(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器とガスタービン段との間を連結するための管状の移行部材（２０）において、
ガスタービン燃焼器に連結するための上流端と、タービン段に連結するための下流の後端（２２）とを有し、
半径方向内側部分および半径方向外側部分を有し、後端に形成された周縁リブ（３２）と、
前記半径方向外側部分の中央部の所で前記周縁リブにすべての自由度を拘束し、前記中央部の所以外では前記半径方向の自由度のみ拘束する支持部材（３０，７２，７４）と、
を備えていることを特徴とする移行部材。
【請求項２】
前記支持部材（３０，７２，７４）が、前記中央部の所でクランプ固定される請求項１に記載の移行部材。
【請求項３】
前記支持部材（３０）が前記移行部材の外部に設けられていて、前記後端の外周にわたって延在している請求項１に記載の移行部材。
【請求項４】
前記支持部材（７２，７４）が、前記半径方向外側部分に沿って延在している第１支持ロッド（７２）と、前記半径方向内側部分に沿って延在している第２支持ロッド（７４）とを備える請求項１に記載の移行部材。
【請求項５】
前記前記移行部材が前記外部フレームに対して熱膨張できるようになっている請求項１に記載の移行部材。
【請求項６】
前記第１支持ロッドが前記半径方向内側部分にクランプされ、前記第２支持ロッドが前記外側部分にクランプされている請求項４に記載の移行部材。
【請求項７】
前記第１および第２支持ロッドは予めストレスが加えられた状態になっていて前記移行部材に外向きの力をかけている請求項４に記載の移行部材。
【請求項８】
前記第１支持ロッドの両端が前記半径方向外側部分に固定されたサドル（５２、５４）により摺動自在に支持され、且つ前記第２支持ロッドの両端が前記内側部分に固定されたサドル（６０，６２）により摺動自在に支持され、これにより前記移行部材が熱膨張することができる請求項４に記載の移行部材。
【請求項９】
前記半径方向外側部分がガスタービン段の保持リング（８８）により支持される請求項４に記載の移行部材。
【請求項１０】
前記半径方向外側部分の中央部には、前記保持リングの相補形の孔と係合する第１軸線方向ピン（８４）が設けられ、さらに前記半径方向外側部分の両端には、前記保持リングの溝孔にはまる第２および第３軸線方向ピン（８２）が設けられている請求項９に記載の移行部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には、潜在的に許容範囲を超える高い応力レベルを生じる大きな機械的負荷と大きな熱勾配とが併存するガスタービン構造支持システムに関する。特に、本発明はガスタービンの移行部材の後端の再設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの移行部材は、代表的には燃焼システムの燃焼器をタービンの第１段に連結する複雑な形状の管状部材である。従来のシステムでは、移行部材をタービン段に連結するための移行部材の後方装着部が、後端フレームより上流で移行部材本体に溶接されて、そこから突出している。
【０００３】
ガスタービン移行部材の問題として、後端開口が高い金属温度でのクリープのために反って狭まる傾向があることがよく知られている。この望ましくない反りの原因は、管状移行部材の外側にかかる圧力が内側よりも高いことである。周知のように、移行部材の後端は、高熱燃焼ガスを燃焼器からタービンに送るために、環状のセクタすなわち扇形の形状に移行する必要がある。この環状の幾何形状は、その性質上、外部圧力荷重に対して弱い。クリープ現象は設計上の制約の一つであり、これにより燃焼器の最小数やガスタービンの最高ガス温度が決められる。もう一つの設計上の制約は、移行部材の熱応力疲労亀裂である。
【０００４】
米国特許５，４１４，９９９号には、移行部材の後端に一体の補強フレームを形成することが記載されている。この厚さを増したフレームには、移行部材をタービン段に取り付けるための装着具が設けられている。しかし、単に後端フレーム壁を厚くしても、熱応力が増加し、部材の運転寿命は長くならないことを見出した。
【０００５】
