JP2016512300A - ヒンジ結合部を備えるガスタービン燃焼器出口片 - Google Patents

Abstract

燃焼器（６３）から、ガスタービン（２６）の第１のブレードセクション（３７）に供給する環状チャンバ（６８）への通路（８２）において燃焼ガス流（３６Ａ）を案内する入口スロート（６７）を備える出口片（６６）が提供される。出口片は、さらに、環状チャンバの周方向セグメントを形成する出口部分（６９）を有する。出口部分は、ヒンジ（７８Ａ，７８Ｂ，８０Ａ，８０Ｂ）によって、隣接する出口部分と互いに接続されている。各ヒンジは、タービンの中心線（２１）に対して平行なヒンジ軸線（８２Ａ，８２Ｂ）を有してよい。それぞれのガス流（３６Ａ）は、供給チャンバ（６８）において最小限の周方向変化が有効な状態で第１のブレードセクションを駆動する均一ならせん状の流れに収束させるように、出口片のアセンブリ（６０）によって構成される。

Description

連邦政府による資金提供を受けた開発の記載
本発明のための開発は、アメリカ合衆国エネルギ省によって認められた契約番号DE-FC26-05NT42644によって一部補助された。したがって、アメリカ合衆国政府は本発明における何らかの権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、概して、ガスタービン燃焼エンジンに関する。特に、本発明は、燃焼ガスを缶型−環状燃焼器からタービンブレードの第１列へ案内するための装置及びアセンブリに関する。

発明の背景
缶型−環状燃焼器を備えるガスタービンエンジンは、ガスを燃焼器からタービンブレードの第１列へ案内しかつ方向付けるための構造を必要とする。これらの構造は、ブレードの回転のために最適な角度でタービンブレードに接触するように燃焼ガス流を方向付けなければならない。従来の構造は、移行ダクト、固定ベーン及びシールを有する。それぞれの移行ダクトは、ガスを燃焼器から、ブレードのすぐ上流にあるベーンへ案内する。ベーンは、ガス流を周方向へ向け、ブレードに向かって方向付ける。

この構成は、流れがタービンブレードの第１列に向かって移動するときにガス流に存在するエネルギの量を減じ、実質的な冷却を必要とする。エネルギは、流れが１つの構成部材から次の構成部材へ移行するときに失われ、低温の空気が高温のガス通路内へ漏れるおそれがある。シールを通じた高温ガス通路への低温空気の漏れは、振動及びアブレーションによりシールが摩耗するにしたがって増大する。エネルギは、流れがベーンによって方向転換されるときにも失われる。

冷却される構成部材は、冷却構造、正確な公差要求及び特殊な形状により、製造するのが高価でかつ複雑である。このような冷却される構成部材用の断熱層は、摩耗することがあり、損傷を受けるおそれがある。ベーン表面及びベーン表面上の断熱層は、その流れに対して傾斜した向きにより損傷を受けやすい。このような損傷は、構成部材の修理又は交換を必要とすることがあり、これは、材料、労力及び停止時間に関するコストを発生する。熱応力は、基礎となる材料の寿命をも短縮する。さらに、ベーン及びシールは、冷却流体の流れを必要とする。これはエネルギを必要とし、熱に関連する構成部材の損傷のより多くの機会、及び関連するコストを発生する。

タービンベーンは、セグメントごとに製造され、次いで組み立てられてリングを形成する。これは、ベーン構成部材間に付加的なシールを必要とし、このシールを通って、高温ガス通路内へより多くの低温空気の漏れが生じ得る。さらに、これらの構成は、通常、エンジンの制限された領域において、エンジンへ直接に構成部材を組み立てることを必要とし、これは、時間がかかり、困難である。

以下の説明では本発明を図面に関連して説明する。

従来のガスタービンエンジンの側方から見た断面図である。 本発明の１つの実施の形態を示すアセンブリの正面図である。 図２のアセンブリの背面図である。 本発明の１つの実施の形態を示す出口片の後側の透視図である。 ヒンジピンが取り付けられた、図４の出口片の出口部分の下流端部の後側の透視図である。 隣接する出口片の間の進行中の接続部の前側の透視図である。 完成した接続部を示す、図６と同様の図である。

