JP6490222B2 - 移行ダクト支持および支持剛性の調整レベルを提供する方法 - Google Patents

Description

背景
１．技術分野
開示された実施形態は、一般にガスタービンエンジンなどのタービンエンジンに関する。より詳細には、開示された実施形態は、タービンエンジンの燃焼器セクションにおける移行ダクト、特に、タービンエンジン内の移行ダクトの出口フレームを支持する装置および方法に関する。

２．従来技術の説明
ガスタービンエンジンなどの、最先端の高性能タービンエンジンは、運転コストを低減するために燃焼温度をより上昇させる必要があり、消費された燃料から最大量の有効出力を抽出する一方、ＮＯｘエミッションなどの燃焼排出物を低減することを伴う。このようなタービンでは、燃焼システムの支持構造とシール構造は、関連する構成部品に過剰な応力をかけることなくこのような高い燃焼温度を受容することができなければならない。移行ダクトの出口フレームを支持する１つの公知のシステムに関して、米国特許第７５８４６２０号明細書が参照される。

移行ダクト支持装置の非限定的な第１の実施形態を示す斜視図であって、この移行ダクト支持装置は、本発明の態様にしたがって、移行ダクトの出口フレームに剛性支持の調整レベルを提供するように構成されていてよい。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第２の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第３の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第４の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第５の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第６の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成することができる貫通孔の非限定的な例を示す図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成することができる貫通孔の非限定的な例を示す図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成することができる貫通孔の非限定的な例を示す図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成することができる貫通孔の非限定的な例を示す図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第７の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 本発明の態様にしたがった移行ダクト支持装置の第８の非限定的な実施形態を示す斜視図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 剛性支持の各調整レベルを得るために構成された様々な断面形状の非限定的な例としての構造を示す平面図である。 本発明の態様を具現化する移行ダクト支持装置の中央セクションと補強材とがブレースに取り付け可能な構造を有しており、このようなセクションを示す分解斜視図である。 図１９のセクションを組み付けられた状態で示す斜視図である。 本発明の開示された実施形態から利益を得ることができる、ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジンの１つの非限定的な実施形態を概略的に示す図である。 従来の形式の支持装置を使用する移行部の出口フレームにかかるモデル化された応力分布の非限定的な比較プロットを示す図である。 本発明の態様を具現化する支持装置を有する移行部の出口フレームにかかるモデル化された応力分布の非限定的な比較プロットを示す図である。 本発明の態様を具現化する移行ダクト支持装置の非限定的な実施形態を示す図であって、この場合、出口フレームの各軸線を中心とした所望の量の屈曲柔軟性（例えば、剛性低減）を提供するために、付加的に１つ以上のヒンジを使用することができる。 図２０に示された移行ダクト支持装置に付加的に配置することができるヒンジの非限定的な実施形態を示す図である。 本発明の態様を具現化する支持装置を有する出口フレームにおいて達成することができる変位の低減の１つの非限定的な例を概略的に示す図である。

詳細な説明
本発明の発明者は、ガスタービンエンジンなどのタービンエンジンにおける従来の形式の所定の燃焼システムにおいて生じ得るいくつかの問題点を認識している。例えば、通常、燃焼プロセスで生じる比較的高い熱勾配と機械的負荷のもとでは、これに付随する高い応力が、例えば移行ダクトの各出口フレームの角隅およびこのような角隅の近くにある移行ダクトの領域で観察された。その結果、このような先行技術の燃焼器システムにおける移行ダクトの寿命が悪影響を受ける可能性がある。

少なくともこのような認識の観点から、本発明者は、タービンエンジンにおける移行ダクトの各出口フレームを支持する革新的な装置および方法を提案する。提案される装置および方法は、出口フレームの外縁を効果的に補強することができ、したがって、このようなフレームにおける撓みを低減するのに有効であり、さらには、そうでなければ移行ダクトの各出口フレームの角隅で観察される比較的高い応力を、このような応力を出口フレームの上方にだけではなく、移行ダクトの領域の上方にも適切に再分配する（例えば、広げる）ことによって、低減するのに有効であり得る。

さらに、移行ダクトにかかる応力を低減することに加えて、移行シールなどの関連する構成要素も、提案された装置から利益を得ることができる。例えば、提案された装置は、出口フレームの撓みを減じるので、提案された装置は、（例えば接触により）移行シールにかかる機械的負荷を減じるのに役立つ。さらに、減じられた応力と撓みが今度は、改善された漏れの低減によるような、燃焼空気の改善された利用に役立つことができ、このような改善された燃焼空気の利用が今度は、ＮＯｘエミッションの低減に役立つことができる。

