JP5451314B2 - ガスタービンエンジンで使用する燃料ノズル組立体及びその組立法。 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンで使用する燃料ノズル組立体に関する。

ガスタービンエンジンで使用する少なくとも幾つかの公知の燃料ノズル組立体は、内部通路を形成した管状部品を含む。内部通路を通して流すことができる様々な流体は、各管状部品を異なる温度で作動させることができる。異なる温度は、様々な管状部品の異なる熱膨張を引き起こす可能性があり、このことは、熱歪みを生じさせるおそれがある。そのような熱歪みを除去するために、少なくとも幾つかの公知の燃料ノズル組立体は、異なる熱膨張を補正するのを可能にするベローズ組立体を含む。しかしながら、ベローズ組立体は一般的に、ガスタービンエンジンの製造、取扱い及び保守整備の費用並びに複雑さを増加させる。

米国特許第４２５８５４４号明細書 米国特許第５３０７６３５号明細書 米国特許第６７６１０３５号明細書 米国特許第６９２６４９６号明細書 米国特許出願公開第２００８／００５３０６２号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７２６０２号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１０５２３７号明細書

１つの実施形態では、ガスタービンエンジンで使用する燃料ノズルを組立てる方法を提供する。本方法は、第１の熱膨張率を有する第１の材料で製作された第１の中空管を準備するステップと、第１の熱膨張率とは異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で製作された第２の中空管を準備するステップと、燃焼チャンバに向けて流体を送るように第１及び第２の管を配向させて該第１の管内に該第２の管を結合するステップとを含む。第１の管は、第２の管を実質的に囲み、また第２の管は、燃料ノズル作動時に第１の管と略同じ割合で熱膨張する。

別の実施形態では、ガスタービンエンジン内に形成された燃焼チャンバに向けて流体を送るように構成された燃料ノズルを提供する。本燃料ノズルは、第１の熱膨張率を有する第１の材料で製作された第１の中空管と、第１の熱膨張率とは異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で製作された第２の管とを含む。第２の管は、第１の管が該第２の管を実質的に囲むように該第１の管内に結合され、また第２の管は、燃料ノズルの作動時に第１の管と略同じ割合で熱膨張する。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、燃焼チャンバと、該燃焼チャンバに向けて流体を送るように構成された燃料ノズルとを含む。燃料ノズルは、第１の管と該第１の管内に結合されて該第１の管がそれを実質的に囲むようになっている第２の管とを含む。第１の管は、第１の熱膨張率を有する第１の材料で製作され、また第２の管は、第１の熱膨張率とは異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で製作されて、第２の管が、燃料ノズルの作動時に第１の管と略同じ割合で熱膨張するようになる。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器の概略断面図。 公知の燃料ノズル組立体の概略断面図。 図２に示す燃焼器で使用することができる燃料ノズル組立体の概略断面図。

ベローズ組立体に代わる簡単かつ安価な代替品を備えた燃料ノズル組立体が望ましい。本発明は、軸方向及び半径方向熱歪みの除去を可能にすると同時に、そのような除去を可能にするのに必要な部品及び継手（接合部）の数を抑制する。

図１は、例示的なガスタービンエンジンの概略図である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１０２及び燃焼器１０４を含み、燃焼器１０４は、燃料ノズル組立体１０６を含む。ガスタービンエンジン１００はまた、タービン１０８及び共通の圧縮機／タービンシャフト１１０を含む。１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、サウスカロライナ州グリーンビル所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＰＧ９３７１ ９ＦＢＡ型高出力ガスタービンエンジンである。特に、本発明は、いずれか１つの特定のエンジンに限定されるものではなく、その他のガスタービンエンジンに関連して使用することができる。

運転時に、空気は圧縮機１０２を通って流れ、加圧空気が、燃焼器１０４、より具体的には燃料ノズル組立体１０６に供給される。燃料は、燃焼器１０４内に形成された燃焼領域に送られ、該燃焼領域内において、燃料が加圧空気と混合されかつその混合気が燃焼される。発生した燃焼ガスは、タービン１０８に送られ、該タービン１０８において、ガスストリーム熱エネルギーが機械的回転エネルギーに転換される。タービン１０８は、シャフト１１０に回転可能に結合されかつ該シャフト１１０を駆動する。

