JP6283220B2 - 燃焼器のアパーチャを補強する方法および関連する燃焼器 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、補強材に関する。より詳細には本主題は、燃焼器システムにおける補強材に関する。

従来の燃焼器、例えばターボ機械燃焼器などは、その設計された機能を果たす際に燃焼器を補助する様々な種類のアパーチャを含んでいる。例えば、燃焼器は、燃焼および混合を高めることを目的としたクロスファイヤアパーチャ、ならびに燃焼室に空気を供給することを目的とした希釈アパーチャを含むことができる。

燃焼器内の温度および圧力条件によって、このようなアパーチャは補強されることが多い。従来よりこのようなアパーチャは、アパーチャに適用され所定の場所に溶接された補強スリーブを利用して補強される。

補強スリーブの幾何学形状により、燃焼器の運転中に補強スリーブに高い温度勾配が生じ、これによりスリーブが故障する恐れがある。さらにスリーブを効果的に溶接する作業は、アパーチャへの接触が制限されるため困難な場合がある。

特開昭６０−１９４２３４号公報

種々の実施形態は、ターボ機械燃焼器におけるアパーチャを補強する方法、ならびに関連する燃焼器を含んでいる。種々の特定の実施形態では、既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法は、ターボ機械燃焼器における既存アパーチャをブローチングすることでターボ機械燃焼器における既存アパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、この最初の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面と実質的に同じ平面内にあり、修正後の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面から半径方向外向きに突き出すステップと、既存アパーチャを燃焼器リングに溶接するステップであって、修正後の外形によって、既存アパーチャと燃焼器リング間の接着作用を高めるステップとを含む。

本発明の第１の態様は、既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法を含んでいる。この方法は、ターボ機械燃焼器における既存アパーチャをブローチングすることでターボ機械燃焼器の既存アパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、この最初の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面と実質的に同じ平面内にあり、修正後の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面から半径方向外向きに突き出すステップと、既存アパーチャを燃焼器リングに溶接するステップであって、修正後の外形によって、既存アパーチャと燃焼器リング間の接着作用を高めるステップとを含むことができる。

本発明の第２の態様は、既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法を含んでいる。この方法は、ターボ機械燃焼器の表面にアパーチャを形成するステップと、ターボ機械燃焼器におけるアパーチャをブローチングすることで、ターボ機械燃焼器におけるアパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、該ブローチングするステップが、ブローチング面を有するブローチング先端を既存アパーチャに挿入するステップと、既存アパーチャの最初の外形を機械加工することで修正された外形を形成するステップとを含み、該修正後の外形が、最初の外形より大きな表面積を含むステップと、修正後の外形を機械加工することで滑らかな修正後の外形を形成するステップとを含むことができる。

本発明の第３の態様は、ターボ機械燃焼器を含んでおり、このターボ機械燃焼器は、半径方向内側の面および半径方向外側の面、ならびに半径方向内側の面と半径方向外側の面の間に延在するアパーチャであって、混合アパーチャまたは希釈アパーチャの一方を含んでおり、半径方向内側の面に近接する弓形の境界面と、半径方向外側の面から半径方向外向きに延在する突出境界面とを有するアパーチャを有する壁と、該弓形境界面に沿ってアパーチャのところで壁に隅肉溶接された燃焼器リングとを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴は、本発明の様々な実施形態を描く添付の図面と組み合わせた本発明の様々な態様の以下の詳細な記載からより容易に理解されるであろう。

本発明の種々の実施形態によるターボ機械燃焼器の一部の三次元斜視図である。 本発明の種々の実施形態によるターボ機械燃焼器のアパーチャを形成する際の工程の切欠き断面図である。 本発明の種々の実施形態によるターボ機械燃焼器のアパーチャを形成する際の工程の切欠き断面図である。 本発明の種々の実施形態による工程を受ける図３のターボ機械燃焼器のアパーチャの切欠き断面図である。 本発明の種々の実施形態による工程を受ける図４のターボ機械燃焼器のアパーチャの切欠き断面図である。 本発明の種々の実施形態による方法で利用することができるブローチングデバイスの先端の概略図である。 本発明の種々の実施形態によるターボ機械燃焼器のアパーチャを形成する代替の一工程を示す図である。 本発明の種々の実施形態によるターボ機械燃焼器のアパーチャを形成する代替の一実施形態を示す図である。 本発明の種々の実施形態による工程を描くフロー図である。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。この図面は、本発明の典型的な態様を描くことのみが意図されており、よって本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面中、同じような番号付けは、図面において同様の要素を表している。

