JP2013227976A - 燃焼器及び燃焼器の組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管体及び／又はプレートの軸方向及び／又は半径方向熱膨張を補償する改善された燃焼器及び該燃焼器の組立方法を提供すること。
【解決手段】燃焼器は、全体的に、燃焼器の少なくとも一部内に半径方向及び円周方向に延びたプレートを含む。燃焼器はまた、プレートを少なくとも部分的に囲むシュラウドと、プレートを通って延びた複数の管体とを含むことができる。１以上のフレキシブルカップリングは、複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むことができ、１以上のフレキシブルカップリングは、プレートに接続することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、ガスタービン用の燃焼器及び該燃焼器を組み立てる方法に関する。

通常、燃焼器は工業用途及び発電用途で使用され、燃料に着火して燃焼させて高温及び高圧の燃焼ガスを発生させる。典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機と、中間付近に１以上の燃焼器と、後方にタービンとを含む。周囲空気のような作動流体は、圧縮機に供給されて、高エネルギー状態の加圧作動流体を生成することができる。加圧作動流体は、圧縮機から流出し、燃焼器内に定められた燃焼室に流れ、ここで加圧作動流体は、燃料と混合して点火され、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器からタービンに流れ、仕事を産出する。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させ、電力を生成することができる。

特定の燃焼器設計において、複数の管体は、１以上の管体バンドル内に半径方向に配列され、加圧作動流体及び／又は燃料が１以上の管体バンドルを通って燃焼室に流れるよう流体連通することができる。複数の管体の少なくとも一部は、１以上の管体バンドルの各々内でほぼ半径方向及び円周方向に延びた１以上のプレートを通って延びることができる。典型的な構成において、管体は、１以上のプレートにろう付け及び／又は溶接され、管体と１以上のプレートとの間にシールを提供するようにすることができる。しかしながら、燃焼器が種々の作動条件を通じて循環すると、管体と１以上のプレートとの間の継手が、管体及びプレート両方の軸方向及び半径方向の熱膨張及び収縮に起因して障害を生じる場合がある。結果として、燃料及び／又は空気は、障害を生じた継手を通じて漏洩する可能性がある。これに加えて、又は代替として、障害を生じた継手は、燃焼ダイナミックスに起因して管体及び／又はプレートの機械的寿命が大幅に制限される可能性がある。 従って、管体とプレートとの間のシールを維持しながら、管体及び／又はプレートの軸方向及び／又は半径方向熱膨張を補償する改善された燃焼器及び該燃焼器の組立方法が有用となる。

米国特許第７９２６１７８号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、燃焼器の少なくとも一部内に半径方向及び円周方向に延びるプレートと、プレートを少なくとも部分的に囲むシュラウドと、プレートを通って延びた複数の管体と、複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲む１以上のフレキシブルカップリングとを備えた燃焼器である。

本発明の別の実施形態は、燃焼器の少なくとも一部内に半径方向及び円周方向に延びる第１のプレートを有する燃焼器である。第２のプレートは、燃焼器内にほぼ半径方向及び円周方向に延び、該第２のプレートは第１のプレートから下流側にある。シュラウドは、第１及び第２のプレート間に延びる。複数の管体は、第１のプレート及び前記第２のプレートを通って延び、１以上のフレキシブルカップリングが、複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲む。１以上のフレキシブルカップリングは、複数の管体の少なくとも一部に接続され、第１のプレート又は第２のプレートの少なくとも一方に接続される。

本発明はまた、燃焼器を組み立てる方法を含むことができる。本方法は、全体的に、プレートを通って延びた通路と１以上のフレキシブルカップリングを整列させるステップと、フレキシブルカップリングの第１の端部をプレートに接続するステップと、通路に管体を挿入するステップと、１以上のフレキシブルカップリングの第２の端部を管体に接続するステップとを含む。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本開示による燃焼器の断面図。 図１に示す燃焼器の拡大断面図。 本開示の１以上の実施形態による、図２に示す燃焼器の拡大断面図。 本開示の１以上の実施形態による、図２に示す燃焼器の拡大断面図。

