(57)【要約】  冷却が改良され、応力レベルが低下した、ガス・タービン・エンジン（２）用の移行ダクト（３０）。この移行ダクトは、パネルの曲がりコーナ領域（３４）から遠く離れて配置された溶接部（４０）によって互いに接合された、２つのパネル（３６、３８）から形成することが可能である。ダクトによって送られる高温燃焼ガス流方向において、縦に延びる冷却チャネル（３２）が、コーナ領域を含む、各パネル内に形成される。移行ダクトの環状幅（Ｗ）全体が冷却されるので、先行技術による設計と比べて、タービン（４）への入口の辺りで隣接するダクトを隔てるギャップ（Ｇ）を小さくすることが可能である。コーナ領域から離れた溶接部による２パネル構造は、コーナ（Ｒ2）及び流れの方向（Ｒ4）における最小曲げ半径を先行技術による設計より大きい状態に保つことによって容易化される。
2008531961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の出口とタービンの入口との間における流れの方向に沿って高温燃焼ガスを導くためのガス・タービン・エンジン用移行ダクトであって、
それぞれ、前記流れの方向に対してほぼ平行な方向において、縦に延びるコーナ領域をなすように形成された、複数のパネルと、
各パネルの前記コーナ領域を通るように形成され、前記流れの方向に対してほぼ平行な方向において、縦に延び、前記それぞれのコーナ領域全体を冷却するのに有効な、複数の冷却チャネルと、
前記コーナ領域から離れた隣接パネルの溶接接合エッジが含まれている、
移行ダクト。
【請求項２】
さらに、
それぞれＵ字形状をなす、２つのコーナ領域を備えるように形成された、上部パネル及び下部パネルと、
前記コーナ領域から離れたそれぞれの向かい合ったエッジに沿って、前記上部パネルと前記下部パネルを接合する溶接部が含まれることを特徴とする、
請求項１に記載の移行ダクト。
【請求項３】
さらに、
各コーナ領域の最小曲率半径が３５〜５０ｍｍであること、
前記流れの方向における前記ダクトの曲率半径が１５０〜１７５ｍｍの範囲内であること、
各それぞれのパネルの厚さが４．５〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、
請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項４】
さらに、各コーナ領域の最小曲率半径が少なくとも３５ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項５】
さらに、各コーナ領域の最小曲率半径が３５ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項６】
さらに、前記流れの方向における前記ダクトの曲率半径が少なくとも１５０ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項７】
さらに、前記流れの方向における前記ダクトの曲率半径が１５０〜１７５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項８】
さらに、各それぞれのパネルの厚さが４．５〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、
請求項２に記載の移行ダクト。
【請求項９】
請求項１に記載の移行ダクトを含むガス・タービン・エンジン。
【請求項１０】
燃焼器の出口とタービンの入口との間における流れの方向に沿って高温燃焼ガスを導くためのガス・タービン・エンジン用移行ダクトであって、
前記燃焼ガス流の方向に対してほぼ平行に配置された複数の表面下冷却チャネルを具備する第１のパネルと、
前記燃焼ガス流の方向に対してほぼ平行に配置された複数の表面下冷却チャネルを具備する第２のパネルが含まれており、
前記第１のパネル及び前記第２のパネルが、それぞれ、前記それぞれのパネルがほぼＵ字形の形状をなすようにするため、前記流れの方向に対してほぼ平行に配置されたコーナを具備するように形成され、その結果、それぞれの内部冷却チャネルが、前記燃焼ガス流の方向に対してほぼ平行な前記コーナに沿って延び、前記それぞれのコーナ全体を冷却するのに有効になること、さらに、
第１の側と第２の側の溶接部によって、前記第１のパネルが、それぞれの向かい合ったエッジに沿って第２のパネルに接合されて、前記燃焼器の出口形状に一致するほぼ円形の断面の入口端と、前記タービンの入口形状に一致するほぼ矩形の断面の出口端を備える、高温燃焼ガス通路を形成すること、前記第１の側と第２の側の溶接部が、前記コーナから遠く離れて配置されることを特徴とする、
