JP5791731B2 - ガスタービンアセンブリとその組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン、より詳しくは、封止機構を提供するガスタービン用のアセンブリと、そのガスタービン用アセンブリを組み立てる方法に関する。

ガスタービンにおいて、燃料は、供給パイプを通して燃焼室へ送られ、コンプレッサからのホットエアと混合されて作動ガスを生成する。特に、燃料は、ロケットを含んだロケットユニットに通され、該ロケットを通して各スワラー（旋回器）へ向けられる。その際に、コンプレッサからのホットエアが攪拌されて燃料と混合され、各スワラーのアウトレットから排出される。

ガスタービンの運転中、冷却ガスが上記供給パイプを通し供給されるが、他の部位は、ガスタービンのコンプレッサから出るホットエアにより高温に熱せられ得る。このホットエアが、ガスタービンの各種部品の熱膨張を招く。したがって、コンプレッサからのホットエアがガスタービンから周囲環境へ抜けることを防止するのと同時に、コンプレッサからのホットエアがガスタービンの他の部品を熱するのを防止する封止設計を提供することが、重要である。

以上の故に、供給パイプを取り囲み、燃料供給の内部配給システムを有するマニホールドが必要である。しかし、マニホールドは、耐腐食材料から作られるために高価である。したがって、コンプレッサからのホットエアがガスタービンから排出されないようにするべく、ガスタービン用のフレキシブルでコスト効率の良い封止設計を提案することが望まれる。さらに、その封止設計はまた、ガスタービン運転中にホットエアに曝される部品の熱膨張に起因して起きる熱ストレスを低減することが望まれる。

簡潔に言えば、本発明の一態様により、ガスタービン用のアセンブリが提案される。このアセンブリは、ガスタービンのフランジのボア（孔）を通りガスをガスタービンの燃焼室へ供給するガス供給パイプと、このガス供給パイプを囲み、第１端部及び第２端部を有するスリーブと、を含み、そのスリーブの第１端部は、ガス供給パイプに封止接続され、そしてスリーブは、フランジの厚さ方向に延びて第２端部でフランジに封止接続されるように構成される。

本技術の他の態様によれば、ガスタービンアセンブリを組み立てる方法が提案される。この方法は、ガスをガスタービンの燃焼室へ供給するためにガス供給パイプをフランジのボアに通し、第１端部及び第２端部を有するスリーブでそのガス供給パイプを囲み、フランジの厚さ方向にスリーブを延設し、スリーブの第１端部をガス供給パイプに封止接続し、スリーブの第２端部をフランジに封止接続する、ことを含む。

本技術のさらに他の態様によれば、ガスタービンが提案される。このガスタービンは、ホットエアを供給するコンプレッサと、コンプレッサからのホットエアとガスを混合することにより作動ガスを発生する燃焼室とを含む。さらに、このガスタービンは、フランジのボアを通りガスを燃焼室へ供給するガス供給パイプと、このガス供給パイプを囲み、フランジの厚さ方向へ延び、第１端部及び第２端部を有するスリーブと、を含み、そのスリーブの第１端部はガス供給パイプに封止接続され、第２端部はフランジに封止接続される。

次の図面に示す実施形態を参照して以下に本発明を詳述する。
ガスタービンの概略断面図。 例示ロケットユニットの概略図。 フランジの概略図。 ガスタービン用アセンブリの一形態を示す概略図。 ガスタービン用アセンブリの他の形態の断面図。 例示スリーブの概略図。 図６の例示スリーブの断面図。 ガスタービン用の図５のアセンブリを組み立てる例示方法を示すフローチャート。

図１は、本発明の種々の実施形態を含むガスタービン１００の概略断面を示す。ガスタービンは、コンプレッサ１０２、燃焼室１０８、及びタービン１１０を備える。運転中、コンプレッサ１０２は、エアを取り込み、圧縮エアをディフューザー１０４へ提供する。ディフューザー１０４は圧縮エアをプレナム１０６へ通し、圧縮エアはプレナム１０６を通って燃焼室１０８へ進む。燃焼室１０８は圧縮エアを燃料又はガスと混合し、作動ガスとしても知られる燃焼ガスをトランジションを経て、例えば発電に使用されるタービン１１０へ提供する。タービン１１０と連結してコンプレッサ１０２を駆動するシャフト１１２が示されている。

