JP5685412B2 - 燃料ノズルシールスペーサ及びその設置方法 - Google Patents

Description

本出願は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃料ノズルの周りに位置付けられるリップシールを分離するためのスペーサ並びにこれを設置するための方法に関する。

ガスタービン燃焼器は一般に、端部カバーの周りに位置付けられた複数の燃料ノズルを使用する。燃料ノズルの種々の内部通路の間での温度変化が大きい場合を考えると、特に過渡運転中で、通路の軸方向の熱成長が異なることが設計上の問題となる可能性がある。例えば、異なる通路は、異なる温度の流体を有することがあり、或いは異なる通路は、様々な熱膨張係数を有する材料から構成される場合がある。更に、これらの通路は一般に、同心管体の形態をとる場合がある。従って、これらの同心管体は、支持及び振動減衰を得る必要がある。

公知の燃料ノズルは一般に、同心管体間のシールとしてベローズ又はピストンを使用している。しかしながら、ベローズの使用は、幾らか高コストであり、耐久性の問題を有する場合がある。同様に、ピストンリングの使用は、これを通る相当な漏出を可能にすることがある。従って、漏出の大きな変動は、差分圧力が大きい２つの通路間で特に結果として生じる場合があり、望ましくない燃焼特性につながる可能性がある。

リップシールは、公知のピストンリングに比べてシール性能が改善されることが分かった。リップシールは、スリーブ組立体管の端部上に溶接され且つ燃料ノズル本体内の中央ボアを介して第２の端部で捕捉されるフランジ管端部の周りの１つの端部に位置付けられて捕捉することができる。この方法は、効果的であるが、後続のシールは、シールの組み立て及び捕捉を両方向で可能にするよう別の小さなサイズのものでなければならない。複数のシールを必要とする燃料ノズルでは、必要とされる全てのシールについて本方法を利用するのに半径方向において十分なスペースが存在しない場合がある。

従って、燃料ノズル管体上にリップシールを装着し、これらを所定スペース内に適切に捕捉する改善された方法に対する要求がある。ピストンリングの代わりにリップシールを使用することにより、種々のノズル回路間のシールが改善され、全体のエミッション及び性能を十分に向上されるべきである。

米国特許第７，５４６，７３６号公報

従って、本出願は、燃料ノズルのスリーブ組立体内にリップシールを装着する方法を提供する。本方法は、リップシールが第１の直径管体の第１の管体フランジと接触するまで、第２の直径管体に沿って第１のリップシールを滑動させる段階と、シールスペーサが第１のリップシールと接触するまで第２の直径管体に沿ってシールスペーサを滑動させる段階と、第２のリップシールがシールスペーサと接触するまで第２の直径管体に沿って第２のリップシールを滑動させる段階と、を含むことができる。

本出願は更に、燃料ノズル用のスリーブ組立体を提供する。燃料ノズルは、第１の直径を有する第１の管体と、第１の直径よりも小さい第２の直径を有する第２の管体と、を含むことができる。第１のリップシールは、第１の管体と接触して第２の管体上に位置付けることができる。シールスペーサは、第１のリップシールと接触して第２の管体上に位置付けることができる。第２のリップシールは、第２の管体上に位置付けることができる。

本出願は更に、燃料ノズル端部キャップのスリーブ組立体内にリップシールを装着する方法を提供する。本方法は、第１の管体の第１の管体フランジ付近に第１のリップシールを位置付ける段階と、第２の管体の第２の管体フランジ付近に第２のリップシールを位置付ける段階と、端部キャップの第１の側部内にスリーブ組立体を位置付ける段階と、端部キャップの第２の側部を介して第３の管体付近に第３のリップシールを位置付ける段階と、シールカラーを介して第３のリップシールを所定位置に固定する段階と、を含む。

本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び添付の請求項を併用しながら以下の詳細な説明を精査すると明らかになるであろう。

本明細書で使用することができるガスタービンエンジンの部分断面図。 本明細書で使用することができる２次ノズルの一部の側面図。 図２の２次ノズルの端部キャップ付近の蝶番断面図。 本明細書で説明されるリップシールを備えた複数の同心管体の側断面図。 スリーブ組立体と共に使用できるリップシールの側断面図。 本明細書で説明されるスリーブ組立体の管体上に装着されたシールスペーサ及び複数のリップシールの斜視図。 端部キャップ内に位置付けられて本明細書で説明されるスリーブ組立体の代替の実施形態の側断面図。

