JP2014095545A - 翼形部を有する移行ダクト及びターボ機械用の高温ガス経路組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】移行ダクト、高温ガス経路組立体、及びターボ機械を提供する。
【解決手段】高温ガス経路組立体は、外側支持リングと、内側支持リングと、外側支持リング及び内側支持リングに結合された移行ダクトと、を含む。移行ダクトは、入口と出口との間に延びる通路を定める導管を含む。入口及び出口は、長手方向軸線に沿ってほぼ整列される。移行ダクトは更に、導管内に配置され且つ高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、内部に翼形部を含む移行ダクト及びターボ機械における高温ガス経路組立体に関する。

ガスタービンシステムは、発電のような分野において広く利用されるターボ機械の１つの実施例である。従来型のガスタービンシステムは、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションと、を含む。通常、加圧空気は、圧縮機セクションから燃焼器セクションに供給される。燃焼器セクションに流入した空気は燃料と混合され、この混合気が燃焼する。高温の燃焼ガスが、燃焼器セクションからタービンセクションに流れて、ガスタービンシステムを駆動し電力を発生させる。

ターボ機械、詳細にガスタービンシステムの保守整備時には、その様々な構成部品は通常、検査及び／又は交換のために取り外される。このような多くの構成部品は、ターボ機械内でのその位置に起因して、取り外すためにアクセスするのが困難である。特に、燃焼器セクションの移行ダクトは、取り外しが極めて困難である。これは、ターボ機械内部の移行ダクトの位置、並びにターボ機械内部の移行ダクトに接続されたハードウェアに起因している。例えば、移行ダクトは一般に、燃焼器セクションの保守整備時に取り外されるが、移行ダクトの下流側部分は、タービンセクション内に又は該タービンセクションに隣接して接続されている場合がある。従って、移行ダクト接続ハードウェアにアクセスして移行ダクトを物理的に取り外すことは困難であり、多大な時間を要する。場合によっては、ターボ機械運転停止時間の相当な部分が、移行ダクトの取り外し、検査、及び交換のためだけに費やされる可能性がある。

米国特許第８，２５０，８５１号明細書

従って、より簡単で効率的な検査を可能にする改良された移行ダクトが当技術分野で望ましいことになる。更に、既存のターボ機械において改造可能な改良された移行ダクトが有利となる。

本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。

本発明の１つの実施形態において、高温ガス経路組立体が開示される。高温ガス経路組立体は、外側支持リングと、内側支持リングと、外側支持リング及び内側支持リングに結合された移行ダクトと、を含む。移行ダクトは、入口と出口との間に延びる通路を定める導管を含む。入口及び出口は、長手方向軸線に沿ってほぼ整列される。移行ダクトは更に、導管内に配置され且つ高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部を含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンシステム用の移行ダクトが開示される。移行ダクトは、入口と出口との間に延びる通路を定める導管を含む。入口及び出口は、長手方向軸線に沿ってほぼ整列される。移行ダクトは更に、導管内に配置されて高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部を含む。

本発明のこれら及びこれ以外の特徴、態様、及び利点は、以下の説明及び添付した特許請求の範囲を参照することにより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示を説明する。

本発明の１つの実施形態による、ガスタービンシステムの概略図。 本発明の１つの実施形態による、高温ガス経路組立体の側面図。 本発明の１つの実施形態による、ほぼ環状アレイの形態の複数の移行ダクトの斜視図。 本発明の１つの実施形態による、移行ダクトの入口の断面図。 本発明の１つの実施形態による、移行ダクトの出口の断面図。 本発明の１つの実施形態による、切り欠き部及び該切り欠き部を定める様々な側壁を示す移行ダクトの一部分の側面図。