図１乃至３を参照すると、一体の後部フレーム１２を含む従来の移行部材１０が図示されている。一体のフレーム１２は１乃至３個またはそれ以上のリブを含む。図示例では、１対の直立周縁リブ１４、１６（図３）が移行部材の後端開口のまわりに延在している。装着具１８がフレームの上流に配置されているが、前記米国特許５，４１４，９９９号に従ってこれをフレームと一体化することができる。リブ１４、１６は次の３つの機能を果たす。（１）環状の幾何形状のせいで移行部材にかかる外部圧力に対する抵抗性が弱くなっているい後端を構造上強化する。（２）ラビリンスシールを取り付ける。（３）冷却表面積を増加する。
【０００６】
しかし、このようなリブを組み込んだ結果として、リブ中に大きな熱勾配が生じ、大きな熱応力の原因となる。さらに、圧力荷重に対する抵抗性を改善するために、リブの曲げ強さ（すなわち、リブの断面係数）を増加すると、熱応力が増加してしまう。したがって、最大許容熱応力によりリブ断面係数が制限され、一方リブ断面係数により移行部材の円周方向長さ（すなわち、所定の金属温度での燃焼器の数）が制限される。現在の設計では、熱疲労による亀裂を生じない最も深いリブが用いられてるが、リブ幅は熱伝達と封じの問題により制限される。
【０００７】
【発明の開示】
本発明によれば、ガスタービン移行部材の後端に支持部材（構造用フレーム３０，支持バー７２，７４）が取り付けられる。これにより、圧力荷重（移行部材の後部開口をクリープ変形により反らせ狭めるおそれがある）を支持できると共に、リブ補強材または壁厚の増加に起因する望ましくない大きな熱応力が生じないという利点がある。
【０００８】
具体的に説明すると、第１実施態様では、移行部材の後端を取り囲むように外部フレームが設けられて、半径方向内側および外側のそれぞれ中央部の所で移行部材の一体のフレームに取り付けられ、これにより後部開口を狭めるように働く圧力に対する抵抗性を持たせる。この外部フレームは高熱燃焼ガスから隔離されており、したがってその作動時の温度は移行部材自身よりはるかに低い。
【０００９】
第２実施態様では、１対の支持バーが一体の後端フレームの半径方向外側部分および半径方向内側部分に沿ってそれぞれ取り付けられる。各支持バーは中央部の所で後端フレームにクランプにより固定され、両端の所では単にサドル内にプレストレスド（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ）状態に支持される。こうして、（移行部材の内部から遠ざかる）外向きの力を半径方向内側および外側の壁それぞれに加えて、運転中に内向きに働くガス圧力に対抗する。さらに、各支持バーをその両端で（クランプするのではなく）単にサドル内に支持することにより、移行部材は運転中に自由に熱膨張できる。
【００１０】
第３実施態様では、支持バーが後端の半径方向内側部分に沿って上述と同じ様に使用されるが、後端の半径方向外側には中央部および両端の所に軸線方向ピンが設けられる。これらのピンは、タービン段のノズル保持リングに形成した中心部孔および２つの端部溝孔にそれぞれはまるように設計されている。さらに詳しく説明すると、移行部材の中央部のピンが保持リングの相補形の孔に受け入れられると共に、両端のピンが保持リングの溝孔に受け入れられ、これによりやはり移行部材が使用中に熱膨張することができるようになる。
【００１１】
第４実施態様では、移行部材の後端の半径方向内側部分が支持バー（矩形断面の素材）で補強され、該支持バーは中央部の所で移行部材のフレームにクランプされ、支持バーの両端には溝が形成されて、その中に移行部材から突出するサドルを受け入れる。
したがって、本発明は、広義には、ガスタービン燃焼器とガスタービン段とを連結するための移行部材を提供する。移行部材はだいたい管状であり、ガスタービン燃焼器に連結するための上流端と、タービン段に連結するための下流の後端とを有する。後端は半径方向内側部分および半径方向外側部分を有する。後端にはそのまわりに延在する少なくとも１つの周縁リブが形成されている。前記半径方向内側部分および半径方向外側部分の内の少なくとも一方には、両側間にほぼ完全に延在するフレームが固定されている。
【００１２】
本発明の他の目的や効果は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１３】