指摘したように、本明細書に開示される主題は、補強材に関する。より詳細には本主題は、燃焼器システムにおける補強材に関する。

本明細書に記載されるように、燃焼器内の温度および圧力条件によって、このようなアパーチャは補強されることが多い。従来よりこのようなアパーチャは、アパーチャに適用され所定の場所に溶接される補強スリーブを利用して補強される。

このスリーブの幾何学形状によって、燃焼器の運転中にスリーブの高い温度勾配が生じ、これにより補強スリーブが故障する恐れがある。さらにスリーブを効果的に溶接する作業は、アパーチャへの接近が制限されるため困難な場合がある。

従来の手法と比べて、種々の実施形態は、ブローチングによって燃焼器のアパーチャを補強することで、はと目を形成する方法を含んでいる。詳細には、本発明の種々の実施形態は、ターボ機械燃焼器における混合アパーチャまたは希釈アパーチャの縁部を、このようなアパーチャの中にはと目を形成することによって補強するステップを含む。

特定の実施形態において、方法は、既存のアパーチャをブローチングすることで既存アパーチャの外形を修正し、修正された外形を形成するステップと、修正後の外形に燃焼器リングを隅肉溶接することで燃焼器リングをアパーチャに接着するステップとによって既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強するステップを含むことができる。

本発明の種々の特定の実施形態は、ターボ機械燃焼器におけるアパーチャを補強する方法を含む。この方法は、ターボ機械燃焼器の表面にアパーチャを形成するステップと、アパーチャをブローチングすることでアパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップと、修正後の外形の内径を機械加工することで修正後の外形を滑らかにする（例えば１つまたは複数のばりを除去する）ステップとを含むことができる。

本発明の種々の特定の実施形態は、既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法を含む。この方法は、ターボ機械燃焼器における既存アパーチャをブローチングすることでターボ機械燃焼器における既存アパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、この最初の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面と実質的に同じ平面にあり、修正後の外形は、ターボ機械燃焼器の外側面から半径方向外向きに突き出すステップと、既存アパーチャを燃焼器リングに隅肉溶接するステップであって、修正後の外形によって、既存アパーチャと燃焼器リング間の接着作用を高めるステップとを含むことができる。

本発明の種々の他の実施形態は、既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法を含む。この方法は、ターボ機械燃焼器の表面にアパーチャを形成するステップと、ターボ機械燃焼器におけるアパーチャをブローチングすることでターボ機械燃焼器におけるアパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、該ブローチングするステップが、ブローチング面を有するブローチング先端を既存アパーチャに挿入するステップと、既存アパーチャの最初の外形を機械加工することで修正された外形を形成するステップとを含み、該修正後の外形が、最初の外形より大きな表面積を含むステップと、修正後の外形を機械加工することで滑らかな修正後の外形を形成するステップとを含むことができる。

本発明の種々の付加的な実施形態は、ターボ機械燃焼器を含んでおり、このターボ機械燃焼器は、半径方向内側の面および半径方向外側の面と、半径方向内側の面と半径方向外側の面の間に延在するアパーチャとを有する壁であって、該アパーチャが、混合アパーチャまたは希釈アパーチャの一方を含んでおり、該アパーチャが、半径方向内側の面に近接する弓形の境界面と、半径方向外側の面から半径方向外向きに延在する突出境界面とを有する壁と、該弓形境界面に沿ってアパーチャのところで壁に隅肉溶接された燃焼器リングとを含む。

本明細書で使用されるように、用語「軸方向」および／または「軸方向に」は、軸Ａに沿った対象物の相対的な位置／方向を指しており、この軸Ａは、ターボ機械の回転軸（詳細には、ロータセクション）に実質的に直交する。さらに本明細書で使用されるように、用語「半径方向」および／または「半径方向に」は、軸（ｒ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を指しており、この軸は、軸Ａに実質的に直交し、一箇所でのみ軸Ａと交差する。これに加えて、用語「円周方向」および／または「円周方向に」は、円周（Ｃ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を指しており、この円周は、軸Ａの周りを囲んでいるが、いずれの位置でも軸Ａと交差しない。