発明の詳細な説明
本発明は、引用により本明細書に記載されたものとする米国特許出願公開第２０１１／０２０３２８２号明細書として２０１１年８月２５日に公開された、共有の米国特許出願に関する改良を含む。本発明の１つの実施の形態は、流れにおける回転をできるだけ減じ、シールをできるだけ減じ、回転するタービンブレードにおける応力変化をできるだけ減じ、作動流体の動的エネルギ損失を減じ、固定ベーンの第１列の必要性を排除する、燃焼器ガス流方向付け装置を含む。燃焼器ガス流方向付け装置は、回転するタービンブレードの第１列のすぐ前方において環状の燃焼ガス供給チャンバのセグメントを形成する出口部分と、ガスタービンエンジンにおける隣接する出口片の間の接続配列とを備えた、移行ダクト出口片を含む。

図１は、中心線２１と、圧縮機セクション２２と、燃焼セクション２４と、タービンセクション２６とを備える従来のガスタービンエンジン２０の部分的な側方からの断面図である。各燃焼器２８は、燃焼器を通る作動ガス流に関して上流端部３０と下流端部３２とを有する。移行ダクト３４及び出口片３５は、燃焼ガス３６を燃焼器からタービンセクション２６の回転するブレード３７の第１段へ案内する。固定ベーン３８は、流入する流れ３６を、第１段のブレード３７を駆動するために最適な周方向／軸方向流れ角度に方向転換する。固定ベーン３９の他の列は、タービンセクション２６の別の段における回転するブレード４０の他の列の前に位置していてよい。圧縮機ブレード４２は、共通の軸４４を介してタービンブレード３７，４０によって駆動される。燃料４６は各燃焼器に進入する。圧縮空気４８は、燃焼器の周囲のプレナム５０に進入する。圧縮空気４８は、燃焼器の上流端部３０に進入し、燃焼のために燃料と混合される。圧縮空気４８は、冷却空気を提供するために燃焼器２８及び移行ダクト３４をも包囲している。圧縮空気４８は、燃焼器及び移行ダクトにおける作動ガスよりも高い圧力を有する。各流れ３６は、固定ベーン３８のすぐ上流で移行ダクト３４から出るまで、別々である。ベーン３８は、さらに、それぞれの流れがブレード３７に達する前にこれらの別々の流れを分割する。つまり、ブレードは、ブレードが分割されかつ方向転換された流れによって回転するので、燃焼ガス流３６から周方向で変化する力を受ける。

図２は、本発明の１つの実施の形態を示すアセンブリ６０の正面図である。ここで、“正面図”とは、エンジンの前端部又は入口端部から後方を見ることを意味し、“背面図”はその逆を意味する。“後方”とは、エンジンの後端部又は排出端部に向かう方向を意味する。“半径方向内側”及び“半径方向外側”とは、それぞれ、エンジン中心線２１に関して半径方向で近位及び半径方向で遠位を意味する。図面では、エンジンは、正面図で見たときに時計回りに回転する。しかしながら、本発明は、反時計回りに回転するエンジンをも包含しており、その場合、構成部材の向きも対応して変更される。

アセンブリ６０は、エンジン中心線２１に中心合わせされた燃焼器６３（そのうち１つが示されている）のそれぞれ円形の配列のための、流れ方向付け構造６２の円形の配列を形成している。それぞれの流れ方向付け構造６２は、円錐形セクション６４と、円錐形セクションと一体であるか又は円錐形セクションに取り付けられていてよい出口片６６とを含んでよい。各出口片６６は、入口スロート部分６７と、出口部分６９とを有する。出口部分６９は、周方向で上流及び下流の端部７８，８０において、２つの周方向で隣接する出口部分６９に接続されている。本明細書において“周方向で隣接する”とは、エンジン中心線２１において中心合わせされた円弧に沿って隣接していることを意味する。組み立てられた出口部分６９は、全体で、環状の燃焼ガス供給チャンバ６８（図３）を形成する。各燃焼器６３からの燃焼ガス流３６Ａは、それぞれの流れ方向付け構造６２を通って流れる。

