JP2013139799A - 移行ノズルを冷却する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】移行ノズルを冷却する方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】移行部（２０４）が提供される。移行部（２０４）は、ライナ（２０２）と、該ライナとの間に冷却ダクト（２１６）が画成されるようにライナを囲むラッパー（２１４）と、冷却流体を冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口（２３０）と、複数の冷却チャンネル（２２２）が冷却ダクト内に画成されるように、ライナとラッパーとの間に結合される複数のリブ（２２０）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本開示は、全体的に、タービンシステムに関し、より詳細には、タービンシステムと共に用いることができる移行ノズルの冷却に関する。

少なくとも１つの公知のガスタービンシステムは、タービンとは異なる別個の燃焼器を含む。作動時には、一部のこのようなタービンシステムは、燃焼器とタービンとの間に漏洩を生じる可能性があり、燃焼器のエミッション（すなわち、ＮＯｘ）能力に影響を及ぼし、及び／又はタービンシステムの性能及び／又は効率を低下させる可能性がある。

このような漏洩を低減するために、少なくとも一部の公知のタービンシステムは、燃焼器とタービンとの間に複数のシールを含む。しかしながら、時間が経過すると、高温での作動により燃焼機とタービンとの間のシールが弱くなる可能性がある。このようなシールを維持することは、冗長で、時間を要し、及び／又はコスト効率が低い場合がある。

加えて、又は代替として、エミッション能力を向上させるために、少なくとも一部の公知のタービンシステムでは、燃焼機の作動温度が高くなっている。例えば、一部の公知の燃焼機内の火炎温度は、約３９００°Ｆを上回る温度まで上昇する場合がある。しかしながら、作動温度が高くなると、燃焼機及び／又はタービンシステムの有効寿命を縮める可能性がある。

米国特許第６８９０１４８号明細書

１つの態様において、タービン組立体と共に使用する移行ノズルが提供される。移行ノズルは、内部に燃焼室を画成するライナと、ライナとの間に冷却ダクトが画成されるようライナを囲むラッパーと、冷却流体を冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口と、複数の冷却チャンネルが冷却ダクト内に画成されるように、ライナとラッパーとの間に結合される複数のリブとを含む。

別の態様において、タービン組立体が提供される。タービン組立体は、燃料及び空気を混合して燃料空気混合気を生成するよう構成された燃料ノズルと、燃料ノズルから燃料空気混合気を受け取るような向きにされた移行ノズルとを含む。移行ノズルは、内部に燃焼室を画成するライナと、ライナとの間に冷却ダクトが画成されるようライナを囲むラッパーと、冷却流体を冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口と、複数の冷却チャンネルが冷却ダクト内に画成されるように、ライナとラッパーとの間に結合される複数のリブとを含む。

更に別の態様において、タービン組立体を組み立てる方法が提供される。本方法は、内部に燃焼室を画成するライナと、ライナとの間に冷却ダクトが画成されるようライナを囲むラッパーとを含む移行ノズルに燃料ノズルを結合するステップと、冷却流体を冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口と流れ連通して冷却流体源を結合するステップと、複数の冷却チャンネルが冷却ダクト内に画成されるようにライナとラッパーとの間に複数のリブを結合するステップとを含む。

本明細書で記載される特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において独立して達成することができ、或いは、別の実施形態においては組み合わせることもでき、これらの更なる詳細事項は、以下の説明及び図面を参照すると理解することができる。

例示的なタービン組立体の概略図。 図１に示すタービン組立体と共に用いることができる例示的な移行ノズルの断面図。 区域３に沿った図２に示す移行部の一部の図。 図２に示す移行ノズルと共に用いることができる代替の冷却ダクトの図。 図４に示す冷却ダクトの断面図。

本明細書で記載されるシステム及び方法は、移行ノズルの冷却を促進する。移行ノズルは、ライナとラッパーとの間に画成される冷却ダクトを含む。冷却流体源は、蒸気などの冷却流体を冷却ダクトに供給する。ライナ及びラッパー間に結合された複数のリブは、ラッパーにおいて複数の冷却チャンネルを画成する。冷却流体が冷却チャンネルを通って流れると、移行ノズルの冷却を促進する。

