JPWO2018167913A1 - トランジションピース - Google Patents

Abstract

支柱の固定部分に大きな熱応力が発生することを抑制することが可能であって、支柱の交換を容易に実現することができる、トランジションピースを提供する。実施形態のトランジションピースは、ガスタービン設備において燃焼器ライナで生成された燃焼ガスをタービン部へ導く。トランジションピースにおいて燃焼ガスがタービン部へ流出する出口部分は、タービン部の径方向において内側に位置している内周壁と、径方向において内周壁よりも外側に位置している外周壁と、内周壁と外周壁との間に設けられた支柱とを備える。内周壁は、第１の差込溝が形成されている。外周壁は、第２の差込溝が形成されている。支柱は、径方向において内側に位置する第１の端部が第１の差込溝に差し込まれて固定されていると共に、径方向において外側に位置する第２の端部が第２の差込溝に差し込まれて固定されている。

Description

本発明の実施形態は、トランジションピースに関する。

ガスタービン発電プラントは、タービン部に圧縮機が同軸に設けられており、圧縮機において圧縮された圧縮媒体（圧縮空気）が、燃料と共に燃焼器に案内される。そして、燃焼器では、燃焼器ライナにおいて燃焼が生ずることによって、高温の燃焼ガスが生成される。その燃焼ガスは、トランジションピースを経て、タービン部に作動媒体として導入される。これにより、タービン部において燃焼ガスが膨張してタービンロータが回転することによって、発電が行われる。ガスタービン発電プラントは、圧縮機の出口圧力と入口圧力との圧力比（出口圧力／入口圧力）が大きいほど、発電効率が向上する。このため、圧縮機の出口圧力の高圧化が推進されている。

トランジションピース２０Ｊに関して図６を用いて説明する。

トランジションピース２０Ｊは、燃焼ガスが流入する入口側２０Ａの部分が円筒状の管状体であって、燃焼ガスが流出する出口側２０Ｂの部分が扇形状の管状体である。

トランジションピース２０Ｊは、圧縮機から吐出された燃焼用媒体の圧力が外側から作用すると共に、燃焼器ライナから導入された燃焼ガスの圧力が内側から作用する。外側から作用する燃焼用媒体の圧力と、内側から作用する燃焼ガスの圧力との間は互いに相違しているため、トランジションピース２０Ｊは、外側と内側との間で圧力差が生じる。このため、トランジションピース２０Ｊは、円筒状である入口側２０Ａの部分では、圧力が均一に作用するが、扇形形状である出口側２０Ｂの部分では、圧力の作用が不均一である。その結果、出口側２０Ｂの部分においては、図６において一点鎖線で示すように、外周側（図６では上側部分）と内周側（下側部分）とが近づくように、変形が生じやすい。

また、トランジションピース２０Ｊは、入口側２０Ａのガス流路の面積よりも出口側２０Ｂのガス流路の面積の方が小さくなっている。このため、出口側２０Ｂの部分では、メタル温度が上昇して高温環境下に曝されるために、クリープ変形が顕著に発生しやすい。トランジションピース２０Ｊを継続して使用することによってクリープ変形が生じることにより、出口側２０Ｂの部分の内径が小さくなる場合がある。これにより、損傷の増加、出力低下、および、効率低下が発生する場合がある。

このため、トランジションピース２０Ｊにおいては、上記の変形を防止するための技術が提案されている。たとえば、トランジションピース２０Ｊの出口部分の変形を防止するために、支柱を出口部分の通路の中央に一本配置することが提案されている。ここでは、支柱は、溶接によって、トランジションピースの内周壁と外周壁とのそれぞれに一体的に接合されている（たとえば、特許文献１）。

特開平１−１５５１２０号公報

上記したように、支柱は、溶接によって、トランジションピースの内周壁と外周壁とのそれぞれに一体的に接合されている。トランジションピースの内部を流れる燃焼ガスは、温度が極めて高い。このため、トランジションピースにおいて支柱を固定した固定部分には、大きな熱応力が発生し、破損が生ずる場合がある。また、支柱が溶接で接合されているので、支柱をトランジションピースから容易に分解できないので、支柱の交換が困難である。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、支柱の固定部分に大きな熱応力が発生することを抑制することが可能であって、支柱の交換を容易に実現することができる、トランジションピースを提供することである。

