WO2003016695A1 - Plate-like body joining method, joined body, gas turbine burner tail pipe, and gas turbine burner - Google Patents

Description

明 細 書 板状体接合方法、 接合体、 ガスタービン燃焼器用の尾筒、 及び、 ガ スタービン燃焼器 発明の属する技術分野

本発明は、 少なく とも一方の表面に沿って延びる流路が両表面の 間に形成されている少なく とも二つの板状体を接合する板状体接合 方法、 ならびにこの板状体接合方法により接合された接合体、 ガス タービン燃焼器用の尾筒、 およびこの尾筒を備えたガスタービン燃 焼器に関するものである。 従来の技術

ガスタービン燃焼器、 ジェッ トエンジン、 宇宙関連機器などの構 成材料として両表面の間にス トライプ状等の流路が形成されている 板状体が使用されており、 かかる内部の流路に作動流体、 例えば空 気または蒸気を流すことによりガスタービン燃焼器などを冷却等す るよ うにしている。

ガスタービン燃焼器の断面図である図 2に示すように、 ガスター ビン燃焼器 2 0は、 燃料供給部 2 1 と高温 · 高圧の燃焼ガスをター ビン （図示していない） に導く尾筒 2 2 とを備えている。 この燃料 供給部 2 1 は、 パイ ロ ッ ト燃料 X及び空気を供給して拡散火炎を形 成するコーン 2 3 とメイン燃料 Y及び空気の予混合気体を噴出する ノズル 2 4 とを備えており、 複数のノズル 2 4がコーン 2 3の周囲 に略等間隔で配設されたいわゆるマルチノズル型である。

尾筒 2 2は少なく とも二つの板状体 2 5から形成されている。 こ のよ うな板状体 2 5の拡大断面図である図 3に示すよ うに、 板状体 2 5は、 ス トライプ状の溝が形成された一方の壁部 2 6 と平板状の 他方の壁部 2 7 とを溶接等によって積層することによ り形成されて いる。 図 3から分かるように、 この板状体 2 5の内部には板状体の 表面に対してほぼ平行に延びるス トライプ状の流路 2 8が形成され ている。 従って、 この尾筒 2 2を構成する板状体の流路 2 8には作 動流体 Z、 例えば空気または蒸気が流され、 それによ り、 尾筒 2 2 が冷却されるようになる。

燃焼ガスをタービンまで効率的に供給するために、 尾筒 2 2は尾 筒 2 2の断面形状が軸方向に漸減的に変化する三次元的曲面形にな るよ うに筒状に形成されている。 図 4 ( a ) および図 4 ( b ) は少 なく とも二つの板状体の一般的な接合方法を図示している。 これら 図 4 ( a ) 及び （ b ) に示すように、 従来技術においては、 適切な 形状に裁断された複数の板状体 2 5 a、 2 5 bをこれら板状体の縁 部を突合わせるよう配置し、 次いでこれら縁部の少なく とも一方に 溶接用の開先を形成し、 溶接、 例えば T I G溶接によって接合する ことによ り、 尾筒 2 2が形成されている。

しかしながら、 前述したように尾筒 2 2を構成する板状体 2 5は 所定の形状に裁断されているため、 図 4 ( a ) の板状体 2 5 aのよ うに接合すべき縁部に流路 2 8 aが開口している場合がある。 この ように縁部に流路 2 8 aが開口した板状体 2 5 aを従来技術の接合 方法によ り接合する場合には、 流路 2 8 aが例えば溶接金属 2 9に よ り閉塞され、 それにより、 閉塞した流路 2 8 aが存在する領域に おける冷却能が低下するよ うになる。

さ らに、 板状体には通常、 互いに平行な複数の流路 2 8が形成さ れているので、 接合個所において流路 2 8が閉塞していない場合で も、 隣接する流路 2 8の間の距離すなわち配設ピッチが接合部分を 挟んで局所的に大きくなり、 その結果、 接合部分の冷却能が他の部 分よ り も低下する。

かかる接合方法における欠点は、 ガスタービン燃焼器 2 0の尾筒 2 2以外にも該当するものであり、 換言すると、 かかる欠点は内部 に何らかの作動流体を流通させるための流路を有する板状体全般に 該当する課題である。

本発明はこれら欠点に鑑みてなされたものであり、 冷却等の諸機 能の低下が生ずることのない、 少なく とも一方の表面に沿って延び る流路が両表面の間に形成されている少なく とも二つの板状体を接 合する板状体接合方法、 ならびにこの板状体接合方法により接合さ れた接合体、 ガスタービン燃焼器用の尾筒、 及び、 この尾筒を備え たガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

