JP4230996B2 - 遷移ダクト用の熱フリー後部フレーム - Google Patents

Description

本発明は、発電のために発電設備で使用されるガス・タービン・エンジンの燃焼器部分に関する。より詳細には、本発明は、カニュラー型燃焼器（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）からタービンの入口に高温燃焼ガスを移送する構造に関する。

典型的なカニュラー型ガス・タービン・エンジンでは、複数の燃焼器が、エンジンの周囲で環状の列に配置されている。燃焼器は、エンジンの圧縮機から圧縮空気を受け取り、燃料を加えて燃料／空気混合体を生成し、この混合体を燃焼させて高温ガスを発生する。燃焼器を出た高温ガスを利用してタービンを回転させ、このタービンが、発電用の発電機を駆動するシャフトに連結している。

高温ガスは、遷移ダクトによって各燃焼器からタービンに移送される。タービン入口に対する燃焼器の位置の故に、遷移ダクトは、燃焼器出口での概ね円筒形から、タービン入口での概ね矩形へと断面形状が変化していなければならない。さらに、燃焼器がタービンの半径方向外側に固定式に取り付けられているため、遷移ダクトは、半径方向に位置が変化している。

遷移ダクトで見られる複雑な幾何形状変化、固定式の取付け手段、および高い動作温度が組み合わさって厳しい動作環境を生み出し、これは早期の劣化をもたらす可能性があり、遷移ダクトの修理および交換が必要となる。燃焼器ガスによる高温に耐えるために、遷移ダクトは通常、内部冷却チャネルまたは衝突冷却を用いて通常は空気によって冷却される。タービン入口に固定式に取り付けられて高温環境で動作する、ある種の幾何形状を有する内部空気冷却式の遷移ダクトでは、激しい割れが生じる。この割れは、様々な要因に起因している可能性がある。とりわけ、急激な幾何形状変化があり且つ固定式の取付け具が位置付けられる遷移ダクトの後端部の周りの領域には、高い定常応力が存在する。遷移ダクト後端部に位置付けられるそのような固定式の取付け具は、遷移ダクトの温度伸長による相応の運動を許容しない。さらに、冷却穴が遷移ダクトの内部冷却チャネルと交差する鋭いコーナーに起因している可能性のある応力集中が判明している。高い応力状態をさらに複雑にしているのは、遷移ダクトのそれぞれの部分の間の大きな温度差である。

本発明は、固定式の取付け手段に起因する高い定常応力に特に対処することによって、従来技術で説明した不足を克服することを狙いとしており、以下、添付図面を特に参照して説明する。

図１を参照すると、従来技術の遷移ダクト１０が斜視図で示されている。遷移ダクトは、概して円筒形の入口スリーブ１１と、概して矩形の出口フレーム１２とを含む。概して矩形の出口形状は、一対の半径方向ラインによって接続された、直径の異なる一対の同心円弧によって画定されている。カニュラー型燃焼器（図示せず）が入口スリーブ１１のところで遷移ダクト１０に係合する。高温燃焼ガスが遷移ダクト１０を通過し、出口フレーム１２を通過し、タービン（図示せず）内に入る。遷移ダクト１０は、入口スリーブ１１の外面に固定された前部取付け手段１３によってエンジンに取り付けられ、出口フレーム１２に固定された後部取付け手段１４によってタービンに取り付けられる。パネル・アセンブリ１５が、入口スリーブ１１を出口フレーム１２に接続し、また遷移ダクト１０のための幾何形状の変化を提供している。