ここで、その１以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。加えて、用語「上流側」及び「下流側」は、流体経路における構成要素の相対的位置を示している。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは、構成要素Ｂの上流側にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体を受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流側にある。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の種々の実施形態は、燃焼器及び該燃焼器を組み立てる方法を含む。燃焼器は、一般に、燃焼器内に配置されて燃料供給源と流体連通した管体バンドルを含む。管体バンドルは、燃焼器の少なくとも一部内にほぼ半径方向及び円周方向に延びた１以上のプレートを含むことができる。シュラウドは、プレートを少なくとも部分的に囲むことができ、複数の管体がプレートを貫通して延びることができる。１以上のフレキシブルカップリングは、複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むことができ、１以上のフレキシブルカップリングは、プレートに接続することができる。特定の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリングはまた、燃焼器が種々の熱的条件を周期的に繰り返すときに、該管体がプレートを通じて膨張及び収縮できるように管体に接続することができる。本発明の例示的な実施形態は、例証の目的で、ガスタービンに組み込まれた燃焼器の関連において全体的に説明しているが、本発明の実施形態は、請求項に特に記載のない限りガスタービンの燃焼器に限定されず、あらゆる燃焼器に適用できることは当業者であれば容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の１以上の実施形態による、例示的な燃焼器の簡易断面図を示しており、図２及び３は、図１に示した燃焼器の拡大断面図を示す。図１に示すように、ケーシング１２は、燃焼器１０を全体的に囲み、該燃焼器１０に流れる作動流体１４を収容する。ケーシング１２は、一方端に端部カバー１６を含み、燃料、希釈剤、及び／又は他の添加剤を燃焼器１０に供給するための接続部を提供することができる。１以上の燃料ノズル１７は、端部カバー１６から下流側に延びることができる。ノズル１７の特定の形状及びサイズは、燃焼器１０の種々の作動要件に応じて変わることができる。

図１及び２に示すように、１以上の流体導管１８は、端部カバー１６から、該端部カバーの下流側に配置される１以上の管体バンドル２０にほぼ軸方向に延びることができる。本開示では１つの管体バンドル２０が記載されているが、燃焼器１０は、各管体バンドル２０が燃焼器１０内に配置された１以上の流体導管１８と流体連通した、様々な形状及びサイズの複数の管体バンドル２０を含むことができる点は当業者には明らかなはずである。１以上の流体導管１８は、燃料供給源（図示せず）と管体バンドル２０との間の流体連通を可能にすることができる。管体バンドル２０は、燃焼器１０の少なくとも一部にわたってほぼ半径方向及び円周方向に延びるよう構成することができる。

ライナ２２は一般に、管体バンドル２０の少なくとも一部を囲み、管体バンドル２０からほぼ下流側に延びる。ライナ２２は、管体バンドル２０から下流側に燃焼室２４を少なくとも部分的に定める。図１に示すように、ケーシング１２は、管体バンドル２０及び／又はライナ２２を円周方向に囲み、該管体バンドル２０及びライナ２２を少なくとも部分的に囲む環状通路２６を定める。このようにして、作動流体１４は、環状通路２６を通ってライナ２２の外部に沿って流れ、ライナ２２に対して対流冷却をもたらすことができる。作動流体１４が端部カバー１６に到達すると、該作動流体１４は、方向を反転して管体バンドル２０の少なくとも一部を通って流れることができ、ここで燃料と混合した後、燃焼室２４に注入される。

図１及び２に示すように、管体バンドル２０は一般に、下流型端部３０から軸方向に分離された上流側端部２８を含む。図１〜４に示すように、管体バンドル２０は、一般に、管体バンドル２０の上流側端部２８から下流側に１以上のプレート３２を含む。１以上のプレート３２の各々は、管体バンドル２０及び／又は燃焼器１０の少なくとも一部内でほぼ半径方向及び円周方向に延びる。図１〜４に示すように、１以上のプレート３２の各々は、下流側表面３６から軸方向に分離した上流側表面３４を有する。特定の実施形態において、１以上のプレート３２は、管体バンドル２０の上流側端部２８に近接した第１のプレート３８と、該第１のプレート３８から下流側にある第２のプレート４０とから構成することができる。１以上のプレート３２の各々は、あらゆる厚みのものとすることができ、燃焼器１０内の作動環境に耐えるよう設計されたあらゆる材料から作ることができる。