提案された装置は、例えば所与の燃焼器システムの期待される取り付け剛性要件に合致するように適切に調整することができる剛性を出口フレームに提供するように構成されている。例えば、提案された装置により提供される取り付け支持は、例えば、タービンベーンキャリア（ＴＶＣ）などのエンジンのタービンセクションの固定構造への固定接続からのゆるみを引き起こす可能性のある過度の振動レベルを減衰させるのに十分剛性でなければならない。逆に、提案された装置により提供される取り付け支持は、例えば、熱成長を受容し、したがって、熱成長により生じるクラック形成を回避するのに十分柔軟でなければならない。提案された装置には、タービンエンジン内の任意の所与の移行ダクトの出口フレームにおける取り付け要件を適切に満たすように、確実かつ費用対効果よく剛性を調整する（例えば調節する）ための実質的な融通性を提供することが期待される。

以下の詳細な説明では、このような実施の形態の十分な理解を提供するために、様々な特定の詳細事項が示される。しかしながら、当業者は、本発明の複数の実施の形態が、これらの特定の詳細事項なしに実施され得ること、本発明が、例示された実施の形態に限定されないこと、および本発明が様々な代替的な実施の形態において実施され得ることを理解するであろう。他の例においては、当業者によって十分に理解されるであろう方法、手順および構成部材は、不要で煩わしい説明を避けるため、詳細に説明されていない。

さらに、本発明の実施の形態を理解するために役立つ形式で行われる複数の個別のステップとして、様々な操作が説明されるかもしれない。しかしながら、説明の順序は、これらの操作が、説明された順序で行われる必要があること、またはそのように記載されていない限り順序に依存していることを示唆するものとして解釈されるべきではない。さらに、「１つの実施形態では」の文言の反復した使用は、必ずしも、同一の実施形態を示すものではないが、そうであり得る。開示された態様は、所与の適用の必要性に応じて、当業者が適切に組み合わせることができるので、互いに排他的な態様として解釈される必要はないことに留意されたい。

本願において使用されている「含む」、「備える」、「有する」などの表現は、そうでないことが示されない限り、同義であることが意図されている。最後に、本明細書で使用されるように、「〜ように構成される」または「〜ように配置される」という表現は、「〜ように構成される」または「〜ように配置される」という表現に先行する特徴が意図的かつ具体的に設計されるか、または特定の方法で作用または機能するように意図されているという概念を含み、そのように指定されていない限り、その特徴が、指定された方法で作用または機能するための可能性または適合性だけを有することを意味すると解釈されるべきではない。

図１は、移行ダクト支持装置１０の非限定的な第１の実施形態を示す斜視図である。この移行ダクト支持装置１０は、本発明の態様により移行ダクト１４の出口フレーム１２に、剛性支持の調整レベルを提供するように構成されていてよい。１つの非限定的な実施形態では、移行ダクト１４は上流端部に、燃焼バスケット（図示せず）に接合するための入口リング１６を有しており、下流端部で移行ダクト１４は、タービンセクション（図示せず）に接合するための出口フレーム１２を有している。

１つの非限定的な実施形態では、移行ダクト支持装置１０は、タービンベーンキャリア（ＴＶＣ）などのエンジンのタービンセクションの定置構造（図示せず）に接続するための固定手段（例えばスルーボルト等）を受容するための１つ以上の接続開口２２を含む中央に配置されたセクション２０を有している。移行ダクト支持装置１０はさらに、中央に配置されたセクション２０に対して半径方向内側に配置された補強材２４を有している。補強材２４は、中央に配置されたセクション２０に接続されており、移行ダクト１４における出口フレーム１２の外縁２７に支持を提供するように配置されている。補強材２４は、移行ダクト１４における出口フレーム１２の互いに対向する角隅３０の間で周方向に延在するように構成されている。

中央に配置されたセクション２０にはブレース２６が接続されていてよく、このブレース２６は、補強材２４の各端部３２を支持するために、互いに対向する角隅３０に向かって延在していてよい。支持装置１０は、移行ダクト１４における出口フレーム１２の１つ以上の軸線に対して剛性支持の各調整レベルを提供するのに効果的である。図１に示すように、参照された非限定的な例としてのフレームは、周方向軸線３４と、半径方向軸線３６と、長手方向軸線３８とを有していてよい。１つの非限定的な実施形態では、支持装置１０は、移行に関わる要素、例えば移行シール等の固定・位置決めを含む組み立て操作を行うためにアクセスを可能にする少なくとも１つのアクセス開口４０を含んでいてよい。