図２は、本技術の態様に従うダブルロケットユニット１２０を示す。ベース１２８を有する複数のロケット１２２が示されている。パイプ１２４がガスをパイロットバーナ（図示略）へ供給する。ガスはガス供給パイプ１２６からロケット１２２へ送られる。図１のコンプレッサ１０２からのエアは、ロケット１２２の自由又は遠位端に取り付けられたスワラー１３０で燃料と混合される。スワラー１３０は、エアストリーム中に乱流を発生させる。ガスは、スワラー１３０で乱流のエアストリームと混合され、燃焼室１０８で燃焼してエネルギーを発生する。図３を参照して後述するフランジにロケットユニット１２０を取り付けるために、ボルト止め用の孔１３２が設けられている。

図３は、ガスタービン用のフランジ１４０を示した概略図である。フランジは、第１面１４２と第２面１４４とを含む。第１面１４２は、コンプレッサから生成されるホットエアに曝される高温面である。第２面１４４は低温面と呼び得る。フランジ１４０は、ガスをロケットユニット１２０へ供給するためにガス供給パイプ１２６（図２）を通す１以上のボア（孔）１４６を含む。ロケットユニット１２０は、固定配置を得るために第１面１４２からフランジ１４０へ取り付けられる。ロケットユニット１２０のベース１２８がボルト止めでフランジ１４０に取り付けられ、これによりロケットユニット１２０に対する動きを防止し強固な固定を提供する。

運転中、フランジ１４０はコンプレッサ１０２から来るホットエアに曝される。より詳しくは、フランジ１４０の第１面１４２がコンプレッサ１０２から来るホットエアに曝露する。フランジ１４０は、約セ氏３５０度の温度に加熱され得る。しかし、ガス供給パイプ１２６が約セ氏２０度の温度の低温ガスを供給する。コンプレッサ１０２からのホットエアは、軸方向及び半径方向にフランジ１４０の熱膨張を引き起こす。

図４は、ガスタービンアセンブリ１５０の一形態の、長手方向に沿った断面を示す概略図である。ガス供給パイプ１２６の長手方向断面が、フランジ１４０を通過して示されている。より詳しくは、ガス供給パイプ１２６は、フランジ１４０のボア１４６（図３）を通過する。筒状の閉鎖接続具１５２が、ガス供給パイプ１２６の外に同軸状態にして配置されている。閉鎖接続具１５２は、図示のように、第１継ぎ目１５６でガス供給パイプ１２６に溶接され、また第２継ぎ目１５８でフランジ１４０に溶接される。閉鎖接続具１５２及びガス供給パイプ１２６は、ガス供給パイプ１２６の中心を通る長手方向軸に関して回転対称である。したがって、第１継ぎ目１５６はガス供給パイプの周囲を囲むリング形状であり、第２継ぎ目１５８もリング形状である。ガス供給パイプ１２６はまた、ボルト止めでフランジ１４０に締め付けられる。閉鎖接続具１５２は、燃焼室１０８に対し遠位側の第２面１４４でフランジ１４０に取り付けられ、またボルト止めも、燃焼室１０８に対し遠位側のフランジ１４０の第２面１４４で行われることが、注目点である。しかしながら、このような設計は、システムを重層的（過剰）にし得る。

ガスタービンの運転中、コンプレッサ（図示略）により生成されるホットエアに曝されるフランジ１４０は、半径方向にも軸方向にも膨張する。ホットエアの高温故に、フランジ１４０は熱的に膨張させられるが、ガス供給パイプ１２６が、比較的低温にガス供給パイプ１２６を維持する低温ガスを搬送する。閉鎖接続具１５２はこの低温ガス供給パイプに取り付けられ、したがって温度差のために、第１継ぎ目１５６と第２継ぎ目１５８で高ストレスが生じる。閉鎖接続具１５２を使用してガス供給パイプ１２６とフランジ１４０を接続することにより、アセンブリが重層的になっているので、熱膨張の範囲が減少する。また、重層の故に、ガスタービンのフランジ１４０及びガス供給パイプ１２６は熱膨張を経ることができず、したがってこれらの寿命が減少する。

