JP2009030602A - 燃料ノズルアセンブリ及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ノズルアセンブリ及び方法を提供する。
【解決手段】本ノズルアセンブリは、ノズル本体(114)とオリフィスプレート(118)とを含む。オリフィスプレート(118)は、ノズル本体(114)の内部に着脱自在に配置することができる。
【選択図】 図3

Description

本出願は、総括的にはガスタービンの燃焼器用の燃料ノズルに関し、より具体的には、ガスタービンの乾式低NOx燃焼器用の一次燃料ノズル及び該ノズルを作る方法に関する。
ガスタービン用の低NOx燃焼器は、本産業分野では公知である。例えば、米国特許第4,292,801号には、燃焼プロセスの間に少ない量の窒素酸化物(NOx)を発生する「デュアルステージ−デュアルモード低NOx燃焼器」が記載されている。そのような低NOx燃焼器は一般に、2つの燃焼チャンバを含む。燃料は、燃焼器の端部キャップを貫通して延びる燃料ノズルを通してチャンバ内に導入される。より具体的には、幾つかの一次燃料ノズルが第1の燃焼チャンバ内に延び、また二次燃料ノズルが第2の燃焼チャンバに向かって延びる。運転中に、燃料は、一次及び二次燃料ノズルを通して選択的に導入されて、対応するチャンバ内で燃焼を開始しかつ終了する。燃焼は、比較的低レベルのNOxを発生するように制御することができる。
各一次燃料ノズルは一般に、ノズル本体、オリフィスプレート及びカラーを含む。オリフィスプレートは、ノズル本体の内部上に配置され、ノズル本体を通って流れる燃料は、オリフィスプレート内のオリフィスを通過する。カラーは、出口端部に隣接してノズル本体の外部上に配置される。ノズル本体を通って流れる燃料は、カラーに隣接した出口端部を通過する。オリフィスプレート及びカラーは、燃料の流れ特性、従って燃焼器の性能に影響を与える。
一般に、オリフィスプレート及びカラーは、ロウ付け又は電子ビーム溶接のような方法を使用してノズル本体に結合される。これらの方法は、オリフィスプレートを比較的取外し難くする。しかし、オリフィスプレートを通るガス及び空気の流れは、オリフィスを摩耗させて燃焼器の性能に悪影響を与えるようになる。そのような場合には、一次燃料ノズルは、交換することができる。さらに、これらの方法では、カラー及びノズル本体を接合する部位にフィレットを形成する場合がある。フィレットは、無制御の寸法、形状及び表面を有する場合があり、そのことが、ノズル本体の出口端部に隣接する燃料の流れ及び空気流を妨げ、これがまた燃焼器の性能に悪影響を与える可能性がある。
米国特許第4,292,801号明細書 米国特許第4,982,570号明細書 米国特許第5,724,991号明細書
本出願は、燃料ノズルアセンブリについて記述する。本燃料ノズルアセンブリは、ノズル本体とオリフィスプレートとを含むことができる。オリフィスプレートは、ノズル本体の内部に着脱自在に配置することができる。
本出願はまた、燃料ノズルアセンブリをについて記述する。本燃料ノズルアセンブリは、ノズル本体とカラーとを含むことができる。カラーは、ノズル本体の外部上に一体形に形成することができる。
本出願はさらに、燃料ノズルアセンブリを製造する方法について記述する。本方法は、ノズル本体とカラーとを形成する段階を含むことができる。カラーは、ノズル本体と一体形に形成することができる。本方法はまた、オリフィスプレートを形成する段階と、ノズル本体にオリフィスプレートを結合する段階と、ノズル本体に対してオリフィスプレートをシールする段階とを含むことができる。
開示した一次燃料ノズルアセンブリ及び方法のその他のシステム、装置、方法、特徴及び利点は、当業者には明白であり、或いは添付の図及び以下の詳細な説明を精査することにより明白になるであろう。全てのそのような付加的なシステム、装置、方法、特徴及び利点は、本説明の範囲内に含まれることになることを意図しており、また特許請求の範囲によって保護されることになることを意図している。
