ガスタービンエンジンの燃料ノズルアセンブリ
【課題】ガスタービンエンジン用燃焼器の燃料ノズルアセンブリの固有振動数が、ガスタービンエンジンの駆動周波数と類似または同じである場合、燃料ノズルアセンブリ周辺に応力が集中し、その結果、部品に穴が空いて燃料漏れが生じる場合があり、避ける必要がある。
【解決手段】燃料ノズルアセンブリは、燃焼器のエンドカバー３０４に接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を備えたフランジ３０６と；このフランジの第２端部に接続された予混合管３０８とを有する。予混合管３０８は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジ３０６と予混合管３０８は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように製造されている。
【解決手段】燃料ノズルアセンブリは、燃焼器のエンドカバー３０４に接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を備えたフランジ３０６と；このフランジの第２端部に接続された予混合管３０８とを有する。予混合管３０８は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジ３０６と予混合管３０８は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように製造されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの内部で使用するセンター燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のタービンエンジンには、燃焼器内で燃料と空気を混合して点火し、燃焼ガス流を生成し、高温ガス流路を介してこれをタービンに導入するものが少なくない。燃焼器には、圧縮空気が圧縮機から送り込まれる。燃焼器アセンブリには、通常、燃料ノズルを設置して、燃焼器の燃焼領域へ燃料や空気を導入し易くしている。燃料ガス流の熱エネルギーは、タービンにより、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換される。タービンの出力を用いて、例えば発電機やポンプなどの機械に動力が供給される。
【０００３】
公知の燃料ノズルアセンブリには、燃料ノズル構造の基礎となっているエンドカバーから延在するフランジが設けられている。このフランジからは、予混合管が延在しており、旋回翼に接続している。燃料ノズルアセンブリの固有周波数は、基本的に、フランジと予混合管の形状及び長さに基づく関数である。公知の燃料ノズルアセンブリの場合、ガスタービンエンジンの駆動周波により、例えばフランジ、予混合管、旋回翼、及び／又は、これらの部品間の継手などの燃料ノズル部品や継手に、低サイクル疲労及び／又は高サイクル疲労が生じる可能性がある。更に、公知のノズルアセンブリの固有周波数が、ガスタービンエンジンロータの駆動周波数と類似又は同じである場合（ロータ周波数の等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含む）、燃料ノズルアセンブリ周辺に応力が集中し、その結果として、部品に穴が空いて燃料漏れが生じる可能性がある。
【０００４】
公知の燃料ノズルアセンブリの多くは、様々な材料で製造され、様々な部品を有している。これらの部品は、フランジ、予混合管、及び／又は旋回翼の間の継手に沿わせるなどした状態で、継手に溶接又は蝋付けされている。それぞれの部品で材料特性が異なる場合、熱膨張率や収縮率も異なってくる。また、この継手は、溶接及び蝋付けから時間が経過するにつれて、ガスタービンエンジンの駆動周波を受けて、摩耗、クラックを生じ易く、早期に故障する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６９２６４９６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係るガスタービンの燃料ノズルアセンブリを開示する。この燃料ノズルアセンブリは、フランジと予混合管を有する。フランジは、燃焼器のエンドカバーに接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を有する。予混合管は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジと予混合管は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有する。
【０００７】
本発明の別の実施形態による、ガスタービンエンジンを開示する。このガスタービンエンジンは、燃焼器と、フランジ及び予混合管を有する燃料ノズルアセンブリとを備える。フランジは、燃焼器のエンドカバーに接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を有する。予混合管は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジと予混合管は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有する。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態に係るガスタービンエンジンの組立方法を開示する。この方法には、フランジの第１端部を燃焼器のエンドカバー表面に接続するとともに、この第１端部の反対側にあるフランジの第２端部を予混合管の第１端部に接続するステップが含まれる。この方法には、更に、エンジンの組み立て後、フランジと予混合管の固有周波数が、ガスタービンエンジンのロータ駆動周波数や、燃焼トーン、サイレントーンとは（ロータ周波数の等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含めて）異なるように、フランジと予混合管を製造するステップが含まれる。 本発明にかかる上述の態様を、様々に改変することができる。また、上述の態様に新たな特徴を追加した場合も、本発明にかかるものとみなされる。このような改変や追加を、独立して行っても、組み合わせることもできる。例えば、本発明に関して、以下に説明する実施形態の様々な特徴を、単独で実施しても、上述の態様のいずれかと組み合わせてもよい。
添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。これらの形態は、あくまでも例示的なものであって、排他的なものではない。なお、図面において、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な燃焼タービンエンジンの概略図である。
【図２】図１のタービンエンジンに設置される例示的な燃料供給システムの部分図である。
【図３】図１のタービンエンジンに設置される例示的な燃料ノズルアセンブリの概略断面図である。
【図４】図３の燃料ノズルアセンブリから延在する例示的なフランジの概略断面図である。