ここで、複数の図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、圧縮機１２（部分的に図示）、燃焼器１４、及び本明細書では単一のブレードで表されたタービンセクション１６を備えるガスタービンエンジン１０の一部を示している。具体的には図示していないが、タービン１６は、共通軸線に沿って圧縮機１２に接続される。圧縮機１２は、流入空気を加圧し、該空気を燃焼器１４に供給する。燃焼器１４は、加圧空気流を燃料の加圧流と混合し、該混合物を点火させる。単一の燃焼器１４だけが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、幾つかの燃焼器１４を含むことができる。燃焼器１４は、ガスタービンエンジン１０の軸線周りに環状アレイで位置付けることができる。

次いで、高温燃焼ガスがタービン１６に供給される。高温燃焼ガスは、タービン１６を駆動し機械仕事を生成するようにする。タービン１６により生成された機械仕事は、圧縮機１２、並びに一般には発電機及び同様のものなどの外部負荷を駆動する。ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び他のタイプの燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、例証に過ぎず、他の構成を有することもでき、他のタイプの構成要素を用いることができる。

移行ダクト１８は、各燃焼器１４の出口端部をタービン１６の入口端部と接続し、高温燃焼ガスを供給することができる。各燃焼器１４は、全体的にスロート領域２４により分離された、１次又は上流燃焼室２０及び２次又は下流燃焼室２２を含むことができる。燃焼器１４は、燃焼器流れスリーブ２６により囲まれ、圧縮機吐出空気流を燃焼器１４に送るようにすることができる。燃焼器１４は更に、ボルト締結又は他の方法でタービンケーシング３０に取り付けできる外側ケーシング２８により囲むことができる。燃焼器１４は更に、幾つかの１次ノズル３２を含み、１次燃焼室２０に燃料を提供するようにすることができる。１次ノズル３２は、中央２次ノズル３４の周りを環状アレイで配列することができる。幾つかのクロスファイア管３８（１つが図示されている）と連動してスパークプラグ３６を利用することにより、燃焼器１４内で点火を行うことができる。２次ノズル３４は、２次燃焼室２２に燃料を供給することができる。本明細書では他の構成及び設計を用いることもできる。

図２及び３は、本明細書で説明することができる２次ノズル組立体１００を示す。２次ノズル組立体１００は、幾つかの同心管体１１０を含むことができる。同心管体１１０は、貫通する幾つかの通路を定めることができる。同心管体１１０は、中央通路１２０を含むことができる。中央通路１２０は、幾つかのノズルペグ１３０と連通した液体燃料通路とすることができる。中央通路１２０の周囲には、任意の数の２次通路１４０が存在することができる。２次通路１４０は、パイロット、２次、及び３次ガス通路と、水パージ通路、空気流通路、並びに他のタイプの流体流を含むことができる。

同心管体１１０は、端部キャップ１５０に１つの端部にて装着することができる。端部キャップ１５０は、幾つかのスペーサ流れ孔１５５と、貫通する燃料又は空気導管１６５とを有することができる。同心管体１１０は、他の端部にてノズル先端１６０に延びることができる。本明細書では、幾つかの２次通路１４０及び／又は同心管体１１０を用いることができる。本明細書では他の構成及び設計を用いてもよい。

図４は、２次ノズル組立体１００の同心管体１１０の実施例を示す。図示のように、幾つかの２次通路１４０は中央通路１２０を囲む。同心管体１１０の何れかのペア間には、幾つかのリップシール１７０を位置付けることができる。リップシール１７０は、通過する燃料漏出を低減する半径方向シールの形態である。リップシール１７０はまた、同心管体１１０と端部キャップ１５０との間に位置付けることができる。

リップシール１７０は通常、回転シャフトに取り付けられる。一般的に述べると、リップシール１７０は、内径を加圧するシャフト上に嵌装することによりシールを行い、外径を加圧するボア内に嵌装される。通常の回転シャフト応用では、内径は、シャフトが固定リップシールに対して回転するときのシールの動的側面と考えられる。シール設計は、シール表面の内外に法線力をもたらす圧縮によって決まる。

