JP2009097511A - 燃焼器ブラケット組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃焼ライナ（６２）に移行セグメント（５８）を取付けるためのブラケット組立体を提供する。
【解決手段】本ブラケット組立体は、移行セグメント（５８）に装着された１以上のフランジ（７８）を含む。１以上のフランジ（７８）は、移行セグメン（５８）から半径方向に延びる溝（９４）を含む。本ブラケット組立体はさらに、ガスタービンエンジンに対して固定装着されたブラケット（６６）を含む。ブラケット（６６）は、１以上の端部セクション（７４）を有する細長いセクション（６８）を含み、１以上の端部セクション（７４）は、溝（９４）によって受けられて燃焼ライナ（６２）に移行セグメント（５８）を取付ける軸方向遊動接合部を構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの技術に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンにおいて燃焼ライナにトランジションピースを取付けるための組立体に関する。

ガスタービン燃焼器は、燃焼室を形成した燃焼ライナを含む。移行セグメントは、燃焼ライナとタービン第１段との間で延びる。燃焼ライナに対して移行セグメントを取付けるための従来型の組立体は、ブルホーンを含む。ブルホーンは、複数のブルホーンフィンガを含む。ブルホーンフィンガは、ブルホーンから離れる方向に軸方向に延びかつ移行セグメントに取付けられた対応するＨ形状案内ブロックと係合する。ブルホーンフィンガは、横断バーの下方及び上方の両方においてＨ形状案内ブロック内部に配置される。このような構成の場合には、移行セグメントは、軸方向浮動接合部によって燃焼ライナに取付けられる。浮動接合部により、運転中のタービン内に存在する高温度熱条件に曝される結果として移行セグメントが軸方向に膨脹及び収縮することが可能になる。浮動接合部は、ブルホーンフィンガに対して応力を加える欠点がある。時間の経過と共に、ブルホーンフィンガが故障し、ガスタービンエンジンは、補修のためにオフラインにしなければならなくなる。
米国特許第５７４９２１８号明細書

本発明の１つの態様によると、ガスタービンエンジンの燃焼ライナに移行セグメントを取付けるためのブラケット組立体を提供する。本ブラケット組立体は、移行セグメントに装着された１以上のフランジを含む。１以上のフランジは、移行セグメンから半径方向に延びる溝を含む。本ブラケット組立体はさらに、ガスタービンエンジンに対して固定装着されたブラケットを含む。ブラケットは、溝によって受けられて燃焼ライナに移行セグメントを取付ける軸方向遊動接合部を構成する１以上の端部セクションを有する細長いセクションを含む。

本発明の別の態様によると、ブラケットを提供する。本ブラケットは、両端部を有する細長いセクションを含む。本ブラケットはさらに、細長いセクションの両端部のそれぞれの１つから延びる第１及び第２の湾曲セクションを含む。本ブラケットはまた、第１及び第２の湾曲セクションのそれぞれの１つの端部部分から延びる第１及び第２の端部セクションを含む。第１及び第２の端部セクションの各々は、細長いセクションに対して傾斜している。本ブラケットは、燃焼ライナにガスタービンエンジンの移行セグメントを取付ける軸方向浮動接合部を構成する。

この時点において、本発明により、ガスタービンエンジンにおける燃焼ライナにトランジションピースを取付けるための堅牢な取付け機構が得られることが解る筈である。本ブラケットの設計は、高サイクル材料疲労（ＨＣＦ）寿命及び信頼性を大幅に向上させるだけでなく、ブラケットの損傷に起因したエンジン停止時間に関連する保守整備費用を減少させる。さらに、上述のように構成したブラケットは、先行技術の構造よりも約３５％高い負荷に耐えることができることが判明した。いづれにしても、本発明の様々な態様の付加的な目的、特徴及び利点は、幾つかの図において同じ参照符号が対応する部品を表わす図面に関連してなした以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろう。

