JP3850917B2 - ガスタービンダクト構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンにおいて複数の燃焼室からタービンを駆動するためのタービンブレードへ燃焼ガスを供給するためのガスダクト構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなダクト構造体は周知であり、そのようなガスダクト構造を用いたガスタービンの一例が図１に示されている。簡単に説明すると、このガスタービンは、一連のタービンコンプレッサ段（以下、単に「コンプレッサ」とも称する）３と、コンプレッサ段３へ通じる吸気口（空気取入口）１と、タービン軸の周りに配置され、各々燃料噴射器７によって燃料を供給される４つの燃焼室５を備えている。コンプレッサ段３からの圧縮空気は、燃焼室５に主としてその後端の燃料噴射器７の周りから流入するが、冷却用空気が燃焼室５の側壁を通して流入し冷却用空気も燃焼過程に参加する。燃焼室５は、二重壁であり、燃焼過程によって生じた燃焼ガスを収容する内側室壁９と、内側室壁９から僅かな間隙を置いて設けられた外側スリーブ１１を有している。外側スリーブ１１は、多数の小孔を有しており、それらの孔を通して細い空気ジェットが衝撃冷却目的のために内側室壁９に向けて吹付けられる。
【０００３】
相当な圧力下にある燃焼ガスは、燃焼室５の出口領域１３から流出し、コンプレッサタービン１５の固定ブレード（静翼）及び回転ブレード（動翼）を通って流れ、コンプレッサタービン１５の軸と共通の軸を介してコンプレッサ３を駆動する。燃焼ガスは、コンプレッサタービン１５からパワー（発電）タービン１７へと駆動され、排気口１９を通して排出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
環状のタービンブレード構造によって構成される、コンプレッサタービン１５の固定及び回転ブレード（以下、単に「タービンブレード」又は「ブレード」とも称する）を通る通路への入口は、ガス漏れを最少限にするような態様で燃焼室５の出口に連結しなければならない。本発明は、この問題を解決することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼ガスを複数の燃焼室から環状のタービンブレード構造体に対面する環状ダクトへその円周の周りの複数の部位で供給するためのガスタービン用ガスダクト構造であって、各燃焼室は、前記環状ダクトの一部分と一体にされた該燃焼室の一部分から成る遷移ダクトセクションを有し、それらの燃焼室の遷移ダクトセクションは、クランプ部材によって互いに位置ぎめされて相互に結合され、かつ、環状のキャリア手段に固定されており、遷移ダクトセクション間の相互結合部からの作動ガスの漏れを防止するために該各クランプ部材にシールが担持されていることを特徴とするガスダクト構造を提供する。
【０００６】
前記各燃焼室は、燃焼過程によって生じた燃焼ガスを収容する内側室壁と、衝撃冷却目的のための多数の小孔を有する外側スリーブとの二重壁で構成することができる。前記環状ダクトは、内側環状ダクト壁と外側環状ダクト壁とで構成し、前記各遷移ダクトセクションは、前記内側環状ダクト壁の１セクションと一体にされた前記内側室壁の１セクションと、前記外側環状ダクト壁の１セクションと一体にされた前記外側スリーブの１セクションとで構成することができる。前記各クランプ部材には、該各クランプ部材を前記環状ダクトの隣接するセクションの内側環状ダクト壁に対して密封するシールと、該各クランプ部材を該環状ダクトの隣接するセクションの外側環状ダクト壁に対して密封するシールを担持させることができる。
【０００７】
前記環状のキャリア手段は、前記環状ダクトの開口と合致する環状の間隙を間に画定する内側キャリア部材と外側キャリア部材とで構成することができ、内側キャリア部材には、該環状ダクトと前記環状のタービンブレード構造体との間の内側結合部を密封する環状のシール手段を担持させ、外側キャリア部材には、該環状ダクトと環状のタービンブレード構造体との間の外側結合部を密封する環状のシール手段を担持させることができる。
