JP2011517761A - 液体燃料を噴霧するための渦巻噴霧ノズル、渦巻噴霧ノズルの製造方法、及び渦巻噴霧ノズルを備えたバーナ用ノズル組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造可能でかつ液体燃料の噴霧に関して高効率な渦巻噴霧ノズルとその製造方法及び渦巻噴霧ノズルを有するガスタービンバーナ用ノズル組立体を提供する。
【解決手段】渦巻噴霧ノズル（１）は、ノズル体（２）を備え、ノズル体（２）が中空円筒（５）の一方側につながる底部（４）と中空円筒（５）の他方側につながる頭部（６）とを備えた中空円筒（５）を有し、ノズル体（２）内に渦巻室（３）が形成される。中空円筒（５）には、底部（４）近くに、中空円筒（５）の縦軸に対して垂直な平面内にかつ中空円筒（５）の周方向に或る角度だけ傾けて配置された少なくとも１つの流入口（７，８）が設け、頭部（６）には、中空円筒（５）の縦軸上にある流出口（９）が設ける。これにより液体が流入口（７，８）を通して渦巻動作を受けるべく渦巻室（３）の中に接線方向に流入可能とし、かつ渦巻室（３）から流出口（９）を通して軸方向に流出可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料を噴霧するための渦巻噴霧ノズル、渦巻噴霧ノズルの製造方法及び渦巻噴霧ノズルを備えた燃焼室のための、特にガスタービン用の燃焼室のためのノズル組立体に関する。

ガスタービンは圧縮機、燃焼室及びタービンを有する。燃焼室内には燃焼空気−燃料混合物が点火のためにもたらされ、それによって熱ガス流が生じる。熱ガス流はタービン内で膨張させられ、タービンが圧縮機を駆動しかつ実効出力を供給する。実効出力は、例えば発電所における発電機を駆動するための軸出力である。

ガスタービンにおいては、燃焼室内で気体燃料も液体燃料も燃焼させることができる。液体燃料を使用する場合には、液体燃料を、燃焼前に燃焼空気内において予め定められた液滴サイズ分布及び濃度で噴霧すべきである。従来、液体燃料の噴霧は噴霧ノズルにより行なわれている。

噴霧ノズルは、直接に燃焼室又は予混合室に収納されている。燃焼室内もしくは予混合室内の狭い構造のゆえに、噴霧ノズルは予め決められた制限された奥行寸法を持つことが必要である。この制限された奥行寸法を考慮して構成される噴霧ノズルは限られた噴霧作用しか持たないので、噴霧ノズルには、液体燃料−燃焼空気混合物中に渦巻を発生させるために付加的な渦巻発生装置が設けられる。渦巻発生装置を備えた従来の噴霧ノズルは、塊状材料から旋盤加工、フライス削り及び／又はドリル開けによって作られるか、あるいはその代わりにマイクロ積層構造様式にて作られ、これらは高コストである。

本発明の課題は、渦巻噴霧ノズル及びノズル組立体が低コストで製造可能でありかつ液体燃料の噴霧に関して高効率である液体燃料を噴霧するための渦巻噴霧ノズル、渦巻噴霧ノズルの製造方法、及び渦巻噴霧ノズルを有するガスタービンバーナ用ノズル組立体を提供することにある。

液体燃料を噴霧するための本発明による渦巻噴霧ノズルは、中空円筒の一方側につながる底部と中空円筒の他方側につながる頭部とを備えた中空円筒を持ったノズル体を有することによって、ノズル体内に渦巻室が形成されている。更に、中空円筒には、底部の近くに、中空円筒の縦軸に対して垂直な一平面内にかつ中空円筒の周方向に或る角度だけ傾けられて配置された少なくとも１つの流入口が設けられていて、そして頭部には、中空円筒の縦軸上に流出口が設けられており、これによって、液体が、流入口を通して渦巻動作を受けるように渦巻室の中に接線方向に流入可能であり、かつ渦巻室から流出口を通して軸方向に流出可能である。