最初に図１のエンジンを参照すると、複数燃焼器式ガスタービンエンジン（図示せず）の燃焼器組立体１０は、燃料ノズル１２（幾つかのガスタービンは、各燃焼器において複数のノズルを用いる）、燃焼室１４、及び該燃焼室１４とタービン第１段１８との間で延びる移行セグメント１６を含む。燃焼室１４は、ほぼ円筒形の燃焼ライナ２０によって形成され、該燃焼ライナ２０は次に、ほぼ円筒形の流れスリーブ２２によって囲まれる。流れスリーブ２２とライナ２０との間の半径方向空間は、空気流通路（別個には参照符号を付していない）を形成し、該空気流通路は、圧縮機吐出空気がライナ２０の上流又はノズル端部２５に向かって逆方向に流れかつ次に燃焼室１４に導入されて燃料と混合されるようになるのを可能にする。

図２及び図３を参照すると、移行セグメント１６は、軸方向浮動接合部を介して燃焼ライナ２０に取付けられる、つまり、移行セグメント１６は、運転中のガスタービンに関連する高温度熱条件に曝されることにより軸方向に膨脹することが可能になる。燃焼器１０の前部支持体２４は、一対のアーム２６及び２８によって形成され、該一対のアーム２６及び２８は移行セグメント１６の両側に向かって外向きかつ上向きに延びる。前部支持体２４の各アーム２６、２８は、対応する軸方向に延びる案内フィンガ要素３０、３２を含む。各案内フィンガ要素３０、３２は同一であるので、案内フィンガ要素３２が同一に製作されているとして案内フィンガ要素３０に関して以下に詳述することにする。案内フィンガ要素３０は、鋼で製作されており、図３に示すように、剛性本体部分３８と、一対の軸方向に延びかつ側方に間隔を置いて配置されたフィンガ４０及び４２とを含む。フィンガ４０及び４２は、剛性本体部分３８から離れるように軸方向外向きに延びる。使用中、図１に示すように、フィンガ４０及び４２は、上流方向にすなわち燃焼器１０に向かってかつ該燃焼器１０の長手方向軸線と平行に軸方向に延びる。アーム２６及び２８並びに案内フィンガ要素３０及び３２と共に前部支持体２４は一纏めにして、ブルホーンとして知られている。フィンガ４０、４２は普通、ブルホーンフィンガと呼ばれる。案内フィンガ要素３０のブルホーンフィンガ４０、４２は、Ｈ形状案内ブロック４３と摺動可能に係合する。図示するように、Ｈ形状案内ブロック４３は、交差部分４８によって相互連結された平行伸長部分４４及び４６を含む。伸長部分４４及び４６は、図２に示すように、移行セグメント１６の上流又は燃焼器端部に比較的近接近させて該移行セグメント１６のフランジ５０内部に溶接される。Ｈ形状案内ブロック４３は、図２に示すように、伸長部分４４及び４６が移行セグメント１６に対して接線方向になるように配置される。この時点において、複数のブルホーン及び協働するＨ形状ブロックは、上述のように、燃焼ライナ２０に移行セグメント１６を取付ける接合部を形成することが分かる筈である。

次に、本発明の例示的な実施形態を説明するのに、図４〜図５を参照することにする。複数燃焼器式ガスタービンエンジンの燃焼器組立体５２は、燃料ノズル５４（幾つかのガスタービンでは、各燃焼器において複数のノズルを用いる）、燃焼室５６及び移行セグメント５８を含む。上述したものと同様に、移行セグメント５８は、燃焼室５６とタービン第１段６０との間で延びる。燃焼室５６は、ほぼ円筒形の燃焼ライナ６２によって形成され、該燃焼ライナ６２は次に、ほぼ円筒形の流れスリーブ６４によって囲まれる。流れスリーブ６４とライナ６２との間の半径方向空間６５は、空気流通路（別個には参照符号を付していない）を形成し、該空気流通路は、圧縮機吐出空気がライナ６２の上流又はノズル端部６６に向かって逆方向に流れかつ燃焼室５６に導かれて燃料と混合されるようになるのを可能にする。