図３は、図２のアセンブリ６０の背面図である。環状のチャンバ６８は、前壁部分６８Ａと、半径方向内側壁部６８Ｂと、半径方向外側壁部６８Ｃとを有する。環状のチャンバ６８は、内側壁部及び外側壁部６８Ｂ，６８Ｃの後縁においてタービン中心に対して垂直な出口シール平面を有してよい。一体化ライン７０は、出口片スロート６７がチャンバ６８の前壁部分６８Ａと一体化しているところを示している。

それぞれのガス流３６Ａは、個々の周方向間隔で環状チャンバ６８に進入する。それぞれのガス流３６Ａは、タービン中心線２１に関して周方向成分と軸方向後方成分とを有する流れ方向で進入するので、チャンバ６８においてらせん状に後方への流れを形成する。それぞれの流れ３６Ａは、出口片６６のスロート６７によって別々の流れとして環状チャンバ６８まで案内される。各スロート６７において、流れ３６Ａは管状の壁部によって区切られかつ方向付けられるが、環状チャンバ６８においては、流れ３６Ａは壁部によって互いに分離されていない。スロート６７は、入口端部７１における円形横断面から、出口部分６９へ進入するときの非円形横断面、特に台形横断面へ変化していてよい。スロート６７は、平行な流れ３６Ａを形成し、次いで、環状チャンバ６８に進入するときにこの平行な流れ３６Ａを部分的に区切られたガス流へ移行させる。アセンブリ６０は、平行な流れを、隣接する重なり合わない状態でチャンバ６８へ供給してよい。

スロート６７は、完全に区切られた長さの少なくともほとんどに亘って一定の断面積を維持しているか、又は一定の軸線８２を中心に収束していてもよい。スロートの内面は、選択的に、スロートの完全に区切られた部分の少なくともほとんどに沿って、その最も小さな円形の内径の直径内にとどまってよい。“最も小さな円形の内径”とは、スロートの円形部分の最も小さな直径を意味する。スロートは、選択的に、いずれの次元においても拡開していない状態に限定されてよく、選択的に、その長さの少なくともほとんどに沿って全ての次元で一定の率で、又は一定に減少する率で収束していてもよい。これらは、平行度を高めかつ乱流を減じる最適な設計的特徴である。

環状チャンバ６８は、回転するタービンブレードの第１列のすぐ前方に取り付けられていてよい。環状チャンバ６８における流れ３６Ａは、壁部によって分離されていなくてよい。その結果、流れは、タービンブレードの第１列に進入する直前には均一で分割されていないらせん形の流れを形成し得る。それぞれのガス流３６Ａは、流れ方向付け構造６２の長手方向軸線８２に沿った直線的な流路をたどるように制限されてよい。この流路は、主に、環状チャンバ６８の円弧に対して接線方向であり、部分的に後方に向かっていてよい。環状チャンバ６８において、各流れ３６Ａを規定するスロート部分６７の壁部は、スロートが出口片の出口部分６９に一体化ときに、もはや流れを規定しない。出口部分６９は、環状チャンバ６８の円弧状セグメントを形成している。ガス流３６Ａは、環状チャンバ内を概してらせん状に続き、後方へ進み、チャンバから出て、回転するブレードに衝突する。