本明細書で使用される用語「軸方向」又は「軸方向に」とは、燃焼器の長手方向軸線に実質的に平行に延びる寸法及び向きを意味する。本明細書で使用する場合に、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」又は「例示的な実施形態」という表現は、記載された特徴要素を同様に組み込んだ追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。
□図１は、例示的なタービン組立体１００の概略図である。例示的な実施形態において、タービン組立体１００は、圧縮機１０４と、燃焼器組立体１０６と、ロータシャフト１１０を介して圧縮機１０４に回転可能に結合されたタービン１０８とを直列流れ配置で結合して含む。

作動時には、例示的な実施形態において、周囲空気が空気入口（図示せず）を通って圧縮機１０４に向かって送られる。周囲空気は、圧縮機１０４によって加圧された後、燃焼器組立体１０６に向かって配向される。例示的な実施形態において、加圧空気が燃料と混合され、結果として生じる燃料空気混合気が燃焼器組立体１０６内で点火されて燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスはタービン１０８に向けて配向される。その上、例示的な実施形態において、タービン１０８は、燃焼ガスから回転エネルギーを抽出し、ロータシャフト１１０を回転させて圧縮機１０４を駆動する。更に、例示的な実施形態において、タービン組立体１００は、発電機のような、ロータシャフト１１０に結合された負荷１１２を駆動する。例示的な実施形態において、負荷１１２は、タービン組立体１００の下流側にある。或いは、負荷１１２は、タービン組立体１００の上流側にあってもよい。

図２は、タービン組立体１００と共に用いることができる例示的な移行ノズルの断面図である。例示的な実施形態において、移行ノズル２００は、実質的に直線状の中心軸線を有する。或いは、移行ノズル２００は、傾斜した中心軸線を有することができる。移行ノズル２００は、本明細書で記載されるように機能することを可能にするのに好適なあらゆるサイズ、形状、及び／又は向きを有することができる。

例示的な実施形態において、移行ノズル２００は、燃焼ライナ部２０２、移行部２０４、及びタービンノズル部２０６を含む。例示的な実施形態において、少なくとも移行部２０４及びノズル部２０６は、単一又は単体構造の構成要素に一体化される。更に、ライナ部２０２、移行部２０４、及びノズル部２０６は、全て単一又は単体構造の構成要素に一体化することができる。例えば、１つの実施形態において、移行ノズル２００は、一体成形品として鋳造及び／又は鍛造される。

例示的な実施形態において、ライナ部２０２は、内部に燃焼室２０８を画成する。より具体的には、例示的な実施形態において、ライナ部２０２は、該ライナ部２０２の軸方向長さに沿って離間した複数の異なる位置（図示せず）にて燃料及び／又は空気を受けるような向きにされ、燃料流を燃焼機組立体１０６の各燃焼器（図示せず）について局所的に制御できるようにする。すなわち、各燃焼器の局所的制御により、燃焼機組立体１０６が燃焼室１２８内で実質的に均一な燃空比で作動できるようになる。例えば、例示的な実施形態において、ライナ部２０２は、少なくとも１つの燃料ノズル２１０から燃料空気混合気を受け取り、燃料ノズル１２０から下流側にある第２段燃料噴射装置２１２から燃料を受け取る。別の実施形態において、複数の個別に制御可能なノズルがライナ部２０２の軸方向長さに沿って離間して配置される。或いは、燃料及び空気は、燃焼室１２８内で混合することができる。

例示的な実施形態において、燃料空気混合気は、燃焼室２０８内で点火されて高温燃焼ガスを発生する。例示的な実施形態において、移行部２０４は、高温燃焼ガスを下流側のノズル部２０６に向けて送るような向きにされる。１つの実施形態において、移行部２０４は、流量調整端部（図示せず）を含み、該端部は、高温燃焼ガスを所望の角度でタービンバケット（図示せず）に向けて送るような向きにされる。このような実施形態において、流量調整端部はノズルとしての機能を果たす。加えて、或いは代替として、移行部２０４は、延長シュラウド（図示せず）を含むことができ、延長シュラウドは、該シュラウドとノズルが高温燃焼ガスを所望の角度でタービンバケットに向けて配向できる向きでノズルを実質的に囲む。ラッパー２１４は、ライナ部２０２を囲む。例示的な実施形態において、ラッパー２１４は金属である。或いは、ラッパー２１４は、移行ノズル２００が本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる材料から製作することができる。

