(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器の壁を冷却するためのシステムを提供すること。【解決手段】一実施形態では、システムはエンジン壁（５８）を含む。エンジン壁（５８）は、低温側（７２）と高温側（７４）とを含む。エンジン壁（５８）は、１以上の希釈孔（７０）を含み、１以上の希釈孔（７０）の各々は、低温側（７２）の第１の開口（８１）と、高温側（７４）の第２の開口（８３）と、低温側（７２）に施工され、第１の開口（８１）にほぼ外接する開口を有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）（７８）のセクションと、を含む。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ環状のトランジションピース（５８）を有するトランジションセクションを含むタービンエンジン（１０）を備えたシステムにおいて、
前記トランジションピース（５８）が、該トランジションピース（５８）の長手方向軸線（７６）に対して前記環状のトランジションピース（５８）を通って半径方向（７９）に延びる複数の希釈孔（７０）を有し、
前記複数の希釈孔（７０）の各々が、
前記トランジションピース（５８）の低温側（７２）の入口側開口（８１）と、
前記トランジションピース（５８）の高温側（７４）の出口側開口（８３）と、
前記低温側（７２）に施工され、前記入口側開口（８１）にほぼ外接する遮熱コーティング（ＴＢＣ）（７８）のセクションと
を備えるシステム。
【請求項２】
ＴＢＣ（７８）の各セクションが、離散的であり、各希釈孔（７０）の近傍での熱伝達を低減するよう表面積が制限される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記入口側開口（８１）が面取り部（９１）を含む、請求項１又は請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記面取り部（９１）が、前記トランジションピース（５８）の半径方向軸線（７９）に対して約１５〜７５度の角度（９０）を有する、請求項４記載のシステム。
【請求項５】
前記低温側（７２）に施工されたＴＢＣ（７８）が、約０．０２〜１．６ｍｍの厚さを有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記低温側（７２）に施工されたＴＢＣ（７８）が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＣ）、白金アルミナイド、ニッケルコバルト、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記トランジションピース（５８）の高温側（７４）に施工されたＴＢＣ（７８）の別の層を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記高温側（７４）に施工されたＴＢＣ（７８）が、約０．０２〜１．６ｍｍの厚さを有する、請求項８記載のシステム。
【請求項９】
低温側（７２）と、高温側（７４）と、１以上の希釈孔（７０）とを有するエンジン壁（５８）を備えたシステム（１０）であって、
前記１以上の希釈孔（７０）の各々が、
前記低温側（７２）の第１の開口（８１）と、
前記高温側（７４）の第２の開口（８３）と、
前記低温側（７２）に施工され、前記第１の開口（８１）にほぼ外接する開口を有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）（７８）のセクションと
を含む、システム。
【請求項１０】
前記１以上の希釈孔（７０）の各々の第１の開口（８１）が面取り部（９１）を含み、前記低温側（７２）に施工されたＴＢＣ（７８）のセクションが前記面取り部（９１）を少なくとも部分的に覆う、請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼器の壁を冷却するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。燃焼器は、燃料と加圧空気の混合気を燃焼して高温の燃焼ガスを発生するよう構成され、この高温燃焼ガスがタービンのブレードを駆動する。この燃焼では、燃焼器、タービン、及び他の構成部品の壁に沿って相当な量の熱が発生する。従って、ガスタービンエンジンは通常は、放熱のための１以上の冷却剤流を含む。例えば、圧縮機からの空気は、冷却並びに燃料との燃焼の両方に使用されることが多い。残念なことに、高温燃焼ガスと冷却剤流との間の温度差に起因して、特定の区域において高い温度勾配が生じる場合がある。結果として、高い温度勾配は、熱応力亀裂、漏洩、及び他の問題を引き起こす可能性がある。これらの問題は、とりわけ、タービン構成部品の性能、信頼性及び／又は寿命に悪影響を及ぼす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５２２０７９５号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
一実施形態では、タービンエンジンを含みシステムが提供される。タービンエンジンは、ほぼ環状のトランジションピースを有するトランジションセクションを含む。トランジションピースは、該トランジションピースの長手方向軸線に対してトランジションピースを通って半径方向に延びる複数の希釈孔を含む。複数の希釈孔の各々は、トランジションピースの低温側の入口側開口と、トランジションピースの高温側の出口側開口と、低温側に施工され、入口側開口にほぼ外接する遮熱コーティング（ＴＢＣ）のセクションと、を含む。
【０００６】