実施形態のトランジションピースは、ガスタービン設備において燃焼ガスをタービン部へ導く。トランジションピースにおいて燃焼ガスがタービン部へ流出する出口部分は、タービン部の径方向において内側に位置している内周壁と、径方向において内周壁よりも外側に位置している外周壁と、内周壁と外周壁との間に設けられた支柱とを備える。内周壁は、第１の差込溝が形成されている。外周壁は、第２の差込溝が形成されている。支柱は、径方向において内側に位置する第１の端部が第１の差込溝に差し込まれて固定されていると共に、径方向において外側に位置する第２の端部が第２の差込溝に差し込まれて固定されている。

第１実施形態に係るガスタービン設備１００の要部を模式的に示す部分断面図である。 第１実施形態に係るガスタービン設備１００において、トランジションピース部１０を模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係るガスタービン設備１００において、トランジションピース部１０を模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係るガスタービン設備１００において、トランジションピース部１０を模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係るガスタービン設備１００において、支柱７０を拡大して示す断面図である。 第１実施形態に係るガスタービン設備１００において、支柱７０を拡大して示す断面図である。 第１実施形態の変形例に係る支柱７０を模式的に示す図である。 第２実施形態に係るガスタービン設備１００において、トランジションピース２０が設置された部分を模式的に拡大して示す図である。 関連技術に係るトランジションピースの要部を示す図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るガスタービン設備１００について、図１を用いて例示する。図１において、横方向は、回転軸に沿った軸方向（スラスト方向）に相当し、縦方向は、回転軸に直交する径方向（ラジアル方向）の一部に相当する。

図１に示すように、ガスタービン設備１００は、外気を圧縮する圧縮機１１０と、圧縮機１１０で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器ライナ１２０と、燃焼器ライナ１２０で生成した燃焼ガスをタービン部１３０に導くトランジションピース部１０と、トランジションピース部１０を通過した燃焼ガスが作動媒体として流入することによって駆動するタービン部１３０とを備えている。

圧縮機１１０は、圧縮機ケーシング１１１の内部に圧縮機ロータ１１３を備えている。圧縮機ロータ１１３は、複数の動翼１１２が周方向に配置された動翼翼列を含み、複数の動翼翼列が軸方向に配列している。圧縮機ケーシング１１１は、複数の静翼１１４が周方向に配置された静翼翼列を含み、複数の静翼翼列が軸方向に配列している。ここでは、複数の動翼翼列と複数の静翼翼列とが軸方向において交互に並ぶように設けられている。圧縮機１１０では、動翼１１２が圧縮機ロータ１１３と共に回転することで、外部の空気が圧縮される。

燃焼器ライナ１２０は、圧縮機１１０の周囲において複数が周方向に配置されている。燃焼器ライナ１２０では、燃料と圧縮機１１０で圧縮された空気とが混合されて燃焼することによって、燃焼ガスが生成される。

トランジションピース部１０は、燃焼器ライナ１２０に接続されている。トランジションピース部１０は、燃焼器ライナ１２０から燃焼ガスが流入し、燃焼ガスを整流してタービン部１３０へ導くように構成されている。トランジションピース部１０の詳細については後述する。

タービン部１３０は、タービンケーシング１３１の内部にタービンロータ１３３を備えている。タービンロータ１３３は、複数の動翼１３２が周方向に配置された動翼翼列を含み、複数の動翼翼列が軸方向に配列している。タービンケーシング１３１は、複数の静翼１３４が周方向に配置された静翼翼列を含み、複数の静翼翼列が軸方向に配列している。ここでは、複数の動翼翼列と複数の静翼翼列とが軸方向において交互に並ぶように設けられている。つまり、静翼翼列と動翼翼列とを含むタービン段落が回転軸に沿って複数並んでいる。トランジションピース部１０からタービン部１３０に導入された燃焼ガスは、静翼１３４を経て動翼１３２に噴射される。これにより、タービン部１３０では、動翼１３２およびタービンロータ１３３が回転する。タービンロータ１３３は、発電機（図示省略）が連結されており、タービンロータ１３３の回転エネルギが発電機で電気エネルギに変換される。