【０００８】
このダクト構造は、更に、前記各キャリア部材に取り付けられ、前記環状ダクトを位置ぎめする内側及び外側環状プレート部材を含むものとすることができ、それらのプレート部材は、前記クランプ部材の固定手段と共通の固定手段によって前記キャリア部材に固定することができる。前記シール手段は、それぞれの対応するキャリア部材と環状プレート部材との間に締着（クランプ）することができる。
【０００９】
前記外側環状プレート部材は、前記クランプ部材の固定手段と共通の固定手段によってそれぞれ内側及び外側キャリア部材に固定される内側及び外側フランジを有するものとすることができる。
前記内側室壁に設けられた耳部材を前記外側環状ダクト壁の内側及び外側フランジとそれぞれ対応する前記環状プレート部材の内側及び外側フランジとの間に捕捉することができる。それらの耳部材は、内側室壁の、前記環状ダクトの平面に平行な方向への膨脹を許すような態様に捕捉されることが好ましい。
前記内側及び外側環状プレート部材は、それらの互いに対面する縁に前記耳部材を位置ぎめするための衝接面を呈するフランジを備えたものとすることができる。
【００１０】
各クランプ部材は、サドルの形とすることができ、サドルの各端は、前記環状プレート部材によって位置ぎめされるように対応する環状プレート部材に形成された孔を貫通して対応するキャリア部材に座着する第１表面と、該環状プレート部材に座着し、前記外側環状ダクト壁の隣接するフランジを円周方向でみて位置ぎめするための衝接縁を有する第２表面と、該外側環状ダクト壁の隣接するフランジに座着する２つの第３表面を有するものとすることができる。
各クランプ部材には、前記内側環状ダクト壁のセクション間の間隙に対面する熱シールド（遮蔽部材）を設けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明のガスダクト構造の一実施形態を例として説明する。
添付図に示された本発明が対象とするタービンには、４つの燃焼室５と、それらに接続された４つの遷移ダクトセクションが設けられている。各遷移ダクトセクションは、特に図２に示されるように、燃焼室５の出口部分２１と、タービンブレード構造体へ燃焼ガス（以下、単に「ガス」とも称する）を供給する環状ダクトの１セクション２３とで構成される。
【００１２】
遷移ダクトセクション（単に「遷移ダクト」とも称する）は、図２には燃焼室５の内側室壁９だけしか示されていないが、燃焼室５自体から延長した二重壁であり、遷移ダクトを構成する燃焼室のこの延長部分即ち出口部分２１の内側室壁９は、環状ダクトの内側環状ダクト壁（「内側環状ダクト」とも称する）２５と一体にされ、遷移ダクトを構成する燃焼室５の延長部分２１の外側スリーブ１１は、図５に示されるように環状ダクトの外側環状ダクト壁（「外側環状ダクト」とも称する）２７と一体にされている。
外側環状ダクト壁２７（即ちスリーブ１１の延長部分）は、内側フランジ２９と外側フランジ３１（図４、５及び７参照）を有しており、それらのフランジを介して遷移ダクトが後述する支持キャリアリングにボルト止めされる。遷移ダクトの内側室壁９は、図７に示されるように外側スリーブ１１のフランジに係合する耳片３３（図２及び７参照）によって支持される。（図４及び７において、「ＮＧＶ」は、タービンの入口に配置されており、動作ガスをタービンの回転子ブレードへ案内するように傾斜されたノズル案内ブレード（静翼）の略語である。
【００１３】