図５は、リップシール１７０の１つの実施例の側面図を示す。リップシール１７０は、弓形部分１８０、外側シールライン１９０、及び内側シールライン２００を含むことができる。リップシール１７０は、弓形部分１８０の１つの端部に内向きカール部２１０を含み、第１の縁部２３０に返し部２２０を形成することができる。リップシール１７０はまた、内向きに先細の切頭円錐部又は長手方向に延びる部分２４０を含むことができ、第２の対向する縁部２６０に外向きに湾曲した部分２５０で終端する。返し部２２０の機能は、補強と、内部キャビティへのシール１７０の滑らかな挿入を可能にする誘導部を提供することである。本明細書では他の構成及び設計を用いてもよい。リップシール１７０は、ニッケル超合金、ニッケルコバルト合金、及び類似の材料で作ることができる。

本出願では、リップシール１７０が、シールを維持しながら内径又は内向きカール部２１０に沿って軸方向に滑動できる点で熱成長を可能にする。リップシール１７０は、基本的に金属製半径方向バネである。リップシール１７０が完全円周方向のバネシールであるので、リップシール１７０はまた、励振源から離れたノズル構成部品の固有周波数を増大させる。また、シールが改善されることにより、超低エミッション燃焼器での通路間漏出に起因したパイロット流変動が減少する。これは、パイロットの低燃料流量を正確に制御するために重要である。加えて、リップシール１７０は、より優れた燃料柔軟性のための許容可能な漏出を有して、Ｈ_２及び他のタイプの高反応性燃料の濃度を高くすることができる。既知のピストンリング漏出は一般に、高反応性燃料の許容可能な濃度に関して遙かに低い制限を設けている。

図６は、燃料ノズル１００と共に使用するためのスリーブ組立体２６５の１つの実施例を示す。スリーブ組立体２６５は、本明細書で説明されるシールスペーサ２７０を有する。この実施例では、漸次的に小さくなる直径の３つの２次通路１４０、すなわち、第１の管体２８０、第２の管体２９０、及び第３の管体３００が図示されている。管体２８０、２９０、３００は、何れかの所望の減少する直径を有することができる。本明細書では任意の数の管体２８０、２９０、３００を用いることができる。

第１の管体２８０はフランジ端部３１０を含むことができる。リップシール１７０の１つである第１のリップシール３２０は、内径２１０の加圧／減圧により第２の管体２９０を越えて滑動することができ、第１の管体２８０上で再加圧され、フランジ端部３１０付近で第２の管体２９０に締結することができる。次いで、シールスペーサ２７０は、第２の管体２９０に沿って滑動し、第１のシール３２０と接触することができる。第２の管体２９０にはフランジ状の端部が存在しない。シールスペーサ２７０は、スペーサ２７０を所定位置に保持するための止めネジ３３０又は他のタイプの接続手段を含むことができる。第２の管体２９０は、座ぐり部が機械加工され、止めネジ３３０が、組み立て又は分解中にシール１７０を把持するためにバリを残すことなく座ぐり部表面を引き離すことができるようにすることができる。あらゆる数の止めネジ３３０を利用することができる。シールスペーサ２７０はまた、ごく僅かな圧力低下で流体が貫流できるように幾つかの流れアパーチャ３４０を含む。あらゆる数、サイズ、又は形状の流れアパーチャ３４０を利用することができる。シールスペーサ２７０は、ステンレス鋼又は類似のタイプの材料から作ることができる。

次いで、第２の流れシール３５０は、内径２１０が加圧され、シールがスペーサ２７０に隣接して第２の管体２９０上の所定位置に位置付けられるまで滑動することができる。加圧は、第２の流れシール３５０を所定位置に維持する。第３の管体３００はまた、フランジ状端部３６０を有することができる。第３のリップシール３７０は、内径２１０が加圧され、シール３７０がフランジ状端部３６０に接して位置付けられるまで第３の管体３００を越えて滑動することができる。加圧はまた、第３のリップシール３７０を所定位置に維持する。管体２８０、２９０、３００及びスリーブ組立体２６５は全体として、燃料ノズル１００内に配置することができる。

従って、シールスペーサ２７０の使用並びにこれを設置する方法は、管体２８０、２９０、３００間のシールをより良好にするために同じサイズの複数のリップシールの使用を可能にする。このシール改善の利点のうちの１つは、パイロット変動が少ないこととすることができる。このような変動を低減することにより、ノズルパイロット燃料流は、作動境界に至る前に現在実施可能であるよりも更にターンダウンされ、低エミッション及び燃料柔軟性を達成できるようにする。別の利点は、ノズル１００内部の燃焼及びこれに続く構成部品損傷をもたらす可能性がある、３次通路への２次燃料漏出を回避することができる。

