JP4619065B2 - 内筒又はライナの固定システム - Google Patents

Description

本発明は、内筒又はライナ用の固定システムに関し、より具体的には、低汚染物質エミッションの状態で内筒又はライナをガスタービンの燃焼室内に固定するためのシステムに関する。

周知の通り、ガスタービンは、１つ又はそれ以上の段を有する圧縮機とタービンとからなる機械であって、これらの構成要素は回転シャフトによって互いに接続され、また圧縮機とタービンとの間には燃焼室が配置されている。

外部環境からの空気は、圧縮機に供給されて加圧状態になる。

加圧された空気は、収束部分で終るダクトを通って流れ、この収束部分の内部で一連の噴射器により燃料を供給され、この燃料が空気と混合されて、燃焼されることになる混合気を形成する。

従って、ガスの温度及びエンタルピーを増大させる燃焼を起こすのに必要な燃料は、加圧ネットワークにより燃料供給される１つ又はそれ以上の噴射器によって、燃焼室内に導入される。

最後に、高温かつ高圧のガスは、特有のダクトを通してタービンの様々な段に到達し、タービンが、ガスのエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。

ガスタービンの燃焼室の設計においては、燃焼を理想的状態にしかつ汚染物質の生成を最少にするために、火炎の安定性と過剰空気の制御とに対して主たる考慮が払われることは知られている。

より具体的には、公知技術では、燃焼室内部における内筒又はライナの使用を考えており、この内筒又はライナは、２つの主要な機能を有する。

まず第１に、火炎を内筒の内部に閉じ込め、火炎が燃焼室外部の部品に接触するのを防止して該部品が過熱するのを回避する。

第２に、内筒により燃焼生成物の流れを減速しかつ拡散させて、火炎が消えるのを防止する。

公知技術による内筒は金属材料で作られており、従って内筒は燃焼室内に固定することは容易であり、また熱膨張によって生じる応力緊張（テンション）状態に関して言えば、同様に金属材料で作られている燃焼室の他の構造部品と調和している。

しかしながら、加熱状態下ではそれらの機械的特性が制限される結果、従来型のライナ又は内筒は、高い燃焼温度に到達する上で限界があり、それらを通って流れる多量の冷却空気を必要とする。金属ライナが多量の冷却空気を必要とすることは、排気エミッションの分離除去に悪影響を及ぼす。

これらの欠点を克服するために、炭化ケイ素のようなセラミックマトリックスを有する複合材料で作られたライナ又は内筒が提案されている。

これらのライナによって、次ぎの結果、すなわち、燃焼温度を上昇させその結果ガスタービンの出力を増大させること、燃焼域内における冷却空気を低減し従って低エミッションを生じるのを可能にすること、及び高温に曝される構成部品の有効寿命を増大させることを達成することが可能になる。

これらのライナ又は内筒は、該内筒の両端部に置かれ次に溶接又はその他の公知手段によって燃焼室の金属部分に固定される金属材料で作られたスリーブを介して、燃焼室の内部に取付けられる。

しかしながら、セラミック材料と金属との間の異なる熱膨張係数により、熱膨張時において危険なテンション状態を引き起こし、それによってセラミック材料の耐性を弱め、その耐用時間を縮めるおそれがある。

さらに、これまでに考えられた限りの固定手段では、ライナのセラミック材料は、その上に生じる燃焼室の金属結合部分による引っ掻き損傷から保護されない。

従って本発明の目的は、従来型の固定システムの問題点を克服した、燃焼室内に内筒を固定するための固定システムを提供することである。

本発明の別の目的は、ライナと燃焼室の接触部分との間の異なる熱膨張係数に起因するテンション状態を排除又はいずれにせよ減少させることができる固定システムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、セラミック材料で作られたライナが、燃焼室の金属部分において有害な形で引っ掻き傷を受けるのを防止することである。

本発明のさらに別の目的は、単純で機能的でありかつ製造及びメインテナンス費用が安いライナ固定システムを提供することである。

本発明のこれら及びその他の目的は、請求項１に記載したようなセラミック材料で作られたライナ用の固定システムを提供することによって達成される。

その他の特徴は、後続の請求項において想定されている。

実質的に、本発明によると、低汚染物質エミッションの状態でライナ又は内筒をガスタービンの燃焼室内に固定する固定システムは、少なくとも２つの円筒状弾性ヘッドを含み、該円筒状弾性ヘッドの各々は、ライナと燃焼室との間の異なる膨張係数に起因する熱テンションを低減することによって内筒の膨張を許すように該内筒の端部において楔止めされる。

