JP2013221735A - トランジションピースの輪郭形成のための方法、システム、及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンのトランジションピースを流れる高温燃焼ガスは、ダクト構造体を非常に高い温度に晒し、補修及び交換を必要とする早期の劣化につながる場合があるため、損傷を低減する形状形成のための装置、方法、及びシステムを提供する。
【解決手段】トランジションピースの高温領域、低温領域を決定し、高温領域の前側に低温領域を輪郭形成する。トランジションピースの低温領域は輪郭形成して高温ガス流を妨害することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、全体的には燃焼システムに関し、詳細には高温ガス流に関する。

一般的な缶アニュラ型ガスタービンエンジンにおいて、複数の燃焼器は、略環状配列でエンジンの周りに配置される。燃焼器は、エンジンの圧縮機から圧縮空気を受け入れ、燃料を加えて燃料及び空気の混合物を生成し、混合物を燃焼させて高温ガスを発生する。高温ガスは燃焼器から流出して、発電用の発電機を駆動する軸に結合されるタービンを回転させる。

高温燃焼ガスは、トランジションピース又はダクトによって燃焼器ライナからタービンに運ばれる。トランジションピースを流れる高温燃焼ガスは、ダクト構造体を非常に高い温度に晒し、トランジションダクトの補修及び交換を必要とする早期の劣化につながる場合がある。他の領域は比較的損害を受けていないトランジションピースの単一領域における著しい割れ又は他の劣化は、ガスタービンの性能に著しく影響を及ぼす場合があり、トランジションピース全体を交換することを必要とする場合もある。

本明細書は、トランジションピースを輪郭形成するための装置、方法、及びシステムを開示する。１つの実施形態において、本方法は、高い熱応力セクションである第１のトランジションピースに関する第１の領域を決定し、低い熱応力セクションである第１のトランジションピースに関する第２の領域を決定し、決定された輪郭が高温ガス流を妨害する第１のトランジションピースの第２の領域の輪郭を決定し、決定された第１のトランジションピースの第２の領域の輪郭を備える第１のトランジションピースを生成する。

１つの実施形態において、トランジションピースは、トランジションピースの高い熱応力セクションである第１の領域と、第１の領域の上流側の第２の領域に実装される輪郭部とを有し、第２の領域は、輪郭部の実装前ではトランジションピースの低い熱応力セクションである。

１つの実施形態において、システムは、コンピュータ読み取り可能命令を実行する第１のプロセッサ、及び第１のプロセッサに通信可能に接続される第１のメモリを備えることができ、第１のメモリは、第１のプロセッサが実行すると、該プロセッサに以下の方法を実行するようにさせるコンピュータ読み取り可能命令を記憶し、本方法は、トランジションピースの高い熱応力セクションである第１の領域を決定する段階と、トランジションピースの低い熱応力セクションである第２の領域を決定する段階と、トランジションピースの第２の領域の輪郭を形成し、輪郭形成された第２の領域が第１の領域の熱応力を低減する輪郭の解析に基づいて決定される段階と、トランジションピースの第２の領域の輪郭に基づいて物理的なトランジションピースに関するパラメータを作成する段階とを含む。

本概要は、以下に詳細に説明される単純化した形態の概念の選択対象を紹介するために提供される。本概要は、請求項に記載された主題の主要な特徴又は基本的特徴を確認するためのものではなく、更に、請求項に記載された主題の範囲を定める一助として使用されるものでもない。更に請求項に記載された主題は、本開示の一部に示された何らかの又は全ての欠点を解決する限定事項に限定されるものではない。

添付図面と共に例証として与えられる以下の説明から、より詳細な理解が得られるであろう。

トランジションピースの例示的な図。 トランジションピースの輪郭形成を実施したトランジションピースの例示的な図。 トランジションピースの輪郭形成を行う非限定的で例示的な方法。 例示的な輪郭を備えるトランジションピース。 本発明の態様を組み込むことができる汎用コンピュータシステムを示す例示的なブロック図。