渦巻噴霧ノズルを製造するための本発明による方法は、次のステップを有する。すなわち、
中空円筒の一方側につながる底部と中空円筒の他方側につながる縦方向端部とを備えた中空円筒を有する未完成部材を準備するステップであって、その際に中空円筒には、底部の近くに、中空円筒の縦軸に対して垂直な一平面内にかつ中空円筒の周囲に対して接線方向に或る角度だけ傾けて配置された少なくとも１つの流入口が形成されていると共に、中空円筒の縦方向に見て、流入口と開いた縦方向端部との間に、場合によっては中空円筒の縦軸を取り囲む環状段部が中空円筒の外周に形成されていることにより、環状段部の流入口側における中空円筒外径が、開いた縦方向端部側の中空円筒外径よりも大きいステップ、
保持キャップと成形型とを備え、成形型が円錐形部分と底部分とから構成され、成形型と保持キャップとが一直線の並びにあるプレスを準備するステップ、
保持キャップの中に未完成部材をその底部の方から保持キャップに当接するまで嵌め込むステップであって、その際に未完成部材の開いた縦方向端部が円錐形部分の方に向けられているステップ、
保持キャップを成形型の方向に移動させることにより、開いた縦方向端部が円錐部分及び底部分によって内側に変形され、開いた縦方向端部が未完成部材の縦軸に対して垂直の状態になって流出口を形成するステップ。

ガスタービン用の本発明によるノズル組立体は円錐部分を有し、円錐部分の内部にノズル組立体室が形成されている。更に、円錐部分にノズル組立体室流出開口が設けられて、ノズル組立体室流出開口の中に渦巻噴霧ノズルが、それの底部がノズル組立体室の中に突出するように嵌め込まれることによって、液体燃料−空気混合物が、ノズル組立体室から流入口を通して渦巻動作をすべく渦巻室に流入可能であり、かつ渦巻室から流出口を通してノズル組立体室の外に流出可能である。

渦巻噴霧ノズルは、本発明による方法により低コストで製造可能であり、かつ高い噴霧効率を有する。更に、液体燃料−空気混合物がノズル組立体室から渦巻噴霧ノズルを通してガスタービン燃焼室の中へ流入する。渦巻噴霧ノズルはノズル組立体の円錐部分に収納されている。それによって、ノズル組立体の円錐部分において渦巻噴霧ノズルにより渦巻動作で生じさせられる液体燃料の燃焼空気中における噴霧が行なわれ、それによって燃焼空気中における液体燃料の液滴サイズ分布の高い均一性を達成することができる。したがって、ノズル組立体による燃焼空気中における液体燃料の噴霧は高効率である。

ノズル体の直径に対する高さの比が１よりも小さいとよい。それによってノズル体の高さが小さいので渦巻噴霧ノズルが僅かな構造高さを持つ。このことは有利である。なぜならば、ノズル組立体室内においては限られた構造空間しか自由に使用できず、したがって本発明による渦巻噴霧ノズルが本発明によるノズル組立体に組込可能であるからである。

更に、渦巻噴霧ノズルが一平面内において中空円筒の中心点に関して点対称に配置された２つの流入口、特に孔及び／又はスリットを有し、２つの流入口の縦軸が互いに平行であることが好ましい。更に、前記平面が頭部よりも底部の近くに存在するとよい。

それにともなって本発明により定められる渦巻室における流入口の位置によって、渦巻室において渦巻流が効率的に発生可能であるので、渦巻噴霧ノズルの噴霧効果が高い。

中空円筒の縦方向に見て、流入口と頭部との間に、中空円筒の縦軸を取り囲む環状段部が中空円筒の外周に形成されていると好ましく、これにより、流入口における中空円筒の外径が中空円筒の頭部における外径よりも小さい。

それによって、本発明によれば、未完成部材が渦巻噴霧ノズルの製造時に保持キャップで支持可能である。したがって、渦巻噴霧ノズルの製造時に、未完成部材の底部ならびに未完成部材の環状段部と底部との間の部位が保持キャップによって保持されるので、この部位は変形されない。むしろ未完成部材の環状段部から未完成部材の開いた縦方向端部までの部位が変形されるので、渦巻噴霧ノズルの製造時における環状段部と底部との間の未完成部材の部位における未完成部材の望ましくない曲がりが発生することはない。

未完成部材が旋盤加工部材であるとよい。それによって未完成部材が大量に低コストで製造可能である。

更に、成形型が円錐形部分の対称軸を中心に回転可能に支持されていると好ましく、これにより、未完成部材が押圧絞り成形される。それによって、大きな壁厚を有する未完成部材を有利に加工することができる。