図３は、タービンの軸線に沿ってみた図であり、クランプ部材３５によって所定位置に固定された１つの遷移ダクトを示す。遷移ダクトのための主たる支持は、その環状ダクトの内側と外側に１つづつ設けられた２つの支持キャリアリング３７，４７によって与えられる。キャリアリング３７，４７は、図４に明示されている。内側キャリアリング３７は、プラットホーム部分３９と、プラットホーム部分３９から半径方向外方に延長した段部分４１と、プラットホーム部分３９から半径方向内方に、ガスの流れ方向でみて上流方向に延長したスカート４５を有する。遷移ダクトは、キャリアリング３７のプラットホーム部分３９にボルト止めされる。キャリアリング３７の段部分４１は、後述する環状ブラシシール組立体４３を受容する。スカート４５は、キャリアリングに相当な強度と剛性を付与する。
【００１４】
外側キャリアリング４７は、外側キャリアリングのものと同様のプラットホーム部分４９と、プラットホーム部分４９から半径方向外方に延長したスカート５１と、プラットホーム部分から半径方向内方に延長した段部分５３を有する。キャリアリング４７のプラットホーム部分４９に環状ダクトのフランジ３１がボルト止めされる。キャリアリング４７の段部分５３は、内側キャリアリングの環状ブラシシール組立体４３と補完関係をなす環状ブラシシール組立体５５を受容する。スカート５１は、キャリアリングに強度と剛性を付与する。
【００１５】
環状ダクトの外側環状ダクト壁２７のフランジ２９，３１は、それぞれ内外キャリアリングのプラットホーム３９，４９にボルト止めされるが、その固定は、内側及び外側中間クランププレート５７，５９を介してなされる。各中間クランププレート５７，５９（図４及び５参照）は、途切れのない連続した部材であるが、環状ダクトの隣接するセクション間の結合部に対応する部位に切欠部又は開口６１，６３を有している。
【００１６】
図６を参照すると、図４の組立体を作るために図５の遷移ダクトセクションに組みつけるためのクランプ部材３５が詳細に示されている。クランプ部材３５は、ほぼサドルの形をなしており、その両端に円周方向のブロック６５，６７を有している。各ブロック６５，６７は、高さの異なる３つの表面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。最も高い表面である第１表面Ａは、内側中間クランププレート５７又は外側中間クランププレート５９の対応する切欠部６１又は６３を貫通してキャリアリング３７又は４７のプラットホーム表面Ａ' に直接座着する。第２表面Ｂは、クランププレート５７又は５９のＢ' で示される部位に座着する。第３表面Ｃは、遷移ダクトのフランジ２９，３１のＣ' で示される部位に座着する。遷移ダクト組立体の構造を明瞭に示すために、図５には、２つの隣接する遷移ダクトセクションのうちの一方は示されていない。
【００１７】
以上の説明から明らかなように、ガスダクト構造の各構成部品は、互いに位置ぎめされ、錠止される。クランププレート５７，５９の円周方向の位置（角度位置）は、クランプ部材３５の表面Ａがクランププレートの切欠部６１，６３に係合することによってクランプ部材３５の位置を決定する。そして、クランプ部材３５は、それらの表面Ｃから立上った表面Ａ及びＢによって画定される肩部（図６参照）に外側環状ダクト壁２７のフランジ２９，３１が係合することによって遷移ダクトの円周方向の位置を決定する。
【００１８】
ガスダクト構造の各構成部品、フランジ２９，３１、クランププレート５７，５９、クランプ部材３５及び内外キャリアリング３７，４７に穿設されたボルト穴によって追加の位置ぎめ機構が提供される。
タービン軸の周りの各燃焼室５の円周方向の位置は始めから決定されている動かせない要素であるから、各燃焼室５の延長部と一体にされた外側環状ダクト壁２７のフランジ２９，３１がクランプ部材３５の位置を、従ってクランププレート５７，５９及び内外キャリアリング３７，４７の位置を決定する。
【００１９】
次に、本発明のガスダクト構造の密封（シール）の側面について説明する。環状ダクトを構成する隣接セクション間の結合部を密封することが必要であり、環状ダクトと環状のタービンブレード構造体との間の結合部も密封しなければならない。
【００２０】