図２〜４に示すように、複数の通路４２は、１以上のプレート３２の各々を通ってほぼ軸方向に延びることができる。複数の通路４２は、あらゆるサイズ又は形状とすることができる。複数の管体４４は、１以上のプレート３２の少なくとも１つを通ってほぼ軸方向に延びることができる。特定の実施形態において、複数の管体４４の少なくとも一部は、複数の通路４２を通って延びることができる。管体４４の特定の形状、サイズ、数、及び配列は、燃焼器１０の要件に応じて変えることができる。例えば、複数の管体４４は、円筒形状を有するように全体的に示しているが、本開示の範囲内の代替の実施形態は、実質的にあらゆる幾何形状断面を有する管体４４を含むことができる。種々の実施形態において、複数の燃料ポート４６は、管体４４を通じて流体連通を可能にするよう複数の管体４４の少なくとも一部を通って延びることができる。特定の実施形態において、半径方向ギャップ４８は、１以上のプレート３２と複数の管体４４との間に定めることができる。これに加えて、又は代替として、複数の管体４４は、半径方向ギャップ４８が最小又はゼロになるように通路４２内に圧入することができる。

図２〜４に示すように、シュラウド５０は、１以上のプレート３２を少なくとも部分的に囲むことができる。特定の実施形態において、シュラウド５０は、第１のプレート３８から第２のプレート４０に延びることができる。プレナム５２は、第１のプレート３８、第２のプレート４０及びシュラウド５０の間に少なくとも部分的に定めることができる。特定の実施形態において、プレナム５２は、１以上の流体導管１８の少なくとも１つと流体連通することができる。このようにして、燃料は、１以上の流体導管１８を通ってプレナム５２に流入することができる。次いで、燃料は、複数の燃料ポート４６を通って流れ、複数の管体４４の少なくとも一部に流入することができる。このようにして、燃料は、管体バンドル２０の管体４４を通って流れる作動流体１４と混合した後、燃焼室２４に注入されて燃焼することができる。

特定の実施形態において、図３及び４に示すように、１以上のフレキシブルカップリング５４は、複数の管体４４の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むことができる。１以上のフレキシブルカップリング５４の各々は、第２の端部５８から分離された第１の端部５６を含むことができる。１以上のフレキシブルカップリング５４の第１の端部５６は、１以上のプレート３２を通って延びる複数の管体４４の少なくとも一部に接続することができる。特定の実施形態において、第１の端部と複数の管体４４の少なくとも一部との間の接続は、フレキシブルカップリング５４の第１の端部５６と複数の管体４４の少なくとも一部との間にシール６０を形成することができる。第１の端部５６は、当該技術分野において公知の何らかの方法で複数の管体４４の少なくとも一部に接続することができる。例えば、限定ではないが、第１の端部５６は、複数の管体４４の少なくとも一部にろう付け及び／又は溶接することができる。

１以上のフレキシブルカップリング５４の第２の端部５８は、１以上のプレート３２の上流側表面３４及び／又は下流側表面３６に接続することができる。例えば、限定ではないが、第２の端部５８は、プレート３２にろう付け及び／又は溶接することができる。特定の実施形態において、フレキシブルカップリング５４の第２の端部５８と１以上のプレート３２の上流側表面３４及び／又は下流側表面３６との間の接続は、フレキシブルカップリング５４の第２の端部５８と１以上のプレート３２との間にシール６０を形成することができる。１以上のフレキシブルカップリング５４は、管体がプレート３２及び／又はプレート通路３８に対してほぼ軸方向に移動できるようなあらゆるタイプ、形状、又はサイズとすることができる。このようにして、管体４４が燃焼器１０の作動中に熱的増大に起因して膨張すると、管体４４は、シール６０及び６２を損なうことなくプレート３２及び／又はプレート通路４２を通って軸方向に増大できるようにすることができる。特定の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリング５４は、ベローズ形状にすることができる。例えば、限定ではないが、１以上のベローズ形のフレキシブルカップリング５４は、環状タイプ又は螺旋タイプのベローズにすることができる。