次にその１つ又はそれ以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供されている。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図１は、ターボ機械の概略図であり、図示の実施形態においてはガスタービンシステム１０である。本システム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、及びタービンセクション１６を含むことができる。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合することができる。シャフト１８は、単一シャフトであるか、又は互いに結合されてシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。入口セクション１９は、空気流を圧縮機セクション１２に供給することができ、排出ガスが、タービンセクション１６から排出セクション２０を通って排出され、システム１０又は他の好適なシステムにおいて排出及び／又は利用することができる。

図２に示すように、本発明は更に、高温ガス経路組立体３０に関する。高温ガス経路組立体３０は一般に、燃焼器セクション１４及びタービンセクション１６の構成部品間に延びてこれらの構成部品を含み、これらセクションは、共に複数の高温ガス経路組立体３０を含むことができる。従って、各高温ガス経路組立体３０は、燃焼器セクション１４及びタービンセクション１６の内部に配置されてこれらの間に延びることができる。高温ガス経路組立体３０は、例えば、ほぼ環状アレイで（例えば、ターボ機械の中心軸線３４を中心として）配置することができる。図示のように、高温ガス経路組立体３０は、移行ダクト３２を含むことができる。移行ダクト３２は、燃焼器セクション１４から延びることができる。幾つかの実施形態において、移行ダクト３２は、燃焼器セクション１４内で燃料ノズル組立体（図示せず）に接続することができる。他の実施形態において、移行ダクト３２は、燃焼器ライナ（図示せず））に接続することができ、この燃焼器ライナは次に、燃料ノズル組立体に接続することができる。移行ダクト３２は、出口端部にて燃焼器セクション１４内に配置された種々の好適な構成部品によって支持することができる。このような構成部品は、移行ダクト３２の内向きに（例えば、ターボ機械の中心軸線３４を基準にして）又は移行ダクト３２の外向きに（例えば、ターボ機械の中心軸線３４を基準にして）全体的に配置することができ、或いは、他の方法で移行ダクトを支持するのに好適に配置することができる。例えば、高温ガス経路組立体３０は、外側支持リング３６を含むことができ、該外側支持リングは、例えばケーシング内に装着されたシュラウドを含むことができる。外側支持リング３６は、移行ダクト３２のほぼ外向きに配置することができる。移行ダクト３２は、外側支持リング３６に直接結合することができる。高温ガス経路組立体３０は更に、移行ダクト３２のほぼ内向きに配置することができる内側支持リング４０を含むことができる。移行ダクト３２は、内側支持リング４０に直接結合することができる。高温ガス経路組立体３０は更に、移行ダクト３２のほぼ外向きに配置することができるブラケット４２を含むことができる。移行ダクト３２は、ブラケット４２に直接結合することができる。

次に図３から図６を参照すると、本発明による移行ダクト３２は、入口５４と出口５６との間に延びる通路５２を定める導管５０を含む。入口５４及び出口５６の各々は、あらゆる好適な形状及び／又はサイズを有することができる。幾つかの実施形態において、例えば、図４に示すように、入口５４は、長円形又は円形断面形状を有することができる。他の実施形態において、入口５４は、四角形、矩形、又は正方形、或いは他のあらゆる好適な多角形の形状を有することができる。幾つかの実施形態において、図５に示すように、出口５６は、四角形又は矩形断面形状を有することができる。他の実施形態において、出口５６は、正方形断面形状、長円形又は円形断面形状、或いは他のあらゆる好適な多角形形状を有することができる。本明細書で説明する様々な形状は、ターボ機械における移行ダクト３２の位置決めに対処するために必要に応じて好適な直線又は曲線レッグ部を有することができる点を理解されたい。例えば、多くのターボ機械において、複数の移行ダクト３２は、ほぼ環状アレイの形態で配置することができる。四角形状出口５６のような四角形の形状は、直線及び／又は曲線のレッグ部を有することができる。幾つかの実施形態において、例えば、外向き及び内向きレッグ部は、ほぼ環状アレイの形態で移行ダクト３２の位置決めに対応するよう曲線状とすることができ、従って、下記で説明するように、移行ダクト３２間で適切なシールを可能にする。