図６を参照すると、環状ダクトを構成する隣接セクション間の結合部を密封するためのシール手段が示されている。このシール手段は、クランプ部材３５の内側表面６９及び外側表面７１にそれぞれ形成された溝内に装着された内側及び外側ブラシシールから成る。内側ブラシシールは、剛毛支持体即ちブラシホルダー８０と、内側剛毛パック即ち内側ブラシ７３とから成り、同様に、外側ブラシシールは、剛毛支持体即ちブラシホルダー８０と、外側剛毛パック即ち外側ブラシ７５とから成る。内側ブラシ７３は、２つの隣接する内側環状ダクトセクション２５（図５参照）のそれぞれの端部に係合する。外側ブラシ７５は、２つの隣接する外側環状ダクトセクション２７のそれぞれの端部に係合する。１つの環状ダクトセクションの同じ端部に係合する１対のブラシが、そのダクトセクションの内側環状ダクト壁と外側環状ダクト壁との間の空間を封止する。複数の隣接する内側ダクト壁セクションによって形成された内側環状ダクトは、円周方向に途切れなく連続しているが、内側環状ダクト壁と外側環状ダクト壁との間の空間は、隣接セクション間の結合部から結合部まで延長している。ブラシ７３，７５は、例えばワイヤブラシとすることができる。
【００２１】
内側環状ダクト壁の隣接する端部間の間隙を通してガス漏れがあると、クランプ部材３５の壁が相当に加熱されることになる。そのための防護が、ブラシホルダー８０の側壁に形成された溝又はスロット７９に着脱自在に装着された可撓性の熱防護金属ストリップ７７によって与えられる。この熱防護ストリップ即ち熱シールド７７は、波形であり、溝７９内に所定位置に保持されるように弾性を有している。熱シールド７７は、セラミック材のコーチングとすることもできる。
【００２２】
環状ダクトの内側環状ダクト壁と外側環状ダクト壁との間の空間を円周方向に連続したものとすることが必要とされる場合は、ガスがブラシシールをバイパスして流れるように、表面Ａを有するブロック６５，６７を貫通する穴を穿設することができる。
【００２３】
連続した環状ダクトを形成するために複数の遷移ダクトセクションを互いに密封状態に結合した後、その環状ダクトをタービンブレード構造体（即ち、タービン段１５（図１）への入口）に対して密封しなければならない。この目的のために、図４に示されるように、内側キャリアリング３７の段部分４１とクランププレート５７との間に環状ブラシシール組立体４３を、そして、外側キャリアリング４７の段部分５３とクランププレート５９との間に環状ブラシシール組立体５５を挟着する。各環状ブラシシール組立体４３，５５は、環状ダクトの内側環状ダクト壁２５の外周面に係合する上流側ブラシ８１と、タービン段１５へのガス通路の入口を構成しタービンブレード構造体の一部である環状ダクト８５（図７参照）の外周面に係合する下流側ブラシ８３を備えている。かくして、複数の遷移ダクトセクションの組合わせによって形成された環状ダクトと、タービンブレード構造体との間からのガス漏れは、十分に防止される。
【００２４】
叙上のように、本発明は、ガスタービンの燃焼ガスダクトを効率的で比較的簡単な態様で取り付け、錠止し、密封するための手段を提供する。
【００２５】
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を適用するのに適する代表的なガスタービンの断面図である。
【図２】図２は、燃焼室の出口が環状ダクトと一体にされている遷移ダクトセクションの透視図である。
【図３】図３は、内側及び外側環状キャリアリングに嵌着された遷移ダクトセクションの軸方向の透視図である。
【図４】図４は、図３の遷移ダクトセクションの内部を覗きみた透視図である。
【図５】図５は、遷移ダクトセクションと支持キャリアリングとの関係を示す１つの遷移ダクトセクションの詳細図であり、隣接する他方の遷移ダクトセクションと、２つの隣接する遷移ダクトセクション間の結合部に跨がるクランプ部材は除去されている。
【図６】図６は、上記クランプ部材の透視図である。