図２は、燃焼器１０４の概略断面図である。燃焼器１０４は、圧縮機１０２及びタービン１０８と流れ連通状態で結合される。圧縮機１０２は、互いに流れ連通状態で結合されたディフューザ１１２及び圧縮機吐出プレナム１１４を含む。燃焼器１０４は、端部カバー１２０を含み、端部カバー１２０は、複数の燃料ノズル組立体１２２に対して構造的支持を与える。端部カバー１２０は、保持用ハードウェア（図２には図示せず）を用いて燃焼器ケーシング１２４に結合される。燃焼器ライナ１２６が燃焼器ケーシング１２４の半径方向内側に配置されて、該燃焼器ライナ１２６は、燃焼器１０４内に燃焼チャンバ１２８を形成するようになる。環状燃焼チャンバ冷却通路１２９が、燃焼器ケーシング１２４と燃焼器ライナ１２６との間に形成される。移行部品１３０が、燃焼チャンバ１２８に結合されて、該燃焼チャンバ１２８内で発生した燃焼ガスをタービンノズル１３２に向けて下流方向に流すのを可能にする。この例示的な実施形態では、移行部品１３０は、外壁１３６内に形成された複数の開口部１３４を含む。移行部品１３０はまた、内壁１４０と外壁１３６との間に形成された環状通路１３８を含む。内壁１４０は、案内空洞１４２を形成する。この例示的な実施形態では、燃料ノズル組立体１２２は、燃料ノズルフランジ（参照符号を付さず）により端部カバー１２０に結合される。

運転時に、タービン１０８は、シャフト１１０（図１に示す）により圧縮機１０２を駆動する。圧縮機１０２が回転すると、加圧空気が、関連する矢印が示すように、ディフューザ１１２内に吐出される。この例示的な実施形態では、圧縮機１０２から吐出された空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム１１４を通って燃焼器１０４に向けて流れ、また残りの加圧空気は、エンジン部品を冷却するのに使用するために送られる。より具体的には、吐出プレナム１１４内の加圧圧縮空気は、外壁開口部１３４を介して移行部品１３０内にかつ環状通路１３８内に送られる。空気は次に、環状通路１３８から環状燃焼チャンバ冷却通路１２９を通って燃料ノズル組立体１２２に送られる。燃料及び空気は混合され、この混合気が、燃焼チャンバ１２８内で燃焼される。燃焼器ケーシング１２４は、燃焼チャンバ１２８及びその関連する燃焼プロセスを、例えば周囲のタービン部品のような外部環境から遮蔽するのを可能にする。発生した燃焼ガスは、燃焼チャンバ１２８から案内空洞１４２を通って、タービンノズル１３２に向けて送られる。

図３は、公知の燃料ノズル組立体３００の概略断面図である。燃料ノズル組立体３００は、内部通路を形成した２つの同心に整列した管状部品、すなわち内側管状部品３１０及び外側管状部品３２０を含む。この例示的な実施形態では、管状部品３１０及び３２０は、同一の材料組成で製作される。内部通路を通して流すことができる様々な流体は、管状部品３１０及び３２０を異なる温度で作動させる可能性がある。

管状部品３１０及び３２０を異なる温度で作動させることにより、熱膨張差が生じることになり、このことは最終的には、疲労割れ又は接合部破損を引き起こす可能性がある。そのような熱歪みは一般的に、管状部品３１０及び３２０とそれらの取付け接合部との間に生じる。そのような熱歪みを除去するために、燃料ノズル組立体３００は、管状部品３１０及び３２０の材料組成とは異なる材料組成で製作されたベローズ組立体３３０を含む。

この例示的な実施形態では、ベローズ組立体３３０は、複数の部品（図示せず）及び複数の接合部（図示せず）を含む。ベローズ組立体３３０と関連する部品及び接合部の数は、該ベローズ組立体３３０がない燃料ノズル組立体と比較して、ガスタービンエンジン１００の製造、取扱い及び保守整備の費用並びに複雑さを増加させる。例えば、１つの実施形態では、ベローズ組立体３３０は、フィレット溶接部（図示せず）により端部カバー（図示せず）に結合された薄い厚さのベローズ管状部品（図示せず）を含む。さらに、薄い厚さのベローズ管状部品は、ロウ付け又は溶接により管状部品３１０及び３２０の少なくとも１つに対して結合される。１つの実施形態では、シールド及びアダプタ（図示せず）もまた、溶接によりベローズ組立体３３０に結合されて、該ベローズ組立体３３０を係合部品から遮蔽するのを可能にする。

さらに、ベローズ組立体３３０は、燃料ノズル組立体３００内での軸方向熱膨張を吸収するが、取付け接合部においてのみ半径方向熱膨張を吸収する。燃料ノズル組立体３００内での半径方向熱膨張を吸収するために、付加的なベローズ組立体３３０を必要とする。例えば、１つの実施形態では、ベローズ組立体３３０は、管状部品３１０及び３２０の少なくとも１つの各軸方向端部に結合される。しかしながら、付加的なベローズ組立体３３０を組込むことにより、該ベローズ組立体３３０を殆ど又は全く備えていない燃料ノズル組立体と比較して、ガスタービンエンジン１００の製造、取扱い及び保守整備の費用並びに複雑さが増加する。さらに、付加的なベローズ組立体３３０を組込む場合における付加的な材料の包含により、取付け接合部において付加的な荷重作用が発生する。