図１はトランジションピース１００の例示的な図である。トランジションピース１００は、前端（入口）１０５及び後端（出口）１１０を有する、高温ガスは、入口１０５に流入し、トランジションピース１００の全長を通って流れる。高温ガスは、出口１１０でトランジションピース１００から流出する。トランジションピース１００は、屈曲部又は傾斜部１１５を有する。屈曲部１１５は、入口１０５から流入する高温ガスが直接、屈曲部１１５の輪郭部に衝突するので、トランジションピースの耐用限界セクションである。領域１２０は、トランジションピース１００全体の交換が必要となる屈曲領域１１５がある程度割れる場合でも相対的に損傷を受けないであろう。

計算流体力学及び他の解析は、トランジションピースの耐用限界領域がトランジションピースの他の領域よりも高温状態に置かれる場合が多いことを示している。高温状態は、タービンの運転開始から終了のサイクル毎の高い歪み範囲の原因となる場合がある。経時的に、歪みサイクルは蓄積されてトランジションピースの耐用限界となる可能性がある。耐用限界には高温によって引き起こされる高い熱応力及び酸化の結果として到達する。経時的に、酸化は蓄積されてトランジションピースの耐用限界となる可能性がある。本明細書に記載のように、トランジションピースの他の部分の相対的に損傷を受けない特性にも関わらず、トランジションピースの特定領域に著しい損傷（例えば、割れ）が発生した場合、トランジションピース全体が交換される。

従来から、１以上の輪郭部又は傾斜部は、トランジションピースにもたらされる損傷を分散するため、結果的にトランジションピース全体の耐用年数を延ばすために、トランジションピースの損傷が少ない部位に使用することができる。輪郭部は、繊細なもの又は極端なものとすることができる。図２は、トランジションピース２００の変更領域２０５を例示的に示す。図１に示す実施形態において、領域１２０はトランジションピース１００の最も冷たくて損傷が最小の部位とすることができる。図２に示す実施形態において、変更領域２０５は、従来において同じ領域が受けるものよりも大きな損傷を受ける場合があるが、一般に屈曲領域２１０が受けるものよりも損傷を低減することもできる。

ガスタービンエンジンの設計は、計算流体力学（ＣＦＤ）のセットを組み合わせる実験計画法（ＤＯＥ）で変わり、他の解析手法は、特定システムの結果を最大にする種々の幾何学的形状（例えば、傾斜部の数及深さ）を最適化するために利用することができる。例えば、図１において、ＣＦＤ解析は、領域１２０が屈曲部１１５に比較して非常に冷たく、結果的に寿命が長いと見なし得ることを示す場合がある。ＣＦＤ最適化は、高温ガス流の何らかの影響を受ける場合がある領域１２０の種々の輪郭部の効果を解析するために利用することができ、このことはトランジションピース１００の屈曲部１１５上での高温ガス流の影響を低減する。

「低温」端部の意図的な傾斜形成又は輪郭形成は、処理領域がより積極的な湾曲部を有する場合があるので、従来から好ましくないと考えられているが、本明細書に記載するように、高温ガスがもたらす損傷を、トランジションピースの他の低温領域に分散させてトランジションピース全体の寿命を延ばすことができる。トランジションピースの１つの領域と他の領域との間で顕著な寿命範囲が存在する場合、寿命の短い領域の寿命を延ばすために、寿命の長い領域の輪郭を変更することができる。本明細書ではトランジションピースの上面の処理が開示されるが、他の面の処理も意図されている。

本明細書に記載のトランジションピースは、タービンシステムのトランジションピースの物理的発現（例えば、金属）とすること、又はコンピュータ処理の表現とすることができる。トランジションピースの試験は、試験装置を用いた物理的なトランジションピース、トランジションピースのコンピュータ仕様、及び対応するコンピュータ解析を使用して行うことができる。試験は、１以上の発電機モデル向けに作られているトランジションピース等の特定のトランジションピースデザインで行うことができ、物理的形状に又は物理的なトランジションピースのデジタル表現に対して実行することができる。例えば、高温ガス流及びトランジションピースの熱応力のシミュレーションは、トランジションピースの実施構成から得られる寸法を使用して行うことができる。