トランジションピース部１０の詳細に関して、図２Ａ、図２Ｂ、および、図２Ｃを用いて説明する。図２Ａにおいては、横方向が軸方向に相当し、縦方向が径方向の一部に相当する。図２Ｂは、図２Ａに示すＸ−Ｘ部分の断面について図示しており、紙面に垂直な方向が軸方向に相当する。図２Ｃは、図２Ａに示すＹ−Ｙ部分の断面について図示しており、紙面に垂直な方向が径方向の一部に相当し、横方向が軸方向に相当し、縦方向が周方向に相当する。

図２Ａに示すように、トランジションピース部１０は、トランジションピース２０（内筒）と、トランジションピース２０を内部に収容するように配置されている外筒３０とを備える。つまり、トランジションピース部１０は、二重管構造である。トランジションピース部１０は、連結部材５００を介して、タービン部１３０に連結されている。具体的には、トランジションピース部１０は、初段のタービン段落において、静翼１３４を挟んでいるダイアフラム内輪１３４Ａとダイアフラム外輪１３４Ｂとのそれぞれに連結されている。

トランジションピース部１０のうち、トランジションピース２０は、燃焼器ライナ１２０から流入した燃焼ガスＣＧをタービン部１３０に導くために設けられている。

ここでは、トランジションピース２０は、燃焼ガスＣＧが流れる流路の断面が、入口から出口へ向かって円形から扇形へ徐々に変形するように構成されている。つまり、図示を省略しているが、トランジションピース２０において、燃焼ガスＣＧが流入する入口部分は、円筒状の管状体であって、円形の開口を備える。これに対して、トランジションピース２０において、燃焼ガスＣＧが流出する出口部分は、扇形状の管状体である。

具体的には、トランジションピース２０の出口部分は、図２Ｂに示すように、円弧状の内周壁２１１と、円弧状の外周壁２１２とが径方向において間隙（開口）を介して対面している。また、トランジションピース２０の出口部分は、径方向に沿った一対の側壁２１３ａ，２１３ｂを含み、一対の側壁２１３ａ，２１３ｂが周方向の両端において間隙（開口）を介して対面している。

トランジションピース２０の出口部分において、内周壁２１１は、タービン部１３０の径方向において内側に位置しており、内周壁２１１において外周壁２１２側に位置する面には、第１の差込溝Ｔ２０ａが形成されている。そして、外周壁２１２は、径方向において内周壁２１１よりも外側に位置しており、外周壁２１２において内周壁２１１側に位置する面には、第２の差込溝Ｔ２０ｂが形成されている。

外筒３０は、内筒であるトランジションピース２０と同様な形状で形成されている。つまり、外筒３０は、入口部分が円筒状の管状体であって、出口部分が扇形状の管状体である。

図１および図２Ａに示すように、外筒３０には、複数の噴出孔３１が形成されている。複数の噴出孔３１は、たとえば、圧縮機１１０から流入する空気の一部を冷却媒体ＣＡとしてトランジションピース２０の外表面に向けて噴出するために設けられている。

本実施形態では、トランジションピース部１０は、更に、複数の支柱７０を備えている。複数の支柱７０は、図２Ｂに示すように、トランジションピース２０の出口部分において内周壁２１１と外周壁２１２との間に位置する間隙に設けられている。ここでは、たとえば、３つの支柱７０が周方向において間を隔てて並ぶように配置されている。具体的には、トランジションピース２０の出口部分において、周方向の中央部に支柱７０が配置されていると共に、その中央部の支柱７０を周方向で挟むように、一対の支柱７０が両側部に配置されている。両側部に配置された一対の支柱７０は、周方向において、中央部の支柱７０を軸として対称に配置されている。

