JP2007107872A - セラミック燃焼器ライナを金属製取付け部に結合するボルト締め構造 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック燃焼器ライナを金属製取付け部に結合するボルト締め構造を提供すること。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、フロースリーブ（１４）内でほぼ同心に配置されたほぼ円筒形の燃焼器ライナ（１６）を備える。この燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料でできており、この燃焼器ライナの前方端には、周方向に配置された複数のボルト穴（４９）が設けられる。内部金属リング（２０）は、燃焼器ライナの前方端の外面の周りに配置される。内部金属リング（２０）は、周方向に離間して配置された第２の複数のボルト穴（４６）を備え、複数のボルト（３６）が第１および第２の複数のボルト穴を通って延び、回り止めナット（５０）によって固定される。外部金属リング（２２）は、内部金属リング（２０）から径方向外向きに離間して配置される。前記外部金属リング（２２）は、周方向に離間して配置され、かつ内部リングと外部リングの間を延びる複数の突っ張り部（５２）を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般に、回転機械技術に関し、具体的には、タービン燃焼器内で、セラミックマトリックス複合材燃焼器ライナを金属製取付け部に固定する取付けシステムに関する。

最新のガスタービンエンジンの開発では、タービン燃焼器ライナなどの高温用途で使用するための、現在使用されている金属材料よりも温度性能が高いある種の非金属材料が提案されている。１つの特定のクラスのこのような非金属低熱膨張材料はセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料であり、この材料は、金属よりもかなり高い温度で働かせることができ、エンジンの効率および出力の向上につながる冷却要件を大きく緩和することができる。温度性能がより高いことから、ＣＭＣ材料は、同時に、撹拌器などの従来の冷却強化機構をなくすことによって燃焼器の圧力降下を小さくすることもできる。

ただし、ＣＭＣライナを備えたガスタービンを動作させることのこのような利益を実現するために、ＣＭＣ材料の低熱膨張係数、ならびに従来の金属材料と同じくらい低いＣＭＣの歪み−破壊特性に対応する新しいＣＭＣライナ取付け方法を開発しなければならない。そのため、燃焼器ライナにＣＭＣ材料を使用する際の挑戦課題は、寿命およびコストの要件を満たすコスト効果の高いシステムにおいて既存の金属ハードウエアへの接続部を開発することである。

金属製燃焼器ライナの場合、取付け用の構成要素または機構は、ろう付け、溶接、かしめ、または他のこなれた信頼性の高い結合方法によって金属製ライナに容易に結合される。このような取付け機構は、典型的には、径方向、軸方向、および接線方向に円筒ライナを支持する。

例えば、典型的な３つの突起部による金属ライナ取付け構成は、半ばルーズに金属ライナの３つのブロックを捕らえてフロースリーブの突起部に入れる径方向に浮かせた設計を実現する。燃焼器ライナからの前方軸荷重がろう付けされたブロックに作用する。積み重なった公差および前後方向の同心度の位置合わせ不良により、この構造は、単一の突起部を介して通常の動作荷重をすべて適度に受けることができる。この技術の例は、本願と同じ権利者が所有する米国特許第５２７４９９１号、第５３２３６００号、第５７４９２１８号、第６２７９３１３号、および第６２１６４４２号に示されている。しかし、これらの設計は、ＣＭＣライナに適していない。というのは、金属ブロックをＣＭＣライナにろう付けまたは溶接することは実現可能でないからである。

ＣＭＣは、強度および熱膨張が著しく高い特性をもつ金属ハードウエアに接続される燃焼器ライナなどの物品の設計および応用時に注意深く検討しなければならない機械的特性を有する。金属製構成要素にＣＭＣライナを固定するためのいくつかの固定技術が開発されているが（例えば、米国特許第６９０４７５７号、第６８９５７６１号、６８９５７５７号、第６８５４７３８号、および第６６５８８５３号を参照されたい）、ガスタービン燃焼器のＣＭＣライナを取り付ける比較的簡単かつ効果的なシステムが依然として求められている。
米国特許第５２７４９９１号 米国特許第５３２３６００号 米国特許第５７４９２１８号 米国特許第６２７９３１３号 米国特許第６２１６４４２号 米国特許第６９０４７５７号 米国特許第６８９５７６１号 米国特許第６８９５７５７号 米国特許第６８５４７３８号 米国特許第６６５８８５３号

