JP5280909B2 - Ｅ形シールを用いた燃焼キャップ浮動カラー - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼ユニット用の燃焼キャップ浮動カラーに関する。

ガスタービン燃焼システムは一般的に、幾つかの燃焼室から成り、各燃焼室内部には、幾つかの燃料ノズル組立体が設けられる。燃料ノズルを覆って配置されるのは、キャップ組立体であり、キャップ組立体には、保持プレートによって対応するカウンタボア内部に保持された同数の浮動カラーが設けられる。取付けられると、浮動カラーは、ノズルバーナ管の外表面を覆って嵌合されかつ空気漏洩リミッタとして機能する。大半のキャップ浮動カラーは、燃焼作動時に過酷な摩耗を受けかつ交換されなければならず、その結果として運転費用及び信頼性が大きな問題となる。摩耗カラーの分析によると、作動時におけるカラーの回転がカラー損傷の原因であることを示している。浮動カラーが回転すると、カラーとバッキングプレートとの間に摩擦摩耗が生じる。

本発明は、浮動カラー摩耗を減少させて、それによって浮動カラーの信頼性を向上させるガスタービン燃焼ユニット用の改良型のキャップ浮動カラー組立体である。

本浮動カラー組立体は、対応する燃料ノズルバーナ管を覆って嵌合されかつ平坦プレートによってキャップ組立体上のカウンタボア内に保持される。カラー組立体は、２つの部分、すなわち平坦フランジを備えた薄板金属カラーとエポキシのブロック内に事前圧縮されたＥ形シールとから成る。カラーは、組立て時に該カラーが浮動するように緩められ、それによってキャップ組立体が容易に製作されるようになる。ガスタービンが運転し始めると、Ｅ形シールを事前圧縮しておくるために使用したエポキシは、過熱されかつ燃失し、その結果、Ｅ形シールが、広がり、かつカラーを回転しないように保ってそれによってカラー摩耗を減少させるのに十分なほど高い着座荷重を該カラーとプレートとの間に発生させる。

幾つかの燃料ノズル組立体を覆うキャップ組立体の平面図。 図１に示す燃料ノズル組立体の、それらを覆うキャップがなくかつ端部カバー上に取付けられた状態での上面斜視図。 その中に燃料ノズル組立体が挿入されまた保持プレートによって対応する浮動カラーが保持される幾つかのカウンタボアを示すキャップ組立体の内部の底面斜視図。 燃料組立体の簡略側面部分断面図。 図４Ａに示す燃料組立体の一部分の部分側面断面図。 本発明のカラー組立体の一部として使用するＥ形シールの側面断面図。 図５ＡのＥ形シールの平面図。 キャップ組立体内に取付けられかつ燃料ノズル管に係合した本発明の浮動カラー及びＥ形シールの部分側面断面図。 燃料ノズル管に係合しかつ保持プレートによってキャップ組立体の内部に保持された本発明の浮動カラーの概略底面斜視図。

図１は、ガスタービン用の燃焼キャップ組立体１０の平面図を示しており、燃焼キャップ組立体１０は、該キャップ組立体１０内の５つの対応するカウンタボア２０内部に５つの燃料ノズル組立体１２を備えている。キャップ組立体１０は、燃焼器１５内部に取付けられる。

図２は、端部カバー１７にボルト止めされた状態で示している、図１の５つの燃料ノズル組立体１２の上面斜視図である。燃料組立体１２の各々は、対応する燃料ノズル管１６内に設置されたバーナ組立体１４を含む。各燃料ノズル管１６は、該燃料ノズル管の外径の変化に対応するショルダ部１８を含む。下記に一層詳細に説明するように、燃料ノズル管１６のショルダ部１８は、本発明の浮動カラー組立体の一部である浮動カラー２２に係合する。