複数の支柱７０のそれぞれは、たとえば、円筒形状の管状体であって、径方向に沿って延在している。複数の支柱７０のそれぞれは、径方向において内側に位置する一端（第１の端部）に第１の固定プレート部７０１ａが設けられていると共に、径方向において外側に位置する他端（第２の端部）に第２の固定プレート部７０１ｂが設けられている。第１の固定プレート部７０１ａおよび第２の固定プレート部７０１ｂは、矩形状の板状体である。支柱７０において径方向の内側に位置する一端は、第１の固定プレート部７０１ａが第１の差込溝Ｔ２０ａに差し込まれて固定されている。支柱７０において径方向の外側に位置する他端は、第２の固定プレート部７０１ｂが第２の差込溝Ｔ２０ｂに差し込まれて固定されている。

具体的には、図２Ｃに示すように、第２の差込溝Ｔ２０ｂは、第２の固定プレート部７０１ｂと共に、ブロック７１１を収容している。第２の差込溝Ｔ２０ｂは、長手方向が燃焼ガスＣＧの流れ方向（軸方向）に沿っており、燃焼ガスＣＧの入口側に第２の固定プレート部７０１ｂが位置し、燃焼ガスＣＧの出口側にブロック７１１が位置している。第２の差込溝Ｔ２０ｂにおいて周方向（図２Ｃでは縦方向）の幅は、第２の固定プレート部７０１ｂの周方向の幅に一致している。そして、第２の差込溝Ｔ２０ｂにおいて軸方向（図２Ｃでは横方向）の幅は、第２の固定プレート部７０１ｂの周方向の幅とブロック７１１の周方向の幅とを合計した値に一致している。第１の差込溝Ｔ２０ａの拡大図については省略しているが、第２の差込溝Ｔ２０ｂと同様である。

支柱７０をトランジションピース２０に装着する際には、第１の固定プレート部７０１ａを第１の差込溝Ｔ２０ａに差し込むと共に、第２の固定プレート部７０１ｂを第２の差込溝Ｔ２０ｂに差し込む。その後、第１の差込溝Ｔ２０ａと第２の差込溝Ｔ２０ｂとのそれぞれにブロック７１１を差し込む。これによって、支柱７０がトランジションピース２０に固定される。

また、支柱７０は、冷却媒体ＣＡが流れる冷却流路Ｐ７０が、径方向に貫通するように設けられている。

支柱７０の冷却流路Ｐ７０に関して図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。図３Ａでは、横方向が軸方向に相当し、紙面に垂直な方向が径方向に相当する。図３Ｂでは、横方向が軸方向に相当し、縦方向が径方向に相当する。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、冷却流路Ｐ７０が設けられた支柱７０の内周面には、フィン７２１とピン７２２とが設けられている。

フィン７２１は、支柱７０の内周面のうちトランジションピース２０の入口側（図３Ａ、図３Ｂでは、右側）に複数が設けられている。フィン７２１は、円弧状の板状体であって、複数が径方向において間を隔てて設けられている。

ピン７２２は、支柱７０の内周面のうちフィン７２１よりもトランジションピース２０の出口側（図３Ａ、図３Ｂでは、左側）に設けられている。ピン７２２は、円柱状の棒状体であって、複数が径方向および軸方向において間を隔てて設けられている。

この他に、支柱７０は、軸方向貫通孔Ｋ７０が設けられている。軸方向貫通孔Ｋ７０は、支柱７０のうちトランジションピース２０の入口側に位置する部分に形成されており、軸方向に貫通している。つまり、軸方向貫通孔Ｋ７０は、支柱７０の内部に設けられた冷却流路Ｐ７０と、支柱７０においてトランジションピース２０の入口側に位置する外部との間を連通している。軸方向貫通孔Ｋ７０は、複数が径方向において間を隔てて設けられている。軸方向貫通孔Ｋ７０は、支柱７０のうちトランジションピース２０の入口側に位置する部分において、フィン７２１が設けられた部分以外の部分に設けられている。