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

本発明の実施形態の例では、ＣＭＣ燃焼器ライナと金属製取付け部の間に剛体取付け部が設けられる。具体的には、独特な固定システムにより、ＣＭＣライナの荷重を摩擦で支えることができ、そのため、適切な設計寿命が確保される確実なクランプが実現される。本明細書で開示する固定構造は、製造の複雑さをボルト自体に転嫁し、それによって、ＣＭＣ燃焼器ライナの製作が簡略化される。

より具体的には、ＣＭＣライナの軸方向圧力荷重は、高振動ガスタービン環境において摩耗しにくいとみなし得るクランプ式固定具構造によって摩擦で確実に支えられる。このクランプ式結合構造は、ＣＭＣライナの低ＣＴＥを補償するために金属との組合せを利用して高い動作温度でクランプ力を維持し、それによってこの取付けシステムは、摩擦で動作荷重を支えることができる。

この実施形態の例では、ライナは、設置時に、従来のやり方で、ライナの前方端および後方端のところでフラシールによって内側から心出しされる。ライナの前方端は、ライナの上に嵌合した環状内部リングに取り付けられる。具体的には、特別に設計された複数の固定具が、ＣＭＣライナの穴と、それに整列した、内部リングの連続環状部分から突出し、径方向にコンプライアントな周方向に離間して配置されたばねフィンガの穴を通る。各ばねフィンガは、ライナの曲率に合うように曲げられる。この内部リングは、周方向に離間して配置された複数の径方向突っ張り部によって径方向外部リングに取り付けられ、このアセンブリは、制限範囲内で軸方向および径方向の動きが可能なように浮いた状態で取り付けられる。内部リングをＣＭＣライナに固定するためにこの実施形態の例で使用する固定具は、一体型ワッシャ付きの薄いが大型頭部を備えたねじ切りボルトであり、これを回り止めナットと共に使用する。

この特殊ボルトのワッシャ面は、ＣＭＣライナの加工されていない表面と一致する円筒形状になっている。組立中に、この輪郭が付けられたワッシャ面が確実に適切に位置合わせされるように、金属ばねフィンガの、側面がスラブ形状をした穴によって、このワッシャの向きが制御される。この穴は、これに対応する、側面がスラブ形状をしたボルト軸部分を受けるように寸法設定される。回り止めナットは、このばねフィンガの座ぐり平坦部に置かれるように適合される。

別の実施形態の例では、ＣＭＣライナに接続するために、ボルト頭部の下で円筒形状スペーサを使用することができる。

別の実施形態では、ＣＭＣライナの低ＣＴＥを補償するために、高ＣＴＥスペーサを回り止めナットの下に配置することができる。このスペーサならびに通常の機械設計手順の一部に類似した、副次的な構成要素を使用してボルトとＣＭＣライナのＣＴＥの差に対応する他の類似の状況を想起することができる。

したがって、一態様では、本発明は、ガスタービン用の燃焼器ライナに関係し、この燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料でできているほぼ円筒形の燃焼器ライナ本体を備える。このライナ本体は、その後方端に直径が大きくなった部分を有し、この大径部分には、周方向に配置されたボルト穴が設けられる。

別の態様では、本発明は、フロースリーブ内でほぼ同心に配置されたほぼ円筒形の燃焼器ライナを備えるガスタービン燃焼器に関係する。この燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料でできており、この燃焼器ライナの前方端には、周方向に配置された第１の複数のボルト穴が設けられる。このガスタービン燃焼器はさらに、燃焼器ライナの前方端の外面の周りに配置され、周方向に離間して配置された第２の複数のボルト穴を備えた内部金属リングと、第１および第２の複数のボルト穴を通って延びる複数のボルトとを備える。

別の態様では、本発明は、フロースリーブ内でほぼ同心に配置されたほぼ円筒形の燃焼器ライナを備えるガスタービン燃焼器に関係する。この燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料でできており、この燃焼器ライナの前方端には、周方向に配置された第１の複数のボルト穴が設けられる。このガスタービン燃焼器はさらに、燃焼器ライナの前方端の外面の周りに配置された内部金属リングを備え、この内部金属リングは、連続環状部分と、軸方向に延び、周方向に離間して配置された複数のばねフィンガとを有し、これらのばねフィンガにはそれぞれ、周方向に離間して配置された第２の複数のボルト穴が配置される。このガスタービン燃焼器はさらに、第１および第２の複数のボルト穴を通って延びる複数のボルトを備える。回り止めナットが、各ボルトにねじ込み式に固定され、それぞれのばねフィンガの径方向外面と係合する。第２の複数のボルト穴にはそれぞれ、各ボルトの、側面がスラブ形状をした軸部分を受けるように適合された、側面がスラブ形状をした座ぐり穴が形成される。