更に、渦巻噴霧ノズルを製造するための方法が、流出口を予め定められた直径まで孔あけ加工するステップを有するとよい。それによって、流出口の直径を、押圧絞り成形工程後に確定することができる。極端な事例では、開いた縦方向端部が内側に向けて、流出口が蓋をされるように変形される。

渦巻噴霧ノズルを製造するための方法が、流入口を、接線方向に傾けられたスリット及び／又は接線方向に傾けられた孔として形成するステップを有するとよい。

それによって、渦巻噴霧ノズルのノズル体において、ノズル体の押圧絞り成形終了後に有利に流入口を形成することができる。

ノズル組立体に関して、ノズル組立体室の多数の流出開口と、それらのそれぞれの中に配置された渦巻噴霧ノズルとを、円錐部分の周囲に配分して配置するとよい。

それによって、有利に、ノズル組立体について液体燃料−空気混合物の均一な流れが達成される。

更に、渦巻噴霧ノズルがノズル組立体室流出開口に圧入及び／又はろう付けされているとよい。

それによって、渦巻噴霧ノズルがノズル組立体室流出開口に安定にかつ低コストにて取り付けられる。

本発明による渦巻噴霧ノズルの縦断面図である。 図１の渦巻噴霧ノズルの未完成部材の縦断面図である。 図２の未完成部材の横断面図である。 図２及び図３の未完成部材により図１の渦巻噴霧ノズルを製造するためのプレスの縦断面図である。 本発明によるノズル組立体の縦断面図である。

以下において、添付の概略図面を参照しながら本発明による渦巻噴霧ノズル及び本発明によるノズル組立体の有利な実施例に基づいて本発明を更に説明する。

図１から明らかのように渦巻噴霧ノズル１はノズル体２を有する。このノズル体２は、中空円筒５と、中空円筒５の一端につながる底部４と、中空円筒５の他端につながる頭部６とから構成されている。それによって、中空円筒５と底部４と頭部６とによって渦巻室３が形成されている。中空円筒５内には、底部４の領域において渦巻室３に合流する第１の流入口７及び第２の流入口８が形成されている（図３参照）。流入口７，８は、中空円筒５の縦軸に対して垂直に広がる一平面内にあり、この平面内において、流入口７，８は同じように傾斜角１０だけ中空円筒５の周方向に傾けられている。更に、流入口７，８は、中空円筒５の縦軸５を中心に点対称に配置されていて、流入口７，８の縦軸は互いに平行である。それによって、流入口７，８は渦巻室３の中に接線方向に開口し、互いに向かい合わせ配置されているので、流入口７，８を通して液体燃料−空気混合物が渦巻室３に流入して、渦巻室３内において渦巻動作をする流れが形成される。

頭部６には１つの流出口９が設けられ、流出口９の縦軸は中空円筒５の縦軸と一致する。

流入口７，８の直径及び傾きと、流出口９に対する直径比とを規定することによって、噴霧を狙い通りに調整することができる。

頭部６は丸み付け部１３により中空円筒５につながっていて、渦巻室３から見て外側にある流出口９の周縁には面取り部１４が設けられている。それによって頭部側ではノズル体２に丸い輪郭が付与されている。

中空円筒５は、その外周に、周囲を取り巻く環状段部１１を備えていて、環状段部１１から底部４に向かう中空円筒５の部位は、環状段部１１から頭部６に向かう中空円筒５の部位よりも小さい外径を有する。

図２及び図３には渦巻噴霧ノズル１の未完成部材１２が示されている。未完成部材１２は、頭部６がまだ形成されていないという点で、渦巻噴霧ノズル１のノズル体２とは相違している。むしろ、底部４を備えたこの未完成部材６は、開口１５を備えた開いた縦方向端部１６を有する半閉鎖の中空円筒の形を持つ。

図４に保持キャップ１８と成形型１９と備えたプレス１７が示されている。保持キャップ１８は、環状段部１１から底部４に向かう部位における未完成部材１２の形状を模擬して作られた凹部を有する。この凹部の中に未完成部材１２が嵌め込まれ、未完成部材１２が環状段部１１で保持キャップ１８に支持されていて、流入口７，８が保持キャップ１８によって覆われている。

