JP5178053B2 - 半径方向のコンプライアント部材の取付方法及び装置 - Google Patents

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究及び開発の記載
本文記載の本発明は、現在、米国エネルギー省（ＤＯＥ）により管理されている、ＤＯＥ事例Ｎｏ．Ｓ−１１０，５８７，開示Ｎｏ．１６４６３２、契約Ｎｏ．ＤＥ−ＦＣ２６−００ＣＨ１１０４７に基づき、取り組まれたものである。

本発明は、一般に、ガスタービンエンジン燃焼器のセラミックス系複合材料（ＣＭＣ）ライナの使用に関し、特に、半径方向、周方向、及び軸方向の伸長差を吸収するように、かかるＣＭＣライナを燃焼器の支持部材へ取り付けることに関する。
米国特許第６，３９７，６０３Ｂ１号公報 米国特許第６，７５８，６５３Ｂ２号公報 米国特許第６，８９５，７５７Ｂ２号公報 米国特許第６，８９５，７６１Ｂ２号公報 米国特許第６，９０４，７５７Ｂ２号公報 米国特許第６，９２０，７６２Ｂ２号公報 米国特許公開第２００４／０１１８１２２号公報 米国特許公開第２００４／０１１８１２７号公報 米国特許公開第２００４／０１５４３０３号公報 米国特許公開第２００５／００７２１６３号公報

先進のガスタービンエンジンの開発では、燃焼器ライナなどの高温の用途に、現在用いられている金属材料よりも、より高温性能を有するある種のセラミック材料を用いている。このような非金属の低熱膨張性材料の特定の種類のものとしては、セラミックス系複合材料（ＣＭＣ）があり、これは、金属よりもはるかに高温な温度で動作可能であり、冷却要求が低くすみ、高度なエンジン効率及び出力に変えることができる。ＣＭＣ材料は、より高温性能を有することで、求められる冷却効果が著しく低くすみ、同時に、タービュレータとよばれる対流冷却増強の特徴を打ち消すことにより、燃焼器の圧力降下の低減を可能とする。燃焼器ライナにＣＭＣ材料を用いることによって、ガスタービンの最終的な出力動力が容易に増加される。しかしながら、より高温でＣＭＣライナ材料を動作させる利点を実現するには、低い熱膨張率のＣＭＣ材料、しかも、従来の金属材料に比べて破損による歪が比較的小さいＣＭＣ材料を収容し得るＣＭＣライナを取り付ける新しい方法が必要である。

本発明の一形態において、ガスタービンエンジン燃焼器のライナの取付組立体は、ライナの半径方向外面を取り囲み、複数の軸方向に延びる指部を備える内側リングを備える。また、取付組立体は、内側リングに複数のスペーサを介して連結される半径方向外側リングを備え、スペーサは、内側リングの半径方向外面から外側リングにかけて半径方向に延びている。

本発明の他の形態において、ガスタービンエンジン組立体を組み立てる方法は、ガスタービンエンジン組立体用の燃焼器ライナを設ける工程と、燃焼器ライナの外面周りに周方向に延びる内側リングに、ライナを連結させる工程とを含み、内側リングは、複数の半径方向の外側に延びるスペーサを用いて内側リングから半径方向外側に実質的に同心円状に離間された外側リングに連結され、さらに燃焼ライナを少なくとも部分的に取り囲む環状流れスリーブに外側リングを連結する工程を含む。

さらに、本発明の他の形態においては、ガスタービンエンジンは、軸に連結される圧縮機と、軸に連結されるタービンと、ガスタービンエンジン軸の周りに環状の配列で配置される複数の燃焼器とを備える。各燃焼器は、外側ケーシングと、外側ケーシング内に半径方向に位置付けられる流れスリーブと、流れスリーブ内に半径方向に位置付けられ、セラミックス系複合材料（ＣＭＣ）を含む燃焼ライナと、燃焼ライナ用の取付組立体とを備える。この取付組立体は、ライナの半径方向外面を取り囲み、複数の軸方向に延びる指部を含む内側リングと、複数のスペーサを通して内側リングに連結される半径方向外側リングとを備え、スペーサが内側リングの半径方向外面から外側リングに半径方向に延びている。

