(57)【要約】【課題】構成部材の変形を抑制できるとともに、冷却空気による冷却効果を向上させることができるトランジションピース、およびこのトランジションピースを備えたガスタービンを提供する。【解決手段】実施形態のトランジションピース１０は、燃焼器ライナ１２０からの燃焼ガスをタービン部１３０に導く内筒２０と、内筒２０の外周を間隙空間を介して覆うように設けられ、圧縮機１１０からの空気の一部を内筒２０の出口側の外周面に噴出するための複数の噴出孔３１が形成された外筒３０とを備える。内筒２０と外筒３０との間に形成され、噴出孔３１から噴出された空気が流れる冷却空気流路５０の流路断面積が、噴出孔３１が形成された部分よりも空気流れの下流側において徐々に減少し、最小流路断面積となるスロート部６０よりも空気流れの下流では徐々に増加するように構成される。【選択図】図２
2012145098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で加圧された空気と燃料とを燃焼器ライナ内で燃焼させ、生成された燃焼ガスをタービンに導くトランジションピースにおいて、
前記燃焼器ライナの出口側端部に接続され、燃焼器ライナからの燃焼ガスをタービンに導く内筒と、
前記内筒の外周を間隙空間を介して覆うように設けられ、前記圧縮機からの空気の一部を前記内筒の出口側の外周面に向けて噴出するための複数の噴出孔が形成された外筒と
を備え、
前記内筒と前記外筒との間に形成され、前記噴出孔から噴出された空気が流れる冷却空気流路の流路断面積が、前記噴出孔が形成された部分よりも空気流れの下流側において徐々に減少し、最小流路断面積となるスロート部よりも空気流れの下流では徐々に増加するように構成されていることを特徴とするトランジションピース。
【請求項２】
各前記噴出孔の面積を合計した総面積が、前記スロート部における冷却空気流路の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のトランジションピース。
【請求項３】
前記冷却空気流路の少なくとも一部の領域に、空気流れ方向に設けられた流路ガイドを周方向に複数備えていることを特徴とする請求項１または２記載のトランジションピース。
【請求項４】
前記流路ガイドは、前記内筒または前記外筒に一体的に形成されていることを特徴とする請求項３記載のトランジションピース。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のトランジションピースを備えたことを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、トランジションピースおよびこのトランジションピース備えたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電プラントでは、タービン部と同軸に設けられた圧縮機の駆動により圧縮された空気が燃焼器ライナに導かれる。燃焼器ライナに導かれた空気を燃料と混合し、燃焼させることで発生した高温高圧の燃焼ガスは、燃焼器ライナに接続されたトランジションピースを介してタービン部に導かれる。タービン部においては、高温高圧の燃焼ガスが膨張することで動翼およびタービンロータを回転駆動させ、その回転駆動により、空気を圧縮する圧縮機および発電機が駆動される。
【０００３】
図６は、従来のトランジションピース２００の断面を示す図である。従来のトランジションピース２００は、図６に示すように、内筒２０１と、その内筒２０１の外周に設けられた外筒２０２とからなる二重管構造を有している。内筒２０１の一端は、円筒形状である燃焼器ライナ２３０に連結され、内筒２０１の他端は、タービン初段の静翼２４０に連結されている。そのため、内筒２０１内の燃焼ガス流路２０３における、燃焼ガスが流れる方向に垂直な断面の形状は、円形から扇形に変形する。外筒２０２も内筒２０１の形状に対応する形状に構成されている。
【０００４】
内筒２０１は、内部を高温の燃焼ガスが通過するため、Ｎｉ基耐熱合金で構成され、さらに冷却構造を有している。典型的な１３００℃級のガスタービンのトランジションピースにおける外筒２０２には、図６に示すように、圧縮機から吐出された空気の一部を冷却空気２０５として内筒２０１の外側面に噴出して衝突させるための複数のインピンジメント冷却孔２０４が全面に亘って形成されている。
【０００５】