要約すると、第１のシール３２０は、フランジ端部３１０に接触するまで加圧／減圧により第２の管体２９０に沿って滑動される。次いで、シールスペーサ２７０は、第１のシール３２０に接近するまで第２の管体２９０に沿って滑動され、次いで、第２の管体２９０上の所定値にネジ止め又は他の方法で固定することができる。次に、第２のシール３５０は、内径２１０が加圧されてシールスペーサ２７０と接触状態になるまで、第２の管体２９０に沿って滑動することができる。第３のリップシールの内径２１０を加圧し、シール３７０をフランジ状端部３６０と接触させた状態で第３の管体３００に沿って位置付けることができる。管体２８０、２９０、３００は、燃料ノズル１００内に配置することができる。シール３２０、３５０、３７０及びスペーサ２７０は、逆の順序で取り外すことができる。

図７は、燃料ノズル１００の端部キャップ１５０と共に使用できるスリーブ組立体４００の代替の実施形態を示す。この実施例では、漸次的に小さくなる直径の３つの２次通路、すなわち、第１の管体４１０、第２の管体４２０、及び第３の管体４３０が図示されている。管体４１０、４２０、４３０は、何れかの所望の減少する直径を有することができる。本明細書では任意の数の管体４１０、４２０、４３０を用いることができる。第１の管体４１０は、第１の管体フランジ４４０で終端することができる。同様に、第２の管体４２０は、第２の管体フランジ４５０で終端することができる。第１のリップシール４６０は、第１の管体フランジ４４０付近に位置付けることができ、第２のリップシール４７０は、第２の管体フランジ４５０付近に位置付けることができる。第１及び第２のリップシール４６０、４７０は、端部キャップ１５０の第１の側部４８０内に位置付けることができる。

第３のリップシール４９０は、第３の管体４３０付近に位置付けることができる。第３の管体４３０は、フランジがなくてもよい。むしろ、第３のリップシール４９０は、シールカラー５００によって所定位置に保持することができる。シールカラー５００は、端部キャップ１５０の第２の側部５１０から延び、第３の管体４３０に沿って延びることができる。

使用時には、第１のリップシール４６０は、第１の管体４１０の第１の管体フランジ４４０付近に位置付けることができ、第２のリップシール４７０は、第２の管体４２０第２の管体フランジ４５０付近に位置付けることができる。次いで、スリーブ組立体４００は、端部キャップ１５０の第１の側部４８０内に位置付けることができる。リップシール４６０、４７０は、管体フランジ４４０、４５０及び端部ブロック１５０自体に接して所定位置に保持することができる。

スリーブ組立体４００が端部キャップ１５０の第１の側部４８０内に位置付けられると、第３のリップシール４９０は、端部キャップ１５０の第２の側部５１０を介して第３の管体４３０付近に位置付けることができる。次いで、シールカラー５００は、第３のシール４９０に突き当てて端部キャップ１５０の第２の側部５１０内に位置付けることができる。本明細書では他の構成も利用することができる。

上記のことは、本出願の特定の実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において実施できる点を理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 移行ダクト
２０ １次燃焼室
２２ ２次燃焼室
２４ スロート領域
２６ 流れスリーブ
２８ 外側ケーシング
３０ タービンケーシング
３２ １次ノズル
３４ ２次ノズル
３６ スパークプラグ
３８ クロスファイア管
１００ ２次ノズル
１１０ 同心管体
１２０ 中央通路
１３０ ノズルペグ
１４０ ２次通路
１５０ 端部キャップ
１５５ スペーサ流れ孔
１６０ ノズル先端
１６５ 燃料又は空気通路
１７０ リップシール
１８０ 弓形部分
１９０ 外側シールライン
２００ 内側シールライン
２１０ 内向きカール部
２２０ 返し部
２３０ 第１の縁部
２４０ 延長部分
２５０ 外向き湾曲部分
２６０ 第２の縁部
２６５ スリーブ組立体
２７０ シールスペーサ
２８０ 第１の管体
２９０ 第２の管体
３００ 第３の管体
３１０ フランジ状端部
３２０ 第１のシール
３３０ 止めネジ
３４０ 流れアパーチャ
３５０ 第２のシール
３６０ フランジ状端部
３７０ 第３のシール
４００ スリーブ組立体
４１０ 第１の管体
４２０ 第２の管体
４３０ 第３の管体
４４０ 第１の管体フランジ
４５０ 第２の管体フランジ
４６０ 第１のリップシール
４７０ 第２のリップシール
４８０ 第１の端部キャップ側部
４９０ 第３のリップシール
５００ シールカラー
５１０ 第２の端部キャップ側部

