(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
概して円筒状の燃焼ライナにおいて、
内壁と、
該内壁からライナ壁厚によって分離された外壁と、
入口端部と、
該入口端部とは反対側の出口端部と、
前記外壁の周囲に位置決めされた複数の支持タブアセンブリと、を備え、
各支持タブアセンブリは、前記外壁から半径方向外方へ延びた２つの平行なライナタブを有しており、各ライナタブは、それぞれ、流れスリーブのペグに形成された各スロット内に係合するものであることを特徴とする、概して円筒状の燃焼ライナ。
【請求項２】
前記外壁は、さらに、該外壁から半径方向外方へ延びる複数の突出面を有し、該複数の突出面は、前記ライナ壁厚を横切る熱伝達を改良するための増大した表面積を提供する、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項３】
前記複数の支持タブアセンブリは、燃焼領域の半径方向外側において前記燃焼ライナに位置決めされており、前記外壁において複数の突出面を有さない燃焼ライナの領域を形成している、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項４】
前記内壁は、さらに、サーマルバリアコーティングを有する、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項５】
前記平行なライナタブは、ライナ外壁に溶接またはろう付けされている、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項６】
前記支持タブアセンブリは、前記燃焼ライナと類似の材料から製造されている、請求項１記載の燃焼ライナ。
【請求項７】
ガスタービン燃焼器に燃焼ライナを固定するための支持システムにおいて、
前記燃焼ライナの外壁から半径方向外方へ延びる複数のライナタブ対を備え、各ライナタブ対は、軸方向長さ、高さおよび厚さを有するライナタブであって、それぞれ、流れスリーブのペグに形成された各スロット内に係合するライナタブを有し、燃焼ライナに固定されており、ライナタブ間隙によって離間させられており、ライナタブ対が燃焼ライナにおいて燃焼領域の半径方向外側に配置されるように燃焼ライナの開口から所定の軸方向距離だけ間隔を置かれていることを特徴とする、支持システム。
【請求項８】
前記タブは、前記燃焼ライナの材料と類似の材料から製造されている、請求項７記載の支持システム。
【請求項９】
前記タブは、前記燃焼ライナに溶接またはろう付けされている、請求項７記載の支持システム。
【請求項１０】
前記タブの軸方向長さは、前記タブの高さよりも大きく、前記タブの高さは、前記タブの厚さよりも大きく、平行なタブの間のライナタブ間隙は、約０．５インチである、請求項７記載の支持アセンブリ。
【請求項１１】
燃焼ライナとライナ支持アセンブリとの間の境界面における熱的応力を低減する方法において、
複数のライナ支持アセンブリを燃焼ライナの外壁に等間隔で固定することを含み、各ライナ支持アセンブリは、２つの平行なライナタブを有し、該ライナタブは、外壁から半径方向外方へ延びており、さらに接線方向の間隙によって分離されるように、向きづけられていて、各ライナタブは、それぞれ、流れスリーブのペグに形成された各スロット内に係合することを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記ライナ支持アセンブリの固定は、前記タブの基部を前記燃焼ライナの外壁に溶接またはろう付けすることによって行われる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ライナタブは、前記ライナ壁部の開口を貫通しており、前記タブが燃焼領域の半径方向外側に配置されるように、入口端部から前記燃焼ライナの外壁に沿って所定の軸方向距離に位置決めされている、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
平行なライナタブのセットは、前記燃焼ライナの外壁の周囲に約１２０度の間隔で等しく間隔を置かれている、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
冷却空気は、ライナの外壁に沿って、かつライナタブの間を通過する、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃焼ライナ取付けシステムにおける機械的および熱的応力を改良するためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、燃焼領域に隣接して位置決めされた取付けシステムを補償する、取付けシステムにおける改良が提供される。
