JP2002071135A - ガス専用ノズル燃料チップ及びガス専用ノズル燃料チップを冷却する方法 - Google Patents

ガス専用ノズル燃料チップ及びガス専用ノズル燃料チップを冷却する方法

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JP2002071135A
JP2002071135A JP2001130538A JP2001130538A JP2002071135A JP 2002071135 A JP2002071135 A JP 2002071135A JP 2001130538 A JP2001130538 A JP 2001130538A JP 2001130538 A JP2001130538 A JP 2001130538A JP 2002071135 A JP2002071135 A JP 2002071135A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複式燃料ノズルをガス専用ノズルに変換する
ために、拡散炎ノズルガすチップを提供する。 【解決手段】 ノズルチップは拡散ノズル空気旋回羽根
に給気する流路からの圧縮機吐き出し空気を複式燃料用
構成要素を取り外したことによりあいた領域へ偏向させ
るので、偏向された圧縮機吐き出し空気はノズルチップ
のエンドキャップ板にあるしみ出し穴へ流れ、それらの
穴を通過することができる。好ましい実施例では、ノズ
ルガスチップは、エンドキャップ板に規定されたしみ出
し開口を通って流れるよう、ノズルの周囲流路からの圧
縮機吐き出し空気を受け入れるための空洞部を規定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料ノズルに関し、
特に、ガス専用に使用されるように構成された「複式燃
料」ノズルのエンドキャップ板及びエンドキャップ板を
冷却するための適合に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電用ガスタービンは、一般に「複式燃
料」又は「ガス専用」のいずれかに適応するように構成さ
れた燃料ノズルを含む構造で利用できる。「ガス専用」
は、例えば、天然ガスを燃焼させる動作を表し、「複式
燃料」は天然ガス又は液体燃料のいずれかを燃焼させる
動作能力を有することを表す。複式燃料構成は、一般
に、天然ガスを利用できない場合のバックアップ燃料と
して油を使用して適用される。ガス専用構成は、液体燃
料動作に必要なノズル部品及びそれに関連する全ての機
器が使用されないことによりコストを削減するために提
供される。一般に、燃料ノズルは複式燃料能力を有する
ように設計されており、ガス専用構成は、油流路、噴霧
空気流路及び水流路を含む複式燃料部品をノズルから取
り外すことにより、複式燃料構成を変形したものであ
る。これらの構成要素を取り外すと、ノズルの軸方向中
心線に沿って円筒形の開放領域が高温燃焼ガスにさらさ
れることになる。複式（液体）燃料用部品を取り外せる
ように変形された複式燃料ノズルの一例を図１に示す。
このノズルは、本明細書に参考として開示内容が取り入
れられている１９９８年２月１０日出願の同時係属出願
第０９／０２１，０８１号に詳細に開示されている。
【０００３】図１は、バーナアセンブリの横断面図であ
る。バーナアセンブリは、機能の上で、入口流量調整部
７と、天然ガス燃料の噴射を伴うエアスワーラアセンブ
リ（ノズルアセンブリと呼ぶ）２と、環状燃料／空気混
合通路３と、中心拡散炎天然ガス燃料ノズルアセンブリ
１３とを含む４つの領域に分割されている。
【０００４】空気は、燃焼器の反応ゾーン６に入る吐き
出し端部を除いてアセンブリ全体を包囲する高圧プレナ
ム５からバーナの内部に入る。燃焼用の空気の大部分は
入口流量調整部（ＩＦＣ）７を通って前混合器に入る。
ＩＦＣは、内径で中実円筒形内壁９により境界を規定さ
れる環状流路８と、外形の穴あき円筒形外壁１０と、上
流側端部の穴あきエンドキャップ１１とを含む。流路８
の中央には、１枚又は複数枚の環状回転羽根１２があ
る。前混合器の空気はエンドキャップ１１及び円筒形外
壁１０にある穴を通ってＩＦＣ７に入る。
【０００５】バーナアセンブリの中心には溝穴が形成さ
