ネジ(図示せず)を有するナットの形で示される)がスタッド218に固定される結果、熱遮蔽部材170が移行部片55に取り付けられる。第2の留め具240を用いて、内壁64から所望の間隔を実現して、隣接する熱遮蔽部材間の位置合わせを確実にすることができるとともに、流路100に対して均一性を与えることができる。
ここで、熱遮蔽部材は、代表的な実施形態により、移行部片55の内壁64に対する熱暴露を減らす構造を実現するように構成されていることを理解されたい。前述したように、流路72において燃焼ガスから内壁64を分離することによって、内壁64に生じる亀裂が、特に希釈オリフィス67の周りの領域において軽減される。より具体的には、高温ガスが、希釈空気によって形成される縮流部内に吸い込まれると、燃焼ガスと混合して、希釈オリフィス67に隣接する領域において内壁64に亀裂が生じることになる。希釈オリフィス67と希釈通路96との間にずれを設けることによって、高温ガスの吸い込みがなくなり、熱遮蔽部材80によって移行部片55の全体的な動作寿命が延びる。すなわち、犠牲の構成部品を移行部片55内に設けることによって、熱遮蔽部材により、保守性およびメンテナンスが高まると同時に、ターボ機械2の全体的な耐用年数が延びる。
本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変形、変更、代用、または等価な配置を取り入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。

Claims (10)

  1. 環状筒形配列(40)で配置された複数の噴射ノズル(37、38)を備える燃焼器アセンブリ(5)と、
    燃焼流路(72)を画定する少なくとも1つの壁(64)を備える移行部片(55)と、
    移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)内に形成された少なくとも1つの希釈オリフィス(67)であって、燃焼流路(72)に希釈ガスを案内する少なくとも1つの希釈オリフィス(67)と、
    燃焼流路(72)における移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)に取り付けられた熱遮蔽部材(80)であって、熱遮蔽部材(80)は、第1の表面(136)および対向する第2の表面(137)を有するボディ(135)と、ボディ(135)を通って延びる少なくとも1つの希釈通路(140〜142)とを備え、少なくとも1つの希釈通路(140〜142)は、少なくとも1つの希釈オリフィス(67)からずれており、熱遮蔽部材(80)は移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)から離間に配置されて少なくとも1つの壁(64)と第2の表面(137)との間に流れ領域(100)を画定し、流れ領域(100)は移行部片(55)を環状筒形配列(40)の噴射ノズルによって生成される燃焼ガスから熱的に分離する、熱遮蔽部材(80)と、を備えるターボ機械(2)。
  2. 移行部片(55)上に設けられた少なくとも1つの取り付け部材(104)と、
    熱遮蔽部材(80)の第2の表面(137)内に設けられた少なくとも1つの取り付け要素(120)であって、少なくとも1つの取り付け部材(104)は少なくとも1つの取り付け要素(120)と相互に作用して熱遮蔽部材(80)を移行部片(55)に取り付けるように構成される取り付け要素(120)と、をさらに備える請求項1に記載のターボ機械(2)。
  3. 少なくとも1つの取り付け部材(104)は、移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)から外へ燃焼流路(72)に向かって延びるフック部材(108)を備え、少なくとも1つの取り付け要素(120)は、熱遮蔽部材(80)の第2の表面(137)から実質的に垂直に外へ延びるフック要素(124)を備え、フック要素(124)は、少なくとも1つのフック部材(108)と結合して熱遮蔽部材(80)を移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)に取り付けるように構成される請求項2に記載のターボ機械(2)。
  4. 少なくとも1つの取り付け部材(104)は、移行部片(55)の少なくとも1つの壁(64)を通って延びる開口部(211)を備え、少なくとも1つの取り付け要素(120)は、第1の端部(226)と第1の端部(226)が第2の表面(137)から延びて向かう第2の端部(227)とを有する突出部(218)を備え、第2の端部(227)は、開口部(211)を通って延びて熱遮蔽部材(80)を移行部片(55)に取り付けるように構成される請求項2に記載のターボ機械(2)。
  5. 突出部(218)の第2の端部(227)上に設けられた締着要素(238)をさらに備える請求項4に記載のターボ機械(2)。
  6. 突出部(218)の第2の端部(227)はネジ山部分(233)を備える請求項5に記載のターボ機械(2)。
  7. 締着要素(238)は、突出部(218)のネジ山部分(233)と係合するように構成された複数の雌ネジを有するナットを含む請求項5に記載のターボ機械(2)。
  8. 希釈通路(140〜142)は、第1の端部部分(97)と第1の端部部分(97)が及ぶ第2の端部部分とを備え、第1の端部部分(97)は第2の端部部分(98)からずれている請求項1に記載のターボ機械(2)。
  9. 少なくとも1つの希釈オリフィス(67)は複数の希釈オリフィスを含み、少なくとも1つの希釈通路(140〜142)は複数の希釈通路(140〜142)を含み、複数の希釈通路(140〜142)のそれぞれは複数の希釈オリフィスのそれぞれからずれており、熱遮蔽部材(80)の第2の表面(137)は複数の突起部を備え、複数の突起部(101)は、流れ領域(100)を通る空気流を調整する請求項1に記載のターボ機械(2)。
  10. ターボ機械(2)において移行部片(55)を燃焼ガスから熱的に分離する方法であって、
    ターボ機械(2)の圧縮機部分において冷却ガスを形成することと、
    環状筒形配列(40)で配置された複数の燃焼室内で燃焼ガスを発生させることと、
    燃焼ガスをターボ機械(2)の流れキャビティ内に案内することであって、流れキャビティは環状筒形配列(40)の燃焼室を第1段のタービンに流体的に接続する、案内することと、
    移行部片(55)の内面を燃焼ガスから、少なくとも1つの熱遮蔽部材(80)を用いて遮蔽することであって、少なくとも1つの熱遮蔽部材(80)は、移行部片(55)の内面から離間に配置されて流れキャビティを形成する、遮蔽することと、
    移行部片(55)内に形成された少なくとも1つの希釈オリフィス(67)を通して冷却空気流を送ることであって、希釈オリフィス(67)は流れキャビティに流体的に接続される、送ることと、
    少なくとも1つの熱遮蔽部材(80)内に形成された少なくとも1つの希釈通路(140〜142)を通して冷却空気流を案内することであって、少なくとも1つの希釈通路(140〜142)は、少なくとも1つの希釈オリフィス(67)からずれて、少なくとも1つの熱遮蔽部材(80)の表面上に進んで移行部片(55)の内壁(64)を燃焼ガスから熱的に分離する流出空気流を形成する、案内することと、を含む方法。
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