図３は、トランジションピースの選択的な輪郭形成を実行する非限定的で例示的な方法を示す。方法３００は、計算装置によって全体的に又は部分的に実行することができる。ブロック３０５の実施形態において、トランジションピースを解析して、高温ガスがトランジションピースを通過する間にトランジションピースの高温領域及び相対的に低温領域を決定することができる。トランジションピースの高温領域及び低温領域を決定した後に、ブロック３１０において、低温表面の露出を増大させて高温表面の露出を低減するために、トランジションピースの低温領域は、高温ガス経路に向かって増加的に傾斜させることができる。低温表面の傾斜を増大させた後に、ブロック３１５において、増加傾斜の効果を判定する。ブロック３２０において、トランジションピースの輪郭を従来のトランジションピースの輪郭と比較することができる。最適な傾斜は、トランジションピースを通る高温ガス流の解析に基づいて決定することができる。解析はＣＦＤによって行うことができる。図４は、例示的な輪郭を備えるトランジションピース４００である。ライン４０５は、トランジションピース４００の元の形状又は輪郭である点線４１０及び４１５は、トランジションピース４００の例示的な変更された輪郭である。

図５及び以下の説明は、本明細書に開示の方法及びシステム、及び／又はその一部を実行できる適切な計算環境の簡単な概要をもたらすことが意図されている。必須ではないが、本明細書に開示の方法及びシステムは、クライアントワークステーション、サーバー、又はパーソナルコンピュータ等のコンピュータで実行される、プログラムモジュール等のコンピュータ実行可能命令の一般的な関連において説明することができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行する又は特定の抽象データ型を実行するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。更に、本明細書に記載の方法及びシステム、及び／又はその一部は、携帯デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベース又はプログラム可能な家庭用電化製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等を含む、他のコンピュータシステムコンフィギュレーションを用いて実施することができることを理解されたい。また、本明細書に記載の方法及びシステムは、タスクが通信ネットワークで接続された遠隔処理デバイスで実行される分散コンピューティング環境において実施できる。分散コンピューティング環境において、プログラムモジュールは、ローカル及びリモートメモリ記憶装置の両方に配置することができる。

図５は、本発明及び／又はその一部の態様を組み込むことができる汎用コンピュータシステムを表すブロック図である。図示のように、例示的な汎用コンピュータシステムは、コンピュータ５２０又は類似のものを含み、コンピュータ５２０は、処理ユニット５２１、システムメモリ５２２、及びシステムメモリを処理ユニット５２１に結合することを含む種々のシステム構成要素を結合するシステムバス５２３を含む。システムバス５２３は、任意の種々のバスアーキテクチャを使用するメモリバス又はメモリコントローラ、周辺バス、及びローカルバスを含む任意の種々の形式のバス構成とすることができる。システムメモリは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）５２４及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５２５を含む。基本入出力システム５２６（ＢＩＯＳ）は、起動時等にコンピュータ５２０内の各構成要素の間で情報を転送するのを助ける基本ルーチンを含み、ＲＯＭ５２４に記憶されている。

更に、コンピュータ５２０は、ハードディスク（図示せず）に読み書きするためのハードディスクドライブ５２７、取り外し可能磁気ディスク５２９に読み書きするための磁気ディスクドライブ５２８、及びＣＤ−ＲＯＭ又は他の光学媒体等の取り外し可能な光ディスク５３１に読み書きするための光ディスクドライブ５３０を含むことができる。ハードディスクドライブ５２７、磁気ディスクドライブ５２８、及び光ディスクドライブ５３０は、ハードディスクドライブインタフェース５３２、磁気ディスクドライブインタフェース５３３、及び光ドライブインタフェース５３４によってそれぞれシステムバス５２３に接続される。各ドライブ及び関連のコンピュータ読み取り可能媒体は、コンピュータ読み取り可能命令、データ構成、プログラムモジュール、及びコンピュータ５２０に関する他のデータの不揮発性ストレージを提供する。

