JP5342191B2 - ガスタービンにおける燃焼ライナ止め具 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンにおける燃焼室に関し、具体的には、ガスタービンの燃焼室内における燃焼ライナの取付け及び整列に関する。

ガスタービンの燃焼システムは、高温ガスを発生してタービンを駆動する。タービンは次に、圧縮機を駆動し、圧縮機は、燃焼システム内での燃焼のために加圧空気を供給する。加えて、タービンは、使用可能な出力を発生する。ガスタービンのための燃焼システムは、燃焼室の円形配列として構成し、燃焼室は、圧縮機から加圧空気を受け、該加圧空気内に燃料を噴射して燃焼反応を生じさせ、かつタービンのために高温燃焼ガスを発生するように構成することができる。各円筒形燃焼室は、１つ又はそれ以上の燃料ノズル、燃焼ライナ内の燃焼域、ライナを囲みかつ該ライナから半径方向に間隔を置いて配置された流れスリーブ、及び燃焼室とタービンとの間のガス移行ダクトを含む。

燃焼域は、その中で燃料／空気混合気が燃焼して高温ガスを発生する燃焼ライナ内のボリュームである。加圧空気は、燃焼ライナ及び流れスリーブ間の環状ギャップを通って圧縮機から燃焼域に流れる。このギャップを通って流れる空気は、ライナの外表面を冷却し、かつ燃焼ライナ内の孔を通して燃焼域内に流入する。圧縮機空気は、ライナと流れスリーブとの間を第１の方向に流れ、それが燃焼ライナに流入する時に方向を逆転し、高温ガスとしてライナ及び燃焼器から反対方向にタービンに向かって流出する。

燃焼ライナは、その中で激しい燃焼プロセスが該燃焼ライナを通してタービンに流れる高速高温ガスストリームを発生する高温環境内で作動する。燃焼プロセスからの熱及び振動並びにガスタービンからのその他の機械的荷重及び応力は、燃焼ライナ、流れスリーブ及び燃焼室のその他の部品を揺り動かし、ガタつかせまたそれとは別に振動させる。従って、燃焼ライナは、ガスの燃焼によって及び燃焼室に作用するその他の力によって加えられる熱、振動及び荷重に耐えるように流れスリーブ内に取付けなければならない。

ライナ止め具は、燃焼流れスリーブ内に燃焼ライナを同心に取付ける。一般的には、燃焼ライナの外表面の周りには、３つのライナ止め具が配置されて、ギャップを通してライナ及び流れスリーブ間を橋絡する。燃焼ライナ上の各ライナ止め具は、流れスリーブの内表面上の対応するライナ止め具と噛み合う。ライナ止め具は、流れスリーブ内でかつ燃焼室の燃料ノズル及びその他の部品に対してライナを整列させる。

先行技術のライナ止め具では、特に燃焼システムの組立て時に流れスリーブ内で燃焼ライナを整列させることが困難であった。組立て時に、燃焼ライナは、円筒形流れスリーブ内に挿入される。ライナは、３つのライナ止め具とフラシールとによって所定の位置に保持される。燃焼ライナ上のライナ止め具は、流れスリーブ内の対応するライナ止め具内に嵌合する。燃焼ライナを流れスリーブ内に組立てる時に、フラシ−ルを係合させた後に、燃焼ライナ上のライナ止め具は流れスリーブ上の対応するライナ止め具内に挿入することができる。その結果、止め具は、流れスリーブ内にライナを挿入しながら自己整列させることが可能でない。ライナ及び流れスリーブ間の不整列は、多くの場合に、ライナ止め具が不均一な荷重を受けた状態を引き起こしていた。このことは、流れスリーブ内に取付けた後にライナを調整することを必要とし、この調整は、ライナがフラシ−ルによって所定の位置に保持されている場合には困難でありかつ時間がかかる。加えて、燃焼ライナ及び流れスリーブ間の発生する可能性がある不整列により、燃焼システム内に比較的数多くの欠陥が生じていた。