別の実施形態では、燃焼器壁を含むシステムが提供される。燃焼器壁は、低温側と高温側とを含む。燃焼器壁は更に、燃焼器壁を貫通する複数の希釈孔を含む。各希釈孔は、低温側に入口側開口と、高温側に出口側開口とを含む。各希釈孔は、入口側開口の回りに面取り部を含む。最後に、各希釈孔は、低温側に施工された離散的遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含む。
【０００７】
更に別の実施形態では、システムはエンジン壁を含む。エンジン壁は、低温側と高温側とを含む。エンジン壁は更に１以上の希釈孔を含み、１以上の希釈孔の各々は、低温側に第１の開口と、高温側に第２の開口と、低温側に施工され、第１の開口にほぼ外接する開口を有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）のセクションと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態による、強化された熱的特性を備えたトランジションピースを有する燃焼器セクションを含むタービンシステムのブロック図。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示すタービンシステムの切り欠き側面図。
【図３】本発明の一実施形態による、遮熱コーティング（ＴＢＣ）で処理された希釈孔を有するトランジションピースを含む、図２に示す燃焼器の切り欠き側面図。
【図４】本発明の一実施形態による、図３のトランジションピースの斜視図。
【図５】本発明の一実施形態による、ＴＢＣ処理希釈孔を示す、図４の弓状線５−５で囲まれたトランジションピースの外側表面の一部の部分平面図。
【図６】本発明の一実施形態による、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔の断面図。
【図７】本発明の別の実施形態による、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔の断面図。
【図８】本発明の別の実施形態による、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔の断面図。
【図９】本発明の更に別の実施形態による、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔の断面図。
【図１０】本発明の更に別の実施形態による、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔の断面図。
【図１１】図１０に示す、弓形線１１−１１により定められる領域内の希釈孔に施工することができるＴＢＣの実施形態を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び／又は環境条件の例は、開示した実施形態以外のパラメータ／条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。
【００１２】
本開示は、タービンエンジンの運転中の熱的性能を改善することができるトランジションピースを含むタービン燃焼器に関する。
【００１３】
説明を続ける前に、特許請求される主題を十分に理解するために、本開示全体を通して広く使用される幾つかの用語を最初に定義する。本明細書で使用される用語「上流」及び「下流」とは、燃焼器内部の燃焼ガスの流れに対する方向を指すものと理解されたい。すなわち、別途指示されない限り、用語「下流」は、燃料空気混合気が燃焼して燃焼器の燃料ノズルから離れてタービンに向かって流れる方向を指すことができる。同様に、用語「上流」とは、別途指示されない限り、上記で定義された「下流」方向と反対の方向を指すものと理解されたい。更に、上述のように、ガスタービンエンジンの運転中、燃焼器ライナ壁及び下流側トランジションピース壁の内側表面は、一般に、これらの構成部品の内側表面に沿った高温燃焼ガスの流れに起因してそれぞれの外側表面よりも実質的に高温になる。トランジションピース又は燃焼器ライナに関連して使用される場合、本明細書で使用される用語「高温側」又は同様の用語は、内側表面（例えば、タービン運転中に高温燃焼ガスが直接接触する表面）を指すものと理解され、用語「低温側」又は同様の用語は、外側表面（例えば、タービン運転中に高温燃焼ガスが直接には接触しない表面）を指すものと理解されたい。
【００１４】
加えて、以下で検討するように、本発明の実施形態によるトランジションピースは、「トランジションセクション」又は「移行ダクト」とも呼ばれ、トランジションピースの熱的特性を強化するためにトランジションピースの低温側及び／又は高温側に遮熱コーティング（ＴＢＣ）が処理された希釈孔を含むことができる。従って、用語「ＴＢＣ希釈孔」、「ＴＢＣ孔」又は同様の用語は、以下で更に詳細に説明するようなＴＢＣ処理された希釈孔を指すものと理解されたい。更に、希釈空気の流れをＴＢＣ希釈孔に通してトランジションピースキャビティ及び／又は燃焼室内に導入することに関して説明される場合には、ＴＢＣ希釈孔の低温側開口（例えば、外側表面上の開口）はまた、「入口側」と呼ばれ、ＴＢＣ希釈孔の高温側開口（例えば、内側表面上の開口）はまた、「出口側」と呼ばれる場合がある。
【００１５】