本技術の態様によれば、ガスタービン用のアセンブリが提案される。該アセンブリは、フランジのボアを通りガスをガスタービンの燃焼室へ供給するガス供給パイプと、このガス供給パイプを囲み、第１端部及び第２端部を有するスリーブと、を含み、そのスリーブの第１端部がガス供給パイプに封止接続され、当該スリーブが、フランジの厚さ方向に延びて第２端部でフランジに封止接続されるように構成される。ガス供給パイプを囲み、第１端部でガス供給パイプに取り付けられ且つ第２端部でフランジに取り付けられ、フランジの厚さ方向に延伸するスリーブを有することにより、溶接継ぎ目で膨張により発生する熱ストレスは、スリーブの長さに沿ったスリーブへのストレス拡散によって低減される。

図５を参照すると、ガスタービン用の例示アセンブリ１８０の断面図が示されている。アセンブリ１８０は、ガスタービンのフランジ１４０のボア１４６（図３）を通るガス供給パイプ１２６を含む。ガス供給パイプ１２６は、ガスタービンの燃焼室１０８へガスを供給する。さらに、このアセンブリは、ガス供給パイプ１２６を囲む、図示のスリーブ１６０を含む。スリーブの第１端部１６２は、ガス供給パイプ１２６に封止接続され、このことは、第１端部が、ガス供給パイプをホットエアの周囲環境から遮断するように接続されることを意味する。スリーブ１６０の第２端部１６４は、フランジ１４０との接続に適応させてある。スリーブ１６０は、フランジ１４０のボアの外からフランジの厚さに及んで延伸する長さを有する。より詳しくは、スリーブ１６０の第１端部１６２は、図示のように、燃焼室１０８から遠い側でフランジ１４０のボアの外にあるスリーブ１６０の第１長手方向位置に設定される。第２端部１６４は、フランジ１４０のボアの内側に接続される。第２端部１６４でスリーブ１６０をフランジ１４０に接続することにより、フランジ１４０のボア内側にスリーブの第２端部１６４を溶接することができる。

さらに、スリーブ１６０の第２端部１６４は、燃焼室１０８の方へ半分ほどのところでフランジ１０４のボアの中にあるスリーブ１６０の第２長手方向位置に設定される。このようなスリーブ１６０の第１端部１６２及び第２端部１６４の位置は、スリーブの長手方向長さを少なくともフランジ１４０の厚さの半分にする。このようなスリーブ１６０の延設により、熱膨張の影響を補償することができる。スリーブ１６０の長手方向長さは、図４の閉鎖接続具１５２の長手方向長さよりも長くなることが、要点である。スリーブがガス供給パイプとフランジへ接続される位置の間の距離を増やすことにより、第１端部及び第２端部にストレスをかける実際の熱膨張が緩和される。

続けて図５を参照すると、スリーブ１６０は、第１端部１６２で溶接されガス供給パイプ１２６に接続される。同様に、スリーブ１６０はフランジ１４０のボア内側で溶接される。溶接線１８６，１８８は、スリーブ１６０がガス供給パイプ１２６とフランジ１４０に取り付けられる位置にそれぞれ示されている。

図５に示すスリーブは、フランジ１４０のボアの外に位置する長手方向部分１６６を含み、この長手方向部分１６６は、スリーブ１６０の周囲を巡って半径方向に膨出し、熱ストレスの低減を可能にする。その詳細は図６及び図７を参照して説明する。

さらに、アセンブリ１８０は、ガス供給パイプ内側に熱シールド１８４も含む。この熱シールド１８４は、コンプレッサから生成されるホットエア流に起因するガス供給パイプ１２６の熱変形を防止する。熱シールド１８４は、限定するものではないが、ステンレススチールなど、対ガス耐食性の材料から形成されるとよい。

図６を参照すると、図５の例示スリーブ１６０が示されている。このスリーブ１６０は第１端部１６２と第２端部１６４とを含む。スリーブ１６０は円筒形状であるが、ただし、熱ストレス低減と共に熱膨張を許容するその他の形状で形成することもできる。熱ストレスは長手方向膨張により引き起こされることが注目点である。