冷却媒体ＣＡは、支柱７０の冷却流路Ｐ７０において径方向の一端および他端から流入する。冷却流路Ｐ７０の内部において、冷却媒体ＣＡは、フィン７２１およびピン７２２によって乱流化するため、対流冷却の作用が強化される。そして、冷却媒体ＣＡは、支柱７０においてトランジションピース２０の入口側に形成された軸方向貫通孔Ｋ７０からトランジションピース２０の内部へ排出される。このため、支柱７０において、出口側よりも高い温度になる入口側がフィルム冷却の作用によって効果的に冷却される。

以上のように、本実施形態のトランジションピース２０のうち、燃焼ガスＣＧがタービン部１３０へ流出する出口部分は、タービン部１３０の径方向において内側に位置している内周壁２１１と、径方向において内周壁２１１よりも外側に位置している外周壁２１２と、内周壁２１１と外周壁２１２との間に設けられた支柱７０とを備える。ここでは、内周壁２１１は、第１の差込溝Ｔ２０ａが形成されており、外周壁２１２は、第２の差込溝Ｔ２０ｂが形成されている。そして、支柱７０は、一端部が第１の差込溝Ｔ２０ａに差し込まれて固定されていると共に、他端部が第２の差込溝Ｔ２０ｂに差し込まれて固定されている。支柱７０は、溶接によってトランジションピース２０に接合されていない。

したがって、本実施形態のトランジションピース２０においては、支柱７０の固定部分に大きな熱応力が発生することを抑制することが可能である。また、本実施形態においては、支柱７０の交換を容易に実現することができる。

また、本実施形態では、複数の支柱７０がトランジションピース２０に設置されている。このため、トランジションピース２０の内部と外部との間の差圧に起因して、トランジションピース２０が変形することを効果的に防止することができる。

支柱７０の変形例に関して、図４を用いて説明する。図４においては、図２Ａと同様に、横方向が軸方向に相当し、縦方向が径方向の一部に相当する。

図４に示す変形例のように、支柱７０は、更に、インピンジ冷却が行われるように構成されていていることが好ましい。本変形例では、支柱７０は、冷却流路Ｐ７０が径方向に延在しているが、貫通していない。支柱７０において、冷却流路Ｐ７０は、径方向において外側に位置する他端部が開口しているが、径方向において内側に位置する一端部が閉じた状態になっている。支柱７０においてトランジションピース２０の入口側および出口側には、軸方向貫通孔Ｋ７０が形成されている。具体的には、トランジションピース２０の入口側（図４では左側）および出口側（右側）においては、たとえば、２つの軸方向貫通孔Ｋ７０が径方向において間を隔てて設けられている。トランジションピース２０の入口側に設けられた２つの軸方向貫通孔Ｋ７０は、トランジションピース２０の出口側に設けられた２つの軸方向貫通孔Ｋ７０に径方向で挟まれるように設けられている。そして、支柱７０において冷却流路Ｐ７０として機能する内部には、インサート部材７１が径方向の外側から挿入されている。

本変形例において、インサート部材７１は、円筒形状の管状体である。インサート部材７１の外径は、支柱７０の内径よりも小さく、インサート部材７１の外周面と支柱７０の内周面との間に空隙が介在している。また、インサート部材７１において、径方向の外側に位置する他端部には、フランジ７１Ｆが設けられている。インサート部材７１のフランジ７１Ｆは、トランジションピース２０の内周壁２１１において径方向の外側に位置する面に支持されている。インサート部材７１は、支柱７０と同様に、冷却流路Ｐ７１が径方向に延在しているが、貫通していない。インサート部材７１において、冷却流路Ｐ７１は、径方向において外側に位置する他端部が開口した状態であるが、径方向において内側に位置する一端部が閉じた状態になっている。インサート部材７１には、軸方向貫通孔Ｋ７１が設けられている。軸方向貫通孔Ｋ７１は、インサート部材７１のうちトランジションピース２０の入口側に位置する部分に形成されており、軸方向に貫通している。軸方向貫通孔Ｋ７１は、複数が径方向において間を隔てて設けられている。

