JP5675218B2 - インピンジメント冷却式トランジションピース後部フレーム - Google Patents

Description

本発明は、インピンジメント冷却式トランジションピース後部フレームに関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、吸入空気を加圧する圧縮機と、圧縮機に結合されかつその中で加圧吸入空気と共に他の可燃性物質を燃焼させる燃焼器とを含む。タービンは、燃焼器の下流に配置されて燃焼物を受け、燃焼物のエネルギーを例えば発電に利用できるようにする。トランジションピースは一般的に、燃焼器とタービンとの間に配置されかつそれを通って燃焼物が移動する流体通路を形成する。

近年、ガスタービンエンジンを一層効率的にすることによってガスタービンエンジンの性能を向上させる取組みが行なわれてきた。高い効率を有するガスタービンエンジンでは、幾つかの望ましい成果が得られる。中でも特に、効率的なガスタービンエンジンは、それらの投入燃料の比較的高いパーセンテージを燃焼させる傾向にあるという事実である。従って、ガスタービンエンジンは、その結果としてより低コストかつよりエミッションを制御した状態で作動させることができる。このような取組みの実例には、それに限定されないが、燃料混合気及び噴射動作を監視しかつ制御すること並びに圧縮機、燃焼器及びタービン構造を修正することが含まれる。

米国特許第７０１０９２１号明細書

本発明の１つの態様によると、タービンエンジントランジションピース本体の後部フレームを提供し、
本後部フレームは、インピンジメントスリーブ及び圧縮機吐出ケーシング間に形成された第１の環状スペース内にかつトランジションピース本体及びインピンジメントスリーブ間に形成された第２の環状スペースの後方に配置されまた第１の環状スペースに面した第１の表面及び前方環状スペースに面した第２の表面を有する主要部分を備えた環状本体を含む。主要部分は、該主要部分を貫通して環状本体の第１の表面における入口から該環状本体の第２の表面における出口まで延びて、それに沿って第１及び第２の環状スペースが互いに連通する流体通路を形成したインピンジメント孔を有する。

本発明の別の態様によると、タービンエンジントランジションピース本体の後部フレームを提供し、
本後部フレームは、インピンジメントスリーブ及び圧縮機吐出ケーシング間に形成された第１の環状スペース内にかつトランジションピース本体及びインピンジメントスリーブ間に形成された第２の環状スペースの後方に配置されまた第１の環状スペースに面した第１の表面及び前方環状スペースに面した第２の表面を有する主要部分を備えた環状本体を含む。主要部分は、該主要部分を貫通して環状本体の第１の表面における入口から該環状本体の第２の表面における出口まで延びて、もっぱらそれに沿ってだけ第１及び第２の環状スペースが互いに連通する流体通路を形成したインピンジメント孔を有する。

本発明のさらに別の態様によると、タービンエンジンを提供し、本タービンエンジンは、圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）と、トランジションピース本体と、ＣＤＣと供に第１の環状スペースの範囲を定めかつトランジションピース本体と供に第２の環状スペースの範囲を定めるインピンジメントスリーブと、第１の環状スペース内にかつ第２の環状スペースの後方に配置されるようにトランジションピース本体及びインピンジメントスリーブに連結されまた第１の環状スペースに面した第１の表面及び第２の環状スペースに面した第２の表面を有する主要部分を備えた環状本体とを含む。主要部分は、該主要部分を貫通して第１の表面における入口から第２の表面における出口まで延びて、それに沿って第１及び第２の環状スペースが互いに連通する流体通路を形成したインピンジメント孔を有する。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、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ガスタービン燃焼器のセクションの断面図。 トランジションピース後部フレームの一部分の断面図。 トランジションピース後部フレームの一部分の断面図。 トランジションピース後部フレームの一部分の断面図。 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃのトランジションピースの軸方向断面図。 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃの後部フレームの半径方向概略図。

詳細な説明は、それに限定されないが、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０において、後部フレーム３０に対するインピンジメント空気流冷却作用を達成することができる。タービンエンジン１０は、内部表面１６を備えた圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）１５を含み、ＣＤＣ１５は、例えば圧縮機から高圧インピンジメント空気を受けることができる。ＣＤＣ１５内には、外部表面２１を備えたトランジションピース本体２０が配置される。次にインピンジメントスリーブ５０を配置して、該インピンジメントスリーブ５０及びＣＤＣ１５の内部表面１６間に並びにＣＤＣ１５の内部表面１６及び後部フレーム３０の外側表面３３間に第１のつまりより正確には外側環状スペース２３の範囲を定める。インピンジメントスリーブ５０はさらに、トランジションピース本体２０の外部表面２１と協働して、第２のつまりより正確には前方環状スペース２２の範囲を定める。

ヘッドエンド２５は、トランジションピース本体２０の上流に作動可能に配置することができかつ少なくとも前方環状スペース２２と連通させることができる。従って、ヘッドエンド２５は、以下で説明するように外側環状スペース２３から後部フレーム３０のインピンジメント孔６０を通って移動することになるインピンジメント空気流（ＩＡ）を受けることができる。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図３を参照すると、後部フレーム３０は、外側環状スペース２３内にかつ前方環状スペース２２の後方の軸方向位置に配置された環状本体３１を含む。環状本体３１は、主要部分３２と、外側環状スペース２３に面するように配向された外側表面３３と、前方環状スペース２２に面するように配向された前方表面３４とを含む。