本発明によると、２つの円筒状弾性ヘッドは、それぞれ、そのうちの一方がバーナと内筒との間に置かれ、他方が内筒とフローコンベヤとの間に置かれるのが有利である。

本発明の態様によると、円筒状弾性ヘッドは、内筒に対して縦方向に配置された少なくとも２つの平行ノッチと、該内筒に結合可能な少なくとも１つのリング状ハウジングとを含む。

本発明の別の態様によると、円筒状弾性ヘッドは、リング状ハウジング内に配置された第１の円周方向スプリングを含む。

本発明による内筒又はライナの固定システムの特徴及び利点は、添付の概略図面を参照してなされる以下の例示的かつ非限定的な説明から一層明らかになるであろう。

図１及び図２を参照すると、これらの図は、全体を参照符号２で示した、ガスタービンの燃焼室を示し、この燃焼室内には本発明による内筒又はライナ１０が固定される。内筒１０は、円筒状構造を有し、その一方の端部においてバーナ３に結合され、他方の端部においてタービンのフローコネクタ又はコンベヤ４に結合される。

より具体的には、内部燃焼温度を上昇させるのを可能にするために、内筒１０は、セラミックマトリックスを有する複合材料で作られる。

本発明による内筒１０は、炭化ケイ素で作られるのが好ましい。

上記のような複合材料で作られた内筒又はライナを挿入するには、セラミック材料の耐性と長期間にわたる耐用性を損なうおそれのあるテンション状態を生じないでライナ１０が熱膨張するのに適した特別な固定システムが必要である。また、このような固定システムは、セラミック材料と燃焼室２の金属部品との間における有害な引っ掻き傷の発生を排除するものでなくてはならない。

この目的のために、固定システムは、図１及び図２に示すように、ライナ１０の両端部上に楔止めできるようにするような寸法を有する２つの円筒状弾性ヘッド５を備えている。

具体的には、円筒状弾性ヘッド５は、それらが挿入されるライナ１０の端部の寸法に対応した寸法を有する適当なリング状ハウジング又は溝７により、ライナ１０の両端部上に楔止めされる。

通常は金属材料で作られている２つの円筒状弾性ヘッド５は、図３及び図４に示すように、それらの円周に沿って一連のノッチ６を備えており、これらのノッチ６は、互いに平行に配置されて、ライナの端部に取付けられた一連の歯１５を形成する。ノッチ６は、ライナ１０の半径方向への膨張を可能にする。

ヘッド５とライナ１０との間で角度ずれが生じるのを防止するようにライナ１０上にヘッド５を固定するために、ヘッド５の半径方向孔２１を貫通して挿入したスパイク又はビード９が設けられる。

図３及び図４に一層明らかに見ることができる円筒状弾性ヘッド５は、円筒状スプリング８を備えており、この円筒状スプリングは、熱膨張時に金属ヘッド５とライナ１０との間の異なる材料に起因するテンションを減弱させ、かつヘッド５をライナ１０上に固定することができる押圧力をライナ１０の内表面上に加えることを可能にする。

より具体的には、各ヘッド５に対して、ライナ１０の内表面上に向かって突出する円筒状弾性スプリング８をリング状ハウジング７内に置いた状態で配置する。

スプリング８は、ハウジング７の内表面の一部を構成する。

セラミックマトリックスを有する複合材料で作られたライナ１０と、フローコンベヤ４及びバーナ３のような燃焼室の結合金属部品との間で軸方向の引っ掻き傷が生じるのを防止するために、固定手段は、第２の円筒状スプリング１２、１３を含む。

より具体的には、円筒状スプリング１２は、バーナ３とライナ１０との間でライナ１０の端部に対応させて置かれて、その固定作用を円筒状ヘッド５の外表面上に作用させて金属接触部を形成するような状態にする。

他方、円筒状スプリング１３は、フローコンベヤ４とライナ１０との間でライナ１０の他方の端部に対応させて置かれて、その固定作用を円筒状ヘッド５の外表面上に作用させてこの場合もまた金属接触部を形成するような状態にする。