【好適実施態様の説明】
図４乃至７を参照しながら、本発明の第１実施例による移行部材の後端の新規な設計を説明する。
だいたい管状の移行部材２０は後端フレーム２２を有するように形成されている。後端フレーム２２は、その下流エッジ２６に隣接して直立の周縁リブ２４を含む。後端フレーム２２および直立リブ２４は後端開口２８のまわりを完全に一周する。外部フレーム３０がまた後端開口２８を包囲し、以下に説明するように移行部材の直立のリブ２４に固定されている。便宜上、図面を見たときの移行部材の後端の下側部分は、タービンロータの水平な長さ方向軸線（そのまわりに複数の燃焼器および関連する移行部材が配列されている）に関して、「半径方向内側部分」とみなされ、上側部分は「半径方向外側部分」とみなされる。
【００１４】
リブ２４に装着フランジ３２が形成されている。装着フランジ３２は、リブ２４の半径方向外側部分２４ａの中央部の位置の所でのみ、リブ２４から上流および下流方向に延在する。フレーム３０は、クランプ３４および関連する１対のボルト（図示せず）を用い、ボルトを整合した対の孔３６、３８（図５には１対を図示）に通すことによって、リブ２４およびフランジ３２に固定される。フランジ３２は、フレーム３０およびクランプ３４のそれぞれに設けた対応する溝４０および４２にはめ合わされる。
【００１５】
同時に、リブ２４の半径方向内側部分２４ｂに前方に突出するフック４４が形成されている。このフック４４は、リブ２４の内側部分２４ｂの中央部領域で、フレーム３０に形成された対応する溝４６にはめ合わされる。
外部フレーム３０の残りの周縁区域は図７に示す断面を有し、したがって熱膨張の余地を残している。通常のフェース式ラビリンスシール４８を移行部材とタービン第１段ノズルとの間に使用することができるが、他のシール構造をとることもできる。いずれにしろ、移行部材のリブ２４と外部フレーム３０との間の隙間には、現在シールを通って漏れ出る量と同程度の空気の流れが必要である。
【００１６】
上述した実施例は、必ずしもリブ補強材や壁厚増加と関連した熱応力を増加することなく、移行部材後端の曲げ強さを増加する。半径方向外側部分２４ａの中央部のみでのクランプ構造は、移行部材２０と外部フレーム３０との間のすべての自由度を拘束する。半径方向内側部分２４ｂに沿った連結は、移行部材２０と外部フレーム３０との間の半径方向の自由度のみの拘束を行う。それにもかかわらず、フレーム３０は高熱燃焼ガスから隔離されている。その結果、外部フレーム３０は作動時に移行部材２０よりはるかに低い温度となり、したがってクリープ変形を受けない。さらに、外部フレーム３０を移行部材２０に最小の拘束で取り付けることにより、高熱の移行部材２０は、大きな熱応力を生じることなく、外部フレーム３０の内側で熱膨張することができる。
【００１７】
つぎに図８に本発明の第２実施例を示す。この場合、移行部材５０には、一体の後端フレーム５８の半径方向外側部分５６の両端にサドル支持体５２および５４が取り付けられ、また半径方向内側部分６４の両端に同様なサドル支持体６０および６２が取り付けられている。各サドル支持体には、ロッド受入れ溝６６が燃焼器の長さ方向軸線に直交する方向に形成されている。
【００１８】
さらに、クランプ６８および７０が外側部分５６および内側部分６４にそれぞれ溶接されている。各クランプ６８、７０は上側要素６８ａ、７０ａおよび下側要素６８ｂ、７０ｂをそれぞれ有し、これら要素には、以下に説明するように両者間に支持ロッド７２、７４をクランプするための半溝が設けられている。
支持バーまたはロッド７２はプレストレスド状態すなわち予めストレスが与えられている状態になっていて、要素６８ａおよび６８ｂ間にクランプされているので、図９に矢印Ａで示すように、外向きの力が移行部材の中央部に加えられる。この外向きの力は作動中に外側ガス圧力に対抗する。
【００１９】
同様に、プレストレスド状態の支持バー７４が要素７０ａおよび７０ｂ間にクランプされて、同様の作用を移行部材の半径方向内側部分になし、図９に矢印Ｂで示すように、外向きの力が移行部材の半径方向内側部分の中央部にかかる。ロッド７２および７４はサドル５２、５４および６０、６２内を摺動できるようになっているので、移行部材５０は作動中に自由に熱膨張できる。
【００２０】