インピンジメント孔６０は、主要部分３２を貫通して延びる。インピンジメント孔６０を通って外側表面３３における入口３３ａから前方表面３４における出口３４ａまで流体通路が延びて、外側及び前方環状スペース２３及び２２が連通し、また幾つかの実施形態では、もっぱらこの流体通路だけで連通するようになる。

外側環状スペース２３及び前方環状スペース２２がインピンジメント孔６０を通して互いに連通可能である場合には、外側環状スペース２３からインピンジメント孔６０を通してかつ前方環状スペース２２に向けて流れるように高圧インピンジメント空気流（ＩＡ）を導くことができる。そのようなケースにおけるインピンジメント空気流は、インピンジメント孔６０の側壁６１に接触しかつそれによって該側壁６１を冷却することになる。側壁６１を冷却することにより、主要部分３２の冷却が高められる。

主要部分３２は、例えば該主要部分３２の端縁部３５をトランジションピース本体２０の端縁部２４に溶接することによって、トランジションピース本体２０に連結される。

インピンジメントスリーブ５０のインピンジメントスリーブシール５５が、外側環状スペース２３及び前方環状スペース２２間のシールを行なう。そのようなシール作用により、インピンジメント孔６０により行なわれる外側環状スペース２３及び前方環状スペース２２の連通を除いて、それら外側環状スペース２３及び前方環状スペース２２間の連通を防止する。主要部分３２は、インピンジメントスリーブシール５５を受けるようになったシール受容グルーブ５１を有する。図２Ｂに示すように、幾つかの実施例では、シール受容グルーブ５１には、外側環状スペース２３と連通した該シール受容グルーブ５１の内部とインピンジメント孔６０との間に流体通路を構成するアクセスポート５２が形成される。図２Ａ及び図２Ｃに示すように、第２のシール受容グルーブ５４（特に図２Ｃを参照）内に付加的シール５３を受けて、ノズル段４０に対して主要部分３２を結合するようにすることができる。

図２Ａ及び図３を参照すると、インピンジメント孔６０には、主要部分３２を貫通してトランジションピース本体２０の中心軸線に対してほぼ半径方向に延びることができる第１のセクション６２と、主要部分３２を貫通してトランジションピース本体２０の中心軸線に対してほぼ軸方向に延びることができる第２のセクション６３とを形成することができる。この構成の場合には、外側環状スペース２３からインピンジメント孔６０内に移動したインピンジメント空気流は、最初に第１のセクション６２を通ってほぼ半径方向に移動し、第２のセクション６３に達すると次に、インピンジメント空気流は、前方環状スペース２２に向けてほぼ軸方向に移動することができる。

幾つかの実施形態では、インピンジメント孔６０は、複数のインピンジメント孔６０として形成することができる。この場合には、複数のインピンジメント孔６０の各１つは、上記したように形成することができ、さらに加えて、環状本体３１の主要部分３２を貫通するインピンジメント孔６０の環状アレイとして配置することができる。このアレイは、幾つかのケースでは、互いに均一な周囲方向間隔で設置されたインピンジメント孔６０を特徴とし、或いは他のケースでは、高い作動温度を受け、従ってより大きな冷却能力を必要とすることが知られている主要部分３２の予め選択した周囲方向区域に設置されたインピンジメント孔６０を特徴とすることができる。

図４を参照すると、複数のインピンジメント孔６０として形成されたインピンジメント孔６０の場合には、複数のインピンジメント孔６０の各々にはさらに、ほぼ周囲方向に延びることができかつ主要部分３２の一部を通してトランジションピース本体２０の中心軸線に対してほぼ周囲方向にインピンジメント空気流を１つのインピンジメント孔６０から別のインピンジメント孔６０に前進させるのを可能にするそれぞれの第３のセクション６４を形成することができる。このようにして、複数のインピンジメント孔６０は、互いに連通させることができ、また主要部分３２のより大きな部分をインピンジメント空気流によって冷却することができる。

第３のセクション６４は、主要部分３２内の様々な軸方向及び半径方向位置に配置することができる。つまり、第３のセクション６４は、任意の特定のインピンジメント孔６０の第１及び第２のセクション６２及び６３のいずれか又は両方と連通するように配置することができる。加えて、第３のセクション６４は、互いに軸方向に整列するように配置することができ、或いは図３に示すように、それら第３のセクション６４は、異なるインピンジメント孔６０のそれぞれの第３のセクション６４が様々なかつ／又は交互の軸方向位置において主要部分３２を貫通して延びることができるような蛇行構成として配置することができる。

主要部分３２の付加的冷却作用はまた、図２Ｂ、図２Ｃ及び図４に示すように、付加的インピンジメント孔７０によって行なうことができる。付加的インピンジメント孔７０は、インピンジメント孔６０から主要部分３２の後方表面に向けて延びる。この構成の場合には、付加的インピンジメント孔７０を通るインピンジメント空気流は、主要部分３２の後部セクションを冷却する。