本明細書に記載の例示的な環境はハードディスク、取り外し可能な磁気ディスク５２９、及び取り外し可能な光ディスクを用いるが、例示的な作動環境において、コンピュータがアクセス可能なデータを記憶できる他の形式のコンピュータ読み取り可能な媒体を使用できることを理解されたい。このような他の形式の媒体としては、限定されるものではないが、磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオ又は多用途ディスク、エルヌーイカートリッジ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を挙げることができる。

複数のプログラムモジュールは、ハードディスク、磁気ディスク５２９、光ディスク５３１、ＲＯＭ５２４又はＲＡＭ５２５に記憶することができ、オペレーティングシステム５３５、１以上のアプリケーションプログラム５３６、他のプログラムモジュール５３７及びプログラムデータ５３８を含んでいる。ユーザは、キーボード５４０及びポインティングデバイス５４２等の入力デバイスを使用してコンピュータ５２０にコマンド及び情報を入力できる。他の入力デバイス（図示せず）としては、マイクロフォン、ジョイステック、ゲームパッド、サテライトディスク、スキャナ等を挙げることができる。これらの又は他の入力デバイスは、システムバスに接続されるシリアルポートインタフェース５４６経由で処理ユニット５２１に接続される場合が多いが、パラレルポート、ゲームポート、又はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）等の他のインタフェースで接続される場合もある。また、モニタ５４７又は他の種類のディスプレイデバイスは、ビデオアダプタ５４８等のインタフェース経由でシステムバス５２３に接続される。モニタ５４７に加えて、コンピュータは、スピーカ及びプリンタ等の他の周辺出力デバイス（図示せず）を含むことができる。また、図５の例示的なシステムは、ホストアダプタ５５５、小型コンピュータ用周辺機器インタフェース（ＳＣＳＩ）バス５５６、及びＳＣＳＩバス５５６に接続される外部記憶デバイス５６２を含む。

コンピュータ５２０は、リモートコンピュータ５４９等の１以上のリモートコンピュータへの論理結合を利用してネットワーク化された環境で作動することができる。リモートコンピュータ５４９は、パーソナルコンピュータ、サーバー、ルーター、ネットワークＰＣ、ピアデバイス、又は他の共通ネットワークノードとすることができ、コンピュータ５２０に関して前述した大部分の又は全ての構成要素を含むことができるが、メモリ記憶デバイス５５０だけが図５に示されている。図５に示す倫理結合部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）５５１及び広域ネットワーク（ＷＡＮ）５５２を示す。このネットワーク環境は、オフィス、企業規模コンピュータネットワーク、イントラネット、及びインターネットでは普通である。

ＬＡＮネットワーク環境で使用する場合、コンピュータ５２０は、ネットワークインタフェースアダプタ５５３経由でＬＡＮ５５１に接続される。ＷＡＮネットワーク環境で使用する場合、コンピュータ５２０は、モデム５５４又はインターネット等の広域ネットワーク５５２上での通信を確立するための他の手段を含むことができる。内部又は外部にあることができるモデム５５４は、シリアルポートインタフェース５４６を介してシステムバス５２３に接続される。ネットワーク化された環境において、コンピュータ５２０又はその一部に関連して示されるプログラムモジュールは、リモートメモリ記憶装置に記憶することができる。図示のネットワーク接続は例示的であり、各コンピュータ間の通信リンクを確立する他の手段を使用できることを理解されたい。