図４は、燃焼器１０４（上で示した）で使用することができる例示的な燃料ノズル組立体４００の概略断面図である。下記でより詳細に説明するように、燃料ノズル組立体４００は、簡単かつ低荷重設計でベローズ組立体３３０（図３に示す）の必要性を減少させ又は排除することができる。

この例示的な実施形態では、燃料ノズル組立体４００は、下記でより詳細に説明するように、異なる強度、耐久性及び熱膨張率を有する２つの略同心に整列した管状部品、すなわち内側管状部品４１０及び外側管状部品４２０を含む。特に、この例示的な実施形態は、２つの管状部品を含むが、管状部品の数は、いずれにしても本発明を限定することを意図するものでないことを理解されたい。

この例示的な実施形態では、管状部品４１０及び４２０は、略円筒形でありかつ略円形断面輪郭を有する。別の実施形態では、管状部品４１０及び／又は４２０の少なくとも１つは、付加的な熱変位を吸収するように構成された非均一輪郭を有する。例えば、１つの実施形態では、管状部品４１０及び／又は４２０の少なくとも１つは波形円筒体である。管状部品４１０及び４２０は、燃料ノズル先端部（参照符号を付さず）及びフランジ４３０を含む端部部品に溶接され、それにより堅牢なロウ付け接合部を形成する。１つの実施形態では、管状部品４１０及び４２０は、燃料ノズル先端部及びフランジ４３０に電子ビーム溶接される。この例示的な実施形態では、管状部品４１０及び４２０は、単一のロウ付け作業を行うことができるように配向される。フランジ４３０は、燃料ノズル組立体４００に対して付加的な支持及び堅牢性を与える。１つの実施形態では、フランジ４３０は、外側管状部品４２０の材料組成と同一の材料組成で製作される。１つの実施形態では、管状部品４１０及び４２０の軸方向端部に短い材料アダプタセクションを溶接して、高温時における堅牢性を与えるか又はロウ付け接合部堅牢性を高める。

管状部品４１０及び４２０は、液体、気体、及びそれらのあらゆる混合物を含む様々な流体のための内部通路を形成する。より具体的には、内側管状部品４１０は内側流路４４０を形成し、また外側管状部品４２０は外側流路４５０を形成する。一般的に、内側流路４４０は、外側流路４５０よりも低い温度になっている。例えば、１つの実施形態では、内側管状部品４１０は燃料を流すために使用され、また外側管状部品４２０は空気を流すために使用される。内側流路４４０は一般的に、外側流路４５０よりも低い温度になっているので、各管状部品４１０及び４２０は一般的に、異なる作動温度で作動する。従って、内側管状部品４１０を製作するのに使用した材料は一般的に、外側管状部品４２０を製作するのに使用した材料よりも低温になっている。

管状部品４１０及び４２０の温度差によって生じる熱歪みを減少させるのを可能にするために、外側管状部品４２０は、内側管状部品４１０を製作するのに使用した材料の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する材料で製作される。管状部品４１０及び４２０を製作するのに使用する材料は、少なくとも部分的にはいかなる流体が管状部品４１０及び４２０を通して送られることになるかを含む該管状部品４１０及び４２０の作動条件に基づいて選択される。具体的には、管状部品４１０及び４２０のそれぞれの熱膨張率は、それぞれの作動温度において該管状部品４１０及び４２０が略同じ軸方向距離で膨張することになるように釣合い調整されている。１つの実施形態では、外側管状部品４２０は、マルテンサイトステンレス鋼又はフェライトステンレス鋼のような４００系ステンレス鋼で製作され、また内側管状部品４１０は、オーステナイトステンレス鋼のような３００系ステンレス鋼で製作される。

例えば、１つの実施形態では、外側管状部品４２０は、内側管状部品４１０の温度上昇よりもその温度上昇が２倍であるが、内側管状部品４１０の熱膨張比率よりも熱膨張比率がおよそ半分である（従って、同じ割合で熱膨張することになる）。多くの特定の実施例において、１つの実施形態では、管状部品４１０及び４２０の静止温度は約７０°Ｆであり、内側管状部品４１０の作動温度は約３６０°Ｆであり、また外側管状部品４２０の作動温度は約６４０°Ｆである。この実施形態では、内側管状部品４１０が、約１０ｅ−６ｉｎ／ｉｎ／Ｆの熱膨張率を有する材料で製作された場合には、外側管状部品４２０は、それぞれの作動温度において略同じ軸方向距離で膨張するように、約６．４ｅ−６ｉｎ／ｉｎ／Ｆの熱膨張率を有する材料で製作されることになる。

