JP2016121868A - ガスタービンのダンパ用の補償アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用のダンパ、特に燃焼室において生じる脈動を減じるためのガスタービンのダンパ用の補償アセンブリを提供する。
【解決手段】ダンパは、燃焼室３の内部と流通したネックチューブ５を備える共振器キャビティ４を有し、補償アセンブリ１は、ネックチューブ５に関連した、燃焼室３と共振器キャビティ４との相対回転を許容するように構成された球面継手６を有し、ネックチューブ５の周囲に配置されたバルブ部分６１と、バルブ部分６１を内部に受け入れるように適応された球面ソケット６２とを有し、球面ソケット６２は、互いに接続された上側カラー部分６２１と下側カラー部分６２２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン用のダンパ、特に燃焼室において生じる脈動を低減するためのガスタービンのダンパ用の補償アセンブリに関する。

従来のガスタービンでは通常、燃焼の不安定さ及び変動により、燃焼プロセスの間に、ガスタービンの燃焼室において音響振動が生じる。この音響振動は、極めて著しい共振へ発展し得る。燃焼室脈動としても知られるこのような振動は、燃焼室自体を過酷な機械的荷重に曝すような振幅及び関連する圧力変動を有する可能性があり、過酷な機械的荷重は、燃焼室の寿命を決定的に短くすることがあり、最悪のケースでは、燃焼室の破壊にさえつながることがある。

一般的に、ガスタービンの燃焼室において発生された脈動を減衰させるために、ヘルムホルツダンパとして知られるダンパのタイプが利用される。現在、このようなダンパの利用における主な問題の１つは、これらのダンパのために利用できるスペースが制限されているということである。このような状況を解決する１つの可能なアプローチは、ダンパを燃焼室の外側に配置することである。実用的には、燃焼室を構成する様々な層の熱膨張が、このようなダンパを直接に適用することを妨げている。

ガスタービンの燃焼室における共振を低減する減衰配列が、米国特許出願公開第２００４／０２４８０５３号明細書に開示されており、この場合、燃焼室は、外側壁表面部分と、燃焼室に面した内側壁表面部分とを有し、中間スペースを気密に包囲しており、この中間スペースに、燃焼室壁部の対流冷却のために冷却空気を供給することができる。少なくとも１つの第３の壁表面部分が設けられており、第３の壁表面部分は、外側壁表面部分とともに、気密な体積を包囲している。気密な体積は、少なくとも１つの接続ラインによって燃焼室に気密に接続されている。ガスケットは、気密な体積に配置された接続ラインの端部に溶接されており、気密性を提供するために外側壁表面部分を被覆している。このガスケット及び接続ラインにより、減衰配列は、一方向で、外側及び内側壁表面部分の熱膨張差を補償し得る。

ガスタービンエンジンに適した燃焼室が、米国特許出願公開第２００６／０１２３７９１号明細書に提供されており、この燃焼室は、共振器キャビティと、チャンバ内部と流通した共振器ネックとを有する、少なくとも１つのヘルムホルツ共振器を備える。ヘルムホルツ共振器は、燃焼室の内側ケーシングに固定されており、共振器ネックは、燃焼室の内壁に設けられた開口を通って、燃焼室の内部へ延びている。ネックと開口との間に気密シールを提供するために、ネックの外周に環状のシール部材が設けられている。ネックは、燃焼室に対して、ネックの制限された相対的な軸方向移動を提供し、これにより、エンジン作動中に、共振器ネックから燃焼室へ実質的に荷重が伝達されない。

少なくとも１つの共振器を有するガスタービン用の燃焼器が、国際公開第２０１２／０５７９９４号に開示されており、この燃焼器は、外側ライナと、内側ライナとを有する。共振器は、外側ライナに接続されている。燃焼器ライナは、共振器のベースから延びるスロートを有しており、このスロートは、内側ライナ及び外側ライナを通って燃焼室へ挿入されている。燃焼器ライナは、さらに、グロメットアセンブリを有する。グロメットアセンブリは、スロートの軸線に沿った第１の方向と、第１の方向に対して垂直な第２の方向とで、スロートの近くにおいて、内側ライナと外側ライナとの相対的な熱膨張を許容する。