【０００２】
発明の背景
ガス駆動式タービンから汚染エミッションの量を低減する努力において、政府省庁は、窒素酸化物（ＮＯｘ）および一酸化炭素（ＣＯ）の量の低減を要求する多くの規則を制定してきた。より少ない燃焼エミッションは、しばしば、特に燃料インジェクタ位置および混合効率に関して、より効率的な燃焼プロセスに帰することができる。
【０００３】
早期の燃焼システムは、拡散型ノズルを利用していた。拡散型ノズルでは、燃料は、火炎領域の近くで、拡散によって、燃料ノズルの外部の空気と混合される。拡散型ノズルは、十分な燃焼器安定性および低い燃焼ダイナミクスを維持するために燃料と空気とが高温において化学量論的に燃焼することにより、大量のエミッションを発生する。
【０００４】
燃焼技術の向上は、予混合の利用であり、燃料と空気は燃焼前に混合され、均質な混合物を形成する。均質な混合物は、拡散型火炎よりも低温で燃焼し、より少ないＮＯｘエミッションを発生する。予混合は、それが燃焼領域の上流である限り、燃料ノズルの内部または外部において生じ得る。従来の予混合燃焼器において使用される燃焼ライナの一例が図１に示されている。燃焼ライナ１００は、概して円筒形であり、入口端部１０２と、反対側の出口端部１０４とを有する。複数の燃料ノズル（図示せず）は、燃焼ライナ１００内へ燃料を噴射し、圧縮空気と混合させ、燃料−空気予混合物を形成するために、入口端部１０２に位置決めされている。次いで、この予混合物は、点火され、燃焼し、高温の燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは、次いで、エンジンのタービンを駆動し、推進動力のための推力または発電機を駆動するための機械的エネルギを提供するために使用される。
【０００５】
ガスタービンエンジン用の燃焼システムは、様々な構成を有することができる。概して、議論のために、ガスタービンエンジンは、ここに開示される低エミッション燃焼器を有してよく、ガスタービンエンジンの周囲に缶型環状構成で配置されていてよい。ガスタービンエンジンの１つのタイプ（例えばヘビーデューティガスタービンエンジン）には、通常、６〜１８個の個々の燃焼器が設けられていてよいが、このような数に限定されない。各燃焼器は、ケーシングと、流れスリーブと、燃焼ライナと、燃料ノズルと、端部カバーとを有する。
【０００６】
低エミッション燃焼器に提供される空気の量を調節するために、図２の部分断面図に示されているように、燃焼ライナ１００の周囲に流れスリーブ１１０が位置決めされている。より具体的には、燃焼ライナ１００は、半径方向で流れスリーブ１１０内に配置されており、流れスリーブ１１０は、半径方向で燃焼器ケーシング１１２内に配置されている。流れスリーブ１００は、ケーシングフランジ１１６内に固定された前方フランジ１１４によって、軸方向位置においてケーシング１１２内に固定されている。しかしながら、流れスリーブ１１０のように、燃焼ライナ１００もまた、燃料ノズルおよびその他の係合するハードウェア（図示せず）がガスタービン燃焼器内に適切に位置決めされるように、適切な軸方向位置に固定されなければならない。
【０００７】
従来技術の燃焼システムは、燃焼ライナ１００を様々な形式で所定の位置に位置決めおよび固定することを試みた。例えば、図１から図３までを参照すると、燃焼ライナを流れスリーブに固定する一般的な技術は、ライナが、複数のＴ字形のタブ１１８を有することであり、これらのＴ字形のタブ１１８は、燃焼ライナ１００から半径方向外方へ延びており、対応する流れスリーブペグ１２０のスロットに受容される。しかしながら、図３に示したように、この技術は、燃焼ライナ１００の外壁に固定された厚いＴ字形のライナタブ１１８を有し、このような厚いタブ設計は、その形状、各タブに加わる荷重の大きさ、およびタブと燃焼器ライナとの間の接合のために用いられる溶接技術により、高い熱的および機械的応力を生じる。同様のＴ字形のライナタブ１１８は、図４において、択一的な燃焼ライナの外面に示されている。
【０００８】
燃焼ライナを流れスリーブに固定するための択一的な従来の設計が、図５および図６に示されている。図５には、従来の燃焼ライナ５００が透視図で示されており、等間隔で配置された４つのライナタブ５０２を有している。この燃焼システムでは、燃料−空気の混合および燃焼の構成により、ライナタブ５０２は、高い作動温度および高い熱的応力に曝されていた。なぜならば、ライナタブ５０２は、燃焼領域の半径方向外側に配置されていたからである。ライナタブ５０２は、図６により詳細に示されている。ライナタブ５０２は、反転された概してＵ字形の部分５０４と、タブ延長部５０６とを含む、概してピッチフォーク状の形状を有している。概してＵ字形の部分５０４は、接合部５０８に沿って燃焼ライナ５００に溶接されている。この従来の設計は、図１から図４までに関連して上述したように、厚いライナタブ部分を燃焼ライナから排除することを試みた。しかしながら、これらの設計変更にもかかわらず、接合部５０８は、燃焼ライナ５００において最も高い作動応力の一部を受けていた。このような高い応力は、少なくとも部分的に、ライナタブ５０２の剛性によるものであった。