図３は、図１に示すキャップ組立体１０の底面斜視図である。キャップ組立体１０は、図１に示す５つのカウンタボア２０を含む。カウンタボア２０内部には、５つの対応する浮動カラー２２が設けられ、これら浮動カラー２２は、キャップ組立体１０の底面側に取付けられた４つの保持プレート２４によって所定の位置に保持される。プレート２４によって浮動カラーが保持される方法については、下記に図６に関して一層詳細に説明する。

図４Ａは、燃料バーナ組立体１２の簡略部分側面断面図であり、燃料バーナ組立体１２の細部の大分部は、本発明の浮動カラー組立体の説明と関連していない。図４Ａは、燃料ノズル管１６及び該管内に設置された燃料バーナ１４を断面で示しており、また燃料（ノズル）バーナ管１６の外面を覆って配置された浮動カラー２２もまた断面で示している。

図４Ｂは、図４Ａに示す燃料ノズル管１６及び浮動カラー２２の一部分の拡大断面図であり、燃料バーナ管１６の外面を覆って浮動カラー２２を配置した時に、浮動カラー２２が該燃料バーナ管１６に係合する状態をより良好に示している。図４Ｂに見ることができるように、燃料バーナ管１６は、該燃料バーナ管１６の外径の変化を構成したショルダ部１８を含む。浮動カラー２２は、燃料バーナ組立体に対してキャップ組立体１０を取付ける場合に管１６を覆ってキャップ組立体１０内のカウンタボア２０が配置された時に、燃料バーナ管１６のショルダ部１８に係合する。

図５Ａ及び図５Ｂは、バーナ作動時に浮動カラー２２を所定の位置に保持するために使用するシールスプリング２３のそれぞれ側面断面図及び平面図である。図５Ａに見ることができるように、シールスプリング２３は、その断面が大文字「Ｅ」に類似した形状を有するのが好ましいが、本発明ではその他の形状を有するシールスプリングを使用することができることにも注目されたい。図５Ｂに見ることができるように、シールスプリング２３は略円形であって、燃料バーナ管１６の外面を覆って該シールスプリング２３を配置することも可能になるような平面図形状を有するのが好ましい。

そのＥ形状の好ましい実施形態では、シールスプリング２３は、ヘアピンのような形状をした中央セクション２８と、一端部において中央セクション２８に連結されて該シールスプリング２３の断面「Ｅ」形状を完成させる２つの湾曲端部２６とを有する。図５Ｂからも見ることができるように、シールスプリング２３の好ましい「Ｅ」形状により、該シールスプリング２３の圧縮に抗して作用する力を発生させるように圧縮することができるスプリング構成が得られる。ここでもまた、本発明では、同様な逆方向作用力を発生するその他の圧縮可能形状を備えたシールスプリングを使用することができることにも注目されたい。

図６は、ガスタービンのキャップ組立体内に最初に取付けられた時における本発明のキャップ浮動カラー設計を示している。図６に示すように、キャップ組立体１０は、浮動カラー２２の平坦フランジ３０が係合するショルダ部３２を含む。キャップ１０と保持プレート２４との間で平坦フランジ３０を覆って配置されるのは、シールスプリング２３である。図６に見ることができるように、シールスプリング２３は、最初はエポキシ３４のブロック内に包み込まれる。図６からも見ることができるように、浮動カラー２２は、該浮動カラー２２が平坦フランジ３０から延びるにつれて、該浮動カラー２２が燃料バーナ管１６の側壁に向かってまた該側壁から離れる方向に内向き及び外向きに湾曲するような該浮動カラー２２における曲がりくねった形状を有して、該カラー２２の第１の湾曲部３６が第１の部位において管１６に係合し、また該カラー２２の第２の湾曲部３８が管ショルダ部１８において管１６に係合するようになる。

図７は、キャップ組立体１０上に取付けられかつ燃料ノズル管１６を囲む、本発明の浮動カラー２２の概略斜視図である。ここでもまた、浮動カラー２２が保持プレート２４によってキャップ組立体１０に対して所定の位置に保持されて、燃料ノズル組立体１２の一部である燃料ノズル管１６をキャップ組立体１０内に挿入した時に浮動カラー２２が燃料ノズル管１６の外壁に係合するようになることが分かるであろう。