【図７】図７は、遷移ダクトセクションのキャリアリングに対する取り付け部を示す軸方向の平面でみた概略断面図である。
【符号の説明】
９：内側室壁
１１：外側スリーブ
１５：コンプレッサタービン（タービン段）
２１：燃焼室の延長部分（出口部分）
２３：環状ダクトのセクション
２５：内側環状ダクト壁
２７：外側環状ダクト壁
２９：内側フランジ
３１：外側フランジ
３３：耳片
３５：クランプ部材
３７：内側キャリア部材（キャリアリング）
４３，５５：環状ブラシシール組立体
４７：外側キャリア部材（キャリアリング）
５７，５９：クランププレート
６１，６３：切欠部又は開口
７３：内側ブラシ
７５：外側ブラシ
７７：熱シールド（熱防護ストリップ）
７９：溝又はスロット
８０：ブラシホルダー
８１：上流側ブラシ
８３：下流側ブラシ
８５：環状ダクト（タービンブレード構造体の一部）

Claims (17)

1. 燃焼ガスを複数の燃焼室から環状のタービンブレード構造体（８５）に対面する環状ダクトへその円周の周りの複数の部位で供給するためのガスタービン用ガスダクト構造であって、
   各燃焼室は、前記環状ダクトの一部分と一体にされた該燃焼室の一部分から成る遷移ダクトセクションを有し、それらの燃焼室の遷移ダクトセクションは、クランプ部材（３５）によって互いに位置ぎめされて相互に結合され、かつ、環状のキャリア手段に固定されており、該遷移ダクトセクション間の相互結合部からの作動ガスの漏れを防止するために該各クランプ部材にシール（７３，７５）が担持されていることを特徴とするガスダクト構造。
2. 前記各燃焼室は、燃焼ガスを収容する内側室壁（９）と、衝撃冷却目的のための多数の小孔を有する外側スリーブ（１１）で構成されており、前記環状ダクトは、内側環状ダクト壁（２５）と外側環状ダクト壁（２７）とで構成されており、前記各遷移ダクトセクションは、前記内側環状ダクト壁の１セクションと一体にされた前記内側室壁の１セクションと、前記外側環状ダクト壁の１セクションと一体にされた前記外側スリーブの１セクションとで構成されており、前記各クランプ部材（３５）に、該各クランプ部材を前記内側環状ダクト壁（２５）の隣接する環状ダクトセクションに対して密封するシール（７３）と、該各クランプ部材を前記外側環状ダクト壁（２７）の隣接する環状ダクトセクションに対して密封するシール（７５）が担持さている請求項１に記載のガスダクト構造。
3. 前記クランプ部材を前記内側環状ダクト壁（２５）に対して密封する前記シール（７３）は、該内側環状ダクト壁（２５）の隣接する環状ダクトセクションのそれぞれの端部に係合し、前記クランプ部材を前記外側環状ダクト壁（２７）に対して密封する前記シール（７５）は、該外側環状ダクト壁（２７）の隣接する環状ダクトセクションのそれぞれの端部に係合し、それによって、該内側環状ダクト壁（２５）の隣接する環状ダクトセクションと該外側環状ダクト壁（２７）の隣接する環状ダクトセクションの同じ端部に係合する各１対のシール（７３，７５）が、該内側環状ダクト壁（２５）と外側環状ダクト壁（２７）との間の空間を封止し、各クランプ部材の部位において該外側環状ダクト壁（２７）を内側環状ダクト壁（２５）に対して密封する請求項２に記載のガスダクト構造。
4. 前記環状のキャリア手段は、前記環状ダクトの開口と合致する環状の間隙を間に画定する内側キャリア部材（３７）と外側キャリア部材（４７）とで構成されており、該内側キャリア部材（３７）に、該環状ダクトと前記環状のタービンブレード構造体（８５）との間の内側結合部を密封するための環状のシール手段（４３）が担持され、外側キャリア部材（４７）に、該環状ダクトと環状のタービンブレード構造体（８５）との間の外側結合部を密封する環状のシール手段（８１，８３，５５）が担持されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