本発明は図２〜図７に詳細に図示されており、温度変化により自由に膨張することができる遷移ダクトの後部フレーム領域を提供することによって動作中の応力を低減し、従来技術の不足を克服することを狙いとしている。遷移ダクト２０は、内径および外径を有する概して円筒形の入口スリーブ２１を含む。入口スリーブ２１に、第１のパネル２３および第２のパネル２４を有するパネル・アセンブリ２２が固定され、各パネルが単一の金属シートから形成されている。パネル・アセンブリ２２は、第１のパネル２３が溶接などの手段によって複数の軸線方向シーム２５に沿って第２のパネル２４に固定されたときに形成される。組み立てられると、パネル・アセンブリ２２は、図５に示されるように、内壁２２ａ、外壁２２ｂ、およびそれらの間で第１の厚さＴ１を有するダクトを形成する。再び図２を参照すると、パネル・アセンブリ２２はさらに、概して円筒形の入口端部と、概して矩形の出口端部とを含み、出口端部は、中心の周りで同心円状で直径の異なる一対の弧によって画定されており、これらの弧は、中心から延びる一対の半径方向ラインによって接続されている。図３に示されるように、パネル・アセンブリ２２の矩形出口端部に、対向する側壁２７を有する概して矩形の後部フレーム２６が固定され、側壁２７は、パネル・アセンブリ２２の矩形出口端部の弧に対して概ね垂直である。対向する側壁２７はそれぞれ、側壁２７から外方向に延びる複数の半径方向伸長リブ２８を有する。

出口端部の弧に近接して、後部フレーム２６から複数の保持ラグ３９および４０が延びている。図４に示されるように、保持ラグ３９および４０はそれぞれ第２の厚さＴ２を有し、第１の円周方向長さＬ１および第１の半径方向幅Ｗ１を有するスロットを含む。最も外側の保持ラグ３９は、概ね矩形の端部を画定する弧の端部に近接して位置されており、それぞれの最外保持ラグが、第１の半径方向幅Ｗ１よりも大きい第１の円周方向長さＬ１を含むスロットを有している。

保持ラグ３９および４０を通して、後部フレーム２６に内側および外側隔壁アセンブリ３０および３１が固定される。内側隔壁アセンブリ３０および外側隔壁アセンブリ３１は、温度勾配の下での膨張を許容する態様で保持ラグ３９および４０を捕捉している。内側および外側隔壁アセンブリ３０および３１は、構造的な構成要素および機能が同一であり、物理的な位置のみが異なる。分かりやすくするために、外側隔壁アセンブリ３１をさらに詳細に説明する。例えば各隔壁アセンブリが第１および第２の隔壁を含み、各隔壁が、それぞれ複数の第１および第２の穴を有する。図３を参照すると、外側隔壁アセンブリ３１が、第１の穴を有する第１の外側隔壁３２と、第２の穴を有する第２の外側隔壁３３とを含む。さらに、各隔壁アセンブリが複数のブシュ３４を含み、図４に示されるように、各ブシュが、第２の軸線方向長さＡ２、第２の円周方向長さＬ２、第２の半径方向幅Ｗ２、および第３の通り穴を有する。

ブシュ３４は、後部フレーム２６の外側保持ラグ３９の各スロットの内部に位置付けられ、好ましくはスロット内に圧入される。ブシュ３４は、各外側保持ラグ３９のスロットの第１の円周方向長さＬ１がブシュ３４の第２の円周方向長さＬ２よりも大きくなるような寸法とされ、それによって内部に受け入れられたブシュに対する各外側保持ラグ３９の動きを可能にし、したがって後部フレーム２６の相対円周方向運動を可能にしている。温度伸長による相対軸線方向運動に対処するため、図５に示されるように、ブシュ３４は、外側保持ラグ３９の第２の厚さＴ２よりも大きい第２の軸線方向長さＡ２を有する。組み合わせ部品間の振動および運動のため、ブシュ３４は、「Ｈａｙｎｅｓ２５」などの硬化材料から製造されることが好ましい。