特定の実施形態では、以下で更に検討されるように、タービンエンジンのトランジションピースは、複数のＴＢＣ希釈孔を含むことができる。ＴＢＣ希釈孔は、トランジションピースに沿って円周方向及び／又は軸方向に配列することができ、トランジションピース壁を通って半径方向（トランジションピースの長手方向軸線に対して）に延びて、トランジションピースキャビティ内に流れる希釈空気用経路を定めることができる。一実施形態では、ＴＢＣ希釈孔は、トランジションピースの低温側上に希釈孔の入口側開口にほぼ外接するＴＢＣセクションを含めるよう処理することができる。幾つかの実施形態では、低温側ＴＢＣは、トランジションピースの高温側に施工された別のＴＢＣと共に用いることができる。運転中、希釈孔の入口側開口の回りへのＴＢＣの施工により、トランジションピース壁の高温側と低温側との間の温度差を低減することができる。このように、本発明の実施形態は、トランジションピース壁にわたる熱振動及び温度勾配を低減し、これによりタービンエンジンの運転中にトランジションピースにより生じる熱応力及び／又は引張応力を低減することができる。例えば、トランジションピースにより生じる熱応力及び引張応力を低減することによって、トランジションピース壁（特に、希釈孔付近の領域において）での亀裂及び／又は高温側から低温側への高温ガス噴出の発生が実質的に全て低減又は回避することができる。理解されるように、上述の利点は、とりわけ、タービンエンジン構成部品の性能、信頼性及び寿命を改善することができる。
【００１６】
次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、タービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示される。以下で詳細に検討されるように、開示されるタービンシステム１０は、タービン運転中の熱的特性を改善するＴＢＣ希釈孔を有するトランジションピースを利用することができる。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料を用いて、タービンシステム１０を稼働することができる。図示のように、複数の燃料ノズル１２が供給燃料１４を吸入して、該燃料を空気と混合し、空気燃料混合気を燃焼器１６内に分配する。空気燃料混合気は、燃焼器１６内の燃焼室で燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１６は、排出ガスをタービン１８に通して排出口２０に配向する。排出ガスがタービン１８を通過すると、ガスは、１以上のタービンブレードにシステム１０の軸線に沿ってシャフト２２を回転させるようにする。図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含むタービンシステム１０の種々の構成部品に接続することができる。圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合することができるブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードもまた回転し、これにより吸気口２６からの空気が圧縮機２４を通って加圧されて燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６内に入る。シャフト２２はまた、負荷２８に接続することができ、該負荷２８は、例えば、車両、発電プラント内の発電機のような静止負荷、又は航空機のプロペラとすることができる。理解されるように、負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって駆動することができるあらゆる好適なデバイスを含むことができる。
【００１７】
図２は、図１に概略的に示すタービンシステム１０の一実施形態の切り欠き側面図を示している。タービンシステム１０は、１以上の燃焼器１６内部に置かれた１以上の燃料ノズル１２を含む。燃焼器１６は、１以上のそれぞれの流れスリーブ内に配置された１以上の燃焼器ライナを含むことができる。トランジションピースは、ライナから下流側に結合することができ、燃焼ガスがタービン１８に流入することができる経路を提供することができる。上述のように、トランジションピースは、本発明の実施形態によれば、複数のＴＢＣ希釈孔で穿孔し、燃焼器１６の熱的性能を向上させることができる。以下で更に検討するように、ＴＢＣ希釈孔の各々は、トランジションピースの低温側に希釈孔の入口側開口にほぼ外接するＴＢＣセクションを含めるように処理することができる。
【００１８】
作動中、空気は、吸気口２６を通ってタービンシステム１０によって受けられ、圧縮機２４において加圧することができる。次いで、加圧された空気は燃料１４と混合され、燃焼器１６内で燃焼することができる。例えば、燃料ノズル１２は、燃料空気混合気を最適な燃焼、エミッション、燃料消費量、及び出力に好適な比率で燃焼器１６に噴射することができる。この燃焼は、高温の加圧排出ガスを発生し、該排出ガスがタービン１８内で１以上のブレード３２を駆動して、シャフト２２、ひいては圧縮機２４及び負荷２８を駆動する。タービンブレード３２の回転によってシャフト２２の回転が起こり、これにより圧縮機２２内のブレード３４が吸気口２６によって受けられた空気を引き込んで加圧する。
【００１９】
続いて図３を参照すると、図２に示すような燃焼器１６の一実施形態のより詳細な切り欠き側面図が示されている。燃焼器１６は、一般に、圧縮機２４及びタービン１８に流体結合されている。圧縮機２４は、ディフューザ３６及び吐出プレナム３８を含むことができ、これらは、燃焼器１６に対し下流側（矢印３５）に空気を送ることができるように流体連通して互いに結合される。図示の実施形態では、燃焼器１６は、該燃焼器１６の上流側ヘッド端部においてカバープレート４０を含む。カバープレート４０は、燃料ノズル１２を少なくとも部分的に支持することができ、更に、空気及び燃料が燃料ノズル１２に配向される経路を提供することができる。
【００２０】