特定の実施形態において、図３に示すように、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、１以上のプレート３２の上流側表面３４に結合することができる。これに加えて、又は代替として、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、１以上のプレート３２の下流側表面３６に接続することができる。特定の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の下流側表面３６に接続することができ、フレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の上流側表面３４に接続することができる。これに加えて、又は代替として、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の上流側表面３４に接続することができ、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の下流側表面３６に接続することができる。別の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の上流側表面３４に接続することができ、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の上流側表面３４に接続することができる。

図４に示すように、種々の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、１以上のプレート３２の上流側表面３４又は下流側表面３６に接続することができ、複数の通路４２の少なくとも一部を通って延びることができる。例えば、特定の実施形態において、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の上流側表面３４に接続することができ、第１のプレート３８を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができ、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の上流側表面３４に接続され、第２のプレート４０を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができる。これに加えて、又は代替として、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の下流側表面３６に接続され、第１のプレート３８を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができ、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の上流側表面３４に接続され、第２のプレート４０を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができる。これに加えて、又は代替として、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第１のプレート３８の上流側表面３４に接続され、第１のプレート３８を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができ、１以上のフレキシブルカップリング５４の少なくとも一部は、第２のプレート４０の下流側表面３６に接続され、第２のプレート４０を通って延びた複数の通路４２を通って延びることができる。特定の構成を説明してきたが、１以上のフレキシブルカップリング５４は、シール６０、６２及び／又は管体４４と１以上のプレート３２、３８、４０間の接続を損なうことなく、複数の管体４４が通路４２を通って膨張及び収縮でいるようにするあらゆる構成で接続できる点は当業者には明らかなはずである。

図１〜４に示す種々の実施形態はまた、燃焼器１０を組み立てる方法を提供することができる。特定の実施形態において、本方法は、１以上のプレート３２の少なくとも１つを通って延びた複数の通路４２のうちの１つとフレキシブルカップリング５４の少なくとも１つを整列させるステップと、各フレキシブルカップリング５４の第１の端部をプレート３２に接続するステップと、複数の管体４４の１つを各通路４２に挿入するステップと、各フレキシブルカップリング５４の第２の端部を複数の管体４４の１つに接続するステップとを含むことができる。別の実施形態において、本方法は更に、複数のフレキシブルカップリング５４の各々の第２の端部を管体４４の各々に対してシールするステップを含むことができる。本方法はまた、複数のフレキシブルカップリング５４の各々の第１の端部をプレート３２に対してシールするステップを含むことができる。このプレート３２は、上述のように第１及び／又は第２のプレート３８、４０の両方を含むことができる。本方法はまた、フレキシブルカップリング５４の各々の第１の端部をプレート３２、３８、又は４０に溶接及び／又はフレキシブルカップリング５４の各々の第１の端部をプレート３２、３８、又は４０にろう付けするステップを含むことができる。別の実施形態において、本方法は、各フレキシブルカップリング５４の第２の端部を管体４４に溶接及び／又はろう付けするステップを含むことができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 燃焼器
１２ ケーシング
１４ 作動流体
１６ 端部カバー
１７ ノズル
１８ 流体導管
２０ 管体バンドル
２２ ライナ
２４ 燃焼室
２６ 環状通路
２８ 上流側端部
３０ 下流側端部
３２ プレート
３４ 上流側表面
３６ 下流側表面
３８ 第１のプレート
４０ 第２のプレート
４２ 通路
４４ 管体
４６ 燃料ポート
４８ 半径方向ギャップ
５０ シュラウド
５２ プレナム
５４ フレキシブルカップリング
５６ 第１の端部
５８ 第２の端部
６０ シール
６２ シール

Claims (20)