5. 前記環状ダクトを位置ぎめする内側環状プレート部材（５７）と外側環状プレート部材（５９）が、それぞれ対応する前記キャリア部材に取り付けられており、該環状プレート部材（５７，５９）は、前記クランプ部材の固定手段と共通の固定手段によって該キャリア部材に固定されている請求項４に記載のガスダクト構造。
6. 前記シール手段は、前記キャリア部材（３７，４７）とそれぞれ対応する前記環状プレート部材（５７，５９）との間に締着されている請求項５に記載のガスダクト構造。
7. 前記各環状シール手段は、ブラシホルダー（４３，５５）と、上流側と下流側に互いに離隔して配置され、該ブラシホルダーに取り付けられた２つのブラシ（８１，８３）とから成り、該下流側のブラシ（８３）は、前記環状のタービンブレード構造体（８５）に係合して密封を設定し、該上流側のブラシ（８１）は、前記内側環状ダクト壁（２５）に係合して密封を設定するようになされている請求項２に従属した請求項４、５及び６のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
8. 前記外側環状ダクト壁（２７）は、前記クランプ部材の固定手段と共通の固定手段によって前記内側及び外側キャリア部材（３７，４７）にそれぞれ固定された内側及び外側フランジ（２９，３１）を有している請求項２に従属した請求項５、６及び７のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
9. 前記内側室壁（９）に複数の耳部材（３３）が付設されており、それらの耳部材は、前記外側環状ダクト壁（２７）の前記内側フランジ（２９）と前記内側環状プレート部材（５７）との間、及び前記外側フランジ（３１）と前記外側環状プレート部材（５９）との間に捕捉されている請求項８に記載のガスダクト構造。
10. 前記耳部材（３３）は、前記内側室壁の、前記環状ダクトの前記環状のタービンブレード構造体に当接する平面に対して平行な方向への膨脹を許すような態様で捕捉されている請求項９に記載のガスダクト構造。
11. 前記内側環状プレート部材（５７）と外側環状プレート部材（５９）は、それらの互いに対面する縁に沿って、前記耳部材（３３）を位置ぎめするための衝接表面を提供するフランジを有している請求項９又は１０に記載のガスダクト構造。
12. 前記各クランプ部材は、サドルの形とされており、該サドルの両端は、対応する前記環状プレート部材（５７又は５９）によって位置ぎめされるように該環状プレート部材に形成された開口（６１又は６３）を貫通して対応する前記キャリア部材（３７又は４７）に座着する第１表面（Ａ）と、対応する前記環状プレート部材（５７又は５９）に座着するようになされており、前記外側環状ダクト壁（２７）の前記互いに隣接するフランジ（２９，３１）を円周方向に位置ぎめするための衝接縁を備えた第２表面（Ｂ）と、該外側環状ダクト壁（２７）の該互いに隣接するフランジ（２９，３１）に座着する２つの第３表面（Ｃ）を有している請求項８〜１１のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
13. 前記シールは、ワイヤブラシシールである請求項１〜１２のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
14. 前記各環状シール手段は、ワイヤブラシシールである請求項４〜１２のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
15. 前記各クランプ部材は、前記内側環状ダクト壁の隣接するセクション間の間隙に対面する熱シールド（７７）を有している請求項８〜１４のいずれか１つに記載のガスダクト構造。
16. 前記熱シールドは、２つのスロット（７９）内に着脱自在に保持された金属ストリップである請求項１５に記載のガスダクト構造。
17. 前記熱シールドは、セラミック材のコーチングである請求項１５に記載のガスダクト構造。

Images