JP2018009568A

JP2018009568A - ガスタービンエンジンの排気フレーム

Info

Publication number: JP2018009568A
Application number: JP2017115535A
Authority: JP
Inventors: クシシュトフ・ディナク; Dynak Krzysztof; プジェムィスワフ・ミカル・ジェイカブクザック; Michal Jakubczak Przemyslaw
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2018-01-18
Also published as: US20170370283A1; EP3260666A1

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのための排気フレームを提供する。さらに、ガスタービンエンジンの排気フレームにおける応力集中を分散する方法を提供する。【解決手段】排気フレームは、この排気フレームの長手方向軸に沿って延びる内側ケーシング１１０と、この内側ケーシングから半径方向外側に配置された外側ケーシングと、内側ケーシングから外側ケーシングまで半径方向に延在するストラット１１４と、内側ケーシングまたは外側ケーシング内に定められるとともにストラットの周りに配置された逃し溝１３４とを備えることができる。【選択図】図５Ａ

Description

本出願およびその結果として得られた特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃焼ガスを収容するとともにガスタービンエンジンの高温ガス経路に沿って向ける排気フレームに関する。

ガスタービンエンジンでは、１つまたは複数の燃焼器内で発生する高温燃焼ガスは、一般に、タービンおよびこのタービンの下流に配置された排気フレームを通じて延びる高温ガス経路に沿って流れることができる。この排気フレームは、内側ケーシングと、外側ケーシングと、内側ケーシングと外側ケーシングの間に延在するいくつかのストラットとを備えることができる。内側ケーシングは、ガスタービンエンジンの主シャフトを内部で支持するシャフト軸受けを格納することができる。排気フレームを通じて流れる燃焼ガスは、内側ケーシングと外側ケーシングの間に収容することができ、ストラット上を流れることができる。このようにして、内側ケーシング、外側ケーシング、およびストラットは、高温ガス経路に沿った燃焼ガス流から結果として生じる高温を受ける可能性があり、これは、これらの構成部品およびそれらの間の接合領域において高い熱応力の発生になり得る。ガスタービンエンジンの効率はその動作温度に依存するので、高温ガス経路に沿っておよび高温ガス経路内に配置される、排気フレームの内側ケーシング、外側ケーシング、およびストラットなどの構成要素は、劣化、故障、または有効な寿命の減少となることなしに、ますます高くなる温度に耐えることができることが持続的に必要とされている。

いくつかの排気フレームの構成によれば、各ストラットは、一端で内側ケーシングに溶接されるとともに、他端で外側ケーシングに溶接され得る。ガスタービンエンジンの運転中、排気フレーム内にもたらされる大きい温度勾配により、ストラット内に、特に内側ケーシングおよび外側ケーシングに隣接する溶接した領域内に高い応力が発生し得る。例えば、ガスタービンエンジンの起動中、高い応力は、ストラットが内側ケーシングおよび外側ケーシングよりも速く加熱するときに生じ得る。同様にして、ストラットが内側ケーシングおよび外側ケーシングよりも速く冷めるときに、ガスタービンエンジンのシャットダウン中に高い応力が生じ得る。ガスタービンエンジンの定常運転中、ストラットが高温ガス経路内でより高い温度を受けている間に、冷却空気系統または外部空気などによって内側ケーシングおよび／または外側ケーシングの冷却により高い応力が生じる可能性がある。さらに、内側ケーシングがシャフト軸受けを支持するために使用されるとき、「ブレードアウト」の事象または他の原因により生じ得る主シャフトのアンバランスによりストラット内に高い応力が発生する可能性がある。結局、ストラットにおける応力集中は、溶接部の故障をもたらす可能性があり、これによって一般に溶接されているベース材（すなわち、内側ケーシングまたは外側ケーシング）よりも低い耐疲労性を有し得る。

したがって、高い動作温度で燃焼ガスを収容するとともにガスタービンエンジンの高温ガス経路に沿って向ける改善された排気フレームが必要とされている。そのような改善された排気フレームは、ストラットにおける、特に排気フレームの内側ケーシングと外側ケーシングとに隣接するストラットの溶接した領域における応力集中を減少させるはずである。このようにして、そうした改善された排気フレームは、溶接部の故障のリスクを減少させ、それによってストラットおよび排気フレーム全体の寿命を増加させるはずである。

したがって、本出願およびその結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンのための排気フレームを提供する。この排気フレームは、前記排気フレームの長手方向軸に沿って延びる内側ケーシングと、前記内側ケーシングから半径方向外側に配置された外側ケーシングと、前記内側ケーシングから前記外側ケーシングまで半径方向に延在するストラットと、前記内側ケーシングまたは前記外側ケーシング内に定められるとともに前記ストラットの外周の周りに配置された逃し溝とを備えることができる。