ガスタービン用のダンパは、米国特許出願公開第２０１４／３４５２８５号明細書にも記載されている。このダンパは、入口と、燃焼室及び共振器キャビティの内部と流通したネックチューブとを備える共振器キャビティと、ネックチューブと回動可能に接続されかつ共振器キャビティと燃焼室との間に挿入され、燃焼室と共振器キャビティとの相対回転を可能にする補償アセンブリと、を有する。

脈動減衰分野における上述の開発によってさえも、熱膨張差を排除するという補償効果を高めるための大きな余地が存在する。

米国特許出願公開第２００４／０２４８０５３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１２３７９１号明細書 国際公開第２０１２／０５７９９４号 米国特許出願公開第２０１４／３４５２８５号明細書

本発明の課題は、熱膨張差による、燃焼室とダンパ、特にダンパの共振キャビティとの間に生ぜしめられる相対回転を補償し得る、ガスタービン用のダンパに関連した補償アセンブリを提供することである。

この課題は、ガスタービンの燃焼室のダンパ用の補償アセンブリであって、ダンパは、燃焼室の内部と流通したネックチューブを備える共振器キャビティを有し、補償アセンブリは、ネックチューブに関連した、燃焼室と共振器キャビティとの相対回転を許容するように構成された、球面継手を有し、球面継手は、ネックチューブの周囲に配置されたバルブ部分と、ネックチューブの周囲に配置された、バルブ部分を内部に受け入れるように適応された、球面ソケットとを有し、球面ソケットは、互いに接続された、上側カラー部分と下側カラー部分とによって形成されている、ガスタービンの燃焼室のダンパ用の補償アセンブリによって解決される。

発明の好適な態様によれば、バルブ部分は、ネックチューブに嵌合させられたカラーエレメントである。

別の好適な態様によれば、カラーエレメントは、内側では、ネックチューブの相対的な半径方向移動を許容するように成形されている。

発明の別の好適な態様によれば、カラーエレメントは、内側では、円筒面を形成している。

発明の別の好適な態様によれば、下側及び上側カラー部分は、ねじ山によって接続されている。

発明の別の好適な態様によれば、補償アセンブリは、さらに、球面ソケットに形成された、共振器キャビティの溝に気密に嵌合させられるように適応された、摺動部を有し、これにより、摺動部と溝との、ネックチューブの長手方向軸線を横断する方向での、相対的な摺動を提供する。

発明の別の好適な態様によれば、摺動部は、前記上側カラー部分に形成されている。

本発明の別の課題は、挿入エレメントを燃焼室のキャリヤ構造に固定するように適応された接続部分と、ダンパのネックチューブを通すための貫通孔と、ベーススロープ部とを有する、ガスタービンの燃焼室のダンパ用の挿入エレメントを提供することである。

本発明の課題、利点及びその他の特徴は、例示だけのために提供された、添付の図面に関連した、本発明の好適な実施の形態の以下の非制限的な説明を読むことにより、さらに明らかになるであろう。全図を通じて、同じ参照符号は、同じ要素を指すために使用され得る。

本発明による補償アセンブリの概略的な断面図を示している。 従来技術による補償アセンブリ（左）と、本発明による補償アセンブリ（右）との分解図の比較を示している。 本発明による補償アセンブリの断面図を示している。 ネックチューブにおける、従来技術による補償アセンブリ（左）の取付けと、本発明による補償アセンブリ（右）の取付けとの比較を示している。 ネックチューブにおける、従来技術による補償アセンブリ（左）の取付けと、本発明による補償アセンブリ（右）の取付けとの比較を示している。 燃焼室のキャリヤ構造の環状部分を示している。 ネックチューブが取り付けられたセグメントの透視図を示している。 本発明による挿入エレメントの透視図を示している。 ネックチューブと挿入エレメントとが取り付けられたセグメントの後続の断面図／正面図を示している。 ネックチューブと挿入エレメントとが取り付けられたセグメントの後続の断面図／正面図を示している。