各移行ダクト３２は、長手方向軸線６０に沿ってほぼ延びて、移行ダクト３２の入口５４及び出口５６が長手方向軸線６０に沿ってほぼ整列されるようにすることができる。従って、少なくとも１つの入口５４又は出口５６によって定められる平面は、長手方向軸線６０に対してほぼ垂直となることができ、入口の中心点６２及び出口の中心点６４は、長手方向軸線６０と整列し且つ交差することができる。

図２、図３、図５、及び図６において更に示すように、本発明による移行ダクト３２は、有利には、１つ又はそれ以上の翼形部７０を含むことができる。各翼形部７０は、導管５０内に、好ましくは図示のように出口５６に隣接して全体的に配置され、高温ガス流の方向７２を変えるように構成することができる。従って、図３に示すように、移行ダクト３２を通る高温ガス流は、翼形部７０と相互作用する際に再配向することができる。翼形部７０は、図示のように、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含み、全体的に空気力学形状を有することができ、或いは、高温ガス流の方向７２を変えるのに好適な他のあらゆる形状を有することができる。移行ダクト３２内に翼形部７０を含めることによって、移行ダクト３２とタービンセクション１６の残りの部分との間の分離された第１段ノズル組立体の必要性が排除される。更に、移行ダクト３２と排除された第１段ノズル組立体との間の様々な構成部品の必要性が排除される。例えば、移行ダクト３２の後方フレームと、後方フレーム内に配置される様々なシールとが排除される。このようにして、移行ダクト３２と第１段ノズル組立体との間で生じる可能性のある漏洩が排除され、一般にターボ機械の効率が向上する。更に、このような第１段ノズル組立体が排除されることに起因して、移行ダクト３２は、出口端部上で、外側支持リング３６のようなタービンセクション内に配置できる様々な構成部品に結合することができる。従って、移行ダクト３２の取り外し、検査、及び交換は、有利には、燃焼器セクション１４の保守整備ではなく、タービンセクション１６の保守整備の間に実施することができ、これにより、移行ダクト３２、高温ガス経路組立体３０、及びターボ機械全体の保守整備がより簡単でより効率的なものになる。

図３及び図５に示すように、本発明による移行ダクト３２は更に、１つ又はそれ以上の切り欠き部８０を含むことができる。切り欠き部８０は、導管５０の一部が開いて、その通路５２を露出させるように、導管５０内に定めることができる。図示のように、切り欠き部８０は、例えば、出口５６から延びることができる。更に、切り欠き部８０は、複数の側壁８２によって定めることができる。例示的な実施形態において、図示のように、３つの側壁８２が切り欠き部８０を定めることができる。他の実施形態において、１つ、２つ、４つ、又はそれ以上の側壁８２が切り欠き部８０を定めることができる。

図示のように、例示的な実施形態における移行ダクト３２は、２つの切り欠き部８０を含む。切り欠き部８０は、ほぼ対向することができる。更に、図示のように、各切り欠き部８０は、隣接する移行ダクト３２の対応する切り欠き部８０と相互作用するように構成することができる。例えば、切り欠き部８０の各側壁８２は、隣接する移行ダクト３２の対応する側壁８２と接触することができる。従って、対応する切り欠き部８０が嵌合することができ、対応する切り欠き部８０を介して様々な移行ダクト３２内で高温ガス流を混合して流すことが可能になる。上述のように、ターボ機械においては、複数の移行ダクト３２はほぼ環状アレイの形態で整列することができる。切り欠き部８０は、ほぼ対向し、環状アレイの形態で隣接する移行ダクト３２の対応する切り欠き部８０と相互作用するように位置付けることができる。同様に、各切り欠き部８０を定める側壁８２は、ほぼ環状アレイの形態で隣接する移行ダクト３２の対応する側壁８２と接触するように位置付けることができる。

