JP5674308B2

JP5674308B2 - トランジションピースの冷却方法及び装置

Info

Publication number: JP5674308B2
Application number: JP2009296993A
Authority: JP
Inventors: マヘシュ・バシナ; ラマナンド・シンハ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: CN101799029A; JP2010159744A; CN101799029B; DE102009059330A1; US20100172746A1; DE102009059330B4; US8096752B2

Description

本願発明は、圧縮機吐出ケーシング内の流れに対する空気力学的改善に関する。より具体的には、本願発明は、燃焼器のトランジションピースの冷却に関する。

多くのガスタービンシステムでは、高温ガス通路の過酷な条件に曝される部品について、比較的高い頻度での検査、整備及び部品交換が行なわれる。この通路には、ノズル、ライナ及びトランジションピースのような燃焼器及び燃焼器下流の部品が含まれる。トランジションピースは、圧縮機吐出缶を通して高温燃焼空気流を燃焼チャンバからタービンに移動させるダクト部品である。低温圧縮機吐出空気は圧縮機吐出缶に流入しかつ自然にトランジションピースにわたって流れ、それによって圧縮機から燃焼器への途中でトランジションピースを冷却する。トランジションピースを十分に冷却することは、トランジションピースの寿命を延長させることによって、検査、整備及び部品交換のコストを低減する。

米国特許第５７２４８１６号明細書

従って、当技術分野では、トランジションピースの冷却を改善することは、大いに歓迎されることになる。

本発明の１つの態様によると、圧縮機吐出缶は、トランジションピースと、トランジションピースの周りに設置されてトランジションピースとの間に空気流スペースを形成した流れ再配向装置とを含み、流れ再配向装置は、空気流スペース内における流れの再循環を減少させるように構成される。

本発明の別の態様によると、トランジションピースと、トランジションピースの周りに設置された流れ再配向装置とを含み、空気流スペースが、流れ再配向装置とトランジションピースとの間に設置され、流れ再配向装置は、空気流スペース内における流れの再循環を減少させるように構成される。

本発明のさらに別の態様によると、トランジションピースを冷却する方法は、流れ再配向装置により、トランジションピースの表面にわたって流れる流体の速度を増加させるステップと、流れ再配向装置により、トランジションピースの表面にわたる流体の流れの再循環を減少させるステップとを含む。

本願発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、
添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

本発明の実施形態による圧縮機吐出缶の切欠き斜視図。圧縮機吐出ケーシングを含む、複数の図１の圧縮機吐出缶の斜視図。本発明の別の実施形態による圧縮機吐出缶の切欠き斜視図。本発明のさらに別の実施形態による圧縮機吐出缶の切欠き斜視図。本発明のさらに別の実施形態による圧縮機吐出缶の切欠き斜視図。

本明細書では、開示した装置及び方法の以下に記載した実施形態の詳細な説明は、例示として提示するものであって、図に関するような限定として提示するものではない。

図１は、本発明の１つの実施形態による圧縮機吐出缶１００の切欠き斜視図を示している。典型的なガスタービンは、図２に示すように、完全な環状圧縮機吐出ケーシングを構成した複数のそれら圧縮機吐出缶１００を有する。圧縮機吐出缶１００は、空気流入口１２０を通して圧縮機吐出空気流１１０を受ける。空気流１１０は、自然に圧縮機吐出缶１００全体にわたって分散する。空気流１１０は、燃焼器（図示せず）への途中において空気流出口１３０を通して圧縮機吐出缶１００から流出する。燃焼器は、空気流１１０を燃焼させ、かつ高温燃焼空気流１４０をトランジションピース１５０内に放出する。トランジションピース１５０は、圧縮機吐出缶１００内に設置され、かつ圧縮機吐出缶１００を通して高温燃焼空気流１４０をタービン（図示せず）に送るように構成される。燃焼空気流１４０は、内側からトランジションピース１５０の壁を加熱し、一方、より低温の圧縮機吐空気流１１０は、外側からトランジションピース１５０を冷却する。流れ再配向装置１７０が、圧縮機吐出缶１００内において空気流１１０を再配向するように構成される。流れ再配向装置１７０は、流れ再配向装置１７０が存在しない場合にトランジションピース１５０の外側壁の表面１８０にわたる空気流１１０の速度がなるであろうものに比較して、表面１８０にわたる空気流１１０の速度を増加させる。表面１８０にわたる空気流１１０の速度の増加は、表面と空気流１１０との間の熱伝達を高めることによって表面１８０上の温度を低下させる。

さらに、流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の表面１８０にわたる空気流１１０の再循環を減少させるように構成される。別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、その周りに流れ再配向装置１７０が設置された表面１８０にわたる平均流れ速度を増加させるように構成される。流れ再配向装置１７０はさらに、トランジションピース１５０に面した表面と、トランジションピース１５０から離れる方向に面した対蹠表面とを含む。流れ再配向装置１７０は、再循環ゾーン１９０を表面１８０に隣接した位置から流れ再配向装置１７０の対蹠表面に隣接した位置に移動させるように構成される。この位置では、再循環ゾーン１９０がトランジションピース１５０と接触した状態にならないので、再循環ゾーン１９０は、トランジションピース１５０と空気流１１０との間での熱伝達を減少させないようにすることができる。別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の外側壁にわたる空気流１１０の流れ速度勾配を減少させるように構成される。