図示するように、移行セグメント５８は、軸方向浮動接合部を介して燃焼ライナ６２に取付けられる、つまり、移行セグメント５８は、運転中のガスタービンに関連する高温度熱条件に曝される結果として軸方向に膨脹及び収縮することが可能になる。燃焼器組立体５２は、それに対して支持体８０を装着したフランジ７８を含み、該支持体８０は、移行セグメント５８に向かって延びる。支持体８０は、該支持体８０を貫通して延びて該支持体８０をフランジ７８に取付ける一対の装着孔（図示せず）を含む。一対のほぼ平行な伸長部分８６及び８８を有しかつ交差部分９０によって相互連結されたＨ形状案内ブロック８４は、移行セグメント５８上に設けられたフランジ９２内部に溶接される。フランジ９２は、移行セグメント５８の上流又は燃焼器端部（別個には参照符号を付していない）に比較的近接近させて配置される。Ｈ形状案内ブロック８４は、伸長部分８６及び８８が移行セグメント５８から半径方向外向きに延びるように配置される。このようにして、伸長部分８６及び８８は、１以上の溝９４を形成し、この溝の目的は、下記でより完全に明らかになるであろう。この時点において、図５には、２つのＨ形状案内ブロック８４及び関連するフランジ９２のみを示しているが、移行セグメント５８には、分かり易くするために図には示していない複数のＨ形状案内ブロック８４及び対応するフランジ９２が設けられることを理解されたい。いずれにしても、ブラケット６６は、支持体８０に移行セグメント５８を取付け、かつ下記でより十分に説明するように軸方向浮動接合部を形成する。

図６に最もよく示すように、ブラケット６６は、両端部（別個には参照符号を付していない）を有する中央の細長いセクション６８によって形成されたほぼ細長いＵ形状の形態として形成される。ブラケット６６はさらに、第１及び第２の湾曲セクション７０及び７２を含み、これら湾曲セクション７０及び７２は、それぞれ細長いセクション６８の両端部のそれぞれの１つから延びかつ内向きに延びる端部セクション７４及び７６で終端している。端部セクション７４及び７６は、対応するＨ形状ブロック８４の溝９４内部に取付け配置されるのに十分な幅及び長さを含む。本発明の１つの態様によるブラケット６６は、以前に説明した全てのセクションを形成するように湾曲させた単一の鋼板で製作される。本発明の１つの態様によると、ブラケット６６は、３０４ステンレス鋼で形成されるが、様々な他の材料も用いることができることを理解されたい。いずれにしても、各湾曲セクション７０、７２は、それぞれ細長いセクション６８の両端部のそれぞれの１つにおいて始まる緩やかな傾斜を有する上向き湾曲部を含み、またこれら上向き湾曲部は、急勾配傾斜部まで続いた後に端部セクション７４及び７６で終端している。図示するように、端部セクション７４及び７６は、細長いセクション６８に対して上向きかつ内向きに湾曲している。

ブラケット６６には、細長いセクション６８の中央部分（別個には参照符号を付していない）から等距離に配置された一対の装着孔１０２及び１０４が設けられる。より具体的には、ブラケット６６上の装着孔１０２及び１０４は、支持体８０上に形成された対応する開口部（図示せず）と整列する。このようにして、機械式ファスナ（図示せず）が、装着孔１０２及び１０４を貫通しかつ支持体８０上に設けた開口部（図示せず）と係合する。ボルト、ネジ付きロッド及び同様のもののような様々な形式の機械式ファスナを用いて支持体８０にブラケット６６を取付けることができる。いずれにしても、ブラケット６６は、端部セクション７４及び７６がそれぞれのＨ形状ブロック８４内の対応する溝９４によって受けられた状態で支持体８０に取付けられる。このような構成では、ブラケット６６は、タービン第１段６０に向かう方向における移行セグメント５８の移動を抑制する働きをすると同時に、依然として移行セグメント５８が運転中のガスタービンエンジンの高温度熱条件に曝される結果として軸方向に膨脹及び／又は収縮するのを可能にする。

より硬質のかつより耐摩耗性のコバルト基合金を利用することによって、ブラケット６６と協働するＨ形状ブロック８４との間の接合部において、摩耗特性の向上が得られる。つまり、本発明の１つの態様によると、Ｈ形状ブロック８４は、約２８．５〜３０．５％のクロム及び約５２％のコバルトを含む合金で形成される。より具体的には、Ｈ形状ブロック８４は、１０．５重量％のニッケル、２．０重量％の鉄、２９．５重量％のクロム、７重量％のタングステン、１重量％のケイ素、１重量％のマンガン、０．２５重量％の炭素及び残りがＦＳＸ−４１４のようなコバルトである組成を有する合金で形成される。