更に、例示的な実施形態において、シール部材８４は、様々な隣接する移行ダクト３２間に配置して、これらの間の漏洩を防止することができる。図６に示すように、例えば、１つ又はそれ以上のチャンネル８６を各側壁８２内に形成することができる。各チャンネル８６は、その内部に１つ又はそれ以上のシール部材８４を受け入れるように構成することができる。例えば、シール部材８４の幅方向部分をチャンネル８６内に配置することができる。チャンネル８６内に配置されないシール部材８４の残りの部分は、隣接する移行ダクト３２の対応するチャンネル８６内に配置することができる。従って、シール部材８４は、隣接する移行ダクト３２間のシールを提供し、隣接する移行ダクト３２内への漏洩又は隣接する移行ダクト３２間から外部への漏洩を防止することができる。

本発明によるあらゆる好適なシール部材８４を利用することができる。図６に示すように、シール部材８４は、複数の曲線レッグ部、又は複数の直線レッグ部を有することができ、或いは他の何れかの好適な形状を有することができる。シール部材は、好適な金属又は金属合金、ポリマー、或いはセラミックで形成することができる。例示的な実施形態において、シール部材８４は、弾性とすることができる。

本発明による移行ダクト３２は更に、１つ又はそれ以上の接合特徴要素を含むことができる。接合特徴要素は各々、導管５０の外側表面９０から延びることができる。各接合特徴要素は、高温ガス経路組立体３０の構成部品と接合するように構成することができる。例えば、外側接合特徴要素９２は、移行ダクト３２を基準にして外向きに位置付けることができ、外側支持リング３６と接合するように構成することができる。図示のように、接合特徴要素９２は、レール９４及び該レール９４から延びるタブ９６を含むことができる。嵌合チャンネル９８は、外側支持リング３６内に定めることができる。タブ９６及びチャンネル９８は、接合特徴要素９０及び外側支持リング３６が互いに結合するように嵌合させることができる。加えて、又は代替として、内側接合特徴要素１００は、移行ダクト３２を基準にして内向きに位置付けることができ、内側支持リング４０と接合するように構成することができる。図示のように、接合特徴要素１００は、レール１０２を含むことができる。レール１０２は、接合特徴要素１００及び内側支持リング４０が互いに結合されるように、内側支持リング４０と接触してラップ継手を形成することができる。従って、接合特徴要素は、外側支持リング３６及び内側支持リング４０のように、移行ダクト３２と他の高温ガス経路組立体４０の構成部品との間の直接接触をもたらすことができる。

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。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ シャフト
１９ 入口セクション
２０ 出口セクション
３０ 高温ガス経路組立体
３２ 移行部品
３４ 中心軸線
３６ シュラウド
３８ ケーシング
４０ 支持リング
４２ バケット
５０ ダクト
５２ 通路
５４ 入口
５６ 出口
６０ 長手方向軸線
７０ 翼形部
７２ 高温ガス流の方向
８０ 切り欠き部
８２ 側壁
８４ シール部材
８６ チャンネル
９０ 外側表面
９２ 外側接合特徴要素
９４ レール
９６ タブ
９８ チャンネル
１００ 内側接合特徴要素
１０２ レール

Claims (20)

