JP2013148337A - タービン燃料ノズル組立体及びタービン作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン燃料ノズル組立体及びタービン作動方法を提供する。
【解決手段】本発明の１つの態様によれば、タービン用の燃料ノズル組立体は、燃料ノズルの外側導管と、前記燃料ノズルの少なくとも一部を受けるキャップ組立体とを含む。組立体はまた、外側導管の周りで且つキャップ組立体の環状凹部内に配置されたバネを含み、バネは、燃料ノズルの移動に抗する摩擦減衰をもたらす。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンに関する。より詳細には、本主題は、ガスタービンステータ部品の組立体に関する。

ガスタービンエンジンでは、燃焼器が燃料又は空気燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに転換する。熱エネルギーは、流体（多くの場合、圧縮機からの空気）によりタービンに運ばれ、ここで熱エネルギーが機械エネルギーに転換される。タービンエンジンの部品は、タービン内の振動に起因して応力に曝される可能性がある。具体的には、燃料ノズルは、燃焼ダイナミックス、流体流れ、ブレード通過、及びロータ振動など、様々な発生源により引き起こされる振動に曝される可能性がある。場合によっては、部品の固有周波数で振動が生じることがあり、結果として、振動の振幅又は強度の増大を引き起こして部品に対する応力がさらに加わり、高サイクル疲労亀裂発生につながる可能性がある。

米国特許第６８８０３４１号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービン用の燃料ノズル組立体は、燃料ノズルの外側導管と、前記燃料ノズルの少なくとも一部を受けるキャップ組立体とを含む。組立体はまた、外側導管の周りで且つキャップ組立体の環状凹部内に配置されたバネを含み、バネは、燃料ノズルの移動に抗する摩擦減衰をもたらす。

本発明の別の態様によれば、タービンを作動させる方法は、燃料ノズル内に空気を配向するステップと、外側導管を含む燃料ノズル内に燃料を配向するステップとを含む。本方法はまた、外側導管の周りで且つキャップ組立体の環状凹部内に配置される波形バネを用いてノズルの移動を摩擦減衰するステップを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンシステムの一実施形態の概略図。 例示的なタービン組立体の側断面図。 図２に示す例示的なタービン組立体の一部の詳細な側断面図。 例示的な波形バネの斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１は、ガスタービンシステム１００の一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、及び燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２及びタービン１０６は、シャフト１０８により結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト、又は共に結合されてシャフト１０８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。

１つの態様において、燃焼器１０４は、エンジンを稼働させるために、天然ガス又は水素リッチ合成ガスなどの液体及び／又はガス燃料を使用する。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給源及び燃料供給源１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気−燃料混合気を生成して該空気−燃料混合気を燃焼器１０４内に吐出し、これにより燃焼が生じて加圧ガスが加熱される。燃焼器１０４は、高温加圧排出ガスをトランジションピースを通じてタービンノズル（すなわち、「第一段ノズル」）に、次いで、タービンバケットに配向し、タービン１０６を回転させるようにする。タービン１０６の回転によりシャフト１０８が回転して、空気が圧縮機１０２内に流れるときに該空気を加圧する。一実施形態では、各燃料ノズル１１０の第１の端部は、燃焼器１０４の端部カバーに結合され、燃料ノズルの第２の端部は、キャップ組立体内に位置付けられる。以下で詳細に考察するように、ノズル１１０の各々の一部の周りに配置された組立体は、ノズル１１０が受ける振動及び関連する応力を低減する。タービンシステム１００における振動は、燃焼ダイナミックス、流体流れ、及び回転部品の移動など、様々な発生源により引き起こされる場合がある。燃料ノズル１１０及びノズル近辺の部品の例示的な実施形態について、図２〜４を参照しながら以下で詳細に考察する。

本明細書で使用される場合、「下流側」及び「上流側」は、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、用語「下流側」は、作動流体の流れの方向にほぼ相当する方向を指し、用語「上流側」は、一般に、作動流体の流れ方向とは逆の方向を指す。用語「半径方向」は、軸線又は中心線に対して垂直の移動又は位置を指す。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに有用とすることができる。この場合、第１の部品が第２の部品よりも軸線により近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内向き」にあると表現することができる。反対に、第１の部品が第２の部品よりも軸線から離れて存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外向き」にあると表現することができる。用語「軸方向」は、軸線に平行な移動又は位置を指す。最後に、用語「円周方向」は、軸線を中心とした移動又は位置を指す。以下の考察では主としてガスタービンに焦点を当てているが、考察される概念は、ガスタービンに限定されず、他の回転機械及び／又は蒸気タービンにも適用することができる。