図３は、区域３（図２に示す）に沿った移行部２０４の一部の図である。冷却ダクト２１６は、ラッパー２１４とライナ部２０２との間に画成される。例示的な実施形態において、複数のリブ２２０が、ラッパー２１４とライナ部２０２との間に延びて、冷却ダクト２１６に複数の冷却チャンネル２２２を画成する。具体的には、リブ２２０は、ライナ部２０２の半径方向外側表面２２４とラッパー２１４の半径方向内側表面２２６との間に延びる。リブ２２０は、あらゆる好適な方法を用いて半径方向外側表面２２４及び半径方向内側表面２２６に結合することができる。例えば、一部の実施形態において、リブ２２０は、半径方向外側表面２２４及び半径方向内側表面２２６に溶接することができる。或いは、リブ２２０は、ライナ部２０２及びラッパー２１４の少なくとも１つと鋳造及び／又は一体形成してもよい。

冷却流体入口２３０は、冷却流体を冷却ダクト２１６に供給する。例示的な実施形態において、冷却流体は蒸気である。或いは、冷却流体は、移行部２０４の冷却を促進する何らかの流体である。例えば、一部の実施形態において、冷却流体は液体水である。冷却流体は、冷却ダクト２１６を通って流れるときにライナ部２０２及びラッパー２１４の冷却を促進する。

例示的な実施形態において、リブ２２０は、冷却チャンネル２２２が軸方向に離間して配置されるように、冷却ダクト２１６の周りを円周方向に延びる。冷却流体入口２３０と流れ連通した第１の冷却チャンネル２３４は、第１のリブ２３８によって第２の冷却チャンネル２３６から軸方向に分離される。同様に、第２の冷却チャンネル２３６は、第２のリブ２４２によって第３の冷却チャンネル２４０から軸方向に分離され、該第３の冷却チャンネル２４０は、第３のリブ２４６によって第４の冷却チャンネル２４４から軸方向に分離される。第４の冷却チャンネル２４４は、冷却流体出口２４８と流れ連通している。

冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４は、互いに軸方向に分離されているが、円周方向に互いに流れ連通している。すなわち、第１の冷却チャンネル２３４は、第２の冷却チャンネル２３６と流れ連通しており、第２の冷却チャンネル２３６は、第３の冷却チャンネル２４０と流れ連通しており、第３の冷却チャンネル２４０は、第４の冷却チャンネル２４４と流れ連通している。更に、第１のリブ２３８は、第２のリブに結合され、第２のリブ２４２は、第３のリブ２４６に結合される。従って、例示的な実施形態において、冷却ダクト２１６は、ライナ部２０２の周りに配置される螺旋形状構成を有する。

或いは、一部の実施形態において、第１の冷却チャンネル２３４、第２の冷却チャンネル２３６、第３の冷却チャンネル２４０、及び第４の冷却チャンネル２４４は、流れ連通していない。このような実施形態において、冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４は、個々の冷却流体入口及び出口（何れも図示せず）を有する。冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４は、冷却ダクト２１６が本明細書で記載されるように機能することを可能にするような、互いの間での流れ連通に関するあらゆる構成を有することができ、冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４の全て又は一部だけが互いに流れ連通しているか、或いは何れも流れ連通していない点に留意されたい。