図１は、本発明の例示的実施形態に係るガスタービンエンジンシステム２のガスタービン燃焼器１を示す部分断面図である。ガスタービンエンジンシステム２は、ガスタービンケーシング５の周囲に環状の配列で配置された複数の燃焼器１を備える。圧縮機３からの高圧空気Ｋは、尾筒７に沿って分配された一列の吸気口６、及び燃焼器ライナ９の出口端部近くの流れスリーブ８に沿って分配された一列の吸気口６を通して、燃焼器１に流入する。燃焼器１に送出された圧縮空気Ｋは、燃焼器流れスリーブ８及び燃焼器ライナ９により結び付けられた環状通路を通って、複数の混合気噴射器が配置される燃焼器入口端部（又は、同意語として、先頭部）１０に流通する。例えば、構造によっては、複数の混合気噴射器は、燃焼器１つ当たり、一列の複数の外側燃料ノズル１１と中央ノズル１２とを備える。なお、内側ノズル又は外側ノズルの数は、いずれの構造においても、本文で記載した数と同じ数である必要はない。ほんの一例として、構造によっては、本文で記載の数と異なる数の外側ノズル１１により取り囲まれた１つ以上の中央ノズル１２を含むものがある。

各燃焼器１の入口端部では、圧縮空気と燃料が混合され、燃焼領域１３内に流入する。燃焼領域１３の対向する端部では、高温の燃焼ガスＨが二重壁尾筒７に流入する。この尾筒は、各燃焼ライナ９の出口端部を、タービンノズル４の入口端部と連結させ、高温の燃焼ガス流Ｈをタービン２まで送出する。このタービンでは、高温ガス流のエンタルピーは、固定式の回転タービンの板翼（図示せず）を通るガスの膨張を介して、タービンロータのシャフト動作に変換される。

各燃焼器１は、２つの部分、すなわち、前方燃焼ケーシング１６及び後方燃焼ケーシング１７を備える実質的に円筒状の燃焼ケーシング組立体を備える。燃焼器ケーシング１６及び１７は、ボルトジョイント１９により圧縮機吐出ケーシング２０に取り付けられる。前方燃焼ケーシング１６は、ボルトジョイント１８により後方燃焼ケーシング１７に接続される。前方燃焼ケーシング１６の先頭部は、燃料及び空気供給管、マニホールド、及びガス、液体燃料、空気、水（必要ならば）を燃焼室１に供給するのに関連する弁をも備え得る端部カバー組立体２１により閉鎖される。

実質的に円筒形の流れスリーブ８は、燃焼ケーシング１６及び１７に同心円状に取り付けられる。流れスリーブ８は、その後方端部を二重壁尾筒７の外壁部２２に接続する。圧縮機空気Ｋは、二重壁尾筒７の外通路を通って流れスリーブ８を亘って通り、燃焼器１の先頭端部１０に流れる。流れスリーブ８は、前方燃焼ケーシング１６と後方燃焼ケーシング１７が連結されるボルトジョイント１８において、スリーブの前方端部を後方燃焼器ケーシング１７にラジアルフランジ２３により連結させている。

例示的実施形態では、流れスリーブ８は、尾筒７の内壁部２４に一端が接続される燃焼器ライナ９と実質的に同心円状に配列される。尾筒７の外壁２２と、後方燃焼ケーシング１７が圧縮器吐出ケーシング２０にボルト止めされている箇所の後方に延びる流れスリーブ８の一部は、一列の穴又は入口６が各々の周囲表面に亘る状態で形成され、空気が、圧縮機３から穴６を通して流れスリーブ８と燃焼器ライナ９との間の環状スペース内へと燃焼器１の上流又は先頭端部１０に向かって、流れを逆向きにする（流れの矢印Ｋにより示されるように）。