本出願およびその結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンの排気フレームにおける応力集中を分散する方法をさらに提供する。この方法は、排気フレームを用意するステップであって、前記排気フレームの長手方向軸に沿って延びる内側ケーシングと、前記内側ケーシングから半径方向外側に配置された外側ケーシングと、前記内側ケーシングから前記外側ケーシングまで半径方向に延在するストラットと、前記内側ケーシングまたは前記外側ケーシング内に定められるとともに前記ストラットの外周の周りに配置された逃し溝とを備える排気フレームを用意するステップを含むことができる。この方法は、前記排気フレームを通じて燃焼ガス流を向けるステップも含み、前記逃し溝内に生じる応力は、前記ストラット内に生じる応力よりも大きい。

本出願およびその結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンをさらに提供する。このガスタービンエンジンは、圧縮機と、前記圧縮機と連通する燃焼器と、前記燃焼器と連通するタービンと、前記タービンと連通する排気フレームとを備えることができる。前記排気フレームは、前記排気フレームの長手方向軸に沿って延びる内側ケーシングと、前記内側ケーシングから半径方向外側に配置された外側ケーシングと、前記内側ケーシングから前記外側ケーシングまで半径方向に延在するストラットと、前記内側ケーシングまたは前記外側ケーシング内に定められるとともに前記ストラットの外周の周りに配置された逃し溝とを備えることができる。

本出願およびその結果として得られた特許のこれらおよび他の特徴および改善については、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて見たときに以下の詳細な説明を精査すれば当業者には明らかであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、排気フレーム、および外部負荷を備えたガスタービンエンジンの概略図である。本明細書中に説明され得るような、かつ図１のガスタービンエンジンに使用することができるような、内側ケーシング、外側ケーシング、およびいくつかのストラットを備えた排気フレームの一実施形態の端面図である。内側ケーシング、外側ケーシング、および複数のストラットのうちの２つのストラットを示す、線３−３に沿った図２の排気フレームの断面図である。内側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す、線４−４に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。内側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す、線４−４に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。内側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す、線４−４に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。内側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す、線４−４に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。内側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す、線４−４に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。内側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線５Ａ−５Ａに沿った図４Ａの排気フレームの各部分の詳細断面図である。内側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線５Ｂ−５Ｂに沿った図４Ｂの排気フレームの各部分の詳細断面図である。内側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線５Ｃ−５Ｃに沿った図４Ｅの排気フレームの各部分の詳細断面図である。外側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す線６−６に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。外側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す線６−６に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。外側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す線６−６に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。外側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す線６−６に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。外側ケーシングと複数のストラットのうちの一ストラットとの間の接合領域の一実施形態を示す線６−６に沿った図２の排気フレームの一部についての詳細断面図である。外側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線７Ａ−７Ａに沿った図６Ａの排気フレームの各部分の詳細断面図である。外側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線７Ｂ−７Ｂに沿った図６Ｂの排気フレームの各部分の詳細断面図である。外側ケーシングとストラットの間の接合領域を示す、線７Ｃ−７Ｃに沿った図６Ｅの排気フレームの各部分の詳細断面図である。

次に図面を参照する。これらの図面において、同じ番号はいくつかの図面全部を通じて同じ要素を指している。本明細書中に使用され得るとき、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を備えることができる。圧縮機１５は、入ってくる空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５へ送り出す。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧された燃料流３０と混合し、この混合気を点火して燃焼ガス流３５を生成する。たった１つの燃焼器２５が示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の個数の燃焼器２５を備えてもよい。燃焼ガス流３５は、タービン４０へ送り出される。燃焼ガス流３５は、力学的仕事をもたらすようにタービン４０を駆動する。タービン４０においてもたらされた力学的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５および発電機等などの外部負荷５０を駆動する。燃焼ガス流３５は、タービン４０からその下流に配置された排気フレーム５５へ送り出される。排気フレーム５５は、燃焼ガス流３５を収容するとともにガスタービンエンジン１０の他の構成要素へ向けることができる。例えば、排気フレーム５５は、燃焼ガス流３５を排気プレナムまたは排気ディフューザへ向けることができる。他の構成および他の構成要素が、本明細書中に使用されてもよい。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、および／または他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定するものではないが、７シリーズまたは９シリーズの大型ガスタービンエンジン等などのものを含むニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのゼネラルエレクトリックカンパニー（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ）によって提供されているいくつかの異なるガスタービンエンジンのうちのいずれか１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してもよく、他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンが、本明細書中にやはり使用されてもよい。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電設備もともに、本明細書中で使用されてもよい。