図４は、個々の出口片６６を図２及び図３のアセンブリ６０における隣接する出口片６６に接続する機構７２を備えた、個々の出口片６６を示している。入口スロート６７は、前に示したように円錐形セクション６４などの移行部材に接続され得る入口端部７１を有する。出口片６６の円弧状の出口部分６９は、前壁６８Ａと、半径方向で内側及び外側の壁部６８Ｂ，６８Ｃとを有し、これらの壁部は全体で環状チャンバ６８のセグメントを形成している。出口部分６９は、周方向上流及び下流の端部７８，８０を有しており、各端部は、隣接する出口片６６に関してシール平面を規定し得る。出口部分の各周方向端部は、半径方向内側のヒンジ部分７８Ａ，８０Ａと、半径方向外側のヒンジ部分７８Ｂ，８０Ｂとを有してよい。各ヒンジ部分は、隣接する出口片における対応するヒンジ部分にヒンジ式に接続される。各ヒンジ部分は、エンジン中心線に対して平行に向けられてよいヒンジ軸線８２Ａ，８２Ｂを有する。この向きにより、ヒンジピンは、半径方向での環状チャンバ６８の熱膨張及び熱収縮に最小限のせん断で追従し、これにより、移行条件の間、ダクト接続を維持する。

上流端部７８における内側ヒンジ部分７８Ａは、端部７８から後退させられた雌型セグメント状ヒンジバレルを有してよい。下流端部８０における内側ヒンジ部分８０Ａは、端部８０を超えて延びる雄型セグメント状ヒンジバレルを有してよい。上流端部７８における外側ヒンジ部分７８Ａは、端部８０を超えて延びる雄型セグメント状ヒンジバレルを有してよい。下流端部８０における外側ヒンジ部分８０Ａは、端部８０から後退させられた雌型セグメント状ヒンジバレルを有してよい。この配列は、組立のためのアクセスを最大化し、図６に示したようにヒンジピンが直線的に挿入されかつ取り外されるようにする。雄型及び雌型のヒンジ部分のその他の協働する組合せは、本発明の範囲内のその他の実施の形態において考えられ得る。一般的なフランジ及びボルト結合と比較して、この配列は、アセンブリのメンテナンス性を高める。なぜならば、より少ない部材が使用されており、部材が容易に取外し可能であるからである（すなわち結合部ごとに２つのピンと１つのファスナ）。ヒンジ構造は、簡単な機械加工作業によって形成され得る。特別な構成が必要とされないように、他の既に必要な機械加工構成の間に、ピン留めされたラグのラインボーリング、及びロックボルトホールの穿孔が完了されてよい。全てのピンボアは、裏側からアクセス可能であり、フェーシング及びラグスロッティング機械加工プロセスの間に取り付けられてよい。ピンは、矩形の棒材から機械加工され、所望の最終形状を形成するように曲げられてよい。一般的なフランジ及びボルト接続と比較して、整備可能性は単純である。なぜならば、ダクト接合部の側における１つのファスナを取り外すことは、分離線の上側、下側及び側方に沿って複数のナット及びボルトを取り外すよりも簡単であるからである。

各出口片６６の前壁６８Ａは、スロート部分６７の後壁６７Ｂと同一平面にあってよく、また、アセンブリ６０における周方向で隣接する上流のスロート６７の前壁６７Ａとも同一平面にあってよい。これは、隣接するスロート６７から環状チャンバ６８に進入するそれぞれのガス流３６Ａの正確に隣接する収束を提供し、それぞれの流入する流れ３６Ａを、隣接する流れ３６Ａの間に隙間を生じることなく、重なり合わない流れ形状で、隣接する流れ３６Ａと収束させる。

図５は、出口片６６の出口部分６９の周方向下流端部８０の拡大された背面図を示している。Ｌ字形のヒンジピン８４は、ヒンジバレル８０Ａに挿入された第１の部分８４Ａと、出口片６６又は隣接する出口片の出口部分の前側６７Ａにおけるボス８０Ｃに固定される端部８４Ｃを備える第２の部分８４Ｂとを有してよい。ブレードシール８１又はその他の公知のシール機構は、シール面８３を横切るガスの通過を制限するために使用されてよい。

図６は、内側及び外側のＬ字形のピン８４による相互接続のプロセスにおける２つの隣接する出口片の正面図を示している。

図７は、ボス８０Ｃ及びピン端部８４Ｃを通るボルト８６を備える図６の相互接続の固定を示している。ラッチ、ばね負荷されたペグ／ピン／クランプ／クリップ／フック、クランプ、ピン−クラッチ対、ピン及びボスにおける雌ねじ山を備えるねじ山付きファスナなどあらゆる固定手段が使用されてよい。係合させられたヒンジ部分内でピン８４を所定位置に保持するためのその他の機構が、本発明の範囲内で考えられ、これは、各ピンを別々に固定すること、出口片に形成されたボス以外の構造に、１つ又は両方のピンを固定すること、頭部とは反対側のねじ山付き端部を備えるボルトとしてピンを形成することなどを含む。