１つの実施形態では、流れ再配向装置１７０は、表面１８０の周りに設置される。空気流スペース１９１が、流れ再配向装置１７０とトランジションピース１５０との間で表面１８０に隣接して設置される。１つの実施形態では、流れ再配向装置１７０とトランジションピース１５０との間におけるオフセット寸法は、ほぼ一定である。それに代えて、オフセット寸法は、変化させることができる。流れ再配向装置１７０は、図２に示すように、タービンの軸線１９９に関してトランジションピース１５０の半径方向外側に設置された状態で図示している。しかしながら、流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の周りであらゆる位置に設置することができ、またトランジションピース１５０の周りで最大３６０°にわたって延びることができる。１つの実施形態では、空気流スペース１９１内における平均流れ速度は、トランジションピース１５０の空気流スペース１９１に正反対に対向して設置された対蹠表面２０５にわたる平均流れ速度よりも大きくすることができる。

流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の外側壁の周りの輪郭に沿った形状を有するものとして示している。この実施形態では、流れ再配向装置１７０は、その周りに流れ再配向装置１７０が設置されたトランジションピース１５０とほぼ同じ形状を有することができる。さらに別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、それを通して幾らかの流れが自然に流入することができる少なくとも１つの開口２０６を含む。

１つの実施形態では、流れ再配向装置１７０は、圧縮機吐出缶１００に取付け可能である。この実施形態では、流れ再配向装置１７０は、圧縮機吐出缶１００のタービン側部缶壁２２０に取付け可能である。流れ再配向装置１７０は、溶接する、ネジ止めする、接着取付けする、又はあらゆるその他の取付け手段によって取付けることができる。さらに、圧縮機吐出缶１００は、圧縮機吐出缶１００の製造の間に圧縮機吐出缶１００の内側壁に取付けた流れ再配向装置１７０を意図的に含むようにすることができる。別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、圧縮機吐出缶１００の１つよりも多い壁に対して取付けられる。

図３に示す別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、圧縮機吐出缶１００に取付けるのではなくて、トランジションピース１５０の外側壁に取付け可能である。この実施形態では、流れ再配向装置１７０は、空気流がトランジションピース１５０の外側表面に到達するのを可能にするあらゆるその他の手段によってトランジションピース１５０に取付けられる。例えば、トランジションピース１５０及び流れ再配向装置１７０の外側壁に対して、１つ又はそれ以上のスタンチョン（支柱）１９２を連結することができる。１つ又はそれ以上のスタンチョン１９２は、トランジションピース１５０から離して流れ再配向装置１７０を保持し、かつさらに空気流がトランジションピース１５０の外側表面に到達するのを可能にする。別の実施形態では、トランジションピース１５０は、トランジションピース１５０の製造の間に取付けた流れ再配向装置１７０を意図的に含むようにすることができる。

図４に示すさらに別の実施形態では、流れ再配向装置１７０は、空気流出口１３０のスリーブ１９５に取付け可能である。流れ再配向装置１７０は、スリーブ１９５に対して、ここでも同様に溶接する、ネジ止めする、接着取付けする、又はあらゆるその他の取付け手段によって取付けることができる。それに代えて、流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の周りにおけるスリーブ１９５の部分延長部とすることができる。

また図４に示す別の実施形態では、トランジションピース１５０と流れ再配向装置１７０との間に、インピンジメントスリ−ブ２００が設置される。インピンジメントスリ−ブ２００は、複数の孔２０１を有する。インピンジメントスリ−ブ２００は、トランジションピース１５０を囲み、かつトランジションピース１５０をインピンジメント冷却するのを助ける。この実施形態では、流れ再配向装置１７０は、インピンジメントスリ−ブ２００の表面２０２にわたる空気流の速度を増加させる。この速度の増加は、インピンジメントスリ−ブ２００を備えていない実施形態においてトランジションピース１５０の表面１８０にわたる速度が流れ再配向装置１７０によって増大するのと同様な方法で行なわれる。流れ再配向装置１７０はまた、トランジションピース１５０のインピンジメントスリ−ブ２００に取付け可能である。

また、本発明の実施形態では、図５に示すように、圧縮機吐出缶１００において流れを配向する複数の流れ再配向装置１７０を含むことを意図している。この実施形態における流れ再配向装置１７０は、トランジションピース１５０の軸線に対して傾斜（０°〜１８０°で）した２つの金属薄板片であるとして示しているが、別の数の金属薄板とすることも任意選択的である。それに代えて、流れ再配向装置１７０は、湾曲輪郭を備えた半環状スクープ形状を有することができる。さらに、図示するように、流れ再配向装置１７０の各々は、トランジションピース１５０に取付けられるが、別の実施形態では、複数の流れ再配向装置１７０の少なくとも１つはまた、インピンジメントスリ−ブ２００に取付けることができる。