図２および図３は、本明細書中に記載され得るような排気フレーム１００の一実施形態を示す。排気フレーム１００は、ガスタービンエンジン１０に使用することができ、一般に、上記排気フレーム５５と同様のやり方で構成および配置することができる。特に、排気フレーム１００は、タービン４０の下流に配置することができ、ガスタービンエンジン１０の高温ガス経路１０２に沿って流れる燃焼ガス流３５を受け取ることができる。高温ガス経路１０２は、以下に説明されるように、タービン４０および排気フレーム１００を通じて延びることができる。図示した通り、排気フレーム１００は、先端または上流端１０４と、後端または下流端１０６とを有することができる。排気フレーム１００は、燃焼ガス流３５を収容するとともに排気フレーム１００の下流に配置された排気プレナムまたは排気ディフューザなどのガスタービンエンジン１０の他の構成要素へ向けるように構成することができる。

図示した通り、排気フレーム１００は、内側ケーシング１１０と、外側ケーシング１１２と、内側ケーシング１１０と外側ケーシング１１２の間に延在するいくつかのストラット１１４とを備えることができる。内側ケーシング１１０は、排気フレーム１００の長手方向軸１１６に沿って軸方向にかつそれと同軸に延びる筒状体として形成することができる。内側ケーシング１１０は、内部で回転させるためにガスタービンエンジン１０のシャフト４５を支持するシャフト軸受け１２０を格納することができる。外側ケーシング１１２は、排気フレーム１００の長手方向軸１１６に沿ってかつそれと同軸に延びる筒状体として形成することができる。図示した通り、外側ケーシング１１２は、内側ケーシング１１０から離間しているとともに、この内側ケーシング１１０から半径方向外側に配置することができる。このようにして、内側ケーシング１１０および外側ケーシング１１２は、それらの間の高温ガス経路１０２の一部（すなわち、内側ケーシング１１０と外側ケーシング１１２の間の環状空間）を画定することができる。いくつかの実施形態では、図８Ａ〜図８Ｃに関して以下に説明されるように、排気フレーム１００は、内側ケーシング１１０、外側ケーシング１１２、および／またはストラット１１４に沿って配設されたライナおよび／または断熱材を備えることもできる。そのような実施形態では、ライナは、排気フレーム１００を通じて延びる高温ガス経路１０２の一部を画定することができる。

ガスタービンエンジン１０の運転中、高温ガス経路１０２に沿って流れる燃焼ガス３５は、内側ケーシング１１０と外側ケーシング１１２の間に収容可能であり、ストラット１１４上を流れることができる。内側ケーシング１１０は、単一の構成要素として形成されてもよく、または内側ケーシング１１０を形成するように互いに接合された部分をいくつか含んでもよい。同様に、外側ケーシング１１２は、単一の構成要素として形成されてもよく、または外側ケーシング１１２を形成するように互いに接合された部分をいくつか含んでもよい。内側ケーシング１１０および外側ケーシング１１２は、円形の断面形状を有するものとして示されているが、他の構成において他の形状が使用されてもよい。

ストラット１１４は、排気フレーム１００の長手方向軸１１６に対して内側ケーシング１１０から外側ケーシング１１２まで半径方向に延在することができる。図示した通り、ストラット１１４は、長手方向軸１１６を中心にして円周状（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌａｒｒａｙ）に配置することができる。図２には８個のストラット１１４が示されているが、排気フレーム１００は、内側ケーシング１１０と外側ケーシング１１２の間に延在する任意の個数のストラット１１４を備えることができる。各ストラット１１４は、この各ストラット１１４の半径方向内側端で内側ケーシング１１０に取り付けることができるとともに、各ストラット１１４の半径方向外側端で外側ケーシング１１２に取り付けることができる。特に、各ストラット１１４は、この各ストラット１１４の半径方向内側端で第１の溶接部１２４を介して内側ケーシング１１０に溶接することができるとともに、各ストラット１１４の半径方向外側端で第２の溶接部１２６を介して外側ケーシング１１２に溶接することができる。図示した通り、第１の溶接部１２４および第２の溶接部１２６はそれぞれ、各ケーシング１１０、１１２に沿ってストラット１１４の外周の周りに広がる連続的な溶接部とすることができる。代替として、第１の溶接部１２４および／または第２の溶接部１２６は、各ケーシング１１０、１１２に沿ってストラット１１４の外周の周りに広がる断続的な溶接部としてもよい。いくつかの実施形態では、第１の溶接部１２４および第２の溶接部１２６はそれぞれ、隅肉溶接部とすることができるが、他の実施形態において他のタイプの溶接部が使用されてもよい。