燃焼ライナキャップ組立体２５は、各々が燃料ノズル組立体１１及び１２の周りに同心円状で取り付けられる、複数の予混合管組立体２８を支持する。各予混合管組立体２８は、その前方及び後方端部でそれぞれ前方支持プレート２９及び後方支持プレート３０により、燃焼ライナキャップ組立体２５内で支持され、各プレートには、開口端の予混合管組立体２８と位置合わせされた開口部が設けられている。各予混合管組立体２８は、予混合管フラシール３１により分離された２つの管の組立体からなり、これにより、燃焼ライナキャップ組立体２５が低温の非動作条件から高温の動作条件へと熱的に膨張するにつれて、二重管組立体が長さを変化させる。すなわち、前方支持プレート２９と後方支持プレート３０との間の距離が組立体全体の熱的膨張により変化するにつれて、予混合管組立体２８は、対称軸に沿って自在に延長する。

燃焼ライナキャップ組立体２５の後方支持プレート３０が、前方に延びる複数の浮上カラー３６（後方支持プレート３０の開口部と実質的に位置合わせされて配置された、各予混合管組立体２８に対して１つのカラー）に到ると、カラーの各々が、例えば、燃料ノズル１１及び１２（また、「燃料噴射ノズル」、「燃料噴射器」、又は「燃料ノズル組立体」とも称する）に一体形成された空気旋回翼３７（以下、「旋回ベーン」と称する）を支持する。この配置では、燃焼器ライナ９と流れスリーブ８との間の環状スペースに流入する空気が、燃焼器１の燃焼器入口端部１０で（端部カバー組立体２１と燃焼ライナキャップ組立体２５との間で）方向を逆にし、空気旋回翼３７と予混合管組立体２８とを流通する。各空気旋回翼３７に一体的に製造された燃料通路は、ガスタービンエンジン組立体１０の動作モードに応じて、ガス燃料を連続して導入する穴の配列を通して、燃料を通過する空気中に送出し、これにより、燃焼領域１３で次に引き続いて着火される燃料及び空気の混合物を生成する。

図２は、燃焼器ライナ９の前方端部を支持するための取付組立体２００の一部を示す拡大図である。本例示的実施形態では、製造時において、燃焼器ライナ９は、ＣＭＣ材料から構成される。燃焼器ライナにＣＭＣ材料を用いる試みは、寿命及びコストの要求を満たす費用効率が高いシステムにおいて既存の金属製品とのインターフェースを開発することである。本文で記載した組立体は、ラジアルコンプライアント取付を採用して燃焼器ライナ用のＣＭＣ材料を容易に用いている。

ＣＭＣ材料は、燃焼器ライナ９などの物品の設計及び応用時に注意深く検討された機械的な特性を有しており、より著しく高い強度とより高度な熱膨張特性の金属ハードウェアと接続しなければならない。ガスタービン燃焼システムでは、より高温性能の優れたＣＭＣ材料は、金属構成部材により支持され、それに対して封止されている。金属ライナの場合には、取付特徴としては、ろう付け、溶接、へら掛け、又は他のよく開発された信頼性のある連結方法により、金属ライナに容易に連結される。この取付特徴は、半径方向、軸方向、接線方向に円筒状ライナのための支持部材を設けることである。本文記載のＣＭＣの製造方法は、ガスタービンの応用例として構造上許容可能である複雑又は難解な取付特徴を組み込める能力を実証している。

少なくとも幾つかの公知なＣＭＣ型材料は、熱膨張率（ＣＴＥ）が１．５〜３．５マイクロインチ／インチ／°Ｆの範囲内であり、これは、通常、約７〜１０マイクロインチ／インチ／°Ｆの範囲のＣＴＥを有する燃焼ライナ、及び規制支持部、又はハンガーに用いられた市販の高温合金とは著しく異なる。また、ＣＭＣ型材料は、熱膨張率が低い上に、引張延性も比較的低く、それは、金属材料と比較して、破損に対する歪が比較的小さいためである。

一般に、市販のＣＭＣ材料は、例えば、ＳｉＣなどのセラミック系ファイバーであり、この形態は、例えば、ＢＮなどのコンプライアント材料で覆われている。ファイバーとしては、１つの形態がＳｉＣであるセラミックス系複合材料として行われる。通常、ＣＭＣ型材料は、低い延性材料を規定し意味するのに本文で使われるわずか約１％ほどの室温引張延性を有する。一般に、ＣＭＣ型材料は、約０．４％〜０．７％の範囲の室温引張延性を有する。これは、少なくとも５％〜１５％の室温引張延性を有する、金属ライナ及び／又は支持構造又はハンガー材料と比較される。