本開示は、添付の図を参照すると一層良好に理解することができる。図面全体を通して一致する参照番号は、対応する部品を示しており、また図における構成要素は、必ずしも正確な縮尺にはなっていない。
図1は、ガスタービン100の燃焼器102を示す、ガスタービン100の部分断面図である。燃焼器102は、燃焼プロセスの間に比較的低レベルの窒素酸化物(NOx)を発生するように構成することができる。燃焼器102は、例えば、上述の米国特許第4,292,801号に記載されているデュアルステージ−デュアルモード低NOx燃焼器の実施形態とすることができる。しかし、本出願の原理は、他の燃焼器102にも適用することができる。図1には燃焼器102を1個しか示していないが、一般にガスタービン100は、ガスタービン100の周りに円形アレイとして配置された幾つかの燃焼器102を含む。
燃焼器102は、端部カバー104、幾つかのチャンバ、及び幾つかの燃料ノズルを有することができる。ノズルは、端部カバー104を貫通してチャンバ内に燃料を送ることができる。より具体的には、幾つかの一次燃料ノズルアセンブリ106は、燃焼器102の第1のチャンバ110内に燃料を送り、一方、二次燃料ノズル108は、燃焼器102の第2のチャンバ112内に燃料を送る。燃料は、空気スワーラ(図示せず)を介して圧縮機(図示せず)からの空気と混合してタービン(図示せず)を駆動する加圧空気を形成することができる。低NOx燃焼を生じさせるために二次燃料ノズル108を使用することは公知であるので、ここでは、これ以上の説明は省略する。
図2及び図3は、図1に示す燃焼器102のような低NOx燃焼器で使用することができる一次燃料ノズルアセンブリ106の実施形態の斜視図である。一次燃料ノズルアセンブリ106は一般に、ノズル本体114、カラー116及びオリフィスプレート118を含み、それらについては、以下にさらに詳細に説明する。固定部材及びシール(図示せず)はまた、それぞれ部位120及び122においてノズル本体114外部上の配置することができる。
一次燃料ノズルアセンブリ106は、図4に示すように燃焼器102の端部カバー104内に配置されるように構成することができる。固定部材120及びガスケット122は、一次燃料ノズルアセンブリ106と端部カバー104との間に取外し可能であるが固定形のシールを形成することができる。燃焼器102は、あらゆる配列として構成したあらゆる数の一次燃料ノズルアセンブリ106と共に使用することができるが、本明細書では、円形アレイにした6つの一次燃料ノズルアセンブリ106を示している。そのような構成は、とりわけニューヨーク州スケネクタディ所在のGeneral Electric Companyによって製造されたそのMS7001EA型タービンのようなタービンに見ることができる。図4には、明瞭にするために、二次燃料ノズル108は示していない。
一次燃料ノズルアセンブリ106は、端部カバー104を貫通して第1の燃焼チャンバ110内に燃料を導入することが可能になるように構成される。再度図2及び図3を参照すると、ノズル本体114は、比較的中空の内部及び出口端部128を有することができる。出口端部128において、幾つかの開口130は、ノズル本体114を貫通して形成して、該開口を通して燃料を流出させるのを可能にすることができる。開口130に隣接して、ノズル本体114から幾つかのベーン132が延びることができる。ベーン132は、半径方向に外向きに延びる。ベーン132は、その外周辺部に沿ってカラー116で囲むことができる。ノズル本体114の外部、ベーン132、及びカラー116の内面は、幾つかのウインドウ134を形成する。ウインドウ134は、開口130と対応するように配置されて、開口130から流出する燃料がウインドウ134内に流れるようになる。ウインドウ134を通過する空気は、燃料と混合されて燃焼チャンバ110、112内で燃焼される空気/燃料混合物を形成することができる。
一次燃料ノズルアセンブリ106の出口端部の形状寸法は、空気/燃料混合物内の空気及び燃料の比率に影響を与える可能性がある。例えば、開口130、ベーン132、カラー116及びウインドウ134の寸法設定及び相対的位置は、全形状寸法の関連構成要素となる可能性がある。一般に、形状寸法は、所望に応じた燃焼が発生するような特定の燃料及び空気比率を有する空気/燃料混合物を形成するように選定される。従って、一次燃料ノズルアセンブリ106は、所望の形状寸法を達成するように製造することができる。