本発明の別の態様によると、摩耗特性は、ブラケット６６の各端部セクション７４、７６上に設けた摩耗カバー９６を使用することによってさらに高められる。図６に示すように、摩耗カバー９６は、ほぼ矩形形状に構成されかつ開口部９８が設けられた簿板材料で形成される。このようにして、開口部９８は、例えば端部セクション７４を受ける。摩耗カバー９６は、高温耐摩耗性コバルト基合金で製作されるのが好ましい。摩耗カバー９６は、約０．０５／０．１５重量％の炭素、１．００／２．００重量％のマンガン、０．０４０重量％のケイ素、０．０３０重量％の燐、０．３重量％の硫黄、１９．００／２１．００重量％のクロム、９．００／１１．００重量％のニッケル、１４．００／１６．００重量％のタングステン及び３．００重量％の鉄を含み、残りが例えばＬ−６０５のようなコバルトである合金で形成されるのが好ましい。高い重量％のコバルトを有する合金の使用により、そうでなければ比較的軟質の端部セクション７４及び７６において高い耐摩耗性が得られる。ＦＳＸ−４１４及びＬ−６０５の組合せは、Ｈ形状ブロック８４とブラケット６６との間に弾性接合部を構成する利点があることが判明した。さらに、ブラケット６６及びＨ形状ブロック８４用の上述した材料の場合に、摩耗パターンは、移行セグメント５８及び関連するＨ形状ブロック８４と比較してより容易に交換可能／補修可能かつ安価である、より軟質の、例えばＬ−６０５材料上で生じることが判明した。

本発明の別の態様によると、摩耗特性は、図５に示すように、ブラケット６６の端部セクション７４及び７６のそれぞれの１つに施工した耐摩耗性皮膜１０４の形態の第１の摩耗カバーと、Ｈ形状ブロック８４の溝９４に施工した耐摩耗性皮膜１０５の形態の第２の摩耗カバーとの使用によって高められる。耐摩耗性皮膜１０４及び１０５は、例えばステライト−６のような、約１．１重量％の炭素、６６．９重量％のコバルト、２８重量％のクロム及び４重量％のタングステンを含むコバルト基合金で形成される。ステライト−６は、端部セクション７４、７６及び溝９４の両方に容易に施工して、容易に補修可能かつ保守整備可能な耐摩耗性接合部を形成することができる。

別の構成では、ブラケット６６は、例えば上述したＬ−６０５合金のような耐熱かつ耐摩耗合金でその全体を形成することができる。本発明によると、同様の特性を有する他の耐摩耗合金もまた使用することができることも分かるであろう。いづれにしても、バケット６６により、高サイクル材料疲労（ＨＣＦ）寿命及び信頼性が大幅に向上し、同時にバケット損傷に起因したエンジン停止時間に関連する保守整備費用が減少する。さらに、上述したように製作したブラケットは、先行技術の構成よりも約３５％高い負荷に耐えることができることが判明した。

好ましい実施形態を図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれら実施形態に対して様々な変更及び置換えを行うことができる。例えば、ブラケットを形成するために使用する特定の材料は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく変更することができる。さらに、Ｈ形状ブロックは、コバルト及び非コバルト基合金を含むＦＳＸ−４１４と同様の特性を有する様々な材料で形成することができ、摩耗カバーもまた、コバルト基及び非コバルト基合金の両方を含むＬ−６０５と同様の耐摩耗特性を有する様々な材料で形成することができ、またステライト−６と同様の属性を有する多様な材料を使用して耐摩耗性皮膜を形成することができることを理解されたい。上述した材料は、本発明の様々な構成部品及び構成部品部分における容認可能な材料の網羅的な列記を表わすものとして考えるべきではないことは容易に分かるであろう。一般に、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ制限されることを意図している。

先行技術による従来型のガスタービンエンジン燃焼器を示す側面図。 線２−２に沿って取った、図１のガスタービンエンジン燃焼器の部分断面図。 先行技術による、案内ブロック及び協働案内フィンガを示す分解図。 本発明の１つの態様による燃焼器ブラケット組立体を備えたガスタービンエンジン燃焼器を示す側面図。 線６−６に沿って取った、図４のガスタービンエンジン燃焼器の部分断面図。 図５の燃焼器ブラケット組立体のブラケットの斜視図。