移行ダクト。
【請求項１１】
さらに、
各コーナの最小曲率半径が３５〜５０ｍｍであること、
前記流れの方向における前記ダクトの曲率半径が１５０〜１７５ｍｍの範囲内であること、
各それぞれのパネルの厚さが４．５〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、
請求項１０に記載の移行ダクト。
【請求項１２】
請求項１１に記載の前記移行ダクトを含むガス・タービン・エンジン。
【請求項１３】
ガス・タービン・エンジンであって、
それぞれ、円形の断面を有する出口を具備した複数の燃焼器と、
環状の断面を有する入口を具備したタービンと、
それぞれ、それぞれの燃焼器の出口に結合するための円形断面を有する入口を具備し、前記タービンの入口の弧状部分に結合するためのほぼ矩形の出口を具備した、それぞれの燃焼器の出口を前記タービンの入口に相互接続する複数の移行ダクトと、
低温条件において、前記それぞれの移行ダクトの弧状幅Ｗに沿った熱成長に対応するのに十分なギャップＧによって隔てられた、隣接する移行ダクトの出口と、
各移行ダクトを通るように形成され、各移行ダクトの弧状幅Ｗ全体を有効に冷却して、前記熱成長を制御するため、各移行ダクトの前記弧状幅Ｗ全体に沿って間隔をあけて配置された複数の冷却チャネルが含まれている、
ガス・タービン・エンジン。
【請求項１４】
さらに、各対をなす隣接移行ダクト間のギャップＧが４０ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項１５】
さらに、各対をなす隣接移行ダクト間のギャップＧが２５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項１６】
さらに、各対をなす隣接移行ダクト間のギャップＧが２０〜２５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項１７】
さらに、
各移行ダクトのコーナ領域の最小曲率半径が、少なくとも３５ｍｍであることと、
前記入口から前記出口への流れの方向における各移行ダクトの曲率半径が、少なくとも１５０ｍｍであることと、
各それぞれの移行ダクトの壁厚が、５ｍｍしかないことを特徴とする、
請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項１８】
さらに、各移行ダクトのコーナ領域の最小曲率半径が３５〜５０ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項１９】
さらに、前記入口から前記出口への前記流れの方向における各移行ダクトの曲率半径が１５０〜１７５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【請求項２０】
さらに、各それぞれの移行ダクトの壁厚が４．５〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載のガス・タービン・エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガス（燃焼）タービン・エンジンに関するものであり、とりわけ、ガスタービン・エンジンの燃焼器とタービンをつなぐ移行ダクトに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン・エンジン２（図６）の移行ダクト（移行部材）１は、複雑で重要な部品である。移行ダクト１は、多機能を果たすが、主たる機能は、燃焼器３の出口からエンジン・ケーシング５内のタービン４の入口に高温の燃焼ガスを導くことである。移行ダクトは、コンプレッサ排気６と高温の燃焼ガス７との間に圧力バリアを形成する働きもする。移行ダクトは、その入口に、燃焼器の出口に結合するためのほぼ円筒形の幾何学的形状を備え、その出口に、タービンの入口ノズルの弧状部分に結合するためのほぼ矩形の幾何学的形状を備えるのに必要な外形の物体である。燃焼ガスの高温によって、移行部材に高熱負荷が加えられることになり、従って、最新のガスタービン・エンジンの移行ダクトは、一般に、能動的に冷却される。移行部材は、ダクト壁に形成された小さい穴によって、コンプレッサの排気を移行部材の高温の内部に漏入させ、その結果、壁と燃焼ガスの間に比較的冷たい空気の境界層ができるようにする、しみ出し冷却によって冷却することが可能である。他の設計では、スチーム、空気または液体のような冷却流体が、移行部材の壁に形成された冷却チャネルを通して導かれる、閉鎖または再生冷却方式を利用することも可能である。