第一の実施形態によれば、 少なく とも一方の表面に沿って延びる 流路が両表面の間に形成されている少なく とも二つの板状体を接合 する板状体接合方法において、 これら板状体をこれら板状体の縁部 を突合わせるよう配置し、 これら板状体を前記縁部に沿って接合し 、 溝をこれら板状体の一方の表面から前記縁部に沿って形成し、 前 記溝のための蓋部を前記溝に沿って取付ける板状体接合方法が提供 される。

第一の実施形態によって、 接合個所において直線状の中空部が溝 と蓋部とにより形成される。 さ らに接合されるべき縁部に流路が開 口している場合には、 この流路が前記中空部に連通するようになる 。 従って、 かかる中空部を作動流体用流路として使用するこ とによ り、 当該板状体の縁部に開口した流路が接合部によって閉塞される こと、 及び、 接合部分における流路の配設ピッチが大きくなること を妨げることができる。 '

従って、 当該板状体接合方法によ り形成される接合体によって、 内部の流路に作動流体、 例えば空気を流通させることによる冷却等 の諸機能が接合部分において低下するのが妨げられる。 特に、 当該 板状体接合方法によりガスタービン燃焼器の尾筒を形成する場合に は、 接合部分における冷却能が他の部分における冷却能にほぼ等し くなる。 その結果、 クラック等の発生が低下し、 尾筒の寿命を延ば すことができる。 それゆえ、 このよ うな尾筒を備えたガスタービン 燃焼器は、 メ ンテナンスの容易化及び省力化を図ることができる。

第二の実施形態によれば、 前記板状体の他方の表面から前記溝の 底部までの距離が前記他方の表面から前記流路までの距離にほぼ等 しいようにした。

第二の実施形態によって、 板状体の流路の底部と接合個所に形成 される中空部の底面とを略一致させることができ、 その結果、 （ 1 ) 接合個所の強度確保、 （ 2 ) 接合個所における冷却等の諸機能の 確保及び均一化、 （ 3 ) 流路及び中空部を流通する作動流体のス ト リームライン化を図ることができる。

第三の実施形態によれば、 前記板状体を接合させた後に、 前記板 状体の前記他方の表面を平滑化することをさらに含んでもよい。 第三の実施形態によって、 これら板状体の他方の面がほぼ同一平 面となる。 それゆえ、 当該板状体から構成される接合体 （例えばガ スタービン燃焼器の尾筒など） において、 かかる製品の機能 （例え ば燃焼ガスの流通など） に対する悪影響の発生を妨げることができ る。

第四の実施形態によれば、 前記板状体を接合させる前に、 前記板 状体の前記縁部に開先を形成することをさらに含んでもよい。

第四の実施形態によって、 溶接により これら板状体の縁部を接合 する場合には、 溶接作業を容易に行う ことができると共に、 溶接精 度及び溶接強度を高めることができる。 開先は I形、 V形、 片刃形 などあらゆる形態をと り う る。 第五の実施形態によれば、 前記蓋部が前記溝の底部に向かって突 出する凸部を備えている。

第五の実施形態によって、 接合個所の強度を高めることができる 。 また、 この蓋部の凸部の高さを調整することにより、 板状体の流 路を流れる作動流体の流量を制御することができる。

第六の実施形態によれば、 前記板状体の前記一方の表面から前記 蓋部の前記凸部の先端までの距離が、 前記板状体の前記一方の表面 から前記流路までの距離にほぼ等しいようにした。

第六の実施形態によって、 中空部の上面と板状体の流路の上部と を板状体面側からみて略同一線上に位置させることができ、 中空部 と流路とを流れる作動流体の流量を均一化すると共に連通部でのス ト リームライン化を促進することができる。

第七の実施形態によれば、 前記蓋部が前記板状体の材料と同一の 材料から形成されている

第七の実施形態によって、 蓋部と板状体とを同一の材料から形成 することによ り、 板状体と蓋部との膨張係数を一致させることがで き、 その結果、 熱サイクル下において蓋部の脱落、 破損等を防止す ることができる。 図面の簡単な説明

図 1 ( a ) から図 1 ( e ) は本発明の一実施形態に係る接合方法 を説明する板状体の断面図である。 なお、 この断面図の切断面は、 流路及び板状体の板面と平行な面である。

図 2は一般的なガスタービン燃焼器を示す断面図である。

図 3は図 2のガスタービン燃焼器の尾筒を構成する板状体の部分 断面図である。

図 4 ( a ) は接合対象である一対の板状体の接合前の状態を示す 模式的斜視図で、 図 4 ( b ) は図 4 ( a ) の板状体が従来の接合方 法により接合された状態を示す断面図 （切断線 ； 図 4 ( a') に示す A— A線） である。 発明の実施の形態