より具体的には、カラー116は、ノズル本体114と一体形に形成して、カラー116及びノズル114が単体構造を有するようにすることができる。単体構造は、ロウ付け又は溶接のような方法を使用してカラー116をノズル本体114に個別に取付ける必要性を排除する。単体構造を得るために、ノズル本体114及びカラー116は、機械加工することができる。例えば、ノズル本体114及びカラー116は、コンピュータ数値制御(CNC)機械加工法のような制御機械加工法を使用して機械加工することができる。適切なCNC機械加工法は、とりわけ多軸CNC機械加工センタを有する機械又は放電機械加工(EDM)するように構成された機械を使用して実行することができる。その他の機械加工法も使用することができる。加えて、ノズル本体114及びカラー116は、これらの部品が単体構造を有するように鋳造することができる。本明細書では、単体構造を得るのに適したさらに他の製造法を使用することができる。ノズル本体114及びカラー116は、ステンレス鋼のような材料の単体構造部品で形成することができる。
図6は、線6・6に沿って取った、一次燃料ノズルアセンブリ106の断面図である。カラー116の内面は、相対的に円錐形とすることができる。ベーン132の各々は、カラー116の内面の一部分に連結した外面を有することができる。図示するように、交差部142は、カラー116の内面と各ベーン132の外面との間に形成することができる。例えば、交差部142は、比較的角度があるようにすることができ、或いは僅かな湾曲又は半径を形成するようにすることができる。交差部142は、カラー116の周りで比較的一様とすることができる。例えば、交差部142は、約0.005インチよりも小さい範囲だけ変化させることができる。従って、空気と燃料とは、ノズル本体114の出口端部128の周りで均一に分散させることができる。空気/燃料混合物内の燃料の比率は、比較的一定とすることができ、また燃焼チャンバ110、112内の温度は、制御することができる。その結果、燃焼チャンバ110、112内でのNOxの発生は、減少させることができる。
ノズル本体114に対してカラー116をロウ付け又は溶接する時に、各交差部142に接合部又はフィレットを形成するために合金流が使用される。合金流は制御するのが比較的困難であるので、接合部は、交差部142にわたってその寸法及び形状が変化して、ウインドウ134の断面積の変動を引き起こすおそれがある。接合部は、製造時に検査して、確実な連結が形成されたことを確認することができる。接合部はまた、使用によって検査して、接合部が失敗しなかったことを確認することができる。具体的には、接合部を形成した構成要素は、燃焼器102の作動時にウインドウ134を通過する燃料及び空気と接触状態に置かれかつ燃料及び空気が異なる温度となる場合がある。例えば、燃料は、約70°F〜約80°Fもの低い温度を有し、一方、空気は約700°Fもの高い温度を有する場合がある。従って、燃焼器102の正常作動時に、接合部は、異なる熱膨張割合に曝され、この異なる熱膨張割合は、応力を生じさせ或いは場合によっては破損を引き起こすほど大きな引張り力条件下に接合部を置くようになる。
一方、カラー116をノズル本体114と一体形に形成した場合には、カラー116とノズル本体114との接合部142は、ノズル本体114の周りで比較的一様である。例えば、接合部142は、約±0.005インチの許容差の範囲内で変動するようにすることができる。従って、一次燃料ノズルアセンブリ106は、その断面積におけるより小さい変動を有することができ、かつ破損することなく比較的高い応力に耐えることができる。