Claims (12)

1. 燃料ノズル（１００）のスリーブ組立体（２６５）内にリップシール（１７０）を装着する方法であって、
   第２の管体（２９０）と、該第２の管体と同心に設けられ該第２の管体の直径より大きな直径を有する第１の管体（２８０）とを設ける段階と、
   第１のリップシール（３２０）が前記第１の管体（２８０）の第１の管体フランジ（３１０）と接触するまで、前記第２の管体（２９０）に沿って前記第１のリップシール（３２０）を滑動させる段階と、
   前記第１のリップシール（３２０）の直径より小さい直径を有するシールスペーサ（２７０）が前記第１のリップシール（３２０）と接触するまで、前記第２の管体（２９０）に沿って前記シールスペーサ（２７０）を滑動させる段階と、
   前記第１のリップシールの前記直径と同じ直径を有する第２のリップシール（３５０）が該第１のリップシールと該第２のリップシールとの間に位置する前記シールスペーサ（２７０）と接触するまで、前記第２の管体（２９０）に沿って前記第２のリップシール（３５０）を滑動させる段階と、
   を含む方法。
2. 前記第１のリップシール（３２０）が前記第１の管体（２８０）の第１の管体フランジ（３１０）と接触するまで、前記第２の管体（２９０）に沿って前記第１のリップシール（３２０）を滑動させる段階が、前記第１のリップシール（３２０）の内径（２１０）を加圧する段階を含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のリップシール（３５０）が前記シールスペーサ（２７０）と接触するまで前記第２の管体（２９０）に沿って前記第２のリップシール（３５０）を滑動させる段階が、前記第２のリップシール（３５０）の内径（２１０）を加圧する段階を含む、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 第３の管体（３００）に沿って第３のリップシール（３７０）を滑動させる段階を更に含み、
   該第３の管体は、前記第１及び第２の管体と同心であり、
   前記第３の管体の直径は、前記第２の管体の直径より小さく、
   前記第３のリップシールの直径は、前記第２のリップシールの直径より小さい
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第３の管体（３００）が第３の管体フランジ（３６０）を含み、前記第３の管体（３００）に沿って第３のリップシール（３７０）を滑動させる段階が、前記第３のリップシール（３７０）を滑動させて前記第３の管体フランジ（３６０）と接触させる段階を含む、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記第３の管体（３００）に沿って前記第３のリップシール（３７０）を滑動させる段階が、前記第３のリップシール（３７０）の内径（２１０）を加圧する段階を含む、
   請求項４に記載の方法。
7. 前記シールスペーサは管形状である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記シールスペーサ（２７０）を前記第２の管体（２９０）に沿って所定位置に設定する段階を更に含む、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記シールスペーサ（２７０）が該シールスペーサに形成された複数の流れアパーチャ（３４０）を含み、前記方法が更に、該アパーチャを介し流体を前記第１の管体に流入させる段階を含む、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１のリップシール（３２０）、前記第２のリップシール（３５０）及び前記シールスペーサを、燃料ノズル端部キャップ（１５０）内に挿入する段階をさらに含む、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１のリップシール（３２０）、前記第２のリップシール（３５０）及びシールスペーサ（２７０）を燃料ノズル端部キャップ（１５０）の第１の孔に挿入する段階と、前記第３のリップシールを該燃料ノズル端部キャップ（１５０）の第２の孔に挿入する段階と
    を更に含む、請求項２に記載の方法。
12. 燃料ノズル（１００）用のスリーブ組立体（２６５）であって、
    第１の管体（２８０）と、
    前記第１の管体と同心に設けられた第２の管体（２９０）であって前記第１の管体の直径が該第２の管体の直径よりも大きい、第２の管体（２９０）と、
    前記第１の管体（２８０）と接触して前記第２の管体（２９０）上に位置付けられた第１のリップシール（３２０）と、
    前記第１のリップシールの直径よりも小さな直径を有し、前記第１のリップシール（３２０）と接触して前記第２の管体（２９０）上に位置付けられたシールスペーサ（２７０）と、
    前記第２の管体（２９０）上に位置付けられ前記シールスペーサと接触する第２のリップシール（３５０）と、
    を備え、
    前記シールスペーサが前記第１のリップシールと第２のリップシールとの間に位置し、該第２のリップシールの直径と該第１のリップシールの直径とが等しい
    スリーブ組立体（２６５）。