以下、 図面を適宜参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する 。 図 1 ( a ) から図 1 ( e ) は本発明の一実施形態に係る接合方法 の各工程を示す説明図であって、 両表面の間に流路が形成されてい る板状体の断面図である。

図 1 に示す当該板状体を接合する板状体接合方法において、 図 1 ( a ) に示すように、 内部にス トライプ状の流路 2 a、 2 bを有す る一対の板状体 l a、 1 1)の緣部 3 &、 3 b (流路 2 a、 2 bに対 して略平行であるのが好ましい） を接合する。 これら流路 2 a、 2 bは各板状体 1 a、 1 bの少なく とも一方の表面に沿って板状体 1 a、 1 bの両表面の間に延びている。 これら板状体は上面 1 5 a、 1 5 bおよび下面 1 6 a、 1 6 bをそれぞれ有している。 これら板 状体 l a、 l bを、 これら板状体 l a、 l bの縁部 3 a、 3 bを突 合わせるように配 sする。

次いで、 図 1 ( b ) に示すように、 突合わされた一対の板状体 1 a、 1 1)の縁部 3 &、 3 b間を適切な切削工具、 例えばグラインダ を用いて開先 4を形成する。 この開先 4は I形、 V形、 片刃形など あらゆる形態であってよい。

次いで、 一対の板状体 1 a、 1 1)を縁部 3 &、 3 bに沿って接合 する。 図 1 ( b ) に示すよ うに、 この接合工程においては、 溶接金 属 5で開先 4を充填して溶接することにより、 これら板状体 1 a、 1 bを接合するのが好ましい。 溶接作用を利用することによ り、 比 較的高熱に耐えることのできる接合体を形成することができる。 こ の接合工程で用いられる接合方法としては、 特に限定されるもので はないが、 例えば T I G溶接、 M I G溶接、 プラズマ溶接、 炭酸ガ スアーク溶接、 および M A G溶接などの溶接作用、 ならびに他の接 合作用を採用できる。

板状体 l a、 l bを接合した後に、 図 1 ( c ) に示すように、 縁 部 3 a、 3 b沿ってこれら板状体の上面 1 5 a、 1 5 bから除去加 ェすることによ り溝 7を形成する。 この除去加工時に溶接金属 5 ( 底部を除く） が部分的に除去される。 溝 7は開先 4を包含しうる幅 を有している。 板状体 l a、 l bの下面 1 6 a、 1 6 bから前記溝 7の底部までの距離は下面 1 6 a、 1 6 b力、ら流路 2 a、 2 まで の距離にほぼ等しくなつているのが好ましい。 これにより、 板状体 を接合させた接合体を使用する場合に、 接合体の強度が接合箇所に おいて部分的に低下するのを妨げ、 流路による機能、 例えば冷却機 能を接合箇所においても確保すると共にこのよ うな機能を均一化さ せ、 さ らに流路及び中空部を流通する作動流体のス ト リームライ ン 化を図ることができる。 溝 7を形成する手段は、 特に限定されるも のではないが、 グラインダ等の一般的な切削 ·研削手段が採用され る。

本実施形態においては断面が矩形の溝 7が示されているが、 底部 が丸形になっている溝を形成してもよい。 この場合には溝から形成 される中空部の形状を流路の形状にさ らに近づけられるので、 接合 体の強度低下をさらに少なくすることができる。

溶接することによ り板状体 1 a、 1 bを接合する場合には、 図 1 ( b ) に示すよ うに、 開先 4に充填された溶接金属 5の一部が板状 体 l a、 l bの下面 1 6 a、 1 6 bから突出している。 従って、 図 1 ( c ) に示すように、 この突出部分を削除して、 板状体 1 a、 1 bの下面 1 6 a、 1 6 bを同一平面にするのが好ましい。 これによ り、 板状体 1 a、 1 bを接合した接合体を例えばガスタービン燃焼 器の尾筒に使用する場合には、 尾筒内部を通過する燃焼ガスをさら に平滑に流すことができる。 溶接金属 5 の突出部分を削除する手段 と しては、 前記溝形成工程と同様に、 グラインダ等の一般的な切削 • 研削手段が採用される。 なお、 この底面平滑化工程と前記溝形成 工程との順序は問わず、 両工程を同時に行う ことも可能である。