次に、図面に関連して本発明を詳細に説明する。

図１および図２に、燃焼器外筒１２、径方向外部フロースリーブ１４、および径方向内部燃焼器ライナ１６を含むタービン燃焼器１０のライナ構成を示す。ライナ１６およびフロースリーブ１４は、外筒１２内でほぼ同心に配置され、本発明は、ここでは主に、このライナの前方端１８を、内部リング２０に固定するやり方に関係するものであり、次いで、内部リング２０は、径方向外部取付けリング２２に取り付けられる。

この実施形態の例では、ライナ１６は、非金属低熱膨張ＣＭＣ材料でできている。非金属低熱膨張ＣＭＣ材料は、かなり高い温度で動作し、冷却要件を緩和することができる。

ＣＭＣ燃焼器ライナ１６を、このライナの前方端１８で金属製取付けハードウエアに連結するために、最初に後者を、このライナの前方端および後方端のところの従来型フラシール２６によって内側から心出しする。内部環状取付けリング２０は、ライナの前方端１８の上にはめ込まれる。取付けリング２０は、連続リングまたは帯状部分２８と、その後方端で、それから前方に延びる複数の（例えば、３２個の）径方向にコンプライアントな金属ばねフィンガ３０とによって形成される。フィンガ３０は、ライナの周囲に等間隔に配置され、ライナの曲率に合うように曲げられる。これらのフィンガの前方端３２は、ライナの前方端１８と係合する。フィンガの前方端３２は、適宜、強度を高めるために内部取付けリングの残りの部分に対して厚くすることができる。ライナの直径も、その前方端１８で、テーパが付けられた部分３４によって拡げられ、それによって、組立用のクリアランスが確保される。

複数の固定具３６は、フィンガ３０の端部３２をライナの前方端１８に留める働きをする。この実施形態の例の固定具３６は、ねじが切られた軸部３７および一体型ワッシャ４０（図４〜図７参照）を伴う薄いが大型の円柱頭部３８を有するねじ切りボルトの形態をとる。ワッシャ４０の面４２は、ライナ１６の湾曲した内面に一致する外形になっている。ライナ１６の前方部分１８の加工されていない湾曲面に一致するようにワッシャ面を円筒形にすることによって、ＣＭＣライナに座ぐりが不要になる。ボルト３６は、軸部分３７に形成された平坦部またはスラブ４４も有し、これが、フィンガ３０の、側面がスラブ形状をした相補形穴４６（図５）に嵌合する。向きを制御するボルト軸部と湾曲ワッシャ面が組み合わせられない場合、輪郭付けられたワッシャ面に付与された利益が得られないことになる。すなわち、特殊な円筒ワッシャ面４２、径方向にコンプライアントな取付けフィンガ３０の側面がスラブ形状をしたボルト穴４６、および相補形ボルト軸部分４４の組合せにより、組立クランプ荷重が、結合部の横方向通常動作荷重を摩擦で支えるのに十分に大きくなる。ワッシャ面４２の内径は、円筒ワッシャ面４２を生成するための製造上のアクセスを設けるのに必要とされる軸部から頭部方向のアンダーカット４８に対応するために大きくなっていることにも留意されたい。このアンダーカットによって生成されるオフセットにより、頭部から軸部方向のすみ肉部を避けるのに必要とされる円形ＣＭＣライナ穴４９の面取りのサイズも小さくなる。

回り止めナット５０は、これらの構成要素を合わせてしっかりと留めるために使用する。内部リングのフィンガ３０の外面には、ナット５０を受ける同じ数の座ぐり平坦部５１が形成される。