次に図３を参照すると、内側隔壁アセンブリ３０および外側隔壁アセンブリ３１がそれぞれ、個々の隔壁およびブシュを後部フレーム２６に固定するための手段をさらに含む。典型的な遷移ダクト設備では、これは、それぞれボルトおよびナット構成３５および３６によって達成される。例えばボルト３５が、第１の外側隔壁３２の第１の穴、保持ラグ３９および４０（最外保持ラグ３９は、その内部に圧入されたブシュを有する）、第２の外側隔壁３３の第２の穴、ワッシャ３７、およびロック・タブ３８を通って、ナット３６と係合する。非常に激しい振動の問題のため、ロック・タブ３８を採用してナット３６に非回転機構を提供し、動作中に係合が外れるのを防止する。それぞれ内側および外側隔壁アセンブリ３０および３１が完全に組み立てられたとき、ブシュ３４のより大きな第２の軸線方向長さＡ２と、外側保持ラグ３９および４０の第２の厚さＴ２とにより、第１の隔壁、第２の隔壁、またはその両方が、保持ラグ３９および４０に対して離隔された関係でわずかにオフセットされ、それによって保持ラグおよび後部フレーム領域全体の相対運動が可能になる。前述した円周方向運動と組み合わされたこの相対軸線方向運動（それぞれ、保持ラグ、スロット、およびブシュの寸法によるものである）が結合して、従来技術の固定式の取付け機構に比べて、遷移ダクト後部フレーム領域での高応力領域を小さくする。

本発明の追加の特徴は、図６に示されるように、後部フレーム２６の対向する側壁２７に沿って半径方向に延びる複数のリブ２８である。各側壁２７が、複数の半径方向伸長リブ２８ａおよび２８ｂを含み、このリブは、側壁２７に沿って軸線方向に離隔されている。したがって図６に示されるように、遷移ダクト２０がガス・タービン・エンジン内に設置されたときに、後部フレーム２６のリブ２８ａが、隣接する遷移ダクト２０のフレーム２６’のリブ２８ｂと連結する。図７に、エンジン動作中に配置される遷移ダクト２０が示されている。係合している遷移ダクトの金属温度が上昇すると、熱フリー後部フレーム（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｆｒｅｅ ａｆｔ ｆｒａｍｅ）であるために後部フレームが円周方向に膨張を許容され、このギャップが縮小してタービン内への圧縮機空気漏れの量を制限し、それによって隣接する遷移ダクト間の密封機構を形成する。隣接する遷移ダクト端部フレーム２６、２６’は、漏れを防止するために互いに接触はしないが、複数のリブ、典型的には端部フレーム毎に少なくとも４つのリブを使用することにより圧縮機空気漏れの量が大幅に低減する。圧縮機空気漏れを低減するための手段としてリブ２８ａ、２８ｂを利用することにより、追加の密封ハードウェアが必要なくなり、それにより交換費および修理費が低減する。

本発明を現在好ましい実施例として知られているもので説明してきたが、本発明が開示した実施例に限定されず、逆に、特許請求の範囲の範囲内での様々な修正および等価の構成を網羅することが意図されていることを理解されたい。

固定式の取付けシステムを有する従来技術の遷移ダクトの斜視図である。 本発明を組み込んだ遷移ダクトの斜視図である。 本発明の詳細な斜視図である。 本発明の一部の詳細な斜視図である。 本発明の一部の断面図である。 設置された状態で隣接している遷移ダクトの上面図である。 動作時の隣接する遷移ダクトの上面図である。

Claims (14)