トランジションピース２００の下流端には、内筒２０１と外筒２０２との間の一端を封止し、静翼２４０側への冷却空気２０５の流出を防止するフランジ状のピクチャーフレーム２０６が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５０６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来のトランジションピース２００の内筒２０１は、Ｎｉ基耐熱合金で構成され、冷却空気２０５によって冷却されるが、ガスタービンの運転中における基材の局所的な高温化によって、内筒２０１には、酸化減肉、熱疲労によるき裂などの損傷が生じる。
【０００８】
従来の内筒２０１では、ピクチャーフレーム２０６付近において変形が生じやすかった。この変形は、ガスタービンの運転時間の増加に伴って増加する傾向を有することから、クリープ損傷による変形と考えられる。
【０００９】
内筒２０１の外側面側は、冷却空気２０５からの圧力を受け、内筒２０１の内側面側は、燃焼ガスからの圧力を受ける。冷却空気２０５からの圧力の方が、燃焼ガスからの圧力よりも高いため、内筒２０１は、外側から潰される方向に荷重を受ける。特に、タービン部と接続される内筒２０１の断面形状は、扇形であるため、断面形状が円形である燃焼器ライナ２３０と接続される内筒２０１よりも外圧に対して変形しやすい。この内筒２０１に作用する外圧も、ピクチャーフレーム２０６付近において変形を生じやすくする一因となっていた。
【００１０】
さらに、内筒２０１の下流側では、燃焼ガスの流速が大きくなるため、燃焼ガスとの熱伝達率が大きくなり、内筒２０１の温度が上昇して、クリープ変形しやすくなる。また、ガスタービンの大容量化に伴う燃焼ガスの高温高圧化により、内筒２０１の温度がさらに高くなるとともに、内筒２０１の冷却空気側と燃焼ガス側との圧力差が大きくなる傾向にあり、クリープ変形が生じやすい条件となる。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、構成部材の変形を抑制できるとともに、冷却空気による冷却効果を向上させることができるトランジションピース、およびこのトランジションピースを備えたガスタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態のトランジションピースは、圧縮機で加圧された空気と燃料とを燃焼器ライナ内で燃焼させ、生成された燃焼ガスをタービンに導くものである。このトランジションピースは、前記燃焼器ライナの出口側端部に接続され、燃焼器ライナからの燃焼ガスをタービンに導く内筒と、前記内筒の外周を間隙空間を介して覆うように設けられ、前記圧縮機からの空気の一部を前記内筒の出口側の外周面に向けて噴出するための複数の噴出孔が形成された外筒とを備えている。
【００１３】
そして、前記内筒と前記外筒との間に形成され、前記噴出孔から噴出された空気が流れる冷却空気流路の流路断面積が、前記噴出孔が形成された部分よりも空気流れの下流側において徐々に減少し、最小流路断面積となるスロート部から空気流れの下流では徐々に増加するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のトランジションピースを備えたガスタービンの構成を一部断面で示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態のトランジションピースの、燃焼ガスの流れ方向に沿う断面を示す図である。
【図３】第１の実施の形態のトランジションピースにおける、冷却空気流路の冷却空気の流れ方向の静圧の変化を示した図である。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態のトランジションピースの側面図であり、流路ガイドを説明するためにトランジションピースの外筒の一部を取り除いた状態で示している。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態のトランジションピースが示された図４のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図６】従来のトランジションピースの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のトランジションピース１０を備えたガスタービン１００の構成を一部断面で示す図である。
【００１７】
図１に示すように、ガスタービン１００は、外気を圧縮する圧縮機１１０と、圧縮機１１０で加圧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１０と、トランジションピース１０によって導入された燃焼ガスにより回転駆動するタービン部１３０とを備えている。
