JP5491096B2 - トランジションダクト後方端部フレーム冷却及び関連方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃焼器技術に関し、また燃焼器とタービンの第１段との間で延びるトランジションピース又はダクトの後方端部フレームを冷却するための装置及び関連する方法に関する。

一般的に、トランジションダクトは、該ダクトの後方端部に取付けられるか又は一体形に形成されて、該ダクトをタービン第１段の入口に取付けるのを可能にする後方フレームを有する。後方フレームは、多くの場合、圧縮機吐出空気が該フレームを通って流れるのを可能にする制御したシール漏洩及び／又は小径冷却孔によって冷却される。例えば米国特許第６７６９２５７号、米国特許第５４１４９９９号、米国特許第５７２４８１６号及び米国特許第４６５２２８４号を参照されたい。それにも拘わらず、トランジションダクト後方端部フレーム付近には、極度な高温及び温度勾配が生じる可能性がある。

米国特許第６７６９２５７号明細書 米国特許第５４１４９９９号明細書 米国特許第５７２４８１６号明細書 米国特許第４６５２２８４号明細書

従って、これらの区域におけるより有効な冷却方法の必要性が、依然として存在する。

１つの態様では、本発明は、ガスタービン用のトランジションダクトに関し、本トランジションダクトは、前方端部及びフレーム構成要素で囲まれた後方端部を有する管状本体と、フレームの内面上壁表面、底壁表面及び側壁表面を覆う、該フレーム内の内面クロージャバンドと、その各々がそれぞれ前方及び後方端部に入口及び出口を有する、該フレーム及びクロージャバンド間の複数の冷却チャネルとを含む。

別の態様では、本発明は、ガスタービントランジションダクトの後方端部フレームに冷却空気を供給する方法に関し、本方法は、後方フレームの内面表面と後方フレーム内に設置されたクロージャバンドの外面表面との間に複数の冷却チャネルを形成するステップと、トランジションダクトの後方端縁部に後方フレーム及びクロージャバンドを取付けるステップとを含む。

次に、以下に特定する図面と関連させて、本発明をより詳細に説明する。

後方端部フレームが取付けられた従来型のタービントランジションピースの部分後方端部斜視図。 フレームを貫通して穿孔された冷却孔を示す、従来型のトランジションピース後方端部フレームの部分断面図。 本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による、図２と同様であるがトランジションピース後方端部フレームを示す部分断面図。 図３に示すトランジションピース後方端部フレームと同様であるが冷却チャネルカバーバンドを取除いたトランジションピース後方端部フレームの部分斜視図。 図３に示すトランジションピース後方端部フレームと同様であるが冷却チャネルカバーバンドを取除いたトランジションピース後方端部フレームの部分斜視図。 本発明の別の例示的な実施形態による後方端部フレームクロージャバンドの部分斜視図。

ガスタービンにおける一般的な缶−アニュラ型燃焼器構成では、タービンロータを囲む燃焼器のアレイが、該燃焼器とタービン第１段入口との間で延びる対応するトランジションダクトのアレイを介してタービン第１段に高温燃焼ガスを供給する。図１を参照すると、１つのそのようなトランジションピース又はダクト１０は、前方端部において燃焼器ライナ（図示せず）に連結される。この例示的な実施形態におけるトランジションダクトの後方端部１２は、出口１６を囲む一体形又は取付け形後方端部フレーム１４を有し、従ってタービン第１段ノズル（図示せず）への取付けを可能にする。図２は、フレーム内に穿孔した又はその他の方法で加工した複数の冷却孔２０を形成した別の公知のトランジションピース後方端部フレーム１８を示している。フレーム１８は参照符号２４の位置においてトランジションダクト２２に溶接される。一般的に後方フレーム内にシール空洞２６、２８を設けて、トランジションダクト−タービンノズル接合部におけるシールを受ける。

次に図３〜図５を参照すると、本発明の１つの例示的であるが非限定的な実施形態では、フレーム３２の内表面３０は、該フレームの前方端縁部３６から後向き又は後方端縁部又は面３８まで延びる複数の軸方向に配向した３面形開口冷却チャネル３４を形成するように加工される（フライス加工、鋳造、レーザエッチングなどによって）。