コンピュータ５２０は、種々のコンピュータ読み取り可能記憶媒体を含むことができる。コンピュータ 読み取り可能記憶媒体は、任意の利用可能な媒体とすることができ、この媒体は、コンピュータ５２０によってアクセス可能であり、揮発性媒体及び不揮発性媒体、取り外し可能媒体及び固定媒体を含む。例示的かつ非限定的に、コンピュータ読み取り可能媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を備えることができる。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ読み取り可能命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータ等の情報を記憶するための任意の方法又は技術で実装される揮発性媒体及び不揮発性媒体、取り外し可能媒体及び固定媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、限定されるものではないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、又は他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、又は他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置、又は他の磁気記憶デバイス、又は所望の情報を記憶するために使用でき、コンピュータ５２０によってアクセスできる任意の他の媒体を含む。前述の任意の組み合わせは、本明細書に記載の方法及びシステムを実行するソースコードを記憶するために使用できるコンピュータ読み取り可能媒体の範囲に含まれるべきである。本明細書に記載の特徴部又は構成要素の任意の組み合わせは１以上の実施形態で使用できる。

１つの実施形態において、システムは、コンピュータ読み取り可能命令を実行する第１のプロセッサ、及び第１のプロセッサに通信可能に接続される第１のメモリを備えることができ、第１のメモリは、第１のプロセッサが実行すると、該プロセッサに以下の方法を実行するようにさせるコンピュータ読み取り可能命令を記憶し、本方法は、トランジションピースの高い熱応力セクションである第１の領域を決定する段階と、トランジションピースの低い熱応力セクションである第２の領域を決定する段階と、トランジションピースの第２の領域の輪郭を形成し、輪郭形成された第２の領域が第１の領域の熱応力を低減する輪郭の解析に基づいて決定される段階と、トランジションピースの第２の領域の輪郭に基づいて物理的なトランジションピースに関するパラメータを作成する段階とを含む。本明細書に記載のように、物理的なトランジションピースを作るために使用できるパラメータは、物理的なトランジションピースに関する一般的な数値的寸法又は物理的なトランジションピースに関する輪郭部の数値的位置を含むことができる。また、本明細書で規定するように、パラメータは、複数の寸法のグラフ図、及び製造される物理的トランジションピースの予想される発現を表示するビューポイントを含むことができる。

本開示の主題の記載される好ましい実施形態において、図示のように、明瞭化のために特定の技術用語が使用される。しかしながら、クレームされた主題は、選択された特定の技術用語に限定されることが意図されておらず、特定の構成要素の各々は、同じ目的を果たすように同じ様式で作動する全ての技術的な均等物を含むことを理解されたい。

本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、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及び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 トランジションピース
１０５ トランジションピース入口
１１０ トランジションピース出口
１１５ トランジションピース屈曲部
１２０ トランジションピース領域
２００ トランジションピース
２０５ トランジションピース屈曲部
２１０ トランジションピース屈曲部
３００ 方法
３０５ 方法ブロック３００
３１０ 方法ブロック３００
３１５ 方法ブロック３００
３２０ 方法ブロック３００
３２５ 方法ブロック３００
３３０ 方法ブロック３００
４００ トランジションピース
４０５ トランジションピース屈曲部
４１０ トランジションピース屈曲部
４１５ トランジションピース屈曲部
５２０ コンピュータ
５２１ 処理ユニット
５２２ システムメモリ
５２３ システムバス
５２４ ＲＯＭ
５２５ ＲＡＭ
５２６ ＢＩＯＳ
５２８ フロッピードライブ
５２９ 記憶装置
５３０ 光ドライブ
５３１ 記憶装置
５３２ ハードディスクドライブインタフェース
５３３ 磁気ドライブインタフェース
５３４ 光ドライブインタフェース
５３５ オペレーティングシステム
５３６ アプリケーションプログラム
５３７ 他のプログラム
５３８ プログラムデータ
５４０ キーボード
５４２ マウス
５４６ シリアルポートインタフェース
５４７ モニタ
５４８ ビデオアダプタ
５４９ リモートコンピュータ
５５０ メモリ
５５１ ローカルエリアネットワーク
５５２ 広域ネットワーク
５５３ ネットワークインタフェース
５５４ モデム
５５５ ホストアダプタ
５５６ ＳＣＳＩ ＢＵＳ
５６２ 記憶デバイス