れたガスチップ１４を有する従来通りの構成の拡散炎燃
料ノズルチップ１３があり、ノズルチップ１３は環状流
路１５から燃焼空気を受け取ると共に、ガス穴１６を通
して天然ガス燃料を受け取る。この燃料ノズルの本体
は、ノズルと前混合器との熱膨張の差を補正するための
ベローズ１７を含む。この拡散炎燃料ノズルの中心には
空洞部１８があり、先に述べた通り、この空洞部１８は
複式燃料能力を得るために液体燃料アセンブリを収容す
る。複式燃料構成においては、ガス燃料動作中、使用し
ていないときに高温ガスがこの領域の油流路、噴霧空気
流路及び水流路に侵入するのを防止するために、これら
の流路は低温の空気でパージングされる。ノズルをガス
専用動作に適応するように構成する場合には、高温燃焼
ガスが中央の開放領域に侵入して、その結果、高温によ
る機械的損傷を引き起こすのを阻止するために、ノズル
の遠位部で空洞部１８をキャップで覆わなければならな
い。エンドキャップ板は高温燃焼ガスにさらされるの
で、キャップ板を冷却しなければならない。
【０００６】従来、複式燃料構成からガス専用構成に変
換する際にノズルチップの開放領域を覆うために使用さ
れるエンドキャップ板の冷却は、冷却媒体としてガス燃
料を使用して行われていた。すなわち、複式燃料に対応
する構成要素が取り外されると、ガス燃料流路の内壁を
形成していた構造がなくなるため、ガス燃料の一部はエ
ンドキャップ板にあるごく小さな複数の穴（図１には図
示せず）を通ってしみ出し、エンドキャップ板を冷却す
るが、燃料の大部分はエアスワーラ羽根の間に配置され
た正規のガス穴噴射器１６を通過する。これが複式燃料
からガス専用ノズルへ変換するための非常に簡単な構成
である。この方法は一般的には有効ではあるが、ガスタ
ービンの動作範囲にわたって放出を小さく抑えなければ
ならないという点で望ましくない。冷却用のガス燃料を
エアスワーラ羽根の間の所望の噴射ポイントから偏向さ
せて、そのガスを異なる場所でエンドキャップ板の小さ
な穴（図１には図示せず）を通して噴射させて冷却を行
うことにより、低排出性能を得るためには不可欠である
ガス燃料と空気の前混合が減少してしまう。
【０００７】エンドキャップ板を冷却するために実施可
能であるもう１つの方法は、ノズルパージ空気系統から
供給される冷却空気を使用するという方法である。ノズ
ルパージ空気系統は、温度が７５０°Ｆを超えないよう
に冷却された空気を供給する。先にガス燃料動作中の液
体燃料用構成要素のパージングに関連して簡単に説明し
たように、この空気は、使用していないときに高温燃焼
ガスがガス流路、マニホールド及び配管に逆流するのを
阻止するために、ガス燃料流路をパージングする用途に
ほぼ利用される。空気の温度が７５０°Ｆを超えないと
いう限界は、その温度を超えた空気と接触したガス燃料
は自然発火する可能性があるということに基づいてい
る。ガス燃料ではなく、冷却用のパージ空気を受け取る
ようにエンドキャップ板流路を構成しているため、ガス
燃料は全く存在しないことになると考えられるので、ノ
ズルパージ装置からエンドキャップ板を冷却するために
特別に冷却された空気を使用することは非能率的であろ
う。
【０００８】
【発明の概要】既存の燃料ノズルパージ装置は、ガス専
用ノズルのエンドキャップ板を冷却するために必要であ
る空気を追加供給する能力を持たないばかりでなく、そ
のように特別に冷却された空気を使用することは効率的
ではないであろう。
【０００９】しかし、圧縮機の吐き出し空気は冷却媒体
として適していることが確認されている。そこで、エン
ドキャップ板を冷却するために圧縮機の吐き出し空気を
使用できるように、拡散炎ノズルガスチップが設計され
ている。適切な量の圧縮機吐き出しガスが環状流路１５
から中心領域１８内部へ取り出され、エンドキャップ板
にあるごく小さな（しみ出し）穴から放出されて、所望
の冷却を行う。
【００１０】本発明は、冷却媒体として圧縮機吐き出し
空気が供給されるようにガス専用燃料ノズルのエンドキ
ャップ板を冷却する方法において具現化される。本発明
の方法は、既存のノズルパージ装置からの冷却空気又は
ガス燃料のいずれかを冷却媒体として使用する必要があ
った構成に代わるものであるという点で有利である。本
発明の一実施例によれば、これは、拡散ノズル空気旋回