【図５】図３の燃料ノズルアセンブリに設置される例示的な予混合管の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。一実施形態において、エンジン１００は、圧縮機１０２と燃焼器１０４を有する。燃焼器１０４は、燃焼領域１０５と燃料ノズルアセンブリ１０６を含む。エンジン１００は、更に、タービン１０８と、一般的な圧縮機／タービンシャフト１１０（ロータ１１０と称する場合もある）を有する。圧縮機１０２は、ロータ１１０に回転可能に接続されている。実施形態によっては、燃焼器１０４と燃料ノズルアセンブリ１０６を複数有するものもある。以下の説明では、特に明記しない限り、それぞれの要素について１つのみを取り上げて説明する。ここでは、ガスタービンエンジン１００として、サウスカロライナ州グリーンビルにあるゼネラル・エレクトリック社が販売しているＰＧ９３７１ ９ＦＢＡ型大容量ガスタービンエンジンを使用するが、本発明の実施に使用するエンジンは、いかなる特定のエンジンにも限定されない。例えば、サウスカロライナ州グリーンビルのゼネラル・エレクトリック社が販売しているＭＳ７００１ＦＡ（７ＦＡ）型、ＭＳ９００１ＦＡ（９ＦＡ）型、ＭＳ７００１ＦＢ（７ＦＢ）型、ＭＳ９００１ＦＢ（９ＦＢ）型のエンジンなど、その他のガスタービンエンジンを使用してもよい。
【００１１】
動作中、圧縮機１０２を通過した空気は、圧縮空気となって燃焼器１０４に供給される。このとき、燃焼器１０４と一体の燃料ノズルアセンブリ１０６には、大量の圧縮空気が供給される。燃焼器によっては、圧縮機１０２から希釈空気サブシステム（図１では図示せず）に供給される空気のうち一定量以上を受け取れるものもあるが、大抵の燃焼器では、一定量以上のシール漏れが発生する。燃料ノズルアセンブリ１０６は、燃焼領域１０５と流体的に連通している。燃料ノズルアセンブリ１０６は、また、燃料源（図１では図示せず）とも流体的に連通しており、燃料と空気を燃焼領域１０５に導入する。燃焼器１０４では、例えば天然ガス及び／又は燃料油などの、高温の燃焼ガス流を生成する燃料を点火して燃焼させる。燃焼器１０４は、タービン１０８と流体的に連通するように接続されており、このタービン１０８は、燃焼器１０４から排出された燃焼ガスによる熱エネルギーを、機械的な回転エネルギーに変換する。タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に接続されている。
【００１２】
図２は、例示的な燃料供給アセンブリ２００の部分図である。この燃料供給アセンブリ２００は、燃焼器１０４（図１に示す）の部品としてタービンエンジン１００（図１に示す）に設置される。一実施形態において、燃料供給アセンブリ２００は、１つ以上の燃料供給口２０２と、空気噴霧カートリッジサブアセンブリ２０３とを有する。サブアセンブリ２０３は、複数の内部空気噴霧管２０５に接続された複数の空気供給管２０４を有する。燃料ノズルアセンブリ２００は、更に、燃焼器エンドカバーサブアセンブリ２０６を含む。カバーサブアセンブリ２０６は、空気と燃料とを案内する複数の予混合燃料供給路２１８（後述）、エンドカバープレート２０８、複数のエンドカバー−燃焼器間ケーシングファスナ２１０を有する。一実施形態において、プレート２０８は、機械加工により形成されており、このプレート２０８の内部には、複数の管路２１１があり、予混合燃料供給路２１８、拡散燃料供給路２２０、複数の噴霧空気供給管２０４、燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２、複数のエンドカバー−燃焼器間ケーシングファスナ２１０、複数の挿入部−エンドカバー間ファスナ２１４、複数のキャップ−エンドカバー間ファスナ２１７が収容されている。なお、プレート２０８は、これらの要素を支持できる大きさに寸法決めされているが、プレート２０８の機能は、これらの要素を支持するだけとは限らない。また、既存のプレート２０８を、本発明の企図に基づいて改造してもよい。一実施形態において、カバーサブアセンブリ２０６が、ファスナ２１０によって燃焼器１０４（図１に示す）のケーシングに接続され、空気噴霧カートリッジサブアセンブリ２０３が、エンドカバープレート２０８に接続されている。
【００１３】
燃料ノズルアセンブリ２００は、更に、複数の燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２、燃料ノズルサブアセンブリ２２５を有する。燃料ノズルサブアセンブリ２２５は、複数の半径方向外側ノズル管２１６、複数の中間管２２３、キャップ装着フランジ２２２、複数の半径方向内側管２２１、環状の拡散燃料路２１９、燃料ノズルキャップ２２４を有する。一実施形態において、燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２は、ファスナ２１４によってエンドカバープレート２０８に接続されており、キャップ２２４は、ファスナ２１７とキャップ装着フランジ２２２によってエンドカバープレート２０８に接続されている。
【００１４】
動作時、燃料は、１つ以上の供給口２０２を介して、燃料源（図２では図示せず）から燃料ノズルアセンブリ２００に供給される。予混合燃料は、矢印で示すように、供給路２１８と燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２から、管２１６に供給される。拡散燃料は、矢印で示すように、管２２０から燃料路２１９に誘導される。燃焼空気は、矢印で示すように、圧縮機１０２（図１に示す）から空気供給管２０４に供給された後、管２０５に供給される。基本的に、複数の燃料ノズルアセンブリ２００は、ロータ１１０（図１に示す）の周囲にそれぞれに対して間隔を空けて設置されており、これによって、燃焼ガスが循環し、燃焼器１０４内の温度がほぼ一様になる。ガスはその後、タービン１０８（図１に示す）に供給される。図１において点線で囲まれた、挿入サブアセンブリ２１２を含む燃料ノズルアセンブリ２００の一部については、図３を参照しながら以下に詳説する。
【００１５】
図３は、例示的な燃料ノズルアセンブリ３００の概略拡大断面図である。一実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３００は、中心軸線３０２を有し、燃料ノズルフランジ３０６によってエンドカバー３０４に接続されている。予混合管３０８は、第１継手３１０によってフランジ３０６に接続され、半径方向外面３１２を有している。この実施形態においては、予混合管３０８を、電子ビーム溶接によってフランジ３０６に取り付けているが、予混合管３０８を、例えば蝋付けによってフランジ３０６に取り付けても、ネジ、ボルトなどのファスナを含め、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように適当に機能するものであれば、いかなる連結装置を用いてフランジ３０６に取り付けてもよい。予混合管３０８は、継手３１０から燃焼室３１１に向かって、調節可能な長さＬ1だけ延在している。一実施形態では、長さＬ1を調節することによって、燃料ノズルアセンブリ３００の固有周波数を適当に調節し、フランジ３０６と予混合管アセンブリを、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）のロータ周波数の（等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含めた）倍数以外の周波数で、且つ、ガスタービンエンジン１００の燃焼トーン、サイレントーンとは異なる固有周波数で動作させる。
【００１６】
燃料ノズルアセンブリ３００は、第２継手３１５と平行にフランジ３０６に接続された半径方向内側管３１４を有する。管３０８と管３１４により、略環状の主予混合燃料供給路３１６が画成されている。内側管３１４により、更に、拡散燃料路３１８が画成されている。一実施形態において、予混合燃料供給路３１６と拡散燃料路３１８は、複数の燃料源（図３には図示せず）と流体的に連通するように接続されている。
【００１７】