次いで、 溝 7の上方に蓋部 8を取付ける。 図 1 ( d ) に示すよう に、 羞部 8は溝 7の開口部を被覆するのに十分な寸法を有している 。 本実施形態においては、 蓋部 8の端部が板状体 l a、 l bの上面 1 5 a、 1 5 bに配置されつつ溝 7の開口部が閉塞される。 次いで 、 図 1 ( e ) に示すよ うに、 蓋部 8の端部を板状体 l a、 l bの上 面 1 5 a、 1 5 bに接合する。 この接合工程で用いられる接合方法 としては、 特に限定されるものではないが、 例えば T I G溶接、 M I G溶接、 プラズマ溶接、 炭酸ガスアーク溶接、 および MA G溶接 などの溶接作用、 ならびに他の接合作用を採用できる。

藎部 8の裏面、 すなわち溝 7を向いている面には凸部 9が設けら れている。 この凸部 9を溝 7の開口部に進入させつつ盖部 8を溝 7 に取付け、 これによ り 中空部 1 1 を形成する。 蓋部 8を取付けた後 において、 板状体 l a、 l bの上面 1 5 a、 1 5 bからこの蓋部 8 の凸部 9の先端までの距離は、 板状体 1 a、 1 13の上面 1 5 &、 1 5 bから流路 2 a、 2 bまでの距離にほぼ等しいようにする。 従つ て、 蓋部 8の ώ部 9の先端と流路 2 a、 2 bの上部とが板状体 1 a 、 1 bに対してほぼ平行な略同一基準面上に位置するようになる。 これによ り、 中空部 1 1及び流路 2 a、 2 bを流れる作動流体の流 量を均一化すると共に連通部でのス ト リームライン化を促進するこ とができる。

本実施形態においては、 溝 7の幅よ り も寸法の大きい蓋部を採用 しているが、 溝 7の幅にほぼ等しい寸法の蓋部を溝 7に嵌め込むよ うに取付けてもよい。 この場合には、 板状体を接合することによ り 形成される接合体の上面および下面を平滑にすることができる。 さ らに、 蓋部を溝 7に嵌め込むよ うに取付ける場合には凸部 9が存在 していなくてもよく、 板状体の上面 1 5 a、 1 5 bから蓋部の下面 までの距離が上面 1 5 a、 1 5 ¾>から流路 2 &、 2 bまでの距離に ほぼ等しいのが好ましい。 当然のことながら、 蓋部を溝 7に嵌め込 むよ うに取付ける場合においても、 蓋部の縁部を例えば前述した溶 接作用などにより溝 7の壁部に接合する。

蓋部 8 の材料と しては、 板状体 l a、 l bから構成されるガスタ 一ビン燃焼器用の尾筒等の接合体に要求される強度、 耐熱性等を有 するものであれば特に限定されることはなく、 例えばステンレス鋼 、 耐熱鋼等を採用できる。 蓋部 8 の材料は板状体 1 a、 1 bを構成 する材料と同一の材科であるのが好ましい。 これによ り、 熱サイク ル下において膨張係数の違いにより、 蓋部 8が滑落または破損する 可能性を少なくすることができる。

前述したように、 溝 7の底部と蓋部 8の凸部 9 の先端面との間に 中空部 1 1が形成される。 その結果、 中空部 1 1が流路 2 a、 2 b に対してほぼ平行な流通経路となる。 それゆえ、 接合個所において 流路の配設ピッチが狭くなるのが妨げられ、 かつ、 流路 2 a、 2 b が縁部 3 a、 3 bに開口している場合には開口した流路 2 a、 2 b と中空部 1 1 とが連通し、 接合個所において流路 2 a、 2 bが閉塞 するのが妨げられる。

板状体 1 a、 1 bが当該接合方法によ り接合されてなる接合体、 例えばガスタービン燃焼器用の尾筒において、 流路 2 a、 2 b とと もに中空部 1 1 にも空気、 蒸気等の作動流体を流通させることがで きる。 従って、 流路 2 a、 2 bの配設ピッチが狭くなること、 及び 、 流路 2 a、 2 bが閉塞することによる冷却能の低下が生ずること がない。 また、 板状体 1 a、 1 bを側面から見て中空部 1 1 と流路 2 a、 2 b とが直線状に連結されるため、 接合個所とその他の部分 との冷却能の均一化を促進することができ、 さらに流路 2 a、 2 b と中空部 1 1 とが連通している場合に連通部分での作動流体のス ト リームライン化が促進される。 従って、 当該接合方法を用いて当該 板状体を接合してなる接合体、 例えばガスタービン燃焼器用の尾筒 は、 冷却等の諸機能が接合部分で低下するのを妨げることができる 。 そのため、 この尾筒を備えたガスタービン燃焼器は、 メンテナン スの容易化及び省力化を図ることができる。