羽根に給気する流路からの圧縮機吐き出し空気を複式燃
料用構成要素を取り外したことによってあいた空洞部へ
偏向させ、偏向された圧縮機吐き出し空気がエンドキャ
ップ板のしみ出し穴に向かって流れ、それらの穴を通過
できるように構成した拡散炎ノズルガスチップを提供す
ることにより実現される。好ましい実施例においては、
ノズルガスチップは、ノズルの周囲流路からの圧縮機吐
き出し空気をエンドキャップチップに規定されたしみ出
し開口を流通させるよう受け入れるための空洞部を規定
する。
【００１１】
【発明の実施の形態】先に説明したように、図１は、燃
料ノズルの中心部分から液体燃料用部品を取り外した状
態の燃料ノズルの等角投影図である。ガス専用構成に合
わせて複式燃料ノズルから液体燃料用部品を取り外した
ときには、高温燃焼ガスがこの領域に流入するのを阻止
し且つガス燃料をガス穴を通過するように導くために、
空洞部を遠位部で密閉しなければならない。
【００１２】図２を参照すると、本発明のガス専用ノズ
ルに適用するために特別に設計された拡散ガスチップ２
０の一実施例が示されている。液体燃料用部品を取り外
したことにより形成される空洞部を密閉するエンドキャ
ップ板２２の遠位（末端）側の面２４は高温燃焼ガスに
さらされるため、エンドキャップ板２２を冷却する必要
がある。エンドキャップ板を冷却するために、圧縮機の
吐き出し空気は拡散空気旋回羽根を通して空気を送り出
す環状流路２６から方向を転換して、エンドキャップ板
２２の背後に規定された空洞部２８の中へ導かれる。図
示した実施例においては、４本の円形の、半径方向に延
出する穴３０が圧縮機の吐き出し空気を環状の外側流路
２６から内側空洞部２８へ搬送する。更に、図示した実
施例では、それら４本の半径方向に延出する冷却空気搬
送路３０は空洞部２８の周囲に沿って等間隔で配置され
ていると共に、中心ノズル空洞部３４から空気旋回羽根
３８のガス噴射穴３６へガスを搬送する軸方向ガス燃料
流路３２の間に等間隔で配置されているのが好ましい。
図示した実施例においては、環状ガスプレナム４０はガ
ス流路３２からガスを受け取り、ガスはガス噴射穴３６
に分配される。流路３０の大きさと、ノズルの長手方向
軸に対する流路３０の向きとは、空洞部２８に向かって
偏向される圧縮機の抽気の量を決定するために必要又は
希望に応じて変えてもよいが、冷却空気の流量に関して
第１の制限因子は通過する流れの体積を決定するエンド
キャップ板２２のしみ出し開口４２であろうということ
を理解すべきである。
【００１３】中心空気空洞部２８においては、流路３０
を通して受け入れられた空気がエンドキャップ板２２の
小さなしみ出し穴４２を通って流れるように導かれるの
で、この空気はエンドキャップ板２２の近位側（基部に
近い側）の面４４を冷却するのみならず、板構造全体の
冷却効果を向上させる。エンドキャップ板を冷却するた
めに偏向される圧縮機吐き出し空気の量は、拡散ノズル
空気旋回羽根３８に供給される、環状流路２６を通過す
る吐き出し空気の量と比べてごくわずかな割合であるに
過ぎないことを理解すべきである。
【００１４】図示した実施例においては、ノズルチップ
はチップ部４６と、流れダイバータ部４８とから構成さ
れている。ダイバータ部４８は５０で示すようなろう付
け接合によりチップ部４６に固定されている。チップ部
４６自体もまた５２で示すようにノズル構造にろう付け
されている。チップ部４６はエンドキャップ板２２と、
拡散ノズル旋回羽根３８と、ガスプレナム４０の周囲外
壁５４と、ダイバータ部４８の壁５８を規定する空洞部
を受け入れる受け入れ部５６とを規定する。図示した実
施例では、チップ部４６は空洞部２８の遠位部分６０を
規定している。流れダイバータ部４８は空洞部２８のそ
の他の部分と、エンドキャップ板２２を冷却するために
空気を空洞部２８へ向けて偏向させる圧縮機抽気偏向流
路３０と、中心ノズル空洞部３４から燃料噴射穴３６へ
向かい、燃料噴射穴３６を通過するガス燃料流れを通す
軸方向流路３２とを規定する。
【００１５】以上の説明から理解されるように、上述の
拡散ガスチップにより、ガス専用燃料ノズルの遠位先端
にあるエンドキャップ板を冷却するために圧縮機の抽気
を使用できると共に、この機能を実現するために、ガス
燃料又は既存のノズル空気パージ装置からの冷却空気の