燃料ノズルアセンブリ３００は、略環状の吸気流コンディショナ（ＩＦＣ）３２０を有する。一実施形態において、ＩＦＣ３２０は、複数の貫通孔３２４を有する半径方向外壁３２２を有し、ＩＦＣ３２０の後部において、壁３２２と面３１２との間に端壁３２６が延在している。壁３２２、壁３２６、面３１２のそれぞれの間には、略環状のＩＦＣチャンバ３２８が画成されている。チャンバ３２８は、貫通孔３２４を介して冷却管路（図３では図示せず）と流体的に連通するように接続されている。燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、壁３２２に接続された管状トランジション部材３３０を有する。このトランジション部材３３０によって、略環状のトランジションチャンバ３３２が画成されており、トランジションチャンバ３３２は、主予混合燃料供給路３１６とほぼ同軸になるように設置されている。このトランジションチャンバ３３２とＩＦＣチャンバ３２８の間には、ＩＦＣ排気路３３４が延在している。
【００１８】
一実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、ガス燃料注入に用いられる空気旋回翼アセンブリ、すなわちスウォズル（swozzle）アセンブリ３４０を有する。スウォズル３４０は、トランジション部材３３０に取り付けられた略管状のシュラウド３４２と、継手３４６と平行に管３０８に取り付けられた略管状のハブ３４４を有する。この実施形態においては、ハブ３４４を、電子ビーム溶接によって管３０８に取り付けているが、ハブ３４４を、例えば蝋付けによって管３０８に取り付けても、ネジ、ボルトなどの任意のファスナを含め、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように適当に機能するものであれば、いかなる連結装置を用いて管３０８に取り付けてもよい。シュラウド３４２とハブ３４４の間には、環状チャンバ３４８が画成されており、更に、複数の中空回転翼３５０が延在している。チャンバ３４８は、チャンバ３３２と流体的に連通するように接続されている。ハブ３４４は、予混合燃料供給路３１６と流体的に連通している複数の回転翼管路（図３では図示せず）を有する。中空回転翼３５０の内部には、複数の予混合ガスポート（図３では図示せず）が設けられている。また、ハブ３４４により、予混合燃料供給路３１６と流体的に連通するように接続された複数の補助回転翼管路（図３では図示せず）と、回転翼３５０の内部にある複数の補助ガスポート（図３では図示せず）が画成されている。吸気チャンバ３４８と主ガスポート及び補助ガスポートはそれぞれ、排気チャンバ３５２と流体的に連通するように接続されている。
【００１９】
燃料ノズルアセンブリ３００は、管状のシュラウド延伸部３５６と管状のハブ延伸部３５８によって形成される略環状の燃料−空気混合路３５４を有する。燃料−空気混合路３５４はチャンバ３５２と流体連通するように接続され、延伸部３５６と延伸部３５８は、シュラウド３４２とハブ３４４にそれぞれ接続されている。
【００２０】
ハブ３４４には、更に、管状の火炎拡散ノズルアセンブリ３６０が接続されており、このアセンブリ３６０によって、環状の拡散燃料路３１８の少なくとも一部が画成されている。アセンブリ３６０はハブ延伸部３５８と共に、環状の空気路３６２を更に画成する。燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、ハブ延伸部３５８とアセンブリ３６０に接続されたスロットガスチップ３６３を有する。チップ３６３は、複数のガスインジェクタ３６４と空気インジェクタ３６６を有する。チップ３６３は、また、燃焼室３１１と流体的に連通するように接続されており、これによって、燃焼室３１１において燃料と空気が混合し易くなる。
【００２１】
動作時、燃料ノズルアセンブリ３００は、燃料ノズルアセンブリ３００を取り囲むプレナム（図３では図示せず）を介して空気供給管２０４（図２に示す）から圧縮空気を受け取る。燃焼用の空気は、その殆どがＩＦＣ３２０を介してアセンブリ３００に導入され、予混合部品に案内される。すなわち、空気は、貫通孔３２４からＩＦＣ３２０に流入し、チャンバ３２８で燃料と混合された後、ＩＦＣ排気路３３４を通りＩＦＣ３２０から排出され、トランジションピースチャンバ３３２を通ってスウォズル吸気チャンバ３４８に流入する。また、空気供給管２０４に導入される高圧空気の残りは、拡散燃料路３１８に挿入された空気噴霧液体燃料カートリッジ（図３では図示せず）に導入される。
【００２２】
燃料ノズルアセンブリ３００は、予混合燃料供給路３１６を介して燃料源（図３では図示せず）から燃料を受け取る。燃料は、予混合燃料供給路３１６を通り、回転翼３５０の内部に設けられた複数の主ガスポートに導入される。
【００２３】
トランジションピースチャンバ３３２からスウォズル吸気チャンバ３４８に導入された空気は、回転翼３５０で撹拌された後、燃料と混合され、スウォズル排気チャンバ３５２に案内され、先立って混合された燃料と空気が更に混合される。燃料−空気混合物はその後、燃料−空気混合路３５４に案内され、アセンブリ３００から燃焼室３１１に排出される。更に、拡散燃料路３１８から流入した拡散燃料は、ガスインジェクタ３６４を介して燃焼室３１１に導入された後、空気インジェクタ３６６から排出された空気と混合され、燃焼する。
【００２４】
図４は、燃料ノズルアセンブリ３００に使用するフランジ３０６の概略断面図である。一実施形態において、フランジ３０６は、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数の整数倍以外の固有周波数を有するように製造されている。例えば、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数が約５０Ｈｚの場合、フランジ３０６は、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚなどの５０Ｈｚの整数倍の周波数を実質的に除いた固有周波数を有する。この場合、フランジ３０６は、例えば約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの固有周波数を有するように製造される。この実施形態では、クラス９のガスタービンを使用しているが、ロータトーンが６０Ｈｚの整数倍の例えば１２０Ｈｚ、１８０Ｈｚ、２４０Ｈｚとなる、クラス７のガスタービンを始め、様々な等級のガスタービンにも本発明を用いることができる。
【００２５】
フランジ３０６は、中心軸線３０２を有するように製造され、装着部３８０と略円錐台形の本体部３８２を有する。この装着部３８０と本体部３８２によって、外側長さＬ2が画成されており、この長さＬ2を調節することで、固有周波数を所望の周波数になるように制御できる。これによって、燃料ノズルアセンブリ３００を確実に所望の固有周波数で動作させることができる。本体部３８２は、例えば、燃料ノズルアセンブリ３００を約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの周波数で動作させるために、角度Ａ1を約１０°として製造された収束形である。このときの長さＬ2は、燃料ノズルアセンブリ３００が約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの周波数で動作するように、約３．７５インチ（９５．２５ｍｍ）に設定されている。なお、本体部３８２の角度Ａ1と長さＬ2はいずれも、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、いかなる値であってもよい。
【００２６】