1. 高温ガス経路組立体であって、
   外側支持リングと、
   内側支持リングと、
   前記外側支持リング及び前記内側支持リングに結合された移行ダクトと、
   を含み、前記移行ダクトが、中心軸線に沿ってほぼ整列された入口及び出口間に延びる通路を定める導管を含み、前記移行ダクトが更に、前記導管内に配置されて高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部を含む、高温ガス経路組立体。
2. 前記入口が長円形断面形状を有し、前記出口が四角形断面形状を有する、請求項１記載の高温ガス経路組立体。
3. 前記四角形断面形状が、矩形断面形状である、請求項１記載の高温ガス経路組立体。
4. 前記導管内に対向する切り欠き部が定められ、前記対向する切り欠き部の各々が、前記出口から延び且つ複数の側壁によって定められ、前記複数の側壁の各々が、隣接する移行ダクトの対応する側壁と接触するように構成される、請求項１記載の高温ガス経路組立体。
5. 前記複数の側壁の各々が、その内部にチャンネルを定め、該複数のチャンネルの各々の配置されたシール部材を更に備える、請求項４記載の高温ガス経路組立体。
6. 前記導管が更に、内側接合特徴要素及び外側接合特徴要素を含み、前記内側及び前記外側接合特徴要素の各々が、前記導管の外側表面から延びており、前記内側接合特徴要素が、前記内側支持リングに結合され、前記外側接合特徴要素が、前記外側支持リングに結合される、請求項１記載の高温ガス経路組立体。
7. 前記翼形部が、複数の翼形部である、請求項１記載の高温ガス経路組立体。
8. ガスタービンシステム用の移行ダクトであって、
   長手方向軸線に沿ってほぼ整列された入口及び出口間に延びる通路を定める導管と、
   前記導管内に配置されて高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部と、
   を備える、ガスタービンシステム用の移行ダクト。
9. 前記入口が長円形断面形状を有し、前記出口が四角形断面形状を有する、請求項８記載の移行ダクト。
10. 前記四角形断面形状が、矩形断面形状である、請求項８記載の移行ダクト。
11. 前記導管内に対向する切り欠き部が定められ、前記対向する切り欠き部の各々が、前記出口から延び且つ複数の側壁によって定められる、請求項８記載の移行ダクト。
12. 前記複数の側壁の各々が、その内部にチャンネルを定め、該チャンネルが、シール部材を受け入れるように構成される、請求項１１記載の移行ダクト。
13. 前記導管が更に、複数の接合特徴要素を含み、該複数の接合特徴要素の各々が、前記導管の外側表面から延びており、外側支持リング又は内側支持リングの１つと接合するように構成される、請求項８記載の移行ダクト。
14. 前記翼形部が、複数の翼形部である、請求項８記載の移行ダクト。
15. ターボ機械であって、
    入口セクションと、
    排出セクションと、
    圧縮機セクションと、
    燃焼器セクションと、
    タービンセクションと、
    前記燃焼器セクション及び前記タービンセクション内に配置されると共にこれらの間に延びる複数の高温ガス経路組立体と、
    を備え、前記複数の高温ガス経路組立体の各々が、
    外側支持リングと、
    内側支持リングと、
    前記外側支持リング及び前記内側支持リングに結合された移行ダクトと、
    を含み、前記移行ダクトが、入口及び出口間に延びる通路を定める導管を含み、前記入口及び前記出口が長手方向軸線に沿ってほぼ整列され、前記移行ダクトが更に、前記導管内に配置されて高温ガス流の方向を変えるように構成された翼形部を含む、ターボ機械。
16. 前記入口が長円形断面形状を有し、前記出口が四角形断面形状を有する、
    請求項１５記載のターボ機械。
17. 前記四角形断面形状が、矩形断面形状である、請求項１５記載のターボ機械。
18. 前記導管内に対向する切り欠き部が定められ、前記対向する切り欠き部の各々が、前記出口から延び且つ複数の側壁によって定められ、該複数の側壁の各々が、隣接する移行ダクトの対応する側壁と接触するように構成される、請求項１５記載のターボ機械。
19. 前記複数の側壁の各々がその内部にチャンネルを定め、前記複数のチャンネルの各々に配置されたシール部材を更に備える、請求項１８記載のターボ機械。
20. 前記導管が更に、内側接合特徴要素及び外側接合特徴要素を含み、該内側及び外側接合特徴要素の各々が、前記導管の外側表面から延びており、前記内側接合特徴要素が前記内側支持リングに結合され、前記外側接合特徴要素が前記外側支持リングに結合される、請求項１５記載のターボ機械。