1. 燃焼器であって、
   前記燃焼器の少なくとも一部内に半径方向及び円周方向に延びるプレートと、
   前記プレートを少なくとも部分的に囲むシュラウドと、
   前記プレートを通って延びた複数の管体と、
   前記複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲む１以上のフレキシブルカップリングと
   を備え、前記１以上のフレキシブルカップリングが前記プレートに接続されている、燃焼器。
2. 前記１以上のフレキシブルカップリングと前記プレート又は前記複数の管体の少なくとも一部の少なくとも一方との間にシールを更に備える、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記１以上のフレキシブルカップリングが、ベローズカップリングである、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記１以上のフレキシブルカップリングが、前記プレートにろう付けされるか又は溶接される、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記１以上のフレキシブルカップリングが、前記複数の管体の少なくとも一部にろう付けされるか又は溶接される、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記複数の管体の各々が、前記１以上のフレキシブルカップリングの少なくとも１つによって少なくとも部分的に囲まれる、請求項１記載の燃焼器。
7. 前記プレートと前記複数の管体の少なくとも一部との間に半径方向ギャップを更に備え、前記１以上のフレキシブルカップリングが、前記半径方向ギャップを通って延びる、請求項１記載の燃焼器。
8. 前記プレートが、下流側表面から軸方向に分離された上流側表面を含み、前記１以上のフレキシブルカップリングの少なくとも１つが前記上流側表面に接続され、前記１以上のフレキシブルカップリングの少なくとも１つが前記下流側表面に接続される、請求項１記載の燃焼器。
9. 燃焼器であって、
   前記燃焼器の少なくとも一部内に半径方向及び円周方向に延びる第１のプレートと、
   前記第１のプレートから下流側で前記燃焼器内に半径方向及び円周方向に延びる第２のプレートと、
   前記第１及び第２のプレート間に延びたシュラウドと、
   前記第１のプレート及び前記第２のプレートを通って延びた複数の管体と、
   前記複数の管体の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲む１以上のフレキシブルカップリングと
   を備え、前記１以上のフレキシブルカップリングが、前記複数の管体の少なくとも一部に接続され、且つ前記第１のプレート又は前記第２のプレートの少なくとも一方に接続される、燃焼器。
10. 前記１以上のフレキシブルカップリングと前記プレート又は前記複数の管体の少なくとも一部の少なくとも一方との間にシールを更に備える、請求項９記載の燃焼器。
11. 前記１以上のフレキシブルカップリングが、ベローズカップリングである、請求項９記載の燃焼器。
12. 前記１以上のフレキシブルカップリングが、前記第１又は第２のプレートにろう付けされるか又は溶接される、請求項９記載の燃焼器。
13. 前記１以上のフレキシブルカップリングの少なくとも１つが前記第１のプレートに接続され、前記１以上のフレキシブルカップリングの少なくとも１つが前記第２のプレートに接続される、請求項９記載の燃焼器。
14. 前記第１のプレート、前記第２のプレート、及び前記シュラウドとの間に少なくとも部分的に定められたプレナムを更に備え、該プレナムが燃料供給源と流体連通している、請求項９記載の燃焼器。
15. 燃焼器を組み立てる方法であって、
    プレートを通って延びた通路と１以上のフレキシブルカップリングを整列させるステップと、
    前記１以上のフレキシブルカップリングの第１の端部を前記プレートに接続するステップと、
    前記通路に管体を挿入するステップと、
    前記１以上のフレキシブルカップリングの第２の端部を前記管体に接続するステップと
    を含む、方法。
16. 前記複数のフレキシブルカップリングの各々の第２の端部を前記各管体に対してシールするステップを更に含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記複数のフレキシブルカップリングの各々の第１の端部を前記プレートに対してシールするステップを更に含む、請求項１５記載の方法。
18. 前記各フレキシブルカップリングの第１の端部を別個の通路に接続するステップが、前記各フレキシブルカップリングの第１の端部を前記プレートに溶接するステップを更に含む、請求項１５記載の方法。
19. 前記各フレキシブルカップリングの第１の端部を別個の通路に接続するステップが、前記各フレキシブルカップリングの第１の端部を前記プレートにろう付けするステップを更に含む、請求項１５記載の方法。
20. 前記各フレキシブルカップリングの第２の端部を別個の管体に接続するステップが、前記各フレキシブルカップリングの第２の端部を前記管体にろう付けするステップを更に含む、請求項１５記載の方法。