JP2010054191A - 熱コンプライアンス性燃焼キャップ装置及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼キャッププレート（４０）を開示する。
【解決手段】本燃焼キャッププレート（４０）は、平面表面（４６）を有し、タービン燃焼チャンバ（２８）に連結された組立体に取付けられるように構成され、かつ該平面表面（４６）に対して垂直な中心軸線（４８）を定めたプレートと、プレートを貫通する複数の開口部と、プレートによって形成された複数の隆起部とを含む。隆起部は各々、中心軸線（４８）の方向に平面表面（４６）から離れるように延び、かつ燃焼過程の間にプレート上に生じた温度勾配に一致する形状を有する。
【選択図】 図６

Description

本明細書に開示した主題は、ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンで使用する燃焼キャップ組立体に関する。

ガスタービンでは、燃焼キャップ組立体は、燃料ノズルから該ガスタービン内の燃焼チャンバに燃料及び空気を送給するために利用される。燃焼キャップ組立体は一般的に、それを通して燃料ノズルが燃料及び空気を供給するキャッププレートを含む。

現在のキャッププレートは、低サイクル及び高サイクル寿命限界を有する。寿命限界は、キャッププレートにおける割れの形態となる。生じた割れ発生の幾らかは、燃焼チャンバ内の火炎への近接度によって引き起こされた厳しい温度勾配に起因した低サイクル疲労により生じる。割れ発生の幾らかはまた、キャッププレートの比較的低い剛性により該キャッププレートが燃焼圧力変動によって撓むことになるので、高サイクル疲労に起因するものである。

寿命限界を延長させようとする幾つかの設計には、プレートを厚くして該プレートがより長い寿命及びより大きい剛性を有するようにすることを含む。厚さを増加させることは、プレートを製造するのをより困難にしかつ費用を増加させる。厚さの増加はまた、より厚いプレートがより薄いプレートに取付けられる不連続部を招く可能性がある。その他の設計では、キャップに取付けられたカバープレート又はシールドを使用する。これらの設計では、より高温のシールドは、より低温のキャップ構造体とは無関係に膨張することができる。そのようなシールドを備えた装置は、単一のキャッププレートを備えたシステムよりも多くの部品、複雑さ及び費用を必要とする。

米国特許第５３５７７４５号明細書 米国特許第７２６０９３５号明細書

従って、大幅な付加的費用又は複雑さを生じさせない状態で耐久性及び寿命を向上させたキャップ組立体に対する必要性が存在する。

本発明の例示的な実施形態により構成した燃焼キャッププレートは、平面表面を有し、タービン燃焼チャンバに連結された組立体に取付けられるように構成されかつ該平面表面に対して垂直な中心軸線を定めたプレートと、プレートを貫通する複数の開口部と、プレートによって形成された複数の隆起部とを含み、隆起部は各々、中心軸線の方向に平面表面から離れるように延び、かつ燃焼過程の間にプレート上に生じた温度勾配に一致する形状を有する。

本発明の他の例示的な実施形態は、ガスタービンに可燃材料を供給するためのシステムを含む。本システムは、ガスタービン内の燃焼チャンバに連結可能な外側スリーブと、平面表面を有し、該平面表面に対して垂直な中心軸線を定めかつそれを貫通する複数の燃料ノズル開口部を備えたプレートと、複数の開口部と整列状態で取付けられた複数の燃料ノズルカップとを含む。プレートは、複数の隆起部を有し、また隆起部は各々、中心軸線の方向に平面表面から離れるように延びかつ燃焼過程の間にプレート上に生じた温度勾配に一致する形状を有する。

付加的な特徴及び利点が、本発明の例示的な実施形態の技術により実現される。本明細書では、本発明の他の実施形態及び態様を詳細に説明しており、それら実施形態及び態様は、本特許請求した発明の一部と考えている。本発明をその利点及び特徴と共に一層よく理解するためには、その説明及び図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態によるガスタービンの側面断面図。 図１のガスタービン組立体の例示的な燃焼器組立体の拡大断面図。 燃焼キャップの例示的な実施形態の前部斜視図。 図３の燃焼キャップの拡大前部斜視図。 図３の燃焼キャップの拡大後部斜視図。 燃焼キャップの別の例示的な実施形態の前部斜視図。 図６の燃焼キャップの拡大前部斜視図。 図６の燃焼キャップの拡大後部斜視図。 燃焼キャップの別の例示的な実施形態の前部斜視図。 図９の燃焼キャップの拡大前部斜視図。 図９の燃焼キャップの拡大後部斜視図。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したガスタービンエンジン組立体は、その全体を参照符号１０で示している。ガスタービン１０は、圧縮機組立体１２と、燃焼器組立体１４と、燃焼器組立体１４及び圧縮機組立体１２と流体連通状態になったタービン組立体１６と、圧縮機組立体１２及びタービン組立体１６に取付けられたロータシャフト１８とを含む。運転中に、空気は、圧縮機組立体１２を通って流れかつ燃焼器組立体１４に吐出され、燃焼器組立体１４は、空気流中に燃料を噴射しかつ燃料／空気混合気を点火燃焼させて高温の燃焼ガス流を発生させる。燃焼ガス流は、タービン組立体１６に向かって吐出され、タービン組立体１６は、該燃焼ガス流によって回転される。