なお、 本発明に基づく少なく とも一方の表面に沿って延びる流路 が両表面の間に形成されている少なく とも二つの板状体を接合する 板状体接合方法は前述した実施形態に限定されるものではなく、 例 えば、 開先を形成する工程及び底面を平滑化する工程を省略するこ ともできる。 また、 蓋部 8が ώ部 9を備えていなくてもよく、 この 場合にも接合個所における流路 2 a、 2 bの閉塞を防止できると共 に流路 2 a、 2 bの配設ピッチが大きくなるのを妨げることができ る。 さらに、 凸部 9の高さについても、 板状体 l a、 l bの上面 1 5 a、 1 5 b力 ら流路 2 a、 2 bまでの長さとほぼ同一にするこ と に限定されず、 変更可能である。 このよ う に凸部 9の高さを調整す ることで、 流路 2 a、 2 bを流れる作動流体の流量を制御すること ができる。 また凸部 9の先端がくぼむよ うに形成されていてもよく 、 この場合には中空部 1 1の断面形状を流路の断面形状にさ らに近 付けられるので接合箇所における冷却等の諸機能の確保および均一 化をさらに図ることができる。

第一の実施形態によれば、 当該板状体の内部の流路が接合個所に おいて閉塞されること、 及び、 接合部分における流路の配設ピッチ が大きくなることを防止することができるという共通の効果を奏し つる。

さらに、 第二の実施形態によれば、 接合箇所の強度を確保するこ とができるという効果を奏しうる。

さらに、 第三の実施形態によれば、 本発明をガスタービン燃焼器 の尾筒に適用する場合に燃焼ガスを平滑に流すことができるという 効果を奏しう る。

さ らに、 第四の実施形態によれば、 溶接作業を容易に行う ことが できると共に、 溶接精度及び溶接強度を高めることができるという 効果を奏しう る。

さ らに、 第五の実施形態によれば、 接合個所の強度を高めると共 に、 この蓋部の凸部の高さを調整することで、 板状体の流路を流れ る作動流体の流量を制御することができるという効果を奏しう る。

さらに、 第六の実施形態によれば、 中空部及び流路を流れる作動 流体の流量の均一化及び連通部でのス ト リームライン化を促進する ことができるという効果を奏しうる。

さ らに、 第七の実施形態によれば、 膨張係数を一致させることに より、 熱サイクル下における蓋部の脱落等を防止することができる という効果を奏しうる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 少なく とも一方の表面に沿って延びる流路が両表面の間に形 成されている少なく とも二つの板状体を接合する板状体接合方法に おいて、

これら板状体をこれら板状体の縁部を突合わせるよう配置し、 これら板状体を前記縁部に沿って接合し、

溝をこれら板状体の一方の表面から前記縁部に沿って形成し、 前記溝のための蓋部を前記溝に沿って取付ける板状体接合方法。

2 . 前記板状体の他方の表面から前記溝の底部までの距離が前記 他方の表面から前記流路までの距離に.ほぼ等しいようにした請求項 1に記載の板状体接合方法。

3 . 前記板状体を接合させた後に、 前記板状体の前記他方の表面 を平滑化することをさらに含む請求項 1 または 2に記載の板状体接 合方法。

4 . 前記板状体を接合させる前に、 前記板状体の前記縁部に開先 を形成することをさ らに含む請求項 1から 3のいずれか一項に記载 の板状体接合方法。

5 . 前記蓋部が前記溝の底部に向かって突出する凸部を備えてい る請求項 1から 4のいずれか一項に記載の板状体接合方法。

6 . 前記板状体の前記一方の表面から前記蓋部の前記凸部の先端 までの距離が、 前記板状体の前記一方の表面から前記流路までの距 離にほぼ等しいようにした請求項 5に記載の板状体接合方法。

7 . 前記蓥部が前記板状体の材料と同一の材料から形成されてい る請求項 1から 6のいずれか一項に記載の板状体接合方法。

8 . 少なく とも一方の表面に沿って延びる流路が両表面の間に形 成されている少なく とも二つの板状体が請求項 1から 7のいずれか 一項に記載の板状体接合方法により接合されることにより形成され る接合体。

9 . 少なく とも一方の表面に沿って延びる流路が両表面の間に形 成されている少なく とも二つの板状体が請求項 1から 7のいずれか 一項に記載の板状体接合方法により接合されることにより形成され るガスタービン燃焼器用の尾筒。

1 0 . 請求項 9に記載の尾筒を備えたガスタービン燃焼器。