１つの非限定的な実施形態では、移行ダクト支持装置１０は、移行ダクトの出口フレームの１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように構成された様々な断面形状（例えば三次元的に様々な断面形状）を備えていてよい。例えば、１つの非限定的な実施形態では、ブレース２６の各ウィング先端４２は、支持装置１０におけるその他の構造体よりも比較的薄い構造を有していてよい。

図１３〜図１８は、剛性支持の各調整レベルを得るために、支持装置１０に構成することができる様々な断面形状のそれぞれ非限定的な例としての構造を示す（例えば図１の半径方向軸線３６に沿った）各平面図である。様々な断面形状は、さらに、例えば、移行シールの固定を可能にし、シール支持体に対して接合構造を提供する、またはシール面を提供するためといった、別の非限定的な実際的な考慮を満たすように構成されてよい。

図１に示したように、１つの非限定的な実施形態では、補強材２４は、移行ダクト１４の出口フレーム１２の互いに対向する角隅３０へと延在するように構成されていてよい。しかしながら、図２で理解されるように、補強材２４は、両方向矢印４４によって概略的に示すように、移行ダクト１４の出口フレーム１２の互いに対向する角隅３０まで周方向に延在している必要はない。この支持装置の断面形状は、図１に関して上述したような、様々な断面形状を含む必要はないことが分かるだろう。

当業者には分かるように、例えば、半径方向軸線３６および長手方向軸線３８に関して提供することができる支持の剛性強化により、周方向軸線３４を中心とした屈曲に関して、剛性作用を提供することができる。いくつかの非限定的な用途では、このような剛性作用のレベルを調整（例えば調節）することが望まれる。１つの非限定的な実施形態では、図２で理解されるように、周方向に延在する切欠き４６が、中央セクション２０に配置されていてよい。１つの選択的な実施形態では、図３に示すように、ブレース２６に周方向に延在する切欠き４６がさらに配置されていてよい。

図２４に示されているように、このような切欠きの代わりに、またはこのような切欠きと組み合わせて、各軸線を中心とした所望の量の屈曲柔軟性（例えば、剛性低減）を提供するために、付加的に１つ以上のヒンジ７０を配置することができる。剛性の程度、このような切欠きおよび／またはヒンジの向きおよび位置は、出口フレームに関する剛性の目標レベルに基づき選択されてよいことが分かるだろう。例えば、所与の用途の必要性に基づき、別の切欠きおよび／またはヒンジを、半径方向軸線３６を延長するように配置することもでき、これにより、所望される場合には、半径方向軸線３６を中心とした屈曲柔軟性が提供される。

図４に示すように、１つの非限定的な実施形態では、補強材２４は、移行ダクトの出口フレームにおける１つ以上の軸線に関して提供されるべき剛性支持の各調整レベルに基づき、（両方向矢印４８によって概略的に示すように）所定の半径方向の距離だけ外側に向かって延在するように構成されていてよい。剛性およびその他の実質的な制約を受けて、図６、図１１、図１２にそれぞれ示すような非限定的な実施形態で示すように、補強材２４の高さを延長して一体的なプレートを実用的に形成できることが分かるだろう。本発明の態様は、いかなる特定のタイプの構造様式および／または製造様式に限定されるものではないことが分かるだろう。例えば、本発明の態様を具現化する移行ダクト支持装置は、所与の用途の必要性に応じて層状のまたは非層状の複合構造として形成することができる。

本発明の態様を具現化する支持装置のジオメトリは、所与の取り付け用途の必要性に基づき調節できることが分かるだろう。例えば、出口フレーム１２の外縁２７に提供される周方向支持が大きくなるほど、かつ／または補強材２４の半径方向高さが大きくなるほど、このような特徴は、出口フレーム１２に比較的剛性の高い支持を提供し、したがって出口フレーム１２における比較的高いレベルの応力低減が得られる。しかしながら、実際の実施形態では、組み立て作業および／または支持装置自体の必要設置面積に関連したスペースの利用可能性などの他の実際的な制約に留意する必要がある場合がある。それぞれ図１１および図１２で理解されるように、プレート構造で形成された支持装置は、適切に位置決めされた切欠き５１および／またはヒンジにより同様の利点を有することができる。例えば、このような切欠きおよび／またはヒンジは、周方向軸線３４を中心とした剛性レベルの調整に効果的である。

１つの非限定的な実施形態では、移行ダクトの出口フレームの１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように配置することのできる１つ以上の調整貫通孔４９（図６、図１１、図１２）が含まれていてよい。図７〜図１０は、剛性支持の各調整レベルを得るために、支持装置１０に構成することができる調整貫通孔のそれぞれ非限定的な例としての構造を示すそれぞれ正面図である。このような構造はいずれも、アクセス開口４０（図１）の構造に関しても適用できることが分かるだろう。

