JP2009047414A - 燃料ノズル及び該燃料ノズル用の拡散チップ - Google Patents

Abstract

【課題】部品数が少なくかつ複雑でない、拡散チップを冷却する専用回路を有する燃料ノズルを提供する。
【解決手段】より具体的には、提案の設計（１１０）は、独自回路を使用して、拡散燃料又はパージ空気でチップを冷却する。冷却作用を強化するために、インピンジメントプレートを設けることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンで使用する燃料ノズル用の拡散チップに関する。より具体的には、本発明は、拡散チップ構成及び該拡散チップ構成を冷却するための改造に関する。

ガスタービンでは、燃料ノズルは、後の下流での燃焼のために空気及び燃料を混合するために使用される。ＮＯｘエミッションを減少させるために予混合モードを使用することができるまで、始動時における安定燃焼のために拡散モードが使用される。ノズルの拡散チップは、始動時に拡散火炎を生成する機構を備えていなければならず、また予混合モードの間に高温燃焼ガスによる損傷に耐えるのに十分な程に低温に維持しなければならない。現在の設計は、主流路から分流させた空気を使用して拡散チップを冷却しており、その結果、冷却空気流対主空気流の割合が不確実になりまた流路が複雑になる。

より具体的には、図１に、従来型の拡散チップ１０を示している。この図に示したように、現在の設計では、カーテン空気１２が、バーナチューブ冷却空気１４、拡散空気１６及びシャワーヘッド空気１８に分割される。参照符号２０で示す仮想線の通路から分かるように、拡散パージは、シャワーヘッド部分２２に流れない。流れの分割、従って３つの回路１４、１６、１８における有効な冷却は、入力条件に基づいて変化する可能性があり、チップの冷却（シャワーヘッド空気のしみ出し冷却による）は、独立して変更することができない。図示したように、図１の構成は、拡散チップにおいてしみ出し冷却を達成するために、複数の孔２４を使用している。熱的及び／又は構造的負荷が高い場合には、これらの孔は、応力増大部位として作用して、割れ発生までの寿命が短縮する可能性がある。さらに、これらの孔は、燃焼ガスの圧力が局所的に拡散冷却回路の圧力よりも高い場合に、燃焼ガスが拡散冷却回路内に流入することを許すおそれがある。
米国特許第６，４３８，９６１号明細書 米国特許第７，００７，４７７号明細書

本発明は、部品数が少なくかつ複雑でない、拡散チップを冷却する専用回路を使用することを提案する。より具体的には、提案の設計は、独立回路を使用して、拡散燃料又はパージ空気でチップを冷却する。冷却作用を強化するために、インピンジメントプレートを設けることができる。

従って、本発明は、燃料ノズルとして具体化することができ、本燃料ノズルは、バーナチューブ部品と、該バーナチューブ部品内部に同心に配置された中心本体アセンブリと、バーナチューブ部品とノズル中心本体との間に形成された予混合流路と、拡散チップと、中心本体アセンブリ内部に形成されかつ実質的に無孔の端部壁の内面においてその末端が終端する拡散燃料通路とを含み、拡散チップは、中心本体アセンブリに取付けられた周辺壁と、該周辺壁の遠位軸方向端部における実質的に無孔の端部壁と、軸方向端部壁に隣接して周辺壁内に形成された１以上のオリフィスと、周辺壁との間に冷却空気流路を形成するように該周辺壁に対して囲繞関係で配置されかつ中心本体アセンブリに取付けられた拡散チップシュラウドとを含み、１以上のオリフィスは、冷却空気流路及び拡散チップの下流の再循環領域の１以上と流体連通している。

本発明はまた、燃料ノズル用の拡散チップとして具体化することができ、本燃料ノズル用の拡散チップは、周辺壁と、該周辺壁の遠位軸方向端部における実質的に無孔の端部壁と、軸方向端部壁に隣接して周辺壁内に形成された１以上のオリフィスと、周辺壁との間に冷却空気流路を形成するように該周辺壁に対して囲繞関係で配置された拡散チップシュラウドとを含み、１以上のオリフィスは、冷却空気流路及び拡散チップの下流の再循環領域の１以上と流体連通している。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連させて本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く精査することによってより完全に理解されかつ評価されるであろう。

本発明は、拡散運転時にガスタービン内への燃料の噴射を可能にする機械加工及び鋳造部分のアセンブリを提供する。予混合運転時に、本発明の拡散チップの機構の特有の構成は、本拡散チップを効果的に冷却し、従って高いレベルの信頼性を維持するのを可能にする。