【００１８】
圧縮機１１０は、圧縮機ケーシング１１１内に、動翼１１２が植設された圧縮機ロータ１１３を備えている。動翼１１２は、周方向に複数植設され、軸方向に複数段の動翼翼列を構成している。また、圧縮機ケーシング１１１の内周には、静翼１１４が複数配置され、静翼翼列を構成している。そして、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向に交互に構成されている。動翼１１２が回転することで、外部の空気が圧縮されつつガスタービン１００内に導かれる。
【００１９】
燃焼器ライナ１２０は、例えば、カン型の燃焼器からなり、圧縮機１１０の周囲に均等に複数備えられている。燃焼器ライナ１２０では、圧縮機で加圧された空気と燃料とを混合して燃焼させて、燃焼ガス生成する。
【００２０】
トランジションピース１０は、詳細に後述するが、燃焼器ライナ１２０の出口側端部に接続され、燃焼器ライナ１２０からの燃焼ガスを整流しつつタービン部１３０に導く。
【００２１】
タービン部１３０は、タービンケーシング１３１内に、動翼１３２が植設されたタービンロータ１３３を備えている。動翼１３２は、周方向に複数植設され、軸方向に複数段の動翼翼列を構成している。また、タービンケーシング１３１の内周には、静翼１３４が複数配置され、静翼翼列を構成している。そして、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向に交互に構成されている。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、これにより動翼１３２およびタービンロータ１３３が回転する。そして、タービンロータ１３３に連結された発電機（図示しない）において、回転エネルギが電気エネルギに変換される。
【００２２】
次に、本発明に係る第１の実施の形態のトランジションピース１０について説明する。
【００２３】
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のトランジションピース１０の、燃焼ガスの流れ方向に沿う断面を示す図である。
【００２４】
図２に示すように、トランジションピース１０は、燃焼器ライナ１２０からの燃焼ガスを内部に流通してタービン部１３０に導く内筒２０と、内筒２０の外周を間隙空間を介して覆うように設けられた外筒３０とを備える、二重管構造によって構成されている。
【００２５】
外筒３０には、圧縮機１１０からの空気の一部を内筒２０の出口側の外周面に向けて噴出するための複数の噴出孔３１が形成されている。噴出孔３１の形状は、圧力損失を抑えるために、水力直径が最も小さい円形であることが好ましい。さらに、噴出孔３１の直径は、可能な限り大きい方が好ましい。なお、上記した圧縮機１１０からの空気の一部は、冷却空気ＣＡとして機能する。
【００２６】
内筒２０の上流側端部（図２では内筒２０の左側端部）は、円形に開口している。この開口端部には、円筒状の燃焼器ライナ１２０の出口側端部（図２では燃焼器ライナ１２０の右側端部）が嵌合している。一方、内筒２０の下流側端部（図２では内筒２０の右側端部）は、矩形または扇形に開口している。このように、内筒２０における、燃焼ガスが流れる方向に垂直な断面の形状は、円形から扇形に変形している。
【００２７】
外筒３０も、内筒２０の形状に対応した形状を有し、外筒３０の上流側端部（図２では外筒３０の左側端部）は、円形に開口し、外筒３０の下流側端部（図２では外筒３０の右側端部）は、矩形または扇形に開口している。また、外筒３０の上流側端部（図２では外筒３０の左側端部）には、燃焼器ライナ１２０の外周を間隙空間を介して覆うように設けられた、円筒状の燃焼器外筒１２１の出口側端部（図２では燃焼器外筒１２１の右側端部）が嵌合している。
【００２８】
トランジションピース１０の内筒２０と外筒３０との間の下流側端部（図２では内筒２０および外筒３０の右側端部）には、内筒２０と外筒３０との間の一端を封止し、タービン部１３０側への冷却空気ＣＡの流出を防止するフランジ状のピクチャーフレーム４０が設けられている。このピクチャーフレーム４０の近傍の外筒３０に、前述した複数の噴出孔３１が形成されている。
【００２９】
次に、内筒２０と外筒３０との間に形成され、冷却空気ＣＡが流れる冷却空気流路５０について説明する。
【００３０】
冷却空気流路５０の流路断面積は、噴出孔３１が形成された冷却空気導入域５１よりも冷却空気流れの下流側において徐々に減少している。そして、最小流路断面積となるスロート部６０を有する。このスロート部６０よりも空気流れの下流では、冷却空気流路５０の流路断面積は、徐々に増加している。