【０００９】
したがって、燃焼ライナを適切な位置に固定することができ、かつ燃焼ライナが故障しないように、燃焼ライナおよび流れスリーブの境界面の機械的および熱的な負荷条件を満たす択一的な設計を提供する必要がある。
【００１０】
発明の概要
本発明は、燃焼ライナをガスタービン燃焼器内に固定するための改良された手段を有する燃焼ライナを開示する。本明細書に開示された固定手段の結果、燃焼ライナのためのより作動応力が低下し、耐久性が高まる。
【００１１】
本発明の１つの実施の形態では、内壁と、外壁と、入口端部と、反対側の出口端部と、外壁の周囲に位置決めされた複数の支持タブアセンブリとを有する、概して円筒状の燃焼ライナが開示される。各支持タブアセンブリは、燃焼ライナの外壁から半径方向外方へ延びる２つの平行なライナタブを有する。
【００１２】
本発明の択一的な実施の形態では、燃焼ライナをガスタービン燃焼器に固定するための支持システムが開示される。支持システムは、燃焼ライナの外壁から半径方向外方へ延びる複数のライナタブ対を有する。ライナタブは、ライナ外壁に固定されており、ライナタブによって離間させられており、燃焼ライナ入口から軸方向に離れて位置し、これにより、ライナタブは、燃焼ライナの燃焼領域の半径方向外側に位置している。
【００１３】
本発明のさらに別の実施の形態では、燃焼ライナと、ライナ支持アセンブリとの間の境界面における熱的応力を低減する方法が開示される。この方法は、燃焼ライナの外壁に複数のライナ支持アセンブリを固定し、各ライナ支持アセンブリは、燃焼ライナから半径方向に延び、所定の距離だけ間隔を置かれた２つの平行なライナタブを有する。
【００１４】
本発明の付加的な利点および特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。ここで、添付の図面を特に参照して、本発明を説明する。
【００１５】
添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術による燃焼ライナの透視図である。
【図２】従来のガスタービン燃焼器の部分的な断面図である。
【図３】従来技術の図２のガスタービン燃焼器の択一的な図である。
【図４】従来技術の択一的な実施の形態による燃焼ライナの透視図である。
【図５】従来技術のさらに別の択一的な実施の形態による燃焼ライナの透視図である。
【図６】図５の従来の燃焼ライナの一部の詳細な透視図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態が適用された低エミッションガスタービン燃焼器の断面図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態による、図７のガスタービン燃焼器の断面図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態による、図８の一部の詳細な断面図である。
【図１０】本発明の１つの実施の形態による燃焼ライナの斜視図である。
【図１１】本発明の１つの実施の形態による、図１０の燃焼ライナの一部の詳細な透視図である。
【図１２】本発明の１つの実施の形態による、図１０の燃焼ライナの一部の詳細な平面図である。
【００１７】
発明の詳細な説明
引用により、本願は、米国特許第６９３５１１６号明細書、米国特許第６９８６２５４号明細書、米国特許第７１３７２５６号明細書、米国特許第７２３７３８４号明細書、米国特許第７５１３１１５号明細書、米国特許第７６７７０２５号明細書および米国特許第７３０８７９３号明細書の内容を含む。
【００１８】
ここで、図７から図１２までを特に参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。ここで図７を参照すると、低エミッションガスタービン燃焼器７５０において使用するための燃焼ライナ７００が示されている。図１０を参照すると、燃焼ライナ７００は、概して円筒形であり、内壁７０２と、内壁７０２からライナ壁厚の分だけ離れた外壁７０４とを有している。燃焼ライナの高まった作動温度を補償するために、内壁７０２の一部は、概してボンドコーティングおよびセラミックトップコーティングを含むサーマルバリアコーティング（断熱皮膜）によって被覆されている。
