(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器のキャップにおける温度制御システム及び方法を提供すること。【解決手段】システムは、タービンエンジン（１０）を含み、該タービンエンジン（１０）が、ヘッド端部（３２）を有する燃焼器（１６）と、ヘッド端部（３２）内に配置されたバッキングプレート（７２）と、バッキングプレート（７２）に結合された燃焼器キャップ（３６）と、を備え、バッキングプレート（７２）及び燃焼器キャップ（３６）が燃料ノズルレセプタクル（６４）を含む。燃焼器キャップ（３６）は、燃料ノズルレセプタクル（６４）の周りに配置された複数のセグメント（５０、５２、５４）を含み、各セグメント（５０、５２、５４）が複数の空気噴出ポート（６６）を含む。【選択図】      図２
2010281560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１０）を含むシステムにおいて、該タービンエンジン（１０）が、
ヘッド端部（３２）を有する燃焼器（１６）と、
前記ヘッド端部（３２）内に配置されたバッキングプレート（７２）と、
前記バッキングプレート（７２）に結合された燃焼器キャップ（３６）と、
を備えており、前記バッキングプレート（７２）及び前記燃焼器キャップ（３６）が燃料ノズルレセプタクル（６４）を含み、前記燃焼器キャップ（３６）が前記燃料ノズルレセプタクル（６４）の周りに配置された複数のセグメント（５０、５２、５４）を含み、前記各セグメント（５０、５２、５４）が複数の空気噴出ポート（６６）を含む、システム。
【請求項２】
前記複数のセグメント（５０、５２、５４）が、前記燃焼器キャップ（３６）の外周に沿って配置されたキャップセグメント（８６）の第１のセットと、前記燃焼器キャップ（３６）の中央領域に配置されたキャップセグメント（８４）の第２のセットとを含む、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記各セグメント（５０、５２、５４）が、前記バッキングプレート（７２）に面する中空の内部を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記各セグメント（５０、５２、５４）が、前記バッキングプレート（７２）に結合された複数のスタッド（７４）を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記各セグメント（５０、５２、５４）上の複数のスタッド（７４）が、中央スタッド、半径方向内側スタッド、及び半径方向外側スタッドを含み、前記中央スタッドが、前記セグメント（５０、５２、５４）を中心に配置するために前記バッキングプレート（７２）に固定装着され、前記半径方向内側スタッド及び半径方向外側スタッドが、前記中央スタッドに対して熱膨張を可能にするようある移動範囲で前記バッキングプレート（７２）に装着される、請求項４記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記複数のセグメント（５０、５２、５４）の隣接セグメント（５２、５４）間に空隙（７０）を備え、前記空隙（７０）が、空気冷却流を可能にするよう構成される、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記バッキングプレート（７２）と前記複数のセグメント（５０、５２、５４）との間に中間冷却チャンバ（９４）を備え、前記バッキングプレート（７２）が、前記複数のセグメント（５０、５２、５４）の各セグメント（５０、５２、５４）の内面に向かって配向された衝突通路を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記各セグメント（５０、５２、５４）が、少なくとも約１００の空気噴出ポート（６６）を含み、該各噴出ポート（６６）の直径が、約０．０８０インチよりも小さい、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記複数のセグメント（５０、５２、５４）が各々、前面（６０）、裏面（７９）、及び縁部（６２）を含み、前記複数の燃料ノズル（１２）の縁部（６２）が、前記燃料ノズルレセプタクル（６４）の周りに配置され、前記複数のセグメント（５０、５２、５４）の各々が、前記裏面（７９）から前記複数のセグメント（５０、５２、５４）の各々を通り前記前面（６０）から外に延びる複数の空気噴出ポート（６６）を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記複数のセグメント（５０、５２、５４）内の隣接セグメント（５２、５４）間に空隙（７０）を備え、前記空隙（７０）が、相互に接触することなく前記２つのセグメント（５０、５２）の各々の熱膨張を可能にするような大きさにされる、請求項９記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器のキャップにおける温度制御のシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。