【００３１】
なお、冷却空気流路５０の流路断面積は、冷却空気ＣＡの流れ方向に垂直な流路断面における面積である。また、冷却空気導入域５１よりも冷却空気流れの下流側で、冷却空気流路５０の流路断面積が、冷却空気導入域５１における冷却空気流路５０の流路断面積と等しくなるまでの領域を冷却空気高速域５２という。この冷却空気高速域５２よりも冷却空気流れの下流側を圧力回復域５３という。
【００３２】
ここで、前述した各噴出孔３１の面積を合計した総面積は、冷却空気の圧力損失を可能な限り抑えるために通過速度を小さくすることが必要であり、スロート部６０における冷却空気流路の流路断面積よりも大きいことが好ましい。また、スロート部６０における流路断面積は、従来におけるインピンジメント冷却と同等の冷却効果を得るために、スロート部６０における冷却空気ＣＡの流速が７０ｍ／ｓ以上となるように設定されることが好ましい。
【００３３】
なお、このような構成の冷却空気流路５０は、内筒２０内を流れる燃焼ガスの整流効果を維持する観点から、内筒２０の形状を変形させずに、外筒３０の形状を変形させることで構成されることが好ましい。そのため、外筒３０を内筒２０側（内側）へ寄せる（近づける）ことによって、外筒３０と内筒２０との間隙（距離）を短くして流路断面積を減少させている。
【００３４】
以上の構成を有するトランジションピース１０は、前述したように圧縮機１１０の周囲に均等に複数設けられている。そのため、矩形または扇形の、トランジションピース１０の出口側は、隣接するものどうしが接触し、全体として環状の燃焼ガスの流路を形成している。
【００３５】
次に、内筒２０内を流れる燃焼ガスおよび冷却空気流路５０を流れる冷却空気ＣＡの作用について説明する。
【００３６】
噴出孔３１の直径は、前述したように可能な限り大きくすることが好ましい。そのため、噴出孔３１を通過する冷却空気ＣＡの流速は、従来のインピンジメント冷却孔における噴出速度より小さくなる。しかしながら、噴出孔３１の直径は、従来のインピンジメント冷却孔の直径よりも大きく、さらに、噴出孔３１間のピッチを小さくして密に噴出孔３１を形成することで、噴出孔３１を通過する冷却空気ＣＡの流量を増大することができる。そのため、冷却空気導入域５１においては、インピンジメント冷却の効果が発揮され、十分な冷却効果が得られる。
【００３７】
冷却空気高速域５２では、内筒２０内の流路断面積の減少によって、内筒２０内を流れる燃焼ガスの流速が増加するため、内筒２０と燃焼ガスとの間の熱伝達率が増加して、内筒２０の温度が上昇しやすくなる。しかしながら、冷却空気高速域５２における冷却空気流路５０の流路断面積は、冷却空気導入域５１などにおける冷却空気流路５０の流路断面積よりも小さく、冷却空気ＣＡの速度が増加する。そのため、内筒２０と冷却空気ＣＡとの間の熱伝達率が増加し、内筒２０を十分に冷却することができる。
【００３８】
さらに、冷却空気高速域５２では、冷却空気ＣＡの速度が増加することで、流体の動圧が高くなる一方、静圧が減少する。そのため、内筒２０に負荷される、冷却空気流路５０側から燃焼ガス流路６５側への荷重が減少する。換言すると、内筒２０を介しての、冷却空気流路５０側の圧力と燃焼ガス流路６５側の圧力の差圧を小さくすることができる。
【００３９】
圧力回復域５３では、冷却空気ＣＡの速度が徐々に減少して冷却空気ＣＡの動圧が低下するとともに、静圧が上昇する。この圧力回復域５３では、内筒２０内を流れる燃焼ガスの流速は、冷却空気高速域５２における場合に比べて小さく、内筒２０と燃焼ガスとの間の熱伝達率も冷却空気高速域５２における場合に比べて小さい。そのため、冷却空気ＣＡの速度が減少しても、内筒２０を十分に冷却することができる。
【００４０】
圧力回復域５３における冷却空気流路５０を通過した冷却空気ＣＡは、燃焼器ライナ１２０と燃焼器外筒１２１との間に形成される冷却空気流路に流入する。この際、圧力回復域５３において、冷却空気ＣＡの速度を減少させて冷却空気ＣＡの動圧を低下させているため、燃焼器ライナ１２０と燃焼器外筒１２１との間に形成される冷却空気流路に流入する際の動圧損失を小さく抑えることができる。
【００４１】
ここで、図３は、第１の実施の形態のトランジションピース１０における、冷却空気流路５０の冷却空気ＣＡの流れ方向の静圧の変化を示した図である。なお、図３には、比較のため、図６に示した、従来のトランジションピース２００における、冷却空気流路の冷却空気の流れ方向の静圧の変化も示している。
【００４２】
