(57)【要約】【課題】タービン燃料ノズル組立体を提供する。【解決手段】本発明の１つの態様によると、タービン用の燃料ノズル組立体は、内側導管と、内側導管に結合してガス燃料の流れのためのチャンバを形成するフランジとを含む。さらに、フランジは、内側導管に結合されたダイアフラム部材を含み、またダイアフラム部材は、内側導管及びフランジ間の相対運動に応答して撓むように構成される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側導管（２０４、３０４）と、
前記内側導管（２０４、３０４）に結合してガス燃料の流れのためのチャンバ（２２１、３３１）を形成するフランジ（２０２、３０２）と
を備えるタービン用の燃料ノズル組立体（２００）であって、前記フランジ（２０２、３０２）が、前記内側導管（２０４、３０４）に結合されたダイアフラム部材（２１４、３１４）を含んでおり、前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）が、前記内側導管（２０４、３０４）及びフランジ（２０２、３０２）間の相対運動に応答して撓むように構成される、組立体。
【請求項２】
前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）が、継手（２２４、３２４）により前記内側導管（２０４、３０４）に結合され、前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）を撓ませることにより、前記内側導管（２０４、３０４）の軸方向移動時における前記継手（２２４、３２４）への応力を減少させる、請求項１記載の組立体。
【請求項３】
前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）が、前記フランジ（２０２、３０２）に対する前記内側導管（２０４、３０４）の第１の特性による該内側導管（２０４、３０４）の軸方向移動を補償するように撓むように構成される、請求項１記載の組立体。
【請求項４】
前記フランジ（２０２、３０２）に対する前記内側導管（２０４、３０４）の第１の特性が、熱膨張係数を含む、請求項３記載の組立体。
【請求項５】
前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）が壁を含みかつ前記内側導管（２０４、３０４）が壁を含み、前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）壁が、前記内側導管（２０４、３０４）壁よりも約１〜３倍厚い、請求項１記載の組立体。
【請求項６】
タービン内に燃料を流す方法であって、
内側導管（２０４、３０４）内に空気を導くステップと、
継手（２２４、３２４）によって結合された前記内側導管（２０４、３０４）及びフランジ（２０２、３０２）間の空洞内に燃料を導くステップと、
前記フランジ（２０２、３０２）内のダイアフラム部材（２１４、３１４）を撓ませて、それにより前記内側導管（２０４、３０４）及びフランジ（２０２、３０２）間の前記継手（２２４、３２４）への応力を減少させるステップと
を含む方法。
【請求項７】
前記ダイアフラム部材（２１４、３１４）を撓ませるステップが、前記内側導管（２０４、３０４）を冷却することにより該内側導管（２０４、３０４）の軸方向移動を補償するステップを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記燃料を導くステップが、前記フランジ（２０２、３０２）の基部の半径方向壁内の通路を通して燃料を導くステップを含む、請求項６記載の方法。
【請求項９】
スウォズル内で加圧空気を前記燃料と混合するステップを含む、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記内側導管（２０４、３０４）内に空気を導くステップが、ベローズ（３２８）を通して空気を導くステップを含む、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、タービンに関し、より具体的には、ガスタービン用の燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、燃焼器が、燃料又は空気−燃料混合気の化学的エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、多くの場合は圧縮機からの加圧空気である液体によってタービンに運ばれ、タービンにおいて、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換される。