図１に注目すると、ターボ機械燃焼器（または単に燃焼器）２の一部の三次元斜視図が、種々の実施形態によって示されている。示されるように、燃料がその入口６において、燃料ノズルシステム（図示せず）を介して燃焼器キャップセクション４に供給され、従来技術で知られるように最初にキャップセクション４を通る空気と混合される。その後、従来技術で知られるように、この混合気が、点火装置（図示せず）で開始されるスパークにより燃え出す。一次火炎区域１０において、火炎は、混合穴１２を通って流れる空気とさらに混合されることで、確実に燃料を適切に燃やす。また火炎は、従来技術で知られるように、クロスファイヤ穴１４を介して隣接する燃焼器（この図では遮られている）に伝達される。燃焼器２の尾翼端部１１において、火炎は、希釈穴１６を通って流れる空気によって希釈され、尾翼端部１１において火炎を空気と適切に混合し、火炎を冷却することで排気を抑える。燃焼器２の尾翼端部１１は、トランジションピースと接続する、および最終的にはターボ機械と接続するように（これらは共に示されていない）設計された出口１３を含む。

本明細書に記載されるように、従来のターボ機械燃焼器の運転中、固有の温度および圧力条件により、材料の劣化が生じる可能性があり、これには燃焼器の種々の構成要素における疲労、クラッキング、腐食などが含まれる。詳細には、このような材料の劣化は、混合および／または希釈アパーチャに悪影響を与える恐れがある。種々の実施形態によって、このような混合および／または希釈アパーチャの補強を助ける方法が開示される。

図２は、１つまたは複数のアパーチャ（例えば、混合アパーチャ１２、クロスファイヤアパーチャ１４など）を形成する前の燃焼器２の表面１７の概略的な断面切欠き図を示している。種々の実施形態は、例えば燃焼器２の壁１８のパンチング工程、切断工程、またはそうでなければ穿刺工程によって、１つまたは複数のアパーチャ（例えば、混合アパーチャ１２、クロスファイヤアパーチャ１４など）を形成する予備ステップを含む。図３は、本明細書に記載される予備工程によって形成されたアパーチャ２２の入口２０の概略的な断面切欠き図を示している。アパーチャ２２を形成した後、アパーチャ２２は、本明細書では「既存」アパーチャと呼ばれる。

既存アパーチャ２２は、例えば、図１を参照して示され記載される混合アパーチャ１２または希釈アパーチャ１６を含むことができる。示されるように、既存アパーチャ２２は、最初の外形２４を有し、この外形は、ほぼ平坦であってよく、例えば燃焼器の中心軸Ａに直交している。これに加えて、最初の外形２４はまた、燃焼器の壁１８の外側面１７（半径方向の外側の面）に沿ってほぼ平面であってよい。すなわち最初の形状２４は、燃焼器の壁１８の外側面１７と実質的に同じ平面にある。

図４〜図５は、図３による既存アパーチャ２２をブローチングする（機械加工する）ことで、最初の外形２４（例えば実質的に平面外形）を修正し、修正された外形３２（図５）を形成する工程を示している。種々の実施形態よると、修正後の外形３２はまた、例えば従来式の機械加工技術、例えば研磨工程によって滑らかにされる場合もある。修正後の外形３２は、図５に滑らかであるように示されている。修正後の外形３２は、実質的に同じ平面になく、一部のケースでは、最初の外形２４より大きな表面積を有する。

種々の実施形態では、修正後の外形３２は、壁１８の半径方向外側の面１７から半径方向外向きに延在する突出境界面（または突起）６０を含む。すなわち修正後の外形３２は、壁１８の外側面１７と実質的に同じ平面にはない。修正後の外形３２は、壁１８の半径方向内側の面１９に近接する弓形の境界面６２を含むことができ、この面は、最初の外形２４の内側面に対して、内側面（例えば内側面１９および弓形境界面６２）の表面積を拡大させる。