本技術の態様によれば、スリーブ１６０は、高強度、良好な成形性（接続性も含む）及び耐食性をもつ材料から形成される。Special Metals Corporation, U.S.A.のニッケルクロム合金であるInconel（登録商標）６２５などの合金がスリーブ１６０の製造に使用される。また、第１端部１６２におけるスリーブ１６０の直径は、第２端部１６４におけるスリーブ１６０の直径よりも小さい。スリーブ１６０は、スリーブ１６０の周囲を巡って半径方向へ膨出する長手方向部分１６６を含む。スリーブの長手方向部分１６６に関する長手方向輪郭は、第１部分１９６及び第２部分１９８を含み、第１部分１９６が長手方向軸１９２に対して第１の角度を形成し、第２部分１９８が第１部分１９６に対して第２の角度を形成して、半径方向の膨出が提供される。

一実施形態において、第１の角度は、長手方向軸１９２から約４５度であり、第２の角度は、第１部分１９６から約１０５度である。言い換えると、第１部分及び第２部分で、長手方向軸１９２と交差するＶ形構造が形成される。半径方向の膨出は、部分１６６により提供される傾斜によって、溶接位置のストレスを低減するのに役立つ。部分１６６は、スリーブ１６０の第１端部１６２に近い位置に設定される。燃焼室から遠い側のフランジ１４０上の空間が、長手方向部分１６６を半径方向に膨出させるためのスペースを提供する。

図７は、図６のスリーブ１６０の断面図１９０を長手方向において示す。上述したように、スリーブ１６０は第１端部１６２及び第２端部１６４を有する。スリーブ１６０は、スリーブ１６０の中心１９４を通る長手方向軸１９２に関して回転対称である。一実施形態において、スリーブ１６０は、ガス供給パイプを取り囲む円筒形状である。

本技術の態様によれば、長手方向部分１６６は、スリーブの周囲を巡って半径方向に膨出する。半径方向の膨出は、スリーブ１６０の第１端部１６２が斜めにガス供給パイプ１２６に接続するように構成されたものである。より詳しくは、スリーブの第１端部で半径方向に膨出した長手方向部分１６６は、内向きに、すなわちガス供給パイプへ向かって延び、斜めに接続する。理解されるように、斜めとすることによって、第１端部１６２における水平ではない角度であるストレス成分を緩和することができ、斜めとすることによりさらに、第１端部のガス供給パイプへの溶接が容易になる。一実施形態において、斜めの角度は、スリーブ１６０の中心１９４を通る長手方向軸１９２から約４５度とすることができ、この約４５度の角度は、第１端部に係る熱ストレス及び接続容易性に関して最適解を提供する。スリーブ１６０は、第１端部１６２における直径が第２端部１６４における直径よりも小さくなるような形状である。

さらに、スリーブ１６０の第２端部１６４は、フランジとの接続に適応させるべく延長されている。より詳しくは、スリーブ１６０の第２端部１６４は、半径方向延長１６５を有する。この第２端部１６４の半径方向延長部１６５が、フランジに対するスリーブ１６０の接続を可能にする。一実施形態において、半径方向延長部１６５は、長手方向軸１９２から約４５度の角度である。約４５度の角度により、ストレスが緩和され、接続も容易となる。物体に作用する水平のストレスのコサイン成分はより小さいので、水平に作用するストレスは角度をもって作用するストレスよりも大きいことが、注目点である。

図８は、ガスタービン用の例示アセンブリ１８０（図５）を組み立てる方法を示すフローチャートである。ステップ２０２で、ガスをガスタービンの燃焼室１０８へ供給するためのガス供給パイプ１２６をフランジ１４０のボアに通す。ステップ２０４で、ガス供給パイプを囲むスリーブ１６０を差し込む。ステップ２０６で、フランジの厚さ方向にスリーブを延在させる。上述したように、スリーブは、燃焼室から遠い側で、フランジのボアの外にあるスリーブの第１長手方向位置に設定された第１端部を有する。さらに、スリーブは、燃焼室の方へ半分ほどのところでフランジのボアの中にあるスリーブの第２長手方向位置に設定された第２端部を有する。