ガスタービンの作動時に、最初はシールスプリング２３を包み込んでいたエポキシブロック３４は、過熱されかつ燃失し、その結果、シールスプリング２３が、広がり、かつガスタービンの作動時に燃料ノズル管１６の周りで浮動カラー２２を回転しないように保つのに十分なほど高い着座荷重を発生させることができる。荷重は、ショルダ部３２におけるキャップ組立体１０とシールスプリング２３の底面側に係合した保持プレート２４との間に作用する。

従って、本発明では、典型的なキャップ組立体においては、対応する保持プレート２４によってキャップ組立体１０の内部に保持された５つの浮動カラー２２が設けられる。端部カバー１７上に取付けられた燃料ノズル１４を含む燃料ノズル組立体１２を覆ってキャップ組立体１０を取付けると、燃料ノズル１４は、キャップ組立体１０内のカウンタボア２０を通して嵌合される。最終的に組立てられると、浮動カラー２２は、ノズル管１６の外表面上に載置されるか又は着座し、最終的には、最初にシールスプリング２３を圧縮しておくために使用したエポキシブロック３４が過熱されかつ燃失するとシール荷重を発生する対応するシールスプリング２３の伸長によって所定の位置に保持される。シールスプリング２３の伸長及び得られたシール荷重により、バーナ作動時に浮動カラー２２が回転するのが防止される。これは次に、浮動カラー２２の摩耗を減少させて、それによって浮動カラー２２の信頼性を向上させる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 燃焼キャップ組立体
１２ 燃料ノズル組立体、
１４ 燃料バーナ組立体
１５ 燃焼器、燃焼ユニット
１６ 燃料ノズル管、燃料バーナ管
１７ 端部カバー
１８ ショルダ部
２０ カウンタボア
２２ 浮動カラー
２３ シールスプリング
２４ 保持プレート
２６ シールスプリングの湾曲端部
２８ シールスプリングの中央セクション
３０ 平坦フランジ
３２ ショルダ部
３４ エポキシブロック
３６ 浮動カラーの第１の湾曲部
３８ 浮動カラーの湾曲部

Claims (11)