燃焼器は、圧縮機からの加圧空気を燃料と共に受け取り、燃料−空気混合気を燃焼して、高温の燃焼ガスを生成する。高温ガスは、タービンを流れ、これによりタービンブレードを駆動する。理解されるように、燃焼器は相当な量の熱を発生する。残念ながら、この熱は、種々の構成部品の熱膨張を引き起こし、その結果、適切な冷却又は逃がしを提供することなく熱亀裂又は他の問題を生じる可能性がある。例えば、燃焼器のヘッド端部において、この熱によりキャップ組立体内で大きな熱膨張を引き起こす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７１４０１８５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
第１の実施形態において、システムは、ヘッド端部を有する燃焼器と、ヘッド端部内に配置されたバッキングプレートと、バッキングプレートに結合された燃焼器キャップと、を備えたタービンエンジンを含み、燃焼器キャップが燃料ノズルレセプタクルの周りに配置された複数のセグメントを含み、各セグメントが複数の空気噴出ポートを含む。
【０００６】
第２の実施形態において、システムは、複数のセグメントを備えたタービン燃焼器キャップを含み、複数のセグメントの各セグメントが、何れか１つの燃料ノズルレセプタクルを完全に囲むことなく、少なくとも２つの燃料ノズルレセプタクルに当接する縁部を有する。
【０００７】
第３の実施形態において、システムは、前面、裏面、及び縁部を各々が含む複数のセグメントを備えたタービン燃焼器キャップを含み、複数の燃料ノズルの縁部が、燃料ノズルレセプタクルの周りに配置され、各セグメントが、裏面からセグメントを通り前面から外に延びる複数の空気噴出ポートを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の１つの実施形態による、燃焼器に結合された燃料ノズルを有するタービンシステムのブロック図。
【図２】本発明の１つの実施形態による、複数の燃料ノズルが端部カバーに結合された、図１に示す燃焼器の切り欠き側面図。
【図３】本発明の１つの実施形態による、燃焼器キャップ組立体の正面図。
【図４】本発明の１つの実施形態による、図３の線４−４内に示すような図３の燃焼器キャップ組立体の詳細図。
【図５】本発明の１つの実施形態による、図３の線５−５に沿った断面図。
【図６】本発明の１つの実施形態による、図３に示す燃焼器キャップ組立体の分解後方斜視図。
【図７】本発明の１つの実施形態による、図３に示す燃焼器キャップ組立体の分解前方斜視図。
【図８】本発明の１つの実施形態による、図７の線８−８内に示す図７のバッキングプレート組立体の部分正面図。
【図９】本発明の１つの実施形態による、関連するバッキングプレート組立体を有する燃焼器キャップ組立体の斜視図。
【図１０】本発明の１つの実施形態による、図９の線１０−１０内に示す燃焼器キャップ組立体の斜視図。
【図１１】本発明の１つの実施形態による、図３及び９の線１０−１０内に示す燃焼器キャップ組立体の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１２】
以下で詳細に検討するように、タービン燃焼器キャップの実施形態は、ガスタービン燃焼器内の熱発生に伴う熱応力を低減するよう構成された複数のセグメントを含むことができる。例えば、複数のセグメントは、１つの燃料ノズル当たりに複数のセグメントを含むことができる。幾つかの実施形態において、各燃料ノズルは、燃料ノズルの周囲にある１つの連続した構造体ではなく、２、３、４、５、又はそれ以上のセグメントにより囲まれる。全体として、複数のセグメントは、１以上の燃料ノズルレセプタクルを有するプレート様の外形を定める。例えば、各燃料ノズルレセプタクルは、タービン燃焼器キャップの２以上の弓状縁部により定められ、これにより全体で燃料ノズル用の円形開口を定めることができる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、セグメントは、互いの間に空隙を生成して空気冷却を容易にすると同時に、ある程度の熱膨張を許容することができる。同様に、セグメントは、燃料ノズルに隣接して空隙を生成して冷却を容易にすると同時に、燃料ノズルに対してある程度の熱膨張を許容することができる。加えて、セグメントの実施形態は、熱膨張を逃がすために、例えば半径方向及び／又は円周方向の移動を可能にする機構を含むことができる。従って、空隙及び機構は、タービン燃焼器キャップにおける熱応力及び亀裂の可能性を実質的に低減することができる。
【００１４】