燃料及び／又は空気は、１以上の燃料ノズルにより燃焼器内に導かれる。態様では、燃料ノズルは、異なる材料で製作された複数の構成要素を含む組立体である。燃料ノズル組立体内の流動燃料及び空気間における温度差は、ノズル構成要素の熱膨張及び対応する移動を引き起こして、構成要素及び該構成要素間の接合部に磨耗及び亀裂を生じさせるおそれがある。燃料ノズル構成要素の相対移動（運動）を生じる応力の減少は、燃料ノズル及びタービンの耐久性及び信頼性を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願第１３９８５７２号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様によると、タービン用の燃料ノズル組立体は、内側導管と、内側導管に結合してガス燃料の流れのためのチャンバを形成するフランジとを含む。さらに、フランジは、内側導管に結合されたダイアフラム部材を含み、またダイアフラム部材は、内側導管及びフランジ間の相対運動に応答して撓むように構成される。
【０００５】
本発明の別の態様によると、タービン内に燃料を流す方法は、内側導管内に空気を導くステップと、継手によって結合された内側導管及びフランジ間の空洞内に燃料を導くステップとを含む。本方法はさらに、フランジ内のダイアフラム部材を撓ませて、それにより内側導管及びフランジ間の継手への応力を減少させるステップを含む。
【０００６】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【０００７】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃焼器、燃料ノズル、圧縮機及びタ−ビンを備えたガスタービンエンジンの実施形態の概略図。
【図２】燃料ノズル組立体の実施形態の側面断面図。
【図３】燃料ノズル組立体の別の実施形態の側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１０】
図１は、ガスタービンシステム１００の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。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によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト又は互いに結合されてシャフト１０８を形成した複数のシャフトセグメントとすることができる。
【００１１】
態様では、燃焼器１０４は、天然ガス又は水素リッチ合成ガスのような液体並びに／或いは気体（ガス）燃料を使用して、エンジンを作動させる。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給及び燃料供給１１２と流体連通状態になっている。燃料ノズル１１０は、空気−燃料混合気を形成し、その空気−燃料混合気を燃焼器１０４内に噴射し、それによって高温加圧排出ガスを発生させる燃焼を生じさせる。燃焼器１００は、トランジションピースを通してタービンノズル（又は、「第一段ノズル」）内に高温加圧排出ガスを導いて、タービン１０６の回転を生じさせる。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、それによって空気が圧縮機１０２内に流れる時に該空気を加圧する。実施形態では、燃料ノズル１１０の各々は、燃料ノズル１１０構成要素の相対移動を可能にするように構成されたダイアフラム部材を含む。燃料ノズル１１０構成要素は、該燃料ノズル１１０構成要素の温度差及び異なる材料膨張率により相対移動を受ける可能性がある。図２及び図３を参照して、燃料ノズル１１０組立体の例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。
【００１２】