図５は、予混合管３０８の概略断面図である。一実施形態において、予混合管３０８は中心軸線３０２を有し、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように製造されている。例えば、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）の駆動周波数が５０Ｈｚの場合、予混合管３０８の長さＬ1は、予混合管３０８の固有周波数が５０Ｈｚ又はその整数倍とは異なる値をとるように、約１４インチ（３５７ｍｍ）に設定されるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、予混合管３０８の長さＬ1はいかなる長さであってもよい。
【００２７】
一実施形態において、予混合管３０８は、燃料ノズルアセンブリ３００のスウォズルアセンブリ３４０（図３に示す）において、先細部３９０を有し、これによって、より多量の気流を扱うことができる。先細部３９０の収束角度Ａ2は、例えば約５°であるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、先細部３９０の収束角度Ａ2は、いかなる値であってもよい。予混合管３０８は、更に、厚みＴを有する外壁３９２を有する。外壁３９２の厚みＴは、例えば約０．１９インチ（４．７６ｍｍ）であるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、いかなる値であってもよい。
【００２８】
以上、燃料ノズルアセンブリの実施形態を例示しながら本発明を説明した。燃料と空気を混合してエンジンの燃料室へ供給する上述のシステムにより、エンジン内の周波数マージンのバランスがとれるだけでなく、燃焼室のすぐ上流側の設計の信頼性と柔軟性が高まる。すなわち、各燃料ノズルアセンブリのフランジと予混合管の構造設計と固有周波数を調整して最適化することによって、低サイクル疲労（ＬＣＦ）や高サイクル疲労（ＨＣＦ）を緩和し、周波数マージンや空気力学的特性を最適化することができる。本発明による燃料ノズルアセンブリでは、応力集中が緩和された結果、応力による燃料漏れを防ぐとともに、部品の固有周波数をより適切に調節することができる。従って、空気抵抗を最小限に抑え、ロータ速度や燃焼トーン、周波数マージンを最適化することができる。
【００２９】
更に、本明細書に記載のシステム及び方法では、フランジと予混合管との間の継手を蝋付けする代わりに電子ビーム溶接によって接続するので、燃料ノズルアセンブリの構造的強度と柔軟性が高まる。更に、このシステム及び方法により、エンジン動作中の燃料ノズルアセンブリの耐久性が向上する。また、フランジと予混合管の形状、予混合管壁の厚みを適宜調節することによって、固有周波数マージンを適当に制御し、ＬＣＦやＨＣＦを緩和することができる。その結果、製品の設計が最適化され、部品の耐久性が高まり、製品寿命が延びる。
【００３０】
本明細書では、本発明の装置及び方法に関して、ガスタービンエンジンのノズルアセンブリを参照して説明してきたが、本発明の用途がこれに限定されないことは明らかであろう。また、本発明によるシステムの構成要素を、本明細書に記載の実施形態に限らず、単独で用いても、その他の構成要素と組合わせても、本発明の実施形態に含まれる。
【００３１】
本明細書において、要素又はステップが単数名詞で記載されている場合、特に指定のない限り、それらが複数存在する可能性がある。また「一実施形態」という表現は、本発明にかかる特徴を有する実施形態が複数存在する可能性を排除するものではない。
【００３２】
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】
【００３３】
１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ 燃料ノズルアセンブリ
１０８ タービン
１１０ ロータ
２００ 燃料ノズルアセンブリ
２０２ 燃料供給口
２０３ サブアセンブリ
２０４ 空気供給管
２０５ 内部空気噴霧管
２０６ カバーサブアセンブリ
２０８ エンドカバープレート
２１０ 燃焼器ケーシングファスナ
２１１ 複数の管路
２１２ 挿入サブアセンブリ
２１４ ファスナ
２１６ 半径方向外側ノズル管
２１７ ファスナ
２１８ 予混合燃料供給路
２１９ 環状の拡散燃料路
２２０ 拡散燃料供給路
２２１ 半径方向内側管
２２２ キャップ装着フランジ
２２３ 複数の中間管
２２４ 燃料ノズルキャップ
２２５ ノズルサブアセンブリ
３００ 燃料ノズルアセンブリ
３０２ 中心軸線
３０４ エンドカバー
３０６ フランジ
３０８ 予混合管
３１０ 第１継手
３１１ 燃焼室
３１２ 半径方向外面
３１４ 内側管
３１５ 第２継手
３１６ 予混合燃料供給路
３１８ 拡散燃料路
３２０ 吸気流コンディショナ（ＩＦＣ）
３２２ 半径方向外壁
３２４ 複数の貫通孔
３２６ 端壁
３２８ 環状のＩＦＣチャンバ
３３０ トランジション部材
３３２ トランジションピースチャンバ
３３４ ＩＦＣ排気路
３４０ 旋回翼アセンブリ（スウォズルアセンブリ）
３４２ 管状シュラウド
３４４ ハブ
３４６ 継手
３４８ スウォズル吸気チャンバ
３５０ 中空回転翼
３５２ スウォズル排気チャンバ
３５４ 燃料−空気混合路
３５６ 管状シュラウド延伸部
３５８ 管状ハブ延伸部
３６０ 火炎拡散ノズルアセンブリ
３６３ スロットガスチップ
３６４ 複数のガスインジェクタ
３６６ 空気インジェクタ
３８０ 装着部
３８２ 本体部
３９０ 先細部
３９２ 外壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの内部で使用するセンター燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のタービンエンジンには、燃焼器内で燃料と空気を混合して点火し、燃焼ガス流を生成し、高温ガス流路を介してこれをタービンに導入するものが少なくない。燃焼器には、圧縮空気が圧縮機から送り込まれる。燃焼器アセンブリには、通常、燃料ノズルを設置して、燃焼器の燃焼領域へ燃料や空気を導入し易くしている。燃料ガス流の熱エネルギーは、タービンにより、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換される。タービンの出力を用いて、例えば発電機やポンプなどの機械に動力が供給される。
【０００３】
公知の燃料ノズルアセンブリには、燃料ノズル構造の基礎となっているエンドカバーから延在するフランジが設けられている。このフランジからは、予混合管が延在しており、旋回翼に接続している。燃料ノズルアセンブリの固有周波数は、基本的に、フランジと予混合管の形状及び長さに基づく関数である。公知の燃料ノズルアセンブリの場合、ガスタービンエンジンの駆動周波により、例えばフランジ、予混合管、旋回翼、及び／又は、これらの部品間の継手などの燃料ノズル部品や継手に、低サイクル疲労及び／又は高サイクル疲労が生じる可能性がある。更に、公知のノズルアセンブリの固有周波数が、ガスタービンエンジンロータの駆動周波数と類似又は同じである場合（ロータ周波数の等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含む）、燃料ノズルアセンブリ周辺に応力が集中し、その結果として、部品に穴が空いて燃料漏れが生じる可能性がある。
【０００４】