図１と比較して図２を参照すると、拡散チップのしみ出し冷却を達成するように従来設けられていた複数の孔は、本発明により省略されて、本提案の設計は、応力増大の原因となるそのような孔を有しなくなり、また逆流が実質的に排除されるようになる。代わりに、拡散チップ１１０の中心部分１２２を無孔にしかつオリフィス１２４を設けて、ノズルの作動により拡散パージ空気又は拡散燃料を流して、最初に参照符号１１２において拡散チップシュラウド１２８内部を流れまた参照符号１１６において拡散チップに流れるカーテン空気と合流させる。オリフィス１２４は、拡散パージを参照符号１６においてカーテン空気と合流させるために図１の構造において設けられたオリフィスと本質的に同一であることに注目されたい。

この図示した例示的な実施形態では、拡散チップ１１０の端部壁の無孔の中心部分１２２に対して間隔を置いた平行関係で、インピンジメントプレート１３０が取付けられる。インピンジメントプレート１３０は、例えば中心部分１２２の内面に向かいかつ衝突する拡散パージ空気の衝突流のための１つ又はそれ以上の衝突オリフィス１３２を含む。

また図２に示すように、この例示的な実施形態は、衝突冷却式拡散チップにおいて冷却強化形状部を有する。より具体的には、参照符号１３４で示した波形波状後部側面が設けられる。この形状部は、後部側面の表面積を増加させかつ／又は衝突後冷却媒体流に乱流を発生させることによって冷却を強化する。図示した波形波状後部側面ではなく、冷却は、リム、フィン、ピンなどによって強化することができる。上述したように、拡散パージのために衝突冷却内面の周辺に複数のオリフィス１２４を形成して、そこに向かって同心に流れているカーテン空気に合流させる。

この例示的な実施形態では、図２に概略的に示すように拡散チップ前面に対してさらに断熱皮膜が付加される。ＢクラスＴＢＣ皮膜は、温度勾配からチップを保護しかつ後部側面の冷却有効性を高める。

図１に示す従来型の設計は、Ｈａｓｔ−Ｘ棒材を機械加工しかつ次に互いにロウ付けした３つの部品からなる。例えば図２に示す本発明は、Ｈａｓｔ−Ｘ棒材を機械加工した１つのみの部分を使用しかつ複数のロウ付けの代わりに一回の完全溶け込み溶接を使用する。このようにして、本発明を具体化した拡散チップアセンブリは、部品数及びロウ付け接合部を減少させ、かつスワール孔がフィレットを有するのを可能にする。

理解されるように、図２の例示的な実施形態に示すような、本発明により構成した簡略型の拡散チップ設計及び流路は、拡散運転のための現在の拡散チップ設計と同一の流れジオメトリをもたらす。しかしながら、図１の設計におけるようにカーテン空気の一部分が有孔拡散チップ端部面を貫通して流れるようにするのではなくて、チップ端部面は、予混合時にその後部側面上を拡散パージ空気で衝突冷却され、全てのカーテン空気は、拡散１１６及びバーナチューブ冷却１１４のために流される。拡散チップ設計はまた、拡散燃料を使用して拡散チップを後部側面冷却して、拡散モード及びパイロット予混合の間に、金属平均温度が、例えば拡散燃料温度よりも１００°Ｆ高いだけの非常に低温になるようにする。

本発明のさらに別の特徴によると、シュラウド１２８及びチップは、前方及び後方で互いを重複保持される。より具体的には、図３は、拡散チップの残余部分から分解したシュラウドを示している。保持機構によると、複数のウェッジ１６０が、シュラウド１２８の遠位端部に隣接しているが該遠位端部から間隔を置いて形成される。この図示した実施形態では複数のウェッジを含んでいるが、製造の最適化により、おそらく図示したよりも少ない、全３６０°部分において多分３つ〜６つのウェッジとなるであろう。図示したように、拡散チップの遠位端部１２２の周辺部は、その中に形成された複数の溝１６２を有し、ウェッジ１６０は、間隔を置いて配置されて、図４に示すように拡散チップ上にシュラウドを入れ子状に受けた時にそれぞれの溝内で滑動する。一旦シュラウドがノズルと係合するように完全に挿入されると、図５に示すように、ウェッジは、チップ端部１２２の外周辺部の直ぐ前方に配置される。次に矢印Ｒで示すようにシュラウドを回転させることにより、溝１６２に対してウェッジ１６０を移動させて、拡散チップ構造と整列させて前方保持を行うようにする。それと同時に、この例示的な実施形態では、シュラウドの遠位端部は、参照符号１６４におけるようにウェッジ止めされて後方保持を与えられる。部品は次に、それらの前方接合面１６６においてロウ付けされる。