ステップ２０８で、フランジのボア内側にスリーブの第２端部を封止接続する。その後、ステップ２１０で、ガス供給パイプにスリーブの第１端部を封止接続する。スリーブの第１端部及び第２端部をガス供給パイプ１２６とフランジ１４０にそれぞれ封止接続するために、溶接を使用する。

本技術の態様によれば、スリーブ１６０の第２端部１６４は、スリーブ１６０の第１端部１６２をガス供給パイプ１２６に取り付ける前に、フランジ１４０のボア内側に溶接される。スリーブ１６０を第２端部１６４の後に第１端部１６２で溶接することにより、スリーブ１６０の組み立てが容易になる。

このような例示アセンブリは、その封止設計とスリーブのデザインにより、コンプレッサからのホットエアがガスタービンから周囲環境へ抜けないようにする。さらに、このアセンブリは、スリーブがガス供給パイプ及びフランジに取り付けられるところの溶接継ぎ目の熱ストレスも低減する。

具体的な実施形態を参考にして本発明を説明したが、当該説明は限定の意味に解釈されるべきではない。本発明の代替の実施形態はもちろんのこと、説明した実施形態の様々な修正が、本発明の説明を参照することで、本分野で通常の知識を有する者には明らかである。したがって、明確にした本発明の実施形態から逸脱することなくそのような修正がなされ得ることが是認される。

１００ ガスタービン
１０２ コンプレッサ
１０４ ディフューザー
１０６ プレナム
１０８ 燃焼室
１１０ タービン
１１２ シャフト
１２０ ダブルロケットユニット
１２２ ロケット
１２４ パイプ
１２６ ガス供給パイプ
１２８ ベース
１３０ スワラー
１３２ 孔
１４０ フランジ
１４２ 第１面（高温）
１４４ 第２面（低温）
１４６ ボア
１６０ スリーブ
１６２ 第１端部
１６４ 第２端部
１６６ 長手方向部分（半径方向膨出）
１８０ アセンブリ
１８４ 熱シールド
１８６，１８８ 溶接線
１９２ 長手方向軸
１９４ 中心
１９６ 第１部分
１９８ 第２部分

Claims (17)