ライナ止め具は、燃焼ライナ内での燃焼による極度の振動及び熱の発生の間にライナを支持する。燃焼プロセスによる振動及び熱変形は、燃焼器のライナ、流れスリーブ及びその他の部品を振動させまたそれとは別に互いに対して移動させる。具体的には、燃焼ライナは、熱変形し、かつ流れスリーブ及び燃料ノズルに対して振動する。従って、ライナ止め具は、燃焼システムに固有の振動力及び変形にも拘わらず、ライナ、スリーブ及び燃料ノズル間の整列を維持すべきである。

先行技術の燃焼ライナ止め具は、それらの接触面が過度な摩耗を受ける。ライナ止め具の接触面とは、ライナが流れスリーブ内にある時に摩擦接触状態になる雄及び雌部品の表面のことである。ライナ止め具内の接触面は、燃焼ライナの重量を支え、またライナと流れスリーブとの間の振動及びその他のダイナミック力を伝達する。これらの接触面はまた、それらの表面が互いに摩擦する時に生じる摩耗にも耐えるべきである。燃焼システムの作動の間に、ライナ止め具は、表面摩耗が次第に増大する摩耗サイクルを生じ、これがライナ止め具間のより大きな振動移動を許し、このことが次に表面摩耗をさらに増大させることになる可能性がある。

ライナ止め具の振動／摩耗サイクルは、接触面が摩滅してライナ止め具が破損するまで続くおそれがある。ライナ止め具が摩滅しかつ破損すると、燃焼室内の摩耗表面は、ライナ止め具から離れて、摩擦接触することを意図していない他の表面に移動する可能性がある。同様に、燃焼室内の表面間の意図しない接触は、燃焼ライナが流れスリーブ内に挿入された時の不整列によって生じる場合もある。燃焼器内の摩耗表面がライナ止め具から離れて移動した場合に、例えば燃焼ライナ及び燃料ノズルの表面が摩擦接触する可能性がある。燃焼ライナ及び燃料ノズルの表面は、燃焼ライナを支持するように或いは振動時に起こる摩擦摩耗に耐えるようには設計又は意図されていない。接触面がライナ止め具からその他の燃焼室部品に移動した場合には、燃焼器が破損するまで或いは新たな摩擦表面間に十分な隙間が生じて摩擦表面がライナ止め具又はその他の燃焼器部品に取って代わられかつそれらに移動して戻るのが可能になるまで、摩耗及び振動のサイクルが急速に続行されることになる。たとえ摩擦接触がライナ止め具に戻った場合であっても、ライナ、ノズル又はその他の燃焼部品に対する摩耗損傷は、燃焼室の早期故障を引き起こすおそれがある。

ライナ止め具、燃焼ライナ及び流れスリーブ間の過度の摩耗は、ライナ及び止め具の頻繁な保守検査を必要とし、また燃焼器の故障を招くおそれがある。過去においては、ライナ止め具の過度の摩耗は、ガスタービンを定期的に運転停止して摩耗した燃焼部品、特にライナ止め具を検査しかつ交換することを必要としてきた。
米国特許第５，３２３，６００号明細書 米国特許第６，２１６，４４２号明細書 米国特許第６，２７９，３１３号明細書

従って、組立て時に燃焼ライナ及び流れスリーブの容易な整列を可能にし、スリーブに対する耐振動性の支持を与えかつ振動摩耗によって破損しない燃焼ライナ止め具に対する必要性が存在する。そのようなライナ止め具は、取付け及び保守が容易であるのが好ましい。

１つの実施形態では、燃焼システムのスリーブ内にライナを保持するためのライナ止め具を開示し、本ライナ止め具は、サドルを含みかつライナ及びスリーブの１つに結合する雌部品と、サドル内に挿入するためのタブを含みかつライナ及びスリーブの反対の１つに結合する雄部品と、タブに取付けられかつ該タブがサドル内に配置された時に振動を減衰するのを保証するインサートとを含む。

別の実施形態では、燃焼システムのスリーブ内にライナを挿入する方法を開示し、本方法は、ライナの外表面上に雄部品及び雌部品の１つを取付けるステップと、スリーブの内表面上に雄部品及び雌部品の反対の１つを取付けるステップと、雄部品のタブ上にインサートを取付けるステップと、タブが雌部品のサドル内に配置された状態になるように、スリーブ内にライナを挿入するステップとを含む。