開示される実施形態はまた、複数のセグメントに結合されたバッキングプレートを含むことができ、該バッキングプレートは、セグメントの裏面に対して空気流を配向する。例えば、セグメントは、バッキングプレートから軸方向にオフセットし、中間冷却チャンバを定めることができる。バッキングプレートは、空気ジェットをセグメントの裏面に対して配向し、セグメントの衝突冷却を可能にするよう構成された空気ポートを含むことができる。特定の実施形態において、セグメントは、スタッドを介してバッキングプレートに結合することができ、スタッドは、半径方向に向けられたスロットを貫通して配置される。スタッドとスロットとの係合により、バッキングプレートに対するセグメントの移動（例えば、半径方向及び／又は円周方向）を可能にすることができ、これにより上述のような熱膨張に対する逃がしを提供する。
【００１５】
特定の実施形態において、セグメントは、噴出冷却を可能にするための開口（例えば、穿孔）を含むことができる。例えば、開口は、セグメントを貫通して裏面から前面に軸方向に通ることができる。開口は、前面に対して種々の角度（例えば、２０〜９０度）に向けることができる。特定の実施形態において、開口は、空気流を燃料ノズルに向けて収束するように配向することができる。しかしながら、あらゆる好適な開口構成は、開示される実施形態の範囲内にある。
【００１６】
次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、タービンシステム１０の１つの実施形態のブロック図が示されている。ブロック図は、燃料ノズル１２、燃料供給源１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、燃料供給源１４は、タービンシステム１０に対して液体燃料又は天然ガスなどのガス燃料を燃料ノズル１２を介して燃焼器１６内に送る。加圧空気と混合した後、燃焼器１６内で点火が起こり、結果として得られる排出ガスにより、タービン２０内のブレードを回転させる。タービン２０内のブレードとシャフト２２との間の結合によりシャフト２２の回転が生じ、シャフトはまた、図示のようにタービンシステム１０全体にわたり幾つかの構成部品に結合される。例えば、図示のシャフト２２は、圧縮機２４及び負荷２６に駆動可能に結合される。理解されるように、負荷２６は、発電プラント又は車両など、タービンシステム１０の回転出力により動力を発生することができるあらゆる好適なデバイスとすることができる。
【００１７】
供給空気２７は、導管を介して空気を吸気口２８に送ることができ、次いで、この空気は圧縮機２４に送られる。圧縮機２４は、シャフト２２に駆動可能に結合された複数のブレードを含み、これにより吸気口２８からの空気を加圧して、矢印２９で示すように、該空気を燃料ノズル１２及び燃焼器１６に送る。次いで、燃料ノズル１２は、参照符号１８で示すように、加圧空気及び燃料を混合し、最適な燃焼混合比、例えば、燃料がより完全に燃焼して燃料の浪費又は過剰なエミッションを生じないようにする燃焼をもたらすようにすることができる。タービン２０を通過した後、排出ガスは、排出出口３０においてシステムから外に出る。以下で詳細に検討するように、燃焼器１６の１つの実施形態は、燃焼器キャップ組立体を含み、各燃料ノズルの周囲にセグメント化されることにより、燃焼器１６内の熱膨張の逃がしを提供する。
【００１８】
図２は、複数の燃料ノズル１２を有する燃焼器１６の１つの実施形態の切り欠き側面図を示す。特定の実施形態において、燃焼器１６のヘッド端部３２は、端部カバー３４を含む。加えて、燃焼器１６のヘッド端部３２は、燃焼室３８を閉鎖し且つ燃料ノズル１２を収容する燃焼器キャップ組立体３６を含む。燃料ノズル１２は、燃料、空気、及び他の流体を燃焼器１６に送る。図において、複数の燃料ノズル１２が燃焼器１６の基部の近傍で端部カバー３４に取り付けられ、燃焼器キャップ組立体３６を通過する。例えば、燃焼器キャップ組立体３６は、１以上の燃料ノズル１２を受け、燃焼からの境界を生成する。各燃料ノズル１２は、加圧空気及び燃料の混合を可能にし、該混合気を燃焼器キャップ組立体３６を通して燃焼器１６の燃焼室３８内に配向する。次いで、空気燃料混合気は、燃焼室３８内で燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成することができる。これらの加圧排出ガスは、タービン２０内のブレードの回転を駆動する。燃焼器１６は、流れスリーブ４０及び燃焼ライナ４２を含み、燃焼室３８を形成する。特定の実施形態において、流れスリーブ４０及び燃焼ライナ４２は、互いに同軸又は同心であり、中空の環状スペースを形成し、冷却用の空気の通過及び燃焼ゾーン３８への流入（例えば、ライナ４２及び／又は燃料ノズル４２を介して）を可能にすることができる。ライナ４２の設計は、トランジションピース４６（例えば、収束セクション）を通り矢印線４８に沿ってタービン２０への空気燃料混合気の最適な流れを提供する。例えば、燃料ノズル１２は、加圧空気燃料混合気を燃焼室３８に分配することができ、ここで混合気の燃焼が起こるようになる。結果として得られる排出ガスは、トランジションピース４６を通って矢印線４８に沿ってタービン２０に流れ、シャフト２２と共にタービン２０のブレードの回転を引き起こす。