本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示及び説明されているが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかになるであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更及び代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されことが意図されている。

Claims (16)

1. 燃焼ガスを燃焼器からガスタービンエンジンのタービンブレードの第１段へ案内するための出口片であって、該出口片は、
   入口部分と、
   エンジン中心線に関して周方向上流の端部及び周方向下流の端部を含む出口部分と、を備え、
   該出口部分の各周方向の端部は、前記エンジン中心線に関して半径方向内側のヒンジ部分及び半径方向外側のヒンジ部分を有し、
   前記ヒンジ部分のそれぞれは、前記ガスタービンエンジンに組み立てられたときに、隣接する出口片の隣接する出口部分における対応するヒンジ部分にヒンジ式に接続されるように構成されていることを特徴とする、出口片。
2. 前記ヒンジ部分のそれぞれは、前記エンジン中心軸線に対して平行なヒンジ軸線を有する、請求項１記載の出口片。
3. 前記ヒンジ部分のそれぞれは、前記エンジン中心線に対して平行なヒンジ軸線を備えるヒンジ部分に挿入されたヒンジピンの第１の部分を介して、それぞれの対応するヒンジ部分にヒンジ式に接続されており、前記ヒンジピンは、前記出口片又はそれぞれの隣接する出口片に形成されたボスに固定するように構成された第２の部分を含む、請求項１記載の出口片。
4. 前記出口部分の下流の端部における外側ヒンジ部分は、前記下流の端部のシール平面から後退させられたセグメント状のヒンジバレルを有し、
   前記出口部分の上流の端部における外側ヒンジ部分は、前記上流の端部のシール平面を超えて延びるセグメント状ヒンジバレルを有し、各ヒンジバレルは、前記エンジン中心線に対して平行な軸線を含む、請求項１記載の出口片。
5. 前記出口部分の前記下流の端部における前記内側のヒンジ部分は、前記下流の端部のシール平面を超えて延びるセグメント状のヒンジバレルを有し、
   前記出口部分の前記上流の端部における前記内側のヒンジ部分は、前記上流の端部のシール平面から後退させられたセグメント状のヒンジバレルを有する、請求項４記載の出口片。
6. 隣接する出口片の環状の配列であって、各出口片は、請求項１記載のとおり形成されており、各出口片の下流の端部のそれぞれの半径方向内側及び半径方向外側のヒンジ部分は、隣接する出口片の上流の端部のそれぞれの半径方向内側及び半径方向外側のヒンジ部分と係合させられており、係合したヒンジ部分の各対は、それぞれのヒンジピンによって接合されていることを特徴とする、隣接する出口片の環状の配列。
7. 係合したヒンジ部分の各対のうちの第１のヒンジ部分は、それぞれの隣接する出口片の間のシール平面から後退させられたセグメント状のヒンジバレルを有し、係合したヒンジ部分の各対のうちの第２のヒンジ部分は、エンジン中心線に対して平行なヒンジ軸線を形成するように前記シール平面を超えて延びるセグメント状のヒンジバレルを有する、請求項６記載の隣接する出口片の環状の配列。
8. それぞれの上流の端部のそれぞれの係合したヒンジ部分を、隣接する出口片のそれぞれの下流の端部に接合する外側ヒンジピン及び内側ヒンジピンをさらに備え、該外側ヒンジピン及び内側ヒンジピンは、それぞれの隣接する出口片のうちの一方に形成されたボスに固定されている、請求項７記載の隣接する出口片の環状の配列。
9. 燃焼ガスをそれぞれの複数の缶型環状の燃焼器からガスタービンの第１段ブレードセクションへ案内するための複数の出口片であって、各出口片は、
   前記燃焼器のそれぞれ１つから燃焼ガスを受け取る入口スロートと、