再度図2及び図3を参照すると、一次燃料ノズルアセンブリ106はまた、オリフィスプレート118を含むことができる。オリフィスプレート118は、取外し可能でありかつノズル本体114内部上に配置されるように構成される。オリフィスプレート118を貫通して幾つかのオリフィス144を形成して、燃料がオリフィス144を通って開口130に向かって流れるようにすることができる。開口130に流れる燃料のボリュームは、オリフィスプレート118両側の圧力差とオリフィス144の寸法及び形状とによって影響される。オリフィスプレート118は取外し可能であるので、オリフィスプレート118は、オリフィス144が燃料によって摩耗状態になった時に交換することができる。オリフィスプレート118はまた、異なるオリフィスプレート118で置き換えて、燃焼器102の作動を変更することができる。
図5は、保持リング146の実施形態の斜視図である。図6を参照すると、オリフィスプレート118は、保持リング146によって所定の位置に保持することができる。より具体的には、オリフィスプレート118は、ノズル本体114上のフランジ148と保持リング146との間に配置することができる。フランジ148は、ノズル本体114の内部内に内向きに延びて、オリフィスプレート118がさらにノズル本体114内に移動するのを防止するストッパを形成することができる。保持リング146は、フランジ148に隣接してノズル本体114の内面に対して解放可能に結合するように構成することができる。従って、保持リング146は、オリフィスプレート118がさらにノズル本体114から外方に移動するのを防止するストッパを形成する。従って、フランジ148と保持リング146との間にオリフィスプレート118を配置した時に、オリフィスプレート118は、所定の位置に保持される。
ノズル本体の内面に対して保持リング146を結合するようにするために、保持リング146及びノズル本体114には、結合機構152を設けることができる。例えば、結合機構152は、保持リング146の外面上のネジ山154とすることができる。ネジ山154は、ノズル本体114の内面上のネジ山158と係合するように構成することができる。他の実施形態では、その他の結合機構152を使用して、ノズル本体114の内面に対して保持リング146を解放可能に結合することができる。
保持リング146を解放してオリフィスプレート118を取外すようにするために、保持リング146には、解放機構160を設けることができる。例えば、保持リング146は、ツール(図示せず)の形状に対応した形状を有することができる。対応する形状のために、ツールは、保持リング146と噛み合うことができる。ツールは、保持リング146に対してトルクを加えて、保持リング146を取外すことができるようにする。図5に示すように、解放機構160は、保持リング146の内面に形成された幾つかの凹部162を含むことができる。凹部162は、対応する突出部(図示せず)を有するツールが係合するように構成して、保持リング146を取外すことができるようにすることができる。他の実施形態では、解放機構160は、その他の構成を有することができる。
一次燃料ノズルアセンブリ106はさらに、オリフィスプレート118とノズル本体114の内面との間にシールを形成するように構成されたシール機構166を含むことができる。シール機構166は、オリフィスプレート118の周辺部168の周りで開口130に向かって燃料が流れるのを防止することができる。従って、オリフィスプレート118を通過する燃料のボリュームを制御し、かつ空気/燃料混合物内の燃料の比率を比較的一定とすることができる。
シール機構166は、一次燃料ノズルアセンブリ106の部分断面図である図7に最もよく示されている。図示するように、シール機構166は、保持リング146の前方面上に突出リム170及び逃げ領域172を含むことができる。シール機構166はまた、フランジ148の後方面上に突出リム176及び逃げ領域178を含むことができる。リム170、176は、空間182だけ互いに間隔を置いて配置される。リム170、176は、保持リング146を締めた時にオリフィスプレート118に曲げモーメントを加えるように構成することができる。より具体的には、曲げモーメントは、オリフィスプレート118の周辺部168の周りに加えることができる。曲げモーメントは、オリフィスプレート118に降伏を引き起こさないが該オリフィスプレート118に曲げを生じさせるのに十分なものとすることができる。オリフィスプレート118が曲がるので、オリフィスプレート118の周辺部168の周りにシールを形成することができる。シールは、燃焼器102の作動により一次燃料ノズルアセンブリ106の構成要素が変動する熱膨張割合を受けた時に、機能を持続する。曲げモーメントが減少すると、非シール状態になる代わりに、オリフィスプレート118は、弛緩するか又は平衡状態に戻るかのいずれかとなる。