管状部品４１０及び４２０を製作するのに使用した材料の材料組成及び低サイクル疲労限界比に対するそれらのそれぞれの歪み範囲を考慮して、管状部品４１０及び４２０の壁厚さは、それを通して送られる流体によって生じる可能性がある内部圧力及び振動荷重を封じ込めるのに十分な構造的な強度を有するように選択される。さらに、管状部品４１０及び４２０の壁厚さはまた、取付け接合部に対して付加的荷重を生じさせないで必要な熱膨張差を可能にするように選択される。例えば、１つの実施形態では、外側管状部品４２０は一般的に、内側管状部品４１０よりも２〜４倍厚肉である。多くの特定の実施例において、１つの実施形態では、内側管状部品４１０は、約１／１６インチの厚さであり、また外側管状部品４２０は、１／８〜１／４インチの厚さ又はそれ以上の厚さである。

本明細書に記載した燃料ノズル組立体のための方法、装置及びシステムは、ガスタービンエンジンの運転を可能にする。より具体的には、本明細書で説明した燃料ノズル組立体は、該燃料ノズル組立体内に生じる熱歪みを減少させると同時に、関連する燃料ノズル組立体の構造的堅牢性を維持しながら組立てに必要な部品及び接合部を減少させるのを可能にする。本明細書に記載し又は例示した方法、装置又はシステムの実施は、燃料ノズル組立体に対してもガスタービンエンジン全体に対しても限定されるものではない。むしろ、本明細書に記載し又は例示した方法、装置及びシステムは、本明細書で説明した他の部品及び／又はステップから独立してかつ別個に利用することができる。

本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。本発明の様々な実施形態の特定の特徴形状は、幾つかの図面において図示しまたその他の図面においては図示していない場合があるが、それは単に便宜上によるものである。本発明の原理によると、図面のあらゆる特徴形状は、あらゆるその他の図面のあらゆる特徴形状と組合せて引用しかつ／又は特許請求することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ 燃料ノズル組立体
１０８ タービン
１１０ シャフト
１１２ ディフューザ
１１４ 圧縮機吐出プレナム
１２０ 端部カバー
１２２ 燃料ノズル組立体
１２４ 燃焼器ケーシング
１２６ 燃焼器ライナ
１２８ 燃焼チャンバ
１２９ 燃焼チャンバ冷却通路
１３０ 移行部品
１３２ タービンノズル
１３４ 複数の開口部
１３６ 外壁
１３８ 環状通路
１４０ 内壁
１４２ 案内空洞
３００ 燃料ノズル組立体
３１０ 内側管状部品
３２０ 外側管状部品
３３０ ベローズ組立体
４００ 燃料ノズル組立体
４１０ 内側管状部品
４２０ 外側管状部品
４３０ フランジ
４４０ 内側流路
４５０ 外側流路

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１００）内に形成された燃焼チャンバ（１２８）に向けて流体を送るように構成された燃料ノズル（４００）であって、当該燃料ノズル（４００）が、
   第１の熱膨張率を有する第１の材料で製作された第１の中空管（４２０）と、
   第１の熱膨張率とは異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で製作された第２の中空管（４１０）と
   を含んでおり、
   第１の中空管が第２の中空管を実質的に囲むように第２の中空管が第１の中空管内に結合され、
   第２の中空管が、該燃料ノズルの作動時に第１の中空管と軸方向に略同じ割合で熱膨張する、
   燃料ノズル。
2. 第１の熱膨張率が、第２の熱膨張率よりも小さい、請求項１記載の燃料ノズル（４００）。
3. 第１の中空管（４２０）及び第２の中空管（４１０）が、略同心に整列している、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズル（４００）。
4. 第１の中空管（４２０）及び第２の中空管（４１０）の少なくとも１つが、直円筒体である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料ノズル（４００）。
5. 第１の中空管（４２０）及び第２の中空管（４１０）の少なくとも１つが、波形円筒体である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料ノズル（４００）。
6. 第１の材料が、４００系ステンレス鋼である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノズル（４００）。
7. 第２の材料が、３００系ステンレス鋼である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズル（４００）。
8. 燃焼チャンバ（１２８）と、
   前記燃焼チャンバに向けて流体を送るように構成された請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料ノズル（４００）と
   を含むガスタービンエンジン（１００）。
   

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