図示のように、燃焼器１６は、プレナム３８から圧縮機空気を受け取るように構成された中空環状壁を含む。例えば、燃焼器１６は、流れスリーブ４４内に配置された燃焼器ライナ４２を含む。図３に示すようなライナ４２及び流れスリーブ４４の配置は、ほぼ同心状であり、環状の通路４６を定めることができる。特定の実施形態では、流れスリーブ４４及びライナ４２は、燃焼器１６の第１の又は上流側中空環状壁を定めることができる。ライナ４２の内部は、実質的に円筒又は環状の燃焼室４８を定めることができる。流れスリーブ４４は、複数の入口５０を付加的に含み、圧縮機２４からの空気の少なくとも一部が環状通路４６に入るための流路を設けることができる。換言すると、流れスリーブ４４は、開口のパターンで穿孔し、有孔環状壁を定めることができる。燃焼器ライナ４２及び流れスリーブ４４から下流側（例えば、方向５２）では、第２の流れスリーブ５４（「衝突スリーブ」とも呼ばれる）は、流れスリーブ４４に結合することができる。従って、方向５２は、燃料ノズル１２から離れて燃焼器ライナ４２及びトランジションピース５８を通る燃焼ガスの流れに対して下流方向を表すことができる。
【００２１】
図示の実施形態では示されるように、流れスリーブ４４は、衝突スリーブ５４の一部を受け取るように構成された装着フランジ５６を含むことができる。トランジションピース５８は、衝突スリーブ５４内に配置することができ、結合部材（例えば、フランジ）、シール部材、又はこれらの何れかの組み合わせを用いて、ライナ４２の下流端部に結合することができる。衝突スリーブ５４及びトランジションピース５８の同心配列は、環状通路６０を定めることができる。図示のように、環状通路６０は、環状通路４６に流体結合されている。特定の実施形態では、衝突スリーブ５４及びトランジションピース５８は、燃焼器１６の第２の又は下流側中空環状壁を定めることができる。衝突スリーブ５４は、複数の入口６２（例えば、有孔環状壁）を含むことができ、圧縮機２４からの空気の少なくとも一部が環状通路６０に入るための流路を設けることができる。従って、要素４２、４４、５４、及び５８は共に、燃料ノズル１２への空気流をもたらすように構成された中空環状壁を定める。加えて、燃料ノズル１２に供給される空気流はまた、燃焼により発生する熱に対してある程度の冷却を燃焼器１６に提供することができる。トランジションピース５８の内部キャビティ６４は一般に、燃焼室４８からの燃焼ガスをタービンノズル６６を通してタービン１８に配向することができる経路を提供することができる。
【００２２】
上述のように、タービンシステム１０は、作動時には吸気口２６を通して空気を吸い込む。シャフト２２により駆動される圧縮機２４が回転して空気を加圧し、加圧された空気は、図３に示す矢印３５で示すディフューザ３６に吐出される。加圧空気の大半は更に、ディフューザ３６を用いて圧縮機２４からプレナム３８を通り燃焼器１６に吐出される。ここでは詳細に図示されていないが、タービンエンジン１０の他の構成部品の冷却のために加圧空気の小部分が下流側に送られる。プレナム３８内の加圧空気の一部は、入口６２を通って環状通路６０に入ることができる。次に、環状通路６０に入る空気は、環状通路６０に流体結合された環状通路４６に向けて上流側に送られる。すなわち、上流側方向（方向５２に対して）の流路は、環状通路４６（スリーブ４４及びライナ４２により形成される）及び環状通路６０（スリーブ５４及びトランジションピース５８により形成される）により定められる。すなわち、環状通路６０に入る加圧空気は、引き続き上流側の環状通路４６に入り、更にカバープレート４０及び燃料ノズル１２に向けて流れることができる。同時に、プレナム３８からの加圧空気の一部はまた、入口５０を介して環状通路４６に入ることができる。換言すると、環状通路４６は、環状通路６０及び入口５０両方からの上流側空気流の寄与を受けることができる。次に、燃料ノズル１２によって受けられる空気は、燃料１４と混合されて燃焼室４８内で点火される。次いで、結果として得られる燃焼ガスは、矢印５２で示すように、燃焼室４８及びトランジションピースキャビティ６４を通って下流側（燃料ノズル１２から離れて）に送られ、タービンノズル６６を通じてタービン１８（図２）に出る。
【００２３】
上述のように、本発明の特定の実施形態は更に、トランジションピースキャビティ６４への希釈空気の流れを提供することができる。例えば、図３に示すように、トランジションピース５８はまた、複数のＴＢＣ希釈孔７０で穿孔することができる。図示の実施形態では、ＴＢＣ希釈孔７０を介して提供される希釈空気は、環状通路６０内で（衝突スリーブ５４上の入口６２を介して）受けられた圧縮機空気の一部とすることができる。理解されるように、希釈空気を利用して、吸収物の冷却及び／又は加熱を可能にし、排出ガスの分布を操作及び／又は制御し、エミッション特性を制御し、又はこれらの何れかの組み合わせを行うことができる。例えば、一部のタービン用途において、燃焼プロセスから結果として得られるエミッションは、窒素ベース酸化物化合物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素を含むことができる。窒素の酸化物は通常、燃焼器１６内で生成された燃焼ガスの温度により影響を受ける。燃焼器１６内の温度を低下させることにより、ＮＯｘ形成を低減することができる。従って、ある用途において、希釈空気がＴＢＣ希釈孔７０を用いてトランジションピースキャビティ６４内に供給されて冷却を提供し、従って、ＮＯｘ形成が実質的に低減又は排除されるレベルにまで燃焼ガス温度を低下させることができる。
【００２４】