Claims (20)

1. トランジションピースの形状を最適化する方法であって、
   高い熱応力セクションである、第１のトランジションピースの第１の領域を決定する段階と、
   低い熱応力セクションである、第１のトランジションピースの第２の領域を決定する段階と、
   高温ガス流を妨害する、第１のトランジションピースの第２の領域の輪郭を決定する段階と、
   前記第１のトランジションピースの決定された前記第２の領域の輪郭を備える前記第１のトランジションピースを作成する段階と、
   を含む方法。
2. 第２のトランジションピースを作成する段階を更に含み、前記第２のトランジションピースの前記第１の領域は、前記第１のトランジションピースの前記第２の領域の解析に基づいて輪郭形成される、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のトランジションピースの前記第２の領域は、前記第１のトランジションピースの前記第１の領域の上流側にある、請求項１記載の方法。
4. 前記第１のトランジションピースの輪郭形成された前記第２の領域は、前記第１のトランジションピースの上部に配置される、請求項１記載の方法。
5. 前記第１のトランジションピースの輪郭形成された前記第２の領域は、前記第１のトランジションピースの下部に配置される、請求項１記載の方法。
6. 前記第１のトランジションピースは、タービントランジションピースのコンピュータ処理表現である、請求項１記載の方法。
7. 前記第２のトランジションピースの前記第１の領域の輪郭形成は、前記第２のトランジションピースの前記第２の領域の寿命を延ばす、請求項２記載の方法。
8. アタッチメントによって前記第１のトランジションピースの前記第２の領域の輪郭を形成する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
9. 前記アタッチメントは、前記トランジションピース上に溶接される、請求項１記載の方法。
10. トランジションピースであって、
    前記トランジションピースの高い熱応力セクションである第１の領域と、
    前記第１の領域の上流側にあり、第２の領域に実装される輪郭部と、
    を備え、
    前記第２の領域は、前記輪郭部が実装される前は低い熱応力セクションである、トランジションピース。
11. 前記トランジションピースは、タービントランジションピースのコンピュータ処理表現である、請求項１０記載のトランジションピース。
12. 前記第１の領域の熱応力は、前記輪郭部の実装後に減少する、請求項１０記載のトランジションピース。
13. 前記第２の領域は、前記トランジションピースの上部に配置される、請求項１０記載のトランジションピース。
14. 前記第２の領域は、前記トランジションピースの側部に配置される、請求項１０記載のトランジションピース。
15. 前記第２の領域は、前記トランジションピースの下部に配置される、請求項１０記載のトランジションピース。
16. 前記輪郭部は、該輪郭部の実装前に比べて前記トランジションピースの寿命を延ばす、請求項１０記載のトランジションピース。
17. コンピュータ読み取り可能命令を実行する第１のプロセッサと、
    前記第１のプロセッサと通信可能に結合された第１のメモリと、
    を備えるシステムであって、前記第１のメモリは、前記第１のプロセッサが実行すると、該プロセッサに以下の方法を実行するようにさせるコンピュータ読み取り可能命令を記憶し、該方法は、
    第１のトランジションピースの高い熱応力セクションである、第１の領域を決定する段階と、
    前記第１のトランジションピースの低い熱応力セクションである、第２の領域を決定する段階と、
    トランジションピースの第２の領域の輪郭を形成し、輪郭形成された前記第２の領域が前記第１の領域の熱応力を低減する輪郭の解析に基づいて決定される段階と、
    前記トランジションピースの前記第２の領域の輪郭に基づいて物理的なトランジションピースに関するパラメータを作成する段階と、
    を含む、システム。
18. 前記生成されたパラメータと一致して作られる物理的なトランジションピースを更に備える、請求項１７記載のシステム。
19. 前記物理的なトランジションピースの物理的な輪郭は、高温ガス流を妨害する位置にある、請求項１７記載のシステム。
20. 前記トランジションピースがデジタル表現である、請求項１７記載のシステム。