1. ガス・タービン・エンジン用の遷移ダクト（２０）において、
   単一の金属シートから形成される第１のパネル（２３）と単一の金属シートから形成される第２のパネル（２４）とを有するパネル・アセンブリ（２２）であって、前記第１のパネル（２３）が、溶接などの手段によって複数の軸線方向シーム（２５）に沿って前記第２のパネル（２４）に固定され、それによって内壁（２２ａ）、外壁（２２ｂ）、および該内壁と外壁（２２ａ、２２ｂ）との間の第１の厚さを有するダクトと、概ね円筒形の入口端部と、概ね矩形の出口端部とを形成しており、また前記概ね矩形の出口端部が、所定の中心の周りで同心の直径の異なる一対の弧であって、前記中心から延びる一対の半径方向ラインによって接続された弧によって画成されているパネル・アセンブリ（２２）と、
   内径および外径を有する概ね円筒形の入口スリーブ（２１）であって、前記パネル・アセンブリ（２２）の前記入口端部に固定される入口スリーブ（２１）と、
   対向する側壁（２７）を有する概ね矩形の後部フレーム（２６）であって、前記パネル・アセンブリ（２２）の前記出口端部に固定され、前記側壁（２７）に沿って外方向に延びる複数の半径方向伸長リブ（２８）を有し、前記各側壁（２７）が、前記概ね矩形の端部の前記弧に対して概ね垂直である後部フレーム（２６）と、
   前記概ね矩形の出口端部の前記弧に近接して前記後部フレーム（２６）に位置付けられた複数の保持ラグ（３９、４０）であって、該各保持ラグ（３９、４０）が、第２の厚さを有し、且つ第１の円周方向長さ（Ｌ１）および第１の半径方向幅（Ｗ１）を有するスロットを含んでおり、最も外側の保持ラグ（３９）が、前記概ね矩形の出口端部を画成している前記弧の端部に近接して位置付けられている複数の保持ラグ（３９、４０）と、
   内側および外側隔壁アセンブリ（３０、３１）であって、
   複数の第１の通り穴を有する第１の内側および第１の外側隔壁、
   複数の第２の通り穴を有する第２の内側および第２の外側隔壁、
   それぞれが第２の軸線方向長さ（Ａ２）、第２の円周方向長さ（Ｌ２）、第２の半径方向幅（Ｗ２）、および第３の通り穴を有する複数のブシュ（３４）、および
   前記後部フレーム（２６）の前記保持ラグ（３９、４０）に前記隔壁およびブシュを固定するための手段であって、それによって前記ブシュの１つが前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記スロットのそれぞれの内部に位置付けられ、前記隔壁アセンブリ（３０、３１）のそれぞれのための前記固定手段が、前記第１および第２の隔壁の前記第１および第２の通り穴、並びに前記保持ラグ（３９、４０）の前記スロットを通過する固定手段
   を含む内側および外側隔壁アセンブリ（３０、３１）と
   を有するガス・タービン・エンジン用の遷移ダクト（２０）。
2. 前記各ブシュ（３４）の前記第２の軸線方向長さ（Ａ２）が、前記各保持ラグ（３９、４０）の前記第２の厚さよりも大きい請求項１に記載の遷移ダクト。
3. 前記各ブシュ（３４）が、前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記各スロット内に圧入されている請求項１に記載の遷移ダクト。
4. 前記各ブシュ（３４）が、Ｈａｙｎｅｓ２５（登録商標）材料から製造されている請求項１に記載の遷移ダクト。
5. 前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記スロットが、第１の半径方向幅（Ｗ１）よりも大きい第１の円周方向長さ（Ｌ１）を有している請求項１に記載の遷移ダクト。
6. 前記外側の保持ラグ（３９）のそれぞれの前記スロットの前記第１の円周方向長さ（Ｌ１）が、その内部に受け入れられる前記ブシュの前記第２の円周方向長さ（Ｌ２）よりも大きく、それによって内部に受け入れられる前記ブシュ（３４）に対して、前記最も外側の保持ラグ（３９）のそれぞれの相対的な円周方向運動が可能になっている請求項１に記載の遷移ダクト。
7. 前記後部フレーム側壁（２７）に沿った前記半径方向伸長リブ（２８）が軸線方向にオフセットされており、それによって隣接する同一の遷移ダクト端部フレームの半径方向伸長リブ（２８）と噛み合うことを可能とされ、高温燃焼ガスの漏れを防止する密封構成を形成する請求項１に記載の遷移ダクト。