図５は、１つの非限定的な実施形態を示す斜視図であって、この実施形態では補強材２４が、第１の厚さと第１の高さを有する第１の補強材段５２を画成する凹部５０を有しており、凹部５０はさらに、第１の補強材段５２に対して半径方向外側に位置するように第２の補強材段５４を画成している。第２の補強材段５４は、第２の厚さと第２の高さとを有していてよい。第１の補強材段５２と第２の補強材段５４の各厚さと高さとは、移行ダクトの出口フレームの１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように構成されていてよい。例えば、比較的厚い第２の補強材段５４は、長手方向軸線３８および半径方向軸線３６を中心とした剛性支持を増大させるのに効果的であり、比較的薄い第１の補強材段５２は、補強材２４の全体的な質量を減じることができる。付加的に、上述したように、周方向軸線３４を中心とした剛性を減じるために切欠き４６またはヒンジを使用することができる。第１の補強材段および第２の補強材段の文脈で提供された上記の説明は、例として解釈すべきであって、本発明の態様は、いかなる特定の補強材段の数にも限定されるものではなく、限定的なものではないことが当業者には理解されるだろう。

図１９および図２０はそれぞれ斜視図を示しており、この図では、本発明の実施形態である移行ダクト支持装置の中央セクション２０と補強材２４とが一体の構造（例えば、プレートまたは別の適切な構造）で形成されていてよく、適切な接続手段５５（例えば、溶接、ろう接等の手段）によって、ブレース２６に取り付け可能である。図１９は、互いに取り付けられる前のこのような区分を示す分解図であり、図２０は、このような区分が組み付けられた図である。このような実施形態は、改装用途に有効的であろう。この実施形態は、プレート構造で実行される必要はないことが分かるだろう。例えば、様々な断面形状に関して図１について上述した特徴を、この実施形態に適用することができる。

図２５は、ヒンジ７２の１つの非限定的な実施形態を示す。このヒンジ７２は、例えば、周方向軸線を中心としたさらなる屈曲柔軟性が所与の用途において所望される場合に、支持装置の中央セクションに付加的に配置することができる。図２５に示されたヒンジ装置は、例示的な意味で解釈されるべきであり、他のヒンジ装置を効果的に使用できるということを制限するものではないことが理解される。

１つの非限定的な実施形態では、剛性支持の調整レベルは、タービンエンジンの高振動環境での出口フレームの変位を減じるための十分に高いレベルから、タービンエンジンの高温環境での出口フレームの熱成長を受容するための十分低いレベルまでの範囲で選択することができる。

１つの非限定的な実施形態では、補強材および／またはブレースを構成することが、移行ダクトの出口フレームおよび／または移行ダクト内の隣接領域にかかる機械的応力を分散させるために効果的であってもよく、これにより、移行ダクトの出口フレームおよび／または移行ダクト内の隣接領域にかかる応力の各ピークレベルを減少させる。１つの非限定的な用途では、剛性支持の各調整レベルは、移行ダクト内で予想される振動モードに基づいていてよい。例えば、剛性支持の各調整レベルは、移行の固有作動周波数の動的励起を回避するように構成されてよい。

図２１は、本発明の開示された実施形態から利益を得ることができる、ガスタービンエンジンなどの燃焼タービンエンジン１００の１つの非限定的な実施形態を概略的に示す図である。燃焼タービンエンジン１００は、圧縮機１０２と、燃焼器１０４と、燃焼室１０６と、タービン１０８とを備えていてよい。作動中、圧縮機１０２は、周囲の空気を取り込み、ディフューザ１１０に圧縮空気を提供する。圧縮空気は、ディフューザ１１０を通ってプレナム１１２へと到り、プレナム１１２を通過して燃焼器１０４に到る。燃焼器１０４は圧縮空気と燃料を混合し、燃焼された高温の作動ガスを、移行部１４を介してタービン１０８へと供給する。作動ガスは、発電設備（図示せず）を駆動して電気を発生させることができる。圧縮機１０２を駆動するためにタービン１０８を接続する軸１１４が示されている。本発明の開示された実施形態は、移行部の出口フレームに対して有利には確実かつ費用対効果のよい取り付け剛性を与えるためにガスタービンエンジンの（移行ダクト１４などの）各移行部に組み込まれてよい。取り付け剛性は、例えば所与の燃焼器システムの予想される取り付け剛性要件に合致するようにほぼ調整することができる。これにより、作動中、移行ダクトおよび、移行シール等などの関連する構成部品の耐用期間が改善されることが期待される。