【００１９】
このプロセスの間、燃焼器キャップ組立体３６は、燃焼が起こるにつれて応力が生じる可能性がある。詳細には、加圧空気は、６５０〜１３００°Ｆ前後の温度になる場合があり、燃焼器キャップ組立体３６の熱膨張を引き起こす。燃料は、５０〜３５０°Ｆ前後になる可能性があり、これによりノズル１２の熱膨張を引き起こすが、燃焼器キャップ組立体３６の熱膨張の大きさよりも小さい。ノズル１２及び燃焼器キャップ組立体３６は、ステンレス鋼、合金、又は他の好適な材料など、同様の材料又は異なる材料から構成することができる。更に、燃焼により、燃焼器キャップ組立体３６が、約２０００°Ｆ〜３０００°Ｆ又はそれ以に及ぶ温度に曝される可能性がある。これらの種々の温度に曝された結果として、燃焼器キャップ組立体３６は、相当な熱応力を生じる可能性がある。以下で詳細に検討するように、燃焼器キャップ組立体３６のセグメンテーションは、例えば、燃焼器キャップ組立体３６の異なる構成部品の熱膨張により引き起こされる可能性がある応力の逃がしを提供することができる。
【００２０】
図３は、燃焼器キャップ組立体３６の１つの実施形態の正面図を示している。燃焼器キャップ組立体３６は、複数の噴出プレートセグメント５０、５２、及び５４を含むことができる。セグメント５０、５２、及び５４は、繰り返し可能なパターンで組み合わせて、燃焼器キャップ組立体３６の面５６を形成することができる。燃焼器キャップ組立体３６の面５６は、例えば、約１２と２８インチの間の直径５８を有する円形形状とすることができる。
【００２１】
複数のセグメント５０、５２、及び５４の各々は、前面６０、裏面、及び複数の縁部６２を含むことができる。複数のセグメント５０、５２、及び５４の複数の縁部６２の各々は、燃料ノズルレセプタクル６４を囲むノズルバーナ管体６３に当接することができる。ノズルバーナ管体６３は、例えば、流体漏出を阻止するため、燃料ノズルレセプタクル６４を通過する定量流体流れをレセプタクル６４と燃料ノズル１２との間に生成することができる。
【００２２】
図示のように、セグメント５０は、各々が別個の燃料ノズルレセプタクル６４に当接する３つの縁部６２を含むことができ、セグメント５２は、各々が別個の燃料ノズルレセプタクル６４に当接する２つの縁部６２を含むことができ、セグメント５４は、各々が別個の燃料ノズルレセプタクル６４に当接する５つの縁部６２を含むことができる。このように、各セグメント５０、５２、及び５４は、何れか１つの燃料ノズルレセプタクル６４を完全に囲むことなく、少なくとも２つの燃料ノズルレセプタクル６４に当接する縁部６２を含む。換言すると、各燃料ノズル１２は、１つの連続した構造体ではなく、複数のセグメントによって囲まれる。従って、燃焼器キャップ３６は、タービン燃焼器キャップの外周に沿って配置されたキャップセグメント５０の第１のセットと、タービン燃焼器キャップの中央領域の付近に配置されたキャップセグメント５４の第２のセットとを含むことができる。
【００２３】
更に、セグメント５０及び５２は、燃焼器キャップ組立体３６の外面５６の外周に沿った繰り返し可能なパターンで配置することができ、これによりセグメント５０及び５２は、互いに隣接して交互する円周方向位置に置かれる。加えて、セグメント５４は、上述の繰り返しセグメント５０及び５２に隣接し、燃焼器キャップ３６の外面５６から半径方向内向きにオフセットした中央領域の周りに繰り返し可能に配置することができる。
【００２４】
セグメント５０、５２の各々は、空気のような流体が噴出ポート６６（図４）を介してセグメント５０、５２、及び５４の面を通過できるようにすることができる。このように、セグメント５０、５２、及び５４を組み合わせて、噴出プレート４９、すなわち内部のポートを通る流体の流れを可能にするプレートを形成することができる。図４は、弓状線４−４を通るセグメント５０、５２、又は５４の何れかの面６０の部分平面図を示している。
【００２５】