公知の燃料ノズルアセンブリの多くは、様々な材料で製造され、様々な部品を有している。これらの部品は、フランジ、予混合管、及び／又は旋回翼の間の継手に沿わせるなどした状態で、継手に溶接又は蝋付けされている。それぞれの部品で材料特性が異なる場合、熱膨張率や収縮率も異なってくる。また、この継手は、溶接及び蝋付けから時間が経過するにつれて、ガスタービンエンジンの駆動周波を受けて、摩耗、クラックを生じ易く、早期に故障する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６９２６４９６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係るガスタービンの燃料ノズルアセンブリを開示する。この燃料ノズルアセンブリは、フランジと予混合管を有する。フランジは、燃焼器のエンドカバーに接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を有する。予混合管は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジと予混合管は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有する。
【０００７】
本発明の別の実施形態による、ガスタービンエンジンを開示する。このガスタービンエンジンは、燃焼器と、フランジ及び予混合管を有する燃料ノズルアセンブリとを備える。フランジは、燃焼器のエンドカバーに接続された第１端部と、この第１端部の反対側に第２端部を有する。予混合管は、その第１端部で、フランジの第２端部に接続されている。このフランジと予混合管は、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有する。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態に係るガスタービンエンジンの組立方法を開示する。この方法には、フランジの第１端部を燃焼器のエンドカバー表面に接続するとともに、この第１端部の反対側にあるフランジの第２端部を予混合管の第１端部に接続するステップが含まれる。この方法には、更に、エンジンの組み立て後、フランジと予混合管の固有周波数が、ガスタービンエンジンのロータ駆動周波数や、燃焼トーン、サイレントーンとは（ロータ周波数の等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含めて）異なるように、フランジと予混合管を製造するステップが含まれる。 本発明にかかる上述の態様を、様々に改変することができる。また、上述の態様に新たな特徴を追加した場合も、本発明にかかるものとみなされる。このような改変や追加を、独立して行っても、組み合わせることもできる。例えば、本発明に関して、以下に説明する実施形態の様々な特徴を、単独で実施しても、上述の態様のいずれかと組み合わせてもよい。
添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。これらの形態は、あくまでも例示的なものであって、排他的なものではない。なお、図面において、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な燃焼タービンエンジンの概略図である。
【図２】図１のタービンエンジンに設置される例示的な燃料供給システムの部分図である。
【図３】図１のタービンエンジンに設置される例示的な燃料ノズルアセンブリの概略断面図である。
【図４】図３の燃料ノズルアセンブリから延在する例示的なフランジの概略断面図である。
【図５】図３の燃料ノズルアセンブリに設置される例示的な予混合管の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。一実施形態において、エンジン１００は、圧縮機１０２と燃焼器１０４を有する。燃焼器１０４は、燃焼領域１０５と燃料ノズルアセンブリ１０６を含む。エンジン１００は、更に、タービン１０８と、一般的な圧縮機／タービンシャフト１１０（ロータ１１０と称する場合もある）を有する。圧縮機１０２は、ロータ１１０に回転可能に接続されている。実施形態によっては、燃焼器１０４と燃料ノズルアセンブリ１０６を複数有するものもある。以下の説明では、特に明記しない限り、それぞれの要素について１つのみを取り上げて説明する。ここでは、ガスタービンエンジン１００として、サウスカロライナ州グリーンビルにあるゼネラル・エレクトリック社が販売しているＰＧ９３７１ ９ＦＢＡ型大容量ガスタービンエンジンを使用するが、本発明の実施に使用するエンジンは、いかなる特定のエンジンにも限定されない。例えば、サウスカロライナ州グリーンビルのゼネラル・エレクトリック社が販売しているＭＳ７００１ＦＡ（７ＦＡ）型、ＭＳ９００１ＦＡ（９ＦＡ）型、ＭＳ７００１ＦＢ（７ＦＢ）型、ＭＳ９００１ＦＢ（９ＦＢ）型のエンジンなど、その他のガスタービンエンジンを使用してもよい。
【００１１】
動作中、圧縮機１０２を通過した空気は、圧縮空気となって燃焼器１０４に供給される。このとき、燃焼器１０４と一体の燃料ノズルアセンブリ１０６には、大量の圧縮空気が供給される。燃焼器によっては、圧縮機１０２から希釈空気サブシステム（図１では図示せず）に供給される空気のうち一定量以上を受け取れるものもあるが、大抵の燃焼器では、一定量以上のシール漏れが発生する。燃料ノズルアセンブリ１０６は、燃焼領域１０５と流体的に連通している。燃料ノズルアセンブリ１０６は、また、燃料源（図１では図示せず）とも流体的に連通しており、燃料と空気を燃焼領域１０５に導入する。燃焼器１０４では、例えば天然ガス及び／又は燃料油などの、高温の燃焼ガス流を生成する燃料を点火して燃焼させる。燃焼器１０４は、タービン１０８と流体的に連通するように接続されており、このタービン１０８は、燃焼器１０４から排出された燃焼ガスによる熱エネルギーを、機械的な回転エネルギーに変換する。タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に接続されている。
【００１２】
図２は、例示的な燃料供給アセンブリ２００の部分図である。この燃料供給アセンブリ２００は、燃焼器１０４（図１に示す）の部品としてタービンエンジン１００（図１に示す）に設置される。一実施形態において、燃料供給アセンブリ２００は、１つ以上の燃料供給口２０２と、空気噴霧カートリッジサブアセンブリ２０３とを有する。サブアセンブリ２０３は、複数の内部空気噴霧管２０５に接続された複数の空気供給管２０４を有する。燃料ノズルアセンブリ２００は、更に、燃焼器エンドカバーサブアセンブリ２０６を含む。カバーサブアセンブリ２０６は、空気と燃料とを案内する複数の予混合燃料供給路２１８（後述）、エンドカバープレート２０８、複数のエンドカバー−燃焼器間ケーシングファスナ２１０を有する。一実施形態において、プレート２０８は、機械加工により形成されており、このプレート２０８の内部には、複数の管路２１１があり、予混合燃料供給路２１８、拡散燃料供給路２２０、複数の噴霧空気供給管２０４、燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２、複数のエンドカバー−燃焼器間ケーシングファスナ２１０、複数の挿入部−エンドカバー間ファスナ２１４、複数のキャップ−エンドカバー間ファスナ２１７が収容されている。なお、プレート２０８は、これらの要素を支持できる大きさに寸法決めされているが、プレート２０８の機能は、これらの要素を支持するだけとは限らない。また、既存のプレート２０８を、本発明の企図に基づいて改造してもよい。一実施形態において、カバーサブアセンブリ２０６が、ファスナ２１０によって燃焼器１０４（図１に示す）のケーシングに接続され、空気噴霧カートリッジサブアセンブリ２０３が、エンドカバープレート２０８に接続されている。
【００１３】