１つの実施形態では、流れ再配向装置１７０は、炭素鋼又はステンレス鋼のようなフェラス（鉄を含む）金属並びにアルミニウム、チタン及びマグネシウムのような非鉄金属の両方を含む金属材料で作られる。それに代えて、流れ再配向装置１７０は、圧縮機吐出缶１００内において空気流を有効に再配向するように構成可能な非金属材料或いはあらゆるその他の材料とする。

元に戻って図１を参照すると、圧縮機吐出缶１００はさらに、燃焼器側部缶壁２１０及びタービン側部缶壁２２０と、外側缶壁２３０及び内側缶壁２４０とを含む。燃焼器側部缶壁２１０は、出口開口部２５０を有する。出口開口部２５０は、出口１３０を介して空気流が圧縮機吐出缶１００から逸出することを可能にするためにのみ形成される。タービンの燃焼器部分（図示せず）は、燃焼器側部缶壁２１０に近接して設置される。タービン側部缶壁２２０は、トランジションピース開口部２６０を有する。トランジションピース開口部２６０は、タービン側部缶壁２２０に対してシールされて、空気流がそれらトランジションピース開口部２６０とタービン側部缶壁２２０との間から逸出することができなくなる。タービン側部缶壁２２０は、燃焼器部分（図示せず）に近接して設置される。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１００圧縮機吐出缶
１０５圧縮機吐出ケーシング
１１０空気流
１２０空気流入口
１３０空気流出口
１４０燃焼空気流
１５０トランジションピース
１７０流れ再配向装置
１８０表面
１９０再循環ゾーン
１９１空気流スペース
１９２スタンチョン
１９５スリーブ
１９９タービンの軸線
２００インピンジメントスリ−ブ
２０１孔
２０２インピンジメントスリ−ブの表面
２０５対蹠表面
２０６開口
２１０燃焼器側部缶壁
２２０タービン側部缶壁
２３０外側缶壁
２４０内側缶壁
２５０出口開口部
２６０トランジションピース開口部
２７０圧縮機吐出ケーシング
２８０側壁

Claims

トランジションピース（１５０）と、
トランジションピース（１５０）の周りに設置されて、トランジションピース（１５０）との間に空気流スペース（１９１）を形成した流れ再配向装置（１０５）と
を備える圧縮機吐出缶（１００）であって、流れ再配向装置（１０５）が、空気流スペース（１９１）内における流れの再循環を減少させるように構成され、
インピンジメントスリーブ（２００）が、トランジションピース（１５０）と流れ再配向装置（１０５）との間に設置された
ことを特徴とする、圧縮機吐出缶（１００）。
流れ再配向装置（１０５）が、インピンジメントスリーブ（２００）に取付けられる、請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
オフセット寸法が、トランジションピース（１５０）と流れ再配向装置（１０５）の近位表面（１８０）との間に一定して存在する、請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
流れ再配向装置（１０５）が、燃焼器の軸線（１９９）に関してトランジションピース（１５０）に対して半径方向外側に設置される、請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
流れ再配向装置（１０５）が、空気流スペース（１９１）内における流れ速度を増加させるように構成される、請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
空気流スペース（１９１）内における流れが、トランジションピース（１５０）の表面（１８０）にわたって流れ、
表面（１８０）にわたる平均流れ速度が、トランジションピース（１５０）の対蹠表面（２０５）にわたる平均流れ速度よりも大きい、
請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
流れ再配向装置（１０５）が、トランジションピース（１５０）の高温ゾーン（１９０）の周りに配置される、請求項１記載の圧縮機吐出缶（１００）。
トランジションピース（１５０）と、
トランジションピース（１５０）の周りに設置された流れ再配向装置（１０５）と、
を含み、
空気流スペース（１９１）が、流れ再配向装置（１０５）とトランジションピース（１５０）との間に設置され、
流れ再配向装置（１０５）が、空気流スペース（１９１）内における流れ速度を増加させるように構成され、
インピンジメントスリーブ（２００）が、トランジションピース（１５０）と流れ再配向装置（１０５）との間に設置された
ことを特徴とする、圧縮機吐出缶（１００）。
トランジションピース（１５０）を冷却する方法であって、
トランジションピース（１５０）の周りに設置されトランジションピース（１５０）との間に空気流スペース（１９１）を形成する流れ再配向装置（１０５）により、トランジションピース（１５０）の表面（１８０）にわたって流れる流体の速度を増加させるステップと、
流れ再配向装置（１０５）により、トランジションピース（１５０）の表面（１８０）にわたる流体の流れの再循環を減少させるステップと、
トランジションピース（１５０）と流れ再配向装置（１０５）との間に設置されたインピンジメントスリ−ブ（２００）により、トランジションピース（１５０）のインピンジメント冷却を助けるステップと
を含む方法。