図４に示すように、前面６０は、複数の噴出ポート６６、例えば、約１００〜５０００のポート６６を含む。セグメント５０、５２、及び５４の各々は、約１０〜５００の噴出ポート６６を含むことができる。例えば、セグメント５０、５２、及び５４の各々は、少なくとも約５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、又は４００の噴出ポート６６を含むことができる。１つの実施形態において、燃焼器組立体３６の噴出プレート４９全体にわたって合計で約１０００の噴出ポート６６が存在することができる。加えて、各噴出ポート６６は、約０．００４〜０．１００、０．０１０〜０．１００、０．０２０〜０．０４０、０．０２０〜０．０８０、０．０２０〜０．０３５、又は０．０５０〜０．０６０インチの直径を有することができる。例えば、各噴出ポート６６は、約０．０２０、０．０３０、０．０４０、０．０５０、０．０６０、０．０７０、０．０８０、０．０９０、又は０．１００インチの直径よりも小さくすることができる。１つの実施形態において、各セグメント５０、５２、及び５４は、少なくとも約１００の空気噴出ポートを含むことができ、ここで、各噴出ポートは、直径が約０．１００インチよりも少なくとも小さい。
【００２６】
上述のように、噴出ポート６６は、流体をセグメント５０、５２、及び５４に通し、セグメント５０、５２、及び５４の冷却を助けることができる。すなわち、空気噴出ポート６６は、裏面から軸方向にそれぞれのセグメント５０、５２、又は５４を通って延びて、燃焼器組立体３６の噴出プレート４９から出ることができる。更に、噴出ポート６６は、セグメント５０、５２、及び５４の各々の前面６０に対して角度を付けることができる。例えば、噴出ポート６６は、セグメント５０、５２、及び５４の各々の前面６０に対して約９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、及び／又は２０度の角度で噴出ポート６６から外に流体を通すことができる。別の実施形態において、噴出ポート６６は、セグメント５０、５２、及び５４の各々の前面６０に対して約４５度よりもほぼ小さい角度で位置付けることができる。或いは、各噴出ポート６６は、セグメント５０、５２、及び５４の各々の前面６０に対して約２０〜７０度の角度で位置付けることができる。更に、噴出ポート６６は、平行又は非平行、すなわち収束又は発散することができる。１つの実施形態において、噴出ポート６６は、燃料ノズル１２に向かって収束することができる。噴出ポート６６はまた、不規則なパターン又は体系的パターンで分散させることができる。
【００２７】
図３に戻ると、セグメント５０、５２、及び５４は各々、別個の燃料ノズルレセプタクル６４に当接する縁部６２を含むことができる。加えて、セグメント５０、５２、及び５４はまた、複数の靱帯状接続部６８を含むことができる。これらの靱帯状接続部６８は、互いに当接するセグメント５０、５２、及び５４の領域とすることができる。例えば、セグメント５０は、４つの靱帯状接続部６８（１つの靱帯状接続部６８と２つのセグメント５２の各々、及び１つの靱帯状接続部６８と２つのセグメント５４の各々）を含むことができ、セグメント５２は、３つの靱帯状接続部６８（１つの靱帯状接続部６８と２つのセグメント５２の各々、及び１つの靱帯状接続部６８と単一のセグメント５４）を含むことができる。同様に、セグメント５４は、５つの靱帯状接続部６８（１つの靱帯状接続部６８と２つのセグメント５０の各々、１つの靱帯状接続部６８と単一のセグメント５２、及び１つの靱帯状接続部６８と２つのセグメント５４の各々）を含むことができる。
【００２８】
靱帯状接続部６８は各々、空隙７０を含むことができる。従って、セグメント５０、５２、及び５４は各々、空隙７０により離隔することができる。この空隙は、図３の線５−５に沿った燃焼器組立体３６の断面を示している図５でより明確に分かる。空隙７０は、例えば、約０．０３〜０．３インチ幅とすることができる。図示のように、空隙７０はまた、軸方向矢印７１で示される軸方向経路に沿ってセグメント５２及び５４間の空気流を許容することができる。全体的に図３及び５を参照すると、噴出プレート４９は、複数のファスナー（例えば、ネジ付きスタッド又はボルト７４及びナット７６）によりバッキングプレート７２に結合される。図示の実施形態において、各スタッド７４は、スタッド７４とバッキングプレート７２との間の軸方向にスペーサ（例えば、１以上のワッシャ７８）を含むことができる。詳細には、噴出プレート４９（例えば、セグメント５０、５２、及び５４）は、スペーサ６９を介してバッキングプレート７２から軸方向にオフセットされ、噴出プレート４９の裏面７９の衝突冷却を可能にする中間冷却チャンバ７７を定める。従って、中間冷却チャンバ７７は、バッキングプレート７２と複数のセグメント５０、５２、及び５４との間にあり、バッキングプレート７２が、複数のセグメント５０、５２、及び５４の各セグメントの裏面（内面）７９に向かって配向された衝突通路を含むようにする。
【００２９】