取付組立体２００は、ＣＭＣライナ９に対して半径方向、接線方向、及び軸方向の支持を提供し、図２に示すように、円柱状／円錐状の断面をとり得る。ライナ９は、ライナ９の前方端部２０６とライナ９の後方端部（図示せず）の両方にフラシール２０４により搭載され、半径方向内面２０２から実質的に中央に位置決められている。取付組立体２００は、ライナ９の円筒軸（図２では図示せず）に沿ってライナ９上に前方に向かう最終的な負荷を構成する、ライナ９上の圧力負荷を反応させる。

取付組立体２００は、ライナ９の前方端部２０６を取り囲む半径方向内側リング２０８を備える。内側リング２０８は、内側リング２０８の前方縁部２１２周りに周方向に離間された複数の前方に延びる指部２１０を備える。各指部２１０の末端２１４では、開口部２１６は、ライナ９の補充開口部２１８と位置合わせされ、締め具２２０を収容するようになる。ライナ９は、締め具２２０に隣接して、軸点２２１にて半径方向外側に段差が設けられ、組み立て中に隙間を形成する。

指部２１０は、ライナ９上の差圧から生じる軸方向の負荷を支持可能とするとともに、低いＣＴＥのＣＭＣライナ９の熱伸長と複数のスペーサ２２８により半径方向外側リング２２６に連結される、より高いＣＴＥ金属の内側リング２０８の熱伸長との差を吸収するように指部２１０が半径方向に曲がるように、厚さ２２２及び長さ２２４で構成される。複数の指部２１０は、ＣＭＣライナ９の半径方向内面の外形に適合するボルト頭部２３０を用いて、ＣＭＣライナ９に堅固に取り付けられる。この締め具２２０の構成により、破損の初期位置を形成し得るＣＭＣライナ９の座ぐり加工の必要性が実質的に解消される。ＣＭＣ燃焼器ライナ９の重量は、円筒状ライナ９の前方端部２１４及び後方端部上でライナ９を中央に位置合わせするフラシール２０４により支持されている。フラシール２０４による中央への位置合わせによって、外側リング２２６には、流れスリーブ８とライナ９との間に半径方向の隙間２３２が維持される。ライナ９の軸方向の圧力負荷は、ガスタービンエンジンシステム２の振動の激しい環境において磨耗をうけにくいクランプ締め具２２０の構成により、積極的に摩擦しながら支持される。ライナ９の軸方向負荷は、スペーサ２２８を通して外側リング２２６に伝達される。外側リング２２６は、外側リング２２６の前方縁部２３６から軸方向に延びる前方延長部２３４を備える。前方延長部２３４の末端部は、流れスリーブ８のフランジ２４０と前方燃焼ケーシング１６のフランジ２４２に連結するように構成された外側に延びるフランジ２３８に連結される。

本例示的実施形態では、締め具２２０のクランプ構成において、ＣＭＣライナの低いＣＴＥを補償するために金属混合物を用い、上昇した動作温度であっても締め付けを維持し、締め具２２０による締め付けで摩擦状態の通常の動作負荷の全てを支持する。クランプ連結は、金属構成部材の材料限定の実質的な範囲内における温度で、ライナ９の冷却された低応力領域において、特に、本実施形態では締め具２０を構成するボルト及びナットに対して行われる。

本例示的実施形態では、取付組立体２００は、従前の設計の位置の１０倍の位置に軸方向の圧力負荷を分散するものである。例えば、本実施形態では、３つの個別の出っ張りのみを含む従前の設計と比べて、指部２１０の数は、３２個もある。半径方向のスペーサの数量は、指部の数の丁度、半分である。