逃げ領域172、178は、曲げモーメントの下でオリフィスプレート118が撓むのを可能にするように構成することができる。換言すれば、オリフィスプレート118は最初に、逃げ領域172、178内に曲り込み、シールが形成されるようになる。加えて、逃げ領域172、178は、オリフィスプレート118が所定の限界値を超えて曲がるのを防止するストッパとして作用する。例えば、逃げ領域172、178は、オリフィスプレート118が降伏又は変形を生じないで曲がるような寸法にすることができる。他の実施形態では、シール機構166は、その他の構成を有することができる。
必ずではないが、燃焼器102の作動時に保持リング146が緩む可能性がないことを保証するためにフェイルセーフ機構を設けることができる。例えば、保持リング146とノズル本体114との間に幾つかの仮付け溶接(図示せず)を施工することができる。仮付け溶接は、取外し可能であるが比較的固定形である。それに代えて、保持ピン又はタブ(図示せず)のようなその他のフェイルセーフ機構を使用することができる。
オリフィスプレート118は取外すことができるので、オリフィスプレート118は、オリフィス144が摩耗状態になった時に補修又は交換することができる。オリフィスプレート118はまた、異なる燃料組成を必要とする場合に交換することができる。いずれの場合にも、ノズル本体114は、再使用して、在庫費用及び保持在庫量を低減することができる。シール機構166は、温度及び流れ条件の範囲全体にわたってオリフィスプレート118及びフランジ148をシール状態に維持するのを保証して、熱膨張割合の変動を可能にする。
図8は、一次燃料ノズルアセンブリを製造する方法800の実施形態を示すブロック図である。ブロック802において、ノズル本体及びカラーを形成することができる。カラーは、ノズル本体と一体形に形成することができる。例えば、ノズル本体とカラーとは、材料の単体構造部品で形成することができる。ノズル本体及びカラーは、上述したようにとりわけ機械加工法又は鋳造法を使用して形成することができる。
ブロック804において、オリフィスプレートを形成する。例えば、オリフィスプレートは、とりわけ機械加工法を使用して形成することができる。使用することができる1つの機械加工法は、CNC機械加工法である。オリフィスプレートを形成する段階はさらに、オリフィスプレートを貫通する幾つかのオリフィスを形成する段階を含む。
ブロック806において、オリフィスプレートは、ノズル本体に結合することができる。幾つかの実施形態では、オリフィスプレートは、ロウ付け法又は溶接法を使用してノズル本体に恒久的に結合することができる。他の実施形態では、オリフィスプレートは、ノズル本体に解放可能に結合することができる。例えば、オリフィスプレートは、ノズル本体上のフランジと取外し可能な保持リングと間にオリフィスプレートを配置することによって、ノズル本体に対して解放可能に結合することができる。取外し可能な保持リングは、ノズル本体に対して結合して、フランジに当接させてオリフィスプレートを保持することができる。例えば、取外し可能な保持リングは、ノズル本体上のネジ山と係合するように配置されたネジ山を有することができる。
ブロック808において、オリフィスは、ノズル本体に対してシールすることができる。オリフィスプレートがロウ付け法を使用してノズル本体に結合された実施形態では、オリフィスプレートの全周辺部をロウ付けすることによってシールを形成することができる。オリフィスプレートが保持リングを使用してノズル本体に取外し可能に結合された実施形態では、保持リング及びフランジを使用して、オリフィスプレートの周辺部の周りで該オリフィスプレートに対して曲げモーメントを加えることができる。