図２は、キャップ組立体２０４内に配置された複数の燃料ノズル２０２を含む例示的なタービン組立体２００の側断面図である。燃料ノズル２０２は各々、軸線２０３の周りに配置される。実施形態では、タービン組立体２００は、１から５、６、７、８、又は９個のノズルにわたる、あらゆる好適な数のノズル２０２を含むことができる。説明を容易にするために、考察する実施形態では、実質的に同じノズル２０２を含むが、場合によっては、ノズル及び周囲の部品は異なっていてもよい。例示的な燃料ノズル２０２は、フランジ２０６を介して端部カバー又はプレートに結合されるよう構成される。一実施形態では、燃料ノズル２０２は、バーナー管とも呼ばれる外側導管２０８を含み、該外側導管２０８の少なくとも一部は、キャップ組立体２０４のキャップ２１４内に受けられる。ノズル２０２及び外側導管２０８は、限定ではないが、円形、六角形、及び八角形の断面を含む、あらゆる好適な幾何形状とすることができる。一実施形態では、外側導管２０８は、外径２２０を備えた実質的に円形断面を有する。環状凹部２１２は、キャップ組立体２０４の１以上の部品によって形成され、該環状凹部２１２は、図３において示すように、ノズル２０２の動きに抗する摩擦減衰をもたらすよう構成されたバネを受け入れる。図２に示すように、各燃料ノズル２０２は、燃料流れ２１６及び空気流れ２１８を受け入れ、該空気及び燃料が混合されて、燃料ノズル２０２から燃焼器に配向される空気燃料流れ２１０を形成する。実施形態では、燃料流れ２１６は、ガス燃料、液体燃料、又はその組み合わせとすることができる。

図３は、例示的なタービン組立体２００の一部の詳細な側断面図である。キャップ組立体２０４のバッキングプレート３０２及びリテーナプレート３０４が環状凹部２１２を形成する。波形バネ３０６のようなバネが、ワッシャ３０８及び３１０間の環状凹部２１２内に位置付けられる。一実施形態では、波形バネ３０６は、ワッシャ３０８及び３１０無しで環状凹部内に位置付けられる。図示のように、波形バネ３０６は、ワッシャ３０８及び３１０と環状凹部２１２との間に位置付けられたときに軸方向に圧縮される。波形バネ３０６は、燃料ノズル２０２の外側導管２０８の周りに配置される。波形バネ３０６の軸方向の圧縮により、ワッシャ３０８が環状凹部２１２の表面３１２と接触する。同様に、圧縮された波形バネ３０６により、表面３１４とワッシャ３１０との間の接触が生じる。波形バネ３０６の圧縮により、力矢印３３２で示されるように、ワッシャと凹部表面との間の接触及び法線方向の力が生じる。加えて、バネ圧縮により、力矢印３３０で示されるように、波形バネ３０６とワッシャとの間の接触及び法線方向の力が生じる。従って、燃料ノズル２０２が矢印３２０で示されるように半径方向に移動するためには、移動力が、波形バネ３０６、ワッシャ３０８、ワッシャ３１０、バッキングプレート３０２、及びリテーナプレート３０４間の法線方向の力及び摩擦接触に打ち勝つ必要がある。この半径方向移動に対する抵抗は、燃料ノズル２０２における摩擦減衰をもたらす。従って、燃料ノズル２０２の振動は、タービン組立体２００内の波形バネ３０６、ワッシャ３０８、ワッシャ３１０、バッキングプレート３０２、及びリテーナプレート３０４の配置によって低減又は抑制される。実施形態では、端部カバーに対するフランジ２０６の結合により、燃料ノズル２０２の片持ち状態を生じさせることができ、波形バネ３０６の図示の配置は、フランジ２０６の反対側のノズル端部に近接したノズルの半径方向移動及び振動を抑制する。片持ち状態の一環として、フランジ２０６から遠位にある燃料ノズル２０２に対する唯一の接触又は支持が、波形バネ３０６によってもたらされる。加えて、この配置により、燃料ノズル２０２に対する支持をもたらすと同時に、外側導管２０８に沿った流体流れ又は漏洩も低減する。具体的には、波形バネ３０６及びワッシャ３０８、３１０組立体は、導管の外側に沿った空気などの流体の軸方向流れを低減する。波形バネ３０６及びワッシャ３０８、３１０組立体がバッキングプレート３０２及びリテーナプレート３０４における半径方向クリアランスを有することができることにより、燃料ノズル２０２の位置公差の調整が可能になる。