バッキングプレート７２はまた、中間冷却チャンバ７７内に、更に噴出プレート４９のセグメント５０、５２、及び５４の裏面７９に対して直接エアジェットを配向するよう構成された１以上の空気通路又は衝突冷却ポート８０を含む。このように、バッキングプレート７２は、噴出プレート４９と協働して個々のセグメント５０、５２、及び５４の衝突冷却を可能にする。その結果、空気流は、噴出ポート６６を介して軸方向７１にセグメント５０、５２、及び５４を、並びに空隙７０を介して隣接するセグメント５０、５２、及び５４間を通過することができる。空気流はまた、セグメント５０、５２、及び５４と燃料ノズル１２との間を通過することができる。全体として、制限のない熱膨張をある程度許容することでセグメント化（例えば、セグメント５０、５２、及び５４）による熱応力を低減しながら、ポート６６を介した噴出冷却、及び空隙７０を介した中間冷却、並びにポート８０を介した衝突冷却によって、燃焼器キャップ組立体３６が実質的に冷却される。
【００３０】
空隙７０及び靱帯状接続部６８は、何れかの所与のセグメント５０、５２、及び５４の熱膨張を許容することができる。すなわち、幾つかのノズル１２は、燃焼器１６内の他のノズル１２よりも高い割合で加熱することができ、より高温のノズル１２の燃料ノズルレセプタクル６４に隣接するセグメント５０、５２、及び５４の何れかの縁部６２が、その他のセグメント５０、５２、及び５４よりも高い割合で半径方向（矢印８１で示す）に熱膨張するようになる。セグメント５０、５２、及び５４間に空隙７０を設けることによって、より高い強さの熱に曝される何れかのセグメント５０、５２、及び５４は、隣接する何れかのセグメント５０、５２、及び５４に衝突することなく熱膨張することができる。これにより、例えば、セグメント５０、５２、及び５４間の接触応力によってセグメントの亀裂を生じる場合がある相互の接触を生じることなく、セグメント５０、５２、及び５４が半径方向８１に熱膨張することができるので、全体として燃焼器キャップ組立体３６に作用する力の低減をもたらすことができる。例えば、空隙７０は、熱応力状態に曝されたときには、約４０、５０、６０、７０、８０、又は９０パーセント収縮することができる。
【００３１】
図６は、燃焼器キャップ組立体３６の１つの実施形態の分解後方斜視図であり、図７は、燃焼器キャップ組立体３６の１つの実施形態の分解前方斜視図である。図６及び７を全体的に参照すると、噴出プレート４９は、複数のスタッド７４及びナット７６によりバッキングプレート７２に結合される。上述のように、バッキングプレート７２は、噴出プレート４９と協働し、個々のセグメント５０、５２、及び５４の衝突冷却を可能にする。
【００３２】
図６及び７に更に示されるように、バッキングプレート７２は、半径方向８１及び円周方向８３でのセグメント５０、５２、及び５４の移動を可能にするよう構成することができる。例えば、スタッド７４は、バッキングプレート７２内の半径方向８１及び／又は円周方向８３のスロットを貫通して軸方向に通り、セグメント５０、５２、及び５４を軸方向で保持しながら、バッキングプレート７２に対するセグメント５０、５２、及び５４の半径方向及び／又は円周方向の移動をある程度許容することができる。これらのスロットはまた、図７の線８−８内に示された図７のバッキングプレート組立体の部分上面図を示す図８を参照しながら説明することができる。
【００３３】
１つの実施形態において、バッキングプレート７２は、少なくとも１つの円形スタッドレセプタクル７３と、少なくとも１つの細長スタッドレセプタクル７５とを含むことができる。例えば、バッキングプレート７２は、各セグメント５０、５２、及び５４の中央領域に円形スタッドレセプタクル７３を含むことができ、スタッド７４が、ほぼスタッドレセプタクル７３付近でそれぞれのセグメントを実質的に中心に置くようにする。すなわち、円形スタッドレセプタクル７３は、スタッド７４を中心として比較的厳しい公差を有する大きさにされ、中心スタッド７４でのセグメント５０、５２、及び５４の移動を阻止することができる。対照的に、バッキングプレート７２は、各セグメント５０、５２、及び５４の中央領域から離れた周辺位置に複数の細長スタッドレセプタクル７５を含むことができ、各スタッド７４がそれぞれの細長スタッドレセプタクル７５の長さ８５に沿って移動し、熱膨張に対する逃がしを提供することができる。特定の実施形態において、細長スタッドレセプタクル７５は、半径方向８１にのみ向けることができる。しかしながら、幾つかの実施形態は、半径方向８１及び円周方向８３、或いは円周方向のみに向けられた細長スタッドレセプタクル７５を含むことができる。上述のように、各スタッド７４は、それぞれのナット７６と嵌合し、セグメント５０、５２、及び５４をバッキングプレート７２に軸方向に固定する。特定の実施形態において、円形スタッドレセプタクル７３内に配置された中央スタッド７４上のナット７６は、中央スタッド７４の移動を拘束するよう完全に締結することができ、細長スタッドレセプタクル７５内に配置された周辺スタッド７４上のナット７６は、各セグメント５０、５２、又は５４の熱膨張を可能にするよう完全な締結未満にすることができる。或いは、周辺スタッド７４は、セグメント５０、５２、及び５４とバッキングプレート７２との間の軸方向の圧縮を制限する軸方向スペーサ（例えば、スリーブ）を含むことができる。従って、中央スタッド７４は、セグメント５０、５２、及び５４を中心に配置するためにバッキングプレート７２に固定装着することができ、半径方向内側及び外側スタッド７４は、中央スタッド７４に対して熱膨張を可能にするようある移動範囲でバッキングプレート７２に装着される。また、周辺スタッド７４は、各細長スタッドレセプタクル７５の長さ８５に沿った周辺スタッド７４の移動を可能にするために、細長スタッドレセプタクル７５に適合するような細長い形状にすることができる点は留意されたい。