内側ケーシング１１０および／または外側ケーシング１１２は、それらの中に画定されるとともにガスタービンエンジン１０の運転中にストラット１１４における応力集中を減少させるように構成されたいくつかの逃し溝を備えることができる。特に、図３に図示した通り、内側ケーシング１１０は、各ストラット１１４の周りに配置された第１の逃し溝１３４を備えることができる。同様のやり方で、外側ケーシング１１２は、ストラット１１４の周りに配置された第２の逃し溝１３６を備えることができる。図３には、第１の逃し溝１３４と第２の逃し溝１３６の両方が示されているが、いくつかの実施形態では、排気フレーム１００は第１の逃し溝１３４だけを備えてもよく（一方、第２の逃し溝１３６は省かれる）、他の実施形態では、排気フレーム１００は第２の逃し溝１３６だけを備えてもよい（一方、第１の逃し溝１３４は省かれる）ことが理解されよう。

図４Ａおよび図５Ａは、内側ケーシング１１０と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の一実施形態を示す詳細断面図である。ストラット１１４の半径方向内側端は、ストラット１１４の外周を取り囲むことができる第１の溶接部１２４を介して、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０に取り付けることができる。図示した通り、第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０内に定めることができる。第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の壁厚ｗｔ₁よりも小さい深さｄ₁を有することができる。言い換えると、第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０を通じてその半径方向内面１４２まで広がらない。いくつかの実施形態では、深さｄ₁は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、深さｄ₁は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って変化することができる。そのような実施形態では、第１の逃し溝１３４の経路に沿った深さｄ₁の最大値は、第１の逃し溝１３４が内側ケーシング１１０を通じてその半径方向内面１４２まで広がらないように、内側ケーシング１１０の壁厚ｗｔ₁よりも小さくすることができる。

図示した通り、第１の逃し溝１３４は、ストラット１１４の外周全体に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の周りに完全なループを形成する。第１の逃し溝１３４の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示した通り、第１の逃し溝１３４は、第１の溶接部１２４から離間していることができる。言い換えると、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０の一部は、第１の逃し溝１３４の経路全体に沿って第１の逃し溝１３４と第１の溶接部１２４の間に配設することができる。特に、第１の逃し溝１３４は、第１の逃し溝１３４の経路に沿ってオフセット距離ｏｄ₁だけ第１の溶接部１２４から離間していることができる。いくつかの実施形態では、オフセット距離ｏｄ₁は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、オフセット距離ｏｄ₁は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って変化することができる。そのような実施形態では、第１の逃し溝１３４の経路に沿ったオフセット距離ｏｄ₁の最小値は、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０の一部が、第１の逃し溝１３４の経路全体に沿って第１の逃し溝１３４と第１の溶接部１２４の間に配設することができるように、ゼロよりも大きくすることができる。

いくつかの実施形態では、図示した通り、第１の逃し溝１３４は、半円形の断面形状を有することができる。他の実施形態では、第１の逃し溝１３４は、半楕円形、半卵形、長方形、正方形、または他の多角形または部分多角形の断面形状を有することができる。いくつかの実施形態では、第１の逃し溝１３４の断面形状は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、第１の逃し溝１３４の断面形状は、第１の逃し溝１３４の経路に沿って変化することができる。