より詳細に理解されるように、燃焼室４８及びキャビティ６４を流れる燃焼ガスの温度は、一般に、環状通路４６及び６０を流れる加圧空気の温度よりも実質的に高温となる。例証として、トランジションピース５８の低温側７２に沿って環状通路４６及び６０を上流側に（燃料ノズル１２に向けて）流れる加圧空気（入口５０及び６０を介して受けられる）の温度は、約１００〜１０００°Ｆとすることができ、トランジションピース５８の低温側７２に沿ってトランジションピースキャビティ６４を下流側（燃料ノズル１２から離れて）に流れる燃焼ガスの温度は、約２０００〜３５００°Ｆとすることができる。換言すると、高温側７４と低温側７２との間の温度差は、１０００、１５００、又は２０００°Ｆよりも少なくとも大きいとすることができる。従って、高温側７４と低温側７２の温度比は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０よりも少なくとも大きいとすることができる。更に、燃焼ガスと加圧空気の前述の温度範囲、温度差、及び比率は例証として与えられているだけであり、付加的な実施形態では、燃焼ガス及び加圧空気の温度は、上記で提供される特定の実施例よりも高いか又は低くてもよい。従って、従来のタービンシステムは、トランジションピース５８の低温側７２及び高温側７４間で実質的に大きな温度勾配を生じる可能性がある。本発明の実施形態によれば、希釈孔７０の各々は、トランジションピース５８の低温側７２上にそれぞれの希釈孔７０の入口側開口にほぼ外接するＴＢＣセクションを含めるよう処理することができる。以下でより詳細に検討されるように、トランジションピース５８の低温側７２並びに希釈孔７０の入口側開口付近へのＴＢＣの施工により、他の場合にトランジションピース５８により生じる熱応力及び／又は引張応力を低減し、従って、タービン運転及び性能を向上させることができる。
【００２５】
ここで図４を参照すると、トランジションピース５８の実施形態を示す斜視図が示されている。図示の実施形態では、トランジションピース５８は、図示した基準軸線によって示されるように、トランジションピース５８の長手方向軸線７６に対して軸方向（方向７６）及び円周方向（方向７７）の両方に配列された複数のＴＢＣ希釈孔７０を含むことができる。各ＴＢＣ希釈孔７０は、トランジションピース５８を通って半径方向（軸線７９に沿って）に延びることができ、トランジションピース５８の低温側７２の第１の開口（入口側開口）及び高温側７４の第２の開口（出口側開口）により定めることができる。上述のように、各ＴＢＣ希釈孔７０は、低温側７２で希釈孔７０の入口側開口にほぼ外接するＴＢＣ７８のセクションを含むように処理することができる。このようにしたＴＢＣ７８の施工により、トランジションピース５８の低温側７２と高温側７４との間の熱勾配が低減され、これによりタービンエンジンの運転中にトランジションピース５８により生じる熱応力及び／又は引張応力を低減することができる。換言すると、トランジションピース５８は、希釈孔７０と一致するＴＢＣセクション７８のパターンを含むことができる。ＴＢＣセクション７８のパターンは、一般的にはトランジションピース５８の低温側７２全体を覆うものではない条件下で、離散的又は連続的とすることができる。加えて、図示の実施形態は、軸方向及び円周方向の両方でほぼ線形に配列されているＴＢＣ希釈孔７０を描いているが、他の実施形態では、ＴＢＣ希釈孔７０は、あらゆる好適な方式で配列することができる点は理解されたい。例えば、ＴＢＣ希釈孔７０は、軸方向７６のみでほぼ線形に配列することができ、或いは、円周方向７７のみでほぼ線形に配列することができる。ＴＢＣ希釈孔７０はまた、
軸方向７６又は円周方向７７の一方又は両方で非線形的に配列することができる。加えて、ＴＢＣ希釈孔７０は一定のサイズを有することができ、或いはサイズが変化してもよい点は理解されたい。例えば、ＴＢＣ希釈孔７０は、第１の直径の孔と第２の直径の孔とを円周方向及び／又は軸方向に交互にすることができる。ＴＢＣ希釈孔７０の種々の実施形態を図５〜１１に関して更に説明する。
【００２６】
次に図５を参照すると、図４に示す弓状線５−５で定められる円形領域内のトランジションピース５８の低温側７２の部分平面図が示される。トランジションピースの図示の部分は、ほぼ円形形状の希釈孔７０を含み、トランジションピース壁を通って半径方向（軸線７９）に延びる。図５に示すように、希釈孔７０は、トランジションピース５８の低温側７２に施工されたＴＢＣ７８のセクションを含むことができ、ＴＢＣ７８がほぼ円形であり、希釈孔７０の入口側開口８１にほぼ外接する開口を含むようにする。本発明の例示の実施形態は、ほぼ円形孔７０を図示しているが、希釈孔７０及び対応するＴＢＣ７８のあらゆる好適な構成を利用できる点は理解されたい。例えば、他の実施形態では、希釈孔７０及び／又はＴＢＣ７８は、正方形、矩形、楕円形、三角形、及びその他とすることができる。実際に、ＴＢＣ７８は、使用される特定の孔幾何形状とは関係なく希釈孔７０の入口側開口８１にほぼ外接するよう低温側７２に施工できるという条件下で、希釈孔７０及びＴＢＣ７８に関してあらゆる好適な幾何形状の組み合わせを利用することができる。
【００２７】
理解できるように、各希釈孔７０を通る冷却空気流は、各希釈孔７０付近において最も有効にした状態でトランジションピース５８から熱を移動させる。具体的には、希釈孔７０は、空気流を冷却するためにより多くの表面積（例えば、孔７０の内側表面）を加え、トランジションピース５８を全体的に冷却する。結果として、冷却空気流は、希釈孔７０の無い区域と比較して、各希釈孔７０付近においてより優れた強制対流冷却を提供する。残念なことに、ＴＢＣ７８が無い場合、各希釈孔７０を通る空気流によるこの大きな冷却は、各希釈孔７０付近においてより大きな温度勾配を生じる。本発明の実施形態では、ＴＢＣ７８は、各希釈孔７０付近において冷却空気流を少なくとも部分的に熱的に絶縁し低減するよう構成される。換言すると、ＴＢＣ７８のサイズ、厚さ、表面積、材料組成、及び一般的特徴は、各希釈孔７０を通過する冷却流により引き起こされる大きな対流冷却を低減するよう選択することができ、これにより各希釈孔７０付近においてより均一な温度分布が得られる。例えば、各希釈孔７０を通る冷却流が、希釈孔７０付近の温度分布を希釈孔７０からの深さ及び距離に応じて特定の割合だけ変化させる場合、希釈孔７０は、温度分布のこの変化を相殺するよう一定の厚さ及び被覆範囲のＴＢＣ７８で覆うことができる。
