JP6050702B2 - 熱シールドを有するトランジションピース後方フレーム組立体 - Google Patents
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Description
本発明は、トランジションピース後方フレーム組立体の熱シールドに関する。
ガスタービンは、一般に圧縮機、燃焼器、１以上の燃料ノズル、及びタービンを含む。空気は吸気口を通ってガスタービンに流入し、圧縮機で圧縮される。次に、圧縮空気は、燃料ノズルから供給される燃料と混合する。空気-燃料混合気は、燃焼のための特定の比率で燃焼器に供給される。燃焼によりタービンのブレードを駆動する加圧排気ガスが発生する。燃焼器は、燃焼生成物の流れを閉じ込めて燃焼器から第１段ノズルへ案内するトランジションピースを含む。トランジションピースは、前端及び後端を含む。トランジションピースの後端と第１段ノズルとの間にはトランジションピース後方フレームが配置されている。排気ガスは、比較的高温でトランジションピースを通って流れるので、トランジションピース後方フレームの内側及び外側レールに沿って熱応力による亀裂及び酸化が発生する場合がある。トランジションピース後方フレームの温度を低下させるために、冷却孔又は開口をトランジションピース後方フレームに設けることができる。また、現在のところ冷却開口により生じる冷却空気の漏れを実質的に防止するために利用できる種々の形式のシールデザインが存在する。
しかしながら、現在のところ、排気ガスが亀裂及び酸化が発生する可能性がある領域でのトランジションピース後方フレームに到達するのを実質的に阻止するために利用できる特徴部は存在しない。
本発明の１つの態様において、トランジションピース後方フレーム及び熱シールドを含むトランジションピース後方フレーム組立体が提供される。トランジションピース後方フレームは少なくとも一部が排気ガス流に晒される後面を有する。熱シールドはトランジションピース後方フレームに結合される。熱シールドは、排気ガス流をトランジションピース後方フレームの後面から離れて偏向させるように向きが定められている。
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
図１は、ガスタービン（図示せず）用の例示的な燃焼システム１０の断面図である。燃焼システム１０は、排気ガス流Ｅを燃焼器２２から第１段ノズル２４へ移送するためのトランジションピース２０を含む。また、燃焼システム１０は、圧縮機吐出ケーシング２６を含む。圧縮機吐出空気Ｃは、ほぼ圧縮機吐出ケーシング２６とトランジションピース２０との間の空間３０に供給される。圧縮機吐出空気は、燃焼システム１０の構成部品を冷却するために供給される。トランジションピース２０は、前端３４及び後端３６を含む。トランジションピース２０の後端３６と第１段ノズル２４との間にはトランジションピース後方フレーム４０が設けられている。ある例示的な実施形態では、トランジションピース後方フレーム４０は、例えば、溶接等の何らかの接合方法によってトランジションピース２０の後端３６に取り付けることができる。
図２は、トランジションピース後方フレーム４０の一部及び第１段ノズル２４の一部を含むトランジションピース後方フレーム組立体３８の拡大断面図である。トランジションピース後方フレーム組立体３８は、半径方向シール４２、熱シールド４４、摩耗ストリップ４６、及びインピンジメントスリーブ４８を含む。一実施形態では、熱シールド４４の一部は、例えば、溶接等の何らかの接合方法によって、トランジションピース後方フレーム４０の後面５０の一部に取り付けられる。また、一実施形態では、熱シールド４４は、摩耗ストリップ４６の延長部とすることができる。トランジションピース後方フレーム組立体３８の断面図は例示的であり、図２−４に示すような構成は、トランジションピース後方フレーム４０の周囲の全て又は一部に沿って実装できることに留意されたい（例えば、この構成は、同様にトランジションピース後方フレーム４０の側面に沿って実装できる）。
図１及び図２を参照すると、排気ガス流Ｅはトランジションピース２０内に存在し、圧縮機吐出空気Ｃは圧縮機吐出ケーシング２６とトランジションピース２０との間の空間３０に存在する。一般に、圧縮機吐出空気Ｃは、排気ガス流Ｅよりも温度が低いので、トランジションピース後方フレーム４０を冷却するために使用される冷却又は希釈空気流として作用する。熱シールド４４は、排気ガス流Ｅをトランジションピース後方フレーム４０の後面５０から離れて偏向させるように向きが定められている。従って、熱シールド４４は、後面５０全体を保護して、後面５０と高温の排気ガス流Ｅとの間のバリアをもたらす。
トランジションピース後方フレーム４０は、複数の希釈空気流開口又は通路を含み、図２には通路の１つが希釈空気流通路６０として示されている。希釈空気流通路６０は、トランジションピース後方フレーム４０を貫通して配置される。トランジションピース後方フレーム４０内に配置される少なくとも一部の希釈空気流通路は、圧縮機吐出空気Ｃの一部を受け入れる。詳細には、圧縮機吐出空気Ｃは、インピンジメントスリーブ４８内に設けられた開口６２を通り、希釈空気流通路６０に入る。圧縮機吐出空気Ｃは希釈空気流通路６０を流れて、トランジションピース後方フレーム４０の後面５０にほぼ対向する熱シールド４４の表面６４に向けられる。詳細には、圧縮機吐出空気Ｃは、熱シールド４４の表面６４に衝突するので、熱シールド４４を冷却する。