かかる構成によれば、各指部に均一に負荷がかかり、対称なボルト結合の構成が可能となり、ガスタービン環境下で優れた耐久性を得るべく、軸方向の負荷のかかる比較的より小さな部分を摩擦状態で支持する。非対称設計であれば、指部及び／又はボルトの幾つかに軸方向の負荷ピーク因子を生じさせることとなったであろう。本例示的実施形態では、指部２１０及び内側リング２０８は、Ａ２８６のステンレス鋼などの高いＣＴＥを有する類似材料から製造される。しかしながら、高いＣＴＥのＡ２８６では、内側リング２０８と低いＣＴＥのＣＭＣライナ９との間に半径方向に大きな不適合を生じる。代替の実施形態では、内側リング２０８と指部２１０は、互いに異なるＣＴＥの材料からなるように、バイメタル構成部材として製造される。例えば、ボルトジョイントの締め付け保持のために、高いＣＴＥのＡ２８６金属製の指部２１０とともにＡＩＳＩ４１０ステンレス鋼などの低いＣＴＥのバイメタル内側リング２０８が、内側リング２０８とライナ９との間で動作温度にて半径方向の熱的不適合を比較的より小さくさせる。この特定の代替によれば、ＣＭＣライナ９と内側リング２０８との間の半径方向の不適合が約半分となる。

図３は、図２に示した取付組立体２００の斜視図である。例示的実施形態では、ライナ９は、締め具２２０を用いて指部２１０に締め付けられる。指部２１０は、内側リング２０８に連結されるか、あるいは、内側リング２０８と一体に形成されても良い。ライナ９の軸方向の負荷は、指部２１０を通して内側リング２０８へ、さらにスペーサ２２８を通して外側リング２２６へと伝達される。そして、この軸方向の負荷は、スペーサ２２８からフランジ２３８に伝達される。

取付組立体２００は、ＣＭＣライナ９の圧力負荷を燃焼ケースのフランジ２４０に与える３２個の締め付け具に、均一の負荷をかける。本例示的実施形態では、取付組立体２００は、流れスリーブ８の内側に同心円状に嵌められた外側リング２２６から内側リング２０８を支持するための８個の二脚スペーサを備える。

上述した半径方向前方のコンプライアント取付組立体は、費用効率が高く、高度な信頼性がある。本組立体は、流れスリーブ内でライナを燃焼器ドーム外で同心円状に取り付けられるように、ＣＭＣライナ用の半径方向前方のコンプライアント部材の取付けを形成する。流れスリーブは、ライナの後方端部からライナの外側に沿って冷却流を送出する。対流冷気は、滑らかなＣＭＣライナの対流背後側に亘って前方に流れ、ライナをある温度限界範囲内で維持する。したがって、半径方向前方のコンプライアント取付組立体によれば、費用効率が良く信頼性のある方法で、ガスタービンエンジンの動作を容易とする。

以上、半径方向前方のコンプライアント取付組立体の構成部材の例示的実施形態について、詳細を説明した。本構成部材は、本文に記載した特定の実施形態に限定されず、むしろ各組立体の構成部材が、本文で記載した他の構成部材とは独立して別個に用いられ得る。また、各半径方向前方のコンプライアント取付組立体の構成部材は、他の半径方向前方のコンプライアント取付組立体の構成部材と組み合わせて使うこともできる。

以上、本発明について多様な特定の実施形態を用いて説明してきたが、本発明は、請求項の趣旨及び範囲内において変形を行って実施することができることは、当業者が理解するであろう。

本発明の一例示的実施形態に係るガスタービンエンジンシステムのガスタービン燃焼器を示す部分断面図である。 図１に示したライナの前方端部を支持するための取付組立体の一部を示す拡大図である。 図２に示した取付組立体の斜視図である。

符号の説明

１ 燃焼器
２ ガスタービンエンジンシステム
３ 圧縮機
４ タービンノズル
５ ガスタービンケーシング
６ 吸気口又は開口部
７ 尾筒
８ 流れスリーブ
９ 燃焼器ライナ
１０ 燃焼器入口端部又は先頭端部
１１ 外側燃料ノズル
１２ 中央ノズル
１３ 燃焼領域
１６ 前方燃焼ケーシング
１７ 後方燃焼ケーシング
１８ ボルトジョイント
２０ 圧縮機吐出ケーシング
２１ 端部カバー組立体
２２ 外壁部
２３ ラジアルフランジ
２４ 内壁部
２５ 燃焼ライナキャップ組立体
２８ 混合管組立体
２９ 前方プレート
３０ 後方支持プレート
３１ 混合管フラシール
３６ 浮上カラー
３７ 空気旋回翼
２００ 取付組立体
２０２ 半径方向内面
２０４ フラシール
２０８ 内側リング
２１０ 指部
２１２ 前方縁部
２１４ 前方端部
２１６ 開口部
２１８ 補充開口部
２２０ クランプ締め具
２２１ 軸点
２２６ 外側リング
２２８ スペーサ
２３０ ボルト頭部
２３４ 前方延長部
２３６ 前方縁部
２３８ フランジ