図３に示すように、冷却空気高速域５２では、本実施の形態のトランジションピース１０の方が、従来のトランジションピース１０よりも、内筒を介しての、冷却空気流路側の圧力と燃焼ガス流路側の圧力の差圧を小さくすることができる。
【００４３】
第１の実施の形態のトランジションピース１０によれば、冷却空気流路５０において、冷却空気ＣＡの流速を増加させる冷却空気高速域５２を設けることで、内筒２０と冷却空気ＣＡとの間の熱伝達率が増加し、内筒２０を十分に冷却することができる。
【００４４】
さらに、内筒２０を介しての、冷却空気流路５０側の圧力と燃焼ガス流路６５側の圧力の差圧を小さくすることができる。そのため、内筒２０を外側から潰す方向へ働く荷重を減少させることができ、内筒２０の変形を抑制することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のトランジションピース１１においては、冷却空気流路５０に流路ガイド７０備えた以外の構成は、第１の実施の形態のトランジションピース１０の構成と同じである。ここでは、この異なる構成について主に説明する。
【００４６】
図４は、本発明に係る第２の実施の形態のトランジションピース１１の側面図であり、流路ガイド７０を説明するためにトランジションピースの外筒３０の一部を取り除いた状態で示している。なお、図４において、便宜上、静翼１３４の近傍は断面図で示している。図５は、本発明に係る第２の実施の形態のトランジションピース１１が示された図４のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のトランジションピース１０の構成と同じ部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００４７】
図４に示すように、冷却空気流路５０には、冷却空気ＣＡの流れ方向に設けられた流路ガイド７０が周方向に所定の間隔をあけて複数設けられている。また、流路ガイド７０は、冷却空気流路５０を周方向に複数に区分するように配置されている。この流路ガイド７０は、少なくとも冷却空気高速域５２に設けられることが好ましい。
【００４８】
流路ガイド７０は、板状の部材で構成され、冷却空気ＣＡの流れ方向における冷却空気流路５０の形状に対応した形状に構成されている。流路ガイド７０は、内筒２０の外面および外筒の内面に接するように設けられることが好ましい。例えば、流路ガイド７０を、内筒２０の外面または外筒３０の内面に一体的に形成することができる。
【００４９】
トランジションピース１１の断面形状は、上流側端部（図４では左側端部）の円形から、下流側端部（図４では右側端部）の矩形または扇形に、三次元的に変化している。そのため、冷却空気流路５０における流路断面形状も同様に三次元的に変化している。これによって、冷却空気流路５０を流れる冷却空気ＣＡは、周方向に偏流し、流路断面において均一な流れとはならない。
【００５０】
そこで、第２の実施の形態のトランジションピース１１のように、冷却空気流路５０に流路ガイド７０を設けることで、周方向への流れの偏流が抑制され、流路断面における冷却空気ＣＡの流れの均一化を図ることができる。これによって、内筒２０を周方向に亘って均一に冷却することができる。
【００５１】
以上説明した実施形態によれば、構成部材の変形を抑制できるとともに、冷却空気による冷却効果を向上させることが可能となる。
【００５２】
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。また、既運用中のトランジションピースに対して、本発明の実施形態のトランジションピースの外筒を適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０，１１…トランジションピース、２０…内筒、３０…外筒、３１…噴出孔、４０…ピクチャーフレーム、５０…冷却空気流路、５１…冷却空気導入域、５２…冷却空気高速域、５３…圧力回復域、６０…スロート部、６５…燃焼ガス流路、７０…流路ガイド、１００…ガスタービン、１１０…圧縮機、１１１…圧縮機ケーシング、１１２，１３２…動翼、１１３…圧縮機ロータ、１１４，１３４…静翼、１２０…燃焼器ライナ、１２１…燃焼器外筒、１３０…タービン部、１３１…タービンケーシング、１３３…タービンロータ、ＣＡ…冷却空気。
【図１】
2012145098.tif 000003
【図２】
2012145098.tif 000004
【図３】
2012145098.tif 000005
【図４】
2012145098.tif 000006
【図５】
2012145098.tif 000007
【図６】
2012145098.tif 000008