更に、未完成部材１２の開いた縦方向端部１６が、保持キャップ１８から突き出ていて、成形型１９の方を向くように配置されている。

成形型１９は、縦方向端部１６の方を向いた側に、保持キャップ１８の縦軸と一致する縦軸を持った円錐形部分２０を有する。円推形部分２０は、その中央部において、円錐形部分２０の縦軸に対して垂直に広がる底部分２１によって接続されている。

円錐形部分２０及び底部分２１は、保持キャップ１８が成形型１９の方向にそれの縦軸に対して平行に移動された際に、縦方向端部１６が円錐形部分２０に突き当たり、保持キャップ１９の縦軸の方に向かって内側に誘導されるように構成されている。最終的には、開いた縦方向端部１６が押圧絞り成形により底部分２１に到達し、それによって丸み付け部１３を備えた頭部６が形成され、その際に保持キャップ１８の縦軸の部分に流出口９が残る。

図５にはノズル組立体２２が示され、このノズル組立体の内部にノズル組立体室２３が形成されている。液体燃料がノズル組立体室入口２４を通してノズル組立体室２３内に流入する。

ノズル組立体２２は円筒部分２５及び円錐部分２６を有する。ノズル組立体室２３は円筒部分２５内にも円錐部分２６内にも形成されていて、円錐部分２６はノズル組立体室２３の終端を成している。

円錐部分２６の周囲に一様に分布させられてノズル組立体室流出開口２７が配置されている。ノズル組立体室流出開口２７のそれぞれに渦巻噴霧ノズル１が収納されている。渦巻噴霧ノズル１は、ノズル組立体室流出開口２７に次のように収納されている。即ち、頭部６が円錐部分２６の外面と同一平面上にあって、ノズル体２における流入口７，８及び底部４が設けられている部位がノズル組立体室２３の中に突出するように収納されている。

ノズル組立体室２３内に存在する液体が、流入口７，８を通して渦巻室３内に渦巻流を形成すべく入り込み、液体燃料の予め定められた噴霧をともなって流出口９から再び流れ出て、下流側に配置された燃焼室に導入される。空気は、噴霧された液体の流出時の横からの流れによってこの噴霧された液体と燃焼前に混合される。渦巻噴霧ノズル１はノズル組立体室流出開口２７内に圧入及び／又はろう付けされている。

１ 渦巻噴霧ノズル
２ ノズル体
３ 渦巻室
４ 底部
５ 中空円筒
６ 頭部
７ 流入口
８ 流入口
９ 流出口
１０ 傾斜角
１１ 環状段部
１２ 未完成部材
１３ 丸み付け部
１４ 面取り部
１５ 開口
１６ 縦方向端部
１７ プレス
１８ 保持キャップ
１９ 成形型
２０ プレスの円錐形部分
２１ プレスの底部分
２２ ノズル組立体
２３ ノズル組立体室
２４ ノズル組立体室入口
２５ ノズル組立体の円筒部分
２６ ノズル組立体の円錐部分
２７ ノズル組立体室流出開口

Claims (13)