さらに別の実施形態では、スリーブ内に挿入されたライナを含む燃焼システムを開示し、本燃焼システムは、ライナ及びスリーブ間に配置された複数のライナ止め具を含み、各ライナ止め具は、サドルを含みかつライナ及びスリーブの１つに結合する雌部品と、サドル内に挿入するためのタブを含みかつライナ及びスリーブの反対の１つに結合する雄部品と、タブ上に取付けられかつ該タブがサドル内に配置された時にスリーブ内にライナを保持するのをまた振動を減衰するのを保証するインサートとを含む。

開示しているのは、ガスタービンのような燃焼システム内の燃焼ライナと流れスリーブとの接合部において取付け及び摩耗軽減の少なくとも１つを可能にするライナ止め具である。この機能は、ライナ及び流れスリーブ内でほぼ一様に分散配置された複数のライナ止め具の使用によって得ることができる。インサートを付加した結果として、ライナ止め具は、ロータ及び燃焼ダイナミックスによって生じる振動を減衰するのを高め、また取付けを一層容易にする。

次に図１を参照すると、ここに示すのは、燃焼システム２の態様の断面図である。燃焼システム２は一般的に、ライナ５と流れスリーブ６とを含む。ライナ５及び流れスリーブ６は、組立て時に複数のライナ止め具１０を使用することによって互いに対して配置される。幾つかの実施形態では、燃焼システム２は、ほぼ円筒形でありかつ３つのライナ止め具１０を含み、各ライナ止め具１０は、ライナ５及び流れスリーブ６を比較的均等に整列させるために、他のライナ止め具１０から約１２０°に配置される。あらゆるライナ止め具１０の数及びあらゆるライナ止め具１０の分散配置を使用することができることが、当業者には分かるであろう。

図２〜図４を参照すると、ライナ止め具１０は一般的に、３つの部品を含む。図２に示す第１の部品は、雌部品２０である。図３に示す第２の部品は、雄部品３０である。図４に示す第３の部品は、インサート４０である。次に、これらの部品の各部品について、一層詳しく説明する。

図２に示す実施形態を参照すると、雌部品２０は一般的に、機械加工カットアウトつまり「サドル」２５を含む。この実施形態では、サドル２５は、直交配置壁を含む。これらの直交配置壁は、第１の側壁２１、直交配置床２４、第２の直交配置側壁２３及び直交配置背壁２２を含む。この実施形態では、第１の側壁２１及び第２の側壁２３は、互いにほぼ平行であり、両者間にサドルを形成する。雌部品２０は一般的に、流れスリーブ６（又は、場合によってはライナ５）に取付けるための取付け機構２６を含む。様々な実施形態では、雌部品２０は、燃焼システム２の作動時における熱応力、環境応力及び機械的応力に耐える材料で製作される。例示的な材料としては、それに限定されないが、コバルト超合金、ニッケル超合金、鉄超合金、ステンレス鋼及び炭素鋼が含まれる。

図３に示す実施形態を参照すると、雄部品３０は、雌部品２０と協働する設計を含む。つまり、雄部品３０もまた、サドル２５内に嵌合する複数の壁を含む。例えば、この実施形態では、雄部品３０は、サドル２５と相関関係になった寸法のタブ３５を含む。タブ３５は、上面３４、第１の直交配置側壁３３、直交配置底面３７及び第２の直交配置側壁３１（これもまた、上面３４に対して直交配置される）を含む。第１の側壁３３及び第２の側壁３１は、互いにほぼ平行であり、他方、上面３４及び底面３７は、互いにほぼ平行である。平行な壁（３１、３３）及び面（３４、３７）間には、タブ３５を形成する材料が存在する。タブ３５は、サドル２５の背壁２２と全体的に当接可能な正面３２を含む。雄部品３０は一般的に、ライナ５に取付けるための取付け機構３６を含む。この実施形態では、取付け機構３６は、止め具１０をライナ溶接面に緊密に当接適合させてライナ５に対して溶接するのを可能にする円弧状背面を含む。様々な実施形態では、雄部品３０は、燃焼システム２の作動時における熱応力、環境応力及び機械的応力に耐える材料で製作される。例示的な材料としては、それに限定されないが、コバルト超合金、ニッケル超合金、鉄超合金、ステンレス鋼及び炭素鋼が含まれる。