【００２８】
図５の図示のＴＢＣ希釈孔は、図６を参照するとより理解することができ、図６は、図５の切り欠き線６−６に沿った希釈孔７０の断面図を示している。図示のように、ＴＢＣ７８のセクションは、トランジションピース５８の低温側７２に形成され、ＴＢＣ７８が希釈孔７０の入口側開口８１をほぼ外接するようにする。上述のように、ＴＢＣ７８の施工は、トランジションピース５８の低温側７２及び高温側７４間、特に希釈孔７０のほぼ近傍における温度勾配を低減するのを助けることができ、運転中にトランジションピースにより生じる熱応力及び／又は引張応力を低減することなどによって、タービン性能を改善することができる。図示の実施形態では、トランジションピースの高温側７４は、別のＴＢＣ８０でコーティングすることができる。例えば、ＴＢＣ８０は、一般に、トランジションピース５８の高温側７４全体に、又は高温側７４の一部だけに施行することができる。理解されるように、高温側７４のＴＢＣ８０と低温側７２のＴＢＣ７８との組み合わせは、トランジションピース５８の温度勾配を更に低減することができ、従って、タービン性能を更に改善することができる。図示の実施形態は、低温側ＴＢＣ７８及び高温側ＴＢＣ８０を含む希釈孔７０を示しているが、トランジションピース５８の他の種々の実施形態がＴＢＣ８０を含まずにＴＢＣ７８を含み、或いはＴＢＣ７８を含まずにＴＢＣ８０を含むことができる点は理解されたい。換言すると、トランジションピース５８の実施形態は、希釈孔７０の入口側８１及び出口側８３それぞれに、ＴＢＣ７８のみ、ＴＢＣ８０のみ、或いはＴＢＣ７８及びＴＢＣ８０両方の組み合わせを含むことができる。
【００２９】
更に理解されるように、希釈孔７０、ＴＢＣ７８、及びＴＢＣ８０の寸法は、特定の実施に必要な特定の温度特性に応じて変わる可能性がある。例証として、希釈孔７０の特定の実施形態は、約１〜１００ｍｍ、より具体的には５〜７ｍｍの直径８２を有することができる。しかしながら、希釈孔７０の他の実施形態は、１００ｍｍよりも大きいか、又は１ｍｍよりも小さい直径を有することもできる。希釈孔７０は、例えば、フライス加工、鋳造、成形、又はレーザエッチング／カッティングなどの何らかの好適な技法を用いて形成することができる。幾つかの実施形態では、ＴＢＣセクション７８の直径８４は、希釈孔７０の直径８２に比例することができる。例証として、ＴＢＣセクション７８の直径８４は、希釈孔７０の直径８２の約１．５、２、２．５、３、又は３．５倍とすることができる。他の実施形態では、ＴＢＣセクション７８の直径８４は、希釈孔７０の直径８２の１．５倍よりも小さい、又は３．５倍よりも大きくてもよい点を理解されたい。更に、ＴＢＣセクション７８の表面積は、入口側開口の表面積の倍数又は分数として求めることができる。例えば、ＴＢＣセクションの表面積は、希釈孔７０の入口側開口８１の表面積の約０．２５、０．５、０．７５、１、１．５、２、２．５、３、４、又は５倍とすることができる。
【００３０】
同様に図示のように、トランジションピース５８の壁は、参照符号８で示す厚さを有することができる。特定の実施形態では、トランジションピース壁の厚さ８６は、約０．１〜２ｍｍ、又はより具体的には、０．１２〜１．６ｍｍとすることができる。同様に、他の実施形態では、厚さ８６は、０．１ｍｍよりも小さいか、又は２ｍｍよりも大きくてもよい点は理解されたい。図示の実施形態では、希釈孔７０は、トランジションピース壁の厚さ８６に等しい厚さを有する。更に、ＴＢＣ７８及びＴＢＣ８０の厚さは異なることもできる。例えば、特定の実施形態では、ＴＢＣ７８は、約０．０１〜２ｍｍ、より具体的には０．０２５〜１．６ｍｍの厚さを有することができる。同様に、ＴＢＣ８０は、約０．０１〜２ｍｍ、又はより具体的には、０．０２５〜１．６ｍｍの厚さを有することができる。しかしながら、他の実施形態では、ＴＢＣ７８及び／又はＴＢＣ８０の厚さは、０．０１ｍｍよりも小さいか、又は２ｍｍよりも大きいとすることができる。更に、幾つかの実施形態では、ＴＢＣ７８及びＴＢＣ８０は、同じ厚さを有することができ、又は異なる厚さを有することができる。低温側７２のＴＢＣ７８の厚さは、希釈孔７０全てにわたって均一にすることができ、又は希釈孔７０にわたり変わることもできる。例えば、トランジションピース５８の第１の希釈孔７０は、第１の厚さを有することができ、トランジションピース５８の第２の希釈孔７０は、第１の厚さとは異なる第２の厚さを有することができる。
【００３１】
例証として、特定の実施形態では、ＴＢＣ７８が存在することにより、トランジションピース壁において、特に希釈孔７０の近傍における温度勾配を約２００〜５００°Ｆよりも少なくとも大きく低減することができる。温度保護の提供及び温度勾配の低減に加えて、ＴＢＣ７８及び８０のような遮熱コーティングはまた、腐食保護及び機械的耐摩耗性向上をもたらすことができる。ＴＢＣ７８及びＴＢＣ８０は、幾つかの好適な材料により設けることができる。例証として、ＴＢＣ７８及び８０は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＣ）、白金アルミナイド、又はＣｒ−Ａｌ−Ｙ材料（Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、及びＹはイットリア、チタニウム、又はハフニウムのうちの１つである）と組み合わされたニッケルコバルトを含むことができる。加えて、ＴＢＣ７８及び／又はＴＢＣ８０は、同じ材料又は異なる材料から形成することができる。更に、遮熱コーティングは、空気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）、静電スプレーアシスト蒸着（ＥＳＡＶＤ）、又は直接蒸着を含む、あらゆる好適な技法を用いて施工することができる。更に、幾つかの実施形態では、ＴＢＣ７８及び／又はＴＢＣ８０は、トランジションピース５８における目標平衡温度勾配に適合する所望の熱伝導率に基づいたＳｕｐｅｒＢ形ＴＢＣとすることができる。
