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

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。