   環状の燃焼ガス供給用のチャンバのセグメントを含む出口部分とを備え、
   該出口部分は、第１の半径方向内側のヒンジと第１の半径方向外側のヒンジとによって前記出口片のうちの周方向上流に隣接する出口片に接続された、周方向上流の端部を有し、前記出口部分は、第２の半径方向内側のヒンジ及び第２の半径方向外側のヒンジによって前記出口片のうちの周方向下流に隣接する出口片に接続された、周方向下流の端部を有し、
   各ヒンジは、タービンの中心線に対して平行なヒンジ軸線を有することを特徴とする、複数の出口片。
10. 各ヒンジは、隣接する出口片の各対のうちの第１の対のシール平面を超えて延びるセグメント状のヒンジバレルと、隣接する出口片の各対のうちの第２の対のシール平面のシール平面から後退させられた協働するセグメント状のヒンジバレルと、前記ヒンジバレルを貫通して配置されたヒンジピンとを含む、請求項９記載の装置。
11. 隣接する出口片の各対のうちの一方に形成されたボスと、該ボスに固定されたヒンジピンの端部とをさらに備える、請求項１０記載の装置。
12. 前記複数の出口片は、前記タービンの中心線を中心に円形の配列を形成しており、前記各入口スロートは、該入口スロートの入口端部から環状の前記チャンバまで直線的な流路を提供しており、各流路は、主に、環状の前記チャンバの円弧に対して接線方向であり、部分的に後方へ向かっている、請求項１１記載の装置。
13. 前記各入口スロートは、前記燃焼器のうちの１つの燃焼器からのガス流を区切っており、該ガス流を主に接線方向にかつ部分的に後方に環状の供給チャンバへ供給し、前記出口片のうちの隣接する出口片は、隣接して収束する流れ状態で前記供給チャンバへ進入するそれぞれのガス流を提供する、請求項１１記載の複数の出口片。
14. ガスを複数の缶型環状の燃焼器からガスタービンの第１段ブレードセクションへ供給するための出口片のアセンブリであって、該アセンブリは、
    複数の互いに接続された出口片を含む流れ方向付け構造を備え、前記各出口片は、それぞれの燃焼器からガス流を受け取るように構成されており、
    前記各出口片は、スロート部分と、環状のチャンバの周方向のセグメントを形成する出口部分とを有し、
    該出口部分は、前記スロート部分の後壁と同一平面上にありかつさらに上流の隣接するスロート部分の前壁と同一平面上にある前壁を有し、
    環状の前記チャンバは、タービンの中心線に対して平行なそれぞれの軸線を有するそれぞれのヒンジによって互いに接続された出口部分の円形の配列から形成されており、
    前記出口片のうちの隣接する出口片は、前記チャンバ内へ概してらせん形の流れに収束させるようにそれぞれのガス流を案内することを特徴とする、出口片アセンブリ。
15. 前記各出口部分は、
    周方向で下流の端部であって、該下流の端部のシール平面から後退させられた半径方向外側のセグメント状のヒンジバレルと、前記下流の端部のシール平面を超えて周方向に延びる半径方向内側のセグメント状のヒンジバレルとを有する、周方向で下流の端部と、
    周方向で上流の端部であって、該上流の端部のシール平面を超えて周方向に延びる半径方向外側のセグメント状のヒンジバレルと、前記上流の端部のシール平面から後退させられた半径方向内側のセグメント状のヒンジバレルとを有する、周方向で上流の端部と、を備える、請求項１４記載のアセンブリ。
16. 前記各出口部分における各セグメント状のヒンジバレルは、該セグメント状のヒンジバレル及び対応するセグメント状のヒンジバレルの両方に挿入された第１の脚部と、前記出口部分の前側又は隣接する出口部分の前側におけるボスに固定された第２の脚部とを含むＬ字形のピンによって、隣接する出口部分における対応するセグメント状のヒンジバレルに接合されている、請求項１５記載のアセンブリ。

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