【００３２】
次に図７を参照すると、図５のカット線６−６に沿った希釈孔７０の別の実施形態の断面図が示されている。図７に示す希釈孔７０は、トランジションピース５８の低温側７２が希釈孔７０の入口側開口８１の回りにほぼ円錐型面取り部９１を含むことを除き、図６に関して上記で説明した実施形態と同様である。図７における面取り入口側開口は、図６に示す非面取りの実施形態と比べて流動ダイナミックスの改善をもたらすことができる。例えば、面取り部の適用は、境界層分離を低減し、希釈孔７０の入口側開口８１を通り低温側７２（例えば、環状通路６０において）に沿ってトランジションピースキャビティ６４内に流れるときに、希釈空気の流れをトランジションピース壁により付着して維持することができる。面取り部９１はまた、高温側７４及び低温側７２にわたる温度勾配を低減することにより高温ガス再循環（例えば、トランジションピース５８の内部の燃焼ガスを介して）を減少させることができ、従って、希釈孔７０付近のトランジションピース壁の温度を更に低減することができる。
【００３３】
図示のように、希釈孔７０の入口側開口８１付近の面取り部９１は、角度９０を有することができる。特定の実施形態では、角度９０は、約１５、３０、４５、６０、又は７５度とすることができる。他の実施形態では、角度９０は、１５度よりも小さいか、又は７５度よりも大きくてもよい。更に、理解されるように、入口側開口８１上の面取り部９１に起因して、希釈孔７０の厚さ９２（例えば、垂直方向高さ）は、トランジションピース壁の厚さ８６よりも小さい。図示の実施形態では、ＴＢＣセクション７８は、希釈孔７０の低温側７２の面取り部全体にわたって施工されている。すなわち、ＴＢＣセクション７８の内側縁部８８は、希釈孔７０の入口側開口８１に対してほぼ同心で同じ大きさにされる。
【００３４】
図７に示す実施形態は、ＴＢＣ７８の内側縁部８８を希釈孔７０の入口側開口８１とほぼ同心で同じ大きさであるように図示しているが、ＴＢＣ７８の他の実施形態は、希釈孔７０の入口側開口８１に対して非同心で異なるサイズにされた内側縁部８８を含むことができる。例えば、図８を参照すると、図５の切り欠き線６−６に沿ったＴＢＣ希釈孔７０の別の実施形態を示す断面図が示されており、ここでＴＢＣ７８は、内側縁部８８が希釈孔７０の入口側開口８１から参照符号９６で示す「分離距離」だけオフセットするように施工される。換言すると、入口側開口８１及び内側縁部８８は、異なる直径を有することができる。これは、ＴＢＣ７８によりコーティングされていない低温側７２に面取り部９１のセクション９４を生じることになる。特定の実施形態では、分離距離９６は、約０．０１〜０．３ｍｍ、より具体的には０．０２〜０．２６ｍｍよりも少なくとも小さくすることができる。他の実施形態では、距離９６は、０．０１ｍｍよりも小さいか、又は０．３ｍｍよりも大きくてもよい。ＴＢＣセクション７８の内側縁部８８の直径はまた、直径の関数として表すことができる。例えば、内側縁部８８の直径は、入口側開口８１の直径よりも５、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００パーセントとすることができる。図示の実施形態では、面取り部９１の非コーティングセクション９４は、タービュレーション要素として役目を果たすことができ、希釈孔７０を通る空気流と希釈孔壁（例えば、入口側８１と出口側８３開口間に定められた壁）との間の表面接触を増やすことにより、流動ダイナミックスを更に強化することができる。理解されるように、分離距離９６は、トランジションピース壁の温度が希釈孔７０の近傍での熱及び／又は引張応力集中を最小限にするように選択することができる（例えば、特定の実施要求に応じて）。
【００３５】
次に図９を参照すると、図５の切り欠き線６−６に沿ったＴＢＣ希釈孔７０の別の実施形態を示す別の断面図が示される。図９の実施形態は、ＴＢＣ７８が希釈孔の入口側開口８１から外向きに延びたときに、低温側のＴＢＣ７８の厚さが変化している（図６ではほぼ一定の厚さを有するのとは異なり）ことを除いて、図６の実施形態と同様である。例えば、図示のように、ＴＢＣ７８の厚さは、ＴＢＣ７８の最外縁部１０１から参照符号１００で全体的に示される面取り部９１の最外縁部まで、ほぼ一定とすることができる。しかしながら、低温側７２の面取り部に沿ったＴＢＣ７８の厚さは、ＴＢＣ７８が希釈孔７０の入口側開口８１に近づくにつれて漸次的に減少することができる。すなわち、面取り部９１の最外縁部１００と最内縁部１０２との間で、ＴＢＣ７８は円錐形のテーパ付き形状を有することができる。理解されるように、ＴＢＣ７８に変化する厚さを設けることにより、流動ダイナミックスを更に改善することができ、希釈空気流に対して境界層分離の低減を助けることができる。また、ＴＢＣ７８の変化する厚さは、孔７０の近傍で絶縁を低くし、孔７０から離れるほど絶縁をより高くし、すなわち孔７０に近いほどより冷却されるようにすることで、特定の温度分布を良好に達成するのを助けることができる。
【００３６】