図１および図２に戻ると、内部取付けリング２０の後方端で、連続リング部分２８が、軸方向を向いた複数の放射状突っ張り部５２によって、外部取付けリング２２に連結される。この実施形態の例では、１６個のこのような突っ張り部がある。これらの突っ張り部は、内部リング２０の周方向に離間して設けられたほぼＵ形のセグメント５４の形態で、２つ１組で設けられる。これらのセグメント５４は、外部リング２２にプラグ溶接することができ、突っ張り部５２は、内部リング２０に突き合わせ溶接される。外部リング２２は、前方かつフロースリーブ１４のフランジ２４の径方向内向きに延び、フランジ２４は、燃焼器外筒の環状溝５４に、または従来方式で捕捉される。この実施形態の例では、フィンガ３０の数と径方向突っ張り部の数の比は２：１で最適化されているが、他の応用例では異なる比が必要とされることがある。

ＣＭＣライナは、外部リング２２とフロースリーブ１４の間の径方向隙間５６により制限範囲内で径方向に浮くことができ、外部リング２２の前後の隙間５８、６０により制限範囲内で軸方向に浮くことができる。

このボルト締めされる結合部は、ＣＭＣライナ１６の低温側低応力区域において、金属製構成要素の、具体的にはボルト３６および回り止めナット５０の材料の制限に十分に入る温度で実施されることに留意されたい。この構成における径方向荷重は、ボルト締め結合部を分離させるように働く荷重であり、組立クランプ荷重は、動作温度でクランプ力が減少することなく、この分離荷重を支える大きさに設定される。この点で、径方向にコンプライアントな前方取付けフィンガ３０は、この分離荷重が結合部の動作クランプ状態を損なわないように十分に柔軟になるように寸法設定しなければならない。したがって、ライナ１６にかかる差圧に起因する軸方向荷重を支持し得る厚さおよび長さにフィンガ３０を寸法設定し、低ＣＴＥのＣＭＣライナ１６と、径方向突っ張り部５２によって外部リング２２に連結される高ＣＴＥ金属製内部リング２０との熱膨張差に対応するためにフィンガが径方向に撓むことができるようにする。

本明細書で説明するように、本発明は、円筒／円錐形のＣＭＣ燃焼器ライナ１６に対する径方向、接線方向、および軸方向の支持を実現する。径方向にコンプライアントな前方取付け部（内部リング２０およびフィンガ３０）は、内側のライナにかかる圧力荷重に反作用する。この圧力荷重により、ライナの円筒軸に沿ってライナにかかる正味の前方向荷重が生成される。タービンにかかるトリップ荷重の極限状態では、この圧力荷重は、２倍よりも大きくなることがある。摩擦係数が十分に大きい場合には、この異常な荷重を摩擦によって支えることができる。摩擦が不十分な場合、ボルト３６の軸部は、この２倍の圧力荷重を剪断で支えることになる。いずれの場合でも、ＣＭＣ材料と前方取付け部の金属製フィンガ３０との間の滑り摩耗が最小限に抑えられる。

本発明の代替実施形態では、ボルト頭部３８の下で円筒形状の輪郭のスペーサを使用することができ、このスペーサが、ＣＭＣライナ１６との間に介在し、ライナの円筒内面上の座ぐりが不要になる。

別の代替実施形態では、ＣＭＣライナ１６の低ＣＴＥを補償するために、ナット５０の下に高ＣＴＥスペーサを配置することができる。

現時点で最も実際的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関連して本発明を説明してきたが、本発明は、ここで開示した実施形態に限定されず、添付の特許請求の趣旨および範囲に含まれる（ＣＭＣ以外の材料を含めて）様々な改変形態および均等構成を対象とすることを意図することを理解されたい。

本発明の実施形態の例による２重リング式取付けハードウエアアセンブリを組み込んだセラミック燃焼器ライナの部分断面図である。 セラミック燃焼器ライナ用の２重リング式取付けハードウエアアセンブリの斜視図である。 図１に示す内部リングの側断面図である。 図１および図３に示す取付けハードウエアアセンブリで使用するナットおよびボルトの斜視図である。 本発明の実施形態の例による内部リングのばねフィンガ、ライナ、およびボルトの相互関係を示す部分斜視図である。 回り止めナットが追加された状態で、図５の線６−６に沿って切った断面図である。 図５の線７−７に沿って切った断面図である。