図１には、こうした先行技術のスチーム冷却される移行ダクト１０の１つが例示されているが、この場合、ほぼ円形の入口端１２が、移行部材１０内で送られる燃焼ガス流の長さに沿って、ほぼ矩形の出口端１４に変化することが分かる。燃焼ガス流が、タービン・シャフト（不図示）の回転軸に対して平行に向け直されるので、燃焼ガス流の軸も湾曲する。移行ダクト１０のコーナ、とりわけ、出口端１４に近接したコーナ１６は、コーナの幾何学形状と、ダクト流通面積の減少及び転向効果によるガス速度の上昇とが相俟って、強い応力がかかることになりがちである。これらの強い応力のかかる領域に対処する先行技術によるアプローチの１つは、米国特許第６，６４４，０３２号に記載のような、高度な設計による特定のダクト形状の利用である。利用可能な設計の選択肢が減少するので、こうしたアプローチが望ましくない場合もある。
【０００３】
部品の形成に用いられる製造プロセスによって、移行ダクト１０のコーナにおける応力集中がさらに激化する。先行技術による移行部材は、所望の湾曲形状をなすように予備成形された複数のパネルを互いに溶接することによって形成される。図２は、４つの個別パネル１８、２０、２２、２４をそれぞれの溶接部２６で接合することによって、部品を形成する方法を例示した、先行技術のスチーム冷却される移行ダクト１０の断面図である。溶接部２６は、パネルを曲げた時の、歪みの形成、及び、壁の薄層化／肥厚化を最小限に抑えるため、コーナに配置される。しかし、溶接部２６のコーナへの配置では、コーナの冷却チャネル２８の位置が除外され、隣接チャネルは、溶接中、それらの機能性が損なわれないことを保証するため、溶接部２６から十分な間隔をあけなければならない。従って、コーナの冷却は不十分になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
本発明に従って製作された移行ダクト３０の実施形態の１つが、図３の断面図で示されている。移行ダクト３０は、ダクト３０のコーナ領域３４に表面下冷却チャネル３２が直接配置されるように設計されている。冷却チャネル３２は、ダクト３０によって運ばれる高温燃焼ガス流の方向に対してほぼ平行な方向、すなわち、図３の紙面に対してほぼ垂直な方向に延びている。２つのパネル、すなわち、上部パネル３６及び下部パネル３８からダクト３０を製作し、シーム溶接部４０によって、各パネルのそれぞれの向かい合った左側及び右側エッジ３７、３９を接合することによって、コーナ３４への冷却チャネル３２の配置が可能になる。上部、下部、左、及び、右といった用語は、本明細書では、相対的な反対位置を表わすためだけに用いられており、必ずしも、ある特定の実施形態の配向を制限するために用いられているわけではない。各パネル３６、３８は、流れの方向に対してほぼ平行な方向において、縦に延びるコーナを形成して、それぞれのパネルがほぼＵ字形の形状をなすように形成され、その結果、それぞれの内部冷却チャネル３２が、燃焼ガス流の方向に対してほぼ平行なコーナ３４に沿って延びることになる。溶接部４０は、従って、ダクト側壁４２に沿って形成されたコーナ３４から遠く離して配置され、冷却チャネル３２は、コーナ３４全体を十分に冷却するのに有効である。接合パネル３６、３８によって、燃焼器出口の形状と一致するほぼ円形断面の入口端４５と、タービン入口の形状と一致するほぼ矩形の出口端４７（図４Ｂ）を備えた高温燃焼ガス通路４１が形成される。
【０００５】
ダクト３０のいくつかの特徴によって、２パネル構造が容易になる。第１に、先行技術による設計のコーナ２６の曲率半径に比べると、コーナ３４の最小曲率半径が増すことになる。先行技術に関する曲率半径Ｒ1の典型的な範囲は、１５〜２５ｍｍといえるが、本発明に従って製作されたダクトの曲率半径Ｒ2は、少なくとも３５ｍｍ、あるいは、３５〜５０ｍｍの範囲になる可能性がある。コーナ半径が増すと、部品内の応力集中が減少する。
【０００６】
２パネル構造を容易化するダクト３０のもう１つの特徴は、先行技術による設計と比べると、燃焼ガス流の軸方向におけるダクト３０の曲率半径が小さくなるという点である。これは、図４Ａ及び４Ｂの移行ダクト４４、４６を比較することによってより明確に理解することが可能である。図４Ａには、４枚のパネルから形成された、典型的な最小曲率半径Ｒ1が１００〜１２０ｍｍの先行技術による移行ダクト４４の概略形状が例示され、図４Ｂには、２枚のパネルから形成された、典型的な最小曲率半径Ｒ2が少なくとも１５０ｍｍまたは１５０〜１７５ｍｍの範囲内の移行ダクト４６の概略形状が例示されている。本発明の形状の曲率が減少することによって、部品への熱負荷（伝熱）もわずかに減少する。
【０００７】