図２は、ガスタービンシステム１００（図１）で使用される燃料ノズル組立体２００の実施形態の側面断面図である。燃料ノズル組立体２００は、それら全てがノズル軸線２０２の周りに配置された、フランジ２０２、内側導管２０４、スウォズル２０６及びシュラウド２０８を含む。接合部２１２が、フランジ２０２を内側導管２０４（「内側チューブ」とも呼ばれる）に結合し、接合部２１２は、燃料ノズル組立体２００構成要素の高温撓み及び相対移動に耐えるように構成された継手を含む。図示するように、フランジ２０２は、フランジ２０２及び内側導管２０４のようなタービン構成要素間の相対移動を補償するように撓む又は変形するように構成される。一実施形態では、ダイアフラム部材２１４は、フランジ２０２の基部内の半径方向壁であり、ここでダイアフラム部材２１４の厚さ２１６は、該ダイアフラム部材２１４を撓ませ、従って内側導管２０４に対するフランジ２０２の移動を補償するのを可能にするように構成される。フランジ２０２は、チャンバ２２１内への燃料流れ２２０のための通路２１８を含む。実施形態では、内側導管２０４は、軸線２１０に沿って燃料ノズル組立体２００内に空気流れ２２２を受ける。空気及び燃料は、接合部２２４においてフランジ２０２に結合されたスウォズル２０６内で混合される。スウォズル２０６は、圧縮機１０２（図１）から加圧空気流れ２２６を受けて、燃焼器１０４（図１）内での燃焼のために燃料流れ２２０と混合させる。
【００１３】
ダイアフラム部材２１４は、燃料ノズル組立体２００内の高温かつ加圧流体流れの熱及び圧力に耐えるように構成された耐久性材料を含む。例示的な材料には、複合材並びにステンレス鋼のような金属又は鋼合金を含むことができる。さらに、ダイアフラム部材２１４材料は、内側導管２０４及びフランジ２０２のような燃料ノズル組立体２００の構成要素の膨張に応答して弾性変形するように構成される。フランジは、金属材料、複合材料又は鋼合金を含むあらゆる好適な耐久性強力材料を含む。例示的な実施形態では、フランジ２０２及びダイアフラム部材２１４は、一体に形成されかつステンレス鋼のような同一の材料を含む。他の実施形態では、フランジ２０２及びダイアフラム部材２１４は、同一の材料で形成することができるか或いはできない別個の構成要素である。実施形態では、燃料流れ２２０は、それがチャンバ２２１に流入する時に約２０℃であり、また加圧空気流れ２２６は約４３０℃であり、その場合には、比較的低温燃料流れ２２０より、加圧空気流れ２２６によって加熱されたフランジ２０２に対する内側導管２０４の縮小又は収縮が生じる。従って、フランジ２０２に対する内側導管２０４の軸方向収縮、膨張及び／又は全体移動が、ダイアフラム部材２１４の撓み又は弾性変形によって補償される。ダイアフラム部材２１４の弾性変形は、正逆両方向である。内側導管２０４及びフランジ２０２のような構成要素間の熱及び／又は材料差による膨張により、ダイアフラム部材２１４の弾性変形を引き起こす力が生じる。タービンエンジンが冷却状態にありかつ作動していない場合のような力が作用していないと、ダイアフラム部材２１４は、その元の形状に戻る。
【００１４】
さらに図２を参照すると、例示的なダイアフラム部材２１４は、燃料ノズル組立体２００内の撓み、圧力及び温度に耐えるように構成されたステンレス鋼を含む。加えて、ダイアフラム部材２１４の厚さ２１６は、内側導管２０４の厚さ２２８の約１〜約５倍の範囲にある。例えば、厚さ２１６は、厚さ２２８の約２〜約３倍の範囲にある。別の実施例では、厚さ２１６は、内側導管２０４の厚さ２２８の約１〜約３倍である。材料、厚さ２１６、ジオメトリ及び他の設計要因は、タービン構成要素の相対移動を補償するような撓みを生じ、それによって接合部２１２及び２２４への応力並びに摩耗を減少させるように構成される。実施形態では、ダイアフラム部材２１４の材料は、約９．８×１０〜６インチ／インチ°Ｆの熱膨張係数（単位温変化当たりボリューム膨張）を有するステンレス鋼である。さらに、ステンレス鋼は、耐食性でありかつノズル２０６を形成するのに使用する材料に適合し、それによってフランジ２０２を横切る接合部２２４への熱歪みが減少される。実施形態では、接合部２１２及び２２４は、溶接部、ロウ付け部又は接着部のようなあらゆる好適な継手である。図示するように、補償は、その他の機構の使用なしに行なわれ、それによって製作を簡略化しかつコストを低減しながら信頼性が向上される。
【００１５】