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン燃焼器のライナの取付組立体であって、
   前記燃焼器は、燃焼ケーシングと、前記燃焼ケーシング内に位置付けられた燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナから半径方向外側に離間された環状流れスリーブとを備え、前記取付組立体は、
   前記燃焼器ライナの半径方向外面を取り囲み、複数の軸方向に延びる指部を備える内側リングと、
   前記内側リングの半径方向外面から外側リングまで半径方向延びる複数のスペーサを介して、前記内側リングに連結される半径方向外側リングと、
   前記複数の軸方向に延びる指部を前記燃焼器ライナに連結する少なくとも１つのクランプ締め具と
   を備え、
   前記半径方向外側リングは、前記複数のスペーサから外側に延びる前方縁部と、前記前方縁部から半径方向外側に延びるフランジとを備え、
   前記フランジは、前記環状流れスリーブと前記燃焼ケーシングとに連結され、
   前記少なくとも１つのクランプ締め具は、前記燃焼器ライナの半径方向外面の外形と相補的な形状の表面外形を有し、
   前記複数の軸方向に延びる指部は、第１の材料から構成され、
   前記内側リングは、前記第１の材料と異なる第２の材料から構成される、
   組立体。
2. 前記燃焼ケーシングは、
   後方燃焼ケーシングと連結した前方燃焼ケーシングと、
   前記前方燃焼ケーシングから外側に延びるフランジと
   を備え、
   前記半径方向外側リングのフランジは、前記燃焼ケーシングのフランジと連結するように構成されている請求項１に記載の組立体。
3. 前記複数の軸方向に延びる指部は、前記内側リングの前方縁部の周りに、周方向に離間されている請求項１に記載の組立体。
4. 前記第１の材料の熱膨張率は、前記第２の材料の熱膨張率よりも大きい、請求項１に記載の組立体。
5. 圧縮機と、
   前記圧縮機と流れ連通するタービンと、
   ガスタービンケーシングと、
   前記ガスタービンケーシングの周りに環状の配列で配置される複数の燃焼器とを備え、前記燃焼器の各々は、
   外側ケーシングと、
   前記外側ケーシング内に半径方向に位置付けられる流れスリーブと、
   前記流れスリーブ内に半径方向に位置付けられ、セラミックス系複合材料（ＣＭＣ）を含む燃焼器ライナと、
   前記燃焼器ライナ用の取付組立体と
   を備え、前記取付組立体は、
   前記燃焼器ライナの半径方向外面を取り囲み、複数の軸方向に延びる指部を含む内側リングと、
   前記内側リングの半径方向外面から外側リングまで半径方向延びる複数のスペーサを介して、前記内側リングに連結される半径方向外側リングと、
   前記複数の軸方向に延びる指部を前記燃焼器ライナに連結する少なくとも１つのクランプ締め具と
   を備え、
   前記半径方向外側リングは、前記複数のスペーサから外側に延びる前方縁部と、前記前方縁部から半径方向外側に延びるフランジとを備え、
   前記フランジは、前記環状流れスリーブと前記燃焼ケーシングとに連結され、
   前記少なくとも１つのクランプ締め具は、前記燃焼器ライナの半径方向外面の外形と相補的な形状の表面外形を有し、
   前記複数の軸方向に延びる指部は、第１の材料から構成され、
   前記内側リングは、前記第１の材料と異なる第２の材料から構成される、
   ガスタービンエンジン。
6. 前記第１の材料の熱膨張率は、前記第２の材料の熱膨張率よりも大きい請求項５に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記少なくとも１つのクランプ締め具は、前記少なくとも１つの締め具により生じたクランプ力が上昇した動作温度でも維持されるように、前記燃焼器ライナと前記内側リングとの間の熱的伸長差を補償するように構成された複数の金属を含む請求項５に記載のガスタービンエンジン。
   

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