燃料ノズルアセンブリ２００は、更に、複数の燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２、燃料ノズルサブアセンブリ２２５を有する。燃料ノズルサブアセンブリ２２５は、複数の半径方向外側ノズル管２１６、複数の中間管２２３、キャップ装着フランジ２２２、複数の半径方向内側管２２１、環状の拡散燃料路２１９、燃料ノズルキャップ２２４を有する。一実施形態において、燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２は、ファスナ２１４によってエンドカバープレート２０８に接続されており、キャップ２２４は、ファスナ２１７とキャップ装着フランジ２２２によってエンドカバープレート２０８に接続されている。
【００１４】
動作時、燃料は、１つ以上の供給口２０２を介して、燃料源（図２では図示せず）から燃料ノズルアセンブリ２００に供給される。予混合燃料は、矢印で示すように、供給路２１８と燃料ノズル挿入サブアセンブリ２１２から、管２１６に供給される。拡散燃料は、矢印で示すように、管２２０から燃料路２１９に誘導される。燃焼空気は、矢印で示すように、圧縮機１０２（図１に示す）から空気供給管２０４に供給された後、管２０５に供給される。基本的に、複数の燃料ノズルアセンブリ２００は、ロータ１１０（図１に示す）の周囲にそれぞれに対して間隔を空けて設置されており、これによって、燃焼ガスが循環し、燃焼器１０４内の温度がほぼ一様になる。ガスはその後、タービン１０８（図１に示す）に供給される。図１において点線で囲まれた、挿入サブアセンブリ２１２を含む燃料ノズルアセンブリ２００の一部については、図３を参照しながら以下に詳説する。
【００１５】
図３は、例示的な燃料ノズルアセンブリ３００の概略拡大断面図である。一実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３００は、中心軸線３０２を有し、燃料ノズルフランジ３０６によってエンドカバー３０４に接続されている。予混合管３０８は、第１継手３１０によってフランジ３０６に接続され、半径方向外面３１２を有している。この実施形態においては、予混合管３０８を、電子ビーム溶接によってフランジ３０６に取り付けているが、予混合管３０８を、例えば蝋付けによってフランジ３０６に取り付けても、ネジ、ボルトなどのファスナを含め、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように適当に機能するものであれば、いかなる連結装置を用いてフランジ３０６に取り付けてもよい。予混合管３０８は、継手３１０から燃焼室３１１に向かって、調節可能な長さＬ1だけ延在している。一実施形態では、長さＬ1を調節することによって、燃料ノズルアセンブリ３００の固有周波数を適当に調節し、フランジ３０６と予混合管アセンブリを、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）のロータ周波数の（等倍、２倍、３倍、４倍などの整数倍を含めた）倍数以外の周波数で、且つ、ガスタービンエンジン１００の燃焼トーン、サイレントーンとは異なる固有周波数で動作させる。
【００１６】
燃料ノズルアセンブリ３００は、第２継手３１５と平行にフランジ３０６に接続された半径方向内側管３１４を有する。管３０８と管３１４により、略環状の主予混合燃料供給路３１６が画成されている。内側管３１４により、更に、拡散燃料路３１８が画成されている。一実施形態において、予混合燃料供給路３１６と拡散燃料路３１８は、複数の燃料源（図３には図示せず）と流体的に連通するように接続されている。
【００１７】
燃料ノズルアセンブリ３００は、略環状の吸気流コンディショナ（ＩＦＣ）３２０を有する。一実施形態において、ＩＦＣ３２０は、複数の貫通孔３２４を有する半径方向外壁３２２を有し、ＩＦＣ３２０の後部において、壁３２２と面３１２との間に端壁３２６が延在している。壁３２２、壁３２６、面３１２のそれぞれの間には、略環状のＩＦＣチャンバ３２８が画成されている。チャンバ３２８は、貫通孔３２４を介して冷却管路（図３では図示せず）と流体的に連通するように接続されている。燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、壁３２２に接続された管状トランジション部材３３０を有する。このトランジション部材３３０によって、略環状のトランジションチャンバ３３２が画成されており、トランジションチャンバ３３２は、主予混合燃料供給路３１６とほぼ同軸になるように設置されている。このトランジションチャンバ３３２とＩＦＣチャンバ３２８の間には、ＩＦＣ排気路３３４が延在している。
【００１８】
一実施形態において、燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、ガス燃料注入に用いられる空気旋回翼アセンブリ、すなわちスウォズル（swozzle）アセンブリ３４０を有する。スウォズル３４０は、トランジション部材３３０に取り付けられた略管状のシュラウド３４２と、継手３４６と平行に管３０８に取り付けられた略管状のハブ３４４を有する。この実施形態においては、ハブ３４４を、電子ビーム溶接によって管３０８に取り付けているが、ハブ３４４を、例えば蝋付けによって管３０８に取り付けても、ネジ、ボルトなどの任意のファスナを含め、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように適当に機能するものであれば、いかなる連結装置を用いて管３０８に取り付けてもよい。シュラウド３４２とハブ３４４の間には、環状チャンバ３４８が画成されており、更に、複数の中空回転翼３５０が延在している。チャンバ３４８は、チャンバ３３２と流体的に連通するように接続されている。ハブ３４４は、予混合燃料供給路３１６と流体的に連通している複数の回転翼管路（図３では図示せず）を有する。中空回転翼３５０の内部には、複数の予混合ガスポート（図３では図示せず）が設けられている。また、ハブ３４４により、予混合燃料供給路３１６と流体的に連通するように接続された複数の補助回転翼管路（図３では図示せず）と、回転翼３５０の内部にある複数の補助ガスポート（図３では図示せず）が画成されている。吸気チャンバ３４８と主ガスポート及び補助ガスポートはそれぞれ、排気チャンバ３５２と流体的に連通するように接続されている。
【００１９】
燃料ノズルアセンブリ３００は、管状のシュラウド延伸部３５６と管状のハブ延伸部３５８によって形成される略環状の燃料−空気混合路３５４を有する。燃料−空気混合路３５４はチャンバ３５２と流体連通するように接続され、延伸部３５６と延伸部３５８は、シュラウド３４２とハブ３４４にそれぞれ接続されている。
【００２０】
ハブ３４４には、更に、管状の火炎拡散ノズルアセンブリ３６０が接続されており、このアセンブリ３６０によって、環状の拡散燃料路３１８の少なくとも一部が画成されている。アセンブリ３６０はハブ延伸部３５８と共に、環状の空気路３６２を更に画成する。燃料ノズルアセンブリ３００は、更に、ハブ延伸部３５８とアセンブリ３６０に接続されたスロットガスチップ３６３を有する。チップ３６３は、複数のガスインジェクタ３６４と空気インジェクタ３６６を有する。チップ３６３は、また、燃焼室３１１と流体的に連通するように接続されており、これによって、燃焼室３１１において燃料と空気が混合し易くなる。
【００２１】
動作時、燃料ノズルアセンブリ３００は、燃料ノズルアセンブリ３００を取り囲むプレナム（図３では図示せず）を介して空気供給管２０４（図２に示す）から圧縮空気を受け取る。燃焼用の空気は、その殆どがＩＦＣ３２０を介してアセンブリ３００に導入され、予混合部品に案内される。すなわち、空気は、貫通孔３２４からＩＦＣ３２０に流入し、チャンバ３２８で燃料と混合された後、ＩＦＣ排気路３３４を通りＩＦＣ３２０から排出され、トランジションピースチャンバ３３２を通ってスウォズル吸気チャンバ３４８に流入する。また、空気供給管２０４に導入される高圧空気の残りは、拡散燃料路３１８に挿入された空気噴霧液体燃料カートリッジ（図３では図示せず）に導入される。