1. ノズル体（２）を備え、ノズル体（２）が、中空円筒（５）の一方側につながる底部（４）と中空円筒（５）の他方側につながる頭部（６）とを備えた中空円筒（５）を有することにより、ノズル体（２）内に渦巻室（３）が形成されているガスタービン用の液体燃料を噴霧するための渦巻噴霧ノズル（１）であって、
   中空円筒（５）には、底部（４）の近くにおいて、中空円筒（５）の縦軸に対して垂直な一平面内にかつ中空円筒（５）の周方向に或る角度だけ傾けられて配置された少なくとも１つの流入口（７，８）が設けられ、頭部（６）には、中空円筒（５）の縦軸上にある１つの流出口（９）が設けられていることにより、液体が流入口（７，８）を通して渦巻動作を受けるように渦巻室（３）の中に接線方向に流入可能であり、かつ渦巻室（３）から流出口（１５）を通して軸方向に流出可能である渦巻噴霧ノズル。
2. ノズル体（２）の直径に対する高さの比が１よりも小さい請求項１記載の渦巻噴霧ノズル。
3. 渦巻噴霧ノズル（１）が、前記平面内において、中空円筒（５）の中心点に関して点対称に配置された２つの流入口（７，８）、特に孔及び／又はスリットを有し、２つの流入口（７，８）の縦軸が互いに平行である請求項１又は２記載の渦巻噴霧ノズル。
4. 前記平面が頭部（６）よりも底部（４）の近くに存在する請求項１乃至３の１つに記載の渦巻噴霧ノズル。
5. 流入口（７，８）における中空円筒（５）の外径が頭部（６）における中空円筒（５）の外径よりも小さくなるように、中空円筒（５）の縦方向に見て流入口（７，８）と頭部（６）との間に中空円筒（５）の縦軸を取り囲む環状段部（１１）が中空円筒（５）の外周に形成されている請求項１乃至４の１つに記載の渦巻噴霧ノズル。
6. ノズル組立体室（２３）がその内部に形成されている円錐部分（２６）を備えたガスタービンバーナ用のノズル組立体（２２）であって、
   円錐部分（２６）にノズル組立体室流出開口（２７）が設けられていて、渦巻噴霧ノズル（１）の底部（４）がノズル組立体室（２３）内に突出するように、ノズル組立体室流出開口（２７）に渦巻噴霧ノズル（１）が嵌め込まれていることにより、液体が、ノズル組立体室（２３）から流入口（７，８）を通して渦巻動作を受けるように渦巻室（３）に流入可能であり、かつ渦巻室（３）から流出口（９）を通してノズル組立体室（２３）から外に流出可能であるノズル組立体。
7. 多数のノズル組立体室流出開口（２７）と、それらのそれぞれの中に配置された渦巻噴霧ノズル（１）とが、円錐部分（２０）の周囲に分布配置されている請求項６記載のノズル組立体。
8. 渦巻噴霧ノズル（１）がノズル組立体室流出開口（２７）に圧入及び／又はろう付けされている請求項６又は７記載のノズル組立体。
9. 次のステップを有する請求項１乃至５の１つに記載の渦巻噴霧ノズル（１）を製造するための方法。
   中空円筒（５）の一方側につながる底部（４）と中空円筒（５）の他方側につながる縦方向の開いた端部（１６）とを備えた中空円筒（５）を有する未完成部材（１２）を準備し、その際に中空円筒（５）には、底部（４）の近くに、中空円筒（５）の縦軸に対して垂直な一平面内にかつ中空円筒（５）の周囲に対する接線方向に或る角度だけ傾けられて配置された少なくとも１つの流入口（７，８）が形成されていて、かつ中空円筒（５）の縦方向に見て、流入口（７，８）と開いた縦方向端部（１６）との間に、場合によっては、中空円筒（５）の縦軸を取り囲む環状段部（１１）を中空円筒（５）の外周に形成し、これにより、環状段部（１１）に関して流入口（７，８）側における中空円筒（５）の外径が、開いた縦方向端部（１６）側における中空円筒（５）の外径よりも小さくなるステップ、
   保持キャップ（１８）と成形型（１９）とを備え、成形型（１９）が円錐形部分（２０）と底部分（２１）とから構成され、成形型（１９）と保持キャップ（１８）とが一直線上にあるプレス（１７）を準備するステップ、
   未完成部材（１２）を底部（４）の方から保持キャップ（１８）の中に、保持キャップ（１８）に当接するまで嵌め込み、その際に未完成部材（１２）の開いた縦方向端部（１６）が円錐形部分（２０）の方に向けられているステップ、
   保持キャップ（１８）を成形型（１９）の方向に移動することにより、開いた縦方向端部（１６）が円錐形部分（２０）及び底部分（２１）によって内側に変形され、開いた縦方向端部（１６）が未完成部材（１２）の縦軸に対して垂直の状態になって流出口（９）を形成するステップ。
10. 未完成部材（１２）が旋盤加工部材である請求項９記載の方法。
11. 成形型（１９）が円錐形部分（２０）の対称軸を中心に自由に回転可能に支持されていることにより、未完成部材（１２）が押圧絞り成形される請求項９又は１０記載の方法。
12. 流出口（９）を予め定められた直径に孔あけ加工するステップを有する請求項９乃至１１の１つに記載の方法。
13. 流入口（７，８）を接線方向に傾けられたスリット及び／又は接線方向に傾けられた孔として仕上げるステップを有する請求項９乃至１１の１つに記載の方法。

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