符号の説明

１０ 燃焼器
１２ 燃焼器外筒
１４ フロースリーブ
１６ 燃焼器ライナ
１８ 前方端
２０ 内部リング
２２ 外部リング
２６ フラシール
２８ 連続リングまたは帯状部分
３０ 金属ばねフィンガ、リングフィンガ
３２ 前方端
３６ 固定具
３７ ねじ切り軸部
３８ 円柱頭部
４０ ワッシャ
４２ 面
４４ 平坦部またはスラブ
４６ ボルト穴
４８ アンダーカット
５０ ナット
５１ 座ぐり平坦部
５２ 径方向突っ張り部
５４ Ｕ形セグメント、環状溝
５６ 径方向隙間

Claims (10)

1. ガスタービン用の燃焼器ライナ（１６）であって、セラミックマトリックス複合材料からなる略円筒形の燃焼器ライナ本体を備え、前記燃焼器ライナ本体はその後方端に大径部分（１８）を有し、前記大径部分には、周方向に配置されたボルト穴（４９）が設けられる、燃焼器ライナ（１６）。
2. ガスタービン燃焼器であって、フロースリーブ（１４）内でほぼ同心に配置されたほぼ円筒形の燃焼器ライナ（１６）を備え、
   前記燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料からなり、
   前記燃焼器ライナの前方端（１８）には、周方向に配置された第１の複数のボルト穴（４９）が設けられ、
   前記ガスタービン燃焼器は更に、前記燃焼器ライナの前記前方端の外面の周りに配置され、周方向に離間して配置された第２の複数のボルト穴（４６）を備えた内部金属リング（２０）と、前記第１および第２の複数のボルト穴を通って延びる複数のボルト（３６）と、を備える、ガスタービン燃焼器。
3. 前記内部金属リング（２０）は、連続環状部分（２８）と、軸方向に延び、周方向に離間して配置された複数のばねフィンガ（３０）とを備え、
   前記周方向に離間して配置された第２の複数のボルト穴（４６）は、前記ばねフィンガ（３０）のそれぞれに配置される、請求項２記載のガスタービン燃焼器。
4. 回り止めナット（５０）が、各ボルト（３６）にねじ込み式に固定され、それぞれのばねフィンガの径方向外面に形成された座ぐり平坦部（５１）と係合する、請求項３記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記燃焼器ライナの前記前方端のところで前記ライナの径方向内面と係合する第１の複数の弾性金属シール（２６）をさらに備える、請求項４記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記燃焼器ライナの後方端のところで前記ライナの前記径方向内面と係合する第２の複数の弾性金属シール（２６）をさらに備える、請求項５記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記内部金属リングの前記第２の複数のボルト穴（４６）にはそれぞれ、前記ボルトの、側面がスラブ形状をした軸部分（４４）を受けるように適合された、側面がスラブ形状をした座ぐり穴が形成される、請求項３記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記内部金属リング（２０）から径方向外向きに離間して配置された外部金属リング（２２）をさらに備え、
   前記外部金属リング（２２）は、周方向に離間して配置され、かつ前記内部リングと外部リングの間を延びる複数の突っ張り部（５２）を備える、請求項２記載のガスタービン燃焼器。
9. 前記周方向に離間して配置された突っ張り部（５２）は対で設けられ、この各対は、前記外部金属リングに固定された湾曲セグメント（５４）によって連結される、請求項８記載のガスタービン燃焼器。
10. ガスタービン燃焼器であって、フロースリーブ（１４）内でほぼ同心に配置されたほぼ円筒形の燃焼器ライナ（１６）を備え、
    前記燃焼器ライナは、セラミックマトリックス複合材料からなり、
    前記燃焼器ライナの前方端（１８）には、周方向に配置された第１の複数のボルト穴（４９）が設けられ、
    前記ガスタービン燃焼器は、前記燃焼器ライナの前記前方端の外面の周りに配置された内部金属リング（２０）を更に備え、
    前記内部金属リング（２０）は、連続環状部分（２８）と、軸方向に延び、周方向に離間して配置された複数のばねフィンガ（３０）とを有し、
    前記ばねフィンガのそれぞれの端部には、周方向に離間して配置され、側面スラブ形状の第２の複数のボルト穴（４６）が設けられ、
    前記ガスタービン燃焼器は、前記第１および第２の複数のボルト穴を通って延びる複数のボルト（３６）を更に備え、
    回り止めナット（５０）は、各ボルトにねじ込み式に固定され、それぞれのばねフィンガの径方向外面と係合し、
    前記側面スラブ形状のボルト穴はそれぞれ、前記各ボルトの、側面がスラブ形状をした軸（４４）部分を受けるように適合されている、ガスタービン燃焼器。

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