図４Ｂおよび図５Ｂは、内側ケーシング１１０と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０内に定めることができるとともに、ストラット１１４の外周全体に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の周りに完全なループを形成する。第１の逃し溝１３４の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示した通り、第１の逃し溝１３４の少なくも一部は、第１の溶接部１２４に隣接して（すなわち、それから離間せずに）配置することができ、それによって第１の溶接部１２４から第１の逃し溝１３４への滑らかな移行部を形成する。例えば、図示した通り、第１の逃し溝１３４の側面部１４６は、第１の溶接部１２４の側面部１４８に隣接して配置することができる。いくつかの実施形態では、図示した通り、第１の逃し溝１３４の先端部１５２は、第１の溶接部１２４の先端部１５４から離間していることができ、第１の逃し溝１３４の後端部１５６は、第１の溶接部１２４の後端部１５８から離間していることができる。他の実施形態では、第１の逃し溝１３４は、第１の逃し溝１３４の経路全体に沿って第１の溶接部１２４に隣接して配置することができる。図示された第１の逃し溝１３４のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図４Ｃは、内側ケーシング１１０と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０内に定めることができる。図示した通り。第１の逃し溝１３４は、ストラット１１４の外周の一部だけに沿って延在することができる。特に、第１の逃し溝１３４は、図示した通り、ストラット１１４の先端１６２に沿っておよびストラット１１４の側面１６４に一部沿って延在することができる。第１の逃し溝１３４は、ほぼＵ形の経路を有することができるが、他の形状の第１の逃し溝１３４の経路が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の逃し溝１３４は、第１の逃し溝１３４の経路全体に沿って第１の溶接部１２４から離間していることができる。他の実施形態では、第１の逃し溝１３４の少なくも一部は、第１の溶接部１２４に隣接して配置することができる。図示された第１の逃し溝１３４のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図４Ｄは、内側ケーシング１１０と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の半径方向外面１４０内に定めることができる。図示した通り、第１の逃し溝１３４は、ストラット１１４の外周の一部だけに沿って延在することができる。特に、第１の逃し溝１３４は、図示した通り、ストラット１１４の後端１６６に沿っておよびストラット１１４の側面１６４に一部沿って延在することができる。第１の逃し溝１３４は、ほぼＵ形の経路を有することができるが、他の形状の第１の逃し溝１３４の経路が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の逃し溝１３４は、第１の逃し溝１３４の経路全体に沿って第１の溶接部１２４から離間していることができる。他の実施形態では、第１の逃し溝１３４の少なくも一部は、第１の溶接部１２４に隣接して配置することができる。図示された第１の逃し溝１３４のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図４Ｅおよび図５Ｃは、内側ケーシング１１０と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０の半径方向内面１４２内に定めることができる。第１の逃し溝１３４の深さｄ₁は、内側ケーシング１１０の壁厚ｗｔ₁よりも小さくすることができる。言い換えると、第１の逃し溝１３４は、内側ケーシング１１０を通じてその半径方向外面１４０まで広がらない。図示した通り、第１の逃し溝１３４は、ストラット１１４の外周全体の半径方向突出部に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の突出部の周りに完全なループを形成する。第１の逃し溝１３４の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示された第１の逃し溝１３４のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図６Ａおよび図７Ａは、外側ケーシング１１２と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の一実施形態を示す詳細断面図である。ストラット１１４の半径方向外側端は、ストラット１１４の外周を取り囲むことができる第２の溶接部１２６を介して、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０に取り付けることができる。図示した通り、第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０内に定めることができる。第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の壁厚ｗｔ₂よりも小さい深さｄ₂を有することができる。言い換えると、第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２を通じてその半径方向外面１７２まで広がらない。いくつかの実施形態では、深さｄ₂は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、深さｄ₂は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って変化ことができる。そのような実施形態では、第２の逃し溝１３６の経路に沿った深さｄ₂の最大値は、第２の逃し溝１３６が外側ケーシング１１２を通じてその半径方向外面１７２まで広がらないように、外側ケーシング１１２の壁厚ｗｔ₂よりも小さくすることができる。

図示した通り、第２の逃し溝１３６は、ストラット１１４の外周全体に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の周りに完全なループを形成する。第２の逃し溝１３６の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示した通り、第２の逃し溝１３６は、第２の溶接部１２６から離間していることができる。言い換えると、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０の一部は、第２の逃し溝１３６の経路全体に沿って第２の逃し溝１３６と第２の溶接部１２６の間に配設することができる。特に、第２の逃し溝１３６は、第２の逃し溝１３６の経路に沿ってオフセット距離ｏｄ₂だけ第２の溶接部１２６から離間していることができる。いくつかの実施形態では、オフセット距離ｏｄ₂は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、オフセット距離ｏｄ₂は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って変化ことができる。そのような実施形態では、第２の逃し溝１３６の経路に沿ったオフセット距離ｏｄ₂の最小値は、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０の一部が第２の逃し溝１３６の経路全体に沿って第２の逃し溝１３６と第２の溶接部１２６の間に配設されるように、ゼロよりも大きくすることができる。

いくつかの実施形態では、図示した通り、第２の逃し溝１３６は、半円形の断面形状を有することができる。他の実施形態では、第２の逃し溝１３６は、半楕円形、半卵形、長方形、正方形、または他の多角形または部分多角形の断面形状を有することができる。いくつかの実施形態では、第２の逃し溝１３６の断面形状は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って一定とすることができる。他の実施形態では、第２の逃し溝１３６の断面形状は、第２の逃し溝１３６の経路に沿って変化ことができる。