図３は、燃料ノズル組立体３００の別の実施形態の側面断面図である。燃料ノズル組立体３００は、それら全てがノズル軸線３１０の周りに配置されたフランジ３０２、内側導管３０４、スウォズル３０６及びシュラウド３０８を含む。接合部３１２が、フランジ３０２を内側導管３０４に結合し、その場合に、接合部３１２は、燃料ノズル組立体３００構成要素の相対移動に耐えるように構成された継手を含む。加えて、フランジ３０２は、該フランジ３０２及び内側導管３０４のようなタービン構成要素間の相対移動を補償するように撓む又は変形するように構成されたダイアフラム部材３１４を含む。一実施形態では、ダイアフラム部材３１４は、フランジ３０２の基部における半径方向壁であり、ここでは、壁の厚さ３１６は、ダイアフラム部材３１４の撓みを可能にし、従って内側導管３０４に対するフランジ３０２の移動を補償するように構成される。フランジ３０２は、チャンバ３２１内への燃料流れ３０２のための通路３１８を含む。加えて、内側導管３０４は、軸線３１０に沿って燃料ノズル組立体３００内に空気流れ３２２を受ける。空気及び燃料は、接合部３２４においてフランジ３０２に結合されたスウォズル３０６内で混合される。スウォズル３０６は、加圧空気流れ３２６を受けて、燃焼室１０４（図１）内での燃焼のために燃料流れ３２０と混合させる。燃料ノズル組立体３００はまた、内側導管３０４及びフランジ３０２間における相対移動を可能にするように構成されたベローズ３２８を含む。ベローズ３２８は、隣接するタービン構成要素の軸方向及び／又は横方向移動を可能にする好適なシール機構である。例えば、ベローズ３２８の端部は、フランジ３０２に結合され、一方、ベローズ３２８の反対側端部は、内側導管３０４に結合される。実施形態では、ベローズ３２８は、内側導管３０４の一部として説明することができる。さらに、接合部３１２及び３２４は、溶接部、ロウ付け部又は接着部のようなあらゆる好適な継手である。
【００１６】
ベローズ３２８及びダイアフラム部材３１４は各々、構成要素の異なる材料特性によって生じるフランジ３０２に対する内側導管３０４の膨張及び移動を可能にするように構成される。材料特性には、熱膨張係数或いは温度又は圧力変化のようなエネルギーに応答して剛度、剛性、形状及び／又はボリュームに影響を与えるあらゆる特性を含むことができる。例えば、燃料流れ３２０は、加圧空気流れ３２６よりもおよそ約３５０〜約４５０℃低温であり、それによってフランジ３０２を内側導管３０４に対して軸方向に膨張させる。従って、ダイアフラム部材３１４は、内側導管３０４の厚さ３３０と選択関係になった壁厚さ３１６を含む。厚さ３１６の実施形態は、厚さ３３０の約１〜約５倍と同じ厚さである。ダイアフラム部材３１４の別の実施形態は、厚さ３３０の約１〜約３倍と同じ厚さ３１６を有する。ダイアフラム部材３１４のさらに別の実施形態は、厚さ３３０の約２〜約３倍と同じ厚さ３１６を有する。従って、ダイアフラム部材３１４及びベローズ３２８は、弾性変形するか又は撓んで、摩耗を減少させかつ燃料ノズル組立体３００の信頼性を向上させるように構成される。従って、ダイアフラム部材３１４及びベローズ３２８を含む例示的な燃料ノズル組立体３００は、時間の経過にわたるタービン構成要素の移動を補償し、それによって燃料ノズル組立体３００への応力を減少させる。
【００１７】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１８】
１００  タ−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  ノズル
１１２  燃料供給
２００  燃料ノズル組立体
２０２  フランジ
２０４  内側チューブ
２０６  スウォズル
２０８  シュラウド
２１０  軸線
２１２  接合部
２１４  ダイアフラム部材
２１６  厚さ
２１８  通路
２２０  燃料流れ
２２１  チャンバ
２２２  空気流れ
２２４  接合部
２２６  加圧空気流れ
２２８  厚さ
３００  燃焼ノズル組立体
３０２  フランジ
３０４  内側チューブ
３０６  スウォズル
３０８  シュラウド
３１０  軸線
３１２  接合部
３１４  ダイアフラム部材
３１６  厚さ
３１８  通路
３２０  燃料流れ
３２１  チャンバ
３２２  空気流れ
３２４  接合部
３２６  加圧空気流れ
３２８  ベローズ
３３０  厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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