図１０を参照すると、図５の切り欠き線６−６に沿ったＴＢＣ希釈孔７０の更に別の実施形態が示される。図１０に示すように、トランジションピース５８の低温側７２は、前述の実施形態（図７〜９）に示した面取り部９１と比べて小さな角度９０を有する面取り部９１を含むことができる。理解されるように、製造関連では、面取り表面へのＴＢＣ７８の施工は、面取り部９１の角度９０が小さくなるほど、困難で且つ高コストとなる可能性がある。例証として、この実施形態の面取り部９１は、１５度又はそれ未満とすることができる。従って、この実施形態では、ＴＢＣ７８は、面取り部９１は覆わずに、低温側７２表面を覆うように施工することができる。他の実施形態では、ＴＢＣ７８は、面取り部９１の全部ではなく、一部に施行することができる。加えて、ＴＢＣ７８の最内縁部１０２は、面取り部９１と連続させることができる。例証として、ＴＢＣ７８の最内縁部１０２は、面取り部９１及び最内縁部１０２が共にほぼ平行で連続しているように角度を付けることができる。すなわち、最内縁部１０２の角度は、面取り部９１の角度９０に等しくすることができる。
【００３７】
図１１を参照すると、図１０の弓形部１１−１１で定められる領域内にあるＴＢＣ７８の連続縁部１０２のより詳細な拡大図が示される。図示のように、ＴＢＣ７８の最内縁部１０２の角度は、面取り部９１の角度９０に等しくすることができる。更に、ＴＢＣ７８はまた、ほぼ円形の縁部１０４を含むことができ、これは、流体ダイナミックスの改善、並びに希釈孔７０への希釈空気の流れに対する境界層分離の低減を更に助けることができる。次に進む前に、上述の実施形態は、ほぼ直線状、円錐状、又は平坦な表面を有する面取り部を開示しているが、幾つかの実施形態では、希釈孔７０の入口側開口８１の回りの面取り部９１はまた湾曲又は円形であってもよい点に留意されたい。例えば、面取り部９１は、入口側開口８１内に漸次的に湾曲していてもよい（例えば、漸次的に変化する角度）。また、上述の実施形態は、燃焼器１６のトランジションピース５８上に配列されたＴＢＣ希釈孔７０を一般に記載しているが、ＴＢＣ希釈孔７０はまた、燃焼器ライナ４２上に設けてもよい点を理解されたい。
【００３８】
低温側ＴＢＣ７８並びに高温側ＴＢＣ８０は、あらゆる好適な遮熱コーティング施工技法を用いて施工することができる。例えば、ＴＢＣ７８は、以下のようにしてトランジションピース５８の低温側７２に施工することができる。最初に、トランジションピース５８の低温側７２にマスクが施され、ＴＢＣ７８が施工されることになる低温側７２の表面上のセクションだけが露出されるようになる。例えば、マスクは、希釈孔７０の入口側開口８１（面取り又は非面取りにすることができる）に外接するセクションだけを露出したままにすることができる。マスクが施されると、トランジションピース５８の露出セクションにボンドコート材料を塗布するのに好適な温度までトランジションピース５８を加熱（例えば、オーブン中）することができる。加えて、ＴＢＣ（例えば、８０）もまたトランジションピース５８の高温側７４に施工される実施形態では、低温側７２にボンドコーティングを塗布するのと同時に、高温側７４にもボンドコーティングを塗布することができる。
【００３９】
ボンドコーティングが塗布されると、トランジションピース５８は、使用されるボンドコーティング及び／又は施工されるＴＢＣのタイプに応じて、約５〜３０分とすることができる時間期間の間、加熱を維持することができる。その後、上記で検討した好適な施工技法（例えば、ＡＰＳ、ＥＳＡＶＤ、ＥＢ−ＰＶＤ、直接蒸着、その他）の何れかを用いて、ボンドコーティングが塗布されたセクション上のトランジションピース５８にＴＢＣを施工することができる。例えば、ＴＢＣ７８は、低温側７２の露出（例えば、マスクされていない）セクションに施工することができ、ＴＢＣ８０は、高温側７４全体又は高温側７４の一部だけに施工することができる。その後、トランジションピース５８に加えられた熱は、例えば約３０分〜２時間の期間にわたり漸次的に減少させることができる。次に、ＴＢＣは、特定の実施形態に従って更に処理することができる。例えば、図８の実施形態では、ＴＢＣ７８の一部を除去し、希釈孔７０の入口側開口８１付近の分離距離９６を形成することができる。図９の実施形態では、ＴＢＣ７８の一部を除去し、面取り縁部に沿った変化する厚さを設けることができる。更に、図１０及び１１に示す実施形態に関して、ＴＢＣ７８の一部を除去し、角度付き最内縁部１０２及び／又は円形縁部１０４を設けることができる。
【００４０】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４１】
１０  タービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  燃料
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  排気口
２２  シャフト
２４  圧縮機
２６  吸気口
２８  負荷
３２  ブレード
３４  ブレード
３５  下流側方向
３６  ディフューザ
３８  プレナム
４０  カバープレート
４２  燃焼器ライナ
４４  流れスリーブ
４６  環状通路
４８  燃焼室
５０  入口
５２  下流側方向
５４  衝突スリーブ
５６  フランジ
５８  トランジションピース
６０  環状通路
６２  入口
６４  キャビティ
６６  ノズル
７０  遮熱コーティング（ＴＢＣ）希釈孔
７２  低温側
７４  高温側
７６  軸方向
７７  円周方向
７８  遮熱コーティング（ＴＢＣ）
７９  半径方向方向
８０  遮熱コーティング（ＴＢＣ）
８１  入口側開口
８２  直径
８３  出口側開口
８４  直径
８６  厚さ
８８  内側縁部
９０  角度
９１  面取り部
９２  厚さ
９４  非コーティングセクション
９６  分離距離
１００  面取り部最外縁部
１０１  ＴＢＣ最外縁部
１０２  面取り部最内縁部
１０４  円形縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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