冷却ダクト２１６は、例示的な実施形態において３つのリブ２２０と４つの冷却チャンネル２２２を含むが、冷却ダクト２１６は、該冷却ダクト２１６が本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる数のリブ及び／又は冷却チャンネルを含むことができる。冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４はまた、タービュレータ、ディンプル、及び／又はフィンなどの１つ又はそれ以上の表面強化部（図示せず）を含むことができる。表面強化部は、移行部２０４の冷却を更に促進するあらゆる幾何形状、向き、及び／又は構成を有することができる。例えば、冷却チャンネル２３４、２３６、２４０、及び２４４は、山形、傾斜、及び／又は直線状のタービュレータを含むことができる。

図４は、移行ノズル２００（図２に示す）と共に用いることができる代替の冷却ダクト３１６の図である。図５は、冷却ダクト３１６の断面図である。別途規定しない限り、冷却ダクト３１６は、冷却ダクト２１６（図３に示す）と実質的に同様であり、図４において、同様の構成要素は、図３で使用した同じ参照数字を用いて表記されている。複数のリブ３２０が、ライナ部２０２及びラッパー２１４間に結合される。リブ３２０は、移行部２０４に沿って軸方向に延びる。従って、リブ３２０は、冷却ダクト３１６を、円周方向に離間した複数の軸方向に延びる冷却チャンネル３３０に分離する。

例示的な実施形態において、各冷却チャンネル３３０は、ラッパー２１４に画成された冷却流体入口３４０及び冷却流体出口３４２を含む。冷却流体は、冷却流体源（図示せず）から入口３４０を通って冷却チャンネル３３０内に流れる。冷却流体が冷却チャンネル３３０を通って流れると、該冷却流体は、ライナ部２０２及びラッパー２１４の冷却を促進する。

例示的な冷却チャンネル３３０が図３に示されているが、代替として、他の冷却チャンネル構成を利用してもよい。例えば、１つの実施形態では、複数の冷却チャンネルが互いに独立している（すなわち、互いに流体連通していない）。このような実施形態において、個々の冷却チャンネルへの冷却流体の流れは、冷却流体を独立した冷却チャンネルのサブセットに選択的に送ることができるように制御することができる。従って、どの冷却チャンネルが冷却流体を受け取るかを選択することにより、移行ノズル２００の異なる部分及び／又は構成要素を選択的に冷却することができる。

少なくとも１つの冷却チャンネル３３０は、ライナ部２０２に画成された冷却アパーチャ３５０を含む。従って、冷却流体の少なくとも一部は、冷却アパーチャ３５０を通って燃焼室１２８内に流れる。例示的な実施形態において、冷却ダクト３１６は６つのリブ３２０と６つの冷却チャンネル３３０とを含むが、冷却ダクト３１６は、該冷却ダクト３１６が本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる数のリブ及び／又は冷却チャンネルを含むことができる。

リブ及び冷却チャンネルの構成は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されない。例えば、冷却チャンネルは、螺旋チャンネル及び軸方向に延びるチャンネルに限定されず、例えば、正弦曲線形チャンネルを含むことができる。更に、リブは、冷却流体が移行部の構成要素の冷却を促進することができるあらゆる好適な寸法、間隔、及び／又は向きを有することができる。

本明細書で記載される実施形態は、移行ノズルの冷却を促進する。移行ノズルは、ライナとラッパーとの間に画成された冷却ダクトを含む。冷却流体源が、蒸気などの冷却流体を冷却ダクトに供給する。ライナ及びラッパー間に結合された複数のリブが、ラッパーに複数の冷却チャンネルを画成する。冷却流体が冷却チャンネルを通って流れると、該冷却流体は、移行ノズルの冷却を促進する。

少なくとも一部の公知のタービン組立体と比べると、本明細書で記載される方法及びシステムは、移行ノズルの冷却を向上させることができる。冷却流体は、複数のリブによりライナとラッパーとの間に画成された複数の冷却チャンネルを通って流れる。冷却流体が冷却チャンネルを通って流れると、該冷却流体は、タービン組立体の構成要素を冷却する。リブの位置及び向きを調整して異なる冷却構成を作成し、少なくとも一部の公知のタービン組立体に含まれているものよりも柔軟性のある冷却システムを提供することができる。