図２を参照すると、複数の燃料ノズル２２に対して少なくとも部分的な支持を与える略円形のカバー組立体３８を備えた燃焼器組立体１４の例示的な実施形態を示している。カバー組立体３８は、保持金物（図示せず）を用いて燃焼器ケーシング２４に結合される。略円筒形の燃焼器ライナ２６が、ケーシング２４内に配置されかつ該ケーシング２４によって支持される。ライナ２６は燃焼チャンバ２８を形成する。略円形のキャップ組立体２０が、燃焼チャンバ２８の一端部を形成しかつ燃料ノズル２２のための挿入開口部を構成する。

トランジションピース３０とも呼ばれる遷移部３０が、燃焼器ケーシング２４に結合されかつチャンバ２８内で発生させた燃焼ガスをタービンノズル３２に送るのを可能にする。燃料及び空気は、燃焼チャンバ２８内で混合されかつ点火燃焼される。得られた燃焼ガス３４は、チャンバ２８から燃焼ガス流案内空洞３６に向かってかつ該空洞３６を通して送られ、燃焼ガス流案内空洞３６は、タービンノズル３２に向かって燃焼ガス流を送る。

キャップ組立体２０は、燃焼キャッププレート４０を含み、燃焼キャッププレート４０は、燃料ノズル２２を受入れるための複数の開口部を含む。キャッププレート４０は、複数の燃料ノズル開口部４２、４４を含む。複数の燃料ノズルカップ又はチューブが、燃料ノズル開口部４２、４４と整列状態で取付けられる。

図３〜図５を参照すると、燃焼キャップ組立体２０は、それを通して燃料ノズルが燃料及び空気を送給する複数の開口部を有する燃焼キャッププレート４０を含む。燃焼キャッププレート４０は、平坦な円形本体４６と複数の開口部４２、４４を含む。

図６〜図８を参照すると、燃焼キャップレート４０の実施形態を示している。この実施形態では、キャッププレート４０は、その上に複数の燃料ノズル開口部４２、４４を有する平面表面４６を備えた平坦なプレートである。この実施形態では、燃料ノズル開口部４２、４４は、「周辺開口部」とも呼ばれる５つの一次又は外側燃料ノズル開口部４４と、「中心開口部」とも呼ばれる中心燃料ノズル開口部４２とを含む。本明細書で実施形態に記載した燃料ノズル開口部４２、４４の数及び位置は、例示的なものであり、かつそれらに限定されるものではない。また、この実施形態では、燃料ノズル開口部４２、４４は、円形形状を有するが、必要に応じて好適な形状を使用することができる。一実施形態では、キャッププレート４０は、タービン１０で生じる条件で使用するのに適した金属材料で製作される。

平面表面４６は、中心軸線４８に対して垂直な平面を形成する。一実施形態では、中心開口部４２は、中心軸線４８の周りで対称である。一実施形態では、周辺開口部４４は、表面４６上に円周方向に配置される、つまり、各周辺開口部の中心は、中心軸線４８の周りで対称に形成された円周部上に位置決めされる。

一実施形態では、表面４６は、中心軸線４８から放散する半径方向線からオフセットした方向に該表面４６から離れるように延びる複数の隆起部５０を含む。一実施形態では、隆起部５０は、プレート４０の少なくとも平坦部分の厚さと略同じ厚さを維持する。