【００１９】
燃焼ライナ７００はさらに、入口端部７０６と、反対側の出口端部７０８とを有する。複数の突出面７１０が、燃焼ライナの外壁７０４に沿って配置されており、半径方向外方へ延びている。図１０から図１２により明らかに示された突出面７１０は、外壁７０４に沿って通過する圧縮空気によって冷却されるために利用可能な、燃焼ライナの利用可能な表面積を増大させるように、外壁７０４の総表面積の増大を提供している。冷却することができる総表面積の増大は、燃焼ライナ７００の厚さを横切る熱伝達を改良する。当業者が理解するように、突出面７１０は、冷却効率を改良するために、通過空気流を“トリップする”または空気流パターンを妨害するためにも機能する。突出面７１０のサイズおよび形状は、燃焼ライナ７００に対する冷却要求に応じて変化することができる。図１０から図１２に示された本発明の実施の形態の場合、突出面７１０の半径方向で最も外側の箇所が外壁７０４よりも大きな直径を有するように、突出面７１０は概して三角形である。しかしながら、突出面７１０は、円形、正方形または長方形を含む択一的な形状であってもよい。突出面は、最大冷却効率を必要とする燃焼ライナ７００の長さに沿って延びている。
【００２０】
燃焼ライナ７００は、複数の支持タブアセンブリ７１２をも有する。図８により詳細に示された支持タブアセンブリ７１２は、燃焼ライナ７００の外壁７０４の周囲に位置決めされている。各支持タブアセンブリは、２つの平行なライナタブ７１４を有する。ライナタブ７１４は、接線方向に間隔を置いて配置されており、外壁７０４に固定され、外壁７０４から半径方向外方へ延びている。好適には、３つの支持タブアセンブリ７１２は、燃焼ライナ７００の外壁７０４の周囲に約１２０度の間隔を置いて配置されている。
【００２１】
図１０に示したように、複数の突出面７１０は、燃焼ライナ７００の軸方向長さの大部分に沿って延びている。しかしながら、図１１および図１２に示したように、支持タブアセンブリ７１２の燃焼ライナ７００の領域において、複数の突出面が中断され、外壁７０４の滑らかな領域７０５、もしくは突出面７１０を有さない燃焼ライナ外壁の領域を形成している。
【００２２】
燃焼ライナは、燃焼プロセスが生じるための位置を提供している。燃焼領域７５２は、燃焼ライナ７００内に配置されており、これにより、燃焼ライナ７００の取り囲んだ部分を加熱する。ガスタービン燃焼器７５０の形状により、支持タブアセンブリ７１２が燃焼領域７５２の半径方向外側に位置するように、支持タブアセンブリ７１２を、入口端部７０６から所定の距離だけ軸方向下流に配置する必要がある。これにより、支持タブアセンブリ７１２は、従来のライナタブよりも高い作動温度に曝される。したがって、高まった作動温度により、支持タブアセンブリ７１２に関連したあらゆるヒートシンク、または熱、および結果的な熱的応力を燃焼領域７５２から吸収することができるその他の構造を最小限にする必要がある。
【００２３】
上述のように、支持タブアセンブリ７１２は、一対の平行なライナタブ７１４を有している。ライナタブ７１４は、燃焼ライナ７００の外壁７０４から半径方向外方へ延びており、各ライナタブ７１４は、軸方向長さＬ、半径方向高さＨ、および厚さＴを有しており、燃焼ライナに固定されている。図１０から図１２に示された本発明の実施の形態の場合、タブの軸方向長さＬは、半径方向高さＨよりも大きく、高さＨは、厚さＴよりも大きい。ライナタブ７１４は、溶接などの手段によって燃焼ライナ７００の外壁７０４に固定されており、完全溶込み溶接接合部７１６を形成している。ライナタブ７１４は外壁７０４に固定されているので、ライナタブ７１４は、燃焼ライナ７００の材料に類似の材料から製造されていることが好ましい。本発明の択一的な実施の形態では、ライナタブ７１４および燃焼ライナ７００は、択一的な構造を有することができる。この択一的な構造では、燃焼ライナに開口が切り取られており、ライナタブは、この開口を貫通し、次いで燃焼ライナに固定される。さらに別の択一的な実施の形態では、ライナタブを備える機械加工されたプレートを、ライナのポケットに溶接することができ、これにより、機械加工されたプレートが、図１から図４の従来技術のようにライナ壁部の上側に載置される代わりに、ライナ壁部の一部を形成する。ろう付けなどの、ライナタブを固定する択一的な手段を、溶接に代わりに利用することができる。
【００２４】
ライナタブ７１４は、概して平行であり、ライナタブ間隙Ｇによって離間させられている。特定の間隙は、燃焼ライナおよび流れスリーブの特定の設計要求に応じて変化し得るが、図１０から図１２に示された実施の形態の場合、ライナタブ７１４の間の間隙Ｇは、約０．５インチである。ライナタブ７１４の間に間隙Ｇを配置することにより、圧縮空気がライナタブの間を流過させられ、これにより、冷却空気をライナタブ７１４の全ての側に提供する。