図２は、本発明による内筒又はライナ１０の別の実施形態を示しており、この内筒又はライナは、直径が一定の断面を有しており、これをフローコンベヤ４に固定するために、正弦波状輪郭を有する特別な円筒状スプリング１３’を必要とする点を除けば、上に述べた内筒又はライナと全く同様である。

この実施形態は、低汚染物質エミッションの状態でのガスタービン燃焼室用の内筒又はライナの改良型固定システムの特徴、本発明の目的、及びさらにその対応する利点を示しており、それらのうちには以下のことを挙げることができる。

・燃焼室に対して異なる熱膨張係数を有する複合材料で作られたライナの取付けが可能であること。

・テンション状態が減弱されること。

・燃焼室の結合部品とセラミック材料で作られたライナとの間で有害な引っ掻き傷が生じるのが排除されること。

・使用するのが簡単でかつ高い信頼性があること。

・公知技術と比べて、製造及びメインテナンス費用が比較的安いこと。

最後に、本固定システムに対して多くの修正及び変更を加え得ることは明らかであり、考えられた全てのものは、本発明の技術的範囲内に含まれる。さらに、全ての細部は、技術的に等価な要素で置き換えることができる。実施において、使用する材料、さらに形状及び寸法は、その都度生じる技術的要求に応じて変更することができる。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明による固定システムを用いてガスタービンの燃焼室内に固定された内筒又はライナの縦方向断面図。 本発明による内筒又はライナの別の実施形態の縦方向断面図。 本発明による円筒状弾性ヘッドの斜視図。 図３に示す円筒状弾性ヘッドの別の部分断面斜視図。

符号の説明

２ ガスタービンの燃焼室
３ バーナ
４ フローコンベヤ
５ 円筒状弾性ヘッド
６ ノッチ
７ リング状ハウジング
８ 円周方向スプリング
９ スパイク
１０ 内筒又はライナ
１２、１３、１２’、１３’ 円筒状スプリング
２１ 半径方向孔

Claims (6)

1. ガスタービンの燃焼室（２）内のライナ（１０）用の固定システムにおいて、
   前記ライナ（１０）は上流端でバーナ（３）に固定され下流端でダクトに固定されており、
   前記固定システムは、第１のリング状ハウジングからなる第１の弾性ヘッド（５）と、第２のリング状ハウジングからなる第２の弾性ヘッド（５）とを備え、
   前記第１のリング状ハウジングは、半径方向に間隔をおいて軸方向に延びる複数の第１の歯（１５）及び複数の第２の歯（１５）と、該第１及び第２の歯（１５）の間に形成される第１の環状の溝（７）とを有し、
   前記ライナの上流端は前記第１の溝に受け入れられ、
   前記第２のリング状ハウジングは、半径方向に間隔をおいて軸方向に延びる複数の第３の歯（１５）及び複数の第４の歯（１５）と、該第３及び第４の歯（１５）の間に形成される第２の環状の溝（７）とを有し、
   前記ライナの下流端は前記第２の溝に受け入れられる
   ことを特徴とする固定システム。
2. 前記第１及び第２の環状の溝はそれぞれ、弾性の第１及び第２の環状スプリング（８）を備え、該第１及び第２の環状スプリングはそれぞれ、前記第１及び第２の環状の溝内で前記前記ライナの上流端及び下流端に半径方向に押圧力を加える請求項１に記載の固定システム。
3. 前記バーナは前記第１の弾性ヘッド内に受け入れられ、半径方向で前記弾性ヘッドと前記バーナとの間に位置する第３の環状スプリング（１２）が設けられた請求項１に記載の固定システム。
4. 前記ダクトは前記第２の弾性ヘッド内に受け入れられ、は半径方向で前記弾性ヘッドと前記ダクトとの間に位置する第４の環状スプリング（１３）が設けられた請求項１に記載の固定システム。
5. 前記第１及び第２のリング状ハウジングの少なくとも１つは、半径方向に突出するスパイク（９）を受け入れて、対応する前記バーナ又は前記ダクトと前記ライナとの間での角度ずれが生じるのを防止する、少なくとも１つの半径方向孔（２１）を備える請求項１に記載の固定システム。
6. 前記第４のスプリングが正弦波状輪郭を有する請求項３に記載の固定システム。

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