いずれかの使用に代えることができる。また、本発明に
おいては、複式燃料ノズル構成からガス専用燃料ノズル
構成に変換するために、拡散チップサブアセンブリのみ
を変更すればよいという利点も得られる。ガス専用ノズ
ルについてのこの変更を行ったとしても、ノズルのガス
燃料動作特性が複式燃料構成のガス専用モードから相当
に変更されることは予想されないであろう。
【００１６】本発明を現時点で最も実用的で好ましい実
施例であると考えられるものに関連して説明したが、本
発明は開示した実施例に限定されるべきではなく、特許
請求の範囲の趣旨に含まれる様々な変形及び等価の構成
を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料ノズルの中心部分から液体燃料用部品を
取り外した状態の燃料ノズルの等角投影図。
【図２】 本発明を具現化したガス専用ノズルの拡散ガ
スチップの横断面図。
【符号の説明】
７…入口流量調整部、２０…拡散ガスチップ、２２…エ
ンドキャップ板、２６…環状流路、２８…空洞部、３０
…冷却空気搬送路、３２…ガス燃料流路、３４…中心ノ
ズル空洞部、３６…燃料ガス噴射穴、３８…空気旋回羽
根、４０…環状ガスプレナム、４２…しみ出し穴、４６
…チップ部、４８…流れダイバータ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビッド・オラス・フィッツ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・スパ、スウィートマン・ロード、 286番 (72)発明者 ガイ・ウェイン・デレオナルド アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコウ シャ、グレン・アベニュー、520番

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複式燃料ノズル構成からガス専用ノズル
    構成へ変換するためのノズル燃料チップにおいて、 遠位面と、近位面と、冷却流体を流通させるためにこれ
    ら両面を通して規定された複数の開口とを有するエンド
    キャップ板構造と、 前記エンドキャップ板の前記近位面に対し近位側に配設
    され、前記開口に対し近位側に前記開口と流れ連通する
    空気空洞部を規定し、更に、冷却空気を外周面から前記
    空洞部へ流すために外周面から前記空洞部へ延出する複
    数の冷却空気流路と、前記空気空洞部を前記燃料の流れ
    からほぼ隔離するように近位部から遠位部まで延出する
    複数のガス燃料流路とを含む空洞部規定構造とを具備す
    るノズル燃料チップ。
  2. 【請求項２】 前記空洞部規定構造の周囲に前記空洞部
    規定構造から離間して配設され、前記空洞部規定構造と
    の間に、前記ガス燃料流路を通って流れてくるガス燃料
    の流れを受け入れ、それを分配するガスプレナムを規定
    する壁を更に具備する請求項１記載のノズル燃料チッ
    プ。
  3. 【請求項３】 前記エンドキャップ板の周囲に沿って規
    定され、前記ガス燃料プレナムからガス燃料をほぼ遠位
    方向へ導く複数のガス噴射穴を更に具備する請求項２記
    載のノズル燃料チップ。
  4. 【請求項４】 チップ部とダイバータ部とから構成さ
    れ、前記チップ部は前記エンドキャップ板を具備し且つ
    前記ダイバータ部は前記空洞部規定構造を具備する請求
    項１記載のノズル。
  5. 【請求項５】 前記チップ部及び前記ダイバータ部は一
    体のユニットとして固定されるようにろう付けされてい
    る請求項４記載のノズル。
  6. 【請求項６】 前記冷却空気流路は４本ある請求項１記
    載のノズル。
  7. 【請求項７】 前記ガス燃料流路は４本あり、隣接する
    前記冷却空気流路の間に１本のガス燃料流路が配設され
    ている請求項６記載のノズル。
  8. 【請求項８】 前記ガス燃料流路は前記ノズルの長手方
    向軸とほぼ平行な方向に延出している請求項１記載のノ
    ズル。
  9. 【請求項９】 前記冷却空気流路は、それぞれが前記ノ
    ズルの長手方向軸に関してほぼ半径方向に延出するよう