1. ガスタービン用のアセンブリ（１８０）であって、
   第１面（１４２）及び第２面（１４４）を有するフランジ（１４０）と、及び前記フランジ（１４０）の第１面（１４２）へ接続されるロケットユニット（１２０）であって、前記第１面と当接するベース（１２８）を有するロケット（１２２）と、前記ベースに接続されたガス供給パイプ（１２６）と、前記ロケットの軸方向において前記ベースとは反対側に接続されたスワラー（１３０）とを有するロケットユニット（以下、単にロケットユニット（１２０）という。）とを備え、前記ガス供給パイプ（１２６）は、ガスタービン（１００）の燃焼室（１０８）へガスを供給するために前記フランジ（１４０）のボア（１４６）を通るように構成され、
   さらに、前記ガス供給パイプ（１２６）を囲み、第１端部（１６２）及び第２端部（１６４）を有するスリーブ（１６０）を備え、
   前記第１端部（１６２）は、前記ガス供給パイプ（１２６）に封止接続され、
   前記スリーブ（１６０）は、前記フランジ（１４０）の厚さ方向に延びて前記第２端部（１６４）で前記フランジ（１４０）に封止接続されるように構成される、
   アセンブリ。
2. 前記第１端部（１６２）は、前記燃焼室（１０８）から遠い側で、前記フランジ（１４０）のボアの外にある前記スリーブ（１６０）の長手方向における第１の端部に設定される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記第２端部（１６４）は、前記燃焼室（１０８）に近い側で、前記フランジ（１４０）のボアの中にある前記スリーブ（１６０）の長手方向における第２の端部に設定される、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記第２端部（１６４）は、前記燃焼室（１０８）に近い側で、前記フランジ（１４０）のボアの中にある前記スリーブ（１６０）の長手方向における第２の端部に設定される、請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記スリーブ（１６０）の前記第２端部（１６４）は、前記フランジ（１４０）との接続に適応させるべく半径方向に延長されている、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記スリーブ（１６０）は、該スリーブ（１６０）の周囲を巡って半径方向に膨出する長手方向部分（１６６）を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記長手方向部分（１６６）は、前記スリーブ（１６０）の第１端部（１６２）に近い位置に設けられる、請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記スリーブ（１６０）は、前記第１端部（１６２）において長手方向に斜めの角度で前記ガス供給パイプ（１２６）に接続される、請求項１に記載のアセンブリ。
9. 請求項１に記載のアセンブリを組み立てる方法であって、
   （２０２）ガスタービン（１００）の燃焼室（１０８）へガスを供給するためにガス供給パイプ（１２６）をフランジ（１４０）のボア（１４６）に通し、
   （２０４）第１端部（１６２）及び第２端部（１６４）を有するスリーブ（１６０）で前記ガス供給パイプ（１２６）を囲い、
   （２０６）前記フランジ（１４０）の厚さ方向に前記スリーブ（１６０）を延設し、
   （２１０）前記スリーブ（１６０）の第１端部（１６２）を前記ガス供給パイプ（１２６）に封止接続し、
   前記スリーブの第２端部（１６４）を前記フランジ（１４０）に封止接続する、
   ことを含み、
   前記フランジ（１４０）が第１面（１４２）と第２面（１４４）とを備え、該フランジ（１４０）の第１面（１４２）に前記ロケットユニット（１２０）を接続する、方法。
10. 前記燃焼室（１０８）から遠い側で、前記フランジ（１４０）のボア（１４６）の外にある前記スリーブ（１６０）の長手方向における第１の端部に、前記第１端部（１６２）を設ける、請求項９に記載の方法。
11. 前記燃焼室（１０８）に近い側で、前記フランジ（１４０）のボア（１４６）の中にある前記スリーブの長手方向における第２の端部に、前記第２端部（１６４）を設ける、請求項９に記載の方法。
12. 前記フランジ（１４０）への接続に適応させるべく前記スリーブ（１６０）の第２端部（１６４）を半径方向に延長する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スリーブ（１６０）の一部を該スリーブ（１６０）の周囲を巡って半径方向に膨出させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記スリーブ（１６０）を、前記第１端部（１６２）において長手方向に斜めの角度で前記ガス供給パイプ（１２６）に接続するようにして、前記スリーブ（１６０）の一部を半径方向に膨出させる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記スリーブ（１６０）の第１端部（１６２）の近くに前記一部を設ける、請求項１３に記載の方法。
16. ホットエアを供給するコンプレッサ（１０２）と、
    ガスと前記コンプレッサ（１０２）からのホットエアとを混合して作動ガスを発生する燃焼室（１０８）と、
    第１面（１４２）及び第２面（１４４）を有するフランジ（１４０）と、前記フランジ（１４０）の第１面（１４２）へ接続されるベース（１２８）を有するロケットユニット（１２０）であって、前記第１面と当接するベース（１２８）を有するロケット（１２２）と、前記ベースに接続されたガス供給パイプ（１２６）と、前記ロケットの軸方向において前記ベースとは反対側に接続されたスワラー（１３０）とを有するロケットユニット（１２０）と、前記フランジ（１４０）のボア（１４６）を通り前記燃焼室（１０８）へガスを供給するガス供給パイプ（１２６）と、そして、前記ガス供給パイプ（１２６）を囲み、前記フランジ（１４０）の厚さ方向に延伸し、前記ガス供給パイプ（１２６）に封止接続される第１端部（１６２）と前記フランジ（１４０）に封止接続される第２端部（１６４）とを有するスリーブ（１６０）とを備えた、アセンブリと、
    を備えるガスタービン。
17. 前記スリーブ（１６０）の第１端部（１６２）が前記フランジ（１４０）のボア（１４６）の外から前記ガス供給パイプ（１２６）に接続され、
    前記スリーブ（１６０）の第２端部（１６４）が前記フランジ（１４０）のボア（１４６）の内側に接続される、
    請求項１６に記載のガスタービン。
    

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