符号の説明

１０ 燃焼器組立体
１２ 燃料ノズル
１４ 燃焼室
１６ 移行セグメント
１８ タービン第１段
２０ 燃焼ライナ
２２ 流れスリーブ
２５ ノズル端部（２０）
２４ 前部支持体
２６ アーム
２８ アーム
３０ 案内フィンガ要素
３２ 案内フィンガ要素
３８ 剛性本体部分
４０ フィンガ
４２ フィンガ
４３ Ｈ形状案内ブロック
４４ 平行伸長部分
４６ 平行伸長部分
４８ 交差部分
５０ フランジ
５２ 燃焼器組立体
５４ 燃料ノズル
５６ 燃焼室
５８ 移行セグメント
６０ タービン第１段
６２ 燃焼ライナ
６４ 流れスリーブ
６５ 半径方向空間
７８ フランジ
８０ 支持体
８４ Ｈ形状案内ブロック
８６ 平行伸長部分
８６ 平行伸長部分
９０ 交差部分
９２ フランジ
６６ ブラケット
６８ 細長いセクション
７０ 第１の湾曲セクション
７２ 第２の湾曲セクション
７４ 端部セクション
７６ 端部セクション
９４ 溝
１０２ 装着孔
１０４ 装着孔
９６ 摩耗カバー
９８ 開口部
１０５ 耐摩耗性皮膜

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンの燃焼ライナ（６２）に移行セグメント（５８）を取付けるためのブラケット組立体であって、
   前記移行セグメント（５８）に装着されかつ該移行セグメン（５８）から半径方向に延びる溝（９４）を備えた１以上のフランジ（７８）と、
   前記ガスタービンエンジンに対して固定装着されたブラケット（６６）と、を含み、
   前記ブラケット（６６）が、前記溝（９４）によって受けられて前記燃焼ライナ（６２）に前記移行セグメント（５８）を取付ける軸方向遊動接合部を構成する１以上の端部セクション（７４）を有する細長いセクション（６８）を含む、
   ブラケット組立体。
2. 前記１以上のフランジ（７８）が、それぞれ第１及び第２の溝（９４）を有する第１及び第２のフランジ（９２）を含み、
   前記１以上の端部セクション（７４）が、前記第１及び第２の溝（９４）の対応する溝に延びる第１及び第２の端部セクション（７４、７６）を含む、
   請求項１記載のブラケット組立体。
3. 前記ブラケット（６６）が、前記細長いセクション（６８）と前記第１及び第２の端部セクション（７４、７６）のそれぞれの１つとの間で延びる第１及び第２の湾曲セクション（７０、７２）をさらに含む、請求項２記載のブラケット組立体。
4. 前記ブラケット（６６）の１以上の端部セクション（７４）上に配置された１以上の摩耗カバー（９６）をさらに含み、
   前記摩耗カバー（９６）が、耐摩耗合金で形成される、
   請求項１記載のブラケット組立体。
5. 前記１以上の摩耗カバー（９４）が、第１及び第２の耐摩耗性皮膜（１０４、１０５）を含み、
   前記第１の耐摩耗性皮膜（１０４）が、前記１以上の端部セクション（７４）に施工され、
   前記第２の耐摩耗性皮膜（１０５）が、前記１以上の溝（９４）に施工される、
   請求項４記載のブラケット組立体。
6. 前記耐摩耗合金が、コバルトを含む、請求項４記載のブラケット組立体。
7. 前記耐摩耗合金が、約２０％のクロム及び約５３%のコバルトを含むコバルト基合金である、請求項４記載のブラケット組立体。
8. 前記１以上のフランジ（７８）内に装着されたＨ形状ブロック（８４）をさらに含み、
   前記Ｈ形状ブロック（８４）が、交差部分（９０）によって相互連結されて前記溝（９４）を形成した第１及び第２のほぼ平行な伸長部分（８６、８８）を含む、
   請求項２記載のブラケット組立体。
9. 前記Ｈ形状ブロック（８４）が、耐摩耗コバルト合金で形成される、請求項８記載のブラケット組立体。
10. 前記ブラケット（６６）が、鋼で形成される、請求項１記載のブラケット組立体。

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