発明の詳細な説明
図１を参照すると、概して参照符号１で示された、本発明による補償アセンブリの概略的な断面図が示されている。補償アセンブリ１は、燃焼室３のダンパに関連させられている。ダンパは、周壁１３によって画成された箱形又は円筒形の共振器キャビティ４と、入口１４とを有する。図１に示したように、共振器キャビティ４の大部分は省略されている。なぜならば、このことが、本発明の技術的解決の十分かつ完全な理解を妨げないからである。また、明瞭さ及び簡略化のために、図１には、本発明に深く関連する燃焼室３の部分のみが示されている。共振器キャビティ４は、図１には示されていない締結具によって、燃焼室３のキャリヤ構造１１に気密に取り付けられている。本発明の実施の一例では、燃焼室３のキャリヤ構造１１は、燃焼室３のケーシングであってもよい。キャリヤ構造１１は、共振器キャビティ４のためのキャリヤを提供し、ここで説明される燃焼室のケーシングに限定されるべきではないことを、当業者は認めるべきである。加えて、ダンパは、ネックチューブ５を有する。ネックチューブ５は、本発明による補償アセンブリ１を通って、共振器キャビティ４と流通しており、共振器キャビティ４と燃焼室３との相対移動を補償する。

ネックチューブ５は、ネックチューブ５の第１の端部９１において、燃焼室３の壁部９又はセグメントに気密に取り付けられている。例えば、ネックチューブ５の第１の端部５１は、燃焼室３のセグメント９に溶接されてもよい。補償アセンブリ１は、ネックチューブ５に関連させられ、燃焼室３と共振器キャビティ４との相対回転を許容するように構成された、概して符号６で示された、球面継手を有する。特に、球面継手６は、ネックチューブ５の周囲に配置されたバルブ部分６１と、球面ソケット６２とを有し、球面ソケット６２自体は、内側において、共振器キャビティ４と燃焼室３との相対回転を可能にするために、バルブ部分６１を受け入れるように適応されている。より具体的には、球面ソケット６２は、互いに接続された、上側カラー部分６２１と、下側カラー部分６２２とによって形成されている。

発明の好適な実施の形態によれば、バルブ部分６１は、ネックチューブ５に嵌合させられたカラーエレメント６１でもあり、球面ソケット６２内において可動な、丸味を帯びた外側部分を有する。

有利には、カラーエレメント６１は、内側において、図面において矢印Ｒによって示したように相対的な半径方向移動を可能にするように成形されている。好適には、カラーエレメント６１は、内側において、円筒形の面を有しており、この円筒形の面にネックチューブ５が収容されており、ネックチューブ５は半径方向に摺動することができ、これにより、このような方向で、可能な半径方向熱膨張を補償する。

さらに、矢印Ａによって図示された、ネックチューブ５の長手方向軸線を横切る方向に沿った可能な軸方向熱膨張を補償するように適応された手段を備える共振器キャビティ４を提供するために、補償アセンブリ１は、摺動部７を有しており、この摺動部７は、球面ソケット６２に形成されており、共振器キャビティ４の溝８内に気密に嵌合させられるように適応されている。好適には、摺動部７は、球面ソケット６２の上側カラー部分６２１に形成されている。

図２を参照すると、従来技術による補償アセンブリ（左）と、本発明による補償アセンブリ（右）との分解図の比較が示されている。

従来技術による補償アセンブリは、ネックチューブ１０４の長手方向に沿って接続された２つの半カラー部分１０２及び１０３を有する。バルブ部分はネックチューブ１０４に一体に形成されており、バルブ部分は、第３の上側接合エレメント１００及び環状部分１０１によって行われる接続の後は、半カラー部分１０２及び１０３によって形成された対応する内側球面ソケットに収容される。それとは異なり、有利には、本発明による補償アセンブリは、組み立てられる部材の数の減少と、ネックチューブ１０４の外面の一部に一体に形成されたバルブ部分の回避とを含む。実際、バルブ部分６１は、この場合、ネックチューブの長手方向軸線に対して横断する方向に沿って接続された２つのカラー部分６２１及び６２２内に包囲される。好適には、２つの上側及び下側のカラー６２１及び６２２は、相補的なねじ山部分によって接続される。加えて、バルブ部分６１は、さらに、ネックチューブ（図示せず）を収容しかつ相対的な半径方向移動を提供するように内側において円筒形に成形されたカラーエレメントである。それとは異なり、従来技術によれば、環状部分１０１もまた、半径方向移動を提供するためにさらに別の外側カラー（図示せず）に収容されている。このような外側カラーは、摺動部を有する。本発明によれば、摺動部７は、有利には、球面ソケット６２の上側カラー部分６２１に形成されている。