冷却チャネル３４は、後方フレームの内面上面表面、側面表面及び底面表面（その全体を内表面３０と呼ぶ）の１つ、全て又はあらゆる組合せ上に設けることができ、またそれらの表面の各々内のチャネル又はグルーブ３４の数もまた、必要に応じて変化させることができる。チャネル３４は、図４〜図５に示すような矩形を含むが、さらに半円形、楕円形、Ｖ字形なども含むあらゆる好適な断面形状のものとすることができる。加えて、あらゆる単一フレーム内の様々なチャネルの断面積は、略均一とすることができ、或いはあらゆる状態で変化させることができる。

この第１の例示的な実施形態では、３面形チャネル３４は、該チャネル３４の内壁を形成した金属ラッパ又はクロージャバンド４０（図３）によって実質的に閉じられ、従って閉鎖周辺通路４２を形成する。クロージャバンド４０は、トランジションピースを通る高温ガス流に曝されることに注目されたい。クロージャバンド４０は、フレームの後方端縁部又は面３８に係合しかつ該後方端縁部又は面３８に溶接又はその他の方法で固定された後方の外向きに延びるフランジ４４を有する（従って、クロージャバンド４０はまた、「Ｌ字形ブラケット」と見なすことができる）。孔又はアパーチャ４８は、チャネル３４と整列するようにフランジ４４内に穿孔又はその他の方法で加工され、従って通路４２のための出口５０を形成する。バンド４０の前方端部５２は、フレームの前方端縁部３６を越えて（の上流に）延びかつ参照符号５６の位置でトランジションピース５４に溶接される。フレームの傾斜端縁部５８は、通路４２への拡大入口６０を形成する。

別の例示的であるが非限定的な実施形態では、Ｌ字形ブラケットの外表面上に一体形に形成するか又はあらゆる好適な手段で該外表面に締結するかのいずれかにした一連の隆起リブによって冷却チャネルを形成し、その冷却チャネルを平滑な内面フレーム表面によって閉鎖して該チャネルの外壁を形成することができる。この構成は、図６に示しており、図６では、クロージャバンド６４の外面表面６２には、複数の略軸方向に延びるリブ６６が一体形に又は取付けによって設けられ、従って複数の３面形開口チャネル６８を形成している。チャネルの第４の又は開口面は、後方フレームの平滑な内面表面によって閉じられ、従って図３〜図５における通路４２と同様な冷却通路が形成される。上記の実施形態におけるのと同様に、アパーチャ又は孔７０は、クロージャバンドの垂直なステム又はフランジ７２内に加工して通路の出口を形成するために必要である。上記の実施形態におけるのと同様に、フレームの上面表面、底面表面及び側面表面のいずれか１つ又は全て上には、あらゆる数のリブ６６を形成することができる。

冷却通路自体の境界壁の１以上にはまた、例えばタービュレータ、フィン、ディンプル、クロスハッチ溝、シェブロン或いはそれらのあらゆる組合せのような幾つかの公知の熱伝達強化機構（図５参照）のいずれかを形成又は設けることができる。そのような強化機構の配置及び数は、様々なチャネルの間で必要に応じて変化させることができる。

冷却空気は、あらゆる多数の方法で通路４２に送給することができる。例えば、通路は、その上流端部において（即ち、それらのそれぞれの入口において）圧縮機吐出流に曝すことができ、或いは通路は、別個の入口又はマニホルドから直接供給することができる。冷却流は、クロージャバンド又はＬ字形ブラケット内のあらゆる多くの出口から高温ガス流内に流出することができる。