図１０乃至１２に本発明の第３実施例を示す。この実施例はいくつかの点で図７乃至９の実施例と似ている。実際、移行部材５０’の半径方向内側部分６４’には、図７乃至９に示したものと本質的に同一構成の支持ロッド７４’、サドル６０’、６２’およびクランプ７０’が設けられている。しかしながら、移行部材５０’の半径方向外側部分５６’には、突起７６、７８および８０が設けられている。各突起は軸線方向に突出するピン８２、８４、８６を有する。これらのピンは、第１タービン段に固定されたノズル保持リング８８に形成された開口に着座するように構成されている。図１１および図１２から明らかなように、ノズル保持リング８８には、ピン８４を受け入れる丸孔９０と、ピン８２および８６を受け入れる溝孔９２および９４とが形成されている。溝孔９２および９４は、サドル６０’および６２’と同様に、移行部材５０’が作動中に熱膨張できるようにする。
【００２１】
図１３および１４に本発明の第４実施例を示す。この例では、外部支持ロッドが移行部材の後端の半径方向内側部分だけに設けられる。具体的には、移行部材９６は後端フレーム９８を有し、これに１対の端部の突起１００、１０２および中中央のボスまたは装着フランジ１０４が溶接されている。弓形支持ロッド１０６（好ましくは矩形断面）が設けられ、その両端には、突起１００、１０２を受け入れる溝１０８（１つだけ図示）が形成されている。同時に、装着フランジ１０４が支持ロッド１０６の中央凹所１１０にはまっており、ロッドを、フレームの半径方向内側部分９８ｂに対して半径方向に離間した関係で、所定の位置にしっかりボルト止めすることができる。本例でも、ロッドの両端は突起１００、１０２に対して自由に摺動でき、移行部材９６の熱膨張を許す。
【００２２】
以上、本発明を現在のところもっとも実用的かつ好適と考えられる実施例について説明したが、本発明は開示した実施例だけに限定されず、本発明の要旨の範囲内に含まれる種々の変更や等価な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】後端フレームおよびその上流に配置された装着具を設けた従来のガスタービン移行部材の斜視図である。
【図２】図１に示した移行部材の後端フレーム部分の正面図である。
【図３】図２の３−３線方向に見た断面図である。
【図４】本発明による移行部材の後端フレームの正面図である。
【図５】図４の５−５線方向に見た断面図である。
【図６】図４の６−６線方向に見た部分断面図である。
【図７】図４の７−７線方向に見た部分断面図である。
【図８】本発明の第２実施例によるガスタービン移行部材の一部分の斜視図である。
【図９】図８に示した移行部材の後端フレームの正面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による移行部材の後端の一部分の斜視図である。
【図１１】図１０の実施例によるガスタービン移行部材および関連するタービン段の側面図である。
【図１２】図１１の１２−１２線方向に見た部分断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例によるガスタービン移行部材の一部分の正面図である。
【図１４】図１３に示した移行部材の後端フレームの斜視図である。
【符号の説明】
２０    移行部材
２２    後端フレーム
２４    周縁リブ
２６    下流エッジ
２８    後端開口
３０    外部フレーム
３２    装着フランジ
３４    クランプ
３６、３８    孔
４４    フック
５０    移行部材
５２、５４、６０、６２    サドル
５６    半径方向外側部分
５８    後端フレーム
６４    半径方向内側部分
６８、７０    クランプ
７２、７４    支持ロッド
７６、７８、８０    突起
８２、８４、８６    ピン
９６    移行部材
９８    後端フレーム
１００    突起
１０４    装着フランジ
１０６    支持ロッド
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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