1. 燃焼ユニット（１５）のキャップ（１０）用の１以上の浮動カラー組立体であって、前記燃焼ユニット（１５）が、前記１以上の浮動カラー組立体に対応する１以上の燃料ノズル組立体（１２）を含んでいて、前記１以上の燃料ノズル組立体（１２）の各々が燃料ノズルバーナ管（１６）を含んでおり、前記１以上の浮動カラー組立体の各々が、
   対応する燃料ノズルバーナ管（１６）の側壁の周囲に配置される浮動カラー（２２）であって、前記キャップ（１０）と係合するフランジ（３０）を備えている浮動カラー（２２）と、
   前記フランジ（３０）と前記キャップ（１０）に取付けられたプレート（２４）との間に配置されるシールスプリング（２３）と
   を含んでおり、
   前記浮動カラー（２２）を前記側壁の周囲に配置したときに前記フランジ（３０）及び前記プレート（２４）が前記側壁と実質的に垂直な位置関係にあり、前記シールスプリング（２３）が、前記浮動カラー（２２）の前記フランジ（３０）と前記プレート（２４）との間にシール荷重を発生させて前記フランジ（３０）を前記キャップ（１０）に当接させた状態に保持し、それによって燃焼ユニット（１５）の作動時に前記浮動カラー（２２）が回転するのを防止する、浮動カラー組立体。
2. 前記浮動カラー（２２）が略円形であり、かつ前記燃焼ユニット（１５）に前記キャップ（１０）を取付けたときに前記燃料ノズルバーナ管（１６）の外面のショルダ部（１８）と係合するように前記燃料ノズルバーナ管（１６）の外面上に配置される、請求項１記載の浮動カラー組立体。
3. 前記シールスプリング（２３）が略円形であり、かつ前記燃焼ユニット（１５）に前記キャップ（１０）を取付けたときに前記燃料ノズルバーナ管（１６）の外面の周りに延びる、請求項２記載の浮動カラー組立体。
4. 前記浮動カラー（２２）が、前記燃料ノズルバーナ管（１６）の外面と第１の部位で係合する第１の湾曲部（３６）と、前記燃料ノズルバーナ管（１６）の外面と前記ショルダ部（１８）で係合する第２の湾曲部（３８）とを有する、請求項２又は請求項３記載の浮動カラー組立体。
5. 前記キャップ（１０）を前記燃焼ユニット（１５）に組立てる際に、前記浮動カラー（２２）が緩められた状態にある、請求項１記載の浮動カラー組立体。
6. 前記キャップ（１０）を前記燃焼ユニット（１５）に組立てる際に、前記シールスプリング（２３）が、エポキシ（３４）によって圧縮位置に保持されている、請求項５記載の浮動カラー組立体。
7. 前記エポキシ（３４）が、燃焼ユニット（１５）の作動時に過熱されて燃失し、その結果、前記シールスプリング（２３）が、圧縮を解放されかつ前記カラーフランジ（３０）と前記プレート（２４）との間に着座荷重を発生させて、前記浮動カラー（２２）を燃焼ユニット（１５）の作動時に回転しないように保って浮動カラー（２２）の摩耗を減少させる、請求項６記載の浮動カラー組立体。
8. 前記シールスプリング（２３）が、大文字「Ｅ」字形の断面形状を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の浮動カラー組立体。
9. 前記シールスプリング（２３）が、ヘアピン状の中央セクション（２８）と、一端で前記中央セクション（２８）に連結して該シールスプリング（２３）の「Ｅ」字形断面形状を完成させる２つの湾曲端部（２６）とを有する、請求項８記載の浮動カラー組立体。
10. 前記キャップ（１０）が、前記浮動カラー（２２）のフランジ（３０）と係合するショルダ部（３２）を含む、請求項１記載の浮動カラー組立体。
11. 燃焼ユニット（１５）の作動時に浮動カラー（２２）が回転しないように保って浮動カラー（２２）の摩耗を減少させるべく、１以上の浮動カラー組立体を燃焼ユニット（１５）のキャップ（１０）に取り付ける方法であって、前記燃焼ユニット（１５）が、前記１以上の浮動カラー組立体に対応する１以上の燃料ノズル組立体（１２）を含んでいて、前記１以上の燃料ノズル組立体（１２）の各々が燃料ノズルバーナ管（１６）を含んでおり、当該方法が、
    対応する燃料ノズルバーナ管（１６）の側壁の周囲に、円形の浮動カラー（２２）を配置する工程であって、前記浮動カラー（２２）が、前記浮動カラー（２２）を前記側壁の周囲に配置したときに前記側壁と実質的に垂直な平坦フランジ（３０）を備えている工程と、
    前記浮動カラー（２２）の平坦フランジ（３０）を、前記キャップ（１０）に形成されたショルダ部（３２）に隣接して配置する工程と、
    エポキシ中で予め圧縮された「Ｅ」字形シールスプリング（２３）を前記浮動カラー（２２）の平坦フランジ（３０）に隣接して配置する工程と、
    前記「Ｅ」字形シールスプリング（２３）が前記平坦フランジ（３０）とプレート（２４）との間に位置して、キャップ（１０）に形成された前記ショルダ部（３２）と前記プレート（２２）との間で前記浮動カラー（２２）が浮動できるように、前記キャップ（１０）に前記プレート（２４）を取り付ける工程と、
    前記浮動カラー（２２）が前記燃料ノズルバーナ管（１６）の側壁上に配置されて前記燃料ノズルバーナ管（１６）のショルダ部（１８）と係合するように、前記燃焼ユニット（１５）に前記キャップ（１０）を取り付ける工程と
    を含んでおり、前記浮動カラー（２２）を前記側壁の周囲に配置したときに前記プレート（２４）が前記側壁と実質的に垂直な位置関係になる、方法。
    

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