【００２２】
燃料ノズルアセンブリ３００は、予混合燃料供給路３１６を介して燃料源（図３では図示せず）から燃料を受け取る。燃料は、予混合燃料供給路３１６を通り、回転翼３５０の内部に設けられた複数の主ガスポートに導入される。
【００２３】
トランジションピースチャンバ３３２からスウォズル吸気チャンバ３４８に導入された空気は、回転翼３５０で撹拌された後、燃料と混合され、スウォズル排気チャンバ３５２に案内され、先立って混合された燃料と空気が更に混合される。燃料−空気混合物はその後、燃料−空気混合路３５４に案内され、アセンブリ３００から燃焼室３１１に排出される。更に、拡散燃料路３１８から流入した拡散燃料は、ガスインジェクタ３６４を介して燃焼室３１１に導入された後、空気インジェクタ３６６から排出された空気と混合され、燃焼する。
【００２４】
図４は、燃料ノズルアセンブリ３００に使用するフランジ３０６の概略断面図である。一実施形態において、フランジ３０６は、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数の整数倍以外の固有周波数を有するように製造されている。例えば、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数が約５０Ｈｚの場合、フランジ３０６は、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚなどの５０Ｈｚの整数倍の周波数を実質的に除いた固有周波数を有する。この場合、フランジ３０６は、例えば約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの固有周波数を有するように製造される。この実施形態では、クラス９のガスタービンを使用しているが、ロータトーンが６０Ｈｚの整数倍の例えば１２０Ｈｚ、１８０Ｈｚ、２４０Ｈｚとなる、クラス７のガスタービンを始め、様々な等級のガスタービンにも本発明を用いることができる。
【００２５】
フランジ３０６は、中心軸線３０２を有するように製造され、装着部３８０と略円錐台形の本体部３８２を有する。この装着部３８０と本体部３８２によって、外側長さＬ2が画成されており、この長さＬ2を調節することで、固有周波数を所望の周波数になるように制御できる。これによって、燃料ノズルアセンブリ３００を確実に所望の固有周波数で動作させることができる。本体部３８２は、例えば、燃料ノズルアセンブリ３００を約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの周波数で動作させるために、角度Ａ1を約１０°として製造された収束形である。このときの長さＬ2は、燃料ノズルアセンブリ３００が約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの周波数で動作するように、約３．７５インチ（９５．２５ｍｍ）に設定されている。なお、本体部３８２の角度Ａ1と長さＬ2はいずれも、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、いかなる値であってもよい。
【００２６】
図５は、予混合管３０８の概略断面図である。一実施形態において、予混合管３０８は中心軸線３０２を有し、ガスタービンエンジン１００の駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように製造されている。例えば、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）の駆動周波数が５０Ｈｚの場合、予混合管３０８の長さＬ1は、予混合管３０８の固有周波数が５０Ｈｚ又はその整数倍とは異なる値をとるように、約１４インチ（３５７ｍｍ）に設定されるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、予混合管３０８の長さＬ1はいかなる長さであってもよい。
【００２７】
一実施形態において、予混合管３０８は、燃料ノズルアセンブリ３００のスウォズルアセンブリ３４０（図３に示す）において、先細部３９０を有し、これによって、より多量の気流を扱うことができる。先細部３９０の収束角度Ａ2は、例えば約５°であるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、先細部３９０の収束角度Ａ2は、いかなる値であってもよい。予混合管３０８は、更に、厚みＴを有する外壁３９２を有する。外壁３９２の厚みＴは、例えば約０．１９インチ（４．７６ｍｍ）であるが、燃料ノズルアセンブリ３００が本明細書の記載のように機能するのであれば、いかなる値であってもよい。
【００２８】
以上、燃料ノズルアセンブリの実施形態を例示しながら本発明を説明した。燃料と空気を混合してエンジンの燃料室へ供給する上述のシステムにより、エンジン内の周波数マージンのバランスがとれるだけでなく、燃焼室のすぐ上流側の設計の信頼性と柔軟性が高まる。すなわち、各燃料ノズルアセンブリのフランジと予混合管の構造設計と固有周波数を調整して最適化することによって、低サイクル疲労（ＬＣＦ）や高サイクル疲労（ＨＣＦ）を緩和し、周波数マージンや空気力学的特性を最適化することができる。本発明による燃料ノズルアセンブリでは、応力集中が緩和された結果、応力による燃料漏れを防ぐとともに、部品の固有周波数をより適切に調節することができる。従って、空気抵抗を最小限に抑え、ロータ速度や燃焼トーン、周波数マージンを最適化することができる。
【００２９】
更に、本明細書に記載のシステム及び方法では、フランジと予混合管との間の継手を蝋付けする代わりに電子ビーム溶接によって接続するので、燃料ノズルアセンブリの構造的強度と柔軟性が高まる。更に、このシステム及び方法により、エンジン動作中の燃料ノズルアセンブリの耐久性が向上する。また、フランジと予混合管の形状、予混合管壁の厚みを適宜調節することによって、固有周波数マージンを適当に制御し、ＬＣＦやＨＣＦを緩和することができる。その結果、製品の設計が最適化され、部品の耐久性が高まり、製品寿命が延びる。
【００３０】
本明細書では、本発明の装置及び方法に関して、ガスタービンエンジンのノズルアセンブリを参照して説明してきたが、本発明の用途がこれに限定されないことは明らかであろう。また、本発明によるシステムの構成要素を、本明細書に記載の実施形態に限らず、単独で用いても、その他の構成要素と組合わせても、本発明の実施形態に含まれる。
【００３１】
本明細書において、要素又はステップが単数名詞で記載されている場合、特に指定のない限り、それらが複数存在する可能性がある。また「一実施形態」という表現は、本発明にかかる特徴を有する実施形態が複数存在する可能性を排除するものではない。
【００３２】
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】
【００３３】
１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ 燃料ノズルアセンブリ
１０８ タービン
１１０ ロータ
２００ 燃料ノズルアセンブリ
２０２ 燃料供給口
２０３ サブアセンブリ
２０４ 空気供給管
２０５ 内部空気噴霧管
２０６ カバーサブアセンブリ
２０８ エンドカバープレート
２１０ 燃焼器ケーシングファスナ
２１１ 複数の管路
２１２ 挿入サブアセンブリ
２１４ ファスナ
２１６ 半径方向外側ノズル管
２１７ ファスナ
２１８ 予混合燃料供給路
２１９ 環状の拡散燃料路
２２０ 拡散燃料供給路
２２１ 半径方向内側管