図４に示す実施形態を参照すると、インサート４０は、この実施形態が雄部品３０に取付けられるのを可能にする設計を含む。この実施形態では、インサート４０は、第１のばね壁４１、直交配置底部部材４４及び第２の直交配置ばね壁４３を含む。この実施形態では、第１のばね壁４１及び第２のばね壁４３は、各ばね壁４１、４３内に板ばねを設けた設計を含む。インサート４０は一般的に、該インサート４０内で使用するのに適した連続金属片で形成される。例示的な材料としては、それに限定されないが、様々な形態及び合金の焼入れ鋼並びに様々なタイプの複合材料が含まれる。インサート４０は、１つ又はそれ以上の材料層を含むことができる。幾つかの実施形態では、インサート４０は、２層構造板ばねである。一般に、インサート４０は、可撓性を有する。

インサート４０は、摩耗を軽減するための耐摩耗皮膜のような皮膜を含むことができる。

ライナ止め具１０の初期組立ての間に、少なくとも１つの雌部品２０が、流れスリーブ６に結合される。対応する雄部品３０が、ライナ５に結合される。（言うまでもなく、部品２０、３０は、逆にすることができる。）例示的な実施形態では、部品２０、３０は、燃焼システム２のそれぞれの部分に対して溶接される。

幾つかの実施形態では、雄部品３０が取付けられると、インサート４０が、雄部品３０上に取付けられる。１つの実施形態では、インサート４０は、溶接によってタブ３５に取付けられる。例えば、少なくとも１つの溶接部は、底部部材４４に沿って配置することができる。幾つかの実施形態では、インサート４０は、雄部品３０の取付けに先立って、該雄部品３０上にクランプ固定することができる。図５を参照されたい。

図５において、インサート４０は、雄部品３０上に配置した状態で示している。

雄部品３０と雌部品２０とが取付けられて、燃焼システム２を組み立てる準備が整ったら、ライナ５が流れスリーブ６内に挿入される。雄部品３０と雌部品２０とは、ライナ５を挿入するにつれてタブ３５がサドル２５内に配置されるように整列する。図６を参照されたい。

インサート４０の存在により、タブ３５を取付けるのに必要な力は、各インサート４０によって生じたばね力に従って次第に大きくなる。一旦取付けられると、各インサート４０によって生じたばね力は、ライナ５及び流れスリーブ６を保持しかつ整列させる。

次に図７を参照すると、ライナを取付ける方法７０は一般的に、ライナ５上に第１の部品（雄部品３０及び雌部品２０の１つ）を取付けるステップ７１と、スリーブ６上に第２の部品を取付けるステップ７２と、インサート４０を取付けるステップ７３と、次にライナを整列させかつ挿入するステップ７４とを必要とする。勿論、例えばこれらのステップの実行及び様々な部品の使用に際しては多様な制限がある可能性があることは、当業者には解るであろう。従って、この方法７０は、単に例示的なものであって、本明細書の教示を限定するものではない。

インサート４０の存在により両部品２０及び３０間の振動運動が減衰されるので、雌部品２０及び雄部品３０間の摩耗に対する補正は、大きく低減される。つまり、インサート４０は、振動エネルギーの一部分を吸収し、雌部品２０及び雄部品３０間の相対運動を引き起こす摩耗を減少させる。

ライナ止め具１０の使用により、ライナは、図２で分かるようにｘ方向及びｙ方向において保持される。雄部品３０が雌部品２０内に着座した時、インサート４０のばね壁４１及び４３は、雌部品２０の第１及び第２の側壁２１及び２３に対して力を加える。このばね力は、雄及び雌部品３０及び２０を比較的僅かな量の運動状態でｙ方向において互いに対する所定の位置に宙吊り保持する。ｘ方向においては、雄及び雌部品３０及び２０は、ばね壁４１及び４３によって加えられたばね力によりインサート４０のばね壁４１及び４３と該雌部品２０の第１及び第２の側壁２１及び２３との間に生じた摩擦によって、互いに対して所定の位置に保持される。動きは、挿入方向（ｘ方向）に限定される。接触表面積もまた、流れスリーブ６と燃焼ライナ５との間で伝達される振動及びその他のダイナミック力を分散させるのに役立つ。