ここで次の図３を参照すると、本発明による補償アセンブリの断面図が示されている。特に、ねじ山による上側及び下側カラー部分６２１及び６２２の接続によって形成された対応する球面ソケットに収容されたカラーエレメント６１のバルブ部分が明らかに示されている。

図４及び図５は、従来技術によるネックチューブへの補償アセンブリの嵌合（左）と、本発明によるネックチューブへの補償アセンブリの嵌合（右）とを示している。公知技術によれば、ネックチューブは、外側バルブ状部分１０４を有する。外側バルブ状部分１０４は、第３の上側接合エレメント１００及び環状部分１０１を介して固定された半カラーエレメント１０２及び１０３の接続によって形成された球面ソケット内で調節される。半径方向移動を提供するために、このように形成されたアセンブリは、さらに、半径方向移動を可能にするために摺動部が設けられた、ここに示された外側カラー１０５内に収容される。本発明による補償アセンブリは、逆に、より少数の構成部材、すなわち、半径方向移動を提供する、ネックチューブ５の周囲に配置されたカラーエレメント６１と、上側及び下側のカラーエレメント６２１及び６２２の接続によって形成された球面ソケットとの接続によって提供される。球面ソケットは、摺動部材７が上側カラー部分６２１に直接に形成されているので、軸方向移動を補償する手段をも提供する。

したがって、新たな補償アセンブリは、公知技術と比較して、工場での組立作業を容易にし、様々な部材のソーシングを改良し、様々な構成部材の機械加工を容易にすることが認められるであろう。構成部材の数が減じられるので、これは、関連するコストに有利に影響する。さらに、従来技術によるアセンブリは、ガスタービンにおける据付の前にセグメントに組み立てられる必要がある。革新的な設計は、セグメントから独立して組み立てることができる。革新的な設計は、ガスタービンの組立て中に据え付けられてもよい。

セグメントと球面継手との組立を分離することは、ソーシングを改良することも認められるであろう。本発明によるアセンブリは、様々なサプライヤにおいて注文され、ガスタービン組立場所へ直接に送られてもよい。本発明によるアセンブリの球面継手は、旋削作業によって製造されてもよいが、従来技術によるアセンブリは、旋削作業及びＥＤＭ（放電加工）を必要とする。特にＥＤＭは、概して、半カラーエレメント１０２及び１０３のために使用され、高価な切断作業である。セグメントと球面継手との組立てを分離させることにより、最も費用対効果のよい場所における両部材のソーシングをも許容する。製造工程を削減することによって、コストを節約することができる。

図６は、キャリヤ構造１１を透視図で示している。ネックがキャリヤ構造１１内へ突出するようにセグメントを据え付けることができるように、十分な幅の開口を有することが提案される。この理由から、ネックチューブが挿入されるところ（図示せず）において、キャリヤ構造１１に細長い開口１１１が有利に設けられる。キャリヤ１１における開口１１１とネックチューブとの間に形成される開放した間隙を閉鎖するために、挿入エレメント（図示せず）が、細長い開口１１１に対応して、突出したネックチューブ（図示せず）とキャリヤ構造１１との間の境界面においてキャリヤ構造１１に導入され、接続される。

次の図７は、セグメント９の透視図を示している。セグメント９の表面には冷却溝９１が形成されており、冷却溝９１に、共振器キャビティの突出するネックチューブ５が取り付けられている。図面に明らかに見られるように、ネックチューブをセグメント９内に形成することによって、ネックチューブに隣接する冷却チャネルの断面積は大幅に減じられる。これは、冷却空気流の減少につながり、その結果、構成部材の温度が上昇する。リブを除去することによって冷却チャネルの断面積を増大させることは十分でないことが分かった。ネックブロックを補償するための十分なリブが存在せず、また、リブは、セグメントの機械的な一体性のために必然的に必要とされる。有利には、このような技術的問題を解決するために、ネックチューブと、キャリヤ構造に配置された細長い穴との間に、挿入エレメントが導入される。

挿入エレメントは、以下の図８に透視図で示されており、概して参照符号１２で示されている。特に、挿入エレメント１２は、挿入エレメント１２をキャリヤ構造（図示せず）に固定するように適応された接続部分１２１と、ネックチューブを通過させる貫通孔１２２と、ベーススロープ部分１２３とを有する。有利には、ベーススロープ部分１２３は、冷却チャネルの高さを増大させ、ネックチューブの存在によるブロックを補償し、これにより、冷却流体のためのより幅広のチャネルを提供する。より具体的には、挿入体は、冷却チャネル高さの増大を促進するように位置決めされる。冷却チャネル高さの増大は、冷却チャネルにおける不要な圧力損失を回避するように空力的に形成されている。