本変形例において、冷却媒体ＣＡは、インサート部材７１の冷却流路Ｐ７１において径方向の外側に位置する開口から流入する。冷却媒体ＣＡは、インサート部材７１においてトランジションピース２０の入口側に形成された軸方向貫通孔Ｋ７１から支柱７０の冷却流路Ｐ７０へ排出されることによって、支柱７０を冷却する。その後、冷却媒体ＣＡは、支柱７０の冷却流路Ｐ７０においてトランジションピース２０の入口側および出口側に設けられた軸方向貫通孔Ｋ７０を流れることによって、支柱７０を冷却する。このように、フィルム冷却と共にインピンジ冷却を行うことで、支柱７０を冷却してもよい。

なお、上記の実施形態では、支柱７０が円筒形状である場合について例示したが、これに限らない。燃焼ガスＣＧの流れが支柱７０で阻害されることを抑制するために、たとえば、支柱７０の外形を流線形状にしてもよい。

その他、上記の実施形態では、トランジションピース２０に複数の支柱７０を設置する場合について説明したが、これに限らない。トランジションピース２０に設置する支柱７０は、単数でもよい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るトランジションピース２０の詳細に関して、図５を用いて説明する。図５では、トランジションピース２０の支柱７０とタービン部１３０において初段のタービン段落を構成する静翼１３４との配置関係を示しており、縦方向が周方向に相当し、横方向が軸方向に相当し、紙面に垂直な方向が径方向に相当する。本実施形態において、上記した実施形態と同一の部材については同一の符号を付し、重複する部分の説明に関しては適宜省略する。

図５に示すように、複数の支柱７０のそれぞれは、軸方向において複数の静翼１３４のそれぞれの前縁よりも上流側に位置するように配置されている。つまり、支柱７０と静翼１３４の前縁とが軸方向に沿って並んでいる。

本実施形態では、複数の静翼１３４の間において燃焼ガスＣＧが作動媒体として流れる流路の上流側には、支柱７０が配置されていない。このため、本実施形態では、支柱７０に起因する、燃焼ガスＣＧの流れ損失を低減することができる。

なお、本実施形態では、支柱７０の数と静翼１３４の数とが互いに同じ場合について例示したが、これに限らない。支柱７０の数が静翼１３４の数よりも少なくてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…トランジションピース部、２０…トランジションピース、２０Ａ…入口側、２０Ｂ…出口側、２０Ｊ…トランジションピース、３０…外筒、３１…噴出孔、７０…支柱、７２１…フィン、７２２…ピン、７１…インサート部材、７１Ｆ…フランジ、１００…ガスタービン設備、１１０…圧縮機、１１１…圧縮機ケーシング、１１２…動翼、１１３…圧縮機ロータ、１１４…静翼、１２０…燃焼器ライナ、１３０…タービン部、１３１…タービンケーシング、１３２…動翼、１３３…タービンロータ、１３４…静翼、２１１…内周壁、２１２…外周壁、７０１ａ…第１の固定プレート部、７０１ｂ…第２の固定プレート部、７１１…ブロック、ＣＡ…冷却媒体、Ｋ７０…軸方向貫通孔、Ｋ７１…軸方向貫通孔、Ｐ７０…冷却流路、Ｐ７１…冷却流路、Ｔ２０ａ…第１の差込溝、Ｔ２０ｂ…第２の差込溝。

Claims (2)

1. ガスタービン設備において燃焼ガスをタービン部へ導くトランジションピースであって、
   当該トランジションピースにおいて前記燃焼ガスが前記タービン部へ流出する出口部分は、
   前記タービン部の径方向において内側に位置している内周壁と、
   前記径方向において前記内周壁よりも外側に位置している外周壁と、
   前記内周壁と前記外周壁との間に設けられた支柱と
   を備え、
   前記内周壁は、第１の差込溝が形成されており、
   前記外周壁は、第２の差込溝が形成されており、
   前記支柱は、前記径方向において内側に位置する第１の端部が前記第１の差込溝に差し込まれて固定されていると共に、前記径方向において外側に位置する第２の端部が前記第２の差込溝に差し込まれて固定されている、
   トランジションピース。
2. 前記支柱は、前記タービン部に軸方向において初段のタービン段落を構成する静翼の前縁よりも上流側に位置するように配置されている、
   請求項１のトランジションピース。

Images