図６Ｂおよび図７Ｂは、外側ケーシング１１２と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０内に定めることができ、ストラット１１４の外周全体に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の周りに完全なループを形成する。第２の逃し溝１３６の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示した通り、第２の逃し溝１３６の少なくとも一部は、第２の溶接部１２６に隣接して（すなわち、それから離間せずに）配置することができ、それによって第２の溶接部１２６から第２の逃し溝１３６への滑らかな移行部を形成する。例えば、第２の逃し溝１３６の側面部１７６は、図示した通り、第２の溶接部１２６の側面部１７８に隣接して配置することができる。いくつかの実施形態では、図示した通り、第２の逃し溝１３６の先端部１８２は、第２の溶接部１２６の先端部１８４から離間していることができ、第２の逃し溝１３６の後端部１８６は、第２の溶接部１２６の後端部１８８から離間していることができる。他の実施形態では、第２の逃し溝１３６は、第２の逃し溝１３６の経路全体に沿って第２の溶接部１２６に隣接して配置することができる。図示された第２の逃し溝１３６のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図６Ｃは、外側ケーシング１１２と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０内に定めることができる。図示した通り、第２の逃し溝１３６は、ストラット１１４の外周の一部だけに沿って延在することができる。特に、第２の逃し溝１３６は、図示した通り、ストラット１１４の先端１６２に沿っておよびストラット１１４の側面１６４に一部沿って延在することができる。第２の逃し溝１３６は、ほぼＵ形の経路を有することができるが、他の形状の第２の逃し溝１３６の経路が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の逃し溝１３６は、第２の逃し溝１３６の経路全体に沿って第２の溶接部１２６から離間していることができる。他の実施形態では、第２の逃し溝１３６の少なくとも一部は、第２の溶接部１２６に隣接して配置することができる。図示された第２の逃し溝１３６のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図６Ｄは、外側ケーシング１１２と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の半径方向内面１７０内に定めることができる。図示した通り、第２の逃し溝１３６は、ストラット１１４の外周の一部だけに沿って延在することができる。特に、第２の逃し溝１３６は、図示した通り、ストラット１１４の後端１６６に沿っておよびストラット１１４の側面１６４に一部沿って延在することができる。第２の逃し溝１３６は、ほぼＵ形の経路を有することができるが、他の形状の第２の逃し溝１３６の経路が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の逃し溝１３６は、第２の逃し溝１３６の経路全体に沿って第２の溶接部１２６から離間していることができる。他の実施形態では、第２の逃し溝１３６の少なくとも一部は、第２の溶接部１２６に隣接して配置することができる。図示された第２の逃し溝１３６のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

図６Ｅおよび図７Ｃは、外側ケーシング１１２と複数のストラット１１４のうちの一ストラット１１４との間の接合領域の別の実施形態を示す詳細断面図である。第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２の半径方向外面１７２内に定めることができる。第２の逃し溝１３６の深さｄ₂は、外側ケーシング１１２の壁厚ｗｔ₂よりも小さくすることができる。言い換えると、第２の逃し溝１３６は、外側ケーシング１１２を通じてその半径方向内面１７０まで広がらない。図示した通り、第２の逃し溝１３６は、ストラット１１４の外周全体の半径方向突出部に沿って延在することができ、それによってストラット１１４の突出部の周りに完全なループを形成する。第２の逃し溝１３６の経路は、全体的に、ストラット１１４の外周の形状に対応するように輪郭を形成することができる。図示された第２の逃し溝１３６のさらなる特徴は、上記の特徴と同様であり得る。

ガスタービンエンジン１０の運転中、内側ケーシング１１０の第１の逃し溝１３４および／または外側ケーシング１１２の第２の逃し溝１３６は、ストラット１１４における応力集中を減少させることができる。特に、第１の逃し溝１３４および／または第２の逃し溝１３６は、各ケーシング１１０、１１２の剛性を局所的に減少させることができ、それによって排気フレーム１００に発生する最も高い応力が、ストラット１１４または溶接部１２４、１２６の代わりに第１の逃し溝１３４および／または第２の逃し溝１３６内にあるようになる。

このようにして、本明細書中に記載された各実施形態は、高い動作温度で燃焼ガスを収容するとともにガスタービンエンジンの高温ガス経路に沿って向ける改善された排気フレームを提供する。上述したように、排気フレームは、内側ケーシングおよび／または外側ケーシング内に定められるとともに各ストラットの周りに配置された逃し溝を備えることができる。この逃し溝は、各ケーシングの剛性を局所的に減少させることによってストラットにおける応力集中を減少させることができ、それによって排気フレームに発生する最も高い応力が、ストラットまたは溶接部に代わって逃し溝内にあるようになる。このようにして、逃し溝は、溶接部での故障のリスクを減少させることができ、それによってストラットおよび排気フレーム全体の寿命を増加させる。排気フレームは、内側ケーシング、外側ケーシング、および／またはストラットを燃焼ガスに直接的に露出することから保護する１つまたは複数のライナと、内側ケーシング、外側ケーシング、および／またはストラットを燃焼ガスから結果として生じる高温から断熱する１つまたは複数の断熱材層とを備えることもできる。