例示的なシステム及び方法は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ各システムの構成要素及び／又は各方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又は方法のステップとは独立して別個に利用することができる。各構成要素及び／又は各方法ステップはまた、他の構成要素及び／又は方法のステップと組み合わせて用いることもできる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ タービン組立体
１０４ 圧縮機
１０６ 燃焼器組立体
１０８ タービン
１１０ ロータシャフト
１１２ 負荷
２００ 移行ノズル
２０２ ライナ部
２０４ 移行部
２０６ ノズル部
２０８ 燃焼室
２１０ 燃料ノズル
２１２ 燃料噴射装置
２１４ ラッパー
２１６ 冷却ダクト
２２０ リブ
２２２ 冷却チャンネル
２２４ 半径方向外側表面
２２６ 半径方向内側表面
２３０ 冷却流体入口
２３４ 第１の冷却チャンネル
２３６ 第２の冷却チャンネル
２３８ 第１のリブ
２４０ 第３の冷却チャンネル
２４２ 第２のリブ
２４４ 第４の冷却チャンネル
２４６ 第３のリブ
２４８ 冷却流体出口
３１６ 冷却ダクト
３２０ リブ
３３０ 冷却チャンネル
３４０ 冷却流体入口
３４２ 冷却流体出口
３５０ 冷却アパーチャ

Claims (10)

1. タービン組立体と共に用いる移行ノズル（２００）であって、
   内部に燃焼室（２０８）を画成するライナ（２０２）と、
   前記ライナとの間に冷却ダクト（２１６）が画成されるよう前記ライナを囲むラッパー（２１４）と、
   前記冷却流体を前記冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口（２３０）と、
   複数の冷却チャンネル（２２２）が前記冷却ダクト内に画成されるように、前記ライナと前記ラッパーとの間に結合される複数のリブ（２２０）と
   を備える、移行ノズル（２００）。
2. 前記複数のリブ（２２０）の各々が、前記燃焼室（２０８）の周りを円周方向に延びて、前記冷却チャンネル（２２２）が軸方向に離間して配置されるようにする、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
3. 前記軸方向に離間した冷却チャンネル（２２２）が、前記燃焼室（２０８）の周りに螺旋構成で配列される、請求項２記載の移行ノズル（２００）。
4. 前記複数のリブ（２２０）の各々が、前記燃焼室（２０８）に沿って軸方向に延びて、前記冷却チャンネル（２２２）が円周方向に離間して配置されるようにする、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
5. 前記冷却流体入口（２３０）が、前記ラッパー（２１４）内に画成される、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
6. 前記ラッパー（２１４）内に画成され且つ前記冷却流体の流れを前記冷却ダクト（２１６）の外に配向するよう構成された冷却流体出口（２４８）を更に備える、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
7. 前記ライナ（２０２）内に画成され且つ前記冷却ダクト（２１６）と前記燃焼室（２０８）との間を流れ連通させる冷却アパーチャ（３５０）を更に備える、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
8. 前記冷却流体入口（２３０）が、冷却流体として蒸気を供給するよう構成される、請求項１記載の移行ノズル（２００）。
9. タービン組立体（１００）であって、
   燃料及び空気を混合して燃料空気混合気を生成するよう構成された燃料ノズル（２１０）と、
   前記燃料ノズルから前記燃料空気混合気を受け取るような向きにされた移行ノズル（２００）と
   を備え、前記移行ノズル（２００）が、
   内部に燃焼室（２０８）を画成するライナ（２０２）と、
   前記ライナとの間に冷却ダクト（２１６）が画成されるよう前記ライナを囲むラッパー（２１４）と、
   前記冷却流体を前記冷却ダクトに供給するよう構成された冷却流体入口（２３０）と、
   複数の冷却チャンネル（２２２）が前記冷却ダクト内に画成されるように、前記ライナと前記ラッパーとの間に結合される複数のリブ（２２０）と
   を含む、タービン組立体（１００）。
10. 前記複数のリブ（２２０）の各々が、前記燃焼室（２０８）の周りを円周方向に延びて、前記冷却チャンネル（２２２）が軸方向に離間して配置されるようにする、請求項９記載のタービン組立体（１００）。