雄部品３０及び雌部品２０は、より多数の又はより少数の表面を含むことができ、またインサート４０は、これらその他の実施形態と協働するように設計することができることが、当業者には解るであろう。従って、本明細書に示した実施形態は、単に例示的なものであって、本明細書の教示を限定するものではない。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることが、解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、特定の状況及び物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定実施形態に限定されるものではなく、また本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

燃焼システムの態様の断面図。 ライナ止め具の雌部品の斜視図。 ライナ止め具の雄部品の斜視図。 ライナ止め具のインサートの斜視図。 燃焼システムのライナを固定するためのライナ止め具を示す図。 ライナシステムの雄部品及びインサートを示す図。 燃焼システムのライナを取付ける例示的な方法を示す流れ図。

符号の説明

２ 燃焼システム
５ 燃焼ライナ
６ 流れスリーブ
１０ ライナ止め具
２０ 雌部品
３０ 雄部品
４０ インサート
２５ サドル
２１ 第１の側壁
２４ 直交配置床
２３ 第２の直交配置側壁
２２ 直交配置背壁
２６ 取付け機構
３５ タブ
３４ 上面
３３ 第１の直交配置側壁
３７ 直交配置底面
３１ 第２の直交配置側壁
３２ 正面
３６ 取付け機構
４１ 第１のばね壁
４４ 直交配置底部部材
４３ 第２のばね壁
７０ 方法
７１ 第１の部品を取付けるステップ
７２ 第２の部品を取付けるステップ
７３ インサートを取付けるステップ
７４ ライナを整列させかつ挿入するステップ

Claims (8)

1. 燃焼システムのスリーブ内にライナを保持するためのライナ止め具であって、
   サドルを含みかつ前記ライナ及びスリーブの一方に結合する雌部品と、
   前記サドル内に挿入するためのタブを含みかつ前記ライナ及びスリーブの他方に結合する雄部品と、
   前記タブに取付けられかつ該タブが前記サドル内に配置された時に振動を減衰するのを保証するインサートと、
   を含み、
   前記インサートは、第１のばね壁と、該第１のばね壁に直交して配置された底部部材と、該底部部材に直交して配置された第２のばね壁とを備え、
   前記サドルが、第１の側壁、直交配置床、第２の直交配置側壁及び直交配置背壁を含み、前記第１の側壁及び第２の側壁が、互いにほぼ平行である、
   ライナ止め具。
2. 前記タブが、上面、第１の直交配置側壁、直交配置底面及び第２の直交配置側壁を含み、前記第２の直交配置側壁が、前記上面と直交配置される、請求項１に記載のライナ止め具。
3. 前記雌部品及び雄部品の少なくとも１つが、コバルト超合金、ニッケル超合金、鉄超合金、ステンレス鋼及び炭素鋼の少なくとも１つで製作される、請求項１に記載のライナ止め具。
4. 前記インサートが、第１のばね壁、直交配置底部部材及び第２の直交配置ばね壁を含む、請求項１に記載のライナ止め具。
5. 前記インサートが、少なくとも１つの材料層を含む、請求項１に記載のライナ止め具。
6. 前記インサートが、その上に耐摩耗皮膜をさらに含む、請求項１に記載のライナ止め具。
7. 燃焼システムのスリーブ内にライナを挿入する方法であって、
   前記ライナの外表面上に雄部品及び雌部品の一方を取付けるステップと、
   前記スリーブの内表面上に前記雄部品及び雌部品の他方を取付けるステップと、
   前記雄部品のタブ上にインサートを取付けるステップと、
   前記タブが前記雌部品のサドル内に配置された状態になるように、前記スリーブ内に前記ライナを挿入するステップと、
   を含み、
   前記インサートは、第１のばね壁と、該第１のばね壁に直交して配置された底部部材と、該底部部材に直交して配置された第２のばね壁とを備え、
   前記サドルが、第１の側壁、直交配置床、第２の直交配置側壁及び直交配置背壁を含み、前記第１の側壁及び第２の側壁が、互いにほぼ平行である、
   方法。
8. 前記インサートの外表面上に耐摩耗皮膜を配置するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
   

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