図３は、トランジションピース後方フレーム１４０及び第１段ノズル１２４の一部を含む、トランジションピース後方フレーム組立体１３８の別の実施形態を示す。図３に示す実施形態では、トランジションピース後方フレーム１４０は、一連の埋め込まれた希釈空気流通路を含み、通路の１つは埋め込み希釈空気流通路１６０として図示されている。埋め込まれた希釈空気流通路１６０は、凹部１７０を含む。一実施形態では、凹部１７０は、埋め込まれた希釈空気流通路１６０の各々が共通の凹部１７０を共用するトレンチ構造（図示せず）を含むことができる。別の実施形態では、埋め込まれた希釈空気流通路１６０の各々は、個別の凹部１７０を備える。
圧縮機吐出空気Ｃは、埋め込まれた希釈空気流通路１６０を流れて、トランジションピース後方フレーム１４０から吐出する前に凹部１７０の内壁１７４に衝突又は接触する。圧縮機吐出空気Ｃが内壁１７４に衝突すると、トランジションピース後方フレーム１４０の冷却性が向上して、結果的にトランジションピース後方フレーム１４０の寿命が向上又は延びる。さらに、凹部１７０の位置は、埋め込まれた希釈空気流通路１６０の開口１７６をトランジションピース後方フレーム１４０の後面１５０からオフセットする機能を果たす。埋め込まれた希釈空気流通路１６０の開口１７６をトランジションピース後方フレーム１４０の後面１５０からオフセットすると、結果として、開口１７６を後面１５０から離すことに関連して、対応する応力集中を弱めることができる。
図２に戻ると、一実施形態では、半径方向シール４２は、熱シールド開口７８及び第１段ノズル開口８０を含む。圧縮機吐出空気Ｃの一部は、熱シールド開口７８及び第１段ノズル開口８０を流れることができる。詳細には、圧縮機吐出空気Ｃの一部は、熱シールド開口７８を流れる。熱シールド開口７８は、圧縮機吐出空気Ｃを熱シールド４４に向けるように位置決めされており、圧縮機吐出空気Ｃは、熱シールド４４と衝突して冷却する。圧縮機吐出空気Ｃの一部は、同様に第１段ノズル開口８０を流れる。第１段ノズル開口８０は、圧縮機吐出空気Ｃを第１段ノズル２４に向けるように位置決めされており、圧縮機吐出空気Ｃは、第１段ノズル２４と衝突して冷却する。熱シールドを設けると、熱シールド４４が圧縮機吐出空気Ｃの第１段ノズル２４への流れを妨げる又は阻止する場合があるので、熱シールド４４の第１段ノズル開口８０は、少なくとも特定の実施形態では冷却を行うために必要であろう。
図４は、トランジションピース後方フレーム２４０及び第１段ノズル２２の一部を含むトランジションピース後方フレーム組立体２３８のさらに別の実施形態を示す。トランジションピース後方フレーム２４０は、熱シールド２４４を含む。トランジションピース後方フレーム２４０は半径方向シールを含むことができるが、図４では明瞭化のために半径方向シールは示されていないことに留意されたい。熱シールド２４４の部分２８６は、トランジションピース後方フレーム２４０の表面２８８に取り付けられている。一実施形態では、図４に示すように、熱シールド２４４の部分２８６は、トランジションピース後方フレーム２４０の後面２５０に対してほぼ直交する。図４では、熱シールド２４４の部分２８６は後面２５０に対してほぼ直交しているが、熱シールド２４４の部分２８６は、後面２５０に対して同様に他の形態で指向させ得ることを理解されたい。
図４に示す実施形態では、熱シールド２４４の部分２９０は、トランジションピース後方フレーム２４０の後面２５０に対して略平行である。通路２８２は、熱シールド２４４の表面２６４とトランジションピース後方フレーム２４０の後面２５０との間に設けられる。熱シールド２４４の表面２６４は、トランジションピース後方フレーム２４０の後面２５０とほぼ対向する。また、図４には、熱シールド２４４を貫通して配置されるトランジションピース後方フレーム開口２８４が示されている。トランジションピース後方フレーム開口２８４によって、圧縮機吐出空気Ｃの通路２８２への流れ又は進入が可能になる。圧縮機吐出空気Ｃは、トランジションピース後方フレーム２４０の後面２５０並びに熱シールド２４４の表面２６４を通過して冷却を行う。
図２−４に示す熱シールド４４、１４４、及び２４４はバリアをもたらし、排気ガス流Ｅによって生じる高温からトランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０を保護する。従って、トランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０の作動温度が低下するので、実質的にトランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０の亀裂又は酸化を低減又は無くすことができる。また、熱シールド４４、１４４、及び２４４は、トランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０の補修を低減することができる。さらに、熱シールド４４、１４４、及び２４４は、トランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０の冷却性を高めるので、トランジションピース後方フレーム４０、１４０、及び２４０を冷却するのに必要な圧縮機吐出空気Ｃの量が少なくなり、結果的に、タービン効率を高くすること、又は圧縮機吐出空気Ｃをタービンの他の領域で利用することができる（図示せず）。最後に、熱シールド４４、１４４、及び２４４は、トランジションピースの補修間隔を長くすることもでき、コスト低減につながる。