前述したものは、本出願およびその結果として得られた特許のいくつかの実施形態にのみ関するものであることを理解されたい。添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の全体的な要旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって、多数の変更または修正が本明細書中においてなされてもよい。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１０）ための排気フレーム（１００）であって、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備えた排気フレーム（１００）。
［実施態様２］
前記逃し溝（１３４）は前記内側ケーシング（１１０）内に定められ、前記逃し溝（１３４）の深さは前記内側ケーシング（１１０）の壁厚よりも小さい、実施態様１記載の排気フレーム。
［実施態様３］
前記逃し溝（１３４）は、前記内側ケーシング（１１０）の半径方向外面（１４０）内に定められる、実施態様２記載の排気フレーム。
［実施態様４］
前記逃し溝（１３４）は、前記内側ケーシング（１１０）の半径方向内面（１４２）内に定められる、実施態様２記載の排気フレーム。
［実施態様５］
前記ストラット（１１４）は、溶接部（１２４）を介して前記内側ケーシング（１１０）に取り付けられる、実施態様２記載の排気フレーム。
［実施態様６］
前記逃し溝（１３４）は、前記溶接部（１２４）から離間している、実施態様５記載の排気フレーム。
［実施態様７］
前記逃し溝（１３４）の少なくとも一部は、前記溶接部（１２４）に隣接して配置される、実施態様５記載の排気フレーム。
［実施態様８］
前記溶接部（１２４）は、前記ストラット（１１４）の外周全体の周りに広がる連続的な溶接部を備える、実施態様５記載の排気フレーム。
［実施態様９］
前記逃し溝（１３６）は前記外側ケーシング（１１２）内に定められ、前記逃し溝（１３６）の深さは前記外側ケーシング（１１２）の壁厚よりも小さい、実施態様１記載の排気フレーム。
［実施態様１０］
前記逃し溝（１３６）は、前記外側ケーシング（１１２）の半径方向内面（１７０）内に定められる、実施態様９記載の排気フレーム。
［実施態様１１］
前記逃し溝（１３６）は、前記外側ケーシング（１１２）の半径方向外面（１７２）内に定められる、実施態様９記載の排気フレーム。
［実施態様１２］
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周全体に沿って延在する、実施態様１記載の排気フレーム。
［実施態様１３］
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周の一部だけに沿って延在する、実施態様１記載の排気フレーム。
［実施態様１４］
前記逃し溝（１３４、１３６）は、半円形の断面形状を備える、実施態様１記載の排気フレーム。
［実施態様１５］
ガスタービンエンジン（１０）の排気フレーム（１００）における応力集中を分散する方法であって、
排気フレーム（１００）を用意するステップであって、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備える前記排気フレーム（１００）を用意するステップと、
前記排気フレーム（１００）を通じて燃焼ガス流（３５）を向けるステップと
を含み、前記逃し溝（１３４、１３６）内に生じる応力は、前記ストラット（１１４）内に生じる応力よりも大きい方法。
［実施態様１６］
圧縮機（１５）と、
前記圧縮機（１５）に連通する燃焼器（２５）と、
前記燃焼器（２５）に連通するタービン（４０）と、
前記タービン（４０）と連通する排気フレーム（１００）と
を備えたガスタービンエンジン（１０）であって、
前記排気フレーム（１００）は、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備えるガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１７］
前記逃し溝（１３４）は前記内側ケーシング（１１０）内に定められ、前記逃し溝（１３４）の深さは前記内側ケーシング（１１０）の壁厚よりも小さい、実施態様１６記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１８］
前記逃し溝（１３６）は前記外側ケーシング（１１２）内に定められ、前記逃し溝（１３６）の深さは前記外側ケーシング（１１２）の壁厚よりも小さい、実施態様１６記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１９］
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周全体に沿って延在する、実施態様１６記載のガスタービンエンジン。
［実施態様２０］
前記排気フレーム（１００）は、前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在する複数のストラット（１１４）と、前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められた複数の逃し溝（１３４、１３６）とを備え、各逃し溝（１３４、１３６）は、前記複数のストラット（１１４）のうちの一ストラット（１１４）の外周の周りに配置される、実施態様１６記載のガスタービンエンジン。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気流
２５燃焼器
３０燃料流
３５燃焼ガス流
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５５排気フレーム
１００排気フレーム
１０２高温ガス経路
１０４排気フレームの先端
１０６排気フレームの後端
１１０内側ケーシング
１１２外側ケーシング
１１４ストラット
１１６長手方向軸
１２０シャフト軸受け
１２４第１の溶接部
１２６第２の溶接部
１３４第１の逃し溝
１３６第２の逃し溝
１４０内側ケーシングの半径方向外面
１４２内側ケーシングの半径方向内面
１４６第１の逃し溝の側面部
１４８第１の溶接部の側面部
１５２第１の逃し溝の先端部
１５４第１の溶接部の先端部
１５６第１の逃し溝の後端部
１５８第１の溶接部の後端部
１６２ストラットの先端
１６４ストラットの側面
１６６ストラットの後端
１７０外側ケーシングの半径方向内面
１７２外側ケーシングの半径方向外面
１７６第２の逃し溝の側面部
１７８第２の溶接部の側面部
１８２第２の逃し溝の先端部
１８４第２の溶接部の先端部
１８６第２の逃し溝の後端部
１８８第２の溶接部の後端部