２パネル構造は、先行技術によるダクトのパネルよりも薄いパネルを用いることでも容易になる。典型的な先行技術によるパネルの厚さは、６〜８ｍｍの範囲であり、本発明のパネル３６、３８の厚さは、４．５〜５ｍｍの範囲になる可能性がある。曲げ半径及びパネル厚の変化は、全体として、形成歪みを十分な低レベルまで低減して、コーナ３４における冷却チャネル３２の完全性が保たれるようにする働きをする。
【０００８】
コーナ半径Ｒ2が増すと、一般に、他の全ての寸法がほぼ一定に保たれるものと仮定して、結果として断面の流通面積が制限されるため、ダクト３０を流れるガスの出口流動損失が増大することになりがちである。この出口流動損失は、先行技術による同等のダクトの幅と比べた場合の、ダクト３０の弧状幅Ｗを拡大し、それにより、コーナ半径が増す結果として減少する可能性のある断面の流通面積を回復することで、相殺することが可能である。移行ダクトの弧状幅は、部品の熱成長に対応するため、低温／周囲条件において隣接移行ダクト４８、５０の出口端間で維持しなければならないギャップＧのサイズによって制限される。先行技術による設計におけるこのギャップＧは、一般に４０〜５０ｍｍである。本発明の移行ダクト３０の全幅が、有効に冷却されるので、弧状幅の軸に沿ったダクトの熱成長は、コーナに近接した幅の部分が冷却されない先行技術による設計１０と比べると、少なくなる。従って、本発明に従って製作された隣接ダクト間に必要とされるギャップＧは、４０ｍｍ未満、例えば、２０〜２５ｍｍの範囲といったように、例えば、５０％ほども小さくなる可能性がある。いくつかの実施形態では、必要なギャップ・サイズＧを小さくすることによって得られる断面流通面積の拡大が、コーナ半径Ｒ２が増すことによって失われる、断面流通面積の減少を超え、その結果、正味出口流動損失が低減する。
【０００９】
２パネル移行ダクト３０は、同等の４パネル設計よりも溶接の必要が少ないので、製作コストが安くなる。一体化冷却チャネルを備える個々のパネルは、冷却チャネルを第１の層に溝として形成してから、その溝付き表面に第２の層を接合することによって、少なくとも２層の材料から各パネルを形成するといった、既知のプロセスを利用して製作される。パネルは、当初、平坦に形成され、レーザ・トリミングのような精密切断方法によって切り取られる。２パネル設計では、４パネル設計よりも、パネルのレーザ切断の必要が少なくなる。４パネル設計と比べると、取り付けの問題も軽減される。取り付けが改善される結果として、隣接冷却チャネル３２の間隔は、従来の設計に対して短くすることが可能になり、それによって、冷却効果がいっそう高まり、温度勾配が小さくなり、部品の疲労寿命が低サイクルになる。先行技術による設計では、２０〜２５ｍｍの隣接冷却チャネル間隔を利用することが可能であるが、本発明の間隔は、実施形態によっては、わずか１０〜１５ｍｍになる場合もある。
【００１０】
本明細書では、本発明のさまざまな実施形態について示し、解説してきたが、こうした実施形態が、単なる一例として示されただけであることは明らかである。本明細書における本発明から逸脱することなく、多様な改変、変更、及び、代替を行うことが可能である。従って、本発明は、付属の請求項の精神及び範囲による制限しか受けないように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】先行技術による空気流で冷却される移行ダクトの透視図である。
【図２】先行技術による流れによって冷却される移行ダクトの断面図である。
【図３】本発明に従って製作される移行ダクトの１つの断面図である。
【図４Ａ】先行技術による移行ダクトの側面図である。
【図４Ｂ】本発明に従って製作される移行ダクトの１つの側面図である。
【図５】２つの隣接移行ダクト間のギャップＧを例示した端面図である。
【図６】ガス・タービン・エンジンの断面図である。
【符号の説明】
【００１２】
３０  移行ダクト
３２  表面下冷却チャネル
３４  コーナ領域
３６  上部パネル
３７  パネルの左側エッジ
３８  下部パネル
３９  パネルの右側エッジ
４０  シーム溶接部
４１  高温燃焼ガス通路
４４  移行ダクト
４５  入口端
４６  移行ダクト
４７  出口端
４８  移行ダクト
５０  移行ダクト
【図１】
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【図２】
2008531961.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2008531961.tif 000010
2008531961.tif 000011