これは、組み合わせて参照される最後の図９及び図１０を参照しながらさらに詳しく説明及び例示される。図９は、細長い開口１１１を通ってセグメント９から突出するネックチューブ５の概略的な断面図を示しており、開口１１１は、挿入エレメント１２によって閉鎖されている。挿入エレメント１２は、挿入エレメント１２をキャリヤ構造１１に固定する接続部分１２１と、スロープ部分１２３とを有する。図面には連続する断面線Ａ〜Ｆが示されており、セグメント９の対応する正面図が、図１０に示されている。実際、セグメント９の冷却チャネルに沿って前進しながら、どのようにスロープ部分１２３がネックチューブ５の存在による冷却チャネル９１の減少ための補償を提供するかが示されている。実際、断面Ｃ〜Ｆの対応において、スロープ部分１２は、そのセクションの範囲を減少しながら、チャネル９１の高さを増大させ、このような補償を提供する。

本発明は、限定された数の実施の形態のみに関連して詳しく説明されているが、発明はこのような開示された実施の形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、発明は、これまでに説明されていないが、発明の思想及び範囲と一致するあらゆる数の変化、変更、代用又は均等配列を含むように修正することができる。加えて、発明の様々な実施の形態が説明されているが、発明の複数の態様は、説明された実施の形態のうちの幾つかのみを含んでいてもよいことが理解されるべきである。したがって、発明は、前記説明によって限定されるのではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるということが分かる。

Claims (8)

1. ガスタービンの燃焼室（３）のダンパ用の補償アセンブリ（１）であって、前記ダンパは、前記燃焼室（３）の内部と流通したネックチューブ（５）を備える共振器キャビティ（４）を有し、前記補償アセンブリ（１）は、前記ネックチューブに関連した、前記燃焼室（３）と前記共振器キャビティ（４）との相対回転を許容するように構成された、球面継手（６）を有し、該球面継手（６）は、
   前記ネックチューブ（５）の周囲に配置されたバルブ部分（６１）と、
   該バルブ部分（６１）を内部に受け入れるように適応された球面ソケット（６２）とを有する、ガスタービンの燃焼室（３）のダンパ用の補償アセンブリ（１）において、
   前記球面ソケット（６２）は、互いに接続された、上側カラー部分（６２１）と下側カラー部分（６２２）とを有することを特徴とする、ガスタービンの燃焼室（３）のダンパ用の補償アセンブリ（１）。
2. 前記バルブ部分（６１）は、前記ネックチューブ（５）に嵌合させられたカラーエレメント（６１）である、請求項１記載の補償アセンブリ（１）。
3. 前記カラーエレメント（６１）は、内側において、前記ネックチューブ（５）の相対的な半径方向移動を許容するように成形されている、請求項２記載の補償アセンブリ（１）。
4. 前記カラーエレメント（６１）は、内側において、円筒形の面を形成している、請求項３記載の補償アセンブリ（１）。
5. 前記上側カラー部分（６２１）及び前記下側カラー部分（６２２）は、ねじ山によって接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の補償アセンブリ（１）。
6. 前記共振器キャビティ（４）の溝（８）に気密に嵌合させられるように適応された、球面ソケット（６２）に形成された摺動部（７）をさらに備え、これにより、該摺動部（７）と前記溝（８）との間で、前記ネックチューブ（５）の長手方向軸線を横断する方向で相対的な摺動を提供する、請求項１から５までのいずれか１項記載の補償アセンブリ（１）。
7. 前記摺動部（７）は、前記上側カラー部分（６２１）に形成されている、請求項６記載の補償アセンブリ（１）。
8. 挿入エレメント（１２）を燃焼室（３）のキャリヤ構造（１１）に固定するように適応された接続部分（１２１）と、
   ダンパのネックチューブ（５）を通過させるための貫通孔（１２２）と、
   ベーススロープ部（１２３）とを備えることを特徴とする、ガスタービンの燃焼室（３）のダンパ用の挿入エレメント（１２）。