本発明を具体化した拡散チップ１１０は、燃料ノズルのバランスの設計の詳細に左右されず、従って、バーナチューブ、該バーナチューブ内部に同心に配置された中心本体アセンブリ、バーナチューブとノズル中心本体との間に形成された予混合流路、及び中心本体内部に形成された拡散燃料通路を含む形式の多様な燃料ノズルのあらゆるものの中に組み込むことができる。例示的な実施形態では、拡散チップは、米国特許第６，４３８，９６１号に示された形式の燃料ノズル内に設けることができ、この特許の開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れている。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

従来型の拡散チップの概略断面図。 本発明を具体化した拡散チップの概略断面図。 拡散チップ及びシュラウドの分解斜視図。 拡散チップに対するシュラウドの遠位端部の組立てを示す拡大斜視図。 組立てたシュラウド及び拡散チップアセンブリを示す拡大斜視図。

符号の説明

１１０ 拡散チップ
１１２ 拡散チップシュラウド内部の流れ、カーテン空気
１１４ バーナチューブ冷却
１１６ 拡散イップへの流れ
１２２ 中心部分
１２４ オリフィス
１２８ 拡散チップシュラウド
１３０ インピンジメントプレート
１３２ 衝突オリフィス
１３４ 波形波状後部側面
１３６ 断熱皮膜

Claims (10)

1. 燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）であって、
   周辺壁と、
   前記周辺壁の遠位軸方向端部における実質的に無孔の端部壁（１２２）と、
   前記軸方向端部壁に隣接して前記周辺壁内に形成された１以上のオリフィス（１２４）と、
   前記周辺壁との間に冷却空気流路を形成するように該周辺壁に対して囲繞関係で配置された拡散チップシュラウド（１２８）と
   を備え、前記１以上のオリフィス（１２４）が、前記冷却空気流路（１１２、１１６）及び該拡散チップの下流の再循環領域の１以上と流体連通している、燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
2. 前記実質的に無孔の端部壁の内面が、その冷却を強化するような乱流発生形状（１３４）をしている、請求項１記載の燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
3. 前記端部壁の前部外面上に配置された断熱皮膜（１３６）の層をさらに含む、請求項１記載の燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
4. 前記実質的に無孔の端部壁の内面に対して間隔を置いた平行関係で配置された有孔インピンジメントプレート（１３０）をさらに備えていて、前記インピンジメントプレートが、前記実質的に無孔の端部壁（１２２）の内面に対して冷却媒体流を衝突させるための１以上のオリフィス（１３２）を形成する、請求項１記載の燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
5. 衝突後流が、前記周辺壁内の１以上のオリフィス（１２４）を通って流れるように構成されかつ配置される、請求項４記載の燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
6. 前記インピンジメントプレート（１３０）内に形成された単一の衝突オリフィス（１３２）が存在する、請求項４記載の燃料ノズル用の拡散チップ（１１０）。
7. バーナチューブ部品と、
   前記バーナチューブ部品内部に同心に配置された中心本体アセンブリと、
   前記バーナチューブ部品と前記ノズル中心本体との間に形成された予混合流路と、
   前記中心本体との間に冷却空気流路を形成するように該中心本体に対して拡散チップシュラウド（１２８）が取付けられた請求項１記載の拡散チップ（１１０）と、
   前記中心本体アセンブリ内部に形成されかつ実質的に無孔の端部壁の内面においてその末端が終端する拡散燃料通路と、
   を備える燃料ノズル。
8. 前記実質的に無孔の端部壁（１２２）の内面に対して間隔を置いた平行関係で配置された有孔インピンジメントプレート（１３０）をさらに備えていて、 前記インピンジメントプレートが、前記実質的に無孔の端部壁の内面に対して拡散燃料流又はパージ空気流を衝突させるための１以上のオリフィス（１３２）を形成する、請求項７記載の燃料ノズル。
9. 衝突後流が、前記周辺壁内の１以上のオリフィス（１２４）を通って流れるように構成されかつ配置される、請求項８記載の燃料ノズル。
10. 前記インピンジメントプレート内に形成された単一の衝突オリフィス（１３２）が存在する、請求項８記載の燃料ノズル。

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