【００３４】
図９は、燃焼キャップ組立体３６の別の実施形態の分解正面斜視図である。この場合も同様に、燃焼器キャップ組立体３６は、図３、５、６、及び７に関して上述したように、外面５６、直径５８、前面６０、縁部６２、燃料ノズルレセプタクル６４、靱帯状接続部６８、及び空隙７０を含む。しかしながら、図示の実施形態において、噴出プレート４９は、図３、４、及び５のセグメント５０、５２、及び５４と比較して、セグメント８４及び８６の異なるセットを有する。
【００３５】
更に、セグメント８４及び８６は、燃焼器キャップ組立体３６の外面５６の外周に沿って繰り返しパターンで配置することができ、これによりセグメント８４及び８６が互いに隣接して交互するパターンで置かれるようになる。図示のように、セグメント８４は、中央の燃料ノズルレセプタクル６４の周りに燃焼器キャップ組立体３６の外面５６から中央領域に延びる。セグメント８６は、中央の燃料ノズルレセプタクル６４に到達しないように、燃焼器キャップ組立体３６の外面５６から中央領域に向かって部分的にのみ延びる。図示の実施形態では、噴出プレート４９は、４つのセグメント８４及び４つのセグメント８６によって交互する対称パターンで定められる。このように、セグメント８４及び８６が組み合わされて、燃焼器キャップ組立体３６の外面５６全体を覆う。従って、燃焼器キャップ３６は、燃焼器キャップ３６の外周にのみ沿って配置されたキャップセグメント８６の第１のセットと、タービン燃焼器キャップの中央領域とタービン燃焼器キャップの外周の両方に沿って配置されたキャップセグメント８４の第２のセットとを含むことができる。
【００３６】
セグメント５０、５２、及び５４５と同様に、セグメント８４及び８６は、バッキングプレート７２内のスタッドレセプタクル９０と嵌合するよう構成された複数のネジ付きスタッド又はボルト８８を含む。上述のように、スタッドレセプタクル９０は、図８に示したのと同様に、円形スタッドレセプタクル７３及び細長スタッドレセプタクル７５を含むことができる。円形スタッドレセプタクル７３は、セグメント８４及び８６それぞれを固定するよう構成することができ、細長スタッドレセプタクル７５は、セグメント８４及び８６の半径方向８１及び／又は円周方向８３の移動を許容するよう構成することができる。例えば、円形スタッドレセプタクル７３は、各セグメント８４及び８６の中央位置に向けることができ、中央スタッドの保持（例えば、ナットによる）により、熱膨張又は収縮中のセグメント８４及び８６の中心位置が実質的に維持されるようになる。対照的に、細長スタッドレセプタクル７５は、該細長スタッドレセプタクル７５の長さに沿ったスタッド８８の移動を許容し、これにより熱膨張又は収縮の逃がしを提供する。
【００３７】
加えて、燃焼器キャップ組立体３６は、冷却及び熱膨張を可能にする様々な通路及びギャップを含む。例えば、図５の噴出プレート４９は、靱帯状接続部６８及び空隙７０を含む。空隙７０は、靱帯状接続部６８に沿った隣接セグメント８４及び８６間の熱膨張と空気流の冷却の両方を可能にする。例えば、セグメント８４及び８６は、燃料ノズル１２又は燃焼器キャップ組立体３６内の他の構成部品とは異なる熱膨張係数を有することができる。従って、構成部品は、異なる割合で膨張又は収縮することができる。空隙７０は、この外形変化に対する余裕を幾らか許容すると同時に、冷却空気がセグメント８４及び８６の縁部６２を直接冷却できるようにする。セグメント８４及び８６の縁部６２を冷却するための空隙７０への流体流の実施例は、図１０及び１１に示される。
【００３８】
図１０は、図３及び９の弓状線１０−１０内に示す燃焼器キャップ３６の１つの実施形態の部分斜視図である。図１０は、２つの燃料ノズルレセプタクル６４、空隙７０、バッキングプレート７２、及びセグメント９２を示している。理解されるように、セグメント９２は、図３、６、及び７に示すセグメント５０、５２、又は５４の１つ、又は図９に示すセグメント８４及び８６の１つを含むことができる。セグメント９２は、バッキングプレート７２に装着されて、クーラント流（例えば、空気流）用の中空スペース又は中間チャンバ９４を定め、これは図５の中間冷却チャンバ７７と同様とすることができる。中間チャンバ９４は、例えば、約０．０４〜０．２インチ幅未満とすることができる。上述のように、クーラント流（例えば、空気）は、バッキングプレート７２内の通路８０を通って中間チャンバ９４に入り、セグメント９２の裏面７９上に直接衝突することができる。このようにして、空気流は、セグメント９２の衝突冷却を提供する。加えて、セグメント９２は、該セグメント９２の噴出冷却を可能にする噴出ポート６６を含むことができる。しかしながら、セグメント９２はまた、何らかの噴出ポート６６が無くても利用することができ、空気の全てが、以下で説明される１以上の縁部出口９６を通過するようになる。