前述の説明及び図面においては実施例として一次燃料ノズルアセンブリ及び方法の特定の実施形態を詳細に開示してきたが、本開示の技術的範囲から逸脱せずに変更及び修正を加えることができることを当業者には理解されたい。全てのそのような変更及び修正は、特許請求の範囲で保護されるような本開示の技術的範囲内に含まれることになることを意図している。
ガスタービンの燃焼器を示す、ガスタービンの部分断面図。 一次燃料ノズルアセンブリの実施形態の斜視図。 図2に示す一次燃料ノズルアセンブリの斜視図。 その中に配置された幾つかの一次燃料ノズルアセンブリを示す、燃焼器の端部カバーの斜視図。 保持リングの実施形態の斜視図。 線6・6に沿って取った、図3に示す一次燃料ノズルアセンブリの断面図。 線6・6に沿って取っておりかつそのシール機構を示す、図3に示す一次燃料ノズルアセンブリの部分断面図。 一次燃料ノズルアセンブリを製造する方法の実施形態を示すブロック図。
符号の説明
100 ガスタービン
102 燃焼器
104 カバー
106 一次燃料ノズルアセンブリ
108 二次燃料ノズル
110 第1のチャンバ
112 第2のチャンバ
114 ノズル本体
116 カラー
118 オリフィスプレート
120 固定部材
122 ガスケット
128 ノズル本体出口端部
130 開口
132 ベーン
134 ウインドウ
140 一次燃料ノズルアセンブリ出口端部
142 角度交差部
144 オリフィス
146 保持リング
148 フランジ
152 結合機構
154 保持リングネジ山
158 ノズル本体ネジ山
160 解放機構
162 凹部
166 シール機構
168 周辺部
170 保持リング突出リム
172 保持リング逃げ領域
176 フランジ突出リム
178 フランジ逃げ領域
182 空間

Claims (10)

  1. ノズル本体(114)と、
    前記ノズル本体(114)の内部に着脱自在に配置されたオリフィスプレート(118)と
    を備える燃料ノズルアセンブリ。
  2. 前記オリフィスプレート(118)を所定の位置に保持するための保持リング(146)をさらに含む、請求項1記載の燃料ノズルアセンブリ。
  3. 前記保持リング(146)が、前記ノズル本体(114)に該保持リング(146)を取外し可能に結合するための結合機構(152)を含む、請求項2記載の燃料ノズルアセンブリ。
  4. 前記結合機構(152)が、前記保持リング(146)上に形成された複数の結合ネジ山(154)を含み、前記結合ネジ山(154)が、前記ノズル本体(114)上の複数のネジ山(158)と係合するように構成される、請求項3記載の燃料ノズルアセンブリ。
  5. 前記保持リング(146)が、前記ノズル本体(114)から前記オリフィスプレート(118)を取外すための解放機構(160)を含む、請求項2記載の燃料ノズルアセンブリ。
  6. 前記解放機構(160)が、前記保持リング(146)上に複数の凹部(162)を含む、請求項5記載の燃料ノズルアセンブリ。
  7. 前記保持リング(146)が、前記オリフィスプレート(118)及びノズル本体(114)をシールするためのシール機構(166)を含む、請求項2記載の燃料ノズルアセンブリ。
  8. 前記シール機構(166)が、前記ノズル本体(114)のフランジ(148)上のリム(176)から間隔を置いて配置されたリム(170)を含み、前記リムが、前記保持リング(146)を締めた時に前記オリフィスプレート(118)に対して曲げモーメントを加える、請求項7記載の燃料ノズルアセンブリ。
  9. 前記ノズル本体(114)の外部上に一体形に形成されたカラー(116)をさらに含む、請求項1記載の燃料ノズルアセンブリ。
  10. カラー(116)をさらに含み、 前記ノズル本体(114)と前記カラー(116)との間に角度交差部(142)が形成される、請求項1記載の燃料ノズルアセンブリ。
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