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
１０ 燃焼システム
２０ トランジションピース
２２ 燃焼器
２４ 第１段ノズル
２６ 圧縮機吐出ケーシング
３０ 空間
３４ 前端
３６ 後端
３８ 後方フレーム組立体
４０ 後方フレーム
４２ 半径方向シール
４４ 熱シールド
４６ 摩耗ストリップ
４８ インピンジメントスリーブ
５０ 後面
６０ 希釈空気流通路
６２ 開口
６４ 表面
７８ 熱シールド開口
８０ 第１段ノズル開口
１３８ 後方フレーム組立体
１４０ 後方フレーム
１２４ 第１段ノズル
１４０ 後方フレーム
１４４ 熱シールド
１５０ 後面
１６０ 希釈空気流通路
１７０ 凹部
１７４ 内壁
１７６ 開口
２２４ 第１段ノズル
２３８ 後方フレーム組立体
２４０ 後方フレーム
２４４ 熱シールド
２５０ 後面
２６４ 表面
２８２ 通路
２８４ 後方フレーム開口
２８６ 部分
２８８ 表面
２９０ 部分
２０ トランジションピース
２２ 燃焼器
２４ 第１段ノズル
２６ 圧縮機吐出ケーシング
３０ 空間
３４ 前端
３６ 後端
３８ 後方フレーム組立体
４０ 後方フレーム
４２ 半径方向シール
４４ 熱シールド
４６ 摩耗ストリップ
４８ インピンジメントスリーブ
５０ 後面
６０ 希釈空気流通路
６２ 開口
６４ 表面
７８ 熱シールド開口
８０ 第１段ノズル開口
１３８ 後方フレーム組立体
１４０ 後方フレーム
１２４ 第１段ノズル
１４０ 後方フレーム
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１５０ 後面
１６０ 希釈空気流通路
１７０ 凹部
１７４ 内壁
１７６ 開口
２２４ 第１段ノズル
２３８ 後方フレーム組立体
２４０ 後方フレーム
２４４ 熱シールド
２５０ 後面
２６４ 表面
２８２ 通路
２８４ 後方フレーム開口
２８６ 部分
２８８ 表面
２９０ 部分
Claims (8)
- 少なくとも一部が排気ガス流に晒される後面を有するトランジションピース後方フレームであって、該トランジションピース後方フレームを貫通して配置されているとともに希釈空気流を受け取るように構成されている１以上の希釈通路を含むトランジションピース後方フレームと、
第１段ノズルと、
トランジションピース後方フレームの後面に結合される熱シールドであって、トランジションピース後方フレームと第１段ノズルとによって画成される間隙に配置される熱シールドと
を備えるトランジションピース後方フレーム組立体であって、
前記熱シールドは、排気ガス流をトランジションピース後方フレームの後面から離れて偏向させるように向きが定められており、希釈空気流が、トランジションピース後方フレームの後面にほぼ対向する熱シールドの表面に向けられて衝突する、トランジションピース後方フレーム組立体。 - 摩耗ストリップをさらに備え、前記熱シールドは、摩耗ストリップの延長部である、請求項１記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 前記１以上の希釈通路は、トランジションピース後方フレーム内に凹部を含み、希釈空気流は、トランジションピース後方フレームから流出する前に凹部の内壁に衝突する、請求項１又は請求項２記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 半径方向シールをさらに備え、半径方向シールは、希釈空気流を受け入れる位置に形成される熱シールド開口を含み、希釈空気流は、熱シールド開口を流れて熱シールドに衝突する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 前記半径方向シールは、希釈空気流を受け取る位置に形成されたノズル開口を含み、希釈空気流は、ノズル開口を流れて第１段ノズルとトランジションピースとの間に配置された１以上の構成要素を冷却する、請求項４記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 前記熱シールドの表面とトランジションピース後方フレームの後面との間に通路が配置されていて、熱シールドの表面は、トランジションピース後方フレームの後面にほぼ対向する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 前記熱シールドを貫通してトランジションピース後方フレーム開口が配置されていて、トランジションピース後方フレーム開口によって、前記通路に希釈空気流が進入できるようになる、請求項６記載のトランジションピース後方フレーム組立体。
- 燃焼器と、
燃焼器から排気ガス流を移送するトランジションピースであって、後端を有するトランジションピースと、
トランジションピースの後端に結合される請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のトランジションピース後方フレーム組立体と
を備える、燃焼システム。
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