上記の後方端部冷却構成は、後方端部の上流のダクトの領域をインピンジメント冷却するのに使用する従来型のインピンジメント冷却スリーブと共に或いは該インピンジメント冷却スリーブがない状態で使用することができる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ トランジションピース又はダクト
１２ 後方端部
１４ 後方端部フレーム
１６ 出口
１８ トランジションピース後方端部フレーム
２０ 冷却孔
２２ トランジションダクト
２４ 溶接部
２６ シール空洞
２８ シール空洞
３０ 後方フレームの内表面
３２ 後方フレーム
３４ 冷却チャネル又はグルーブ
３６ フレームの前方端縁部
３８ フレームの後方端縁部又は面
４０ クロージャバンド
４２ 通路
４４ フランジ
４８ 孔又はアパーチャ
５０ 出口
５２ クロージャバンドの前方端部
５４ トランジションピース
５６ 溶接部
５８ フレームの傾斜端縁部
６０ 拡大入口
６２ クロージャバンドの外面表面
６４ クロージャバンド
６６ リブ
６８ ３面形開口チャネル
７０ アパーチャ又は孔
７２ 垂直ステム又はフランジ

Claims (12)

1. ガスタービン用のトランジションダクトであって、
   前方端部及び後方端部を有する管状本体と、
   前記管状本体の前記後方端部に取付けられた別個のクロージャバンドであって、フレームが前記クロージャバンドの外面を覆い、前記フレームの後方端縁部の少なくとも一部を覆う前記フランジを備える、前記クロージャバンドと、
   前記フレーム及びクロージャバンド間で前記フレームの軸方向に沿って配置され、前記フランジを通る複数の冷却チャネルと
   を含むトランジションダクト。
2. 前記複数の冷却チャネルが前記フレームの内面上壁表面、底壁表面及び側壁表面の少なくともいずれかに形成される、請求項１記載のトランジションダクト。
3. 前記複数の冷却チャネルが略矩形の断面形状を有する、請求項１または２に記載のトランジションダクト。
4. 前記複数の冷却チャネルが、タービュレータ、フィン、ディンプル、クロスハッチ溝及びシェブロンを含む群から選択された熱伝達強化装置を備えて、熱伝達を強化する、請求項１乃至３のいずれかに記載のトランジションダクト。
5. 前記複数の冷却チャネルの１以上が、前記フレームの上壁、底壁及び側壁の各々上に設けられる、請求項１乃至４のいずれかに記載のトランジションダクト。
6. 前記複数の冷却チャネルが、前記クロージャバンドの１以上の外面上壁表面、底壁表面及び側壁表面上に設けられた複数のリブによって形成され、前記複数の冷却チャネルの各々の１つの壁が、前記フレームの内面壁表面によって形成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のトランジションダクト。
7. ガスタービントランジションダクトの後方端部フレームに冷却空気を供給する方法であって、
   前記後方フレームの内面表面内に別個のクロージャバンドであって、フレームが前記クロージャバンドの外面を覆い、前記後方フレームの後方端縁部の少なくとも一部を覆うフランジを備える前記クロージャバンドを配置するステップと、
   前記後方フレームに複数の冷却チャネルを形成するステップであって、前記複数の冷却チャネルが、前記後方フレームと前記クロージャバンドの間に形成され、前記フレームの軸方向に沿って配置され、前記フランジを通る前記ステップと、
   前記トランジションダクトの後方端縁部に前記クロージャバンドの前方端部を取付けるステップと
   を含む方法。
8. 前記後方フレームの内面表面内に３面形開口グルーブを形成するステップと、
   第４の面を前記クロージャバンドで閉鎖するステップと
   を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記クロージャバンドの外面表面に複数のリブを設けて３面形チャネルを形成するステップと、
   前記チャネルの第４の面を前記後方フレームの内面表面で閉鎖するステップと
   を含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記３面形開口グルーブが、前記後方フレームの上面表面、底面表面及び側面表面上に形成される、請求項８記載の方法。
11. 前記複数の冷却チャネルに、タービュレータ、フィン、ディンプル、クロスハッチ溝及びシェブロンを含む群から選択された熱伝達強化装置を形成するステップを含む、請求項７乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記トランジションダクトの出口を囲むアレイの形態で前記複数の冷却チャネルを設けるステップを含む、請求項７乃至１１のいずれかに記載の方法。
    

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