図２２および図２３はそれぞれ、本発明の態様を具現化する支持装置を有する出口フレームと比較される、従来の形式の支持装置（図２１）を使用する出口フレームにかかるモデル化された応力分布の非限定的な比較プロットを示す。これらの非限定的なプロットでは、本発明の実施形態である支持装置によって支持された出口フレームのピーク応力レベルは、従来のものと比較して約３０％減少していることが観察される。

図２６は、本発明の実施形態である支持装置を有する出口フレームにおいて達成することができる変位の低減の１つの非限定的な例を示している。出口フレームおよび移行パネルにおけるピーク応力レベルの上述した低減は、別のモデルデータと一致する。この別のモデルデータは、１つの非限定的な例において、フレームの長手方向軸線および周方向軸線に沿った出口フレームのそれぞれの変位（矢印７６および７８で概略的に示す）を、従来の形式の支持装置によって支持された出口フレームで生じる変位と比較して、約３倍も減少させることができることを示している。

本開示の実施の形態を例示的に開示してきたが、当業者には、以下の請求の範囲に記載されている、本発明の思想と範囲およびその同等物から逸脱することなく、様々な改良、追加、削除を行えることが明らかであろう。

Claims (15)

1. 移行ダクト支持装置であって、
   中央に配置されたセクション（２０）と、
   該中央に配置されたセクションに対して半径方向内側に配置された補強材（２４）であって、該補強材は、前記中央に配置されたセクションに接続され、移行ダクト（１４）内の出口フレーム（１２）の外縁（２７）に支持を提供するように配置されており、前記補強材は、前記移行ダクトの前記出口フレームの互いに対向する角隅（３０）の間で周方向に延在するように構成されている、補強材と、
   前記中央に配置されたセクションに接続される、前記補強材の各端部を支持するように延在するブレース（２６）と、を備え、
   当該支持装置は、前記移行ダクト内の前記出口フレームの１つ以上の軸線（３４，３６，３８）に関して剛性支持の各調整レベルを提供するのに効果的であり、
   前記補強材は、第１の厚さと第１の高さとを有する第１の補強材段を画定する凹部（５０）を有しており、該凹部はさらに、前記第１の補強材段に対して半径方向外側に配置された第２の補強材段（５４）を画定しており、該第２の補強材段は、第２の厚さと第２の高さとを有しており、前記第１の補強材段と前記第２の補強材段の各厚さと高さとは、前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように構成されている、移行ダクト支持装置。
2. 前記補強材は、前記移行ダクトの前記出口フレームの前記互いに対向する角隅（３０）へと延在するように構成されている、請求項１記載の移行ダクト支持装置。
3. 少なくとも１つのアクセス開口（４０）を備える、請求項１又は２記載の移行ダクト支持装置。
4. 前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るために効果的である、少なくとも１つの切欠き（４６）および／または少なくとも１つのヒンジをさらに備える、請求項１から３までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置。
5. 前記少なくとも１つの切欠き（４６）および／または前記少なくとも１つのヒンジ（７０）が、周方向軸線（３４）を中心とした屈曲柔軟性を提供するように配置されている、請求項４記載の移行ダクト支持装置。
6. 前記周方向軸線に対して垂直な半径方向軸線（３６）を中心とした屈曲柔軟性を提供するように配置された、少なくとも１つの別の切欠きおよび／または別のヒンジをさらに備える、請求項５記載の移行ダクト支持装置。
7. 前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るために効果的である少なくとも１つの貫通孔（４９）をさらに備える、請求項１から６までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置。
8. 前記少なくとも１つの貫通孔の形状は、前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように構成されている、請求項７記載の移行ダクト支持装置。
9. 前記補強材（２４）は、前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して提供されるべき剛性支持の各調整レベルに基づき所定の半径方向距離だけ外側に延在するように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置。
10. 前記中央に配置されたセクション（２０）と、前記補強材（２４）と、前記ブレース（２６）とは一体の構造を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置。
11. 前記一体の構造は、プレート構造または複合構造を含む、請求項１０記載の移行ダクト支持装置。
12. 前記中央に配置されたセクション（２０）と、前記補強材（２４）とは、前記ブレース（２６）に固定可能な一体の構造を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置。
13. 前記一体の構造と前記ブレースとの間に配置された少なくとも１つのヒンジをさらに備える、請求項１２記載の移行ダクト支持装置。
14. 前記一体の構造は、前記移行ダクト内の前記出口フレームの前記１つ以上の軸線に関して剛性支持の各調整レベルを得るように構成されている三次元的な形状を有している、請求項１０記載の移行ダクト支持装置。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項記載の移行ダクト支持装置を有する燃焼器システム。