図４は、例示的な波形バネ３０６の斜視図である。波形バネ３０６は、内径４００を有し、開放又はＣ形バネである。一実施形態では、バネが外側導管２０８上に置かれると、内径４００が導管の外径２２０よりも小さいので、バネの端部４０２及び４０４が引き離される。従って、延伸した波形バネ３０６は、外側導管２０８の外側方面に嵌合されて接触する。波形バネ３０６の直径、幾何形状、及び材料は、適用要件に基づいて変えることができる。例えば、波形バネ３０６における波の数は、上述のようにバネが環状凹部２１２内で圧縮されたときに所望の法線力をもたらすよう構成することができる。一実施形態では、波形バネ３０６は、バネ及びワッシャ表面３１６、３１８が互いに接触する場所でワッシャ３０８及び３１０に抗して法線力を作用させる。バネの波の数が少ない（例えば、２〜５個の波）実施例では、バネ及びワッシャは、バネの各側部にて互いに２、３、４、又は５回接触することができる。バネの波の数が多い実施例では、バネとワッシャ間の接触点の数もまた多くなる。波の大きさ又はサイズは、圧縮時に所望の力をもたらすよう変えることができる。さらに、波形バネ３０６の厚み及び／又は材料は、圧縮時に所望の力をもたらすよう構成することができる。加えて、１つよりも多い波形バネ３０６を提供することができ、ここでバネの波と波の積み重ね（位置合わせされた又は同相）は剛性を向上させるが、波の山と波の谷の積み重ね（１８０度の位相ずれ）は剛性を低下させる。一例として、波形バネ３０６は、合金鋼又はニッケル合金など、燃料ノズル２０２が受ける温度及び応力に耐えることができる好適な材料から形成される。加えて、凹部２１２内に配置されたバネは、螺旋バネ、波形バネ、又は機械エネルギーを蓄えることができる他の何れかの好適な弾性機構のような、所望の特性（例えば、圧縮及び摩擦接触又は結合）をもたらすあらゆる好適な付勢部材とすることができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１００ ガスタービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ シャフト
１１０ 燃料ノズル

Claims (20)

1. タービン用の燃料ノズル組立体であって、
   燃料ノズルの外側導管と、
   前記燃料ノズルの少なくとも一部を受けるキャップ組立体と、
   前記外側導管の周りで且つ前記キャップ組立体の環状凹部内に配置されたバネと
   を備え、前記バネが前記燃料ノズルの移動に抗する摩擦減衰をもたらす、燃料ノズル組立体。
2. 前記バネが、前記外側導管の外側表面と接触する波形バネを含む、請求項１記載の組立体。
3. 前記キャップ組立体が、前記環状凹部内で前記バネの各側部上に配置されたワッシャを含み、前記バネが、前記ワッシャ間で軸方向に圧縮される、請求項１記載の組立体。
4. 前記バネは、前記環状凹部内に置かれたときに軸方向に圧縮されて、前記環状凹部内の少なくとも１つの表面に力を作用させる、請求項１記載の組立体。
5. 前記環状凹部内の少なくとも１つの表面に作用する力は、前記燃料ノズルに対し摩擦減衰をもたらす、請求項４記載の組立体。
6. 前記バネが、前記外側導管の外径よりも小さい内径を有する、請求項１記載の組立体。
7. 前記バネは、前記燃料ノズルの半径方向移動に抗する摩擦減衰をもたらす、請求項１記載の組立体。
8. 前記キャップ組立体が、前記環状凹部を形成するバッキングプレート及びリテーナプレートを含む、請求項１記載の組立体。
9. タービンを作動させる方法であって、
   燃料ノズル内に空気を配向するステップと、
   外側導管を含む前記燃料ノズル内に燃料を配向するステップと、
   前記外側導管の周りで且つ前記キャップ組立体の環状凹部内に配置される波形バネを用いて、前記ノズルの移動を摩擦減衰するステップと
   を含む、方法。
10. 前記摩擦減衰するステップが、バッキングプレート及びリテーナプレートによって形成される環状凹部において前記波形バネを軸方向に圧縮するステップを含み、前記波形バネが前記外側導管の外側表面と接触する、請求項９記載の方法。
11. 前記摩擦減衰するステップが、前記環状凹部においてワッシャ間で前記波形バネを軸方向に圧縮するステップを含む、請求項９記載の方法。
12. 前記摩擦減衰するステップが、前記波形バネを軸方向に圧縮して前記環状凹部における少なくとも１つの表面に力を作用させるステップを含む、請求項９記載の方法。
13. 前記環状凹部における少なくとも１つの表面に作用する力が、前記燃料ノズルの半径方向移動に抗するため前記燃料ノズルに摩擦減衰をもたらす、請求項１２記載の方法。
14. 前記波形バネが、前記外側導管の外径よりも小さい内径を有する、請求項９記載の方法。
15. タービン用の燃料ノズルであって、
    燃料ノズルの外側導管の周りに置かれるよう構成されたワッシャと、
    前記ワッシャ間に軸方向に圧縮され且つ前記外側導管の周りに配置されるよう構成された波形バネと
    を備え、前記ワッシャが、前記波形バネと前記ワッシャとを受ける凹部の表面に作用する力により摩擦減衰をもたらすよう構成される、燃料ノズル。
16. 前記凹部が、バッキングプレート及びリテーナプレートにおいて形成される、請求項１５記載の組立体。
17. 前記波形バネが、前記外側導管の外側表面と接触し、前記表面に作用する力が、前記燃料ノズルの半径方向移動を抑制する、請求項１５記載の組立体。
18. 前記力が、前記ワッシャ上に前記波形バネによって作用すると共に、前記凹部の表面上に前記ワッシャによって作用し、前記力は、前記波形バネの圧縮によって生じる、請求項１５記載の組立体。
19. 前記波形バネが、前記外側導管の外径よりも小さい内径を有する、請求項１５記載の組立体。
20. 前記波形バネがニッケル合金を含む、請求項１５記載の組立体。