【００３９】
セグメント９２は、矢印１００で示される方向に１以上の冷却ジェット９８を伝送することができる１以上の縁部出口９６（例えば、冷却ジェット出口）を含む。各出口９６は、セグメント９２の出口面９３の面積の少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００パーセントの開口を含むことができる。更に、出口９６は、冷却ジェット９８を分割することができるディバイダ１０２を含むことができる。ディバイダ１０２は、隣接セグメント９２間の空隙７０に沿って冷却するために空隙７０に冷却ジェット９８の流れを配向するのに用いることができる。特定の実施形態において、ディバイダ１０２は、空気流を分割して、対向する燃料ノズルレセプタクル６４に向けて外向きに発散して送ることができる。
【００４０】
図１１は、図３及び９の弓状線１０−１０内に示す燃焼器キャップ３６の１つの実施形態の部分斜視図である。図１０の実施形態と同様に、図１１の図示の実施形態は、２つの燃料ノズルレセプタクル６４、空隙７０、バッキングプレート７２、及びセグメント９２を含む。理解されるように、セグメント９２は、図３、６、及び７に示すセグメント５０、５２、又は５４の１つ、又は図９に示すセグメント８４及び８６の１つを含むことができる。セグメント９２は、バッキングプレート７２に装着されて中間チャンバ９４（図１０）を定め、これは、通路８０（例えば、図５）から衝突クーラント流（例えば、空気流）を受けて、噴出ポート６６を通ってクーラント流を排出する。更に、セグメント９２はまた、何らかの噴出ポート６６が無くても利用することができ、空気の全てが、以下で説明される１以上の縁部出口１０４を通過するようになる。
【００４１】
加えて、図１１のセグメント９２は、矢印１００で示される方向に１以上の冷却ジェット９８を伝送することができる１以上の縁部出口１０４（例えば、冷却ジェット出口）を含む。フェースプレート１０６内の開口とすることができる出口１０４は、フェースプレート１０６の高さの少なくとも約５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、又は８０パーセントの大きさにすることができる。フェースプレート１０６は、隣接セグメント９２間の空隙７０に沿って冷却するために空隙７０に冷却ジェット９８の流れを配向するのに用いることができる。このように、出口１０４は、図１０に関して上述した出口９６と同様の方法で実質的に実施される。当然のことながら、出口１０４は、隣接セグメント９２間の冷却に好適なように出口９６と共に、或いは出口９６の代わりに利用することができる。
【００４２】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４３】
１０  タービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  燃料供給源
１６  燃焼器
１８  矢印
２０  タービン
２２  シャフト
２４  圧縮機
２６  負荷
２７  空気供給源
２８  吸気口
２９  矢印
３０  排気出口
３２  ヘッド端部
３４  端部カバー
３６  燃焼器キャップ組立体
３８  燃焼室
４０  流れスリーブ
４２  燃焼ライナ
４４  中空環状スペース
４６  トランジションピース
４８  矢印線
４９  噴出プレート
５０  噴出プレートセグメント
５２  噴出プレートセグメント
５４  噴出プレートセグメント
５６  面
５８  直径
６０  前面
６２  縁部
６３  ノズルバーナ管体
６４  燃料ノズルレセプタクル
６６  噴出ポート
６８  靱帯状接続部
７０  空隙
７１  軸方向
７２  バッキングプレート
７４  スタッド
７６  ナット
７７  冷却チャンバ
７８  ワッシャ
７９  裏面
８０  冷却ポート
８１  半径方向
８２  燃焼器キャップ組立体
８３  円周方向
８４  キャップセグメント
８５  長さ
８６  キャップセグメント
８８  スタッド
９０  スタッドレセプタクル
９２  セグメント
９４  中間チャンバ
９６  縁部出口
９８  冷却ジェット
１００  矢印
１０２  ディバイダ
１０４  出口
１０６  フェースプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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