隆起部５０は、キャップレート４０の形状を燃焼過程によって生じる熱撓みの方向に対してよりコンプライアンス性がある形状に変更することによって、燃焼過程によって導入される温度状態による応力を減少させる。この設計はまた、プレート４０に剛性を与えて、燃焼によって生じた駆動力よる共振に対して該プレート４０をより敏感でないものにする。隆起部５０の形状は、面外熱膨張、すなわち平面表面４６から離れる方向の熱膨張を可能にすることによって熱負荷を吸収するように構成される。この形状は、存在する熱負荷パターンに基づいて構成されるが、これら形状は、その他の温度パターンに適合するようにすることができる。１つの実施例では、隆起部５０の形状は、熱撓みに一致している。

キャッププレート４０は、タービン燃焼チャンバ内の火炎に対するその近接度並びに火炎発生及び消滅によるサイクル熱負荷に起因した厳しい温度勾配に曝される。金属プレート４０の熱高温領域は、熱低温領域に隣接して形成される。従来技術のプレートでは、熱高温領域は熱低温領域を歪ませ、これは、「熱ファイト」と呼ばれる。隆起部５０を備えたキャップレート４０は、熱ファイトを減少させるか又は排除する。

例えば、燃焼時に、プレート４０には、「高温」部分と「低温」部分とが発生する。高温部分は、表面４６のその他の部分すなわち低温部分よりも大幅に高い温度を有する該表面４６の領域である。高温部分は、低温部分よりも高い熱負荷を受ける。隆起部５０は、対応する高温部分の形状に少なくとも部分的に一致するような形状にされ、それにより、高温部分における材料が表面４６から離れるように膨張しかつ高温及び低温部分間の熱ファイトが防止されるのを可能にする。熱ファイトを防止することによって、割れの危険性及び発生率が、大幅に減少又は排除される。

１つの例示的な実施形態では、複数の隆起部５０は、図６〜図８に示す細長いトラフのような複数の細長い突出部５０を形成する。別の実施形態では、細長い突出部５０は、平面表面４６上で中心軸線４８から垂直に延びる半径方向の周りで対称である「Ｖ字」形状を生じる対を形成する。一実施形態では、一対の細長い突出部５０は、周辺開口部４４の各対間に配置される。

１つの例示的な実施形態では、細長い突出部５０は、プレート４０がタービン１０上に組立てられた時において、内向きに、すなわち燃焼チャンバ２８に向かう方向に及びプレート４０の後方に向かう方向に隆起している。このことは、図７の前部図及び図８の後部図に示している。他の実施形態では、細長い突出部５０は、プレート４０がタービン１０上に組み立てられる時において、外向きに、すなわち燃焼チャンバ２８から離れる方向に及びプレート４０の前方に向かう方向に隆起している。

図９〜図１１を参照すると、プレート４０の別の例示的な実施形態を示している。この実施形態では、隆起部５０は、表面４６から延びる複数のピラミッド状突出部５０である。各ピラミッド状突出部５０の形状は、各対応する高温部分の全て又は一部に略一致する。一実施形態では、ピラミッド状突出部５０は各々、平面表面４６上で中心軸線４８から垂直に延びる半径方向の周りで対称である。一実施形態では、ピラミッド状突出部５０は、周辺開口部４４の各対間に配置される。

一実施形態では、ピラミッド状突出部５０は、プレート４０がタービン１０上に組立てられた時において、内向きに、すなわち燃焼チャンバ２８に向かう方向に及びプレート４０の後方に向かう方向に隆起している。このことは、図９の前部図及び図１０の後部図に示している。他の実施形態では、ピラミッド状突出部５０は、プレート４０がタービン１０上に組立てられた時において、外向きに、すなわち燃焼チャンバ２８から離れる方向に及びプレート４０の前方に向かう方向に隆起している。

本明細書の例示的な実施形態は、細長い形状及びピラミッド状形状について説明しているが、隆起部５０の形状は、それらの実施形態に限定されるものではない。隆起部は、表面４６の高温部分の全て又は一部を含む所望の形状を採ることができる。

本明細書に説明した装置及びシステムは、先行技術のシステムに勝る数多くの利点をもたらす。例えば、本装置及びシステムにより、厚さ又は付加的な構成部品の変更を必要としない状態で、キャップ組立体プレートの堅牢さ及び耐久性、並びに対応してその寿命を向上させる技術的効果が得られる。本装置及びシステムにより、異なる負荷を受ける部分間の熱ファイトに起因したキャッププレート上の応力が減少する。さらに、プレートキャップの剛性の増大は、燃焼過程の間に発生する圧力変動に対して大きな抵抗力をもたらす。従って、本明細書に記載した本装置及びシステムにより、大幅な複雑さの導入又は費用の発生がない状態で寿命の向上が得られる。