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。

ＩＡ インピンジメント空気流
１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機吐出ケーシング
１６ 内部表面
２０ トランジションピース
２１ 外部表面
２２ 第２／前方環状スペース
２３ 第１／外側環状スペース
２４ 端縁部
２５ ヘッドエンド
３０ 後部フレーム
３１ 環状本体
３２ 主要部分
３３ 外側表面
３３ａ 入口
３４ 前方表面
３４ａ 出口
３５ 端縁部
４０ ノズル段
５０ インピンジメントスリーブ
５１ シール受容グルーブ
５２ アクセスポート
５３ 付加的シール
５４ 第２のシール受容グルーブ
５５ インピンジメントスリーブシール
６０ インピンジメント孔
６１ 側壁
６２ 第１のセクション
６３ 第２のセクション
６４ 第３のセクション
７０ 付加的インピンジメント孔

Claims (9)

1. タービンエンジン（１０）のトランジションピース本体（２０）の後部フレーム（３０）であって、当該後部フレーム（３０）が、
   インピンジメントスリーブ（５０）と圧縮機吐出ケーシング（１５）の間に形成された第１の環状スペース（２３）内にかつ前記トランジションピース本体（２０）とインピンジメントスリーブ（５０）の間に形成された第２の環状スペース（２２）の後方に配置された環状本体（３１）であって、前記第１の環状スペース（２３）に面した第１の表面（３３）及び前記第２の環状スペース（２２）に面した第２の表面（３４）を有する主要部分（３２）を備える環状本体（３１）
   を含んでおり、前記主要部分（３２）が、前記環状本体（３１）の第１の表面（３３）における入口（３３ａ）から、半径方向に延びる第１のセクション（６２）及び軸方向に延びる第２のセクション（６３）に沿って、該環状本体（３１）の第２の表面（３４）における出口（３４ａ）まで前記主要部分（３２）を貫通して延びるインピンジメント孔（６０）であって、それに沿って前記第１の環状スペース（２３）と第２の環状スペース（２２）とが互いに連通する流体通路を形成するインピンジメント孔（６０）を有しており、前記第１のセクション（６２）の出口が第２のセクション（６３）の側壁（６１）に沿って形成されている、後部フレーム（３０）。
2. 前記主要部分（３２）が、前記インピンジメント孔（６０）と連通したシール受容グルーブ（５１）を形成するように構成される、請求項１記載の後部フレーム（３０）。
3. 前記インピンジメント孔（６０）には、第２のセクション（６３）の側壁から周方向に延びる第３のセクション（６４）が形成される、請求項１又は請求項２記載の後部フレーム（３０）。
4. 前記主要部分（３２）が前記トランジションピース本体（２０）の端縁部（２４）と接合した端縁部（３５）をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の後部フレーム（３０）。
5. 前記第１の環状スペース（２３）と第２の環状スペース（２２）の間をシールするインピンジメントスリーブシール（５５）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の後部フレーム（３０）。
6. 前記主要部分（３２）が、ノズル段（４０）に対して前記主要部分（３２）をシールするための第２のシール（３２）を受ける第２のシール受容グルーブ（５４）をさらに備えている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の後部フレーム（３０）。
7. 前記インピンジメント孔（６０）が複数のインピンジメント孔（６０）の環状アレイとして配置される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の後部フレーム（３０）。
8. タービンエンジン（１０）であって、当該タービンエンジン（１０）が、
   圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）（１５）と、
   トランジションピース本体（２０）と、
   前記ＣＤＣ（１５）と共に第１の環状スペース（２３）の範囲を定めかつ前記トランジションピース本体（２０）と共に第２の環状スペース（２２）の範囲を定めるインピンジメントスリーブ（５０）と、
   前記第１の環状スペース（２３）内にかつ前記第２の環状スペース（２２）の後方に配置されるように前記トランジションピース本体（２０）及びインピンジメントスリーブ（５０）に連結された環状本体（３１）であって、前記第１の環状スペース（２３）に面した第１の表面（３３）及び前記第２の環状スペース（２２）に面した第２の表面（３４）を有する主要部分（３２）を備えた環状本体（３１）と
   を含んでおり、前記主要部分（３２）が、前記第１の表面（３３）における入口（３３ａ）から、半径方向に延びる第１のセクション（６２）及び軸方向に延びる第２のセクション（６３）に沿って、前記第２の表面（３４）における出口（３４ａ）まで前記主要部分（３２）を貫通して延びるインピンジメント孔（６０）であって、それに沿って前記第１の環状スペース（２３）と第２の環状スペース（２２）とがが互いに連通する流体通路を形成するインピンジメント孔（６０）を有しており、前記第１のセクション（６２）の出口が第２のセクション（６３）の側壁（６１）に沿って形成されている、タービンエンジン（１０）。
9. 前記トランジションピース本体（２０）の上流に配置されかつ前記第２の環状スペース（２２）と連通したヘッドエンド（２５）をさらに含む、請求項８記載のタービンエンジン（１０）。
   

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