Claims

ガスタービンエンジン（１０）ための排気フレーム（１００）であって、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備えた排気フレーム（１００）。
前記逃し溝（１３４）は前記内側ケーシング（１１０）内に定められ、前記逃し溝（１３４）の深さは前記内側ケーシング（１１０）の壁厚よりも小さい、請求項１記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４）は、前記内側ケーシング（１１０）の半径方向外面（１４０）内に定められる、請求項２記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４）は、前記内側ケーシング（１１０）の半径方向内面（１４２）内に定められる、請求項２記載の排気フレーム。
前記ストラット（１１４）は、溶接部（１２４）を介して前記内側ケーシング（１１０）に取り付けられる、請求項２記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４）は、前記溶接部（１２４）から離間している、請求項５記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４）の少なくとも一部は、前記溶接部（１２４）に隣接して配置される、請求項５記載の排気フレーム。
前記溶接部（１２４）は、前記ストラット（１１４）の外周全体の周りに広がる連続的な溶接部を備える、請求項５記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３６）は前記外側ケーシング（１１２）内に定められ、前記逃し溝（１３６）の深さは前記外側ケーシング（１１２）の壁厚よりも小さい、請求項１記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３６）は、前記外側ケーシング（１１２）の半径方向内面（１７０）内に定められる、請求項９記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３６）は、前記外側ケーシング（１１２）の半径方向外面（１７２）内に定められる、請求項９記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周全体に沿って延在する、請求項１記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周の一部だけに沿って延在する、請求項１記載の排気フレーム。
前記逃し溝（１３４、１３６）は、半円形の断面形状を備える、請求項１記載の排気フレーム。
ガスタービンエンジン（１０）の排気フレーム（１００）における応力集中を分散する方法であって、
排気フレーム（１００）を用意するステップであって、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備える前記排気フレーム（１００）を用意するステップと、
前記排気フレーム（１００）を通じて燃焼ガス流（３５）を向けるステップと
を含み、前記逃し溝（１３４、１３６）内に生じる応力は、前記ストラット（１１４）内に生じる応力よりも大きい方法。
圧縮機（１５）と、
前記圧縮機（１５）に連通する燃焼器（２５）と、
前記燃焼器（２５）に連通するタービン（４０）と、
前記タービン（４０）と連通する排気フレーム（１００）と
を備えたガスタービンエンジン（１０）であって、
前記排気フレーム（１００）は、
前記排気フレーム（１００）の長手方向軸（１１６）に沿って延びる内側ケーシング（１１０）と、
前記内側ケーシング（１１０）から半径方向外側に配置された外側ケーシング（１１２）と、
前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在するストラット（１１４）と、
前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められるとともに前記ストラット（１１４）の周りに配置された逃し溝（１３４、１３６）と
を備えるガスタービンエンジン（１０）。
前記逃し溝（１３４）は前記内側ケーシング（１１０）内に定められ、前記逃し溝（１３４）の深さは前記内側ケーシング（１１０）の壁厚よりも小さい、請求項１６記載のガスタービンエンジン。
前記逃し溝（１３６）は前記外側ケーシング（１１２）内に定められ、前記逃し溝（１３６）の深さは前記外側ケーシング（１１２）の壁厚よりも小さい、請求項１６記載のガスタービンエンジン。
前記逃し溝（１３４、１３６）は、前記ストラット（１１４）の外周全体に沿って延在する、請求項１６記載のガスタービンエンジン。
前記排気フレーム（１００）は、前記内側ケーシング（１１０）から前記外側ケーシング（１１２）まで半径方向に延在する複数のストラット（１１４）と、前記内側ケーシング（１１０）または前記外側ケーシング（１１２）内に定められた複数の逃し溝（１３４、１３６）とを備え、各逃し溝（１３４、１３６）は、前記複数のストラット（１１４）のうちの一ストラット（１１４）の外周の周りに配置される、請求項１６記載のガスタービンエンジン。