２２２ キャップ装着フランジ
２２３ 複数の中間管
２２４ 燃料ノズルキャップ
２２５ ノズルサブアセンブリ
３００ 燃料ノズルアセンブリ
３０２ 中心軸線
３０４ エンドカバー
３０６ フランジ
３０８ 予混合管
３１０ 第１継手
３１１ 燃焼室
３１２ 半径方向外面
３１４ 内側管
３１５ 第２継手
３１６ 予混合燃料供給路
３１８ 拡散燃料路
３２０ 吸気流コンディショナ（ＩＦＣ）
３２２ 半径方向外壁
３２４ 複数の貫通孔
３２６ 端壁
３２８ 環状のＩＦＣチャンバ
３３０ トランジション部材
３３２ トランジションピースチャンバ
３３４ ＩＦＣ排気路
３４０ 旋回翼アセンブリ（スウォズルアセンブリ）
３４２ 管状シュラウド
３４４ ハブ
３４６ 継手
３４８ スウォズル吸気チャンバ
３５０ 中空回転翼
３５２ スウォズル排気チャンバ
３５４ 燃料−空気混合路
３５６ 管状シュラウド延伸部
３５８ 管状ハブ延伸部
３６０ 火炎拡散ノズルアセンブリ
３６３ スロットガスチップ
３６４ 複数のガスインジェクタ
３６６ 空気インジェクタ
３８０ 装着部
３８２ 本体部
３９０ 先細部
３９２ 外壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１０４）のエンドカバー（３０４）に取り付けられた第１端部と、該第１端部の反対側に第２端部とを有するフランジ（２２２、３０６）と、
前記フランジの第２端部に、第１端部で接続された予混合管（３０８）とを備えた、燃焼器（１０４）を有するガスタービンエンジン（１００）の燃料ノズルアセンブリ（２００）であって、
前記フランジと前記予混合管が、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように構成された、燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項２】
前記予混合管（３０８）が、電子ビーム溶接によって前記フランジの第２端部に接続された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項３】
前記フランジ（２２２、３０６）が、該フランジの固有周波数を制御し得る角度をなして収束した略円錐台形の本体部（３８２）を有する、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項４】
前記フランジ（２２２、３０６）と前記予混合管（３０８）の固有周波数が、前記ガスタービンエンジン（１００）の駆動周波数の整数倍以外の値となるように構成された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項５】
前記フランジ（２２２、３０６）が、約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの固有周波数を有するように構成された、請求項４記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項６】
前記予混合管（３０８）の第２端部に、端部キャップアセンブリが接続された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項７】
前記端部キャップアセンブリが、電子ビーム溶接によって前記予混合管（３０８）の第２端部に接続された、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項８】
前記予混合管（３０８）の第２端部が、前記燃料ノズルアセンブリの流れを促進する先細部を有する、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項９】
電子ビーム溶接によって前記予混合管（３０８）の第２端部に接続された旋回翼アセンブリ（３４０）と、
電子ビーム溶接によって前記旋回翼アセンブリに接続されたチップ管とを更に有する、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項１０】
前記チップ管の下流側端部に、電子ビーム溶接によってチップアセンブリが更に接続された、請求項９記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項１】
燃焼器（１０４）のエンドカバー（３０４）に取り付けられた第１端部と、該第１端部の反対側に第２端部とを有するフランジ（２２２、３０６）と、
前記フランジの第２端部に、第１端部で接続された予混合管（３０８）とを備えた、燃焼器（１０４）を有するガスタービンエンジン（１００）の燃料ノズルアセンブリ（２００）であって、
前記フランジと前記予混合管が、ガスタービンエンジンの駆動周波数とは異なる固有周波数を有するように構成された、燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項２】
前記予混合管（３０８）が、電子ビーム溶接によって前記フランジの第２端部に接続された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項３】
前記フランジ（２２２、３０６）が、該フランジの固有周波数を制御し得る角度をなして収束した略円錐台形の本体部（３８２）を有する、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項４】
前記フランジ（２２２、３０６）と前記予混合管（３０８）の固有周波数が、前記ガスタービンエンジン（１００）の駆動周波数の整数倍以外の値となるように構成された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項５】
前記フランジ（２２２、３０６）が、約１７５Ｈｚ〜約１８０Ｈｚの固有周波数を有するように構成された、請求項４記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項６】
前記予混合管（３０８）の第２端部に、端部キャップアセンブリが接続された、請求項１記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項７】
前記端部キャップアセンブリが、電子ビーム溶接によって前記予混合管（３０８）の第２端部に接続された、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項８】
前記予混合管（３０８）の第２端部が、前記燃料ノズルアセンブリの流れを促進する先細部を有する、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項９】
電子ビーム溶接によって前記予混合管（３０８）の第２端部に接続された旋回翼アセンブリ（３４０）と、
電子ビーム溶接によって前記旋回翼アセンブリに接続されたチップ管とを更に有する、請求項６記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【請求項１０】
前記チップ管の下流側端部に、電子ビーム溶接によってチップアセンブリが更に接続された、請求項９記載の燃料ノズルアセンブリ（２００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１７３３８（Ｐ２０１１−１７３３８Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５０７０５（Ｐ２０１０−１５０７０５）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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