種々の実施形態では、ブローチング工程は、ブローチング部材４４からブローチング先端４２（図４〜図５、図７）を既存アパーチャ２２に挿入するステップと、既存アパーチャ２２の最初の外形２４を機械加工することで修正後の外形３２を形成するステップとを含むことができる。種々のケースでは、ブローチング先端４２は、ブローチング面４６（何らかの組織構造を有するものとして示される）を含む。一部のケースでは、ブローチング面４６は、表面の群のうちの少なくとも１つを含む。この表面の群は、図６の例示のブローチング面チャート５０において示されており、ここではブローチング面のタイプＡ〜Ｋが、頂面図および側面図でそれぞれ示されている（各々のブローチング面のタイプについて側面図の上に頂面図が示されている）。示されるように、ブローチング先端４２（図２〜図３）のブローチング面４６は、正方形の面（タイプＡ）、円形の面（タイプＢ）、単一のキー溝面（タイプＣ）、二重のキー溝面（タイプＤ）、４つのスプライン付きの面（タイプＥ）、六角形の面（タイプＦ）、矩形の面（タイプＧ）、二重の切断面（タイプＨ）、内側に歯車付きの面（タイプＩ）、円形のらせん形の面（タイプＪ）またはらせん形の溝付きの面（タイプＫ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。

本発明の別の態様によると、燃焼器リング３６が図７に示されており、このリングは、本発明の種々の実施形態によって修正後の外形３２の内径に隣接して（例えば、弓形境界面６２に近接して）位置決めされ、修正後の外形３２に溶接させることができる。燃焼器リング３６は、例えば隅肉溶接工程によって補強リングの外形および壁１７の内径（半径方向内側の面１９）に沿って、詳細には修正後の外形３２に沿って半径方向内側の面１９に溶接させることができる。溶接部３８は、燃焼器リング３６と、修正後の外形３２の間に示されており、弓形境界面６２および燃焼器リング３６に接触している。修正後の外形３２は詳細には、最初の外形２４と比べて修正後の外形３２のより大きな表面積によって、燃焼器２（図１）の燃焼器リング３６と壁１７との（隅肉溶接工程の完了後）接着作用を高める。一部のケースでは、燃焼器リング３６は、燃焼器２の中に挿入され、壁１７に溶接され、その後アパーチャ２２を貫通する開口部を切開するまたは機械加工することによってアパーチャ２２に相当する開口部が燃焼器リング内に形成され、燃焼器２の内部空洞８を露出させる。

図８は、修正後の外形３２に結合され、例えば修正後の外形３２から半径方向外向きに延在する溶接鍔７０を形成する工程を含む代替の一実施形態を示す。詳細には、溶接鍔７０は、突起（または突出境界面）６０全体にわたる３６０度の１００パーセント溶け込んだ溶接部として形成され、これは突起６０から半径方向外向きに延在する。溶接鍔７０は、修正後の外形３２が形成された後、例えば修正後の外形３２が滑らかにされてから形成することができる。一部のケースでは、溶接鍔７０は、その半径方向の最も外側の地点７４に近接してその内径に沿って斜面または面取りされた面７２を含むように形成される場合もある。

図９は、本発明の種々の実施形態によって実施することできる工程を示すフロー図である。示されるようにこの工程は、以下の工程を含むことができる。

工程Ｐ０（予備の任意選択の工程）：ターボ機械燃焼器の壁の中にアパーチャを形成する。

工程Ｐ１：ターボ機械燃焼器における既存のアパーチャをブローチングすることで、既存のアパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成する。

工程Ｐ２：修正後の外形を機械加工することで、滑らかな修正された外形を形成する、および
工程Ｐ３：燃焼器リングを修正後の外形の内側面に沿って溶接する。種々の実施形態では、溶接工程は、隅肉溶接工程を含む場合がある。従来技術で知られるように、隅肉溶接は、例えば材料が互いから分岐する場合など、材料の２つの部分をおよそ９０度の角度で接合するのに利用される。