【００２５】
図８および図９を再び参照すると、流れスリーブ７０１における燃焼ライナ７００の係合が示されている。各ライナタブ７１４は、流れスリーブ７０１のペグ７０３に形成されたスロット内に配置されている。ペグ７０３は、ライナが取り付けられる固定位置を提供し、ガスタービン燃焼器内での燃焼ライナ７００の適切な軸方向位置決めを保証する。流れスリーブの材料は燃焼ライナタブ７１４よりも概して硬いので、ライナタブが摩耗される傾向がある。燃焼ライナタブ７１４の摩耗を防止するために、流れスリーブスロットは、ライナタブ７１４よりも柔軟な摩耗コーティングによって被覆されており、これにより、この境界面において生じるあらゆる摩耗は、摩耗コーティングにおいて生じる。
【００２６】
上述のように、各ライナタブ７１４は、軸方向長さ、半径方向高さおよび厚さを有する。ライナタブ７１４の特定のサイズおよび形状は、燃焼器設計に応じて変化するが、図７から図１２までに開示された実施の形態の場合のライナタブ７１４の厚さＴは、従来の１つのＴ字形ライナタブよりも薄いということが重要である。様々な試験および分析により、複数の、ただしより薄いライナタブの使用は、隣接するタブを切り離すことにより熱的応力が低減され、かつより薄いライナタブがより少ないヒートシンクおよびより小さな熱的勾配を形成するという点で、従来技術よりも利点を提供することが決定された。さらに、ライナに直接に固定されたライナタブ７１４の場合、ライナタブは、図１から図４に示されたＴ字形突起のような従来の設計と比べ、燃焼ライナにおいて最小限の“フットプリント”を生じる。より具体的には、Ｔ字形プレートではなく、ライナタブのみをライナに固定することにより、燃焼ライナから熱を吸収する材料は少なくなる。本発明は、面取りされた縁部、すみ肉半径などのその他の応力低減設計特徴、および応力をさらに低減するための改良された柔軟性を有する。例えば、ライナタブ４０２よりも本発明のライナタブ７１４を利用することは、約４０％の、上方への最大の集中した応力の低減を示した。
【００２７】
柔軟性および改良された熱伝達能力に加えて、複数のライナタブ７１４を利用することは、係合する流れスリーブとの複数の接触箇所により、より強い燃焼ライナ支持を提供する。また、複数のライナタブ７１４は、流れスリーブペグ７０３と係合したときに、摩耗面における対応する増大を提供する。当業者が理解するように、ライナタブ７１４が流れスリーブに係合させられ、燃焼器が作動しているとき、燃焼ライナは、高レベルの振動を生じる。これにより、燃焼ライナタブ７１４は、流れスリーブペグ７０３内で振動し、通常、ライナタブ７１４に摩耗を生じる。したがって、摩耗を受けることができる付加的な表面を提供することは、従来のライナタブにおいて生じるあらゆる集中した摩耗を低減する。
【００２８】
現時点で好適な実施の形態として知られるものについて、本発明は説明されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるのではなく、反対に、以下の請求項の範囲の様々な変更および同等の配列を包含することが意図されている。本発明は、全ての観点から制限的ではなく例示的である特定の実施の形態に関して説明されている。硬化面表面以外のシュラウド面の機械加工および硬化面の運転により生じた摩耗などの、択一的な実施の形態および所要の運転は、発明の範囲から逸脱することなく、本発明が属する技術分野の当業者に明らかになるであろう。
【００２９】
前記説明から、本発明が、システムおよび方法にとって明白でかつ固有である他の利点とともに、全ての目的および課題を達成するために十分に適応されたものであることが分かる。ある特徴および準組合せは利用でき、他の特徴および準組合せを参照することなく使用されて良いことが理解されるであろう。これは、請求項の範囲によっておよび請求項範囲において考慮される。
【図１】
0006316302.tif 000002
【図２】
0006316302.tif 000003
【図３】
0006316302.tif 000004
【図４】
0006316302.tif 000005
【図５】
0006316302.tif 000006
【図６】
0006316302.tif 000007
【図７】
0006316302.tif 000008
【図８】
0006316302.tif 000009
【図９】
0006316302.tif 000010
【図１０】
0006316302.tif 000011
【図１１】
0006316302.tif 000012
【図１２】
0006316302.tif 000013