本明細書に開示した実施形態の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はその幾つかの組合せで実行することができる。１つの実施例として、開示した実施形態の１つ又はそれ以上の態様は、例えばコンピュータ使用可能媒体を有する製造品（例えば、１つ又はそれ以上のコンピュータプログラム製品）内に含むことができる。媒体には、例えば本発明の機能を備えかつ可能にするためのコンピュータ読取り可能コード手段がその中に具体化されている。製造品は、コンピュータシステムの一部として含まれるか又は別個に売られるようにすることができる。さらに、開示した実施形態の機能を実行するために機械が実行可能な命令の少なくとも１つのプログラムを明確に具体化した機械読取り可能な少なくとも１つのプログラムストレージ装置を設けることができる。

全体として、本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらに装置又はシステムを製作しかつ使用しまた組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、本発明の例示的な実施形態の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機組立体
１４ 燃焼器組立体
１６ タービン組立体
１８ ロータシャフト
３８ 略円形のカバー組立体
２２ 燃料ノズル
２４ 燃焼器ケーシング
２６ 円筒形燃焼器ライナ
２８ 燃焼チャンバ
２０ 円形キャップ組立体
３０ 遷移部（トランジションピース）
３２ タービンノズル
３４ 燃焼ガス
３６ ガス流案内空洞
４０ 燃焼キャッププレート
４２、４４ 燃料ノズル開口部
４６ 平坦な円形本体（表面）
４８ 中心軸線
５０ 隆起部（ピラミッド状突出部）

Claims (10)

1. 平面表面（４６）を有し、タービン燃焼チャンバ（２８）に連結された組立体に取付けられるように構成され、かつ該平面表面（４６）に対して垂直な中心軸線（４８）を定めたプレートと、
   前記プレートを貫通する複数の開口部（４２、４４）と、
   前記プレートによって形成された複数の隆起部（５０）と
   を含む燃焼キャッププレート（４０）であって、
   前記隆起部（５０）が各々、前記中心軸線（４８）の方向に前記平面表面（４６）から離れるように延び、かつ燃焼過程の間に前記プレート上に生じた温度勾配に一致する形状を有する、燃焼キャッププレート（４０）。
2. 前記プレートが複数の高温部分及び低温部分を有し、前記高温部分が、燃焼時に前記低温部分よりも高い熱負荷を受け、前記複数の隆起部（５０）の各々の形状が各高温部分の形状に一致している、請求項１記載の燃焼キャッププレート（４０）。
3. 前記複数の開口部が、中心開口部（４２）と円周方向に前記中心軸線（４８）の周りに設置された複数の周辺開口部（４４）とを含む、請求項１記載の燃焼キャッププレート（４０）。
4. 前記複数の隆起部（５０）の各々が、円周方向に前記周辺開口部の対間に設置される、請求項３記載の燃焼キャッププレート（４０）。
5. 前記複数の隆起部（５０）が、複数のピラミッド状突出部（５０）を形成する、請求項３記載の燃焼キャッププレート（４０）。
6. 前記複数の隆起部（５０）が、複数の細長い突出部（５０）を形成する、請求項３記載の燃焼キャッププレート（４０）。
7. ガスタービン（１０）に可燃材料を供給するためのシステムであって、当該システムが、
   前記ガスタービン（１０）内の燃焼チャンバ（２８）に連結可能な外側スリーブと、
   平面表面（４６）を有し、該平面表面（４６）に対して垂直な中心軸線（４８）を定め、かつそれを貫通する複数の燃料ノズル開口部（４２、４４）を備えたプレートと、
   前記複数の開口部と整列状態で取付けられた複数の燃料ノズルカップと
   を含んでおり、前記プレートが複数の隆起部（５０）を有し、前記隆起部（５０）が各々、前記中心軸線（４８）の方向に前記平面表面（４６）から離れるように延び、かつ燃焼過程の間に前記プレート上に生じた温度勾配に一致する形状を有する、システム。
8. 前記プレートが複数の高温部分及び低温部分を有し、前記高温部分が、燃焼時に前記低温部分よりも高い熱負荷を受け、前記複数の隆起部（５０）の各々の形状が各高温部分の形状に一致している、請求項７記載のシステム。
9. 前記複数の開口部が、中心開口部（４２）と円周方向に前記中心軸線（４８）の周りに設置された複数の周辺開口部（４４）とを含む、請求項７記載のシステム。
10. 前記複数の隆起部（５０）の各々が、円周方向に前記周辺開口部（４４）の対間に設置される、請求項９記載のシステム。

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