本明細書に記載されるように、本発明の種々の実施形態によって形成された修正後の外形は、最初の外形より大きな強度、およびクラッキング、疲労などに対する強い耐性を有することができ、燃焼器リングの溶接接着を高めることができる。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを記載することを目的しており、本開示を限定することは意図してない。本明細書で使用されるように、単数形態「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、 文脈がそうでないことをはっきりと指摘しない限り、複数の形態も同様に含めることが意図されている。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は本明細書で使用される際、記述される機能、整数、ステップ、作用、要素および／または構成要素の存在を特定するものであるが、１つまたは複数の他の機能、整数、ステップ、作用、要素、構成要素および／またはその集合体の存在または追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。用語「ｆｒｏｎｔ（前方）」および「ｂａｃｋ（後方）」は、限定することは意図されていないため、適切ならば相互に入れ替え可能であることが意図されることがさらに理解されよう。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

２ 燃焼器
４ キャップセクション
６ 入口
８ 内部空洞
１０ 一次火炎区域
１１ 尾翼端部
１２ 混合穴
１３ 出口
１４ クロスファイヤ穴
１６ 希釈穴
１７ 燃焼器の表面
１８ 燃焼器の壁
１９ 半径方向内側の面
２０ アパーチャの入口
２２ アパーチャ
２４ 最初の外形
３２ 修正後の外形
３６ 燃焼器リング
３８ 溶接部
４２ ブローチング先端
４４ ブローチング部材
４６ ブローチング面
５０ ブローチング面チャート
６０ 突出境界面
６２ 弓形の境界面
７０ 溶接鍔
７２ 斜面または面取りされた面
７４ 最も外側の面
Ｐ０ ターボ機械燃焼器の壁の中にアパーチャを形成する。

Ｐ１ 燃焼器における既存のアパーチャをブローチングすることで、既存のアパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成する。

Ｐ２ 修正後の外形を機械加工することで、滑らかな修正された外形を形成する
Ｐ３ 燃焼器リングを修正後の外形の内側面に沿って溶接する。

Ａ 中心軸
ｒ 半径方向

Claims (10)

1. 既存のターボ機械燃焼器のアパーチャを補強する方法であって、
   前記ターボ機械燃焼器における前記既存アパーチャをブローチングすることで前記ターボ機械燃焼器における前記既存アパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、
   該最初の外形が、前記ターボ機械燃焼器の外側面と実質的に同じ平面内にあり、前記修正後の外形が、前記ターボ機械燃焼器の前記外側面から半径方向外向きに突き出している、
   ステップと、
   前記修正後の外形と燃焼器リングとを溶接するステップとを含む方法。
2. ターボ機械燃焼器におけるアパーチャを補強する方法であって、
   前記ターボ機械燃焼器の表面に前記アパーチャを形成するステップと、
   前記ターボ機械燃焼器における前記アパーチャをブローチングすることで前記ターボ機械燃焼器における前記アパーチャの最初の外形を修正し、修正された外形を形成するステップであって、該ブローチングするステップが、
   ブローチング面を有するブローチング先端を前記既存アパーチャに挿入するステップと、
   前記既存アパーチャの前記最初の外形を機械加工することで前記修正された外形を形成するステップと、
   を含み、
   前記修正後の外形が、前記最初の外形より大きな表面積を含む、
   ステップと、
   を含み、
   前記最初の外形が、前記ターボ機械燃焼器の外側面と実質的に同じ平面内にあり、前記修正後の外形が、前記ターボ機械燃焼器の前記外側面から半径方向外向きに突き出している、
   方法。
3. 前記既存のターボ機械燃焼器のアパーチャが、
   燃焼ガスと空気を混合することが可能な混合アパーチャ
   または、
   燃焼工程の後、燃焼混合気を希釈するための希釈アパーチャを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ブローチングするステップが、
   前記既存アパーチャにブローチング先端を挿入するステップと、
   前記既存アパーチャの前記最初の外形を機械加工することで前記修正後の外形を形成するステップと、
   を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記ブローチング先端が、ブローチング面を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ブローチング先端が、正方形、円形、キー溝、複数のスプライン、六角形、矩形、内側の歯車形状、円形のらせん形またはらせん形の溝のうちの少なくとも１つに対応する形状を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記修正後の外形が、前記最初の外形より大きな表面積を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記溶接ステップの後に前記燃焼器リングを機械加工するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記溶接ステップが隅肉溶接ステップを含む、請求項１または８に記載の方法。
10. 前記修正後の外形に結合され、前記修正後の外形から半径方向外向きに延在する溶接鍔を形成するステップをさらに含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。