8. 前記密封構成が、前記隣接する側壁（２７）に沿って少なくとも４つの噛合リブ（２８ａ、２８ｂ）を有している請求項７に記載の半径方向伸長リブ（２８）。
9. ガス・タービン・エンジン用の遷移ダクト（２０）において、
   単一の金属シートから形成される第１のパネル（２３）と単一の金属シートから形成される第２のパネル（２４）とを有するパネル・アセンブリ（２２）であって、前記第１のパネル（２３）が、溶接などの手段によって複数の軸線方向シーム（２５）に沿って前記第２のパネル（２４）に固定され、それによって内壁（２２ａ）、外壁（２２ｂ）、および該内壁と外壁（２２ａ、２２ｂ）との間の第１の厚さを有するダクトと、概ね円筒形の入口端部と、概ね矩形の出口端部とを形成しており、また前記概ね矩形の出口端部が、所定の中心の周りで同心であり且つ異なる直径を有している一対の弧であって、前記中心から延びる一対の半径方向ラインによって接続された一対の弧によって画成されているパネル・アセンブリ（２２）と、
   内径および外径を有する概ね円筒形の入口スリーブ（２１）であって、前記パネル・アセンブリ（２２）の前記入口端部に固定される入口スリーブ（２１）と、
   対向する側壁（２７）を有する概ね矩形の後部フレーム（２６）であって、前記パネル・アセンブリ（２２）の前記出口端部に固定される後部フレーム（２６）と、
   前記概ね矩形の出口端部の前記弧に近接して前記後部フレーム（２６）に位置付けられた複数の保持ラグ（３９、４０）であって、該各保持ラグ（３９、４０）が、第２の厚さを有し、且つ第１の円周方向長さ（Ｌ１）および第１の半径方向幅（Ｗ１）を有するスロットを含んでおり、最も外側の保持ラグ（３９）が、前記概ね矩形の出口端部を画成している前記弧の端部に近接して位置付けられている複数の保持ラグ（３９、４０）と、
   内側および外側隔壁アセンブリ（３０、３１）であって、
   複数の第１の通り穴を有する第１の内側および第１の外側隔壁、
   複数の第２の通り穴を有する第２の内側および第２の外側隔壁、
   それぞれが第２の軸線方向長さ、第２の円周方向長さ（Ｌ２）、第２の半径方向幅（Ｗ２）、および第３の通り穴を有する複数のブシュ（３４）、および
   前記後部フレーム（２６）の前記保持ラグ（３９、４０）に前記隔壁およびブシュ（３４）を固定するための手段であって、それによって前記ブシュ（３４）の１つが前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記スロットのそれぞれの内部に位置付けられ、前記隔壁アセンブリ（３０、３１）のそれぞれのための前記固定手段が、前記第１および第２の隔壁の前記第１および第２の通り穴、並びに前記保持ラグ（３９、４０）の前記スロットを通過する固定手段
   を含む内側および外側隔壁アセンブリ（３０、３１）と
   を有するガス・タービン・エンジン用の遷移ダクト（２０）。
10. 前記各ブシュ（３４）の前記第２の軸線方向長さ（Ａ２）が、前記各保持ラグ（３９、４０）の前記第２の厚さよりも大きい請求項９に記載の遷移ダクト。
11. 前記各ブシュ（３４）が、前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記各スロット内に圧入されている請求項９に記載の遷移ダクト。
12. 前記各ブシュ（３４）が、Ｈａｙｎｅｓ２５（登録商標）材料から製造されている請求項９に記載の遷移ダクト。
13. 前記最も外側の保持ラグ（３９）の前記スロットが、第１の半径方向幅（Ｗ１）よりも大きい第１の円周方向長さ（Ｌ１）を有している請求項９に記載の遷移ダクト。
14. 前記外側の保持ラグ（３９）のそれぞれの前記スロットの前記第１の円周方向長さ（Ｌ１）が、その内部に受け入れられる前記ブシュの前記第２の円周方向長さ（Ｌ２）よりも大きく、それによって内部に受け入れられる前記ブシュ（３４）に対して、前記最も外側の保持ラグ（３９）のそれぞれの相対的な円周方向運動が可能になっている請求項９に記載の遷移ダクト。

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