    に前記長手方向軸に対してほぼ横の方向に向きを定めら
    れている請求項１記載のノズル。
  10. 【請求項１０】 周囲外壁と、 前記周囲外壁の内側に規定され且つ少なくともその周囲
    の一部に沿って延出する空気流路と、 中心ガス燃料流路と、 遠位部で前記周囲外壁に関して固定され、前記中心ガス
    燃料流路をほぼ閉鎖するノズルチップであって、エンド
    キャップ板を含み、前記ノズルエンドキャップ板を冷却
    するために前記空気流路を流れる空気の一部を偏向させ
    る少なくとも１本の冷却空気流路を規定し、且つ前記中
    心ガス燃料流路を流れるガス燃料を前記ノズルエンドキ
    ャップ板の周囲に沿って規定された複数のガス噴射穴へ
    偏向させ、前記ガス噴射穴を通過させる少なくとも１本
    のガス燃料流路を規定するノズルチップとを具備するガ
    ス専用ノズル。
  11. 【請求項１１】 前記エンドキャップ板を貫通して、冷
    却空気を流通させるための複数の流体流れ開口が規定さ
    れている請求項１０記載のガス専用ノズル。
  12. 【請求項１２】 前記ノズルチップは、前記ノズルエン
    ドキャップ板の近位面に隣接して配設され、前記ノズル
    エンドキャップ板に隣接する空気空洞部を規定する空洞
    部規定構造を含み、前記空洞部規定構造は前記少なくと
    も１本の冷却空気流路と、前記少なくとも１本のガス燃
    料流路とを規定する請求項１０記載のガス専用ノズル。
  13. 【請求項１３】 前記空洞部規定構造の周囲に沿って、
    前記空洞部規定構造から離間して配設され、前記空洞部
    規定構造との間に、前記少なくとも１本のガス燃料流路
    を通って流れて来るガス燃料の流れを受け入れ、それを
    分配するためのガスプレナムを規定する壁を更に具備す
    る請求項１０記載のガス専用ノズル。
  14. 【請求項１４】 前記ノズルチップはチップ部とダイバ
    ータ部とから構成され、前記チップ部は前記エンドキャ
    ップ板を具備し且つ前記ダイバータ部は前記空洞部規定
    構造を具備する請求項１２記載のガス専用ノズル。
  15. 【請求項１５】 前記チップ部及び前記ダイバータ部
    は、一体のユニットとして固定されるようにろう付けさ
    れている請求項１４記載のガス専用ノズル。
  16. 【請求項１６】 前記少なくとも１本のガス燃料流路は
    前記ノズルの長手方向軸とほぼ平行な方向に延出し、且
    つ前記少なくとも１本の冷却空気流路は、前記ノズルの
    長手方向軸に関してほぼ半径方向に延出するように前記
    長手方向軸に対してほぼ横の方向に向きを定められてい
    る請求項１０記載のガス専用ノズル。
  17. 【請求項１７】 ガス専用ノズル燃料チップを冷却する
    方法において、周囲外壁と、前記周囲外壁の内側に規定
    され且つ少なくともその周囲の一部に沿って延出する空
    気流路と、中心ガス燃料流路とを含むガス専用ノズルを
    設ける工程と、 エンドキャップ板を含むノズルチップを、前記中心ガス
    燃料流路をほぼ閉鎖するように前記周囲外壁にその遠位
    部で固定する工程と、 前記中心ガス燃料流路を流れるガス燃料を前記エンドキ
    ャップ板の周囲に沿って規定された複数のガス噴射穴へ
    向かって流れ、前記ガス噴射穴を通過するように偏向さ
    せる工程と、 前記空気流路を流れる空気の一部を前記エンドキャップ
    板を冷却するために前記エンドキャップ板に向かって流
    れるように変更させる工程とから成る方法。
  18. 【請求項１８】 ノズルを流れる空気は圧縮機の抽気で
    ある請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記エンドキャップ板を貫通して複数
    の開口が規定されており、前記空気を偏向させる工程
    は、空気を前記エンドキャップ板の前記開口に向かって
    流れ、前記開口を通過するように偏向させることから成
    る請求項１７記載の方法。
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